Tesis presentada a la Universidad de Chile
para optar al grado de Doctor en Química / Los radicales libres son por esencia especies reactivas que se encuentran
involucradas en sistemas biológicos y químicos. Los radicales libres se encuentran
presentes en la mayoría de las patologías existentes, ya sea como causantes o como
indicadores de alguna anomalía en sistemas vivos. Se clasifican actualmente como
especies reactivas de oxígeno (EROs) y especies reactivas de nitrógeno (ERNs). La gran
dificultad para el estudio de los radicales libres radica en sus cortos tiempos de vida que
van en el orden de milisegundos a nanosegundos lo cual hace difícil su caracterización.
Sin embargo, en este último tiempo se ha desarrollado una nueva técnica denominada
“atrapamiento de espín” (Spin Trapping) en conjunto con la espectroscopia de
Resonancia de Espín Electrónico (REE) que ha permitido la detección de estas especies.
Esta técnica implica la reacción de una molécula atrapadora de radicales denominada
atrapador de espín (Spin Trap) la cual reacciona con el radical libre formando una
especie radicalaria más estable denominada aducto de espín (Spin Aduct).
Existen dos grandes familias de atrapadores de radicales libres utilizados, los
nitroso compuestos que se han dejado de usar por una serie de inconvenientes que
presentaban y las nitronas que son de gran uso comercial hoy en día. Las nitronas
forman un grupo estructural bastante utilizado para atrapar radicales libres, sin embargo
las existentes en el mercado (principalmente las nitronas más usadas son 5,5–dimetil–1–
pirrolina N–óxido (DMPO) y α–fenil–N–tert–butilnitrona (PBN) además de algunos derivados de este último) presentan aun problemas de solubilidad en medios acuosos, de
selectividad y de biodisponibilidad.
En esta tesis, se estudiaron cuatro series de nitronas con diferentes
modificaciones estructurales: la serie I de nitronas derivadas de N–óxido furazano, la
serie II y la serie III derivadas de 1,4–di–N–óxido quinoxalina y la serie 0 que se utilizó
como blanco para las series II y III. Estas nitronas permitieron un atrapamiento eficiente
de especies radicalarias activas de corta vida. Esta variedad estructural permitió evaluar
su capacidad como atrapadores de radicales libres.
El principal objetivo de este estudio es evaluar fisicoquímicamente nuevas series
de nitronas haciendo un estudio experimental y teórico. Se usarán principalmente dos
grupos de metodologías asociadas con los diferentes estudios a realizar, la primera
metodología comprende el uso de la espectroscopia de resonancia de espín electrónico
(REE) para la caracterización de los atrapadores de radicales libres. La segunda
metodología comprende el uso de herramientas de la química computacional que
permitan una mejor comprensión y racionalización de los resultados experimentales,
basados en la química cuántica y de las simulaciones de cinéticas y de espectros de
REE/RMN.
Los resultados obtenidos muestran que aquellas nitronas solubles en general son
mejores atrapadores de radicales libres que 5,5–dimetil–1–pirrolina N–óxido (DMPO) y
α–fenil–N–tert–butilnitrona (PBN). En comparación a DMPO, las nitronas estudiadas
resultaron ser entre 3,5 a 5,0 veces más rápidos que este último. Además, mostraron ser
buenos atrapadores de radicales libres en medios biológicos. Los estudios cinéticos permitieron obtener las constantes de atrapamiento de
estas nitronas al atrapar al radical hidroxilo, además de constantes relativas para otros
radicales libres. Se determinó la constante de decaimiento de los aductos de espín y su
correspondiente tiempo de vida media.
La racionalización de los resultados experimentales mediante el uso de los
cálculos computacionales, permitieron proponer un mecanismo de reacción general para
estos atrapadores y comprender que fenómenos de tipo electrónicos influyen en la
estabilización del correspondiente aducto de espín formado. / Free radicals are essentially reactive species involved in biological and chemical
systems. Free radicals are present in several diseases either as originators or as indicators
of abnormalities in living systems, being currently classified as reactive oxygen species
(ROS) and reactive nitrogen species (RNS). The major difficulty in their study lies in
their short lifetimes which range from milliseconds to nanoseconds, making it difficult
to characterize them. The “Spin Trapping” technique has been developed which in
conjunction with Electron Spin Resonance Spectroscopy (ESR) allow the detection of
these radical species. This technique involves the reaction of a radical trapping molecule
called Spin–Trap, which reacts with a free radical molecule forming a more stable
radical species called Spin–Adduct.
Nowadays the use of Nitrone (DMPO) as a Spin–Trap, a successful commercial
compound has revealed several problems, mainly due to the short lifetime of the spin
adduct formed. Also, another spin trap called PBN, displayed a shorter lifetime of it’s
adduct compared to DMPO. Moreover, the search for improved spin traps is plenty of
new issues like their diminished solubility or simply lack of selective which do not allow
for the proper identification of the trapped species.
In this thesis, we have studied four new families of nitrones with different
structural modifications. The first series denominated as Series I of nitrones are derived
from N–oxide furazane, the Series II and III are derived from 1,4–di–N–oxide
quinoxaline and the last series called Series 0 were used as a structural blank for the Series II and III. These nitrones allowed the efficient trap of free radical species with
short lifetime. The structural diversity of these nitrones has allowed the assessment of
their ability as spin traps.
Two methodologies were used to evaluate these compounds as spin traps. The
first methodology involves the use of Electron Spin Resonance Spectroscopy (ESR) for
the characterization of these nitrones as spin traps. The second methodology involves the
use of computational chemistry tools to enable a better understanding so as the
rationalization of the experimental results, based on quantum chemical and kinetic and
spectra simulations of ESR/NMR.
The results show that soluble nitrones are generally better spin traps than DMPO
and PBN. Our results indicated that studied nitrones are between 3.5 and 5.0 times faster
spin traps in comparison to DMPO. The above mentioned nitrones also show to be
efficient spin traps in biological media.
The rationalization of the experimental results using computer calculations
allowed us to propose a general reaction mechanism for the trapping process in order to
understand how the electronic structure of these nitrones have an influence on the
stabilization of the trapped free radical species and the consequent formation of the spin
adducts.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UCHILE/oai:repositorio.uchile.cl:2250/112050 |
| Date | 04 January 2013 |
| Creators | Barriga González, Germán Eduardo |
| Contributors | Olea Azar, Claudio, Mendizábal Emaldía, Fernando Javier, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas |
| Source Sets | Universidad de Chile |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Tesis |
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