Capítulo 1. Síntesis y caracterización de compuestos
Generalidades del Primer Capítulo
1. Propiedades biológicas de las naftoquinonas
Las naftoquinonas se encuentran presentes en plantas, líquenes, hongos, bacterias e insectos (Da Silva y Ferreira, 2016). Si bien algunas quinonas funcionan como pigmentos, estos compuestos presentan diferentes propiedades biológicas, y muchos compuestos de origen natural que contienen fragmentos de tipo naftoquinónico han sido estudiados por esta amplia variedad de efectos biológicos.
Un ejemplo de compuesto naftoquinónico relacionado con la vida cotidiana es la vitamina K. La vitamina K es una vitamina liposoluble que posee un núcleo de tipo quinona. Está involucrada en la cascada de la coagulación, ya que algunos factores de la cascada de la coagulación (II, VII, IX y X) dependen de ella para una modificación en su estructura: la enzima γ-glutamil carboxilasa (GGCX) empleando como cofactores a CO2, O2 y a la vitamina K en su forma reducida hidroquinona (Stafford, 2005) introduce un grupo carboxilo en residuos de ácido glutámico de los factores ya mencionados. Sin esta modificación, estos factores no son capaces de poseer funcionalidad dentro de la cascada de coagulación.
Figura 1.1. Estructura química de la vitamina K, remarcando en rojo el núcleo naftoquinona.
Una actividad comúnmente reportada para compuestos con núcleo naftoquinona es la citotóxica (López L., Leyva y García de la Cruz, 2011). Esta propiedad se puede encontrar desde moléculas de origen natural con esta estructura, como es el caso de plumbagina, que posee este efecto antiproliferativo contra diferentes tipos de tumores, mediante inhibición de la formación de microtúbulos (Acharya, Bhattacharyya y Chakrabarti, 2008), así como en moléculas sintéticas. Menadiona ha presentado potencial anticancerígeno, así como otros derivados sintéticos con el fragmento naftoquinona en sus estructuras (Kumar et al, 2008).
Figura 1.2. Ejemplos de estructuras naftoquinónicas con capacidades anticancerígenas.
En este caso, Qiu et al. (2018) mencionan que los mecanismos bajo los cuales compuestos naftoquinónicos suelen presentar su capacidad anticancerígena pueden agruparse en dos categorías generales: induciendo estrés oxidativo y generando ROS (especies reactivas de oxígeno), o mediante la interacción con dianas terapéuticas por medios no oxidativos, como pueden ser la inhibición de STAT3 (transductor de señal y activador de la transcripción 3) o de ADN topoisomerasa. Otros ejemplos de mecanismos por los cuales naftoquinonas sintéticas y naturales pueden ejercer propiedades anticancerígenas es mediante la inhibición de MALT1 (proteína 1 de traslocación del linfoma de tejido linfoide asociada a la mucosa), represión de la actividad de telomerasa, regulación del factor supresor de tumores p53, entre otros (Pereyra, et al., 2019).
Otra propiedad de las naftoquinonas ampliamente estudiada es su capacidad antiparasitaria, donde las propiedades antimaláricas se destacan. La malaria es causada por parásitos del género Plasmodium, siendo las especies Plasmodium falciparum, y Plasmodium vivax las especies más fatales y prevalente en regiones como África, América Latina y la India (Patel, Beteck y Legoabe, 2021), y desde que se encontró que el compuesto natural hidrolapachol resultó activo contra Plasmodium lophurae, las naftoquinonas han tenido un papel importante en la búsqueda de compuestos antimaláricos.
Relacionado al anteriormente mencionado compuesto, otro ejemplo de producto quinónicos de origen natural con propiedades antimaláricas se encuentra el largamente estudiado lapachol, e incluso de manera reciente se siguen encontrando compuestos naturales activos como eleuterina, isoeleuterina, aislados de la planta Eleutherine plicata (Vale et al., 2020).
Figura 1.3. Ejemplos de compuestos antimaláricos con fragmentos de naftoquinona.
En cuanto a ejemplos de productos quinónicos sintéticos antimaláricos, Olawode et al. (2019) generaron tiazol amino 1,4-naftoquinonas con diversas sustituciones y encontraron que, dentro de sus productos sintetizados, los que presentaron para-sustituciones electronegativas en el anillo aromático presentaron mejor actividad antimalárica comparados con el compuesto del que se derivaron (siendo el más activo su compuesto 3e, Figura 1.3). No solamente eso, todos los productos sintetizados en ese estudio fueron evaluados además en su citotoxicidad y capacidad antimicrobiana contra Mycobacterium tuberculosis y Pseudomonas aeruginosa, donde en cada evaluación in vitro encontraron compuestos activos, demostrando la versatilidad de este tipo de compuestos.
1.1 Propiedades de óxido reducción
Las quinonas por su estructura presentan la capacidad de oxidarse y reducirse a partir de procesos de reducción y oxidación mediadas por un electrón, donde la forma quinona (oxidada) e hidroquinona (reducida) son fácilmente interconvertibles entre sí (Patel, Beteck y Legoabe, 2021). Esta capacidad de ciclarse en forma redox les ayuda a ser mediadoras en muchos procesos biológicos, como la vitamina K que constantemente es reducida y oxidada en su papel dentro de la coagulación, así como les otorga varias de sus propiedades biológicas. Como se mencionó previamente (Qiu et al., 2017), la producción de ROS por parte de algunas quinonas es uno de los mecanismos por el cual pueden ejercer sus propiedades citotóxicas. Por ejemplo, se ha encontrado que esta generación de ROS por parte de naftoquinonas puede llevar a la apoptosis celular mediante la activación de la vía p38/MAPK (Liu et al., 2018).
La generación de ROS por parte de naftoquinonas también se ha relacionado con sus propiedades contra diferentes patógenos; por ejemplo, plumbagina contra bacterias como Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae y Pseudomonas aeruginosa (Mone et al., 2021), o diferentes naftoquinonas contra el parásito Trypanosoma evansi (Rani et al., 2021).
Si bien algunas quinonas generan ROS y por lo tanto un ambiente oxidante durante sus funciones biológicas, también encontramos ejemplos donde muestran capacidad antioxidante que resulta de utilidad terapéutica. Un ejemplo se encuentra con el compuesto equinocromo A, que pertenece a una familia de productos quinónicos aislados de erizos de mar. La sal de sodio de equinocromo A se encuentra registrada en la Federación Rusa como agente antioxidante, y por lo mismo está recomendado su uso como cardioprotector y medicina antiarrítmica y oftálmica, y se sigue investigando más usos terapéuticos para este producto (Hou et al., 2018). Por otra parte, también se ha investigado el uso de geles con naftoquinonas incorporadas para servir como parches antioxidantes de aplicación tópica, para proteger la piel de daño por estrés oxidativo (Khelifi et al., 2020).
2. Síntesis de naftoquinonas
Debido al reconocimiento que diferentes quinonas pueden encontrarse de manera natural, presentando muchas veces propiedades biológicas, su síntesis se ha llevado a cabo por varias décadas. Si bien se suele partir de núcleos aromáticos formados previamente, se puede partir a su vez de cetenas insaturadas (Karlsson et al., 1985; Liebeskind y Riesinger, 1993), 
como puede observarse en el Esquema 1.1. En este ejemplo, puede obtenerse una serie de benzoquinonas sustituidas a partir de la termólisis de 4-alquinil-4-hidroxi-ciclobutenonas.
Esquema 1.1. Síntesis de núcleos de tipo quinona. (Adaptado de Karlsson et al., 1985; Liebeskind y Riesinger, 1993; Takata, Tajima y Ando, 1983).
Sin embargo, una manera más directa puede lograrse a partir de la oxidación de compuestos dihidroxi aromáticos, donde los anillos del núcleo ya se encuentran formados. Dependiendo del material de partida empleado, la síntesis de las quinonas puede llevarse mediante el uso de diferentes agentes oxidantes, por ejempo PhIO, PhIO2, Bu4NIO4 o NaIO4 como se puede observar en el Esquema 1.1 (Takata, Tajima y Ando, 1983).
La síntesis de quinonas a partir de la oxidación de compuestos aromáticos dihidroxilados se sigue dando de forma más reciente, si bien se han propuesto algunos cambios durante el proceso. Abu-Elfotoh et al. (2013) mencionan que el oxígeno molecular o el peróxido de hidrógeno (H2O2) pueden ser mejores opciones de agentes oxidantes en estas síntesis desde un punto de vista económico y ambiental, como parte de sistemas catalíticos con sales de cobre, complejos de cobalto, entre otros. Este equipo reporta un catalizador de Ru(II) que puede ser incorporado en un polímero macroporoso, el cual promueve la oxidación con H2O2 y permite la síntesis de benzo y nafto quinonas con excelentes rendimientos (1,4-naftoquinona bajo este esquema fue sintetizada con 99% de rendimiento).
En otro ejemplo reciente, la síntesis de quinonas se produjo a partir de la alquilación de un compuesto polialcoxilado, si bien no era el producto esperado por los autores. En el trabajo de Kamauchi et al. (2020), se sintetizaron quinonas similares a productos naturales, las cuales incluso mostraron una actividad de inhibición de MAO-B (monoamino oxidasa B) con valores de IC50 de 1.4 y 1.3 μM en los compuestos 16b y 16c, respectivamente (Figura 1.4).
Figura 1.4. Quinonas sintetizadas por Kamauchi et al. (2020) inhibidoras de MAO-B.
En el presente trabajo, se han sintetizado derivados quinónicos a partir de la 1,4-naftoquinona, siendo estos compuestos de tipo aminoquinona. Este tipo de compuestos pueden sintetizarse por metodologías que pueden generalmente clasificarse de dos maneras: una adición tipo 1,4 directamente de la amina sobre el anillo de la quinona, o el desplazamiento nucleofílico de un sustituyente, que comúnmente son sustituyente de tipo halógeno (Couladouros, Plyta y Papageorgiou, 1996).
Algunos ejemplos recientes de este tipo de síntesis es la adición 1,4 (tipo adición de Michael) de amino azúcares sobre quinonas (Esquema 1.2) por parte de Dias et al. (2018). Esta síntesis fue catalizada con cloruro de cerio y llevada a cabo con ultrasonido. Las naftoquinonas con fragmentos amino azúcar fueron evaluadas in vitro, donde algunos de estos compuestos mostraron actividad antimicrobiana contra bacterias Gram positivas y negativas.
Esquema 1.2. Síntesis de quinonas con fragmentos de amino azúcares (Adaptado de Dias et al., 2018).
Otra serie de aminoquinonas que también fue sintetizada y evaluada como agente antibacterial es una serie de análogos bromados de plastoquinonas, que son una serie de moléculas que funcionan como acarreadoras de electrones en la fotosíntesis, así como en varios procesos metabólicos en las plantas (Havaux, 2020). Estos análogos fueron sintetizados por las dos vías, por un desplazamiento de un átomo de bromo en el esqueleto quinónico por parte de una amina aromática correspondiente en etanol sin aplicación de calor (Esquema 1.3), así como por incorporación directa de la amina sobre la quinona no sustituida, en reflujo con etanol (Bayrak et al., 2020).
Esquema 1.3. Síntesis de análogos bromados de plastoquinona (Adaptado de Bayrak et al., 2020).
La síntesis de aminoquinonas no requiere necesariamente que se hagan reaccionar aminas alquílicas o aromáticas con las respectivas quinonas, también se ha logrado emplear directamente amonio como fuente de nitrógeno (Akagi, Harasawa y Komatsu, 2021). Si bien los rendimientos de este grupo para la obtención de las aminoquinonas por este medio no fueron muy elevados (42% para R1 = OH y R2 = H; 22% para R1 = H y R2 = OH) solamente fue necesaria una hora de reacción con una solución de amonio acuosa para lograr la síntesis (Esquema 1.4).
Esquema 1.4. Síntesis de aminoquinonas con amonio acuoso (Adaptado de Akagi, Harasawa y Komatsu, 2021).