ESTUDIO TEÓRICO DEL MECANISMO DE REACCIÓN DE LA FORMACIÓN

DE DÍMEROS DE TRITERPENOQUINONAS

INTRODUCCIÓN

El rápido crecimiento en la potencia de los equipos de cómputo, así como el progreso de los

métodos basados en la química cuántica, ha hecho de los cálculos mecánico-cuánticos una

herramienta útil y necesaria para ayudar a responder a una amplia variedad de interrogantes

de interés químico. Los métodos basados en la química cuántica se han aplicado a

problemas como la hidratación de iones en disolución, catálisis en superficies, estructuras y

energías de intermediarios y de estados de transición de reacciones y conformaciones de las

moléculas biológicas. En algunos casos, los cálculos teóricos no pueden dar respuestas

definitivas, pero frecuentemente son suficientes como para permitir una interacción

fructífera entre teoría y experimento.1

Debido a esto, los cálculos ab initio y los basados en la teoría del funcional de la densidad

son usados ahora de forma rutinaria por muchos químicos como una guía válida para el

trabajo experimental y están revolucionando la forma de hacer química.1 En particular, se

considera que una de las mayores contribuciones de la Química Computacional es la

determinación de las estructuras y las energías de los estados de transición, los cuales

incrementan considerablemente nuestra comprensión acerca de los mecanismos de

reacción.2

Esta capacidad de calcular estados de transición hace a la Química Computacional una

herramienta poderosa para el estudio de las rutas biogenéticas, las cuales son difíciles de

estudiar desde la perspectiva experimental, debido a la imposibilidad de aislar el estado de

transición y a la dificultad de aislar a todos los metabolitos intermedios en la ruta.

Los estudios teóricos han sido utilizados para describir la biogénesis terminal de

sesquiterpenos3 así como la formación de triterpenos pentacíciclicos a partir del escualeno y

oxidoescualeno,4 entre otros; por lo que se considera que pueden utilizarse en el estudio de

la formación de dímeros de triterpenometilenquinonas, cuya ruta ha sido propuesta e

involucra una reacción Diels-Alder entre una triterpenometilenquinona y otra

triterpenometilenquinona en la forma tautomérica de ortoquinona. Sin embargo, hasta

donde sabemos, no se han aislado sistemas ortoquinónicos de especies de celastráceas.

Asimismo, aunque se ha propuesto la existencia de sistemas con actividad Diels-Alderasas,

estas enzimas no se han aislado en plantas.5

Por esta razón, se hace necesario el estudio teórico mediante métodos de Química

Computacional, para estudiar la validez del mecanismo de reacción propuesto, así como

para determinar si es necesaria la presencia de un sistema enzimático que catalice la

reacción.

ANTECEDENTES

Triterpenometilenquinonas

Las triterpenometilénquinonas constituyen un grupo de nor-D:A-friedooleanos insaturados

y oxigenados.5 Estas estructuras han sido estudiadas por su gran actividad antiinflamatoria

y citotóxica.6 Las triterpenoquinonas más estudiadas son la pristimierina, el celastrol y la

tingenona, las cuales han sido identificadas como los ingredientes más activos aislados de

plantas usadas en la medicina folclórica.

Además del efecto antiinflamatorio y citotóxico, las metilenquinonas triterpénicas en

general, muestran una selectiva actividad antibacterial contra bacterias Gram positivas.

También han mostrado actividad antiparasitaria, incluyendo actividad antigiardiásica,

antimalárica y antileishmánica.6

Se ha propuesto que estas moléculas son capaces de presentar tautomerismo, para generar

un sistema ortoquinónico (Figura 1), lo cual podría ser la base para su posterior

dimerización.5

Figura 1. Equilibrio tautomérico metilenquinona-ortoquinona.

Dímeros de triterpenometilenquinonas

Los dímeros de triterpenos son un grupo de sustancias que están constituidos por dos

unidades de una triterpenometilenquinona, derivada de pristimerina, tingenona,

netzahualcoyona y/o sus congéneres; con una subunidad en forma quinónica y la otra en

forma aromática, unidas por un puente diéter en disposición cis entre los anillos A de

ambas subunidades o bien entre el anillo a de la unidad aromática y el anillo B de la

quinónica.5 Los dímeros aislados hasta el momento se presentan en la Tabla 1 y han sido

obtenidos de diversas especies de celastráceas.

Shirota y col.6 postularon una ruta para la biosíntesis de este tipo de dímeros, basada en las

reacciones Diels-Alder, las cuales se han propuesto como paso clave en diversas

conversones biosintéticas.7 Ello sugiere que una triterpenometilenquinona como la

pristimerina puede estar en equilibrio con la forma ortoquinona tautomérica, la 2,3-dicetona

correspondiente, y que ambos podrían reaccionar para dar el correspondiente dímero de

triterpeno (Figura 2).

Hasta el momento no se han aislado de especies de celastráceas compuestos con un sistema

ortoquinona, sin embargo, se han publicado triterpenos con agrupamiento catecol.9 Estos

derivados de catecoles podrían ser los precursores de los triterpenos tipo 2,3-dicetonas

mediante oxidaciones enzimáticas en las plantas.5

Tabla 1. Dímeros de triterpenos del tipo A-A que se han aislado.

Unidad quinónica Unidad fenólica Compuestos aislados

Tingenona 6-oxotingenol Xuxuarina Aα7

Xuxuarina Aβ7

Isoxuxuarina Aα10

Isoxuxuarina Aβ10

21-hidroxitingenona 21-hidroxi-6-oxotingenol Xuxuarina Bα7

Isoxuxuarina Bα11

Isoxuxuarina Bβ11

Xuxuarina Bβ7

21-hidroxitingenona 6-oxotingenol Xuxuarina Cα7

Xuxuarina Cβ7

Isoxuxuarina Cα11

Isoxuxuarina Cβ11

Tingenona 21-hidroxi-6-oxotingenol Xuxuarina Dα7

Xuxuarina Dβ7

Isoxuxuarina Dα11

Isoxuxuarina Dβ11

Pristimerina 6-oxopristimerol Xuxuarina Eα12

Xuxuarina Eβ10

Isoxuxuarina Eβ13

Escutidin αA14

Tingenona 6-oxopristimerol Xuxuarina Fβ15

Cangarosin Bα16

Xuxuarina Fα13

Isoxuxuarina Fα13

Pristimerina 6-oxotingenol Xuxuarina Gα15

Xuxuarina Gβ15

Pristimerina 22β-hidroxitingenona Xuxuarina Hα17

Xuxuarina Hβ17

Isoxuxuarina Hα17

22β-hidroxitingenona Pristimerina Xuxuarina Iα17

Xuxuarina Iβ17

tingenona 21-oxopristimerina Xuxuarine Jα17

21-oxopristimerina Tingenona Xuxuarine Kα17

7,8-dihidro-22 β-

hidroxitingenona

Pristimerina 7,8-Dihydroisoxuxuarine Iα17

7,8-dihidropristimierina 22β-hidroxitingenona 7,8-Dihydroisoxuxuarine Hα17

Tingenona 7,8-dihidro-6-oxotingenol 7’,8’-dihidroxuxuarina Aβ7

7-8-dihidrotingenona 6-oxotingenol 7,8-dihidroxuxuarina Aα10

7,8-dihidroisoxuxuarina Aα10

7,8-dihidropiristimerina Pristimerina 7,8-dihidroescutionin αB14

7,8-dihidroescutionin βB14

7,8-dihidroescutionin αA14

7,8-dihidroescutionin βB14

7,8-dihidropristimerina 6-oxopristimerol 7,8-dihidroescutidin αB14

7,8-dihidropiristimerina Pristimerina 7,8-dihidroescutionin αB14

7,8-dihidroescutionin βB14

7,8-dihidroescutionin αA14

7,8-dihidroescutionin βB14

7,8-dihidropristimerina 6-oxopristimerol 7,8-dihidroescutidin αB14

7,8-dihidroisoxuxuarina Eα15

Pristimerina Pristimerina Escutionin αA18

Pristimerina 6,7-dihidropristimerina 6’,7’-dihidroescutionin αB5

Netzahualcoyona Pristimerina Netzaescutionin αA14

Pristimerina 6β-metoxi-6-

deoxoblepharodol

6’β-metoxi-6’,7’-

dihidroxiescutionin αB5

7,8-dihidrotingenona Pristimerina 7,8-dihidroisoxuxuarina Fα13

7,8-dihidropristimerina Tingenona 7,8-dihidroisoxuxuarina Gα13

7α-hidroxipristimerina 6-oxopristimerol 7α-hidroxiisouxuarina Eα13

Tingenona 7’,8’-dihidro-6-

oxopristimerol

7’,8’-dihidroxuxuarina Aα13

Tingenona 7’,8’-dihidro-22β-

hidroxitingenona

7’,8’-dihidroxuxuarina Dβ13

7,8-dihidro-21-

hidroxitingenona

21-hidroxi-6-oxotingenol 7,8-dihidroisoxuxuarina Bα11

7,8-dihidro-21-

hidroxitingenona

6-oxotingenol 7,8-dihidroisoxuxuarina Cα11

Figura 2. Esquema de biosíntesis propuesto para la formación de dímeros de

triterpenometilenquinonas.

En un intento de confirmación del mecanismo de reacción propuesto por Shirota et al.,7

González et al.15 sintetizaron un dímero de triterpeno, mediante la oxidación de la

pristimerina con DMDO para producir la 4-α-hidroxipristimerina, la cual se hizo

reaccionar con otra molécula de pristimerina, dando lugar a un dímero que no ha sido

aislado, con un rendimiento del 10 % ( ver Figura 3).

Figura 3. Esquema de reacción de oxidación y dimerización de la pristimerina.

Aunque esta reacción constituye evidencia del mecanismo de reacción para la formación de

estos dímeros, la obtención de solamente un producto, así como el bajo rendimiento de la

reacción dejan abierta la posibilidad de la existencia de sistemas de Diels-alderasas.

No obstante, este tipo de sistemas solo han sido aislados en especies de hongos.

Adicionalmente, se propone que estas enzimas podrían pertenecer a más de un tipo de

enzimas y cualquier sistema que provea dienos y dienófilos reactivos, podría tener esta

actividad. En otras palabras, es posible que las enzimas que catalicen las reacciones de

Diels-Alder, sean enzimas bifuncionales que también catalicen otras reacciones químicas.

Lo anterior, aunado al hecho de que en algunos casos es difícil el aislamiento de los

precursores de la reacción de Diels-Alder, podría ser la causa de la escasez de estos

sistemas enzimáticos en el repertorio de compuestos aislados a partir de plantas.19

Estudios computacionales aplicados a las rutas biogenéticas

La métodos basados en la Química Computacional, en especial, aquellos derivados de la

Teoría del Funcional de la Densidad han sido empleados por diversos autores para el

estudio de los mecanismos de reacción en diversas áreas de la química, entre las que se

incluyen estudios sobre el tautomerismo de tiazoles,20 estudios sobre rearreglos

sigmatrópicos,21 reacciones de oxidación de óxidos de nitrógeno22 diversas reacciones de

Diels-Alder;23-24 así como el estudio de rutas biogenéticas de terpenoides.3-4

En cuanto al estudio de rutas biogenéticas, destacan el trabajo de Cuevas et al.3 y el de

Matsuda et al.4 Los primeros realizaron el estudio teórico de la biogénesis de

pseudoguaianolidos a partir de los germacranolidos, evaluando la capacidad de diversos

métodos híbridos de DFT: B3LYP, B97-2, B1B95 y mPWB95, así como el método MP2

para describir la superficie de energía potencial asociada con estos compuestos, empleando

la base 6-31+G(d,p), encontrando que el método mPWB95 es una buena elección para este

tipo de estudios.

Por otro lado, Matsuda et al.4 estudiaron la formación de triterpenos pentacíclicos a partir

del escualeno y el oxiescualeno, empleando diversos niveles de cálculo, entre los cuales se

encuentran MM3, MMX, HF/6-31G*, B3LYP/6-31G*, B3LYP/6-3111G(2d,p),

mPW1PW91/6-31G*, mPW1PW91/6-311+G(2d,p), MP2/6-31G**, MP4/6-31G** y

CCSD(T)/6-31-G**, recomendando el uso del potencial mPW1PW91 para el estudio de las

reacciones de ciclación.

Solamente existe un estudio teórico que involucra a los dímeros de triterpenos, el cual fue

realizado por Kuyoc,25 no obstante, este estudio es del tipo de relación cuantitativa

estructura-actividad (QSAR) y no se presentan las estructuras optimizadas, ni se

proporcionan los valores de energía total, ni la energía de los orbitales frontera. En este

estudio, la optimización geométrica se realizó a nivel semiempírico AM1 seguido de un

cálculo de energía total usando el modelo B3LYP/6-31G(d,p).

De esta manera, tanto la optimización geométrica de los dímeros de triterpenos, utilizando

cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad, como el estudio del mecanismo

de formación continúan sin estudiarse, siendo este estudio un paso importante para la

comprensión de la ruta biogenética que los produce y, en su caso, un paso más para la

confirmación de la existencia de sistemas con actividad Diels-alderasa en plantas.

JUSTIFICACIÓN

Aunque algunos dímeros de triterpenos han resultado activos frente a parásitos

protozoarios,25 no existen estudios en los cuales se calculen los orbitales frontera o se

determine el mapeo de su densidad electrónica, con la finalidad de estudiar la posible

reactividad de estas moléculas y su relación con su mecanismo de acción.

Por otro lado, no se han realizado estudios teóricos encaminados a estudiar el mecanismo

de formación de estos dímeros y se desconoce si el proceso requiere una catálisis

enzimática o puede ocurrir sin la presencia de ésta.

Por estas razones, se hace necesaria el estudio teórico de los dímeros de triterpenos, así

como el estudio de la superficie de energía de la reacción de formación de estos

compuestos, usando métodos basados en la Química Computacional.

REFERENCIAS

1. Levine, I. N. Química Cuántica, 5a ed.; Prentice Hall: Madrid, 2001; pp 679-680.

2. Anh, N. T. Frontier orbitals: A practical manual; John Wiley & Sons, Ltd.: Chichester,

2007; p 235.

3. Barquera-Lozada, J. E.; Cuevas, G. Biogénesis of Sesquiterpene Lactones

Pseudoguaianolides from Germacranolides: Theoretical Study on the Reaction

Mechamism of Terminal Biogenesis of 8-Epiconfertin. J. Org. Chem. 2009, 74, 874–883.

4. Matsuda, S. P. T.; Wilson, W. K., Xiong, Q. Mechanism insights into triterpene

synthesis from quantum mechanical calculations. Detection of sytematic errors in B3LYP

cyclization energies. Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 530-543.

5. Rodríguez-Pérez, F. M. Estudio fitoquímico de especies de la familia celastraceae

(flora panameña): Maytenus blepharodes y crossopetalum lobatum. Tesis de Doctorado,

Universidad de la Laguna, España, 2000.

6. Zhou, Q. Natural Diterpene and Triterpene Quinone Methides: Structure, Synthesis an

Biological Potencials. En Quinone methides; Rokita, S. E., Ed.; Wiley: New Yersey; pp.

269-275.

7. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: Structure of xuxuarines,

stereoisomeric triterpene dimers from Maytenus chuchuhuasca. Tetrahedron 1995 ,51,

1107-1120.

8. Laschat, S. Pericyclic reactions in biological systems – does nature know about the

Diels–Alder reaction? Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 289-291.

9. Li, K.; Duan, H.; Kawazoe, K.; Takaishi, Y.: Terpenoids from Tripterygium wilfordii.

Phytochemistry, 1997, 45, 791-796.

10. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: Five new triterpene dimers from

Maytenus chuchuhuasca. J. Nat. Prod. 1997, 60, 1100-1104.

11. Shirota, O.; Sekita, S.; Satake, M.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H. Nine New

Isoxuxuarine-Type Triterpene Dimers from Maytenus chuchuhuasca. Chem. Biodiversity,

2004, 1, 1296-1307.

12. González, A. G.; Rodríguez, F.M.; Bazzocchi, I. L.; Ravelo, A.G.:New terpenoids

from Maytenus blepharodes. J. Nat. Prod. 2000, 63, 48-51.

13. Shirota, O.; Sekita, S.; Satake, M.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H. Nine

Regioisomeric and Stereoisomeric Triterpene Dimers from Maytenus chuchuhuasca.

Chem. Pharm. Bull. 2004, 52, 739—746.

14. González, A. G.; Alvarenga, N. L.; Estévez-Braun, A.; Ravelo, A. G.; Bazzocchi, I.

L.; Moujir, L. M.: Structure and absolute configuration of triterpene dimers from

Maytenus scutioides. Tetrahedron. 1996 52, 9597-9608.

15. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: New geometric and stereoisomeric

triterpene dimers from Maytenus chuchuhuasca. Chem. Pharm. Bull. 1998, 46, 102-106.

16. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: Revised structures of cangorosins,

triterpene dimers from Maytenus ilicifolia. J. Nat. Prod. 1997 60, 111-115.

17. Shirota, O.; Sekita, S.; Satake, M.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, Nine Triterpene

Dimers from Maytenus chuchuhuasca. Helv. Chim. Acta 2004, 87,1536-1544.

18. González, A. G.; Crespo, A.; Ravelo, A. G.; Muñoz, O.M.: Magellanin a new

triterpene dimer from Maytenus magellanica (Celastraceae). Nat. Prod. Lett. 1994, 4,

165-169.

19. Minami, A.; Oikawa, H. The Diels-Alderase Never Ending Story. En Biomimetic

Organic Synthesis; Poupon, E.; Nay, B., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2011; Vol. 2; pp

753-781.

20. Zeng, Y.; Ren, Y. Densiy functional theory study of tautomerization of 2-

aminothiazole in the gas phase and in solution. Int. J. Quantum Chem. 2007, 107, 247-

258.

21. Dinadayalane, T. C.; Geetha, K.; Narahari-Sastry, G. and Density Functional Theory

(DFT) Study on [1,5] Sigmatropic Rearrangements in Pyrroles, Phospholes, and

Siloles and Their Diels-Alder Reactivities. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 5479-5478.

22. Zakharov, I. I.; Minaev, B. F. DFT Calculations of the intermédiate and transition

state in the oxidation of No by oxigen in de gas phase. Theor. Exp. Chem. 2011, 47, 93-

100.

23. Wang, H.; Wang, Y.; Han, K.; Peng, X. A DFT Study of Diels-Alder Reactions of o-

Quinone Methides and Various Substituted Ethenes: Selectivity and Reaction Mechanism.

J. Org. Chem. 2005, 70, 4910-4917.

24. Bini, R.; Chiappe, C.; Mestre, V. L.; Pomeli, C. S.; Welton, T. A theoretical study of

the solven effec on Diels-Alder reaction in room temperatura ionic liquids using a

supermolecular approach. Theor. Chem. Acc.2009, 123, 347-352.

25. Kuyoc-Carrillo, V. F. Determinación de la relación cuantitativa estructura-actividad

(QSAR) de dímeros de quinonas triterpénicas con actividad antigiardiásica. Tesis de

Licenciatura, Universidad Autónoma de Yucatán, México, 2010.