A reatividade de derivados de imidazol na transferência do grupo fosforila

Orientadora : Profª Drª Elisa Souza OrthTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa: Curitiba, 10/04/2017Inclui referências : f. 147-161Área de concentração : Físico-QuímicaResumo: A transferência do grupo fosforila está envolvida em muitos processos importantes que vão desde a detoxificação de pesticidas até funções biológicas vitais. Essa reação é eficientemente promovida por imidazol (IMZ) e ainda não há uma compreensão concisa da reatividade de seus derivados, o que poderia nortear desenvolvimento de novas moléculas com propriedades otimizadas. Nesse trabalho, a reatividade de derivados de IMZ frente ao triéster dietil-2,4-dinitrofenilfosfato (DEDNPP) foi investigada por meio de estudos cinéticos por UV-Vis, espectrometria de massas, ressonância magnética nuclear (RMN) e cálculos teóricos, tendo como foco avaliar o efeito de substituintes, do tautomerismo e do meio reacional. Dentre os medicamentos derivados de IMZ estudados, o metimazol (MMZ) foi o que apresentou a maior atividade catalítica, com incrementos na ordem de 106 vezes comparado à hidrólise espontânea do triéster. Foi observado que o fármaco apresenta caráter ambinucleofílico e mecanismo de desfosforilação modulado pelo pH do meio, com MMZ neutro atuando preferencialmente via ataque concertado do nitrogênio ao fósforo. Já sua espécie aniônica leva ao produto de substituição nucleofílica aromática pelo ataque do enxofre ao carbono. Nos estudos referentes ao efeito do substituinte, os derivados metilados monossubstituídos também se mostraram eficientes catalisadores na clivagem do DEDNPP. O 4(5)metilimidazol (4(5)MEI) apresentou a maior atividade catalítica, seguido pelo IMZ, 1-metilimidazol (1MEI) e 2-metilimidazol (2MEI), sendo essa ordem independente da basicidade. O 4(5)MEI é único derivado metilado com tautômeros distintos (4MEI e 5MEI) e foi possível diferenciar suas reatividades por meio de técnicas de RMN, indicando que o 5MEI apresenta maior nucleofilicidade. Ainda, cálculos teóricos revelaram que a atividade catalítica do 2MEI e 4MEI é minimizada por efeitos estéricos, enquanto a maior reatividade do 5MEI é resultante da alta energia do par de elétrons nucleofílico. A influência do meio (misturas DMSO/água) foi avaliada para as reações envolvendo o IMZ e 1MEI, sendo mostrado que ambientes ricos em DMSO potencializam a reatividade de ambos. Por outro lado, composições ricas em água levam a maior solvatação dos nucleófilos, diminuindo sua reatividade, sendo mais evidente no IMZ devido a sua maior capacidade de formação de ligações de hidrogênio com o meio. No estudo da influência do substituinte OH na reatividade do 4(5)hidroximetilimidazol (4(5)HMZ), evidências sugeriram que o intermediário fosforilado detectado, seja formado pelo ataque do nitrogênio ao fósforo do DEDNPP, em detrimento ao ataque pelo oxigênio via catálise básica geral. Cálculos revelaram que o 5HMZ, que não é impedido estericamente, tem barreira de ativação ligeiramente inferior que o 4HMZ. Porém, observou-se que o efeito estérico causado pelo substituinte no ataque nucleofílico do 4HMZ é energicamente compensado por uma ligação de hidrogênio entre o grupo OH e a fosforila do triéster. Essa interação estabiliza o estado de transição, levando o 4HMZ a apresentar reatividade similar ao 5HMZ. Esses resultados motivaram a realização de cálculos visando arquitetar um novo catalisador imidazólico para desfosforilação. Dentre os nove derivados avaliados, a maior reatividade foi apresentada pelo 2-hidroximidazol, no qual o grupo OH ocupa posição adjacente ao par de elétrons nucleofílico, reafirmando a importância da formação da ligação de hidrogênio no desenvolvimento de um catalisador eficiente. Assim, metodologias teórico-experimentais permitiram elucidar a reatividade de diversos derivados de IMZ, levando a uma melhor compreensão da influência de substituintes em processos de transferência do grupo fosforila. Palavras-chave: derivados de imidazol, reatividade de nucleófilos, desfosforilação.Abstract: Phosphoryl group transfer is involved in many important processes ranging from the detoxification of pesticides to vital biological functions. This reaction is efficiently promoted by imidazole (IMZ) and there is not yet a concise understanding of the reactivity of IMZ derivatives, which could guide the development of new molecules with optimized properties. In this work, the reactivity of IMZ derivatives with the triester diethyl-2,4-dinitrophenylphosphate (DEDNPP) was investigated by means of kinetic studies by UV-Vis, mass spectrometry, nuclear magnetic resonance (NMR) and theoretical calculations. The main focus was to assess the influence of substituents, tautomerism and reaction medium. Among the IMZ-derived drugs studied, methimazole (MMZ) presented the highest catalytic activity with rate enhancements in the order of 106-fold compared to the spontaneous hydrolysis of the triester. It was observed that the drug has an ambident nucleophilic character and the dephosphorylation mechanisms are modulated by the pH. Neutral MMZ reacts preferentially via concerted nucleophilic attack by nitrogen on phosphorus, while the most favorable pathway for the anionic form is the nucleophilic aromatic substitution by sulfur on carbon. Studies concerning on the effect of the substituent showed that the monosubstituted methylated derivatives are also efficient catalysts for the cleavage of DEDNPP. The 4(5)MEI is the only methylated derivative with distinct tautomers (4MEI and 5MEI) and it was possible to distinguish their reactivities by means of NMR techniques. Results indicated that 5MEI has the highest nucleophilicity compared to 4MEI. Furthermore, theoretical calculations have shown that the catalytic activity of 2MEI and 4MEI is minimized by steric effects, while the higher reactivity of 5MEI is correlated to the high energy of the nucleophilic electron pair. The influence of the medium was also evaluated in the reactions involving IMZ and 1MEI. It was quantitatively shown that DMSO-rich environments increase the reactivity of both nucleophiles. On the other hand, water-rich compositions lead to a higher solvation of nucleophiles, reducing their catalytic activity. This effect is more evident for IMZ due to its greater capability to form hydrogen bonds with the medium. The influence of the OH substituent was evaluated assessing the reactivity of 4(5)hydroxymethylimidazole (4(5)HMZ) towards DEDNPP. Evidences indicate that the detected phosphorylated intermediate is formed from the nucleophilic attack by the nitrogen lone pair to the phosphorus, in contrast to a general basic catalysis pathway by the hydroxyl group. Calculations revealed that the 5HMZ, which is not sterically hindered, presents a slightly lower activation barrier. However, it was observed that the steric effect caused by the substituent during the nucleophilic attack of the 4HMZ tautomer is energetically compensated by the formation of a hydrogen bond between the hydroxyl group and the triester phosphoryl oxygen. This interaction stabilizes the transition state, leading the 4HMZ to present similar reactivity compared to 5HMZ. These results instigated us to pursuit theoretical calculations aiming at modeling new imidazole catalysts for dephosphorylation. Among the nine IMZ derivatives evaluated, 2-hydroxymidazole presented the highest reactivity, due to the OH group adjacent to the nucleophilic electron pair. These results reaffirm the importance of the hydrogen bond formation in the development of an efficient catalyst. Therefore, the combination of theoretical and experimental methodologies allowed elucidating the reactivity of several derivatives of IMZ, providing a better understanding of the influence of substituents on phosphoryl group transfer processes. Keywords: imidazole derivatives, reactivity of nucleophiles, dephosphorylation