Structural probes for sweetness: Microwave spectroscopic studies of edulcorants

Abstract

The determination of the three-dimensional (3D) molecular geometry of biomolecules is of great interest because it helps us to obtain plausible answers about the implications of compounds in their biological environment. In this thesis, we pursue the structural characterization of molecules perceived as sweet: perillartine, dulcin and allose. Additionally, caffeic acid, which is a compound used in the pharmaceutical industry is also studied. All the investigations were carried out using rotational spectroscopy. More precisely, two spectrometers known as Laser Ablation Chirped Pulse Fourier Transform Microwave (LA-CP-FTMW) were used in the 2 to 8 and 6 to 14 GHz frequency ranges. The results were complemented with computational methods using molecular mechanics and quantum-mechanical calculations to facilitate the analysis. The results obtained for the sweet compounds were used in order to verify the molecular theory of sweetness postulated by Shallenberger-Acree-Kier. This theory could not be verified so far due to the lack of intrinsic structural information of the molecules. The results obtained in this work allows to satisfactorily analyze the "glucophore" arrangement of the three characterized molecules. Four conformers were identified in perillartine under the isolated conditions of a supersonic expansion. All the conformers show a E configuration of the C=N group with respect to the double bond of the ring. Additionally, the characterized geometries meet the requirements of the sweetness theory, and it was possible to conjecture that perillartine has a double chance of interacting with the receptors located in the taste buds. In the study of dulcin, two conformers were detected, both structures being stabilized by an intramolecular N-H···π interaction between -NH2 and the phenyl ring. Furthermore, a third isomer was predicted but could not be detected due to conformational interconversion phenomenon. All the species analyzed are in agreement with the theory proposed by Shallenberger, Acree and Kier. Regarding allose, three species were detected which exhibit a counterclockwise arrangement of the intramolecular hydrogen bond network. Additionally, the results were complemented with calculations using non-covalent interactions (NCIplot), to ascertain the glucophore disposition. All the conformers observed fulfill the requirement of the sweetness theory. The similarity of the glucophore points in allose and glucose could explain their similar sweetness. Finally, the structural investigation of caffeic acid materialized the subtlety in the characterization provided by rotational spectroscopy, since it was possible to decipher the complete conformational landscape of this compound. This molecule has eight species, which differ slightly from each other. Additionally, this structural study provides us with valuable information that would help us to elucidate the mechanisms underlying the biological activity of this compound

La determinación de la estructura tridimensional (3D) de las biomoléculas es de enorme interés porque nos ayuda a obtener respuestas plausibles acerca de las implicaciones de los compuestos en el entorno biológico. En esta memoria de investigación se recoge la caracterización estructural de diferentes moléculas percibidas como dulces: la perillartina, la dulcina y la alosa. Así como también del ácido cafeico, el cual es un compuesto que se utiliza en la industria farmacéutica. Todas las investigaciones se llevaron a cabo mediante espectroscopía de rotación. En concreto, se utilizaron dos espectrómetros denominados Laser Ablation Chirped Pulse Fourier Transform Microwave (LA-CP-FTMW) que operan en los intervalos de frecuencias de 2 a 8 y de 6 a 14 GHz. Además, se realizaron cálculos de mecánica molecular y mecano-cuánticos que facilitaron el análisis espectral. Estos estudios estructurales fueron abordados para comprobar la Teoría Molecular del Dulzor postulada por Shallenberger-Acree-Kier, la cual no se había podido verificar debido a la falta de información estructural intrínseca de las moléculas. En esta tesis se pudo analizar satisfactoriamente la disposición “glucófora” de los tres compuestos dulces. En la perillartina se identificaron cuatro confórmeros bajo condiciones de aislamiento generado en la expansión supersónica, todos ellos presentan una configuración E del grupo C=N con respecto al doble enlace del anillo. Todas las geometrías caracterizadas cumplen con los requisitos de la teoría del dulzor, incluso, se pudo conjeturar con una doble posibilidad de recepción de la molécula con los receptores de las papilas gustativas. En cuanto a la dulcina, se pudieron identificar dos confórmeros, ambas estructuras están estabilizadas por una interacción intramolecular N-H···π entre el -NH2 y el anillo de fenilo. Además, se predijo un tercer isómero, pero no se pudo detectar debido al fenómeno de interconversión conformacional. Todas las especies analizadas están en concordancia con Shallenberger, Acree y Kier. Con respecto a la alosa se lograron detectar tres especies, las cuales exhiben una disposición en sentido contrario a las agujas del reloj de la red de enlaces de hidrógeno intramolecular. Adicionalmente, se hicieron cálculos de interacciones no covalentes (NCIplot), para cerciorarse sobre la disposición glucófora. Todas las estructuras cumplen la teoría del dulzor. La similitud de los puntos glucóforos de la alosa y de la glucosa podrían ser la razón de la igualdad de dulzor en ambos compuestos. Finalmente, en la investigación estructural de la molécula de ácido cafeico se pudo materializar la sutileza en la caracterización de la espectroscopía de rotación, dado que se consiguió descifrar el paisaje conformacional completo de este compuesto. Esta molécula presenta ocho especies, las cuales difieren entre ellas ligeramente. Asimismo, este estudio estructural nos proporciona información muy valiosa que nos ayudaría a elucidar los mecanismos subyacentes a la actividad biológica de este compuesto