Resumen: E-064

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Estudio teórico de los sitios reactivos de una serie de antiinflamatorios

López Tévez, Leonor

1 - Okulik, Nora B.

1 - Jubert, Alicia H.

2

1.Cátedra de Química Inorgánica, Departamento de Química, Facultad de Agroindustrias, UNNE.

Cte. Fernández 755 (3700) Pcia. Roque Sáenz Peña, Chaco. e-mail: nora@fai.unne.edu.ar

2.CEQUINOR (CONICET, UNLP), Depto. de Química, Facultad de Ciencias Exactas, UNLP.

Antecedentes

La inflamación es una enfermedad (o dolencia o …) en la cual los tejidos se ven afectados por aum de temp?, enrojecimiento, hinchazón (inflamación?) y dolor [1]. Los efectos terapéuticos de los antiinflamatorios no esteroidales (AINES) son bien conocidos en relación con diversas enfermedades [2]. El modo de acción de los AINES se atribuye primariamente a la inhibición de la síntesis de prostaglandinas [3] y, más específicamente, a la inhibición del sistema enzimático de la ciclooxigenasa [4], proceso en el que los grupos carboxilato juegan un rol fundamental. En este trabajo se presentan los resultados correspondientes al estudio teórico de seis anti-inflamatorios no esteroides: ácido niflúmico (ácido 2-[(3-(trifluorometil)fenil-amino]-3-piridincarboxílico), 1, indometacina (ácido 1-(4-clorobenzoil)-5-metoxi-2-metil-1-H-indol-3-acético), 2, diclofenac (ácido 2-[(2,6-diclorofenil)amino] bencenacético), 3, tolmetin (Acido-2-[5-(p-toluil)-1-metil pirrol]acético), 4, ibuprofeno (Acido-2-(4-isobutil fenil)propiónico), 5, y naproxeno (Acido-2-(6-metoxi-2-naftil)propiónico), 6, con el objeto de analizar sus propiedades y sitios de acción. Este estudio constituye la primera etapa de un trabajo dirigido a predecir el comportamiento de estas especies como ligandos en complejos, complementando así el estudio experimental. Métodos y detalles computacionales Detalles de cálculo: El espacio conformacional de los seis anti-inflamatorios se estudió utilizando el módulo de dinámica molecular (DM) implementado en el software HyperChem [10]. Las simulaciones se realizaron con el campo de fuerza MM+, disponible en dicho software. Las geometrías de partida corresponden a conformaciones en las cuales los anillos forman diversos ángulos de torsión. La temperatura de las estructuras iniciales se elevó desde 0 hasta 600 ºK en 0,1 ps. Luego, la temperatura se mantuvo constante acoplando el sistema a un baño térmico simulado con un tiempo de relajación de 0,5 ps. El intervalo de tiempo en la simulación fue de 0,5 fs. Luego de un período de equilibración de 1 ps a 500 ps, la simulación se realizó salvando las coordenadas cada 1 ps. Estas geometrías fueron luego optimizadas a un gradiente de energía menor que 0,001 kcal mol-1 Å-1 utilizando el campo de fuerza MM+. Los confórmeros de más baja energía de las estructuras se estudiaron posteriormente en el marco de la teoría de funcionales de la densidad, tal como está implementada en Gaussian 98 [11]. Las optimizaciones de geometría se realizaron utilizando el funcional híbrido de tres parámetros de Becke [12] con el funcional de correlación de Lee-Yang-Parr [13], conocido como B3LYP. Se usó el conjunto base 6-31G** para todos los átomos. Mapas de potencial electrostático: Los mapas de potencial electrostático (Molecular Electrostatic Potential Maps, MEP´s) han sido usados extensivamente en la predicción del comportamiento y de la reactividad de una amplia variedad de sistemas químicos. Los potenciales V(r), creados en el espacio en torno a una molécula por sus núcleos y electrones, constituyen una herramienta útil en el estudio de la reactividad molecular [5]. A diferencia de otras cantidades usadas actualmente como índices de reactividad, V(r) es una propiedad física real que puede determinarse tanto experimentalmente como por métodos computacionales [6]. El cálculo de propiedades fisicoquímicas sobre la superficie molecular y su visualización a través de un código de colores permite una visión diferente del comportamiento de las moléculas. En este trabajo se emplea el procedimiento propuesto por Politzer y col. [7] para la predicción de sitios de ataque electrofílico. Teoría de Atomos en Moléculas (AIM): La teoría AIM [8] está basada en los puntos críticos (PC) de la densidad de carga molecular, ρ(r), en los que el gradiente de la densidad electrónica, ∇ρ(r), es nulo. Los PC se caracterizan por los tres autovalores, λi (i = 1, 2, 3), de la matriz Hessiana de ρ(r) y clasifican como (r, s) según su rango, r (número de λi no nulos), y signatura, s (la suma algebraica de los tres valores de λi). Si bien hay cuatro tipos de PC que interesan en las moléculas: (3,-3), (3,-1), (3,+1) y (3,+3), en este trabajo sólo se calculan los dos primeros. Un PC (3,-3) corresponde a un máximo en ρ(r), caracterizado por ∇2ρ(r) < 0 y un PC (3,-1) o PC de enlace (PCE) se localiza entre dos núcleos próximos, indicando la existencia de un enlace químico entre ellos. Diversas propiedades evaluadas en un PCE y denotadas con el subínidce “b” permiten clasificar las interacciones atómicas. Las interacciones covalentes se caracterizan por grandes valores de ρb, ∇

2ρb < 0 y λ1/λ3 > 1. En cambio, en una interacción de capa cerrada (típica de uniones iónicas, enlaces de hidrógeno o interacciones de van der Waals) se caracterizan por relativamente bajos valores de ρb, ∇

2ρb > 0 y λ1/λ3<1. La teoría AIM permite también identificar los sitios reactivos por medio del Laplaciano de la densidad de carga. Esta teoría defina la capa de valencia de concentración de carga (Valence Shell Charge Concentration, VSCC) como la zona

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más externa donde ∇2ρ < 0. Esta zona se distorsiona luego de una combinación química dando PC no enlazantes (PCNE) los que son mínimos en ∇2ρ (máxima concentración de carga), y corresponden en número y posición a los pares electrónicos definidos en el modelo de Lewis [9]. Los PCNE corresponden a zonas de ataque electrofílico. Las geometrías de las especies completamente optimizadas se confirmaron como mínimos por la ausencia de frecuencias vibracionales imaginarias, luego de un cálculo vibracional realizado nivel B3LYP/6-31G**. Los MEP se visualizaron con el programa Molekel [14] utilizando las funciones de onda calculadas a nivel B3LYP/6-31G**. El análisis topológico y la evaluación de las propiedades locales se realizaron con el programa PROAIM [15] utilizando las funciones de onda calculadas a nivel B3LYP/6-311++G**. Resultados y discusión

Las estructuras optimizadas de los tres aines estudiados se muestran en la Figura 1.

Figura 1: Estructuras optimizadas de ácido niflúmico, 1, indometacina, 2, diclofenac, 3, tolmetin, 4, ibuprofeno, 5, y naproxeno, 6. Las propiedades de la densidad electrónica de carga en los PCE de las especies estudiadas revelan que la mayoría de los enlaces son de naturaleza covalente. Los valores de ρb y ∇ρb para los enlaces C-C y C-N de los anillos son típicos de interacciones covalentes, dominadas por la acumulación de la densidad de carga en la región internuclear. Los valores de ρb están en el rango 0.2861-0.3121 ua y los de ∇ρb entre -0.7336 y -0.8822 ua para los enlaces C-C y 0.2908-0.3402 au y -0.8283 y -0.9512 ua para los enlaces C-N, respectivamente. Los valores de ρb y ∇ρb para los enlaces C-F y C-Cl son interacciones covalentes más débiles que las encontradas en los enlaces C-H, C-C y C-N dado que, por ejemplo, ρb es ∼ 0.2697 ua y ∇ρb es -0.2849 ua para los enlaces C-F y ρb = 0.1884 ua y ∇ρb = -0.2529 para los enlaces C-Cl. En los grupos COOH los valores de ρb y ∇ρb están en el rango 0.4125-0.4144 ua y -0.2774 y -0.2183 ua, para los enlaces C=O; 0.2868-0.2974 ua y -0.4950 y -0.5038 ua para los enlaces C-O y 0.3544-0.3560 ua y -2.4744 y -2.4856 ua para los enlaces O-H, correspondiendo todos a interacciones covalentes. En el ácido niflúmico se encontraron dos enlaces de hidrógeno: entre N9 y H22 y entre O16 y H19 con valores de ρb de 0.0196 y 0.0298 ua y valores positivos de ∇ρb (0.0696 y 0.1246 ua), respectivamente. La relación |λ1|/λ3 es de 0.1858 ua en el primer caso y de 0.2068 ua en el segundo caso. Asimismo, se encontró un puente de hidrógeno en Tolmetin, entre O16 y H31, con similares valores de estas magnitudes para el enlace O-H en niflúmico. Los mapas de la distribución del Laplaciano muestran la concentración de carga entre los átomos en los enlaces C-H, C-C, C-N que contrastan con las regiones correspondientes a las interacciones de hidrógeno. En la Figura 2 se muestran los mapas de distribución del Laplaciano para dos de los AINES estudiados (niflúmico y naproxen).

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Figura 2. Mapa de contorno de la distribución de ∇2ρ: (a) ácido niflúmico, 1, (b) naproxeno, 6. Las líneas de color

(a) (b)

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negro y rojo representan regiones de concentración y disminución de carga electrónica, respectivamente. Los contornos del Laplaciano de la densidad de carga electrónica aumentan y disminuyen desde el contorno cero en pasos de ± 2 x 10n, ± 4 x 10n y ± 8 x 10n, con n desde -3 e incrementándose por unidad. Se ha superpuesto el grafo molecular y los PCE se indican con puntos. Obsérvese que en los enlaces de hidrógeno N9-H22 y O16-H19 en (a) la carga está localizada en las cuencas de los átomos.

Figura 3: MEPs de (a) ácido niflúmico, (b) indometacina, (c) diclofenac, (d) tolmetin, (e) ibuprofeno y (f) naproxeno. Los MEP de las seis estructuras se muestran en la Figura 3 (a)-(f). En la Figura 3(a) puede verse que en ácido niflúmico las regiones negativas están asociadas con N9, N7, O15 y F27-29 y que los valores más negativos corresponden a N9 y O15 (valores alrededor de -0.0819 ua). Así, puede predecirse que un electrófilo atacará preferentemente en la posición O15. En Diclofenac (Fig. 3(b)) pueden identificarse tres mínimos locales correspondientes a las posiciones N11, O4 y O3, con valores de -0.057, -0.077 y -0.087 ua, respectivamente, las cuales serían favorecidos para ataques electrófílicos. En Indometacina (Fig. 3(c)) las regiones negativas están asociadas con O37, O38, O19, O29 y N10 con valores comprendidos entre -0.104 y -0.0718 ua. Según esto, un electrófilo atacará con preferencia en alguno de cinco mínimos locales. En tolmetin las regiones negativas están asociadas con O16 y O25 y, en menor grado con N21 (Fig. 3(d)), en ibuprofeno

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estas regiones están asociadas con O14 y en naproxeno, con O14 y O16. Sobre la base de los resultados obtenidos con el análisis de los MEPs, se determinaron los PCNEs sobre los átomos de O y N con los valores más altos de Vmin de los seis AINES estudiados. Los resultados indican que existe un único PCNE (∇2ρ = -2.7630 ua) en el N piridínico en 1, (N9), coplanar con el anillo aromático, y que existen dos PCNE (∇2ρ ∼ -1.5582 ua) en cada N amino en 1 (N7) y 3 (N11), uno de ellos localizado en el ápice y el segundo apunta a la base de una pirámide. La existencia de estos dos PCNE puede explicarse a la luz de una conjugación entre el grupo amino y el anillo aromático (en ausencia de conjugación debería esperarse un único máximo correspondiente al par electrónico ubicado en un orbital híbrido apuntando al ápice de la pirámide) ya que el par electrónico es más parecido a un orbital p bilobulado que a un orbital híbrido. Asimismo, en 2 se encontraron dos PCNE en N10 por arriba y por debajo del plano, el primero con un valor mayor de ∇2ρ que para el segundo (-1.6178 y -1.4635 ua). Similar situación puede describirse para el N21 en 4. Por otro lado, en el O19 de la estructura 2 se encontraron dos PCNE por arriba y por debajo del plano (∇2ρ = -5.0995 y -5.1261 ua), lo que es análogo a lo encontrado en el O16 de 6, con similares valores de ∇2ρ . En el O16 en 4 se encuentran dos PCNE ubicados en el plano (∇2ρ = -5.2514 y -5.2470 ua), lo es compatible con la existencia de dos pares electrónicos correspondientes a un átomo de oxígeno con hibridación sp2. En los átomos de O del enlace C=O del grupo carboxilato con valores similares en todos los casos (∇2ρ = -4.7511 y -4.8711 ua en O15 de 1) y ubicados en el plano, compatible con dos pares de electrones obicados en orbitales híbridos sp2. Contrariamente, en el átomo de O del grupo OH se encuentran dos PCNE localizados arriba y abajo del plano (∇2ρ = -4.7122 y -4.7139 ua en O16 de 1), lo que es compatible con un par electrónico ubicado en un orbital p. En todos los casos estudiados, los átomos de oxígeno poseen valores de ∇2ρ en los NBCP mayores que los de nitrógeno., destacándose los átomos de oxígeno de los grupos éter en 2 y 6 y carbonilo en 4. Dado que los centros con valores más altos de ∇2ρ pueden considerarse indicadores de sitios preferidos para un ataque electrofílico, puede decirse que en todos los casos se espera que esto ocurra sobre los átomos de oxígeno. Aunque no puede deducirse que éstos sean los únicos sitios de ataque, los valores más altos de ∇2ρ sugieren que la aproximación de un electrófilo ocurriría con mayor probabilidad en estas zonas que en la que corresponde a los átomos de N.

Conclusiones

Se realizó un estudio conformacional de seis anti-inflamatorios no esferoidales utilizando dinámica molecular y las geometría obtenidas fueron optimizadas utilizando el campo de fuerza MM+. Posteriormente, los confórmeros de menor energía se optimizaron a nivel B3LYP/ 6-31G**. Según el análisis topológico realizado sobre las seis estructuras, puede decirse que los enlaces C-C, C-N, N-H y C-H así como los enlaces C=O y O-H de los grupos COOH corresponden a interacciones covalentes, mientras los enlaces C-F y C-Cl a interacciones intermedias. Se localizaron dos enlaces de hidrógeno en ácido niflumico y uno en tolmetin. El análisis de los diversos sitios de mayor concentración de carga electrónica realizado a través de los mapas de potencial electrostático y el cálculo de los PCNE muestran que los átomos de oxígeno de los AINES serían los sitios preferenciales de ataque electrofílico, entre ellos los de los grupos carboxilato. Estos resultados están en acuerdo con lo propuesto por Vane [3b] en el sentido de que los grupos COOH de los AINES deben despeñar un rol importante en la interacción con otros sustratos. Referencias 1. J. Macleod (Ed.), Davidson’s Principes and Practice of Medicine: a Textbook for Students and Doctors, 12th ed., Churchill

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