Souza S. A. A., Muniz Filho R. C. D., Ferreira, M. M. C., "Energética envolvida no rearranjo intramolecular indólico na biossíntese da violaceina: Um estudo teórico" ["Energy of indolic intramolecular rearrangement in the biosynthesis of violacein: A theoretical study"]. Poços de Caldas, SP, 18-21/10/2009: XV Simpósio Brasileiro de Química Teórica [15th Brazilian Symposium of Theoretical Chemistry], Resumos [Abstracts] (2009) 92. Poster.

                                         XV Simpósio Brasileiro de Química Teórica
                                                                                                                                                  A-I
 

Energética Envolvida no Rearranjo Intramolecular Indólico na Biossíntese da Violaceína: Um Estudo Teórico

Samuel Anderson Alves de Sousa (PG), Raimundo Clécio Dantas Muniz Filho (PG) e Márcia Miguel Castro Ferreira (PQ)

Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, CEP 13083-970 Campinas - SP.
e-mail: marcia@iqm.unicamp.br

Introdução e objetivos

A violaceína é um pigmento azul isolado de diversas bactérias incluindo a Chromobacterium violaceum, uma bactéria saprofíta, Gram-negativa comumente encontrada em solos e águas de regiões tropicais e subtropicais do planeta. Esse pigmento exibe atividade antibiótica contra microorganismos causadores da tuberculose, da doença de chagas e da leishmaniose, além de efeitos citotóxicos contra células tumorais [1]. O caminho biossintético de produção da violaceína (Figura 1) inclui uma fusão descarboxilativa de duas unidades de triptofano. Entretanto, uma dessas moléculas sofre um rearranjo intramolecular não usual, conhecido como 1,2 shift do anel indólico [2].

Figura 1. Rota biossintética de produção da violaceína.

Esse rearranjo consiste na movimentação de um substituinte para um átomo vizinho na mesma molécula, através de um intermediário reativo (carbocátion, carbânion ou radical livre). A proposta desse trabalho consiste em investigar teoreticamente a energética desse mecanismo permitindo um melhor entendimento desta reação, uma vez que tal estudo ainda não foi reportado na literatura.

Métodos e resultados

Cálculos de otimização de geometria e frequência vibracional foram realizados usando o método DFT/B3LYP e conjunto de base 6-31G(d,p).
De maneira geral, os cálculos mostraram que o rearranjo intramolecular citado apresenta uma pequena variação de energia livre (1,96 kcal/mol), não fornecendo conclusões a cerca de espontaneidade do processo, tendo em vista sua magnitude em relação à energia térmica.
Momen & Hoshino [2] relatarm a quebra da ligação C-C entre o anel indólico (R) e a cadeia lateral (F) do triptofano (vide Figura 2 (2A)) como passo inicial para o rearranjo molecular. Para se conhecer a maneira mais provável de quebra dessa ligação, computaram-se as energias dos pare (R⁺,F^-) e (R^-,F⁺) apresentadas na Tabela 1.

Figura 2. Rearranjo 1,2 shift do anel indólico.

Conforme pode ser observado nessa Tabela, a quebra citada é mais favorável quando o grupo indólico (R) ganha um elétron da cadeia lateral (F). A estabilização da carga positiva resultante em F sugere a formação de um rearranjo no intuito de gerar um carbocátion mais estável que, posteriormente, sofrerá um ataque consertado de R^-, resultando na espécie 2B.

Tabela 1. Valores de energia calculados para as
espécies supostamente envolvidas no rearranjo.

__________________________________
        Pares                 Energia (Hartree)
__________________________________
      R⁺+ F^-                          -761,22

      R^- + F^+-                        -761,27

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Conclusões

Os resultados obtidos apontam caminhos para futuras investigações do rearranjo acima citado. Diante disso, buscas de intermediários para a reação entre as espécies mais estáveis, mostradas acima, estão sendo realizadas.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq e CAPES pelos recursos disponibilizados à pesquisa.

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                                                                                                                                                  A-I
 

Energy of Indolic Intramolecular Rearrangement in the Biosynthesis of Violacein: A Theoretical Study

Samuel Anderson Alves de Sousa (PG), Raimundo Clécio Dantas Muniz Filho (PG) and Márcia Miguel Castro Ferreira (PQ)

Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, CEP 13083-970 Campinas - SP.
e-mail: marcia@iqm.unicamp.br

Introduction and goals

Violacein is a blue pigment produced by diverse bacteria including  Chromobacterium violaceum, a Gram-negative saprophite usually living in soil and water in tropical and sub-tropical zones of the earth. This pigment exhibits antibiotic activity against microorganisms that cause tuberculosis, Chagas disease and leishmaniasis, and shows cytotoxic to tumor cells [1]. Biosynthesic pathway of violacein production (Figure 1) consists of decarboxylative fusion of two tryptophane units. That is why one of these molecules undergoes intramolecular rearrangement known as 1,2-shift of the indolic ring [2].

Figure 1. Route of biosynthesis of violacein.

This rearrangement consist of movement of a substitutent to a neighboring atom in the same molecule via a reactive intermediate (carbocation, carbanion or free radical). The goal of this work is theoretical study of the energy of this mechanism in order to better understand the reaction, since such a study has not been yet reported in the literature.

Methods and results

Geometry optimization and vibrational frequency calculations were performed using the DFT/B3LYP method and basis set 6-31G(d,p).
In general,calcuations have shown that the molecular rearrangement contributes a little to free energy (1.96 kcal/mol), therefore, it is not possible to make conclusion about the spontaneity of the process when thermal energy is taken into account.
Momen & Hoshino [2] have reported dissociation of the C-C bond between the indolic ring (R) and side chain (F) of tryptophane (see Figure 2 (2A)) as the first step in the molecular rearrangement. Energy of pairs (R⁺,F^-) e (R^-,F⁺) was calculated and presented in Table 1, with purpose to have insight into the most probable way of this bond disruption.

Figure 2. The 1,2-shift of the indolic ring.

According to results showed in the table, bond dissociation is favored when the side chain (F) releases electron to the indolic group (R). Stabilization of the positive charge at F suggests a rearrangment in which a more stable carbocation is formed, which is then attacked by R^- resulting in formation of species 2B.

Table 1. Calculated energies for species
probably involved in the rearrangement.

__________________________________
        Pairs                 Energy (Hartree)
__________________________________
      R⁺+ F^-                          -761.22

      R^- + F^+-                        -761.27

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Conclusions

The obtained results indicate directions for future research of the studied rearrangement. In the present moment, the study is continued by search for intermediates and the most stable species involved in the reaction.

Acknowledgement

 Authors aknowledge CNPq and CAPES for supporting the research.

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