Cyclodextrin-based nanosponges: a versatile class of cross-linked - PowerPoint PPT Presentation

Prof. ¡Francesco ¡Tro.a ¡ Department ¡of ¡Chemistry ¡ University ¡of ¡Torino ¡– ¡Italy ¡ francesco.tro.a@unito.it ¡ ¡ A.D. ¡1404 ¡ Cyclodextrin-based nanosponges: a versatile class of cross-linked polymers ¡

CYCLODEXTRINS ¡(CDs) : ¡ cyclic ¡oligosaccharides ¡composed ¡of ¡glucopyranose ¡units ¡ linked ¡through ¡ α -­‑1,4 ¡glycosidic ¡bonds. ¡ 6 ¡glucopyranose ¡units ¡ 7 ¡glucopyranose ¡units ¡ 8 ¡glucopyranose ¡units ¡ • CDs ¡ are ¡ produced ¡ from ¡ starch ¡ by ¡ means ¡ of ¡ enzymaQc ¡ conversion ¡ à à ¡ renewable ¡ and ¡ eco-­‑ Hydrophobic ¡ ether ¡groups ¡ friendly ¡materials. ¡ ¡ Hydrophobic ¡ • CDs ¡ can ¡ host ¡ guest ¡ molecules ¡ containing ¡ non-­‑ aliphaQc ¡ polar ¡moieQes. ¡ hydrogen ¡atoms ¡ • CDs ¡are ¡employed ¡in ¡many ¡industrial ¡fields ¡such ¡ as ¡ food, ¡ cosmeQcs, ¡ pharmaceuQcals, ¡ chemical ¡ products, ¡etc. ¡ Hydrophilic ¡ OH ¡groups ¡

Complex Formation Complex Formation From Frömming and Szejtli: Cyclodextrins in Pharmacy Kluwer Acad. Press, Dordrecht, 1994.

SOME USES OF CYCLODEXTRINS • Chiral selectors for chromatography • preparation of cholesterol free products • reduction of unwanted tastes and odour • stabilization of volatile or unstable compounds • Enzyme-like catalysis • Drug delivery • Textile applications • Inverse phase transfer catalysis • Molecular machines • To be continued……..

Some ¡products ¡containig ¡cyclodextrins ¡

S OME ¡ MORE ¡ FROM ¡ P ROCTER &G AMBLE ¡ And ¡many, ¡many ¡others… ¡

• ¡ Native cyclodextrins are incapable of forming inclusion compounds with hydrophilic or high-molecular-weight molecules. • The cheapest and most useful cyclodextrin, i.e. β -cyclodextrin, has low water solubility (1.85 wt% at r.t.) and is toxic when injected intravenously. • Many chemical modifications of cyclodextrins have been studied in order to overcome their drawbacks and to improve their technological characteristics.

A possible solution is to synthesize dimers or trimers of cyclodextrins having the hydrophobic cavities positioned in such a way as to cooperate in forming the inclusion compound with the guest molecule. This leads to much higher binding constants in comparison with either native or modified cyclodextrin monomers. CD ¡dimers ¡ CD ¡trimers ¡

Unfortunately, due to the presence of many reactive hydroxyl groups on cyclodextrins, complex reactions are required in order to prepare the desired derivative, generally with very low yields and high cost.

NANOSPONGES ¡(NSs): ¡ materials ¡with ¡nanometric ¡or ¡sub-­‑nanometric ¡pores ¡ Nanosponges ¡ Inorganic ¡ ¡ Organic ¡ • Silicon ¡NS ¡par.cles ¡ • Polystyrene ¡NSs ¡ • Titanium ¡dioxide ¡NSs ¡ • Policarbonate ¡NSs ¡ • Zeolite ¡NSs ¡ • Polyvinyl ¡alcohol ¡NSs ¡ • Other ¡metal ¡oxide-­‑based ¡NSs ¡ • Cyclodextrin-­‑based ¡NSs ¡ • … ¡ • … ¡ • Farrell, ¡D. ¡et ¡al, ¡ Silicon ¡nanosponge ¡parQcles , ¡2006, ¡U.S. ¡patent ¡20060251561 ¡A1. ¡ • Guo, ¡L. ¡et ¡al, ¡ PreparaQon ¡and ¡characterizaQon ¡of ¡TiO 2 ¡nanosponge , ¡ Mater. ¡Chem. ¡Phys. , ¡2008, ¡111, ¡322-­‑325. ¡ • Jo, ¡C. ¡et ¡al, ¡ MFI ¡zeolite ¡nanosponges ¡possessing ¡uniform ¡mesopores ¡generated ¡by ¡bulk ¡crystal ¡seeding ¡in ¡the ¡hierarchical ¡ surfactant-­‑directed ¡synthesis, ¡ Chem. ¡Commun ., ¡2014, ¡50, ¡4175-­‑4177. ¡ • Ataee-­‑Esfahani, ¡H. ¡et ¡al, ¡ RaQonal ¡synthesis ¡of ¡Pt ¡spheres ¡with ¡hollow ¡interior ¡and ¡nanosponge ¡shell ¡using ¡silica ¡parQcles ¡as ¡ template ¡ Chem. ¡Commun ., ¡2011,47, ¡3885-­‑3887. ¡ • Davankov, ¡ V. ¡ A. ¡ et ¡ al, ¡ From ¡ a ¡ Dissolved ¡ Polystyrene ¡ Coil ¡ to ¡ an ¡ Intramolecularly-­‑Hyper-­‑Cross-­‑Linked ¡ “Nanosponge” , ¡ Macromolecules , ¡1996, ¡29 ¡(26), ¡8398–8403. ¡ • Stevens, ¡ D. ¡ M. ¡ et ¡ al, ¡ Nanosponge ¡ formaQon ¡ from ¡ organocatalyQcally-­‑synthesized ¡ poly(carbonate) ¡ copoplymers, ¡ ACS ¡ Macro ¡Le6 , ¡ 2012, ¡1 ¡(7), ¡915–918. ¡ ¡ • Sharma, ¡R. ¡et ¡al, ¡ Polymeric ¡nanosponges ¡as ¡an ¡alternaQve ¡carrier ¡for ¡improved ¡retenQon ¡of ¡econazole ¡nitrate ¡onto ¡the ¡ skin ¡through ¡topical ¡hydrogel ¡formulaQon, ¡ Pharm ¡Dev ¡Technol , ¡2011,16 ¡(4), ¡367-­‑376. ¡ ¡ • Tro^a, ¡F., ¡ Cyclodextrin ¡nanosponges ¡and ¡their ¡applicaQons , ¡in ¡ Cyclodextrins ¡in ¡Pharmaceu=cs, ¡Cosme=cs, ¡and ¡Biomedicine: ¡ Current ¡and ¡Future ¡Industrial ¡Applica=ons , ¡Hoboken, ¡John ¡Wiley ¡& ¡Sons, ¡Inc., ¡2011, ¡323-­‑342. ¡

+ ¡ Cross-­‑linker ¡ CD ¡ NS ¡ • CDs ¡ can ¡ be ¡ cross-­‑linked ¡ using ¡ a ¡ wide ¡ variety ¡ of ¡ chemicals ¡ (e.g. ¡ dianhydrides, ¡ diisocyanates, ¡ diepoxides, ¡ carboxylic ¡ acids ¡ with ¡ two ¡ or ¡ more ¡ func=onali=es, ¡ etc.), ¡ thus ¡ obtaining ¡ insoluble, ¡ 3-­‑dimensional ¡ polymers. ¡ ¡ • The ¡final ¡proper=es ¡of ¡a ¡NS ¡are ¡strongly ¡influenced ¡by ¡the ¡nature ¡of ¡the ¡ cross-­‑linker, ¡the ¡degree ¡of ¡cross-­‑linking ¡and ¡the ¡reac=on ¡condi=ons. ¡ ¡ • NSs ¡ exhibit ¡ two ¡ different ¡ kinds ¡ of ¡ pores: ¡ the ¡ internal ¡ cavi=es ¡ of ¡ β -­‑CDs ¡ and ¡the ¡empty ¡spaces ¡among ¡ β -­‑CD ¡molecules. ¡

POSSIBLE MOLECULAR STRUCTURE OF NANOSPONGES

Synthesis ¡of ¡nanosponges: ¡ ¡ Carbonate ¡CD-­‑based ¡NSs ¡ • PyromelliQc ¡CD-­‑based ¡NSs ¡ • (Urethane ¡CD-­‑based ¡NSs) ¡ • (Epoxy ¡CD-­‑based ¡NSs) ¡ • (Polyamidoamines ¡CD-­‑based ¡NSs) ¡ • ¡(many ¡other ¡ ¡cross-­‑linkers) ¡ •

Synthesis ¡of ¡a ¡carbonate ¡ β -­‑CD-­‑based ¡nanosponge ¡( β NS-­‑CDI) ¡ + imidazole ¡ Rigid, ¡compact ¡ • structure ¡ in ¡anhydrous ¡DMF ¡ + at ¡90°C ¡ Low ¡water ¡ • absorp.on ¡ capability ¡ Resistant ¡to ¡ • hydrolysis ¡ ATR-­‑FTIR ¡ TGA ¡of ¡ β NS-­‑CDI(1:8) ¡ 10°C/min ¡in ¡N 2 ¡

Synthesis ¡of ¡pyromelliQc ¡ β -­‑CD-­‑based ¡nanosponges ¡( β NS-­‑PYRO) ¡ Significant ¡water ¡ • absorp.on ¡capability ¡ Ability ¡to ¡exchange ¡ • ca.ons ¡ Hydrolyzed ¡in ¡acidic ¡ • and ¡basic ¡solu.ons ¡ ATR-­‑FTIR ¡ TGA ¡of ¡ β NS-­‑PYRO(1:4) ¡ 10°C/min ¡in ¡N 2 ¡

Microscopy ¡studies. ¡ Spherical ¡Par.cles ¡are ¡seen ¡ ¡ in ¡the ¡microphotograph ¡ Microphotograph ¡of ¡Nanosponges. ¡ [F. ¡Tro^a, ¡et ¡al. ¡J. ¡Incl. ¡Phen. ¡And ¡Macr. ¡Chem. ¡2006.] ¡

Acute toxicity studies Specifications • Guidelines-OECD Guidelines 423 (OECD, 2001) • Animals- Female Wistar Albino rats (150–180 g) • Fasted- over-night prior to dosing • Samples- β -CD PMDA cross-linked NS (Plain 1:4) ASA-loaded β -CD cross-linked NS • Dose- 2,000 mg/kg • Route –Oral with oral gavage • Observations- individually after dosing at least once during the first 30 min, periodically during the first 24 h, with special attention given during the first 4 h, and daily thereafter, for a total of 14 days

Discoloration of a methyl red water solution

Applications of nanosponges: Where it all started………. Showed strong absorption of Persistent Organic Pollutants (POPs) like chlorobenzene, a common pollutant present in waste water. Chlorobenzene .7 assorbanza .6 .5 .4 Chlorobenzene .3 with NS after fixed .2 time periods .1 0 240 260 280 300 320 340 Nanometri This study indicated that NS showed strong affinity to aromatic compounds

Comparison between nanosponges and activated carbons. Water decontamination from aromatic compounds after 4 hours batch treatment with 2% adsorbent. 500,0 430,9 Blank 450,0 Activeated carbon. 400,0 Nanosponges 349,8 350,0 269,0 300,0 235,8 229,7 µ g (ppb) 219,8 250,0 214,0 209,5 200,0 145,7 128,3 150,0 94,6 67,1 100,0 31,2 50,0 16,4 1,2 0,0 Chlorobenzene 4-Chlorotoluene 2,6-Dichlorotoluene 1,3,5-Trichlorobenzene hexachlorobenzene Nanosponges ¡could ¡be ¡easily ¡restored ¡by ¡simply ¡washing ¡with ¡ ethanol ¡without ¡any ¡loss ¡of ¡acQvity ¡

NS-­‑PYRO(1:4) ¡ β -­‑CD-­‑Pyro ¡NS ¡swell ¡to ¡a ¡ relevant ¡extent ¡ + ¡H 2 O ¡ 100 ¡mg ¡ ¡ 100 ¡mg ¡+ ¡ 1340 ¡mg ¡H 2 O ¡ ¡