Chromone derivatives as antioxidant agents : the structural variable

Abstract

Since oxidative stress is known to be the basis for numerous severe pathologies, from cardiovascular and neurodegenerative disorders to cancer, the development of effective antioxidant agents from natural origin has been the object of vigorous research in the last decade, in view of establishing novel chemopreventive strategies against these diseases, which are nowadays the main cause of death worldwide. Chromone derivatives, namely flavones and isoflavones, are among these naturally occurring compounds. They are phytochemicals, present in significant amounts in a normal human diet, being responsible for the health benefits of the so-called Mediterranean Diet. In fact, they are known to exert a wide range of biological activities – such as anti-inflammatory, antifungal, antimicrobial, antiviral, antitumour or anticancer – mainly due to their wellrecognised antioxidant properties, which stem from their ability to neutralise active forms of oxygen and to avoid free radical processes, thus preventing cell damage due to deleterious free radical species. These potential health benefits arising from the antioxidant activity of chromone derivatives are ruled by strict structure-activity relationships (SAR). In order to establish reliable SAR´s for this kind of systems, a series of chromone derivatives, including flavones and isoflavones, were investigated as to their conformational preferences by vibrational spectroscopy – Raman, Fourier transform infrared (FTIR) and Inelastic Neutron Scattering (INS) – combined to Density Functional Theory (DFT) and Planewave (PW) calculations. The use of theoretical methods allowed to assess the conformational behaviour of these compounds, as well as to predict the spectral features of their distinct possible conformers. Regarding the compounds´ main structural preferences, the chromone core has been shown to be essentially planar, while the aromatic ring B deviates from planarity as a function of the substitution pattern. Also, the hydroxylic groups within this structure, as well as those at the C7 position, have been shown to occur in distinct orientations in the solid state. Additionally, a Natural Bond Orbital (NBO) analysis was performed, including the calculation of the secondorder perturbation energies and orbital occupancies, in order to evaluate the stabilisation due to the donor–acceptor orbitals´ interactions, which are particularly important in highly delocalised electronic systems as the ones presently investigated. Parameters such as the Spin Density, pKa and Bond Dissociation Enthalpies associated with the corresponding radical species´ formation, have been theoretically predicted and compared with the free radical scavenging ability of the chromone derivatives, evaluated through the standard 2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) test. A Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) study was conducted, in order to assess the ability of these compounds to function as electron acceptors in charge transfer (CT) processes. For this purpose, SERS intensities under CT resonant conditions have been predicted by dedicated theoretical approaches, enabling to verify the occurrence of CT processes in these molecules, by comparison with the experimental SERS spectra. This is of the utmost importance for understanding the mechanism through which these chromone derivatives exert their antioxidant capacity. Three of the tested compounds – fisetin, luteolin and quercetin – were shown to act as effective antiradicals, an activity strongly dependent on the 3-hydroxyl group for flavonols, and on the catechol group for the compounds possessing this group. Furthermore, with a view to develop a Raman-based antioxidant activity evaluation test, the autooxidation process of linoleic acid was monitored by Raman spectroscopy, and the observed changes were assessed in the light of the DFT results gathered for the pure fatty acid and its main oxidation products. INS experiments were particularly useful for detecting intramolecular hydrogen-type close contacts in these systems, chromone-3-carboxylic acid showing to display a particularly strong intramolecular hydrogen bond interaction (H-bond), which explains its singular conformational behaviour and abnormally high pKa value.

Devido ao facto do stress oxidativo ter vindo a ser relacionado com diversos estados patológicos graves, desde doenças cardiovasculares e neurodegenerativas a cancro, o desenvolvimento de agentes oxidantes mais eficientes, a partir de compostos de origem natural, tem sido alvo de pesquisa intensa na última década, com o objectivo de desenvolver novas estratégias de prevenção de várias patologias que constituem presentemente algumas das principais causas de morte em todo o mundo. Os derivados cromónicos, nomeadamente as flavonas e isoflavonas, estão entre este rol de compostos de origem natural. Estes fitoquímicos, presentes em quantidades significativas numa dieta humana normal, têm sido ultimamente associados aos benefícios da chamada dieta mediterrânica. De facto, tem-lhes sido reconhecido um vasto leque de actividades biológicas-anti-inflamatória, antifúngica, antimicrobiana, antiviral, anti-tumoral e anticancerígena – estando estas geralmente relacionadas com a sua reconhecida actividade antioxidante, que advém da sua capacidade para neutralizar espécies reactivas de oxigénio (ERO´s), evitando assim processos nocivos induzidos por radicais livres, nomeadamente a nível celular. Estes potenciais benefícios para a saúde humana devidos à actividade antioxidante deste tipo de compostos, são regidos por estreitas relações estrutura-actividade (REA´s). Com o objectivo de estabelecer REAs rigorosas para este tipo de sistemas químicos, as preferências conformacionais de uma série de derivados cromónicos, incluindo flavonas e isoflavonas, foi estudadas utilizando espectroscopia vibracional - Raman, infravermelho e INS - combinadas com métodos teóricos ao nível DFT e PW. O uso de métodos teóricos permitiu a avaliação das preferências conformacionais destes compostos, assim como a previsão das características dos espectros vibracionais para as distintas conformações possíveis dos mesmos. No que diz respeito às principais características estruturais destes compostos, verificou-se que o esqueleto cromónico é essencialmente planar, enquanto o anel aromático B se desvia da planaridade em função do padrão de substituição particular de cada composto. Verificou-se também que os grupos hidroxilo presentes no anel B, assim como na posição C7, podem ocorrer em distintas conformações no estado sólido. Adicionalmente, foi levada a cabo uma análise NBO, incluindo o cálculo das energias de perturbação de segunda ordem e da ocupação das orbitais, com vista a avaliar o efeito estabilizador devido às interacções do tipo orbital doadora - orbital aceitadora nestas moléculas, que constituem sistemas químicos com uma elevada deslocalização electrónica pelo que este feito assume especial importância. Parâmetros como a densidade de spin, pKa e as entalpias de quebra de ligação associadas à formação das espécies radicalares foram igualmente previstos por métodos teóricos e comparados com a actividade antioxidante destes compostos, determinada experimentalmente através do método padrão do DPPH. Tendo em vista a avaliação da capacidade destes compostos para actuarem como aceitadores de electrões em processos de transferência de carga, foi levado a cabo um estudo por SERS, tendo as intensidades SERS, numa condição de ressonância electrónica, sido simuladas através de métodos teóricos, permitindo a detecção da ocorrência de processos de transferência de carga através da comparação destas intensidades com as observadas nos espectro SERS experimental. A avaliação da ocorrência deste fenómeno assume especial importância no que diz respeito à compreensão do modo como estas moléculas actuam como antioxidantes. Três dos compostos estudados - fisetina, luteolina e quercetina - mostraram importante actividade como supressores de radicais, uma actividade que depende fortemente da presença do grupo 3- hidroxilo, para o caso dos flavonóis, e do grupo catecol, nos compostos que o contêm na sua estrutura. Adicionalmente, e tendo em vista o desenvolvimento de um teste de avaliação de actividade antioxidante através da espectroscopia de Raman, o processo de auto-oxidação do ácido linoleico foi monitorizado por esta técnica, e as correspondentes alterações espectrais analisadas com base em cálculos DFT, realizados tanto para o ácido gordo puro como para os seus principais produtos de oxidação. As experiências de INS mostraram ser particularmente úteis para a detecção de pontes de hidrogénio intramoleculares que ocorrem nestes sistemas, com a cromona-3-ácido carboxílico a revelar a presença de uma ponte de hidrogénio intramolecular particularmente forte, que explica o valor de pKa anormalmente alto verificado para esta molécula.