Συνθετική και φυσικοχημική μελέτη δυαδικών/τριαδικών υλικών νευρο-μεταλλοϊόντων AL(III) και Cu(II) με (καρβοξυ)φωσφονικά υποστρώματα σε συσχετισμό με τη μεταλλοτοξικότητα σε διεργασίες νευροεκφύλισης

Abstract

The aim of this study is to delineate the interactions between aluminum and copper ions, and hydroxycaboxylic acid/hyperphosphorylated targets (e.g. proteins and peptides), which influence the onset and progression of neurodegenerative diseases. In order to delineate the biological role of such metals, therefore, it is essential that the nature of interactions arising between the aforementioned metal ions and corresponding substrates is understood. To this end, the implementation of this research effort is based on the study of binary and ternary systems of Al(III) and Cu(II) with phosphonic, carboxylic and mixed carboxy-phosphonic ligands of low molecular mass. Consequently, the rational design and pH-dependent synthetic efforts at the binary and ternary levels are key aspects in the isolation and physicochemical characterization of a series of new compounds in the solid state and in solution.The first part of the aforementioned studies deals with the potential chemical interactions in binary systems of Al(III) ions and bio-mimetic carboxylic and phosphonic ligands, such as: i) mandelic acid, ii) N-(phosphonomethyl) iminodiacetic acid (NTAP), iii) nitrilo-tris(methylene-phosphonic acid) (NTA3P), and iv) 1-hydroxy ethylidene-1,1-diphosphonic acid (HEDP). Initially, aqueous speciation studies of the respective binary systems have been carried out, shedding light on the nature and the chemical composition of a variety of species that arise in solution, as a function of pH and aiding in the rational design of the pH-dependent synthesis. The new isolated materials were characterized with several techniques, namely, elemental analysis, spectroscopic techniques (FTIR, and NMR (solid state and solution)) and X-ray crystallography.1.(C4H11N2)3(C4H10N2)0.64[Al2(C8H6O3)3(C8H7O3)3]∙3.4H2O2.(CH6N3)4[Al2(C5H6NPO7)2(OH)2].8H2O3.(NH4)2[Al2(C5H6NPO7)2(H2O)2].4H2O4.K8[Al2(C3H6NP3O9)2(OH)2].20H2O (3)The structural and spectroscopic characterization of the isolated species, project their properties in the solid state and in solution, revealing their high stability and diversity in their solubility. This information contributes to the understanding of the structural speciation of the aforementioned binary systems, providing insight into the chemical attributes of species in solution and in the solid state. Furthermore, they likely reflect upon the potential biological role of the metal ion and its chemical reactivity toward the corresponding substrates-biological targets. The second part of this study pertains to the interactions of Cu(II) ions with phosphonic substrates and in particular with butylene diamine tetramethylene phosphonic acid (BDTMP). In order to comprehend the arising interactions of the binary/ternary system, the synthesis was carried out by adding both inorganic (NaOH) and organic bases, with distinct chemical features e.g. N-aromatic molecules (pyridine, and 1,10-phenanthroline). The materials that emerged from the aqueous and/or non-aqueous Cu(II)-BDTMP systems are mentioned below. The techniques that were used include elemental analysis, spectroscopic techniques (FTIR, UV-Vis), magnetic susceptibility, cyclic voltammetry studies and X-ray crystallography.1.Na6[Cu2(BDTP)(H2O)4].[Cu2(BDTMP)(H2O)4]0.5.26H2O2.[Cu2(BDTMP)(py)4].2H2O3.[Cu2(phen)2(BDTMP)]n.6.6nH2O.1.5nMeOHThe structural characteristics of the three new materials project their increased stability in the solid state and their high solubility in water. A sequential structural change can be observed by adding a bulky organic base instead of an inorganic one, thereby leading to the formation of a polymeric material as it is proven by the study of the ternary Cu(II)-BDTMP-1,10-phenanthroline. Collectively, the work undertaken has proven that binary/ternary metal-hydroxycarboxylate and metal-(carboxy)phosphonate materials synthesized, isolated and fully characterized (in the solid state and in solution) exhibit structural characteristics and physicochemical properties a) shedding light into the role of the metal ions in biological fluids, and b) delineating interactions at the binary/ternary level with molecular targets heavily involved in neurodegenerative processes.

Η ανάγκη διαλεύκανσης των αλληλεπιδράσεων των μεταλλοϊόντων Al(III) και Cu(II) με υδροξυ-καρβοξυλικά οξέα και υπερφωσφορυλιωμένους πρωτεϊνικούς στόχους που επηρεάζουν την εκκίνηση και εξέλιξη νευροεκφυλιστικών ασθενειών, αποτέλεσε το βασικό κίνητρο αυτής της ερευνητικής προσπάθειας. Η ερευνητική αυτή προσπάθεια ξεκίνησε από τη μελέτη αλληλεπιδράσεων των αναφερόμενων μεταλλοϊόντων με υδρoξυ-καρβοξυλικά και φυσιολογικά σχετιζόμενα φωσφονικά υποστρώματα χαμηλής μοριακής μάζας. Πραγματοποιήθηκε, δε, μέσα από τη μελέτη α) δυαδικών και τριαδικών συστημάτων των μεταλλοϊόντων με τα παραπάνω υποστρώματα, κάτω από συγκεκριμένες τιμές pH, β) των ιδιοτήτων αυτών στη στερεά κατάσταση και στο διάλυμα, και γ) του συσχετισμού των ιδιοτήτων των νέων ειδών με τη δομή και χημική δραστικότητά τους στο διάλυμα.Στο πρώτο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας, μελετήθηκε μία πληθώρα συστημάτων Al(III) σε υδατικό περιβάλλον. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στα συστήματα που περιείχαν α) μανδελικό οξύ (mandelic acid), β) N-(φωσφονομεθυλο) ιμινοδιοξικό οξύ (NTAP), γ) νιτριλο-τρις(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ) (Αl-NTA3P), και δ) 1-υδροξυ αιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (HEDP). Οι μελέτες υδατικής ειδοκατανομής των δυαδικών συστημάτων Al(III) με τα προαναφερθέντα υποστρώματα έδωσαν μια αναλυτική εικόνα για τη μορφή και χημική σύσταση των ειδών που σχηματίζονται στο διάλυμα σε όλο το εύρος της κλίμακας pH και αποτέλεσαν τη βάση για το σχεδιασμό της pH-εξαρτώμενης σύνθεσης. Η pH-εξαρτώμενη σύνθεση οδήγησε στην απομόνωση των παρακάτω τεσσάρων υλικών, τα οποία χαρακτηρίστηκαν με στοιχειακή ανάλυση, φασματοσκοπικές τεχνικές (FTIR, NMR (solid state και solution)) και κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ.1.(C4H11N2)3(C4H10N2)0.64[Al2(C8H6O3)3(C8H7O3)3]∙3.4H2O2.(CH6N3)4[Al2(C5H6NPO7)2(OH)2].8H2O3.(NH4)2[Al2(C5H6NPO7)2(H2O)2].4H2O4.K8[Al2(C3H6NP3O9)2(OH)2].20H2O Ο δομικός και φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός των νέων ειδών, επιβεβαίωσαν την πιθανή ανάπτυξη χημείας του Αl(IΙΙ) με φωσφορυλιωμένους στόχους βιολογικής σημασίας, προβάλλοντας ταυτόχρονα πληροφορίες για τις ιδιότητες των ειδών αυτών στη στερεά κατάσταση και στο διάλυμα. Επιπλέον, τα νέα είδη παρουσίασαν δομικά χαρακτηριστικά που αναδεικνύουν τη μεγάλη σταθερότητα αυτών, ενώ προέκυψαν διαφορές στη διαλυτότητά τους.Το δεύτερο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας επικεντρώθηκε στις αλληλεπιδράσεις ιόντων Cu(II) με φωσφονικά υποστρώματα, με κυριότερο εκπρόσωπο το βουτυλενο διαμινο (τετραμεθυλενο φωσφονικό οξύ) (BDTMP). Το σύστημα του Cu(II)-BDTMP μελετήθηκε τόσο σε δυαδικά όσο και σε τριαδικά συστήματα, με την προσθήκη οργανικών αζωτούχων βάσεων, όπως η πυριδίνη και η 1,10-φαινανθρολίνη. Τα κρυσταλλικά υλικά που απομονώθηκαν από τα παραπάνω συστήματα είναι τα εξής:1.Na6[Cu2(BDTP)(H2O)4].[Cu2(BDTMP)(H2O)4]0.5.26H2O2.[Cu2(BDTMP)(py)4].2H2O3.[Cu2(phen)2(BDTMP)]n.6.6nH2O.1.5nMeOHΟι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον πλήρη δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό όλων των ειδών που απομονώθηκαν είναι: στοιχειακή ανάλυση, φασματοσκοπικές τεχνικές (FTIR, UV-Vis), μετρήσεις μαγνητικής επιδεκτικότητας, κυκλική βολταμμετρία, και κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ.Ο δομικός και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των παραπάνω ειδών ανέδειξε την υψηλή σταθερότητα και διαλυτότητα των συμπλόκων στο νερό. Διερεύνηση των αναδυόμενων κρυσταλλικών πλεγμάτων αναδεικνύει μία διαδοχική δομική αλλαγή με την προσθήκη ολοένα και μεγαλύτερου-ογκωδέστερου μορίου οργανικής βάσης, λόγω της οποίας μεταβάλλεται η συμπεριφορά και των ιόντων Cu(II) αλλά και του υποστρώματος. Συλλογικά, κατά τη μελέτη και το χαρακτηρισμό των συστημάτων του Al(III) και του Cu(II) αποδείχθηκε η ισχυρή αλληλεπίδραση υποστρωμάτων με επιλεγμένες χημικές ομάδες, όπως η υδροξυ-καρβοξυλική και φωσφονική ομάδα, σε χαμηλής μοριακής μάζας υποστρώματα. Ποικίλοι παράγοντες αποδείχθηκαν σημαντικοί τόσο για την απομόνωση νέων ειδών, όσο και για την απόδοση συγκεκριμένων δομικών και φυσικοχημικών χαρακτηριστικών. Ο πλήρης χαρακτηρισμός αυτών, σε στερεά κατάσταση και στο διάλυμα, αναδεικνύει το ρόλο των μεταλλοϊόντων αυτών σε βιολογικά υγρά και προβάλλει τη σημασία του συσχετισμού δομής χημικής δραστικότητας στην εκκίνηση και εξέλιξη ασθενειών, όπως η νευροεκφύλιση.