Tema 2 SÍNTESIS DE FÁRMACOS. PRINCIPIOS GENERALES Tema 2. SÍNTESIS DE FÁRMACOS. PRINCIPIOS GENERALES 1. Introducción 2. Funcionalización de alcanos, alquenos y alquinos 3. Compuestos carbonílicos como especies con carbono electrofílico 4. Interconversión de grupos funcionales 5. Especies con carbono nucleofílico 6. Aminas: fuentes de nitrógeno nucleofílico 2 1. Introducción Fármacos para cubrir el mercado de la salud ORIGEN Síntesis total (aproximadamente el 75 %) Semisíntesis Transformación naturales química parcial de productos Métodos biológico-químicos (biotecnología) implicados microorganismos y enzimas Plantas y órganos animales 4 SEMISÍNTESIS: ejemplo TAXOL Aislado de la corteza del Tejo del Pacífico (Taxus brevifolia) agentes anticáncer prometedor 1 gr de taxol = corteza completa de un árbol de cien años 10-desacetilbacatina III Precursor del taxol Se extrae del tejo europeo Derivados de la bacatina III intermedios en las rutas para obtener taxol Diferencia entre taxol y bacatina III: cadena lateral 5 SEMISÍNTESIS: otro ejemplo Estructuras aisladas del reino vegetal (SAPONINAS) Síntesis de ESTEROIDES de interés biológico CH3 CH3 O CH3 CH3 CH3 H3C HO O H3C O Diosgenina Aislada del rizoma Dioscórea Villosa (Ñame silvestre) Progesterona (Esteroide de interés terapéutico) 6 PLANTAS Y ÓRGANOS ANIMALES: Ejemplo ALCALOIDES DE LA VINCA ORIGEN: Vinca rosea (periwinkle, hierba doncella) USO: antileucémicos MECANISMO DE ACCIÓN: inhibidores de la polimerización de tubulina agentes antimitóticos N N H CH3O2C H3CO N H R OCOCH3 COOCH3 OH R = CH3, Vimblastina; R = CHO, Vincristina 7 SÍNTESIS ORGÁNICA PLANIFICACIÓN ESTRATEGIA SINTÉTICA Caminos posibles Posición de los grupos funcionales Estereoquímica Seleccionar los más adecuados 8 Estrategia de síntesis Método de las desconexiones Fragmentación denominadas de la “sintones” estructura : en fragmentos porciones iónicos o radicalarios Proceso opuesto al de una reacción normal Símbolo: flecha doble Unión C-C: desconexión radicalaria o iónica C C C + C C C C + C 9 Método de las desconexiones Ejemplo CH3CH2OCH3 Reactivos Producto A + B C Producto C CH3CH2OCH3 C (C) Sintones A + B CH3CH2O Sintón A + CH3 Br Sintón B 10 SINTONES R- y R+ SINTÓN R Reactivos organometálicos (RMgX o RLi) Carbaniones estabilizados a) b) O O C C C C O O C N C N O O c) d) C PPh3 C PPh3 base R C C H R C C + baseH 11 SINTÓN R + Agentes alquilantes R-X ROH Epóxidos Compuestos con grupo C=O C=N CN 12 Agentes alquilantes (R-X, ROH, epóxidos) Nu a) C X + Nu X X = Cl, Br, OSO2Me, OSO2Ph b) H R O R Nu R OH2 Nu O O c) Nu Nu Compuestos carbonílicos Cl > R R O R > R O OH O OCOR >R > R O OR O H > NR2 > R O Orden de reactividad frente a Nu- R > O R O O 13 • Reactivos electrofílicos con grupos C=N o CN Iminas Sales de imonio R NR´ C R NR2 C Nitrilos Nu C N NR´ R C NR2 R C N Nu C 14 Tema 2. SÍNTESIS DE FÁRMACOS. PRINCIPIOS GENERALES 1. Introducción 2. Funcionalización de alcanos, alquenos y alquinos 3. Compuestos carbonílicos como especies con carbono electrofílico 4. Interconversión de grupos funcionales 5. Especies con carbono nucleofílico 6. Aminas: fuentes de nitrógeno nucleofílico 15 2. Funcionalización de alcanos, alquenos y alquinos Alcanos (R-H) Poco reactivos Reacciones radicalarias Difíciles de controlar uso limitado Halogenación radicalaria R-H + X2 R-X + XH (X = Br, Cl) Alquenos A. Reacciones de adición C C 2 sp B. Reacciones de oxidación 17 REACCIONES A. Reacciones de ADICIÓN A C B C A B C C 1. Hidrogenación 2. Adición electrofílica 3. Hidroboración 4. Adición radicalaria 18 B. Reacciones de OXIDACIÓN – Epoxidación – Dihidroxilación – Ozonólisis Ruptura del enlace Ruptura de los enlaces y 19 A. REACCIONES DE ADICION 1. Hidrogenación 2. Adiciones electrofílicas (E+ = electrófilo) E C C La reacción se inicia por un ataque electrofílico 3. Hidroboración Hidroboración –Oxidación 4. Adición radicalaria 20 1. Hidrogenación H H2 C C C H C Estereoespecífica sin cat: Pd-C, Pt, Ni-Ra cat 2. Adición electrofílica c) Halogenación a) Hidrohalogenación C C HX H X C C X C X2 C X dihaluro vecinal haluro de alquilo Regioquímica: Markovnikov Intermedio: Carbocatión b) Hidratación C C H2O H OH C C H Alcohol Regioquímica: Markovnikov Intermedio: Carbocatión C C Intermedio: Ion halonio cíclico Estereoquímica: anti d) Formación de halohidrinas C C OH X2 H2O C C X Halohidrina o haloalcohol Regioquímica: Markovnikov Intermedio: Ion halonio cíclico Estereoquímica: anti 21 3. Hidroboración H R C C H H H B H H R H R H C H C H B H H H C H H C H B H H Regioselectividad: antimarkovnikov Estereoespecificidad: sin Hidroboración-oxidación C 1. BH3 C H OH C C 2. H2O2/OH Regioselectividad: antimarkovnikov Estereoespecificidad: sin Alcohol 4. Adición radicalaria H Br C C HBr ROOR C C Regioselectividad: antimarkovnikov Intermedio: radical Haluro de alquilo 22 B. Reacciones de OXIDACIÓN – Dihidroxilación – Epoxidación – Ozonólisis Ruptura del enlace Ruptura de los enlaces y 23 1. Dihidroxilación C C KMnO4 H2O Cis-1,2-diol OH OH O O Mn O O Adición sin 24 2. Epoxidación O C C O H Alqueno C R C C O Perácido O C O + R OH Epóxido Estereoespecífica sin Ácido Obtención de Diol vecinal trans mediante una epoxidación O C R2 R1 + C C R3 R3 R4 Cl H3O OH O MCPBA OH R1 R3 R1 OOH R1 R2 + R4 R3 O R2 R4 Epóxido u oxirano OH R2 + R1 R4 R3 R2 OH R4 Diol vecinal trans 25 3. Ozonólisis R1 C R2 C H O 3 R3 Tratamiento reductor Tratamiento oxidante H R1 C O + O C R2 R3 R1 OH C O + O R2 C R3 Tratamiento reductor: Zn, o sulfuro de dimetilo 26 ALQUINOS C C A. Reacciones del triple enlace terminal R C C H Acido-base Alquilación B. Reacciones semejantes a los alquenos Reducción C C Adición electrofílica Hidroboración-oxidación 27 A. Reacciones del triple enlace terminal Alquilación de aniones acetiluro R C C H R C C 1. NaNH2 / NH3(l) R C C Na 2. R´X R C C R´ (Ácido-base) (SN2) B. Reacciones semejantes a los alquenos 1. Reducción Saturación completa del triple enlace R C C R H2 cat. RCH2CH2R Alcano cat: Pt, Pd/C Síntesis estereoselectiva de alqueno cis R C C R H2 cat. Lindlar H H R C C Alqueno cis R cat Lindlar: Pd/BaSO4/quinoleina Síntesis estereoselectiva de alqueno trans R C C R Na NH3(l) R H C C R Alqueno trans H 29 2. Adición electrofílica Hidratación R C C R H2O H, Hg HO 2+ O H R C C R R C CH2R Cetona Enol Markovnikov Hidrohalogenación R C C R H R HX C C X X H HX R C C R R Regioselectiva: Markovnikov X H 3. Hidroboración-oxidación R C C R R R H C C B R R BH3 H H2O2 R OH H C C R C C OH Alquenilborano B O R C CH2R Enol antimarkovnikov Alquino terminal Aldehídos Alquino interno 30 Cetonas Tema 2. SÍNTESIS DE FÁRMACOS. PRINCIPIOS GENERALES 1. Introducción 2. Funcionalización de alcanos, alquenos y alquinos 3. Compuestos carbonílicos como especies con carbono electrofílico 4. Interconversión de grupos funcionales 5. Especies con carbono nucleofílico 6. Aminas: fuentes de nitrógeno nucleofílico 31 3. Compuestos carbonílicos como especies con carbono electrofílico Compuestos carbonílicos O Poseen el grupo carbonilo C O Aldehídos y cetonas Ácidos carboxílicos C R H Aldehído O C R R Cetona O R C OH Ácido carboxílico O R C Cl Haluro de ácido Derivados de ácidos O R C NR2 O O O R C O C R Anhídrido R C OR Éster O O C O C N Lactona Lactama R Amida 33 O ALDEHÍDOS Y CETONAS REACTIVIDAD DEL GRUPO CARBONILO Adición nucleofílica R O Nu R C O Nu C O R R E C O E R O O B CH3 C R R Base R Comportamiento Nucleofílico R Ácido R R Cetona Comporamiento electrofílico R C R Adición electrofílica C R H Aldehído O C C O H CH2 C R R R C O H 34 REACCIONES 1. Adición de oxígeno nucleófilo A. Reacciones de adición 2. Adición de nitrógeno nucleófilo 3. Adición de carbono nucleófilo B. Reacciones de oxidación C. Reacciones de reducción 1. Oxidación de aldehídos 2. Oxidación de cetonas 1. A alcohol 2. A hidroarburo 35 A. REACCIONES DE ADICION 1. Adición de oxígeno nucleófilo O Adición de agua R C R Adición de alcoholes O R C R H2O /H ó OH R´OH/ H OH R C R Diol geminal OH OR´ OR´ R´OH/H R C R R C R + H2O OH OR´ Acetal o Cetal Hemiacetal o Hemicetal 2. Adición de nitrógeno nucleófilo O R C R´ + H2NR´´ N C H + H2O R C R´ + H2NNH2 H Hidroxilamina N C OH R R Oxima O + H2O H R´´ RCH2 C R´ + H N R´´´ Amina 2ª N NH2 C R R´ Hidrazona Hidrazina Imina o base de Schiff O R C R + H2NOH O R´ R Amina R´´ H + H2O R´´ N R´´´ RCH C R´ + H2O Enamina 36 3. Adición de carbono nucleófilo Adición de cianuro O R C R + NaCN H2SO4 H2O OH R C R Gem-cianhidrina CN Adición de iluros de fósforo: reacción de Wittig R´´CH2X + P(Ph)3 base R´´CH2P(Ph)3 X Trifenilfosfina Haluro de fosfonio O R C R´ R´´ CH PH(Ph)3 Iluro de fósforo R + R´´ CH P(Ph)3 C CHR´´ R´ Alqueno B. REACCIONES DE OXIDACION 1. Oxidación de aldehídos O O [O] R C H [O] = K2Cr2O7/H2SO4; 1. KMnO4/ 2. H3O+; R C OH O Fehling: R C H Cu oxidantes suaves O 2+ R C OH + Cu2O precipitado rojo O Tollens: R C H O Ag R C OH + Ag0 espejo de plata 2. Oxidación de cetonas O R C R´ [O] suave O O Baeyer-Villiger: R C R´ + R´´ C O OH Cetona Perácido O O R C OR´ + R´´ C OH Éster 38 C. REACCIONES DE REDUCCION 1. a alcohol O R C R´ [H] OH R CH R´ [H] H2/cat LialH4/H2O NaBH4/EtOH 2. a Hidrocarburo Reducción de Clemmensen O R C R´ + Zn(Hg) HCl calor RCH2R´ Reducción de Wolff-Kishner O R C R´ + NH2NH2 KOH calor RCH2R´ 39 ÁCIDOS REACTIVIDAD DEL GRUPO CARBOXILO O C OH 1. Acidez y basicidad de ácidos carboxílicos Basicidad Acidez O O R C OH + B O O R C O + BH R C OH + H H H O R C O H R C OH 2. Adición-eliminación: Mecanismo - Sin catálisis ácida O R O Adición OH + R Nu O Eliminación OH R Nu + OH Nu Intermedio tetraédrico - Con catálisis ácida O R O H OH R H O H NuH OH Adición R H O -H OH Nu H R OH Nu Intermedio tetraédrico H H H O R OH H2O Nu Eliminación O R H Nu O H R Nu REACCIONES 1. Conversión en derivados de ácido Cloruros de ácido O R C OH Anhídridos O SOCl2 o PCl3 o PCl5 O R C Cl R C OH cloruro de ácido Ésteres H R´OH O O R C OR´ R C OH O O CH2N2 (diazometano) R C OCH3 O 1. SOCl2 R C OH éster metílico HNR2 calor 2. HNR2 R C NR2 amida O R C NR2 amida 2. Reducción O R C OH [H] H R C OH H alcohol primario O R C O C R anhídrido O éster R C OH + O Amidas O R C OH + 1º base 2º ClCOR [H] 1º LiAlH4/2º H2O o H2/cat 3. -Halogenación O R H2C C OH Br2/PBr3 R Br HC C OH O 4. Descarboxilación O O R C H2C C OH calor O R C CH3 grupo atrayente de electrones O O HO C H2C C OH Ácido malónico calor O HO C CH2 H O DERIVADOS DE ÁCIDO O R C Cl Haluro de ácido O R C OH Ácido carboxílico O O R C O C R Anhídrido R C OR Éster O O C O C N Lactona Lactama O R C NR2 R Amida Adición-eliminación O O Reacción R C Nu + X R C X + Nu O Mecanismo R O Adición X + Nu R O Eliminación X R Nu Intermedio tetraédrico H2O: hidrólisis se obtienen ácidos ROH: alcoholisis se obtienen ésteres RNH2: aminolisis se obtienen amidas Nu + X Reacciones más importantes 1. HIDRÓLISIS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS O O R 3. AMINÓLISIS AMIDAS L + H2 O H RCOOH R L + NH3 RCONH2 L = X, OCOR, OR L = X, OCOR RCOOR´ + H2O H RCOOR´ + H2O OH RCOOH + R´OH RCOO 4. REDUCCIÓN + R´OH RCONH2 + H2O H RCOOH + NH4 RCONH2 + H2O OH RCOO RCN + H2O H RCOOH + NH4 RCN + H2O OH RCOO + NH3 + NH3 RCOOR´ 1. LiAlH4 2. H3O RCONH2 1. LiAlH4 2. H3O RCH2OH + R´OH RCH2NH2 5. Reacciones con organometálicos 2. ALCOHÓLISIS ÉSTERES RCOOR´+ R´´OH H ó OH RCOOR´´ + R´OH RCOOR´ 1. CH3MgBr 2. H3O CH3 R C OH CH443 Tema 2. SÍNTESIS DE FÁRMACOS. PRINCIPIOS GENERALES 1. Introducción 2. Funcionalización de alcanos, alquenos y alquinos 3. Compuestos carbonílicos como especies con carbono electrofílico 4. Interconversión de grupos funcionales 5. Especies con carbono nucleofílico 6. Aminas: fuentes de nitrógeno nucleofílico 45 4. Interconversión de grupos funcionales 46 TRANSFORMACIÓN DE ALCOHOLES R-OH - Ruptura del enlace O-H R O CH3 éter metílico CH2N2 R O H base o Na R O alcóxido R´ X R O R´ éter X = halógeno o sulfonato O Cl R O S R´ O Sulfonato SO2R´ H / R´COOH R´COOR + H2O R O H Éster - Ruptura del enlace C-O Alqueno H calor R O H SOCl2 o PCl3 o PCl5 PCC R Cl RCHO RCH2OH CrO3/H OH RCH R´ RCOOH O PCC o CrO /H 3 R 47 R´ TRANSFORMACIÓN DE ÉTERES R O R HX R-O-R R X + R O H R X + R X EPÓXIDOS (ÉTERES CÍCLICOS) O O OH H R R Nu Nu H2O NuCH2CHR H O H Nu O R Nu OH HOCH2+CHR + NuCH2CHR mayoritario minoritario 48 Tema 2. SÍNTESIS DE FÁRMACOS. PRINCIPIOS GENERALES 1. Introducción 2. Funcionalización de alcanos, alquenos y alquinos 3. Compuestos carbonílicos como especies con carbono electrofílico 4. Interconversión de grupos funcionales 5. Especies con carbono nucleofílico 6. Aminas: fuentes de nitrógeno nucleofílico 49 5. Especies con carbono nucleofílico 50 Compuestos organometálicos (R-M) C M CH3CH2 Enlace carbono-metal polarizado hacia el carbono CH3CH2 Mg Br Mg Br Sintón R carbanión Aniones enolato Anión enolato de aldehídos y cetonas H H R CH C R B R CH C R O O R C Anión enolato + C R BH O Sintón R Anión enolato de éster O RO C CH2 H + B O O RO C CH2 RO C CH2 Anión enolato + BH Sintón R 51 Compuestos organometálicos (R-M) REACCIONES R O R C H + R Mg X Aldehído R C H R R C R + R Mg X Cetona O + R´ Mg Éster O CH2 CH2 + RMgBr R C H (Alcohol 2º) OH H2O R C R R R C R (Alcohol 3º) OH OMgX OR´´ C R OMgX O R H2O X H2O R´ R C OH (Alcohol 3º) R´ H2O RCH2CH2OH Epóxido RMgX + CO2 RCOOMgX H2O RCOOH 52 Aniones enolato REACCIONES MÁS IMPORTANTES Condensación aldólica Halogenación en de aldehídos y cetonas Condensación de Claisen Síntesis malónica Síntesis acetilacética Adición de MICHAEL 53 Condensación aldólica O Autocondensación RCH2C H OH ó H OH O RCH2 C CHCH H R Mecanismo R H H H2O H C CH C CH2R H C CH C CH2R OH O O O -hidroxialdehído H O H OH O H O H C C C CH2R H C C C CH2R R H R H -hidroxialdehído R Catálisis H C CH + H C CH2R básica O O R Anión enolato OH Catálisis H C C H + H C CH2R ácida R O Enol Condensación aldólica mixta reducida H O O O H + CH3 OH CH3 CH3 O CH2 OH + CH3 OH CH CH2 CH 3 3 54 Condensación aldólica intramolecular O O O CH3C CH2CH2C CH3 OH H2O CH3 Halogenación en de aldehídos y cetonas Catálisis ácida OH O OH CH3 C CH2 Br Br - Br CH3 C CH2 Br -H CH3 C CH2 Br Catálisis básica O HO CH3 C CH3 CH3 C OH + O CI3 CH3 O C CH2 I I CH3 C O + O CH3 O C CH2I CH3 C CI3 O HO HCI3 Iodoformo 55 Condensación de Claisen O 2 EtO C CH3 + NaOEt Autocondensación O O EtO C CH2 C CH3 -cetoéster Mecanismo O O O EtO C CH2 H + OEt Na O EtO C CH3 O EtO C CH2 C CH3 EtO C CH2 OEt EtOH O O O EtO O EtO C CH C CH3 EtO C CH2 C CH3 H3O -cetoéster EtO O O EtO C CH2 C CH3 Acetoacetato de etilo Condensación de Claisen mixta O O R OR´ + EtONa OR´ EtOH R´´ R´´ O O O OR´ R H + R H O OR´ H R H Condensación de Claisen intramolecular COOMe O OMe MeO O NaOMe MeOH O 56 Síntesis malónica R EtO EtO OEt EtONa O EtOH O Malonato de dietilo O OEt EtO OEt Br R O O O R 1. H2O/OH HO 2. H3O calor OH O HO (-CO2) O R Ácido alquilacético O Síntesis acetilacética CH3 OEt R OEt EtONa CH3 O O Acetilacetato de etilo EtOH O Br R OEt CH3 O O O R H3O CH3 OH O O calor (-CO2) CH3 R O Metilcetona 57 Adición de Michael Adición conjugada 1,4 de aniones enolato compuestos 1,5 dicarbonílicos Anión enolato de aldehídos o cetonas 2 3 O R R O O Base R R 1 O Carbonilo ,-insaturado O 3 R Anión enolato 5 4 1 2 R Producto de Michael Anión enolato de éster EtO EtO Base OEt O EtO O OEt EtO O O Anión enolato O EtO O EtO O O O O EtO EtO O OH O O 58 Tema 2. SÍNTESIS DE FÁRMACOS. PRINCIPIOS GENERALES 1. Introducción 2. Funcionalización de alcanos, alquenos y alquinos 3. Compuestos carbonílicos como especies con carbono electrofílico 4. Interconversión de grupos funcionales 5. Especies con carbono nucleofílico 6. Aminas: fuentes de nitrógeno nucleofílico 59 6. Aminas: fuentes de nitrógeno nucleofílico 60 Aminas como nucleófilos: REACCIONES Alquilación RNH2 + R´X R Acilación RNH2 C O RR´NH2 + N X- Carácter nucleofílico y básico R C O + HX Eliminado con piridina, trietilamina, exceso de amina RHN u otra base X = Cl, Br, OCOR X Sulfonilación Amina 1ª Amina 2ª RNH2 + ClSO2Ar RNHSO2Ar (Sulfonamida soluble en disolución acuosa básica) R2NH + ClSO2Ar RR´NSO2Ar (Sulfonamida insoluble en disolución acuosa básica) Nitrosación H O N OH + H O H A. nitroso Amina 1ª Amina 2ª RNH2 + NaNO2/HCl RR´NH + NaNO2/HCl O N OH2 - H2O O N Electrófilo atacado por la amina RNN+ X- (sal de diazonio) RR´N-N=O (N-nitrosamina) 61 SÍNTESIS DE AMINAS Reacciones de reducción a. Reducción de nitrocompuestos RNO2 + Sn ó Fe / H+ RNH2 (amina 1ª) b. Reducción de nitrilos y amidas RCN + LiAlH4 ó H2 / cat. RCH2NH2 (amina 1ª) RCONR2 + LiAlH4 ó H2 / cat. c. Aminación reductiva RCH2NR2 R R´ C O H2NR´´ R C NR´´ R´ Imina H2 R cat R´ CH NHR´´ Amina Transposición de Hofmann RCONH2 + Br2 / OH- RNH2 + CO2 (amina de 1C menos) O Síntesis de Gabriel NH O O 1. K2CO3 2. RX 1. H3O N R O 2. NaOH R NH2 62