INFLUENCIA DE EFECTOS ESTÉRICOS, ELECTRÓNICOS Y DE...
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INFLUENCIA DE EFECTOS ESTÉRICOS, ELECTRÓNICOS Y DE PRE-ORGANIZACIÓN MOLECULAR EN LA REACTIVIDAD DE - FENILETILAMINAS FRENTE A ALDEHIDOS NO ENOLIZABLES Rodolfo Quevedo Profesor Asociado Departamento de Química Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Departamento de Química Bogotá D.C., Colombia 2014
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INFLUENCIA DE EFECTOS ESTÉRICOS, ELECTRÓNICOS Y DE
PRE-ORGANIZACIÓN MOLECULAR EN LA REACTIVIDAD DE -
FENILETILAMINAS FRENTE A ALDEHIDOS NO ENOLIZABLES
Rodolfo Quevedo
Profesor Asociado
Departamento de Química
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias, Departamento de Química
Bogotá D.C., Colombia
2014
2
1. INTRODUCCIÓN
Las -feniletilaminas son de interés químico y biológico por ser precursores de gran
variedad de compuestos de origen natural y sintético que incluyen alcaloides,
neurotransmisores, alucinógenos, entre otros. Su estructura está conformada por un
grupo amino unido a un anillo aromático por medio de un etileno (Figura 1).
NH2
Figura 1. -feniletilamina
Alcaloides (bases nitrogenadas orgánicas) que presentan en su estructura una o más
unidades de tipo hidroxifeniletilamina están relacionados con la protección de las plantas
ante los actos predatorios de insectos, animales herbívoros y pueden ser tóxicos para los
animales superiores. Se ha sugerido que algunos de ellos participan en el crecimiento de
los vegetales por su capacidad de formar quelatos o intervenir en fenómenos de óxido-
reducción. El átomo de nitrógeno de estos alcaloides es originario del aminoácido tirosina
y en general la estructura carbonada del aminoácido es mantenida intacta en la estructura
del alcaloide, mientras que el carbono del ácido carboxílico sufre descarboxilación.
Un grupo interesante de derivados de -feniletilaminas de origen natural son los
alcaloides benciltetrahidroisoquinolinicos que han mostrado un amplio rango de actividad
biológica. Estas moléculas presentan uno o dos nucleos de -feniletilaminas haciendo
parte de estructuras de mayor complejidad (Figura 2).1-4
De otro lado, una reacción en química orgánica se define como un proceso que involucra
la ruptura y formación de enlaces. Cuando una molécula posee dos o más sitios reactivos
y ocurre una reacción preferencialmente sobre uno de estos sitios, se habla de procesos
selectivos; la direccionalidad de estos procesos selectivos se da tanto por efectos
electrónicos como por factores estéricos o por combinación de los dos.
3
OHN
OCH3
CH3
OH
H3CO
ON
O
CH3
OCH3
OCH3N
OCH3
OH
OCH3
OCH3
NCH3
O
OCH3 CH3
1 2
Feniletilamina
Figura 2. Bisbenciltetrahidroisoquinolinas con actividad larvicida
Efectos electrónicos son aquellos que involucran interacciones entre cargas ya sean
puntuales (aniones y cationes) o parciales (núcleos con diferencias en densidad
electrónica). Factores estéricos se refiere a la forma como se organizan espacialmente
las moléculas donde la naturaleza química y el tamaño de los átomos o grupos que la
conforman inciden en su distribución espacial generando competencia por el espacio a
ocupar; este efecto incide en la direccionalidad de una reacción química.
Con el fin de obtener nuevos compuestos con actividad larvicida que incluyeran en su
estructura una o más núcleos de -feniletilamina, se inició el estudio de la reacción de -
feniletilaminas con aldehídos no enolizables; en este trabajo se discute la importancia de
efectos electrónicos y factores estéricos en el curso de la reacción y se presenta la pre-
organización molecular en moléculas de tipo 4-hidroxifeniletilamina como un tercer factor
determinante en el curso de la reacción y su utilización en la síntesis de un novedoso
grupo de compuestos macrocíclicos derivados de tirosina.
2. REACCIÓN DE DOPAMINA CON ALDEHÍDOS NO ENOLIZABLES
2.1. Reacción entre 3,4-dihidroxifeniletilamina (dopamina) y aldehídos.
Con el fin de determinar si el núcleo heterocíclico presente en los alcaloides 1 y 2 es el
responsable de la actividad biológica de este tipo de compuestos, se emprendió la
4
síntesis de algunos alcaloides tetrahidroisoquinolínicos que permitieran establecer
posibles relaciones estructura-actividad larvicida y que adicionalmente pudieran servir de
plataforma para la posterior síntesis de estructuras más complejas que puedan ser
utilizados en el control de insectos.
La reacción de Pictet-Spengler,5 a pesar de que se conoce desde hace más de 100 años,
continúa siendo la metodología más poderosa para la síntesis de derivados
tetrahidroisoquinolínicos con importancia biológica.6-7 Compuestos de tipo
tetrahidroisoquinolina se obtienen usualmente por medio de una reacción de adición de
una feniletilamina 3 a un compuesto carbonílico para formar una imina. La activación de
esta imina por medio de la adición de un ácido promueve la formación de las respectivas
tetrahidroisoquinolinas 4 por medio de una sustitución electrofílica aromática (Esquema
1).
La reacción de Pictet-Spengler tradicionalmente se realiza en un disolvente aprótico con
un catalizador ácido, usualmente ácido acético o trifluoroacético y ocurre más fácilmente
cuando el anillo de la feniletilamina está activado por sustituyentes electrodonores sobre
el carbono 3.8 Esta reacción es regioselectiva hacia la posición orto menos impedida; sin
embargo, siempre se obtienen mezclas de los dos regioisómeros probables (Esquema 1).
Esquema 1. Reacción de Pictet-Spengler
En este trabajo se realizó la reacción entre hidrobromuro de dopamina 3a con varios
aldehídos aromáticos utilizando metanol como disolvente y ácido acético como
catalizador; en todos los casos se obtuvo la respectiva tetrahidroisoquinolina 4a-g en la
forma de hidrobromuro con altos rendimientos (Esquema 2). Como se mencionó arriba, la
reacción de Pictet-Spengler usualmente conduce a la obtención de la mezcla de los dos
regioisómeros posibles, siendo mayoritario en la mayoría de los casos el producto de la
NH2
OH
RCHO
NH
ROH
NH
R
OH
CH2Cl
2/H+ +
3 4
5
ciclación sobre la posición orto menos impedida; sin embargo, el proceso realizado en el
laboratorio condujo en todos los casos a la formación de un único producto.
Para la reacción entre aldehídos y dopamina 3a realizada en el laboratorio se esperaba
como es usual una mezcla de los dos regioisómeros posibles; sin embargo, se observó
regioselectividad total en todos los casos. Fue necesario buscar que factores dirigen la
reacción hacia un único producto. Una primera explicación se basa en factores
electrónicos de tal forma que el hidroxilo ubicado sobre el carbono 3 del anillo aromático
active la posición 6 (Esquema 2) y dirija la sustitución electrofílica hacia ese punto de la
hidroxifeniletilamina de partida.
NH3
+
OH
OH
RCHO
NH2
+
R
OH
OH
CH3OH/H+
4a-g
Br-
Br-
NH2
+
R
OH
OH
Br-
X3a
a
50%
R=
H-
b
35%
R=
Br-
NH2
+
OHOH
c
90%
R=
NO2
d
78%
R=
Cl
e
63%
R=
OCH3
f
52%
R=
OH
g
38%
R=
OH
OCH3
Esquema 2. Síntesis de tetrahidroisoquinolinas a partir de dopamina
6
Para obtener mayor información sobre los efectos electrónicos presentes en la reacción
entre dopamina 3a y aldehídos se calculó la distribución de cargas atómicas de Mulliken
para una imina intermediaria de la reacción de Pictet-Spengler usando el programa PC-
GAMESS con una base de cálculo B3LYP/6-31G**. Los resultados muestran mayor
densidad electrónica sobre el carbono 6 (-0.0559) que sobre el carbono 2 (-0.0262)
(Figura 3); la distribución de cargas observada muestra que la reacción de pictet-Spengler
está favorecida electrónicamente hacia el carbono 6 del anillo aromático de dopamina.
Cálculos realizados para iminas provenientes de diferentes aldehídos con grupos electro-
donores y electro-atractores mostraron patrones similares.
Figura 3. Distribución de carga atómica de Mulliken para la imina intermediaria en la
reacción de Pictet-Spengler
Como se mencionó arriba, tradicionalmente la reacción de Pictet-Spengler a partir de
feniletilaminas es regioselectiva, pero usualmente se obtiene la mezcla de los dos
regioisómeros en diferentes proporciones, este comportamiento es consistente con los
efectos electrónicos observados por medio de la distribución de carga de Mulliken pues
los carbonos 2 y 6 están activados, siendo el carbono 6 el de mayor activación; sin
embargo, en los experimentos realizados se observó regioselectividad total, solo se formó
uno de los regioisómeros. Este comportamiento no puede ser justificado solo por los
efectos electrónicos presentes, en este trabajo se propone que el uso de disolventes
próticos (como metanol) incrementan la regioselectividad por efectos estéricos. El
disolvente prótico empleado solvata los grupos polares presentes en la feniletilamina y el
7
impedimento esterico generado por dicha solvatación dirige la ciclación hacia el carbono
menos impedido (carbono 6).
2.2. Reacción de Pictet-Spengler entre 6,7-dimetoxifeniletilamina 5 y 3-
nitrobenzaldehido
La metodología empleada para la reacción de dopamina con aldehídos se utilizó para la
reacción de 6,7-dimetoxifeniletilamina 5 con 3-nitrobenzaldehido; esta reacción no
condujo a la tetrahidroisoquinolina esperada y solo se obtuvo la respetiva imina
intermediaria 6 (Esquema 3).
NH2H3CO
H3CO
+
O
NO2
H CH3OH/AcOH
Reflujo
NH3CO
H3CO
NO2
NH3CO
H3CO
NO2
NH2
+
H3CO
H3CO
NO2
NH2
+
H3CO
NO2
OCH3
5 6
7
HCl 37 %
Reflujo X
Cl-
Cl-
Esquema 3. Reacción de 6,7-dimetoxifeniletilamina 5 con 3-nitrobenzaldehido
8
Los cálculos realizados para el compuesto 6 revelaron una distribución de carga de
Mulliken similar a la observada para las iminas provenientes de dopamina. Este resultado
permite proponer que la reacción con 6,7-dimetoxifeniletilamina 5 no ocurre porque la
energía de activación para la ciclización para iminas con grupos metoxilo sobre el anillo
aromático es mayor. Para confirmar esta hipótesis, la imina 6 se sometió a reflujo en HCl
37 % para superar la barrera de energía y obtener la respectiva tetrahidroisoquinolina 7;
tras un corto tiempo de reacción la respetiva tetrahidroisoquinolina precipitó en el medio
de reacción (Esquema 3).9 Este experimento demuestra que la isoquinolina 7 con grupos
metoxilo sobre el anillo aromático no se obtuvo bajo las condiciones experimentales
iniciales por la alta energía de activación requerida para la substitución electrofílica
aromática. A pesar de esto, al igual que en los casos anteriores, la reacción transcurrió
con regioselectividad total. Este resultado indica que los factores estéricos producto de la
solvatación son comunes tanto para hidroxifeniletilaminas como para metoxifeniletilaminas
y muestra la importancia de la solvatación en los efectos estéricos que determinan la
direccionalidad de la reacción de Pictet-Spengler.
3. REACCIÓN DE DERIVADOS DE TIROSINA CON ALDEHÍDOS NO ENOLIZABLES
3.1. Reacción de L-tirosina etil ester con aldehídos
La importancia de factores estéricos y electrónicos en la regioselectividad de la reacción
entre dopamina y aldehídos llevo a preguntar ¿cuál será la influencia de los hidroxilos
fenólicos en el curso de la reacción? Para responder a esta pregunta, se propuso
realizar la reacción entre derivados de tirosina y aldehídos bajo las condiciones
previamente utilizadas para la reacción de Pictet-Spengler, esperando obtener
compuestos de tipo tetrahidroisoquinolina como se plantea en el esquema 4.
O
NHOH
OH
R
O
NH2OH
OH RCHO
H+
Esquema 4: Reacción de Pictet-Spengler esperada para L-tirosina
9
En este punto del análisis es necesario recordar la reacción de Mannich, reacción que
involucra la combinación de formaldehído con amoníaco o una amina primaria o
secundaria y un compuesto con hidrógenos activos (Esquema 5). Cuando los compuestos
con hidrógenos activos son sustratos aromáticos como los índoles o los fenoles se habla
de reacción de Mannich aromática.10
Esquema 5. Reacción de Mannich
En la reacción de Mannich aromática, los dos componentes que se requieren para la
reacción con el sustrato aromático son una amina y un aldehído. Solo compuestos
aromáticos ricos en electrones interactúan satisfactoriamente con los electrófilos
relativamente débiles que funcionan como reactivos de Mannich. Compuestos
carbocíclicos muy ricos en electrones tales como los fenoles, reaccionan bajo una amplia
variedad de condiciones muy suaves; sin embargo, no es posible formular un conjunto
general de condiciones de reacción y reactivos. El procedimiento clásico más
frecuentemente usado involucra la mezcla de los tres componentes simultáneamente.10
Cuando la reacción de Mannich se realiza con fenoles y aminas primarias conduce al
producto de aminometilación regioselectiva a la posición orto. La reacción de la amina
secundaria obtenida con una segunda molécula de aldehído lleva a la formación de un
derivado cíclico tipo benzoxazina. Un amplio número de fenoles forman benzoxazinas con
buenos rendimientos usando metilamina y formaldehído (Esquema 6).10
Esquema 6. Formación de una 3,4-dihidro-2H-1,3-benzoxazina a partir de p-cresol,
metilamina y formaldehído
10
Volviendo al estudio de la reacción entre derivados de tirosina y formaldehido;
considerando que la tirosina es insoluble en disolventes orgánicos, se sintetizó primero el
éster etílico de L-tirosina 8 (Esquema 7). Este derivado además de mejorar las
características de solubilidad de la tirosina, puede favorecer la reacción de Pictet-
Spengler.11 Teniendo el éster de partida 8, se realizó la reacción con dos aldehídos
aromáticos con diferente grado de electrofilia y con formaldehido, empleando las mismas
condiciones experimentales empleadas previamente para la reacción de dopamina con
aldehídos.
O
NH2OH
O
CH3
O
NH2OH
OH H+/C2H
5OH
8
Esquema 7. Esterificación de L-tirosina
Tras 48 horas de calentamiento no se observó formación de producto con ninguno de los
aldehídos aromáticos estudiados y solo se observó la precipitación de un compuesto de
color blanco que resulto ser acetato de amonio del éster etílico de L-tirosina, producto de
la reacción ácido-base del grupo amino del derivado de L-tirosina con el catalizador acido.
La reacción con formaldehido al 37 % presentó un comportamiento diferente a los
aldehidos aromáticos estudiados y condujo a la formación con bajo rendimiento de una
nueva molécula macrocíclica de tipo ciclofano (molécula conformada por dos anillos
aromáticos unidas por espaciadores corto) 9 (Esquema 8), producto de la condensación
de dos unidades del éster etílico de L-tirosina 8 (Esquema 7) con cuatro de formaldehido.
El compuesto 9 (Esquema 8) siempre se presentó como único producto soluble y fue
obtenido con rendimientos cercanos al 5%, adicional al compuesto 9, se obtuvieron
algunas resinas insolubles y tirosina producto de la hidrólisis del éster de partida.
Dada la estructura novedosa del compuesto 9 (Esquema 8), se hizo necesario modificar
las condiciones experimentales para obtener mejores rendimientos. La función del
catalizador ácido en la reacción de Pictet-Spengler es la de aumentar la electrofilia de la
11
imina intermediaria por medio de la formación de un catión iminio y favorecer la
sustitución electrofílica aromática; la otra posibilidad para este tipo de condensaciones es
la de aumentar la nucleofilia del anillo aromático y de igual forma favorecer la sustitución
electrofílica aromática, para el caso de los fenoles, esto se puede hacer por medio de la
adición de una base fuerte para formar el anión enolato. Bajo estas nuevas condiciones
experimentales, empleando NaOH o KOH como bases y sustituyendo el metanol
inicialmente empleado como disolvente por isopropanol con el fin de favorecer la
precipitación del producto se obtuvieron los mejores rendimientos de reacción (63%).
Esquema 8. Reacción de L-tirosina etil éster 8 con formaldehido
Los resultados obtenidos para la reacción del éster etílico de l-tirosina 8 (Esquema 7) con
formaldehido muestran la importancia de los factores electrónicos en el curso y la
direccionalidad de la reacción de tal forma que compuestos que presentan anillos con las
posiciones 2 y 6 fuertemente activadas como 3-hidroxifeniletilamina 3 o dopamina 3a
cuando reaccionan con aldehídos llevan a la formación de productos de la reacción de
Pictet-Spengler formando las correspondientes tetrahidroisoquinolinas pero cuando la
reacción se realiza con 4-hidroxifeniletilaminas como 8 en donde las posiciones de mayor
activación (mayor densidad electrónica) son los carbonos 3 y 5 no transcurre la reacción
de Pictet-Spengler y se obtienen productos de condensación tipo Mannich aromática
formando compuestos macrocíclicos conformados por un esqueleto pentacíclico
conformado por dos unidades 3,4-dihidro-2H-1,3-benzoxazina unidos por dos puentes
etileno 9 (Esquema 8).
El nuevo esqueleto macrocíclico 9 se aisló como un sólido amorfo soluble en CHCl3 y en
CH3OH e insoluble en agua y de más disolventes orgánicos de uso común, P.f. 92-94 ºC,
su EI-MS (m/z 466.24) corresponde a la fórmula molecular C26H30N2O6 (calc. 466.21). El
espectro de RMN 1H exhibe en la región aromática las señales características de un anillo
NH2
OH
OCH2CH3
O
HCHO/NaOH N
O
N
O
OCH2CH3
OH3CH2CO
O
NH
OH
OCH2CH3
O
HCHO
2
3
8 9
12
1,2,4-trisustituido junto a las señales alifáticas provenientes del éster de partida, los
hidrógenos diasterotópicos no presentan desplazamientos diferentes en este espectro. Se
observan además cuatro nuevas señales originadas por las unidades N-CH2-ph y N-CH2-
O (Figura 4). La simplicidad de los espectros de RMN 1H y 13C indican alta simetría en la
molécula. Las correlaciones observadas en el espectro de HMBC (Figura 5) entre el
hidrógeno sobre carbono quiral con el carbono 2 (N-CH2-O) y el carbono 4 (N-CH2-ph) del
núcleo oxazínico confirman la obtención de una molécula macrocíclica conformada por
dos unidades de tirosina producto de una condensación tipo Mannich de 2 moléculas de
tirosina con cuatro de formaldehido.
O
N
O
O
N
CH3
O
O
OCH3
H
H HHH
6,67(116,6)
6,89(128,3) 3,00(35,9)
3,72(66,2)
3,87(60,7)
1,01(13,9)
4,88;4,94(80,1)
4,04
4,22(48,0)
6,78(127,6)
(130,3)
(120,9)
(153,1)
(172,2)
9
Figura 4. Datos espectroscópicos de RMN 1H (13C) ppm
El espectro NOESY muestra acoplamientos a través del espacio entre el hidrógeno sobre
carbono quiral con los hidrógenos del grupo N-CH2-ph, con los hidrógenos del grupo N-
CH2-O y con el hidrógeno aromático en posición 3; adicionalmente los hidrógenos del
grupo N-CH2-ph presentan acoplamientos con el hidrogeno aromático en posición 3, los
acoplamientos anteriores permiten concluir que 9 es un compuesto tipo ciclofano donde
los dos núcleos benzoxazínicos se encuentran paralelos, esta conformación es
corroborada por los acoplamientos entre los hidrógenos bencílicos y los grupos N-CH2-ph
y N-CH2-O; para que se observen los anteriores acoplamientos el hidrógeno sobre
carbono quiral debe estar en posición pseudo-axial y el grupo etiloxicarbonil en poición
pseudo-ecuatorial (Figura 6).
13
O
N
O
O
N
CH3
O
O
OCH3
Figura 5. Correlaciones en el espectro HMBC (H C)
Figura 6. Espectro NOESY del azaciclofano 9
N
O
N
O
H
H
HR
HR
H
H
H
H
H
HH
H
H
Ξ
14
La estructura optimizada del compuesto 9 mediante cálculos semi-empíricos usando
MOPAC 2009 correlaciona completamente con la información obtenida por medio del
análisis espectroscópico.12,13 La estructura optimizada muestra además que el anillo
oxazinico adopta una conformación de semi-silla con los nitrógenos ubicados fuera del
plano del anillo aromático hacia la cavidad del ciclofano y los carbonos entre el oxigeno y
el nitrógeno en el anillo oxazínico están ubicados fuera del plano del anillo aromático
hacia afuera de la cavidad (Figura 7).
Figura 7. Estructura optimizada para el heterociclofano 9
3.2. Generalización de la obtención de azaciclofanos por medio de la reacción entre
derivados de tirosina y formaldehido.
Con el fin de extender la aplicación de la metodología establecida para la síntesis del
ciclofano 9, se realizó la reacción de tiramina 10, L-tirosina metil éster 11 y L-tirosina
isopropil éster 12 con formaldehido bajo las mismas condiciones experimentales
empleadas para la síntesis de 9. Esta reacción siguió el mismo comportamiento
observado para el éster etilico de L-tirosina y produjo los respectivos azaciclofanos con
alto rendimiento (85, 56 y >95 % respectivamente) (Esquema 9). Estos resultados
muestran que la metodología desarrollada en nuestro grupo de investigación es aplicable
para la obtención de un nuevo grupo de azaciclofanos a partir de derivados de L-tirosina.
15
NH2
OH
R
HCHO/NaOH
N
O
N
O
RR
R= H (85 %); COOCH3 (56 %); COOCH
2-CH
3 (63 %); COOCH(CH
3)2 (95 %)
Esquema 9. Reacción general entre derivados de L-tirosina y formaldehido
3.3. Pre-organización molecular y su participación en la síntesis de ciclofanos
Los ciclofanos son moléculas de interés por su potencial utilidad en tecnologías
hemergentes y en los últimos años, el diseño y síntesis de nuevos receptores moleculares
útiles para el reconocimiento selectivo de especies químicas ha llamado la atención de los
grupos de investigación. Este tipo de moléculas están conformadas por anillos aromáticos
unidos por grupos espaciadores y poseen características estructurales que les permiten
actuar como anfitriones por su capacidad de atrapar huéspedes en su cavidad, por medio
de interacciones no covalentes,14 esta capacidad se observa tanto con moléculas
orgánicas como con cationes metálicos y aniones, lo cual ha permitido su uso como
quimiosensores.12,13
Los ciclofanos usualmente se sintetizan por medio de procesos complejos de
macrociclación que involucran varias etapas, el empleo de grupos protectores, soluciones
a alta dilución o la formación de plantillas por medio de la adición de iones metálicos que
presenten interacciones específicas a través de enlaces de coordinación con las
subunidades previamente sintetizadas.17-20 La metodología de síntesis de ciclofanos a
partir de derivados de tirosina presentada en este trabajo no involucra ninguno de estos
aspectos pues ocurre en un solo paso, se emplean soluciones acuosas a alta
concentración y no se requiere de la formación de plantilla con metales de transición;
adicionalmente, la direccionalidad de la reacción no se puede explicar satisfactoriamente
por medio del análisis de factores electrónicos y efectos estéricos pues una reacción de
16
Mannich entre derivados de tirosina y formaldehido debería conducir a la formación de
polímeros lineales como fue reportado el siglo pasado (Figura 8).21,22
Surge ahora una nueva pregunta: Los factores electrónicos y efectos estéricos presentes
en los esteres derivados de L-tirosina y en tiramina deberían dirigir su reacción con
formaldehido hacia la formación de polímeros lineales como el representado en la Figura
8; sin embargo, se forman productos macrocíclicos de tipo ciclofano con altos
rendimientos, ¿Qué factores adicionales a los electrónicos y los estéricos gobiernan
la direccionalidad de dicha reacción?
Figura 8. Producto de la reacción de Mannich entre L-tirosina y formaldehído en medio
básico.
Como una posible respuesta al comportamiento observado se propone que debido al
carácter anfótero de los derivados tipo éster de L-tirosina se puede presentar una pre-
organización de las moléculas en solución a través de puentes de hidrógeno
intermoleculares entre los grupos amino y los grupos hidroxilo fenólico de dos moléculas
del respectivo derivado de L-tirosina (esquema 10).
Esquema 10. Posible pre-organización por auto-ensamblaje de las moléculas de
derivados de L-tirosina a través de puentes de hidrógeno intermoleculares
17
Para confirmar esta hipótesis, se estudió la asociación por puentes de hidrógeno entre las
moléculas de derivados tipo éster de L-tirosina. En particular, L-tirosina isopropil éster 12,
por medio de métodos computacionales (cálculos semiempíricos PM6-DH+),
espectrometría de masas (técnica de electrospray ESI-HRMS), métodos espectroscópicos
(resonancia magnética nuclear de protones RMN 1H y espectroscopía infrarroja FT-IR), y
análisis por difracción de rayos X de monocristal (DRX).
3.4. Determinación de la constante de dimerización de éster isopropílico de L-
tirosina en solución por medidas de RMN 1H
Se registraron espectros RMN 1H de éster isopropílico de L-tirosina 12 a diferentes
concentraciones (18 mM – 203 mM) en CDCl3 a 298 1 K. Se seleccionó CDCl3 como
disolvente deuterado para poder observar los protones intercambiables (protones sobre
los átomos de Oxigeno y Nitrógeno). Se encontró que el desplazamiento químico de la
señal a 2,72 ppm (singlete ancho) (Figura 9), correspondiente a los protones involucrados
en puentes de hidrógeno intermoleculares (OH y NH), es sensible a la concentración. La
variación en el desplazamiento químico se analizó asumiendo la formación de un
dímero.20-23 Las ecuaciones son las siguientes:
Dimerización:
Constante de dimerización:
Balance de masa:
Dónde : concentración total de éster isopropílico de L-tirosina 12, : concentración
de monómero, : concentración de dímero.
Desplazamiento químico:
18
Cuando una especie química se asocia a través de interacciones intermoleculares, los
protones involucrados directamente en dicha interacción experimentan diferentes
ambientes dando lugar a dos desplazamientos químicos diferentes en los espectros de
RMN, y ; sin embargo, para un sistema que experimenta intercambio
rápido de hidrogeno (es decir, tiempos de vida de milisegundos o menos), el entorno
magnético experimentado por el protón se promedia sobre los entornos de los estados
libre y enlazado, y se observa un singlete ancho, a una frecuencia que es el promedio
ponderado del tiempo pasado en los dos estados. Esto conduce a la siguiente ecuación
para la posición del singlete de RMN en condiciones de intercambio rápido:
Donde y son las fracciones de la especie total en el estado libre y en uno
o más estados enlazados, respectivamente.27
Por lo tanto, para el modelo de dimerización se tiene:
Donde es el desplazamiento químico medido experimentalmente (correspondiente a
los protones involucrados en puentes de hidrógeno intermoleculares). y son los
desplazamientos químicos de éster isopropílico de L-tirosina en estado libre (monómero) y
enlazado (dímero), respectivamente.
y son las fracciones de en la forma de monómero y dímero, respectivamente:
Combinando las ecuaciones anteriores se obtienen las siguientes expresiones para la
concentración de libre y el desplazamiento químico calculado :
19
Debido a que y no se pueden medir independientemente, se realizó un análisis de
regresión no lineal por mínimos cuadrados con la herramienta SOLVER de Excel®.23,28 Se
minimizó la suma de cuadrados de los residuales, , para obtener los
mejores valores de y . Para determinar la desviación estándar de cada uno de los
parámetros de la regresión, así como el coeficiente de correlación (R2), se aplicó el macro
SolvStat.xls.28
Figura 9. Espectro RMN 1H de éster isopropílico de L-tirosina 12 en CDCl3
En la búsqueda de información sobre la posible asociación intermolecular del ester de
tirosina 12, calculando la constante de dimerización de acuerdo al planteamiento anterior,
se registraron espectros de RMN 1H a diferentes concentraciones en CDCl3 a 298 K
(Figura 10), estos espectros mostraron que la señal correspondiente a los protones del
hidroxilo fenólico y del grupo amino se desplaza hacia campo bajo cuando se aumenta la
concentración. Este cambio en el desplazamiento químico se debe a un efecto de
C B
F E D D
G H
A
20
desapantallamiento de los protones causado por la formación de puentes de hidrógeno
intermoleculares.
18 mM
35 mM
72 mM
105 mM
133 mM
203 mM
Figura 11. Espectros RMN 1H de éster isopropílico de L-tirosina a diferentes
concentraciones en CDCl3 a 298 K
A
(ppm)
21
Una vez confirmada la asociación intermolecular por puentes de hidrógeno, se hizo
necesario determinar si la asociación es para formar dímeros o es la formación de
cadenas lineales que involucren más de dos unidades del ester 12. Para ello, se
analizaron los datos de desplazamiento químico en función de la concentración,
asumiendo un modelo de dimerización (Figura 11).
Debido a que en la serie de espectros de RMN 1H (Figura 10) y no se pueden medir
independientemente, los datos de desplazamiento químico en función de la concentración
se analizaron mediante una regresión no lineal por mínimos cuadrados para obtener la
constante de dimerización (Figura 11). El valor del coeficiente de correlación
( ) permitió establecer que la asociación entre las moléculas de éster
isopropílico de L-tirosina se ajusta bien al modelo de dimerización planteado. La magnitud
de la constante de dimerización ( ) indicó que la formación de un dímero se
favorece en el equilibrio (~98 % de dímero en el equilibrio), demostrando así la tendencia
que tiene este compuesto hacia la pre-organización por medio de la formación de dímeros
en solución.
2,40
2,60
2,80
3,00
3,20
3,40
3,60
3,80
4,00
0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250
Des
pla
zam
ien
to q
uím
ico (
pp
m)
Concentración (M)
Figura 11. Desplazamiento químico de los protones involucrados en puentes de
hidrógeno intermoleculares (OH y NH) en función de la concentración de éster isopropílico
de L-tirosina 12 en CDCl3 a 298 K. Se muestran los resultados del análisis de regresión no
lineal por mínimos cuadrados para la determinación de la constante de dimerización.
A
K dimer = 37,99 ± 5,37 M-1
δ 1 = 1,17 ± 0,13 ppm
δ 2 = 4,60 ± 0,03 ppm
R2
= 0,99987
22
La formación de dímeros en solución del éster 12 también se hizo evidente en el espectro
de masas con la técnica de electrospray en el que se dos iones, el primero, [M-H]- a m/z
222,1088 (calcd. 222,1130) y el segundo, [2M-H]- a m/z 445,2256 (calcd. 445,2338; iones
correspondientes al monómero y al dímero en solución. Además, no se observaron iones
de intensidad apreciable a m/z mayores, lo que permite descartar la formación de
complejos con más de dos unidades de éster.
El análisis de los espectros de RMN y de masas del éster isopropílico de L-tirosina 12
permiten demostrar la asociación por puentes de hidrógeno que dan estabilidad a un
dímero, pero este dímero puede corresponder tanto a la plantilla propuesta (Figura 12a)
como a un arreglo lineal (Figura 12b) o un dímero cíclico (N─H···O) (Figura 12c).
Con el fin de buscar el arreglo más probable se realizaron cálculos computacionales a las
estructuras propuestas (Figuras 12a-c) empleando el método semiempírico de mecánica
cuántica PM6-DH+, implementado en el software MOPAC2009, versión 11.366W.27 El
método PM6-DH+ incluye correcciones empíricas para interacciones de dispersión (D) y
puentes de hidrógeno (H) y se seleccionó debido a sus predicciones exactas de la energía
de enlace, amplio rango de aplicabilidad, eficiencia computacional, y a su utilidad como
una herramienta para la optimización.29-32
Primero se optimizó la geometría molecular del éster isopropílico de L-tirosina 12 en el
vacío (fase gaseosa), definiendo GNORM=0.01 como criterio para la optimización
geométrica. Luego se optimizó, también en el vacío, la geometría de varios complejos que
contienen dos unidades de éster isopropílico de L-tirosina unidas entre sí por puentes de
hidrógeno intermoleculares (Figura 12). El dímero mostrado en la Figura 12a corresponde
a la plantilla planteada en el Esquema 11. Estos cálculos también se realizaron para otros
ésteres de L-tirosina: L-tirosina metil éster 11 y tirosina etil éster 8.
Con las geometrías de mínima energía y mediante cálculos THERMO se determinaron
cantidades termodinámicas (entalpía estándar de formación, y entropía, ) a 298 K
en el vacío (fase gaseosa) para el proceso de formación de los respectivos dímeros. La
energía de interacción intermolecular ( ) o se calculó a partir de los calores de
formación ( ) a 298 K para cada sistema.
23
(a)
(b)
(c)
Figura 14. Posibles dímeros de éster isopropílico de L-tirosina formados a través de
puentes de hidrógeno: (a) cíclico-plantilla (O como donor de protón), (b) arreglo lineal, y
(c) cíclico (N como donor de protón).
Para evaluar la estabilidad en solución de los posibles dímeros formados por el éster
isopropílico de L-tirosina se realizaron cálculos de optimización en isopropanol empleando
24
el método COSMO (Conductor-like Screening Model). El método COSMO es útil para
determinar la estabilidad de una variedad de especies en un entorno similar al de un
disolvente.27 Se usó una constante dieléctrica de 18,23 para simular isopropanol. El
número de segmentos geométricos por átomo se fijó a 162 para generar la superficie
poligonal conductora alrededor del sistema.
De las tres posibilidades planteadas en la Figura 12, los cálculos realizados indicaron que
el arreglo más probable es el planteado en la Figura 12a, arreglo que está favorecido
energéticamente en el vacío. Esta estructura, es estabilizada por dos puentes de
hidrógeno entre el grupo hidroxilo fenólico de una unidad y el grupo amino de la otra
unidad (O─H···N) (Esquema 11) presentó menor energía comparada con la energía de
dos moléculas del éster separadas. También presentó la menor energía frente a los otros
posibles dímeros, el arreglo lineal (Figura 12b) y el dímero cíclico (con interacciones
N─H···O) (Figura 12c). Adicionalmente, esta estructura mantiene las moléculas del éster
en una conformación adecuada para asistir geométricamente la reacción de
macrociclación entre derivados tipo éster de L-tirosina y formaldehído (Esquema 11).
Esquema 11. Formación del dímero de éster isopropílico de L-tirosina 12 más probable
(plantilla) a través de puentes de hidrógeno en solución
Los valores de energía para el arreglo lineal (Figura 12b) y el dímero cíclico (N─H···O)
(Figura 12c) también fueron menores en comparación a la energía de dos moléculas del
éster separadas, lo que indica que también son arreglos estables, sin embargo, la energía
de interacción intermolecular ( ), o calor generado ( ) en el proceso de formación de
dichos dímeros, fue mayor para el dímero cíclico (O─H···N) (-20,210 kcal/mol). Este
25
dímero está más favorecido que el arreglo lineal porque presenta mayor número de
interacciones estabilizantes, y que el dímero cíclico (N─H···O) porque la energía de
puente de hidrógeno es mayor (-10,105 frente a -9,551 kcal/mol). En general, las
magnitudes de las energías de puente de hidrógeno calculadas están en el rango de la
energía de interacción observada para puentes de hidrógeno típicos (4-15 kcal/mol).33,34
Los cálculos realizados simulando isopropanol como disolvente, empleando el método
COSMO, mostraron la misma tendencia que se observó en el vacío, demostrando así que
el dímero cíclico (O─H···N) de éster isopropílico de L-tirosina (Figura 12a) también se
favorece energéticamente en solución. La pre-organización por puentes de hidrogeno en
este tipo de moléculas es determinante en el curso de la reacción frente a formaldehido;
en esta plantilla, las moléculas interactúan por medio de sitios de enlace complementarios
(reconocimiento), se organizan en el espacio, modificando así su reactividad
(organización); y se transfiere la información de la disposición espacial al producto de
reacción (transferencia de información).
Los resultados de los cálculos de cantidades termodinámicas, a 298 K en el vacío,
revelaron que la formación de la plantilla de éster isopropílico de L-tirosina (Figura 12a) es
entrópicamente desfavorable por 8,471 kcal/mol. Sin embargo, el proceso es
entálpicamente favorable (-20,210 kcal/mol), dando en total una energía libre favorable (-
11,739 kcal/mol).
A pesar del costo entrópico en la orientación de las moléculas de éster hacia la formación
de la plantilla, la energía de los puentes de hidrógeno que se forman puede compensar
esto y es en gran parte responsable de que el proceso sea espontáneo. Adicionalmente
se observó que la formación del arreglo lineal no es espontánea, porque el costo
entrópico para unir dos moléculas de éster en una disposición lineal (12,297 kcal/mol) es
mayor que la energía de interacción de un solo puente de hidrógeno (-11,978 kcal/mol).
Se realizaron cálculos similares para los ésteres metílico 11 y etílico de L-tirosina 8 ;
encontrándose que, al igual que se observó para el éster isopropílico 12, la formación de
la plantilla es un proceso espontáneo.
Teniendo en cuenta la evidencia espectroscópica y los resultados obtenidos por medio de
cálculos computacionales se estableció que la direccionalidad de la reacción entre
26
derivados de tirosina y formaldehido es inducida por la pre-organización molecular a
través de puentes de hidrogeno entre los grupos amino y los hidroxilos fenólicos de dos
unidades de derivado de L-tirosina; la pre-organización molecular entre las dos moléculas
mantiene a corta distancia el grupo amino de una de las moléculas con el grupo hidroxilo
fenólico de otra de las moléculas y cuando se adiciona el formaldehído, en exceso, su
carbono altamente electrofílico reacciona con los dos sitios nucleofílicos más cercanos, el
nitrógeno de una de las unidades del derivado de L-tirosina y el anillo aromático de otra
unidad. Los experimentos realizados muestran que la plantilla formada por puentes de
hidrógeno impide la condensación hacia productos lineales (oligómeros y polímeros); por
tanto, el macrociclo formado es un producto cinético y la pre-organización de las
moléculas genera un efecto de plantilla cinético en la reacción.
Los resultados presentados hasta aquí permiten demostrar que la síntesis de
azaciclofanos a partir de derivados de tirosina es inducido por la formación espontánea de
un dímero, favorecido energéticamente (mínimo termodinámico), que actúa como plantilla
seguido por modificación covalente posterior para fijar el macrociclo (producto cinético).
Debido a que la reacción de macrociclación observada es un proceso de condensación
intermolecular y la plantilla dirige la reacción hacia el producto cíclico, no se requieren
condiciones de alta dilución en la síntesis.
3.5. Análisis en el estado sólido
Con el fin de observar las interacciones intermoleculares en estadio sólido, se analizó la
estructura cristalina de éster isopropílico de L-tirosina, cristalizado desde isopropanol, por
difracción de rayos X de monocristal (DRX). El compuesto cristaliza en un sistema
ortorrómbico con un grupo espacial P212121 (No. 19). La estructura molecular del
compuesto se muestra en la Figura 13. La molécula adopta una conformación plegada
llamada conformación en forma de U o “escorpión”, como lo muestran los ángulos de
torsión C1─C2─C3─C4 (58,2 (3)º) y O2─C1─C2─C3 (-95,9 (2)º). A pesar de la adopción de
esta conformación, no hay evidencia de interacciones intramoleculares C─H···π
significativas. En términos de la conformación general, la estructura del éster isopropílico
de L-tirosina se asemeja a la de los análogos n-butílico y etílico, y difiere de la del éster
metílico.35,36
27
Figura 13. Diagrama ORTEP del éster isopropílico de L-tirosina 12
En el cristal, las moléculas están unidas por puentes de hidrógeno intermoleculares
fuertes, con el hidroxilo fenólico como donor de protón y el grupo amino como aceptor de
protón (O─H···N 1,78(4) Å; O···N 2,736(3) Å; O─H···N 167(3)°), formando cadenas
helicoidales a lo largo del eje b (Figura 14).
Entre las cadenas se observaron puentes de hidrógeno débiles, con el grupo amino
comportándose como donor de protón y el hidroxilo fenólico como aceptor de protón:
N1─H1N···O3 (N─H···O 2,27(2) Å; N···O 3,106(2) Å; N─H···O 157(2)°) y N1─H2N···O3
(N─H···O 2,46(3) Å; N···O 3,336(3) Å; N─H···O 171(2)°). También entre el hidrógeno
unido al carbono quiral y el oxígeno del carbonilo: C2─H2···O1 (C─H···O 2,37 Å; C···O
3,314(3) Å; C─H···O 159°). No se observaron interacciones de apilamiento π en esta
estructura.
Se realizaron cálculos de punto simple (1SCF) a partir de las coordenadas cristalográficas
del éster isopropílico de L-tirosina 12 (con el método PM6-DH+), resultando en la
siguiente estimación para la energía de los puentes de hidrógeno fuertes: -7,097 kcal/mol
(O─H···N). Estos resultados muestran que los puentes de hidrógeno O─H···N dirigen el
ensamble de esta estructura hacia la formación de cadenas, que a su vez se encuentran
28
estabilizadas en el empaquetamiento molecular del cristal por varios puentes de
hidrógeno débiles entre ellas.
Figura 14. Vista del empaquetamiento cristalino del éster isopropílico de L-tirosina. Los
puentes de hidrógeno O─H···N y N─H···O se muestran como líneas discontinuas de
color verde.
Al comparar el empaquetamiento del éster 12 con el observado en las estructuras
cristalinas de los ésteres metílico, etílico y n-butílico de L-tirosina, previamente
reportadas,35-37
se encontró que en todos los casos, las moléculas están conectadas por
puentes de hidrógeno fuertes, entre el hidroxilo fenólico como donor de protón y el átomo
de nitrógeno del grupo amino como aceptor de protón, formando cadenas
unidimensionales infinitas en zig-zag.
En estado sólido no se observó la formación de la plantilla propuesta en solución para
explicar la reacción de macrociclación observada entre derivados tipo éster de L-tirosina y
formaldehido; sin embargo, ya que estos ésteres presentan el mismo comportamiento en
estado sólido y en la reacción con formaldehído en solución, se puede proponer que las
moléculas del respectivo éster en solución se re-organizan para formar la plantilla.
29
Además se puede plantear que esta re-organización es un proceso espontáneo dirigido
por interacciones de puente de hidrógeno fuertes (O─H···N).
3.6. Estudio de la pre-organización molecular de tiramina en el estado sólido y en
solución
Los estudios computacionales y espectroscópicos realizados con el éster isopropílico de
tirosina 12 permitieron demostrar la pre-organización en solución a través de puentes de
hidrógeno intermoleculares entre los grupos amino y los grupos hidroxilo fenólico de dos
moléculas del respectivo derivado de L-tirosina como los promotores de la macrociclación
observada. La tiramina 10 es un derivado de L-tirosina que conduce a la formación del
respectivo azaciclofano con buenos rendimientos y el modelo más sencillo para el estudio
de la pre-organización por medio de puentes de hidrógeno. Con el fin de obtener mayor
información sobre las características moleculares de esta clase de aminas y
particularmente sobre la naturaleza del hidroxilo fenólico y el grupo amino, y evaluar la
posible formación de plantillas que favorecen procesos de macrociclación, se realizó el
estudio de la estructura cristalina de tiramina 10 como base libre, determinada por análisis
de difracción de rayos X de monocristal y de la asociación por puentes de hidrógeno entre
las moléculas de tiramina en solución, realizado por medio de cálculos computacionales
semiempíricos y espectrometría de masas con la técnica de electrospray.
3.6.1. Análisis en solución
La pre-organización de tiramina en solución a través de puentes de hidrógeno
intermoleculares se evaluó primero con cálculos semiempíricos utilizando el método PM6-
DH+ implementado en el software MOPAC2009, que también puede dar cuenta de los
posibles efectos del disolvente con el método COSMO.29 Los cálculos mostraron que la
formación de plantillas en el vacío a través de puentes de hidrógeno entre el grupo
hidroxilo fenólico de una unidad de tiramina y el grupo amino de la otra unidad (O─H···N -
8,818 kcal/mol) está favorecida energéticamente (Figura 15), revelando así la tendencia
que tiene este compuesto hacia la pre-organización por medio de la formación de
dímeros. Los cálculos realizados empleando agua como disolvente mostraron la misma
tendencia que se observó en el vacío. Se observó un comportamiento similar cuando esta
30
interacción fue modelada en etanol (Figura 15). Estos resultados sugieren que el
disolvente no participa en la pre-organización molecular de tiramina.
(a) (b) (c)
Figura 15. Estructuras optimizadas para la plantilla de tiramina en (a) el vacío, (b) agua, y
(c) etanol (PM6-DH+/COSMO, MOPAC2009™).
El estudio de la asociación por puentes de hidrógeno entre las moléculas de tiramina en
solución también se realizó por medio de espectrometría de masas, con la técnica de
electrospray. El espectro ESI-HRMS de tiramina en modo positivo mostró los iones:
[M+H]+ (m/z 138,0916, calcd. 138,0913) y [2M+H]+ (m/z 275,1744, calcd. 275,1754). El ión
[2M+H]+ de menor intensidad corresponde a un dímero de tiramina. Este resultado
muestra que la tiramina en solución se asocia por medio de puentes de hidrógeno que
dan estabilidad a la plantilla propuesta (Esquema 15b) o a un arreglo lineal (Esquema
15c). De estas posibilidades, los cálculos computacionales indicaron que la formación de
la plantilla se favorece en solución.
3.6.2. Análisis en estado sólido
Para confirmar los resultados obtenidos en solución se analizó la estructura cristalina de
tiramina como base libre cristalizada desde etanol por difracción de rayos X de
monocristal (DRX). El compuesto cristaliza en un sistema triclínico con un grupo espacial
P (No. 2). En la unidad asimétrica se presentan dos moléculas de tiramina
independientes; sin embargo, la conformación de las dos moléculas es prácticamente la
misma. Los ángulos diedros C8─C7─C4─C3 (102,14°), N1─C8─C7─C4 (176,39°) y
H1N─N1─C8─C7 (-177,45°) indican que la cadena lateral de etilamina de la molécula de
tiramina presenta una conformación anti con respecto a la rotación alrededor del enlace
C8─C7. La conformación anti es asimétrica de acuerdo con la rotación alrededor del
31
enlace N1─C8. Finalmente, la conformación anti asimétrica es cis por la orientación
relativa de los grupos NH2 y OH (Figura 16).
Figura 16. Diagrama ORTEP de tiramina. Los elipsoides están dibujados al 50% de
probabilidad
El empaquetamiento molecular consiste en un arreglo lineal de las moléculas de tiramina
conectadas “cabeza - cola” por puentes de hidrógeno intermoleculares fuertes a lo largo
del eje b, con el hidroxilo fenólico como donor de protón y el grupo amino como aceptor
de protón (O─H···N 1,78(2) Å; O···N 2,718(2) Å; O─H···N 171(2)°) (Figura 17).
Adicionalmente, los arreglos lineales se conectan entre sí formando cadenas dobles que
están estabilizadas por puentes de hidrógeno “cabeza - cola” débiles, con el grupo amino
comportándose como donor de protón y el hidroxilo fenólico como aceptor de protón
(N─H···O 2,75(2) Å; N···O 3,560(2) Å; N─H···O 150(2)°) (Figura 18). Se realizaron
cálculos de punto simple (1SCF) a partir de las coordenadas cristalográficas de la tiramina
(con el método PM6-DH+), resultando en las siguientes estimaciones para las energías de
interacción intermolecular: -7,747 kcal/mol (O─H···N) y -4,756 kcal/mol (N─H···O). Estos
resultados muestran que las interacciones por puentes de hidrógeno gobiernan la pre-
organización de esta estructura ordenada con la formación de cadenas dobles, y la
cadena doble se estabiliza a través de un arreglo cíclico de puentes de hidrógeno entre
unidades de tiramina vecinas (Figura 18). Esta organización entre dos cadenas en estado
sólido favorece geométricamente la formación de plantillas en solución.
32
Figura 17. Celda unidad y red extendida de puentes de hidrógeno en la estructura
cristalina de tiramina. Los átomos de hidrógeno se han omitido para mayor claridad
Figura 18. Vista de la cadena doble observada en la estructura cristalina de tiramina.
Al igual que lo observado para el ester 12, para tiramina 10 las interacciones a través de
puentes de hidrógeno intermoleculares son importantes para la organización molecular
tanto en estado sólido como en solución. En estado sólido no se observaron las plantillas
propuestas para la formación de azaciclofanos, pero la asociación en cadenas dobles por
interacciones “cabeza - cola” puede favorecer geométricamente la formación de plantillas
en solución.
4. REACCIÓN DEL L-TIROSINA Y DE SU SAL DE TETRABUTILAMONIO CON
FORMALDEHIDO.
33
Una vez confirmada la influencia de la pre-organización molecular en la síntesi de
azaciclofanos a partir de derivados de tirosina se hizo necesario abordar el estudio de la
reacción entre tirosina y formaldehido. Los primeros estudios de esta reacción se a
mediados del siglo pasado y allí se estableció que L-tirosina reacciona con dos
equivalentes de formaldehído en medio alcalino para formar compuestos de alto peso
molecular que no fueron caracterizados.21,22 Con el objetivo de determinar la estructura de
los productos mayoritarios de la reacción de L-tirosina con formaldehído y así establecer
si se obtienen compuestos macrocíclicos tipo ciclofano o se favorecen estructuras
oligoméricas lineales, en este trabajo se estudió la reacción de L-tirosina y de su derivado
tipo sal de tetrabutilamonio con formaldehído en medio básico acuoso a temperatura
ambiente, evaluando el efecto de la concentración de L-tirosina, el número de
equivalentes de base, la cantidad de formaldehído y el tiempo de reacción.
4.1. Reacción de L-tirosina con formaldehído
La síntesis de azaciclofanos por medio de la reacción de macrociclización de tiramina y
de derivados tipo éster de L-tirosina con formaldehído se realiza en medio básico,
empleando pequeñas cantidades de base; para estudiar la reacción de L-tirosina con
formaldehído en medio acuoso se emplearon cantidades mayores de base (1-2 equiv
NaOH) para solubilizar el aminoácido y desprotonar el grupo amino en la forma
zwitteriónica.
Primero se llevó a cabo la reacción de L-tirosina con formaldehído a temperatura
ambiente empleando dos equivalentes de NaOH, exceso de formaldehído y L-tirosina
0,37 M durante 3 días. El análisis del espectro RMN 1H en D2O muestra varios grupos de
señales que permitieron proponer la estructura 13 (esquema 12). Las señales en 6,87–
6,32 ppm (m, 2H) son asignables a los protones aromáticos en posición meta al hidroxilo
fenólico. En la región de 4,46–4,20 ppm (m, 2H) aparecen las señales correspondientes a
los hidrógenos –CH2– de grupos hidroximetilo unidos a los anillos en posición orto al
hidroxilo fenólico. Las señales de los protones del metileno enlazado al nitrógeno de una
molécula de L-tirosina y al anillo aromático de otra molécula aparecen en 3,94–3,51 ppm
(m, 2H). Las señales entre 3,30–3,12 ppm (m, 1H) confirmaron la presencia del protón
unido al carbono quiral. Los protones diastereotópicos aparecieron en 2,78–2,21 ppm (m,
2H). En el espectro se observan señales anchas como multipletes, originadas
34
probablemente por una mezcla de productos de carácter polimérico con fórmula general
(C11H13NO4)n, propuesta con base en el análisis elemental. La estructura 13 coincide con
la reportada previamente por Brown,21 quien realizó el experimento con dos equivalentes
de formaldehído, permitiendo concluir que el exceso de formaldehído no incide en el curso
de la reacción.
Cuando se disminuyó la cantidad añadida de NaOH hasta un equivalente y trabajando
con dos equivalentes de formaldehído y L-tirosina 0,49 M durante 6 días, el espectro de
RMN 1H muestra señales que permiten proponer como producto mayoritario el compuesto
14. Adicional a las señales correspondientes al oligómero 14, se observan otras de menor
intensidad entre 4,61 – 4,56 ppm (m) que son asignables a metilenos benzoxazínicos
presentes en el oligómero 15, y señales entre 4,51 – 4,42 ppm (m) atribuibles a
hidrógenos –CH2– de grupos metilol presentes en el oligómero 13. Estos resultados
demuestran que el producto formado corresponde a una mezcla de oligómeros de 13, 14
y 15; además explican las diferencias de los porcentajes de C, H y N obtenidos por
análisis elemental, con respecto a los calculados para el producto mayoritario 14. Al
comparar la estructura del producto 14 (obtenido en la reacción de L-tirosina con
formaldehído y un equivalente de NaOH) con la del producto 13 (obtenido en la reacción
usando dos equivalentes de NaOH) se puede ver que el equivalente de base adic ional
mejora el carácter nucleofílico del fenol y favorece otra sustitución en posición orto al
hidroxilo fenólico.
Cuando se llevó a cabo la reacción bajo las mismas condiciones del experimento anterior
pero disminuyendo la concentración de L-tirosina también se obtuvo el producto 14 como
mayoritario y 13 y 15 como productos minoritarios.
Adicional a los experimentos anteriores, se realizó la reacción empleando exceso de
formaldehído, concentraciones diferentes de L-tirosina (0,39 M y 0,056 M) y manteniendo
las demás condiciones de las reacciones anteriores. Los productos aislados en estos
ensayos presentaron un comportamiento similar a los obtenidos en las reacciones que
emplearon dos equivalentes de formaldehído y concentraciones de 0,49 M y 0,058 M de
L-tirosina. La caracterización por espectroscopia infrarroja y análisis elemental permitieron
proponer que en ambos ensayos la reacción conduce a una mezcla de oligómeros de 13,
14 y 15, con 14 como producto mayoritario.
35
Esquema 12. Reacción de L-tirosina con formaldehído en medio básico
Los resultados del estudio de la reacción de L-tirosina con formaldehído, empleando un
equivalente de NaOH y un tiempo de reacción de 6 días, mostraron que el curso de la
reacción no se altera considerablemente al utilizar un exceso de formaldehído o
concentraciones menores de L-tirosina; en todos los casos se obtuvo una mezcla de
oligómeros con estructuras 13, 14 y 15 (esquema 12).
De acuerdo a lo observado en el seguimiento hecho a las reacciones anteriores por CCD,
se realizó la reacción durante 24 horas empleando dos equivalentes de formaldehído, un
equivalente de NaOH y L-tirosina 0,040 M. Pasado este tiempo, se observó L-tirosina de
partida, un producto más retenido y no se observó formación considerable de la mezcla
de oligómeros 13, 14 y 15 en el punto de siembra. La mezcla de reacción se filtró para
retirar la L-tirosina en exceso y el filtrado se llevó a pH ~7 mediante la adición de HCl 0,2
M; observándose la formación de un precipitado. El precipitado se filtró, se lavó y se secó
14
13
13 15
16
9
36
a 50°C. Así, se aisló el compuesto 16 (esquema 12) como un sólido ligeramente amarillo y
con un rendimiento del 20%.
El compuesto 16 está conformado por tres unidades de L-tirosina unidas por dos grupos
metileno. La estructura de este compuesto permite afirmar que la mezcla de compuestos
observada a los dos días en las reacciones llevadas a cabo en condiciones diluidas
corresponde a oligómeros de pocas unidades de L-tirosina (por ejemplo dos, tres o
cuatro), y a mayores tiempos de reacción se van uniendo más unidades de L-tirosina
entre sí hasta formar productos de varias unidades, con fórmula general (C10H11NO3)n
(correspondiente a 14) y que quedan retenidos en el punto de siembra de las
cromatoplacas de sílica gel.
Todos los ensayos de la reacción de L-tirosina con formaldehído en medio básico acuoso
a temperatura ambiente condujeron a la obtención de oligómeros lineales de estructura
13, 14, 15 y 16 y en ningún caso se observó la formación del azaciclofano 9 (esquema
12). Los intentos no llevaron a la macrociclización presumiblemente por la imposibilidad
que tienen las moléculas de L-tirosina de pre-organizarse a través de puentes de
hidrógeno en medio básico acuoso (esquema 13). Debido a la baja solubilidad de la
tirosina, fue necesario adicionar uno o dos equivalentes de NaOH al medio de reacción,
tras la adición de base, la tirosina queda con carga neta negativa, y esto probablemente
ocasiona que los aniones formados, en medio acuoso, prefieran estar solvatados por
moléculas de agua y separados entre sí. Según esto, la plantilla propuesta para explicar la
reacción de macrociclización observada entre derivados tipo éster de L-tirosina y
formaldehído no se favorece en medio básico acuoso para L-tirosina.
4.2. Reacción de L-tirosinato de tetrabutilamonio con formaldehído
Considerando que las sales de amonio cuaternario de aminoácidos son solubles en
disolventes orgánicos (en especial las sales de tetra-n-butilamonio) y tienen el grupo
amino libre, se sintetizó L-tirosinato de tetrabutilamonio 17, una sal de amonio cuaternario
de L-tirosina, para estudiar la reacción de ésta con formaldehído en un disolvente
orgánico.
37
L-tirosinato de tetrabutilamonio 17 se obtuvo con buen rendimiento (98%) como un sólido
higroscópico de color crema. El compuesto funde con descomposición en el rango 148-
153°C, y es soluble en acetonitrilo y DMSO. El espectro ESI-MS en CH3CN mostró en
modo positivo el ión [C16H36N]+ a m/z 242,10 (calcd. 242,28). En modo negativo se
encontró el ión [C9H10NO3]- a m/z 179,75 (calcd. 180,07), la estructura de 17 se confirmó
por análisis elemental, presentando una estructura de monohidrato (Figura 19).
Esquema 3. Comportamiento propuesto de L-tirosina en medio básico acuoso
Figura 19. Estructura de la sal de tetrabutilamonio de L-tirosina 17
La reacción de 17 con formaldehido se realizó en acetonitrilo a temperatura ambiente,
empleando dos equivalentes de formaldehído y concentración de 0,17 M de 17 durante 24
horas. El producto obtenido fue un sólido ligeramente amarillo que funde en el rango 265-
270 °C. El espectro de masas ESI-MS de este producto en modo negativo mostró
17
38
principalmente el ión [C19H22N2O6-H]- a m/z 373,00 (calcd. 373,14) correspondiente al
compuesto 18 (esquema 14). Además se observó el ión [C29H33N3O9-H]- a m/z 566,30
(calcd. 566,21), como un pico de menor intensidad, correspondiente al compuesto 16.
Estos resultados muestran que la reacción de la sal de tetrabutilamonio de L-tirosina 17
con formaldehído por 24 horas, conduce a una mezcla de oligómeros de dos y tres
unidades de L-tirosina unidas entre sí por grupos metileno (compuestos 18 y 16
respectivamente) (esquema 14). Las intensidades de los picos observados en el espectro
de masas (ESI-MS) muestran que en esta reacción se favorece la formación de un dímero
de L-tirosina 18 a diferencia de lo observado en la reacción realizada con L-tirosina en
medio básico acuoso en la que el producto mayoritario es el trímero 16. La reacción de 17
con formaldehido a mayores concentraciones presentó el mismo comportamiento y en
todos los casos se obtuvo 18 como producto mayoritario. Este comportamiento se debe
probablemente a que 17 existe como un par iónico en disolución y el catión voluminoso de
tetrabutilamonio genera un impedimento estérico haciendo más lenta la reacción de las
unidades de L-tirosina con formaldehído.
Esquema 14. Reacción de L-tirosinato de tetrabutilamonio 17 con formaldehído
14 15
18 16
9
17
39
La reacción de 17 con una concentración de 0,12 M, tiempo de reacción de 3 días y
manteniendo las demás condiciones de la reacción anterior condujo al producto 14 como
mayoritario y a 15 como producto minoritario (esquema 14). A diferencia de la reacción
realizada con L-tirosina en medio básico acuoso, no se observaron señales asignables a
13 ya que en la reacción de 17 con formaldehído no se adiciona una base que mejore el
carácter nucleofílico del fenol y favorezca otra sustitución en posición orto al hidroxilo
fenólico.
Los resultados del estudio de la reacción de L-tirosinato de tetrabutilamonio con dos
equivalentes de formaldehído en acetonitrilo, al igual que los resultados obtenidos en la
reacción de L-tirosina con formaldehído en medio básico acuoso, mostraron que la
formación de oligómeros lineales de estructura general 14 está favorecida y en ningún
caso se observó la formación del azaciclofano 9 (esquema 14). Este comportamiento se
puede explicar en términos de la pre-organización de las moléculas en disolución. El
espectro ESI-MS de 17 en CH3CN mostró en modo negativo el ión [C34H56N3O6]- a m/z
602,35 (calcd. 602,42) asignable a la estructura 19 mostrada en la figura 20.
Figura 20. Estructura del ión [C34H56N3O6]-
La estructura 19 muestra que se forman pares iónicos que se asocian entre sí formando
arreglos lineales, estabilizados por interacciones electrostáticas, minimizando de esta
forma repulsiones estéricas (esquema 15). La formación de arreglos lineales entre las
moléculas de 17 favorece la condensación hacia productos lineales y no es posible
obtener el producto de macrociclización esperado.
5. FACTORES ELECTRÓNICOS Y DE PRE-ORGANIZACIÓN EN AZACICLOFANOS
DERIVADOS DE L-TIROSINA
19
40
A lo largo de este trabajo se ha mostrado la importancia de los factores electrónicos y los
efectos estéricos en la reacción de compuestos de tipo hidroxifeniletilamina con aldehídos
de tal forma que cuando se trabaja con dopamina (3,4-dihidroxifeniletilamina) 3a los
factores electrónicos conducen regioselectivamente a la formación de
tetrahidroisoquinolinas via reacción de Pictet-Spengler pero cuando se trabaja con
disolventes polares se introducen efectos estéricos por solvatación que contribuyen con la
direccionalidad de la reacción permitiendo obtener las respectivas tetrahidroisoquinolinas
con regioselectividad total.
Esquema 15. Comportamiento propuesto de L-tirosinato de tetrabutilamonio 7 en
acetonitrilo
Cuando se trabaja con derivados de tirosina de tipo 4-hidroxifeniletilamina los factores
electrónicos dirigen la reacción hacia una condensación tipo Mannich aromática y no se
detectan productos de la reacción de Pictet-Spengler; en esta reacción se observa una
pre-organización por medio de puentes de hidrógeno que determina el curso de la
reacción favoreciendo un proceso de macrociclización que conduce a la obtención de un
nuevo grupo de macrociclos de tipo azaciclofano estereoquímicamente puros. Cuando no
es posible la pre-organización molecular como en el caso de L-tirosina y de su sal de
41
tetrabutilamonio, se obtienen mezclas complejas de oligómeros lineales producto de una
reacción tipo Mannich aromática.
Los resultados presentados hasta ahora muestran que la dopamina (3,4-
dihidroxifeniletilamina) presenta el mismo comportamiento tanto con formaldehido como
con aldehídos aromáticos que son menos electrofilicos, a diferencia de la dopamina, los
derivados tipo ester de tirosina no reaccionan con aldehídos aromáticos y en general se
recupera el ester de partida y tirosina como producto de hidrolisis del ester de partida.
Con el fin de obtener mayor conocimiento sobre los efectos electrónicos causados por la
presencia de grupos hidroxilo sobre el anillo aromático en el curso de la reacción de β-
feniletilaminas con aldehídos no enolizables, se realizó el estudio de tiramina (anillo 4-
hidroxilado) 10 y de feniletilamina (anillo sin hidroxilos) 20 con el fin de compararlos con
los resultados previamente presentados para dopamina.
Inicialmente se hicieron cálculos computacionales de optimización de geometría en el
programa Firefly versión 8.0,5 basado parcialmente en el código de GAMESS (US),38 al
nivel de teoría DFT-B3LYP/6-31G(d,p); la combinación de este método ab initio y dicha
base es apropiada para la predicción de estructura en moléculas similares.39 El análisis de
orbitales moleculares frontera en el anillo aromático para las tres aminas modelo mostró
diferencias notables (figura 21): en 20 el anillo contribuye poco al orbital HOMO, en 3a y
10 (aminas hidroxiladas) los anillos aromáticos presentan alta participación en sus
respectivos orbitales HOMO; adicionalmente, los HOMO de 3a y 10 permiten observar
que en 10 las posiciones más activadas son las orto- al grupo hidroxilo (posiciones C-3 y
C-5) mientras que para 3a la posición más activada es C-6.
Las diferencias electrónicas observadas por medio del análisis de los orbitales
moleculares (figura 21) para los compuestos 3a, 10 y 20 correlacionan completamente
con lo observado experimentalmente para la reacción con formaldehido. El orbital HOMO
de la feniletilamina 20 muestra como sitio de mayor nucleofilia el grupo amino, cuando
esta se hizo reaccionar con formaldehido se obtuvo el aminal cíclico 1,3,5-
trifenilhexahidro-1,3,5-triazina 21 producto la reacción de tres moles de feniletilamina con
tres moles de formaldehido.40 El orbital HOMO de la feniletilamina 10 muestra como sitios
de mayor nucleofilia los carbonos orto al hidroxilo fenólico (C-3 y C-5), la reacción con
42
formaldehido sobre uno de estos carbonos por medio de una condensación tipo Mannich
aromatica conduce a la obtención de sitemas macrocíclicos de tipo azaciclofano 9. El
orbital HOMO de la feniletilamina 3a muestra como la posición de mayor activación al
carbono 6 y frente a formaldehido produce la respectiva tetrahidroisoquinolina 4 por medio
de una reacción de Pictet-Spengler (esquema 16).
Figura 21. HOMO de (a) fenetilamina 20, (b) tiramina 10 y (c) dopamina 3a (DFT-
B3LYP/6-31G(d,p), isovalor = 0.05).
Considerando las grandes diferencias observadas para la reacción de las feniletilaminas
3a, 10 y 20 con formaldehido, se hizo necesario explorar su reactividad frente a otros
aldehídos no enolizables; para este estudio se seleccionaron: Benzaldehido 22a, un
aldehído con sustituyentes electroatractores (3-nitrobenzaldehido 22b), un aldehído con
sustituyentes electrodonores (vainillina 22c), un dialdehido (tereftaldehido 22d) y un
aldehído α,β-insaturado (trans-cinamaldehído 22e).
43
Esquema 16. Reacción de feniletilaminas con fromaldehido
Como se mencionó arriba, dopamina 3a reacciona con aldehídos aromáticos para
producir tetrahidroisoquinolinas por medio de una reacción de Pictet-Spengler, tal como
ocurrió con formaldehido. No ocurre lo mismo cuando se realiza la reacción con trans-
cinamaldehído 22e, en este caso solo fue posible obtener la correspondiente imina
intermediaria 23e con buenos rendimientos. Incluso cuando se trabajó bajo condiciones
experimentales fuertes (reflujo en HCl 37 %) no fue posible obtener la
tetrahidroisoquinolina respectiva (Esquema 17). La formación de la tetrahidroisoquinolina
no se ve favorecida en este caso probablemente por la conjugación de 23e que disminuye
la electrofilia del carbono e impide la reacción de adición nucleofilica.
La reacción de las feniletilaminas 10 y 20 con los aldehídos en estudio presentaron el
mismo comportamiento y en todos los casos solo fue posible obtener las correspondientes
iminas (24a-e y 25a-e) (esquema 17, tabla 1). Este comportamiento permite concluir que
la nucleofilia de los anillos aromáticos en estas dos feniletilaminas es baja y no favorecen
la sustitución electrofilica aromática necesaria para la formación de
tetrahidroisoquinolinas. De igual forma, la electrofilia de las iminas (24a-e y 25a-e) es baja
para generar amínales o azaciclofanos benzoxazínicos por medio de reacciones de
adición nucleofilica, como sí ocurrió en las reacciones con formaldehído.
44
Como se observa en la tabla 1, en general los rendimientos no se ven afectados por la
presencia de grupos electroatractores o electrodonores en el aldehído; sin embargo, los
rendimientos obtenidos para 20 son en general mucho mayores que los obtenidos para 10
y 3a. El análisis de los orbitales HOMO de las tres aminas estudiadas mostró grandes
diferencias en la contribución del átomo de nitrógeno (figura 21). En 20, el átomo de
nitrógeno contribuye mayoritariamente al HOMO; los correspondientes orbitales en las
aminas hidroxiladas (10-3a) no presentan contribución del nitrógeno. La disminución en la
contribución del átomo de nitrógeno al orbital HOMO a medida que aumenta el grado de
hidroxilación del anillo puede estar relacionado con menor carácter nucleofílico de la
amina y explica la disminución en los rendimientos de reacción en 10 y 3a frente a la
reacción con 20.
Esquema 17. Reacción β-feniletilaminas con aldehídos (22a-e).
Tabla 1. Reacción de β-feniletilaminas con aldehídos (22a-e) (productos y rendimientos).
R-CHO Feniletilamina
(rend. %)
Tiramina
(rend. %)
Dopamina
(rend. %)
Ph- (22a) 24a (54 %) 25a (62 %)
3-NO2-Ph- (22b) 24b (98 %) 25b (60 %) 4b (90 %)
3-OMe-4-OH-Ph-
(22c)
24c (91 %) 25c (80 %) 4c (38 %)
(1,4)-C6H4- (22d) 24d (100 %) 25d (94 %) 4d (35 %)
(E)-Ph-CH=CH-
(22e)
24e (90 %) 25e (46 %) 23e (83 %)
R'-CHO
20: R1= H R2= H
10: R1 = OH R2= H
3a: R1 = OH R2=
OH
23e: R1= OH R2= OH
24a-e: R1= H R2= H
25a-e: R1 = OH R2= H
7a-eR1
NH2R2
R
N R'R'-CHO
R1
NH
R2
R´4a-d: R1 = OH R2= OH
4a: R´= Ph-; 4b: R´= 3-NO2-Ph-; 4c: R´= 4-OH-3-OMe-Ph-; 4d: R´= -Ph-; 4e: R´= Ph-CH=CH-
22a-e
45
En un intento por obtener las tetrahidroisoquinolinas correspondientes, las iminas 24b y
23e se sometieron a reflujo por largos tiempos en metanol empleando ácido acético como
catalizador, simulando las condiciones experimentales previamente utilizadas con
dopamina. En ninguno de los casos se observó transformación alguna y siempre se
recuperaron las iminas de partida. En la imina 23b la pobre activación del anillo de
feniletilamina desfavorece la sustitución electrofilica aromática necesaria para la ciclación
y en la imina 23e la conjugación de la imina α,β-insaturada impone barreras energéticas
altas para la adición nucleofilica, aún con la alta activación del anillo de dopamina. En un
intento por forzar la ciclización de una imina de tiramina hacia la tetrahidroisoquinolina, se
trató la imina 25a con HCl concentrado (37%) a reflujo; incluso bajo condiciones
experimentales fuertes como en este caso, no fue posible lograr que la ciclación de Pictet-
Spengler. Estos resultados demuestran que para que la ciclación de Pictet-spengler
ocurra es necesario que el carbono 3 del anillo de feniletilamina este fuertemente
activado.
Las diferencias en la reactividad de las β-feniletilaminas (fenetilamina, tiramina y
dopamina) frente a formaldehído generan un aminal cíclico, un azaciclofano y una
tetrahidroisoquinolina, respectivamente; estas diferencias en reactividad son generadas
por diferentes grados de activación del anillo aromático y diferente nucleofilia sobre el
nitrógeno. La reacción con otros aldehídos no enolizables menos reactivos solo ocurre
con la amina que presenta el anillo con mayor activación (dopamina) generando las
respectivas tetrahidroisoquinolinas; la reacción con las -feniletilaminas con anillos
menos activados solo conducen a las respectivas bases de Schiff. Los cálculos
computacionales muestran que a mayor grado de hidroxilación sobre el anillo, menor
nucleofilia del nitrógeno gracias a efectos inductivos; sin embargo, si los hidroxilos
fenólicos se protegen, el efecto inductivo disminuye y la nucleofilia del nitrógeno aumenta.
6. SÍNTESIS DE BENCILAZACICLOFANOS
Los resultados obtenidos en nuestro grupo de investigación muestran claramente la
influencia de efectos electrónicos, factores estéricos y la pre-organización molecular en el
curso de la reacción entre -feniletilaminas y aldehídos. El número y posición de
46
hidroxilos sobre el anillo aromático juegan un papel importante en el curso de la reacción
pues inciden directamente sobre el grado y posición de activación del anillo y
adicionalmente alteran la nucleofilia del nitrógeno. Surge ahora la pregunta, ¿Cuál será la
influencia de sustituyentes sobre el nitrógeno? ¿Se afectará la direccionalidad de la
reacción de -feniletilaminas con aldehídos?
Para responder a estas preguntas se seleccionó como experimento modelo la reacción de
N-benciltiraminas con formaldehído. Primero se evaluó la formación de plantillas por
medio de cálculos computacionales semiempíricos (PM6-DH+/COSMO) analizando las
asociaciones intermoleculares de N-benciltiramina 26 por puentes de hidrógeno O–H···N
para determinar la posibilidad de formación de dímeros cíclicos que dirijan la reacción
hacia el proceso de macrociclización. Con este fin se calculó la energía de asociación
(ΔE) de la siguiente forma:
ΔE = ΔHf(dímero) – 2ΔHf(monómero)
Se encontró que para N-benciltiramina 26 se favorece energéticamente la formación de
dímeros cíclicos frente a la asociación en forma de dímeros lineales, tanto en vacío como
en etanol y en agua como disolventes. Adicionalmente se estableció que los medios
próticos (agua y etanol) favorecen la formación de plantillas incrementando el carácter
iónico de los puentes de hidrógeno (mayor longitud de enlace O–H y menor distancia
H···N).
Una vez confirmado por cálculos computacionales que la formación de plantillas en
solución esta favorecida energéticamente. Se sintetizó N.benciltiramina 26 por medio de
una reacción de aminación reductiva entre tiramina 10 y benzaldehído. Paso segudi, se
realizó la reacción entre 26 y formaldehido bajo las condiciones previamente establecidas
para la síntesis del azaciclofano 9. El análisis espectroscópico (RMN 1D y 2D) y de
espectrometría de masas (ESI-HRMS y EI-MS) permitió establecer que el producto
mayoritario corresponde a un nuevo macrociclo de tipo azaciclofano conformado por dos
unidades de N-benciltiramina unidas por dos grupos metileno 27 (esquema 18).
El espectro de RMN 1H muestra señales anchas en las regiones esperadas para los
hidrógenos bencílicos, etilenicos y aromáticos, este comportamiento puede ser causa del
47
alto número de hidrógenos similares magnéticamente y a la posible presencia de
isómeros conformacionales. El espectro de RMN 13C solo muestra 4 señales en la región
alifática, dos señales correspondientes a los carbonos etilenicos provenientes de la
tiramina y dos correspondientes a los carbonos bencílicos, uno proveniente de la
bencilamina de partida y el otro que corresponde al nuevo metileno formado por la
reacción con formaldehido, adicional a estas señales, en la región aromática se observan
las señales esperadas para los dos sistemas aromáticos.
Esquema 18. Secuencia sintética de N-bencilciclofano 27 desde tiramina
El bajo número de señales observado en los espectros de RMN muestra simetría en la
molécula, cálculos de optimización de geometría (B3LYP/6-31G(d,p)) mostraron simetría
C2 por la presencia de un eje de a través de los anillos aromáticos, haciendo que los
grupos N-bencilo, con libre rotación, se fijen en la misma conformación simplificando el
número de señales obtenidas en RMN. La estructura optimizada también muestra que los
anillos aromáticos del macrociclo están cara-a-cara, generando una cavidad de 3.6 Å con
los átomos de nitrógeno con sus pares electrónicos libres dirigidos hacia la parte interna
de la cavidad formando puentes de hidrógeno con los grupos hidroxilo fenólicos (figura
27). Dichos puentes de hidrógeno intramoleculares en 27 se evidencian en su espectro
infrarrojo, observándose una absorción ancha en 3500-2500 cm-1.
La síntesis de 27 muestra que un bencil-sustituyente no influye ni en la reactividad ni en la
pre-organización de -feniletilaminas 4-hidroxiladas y se obtuvo un nuevo azaciclofano de
tipo N-bencilazaciclofano. Para confirmar esta hipótesis se sintetizaron dos nuevas N-
benciltiraminas, una con un sustituyente electrodonor (N-(4-metoxibencil)tiramina) 28 y
48
otra con un sustituyente electroatractor (N-(3-nitrobencil)tiramina) 29, y se hicieron
reaccionar con formaldehído. La reacción con la amina 28 condujo a la formación del
respectivo N-bencilazaciclofano 30 con buen rendimiento (esquema 18). La reacción con
la amina 29 presentó un comportamiento diferente, necesito de mayores tiempos de
reacción y produjo una mezcla compleja de la que se pudieron aislar con bajos
rendimientos, dos compuestos lineales N-metilados, el primero de ellos corresponde a la
bencilamina 29 N-metilada (31) y el segundo a un dimero producto de la reacción de dos
unidades de bencilamina 29 con una de formaldehido, sobre uno de los nitrógenos del
dímero también ocurrió metilación (32) (esquema 19), la formación de los productos N-
metilados probablemente siguió el mecanismo propuesto para la reacción de Eschweiler-
Clarke que involucra la participación de ácido fórmico como agente reductor formado in
situ por la oxidación del formaldehido.41
Figura 1. Estructura optimizada del N-bencilazaciclofano fenólico 27 ((a) vista frontal, (b)
vista superior).
a
b
49
Esquema 19. Reacción de N-(3-nitrobencil)tiramina 29 con formaldehido
El proceso de macrociclización a partir de 26 y 28 ocurre con rendimientos variables que
dependen probablemente de la presencia de sustituyentes sobre el anillo. La presencia de
un sustituyente electrodonor en la amina de partida 28 aumentó considerablemente el
rendimiento en comparación con la amina 26. En la búsqueda de explicación para las
diferencias en los rendimientos observados en el proceso de macrociclacion de 26
y 28 y la obtención de productos lineales para 29, se realizaron cálculos de
optimización de geometría (DFT-B3LYP 6-31G(d,p)) para las tres aminas utilizadas
(26,28,29) y se compararon las contribuciones de los átomos de nitrógeno a los
respectivos HOMO, calculando el coeficiente S como se define a continuación:
Coeficiente S = Σ(Atomic orbitals coefficients for N)2
Los resultados mostraron que la presencia de sustituyentes electrodonores en el
anillo del grupo N-bencil aumenta el valor de S (tabla 2), lo que representa mayor
reactividad de la amina ante electrófilos como formaldehído y mayor basicidad del
grupo amino que favorece el proceso de macrociclación por la formación de
plantillas por puentes de hidrogeno intermoleculares. Por el contrario, grupos
electroatractores sobre el anillo generan un efecto inductivo que retira densidad
electrónica del átomo de nitrógeno, disminuyendo así su carácter nucleofílico y su
50
basicidad, dificultando la reacción y favoreciendo procesos de polimerización por la
ausencia de plantillas por puentes de hidrogeno.
Tabla 2. Aporte del átomo de nitrógeno a los HOMO de N-benciltiraminas (B3LYP/6-
31G(d,p)).
Amina Coeficiente S
26 (Ph-) 0.0262
28 (4-OMe-Ph-) 0.0688
29 (3-NO2-Ph-) 0.0125
La reacción de N-benciltiraminas muestra que la presencia de grupos electrodonores en
los anillos N-bencil favorecen la reacción porque aumentan la nucleofilia y la basicidad del
nitrógeno en la N-benciltiramina de partida; el aumento de la nucleofilia favorece la adición
nucleofilica al formaldehido y el aumento de la basicidad favorece la interacción por
puentes de hidrogeno con el hidroxilo fenólico necesario para el proceso de
macrociclización. La presencia de sustituyentes electroatractores disminuye la nucleofilia
y la basicidad, la disminución de la nucleofilia afecta la reactividad frente a formaldehido y
la disminución de la basicidad impide la pre-organización necesaria para la síntesis de
bencilazaciclofanos; los efectos electrónicos y de pre-organización por la presencia del
sustituyente electroatractor favorecen reacciones laterales como la de Eschweiler-
Clarke.41
7. CONCLUSIONES.
7.1. Se estableció que la reacción entre dopamina y aldehídos lleva a la formación de
tetrahidroisoquinolinas por medio de una reacción de Pictet-Spengler, la reacción es
regioselectiva por efectos electrónicos y alcanza la regioselectividad total cuando se
emplean disolventes próticos; la regioselectividad total es originada por efectos estéricos
gracias a la solvatación de los grupos polares sobre el anillo aromático por parte del
disolvente prótico.
51
7.2. La reacción entre tiramina o derivados tipo ester de L-tirosina con formaldehido
conduce a la formación de una nueva clase de azaciclofanos estereoquímicamente puros
(estructuras meso), conformados por dos núcleos benzoxazínicos unidos por dos puentes
etileno. El curso de la reacción de formación de estos azaciclofanos (reacción de Mannich
aromática) está dirigido por efectos electrónicos y la macrociclación se ve orientada por
una pre-organización molecular por puentes de hidrogeno entre los grupos amino y los
hidroxilos fenólicos de dos unidades de derivados de tirosina; para el transcurso de dicha
síntesis se está tomando ventaja de la formación espontánea de un dímero, favorecido
energéticamente (mínimo termodinámico), que actúa como plantilla, seguido por la
modificación covalente posterior para fijar el macrociclo (producto cinético). Por tanto esta
herramienta sintética aporta un nuevo tipo de macrociclación al conocimiento,
metodología y entendimiento de este tipo de procesos.
Debido a que la reacción de macrociclación observada es un proceso de condensación
intermolecular y la pre-organización molecular dirige la reacción hacia el producto cíclico,
no se requieren condiciones de alta dilución en la síntesis. La metodología establecida
presenta múltiples ventajas tales como: Simplicidad operacional, estabilidad química,
estabilidad conformacional, no requiere procedimientos de purificación, reactivos de
partida de uso común en los laboratorios, altos rendimientos y no deteriora el medio
ambiente.
7.3. Estudios realizados con las 4-hidroxifeniletilaminas, éster isopropílico de L-tirosina y
tiramina no mostraron la formación en estado sólido de la plantilla propuesta en solución
para explicar la reacción de macrociclación con formaldehido; se puede proponer que las
moléculas de 4-hidroxifeniletilaminas en solución se re-organizan para formar la plantilla.
Además se puede plantear que esta re-organización que se presenta en solución es un
proceso espontáneo dirigido por interacciones por puentes de hidrógeno fuertes
(O─H···N). Los resultados de este estudio demuestran que los puentes de hidrógeno son
determinantes en la direccionalidad de este tipo de reacciones, comportamiento con una
utilidad indiscutible en procesos de macrociclación.
7.4. El análisis de la estructura cristalina del éster isopropílico de L-tirosina muestra que
las moléculas están conectadas por puentes de hidrógeno fuertes (O─H···N), formando
cadenas infinitas en una dimensión. La estructura cristalina de tiramina muestra la
52
asociación en cadenas dobles por interacciones cabeza – cola que puede favorecer
geométricamente la formación de plantillas en solución. En este trabajo se determinó por
primera vez la estructura cristalina de tiramina como base libre.
7.5. En la reacción de L-tirosina y de su sal de tetrabutilamonio con formaldehído no se
formaron compuestos macrocíclicos tipo azaciclofano. En todos los casos se obtuvieron
oligómeros lineales de dos o más unidades de L-tirosina unidas por grupos metileno.
7.6. Las diferencias en la reactividad de las β-feniletilaminas (fenetilamina, tiramina y
dopamina) frente a formaldehído generan un aminal cíclico, un azaciclofano y una
tetrahidroisoquinolina, respectivamente; estas diferencias en reactividad son generadas
por diferentes grados de activación del anillo aromático y diferente nucleofilia sobre el
nitrógeno. La reacción con otros aldehídos no enolizables menos reactivos solo ocurre
con la amina que presenta el anillo con mayor activación (dopamina) generando las
respectivas tetrahidroisoquinolinas; la reacción con las -feniletilaminas con anillos
menos activados solo conducen a las respectivas bases de Schiff. Los cálculos
computacionales muestran que a mayor grado de hidroxilación sobre el anillo, menor
nucleofilia del nitrógeno gracias a efectos inductivos; sin embargo, si los hidroxilos
fenólicos se protegen, el efecto inductivo disminuye y la nucleofilia del nitrógeno aumenta.
La reacción de N-benciltiraminas muestra que la presencia de grupos electrodonores en
los anillos N-bencil favorecen la reacción porque aumentan la nucleofilia y la basicidad del
nitrógeno en la N-benciltiramina de partida; el aumento de la nucleofilia favorece la adición
nucleofilica al formaldehido y el aumento de la basicidad favorece la interacción por
puentes de hidrogeno con el hidroxilo fenólico necesario para el proceso de
macrociclización. La presencia de sustituyentes electroatractores disminuye la nucleofilia
y la basicidad, la disminución de la nucleofilia afecta la reactividad frente a formaldehido y
la disminución de la basicidad impide la pre-organización necesaria para la síntesis de
bencilazaciclofanos.
8. AGRADECIMIENTOS
Agradezco a la Dirección de investigación Sede Bogotá y al Departamento de Química de
la Universidad Nacional de Colombia por la financiación de este trabajo, al profesor
53
Andres Reyes por su colaboración en la realización de los cálculos computacionales y a
los estudiantes Edwin Baquero, Marlon González, Nelson Nuñez, Christian Díaz y
Yovanny Quevedo por su colaboración en la ejecución del presenta trabajo.
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