Nova classe de porfirinas substituídas com éter coroa: aplicação analítica e atividade catalítica na oxidação de hidrocarbonetos e do fármaco carbamazepina

I. INTRODUÇÃO

I.1. INTRODUÇÃO GERAL

A transformação oxidativa mediada por ferro-oxigenases tem atraído grande atenção da comunidade científica nas últimas três décadas. A complexidade dos mecanismos das reações de oxigenação, o estudo de intermediários, a sua utilização na síntese orgânica e o potencial econômico, são alguns fatores que estimulam a pesquisa nesta área (GROVES, 2006).

Os citocromos P-450 são uma classe de enzimas cruciais para o metabolismo oxidativo, peroxidativo, e redutivo de diversos grupos de compostos, que vão desde endobióticos, como esteróides e ácidos graxos até xenobióticos, como fármacos e agentes poluidores do meio ambiente (NELSON et al., 1999).

Os citocromos P-450 são encontrados em grande variedade de espécies: plantas, fungos, bactérias e seres humanos. No homem, a maior parte das enzimas do citocromo P-450 se encontra no fígado (MEUNIER et al., 2004).

Os primeiros estudos sobre as enzimas P-450, datam da década de 60, desde então, pesquisadores da área de química e bioquímica buscam compreender a natureza e o mecanismo das reações de oxidação catalisadas por estas enzimas (NEWCOMB & CAHNDRASENA, 2005). Este interesse reflete não somente a curiosidade científica, mas também o potencial destes compostos para aplicação comercial.

A oxidação catalítica e seletiva de moléculas orgânicas é de grande importância nos processos tecnológicos em indústrias químicas. Entretanto, apesar do avanço em síntese orgânica nos últimos tempos, a maior parte das transformações requerem algumas funcionalidades que visam favorecer a reação. Por outro lado, os materiais de partida são em geral hidrocarbonetos, principalmente alcanos lineares. Devido à natureza inerte destes compostos a funcionalização seletiva torna-se objetivo chave da indústria química (COSTAS et al., 2000).

A oxidação de alcanos é um processo termodinamicamente favorecido, entretanto é de difícil controle e pouco seletivo (COSTAS et al., 2000). Essa reação é de suma importância para a síntese de álcoois, principalmente os álcoois primários, onde o grupo CH3 é oxidado, formando vários compostos exigidos pelo mercado. Entretanto, a energia de dissociação das ligações C-H nos grupos CH3 terminais é muito maior do que dos grupos CH2 e CH, secundários e terciários, respectivamente. Desta maneira, nas reações de oxidação, os radicais formados atacam preferencialmente as ligações CH e CH2, não atacando os grupos CH3, menos reativos (SHILOV, 2000).

A natureza desenvolveu uma excelente solução para o problema da oxidação seletiva de hidrocarbonetos, utilizando metalo-enzimas, em especial as enzimas P-450 como catalisadores desses processos. Essas moléculas conseguem oxidar seletivamente os hidrocarbonetos. Um exemplo clássico é a hidroxilação da ligação C-H para a produção de álcool.

O aumento da eficiência e seletividade nas transformações de hidrocarbonetos tem sido então o objetivo de pesquisadores acadêmicos e industriais. Portanto, o estudo das reações catalisadas por esta classe de compostos torna-se de supra importância.

Sabe-se que estrutura do citrocromo P-450 compreende duas partes distintas, conforme Figura 1. Uma é a matriz protéica com peso molecular entre 40 e 60 kD. Esta estrutura protéica é responsável por fornecer um ambiente hidrofóbico para a ligação e orientação do substrato. Deste modo, a seletividade é o resultado da variação na sequência de aminoácidos da cadeia polipeptídica e da estrutura da apoproteína na qual o substrato é fixado. A outra parte constitui o sitio catalítico, que possui um grupo prostético, o grupo heme, representado pela ferro(III)protoporfirina IX, Figura 2. O átomo de ferro(III) do sítio ativo está ligado ao grupo tiolato de uma cisteína (ligante proximal) e, durante o estado de repouso, a uma molécula de água (ligante distal), que é onde ocorre a ativação do oxigênio molecular (MONTELLANO, 2004).

Figura 1: Estrutura esquemática do Citocromo P-450 (MONTELLANO, 2004)

Figura 2: Ferroprotoporfirina IX, nas enzimas citocromo P-450

O ciclo da reação é mostrado na Figura 3. Este mecanismo advém de estudos realizados para o sistema CYP-450cam e em geral é assumido para todos os P-450s (DENISOV et al., 2005).

No estado de repouso, o citocromo P-450 existe na forma de dois complexos de FeIII em equilíbrio: 1 e 2 (Figura 3). O complexo 1 contém FeIII baixo-spin, hexacoordenado com o resíduo cisteinato ocupando uma das coordenações axiais e, na outra, liga-se uma molécula de água. O complexo 2 é um complexo de FeIII alto-spin, o qual contém o resíduo cisteinato como único ligante axial. Com a aproximação do substrato à região próxima ao heme, verifica-se o deslocamento da molécula de água e consequentemente, um deslocamento do equilíbrio em direção à formação do complexo 2. Nessas condições esse metal é facilmente reduzido à ferro (II) (3) que coordena rapidamente ao oxigênio molecular (4). A redução do complexo ocorre em etapas: primeiro tem-se a formação do intermediário ferro (III) peroxo (5); em seguida este é protonado ao respectivo hidroperoxo (6). Uma segunda protonação leva à quebra heterolítica da ligação O-O e à formação de um intermediário radical ferro(IV)oxo porfirina π-cátion, Fe(IV)OP·+ ou Fe(V)OP (similar ao composto I das peroxidases), e a liberação de uma molécula de água (7). Esta espécie oxo-ferril tem sido aceita como o oxidante eletrofílico ativo do P450, embora não tenha sido ainda detectada, mesmo através das técnicas criogênicas mais sofisticadas (NEWCOMB & CAHNDRASENA, 2005).

O intermediário radical ferro(IV)oxo porfirina π-cátion transfere o átomo de oxigênio ao substrato, resultando na sua monooxigenação (8). Recentemente as espécies ferro(III)-peroxo (5) e ferro(III)-hidroperoxo (6), têm sido também propostas como intermediários capazes de oxidar substratos em algumas famílias de P-450, embora sejam menos reativas que a espécie 7 (DENISOV, 2005; CHANDRASENA, 2004).

Uma etapa mecanística que compete com a formação do complexo 5, é o chamado desvio da auto-oxidação, na qual o complexo 4 libera a molécula de oxigênio, regenerando o complexo 2 (Figura 3). Outro desvio corresponde ao desvio da oxidase no qual o complexo 7 dá origem ao complexo 2 liberando uma molécula de água (Figura 3).