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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA OBTENCIÓN DE CROMENOS COMO ANTIOXIDANTES TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE QUÍMICO DE ALIMENTOS PRESENTA JOSÉ LUIS VARGAS DE LA TORRE MÉXICO, D.F. 2014 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. JURADO ASIGNADO: PRESIDENTE: Profesor: M. en C. José Manuel Méndez Stivalet VOCAL: Profesor: M. en C. Blas Flores Pérez SECRETARIO: Profesor: Dr. Héctor García Ortega 1er. SUPLENTE: Profesor: Dra. Martha Menes Arzate 2° SUPLENTE: Profesor: M. en C. Héctor Jacobo Rios Quiroz SITIO DONDE SE DESARROLLÓ EL TEMA: LABORATORIO 201, UNIDAD DE ESTUDIOS DE POSGRADO, FACULTAD DE QUÍMICA, UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO ASESOR DEL TEMA: M. en C. Blas Flores Pérez SUPERVISOR TÉCNICO: M. en C. Margarita Romero Ávila SUSTENTANTE (S): José Luis Vargas de la Torre ~ 1 ~ ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ___________________________________________________________ 3 2. ANTECEDENTES ____________________________________________________________ 5 2.1 Antioxidantes _______________________________________________________________ 5 2.2 Clasificación de los antioxidantes ________________________________________________ 6 2.2.1 Antioxidantes endógenos-‐exógenos ___________________________________________________ 6 2.3 Antioxidantes de acuerdo a su origen. ____________________________________________ 8 2.4 Antioxidantes de acuerdo al mecanismo de ataque a radicales libres. __________________ 9 2.5 Radicales Libres _____________________________________________________________ 11 2.6 Oxígeno ___________________________________________________________________ 12 2.7 Autooxidación o enranciamiento oxidativo _______________________________________ 14 2.7.1 Mecanismo de autooxidación _______________________________________________________ 16 2.8 Compuestos Fenólicos ________________________________________________________ 19 2.9 Reacciones Multicomponentes ________________________________________________ 22 2.9.1 Síntesis de Hantzsch ______________________________________________________________ 23 2.9.2 Síntesis de Biginelli _______________________________________________________________ 24 2.9.3 Síntesis de Mannich _______________________________________________________________ 25 2.10 Síntesis general de los 4H-‐Cromenos ____________________________________________ 26 3. OBJETIVOS _______________________________________________________________ 29 3.1 RUTA SINTÉTICA PROPUESTA __________________________________________________ 29 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ________________________________________________ 30 4.1 SÍNTESIS DE LOS 4H-‐CROMENOS _______________________________________________ 30 4.2 SÍNTESIS DE LOS 2-‐BENCILIDENAMINO-‐4H-‐CROMENOS _____________________________ 31 5. CONCLUSIONES ___________________________________________________________ 39 6. PARTE EXPERIMENTAL _____________________________________________________ 40 ~ 2 ~ 6.1 SÍNTESIS DE LOS 4H-‐CROMENOS _______________________________________________ 41 6.2 SÍNTESIS DE LOS 2-‐BENCILIDENAMINO-‐4H-‐CROMENOS _____________________________ 42 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ______________________________________________ 55 ~ 3 ~ 1. INTRODUCCIÓN En los últimos años, el estudio de las especies reactivas de oxígeno se ha convertido en un tema primordial y de gran interés en las áreas de investigación tanto en el de la nutrición como en la química de alimentos. Esto ha llevado a una exhaustiva investigación para obtener nuevos compuestos los cuales puedan funcionar como secuestradores de radicales libres que disminuyan los efectos nocivos en el organismo. Por otro lado, las Reacciones Multicomponentes (MCR) son reacciones convergentes, en donde tres o más materias primas reaccionan para formar un producto, en donde básicamente todos o prácticamente todos los átomos contribuyen a formar parte del nuevo producto formado.16 Figura 1. Reacción de 1 componente, de 2 componentes y reacción de 6 componentes o Multicomponentes respectivamente. ~ 4 ~ Los 4H-cromenos son una clase importante de benzopiranos que han sido encontrados en distintos productos naturales. Los derivados tienen distintas propiedades biológicas como antioxidantes, espasmolíticos, anticancerígenos, antibióticos, antianafilácticos e incluso como agentes inhibidores de la actividad del VIH.5.6.8 En este trabajo se presenta lo síntesis de derivados de 4H-cromenos con probable actividad antioxidante, esperando que cumplan con algunas de las propiedades más importantes de estos, como lo son inocuidad alimentaria, bajo costo, hidrofilia de la molécula, solubilidad en agua y estabilidad durante los procesos alimentarios. Los derivados fueron enviados a la Facultad de Ciencias de la Salud de la Universidad Autónoma de Tlaxcala, en donde el Dr. Daniel Méndez Iturbide les determinará sus propiedades antioxidantes . ~ 5 ~ 2. ANTECEDENTES 2.1 Antioxidantes Se define a un antioxidante como una especie que en bajas concentraciones, en relación con el sustrato oxidable, evita o previene la oxidación de este último, por ejemplo algunas enzimas, así como algunas sustancias quelantes de los metales que están involucrados en la generación de especies reactivas de oxígeno. Las especies a oxidar reaccionan con el antioxidante y no con el sustrato original, es decir, el antioxidante reemplaza al sustrato. Las causas principales de oxidación son: la exposición de los alimentos ricos en grasas y aceites al oxígeno, aire, radiación, prooxidantes metálicos, temperaturas ambientales elevadas e incluso algunas enzimas como las lipooxigenasas. Los radicales libres son moléculas inestables y por lo tanto muy reactivas. Para conseguir la estabilidad, modifican a moléculas de su alrededor provocando la aparición de nuevos radicales, por lo que se crea una reacción en cadena que dañará a muchas células y puede ser indefinida si los antioxidantes no intervienen. Los antioxidantes que se encuentran naturalmente en el organismo y en ciertos alimentos pueden bloquear parte de este daño debido a que estabilizan los radicales libres. Son sustancias que tienen la capacidad de inhibir la oxidación causada por los radicales libres, actuando algunos a nivel intracelular y otros en la membrana de las células, siempre en conjunto para proteger a los diferentes órganos y sistemas.1,2 ~ 6 ~ 2.2 Clasificación de los antioxidantes A consecuencia de la intensa exposición a factores quepropician el estrés oxidativo, continuamente se buscan compuestos con propiedades antioxidantes. De manera general y compartiendo la idea de que cada investigación tiene requerimientos diferentes, los antioxidantes se han clasificado de la siguiente forma: primarios- secundarios, endógenos-exógenos, origen y mecanismo de acción. Los cuales a continuación se describen brevemente. 2.2.1 Antioxidantes endógenos-exógenos Los antioxidantes sintetizados por el cuerpo son llamados antioxidantes intrínsecos y dependen del contenido nutricional en la dieta (superóxido dismutasa, glutatión peroxidasa). Los cofactores minerales forman antioxidantes extrínsecos (selenio, cobre, zinc). Los antioxidantes extrínsecos se obtienen de la dieta ya que el cuerpo no los puede sintetizar. Los 5 principales grupos de antioxidantes extrínsecos son vitaminas antioxidantes, cofactores minerales, carotenoides, flavonoides y antioxidantes únicos (ácido α-lipoico).1,4,9,10 Figura 2. Estructura de la flavona. Un antioxidante exógeno. ~ 7 ~ 2.2.2 Antioxidantes primarios-secundarios Los antioxidantes que pueden inhibir o retardar la oxidación son de dos tipos: los que captan radicales libres (antioxidantes primarios) y aquellos que no están relacionados con la captación de radicales libres (antioxidantes secundarios). Los primeros incluyen compuestos fenólicos, reaccionan en la etapa de inducción en la cadena de reacción. Por otro lado, los secundarios reaccionan por medio de mecanismos en los que se incluyen uniones a metales pesados, captación de oxígeno, conversión de hidroperóxidos a especies no radicales o desactivación de oxígeno singulete.4,11 Figura 3. Estructura del Resveratrol. Un antioxidante primario. ~ 8 ~ 2.3 Antioxidantes de acuerdo a su origen. Naturales: Sustancias presentes en el organismo o plantas que presentan actividad antioxidante. Por ejemplo: glutatión, superóxido dismutasa, tocoferoles, carotenoides, ácido ascórbico, etc. Figura 4. Estructura del β-caroteno. Un antioxidante natural. Sintéticos: Los mayormente utilizados en la industria alimenticia debido a su alto grado de estabilidad, eficacia y ventaja económica. Figura 5. Estructura de los isómeros del butilhidroxianisol (BHA). Antioxidantes sintéticos. ~ 9 ~ Sinergistas: Colaboran con los compuestos fenólicos presentes en las grasas, potenciando su acción, de modo que por sí solos no tendrían tal acción antioxidante. El papel del sinergista consiste en regenerar el antioxidante oxidado, integrando un sistema redox y catalizando su paso al estado reducido original, por ejemplo: ácido ortofosfórico, ácidos cítrico y tartárico. 2.4 Antioxidantes de acuerdo al mecanismo de ataque a radicales libres. Donadores de protones: Este tipo de antioxidantes no detienen la formación de los radicales que se generan en la oxidación, sino que al reaccionar con ellos los estabiliza y se producen radicales del antioxidante que son menos activos. Es decir, se consumen en la reacción y por lo tanto, la estabilidad del lípido depende de la concentración residual del aditivo que contenga. Ejemplos: butilhidroxianisol (BHA), butilhidroxitolueno (BHT) y ter-butilhidroxiquinona (TBHQ). Figura 6. Estructura del butilhidroxitolueno (BHT). Un antioxidante sintético y donador de protones. ~ 10 ~ Secuestradores: No son propiamente antioxidantes como fueron definidos, pero evitan la acción de los iones más importantes en las reacciones de oxidación de los alimentos, principalmente hierro y cobre, y también en ocasiones en las que se desea eliminar el calcio o algún otro catión divalente. La combinación antioxidante- secuestrador se emplea porque presenta un efecto sinérgico en el control oxidativo. Estas mismas mezclas se utilizan para preservar vitaminas (como la A), pigmentos (como los carotenoides), etc. Entre los más comunes están los ácidos tartárico, málico, oxálico y succínico, los gluconatos, el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA), los tripolifosfatos, los hexametafosfatos, los tartratos y otros. Estos compuestos tienen la peculiaridad de que su molécula tiene un par de electrones sin compartir (del carbonilo, del hidroxilo o del carboxilo) capaces de establecer complejos con los iones metálicos. Figura 7. Estructura del EDTA formando un quelato con un metal ~ 11 ~ 2.5 Radicales Libres Se consideran radicales libres a aquellas moléculas que en su estructura atómica presentan un electrón desapareado o impar en el orbital más externo, dándole una configuración especial que genera una alta inestabilidad. Son entonces entidades químicas que presentan, contrario a la normal tendencia espontánea de los electrones localizados en los átomos y moléculas, a la formación de parejas con otro electrón desapareado. Esto los hace muy inestables, extraordinariamente reactivos y de vida efímera, con una enorme capacidad para combinarse inespecíficamente, con la diversidad de moléculas integrantes de estructura celular: carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y derivados de cada uno de ellos. Los radicales libres pueden formarse de tres maneras diferentes: I. Por una ruptura homolítica de un enlace covalente de una molécula normal, siendo éste el mecanismo más común. A:B → A. + B. II. Por la pérdida de un electrón de una molécula A → A.+ + e- III. Por la adición de un electrón a una molécula. A + e-→ A.- ~ 12 ~ 2.6 Oxígeno Los orbitales moleculares más externos del O2 se encuentran ocupados por dos electrones no apareados, cada uno de ellos, situado en un orbital π (pi) diferente formando lo que se denomina un bi-radical. Esto es, tiene dos electrones libres o desapareados, pero estos electrones tienen el mismo giro o spin, por lo que sólo pueden interaccionar con los electrones de otros elementos y compuestos que estén libres y que tengan el giro opuesto. Esto significa que para aceptar un par de electrones de un sustrato, el O2 debe invertir el spin o giro de uno de sus electrones, lo cual requiere de una gran cantidad de energía. Esta es la razón por la cual el O2 no es muy reactivo y que la materia orgánica no entra en combustión espontánea en contacto con el O2. La toxicidad del oxígeno se explica entonces debido a la formación de especies reactivas de oxígeno (EROs). Estas especies son derivados del oxígeno que son más reactivas que éste en su estado basal. Las principales son: las especies que se reducen de la ruptura o de la excitación del oxígeno, o sea, el oxígeno atómico (O.) el ozono (O3) y el oxígeno singulete (1O2); las especies de oxígeno que están parcialmente reducidas, esto es, el radical superóxido (O2-.), el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el radical hidroxilo (HO.). ~ 13 ~ orbitales atómicos p orbitales atómicos p 2pσ 2pσ ∗ 2pπ ∗ 2pπ Figura 8. Configuración electrónica del oxígeno molecular. En la respiración celular, el oxígeno funge como aceptor terminal de electrones. Sin embargo la exposición prolongada de los organismos vivos a oxígeno provoca lesiones celulares, cuyos efectos se van acumulando con la edad, a esto se le conoce como envejecimiento. Los efectos de la lesión oxidativa del oxígeno son producto de un porcentaje pequeño de dichas moléculas que al ser utilizadas por el organismo se convierten en intermedios reactivos del oxígeno que interaccionan con las biomoléculas de todo tipo: lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc. ~ 14 ~ 2.7 Autooxidación o enranciamiento oxidativo Se define como un fenómeno espontáneo de oxidación de los lípidos contenidos en los alimentos cuando toman contacto con el oxígeno del aire. Se le considera como el proceso común y más importante de todos losque afectan la alteración de los alimentos, puesto que la sufren prácticamente todas las grasas y aceites comestibles que en su composición incluyen ácidos grasos insaturados. Se caracteriza por integrar un proceso de reacciones en cadena que se produce de modo autocatalítico a través de radicales libres que actúan de componentes químicos intermediarios. En cuanto al mecanismo, se trata de una reacción entre el oxígeno molecular y los compuestos orgánicos bajo condiciones suaves. El oxígeno del aire bajo su estado excitado de triplete (3O2) actúa de un modo especial al comportarse como un birradical que dispone de dos electrones no apareados. Aunque la autooxidación es una reacción que bajo condiciones suaves se produce de modo espontáneo, con frecuencia se inicia por la actividad catalítica de metales, peróxidos e hidroperóxidos, por lo general presentes en el alimento en calidad de impurezas. La alteración suele comenzar con la aparición de un sabor suave y dulce que se hace cada vez más picante a medida que progresa la oxidación, como consecuencia de la formación de productos secundarios: aldehídos, cetonas, ácidos, etc. Son compuestos que pueden proceder tanto de la degradación de los ácidos grasos, como de otros componentes de los alimentos con estructuras insaturadas, tales como carotenoides y tocoferoles. Por esta razón, las consecuencias prácticas de este tipo de alteración resultan de cierta gravedad, pues no sólo perjudica a las propiedades ~ 15 ~ sensoriales sino también disminuye el valor nutritivo al destruir ácidos grasos esenciales y algunas vitaminas presentes. Los dobles enlaces presentes en un ácido graso insaturado ofrecen dos posibilidades de esquema electrónico, según el cual, reaccionan de una u otra manera: • Enlace sigma (σ), tan fuerte como cualquier enlace ordinario, que presenta una simetría electrónica, con solapamiento de los dos carbonos olefínicos. • Enlace pi (π), donde las posiciones ocupadas por el par de electrones se localiza uno por encima y otro por debajo, con respecto al plano del doble enlace. Resulta más débil y de energía más baja que el enlace simple, porque estos electrones son retenidos con menos fuerza y por tanto son más reactivos. A ellos se suele deber la mayor reactividad de los compuestos insaturados. Como los electrones π se polarizan con mayor facilidad que los electrones σ, su presencia aporta al doble enlace un carácter nucleofílico, que les capacita para reaccionar con los compuestos electrofílicos. Figura 9. Estructura del ácido linolénico. Un ácido graso con tres enlaces dobles. ~ 16 ~ 2.7.1 Mecanismo de autooxidación El mecanismo de autooxidación puede ser descrito en términos de tres etapas fundamentales: I. Iniciación. Se caracteriza por la formación de radicales libres mediante el consumo de energía, que suele proceder de diversos agentes prooxidantes: energía calorífica, radiaciones de la luz, iones metálicos, etc. Debido a la presencia de una sustancia iniciadora (In), en los comienzos de esta etapa, conocida como de iniciación primaria, se produce una sustracción homolítica de un átomo de hidrógeno en posición alílica de los ácidos grasos insaturados (RH), que se convierten en radicales libres lipídicos (R.) según la siguiente ecuación: 𝑅𝐻 + 𝐼! → 𝐼!𝐻 + 𝑅. Los mecanismos de producción de radicales libres pueden ser muy diversos: • Disociación térmica de hidroperóxidos 𝑅𝑂𝑂𝐻 ! 𝑅𝑂. + 𝐻𝑂. • Descomposición de hidroperóxidos catalizada por metales redox (M) de valencia variable. 𝑅𝑂𝑂𝐻 + 𝑀!! → 𝑂. + 𝑂𝐻! + 𝑀!! • Acción de la luz sobre una sustancia que actúa de sensibilizador, como sucede con un derivado cetónico (RCOR): 𝑅𝐶𝑂𝑅 + ℎ� → 𝑅𝐶𝑂. + 𝑅. ~ 17 ~ II. Propagación. Que implica la formación de radicales peróxido (radical de ácido graso centrado en oxígeno) por interacción del radical de ácido graso centrado en carbono con oxígeno molecular que continúa con la captura por este radical de un hidrógeno de otro resto de ácido graso dando dos productos, el primero un hidroperóxido lipídico (con características distintas del ácido graso inicial) y un nuevo radical centrado en carbono que continuará con la secuencia de reacciones. III. Terminación. Consiste en la interacción de radicales peróxido con radicales centrados en carbono, lo que produce la formación de hidroperóxidos lipídicos y lípidos con mayor grado de insaturación (mayor número de dobles enlaces). Figura 10. Reacción en cadena de radicales libres de O2. Peroxidación lipídica. ~ 18 ~ Los radicales producen daño a diferentes niveles en la célula: • Atacan a los lípidos y proteínas de la membrana celular por lo que la célula no puede realizar sus funciones vitales (transporte de nutrientes, eliminación de deshechos, división celular, etc…). • El radical superóxido, O2. Se encuentra normalmente en el metabolismo, provoca una reacción en cadena de la lipoperoxidación de los ácidos grasos de los fosfolípidos de la membrana celular. • Atacan al ADN impidiendo que tenga lugar la replicación celular y contribuyendo al envejecimiento celular. Los procesos normales del organismo producen radicales libres como el metabolismo de los alimentos, la respiración y el ejercicio. También estamos expuestos a elementos del medio ambiente que crean radicales libres como la contaminación industrial, tabaco, radiación, medicamentos, aditivo químicos en los alimentos procesados y pesticidas. No todos los radicales libres son peligrosos pues, por ejemplo, las células del sistema inmune crean radicales libres para matar bacterias y virus, pero si no hay un control suficiente por los antioxidantes, las células sanas pueden ser dañadas. Un nutriente tiene propiedades antioxidantes cuando es capaz de neutralizar la acción oxidante de la molécula inestable de un radical libre sin perder su propia estabilidad electroquímica. El organismo está luchando contra radicales libres a cada momento del día, pero el problema se produce cuando tiene que tolerar de forma continua un exceso de radicales libres. El exceso es producido sobre todo por contaminantes externos que entran a nuestro cuerpo. La contaminación atmosférica, el ~ 19 ~ humo del tabaco, los herbicidas o pesticidas son algunos ejemplos de elementos que generan radicales libres que ingerimos o inhalamos. Este exceso no puede ya ser eliminado por el cuerpo y, en su labor de captación de electrones, los radicales libres dañan las membranas de nuestras células, llegando finalmente a destruir y mutar su información genética, facilitando así el camino para que se desarrollen diversos tipos de enfermedades. 2,9,11 2.8 Compuestos Fenólicos Los compuestos fenólicos constituyen una de las principales clases de metabolitos secundarios de las plantas, donde desempeñan diversas funciones fisiológicas. Entre otras, intervienen en el crecimiento y reproducción de las plantas y en procesos defensivos frente a patógenos, predadores o radiación ultravioleta. Los compuestos fenólicos presentan un anillo bencénico hidroxilado como elemento común en sus estructuras moleculares, las cuales pueden incluir grupos funcionales como ésteres, metil ésteres, glicósidos, etc. 9,10,14 Figura 11. Estructura del Fenol. ~ 20 ~ Aunque existe una gran variedad de compuestos fenólicos en las plantas (se conocen más de 8,000), la mayor parte de ellos tienen como origen metabólico común la ruta del ácido shikímico y el metabolismo de los fenilpropanoides. Los fenilpropanoides simples poseen un esqueleto básico de 9 carbonos (C6-C3) y derivan de los aminoácidos fenilalanina y tirosina producidos en la ruta del ácido shikímico. Las distintas familias de compuestos fenólicos se caracterizan principalmente porel número de átomos de carbono de su esqueleto básico molecular. - Ácidos cinámicos (C6-C3) - Ácidos benzoicos (C6-C1 o C6-C2) - Flavonoides (C6-C3-C6) - Proantocianidinas o taninos condensados ((C6-C3-C6)n) - Estilbenos (C6-C2-C6) - Cumarinas (C6-C3) - Lignanos (C6-C3-C3-C6) - Ligninas ((C6-C3)n) Así, los compuestos fenólicos comprenden desde moléculas simples como los ácidos benzoicos hasta polímeros complejos como las ligninas. ~ 21 ~ Figura 12. Estructura del ácido gálico. Compuesto fenólico simple derivado del ácido benzoico. Figura 13. Estructura de una lignina. Un compuesto fenólico complejo. ~ 22 ~ La actividad antioxidante de los compuestos fenólicos se atribuye a su facilidad para ceder átomos de hidrógeno de un grupo hidroxilo aromático a un radical libre y a la posibilidad de deslocalización del sistema π de los dobles enlaces del anillo aromático. Los compuestos fenólicos poseen además una estructura química ideal para captar iones metálicos (principalmente hierro y cobre) y por tanto para inhibir la formación de radicales libres a través de reacciones de Fenton (Aquella que se produce al catalizar el peróxido de hidrógeno con metales de transición (hierro principalmente) dando como resultado la generación de radicales hidroxilo (OH.).6,14 2.9 Reacciones Multicomponentes Desde hace algunas décadas, los investigadores que se dedican a la síntesis de compuestos orgánicos, han desarrollado varios procedimientos altamente selectivos para la preparación de moléculas complejas, con una excelente selectividad. El procedimiento usual para la síntesis de compuestos orgánicos es la formación de enlaces, etapa por etapa, para construir la molécula objetivo. Sin embargo, estas síntesis podrían ser mucho más eficientes si se formaran varios enlaces secuencialmente sin la necesidad de aislar los intermediarios, cambiar las condiciones de reacción ni la ulterior adición de otros reactivos. Este tipo de reacciones pueden minimizar el gasto de disolventes y reactivos, favoreciendo la producción al mejorar los rendimientos y reduciendo los desechos contaminantes. Una reacción multicomponente (MCR) se define como un proceso en el cual tres o más reactivos forman un aducto final a través de un único mecanismo.7,12,19 ~ 23 ~ 2.9.1 Síntesis de Hantzsch A continuación se presenta un esquema general de la reacción de Hantzsch, que es uno de los métodos más comunes para la síntesis de piridinas sustituidas. La reacción se lleva a cabo mediante dos equivalentes de un compuesto 1,3-dicarbonílico, un aldehído y una molécula fuente de nitrógeno como acetato de amonio o hidróxido de amonio para dar una 1,4-dihidropiridina. Este precursor, conocido también como intermediario de Hantzsch, se transforma en el producto aromático mediante una posterior oxidación con tricloruro de hierro o con nitrito de sodio.3 Esquema 1. Reacción de Hantzsch. Ejemplo de una reacción de multicomponentes. ~ 24 ~ 2.9.2 Síntesis de Biginelli La síntesis de Biginelli, es una reacción de multicomponentes que se utiliza para la obtención de pirimidinas (4). Consiste en una reacción que emplea un β-cetoester (1), un aldehído aromático (2) y urea (3). La reacción se lleva a cabo en etanol a temperatura de reflujo.18 Esquema 2. Sintesis de Biginelli como ejemplo de una reacción de multicomponentes. ~ 25 ~ 2.9.3 Síntesis de Mannich La síntesis de Mannich consiste en una condensación del formaldehído con aminas primarias o secundarias, para formar iones iminio, los cuales son suficientemente electrofílicos para reaccionar con aldehídos y cetonas enolizables mediante un proceso similar al de la reacción aldólica, con la formación de compuestos β-N-alquilamino carbonílicos.16 Esquema 3. Síntesis de Mannich, reacción de tres componentes. ~ 26 ~ 2.10 Síntesis general de los 4H-Cromenos Debido a su importancia y gran versatilidad en síntesis orgánica, el estudio de la química de los cromenos se ha incrementado desde hace varios años. Un método general muy conocido para la obtención de cromenos es por medio de una adición de Michael del carbanión de un compuesto 1,3-dicarbonílico cíclico sobre un arilidenmalononitrilo, como se muestra en el siguiente esquema: Esquema 4. Método de síntesis de enaminonitrilos. Los 4H-cromenos y sus derivados atraen considerable atención a los químicos orgánicos y bioquímicos debido a sus propiedades farmacológicas y biológicas, como espasmolíticas, diuréticas, anticoagulantes, anticancerígenas, con actividad antianafiláctica. Incluso estos compuestos han sido reportados como pigmentos, materiales fotoactivos e incluso como agroquímicos biodegradables. 1,5,6,8,12, 15,19 Kai Gong y sus colaboradores reportaron en 2009 un método de síntesis de piranos polifuncionalizados utilizando hidróxido de 1-butil-3-metilimidazolio como catalizador en medio acuoso.7 ~ 27 ~ Esquema 5. Síntesis de piranos funcionalizados de Kai Gong. Los rendimientos obtenidos fueron mayores al 90% presentando puntos de fusión en un intervalo de 250 a 270°C. Por otra parte, Fadda y Youssif en 2011 publicaron un trabajo en el que sintetizaron derivados del 4H-cromeno utilizando como sustrato al 2-amino-5-oxo-4- fenil-5,6,7,8-tetrahidro-4H-cromeno-3-carbonitrilo. Entre ellos se destaca al compuesto intermediario 2-(bencilidenamino)-5-oxo-4-fenil-5,6,7,8-tetrahidro-4H-cromeno-3- carbonitrilo, ya que se intentó sintetizar mediante la técnica reportada, sin obtener reproducibilidad. 5 ~ 28 ~ A continuación se presenta un esquema en el que se resume la reacción de síntesis que los autores reportaron. Esquema 6. Síntesis de derivados del 4H-cromeno de Fadda y Youssif. La reacción se hizo colocando una mezcla de 1 (0.005mol) y benzaldehído (0.005mol) en ácido acético glacial (30mL). Se colocó la mezcla a reflujo durante 1h. Se enfrió y colocó en un recipiente con hielo. El sólido fue filtrado y lavado con agua destilada. El producto 3 se recristalizó con metanol y el rendimiento obtenido fue de 76%. Se intentó reproducir este procedimiento pero los resultados espectroscópicos dieron a conocer que el sólido recristalizado era exclusivamente materia prima. ~ 29 ~ 3. OBJETIVOS Objetivo general Sintetizar y caracterizar derivados de 2-amino-5-oxo-4-aril-5,6,7,8-tetrahidro-4H- cromen-3-carbonitrilo. Objetivos particulares • Llevar a cabo la obtención de los enaminonitrilos por una reacción Multicomponentes • Sintetizar iminas derivadas de los enaminonitrilos y caracterizarlas mediante las técnicas utilizadas en química orgánica (Resonancia Magnética Nuclear de Protón, Espectroscopia de Infrarrojo, Espectrometría de Masas, Análisis Elemental.) 3.1 RUTA SINTÉTICA PROPUESTA Dado que los 4H-Cromenos son intermedios potenciales en la síntesis de los bencilidenamino-4H-Cromenos, se buscó la ruta de síntesis más corta para su obtención. La ruta elegida fue una reacción de multicomponentes en la que el compuesto 1,3-ciclohexanodiona reacciona con el malononitrilo y un aldehído aromático en presencia de piperidina como catalizador y etanol como disolvente para dar lugar al β-enaminonitrilo correspondiente. ~ 30 ~ 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4.1 SÍNTESIS DE LOS 4H-CROMENOS Esquema 7. Reacción general para la obtención de los 4H-Cromenos. Para la síntesis de los derivados del 4H-cromeno, El progreso de la reacción se monitoreó por cromatografía en capa fina y al término de la misma se observó la formación de un precipitado. Se caracterizaron los productos por las técnicas espectroscópicas tradicionales en química orgánica (Espectrofotometríade Infrarrojo (IR), Resonancia Magnética Nuclear de Protón (RMN1H), Resonancia Magnética Nuclear de Carbono (RMN13C), Espectrometría de Masas (EM) y Análisis Elemental (AE), donde se observaron las señales esperadas para cada uno de los compuestos obtenidos. ~ 31 ~ 4.2 SÍNTESIS DE LOS 2-BENCILIDENAMINO-4H-CROMENOS El método de síntesis se muestra en el esquema siguiente. Esquema 5. Reacción general para la obtención de los 2-Bencilidenamino-4H- Cromenos Una vez formados los 4H-Cromenos se realizó una reacción en microondas adicionando benzaldehído para obtener la imina correspondiente. Los compuestos se caracterizaron mediante las técnicas espectroscópicas convencionales en química orgánica (IR, 1H RMN, 13C RMN y E. M.). ~ 32 ~ COMPUESTO PESO MOLECULAR (g/mol) COLOR RENDIMIENTO (%) PUNTO DE FUSIÓN (°C) 266.49 BLANCO 76 240-242 326.34 BLANCO 72 213-215 326.34 BLANCO 90 197-198 317.32 AMARILLO BRILLANTE 58 254-256 345.19 BLANCO 87 252-254 Tabla 1. Rendimientos y algunas propiedades físicas de los derivados del 4H- cromeno. ~ 33 ~ COMPUESTO PESO MOLECULAR (g/mol) COLOR RENDIMIENTO (%) PUNTO DE FUSIÓN (°C) 354.40 AMARILLO PÁLIDO 59 213-215 414.45 BLANCO 19 180-182 414.45 AMARILLO PÁLIDO 35 202-204 405.42 AMARILLO BRILLANTE 26 212-213 433.29 BLANCO 35 198-200 Tabla. Rendimientos y algunas propiedades físicas de los 2-bencilidenamino-4H- cromenos. ~ 34 ~ En los espectros de IR, todos los productos presentaron las bandas de elongación N-H asimétrica y simétrica características de una amina primaria entre 3500- 3300 y 3316-3143 cm-1, así como la señal del nitrilo, la cual aparece cerca de los 2190 cm-1. En las región de 1684-1650 cm-1, todos los productos exhibieron dos bandas que por su cercanía, son difíciles de discernir. Una es la señal característica del estiramiento del carbonilo α-β-insaturado y la otra corresponde a la elongación de C=C de los enlaces insaturados tetrasustituidos, cuya intensidad se ve incrementada por la unión directa a átomos de oxígeno y nitrógeno. También muestran una banda importante alrededor de los 1209 cm-1, que probablemente se deba al estiramiento asimétrico de los enlaces C-O-C, así como bandas entre 1004-1000 cm-1, las cuales corresponden al estiramiento simétrico de dicho enlace. En el compuesto (IVe) se observa la banda característica del enlace C-Br en 824 cm-1. En los espectros de RMN 1H se observan señales simples, las cuales se encontraban entre 5.90 y 7.00 ppm dependiendo del compuesto en particular correspondientes a los hidrógenos del grupo amino, que intercambian con agua deuterada. ~ 35 ~ Los hidrógenos (H6) que se encuentran en posición α al grupo carbonilo se encuentran desplazados a un campo entre 2.20-2.60 ppm, debido a la electronegatividad del oxígeno del carbonilo. Los hidrógenos (H7) en posición β al grupo carbonilo, son los que presentan un desplazamiento químico más alto (1.70-2.00 ppm aproximadamente) debido a su relativa lejanía de los átomos electronegativos. Los hidrógenos en posición γ al grupo carbonilo (H8) son de tipo alílico y muestran un desplazamiento químico cercano a 2.20 ppm, debido a la doble ligadura vecina. En la mayoría de los espectros de RMN 1H de estos compuestos, las señales de los hidrógenos de los metilenos presentan una multiplicidad indefinida, lo que indica que dichos hidrógenos se encuentran acoplados entre sí. De hecho es posible encontrar constantes de acoplamiento de entre 4.50 y 6.30 Hz. Los hidrógenos (H3) que se encuentra en el carbono que tiene al grupo Ar, exhibe una señal simple a campo bajo (entre 4.1-5.1 ppm), debido a que es bencílico y doblemente alílico. En todos los casos, las señales correspondientes a los hidrógenos aromáticos se presentaron cerca de 7 ppm en forma de señales simples, dobles, triples o múltiples. Los desplazamientos químicos de dichos hidrógenos se diferenciaron de acuerdo a la relativa cercanía a los sustituyentes en el grupo arilo y en algunos casos por las constantes de acoplamiento. Los hidrógenos (H17) de los compuestos Va, Vd y Ve; y los hidrógenos (H19) de los compuestos Vb y Vc muestran una señal simple característica del grupo imino con un desplazamiento entre 8.50-9.00 ppm. ~ 36 ~ 2-(bencilidenamino)-5-oxo-4-fenil-5,6,7,8-tetrahidro-4H-cromeno-3-carbonitrilo (Va) Los hidrógenos aromáticos presentan señales características en desplazamientos desde 7.2 hasta 8.0ppm. La señal del grupo imino tiene un desplazamiento de 8.77ppm. 2-(bencilidenamino)-5-oxo-4-(2,4-dimetoxifenil)-5,6,7,8-tetrahidro-4H-cromeno-3- carbonitrilo. (Vb) Los hidrógenos presentes en los grupos metoxi (H16,17) se obsevan como singuletes a frecuencias bajas (3.81 y 3.77ppm respectivamente). ~ 37 ~ 2-(bencilidenamino)-5-oxo-4-(3,5-dimetoxifenil)-5,6,7,8-tetrahidro-4H-cromeno-3- carbonitrilo. (Vc) Los protones que se encuentran en los carbonos de los grupos metoxilo (H16, 17) son simétricos, lo cual se presentan como singulete que integra a seis protones a un desplazamiento de 3.77ppm. 2-(bencilidenamino)-5-oxo-4-(5-nitro-2-tiofenil)-5,6,7,8-tetrahidro-4H-cromeno-3- carbonitrilo. (Vd) Los protones que se encuentran en el anillo de tiofeno (H11, 12) presentan señales dobles. Debido a la cercanía con el grupo nitro, el protón (H12) presenta un doblete a un desplazamiento de 7.8ppm y el protón (H11) muestra un doblete que se desplaza a 7.1ppm. ~ 38 ~ 2-(bencilidenamino)-5-oxo-4-(p-bromofenil)-5,6,7,8-tetrahidro-4H-cromeno-3- carbonitrilo. (Ve) Los protones más cercanos al átomo de bromo (H12, 14), al estar desprotegidos electrónicamente se encuentran a campo a un desplazamiento de 8.00ppm y los que están más alejados (H11, 15) se desplazan a una frecuencia de 7.2ppm. ~ 39 ~ 5. CONCLUSIONES La síntesis de los 4H-cromenos se realizó mediante una reacción multicomponentes y fueron caracterizado por las técnicas espectroscópicas comunes en química orgánica (1H-RMN, 13C-RMN, IR, MS, AE). Se realizó la síntesis de 4 nuevos compuestos derivados del 4H-cromeno mediante el uso de microondas sin reportes previos y con una técnica novedosa. Los compuestos fueron caracterizados por las técnicas espectroscópicas más utilizadas en química orgánica (1H-RMN, 13C-RMN, IR, MS, AE). Los bencilidenamino-4H-cromenos obtenidos tuvieron rendimientos de medianos a bajos. Esto puede explicarse a que las iminas son fácilmente hidrolizables y no resisten las condiciones de purificación por columna. El uso de microondas para la síntesis de los benciliden-4H-cromenos nos permitió prescindir del uso de disolventes y trabajar a tiempos más cortos en comparación a los métodos convencionales de síntesis (altas temperaturas, largos periodos de reacción y uso de disolventes). ~ 40 ~ 6. PARTE EXPERIMENTAL Los compuestos propuestos fueron obtenidos de acuerdo con la metodología indicada en el siguiente esquema. Esquema 6. Ruta General de síntesis. ~ 41 ~ 6.1 SÍNTESIS DE LOS 4H-CROMENOS Esquema 7. Reacción general para la obtención de los 4H-Cromenos Procedimiento general: En un matraz Erlenmeyer se colocaron 44.59 mmol (5 g) de 1,3- ciclohexanodiona, 44.59 mmol (2.94 g) de malononitrilo, 44.59 mmol del aldehído aromático correspondiente y 20 mL de etanol (EtOH). La mezcla se mantuvo en agitación constante hasta lograr una completa disolución y entonces se adicionaron 100 µL de piperidina como catalizador. Se dejó agitando a temperatura ambiente durante 24 horas. El precipitado se filtró a vacío, se lavó con EtOH frío y se dejó secar. Los compuestos se caracterizaron mediantelas técnicas espectroscópicas convencionales en química orgánica (IR, RMN1H y 13C, EM y AE) donde se observaron las señales esperadas para cada uno de los compuestos obtenidos ~ 42 ~ 6.2 SÍNTESIS DE LOS 2-BENCILIDENAMINO-4H-CROMENOS Esquema 8. Reacción general para la obtención de los 2-Bencilidenamino- 4H-cromenos Procedimiento general: En un matraz bola de 25 mL se colocaron 0.1 g del cromeno correspondiente y se adicionaron 0.3 mL de benzaldehído. El número de moles usado varía dependiendo del tipo de sustituyente en el anillo aromático. La mezcla se llevó a microondas ajustándose los valores de temperatura y potencia. Se programó la reacción por intervalos de 1 minuto, hasta llegar a un total de 20, es decir 20 reacciones de un minuto cada una. Una vez concluida la reacción, se eliminó el exceso de benzaldehído con lavados de hexano y se purificó el producto por cromatografía en columna. ~ 43 ~ Los compuestos se caracterizaron mediante las técnicas espectroscópicas convencionales en química orgánica (IR, RMN1H y 13C, EM y AE) donde se observaron las señales esperadas para cada uno de los compuestos obtenidos. A continuación se muestran los datos de IR, RMN 1H, 13C y EMAR Va IR (cm-1) 2934 (CH2); 2209 (CN); 1665 (N=C); 1617 (C=O). RMN 1H (CDCl3-d1) H7 2.01-2.17 (m, 2H); H8 2.33-2.47 (m, 2H); H6 2.63-2.81(m, 2H); H3 4.64-4.67 (s, 1H); H13 7.21-7.26 (m, 1H); H12,14,20,22 (m, 4H); H19,23 (m, 2H) RMN 13C (CDCl3-d1) C7 20.28 (CH2); C8 27.18 (CH2); C6 36.85 (CH2); C3 38.23 (CH); C2 91.35 (C=C); C4 114.08 (C=C); C16 116.73 (CN); C13 127.71 (Ph); C11,15 128.03 (Ph); C12,14 128.85 (Ph); C20,22 129.06 (Ph); C19,23 130.29 (Ph); C21 133.54 (Ph); C18 134.66 (Ph); C10 141.66 (Ph); C9 156.49 (C=C); C17 162.25 (C=N); C1 164.05 (C=C); C5 196.01 (C=O). EMAR (IE) m/z: 354.1368 Vb IR (cm-1) (CDCl3-D1) 2939 (CH2); 2210 (CN); 1664 (N=C); 1614 (C=O). RMN 1H (CDCl3-d1) H7 1.99-2.15 (m, 2H); H8 2.33-2.45 (m, 2H); H6 2.62-2.76 (m, 2H); H17 3.75-3.78 (s, 3H); H16 3.80-3.82 (s, 3H); H3 4.89-4.90 (s, 1H); H14 6.43- 6.45 (s, 1H); H12 7.06-7.10 (m, 1H); H15 7.25-7.26 (s, 1H); H22,23,24 7.43-7.50 (m, 3H); H21,25 7.51-7.51 (m, 2H) H19 8.73-8.75 (s, 1H). ~ 44 ~ RMN 13C (CDCl3-d1) C7 20.40 (CH2); C8 27.11 (CH2); C6 32.99 (CH2); C3 36.88 (CH); C2 55.29 (C-CN); C4 55.79 (C=C); C16 90.78 (CN); C13 99.18 (Ph); C11 104.85 (Ph); C15 113.21 (Ph); C12 116.86 (Ph); C14 122.07 (Ph); C22 128.93 (Ph); C20 130.09 (Ph); C23 130.36 (Ph); C19 133.17 (Ph); C21 134.82 (Ph); C18 156.50 (Ph); C10 158.52 (Ph); C9 160.43 (C=C); C17 161.14 (C=N); C1 164.31 (C=C); C5 196.04 (C=C). EMAR (IE) m/z: 414.1580 Vc IR (CDCl3-d1) 2926 (CH2); 2209 (CN); 1667 (N=C); 1617 (C=O). RMN 1H (CDCl3-d1) H7 2.03-2.17 (m, 2H); H8 2.33-2.51(m, 2H); H6 2.58-2.80 (m, 2H); H16,17 3.77-3.79 (s, 6H); H3 4.59-4.60 (s, 1H), H13 6.34-6.35 (t, 1H, J= 6.35Hz); H11,15 6.46-6.47 (d, 2H, J=6.47Hz); H22,24 7.45-7.50 (m, 2H); H23 7.53-7.58 (m, 1H); H21,25 7.94-7.99 (m, 2H). RMN 13C (CDCl3-d1) C7 20.24 (CH2); C8 27.16 (CH2); C6 36.82 (CH2); C3 38.21 (CH); C16,17 55.36 (CH3); C2 55.60 (C=C); C13 91.12 (Ph); C11,15 99.26 (Ph); C4 106.45 (C=C); C18 113.87 (CN); C22 116.65 (Ph); C24 129.01 (Ph); C21,25 130.26 (Ph); C23 133.47 (Ph); C21 134.64 (Ph); C10 144.02 (Ph); C9 156.47 (C=C); C12,14 161.00 (Ph); C19 162.18 (C=N); C1 164.06 (C-O); C5 195.94 (C=O). EMAR (IE) m/z: 414.1545 ~ 45 ~ Vd IR (CDCl3-d1) 2962 (CH2); 2208 (CN); 1660 (N=C); 1660 (C=O). RMN 1H (CDCl3-d1) H7 2.08-2.22 (m,2H); H8 2.41-2.60 (m, 2H); H6 2.66-2.84 (m, 2H); H3 4.99-5.00 (s, 1H); H11 7.08-7.10 (d, 1H, J= 7.10Hz); H20,22 7.42-7.54 (m, 2H); H21 7.58-7.63 (m, 1H); H12 7.78-7.80 (d, 1H, J= 7.79Hz); H19,23 7.98-8.01 (m, 2H); H17 8.80-8.82 (s, 1H). RMN 13C (CDCl3-d1) C7 20.07 (CH2); C3 27.19 (CH); C8 30.92 (CH2); C6 34.03 (CH2); C2 36.59 (C=C); C4 88.32 (C=C); C14 112.70 (CN); C11 115.94 (C=C); C12 125.57 (C=C); C18,20 128.90 (Ph); C17,21 129.15 (Ph); C19 130.60 (Ph); C16 134.12 (Ph); C10 134.26 (C=C); C13 153.91 (C=C); C9 157.47 (C=C); C15 163.95 (C=N); C1 166.02 (C=C); C5 195.58 (C=O). EMAR (IE) m/z: 405.0783 Ve IR (CDCl3-d1) 3330 (CH2); 2195 (CN); 1679 (N=C); 1649 (C=O). RMN 1H (CDCl3-d1) H7 2.00-2.18 (m, 2H); H8 2.30-2.46 (m, 2H); H6 2.65-2.83 (m, 2H); H3 4.61-4.65 (s, 1H); H11,15 7.18-7.26 (m, 2H); H19,20,21,22,23 7.41-7.60 (m, 5H); H12,14 7.94-8.00 (d, 2H, J= 7.97Hz); H17 8.77-8.79 (s, 1H). RMN 13C (CDCl3-d1) C7 21.1(CH2); C8 29.0 (CH2); C6 36.7 (CH2); C3 37.8 (CH); C2 76.1 (C=C); C4 113.9 (C=C); C16 117.3 (CN); C13 120.1 (Ph); C20,22 128.8 (Ph); C19,23 129.2 (Ph); C21 131.0 (Ph); C11,15 131.2 (Ph); C12,14 131.5 (Ph); C18 133.7 (Ph); C4 148.1 (Ph); C9 155 (C=C); C17 163.7 (C=N); C1 170.1 (C=C); C5 191.2 (C=O). EMAR (IE) m/z: 432.0472 ~ 46 ~ ESPECTROS ~ 47 ~ r ,! i ~ ' ! ~ i ~ ' I ¡ PI .. .. ~~ ro " 0" - • • &, ri1.... 7.0 + LLü¡ I dh I I , , t'~:r..1, , , , ¡ • , , , " , "' ~ ~ "' .. " " "' .. .. ~D{ppn)1.5 " " " " " " " " .. ~ 48 ~ J. l~ , , " " , , ~ , , • , " , "' • • , " , • , , , • 10,0 " , .0 O, 0.0 " '.0 " '.0 " , .0 .. , '.0 " M " " " 1.0 0" 0,0 -O,, fl (ppm) &c 0,N - OSA I N U .. ! ',' , " ., O.' O, -~ , . O.' ~ 49 ~ o., i ¡ ¡ ,.> ~ ~ O A I I N U 8.1 8.0 7.9 7J3 7J 7b 75 7.4 7.3 f1 (p¡m) 5. 0 45 fl (P¡m) ; í .. 7.1 7.0 ¿ , 220 210 200 no 180 110 160 ISO 1.0:1 110 120 110 lOO 90 &O 10 60 so .0 lO '1 Ippm) " ,. .. -,. ~ 50 ~ , ! I , , ! 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