Nome do Projeto
Síntese de Compostos Organocalcogênios utilizando Solventes Verdes: novos agentes antibacterianos, antioxidantes e inseticidas
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/03/2020 - 29/02/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Os heterociclos são a mais ampla classe de compostos orgânicos. Eles possuem uma grande importância para a saúde pública, devido ao papel que desempenham tanto na química medicinal como na agroquímica. Cerca de 70% dos fármacos desenvolvidos e 8 entre os 10 fármacos mais comercializados mundialmente, além de uma diversidade de pesticidas líderes no mercado, possuem em sua estrutura pelo menos uma unidade heterocíclica. Entre as unidades estruturais heterocíclicas nitrogenadas de importância farmacológica e que têm sido usadas em estratégias de drug discovery estão as indolizinas, imidazo[1,2-a]piridinas, imidazo[1,2-a]pirimidinas e pirimidinas. O amplo espectro de atividades biológicas associadas a estas moléculas incluem antioxidante, antimicrobiana, antiproliferative, anti-inflamatória, anti-HIV, ansiolítica, entre outras. Além de estar presente em um grande número de fármacos, a unidade heterocíclica também é crucial para a ação inseticida de diversos produtos líderes no mercado de agrotóxicos, como o Fipronil (um pirazol) e o Imidacloprid, que possui em sua estrutura os anéis piridina e imidazol. Este último foi o pesticida mais vendido no mundo na década passada. A maior desvantagem desses inseticidas, entretanto, é o fato de todos eles terem como alvo o SNC, que é comum a insetos-praga e inimigos naturais, além de serem tóxicos a mamíferos. Neste sentido, é crescente a busca por inseticidas seletivos e seguros, que atuem apenas no inseto alvo. Por outro lado, compostos organocalcogênios (S, Se e Te) são importantes em química orgânica, pois são intermediários versáteis e catalisadores eficientes. Compostos de enxofre e selênio desempenham também importante papel em sistemas biológicos, incluindo os mecanismos de defesa contra espécies reativas de oxigênio. A selenocisteína, um aminoácido natural derivado da cisteína, participa da constituição de enzimas onde o átomo de selênio é o grupo prostético para promover reações de redução de espécies reativas de oxigênio. Dentre essas enzimas, podemos destacar a glutationa peroxidase (GPx), a tiorredoxina redutase (TrxR), alguns isômeros da metionina sulfóxido redutase (Msrs) e a selenoproteína P (SelP). Uma linha de pesquisa emergente é a busca por pequenas moléculas contendo selênio que mimetizam a ação da GPx. Mais recentemente, foi observado que compostos heterociclos contendo grupos organoenxofre podem agir como antagonistas do hormônio 20-hidróxi-ecdisona, responsável pela muda em insetos como os Lepidópteros, podendo assim leva-los à morte. Estes estudos estão abrindo uma nova fronteira na aplicação de compostos organocalcogênio, que é o planejamento racional de inseticidas seguros. O projeto prevê o desenvolvimento de novas metodologias sintéticas eficientes para o preparo de moléculas multifuncionais bioativas, que combinam a unidade heterocíclica nitrogenada com grupos organosselênio e organoenxofre. As novas moléculas preparadas serão testadas para sua atividade antioxidante, antibacteriana e inseticida, visando prospectar novos candidatos a fármacos, antibióticos e pesticidas seguros (seletivos). A equipe do projeto envolve estudantes de graduação e pós-graduação em química e pesquisadores especialistas em síntese orgânica, farmacologia/bioquímica, microbiologia e entomologia.

Objetivo Geral

Este projeto tem como objetivos gerais o desenvolvimento de metodologias brandas, de fácil execução e eficientes para a obtenção de moléculas biologicamente ativas (fármacos, antibióticos e inseticidas) que apresentam em suas estruturas núcleos heterocíclicos nitrogenados e grupos organocalcogênio (enxofre e selênio).

Justificativa

O presente projeto se justifica pelos seguintes pontos principais:

1. O desenvolvimento de metodologias sintéticas eficientes e seletivas para a obtenção de moléculas potencialmente bioativas;
2. Uso da hibridização molecular como estratégia eficaz para a obtenção de moléculas com propriedades farmacológicas e antimicrobianas potencializadas;
3. Prospecção de inseticidas seletivos e seguros de forma racional, com base em estudos in silico e in vivo frente aos receptores de ecdisona (EcR) de insetos-praga de importância econômica.
4. O desenvolvimento de um projeto multidisciplinar, o qual envolve profissionais da área de ciências químicas, farmacêuticas e agrárias;
5. A contribuição decisiva para a formação de profissionais altamente qualificados na graduação, mestrado e doutorado, com um perfil diferenciado em relação à sua responsabilidade ambiental e social;
6. Fortalecimento do Grupo de Pesquisa em Síntese Orgânica Limpa (LASOL) da UFPel;
7. Consolidação do Programa de Pós-Graduação em Química da UFPel.

Metodologia

Para que possamos executar a parte experimental e atingir os objetivos deste projeto, pretendemos seguir a seguinte metodologia:
3.1.1 Desenvolvimento de metodologias gerais para reações de calcogenação de indolizinas, imidazo[1,2-a]piridinas e imidazo[1,2-a]pirimidinas
Recentemente, vem surgindo na literatura um crescente interesse na obtenção de diferentes derivados das indolizinas, devido à importância biológica atribuída a esses compostos. Dentre algumas formas descritas para a funcionalização dessas estruturas, reações que seguem mecanismos de acoplamento catalisadas por metais de transição, sendo esses basicamente Cu e Pd, vem se apresentando como uma excelente alternativa para a funcionalização desse importante heterociclo.67 Por outro lado, nosso grupo de pesquisa tem reportado nos últimos anos diferentes metodologias que envolvem a funcionalização de arenos ativados e heteroarenos, tais como, anilinas e indóis, com compostos orgânicos de enxofre e selênio, catalisadas por Cu, em meio oxidante, através da formação de espécies eletrofílicas de enxofre e selênio.68
Deste modo, nosso objetivo é a expansão dessas metodologias já reportadas por nós para a obtenção de novos heteroarenos funcionalizados com unidades derivadas dos compostos organocalcogênios, tais como, indolizinas, imidazo[1,2-a]piridinas e imidazo[1,2-a]pirimidinas, seja através da utilização de I2 ou CuI para a formação de espécies eletrofílicas de calcogênio (Esquema 9).
Para obtenção de tio- e seleno-indolizinas, nossa estratégia inicial passa pela utilização da 2-fenil-indolizina como material de partida, reagindo-a com dicalcogenetos de diorganoíla, na presença de metais de transição, para levar à formação dos respectivos produtos (Esquema 9-A). Assim, diferentes variáveis, tais como, temperatura (aquecimento convencional e irradiação de MO ou US), solvente, estequiometria, concentração e tempo reacional, serão estudadas e avaliadas no decorrer do estudo, a fim de que uma condição que proporcione a máxima eficiência reacional possa ser estabelecida.
Por outro lado, para a preparação dos compostos orgânicos de enxofre e selênio derivados das imidazo[1,2-a]piridinas e imidazo[1,2-a]pirimidinas (Esquema 9-B), nós pretendemos estabelecer um procedimento reacional multicomponente (MCR), através da reação entre 2-aminopiridinas (X = CH) e 2-aminopirimidinas (X = N), cetonas aromáticas e alifáticas e dicalcogenetos de diorganoíla, podendo ser catalisada por iodo molecular e metais de transição. Assim, parâmetros como temperatura, solvente, estequiometria e tempo reacional serão estudados e avaliados, bem como a eficiência de diferentes espécies catalíticas.

Esquema 9. Síntese de indolizinas, imidazo[1,2-a]piridinas e imidazo[1,2-a]pirimidinas funcionalizadas com enxofre e selênio.
Considerando novamente a formação de indolizinas, uma estratégia sintética amplamente presente na literatura para preparar essa classe de compostos envolve a reação de 2-metilpiridinas ativadas com grupos retiradores de elétrons, tais como, nitrila e éster, com alquinos, alcenos e aldeídos.69 Nossa proposta envolve a utilização das 2-metil-calcogenil-piridinas como material de partida para a formação de indolizinas inéditas, funcionalizadas com grupos organcalcogênios na posição 1 (Esquema 10). Parâmetros como temperatura, solvente, estequiometria dos reagentes e tempo reacional serão estudados e avaliados, bem como diferentes bases e fontes alternativas de energia.

Esquema 10. Síntese 1-calcogeno-indolizinas via ciclização intermolecular.
Outra estratégia para a formação de 3-calcogeno-imidazo[1,2-a]piridinas e 3-calcogeno-imidazo[1,2-a]pirimidinas que pretendemos explorar é através de reações de ciclização intermolecular entre 2-aminopiridinas (X = CH) e 2-aminopirimidinas (X = N) e 1-calcogeno-2-bromoacetileno, na presença de uma base fraca (Esquema 11). Será feito um estudo para a determinação das melhores condições reacionais, incluindo variações na temperatura, estequiometria da reação, solvente e base necessária para a obtenção dos respectivos produtos no máximo de eficiência possível.

Esquema 11. Síntese de imidazo[1,2-a]piridinas e imidazo[1,2-a]pirimidinas funcionalizadas com grupos organocalcogênios.
Deste modo, todas as reações serão acompanhadas por cromatografia em camada delgada e cromatografia gasosa. Os produtos serão purificados por coluna cromatográfica de silicagel ou destilação horizontal ou, ainda, recristalização e caracterizados por RMN de 1H, 13C e massas. Os compostos inéditos serão caracterizados ainda por análise elementar (CHN) ou massas de alta resolução (HRMS).
3.1.2 Preparação de imidazo[1,2-a]piridinas e imidazo[1,2-a]pirimidinas não substituídas
Imidazo[1,2-a]piridina e imidazo[1,2-a]pirimidina são importantes moléculas, que servem de intermediários para muitas outras transformações químicas. Embora disponíveis comercialmente o custo é elevado, podendo chegar a R$ 772,00/5 g (imidazo[1,2-a]piridina) e R$ 276,00/50 mg (imidazo[1,2-a]pirimidina).70 Devido ao interesse nessa classe de compostos, o desenvolvimento de métodos alternativos para seu preparo a partir de reagentes acessíveis é relevante. Assim, nós propomos aqui uma alternativa de fácil e simples execução para a preparação de ambos os compostos (Esquema 12).

Esquema 12. Síntese de imidazo[1,2-a]piridinas e imidazo[1,2-a]pirimidinas.
A primeira etapa da reação seria similar àquela descrita no Esquema 11, i.e., reação entre 2-aminopiridinas (X = CH) e 2-aminopirimidinas (X = N) com bromoacetileno, na presença de uma base fraca, como o K2CO3, por exemplo, levando à respectiva imidazo[1,2-a]piridina ou imidazo[1,2-a]pirimidina substituída com um grupamento carbinol na posição 3. Uma vez obtido, este composto será submetido às condições da reação de retro-Favorskii, levando ao respectivo produto e liberando acetona no meio reacional como subproduto. Os produtos serão purificados por filtração em coluna cromatográfica de silicagel ou destilação horizontal ou, ainda, recristalização (no caso da imidazo[1,2-a]pirimidina) e caracterizados com base em seus espectros de RMN de 1H, 13C e massas.
3.1.3 Reações de cicloadição intermolecular para a formação de calcogeno-pirimidinas
No ano de 2016, Maulide e col.71 reportaram uma interessante metodologia para a obtenção de pirimidinas com alto grau de substituição, através de reações de cicloadição intermoleculares entre metilsulfenil-alquinos alifáticos e nitrilas aromáticas e alifáticas, catalisada por TfOH. Entretanto, essa metodologia se limita apenas à utilização de alquinos internos e grupos alquila ligados ao átomo de enxofre. Deste modo, nós propomos aqui a expansão da metodologia proposta por Maulide, onde calcogenoalquinos terminais serão utilizados em reações de cicloadição com nitrilas alifáticas e aromáticas, proporcionando a formação de pirimidinas com menor grau de substituição e também expandindo o escopo reacional para selanilpirimidinas (Esquema 13).

Esquema 13. Reação de cicloadição para formação de tiopirimidinas e selanilpirimidinas.
Assim, diferentes parâmetros, tais como, temperatura, estequiometria, concentração e solvente serão estudados a fim de avaliar qual será a melhor condição, que proporcione a máxima eficiência na formação dos produtos. Finalmente, os produtos serão purificados por coluna cromatográfica de silicagel ou destilação horizontal ou, ainda, recristalização e caracterizados com base em seus espectros de RMN de 1H, 13C e massas. Os compostos inéditos serão caracterizados ainda por análise elementar (CHN) ou massas de alta resolução (HRMS).

3.2 Bioensaios
O projeto prevê que os compostos preparados serão testados para sua atividade antioxidante, antimicrobiana e inseticida. Essas análises serão realizadas nos laboratórios dos professores colaboradores do projeto, conforme mencionado adiante, no item 6 desta proposta. Serão seguidos protocolos estabelecidos e validados, de acordo com a literatura. Os ensaios antioxidantes e demais testes farmacológicos serão realizados no Grupo de Pesquisa em Neurobiotecnologia, sob supervisão da Profª Lucielli Savegnago (CDTec-UFPel). Os ensaios microbiológicos serão conduzidos pelo Prof. Wladimir P. da Silva (FAEM-UFPel), enquanto que o Prof. Moisés J. Zotti se encarregará de realizar os estudos in silico e in vivo de novas moléculas com possível ação inseticida.

Indicadores, Metas e Resultados

Em linhas gerais, a principal meta do projeto é o desenvolvimento de novas metodologias sintéticas eficientes e gerais para a obtenção de heterociclos nitrogenados funcionalizados com grupamentos organoenxofre e organosselênio. Espera-se as moléculas desejadas sejam obtidas sob condições reacionais brandas, de forma rápida e fácil utilizando, sempre que possível, solventes verdes, catalisadores baratos e fontes alternativas de energia, que possibilitem atingir a máxima eficiência em curtos tempos reacionais. Os novos produtos preparados serão encaminhados para ensaios biológicos in vitro, a fim de prospectar novas moléculas com atividades farmacológica, antimicrobiana e inseticida. Os novos heterociclos funcionalizados serão testados para a atividade antioxidante no Laboratório de Neurobiotecnologia, coordenado pela Profª. L. Savegnago (CDTec-UFPel) e para a atividade antibacteriana no Laboratório de Microbiologia, coordenado pelo Prof. W. P. da Silva (DCTA-UFPel). Os estudos de docking molecular (3D-QSAR) para verificar a afinidade das novas moléculas com receptores EcR e os ensaios em plasmídeo serão realizados pelo Prof. M. J. Zotti (FAEM-UFPel). Aquelas moléculas que mostrarem atividade (agonista ou antagonista) serão enviadas para ensaios in vivo com ninfas no Lab. de Entomologia Econômica, sob a coordenação do Prof. A. Grutzmacher (FAEM-UFPel). Durante a execução das atividades experimentais, os resultados parciais serão apresentados em congressos da área, enquanto que os resultados finais proporcionarão ao menos 12 publicações em periódicos qualificados da área de química e bioquímica: oito artigos descrevendo a síntese dos heterociclos funcionalizados e outros quatro artigos em colaboração com colegas da Agronomia e do CDTec da UFPel, relacionados às atividades farmacológica, antibacteriana e inseticida dos novos organocalcogênios preparados. As novas moléculas sintetizadas que apresentarem boa atividade biológica importante deverão ser protegidas através do encaminhamento de registro de patente no INPI.
Pretendemos ainda, ao longo dos três anos de desenvolvimento do projeto, orientar 6 alunos de Mestrado e 4 alunos de doutorado do PPG em Química, 6 alunos de iniciação científica dos cursos de graduação em química da UFPel e 2 trabalhos de conclusão de curso (estágio), contribuindo para a formação de recursos humanos na pós-graduação e para a formação complementar de alunos da graduação. Além disso, a execução do projeto viabilizará um maior intercâmbio entre os pesquisadores da UFPel e das outras instituições com as quais mantemos já colaboração (UFSM, FURG, Embrapa e UFRGS), além de fortalecer a colaboração com o Laboratório do Prof. G. Smagghe (U Gent, Bélgica), com a possibilidade de utilização das novas espécies com atividade inseticida desenvolvidas aqui em outros trabalhos em andamento naquelas IES.

O presente projeto trata de pesquisa básica em síntese orgânica, que deverá contribuir para ampliar o conhecimento sobre a química de compostos heterociclos e organocalcogênio e para a formação de recursos humanos. Entre os avanços decorrentes da execução do presente projeto estão a possibilidade de elaboração de novas metodologias, eficientes e de fácil execução, para a obtenção de moléculas que possuem potencial atividade farmacológica, antibacteriana e inseticida in vivo. As calcogeno-indolizinas, as calcogeno-imidazo[1,2-a]piridinas e as calcogeno-imidazo[1,2-a]pirimidinas possuem alto potencial para a inovação tecnológica, já que várias delas serão moléculas inéditas, cujo potencial farmacológico, por exemplo, ainda não foi explorado. A combinação de unidades heterocíclicas com grupos organoenxofre e organosselênio deverá aumentar as chances de se prospectar moléculas bioativas mais potentes que as conhecidas até então, sejam como agentes antioxidantes ou antimicrobianos, passíveis de gerar patente. Os estudos in silico permitirão dirigir a síntese de compostos com possível ação inseticida, que serão posteriormente avaliados in vitro com receptores EcR de Lepidópteras. Os compostos mais promissores serão estudados mais a fundo, no Laboratório de Entomologia Econômica da FAEM-UFPel, que possui estrutura para estudo com insetos in vivo. A participação de alunos de Iniciação Científica no desenvolvimento do trabalho experimental deverá contribuir para a formação de profissionais altamente qualificados e aptos a ingressarem na pós-graduação. O projeto prevê também a participação de alunos de Mestrado e Doutorado do PPG em Química da UFPel, contribuindo assim para a formação de recursos humanos qualificados na pós-graduação. Finalmente, o caráter multidisciplinar da proposta permitirá aos estudantes um contato com diferentes ferramentas utilizadas na pesquisa, desde o planejamento de moléculas bioativas até a realização de bioensaios com os compostos sintetizados.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANGELA MARIA CASARIL
CAROLINE SIGNORINI GOMES
CATIA SCHWARTZ RADATZ4
DANIELA HARTWIG DE OLIVEIRA1
DIEGO DA SILVA ALVES1
EDER JOAO LENARDAO8
FILIPE VINÍCIUS PENTEADO SCARANARO
GABRIELA TRISCH DE QUADROS
GELSON PERIN1
ISLA SODRE MAIA
JOAO MARCOS ANGHINONI
KETHELYN MACHADO DA ROSA
LAURA ABENANTE
LOANA IMBRIAGO MONZON
LUANA BETTANIN
LUCAS EMANUEL BELUZZO IAROCZ
LUCIELLI SAVEGNAGO2
MÁRCIO SANTOS DA SILVA1
RAQUEL GUIMARAES JACOB1

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
CNPq / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoR$ 26.400,00Coordenador
FAPERGS / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado Rio Grande do SulR$ 47.360,50Coordenador
CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 11.900,00Coordenador
CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 5.320,00Coordenador

Plano de Aplicação de Despesas

DescriçãoValor
Manutenção de máquinas e equipamentosR$ 4.000,00
Material de laboratórioR$ 52.185,00
Material de manutenção de máquinas e equipamentosR$ 3.000,00
Equipamentos e material permanente (móveis, máquinas, livros, aparelhos etc.)R$ 14.575,50

Página gerada em 21/10/2021 08:16:55 (consulta levou 0.138826s)