Ultrassom e catalisador produzido com planta aceleram síntese de quinolinas

Uma equipe de químicos desenvolveu um método rápido à base de água para produzir oito compostos de quinolina-cromeno não descritos anteriormente, segundo reportagem da ScienMag. O processo utiliza ultrassom e um nanocatalisador reciclável preparado com a ajuda do petasite (Petasites hybridus), uma planta medicinal.

A reação produziu as moléculas-alvo em 15 minutos, a 25 graus Celsius, com rendimentos entre 93 e 97 por cento. O trabalho foi descrito no Journal of Saudi Chemical Society por Shahrzad Abdolmohammadi, da Islamic Azad University, em Teerã, e colaboradores do Azerbaijão, da Jordânia e da Índia.

O resultado enfrenta um desafio persistente da química medicinal: construir moléculas complexas de forma eficiente, reduzindo ao mesmo tempo o uso de solventes perigosos, o consumo de energia e os resíduos químicos. O novo método combina um meio de reação aquoso, energia acústica e um catalisador formado por cobre, óxido de zinco e óxido de grafeno.

Uma reação de três componentes em água

Os compostos pertencem à família das [1]benzopirano[b]dioxolo[g]quinolinas. Suas estruturas reúnem três tipos de sistemas cíclicos: um benzopirano, também conhecido como cromeno; um dioxol; e uma quinolina. Essas estruturas são importantes na pesquisa de medicamentos porque moléculas relacionadas têm sido associadas a efeitos antibacterianos, antivirais, antitumorais e antiproliferativos.

Para produzir os novos compostos, os pesquisadores combinaram 4-hidroxicumarina, diferentes aldeídos aromáticos e 3,4-(metilenodioxi)anilina. A mistura foi colocada em água e exposta a ultrassom de 80 watts na presença de uma pequena quantidade de Cu/ZnO@GO, um catalisador compósito no qual partículas de óxido de zinco dopadas com cobre são ligadas ao óxido de grafeno.

O catalisador e o ultrassom funcionaram muito melhor juntos do que qualquer um dos componentes isoladamente. Sem catalisador, a reação produziu um rendimento de 20 por cento após 300 minutos sob refluxo. O ultrassom sem o nanocompósito produziu 48 por cento em 15 minutos. Nas condições selecionadas, porém, o sistema combinado atingiu um rendimento máximo de 97 por cento usando 0,05 grama de catalisador em 3 mililitros de água.

Os pesquisadores também testaram etanol, diclorometano, acetonitrila e dimetilformamida. Nenhum teve desempenho tão bom quanto a água. Vários outros catalisadores foram avaliados, mas não igualaram os resultados do nanocompósito.

O ultrassom ajuda ao criar e colapsar pequenas bolhas no líquido. Esse processo, conhecido como cavitação acústica, gera breves áreas de alta temperatura e pressão, melhorando o contato entre os reagentes e o catalisador sólido. Embora essas condições sejam intensas em escala microscópica, a própria mistura de reação permanece em temperatura ambiente, evitando a necessidade de aquecer todo o recipiente.

Um catalisador produzido com extrato de petasite

A preparação do catalisador também foi concebida com base em uma química menos perigosa. A equipe produziu as nanopartículas de óxido de zinco e contendo cobre usando um extrato aquoso de Petasites hybridus, conhecido comumente como petasite. O rizoma seco e pulverizado da planta foi deixado em infusão em água deionizada fervente, e o extrato resultante ajudou a reduzir e estabilizar as nanopartículas em formação.

O acetato de zinco e o cloreto de cobre forneceram os componentes metálicos. Em seguida, as partículas foram combinadas com óxido de grafeno por meio de outra etapa de crescimento assistida por extrato vegetal. O óxido de grafeno funciona como suporte porque oferece grande área superficial, estabilidade química e térmica e custo relativamente baixo. Ancorar as partículas contendo metal nesse suporte ajuda a manter o material ativo disperso.

Uma série de técnicas analíticas confirmou a composição e a estrutura do compósito. Medições no infravermelho identificaram ligações zinco–oxigênio e cobre–oxigênio. A difração de raios X detectou a forma hexagonal wurtzita do óxido de zinco, bem como sinais relacionados ao cobre. A microscopia eletrônica mostrou partículas aproximadamente esféricas ligadas ao óxido de grafeno, enquanto a análise elementar confirmou os componentes esperados.

O catalisador também pôde ser recuperado após o uso. Os pesquisadores o separaram por centrifugação, lavaram-no com etanol e o secaram antes de reutilizá-lo em outra reação. Ele manteve sua atividade ao longo de pelo menos quatro ciclos, sem queda substancial de desempenho, sugerindo que o uso repetido poderia ajudar a limitar tanto o consumo de materiais quanto o custo.

Atividade antioxidante entre as novas moléculas

Os pesquisadores propuseram que a reação ocorre por meio de várias etapas interligadas. Primeiro, o catalisador ativa o aldeído, que reage com o componente anilínico. Em seguida, a 4-hidroxicumarina se adiciona ao intermediário resultante, seguida pelo fechamento do anel, pela perda de água e pela formação da estrutura final fundida.

O método tolerou aldeídos aromáticos contendo grupos doadores de elétrons, como metoxi, hidroxi e metil, bem como grupos retiradores de elétrons, incluindo bromo, cloro, ciano e nitro. Os aldeídos alifáticos foram menos bem-sucedidos, aparentemente porque seus pontos de ebulição mais baixos permitem que evaporem durante a sonicação.

Quatro produtos foram testados em um ensaio de eliminação de radicais livres DPPH, que mede a atividade antioxidante por meio de uma mudança de cor registrada a 517 nanômetros. Os pesquisadores os compararam com os antioxidantes comerciais BHT e TBHQ. O TBHQ apresentou o melhor desempenho geral, enquanto o composto 4e, que contém um grupo hidroxila em seu anel arila, mostrou atividade próxima à do BHT a 1.000 partes por milhão.

Os testes biológicos não estabelecem que os compostos sejam medicamentos. Eles indicam, porém, que a família química pode merecer investigação adicional, especialmente porque danos oxidativos têm sido associados a condições que incluem diabetes, câncer, aterosclerose e doença de Alzheimer. A principal contribuição do estudo é uma plataforma sintética rápida que combina água, ultrassom, preparação de catalisador assistida por planta e reutilização do catalisador em um único processo.