Universidade Federal de São João del-Rei
Coordenadoria do Curso de Química
Ciclodextrinas como Plataforma de
Desenvolvimento de Sistemas de Liberação
Controlada de Inibidores de Urease: Uma
Investigação Teórica
Sayron Reis
São João del-Rei – 2014
CICLODEXTRINAS COMO PLATAFORMA DE
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE LIBERAÇÃO
CONTROLADA DE INIBIDORES DE UREASE: UMA
INVESTIGAÇÃO TEÓRICA
Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso,
apresentado no 1º semestre do ano de 2014 ao
Curso de Química, Grau Acadêmico Bacharelado,
da Universidade Federal de São João del-Rei,
como requisito parcial para obtenção do título
Bacharel em Química.
Autor: Sayron Reis
Docente Orientador: Clebio S. Nascimento Jr.
Modalidade do Trabalho: Pesquisa
São João del-Rei – 2014
RESUMO:
O presente trabalho envolveu a aplicação de métodos quanto-mecânicos de
estrutura eletrônica no estudo do processo de formação de complexos de inclusão do
tipo hóspede/hospedeiro envolvendo compostos inibidores da urease (CIU’s),
conhecidos como análogos de Biginelli, e ciclodextrinas (CDs). Como resultados
importantes deste trabalho é possível destacar que após análises estruturais e
energéticas envolvendo este processo, concluiu-se que a profundidade da inclusão da
molécula hóspede na cavidade das CDs, o tamanho da cavidade das CDs, bem como
o número de interações intermoleculares estabelecidas entre as moléculas hóspedes e
hospedeiras, desempenham um papel fundamental na estabilidade dos complexos
supramoleculares 2:1 formados. Além disso, pode-se comprovar a eficácia da
metodologia sequencial PM3/DFT no estudo deste processo.
SUMÁRIO
1.Introdução
pág. 1
2. Objetivos
pág. 6
3. Metodologia
pág. 7
4. Resultados e discussão
pág. 8
5. Conclusão
pág. 16
6. Referências bibliográficas
pág. 17
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2014
1. INTRODUÇÃO
1.1 – A ureia como fertilizante
A demanda mundial por alimentos cresce a cada ano principalmente em
decorrência do aumento da população. Um fato preocupante é o atendimento desta
demanda por alimentos num cenário no qual os recursos, tais como água e área
cultivável, estão cada vez mais escassos. De fato, a agricultura brasileira consume
aproximadamente 65-70% da água utilizada no Brasil e esse percentual tende a
aumentar proporcionalmente ao aumento da demanda por áreas cultivadas.1,2
Adicionalmente, os solos brasileiros possuem, em sua maioria, limitações de fertilidade
natural devido a sua acidez, exigindo, portanto, um manejo tecnificado para garantir a
produtividade agrícola. O manejo tecnificado inclui o plantio direto, o uso de corretivos
do solo, o combate à erosão, além do uso intensivo de fertilizantes.3
Os fertilizantes desempenham um papel fundamental na produção de
alimentos, garantindo alta produtividade e qualidade dos produtos agrícolas. Porém,
mesmo em um país com vocação agrária como o Brasil, tem-se uma indústria
brasileira de fertilizantes muito dependente de matérias-primas importadas. A
existência desta dependência tornou-se ainda mais preocupante a partir de 2007/2008
quando houve um aumento em mais de 200% no preço de fertilizantes e suas
matérias-primas. Isso ocorreu devido ao aumento da demanda desses produtos para
atender principalmente às lavouras de cana-de-açúcar, tendo em vista a recuperação
das cotações no mercado do açúcar e do álcool, além da demanda na produção de
grãos para a produção de biodiesel.4
A ureia é o fertilizante nitrogenado sólido mais empregado no Brasil (aprox.
60% do total de fertilizantes nitrogenados comercializados) devido, entre outros
fatores, ao baixo custo por unidade de nitrogênio (N), à facilidade de fabricação e ao
custo final para o agricultor. Adicionalmente, a ureia apresenta menor atividade
degradante às plantas, é compatível com um grande número de outros fertilizantes e
defensivos agrícolas, possuindo alta absorção foliar.5 Porém, a principal desvantagem
em relação ao uso da ureia como fertilizante é a possibilidade de grandes perdas de
nitrogênio devido à ação da enzima urease, uma proteína encontrada em
microrganismos, plantas e animais.6 À medida que a ureia vai sendo aplicada ao solo,
esta sofre hidrólise enzimática liberando nitrogênio amoniacal, de acordo com as
equações 1 e 2:
1
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2014
em pH ≤ 6,3
em pH > 6,3
(1)
(2)
A atividade da urease é cerca de trinta vezes menor em lavouras feitas sob
plantio direto, ou seja, sem a presença de resíduos vegetais em comparação com
lavouras feitas sob resíduos de cultura.6
De forma a contornar as perdas de nitrogênio pela ureia e, consequentemente
melhorar a produção agrícola, algumas propostas tem sido relatadas na literatura, a
citar: i) a modificação química da estrutura da ureia; ii) o uso de inibidores de urease,
visando à redução/inibição da velocidade de hidrólise da ureia; iii) a produção de
fertilizantes baseados em complexos de inclusão ou polímeros que permitem a
liberação controlada da ureia; iv) uso de inibidores de nitrificação e etc. 7-10
1.2 – Inibidores da urease
O desenvolvimento de fertilizantes capazes de manter a estrutura da ureia
quando esta é aplicada no solo tem sido uma busca constante de pesquisadores que
atuam nessa área. Esses compostos são denominados inibidores da urease, os quais
devem ser capazes de reduzir a velocidade de interconversão da ureia em amônia. O
inibidor mais importante relatado na literatura é o tiofosfato de oxo-N-n-butiltriamida ou
oxo-N-n-butiltriamida do ácido tiofosfórico (NBPT)11, apresentado na figura 1. Porém, o
NBPT apresenta algumas desvantagens, tais como a perda de sua eficiência em
função do armazenamento e da temperatura.
O
H3C
(CH2)3NH
P
NH2
NH2
Figura 1. Estrutura do composto NBPT.
Estudos mostram que após 60 dias de armazenamento a uma temperatura de
25°C há uma perda de inibição da urease de 87%. Foi observado também que em
2
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temperaturas mais elevadas, o composto NBPT perde parte de sua atividade
inibitória.12,13 Nesse sentido, pesquisas vem sendo realizadas com o intuito de se obter
novos inibidores da urease que sejam efetivos e que não agridam o meio ambiente.
Neste contexto, visando contribuir para esta área estratégica de pesquisa
governamental, uma rede de pesquisadores de diversas instituições (UFMG, UFV,
UFSJ, UEL, EMBRAPA) tem atuado, desde o início de 2011, no projeto “Criação de
uma Rede de Estudos para o Desenvolvimento de Novos Inibidores de Urease de
Interesse Agrícola” sob coordenação do Prof. Dr. Ângelo de Fátima (DQ/UFMG),
aprovado no edital CNPq 22/2010– REPENSA. Cabe ressaltar que o Prof. Clebio
Soares Nascimento Júnior (UFSJ) e a Profa. Luciana Guimarães (UFSJ) estão
envolvidos no desenvolvimento das etapas relacionadas à modelagem molecular de
inibidores da urease do projeto REPENSA.
Algumas moléculas, as quais são produtos da reação da reação de Biginelli,
vêm apresentando resultados promissores como inibidores da urease. A reação de
Biginelli, representada esquematicamente na equação 3, se caracteriza por uma
reação multicomponente, com altos rendimentos, cujos reagentes são aceto-acetato
de etila, benzaldeído e ureia:
(
(3)
O aldeído é o reagente com maior passividade a sofrer alterações em sua
estrutura com o objetivo de gerar os diferentes análogos de Biginelli. Suas
substituições em posições meta levam a um maior rendimento.14
Estudos experimentais de síntese e caracterização de diversos compostos
análogos de Biginelli tem sido realizados pelo grupo de pesquisa do Prof. Dr. Ângelo
de Fátima (UFMG). Vários compostos foram sintetizados (figura 2), sendo que alguns
deles apresentaram atividades bastante promissoras na redução/inibição da ação da
urease, tanto in vitro, quanto no solo. No entanto, tais moléculas possuem baixa
solubilidade em diversos solventes polares. Para contornar esse problema, uma
estratégia bastante viável é a obtenção de complexos de inclusão com moléculas
“hospedeiras” apropriadas com o intuito de se melhorar a solubilidade e estabilidade
dos compostos hóspedes.
3
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AB15
AB16
Figura 2. Análogos de Biginelli previamente sintetizados com suas respectivas siglas
para identificação.
4
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2014
1.3 – Ciclodextrinas: Sistemas de liberação controlada
As ciclodextrinas (CDs) constituem interessantes macrociclos orgânicos do
ponto de vista da Química Supramolecular.15 Especialmente na área de bioquímica e
biomateriais, as CDs são consideradas importantes blocos construtores em estruturas
supramoleculares devido a importantes aplicações e às suas características multifuncionais, sua capacidade de auto-organização e bioadaptação.16,17
As CDs são oligossacarídeos cíclicos formados por unidades de D-glicose
unidas por ligações covalentes α-(1,4), conforme apresentado na figura 3(a). A
estrutura dessas moléculas possui a forma de uma seção de cone com as hidroxilas
secundárias das posições C2 e C3 direcionadas para o lado mais largo da seção e as
hidroxilas primárias em C6 voltadas para a parte mais estreita da seção (Figura 3b). A
estrutura cíclica das CDs cria uma cavidade de dimensão variada (diâmetro ~5,79,5Å) definida pelos oxigênios glicosídicos e hidrogênios nas posições C3 e C5. A
dimensão da cavidade é função do número de unidades de D-glicose (n) na estrutura,
de acordo com a figura 3(a), sendo n= 1, 2 e 3, a partir das cinco unidades de glicose
apresentadas, as quais são conhecidas como α-, β- e γ-CD, com 6, 7 e 8 unidades de
glicose ligadas, respectivamente.18
OH
O
HO
O
OH
O
HO
OH
n
O
HO
O
HO
OH
OH
O
O
OH
HO
OH
O
OH
O
OH
OH
O
O
OH
OH
O
HO
(a)
Figura 3. (a) Estrutura geral de ciclodextrinas: α, β e γ-CD definidos por n = 1, 2 e 3,
respectivamente. (b) Representação esquemática da estrutura tridimensional de
ciclodextrinas.
5
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No que se refere à formação de compostos de inclusão do tipo hóspedehospedeiro, as formulações com CDs podem acarretar em novos sistemas com
propriedades físicas, químicas e biológicas melhoradas em comparação aos já
existentes devido, especialmente, à proteção molecular adquirida pelo composto, que
está inserido no sistema macromolecular. Dentre estas propriedades destacam-se: (i)
Aumento da estabilidade das moléculas hóspedes inclusas contra hidrólise, oxidação e
fotodecomposição; (ii) Aumento da solubilidade das moléculas inclusas em água; (iii)
Liberação melhorada; (iv) Aumento da biodisponibilidade; (v) Prevenção da
evaporação.19
2. OBJETIVOS
O objetivo geral deste trabalho foi a aplicação de métodos semi-empíricos e da
Teoria do Funcional de Densidade (DFT) no estudo do processo de formação de
complexos de inclusão de alguns compostos inibidores da urease análogos de Biginelli
(CIUs) previamente sintetizados e escolhidos para estudo (figura 4) com ,  e ciclodextrinas (CDs), na estequiometria 2:1, ou seja 2 CDs (espécie dimérica) para 1
análogo de Biginelli. O processo de inclusão é representado esquematicamente na
figura 5. Nesse contexto, a compreensão do mecanismo e fatores que influenciam a
formação de tais complexos supramoleculares, bem como de suas propriedades
energéticas, é fundamental para o desenvolvimento e aplicação destes como novos
sistemas mais eficazes do ponto de vista químico e biológico.
Figura 4. Compostos análogos de Biginelli selecionados para estudo em função de
suas promissoras atividades de inibição da urease.
6
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2014
CD
CIU
Complexo 2:1 (CD...CIU)
Figura 5. Representação esquemática do Modo de inclusão 2:1.
Os objetivos específicos do trabalho foram: (i) Análise estrutural e energética
de alguns compostos inibidores da urease previamente sintetizados (hóspedes); (ii)
Análise estrutural e energética das distintas ciclodextrinas (hospedeiros); (iii) Análise
estrutural e energética dos complexos de inclusão formados pelos inibidores da urease
com as CDs.
3. METODOLOGIA TEÓRICA
A previsão teórica adequada de estruturas, interações intermoleculares e
elucidação de mecanismos de reações necessitam de níveis de teoria acurados,
considerados hoje como o estado da arte em cálculos de estrutura eletrônica.
Entretanto, cálculos nesses níveis para sistemas supramoleculares não são possíveis
com a atual tecnologia computacional. Neste sentido, existem métodos e metodologias
alternativas, utilizados na tentativa de manter um compromisso com a qualidade dos
resultados em função tempo computacional. Um exemplo é a metodologia sequencial
que têm sido usada nos últimos anos pelo Prof. Clebio Soares Nascimento Jr. em
cálculos de estruturas supramoleculares à base de ciclodextrinas20-25, onde as
geometrias e contribuições térmicas para as propriedades termodinâmicas são
estimadas utilizando métodos semi-empíricos e a energia eletrônica obtida a partir
cálculos no ponto utilizando a Teoria do Funcional de Densidade (DFT).
Nesse contexto, no presente trabalho a metodologia teórica utilizada na
otimização de geometria e cálculo das frequências harmônicas das espécies foi a
semi-empírica PM3. Com o intuito de se melhorar a qualidade da energia eletrônica
nuclear (Eele-nuc) foram realizados cálculos no ponto utilizando a DFT com funcional
7
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BLYP/6-31G(d,p). Propriedades termodinâmicas, como por exemplo, a entalpia da
reação de formação do complexo molecular (Hr) foram calculadas na fase gasosa a
298K e 1 atm, com o auxílio das já conhecidas equações da Termodinâmica
Estatística26 (equação 4):
∆Hr = ∆Eeletr.nucl. + ∆Hterm.
(4)
A variação da energia eletrônica-nuclear (Eele-nuc) e a contribuição térmica para
entalpia (∆Hterm), as quais são representadas nas equações (5) e (6) respectivamente,
foram calculadas pela variação das energias da formação do complexo molecular.
∆Eele-nuc = ∑[Eele-nuc (produtos)] - ∑[Eele-nuc (reagentes)]
(5)
∆Hterm = ∑[H (produtos)] - ∑[H (reagentes)]
(6)
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As estruturas completamente otimizadas no nível semi-empírico PM3 e
caracterizadas como mínimos verdadeiros na superfície de energia potencial (SEP),
para os quatro análogos de Biginelli e para as ciclodextrinas (,  e ) estudadas são
mostradas nas figuras 6 e 7, respectivamente. Como pode ser observado as estruturas
se mostram muito similares no que diz respeito a suas conformações espaciais.
8
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2014
2A7
2B10
AB15
AB16
Figura 6. Estruturas otimizadas no nível semi-empírico PM3 para os CIU’s
estudados.
9
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-CD
-CD
-CD
Figura 7. Estrutura para as ciclodextrinas estudadas.
Desta forma, após a obtenção das estruturas otimizadas, foram construídos os
complexos de inclusão 2:1, com o intuito de serem obtidas a variação da energia de
interação e a variação de entalpia para os mesmos.
Na tabela 1 são mostrados os valores da variação da energia de interação (E)
de formação dos complexos supramoleculares 2:1, bem como os valores da entalpia
(H) para os mesmos e o número de ligações de hidrogênio formadas entre as
moléculas.
10
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Tabela 1. Relação entre a variação da energia de interação (E), variação de entalpia
(H) e o número de ligações de hidrogênio para os complexos de inclusão 2:1
calculados no nível BLYP/6-31G(d,p)//PM3.
Complexos
∆E/BLYP /kcal.mol-1
∆H/ kcal.mol-1
Nº de ligações de Hidrogênio
2A7 com 2αCD
-9,9
-6,6
7
2A7 com 2βCD
-11,4
-7,8
13
2A7 com 2CD
-24,9
-21,8
17
2B10 com 2αCD
-1,1
4,4
5
2B10 com 2βCD
-11,3
-3,7
11
2B10 com 2CD
-19,9
-12,7
13
AB15 com 2αCD
-9,2
-6,6
8
AB15 com 2βCD
-17,7
-14,1
11
AB15 com 2CD
-15,3
-12,3
13
AB16 com 2αCD
-10,4
-7,8
9
AB16 com 2βCD
-4,6
-1,6
7
AB16 com 2CD
-4,8
-2,0
8
De acordo com a tabela 1, os complexos formados entre as moléculas
hóspedes e -CD tendem a ser, na média, energeticamente mais estáveis quando
comparados aos complexos com a  e -CD. Essa observação pode ser entendida
pelo fato da -CD apresentar uma cavidade maior, fazendo com que as moléculas
hóspedes se acomodem mais facilmente com uma inclusão mais profunda e efetiva
em comparação com as outras CDs ( e ), proporcionando um aumento no número
de interações intermoleculares entre as hidroxilas secundárias das -CDs (interações
hospedeira-hospedeira). Uma análise estrutural sistemática mostrou que o número de
ligações de hidrogênio estabelecidas entre hóspedes e hospedeiras também
desempenha um papel fundamental para o entendimento das diferentes estabilidades
11
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2014
dos complexos formados. A tabela 2 mostra o tipo de inclusão obtido em função dos
complexos estudados.
Tabela 2. Relação entre o número de ligações de hidrogênio e o modo de inclusão
para todos os complexos 2:1.
Complexos
Modo de inclusão
2A7 com -CD
Semi-inclusão
2A7 com -CD
Boa inclusão
2A7 com -CD
Inclusão completa
2B10 com -CD
Semi-inclusão
2B10 com -CD
Boa inclusão
2B10 com -CD
Semi-inclusão
AB15 com -CD
Semi-inclusão
AB15 com -CD
Boa inclusão
AB15 com -CD
Boa inclusão
AB16 com -CD
Semi-inclusão
AB16 com -CD
Semi-inclusão
AB16 com -CD
Boa inclusão
Desta forma, ao se analisar os parâmetros: profundidade da inclusão e o
número de interações intermoleculares estabelecidas entre hóspedes e hospedeiras,
pode-se explicar os valores obtidos para a energia de interação, Eeletr.nucl., e para a
entalpia, H, inclusive o fato de certos complexos serem mais estáveis ao se utilizar a
α ou β CD em relação à -CD.
Para ilustrar essas afirmações, a figura 8 mostra as estruturas otimizadas no
nível semi-empírico PM3 dos complexos 2:1 obtidos.
12
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2A7 com -CD
2B10 com -CD
AB15 com -CD
AB16 com -CD
2A7 com -CD
2B10 com -CD
13
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AB15 com -CD
AB16 com -CD
2A7 com -CD
2B10 com -CD
14
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AB15 com -CD
AB16 com -CD
Figura 8. Estruturas obtidas no nível semi-empírico PM3 para os complexos 2:1
formados.
Os resultados estruturais e energéticos apresentados até o momento foram
para os complexos supramoleculares envolvendo a razão estequiométrica 2:1 (2
CDs/1 CIU). Como forma de comparação, serão apresentadas a seguir comparações
entre a ordem de estabilidade com os complexos de inclusão 1:1 (1 CD para 1 CIU),
os quais foram realizados em estudos prévios.27
Analisando-se e comparando os resultados obtidos, nota-se claramente duas
distinções: (i) a tendência da ordem estabilidade energética dos complexos é diferente;
nos complexos 2:1, a ordem energética decrescente é: -CD > -CD > -CD; já nos
complexos 1:1 a ordem decrescente de estabilidade é-CD > -CD > -CD; (ii) a
grande diferença no valor numérico das energias de interação e entalpia considerando
as distintas razões estequiométricas.
Com relação à distinção na ordem de estabilidade dos complexos 1:1 em
comparação aos complexos 2:1, este fato pode ser entendido da seguinte maneira:
nos complexos 1:1 as interações intermoleculares ocorrem somente entre as
moléculas hóspedes (CIUs) e as hospedeiras (CDs). Assim, quanto maior a CD, mais
distante a molécula hóspede estará da hospedeira, fazendo com que as interações
intermoleculares entre elas diminua, enfraquecendo consequentemente as poucas
interações eletrostáticas estabelecidas. Já nos complexos 2:1 ocorre, além da
interação
(hóspede-hospedeira),
também
interações
entre
CDs
(hospedeira-
15
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hospedeira. Desta forma, mesmo havendo uma maior distância entre o hóspede e o
hospedeira, a proximidade entre as ciclodextrinas causa um aumento significativo no
número de interações intermoleculares estabelecidas para esses tipos de complexos.
Sendo assim, quanto maior a cavidade da ciclodextrina, maior será o número
de ligações de hidrogênio formadas entre as mesmas. Esse fator altera,
significativamente, a ordem de estabilidade e os valores das energias. Havendo uma
maior interação nos complexos 2:1, estes se tornam mais estáveis. Para os complexos
1:1, os valores da energia variam dentro da faixa de -4,85 a 15,91 kcal/mol. Para os
complexos 2:1 esses valores variam em uma faixa bem mais estável de -1,13 a -24,91
kcal/mol.
5. CONCLUSÃO
Após a realização deste trabalho pode-se comprovar a eficácia da metodologia
sequencial PM3/DFT para se estudar o processo de formação de complexos de
inclusão envolvendo compostos análogos de Biginelli e ciclodextrinas. Após análises
sistemáticas estruturais e energéticas pode-se concluir que os parâmetros: (i)
profundidade da inclusão, (ii) tamanho das CDs e o (iii) número de interações
intermoleculares estabelecidas entre as moléculas hóspedes e hospedeiras, bem
como as interações entre as moléculas hospedeiras, desempenham um papel
fundamental na estabilidade dos complexos supramoleculares formados a base de
CIUs e CDs, levando-nos, portanto, à obtenção de novos sistemas supramoleculares
estáveis, promissores agentes de liberação controlada da ureia. Com base nos nossos
resultados, concluímos que o complexo 2A7 com -CD se apresentou como o mais
promissor para a inibição da enzima urease.
16
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