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CAPÍTULO 2
ANTECEDENTES
2.1
Ligantes
Un ligante se define como un átomo, ion o molécula, que generalmente dona
uno o más de sus electrones a través de un enlace covalente coordinado y/o
comparte sus electrones a través de un enlace covalente con uno o más átomos o
iones centrales.9
Comúnmente en la química inorgánica el átomo central en un complejo es un
metal o metaloide, pero, también el ligante es usado en la química orgánica, para
proteger grupos funcionales o estabilizar compuestos reactivos. La molécula que
resulta de la coordinación entre un ligante (o un arreglo de ligantes) y un átomo
central es llamado compuesto de coordinación, antiguamente conocido como
complejo.9,10
2.1.1 Clasificación de Ligantes
Una de las formas de clasificar a los ligantes se basa en la forma de coordinar.
Ligantes monodentados: Son los que donan sólo un par electrónico (diente)
en un compuesto de coordinación. Comúnmente se trata de moléculas pequeñas,
que poseen un único átomo donador de electrones tales como el amoníaco (NH3),
7
el agua (H2O), o los aniones halogenuro (X-), alcóxido (RO-), o alquilo (R-) entre
otros.
Ligantes polidentados: Son ligantes que tienen dos o más átomos donadores
de electrones que forman parte de la molécula. Se pueden llamar bidentados,
tridentados, tetradentados, pentadentados o hexadentados, dependiendo de la
cantidad de átomos donadores de electrones.
2.1.2 Ligantes Macrocíclicos
Los ligantes macrocíclicos (polidentados) son compuestos orgánicos cíclicos
de nueve o más átomos en el ciclo y con tres o más sitios donadores.11,12 La
preferencia por los ligantes macrocíclicos sobre ligantes monodentados o
bidentados, se debe a la gran estabilidad en sus complejos, además de las
propiedades físicas extremas que son resultado de un campo ligante fuerte,
especialmente en el caso de los aza macrociclos.13
2.1.2.1
Clasificación de los Ligantes Macrocíclicos
De acuerdo con el tipo de átomo donador, los ligantes macrocíclicos se
pueden clasificar como: 1) Poliaza; Compuestos orgánicos cíclicos cuyos átomos
donadores son átomos de nitrógeno conocidos como macrociclos poliaza. Estos
compuestos presentan gran afinidad por los iones metálicos de transición y algunos
8
iones metálicos pesados, pero la tendencia a formar complejos con iones alcalinos y
alcalinotérreos es muy baja. Los macrociclos poliaza son ligantes muy versátiles que
forman complejos bien definidos con una amplia gama de iones metálicos. La
selectividad y estabilidad de la formación de complejos metálicos está en función del
número de sitios de enlace de átomos de nitrógeno, de su disposición relativa y de la
conformación de ligante macrocíclico. Estos compuestos son muy importantes ya
que tienen funciones biomédicas y alta selectividad hacia iones metálicos
específicos.14 Esto se debe a que tienen átomos de nitrógeno de varios tipos como
grupo amino secundario y terciario, pirrol, piridina y amido entre otros grupos.15
Todos estos tipos de átomos de nitrógeno se pueden encontrar en el mismo
compuesto.16 2) Los ligantes macrocíclicos con oxígenos donadores, los cuales
tiende a acomplejar bien con iones metálicos alcalinos y alcalinotérreos y con los
iones que se ubican depues de los metales de transición.17 3)Los ligantes
macrocíclicos que contienen P, S y/o As como átomos donares, presentan la misma
característica de formar complejos con iones metálicos de transición y algunos iones
metálicos pesados, como los poliaza. En la Figura 2.1 se muestran algunas
estructuras de ligantes macrocíclicos.
2.1.2.2
Ligantes Macrocíclicos Tipo Ciclofano
A lo largo del desarrollo de la química supramolecular, se han logrado
sintetizar varios tipos de ligantes macrocíclicos como lo son los calixarenos, las
9
Polieter corona
O
O
O
O
12-corona-4
O
15-corona-5
Poliaza
Ciclem
Ácido cliclamtetraacético
Macrociclos conteniendo sulfuro
[12] anoS4
[14] anoS4
Figura 2.1. Estructuras de ligantes macrocíclicos.
10
ciclodextrinas y los ciclofanos. Éstos últimos, sólo corresponden a una pequeña
parte de la clasificación de ligantes que pertenecen a esta relativamente nueva e
importante rama de la química.
Un compuesto macrocíclico tipo ciclofano se define de manera concreta como
una molécula cíclica capaz de reconocer a un sustrato y que en ella contenga al
menos una unidad aromática unida como mínimo por un puente alifático. En la
Figura 2.2 se muestran algunas estructuras de ligantes macrocíclicos tipo ciclofano.
Se considera que son el centro de los receptores artificiales, pues tienen una gran
capacidad de complejación hacia sustratos de diferente naturaleza; como lo son los
compuestos orgánicos e inorgánicos, cationes, aniones e inclusive moléculas
neutras.17
La presencia de anillos aromáticos en un ligante de este tipo, le confiere a la
molécula la capacidad de ser multifuncional, le proporcionan una estructura bien
definida, con una profundidad suficiente y una rigidez determinante para la
organización de los sitios de enlace. Para lograr que un ciclofano adquiera
solubilidad en agua se introducen cierto número de grupos cargados (como lo son
los carboxilatos) ya sea en el borde de la cavidad o más cercanos a los sitios de
enlace. Otra utilidad de los ciclofanos es que pueden manejarse en disolventes
orgánicos como ligantes de compuestos orgánicos o iones metálicos.
La eficiencia de los ciclofanos en el proceso de reconocimiento molecular, se
debe a que cumplen con muchas de las características que deben satisfacer los
11
[2.2]Paraciclofano
[2.2]Metaciclofano
Figura 2.2. Ligantes macrocíclicos tipo ciclofano.
12
receptores artificiales para realizar este fenómeno, como:
1) Se sintetizan por métodos sencillos.
2) Manifiestan selectividad en el reconocimiento de moléculas huésped con base
a su constitución y configuración.
3) Son químicamente estables.
4) Cuentan con sitios para la introducción de grupos catalíticos o sitios de
reconocimientos adicionales.
5) Tienen la posibilidad de unirse a compuestos poliméricos.
El grupo de investigación en Química Supramolecular del DIPM-UNISON, ha
sintetizado
los
siguientes
ciclofanos:
(bis−edtaxan)H4,
(bis−edtapdn)H4,
(bis−edtanap)H4, (bis−edtabpm)H4, (bis−edtabpe)H4, (edtaxan)H2 y (edtaxan)H4,,
algunos de los cuales mostraron propiedades muy interesante, como reconocimiento
de sustratos catiónicos biológicamente importantes, como fenetilamina tiramina y
dopamina. Las estructuras de estos ciclofanos se muestran en la Figura 2.3.20,21
2.2
Agentes de Contraste
La resonancia magnética de imagen (RMI) es una técnica no invasora para la
proyección de imágenes, utilizadas en la medicina clínica para la examinación de
casi todos los órganos y el diagnóstico de diversas enfermedades. El contraste de la
imagen obtenida en la RMI es una proyección de intensidad de la señal en tres
dimensiones, de la señal codificada de los protones del agua en las moléculas in
13
R
(bis−edtaxan)H4
(bis−edtapdn)H4
(bis−edtanap)H4
(bis−edtabpm)H4
(bis−edtabpe)H4
Figura 2.3 Estructuras de ciclofanos sintetizados por el grupo de Investigación
en Química Supramolecular del DIPM-UNISON.
14
(edtaxan)H2
(edtaxan)H4
Figura 2.3 Continuación de estructuras de ciclofanos sintetizados en grupo de
Investigación en Química Supramolecular del DIPM-UNISON.
15
vivo en un volumen determinado. Depende esencialmente de las diferencias de
intensidad de las señales de protones del agua en los diferentes tejidos. Por lo tanto,
el contraste puede aumentarse mediante la administración de agentes de contraste
(CA) que mejoren los tiempos de relajación longitudinal y transversal de los protones
del agua, lo que contribuye a la intensidad de la señal de resonancia magnética y así
al contraste de la imagen.22
La RMI es un método tomográfico de emisión cuyas principales ventajas
sobre otros métodos de imagen son: a) su capacidad multiplanar, con la posibilidad
de obtener cortes o planos primarios en cualquier dirección del espacio; b) su
elevada resolución de contraste, que es cientos de veces mayor que en cualquier
otro método de imagen, c) la ausencia de efectos nocivos conocidos al no utilizar
radiaciones ionizantes, y d) la amplia versatilidad para el manejo del contraste.23
Los agentes de contraste más utilizados son los compuestos de Gd3+. El ion
Gd3+ es una sustancia paramagnética que tiene 7 electrones no apareados. Un
electrón no apareado tiene un momento magnético grande; 657 veces mayor que el
del protón. Los agentes de contraste de gadolinio no son específicos de ningún
tejido. Su mecanismo de acción es indirecto, influenciando la relajación de los tejidos
adyacentes, su T1.24
16
2.2.1 Características de los Agentes de Contraste
Las características más importantes que deben cumplir los agentes de
contraste son: (1) Deben ser altamente estables y deben experimentar una mínima
disociación. (2) Los agentes de contraste deben ser complejos no iónicos, que sean
muy solubles en agua para dar soluciones que tengan una baja osmolalidad y (3) por
lo menos deben coordinar con una molécula de agua con el ion de metálico para
aumentar la relaxividad en RMN.24
2.2.2 Aplicación de los Agentes de Contraste
Desde la utilización práctica de la resonancia magnética como método de
imagen diagnóstica a comienzos de la década de los ochenta, la disminución en los
tiempos de exploración junto con mejoras en la resolución espacial, han sido
objetivos preferentes en la evolución tecnológica de este moderno método de imagen
médica.
Aunque el contraste entre los tejidos es muy alto en la RM, en ocasiones es
insuficiente para diferenciar las estructuras normales y patológicas, o para
caracterizar estas últimas. Los agentes de contraste utilizados en el sistema
músculo-esquelético modifican la señal de los tejidos aumentando la relajación T1.23
17
2.2.2.1.
Tiempo de Relajación Longitudinal (T1) y Relaxividad (r1)
En RMN, más que en otras espectroscopias, la información proviene no sólo
del parámetro que nos indica la energía de los niveles entre los que se produce la
transición (desplazamiento químico), sino también del tiempo que los núcleos
resonantes tardan en volver al equilibrio después de haber sido perturbados. Desde
el punto de vista clásico, cada núcleo es un pequeño imán y la suma de los
momentos
magnéticos
de
todos
ellos
origina
el
denominado
vector
de
magnetización, M. En presencia de un campo magnético B0 y en el equilibrio, este
vector magnetizado posee una componente neta en el eje de las z (dirección del
campo magnético), Mz0, diferente de cero y componentes en el plano xy, Mx0 y My0,
nulos (Figura 2.4 A). Si se perturba la magnetización (aplicando una radiofrecuencia
o pulso), se modifica el equilibrio del sistema (Mz≠Mz0, Mx0≠0, My≠0). Al dejar de
actuar el pulso, el sistema volverá al equilibrio (Figura 2.4 B, C). Suponiendo que el
proceso de recuperación corresponda a una cinética de primer orden, se denomina
velocidad de relaxividad longitudinal (r1) a la constante de velocidad de recuperación
de la magnetización Mz en el eje Z. La pérdida de magnetización en el plano xy
llevaría asociada consigo una constante denominada velocidad de relajación
transversal (r2). El inverso de las velocidades son los tiempos de relajación
longitunidal (T1) y transversal (T2).26
El proceso de relajación se produce cuando los núcleos intercambian energía
con el medio (red) y/o sus momentos de spin entre sí. Para ello en la red deben
existir fluctuaciones magnéticas con frecuencias similares.26
18
Figura 2.4. A) Representación de las componentes z (Mz0, izquierda), y x,y
(Mx0, My0, derecha) del vector de magnetización en equilibrio. B) Recuperación de la
magnetización longitudinal (en función de T1). C) pérdida de la magnetización
transversal (en función de T2) de dicho vector después de haber sido perturbado.
19
2.2.2.2
Complejos de Gd3+
El gadolinio en su forma natural es un elemento de las tierras raras de color
blanco platinado, maleable y dúctil con brillo metálico. El gadolinio libre, no puede
ser inyectado en la sangre porque puede producir toxicidad ya que tiene tendencia a
formar hidrocomplejos y precipitar a pH fisiológico; también puede enlazarse con los
grupos dadores de las proteínas desplazando a otros iones metálicos de las
enzimas, por ejemplo el Ca2+ (ya que tiene un tamaño de radio iónico similar). Por
todo esto, para poder utilizar el Gd3+ como agente de contraste, se administra como
complejo con ligantes polidentados, de esta manera el complejo tiene alta
estabilidad termodinámica a pH fisiológico. Los agentes de contraste de imagen de
resonancia magnética se suministran por inyección antes o durante la obtención de
la imagen de resonancia magnética para ayudar a diagnosticar problemas o
enfermedades. Los complejos Gd3+ pueden permanecer en el cuerpo y se excretan
antes de que se disocien.27
Todos los agentes de contraste extracelulares disponibles en la actualidad
son quelatos de gadolinio. Esta tierra rara de iones metálicos tiene un efecto mayor
que el de todos los otros elementos, en cuanto al tiempo de relajación longitudinal
T1.27
La función de los complejos de Gd3+ para la proyección de imagen de RMI se
lleva a cabo a través del siguiente mecanismo: El ion quelato paramagnético de
Gd3+, tiene un momento magnético grande (S = 7/2), e influye en la velocidad de
20
relajación de los protones vecinos (por ejemplo, protones en tejidos finos) con base
a su respuesta magnética cuando está expuesto a un campo magnético externo. Los
protones vecinos experimentan una variación del campo, que depende del momento
magnético y del tiempo de relajación electrón-espín del quelato paramagnético y de
las interacciones con los protones de moléculas de agua coordinadas en las esferas
internas y externas del complejo. Como una consecuencia, se producen
irregularidades en los campos magnéticos locales, y el tiempo de relajación espínmatriz, T1 de los protones disminuye generalmente, lo que resulta en un aumento de
la intensidad de la señal de RMI obtenida de tejidos finos. La capacidad de aumentar
el contraste de la señal de un agente de RMI está dada por la relaxividad r1, la cual
está definida por:
T1
1
= r1 [Gd] + T10
1
(1)
Donde T1 es el tiempo de relajación spin-matriz del protón de agua en
presencia de complejo de Gd3+ a una concentración [Gd], y T10 es el valor de T1 a
[Gd] = 0.
De acuerdo con el mecanismo para incrementar la señal de RMI, un complejo
ideal de Gd3+ debe contener por lo menos una molécula de H2O coordinada
directamente al ion metálico central, para producir un efecto en la velocidad de
relajación T1 de los protones de las moléculas de H2O en un ambiente
microquímico.29
21
El
Gd3+-dietilentriamino-N,N’,N’’,N’’’,N’’’-pentaacetato
complejo
[Gd-
(DTPA)(H2O)]2- fue el primer agente de contraste aprobado para uso en humanos2.
Posteriormente fueron aprobados otros complejos por la FDA (por sus siglas en
ingles
Food
(gadopentetate
and
Drug
Administration)
dimeglumine,
Magnevist,
como:
(NMG)2[Gd(DTPA)(H2O)]
Schering,
Germany),
[Gd(DTPA-
BMA)(H2O)] (gadodiamide, Omniscan, Amersham-Nycomed), [Gd(HP-DO3A)(H2O)]
(gadoteridol, ProHance, Bracco Diagnostics Inc.), [Gd(BOPTA)(H2O)] (gadobenate
dimeglumine, MultiHance, Bracco Diagnostics Inc.), and [Gd(DTPA-BMEA)(H2O)]
(gadoversetamide, OptiMark, Tyco Healthcare).22 En Figura 2.5 se muestran las
estructuras de los complejos anteriores.
Debido a que la relación señal/ruido es una limitación básica de la RMI, se
han ideado varios protocolos experimentales para potenciar y amplificar el contraste
de estos medios uno de estos consiste la síntesis o de múltiples centros
paramagnéticos como un único medio de contraste que puede administrarse varios
iones de gadolinio en una sola dosis. El aumento de la concentración de gadolinio se
ha conseguido por la unión de múltiples quelatos de gadolinio.31
En años recientes, el grupo de investigación en Química Supramolecular del
DIPM-UNISON,
ha
[Gd2(L−15)2(H2O)2]∙14H2O,
reportado
cuatro
complejos
[Gd(L−16)2(H2O)2]∙3H2O,
de
gadolinio:
[Gd(L−17)2(H2O)2]∙3H2O
y
[Gd2(34dtpabn)(H2O)2]∙2PrOH∙7H2O, partiendo de ligantes sintetizados con DTPA
dianihido y diaminas alifáticas. La Figura 2.6 se muestran las estructuras de los
complejos anteriores.32,33
22
I [Gd(DTPA)(H2O)]2-
II [Gd(DTPA-BMA)(H2O)]
III [Gd(HP-DO3A)(H20)]
IV [Gd(BOPTA)(H20)]2-
V [Gd(DTPA-BMEA)(H20)]
Figura 2.5. Estructuras de complejos de Gd3+ aprobados por FDA para RMI.
23
[Gd2(L−15)2(H2O)2]∙14H2O
[Gd(L−17)2(H2O)2]∙3H2O
[Gd(L−16)2(H2O)2]∙3H2O
[Gd2(34dtpabn)(H2O)2]∙2PrOH∙7H2O
Figura 2.6. Estructuras de complejos de Gd3+ sintetizados por el grupo de
investigación de Química Supramolecular del DIPM-UNISON.32,33
24
2.2.2.3
Estabilidad de los Complejos de Gd3+
En el estudio de la formación de complejos de coordinación, debe tenerse en
cuenta dos clases de estabilidad, a saber, la estabilidad termodinámica y la cinética.
La estabilidad termodinámica de una especie química representa una medida de la
cantidad de especie que se forma o se transforma en otros compuestos, cuando el
sistema ha alcanzado el equilibrio. La estabilidad cinética se refiere a la velocidad
con que se proceden las transformaciones que llevan al establecimiento del
equilibrio.34
Como se mencionó anteriormente, una de las razones de utilizar los
complejos de Gd3+ como agentes de contraste en RMI se debe a que tienen alta
estabilidad termodinámica y cinética. Dado que predominan los enlaces químicos de
carácter iónico en los complejos de lantánidos, los que los hace muy estables
formándose sólo con ligantes multidentados. Los agentes contraste potenciales y
comerciales prácticamente utilizan ligantes octadentados en donde sus ocho átomos
coordinan con el Gd3+. El número de coordinación de Gd3 + en estos complejos es 9
y el noveno sitio de coordinación está generalmente ocupado por una molécula de
agua.28
Los ligantes más importantes utilizados para la formación de complejos de
Gd3+ se presentan en el Figura 2.7, donde las constantes de estabilidad (log K GdL)
están dadas por (KML = [ML] / [M] [L]).28
25
log KGdL
R1=R2=R3=-COOH
H5DTPA
22.46
R1=R3=-CONHMe
R2=-COOH
H3DTPA-BMA
16.85
R1=R3=-CONHCH2CH2OMe
R2=-COOH
H3DTPA-BMEA
16.84
R2=-CONHMe
R1=R3=-COOH
H4DTPA-N’-MA
19.94
R3=-CONHMe
R1=R2=-COOH
H4DTPA-N-MA
19.37
log KGdL
R1=-BzOEt
R2=-H
H5EOB-DTPA
23.46
R1=-BzNO2
R2=-H
H5PNP-DTPA
21.5
R1=-BzNO2
R2=-Me
H5PNPM-DTPA
22.5
Figura 2.7 Esquema de fórmulas de los ligantes con sus respectivos log KGdL
26
log KGdL
H5CHX-DTPA
22.4
log KGdL
H3DTPA-EAM
11.15
H3DTPA-PAM
14.19
H3DTPA-BAM
15.39
H3DTPA-PenAM
15.94
Figura 2.7. Continuación de fórmulas de los ligantes con sus respectivos log
KGdL
27
log KGdL
R1=R2=−COOH
H4DOTA
25.2
R=−COOH; R1=−H
H3DO3A
21.8
R=−COOH; R1=−CH2CH(OH)CH3
H3HP−DO3A
23.8
R=−COOH; R1=−CH2(Me)CH2OH
H3HIP−DO3A
23.9
R=−COOH; R1=−CH2CH2OH
H3HE−DO3A
22.3
R=−COOH; R1=−CH2CH(OH)CH2OH
H3DO3A−Bu
21.8
R=R1=−PO(OH)2
H8DOTP
28.8
R=R1=−PO(OH)Oet
H4DOTPMB
12.19
R=R1=−PMeO(OH)
H4DOTPM
R=R1=−PEtO(OH)
H4DOTEP
CH2OH
16.5
Figura 2.7. Continuación de fórmulas de los ligantes con sus respectivos log
KGdL
28