Monoterpenos irregulares del aceite esencial de "carqueja" (Baccharis trimera (Less.) DC.: estudio espectroscópico y computacional. Serie de artículos en Journal of Molecular Structure

Serie de artículos publicados en el Journal of Molecular Structure

Manuel Minteguiaga, Eduardo Dellacassa, Maximiliano Iramain, César Atilio Catalán, Silvia Antonia Brandán.

*Laboratorio de Biotecnología de Aromas. Universidad de la República (UdelaR). Montevideo, Uruguay.

*INQUINOA-Universidad Nacional de Tucumán (UNT). Tucumán,  Argentina.

En el aceite esencial de la planta medicinal y aromática "carqueja" Baccharis trimera (Less.) DC. se han descripto más de una centenar de componentes químicos, y específicamente algunos compuestos monoterpénicos irregulares que son característicos de ésta especie como lo son el "acetato de carquejilo", el "carquejol" y el "carquejifenol" (denominación ésta última dada por los presentes autores), todos con el esqueleto del o-mentano (Figura 1) (Simões Pires et al., 2005; Henning et al., 2011; Minteguiaga et al. 2017; Minteguiaga et al. 2018a and 2018b; Minteguiaga et al. 2019). 

Figura 1: estructuras químicas del acetato de carquejilo, carquejol y carquejifenol, compuestos del aceite esencial de B. trimera objeto de ésta serie de estudios.

Dicho aceite esencial es valorizado en la industria de aromas y fragancias ("carqueja oil") por sus particulares notas aromáticas reminiscentes a madera, que proviene principalmente del acetato de carquejilo (observación experimental de los autores). Si bien la estructura química de los terpenos irregulares mencionados anteriormente se conoce desde los años 50 del siglo pasado, aún existe poca información respecto de las actividades biológicas, a las propiedades químicas y al  origen biosintético de éste tipo de componentes (Naves, 1959; Snatzke et al. 1969; Henning et al., 2011). Para el carquejol se ha reportado actividad analgésica e hipotérmica (disminuye la temperatura corporal) en modelos animales (Cajoulle et al., 1960; Naves y Cajoulle, 1963), aunque también se ha constatado que el mismo ejerce cierto nivel de toxicidad (Cajoulle y Meynier, 1960). De lo anterior destaca que dichos compuestos son biológicamente activos, por lo que es necesario un estudio más detallado de sus características químicas para posibles aplicaciones farmacológicas.

En ésta serie de estudios se aisló el acetato de carquejilo desde el aceite de B. trimera (componente mayoritario del mismo llegando a 60% de su composición) y por medio de reacciones semi-sintéticas clásicas (saponificación y oxidación selectiva del hidroxilo, seguido de isomerización) se obtuvieron cantidades preparativas de carquejol y de carquejifenol (componentes minoritarios del aceite esencial). A partir de los mismos, se realizó una batería de estudios espectroscópicos (resonancia magnética nuclear uni y bidimensional, dicroísmo circular, infrarrojo, Raman, y ultravioleta, y espectrometría de masas de baja resolución), así como un estudio de química computacional con dos niveles de teoría: con el funcional híbrido B3LYP y los pares de bases 6-31G* y 6-311++G**, respectivamente (Minteguiaga et al. 2017; Minteguiaga et al. 2018a; Minteguiaga et al. 2019).

Dichos estudios permitieron confirmar la estructura asignada previamente al carquejol como producto natural (estructura C3 de la Figura 2; Thomas, 1967 y Snatzke et al., 1969), así como se determinó en el aceite de B. trimera la presencia del carquejol y del acetato de carquejilo enantioméricamente puros (por estudio de cromatografía gaseosa enantioselectiva, eGC).

Figura 2: diasterómeros del carquejol, basado en sus 2 centros quirales. Los estudios de eGC demostraron que la estructura C3 es enantioméricamente pura en el aceite esencial de B. trimera. Estructuras semejantes fueron obtenidas por cálculo computacional para el acetato de carquejilo.

Por medio de cálculos de energía potencial se obtuvo la estructura y la geometría de los confórmeros más estables de carquejol, acetato de carquejilo y carquejifenol, así como se asignaron todos sus modos de vibración de esqueleto y enlaces, y se calcularon sus respectivas poblaciones en solución (fase acuosa y n-hexano) y en medio gaseoso. Otras propiedades fisicoquímicas calculadas fueron: índices de nucleofilia/electrofilia, momento dipolar, orden de enlace y puntos críticos de enlace y de anillo, así como las cargas electrostráticas en cada uno de los átomos. Cálculos de energía absoluta de las estructuras permitieron confirmar que el orden de estabilidad es el siguiente: acetato de carquejilo > carquejol ≈ carquejifenol, lo que es un reflejo de su orden de reactividad química, y en última instancia de su presencia porcentual en el aceite de B. trimera.
El estudio de los mapas de superficie de potencial electrostático (MEP, por sus siglas en inglés) de los confórmeros más estables demostró que los sitios nucleofílicos y electrófílicos de mayor reactividad se encuentran localizados sobre el grupo hidroxilo (carquejol y carquejifenol) o éster (acetato de carquejilo) (Figura 3).

A

B

Figura 3: mapas de superficie de potencial electrostático para los 4 confórmeros más estables del carquejol (A) y para el carquejifenol (B). El color rojo determina regiones nucleófilas (ricas en electrones) y el color azul regiones electrófilas (deficientes en electrones). La distribución en el acetato de carquejilo fue similar a la del carquejol.

Los cálculos computacionales realizados en éste trabajo permitieron una excelente correlación entre los datos espectroscópicos teóricos y los obtenidos en condiciones experimentales, demostrando la validez del estudio realizado. Sin embargo, en el caso de carquejifenol, ciertas discrepancias en las frecuencias de vibración en espectroscopía Raman e infrarroja en medio líquido fueron mejor explicadas por la posible presencia de un dímero, lo que sería facilitado por la estructura mayormente plana de dicho compuesto y por la existencia de enlaces de hidrógeno intramoleculares (Figura 4).

Figura 4: estructura del posible dímero del carquejifenol, propuesto para la correcta interpretación de los datos espectroscópicos de dicho compuesto.

Propiedades fisicoquímicas computadas, como el momento dipolar de las estructuras del carquejol y del carquejifenol y sus índices de nucleofilia, próximos a los de otros terpenos bioactivos, podrían justificar su potencial interacción con blancos biológicos de interés (por ejemplo, proteínas o enzimas), lo que será objeto de estudios adicionales.

Bibliografía:

Simões-Pires, C. A., Debenedetti, S., Spegazzini, E., Mentz, L. A., Matzenbacher, N. I., Limberger, R. P., & Henriques, A. T. (2005). Investigation of the essential oil from eight species of Baccharis belonging to sect. Caulopterae (Asteraceae, Astereae): a taxonomic approach. Plant Systematics and Evolution, 253(1-4), 23-32.

Hennig, L., Garcia, G. M., Giannis, A., & Bussmann, R. W. (2011). New constituents of Baccharis genistelloides (Lam.) Pers. Arkivoc, 2011, 74-81.

Minteguiaga, M., Dellacassa, E., Iramain, M. A., Catalán, C. A., & Brandán, S. A. (2017). A structural and spectroscopic study on carquejol, a relevant constituent of the medicinal plant Baccharis trimera (Less.) DC.(Asteraceae). Journal of Molecular Structure, 1150, 8-20.

Minteguiaga, M., Mercado, M. I., Ponessa, G. I., Catalán, C. A., & Dellacassa, E. (2018a). Morphoanatomy and essential oil analysis of Baccharis trimera (Less.) DC.(Asteraceae) from Uruguay. Industrial Crops and Products, 112, 488-498.

Minteguiaga, M., Dellacassa, E., Iramain, M. A., Catalán, C. A., & Brandán, S. A. (2018b). Synthesis, spectroscopic characterization and structural study of 2-isopropenyl-3-methylphenol, carquejiphenol, a carquejol derivative with potential medicinal use. Journal of Molecular Structure, 1165, 332-343.

Minteguiaga, M., Dellacassa, E., Iramain, M. A., Catalán, C. A., & Brandán, S. A. (2019). FT-IR, FT-Raman, UV–Vis, NMR and structural studies of carquejyl acetate, a distinctive component of the essential oil from Baccharis trimera (less.) DC.(Asteraceae). Journal of Molecular Structure, 1177, 499-510.

Naves, Y.R. (1959). Etudes sur les matières végétales volatiles. CLIX (1). Sur l´huile essentielle de Carqueja de l´Etat de Santa Catarina (Brésil). Bull. Soc. Chim. France, 1871-1879.

Snatzke, G., Thomas, A. F., & Ohloff, G. (1969). Die absolute Konfiguration von Carquejol und verwandten o‐Menthan‐Derivaten. Helvetica Chimica Acta, 52(5), 1253-1258.

Caujolle, F., Meynier, D., & Cros, J. (1960). Pharmacological study of carquejol and its derivatives. Therapie, 15, 931-939.

Caujolle, F., Meynier, D. (1960). Toxicity of carquejol. In Annales pharmaceutiques francaises (Vol. 18, p. 715).

Naves, Y.R.; Caujolle, F. (1963). Therapeutic d-ortho-menthatriene -1(7),5,8-ol-3. US Patent, 3112245; 4 pages.

Thomas, A. F. (1967). La configuration du «carquéjol»(Isopropényl‐2‐méthylène‐3‐cyclohexène‐4‐ol) et la conformation privilégiée de l'ortho‐néo‐isomenthol. Helvetica Chimica Acta, 50(3), 963-978.