Estudo computacional dos equilíbrios tautoméricos e protolíticos dos corantes eritrosina B e eosina Y

Abstract

Diversos corantes combinados com luz na presença de oxigênio têm sido empregados no tratamento de doenças com crescimento anormal de tecidos (e.g. câncer), modalidade conhecida como Terapia Fotodinâmica (TFD), e no combate de vírus, bactérias, protozoários e fungos, denominada Inativação Fotodinâmica de Microrganismos (IFDMO). Corantes xantênicos, tais como a Eosina Y (bromado) e Eritrosina B (iodado), são derivados halogenados da fluoresceína que têm mostrado grande potencial como fotossensibilizadores (FS) para TFD e IFDMO, porém apresentam um complicado equilíbrio em função do pH do meio e, adicionalmente, as espécies protolíticas estão presentes em equilíbrios tautoméricos. Além do pH, a constante dielétrica (?) e interações eletrostáticas com o meio determinam a forma protolítica e tautomérica presente e, portanto, modulam as propriedades físico-químicas dos FS. Esses corantes apresentam fenômenos complexos de inversão de pKa, já que sua estrutura possui grupo protolítico fenólico (-OH) que em determinadas condições mostrou-se mais ácido do que seu grupamento ácido carboxílico (-COOH); ou seja, pKa-OH < pKa-COOH o que não é comum. Partindo de um meio ácido, com o aumento do pH o equilíbrio protolítico é deslocado da forma catiônica (CT) para neutra (NE), seguida da forma monoaniônica (MA) e dianiônica (DA). A forma protolítica neutra pode ser constituída pelos tautômeros: zwitteriônico (NEZ), quinóide (NEQ) e lactona (NEL), enquanto a forma monoaniônica é composta pelos tautômeros carboxilato (MAC) e fenolato (MAF). Neste trabalho foram calculadas as constantes de equilíbrio tautomérico (KT) entre NEQ NEL e MAC MAF da Eosina e Eritrosina a partir das absortividades molares (?) obtidas anteriormente em nosso grupo de pesquisas em água, misturas DMSO/água e micelas de SDS, CTAB e P-123 para verificar a estabilidade relativa dos tautômeros de acordo com as condições do meio. Estes equilíbrios também foram avaliados calculando KT por métodos químico-computacionais em água, DMSO e vácuo utilizando a Teoria do Funcional de Densidade (DFT). Foram testados os funcionais B3LYP e M06-2X, os conjuntos de base DGDZVP, 6- 311++G(d,p) e LANL2DZ(d,p) e os modelos de solvatação IEF-PCM e SMD juntamente com os conjuntos de raios de van der Waals UFF, Pauling e SMD-Coulomb utilizando o pacote Gaussian 09 (UNIX). Os níveis de teoria obtidos foram avaliados através dos cálculos de KT e pKa no estado fundamental e dos espectros de absorção eletrônica (através da DFT dependente do tempo - TD-DFT) no estado singleto excitado, comparando as descrições teóricas com os dados experimentais. Os resultados indicaram B3LYP/DGZVP e B3LYP/6-311++G(d,p) como mais adequados para cálculos de KT, pKa e espectros de absorção quando utilizados com SMD-Coulomb. O conjunto de base DGDZVP destacou-se não apenas por descrever corretamente o sistema, mas também por ter baixo custo computacional em relação aos outros testados. Os resultados de KT (experimentais e teóricos) e os espectros de absorção de cada tautômero por TD-DFT, em geral, mostraram que NEQ torna-se favorável frente à NEL em água, sendo que NEL (? = 0, incolor) é mais bem estabilizado em ambientes de baixa ?. Das espécies monoaniônicas da Eritrosina, MAC esta presente em maior quantidade em água enquanto a alta distribuição de cargas e o menor momento de dipolo de MAF a faz favorável em ambientes de baixa ?. Observou-se que nos meios em que MAF é estabilizada ocorre inversão de pKa, enquanto onde MAC é preferencial tem-se pKa-COOH < pKa-OH. Para a Eosina em água, MAF é tão favorecida quando MAC, justificando sua inversão de pKa neste meio. Assim, o tautômero MAF parece ser o responsável por causar inversão de pKa nos meios onde está presente em grande quantidade. Esse resultado é importante para TFD e IFDMO visto que MAF absorve mais luz do que MAC. A análise estrutural, a distribuição de cargas, os momentos de dipolo (?), os orbitais naturais de ligação (NBO) e os orbitais HOMO-LUMO forneceram informações importantes do comportamento de cada espécie em diferentes meios. A maior concentração de cargas sobre o grupo carboxilato de MAC e seu maior momento de dipolo em relação à MAF justifica sua grande estabilidade em água para a Eritrosina. Por sua vez, a alta deslocalização de cargas da forma MAF da Eritrosina, constatada através de análises de NBO, contribui para sua estabilidade em DMSO. Em relação à Eosina, a estabilidade de MAF em água - que causa a inversão de pKa neste meio - é pouco influenciada pela deslocalização eletrônica, e provavelmente se deve a efeitos estéricos e de solvatação, o qual é favorecido pelo alto momento de dipolo de MAF em água (apenas 2 debyes menor que MAC). Contribuições na sobreposição de orbitais ? de C-Br e C-I com ?* de C-C contribuem para a deslocalização eletrônica diferenciada da espécie MAF da Eosina e da Eritrosina. Assim, tendo em vista que em aplicações fotodinâmicas a capacidade de absorção de luz é fundamental, este trabalho evidencia que algumas formas tautoméricas da Eritrosina e Eosina têm absorção de luz limitada, sendo que suas concentrações relativas foram estimadas. Desta forma, este estudo também se mostra importante para compreender o comportamento tão peculiar e complexo destes dois importantes candidatos a fotossensibilizador para TFD e IFDMO

Several dyes combined with light in the presence of oxygen are used in the treatment of diseases with abnormal tissue growth (e.g. cancer), procedure known as Photodynamic Therapy (PDT), and to combat viruses, bacteria, protozoa and fungi, called Photodynamic Inactivation of Microorganisms (PDIMO). Xanthene dyes such as Eosin Y (brominated) and Erythrosin B (iodinated) are halogen-Fluorescein derivatives that have shown high potentiality as photosensitizers (PS) for PDT and PDIMO. However they exhibit a complex chemical equilibrium depending on the pH and, additionally, some of protolytic species are present in tautomeric equilibrium. Besides pH, dielectric constant (?) and electrostatic interactions in the aqueous environment determine the protolytic and tautomeric forms and thus modulate the physico-chemical properties of the PS. These dyes exhibit a complex phenomena of reversal pKa, since theirs structures have phenol group (-OH) that under certain conditions was more acid than the carboxylic acid group (-COOH), i.e., pKa-OH <pKa-COOH which is not so usual. Starting from an acid medium, as the pH is increased, the equilibrium is shifted from the cationic (CT) protolytic form to neutral (NE), then to the monoanionic (MA) and finally to the dianionic (DA) form. The neutral form can be composed by tautomers: zwitterionic (NEZ), quinoid (NEQ) and lactone (NEL), while the monoanionic form is composed by carboxylate (MAC) and phenolate (MAF) tautomers. In this work we calculated the tautomeric equilibrium constant (KT) between NEL NEQ and MAC MAF of Eosin and Erythrosin using the molar absorptivities (?) obtained previously in our research group in water, DMSO/water mixtures and SDS, CTAB and P-123 micelles to assess the relative stability of tautomers according to the environmental conditions. These equilibriums were also evaluated by calculating KT through chemical computational methods in water, DMSO and vacuum using the Density Functional Theory (DFT). The B3LYP and M06-2X functional, the basis set DGDZVP, 6-311++G(d,p) and LANL2DZ (d,p) and the IEF-PCM and SMD solvation model were tested along with the van der Waals radii set UFF, Pauling and SMD-Coulomb employing the Gaussian 09 (UNIX) package. The obtained levels of theory were assessed through KT and pKa calculations in the ground state and the electronic absorption spectra (by Time Dependent-DFT, TD-DFT) in the singlet excited state, comparing the theoretical descriptions with the experimental data. The results indicated B3LYP/DGZVP and B3LYP/6-311++G(d,p) as more suitable for calculations of KT, pKa and absorption spectra when used with SMD-Coulomb. The DGDZVP basis described quite well the systems and showed low computational cost compared to others tested methodologies. The KT results (experimental and theoretical) and absorption spectra for each tautomer obtained by TD-DFT, in general showed: NEQ is favored than NEL in water, while NEL (? = 0, colorless) is more stabilized at low dielectric constant environments (DMSO presence). From the monoanionic species of Erythrosin, high amounts of MAC is found in water while the higher charge distribution and lower dipole moment of MAF make it favorable in low dielectric environments. It was observed that in the environments where MAF is stabilized, the pKa inversion occurs, and where MAC is preferred the system shows pKa-COOH < pKa-OH. For Eosin, MAF is already favored in water, which justifies its pKa reversion. Thus, the MAF tautomer seems to be responsible for causing reversal pKa. This result is important for PDT and PDIMO since MAF absorbs more light than MAC. The structural analysis, the charges distribution, the dipole moments (?), the natural bond orbitals (NBO) and the HOMO-LUMO orbitals provided important information about the behavior of each species in different environments. The highest charge concentration on the carboxylate group of MAC and its larger dipole moment relative to MAF justifies its high stability in water for Erythrosin. In the other hand, the charge delocalization of MAF - Erythrosin obtained through NBO analysis explains its stability in DMSO. Regarding Eosin, the MAF stability in water - that causes the pKa inversion - undergoes low influence by electron delocalization, which is probably due to steric and solvation effects that is favored by the high MAF dipole moment in water (2 debyes smaller than MAC). Contributions in the overlapping of ? (C-Br and C-I) with ?* (C-C) orbitals contribute to different electron delocalization for MAF of Eosin and Erythrosine. Thus, considering that in PDT and PDIMO the light absorption capacity is fundamental, it is showed that some tautomeric forms of Erythrosine and Eosin have limited absorption of light and in solution is quantified their relative concentrations. In addition, the present work helps the understanding of these complex and peculiar behavior of two important candidates as photosensitizers for photodynamic applications