Fonte: Orth, 2011
A busca por agentes nucleofílicos associada à investigação dos fatores que governam sua reatividade em sistemas simplificados de transferência do grupo fosforila são fundamentais para a compreensão dos complexos mecanismos enzimáticos. O aprimoramento de sistemas catalíticos que sejam eficientes em condições amenas também podem representar avanços em uma variedade de outros propósitos, como na proposição de antídotos substitutos das oximas na reativação da AChE e na projeção de sensores para controle de organofosforados em alimentos e no meio ambiente. Nesse contexto, pode-se enaltecer
especificamente o IMZ, visto que mesmo não detentor de efeito alfa, possui nucleofilicidade similar a -nucleófilos, além de ter apresentado caráter catalítico autêntico em reações com organofosforados.18 Portanto, os derivados de IMZ aparecem como proeminentes catalisadores nucleofílicos e a avaliação detalhada do efeito de substituintes na sua reatividade pode trazer importantes avanços não apenas para processos de detoxificação química, mas também para o desenvolvimento de enzimas artificiais.
1.3. Cálculos teóricos aplicados às reações de transferência do grupo fosforila e reatividade do imidazol
Nas últimas décadas, cálculos teóricos têm sido amplamente utilizados em diversas áreas da química, com aplicações visando, por exemplo, atribuições espectroscópicas, análise conformacional, elucidação mecanística e até mesmo o desenvolvimento de catalisadores.85 Entretanto, essa importância, eficácia e notoriedade são frutos de um longo processo de evolução científica, combinando principalmente os avanços computacionais, a física clássica (Newtoniana) e a gradativa compreensão dos princípios da mecânica quântica. Nesse sentido, cabe ressaltar que Martin Karplus, Michael Levitt e Arieh Warshel tiveram suas pesquisas sobre o desenvolvimento de modelos de cálculo para sistemas químicos complexos iniciadas mais de 40 anos antes de terem sido laureados com o Prêmio Nobel, em 2013.
Dentre os importantes alicerces referentes à origem da mecânica quântica moderna, está a determinação da Equação de Schrödinger, publicada em 1926. As soluções dessa equação são as chamadas funções de onda, que fornecem a objetivos centrais da química computacional é ponderar tempo e acurácia, para que a modelagem de um certo sistema real seja feita de forma eficiente, e trabalhos direcionados ao aprimoramento de soluções aproximadas da Equação de
Schrödinger em sistemas multieletrônicos, tem sido fundamentais para vivificar esse propósito. Nesse contexto, pode-se enaltecer os trabalhos dos cientistas Walter Kohn e John Pople, que ganharam o Nobel de Química em 1998 pelas suas contribuições no tocante ao desenvolvimento da teoria funcional da densidade (DFT, do inglês Density Functional Theory) e de métodos computacionais em química quântica, sendo considerado por muitos o principal marco na consolidação da química computacional como um campo de estudo distinto.
Numa forma simplificada, a energia total do sistema, determinada pela DFT, leva em consideração quatro contribuições distintas, como mostrado na Equação 1,
E = ET + EV + EJ + ECT (1)
onde os três primeiros termos são correspondentes aos componentes da energia clássica, sendo ET o termo da energia cinética eletrônica considerando a aproximação de Born-Oppenheimer, EV representa a energia potencial de repulsão nuclear e atração núcleo-elétron e EJ relativo à repulsão eletrônica.88 O termo ECT, por sua vez, é composto por duas partes, sendo uma referente à interação de troca e outra da correlação elétron-elétron. Como ainda não é conhecido um funcional que relacione exatamente a densidade eletrônica à energia, se fez necessária a utilização de representações aproximadas para o termo ECT. Por mais que existam diversos métodos para esse propósito, a natureza aproximada do termo da energia de correlação e troca pode acarretar na obtenção de resultados com erros consideráveis e, por isso, a escolha do funcional mais apropriado para um determinado sistema deve ser feito com cautela. Na química orgânica, dois dos funcionais mais recorrentes na literatura são o B3LYP89,90 e M06-2X91, tipicamente combinados com os conjuntos de base do Pople, para representação dos orbitais.92
Enquanto nos métodos ab initio o sistema eletrônico é descrito por meio de sua função de onda, a DFT tem seu formalismo estabelecido nos teoremas de Hohenberg e Khon, em que a densidade eletrônica do sistema aparece como variável importante.93 Uma das vantagens desse tratamento recai no fato de que, enquanto a função de onda depende de 3N coordenadas espaciais (N = número de elétrons), o funcional (função de uma função) da densidade eletrônica considera o sistema como uma única partícula descrita por 3 variáveis, uma para cada
dimensão. Essa diferença em relação aos cálculos ab initio acarreta em redução considerável da complexidade do sistema.93 Deste modo, cálculos que utilizam a DFT se destacam pelo baixo custo computacional, além de apresentarem boa acurácia nos resultados em comparação a dados experimentais.
Modelar reações de desfosforilação tem sido um contínuo desafio, principalmente envolvendo agentes nucleofílicos. Em estudos visando a elucidação mecanística, algumas informações são inacessíveis experimentalmente e, portanto, métodos de cálculo, sejam ab initio ou DFT, acabam por complementarem estudos cinéticos e colaboram para compreensão do caminho preferencial de uma reação.
Especificamente no caso de ésteres de fosfato, investigações utilizando métodos teóricos aplicados às reações de hidrólise tem atraído maior atenção, como alguns exemplos mostrados em sessão anterior, porém, gradativamente, mais trabalhos nesse sentido têm sido publicados envolvendo reações com outros nucleófilos.
Arante e Chaimovich avaliaram o tipo de mecanismo predominante e a influência do nucleófilo em processos de tiólise e alcoólise via clivagem da ligação P-O em uma série de triésteres e monoésteres.94 Nesse estudo, utilizaram método MP2 combinado com uma série de funções de base, dentre elas 31+G(d) e 6-311+G(2df,2p). Mostraram que a tiólise em triésteres é mais lenta em comparação à alcoólise e observaram que ambas as reações ocorrem em duas etapas seguindo preferencialmente mecanismo do tipo AN + DN, com formação de intermediário pentacoordenado, como mostrado na Tabela 3. A velocidade das reações envolvendo triésteres também se mostrou altamente dependente da natureza do nucleófilo e grupo abandonador, visto que a tiólise apresentou barreira 35 kcal mol-1 mais alta que a alcoólise e a dissociação do trimetilfosfato requereu 36 kcal mol-1 a mais que no caso do dimetilfenilfosfato. Isso porque, o metóxido apresenta maior energéticas similares entre os mecanismos associativo e dissociativo foram observadas para a reação de alcoólise do fenilfosfato, enquanto caminho preferencialmente dissociativo foi observado para o metilfosfato, sugerindo que esse
processo também é sensível a natureza do grupo de saída. Cabe ressaltar que em trabalho anterior, os autores haviam mostrado que no processo de tiólise do triéster trimetílico a rota preferencial ocorre via clivagem da ligação C-O, em detrimento à quebra da ligação P-O, por meio de mecanismo concertado.95 Mesmo assim, os resultados obtidos nos estudos mecanísticos via fósforo foram relevantes no sentido de compreender a ação das proteínas tirosina fosfatases, uma família de enzimas que catalisa reações de desfosforilação de resíduos de tirosina de outras proteínas do organismo, promovida por meio do ataque nucleofílico da cisteína.96
Tabela 3. Mecanismos de alcoólise e tiólise via fósforo em uma série de organofosfatos.
Éster Estrutura Alcoólise Tiólise
Dimetilfenilfosfato AN + DN AN + DN
Trimetilfosfato AN + DN AN + DN
Metilfosfato DN + AN DN + AN
Fenilfosfato AN + DN e DN + AN AN + DN
Como mencionado anteriormente, estudos tem mostrado a alta reatividade do
-nucleófilo ambidentado hidroxilamina promovendo reações com organofosforados via ataques pelo oxigênio ou nitrogênio.97-99 Nesse sentido, tem sido observado que sua forma zwiteriônica (+NH3O-) é a mais reativa em processos de desfosforilação, tipicamente com preferência de ataque via oxigênio aniônico ao fósforo (mecanismo (a), Esquema 22). Esse comportamento foi detalhado, por exemplo, no estudo da reação da hidroxilamina com o dietil-8-dimetilamônio-1-naftol, em que não foram detectados produtos referentes às outras possíveis rotas, como ataques nucleofílicos pelo nitrogênio ou oxigênio ao carbono do triéster ou via nitrogênio ao fósforo.97 Cálculos realizados em nível Hartree-Fock com conjunto de base
6-31G(d,p) permitiram não apenas confirmar a rota reacional de ataque do oxigênio ao fósforo (Esquema 22, a), mas também revelar que o mecanismo é do tipo catálise ácida-geral intramolecular, com transferência de próton do grupo +NH3 ao oxigênio da fosforila, facilitada pela formação de uma ligação de hidrogênio NH...O na estrutura do ET.
Esquema 22. Mecanismos de reação da hidroxilamina com um triéster de fosfato e