Preparación de reactivos bifuncionalizados y ensayo de su actividad en procesos de ciclación enantioselectiva

Facultad de Ciencias Trabajo Fin de Grado Grado en Química “PREPARACIÓN DE REACTIVOS BIFUNCIONALIZADOS Y ENSAYO DE SU ACTIVIDAD EN PROCESOS DE CICLACIÓN ENANTIOSELECTIVA” Autor: Rafael Morón Ruiz Tutora: Purificación Cuadrado Curto “Podrás desconocer el funcionamiento de la gravedad, pero jamás podrás negar su existencia” Dedicado a todos aquellos que realmente han sido un apoyo, y a los que quiero con todas mis fuerzas. Resumen/Abstract……………………………………………………………… ................ 1 Abreviaturas………………………………………………………………………... 3 1. Introducción………………………………………………………………………… 5 2. Antecedentes…………………………………………………………………… ........ 11 2.1. Organocatalizadores que forman enlaces covalentes: Aminocatálisis….. 12 2.1.1. Catálisis vía enamina……………………………………………………. 12 2.1.2. Catálisis vía ion iminio…………………………………………………... 17 2.1.3. Catálisis vía dienamina……………………………………………… ......... 19 2.1.4. Catálisis vía trienamina. Reacciones Diels Alder y Amino-tándem… 20 2.1.5. Catálisis SOMO………………………………………………………….. 20 2.2. Organocatalizadores que forman enlaces covalentes: NHCs…...……….. 21 2.3. Organocatalizadores que forman enlaces covalentes: Bases de Lewis… 22 2.4. Organocatalizadores que no forman enlaces covalentes………………… 23 3. Objetivos……………………………………………………………………………. 25 4. Plan de trabajo……………………………………………………………………... 27 5. Resultados y discusión……………………………………………………………. 33 5.1. Síntesis de los reactivos bifuncionalizados………………………………… 33 5.1.1. Síntesis de alfa-aminoalcoholes 2a, 2b y 2c…………………………. 34 5.1.2. Síntesis del alaninol N-Boc protegido 3……………….……….…….. 34 5.1.3. Síntesis de 4. Reacción de Mitsunobu……………………………….. 35 5.1.4. Síntesis del Boc derivado de diamina 5. Hidrazinolisis…………….. 38 5.1.5. Síntesis del alaninol O-tosilado 7……………………………………… 39 5.2. Síntesis de la tricetona proquiral…………………………………………….. 42 5.3. Ensayos de ciclación………………………………………………………….. 43 5.3.1. Ensayo de ciclación con 1,2-diaminopropano……………………….. 44 5.3.2. Ensayos de ciclación con los aminoácidos 1a, 1b y 1c………….…. 44 5.3.3. Ensayos de ciclación con los aminoalcoholes 2a, 2b y 2c…………. 47 5.3.4. Ensayo de ciclación con el alaninol O-tosilado 7……………………. 49 6. Conclusiones……………………………………………………………………….. 51 7. Técnicas experimentales…………………………………………………………. 53 7.1. Técnicas generales……………………………………………………………. 53 7.2. Síntesis de los reactivos bifuncionalizados………………………………… 54 7.2.1. Síntesis de alfa-aminoalcoholes 2a, 2b y 2c…………………………. 54 7.2.2. Síntesis del alaninol N-Boc protegido 3…………….………….…….. 55 7.2.3. Síntesis de 4. Reacción de Mitsunobu……………………………….. 55 7.2.4. Síntesis del Boc derivado de diamina 5. Hidrazinolisis…………….. 56 7.2.5. Síntesis del alaninol O-tosilado 7…………………..…………………. 57 7.3. Síntesis de la tricetona proquiral…………………………………………….. 57 7.4. Ensayos de ciclación………………………………………………………….. 58 7.4.1. Ensayo de ciclación con 1,2-diaminopropano……………………….. 58 7.4.2. Ensayos de ciclación con los aminoácidos 1a, 1b y 1c………….…. 59 8. Anexos……………………………………………………………………………… 61 8.1. Espectros………………………………………………………………………. 61 8.2. Cromatogramas de las pruebas de ciclación con los aminoácidos……… 78 9. Bibliografía………………………………………………………………………... 79 ÍNDICE Página 1 de 80 El presente trabajo se contextualiza en la línea de investigación desarrollada por este grupo, enfocada en la síntesis de nuevos principios activos. En este caso, se pretende avanzar en la síntesis de esteroides no naturales, mediante una ciclación asimétrica. Para que esta ciclación sea posible, se han desarrollado nuevos reactivos bifuncionalizados quirales que provienen de alfa aminoácidos. Estos, vía enamina, permiten realizar la ciclación induciendo asimetría, es decir, fijado la configuración del grupo R de C-13, presente entre los anillos C y D del esteroide. El hecho de partir de productos de bajo coste económico permite que se pueda realizar un estudio exhaustivo de qué tipo de organocatalizadores presenta mayor capacidad de inducción asimétrica y mejor comportamiento catalítico. Además, estos reactivos bifuncionalizados son moléculas que pueden aplicarse en el campo de la química inorgánica, para reacciones de síntesis asimétrica con metales, ya que pueden actuar cómo ligandos capaces de formar compuestos de coordinación con un entorno quiral. This work must be put in the context of the line of research carried out by this group, focused on the synthesis of new active ingredients. In this case, non-natural steroids are intended to be synthesized by means of asymmetric cyclation. For this cyclation to be possible, new bifunctionalized reagents, which derive from alpha amino acids, have been developed. These, via enamine, allow carrying out the cyclation inducing asymmetry, that is to say, fixing the configuration of R group of C-13, present between C and D rings of the steroid. Using inexpensive products allows doing a thorough study on which type of organocatalyst shows greater asymmetric induction power and better catalytic behavior. Moreover, these bifunctionalized reagents are molecules which will be applied in the scope of inorganic chemistry to asymmetric synthesis reactions with metals, as they are ligands capable of forming coordination compounds with a chiral environment. RESUMEN/ABSTRACT Página 2 de 80 Página 3 de 80 Abreviaturas Generales AcOEt Acetato de etilo Ar Arilo Boc Tercbutoxicarbonilo Boc2O Carbonato de ditercbutilo tBuOH Tercbutanol DCM Diclorometano DIAD Diisopropilazodicarboxilato DMF N,N-Dimetilformamida E+ Electrófilo e.e. Exceso enantiomérico EtOH Etanol EWG Grupo extractor de electrones THF Tetrahidrofurano HAcO Ácido acético Hept Heptano HOMO Orbital molecular ocupado de mayor energía HSQC Correlación cuántica heteronuclear LUMO Orbital molecular vacío de menor energía MeOH Metanol NHCs Carbenos N-heterocíclicos NMR Resonancia magnética nuclear NuNucleófilo Ph Fenilo pTsOH Ácido p-Toluensulfónico Rto Rendimiento RT Temperatura ambiente SOMO Orbital molecular semiocupado TEA Trietilamina TLC Cromatografía en capa fina Ts Tosilo ABREVIATURAS Página 4 de 80 Abreviaturas de NMR s Singlete d Doblete t Triplete q Cuartete m Multiplete J Constante de acoplamiento pc Carbono primario sc Carbono secundario tc Carbono terciario qc Carbono cuaternario Página 5 de 80 Uno de los retos actuales a los que se enfrenta la Química Orgánica es la síntesis asimétrica. Este tipo de síntesis consiste en la creación de productos quirales de forma estereoselectiva a partir de especies proquirales. Este concepto es importante ya que los enantiómeros, o bien, los diastereoisómeros, son compuestos químicos diferentes porque, a pesar de tener la misma fórmula molecular y la misma conectividad, tienen diferente distribución espacial, e interaccionan de manera diferente con los catalizadores biológicos que forman parte de las diferentes rutas metabólicas de los seres vivos. Debido a la importancia de la síntesis enantioselectiva existen diferentes métodos de obtención de compuestos enantioméricamente puros además de la síntesis asimétrica, como la resolución de racematos [1] o el empleo de “chiral building blocks” [2]. La resolución de racematos consiste en que, a una mezcla al 50% de cada enantiómero, se le enriquece en uno de ellos. Dentro de la síntesis asimétrica también existen varias formas de abordar la problemática de obtener compuestos con alto grado de pureza enantiomérica. Una de las posibilidades es emplear auxiliares quirales [3]. Los auxiliares quirales permiten la síntesis enantioselectiva mediante una reacción diastestereoselectiva, es decir, el auxiliar quiral se adiciona al sustrato proquiral para controlar la enantioselectividad del proceso. El funcionamiento genérico de un auxiliar quiral se muestra a continuación (figura 1): 1. INTRODUCCIÓN Página 6 de 80 Figura 1 Otra opción en síntesis asimétrica es la utilización de enzimas [4], proteínas en las cuales, en zonas muy concretas de las mismas, llamadas centros activos, se unen los sustratos, y se producen las transformaciones enantioselectivas Las reacciones con enzimas que se realizan fuera de los seres vivos tienen una serie de ventajas, pero requieren de condiciones especiales. Debido a que las enzimas son los catalizadores más eficientes que existen, las reacciones ocurren con velocidades de varios órdenes de magnitud mayores que las que ocurren con los catalizadores tanto orgánicos como inorgánicos. Además, presentan enantioselectividades mucho mayores. También son diastereoselectivas, quimioselectivas y regioselectivas. Por si fuera poco, son una alternativa “verde”, ya que, generalmente, las reacciones con enzimas ocurren sobre medios acuosos, mucho más respetables con el medio ambiente. Son biodegradables y, al ser proteínas, trabajan en condiciones suaves, lo que permite realizar síntesis con bajo coste energético y generar pocos subproductos. Al trabajar en condiciones suaves de pH, temperatura y presión, catalizan reacciones de un amplio espectro y, además, son compatibles entre ellas. Sin embargo, no todo son ventajas, ya que las enzimas que existen de forma natural pertenecen a un solo enantiómero, al estar formadas por L-aminoácidos. Además, requieren de parámetros de operación muy concretos, ya que se desactivan Página 13 de 80 Algunos ejemplos de catalizadores que actúan por esta vía son la prolina, derivados del prolinol, y otras aminas. La configuración del centro estereogénico presente en el catalizador determina la configuración del estereocentro creado en la síntesis. Su influencia puede actuar de dos modos: 1. Cuando el grupo funcional unido al carbono estereogénico no presenta una interacción favorable con el electrófilo con el que reacciona el sustrato (léase enlace de hidrógeno, como en el caso de la prolina). De esta forma, el efecto de ese sustituyente será sencillamente estéreo. Debido al volumen que ocupa, la entrada del electrófilo por la cara del sustituyente está menos favorecida cinéticamente y, por lo tanto, entrará mayoritariamente por la cara opuesta. Esto es lo que se conoce como modelo estérico y se muestra en la figura 7. 2. Cuando interacciona con el electrófilo. Así, la influencia que ejerce ese grupo del estereocentro es opuesta. El electrófilo, al interaccionar con ese grupo funcional, se sitúa en su misma cara y, por lo tanto, al ser atacado por la enamina, queda dirigido hacia la misma cara que el sustituyente. Esto es lo que se conoce como modelo de List-Houk y se muestra también en la figura 8. Figura 8 Página 14 de 80 Por lo tanto, una misma configuración en el centro estereogénico del organocatalizador puede inducir una configuración u otra en el producto formado en función del modo por el cual se produzca la transformación. En el caso de que se produzca una interacción por enlace de hidrógeno del electrófilo con el grupo funcional del carbono estereogénico, esta interacción también tendrá como efecto el aumento en la reactividad del mismo, facilitando así la reacción. No solamente se utilizan aminas secundarias. Adicionalmente, se han desarrollado procesos de ciclación utilizando aminoácidos con una amina primaria (figura 9). En el año 2004 se empezaron a utilizar alfa-aminoácidos con un grupo amino primario, generalmente en procesos vía enamina. La síntesis de cetonas cíclicas similares a la de Hajos-Parrish se ha conseguido con L-fenilalanina [10] [11] en ácido DCamforsulfónico. Figura 9 Si se comparan estos aminoácidos con otros con grupos amino secundarios como la prolina [12] y derivados [13] se observa que los que tienen aminas primarias poseen ciertas ventajas en la activación de los intermedios de tipo enamina. Como se muestra en la figura 10, el hidrógeno del grupo NH en el intermedio puede interaccionar con los sustratos. Este fenómeno cobra importancia en todos aquellos compuestos carbonílicos donde hay mayores interacciones estéreas, ya que estabiliza a los estados de transición correspondientes. Página 15 de 80 Figura 10 En otros trabajos realizados anteriormente, ha quedado demostrada la eficacia del empleo directo de algunos aminoácidos quirales como catalizadores en procesos de ciclación de tricetonas [14]. Un ejemplo de reacción llevada a cabo por este grupo de investigación es la siguiente (figura 11): Figura 11 Los mejores resultados se obtuvieron con L-alanina y ácido D(+)- Camforsulfónico, con una relación enantiomérica R:S de 91:9 (82% de exceso enantiomérico) y un rendimiento de reacción del 90%. Posteriormente, se propuso una ruta sintética para la formación de un nuevo organocatalizador que pudiese mejorar estos excesos enantioméricos. En el año 2018 este grupo de investigación desarrolló los reactivos bifuncionalizados [15] que se muestran a continuación en la figura 12, con el fin de probar su bondad en la ciclación de la tricetona proquiral. Página 16 de 80 Figura 12 En la figura 13 se muestra la reacción de ciclación que se llevó a cabo: Figura 13 La reacción de ciclación transcurre a través del complejo activado que se muestra a continuación (figura 14): Figura 14 R = CH3 R = (CH3)2CH R = (CH3)2CHCH2 Página 17 de 80 Sin embargo, los resultados obtenidos no fueron muy buenos (tabla 1): Relación enantiomérica R:S Exceso enantiomérico R=CH3 51:49 2% R=CH(CH3)2 54:46 8% R=CH2CH(CH3)2 67:33 34% Tabla 1 A la vista de estos resultados, se pudo concluir que la síntesis de esta diamina tosilada en el grupo amino unido al centro estereogénico no daba buenos resultados ya que la enamina se formaba en el grupo amino remoto y, por lo tanto, la inducción asimétrica no era prácticamente efectiva. Por esa misma razón, en este trabajo se estudiará cómo serían los resultados si dejamos ambos grupos amino libres, y también si solamente permitimos que se produzca la enamina con el grupo amino del estereocentro, sintetizando y probando así la diamina monotosilada regioisómera. El estudio se completará probando aminoácidos no estudiados hasta ahora, así como los aminoalcoholes correspondientes y derivados. A continuación, me centraré en otros antecedentes próximos a este tipo de compuestos. La vía enamina es el mecanismo por el cual funcionan los reactivos bifuncionalizados quirales que se han sintetizado. Sin embargo, no es la única forma de actuación. Las demás vías se muestran muy resumidas a continuación. 2.1.2. Catálisis vía ion iminio La catálisis vía ion iminio consiste en la formación del ion que actúa como electrófilo. Tras el ataque de un nucleófilo, se forma una enamina que puede atacar a otro electrófilo que esté presente en el medio para formar un nuevo ion iminio que, finalmente, se hidrolizará, liberando el catalizador orgánico, y la cetona beta sustituida Página 18 de 80 (o alfa-beta sustituida, si el electrófilo que entra tras la formación de la enamina es diferente de un protón). Para que se produzca esta vía, el ion iminio formado por condensación del catalizador con la cetona no tiene que presentar protones en alfa. Por eso, este es el mecanismo de catálisis que se produce en aldehídos o cetonas alfa-beta insaturados, es decir, aceptores de Michael (figura 15). Figura 15 Uno de los ejemplos más utilizados son los catalizadores de J∅rgensen, un derivado sililado del prolinol (mostrado en la figura 16). Estas dos vías catalíticas pueden combinarse para realizar reacciones en cascada del tipo enamina-ion iminio-enamina [16] como en la reacción de D. Enders et al (figura 16): Página 19 de 80 Figura 16 Como ya se ha comentado con anterioridad, estas no son las dos únicas vías posibles. 2.1.3. Catálisis vía dienamina Esta catálisis sigue un mecanismo muy similar al de la vía enamina. La única diferencia radica en el sustrato. Inicialmente reacciona el carbonilo alfa-beta insaturado con la amina formando el ion iminio, que rápidamente evoluciona a dienamina al perderse un protón en gamma al grupo carbonilo. Por lo tanto, para que la catálisis ocurra por esta vía, es condición indispensable la presencia de al menos un protón en gamma. La dienamina evoluciona atacando a electrófilos que quedan unidos a la posición gamma. El producto final se obtiene tras la hidrólisis del nuevo ion iminio formado. Existen ejemplos relativamente recientes de reacciones de este tipo, como la reacción realizada por S. Bertelsen y colaboradores [17] (figura 17): Página 20 de 80 Figura 17 2.1.4. Catálisis vía trienamina. Reacciones Diels-Alder y Amino-tándem De forma totalmente análoga funcionan las trienaminas con un protón en épsilon. Se forma el ion iminio, el medio arranca un protón en la posición épsilon y se genera la trienamina, capaz de reaccionar con electrófilos. Así lo demuestran trabajos como los de Z.-J.Jia et al [18] (figura 18). Figura 18 2.1.5. Catálisis SOMO En este tipo de catálisis, en primer lugar, el compuesto carbonílico reacciona con la amina para formar el ion iminio. El medio básico arranca un protón en alfa y se forma la enamina. Es justo en este paso donde se diferencia de la catálisis vía enamina. En vez de reaccionar esta con un electrófilo, reacciona con un oxidante, que le arranca un electrón formando un catión radical. Este electrón desapareado ocupa un orbital SOMO, Página 21 de 80 produciéndose una especie más reactiva que, vía radicalaria, reacciona con el electrófilo. Existen numerosos ejemplos relativamente recientes de este tipo de catálisis en la bibliografía, como el que se muestra a continuación, de una ciclación enantioselectiva de polienos [19] (figura 19): Figura 19 2.2. Organocatalizadores que forman enlaces covalentes: NHCs En este mecanismo catalítico, el carbeno reacciona con el carbonilo formando un intermedio conocido como intermedio de Breslow, que puede evolucionar por dos caminos diferentes en función del sustrato con el que se haga reaccionar al mismo, como se muestra en la figura 20: Figura 20 Página 22 de 80 Existen ejemplos muy recientes de síntesis por esta ruta, como en los trabajos de Chi y colaboradores [20] (figura 21): Figura 21 2.3. Organocatalizadores que forman enlaces covalentes: Bases de Lewis Se trata de una catálisis iniciada por interacciones n-π*. Un ejemplo destacable es la reacción de Morita-Baylis-Hillman, mostrada en la siguiente imagen (figura 22): Figura 22 Página 29 de 80 • Alfa aminoácidos • Alfa aminoalcoholes • Diamina monotosilada C) Con activación del sustrato tanto vía enamina como por formación de enlace de hidrógeno, pero con inducción de asimetría por unión al grupo amino del centro estereogénico y por unión al grupo amino remoto a este. Página 30 de 80 Para la síntesis de estos reactivos bifuncionalizados se diseñará una ruta sintética que constará de las siguientes reacciones: • Primeramente, se llevará a cabo la síntesis de los aminoalcoholes por reducción de los aminoácidos correspondientes: • Posteriormente se realizará la protección de los aminoalcoholes: • Con los aminoalcoholes protegidos se llevarán a cabo dos rutas diferentes: RUTA A: Página 31 de 80 RUTA B: • Conversión del grupo hidroxilo en grupo amino a partir de dos reacciones: 1. Mediante una reacción de Mitsunobu: 2. Hidrazinolisis. Síntesis de la diamina: • Tosilación del grupo amino libre: • Desprotección del Boc con HCl generado in situ Página 32 de 80 Página 33 de 80 La síntesis enantioselectiva es una tarea compleja que requiere de un organocatalizador eficiente, es decir, que sea capaz de discriminar orientaciones espaciales por las cuales la molécula puede ser atacada. Para ello, debe ser enantioméricamente puro. Encontrar una ruta de síntesis que nos permita obtener un producto enantioméricamente puro a partir de un reactivo que también lo sea es una tarea compleja y fundamental. 5.1. Síntesis de los reactivos bifuncionalizados De acuerdo con el plan de trabajo expuesto, partimos de tres aminoácidos comerciales, a partir de los cuales se van a desarrollar dos rutas alternativas para acceder a dos tipos de reactivos bifuncionalizados: Reactivos con actuación bifuncional Reactivos con actuación monofuncional 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Página 34 de 80 5.1.1. Síntesis de alfa-aminoalcoholes 2a, 2b y 2c Esquema 1 La reducción de alfa aminoácidos con hidruro de aluminio y litio da lugar a los aminoalcoholes correspondientes. Esta reacción se realiza en THF anhidro y en atmósfera inerte, ya que la presencia de agua hidrolizaría el hidruro, y evitaría que la reacción se produjese. Tras 4h de reflujo se filtra, se concentra a vacío y se caracterizan espectroscópicamente los productos obtenidos (espectros 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9). Se obtienen muy buenos rendimientos (tabla 2): ∝-aminoácido ∝-aminoalcohol Rendimiento R=CH3 1a 1a R= CH3 2a 2a 81% R=CH(CH3)2 1b R= CH(CH3)2 2b 85% R=CH2CH(CH3)2 1c R= CH2CH(CH3)2 2c 90% Tabla 2 5.1.2. Síntesis del alaninol N-Boc protegido 3 Esquema 2 Página 35 de 80 La protección del grupo amino del alaninol (compuesto 2) con Boc ocurre de forma quimioselectiva, ya que el grupo alcohol es un nucleófilo más duro y, por lo tanto, reacciona mucho más lentamente con el Boc2O. La reacción se lleva a cabo en DCM anhidro y en atmósfera inerte (ya que la presencia de agua puede hidrolizar el Boc2O, formando CO2 y tBuOH antes de que se produzca la protección del grupo amino). Calentando a reflujo durante 24h se forma el compuesto 3, que se purifica por cromatografía en columna y se caracteriza espectroscópicamente (espectros 10, 11 y 12), obteniéndose una fracción completamente pura del compuesto deseado, con un rendimiento del 64%. 5.1.3. Síntesis de 4. Reacción de Mitsunobu Esquema 3 La conversión del grupo funcional alcohol en un grupo amino puede realizarse de varias maneras. Una de las posibilidades es convertir el grupo hidroxilo en un buen grupo saliente y posteriormente, llevar a cabo la síntesis con azida de sodio y posterior reducción con hidruro de aluminio y litio. Esta es una reacción SN2 en la cual el anión azida ataca al grupo saliente de la molécula. Otra posibilidad es emplear ftalimida potásica, que reacciona con el sustrato formando la N-alquil ftalimida correspondiente (reacción de Gabriel). Para convertir el N-alquil derivado de ftalimida en un grupo amino se requiere de una etapa posterior de hidrazinolisis o de hidrólisis básica con KOH. Con el fin de reducir la ruta sintética a una etapa, se realiza la conversión del grupo alcohol en amino sin necesidad de cambiar este por un buen grupo saliente. Esto es posible mediante una reacción de Mitsunobu. Página 36 de 80 1) La trifenilfosfina ataca al DIAD formando el anión nitrogenado estabilizado por conjugación con el grupo funcional contiguo. 2) Este anión es una base capaz de arrancar el protón del grupo alcohol, formando el alcóxido correspondiente. 3) El alcóxido ataca al catión formado por la trifenilfosfina al unirse al grupo azo, generando un segundo anión en el DIAD también estabilizado por conjugación en el grupo éster contiguo. Así, el grupo O-H se convierte en OPPh3, que es mejor grupo saliente. Página 37 de 80 4) El anión del DIAD arranca el protón de la ftalimida y entonces se forma el verdadero nucleófilo, que por reacción SN2 sustituye al grupo O-PPh3 formando la alquil ftalimida. 4.1. Formación del nucleófilo: 4.2. Reacción SN2: Como puede observarse, la formación tanto de los aniones nitrogenados como del alcóxido requiere de condiciones anhidras muy estrictas, ya que la mínima presencia de agua protonaría estas especies en cualquiera de los posibles estadios explicados Página 38 de 80 anteriormente, y evitaría que la reacción deseada se produjese. Por esa misma razón, se utiliza THF anhidro, se seca la trifenilfosfina a la bomba de vacío, para eliminar toda la posible agua que esta pudiese contener (ya que puede captar agua del aire y quedarse parcialmente hidratada), y se coloca en atmósfera inerte de argón. El seguimiento de la reacción se llevó a cabo por 1H NMR, comparando la integral de la zona aromática con la correspondiente a la presencia del derivado de ftalimida. Modificando las condiciones de reacción, fundamentalmente, mejorando las condiciones anhidras del disolvente, el proceso se optimizó, llegando finalmente a la imida deseada pura, con un rendimiento del 70%, que se caracterizó por vía espectroscópica (espectros 13, 14 y 15). 5.1.4. Síntesis del Boc-derivado de la diamina 5. Hidrazinolisis Esquema 4 La conversión de la N-alquil ftalimida en una amina requiere de un proceso de hidrazinolisis, mediante el cual, la hidrazina, que es un nucleófilo muy fuerte, es capaz de formar la ftalazina-1,4-diona y la amina deseada. La reacción se realiza en etanol, a reflujo durante 5 horas. El bruto de reacción se purifica mediante cromatografía en columna de silicagel y se obtienen rendimientos tras esta etapa inferiores al 10% Debido a los pobres resultados obtenidos, se decide neutralizar la silicagel con TEA. El procedimiento seguido es el siguiente: 1) Se cubre la silicagel con heptano, se echa un 2% de TEA y se deja agitar durante 1h. Así, se consigue neutralizar la acidez de los grupos silanoles, Página 45 de 80 resultados son buenos. El exceso enantiomérico cambia de alanina a valina y leucina en un 5%, lo que demuestra que el efecto estérico tiene un papel fundamental en el resultado. Entre la valina y la leucina no se observa variación en el exceso enantiomérico. Por lo tanto, el impedimento estéreo producido por un sustituyente isopropilo es semejante al producido por un grupo isobutilo. Relación enantiomérica R:S Exceso enantiomérico Rendimiento (%) R = CH3 1a 89:11 78% 92 R = (CH3)2CH 1b 92:8 84% 89 R = (CH3)2CHCH2 1c 92:8 84% 88 Tabla 3 Los diferentes complejos activados propuestos, que deberían formarse con cada uno de los reactivos de actuación bifuncional, son los siguientes: • Para la alanina: Complejo activado del estado de transición de menor energía para L-Alanina Se observa como el ataque de la enamina formada al grupo cetona situado en el futuro carbono 14 del precursor del esteroide ocurre de tal forma que conduce a un complejo activado donde los sustituyentes etilo de C-13 y metilo del centro estereogénico del aminoácido se sitúan hacia caras opuestas, dando lugar a un Página 46 de 80 complejo activado con una energía en el estado de transición menor al que se produciría si el ataque ocurriese por la otra cara, planteada en la siguiente figura, donde los dos sustituyentes se sitúan hacia la misma cara y, por lo tanto, dan lugar a un complejo activado con una energía en el estado de transición mayor. Complejo activado del estado de transición de mayor energía para L-Alanina • Para la L-Valina y la L-Leucina, los complejos activados que se forman deben de ser consistentes con las siguientes estructuras: Complejos activados de los estados de transición de menor energía para LValina y L-Leucina respectivamente Si la reacción ocurriese por la cara opuesta, los complejos activados tendrían, como en el caso de la alanina, mayor energía, al tener también mayor tensión estérica que en estos mostrados anteriormente. Sus estructuras se muestran a continuación: Página 47 de 80 Complejos activados de los estados de transición de mayor energía para LValina y L-Leucina respectivamente A pesar de que pudiese parecer que la L-Leucina presenta mayor impedimento estérico debido a que el grupo isobutilo es más voluminoso que el isopropilo, los resultados muestran que los excesos enantioméricos en ambos casos son idénticos. Esto puede explicarse si atendemos a que el grupo isobutilo, pese a ser más grande, presenta el carbono terciario y, por lo tanto, el carbono que mayores repulsiones estéricas produce, más alejado del sustituyente etilo de C-13. Por lo tanto, en una situación dinámica, en la cual todos los enlaces sencillos presentan libre rotación, ambos sustituyentes producen repulsiones estéricas semejantes, dando lugar a una inducción asimétrica análoga. 5.3.3. Ensayos de ciclación con los aminoalcoholes 2a, 2b y 2c R = CH3, R = (CH3)2CH, R = (CH3)2CHCH2 Esquema 10 De forma análoga a como ocurría con los aminoácidos, se esperaba que los aminoalcoholes pudieran dar lugar a un complejo activado donde el grupo hidroxilo se Página 48 de 80 viese implicado en la formación de un enlace de hidrogeno con la consiguiente activación del grupo cetona que es atacado por la enamina. De esta forma, se formarían los siguientes complejos activados: R = CH3, R = (CH3)2CH, R = (CH3)2CHCH2 Sin embargo, tras 48h de reacción, se sometió el bruto de reacción a resonancia magnética nuclear y se observó que no se había formado apenas producto de ciclación (tabla 4). De este modo, se concluye que los aminoalcoholes no son capaces de catalizar la reacción. Rendimiento R = CH3 1a Trazas R = (CH3)2CH 1b Trazas R = (CH3)2CHCH2 1c Trazas Tabla 4 La explicación a la baja eficiencia de estos reactivos bifuncionalizados reside en que el aminoalcohol, en presencia de una cetona (o un aldehído), tiene una reacción fuertemente competitiva: la formación de oxazolidinas, como se muestra en la siguiente figura: Página 49 de 80 La aparición de este producto no deseado es consistente con las señales que aparecían en los espectros de NMR, ya que tanto la cetona como la oxazolidina tienen los mismos protones, modificándose solamente sus desplazamientos. Por lo tanto, se concluye que los aminoalcoholes no presentan interés en cuanto a su estudio como organocatalizadores en este tipo de síntesis. Sin embargo, diferentes son sus derivados con el grupo hidroxilo protegido, donde no es posible que se forme la oxazolidina. 5.3.4. Ensayo de ciclación con el alaninol O-tosilado 7 Esquema 11 En este ensayo apenas se obtuvo producto (cantidades a nivel de trazas), como se pudo observar espectroscópicamente. La protección del grupo hidroxilo como tosilderivado, elimina la posibilidad de activar simultáneamente el centro electrofílico, mediante la formación de un enlace de hidrógeno (es un reactivo de actuación monofuncional). La escasa extensión en que se produce la ciclación en estas condiciones indica: La formación de una enamina no es suficiente para la correcta evolución de la ciclación intramolecular. La catálisis ácida que ejerce el grupo funcional hidroxilo por enlace de hidrógeno es crucial en la catálisis del proceso. Página 50 de 80 Por lo tanto, de estos resultados puede inferirse: 1. La formación de un enlace de hidrógeno permite activar al grupo carbonílico, aumentando así su electrofilia. 2. Además, la formación de un enlace de hidrógeno permite fijar una conformación en la que el doble enlace de la enamina se encuentra a una distancia adecuada para que se produzca la interacción orbital entre el HOMO de la enamina y el LUMO del carbonilo. Página 51 de 80 A la vista de los resultados obtenidos, se puede concluir que la formación de un enlace de hidrógeno en la reacción de ciclación de la tricetona proquiral resulta clave, ya que, pese a formarse una enamina, altamente nucleófila, la reacción no avanza si el reactivo quiral no activa el sustrato. Esto queda demostrado en la reacción de ciclación con alaninol O-tosilado, ya que no se observa la formación de producto de ciclación. Los aminoácidos mostraron ser reactivos bifuncionalizados quirales muy eficientes, ya que las reacciones catalizadas por estos transcurrieron con altos rendimientos en períodos de tiempo relativamente cortos. Además, su capacidad de inducción asimétrica es muy buena, dando lugar a reacciones con altos excesos enantioméricos. Los excesos enantioméricos encontrados podrían mejorarse si se realizan ensayos con aminoácidos con sustituyentes más voluminosos que un isopropilo o un isobutilo. En cuanto a los aminoalcoholes, la existencia de una reacción altamente competitiva hace que estos no tengan especial interés en reacciones organocatalizadas donde pueda actuar el grupo hidroxilo adicionalmente en otro tipo de reacciones. En este trabajo, se han conseguido los siguientes propósitos: • Llevar a cabo reacciones de ciclación con excesos enantioméricos muy buenos, a partir de reactivos muy baratos, como son los aminoácidos naturales. • Optimizar ciertas etapas complejas en la ruta de síntesis de reactivos bifuncionalizados: diaminas quirales monotosiladas. • Ensayar la ciclación con reactivos de obtención sencilla y económica a partir de aminoácidos (los aminoalcoholes correspondientes), y desechar la posibilidad de estudios posteriores con este tipo de reactivos, al verse que presentan reacciones competitivas que son mucho más favorables que la deseada. • Por último, estudiar la importancia en la formación de un enlace de hidrógeno en este tipo de transformación, al verse que la ciclación de un derivado con un grupo hidroxilo protegido y, por lo tanto, incapaz de interaccionar con el sustrato, no evoluciona satisfactoriamente. 6. CONCLUSIONES Página 52 de 80 Página 53 de 80 7.1. Técnicas generales Los espectros de resonancia magnética nuclear se han realizado en un espectrómetro de la casa Agilent Technologies de 400MHz para protón y de 100MHz para 13C. El disolvente utilizado para realizar los análisis por RMN ha sido cloroformo deuterado en todas las reacciones, al ser estos compuestos solubles en el mismo. Los desplazamientos químicos se expresan en partes por millón tomando como cero de escala el tetrametilsilano. La referencia interna es el disolvente. Las constantes de acoplamiento de los espectros se indican en Hertzios. La separación de los enantiómeros por HPLC se ha llevado a cabo en un cromatógrafo Agilent 1100 con detector de diodos alineados en una columna quiral PhenomenexLux 5-Cellulose-1 de 250x4,6mm. Las reacciones se han ido siguiendo mediante TLC utilizando placas SigmaAldrich 91835-50EA. La visualización de las diferentes manchas se ha realizado tanto por luz UV a 254nm como por revelado mediante una disolución de ácido fosfomolíbdico al 20% en etanol. Las purificaciones de los productos se han realizado por cromatografía en columna utilizando diferentes eluyentes, pero una fase estacionaria común, la silicagel de 230-400 mesh. La eliminación por evaporación de los disolventes se realizó a baja presión en rotavapores Buchi R-210. El secado de los disolventes se ha llevado a cabo en el laboratorio con tamices moleculares previamente activados. 7. TÉCNICAS EXPERIMENTALES Página 54 de 80 7.2. Síntesis de los reactivos bifuncionalizados 7.2.1. Síntesis de alfa-aminoalcoholes 2a, 2b y 2c Esquema 12 En un matraz esférico de dos bocas, en atmósfera inerte, se coloca hidruro de aluminio y litio (1,518g, 40mmol) y se cubren con THF anhidro (15mL). Se añade lentamente el compuesto 1 (masa en la tabla 5, 10mmol) y se calienta a reflujo durante 4h. Se deja enfriar a temperatura ambiente y se realiza la hidrólisis mediante el método X/X/3X (1,52mL de agua gota a gota, 1,52mL de NaOH 5M gota a gota y 1,52mL de agua nuevamente). Aparece un sólido blanco que se filtra, y se elimina el disolvente a vacío. Finalmente se obtiene un líquido aceitoso de tonalidad amarillenta, que se utiliza directamente. Compuesto masa del comuesto (g) R = CH3 1a 0,8909 R = CH(CH3)2 1b 1,182 R = CH2CH(CH3)2 1c 1,312 Tabla 5 Página 61 de 80 8.1. ESPECTROS ALANINOL (COMPUESTO 2a) ESPECTRO 1: 1H NMR 1H NMR (400MHz, CDCl3): δ (ppm) 3.48 (dd, J1=10.6Hz, J2=3.8Hz, 1H), 3.19 (dd, J1=10.6Hz, J2=7.9Hz, 1H), 2.96 (m, 1H), 2.29 (NH2 y OH, 3H), 0.99 (d, J=6.5Hz, 3H) 8. ANEXOS Página 62 de 80 ESPECTRO 2: 13C NMR 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 68.1(sc), 48.2(tc), 19.8(pc) ESPECTRO 3: HSQC Página 63 de 80 VALINOL (COMPUESTO 2b) ESPECTRO 4: 1H NMR 1H NMR (400MHz, CDCl3): δ (ppm) 3.62 (dd, J1=10.5Hz, J2=4.0Hz, 1H), 3.26 (dd, J1=10.5Hz, J2=8.9Hz, 1H), 2.53 (s, 1H), 1.55 (m, 1H), 1.09 (s, 3H), 0.91 (d, J=6.7Hz, 3H), 0.90 (d, J=6.7Hz, 3H). Página 64 de 80 ESPECTRO 5: 13C NMR 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 64.4(sc), 58.2(tc), 31.1(tc), 19.2(pc), 18.3(pc) ESPECTRO 6: HSQC Página 65 de 80 LEUCINOL (COMPUESTO 2c) ESPECTRO 7: 1H NMR 1H NMR (400MHz, CDCl3): δ (ppm) 3.55 (dd, J1=10.6Hz, J2=3.8Hz, 1H), 3.22 (dd, J1=10.6Hz, J2=8.0Hz, 1H), 2.89 (m, 1H), 1.96 (s, NH2 y OH, 3H), 1.68 (m, 1H), 1.18 (m, 2H), 0.91 (d, J=6.6Hz, 3H), 0.89 (d, J=6.6Hz, 3H). Página 66 de 80 ESPECTRO 8: 13C NMR 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 66.3(sc), 50.4(tc), 42.8(sc), 24.4(tc), 23.1(pc), 21.9(pc) ESPECTRO 9: HSQC Página 67 de 80 COMPUESTO 3 ESPECTRO 10: 1H NMR 1H NMR (400MHz, CDCl3): δ (ppm) 4.80-4.10 (s, 1H), 3.74 (m, 1H), 3.62 (m, 1H), 3.48 (m, 1H), 2.45-2.05 (s, 1H), 1.43 (s, 9H), 1,12 (d, J=7.0Hz, 3H) Página 68 de 80 ESPECTRO 11: 13C NMR 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 156.1(qc), 79.2(qc), 66.2(sc), 48.3(tc), 28.3(pc), 17.2(pc) ESPECTRO 12: HSQC Página 69 de 80 COMPUESTO 4 ESPECTRO 13: 1H NMR 1H NMR (400MHz, CDCl3): δ (ppm): 7.82 (dd, J1=5.4Hz, J2=3.1Hz, 2H), 7.68 (dd, J1=5.4Hz, J2=3.1Hz, 2H), 4.67 (s, 1H), 4.07 (m, 1H), 3.66 (m, 2H), 1.23 (s, 9H), 1.18 (d, J=6.7Hz, 3H) C Página 70 de 80 ESPECTRO 14: 13C NMR 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 168.5(qc), 155.3(qc), 133.8(tc), 132.0(qc), 123.3(tc), 79.1(qc), 45.7(tc), 43.4(sc), 28.1(pc), 18.5(pc) ESPECTRO 15: HSQC Página 77 de 80 ESPECTRO 24: 13C NMR 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 217.1(qc), 197.8(qc), 163.9(qc), 130.0(qc), 52.6(qc), 35.9(sc), 32.6(sc), 27.8(sc), 25.2(sc), 24.6(sc), 10.6(pc), 8.9(pc) ESPECTRO 25: HSQC Página 78 de 80 8.2. CROMATOGRAMAS DE LOS ENSAYOS DE CICLACIÓN CON AMINOÁCIDOS • Prueba de ciclación con L-Alanina 1a • Prueba de ciclación con L-Valina 1b • Prueba de ciclación con L-Leucina 1c Página 79 de 80 [1] Hélène, P. Tetrahedron, 2016, 3133-3150. [2] Lúcia Cardoso, A; M.M.Lopes, S; Matos Beja, A; Ramos Silva, M; De los Santos,J.M; M.V.D.Pinho e Melo, T; Palacios, F. Tetrahedron, 2009, 9116-9124. [3] Klepp, J; Podversnik, H; Puschnig, J; Wallace, A; Greatrex, B.W. Tetrahedron, 2019, 3894-3903. [4] Enoki, J; Linhorst, M; Busch, F; Gomez Baraibar, A; Miyamoto, K; Kourist, R; Mügge, C. Molecular Catalysis, 2019, 135-142. [5] Woodward, R.B.; Soudheimer, F.; Taub, D.; Hensler, K.; MacLamore, W.M. J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 2403. [6] Groen, M.B.; Zeelen, F.I. Red. Trav. Chim. Prays-Bass 1986, 105-465-487. [7] Torgov, J.V.; Dokl. Akad. Nauk SSSR. 1959, 127, 553. [8] Hajos, Z.G.; Parrish, D.R.; J. Org. Chem. 1974, 39, 1615-1621. [9] Bahmanyar, S.; Houk, K. N. J. Am. Chem. 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