Comportamento voltamétrico de sulfonil-hidrazonas análogos de nitrofural em meio aquoso

Autores

Almeida, L.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO) ; Chiavassa, L.D. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO) ; Brito, C.L. (UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO) ; Gatti, F.M. (UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO) ; Trossini, G.H.G. (UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO) ; La-scalea, M.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO)

Resumo

Derivados sulfonil-hidrazonas, análogos do nitrofural e potenciamente antichagásicos, foram estudados por voltametria cíclica, em meio aquoso, utilizando ECV e com o objetivo de melhor compreender o mecanismo de ação biológica desses compostos que se caracterizam por processos de transferência de carga. Em meio ácido, observou-se formação de pico catódico irreversível correspondente à formação derivado hidroxilamínico, sendo deslocado linearmente com a diminuição da acidez do meio para valores mais negativos de potencial. Em meio alcalino, a redução mostrou-se independente do pH, registrando-se a formação do par reversível RNO₂/RNO₂^•-. O tempo de meia-vida do nitro-ânion radical foi estimado experimentalmente e corroborado por simulação teórica.

Palavras chaves

Sulfonil-hidrazona; nitro-ânion radical; nitrofural

Introdução

Doença de Chagas é doença tropical causada pelo protozoário Trypanosoma cruzi e considerada negligenciada pela OMS. Cerca de 6 milhões de pessoas encontram-se infectadas em 21 países da América Latina, causando em torno de 14 mil mortes por ano, além de cerca de 6-7 milhões de indivíduos infectados em todo o mundo com 70 milhões de pessoas sob risco de contrair a doença (WHO, 2022). Apenas dois medicamentos existem para tratamento, nifurtimox e benznidazol, eficazes na fase aguda da doença e significativos efeitos colaterais negativos. Sendo doença negligenciada, há o que ser feito em relação à quimioterapia da doença de Chagas, pois pesquisa e desenvolvimento de novas moléculas ativas é de pouco interesse das empresas farmacêuticas (SALOMON, 2012). A necessidade por novos fármacos mais eficazes e menos tóxicos mantém o interesse em pesquisas envolvendo compostos protótipos com atividade biológica efetiva, como o nitrofural. Análogos deste fármaco têm sido obtidos por bioisosterismo (GIAROLLA e FERREIRA, 2015). Nesse sentido, análogos sulfonil- hidrazonas foram avaliados frente às formas celulares epimastigota do T. cruzi, apresentando atividade inibitória de crescimento celular (GATTI, 2015). A ação biológica dessas moléculas baseia-se em processos de transferência de carga, sendo dois mecanismos aceitos para ação tripanomicida. O primeiro assume que a produção do nitro-ânion radical age sobre o parasita por meio de estresse oxidativo devido à formação de radicais livres (na presença de oxigênio). Já no segundo mecanismo, a molécula bioativa atua pela ligação de seus metabólitos com o DNA nuclear do parasita. Com efeito, o derivado hidroxilamínico e o nitro-ânion radical são aceitos como os principais responsáveis pela ação citotóxica dos nitrocompostos (RIBEIRO et al., 2020). De forma complementar, a voltametria cíclica (VC) é alternativa para o estudo de fármacos eletroativos. Os nitro-heterocíclicos possuem mecanismo de redução voltamétrica complexo, mas bem conhecido. O grupo nitro (R-NO₂) pode receber até 6 elétrons com redução para amina (R-NH₂) correspondente. Em condições anaeróbicas ou baixa pressão de oxigênio, a redução ocorre tendo a hidroxilamina (R-NHOH) como principal produto obtido chegando à amina e o derivado nitroso (R-NO) por reoxidação. Esta redução é dependente do pH com potencial deslocado para valores mais negativos. Em meio alcalino, ou baixa concentração de prótons em meio aprótico, ocorre a formação do nitro-ânion radical (R-NO₂^•-) (CHIAVASSA e LA-SCALEA, 2018; BRITO et al., 2022). O processo redox reversível do par R-NO₂/R-NO₂ ^•-, envolvendo um elétron, é registrado antes da formação do derivado R-NHOH. Após este processo reversível, reação química irreversível pode ocorrer, caracterizando-se como mecanismo EC. Assim, a decomposição do R-NO₂ ^•- é promovida através de uma reação de desproporcionamento em meio aquoso, regenerando R-NO₂ e formando R-NO (BRITO et al., 2022). Dessa forma, pretende-se aplicar a VC para caracterização e estudo do comportamento eletroquímico de dois análogos do nitrofural, NTBS (4-metil-N-[(E)-(5-nitro-2- tienil) metilenoamino] benzenosulfonamida) e NFBS (4-metil-N-[(Z)-(5-nitro-2- furil) metilenoamino] benzenosulfonamida) com vistas à geração do R- NO₂^•- e a determinação de sua estabilidade em meio aquoso em função do tempo de meia-vida e das constantes de desproporcionamento. Resultados de simulação voltamétrica utilizando-se o programa Digisim também são apresentados.

Material e métodos

Os derivados NTBS e NFBS foram sintetizados e caracterizados por GATTI (2015). As respectivas soluções estoques foram obtidas através de dissolução direta de quantidade apropriada dos reagentes em mistura (1:1) de acetonitrila e água ultrapura, sendo estocada em frascos âmbar e armazenados em baixa temperatura (4 °C). As soluções do tampão universal Britton-Robinson foram preparados a partir de reagentes comerciais de grau analítico (0,4 mol/L), H₃PO₄, H₃CCOOH e H₃BO₃ e volume apropriado de solução de NaOH (1 mol/L), cobrindo faixa de pH de 2 a 12. O controle exato de pH foi efetuado em temperatura ambiente por meio de eletrodo de vidro combinado conectado a potenciômetro (Metrohm). As medidas voltamétricas foram realizadas com Potenciostato/GalvanostatoAutolab PGSTAT302, Eco- Chimie, utilizando célula de vidro de 25 mL. Todas as medidas foram efetuadas em atmosfera inerte por meio de borbulhamento de nitrogênio, tendo como eletrodos: Ag/AgCl, KClsat como referência; platina como auxiliar e carbono vítreo (ECV) como eletrodo de trabalho (área = 0,0314 cm²). ECV foi polido manualmente a cada medida com suspensão de diamante com granulometria de 1/4 μm sobre feltro metalográfico. O mecanismo de reação do nitro-ânion radical gerado a partir da redução voltamétrica de NTBS e NFBS foi simulado digitalmente por Digisim® Simulation Software, seguindo procedimento conhecido (MOZO et al. 2011)

Resultado e discussão

O comportamento voltamétrico dos análogos NTBS e NFBS (0,1 mmol/L) em pH = 4,0 registrou a formação de pico de redução (Ecp₁) em -0,377 V e -0,355 V, respectivamente, com valores de corrente (Icp₁) correspondentes a -6,27 μA e -7,48 μA. Os dois casos apresentam comportamento irreversível, uma vez que não há registro de pico de oxidação correspondente no sentido reverso de potencial. Segundo pico de redução (Ecp₂) também foi observado em ambos os casos, sendo os valores -0,844 V para NTBS e -0,821 V para NFBS. No sentido reverso da varredura, pico em região positiva de potencial (Eap₁) foi também registrado, correspondendo aos valores de 0,274 V e 0,206 V, respectivamente. Em nenhum destes últimos casos atingiu-se magnitude de corrente na mesma ordem observada para Icp₁. Nesse sentido, pôde-se constatar significativa influência da velocidade de varredura sobre esses valores para ambos compostos, na qual Icp₁ variou linearmente com ν^½, sendo: Icp₁ = 2,42×10^-6 – 3,16×10^-5 ν^½ para NTBS e Icp₁ = 4,48×10^-6 – 3,85×10^-5 ν^½ para NFBS, o que indica processos controlados por difusão. Além disso, a irreversibilidade dos sistemas foi confirmada pelo deslocamento de Ecp₁ para valores negativos de potencial na ordem de 42 mV e 38 mv, respectivamente, por década de variação de ν. Adicionalmente, seguindo o modelo de Laviron (FATOUHI et al., 2012), os parâmetros αn (coeficiente de transferência de carga) e k₀ (constante eletroquímica de estabilidade) foram estimados, tendo os valores para NTBS de 1,42 e 0,843 s^-1 e NFBS de 1,54 e 0,989 s^-1, respectivamente. Pelos valores de αn, sugere-se o envolvimento de dois elétrons na etapa determinante da reação de redução, indicando que Ecp₁ reflete a transferência do primeiro ou do segundo elétron. Assim, nessa sequência descrita, forma-se o derivado R-NHOH relacionado ao Ecp₁, tendo R-NO como intermediário gerado na etapa lenta do processo de transferência de carga. Ecp₂ corresponde à formação da amina respectiva e Eap₁ refere-se à reoxidação da hidroxilamina inicialmente formada. Comportamento que segue o registrado para o protótipo nitrofural (BRITO et al., 2013). Valores de Ecp₁ foram linearmente pH-dependentes. A variação em meio ácido para NTBS foi de 45 mV/pH e NFBS 53 mV/pH, indicando o mesmo número de prótons e elétrons envolvidos no mecanismo de redução. Em meio alcalino notou-se significativa redução nos valores das correntes de pico e o mecanismo de redução mostrou-se independente do pH. A partir de pH 9,0 o pico catódico Ecp₁ registrado em meio mais ácido, desdobrou-se em dois processos, sendo o primeiro pico, ao redor de -0,55 V, seguido da formação do derivado R-NHOH a potencial mais negativo. Esse comportamento foi notado para ambos os compostos. Em meio alcalino observou-se o registro isolado da formação de um par reversível, indicando a formação do nitro-ânion radical, representado pelo par R-NO₂/R-NO₂ ^•- (Fig. 1) e caracterizado como mecanismo EC. Diante desses resultados, estudo cinético foi aplicado baseando-se no modelo clássico de OLMSTEAD e NICHOLSON (1969), determinando-se a estabilidade do radical em meio aquoso por meio do tempo de meia-vida (t_½) e a constante de segunda ordem para a reação química irreversível de desproporcionamento (k₂), correspondendo à decomposição do R-NO₂^•- em meio prótico, regenerando R-NO₂ e formando R−NO e água. As simulações voltamétricas pelo programa Digisim corroboram os resultados obtidos (Tabela 1) e seguem o método estabelecido por MOZO et al. (2011). Observa-se, portanto, que o derivado NFBS, com núcleo furânico, apresentou maior estabilidade para o nitro-ânion radical gerado nas condições experimentais descritas em comparação ao derivado NTBS, com núcleo tiofênico. Entretanto, não houve correlação direta entre a estabilidade cinética e porcentagem de inibição celular da forma epismatigota de T. cruzi, o que pode indicar que outras propriedades físico-químicas associadas determinaram a ação tripanomicida destes derivados, ainda que confirmem que compostos contendo o grupo nitro apresentem expressiva atividade biológica (~ 100% de inibição a 100 μmol/L).

Conclusões

Os derivados sulfonil-hidrazonas análogos de nitrofural, NTBS e NFBS, foram reduzidos voltametricamente em meio ácido usando carbono vítreo como eletrodo de trabalho. A principal onda de redução corresponde à formação do derivado hidroxilamínico, enquanto a geração e estabilização do nitro-ânion radical foi registrada em meio alcalino. Os resultados apresentados são bons exemplos para o registro da geração desse radical, baseando-se em estratégia experimental que estabelece as condições necessárias para sua detecção e avaliação cinética em uma escala de tempo adequada usando voltametria cíclica. Portanto, considerando que o nitro-ânion radical é um dos intermediários com atividade biológica para a classe dos nitro-heterocíclicos, entender as condições experimentais que permitem sua estabilização e detecção é um fator importante que pode contribuir para novos estudos sobre relação estrutura-atividade.

Agradecimentos

CNPq; Fapesp

Referências

BRITO, C. L. et al. Free radical formation evidence from Nimorazole electrochemical reduction in aqueous media. Electrochimica Acta, v. 403,139709, 2022.
BRITO, C. L.; FERREIRA, E. I.; LA SCALEA; M. A. Multi-walled carbon nanotube functionalization and the dispersing agents study applied for the glassy carbon electrode modification and voltammetric reduction of nitrofurazone; Journal of Solid State Electrochemistry, v. 24, p. 1969-1980, 2020.
CHIAVASSA, L. D.; LA-SCALEA, M. A. Square wave voltammetry of nitrofurans in aqueous media using a carbon fiber microelectrode. Journal of Solid State Electrochemistry, v. 22, p. 1395 - 402, 2018.
FOTOUHI, L.; FATOLLAHZADEH, M.; HERAVI, M. M. Electrochemical behavior and voltammetric determination of sulfaguanidine at a glassy carbon electrode modified with a multi-walled carbon nanotube. International Journal of Journal of Electrochemical Science, v 7, p. 3919-3928, 2012.
GATTI, F. M. Síntese e avaliação biológica de sulfonil-hidrazonas análogos do nitrofural como candidatos a antichagásico; Dissertação de Mestrado, Faculdade de Ciências Farmacêuticas-USP, 2015.
GIAROLLA, J.; FERREIRA, E. I. Drug design for neglected disease in Brazil. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry, v. 15, n. 3, p. 219-241, 2015.
MOZO, J. D. et al. The use of digital simulation to improve the cyclic voltammetric determination of rate constants for homogeneous chemical reactions following charge transfers. Analytica Chimica Acta, v. 699, p. 33-43, 2011.
OLMSTEAD, M. L.;NICHOLSON, R. S. Cyclic voltammetry theory for the disproportionation reaction and spherical diffusion. Analytical Chemistry, v. 41; p. 862–864; 1969.
RIBEIR0,V. et al. Current trends in the pharmacological management of Chagas disease. IJP: Drugs and Drug Resistance, v. 12, p. 7-17, 2020.
SALOMON, C. J. First century of Chagas’ disease: an overview on novel approaches to nifurtimox and benznidazole delivery systems. Journal of Pharmaceutical Sciences, v. 101, n 3, p. 888-894, 2012.