Influence of the oxidation state of palladium nanoparticles on carbon coupling and bioorthogonal uncaging reactions

Abstract

O presente trabalho visou a compreensão do modo de ação de nanopartículas de paládio na mediação de reações de acoplamento carbono-carbono do tipo alquenilação de arila e em reações de clivagem bio-ortogonal visando o desenvolvimento de catalisadores racionais e biocompatíveis. Este estudo compreende a investigação cinética de nanocatalisadores de paládio em diferentes valências atômicas e sintetizados de forma análoga buscando-se restringir a comparação ao estado de oxidação do átomo metálico. Para tanto, sintetizaram-se nanopartículas de paládio (II) e paládio (0) com composição, tamanho e dispersidade equivalentes. Estas partículas foram caracterizadas por técnicas de microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X e espalhamento de raios X a baixos ângulos. Os catalisadores foram aplicados na reação de alquenilação de arila entre um sal de bromoarenodiazônio e estireno, realizada em temperatura ambiente, na ausência de atmosfera inerte e de base. As nanopartículas também foram aplicadas na clivagem da ligação C-O de cumarinas protegidas na forma de carbamatos propargílico. As reações foram conduzidas em condições fisiologicamente relevantes e sob monitoramento cinético pela técnica de espectroscopia de fluorescência. Para elucidar as espécies ativas na reação mediada por nanopartículas, utilizaram-se métodos indiretos baseados em comparações com padrões comerciais e na inibição, por envenenamento, das diferentes espécies potencialmente catalíticas. Os resultados mostraram que a reação de alquenilação de arila é favorecida por nanopartículas de paládio (II), e que, nesse caso, a reação ocorre via mecanismo radicalar. Para a reação de despropargilação, observou-se que em termos de velocidade e conversão, a reação também é favorecida na presença de paládio (II), mas as diferentes espécies de paládio estão presentes no meio reacional e contribuem para o progresso da reação. Os catalisadores também foram testados em células vivas de câncer de mama e de colo do útero, para ativar localmente um fármaco antineoplásico. Os resultados mostraram que, se ministrados da forma adequada, a atividade observada nos ensaios de bancada pode ser reproduzida também in vitro. Esses resultados propiciaram uma maior compreensão da atividade de nanopartículas de paládio para que o desenvolvimento de novas espécies possa ser pensado a partir do seu modo de ação e visando sua aplicação em sistemas biológicos complexos.

Abstract: The present work aimed to understand the mode of action of palladium nanoparticles in mediating carbon-carbon coupling reactions of the aryl alkenylation type and in bioorthogonal cleavage reactions aiming at the development of rational and biocompatible catalysts. This study comprises the kinetic investigation of palladium nanocatalysts in different atomic valences and synthesized in an analogous manner, seeking to restrict the comparison to the oxidation state of the metallic atom. For this purpose, palladium (II) and palladium (0) nanoparticles with equivalent composition, size and dispersity were synthesized. These particles were characterized by techniques such as transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and small angle X-ray scattering. The catalysts were applied in the aryl alkenylation reaction between a bromoarene diazonium salt and styrene, carried out at room temperature, in the absence of an inert atmosphere and base. The nanoparticles were also applied to cleave the C-O bond of protected coumarins in the form of propargyl carbamates. The reactions were carried out under physiologically relevant conditions and under kinetic monitoring using the fluorescence spectroscopy technique. To elucidate the active species in the reaction mediated by nanoparticles, indirect methods based on comparisons with commercial standards and on the inhibition, by poisoning, of different potentially catalytic species were used. The results showed that the aryl alkenylation reaction is favoured by palladium (II) nanoparticles, and that, in this case, the reaction occurs via a radical mechanism. For the depropargylation reaction, it was observed that in terms of rate and conversion, the reaction is also favoured in the presence of palladium (II), but different palladium species are present in the reaction medium and contribute to the reaction progress. The catalysts have also been tested in living cells of breast and cervical cancer to locally activate an anticancer drug. The results showed that, if administered properly, the activity observed in reaction flasks can also be reproduced in vitro. These results provided a greater understanding of the activity of palladium nanoparticles so that the development of new species can be thought of based on their mode of action and aiming at their application in complex biological systems.