laboratorio de quimica organica aplicada
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Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 193 LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA APLICADA PRÁCTICA # 11 INDUSTRIA FARMACÉUTICA. OBTENCIÓN DE BENZOÍNA, BENCILO Y DILANTINA: UN ANTICONVULSIVO, UTILIZANDO TÉCNICAS DE QUÍMICA VERDE OBJETIVOS Al terminar la práctica el alumno será capaz de: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Llevar a cabo una reacción clásica en química orgánica, la condensación de la benzoína con una técnica de química verde. Oxidar la benzoína para obtener bencilo, con una oxidación novedosa: la oxidación suave con Cu+2, concertada con la reoxidación con nitrato de amonio del Cu+1 (técnica de química verde). Mostrar la pureza del producto por cromatografía en capa fina y si es necesario purificar el producto por cromatografía en columna. Condensar el bencilo con urea (con una técnica ambientalmente amigable) para obtener un fármaco: la dilantina, una imida heterocíclica utilizada como anticonvulsivo. Identificar los espectros de IR y NMR de los productos obtenidos. Describir algunas características generales de los fármacos y de la industria farmacéutica. INFORMACION GENERAL La Industria Farmacéutica La industria farmacéutica merece especial atención no sólo porque es un usuario de productos químicos, aunque en pequeño volumen, sino también porque sus gastos de investigación son altos y emplea aproximadamente el 30% del personal técnico de la industria química y de productos relacionados con ésta. Durante los nueve primeros meses de 1996, las 10 compañías más grandes en Estados Unidos reportaron ventas de productos farmacéuticos por 87,000 millones de dólares de ventas y 14,500 millones de dólares de ganancias. Como comparación, las ventas de las treinta primeras compañías químicas, vendieron 67,000 millones de dólares y las diez primeras petroleras vendieron 288,000 millones de dólares y tuvieron ganancias por 14,000 millones de dólares. La industria farmacéutica tiene la responsabilidad de proporcionar medicamentos eficaces y seguros para el tratamiento de enfermedades por lo que existen muchos controles gubernamentales sobre esta industria que aseguran el cumplimiento de estas responsabilidades. Muchos de los medicamentos que existían desde tiempos prehistóricos hasta el advenimiento de las sulfas y de la era de los antibióticos eran, de acuerdo con los conocimientos modernos, pócimas secretas rudimentarias. Pocos de ellos eran benéficas para el paciente. Sin embargo, antes de 1940 se conocía muchos medicamentos de probada efectividad, como se indica en la tabla 1. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Medicamento Laxantes Quinina Vacuna de viruela Cocaína Digitalina Aspirina Fenobarbitona Morfina Insulina Arsfenamina (Salvarsán) Salirgán Sulfanilamida Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 194 TABLA 1 Algunos Medicamentos Tradicionales Clase terapeútica Años de uso en medicina Por muchos siglos Antipalúdico 1639 Aprox. 1800 Anestésico local 1879 Estimulante cardiaco 1890 Analgésico (moderado) 1894 Hipnótico 1912 Analgésico 1820 Hipoglicémico 1921 Antisifilítico 1925 Diurético 1928 Antibacteriano 1932 El descubrimiento de la actividad antibacteriana de la sulfanilamida en 1932 y de la penicilina en 1940 inició una nueva era en la investigación y fabricación de medicamentos que ha sido una gran contribución a la ciencia médica moderna. Durante el período entre 1940 y 1970 se introdujeron muchos nuevos medicamentos potentes y efectivos. La tabla 2 muestra el año de introducción de cada nuevo medicamento que representó un nuevo desarrollo. En muchos casos, estos nuevos medicamentos condujeron a la síntesis de numerosos análogos relacionados, que casi siempre resultaron más poderosos. TABLA 2 Medicamentos Importantes Introducidos Entre 1940 y 1970 Clase terapeútica Nombre Año de introducción Antibióticos Penicilina 1940 Aureomicina 1948 Hormonas sexuales esteroides Testosterona Progesterona 1936-1940 Estradiol Analgésicos Meperidina 1944 Metadona 1948 Estimulante CNS Anfetamina 1944 Antiestamínico Benadril 1946 Antiespasmódico Bantina 1950 Probantina 1953 Esteroide antiinflamatorio Cortisona 1950 Antiinflamatorio (no esteroide) Fenilbutazona 1952 Indometacina 1965 Antihipertensivo Hidralacina 1952 Reserpina 1953 Tranquilizante fuerte Cloropromazina 1954 Tranquilizante moderado Meprobamato 1955 Clorodiazopóxido 1960 Hipoglicémico oral Tolbutamida 1957 Diurético (no mercúrico) Clorotiazida 1958 Hidroclorotiazida 1959 Contraceptivo esteroide oral Enovid 1957 Antidepresivo Imipramina 1959 Vacuna de poliomielitis 1961-1962 Hipocolesterolémico Clofibrato 1962 Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 195 Hay cinco fuentes de productos farmacéuticos. Por el valor de los productos, la fermentación es quizá la más importante, aunque por el tonelaje de producción predomina la síntesis química. La fermentación se utiliza para obtener antibióticos como las penicilinas, estreptomicinas, tetraciclinas y para la modificación del núcleo de los esteroides. La síntesis química proporciona medicamentos como los psicotrópicos y antihistamínicos. Los extractos animales son la tercera fuente y proporcionan diversas hormonas y productos tales como extracto de hígado para el tratamiento de la anemia. Las fuentes biológicas producen las vacunas y los sueros, valiosos para la inmunización, por ejemplo, contra la rubeola y la difteria. Los extractos vegetales son la última fuente y proporcionan los esteroides precursores y los alcaloides como la quinina y la atropina. La industria farmacéutica produce sólo pequeñas cantidades de productos químicos de alto valor, pero obtiene elevadas utilidades. Esta industria hace mayor uso de la química orgánica clásica que la industria petroquímica. Los catalizadores complejos son la excepción más que la regla. Por otra parte, son comunes los procesos en etapas múltiples y los reactivos costosos. El alto valor de los productos significa que pueden tenerse en consideración agentes oxidantes distintos al oxígeno del aire (por ejemplo, permanganato) y agentes reductores distintos al hidrógeno (por ejemplo, hidruro de litio y aluminio). Otra diferencia entre las industrias farmacéutica y petroquímica es que la primera hace más uso de procesos por lotes. Esto se debe en parte a la menor cantidad de productos que se maneja y en parte a que los niveles de pureza requeridos pueden alcanzarse y controlarse con más facilidad. El único medicamento que se produce a la escala de un producto químico industrial orgánico es la aspirina. Los nombres químicos correctos de los productos de la industria farmacéutica en general son demasiado complejos para ser prácticos. Los productos, por tanto, se identifican por su marca y por nombres genéricos que tienen poco o nada que ver con su estructura química. La marca registrada es un nombre seleccionado por el fabricante que se registra en la Oficina de Patentes. Algunos medicamentos son fabricados por más de una compañía y se venden con diferentes nombres comerciales. Así pues, el nombre genérico de uno de los antibióticos importantes es tetraciclina. Cada una de las compañías que fabrica tetraciclina tiene su propio nombre comercial y puede conocerse por Tetracina, Panamicina, Tetrabón o Ambramicina, entre otros. La Acción de los Medicamentos El proceso de descubrimiento de nuevos fármacos ha sido por muchos años un proceso empírico. Sin embargo, actualmente el mecanismo de muchas enfermedades y sus relaciones con los procesos metabólicos se ha desarrollado mucho y se entiende mejor la relación entre la estructura química y la actividad fisiológica o metabólica. La teoría más simple sobre la acción de los medicamentos es la teoría del receptor. Esta teoría establece que hay receptores para los productos químicos dentro del cuerpo que se combinan con grupos funcionales complementarios en el medicamento y producen una respuesta biológica. Estos grupos funcionales complementarios pueden ser átomos de nitrógeno básicos, anillos aromáticos, oxhidrilos y, sin duda, casi cualquiera de los grupos funcionales conocidos. Sin embargo, la presencia de los grupos no es suficiente. Para que sean efectivos deben tener una configuración determinada que sea complementaria a la del receptor que afectan. Además, para que el medicamento sea efectivo, debe llegar a su receptor y no ser absorbido prematuramente en otros sitios, como pueden ser el suero, las proteínas o las membranas tisulares, no debe ser metabolizado ni excretado prematuramente y debe eliminarse del cuerpo una vez que ha concluido su propósito. Cuando llega al sitio apropiado debe adherirse con fuerza ya que puede haber efectos metabólicos competitivos que busquen su eliminación. Es posible que el medicamento pueda modificarse a lo largo del trayecto por la acción de enzimas o por ionización, para ayudarle a adquirir su posición en el sitio receptor. La concentración efectiva del medicamento debe ser mucho menor que la concentración tóxica, aunque nunca se puede alcanzar la seguridad absoluta. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 196 La mayoría de los descubrimientos de las estructuras básicas efectivas han sido empíricos. Sin embargo, una vez que se descubrió la estructura básica, se hicieron numerosas modificaciones sintéticas para alcanzar mayor efectividad, más específica o más general. La modificación estructural ha tenido una función importante en el diseño de medicamentos. Por ejemplo, la penicilina inicialmente no podía consumirse por vía oral porque era hidrolizada por el ácido del estómago. Existe una modificación conocida como penicilina V que es estable al ácido y puede tomarse por vía oral. De modo semejante, la progesterona requiere una modificación química para ser útil en anticonceptivos orales. La acción de un medicamento puede verse modificada por su solubilidad, absorción, actividad metabólica, basicidad y otros factores. Así, la incorporación de ciertos grupos, como átomos de cloro, o un medicamento lo hace más soluble en grasas, actuando la grasa como un depósito del cual el medicamento puede liberarse después de cierto tiempo. Por otra parte, la incorporación de grupos muy polares, como los ácidos sulfónicos, mejora la solubilidad en agua. La absorción en una membrana o la permeabilidad a través de ella puede ser modificada por el número, el tipo y la interacción de los grupos polares. Un medicamento puede convertirse, mediante las enzimas de una ruta metabólica en otra molécula que sea fisiológicamente efectiva. De nuevo la presencia de grupos funcionales puede influir en la actividad metabólica. La complejidad del metabolismo humano y la interacción de los productos farmacológicos activos con él es tan grande que los medicamentos sólo pueden evaluarse por pruebas prolongadas en animales y humanos. Estas pruebas clínicas son lentas y costosas y son el principal costo del desarrollo de un medicamento. Cierta información se requiere con rapidez, como saber si el material es carcinógeno. Se ha desarrollado una técnica en la que se administran dosis masivas a unos cuantos animales. Sin embargo, el hecho de que los animales reaccionen en cierta forma a las dosis masivas de un producto químico no es razón para suponer que los humanos reaccionarán en forma semejante a pequeñas dosis. Se requiere algún sustituto para las pruebas clínicas tan costosas y tediosas, pero se han hecho pocos adelantos al respecto. El método tradicional para descubrir nuevos medicamentos, es buscar actividad biológica en diversas colecciones de compuestos sintéticos o de sustancias derivadas de bacterias, plantas u otras fuentes naturales. Una vez que se encuentra una sustancia prometedora, se hacen modificaciones químicas a la estructura, de una en una, para conocer cómo cada modificación afecta las propiedades químicas y biológicas de la sustancia. Por este método, por cada sustancia que resulta útil para llevarla al mercado, se prueban miles. El procedimiento completo puede requerir de 6 a 9 años con un costo aproximado de 7 millones de dólares. Durante todo este proceso, cabe la posibilidad de que en cualquier momento se descubra un efecto secundario perjudicial que inutiliza muchos años de lentas y cuidadosas investigaciones. Este método tradicional se ha mejorado con el empleo de las técnicas de la química combinatoria. De forma sencilla, consiste en sintetizar un gran número de moléculas orgánicas de estructura semejante al mismo tiempo. En general, se utilizan placas de plástico con 96 pozos o cavidades. Por ejemplo, si se quiere sintetizar una familia de amidas, se pueden emplear ocho diferentes tipos de ácido y 12 diferentes aminas. Las 96 combinaciones se llevan a cabo simultáneamente. Se puede llevar a cabo secuencias de reacciones, una a la vez, pero variando los reactivos en cada una de las reacciones, de forma que en corto tiempo se pueden tener cientos de moléculas semejantes para analizar. La figura 1 describe las diferentes etapas inherentes al desarrollo de un nuevo medicamento. Observe que se requiere la habilidad de químicos, bioquímicos, biólogos, médicos, patólogos, toxicólogos, microbiólogos, farmacólogos e ingenieros, trabajando en conjunto para descubrir y desarrollar un medicamento nuevo. Las propiedades de un medicamento ideal son: 1. Debe ser inocuo y sin efectos colaterales. La dosis letal debe ser muchas veces superior a la dosis terapéutica. Todos los medicamentos encierran ciertos riesgos tóxicos y los pacientes pueden presentar reacciones alérgicas agudas o quedar sensibilizados. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 197 2. La dosis necesaria de cualquier medicamento debe ser de una medida aceptable y no requerir una administración muy frecuente en un período demasiado prolongado. 3. La eficiencia de un medicamento no debe verse seriamente reducida por los líquidos corporales, los exudados, las proteínas del plasma y las enzimas tisulares. 4. Un medicamento debe ser estable y capaz de ser almacenado durante mucho tiempo, aun en climas extremos. Fig. 1 Desarrollo de un nuevo medicamento desde la idea hasta la introducción al mercado Hasta hace pocos años, las compañías farmacéuticas se habían contentado con desarrollar formas racémicas de moléculas quirales, ya sea porque ambos enantiómeros son igualmente activos, o porque uno de ellos es inactivo o inocuo, aunque éste no es siempre el caso. Los pasos de síntesis extra y reactivos costosos que son necesarios para aislar o sintetizar los enantiómeros, elevan mucho los costos de producción en lotes de cientos de toneladas. Sin embargo, la tendencia actual es comercializar el enantiómero puro que es biológicamente activo, ya sea por síntesis o por separación del racemato, y la razón es que las moléculas sobre las que actúan (enzimas, receptores, etc.) son siempre ópticamente activas; por ello, las dosis pueden ser mucho menores y los efectos secundarios, también. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 198 Para lograrlo, han aparecido en los países desarrollados tres tipos de compañías: las que desarrollan agentes para resolver mezclas racémicas y otras sustancias químicas quirales auxiliares (recristalización de derivados diasteroisoméricos, síntesis y aislamiento de reactivos ópticamente puros, el desarrollo de métodos cromatográficos que permiten la resolución de los enantiómeros); compañías más grandes que sintetizan intermediarios enentioméricos y las compañías que combinan la química y la biología para el uso de enzimas en la síntesis de estos compuestos. Clasificación de los Medicamentos en Grupos Farmacológicos Los medicamentos, según su forma de acción, se dividen en varios grupos farmacológicos: medicamentos cardiovasculares medicamentos que afectan el sistema nervioso central antibacterianos esteroides antihistamínicos analgésicos antiinflamatorios no esteroidales psicofármacos laxantes diuréticos misceláneos A continuación se indican las estructuras de algunos medicamentos comunes dentro de cada uno de estos grupos: Medicamentos Cardiovasculares propanolol Protege al corazón contra estímulos indebidos. Es un bloqueador de los receptores de la norepinefrina, que es la que provoca que el corazón se contraiga. Medicamentos que Afectan al Sistema Nervioso Central Los barbitúricos o barbituratos son medicamentos hipnóticos o inductores del sueño. Forman hábito y la dosis letal no es muy alejada de la dosis terapéutica. Los psicotrópicos son fármacos que modifican el estado de ánimo más que inducir el sueño. Se dividen en cuatro categorías, con cierta superposición entre ellas: tranquilizantes, estimulantes y depresores del apetito, antidepresivos y psicomiméticos. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 199 Agentes Antibacterianos Los microorganismos que provocan enfermedades incluyen hongos, virus, protozoos y bacterias. Uno de los primeros antibacterianos en desarrollarse fue la familia de las sulfas: Sulfas Penicilinas Las penicilinas originales fueron compuestos sintetizados por Penicillium notatum, Penicillium Chrysogenum y otros mohos relacionados. De las penicilinas naturales, sólo la penicilina G alcanzó importancia farmacéutica. Actualmente se utilizan penicilinas semi-sintéticas, pues el anillo básico se obtiene por fermentación y a él se agregan cadenas obtenidas por síntesis química. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 200 Cefalosporinas Se sintetizan por modificación química del metabolito producido por el moho Cephalosporium acrimonium. Tetraciclinas También se preparan por fermentación Tetraciclina Metaciclina R1 H H R2 CH3 R3 OH =CH2 R4 H OH R5 H H Fármacos Esteroidales Estos fármacos incluyen anticonceptivos orales, hormonas sexuales, hormonas adrenocorticoides, agentes metabólicos y agentes antiinflamatorios para el tratamiento de la artritis. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 201 Analgésicos Estos fármacos alivian el dolor Antihistamínicos Estos fármacos contrarrestan los estados alérgicos, como la fiebre del heno y la dermatitis de contacto. Agentes Antiinflamatorios no Esferoidales Diuréticos Furomicina Alivian el edema o hinchazón de los tejidos debido a la retención de fluidos, la cual produce elevada presión sanguínea y fallas renales, cardiacas y hepáticas. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 202 Miscelaneos Levo-dopa Este es un fármaco usado para combatir la enfermedad de Parkinson, causada por la disminución del neurotransmisor dopamina en ciertas áreas del cerebro. cimetdina Utilizada para el tratamiento de las úlceras gástricas. Idoxuridina Agente antiviral, para el tratamiento del Herpes simplex. 6-azauracilo 6-tioguanina vinblastina Agentes que se utilizan para combatir el cáncer. Acción Biológica de la Dilantina En esta práctica, la cual se llevará a cabo en dos sesiones de laboratorio, sintetizaremos un fármaco antiepiléptico: la dilantina. Las principales células del sistema nervioso son las neuronas, que tienen como función transmitir los impulsos nerviosos que se generan en los órganos sensitivos hasta el sistema nervioso central y también deben llevar la respuesta de éste, a los músculos y otros órganos. La transmisión entre neuronas es un Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 203 fenómeno eléctrico pero también es un fenómeno químico, pues en la zona de interacción entre neuronas, llamada sinapsis, a donde llega la señal eléctrica de la fibra nerviosa, se provoca la liberación de sustancias químicas llamadas neurotransmisores, que afectan la siguiente fibra nerviosa, que se polariza y lleva la corriente eléctrica a través de la fibra hasta la siguiente neurona. En el cerebro están involucradas muchas señales simultáneas que en parte son controladas por los niveles plasmáticos de ácido γ-aminobutírico (GABA), que es un inhibidor de la transmisión nerviosa. Si el nivel de GABA es bajo, se aumenta la sensibilidad a señales eléctricas pequeñas. Si ciertas neuronas emiten señales eléctricas de forma no controlada, se inducen movimientos espásticos violentos. Esto es lo que pasa con algunas formas de convulsiones epilépticas, que se asocian con valores más bajos de lo normal de GABA en el cerebro. Puede esperarse que estas convulsiones pudieran controlarse administrando GABA, pero esto no es posible pues esta sustancia no llega a la circulación sanguínea del cerebro, debido a que no cruza una barrera llamada barrera hematoencefálica. En lugar de ello, se puede aprovechar el hecho de que el GABA se absorbe en la pared de las células, si puede desplazarse de ese lugar, el nivel de GABA en el plasma puede aumentarse hasta niveles adecuados. En 1938, se descubrió un compuesto que controla convulsiones epilépticas. Este material, llamado dilantina o difenilhidantoína, demostró ser valioso porque en dosis normales no es sedante, a diferencia del fenobarbital, que se había utilizado anteriormente. Aproximadamente 1% de la población padece epilepsia y es considerado el segundo trastorno neurológico más común después de la embolia cerebral. Aunque el tratamiento ordinario permite controlar las convulsiones en el 80% de los pacientes, otros sufres epilepsia incontrolada. Las causas de las convulsiones son numerosas e incluyen una amplia gama de enfermedades neurológicas, desde infección y neoplasma, hasta algún traumatismo. En la actualidad se dispone aproximadamente de 16 medicamentos antiepilépticos principales. Trece de ellos pueden ser clasificados en cinco grupos químicos muy semejantes: barbitúricos, hidantoínas, oxazolidinas, succinimidas y acetilurea que tienen la misma estructura básica mostrada a continuación: . Síntesis de la Dilantina Prepararemos la dilantina en tres pasos; el primero consiste en la adición de dos moléculas de benzaldehido para dar una α-hidroxicetona llamada benzoína. En el segundo paso se hace una oxidación controlada para oxidar el grupo hidroxilo a cetona, obteniéndose así una α-dicetona conocida como bencilo. En el último paso se cierra un anillo heterocíclico mediante la doble condensación del bencilo con la urea para formar la dilantina. I. Adición de dos moléculas de benzaldehido para sintetizar benzoína Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 204 Los aldehidos aromáticos, cuando se calientan en presencia de cantidades catalíticas de cianuro de sodio o potasio en etanol acuoso, se dimerizan formando un enlace carbono-carbono entre los dos grupos carbonilo dando la α-hidroxicetona correspondiente (una clase de compuestos con el nombre genérico de benzoína o aciloina). Esta reacción, que es reversible, se conoce como condensación benzoínica, aunque no es realmente una condensación ya que no se produce agua o alcohol. El ión cianuro es un catalizador específico para la reacción con aldehidos aromáticos, funciona porque es un buen nucleófilo, estabiliza el carbanión intermediario y es un buen grupo saliente. Esta condensación sencilla se descubrió accidentalmente por Wohler y Liebig en 1832, cuando trataron de aislar la cianohidrina del benzaldehido en presencia de una base para eliminar las impurezas ácidas. El mecanismo de la formación de la benzoína implica varios pasos. Se inicia con la adición reversible del ión cianuro al grupo carbonilo de un benzaldehido para formar el anión de la cianohidrina (paso 1), que en etanol acuoso rápidamente se equilibra con la cianohidrina neutra (paso 2). La acidez del enlace C-H adyacente al grupo ciano aumenta por la estabilización por resonancia del anión, y bajo las condiciones básicas de la reacción, se forma el carbanión isómero (paso 3). Éste se adiciona a una segunda molécula de benzaldehido (paso 4); el intercambio de protón y la pérdida del ión cianuro (pasos 5 y 6) lleva a la benzoína. El paso determinante de la reacción parece ser el paso 4. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 205 Hay dos requisitos para una catálisis efectiva en la condensación benzoínica. Primero, el catalizador debe dar cantidades significativas del carbanión I (paso 3) pero no formar un enlace tan fuerte que el catalizador no pueda perderse fácilmente en el último paso. Segundo, el catalizador debe estabilizar al anión lo suficiente para permitir que el enlace C―H se rompa fácilmente, pero no tanto que el anión se vuelva no reactivo. Por más de 100 años, la única especie que se había encontrado que satisfacía estos requerimientos fue el ión cianuro. Sin embargo, en 1958 Breslow descubrió que la base conjugada de la sal de tiazolio era también un catalizador efectivo; se añadía reversiblemente a los aldehidos y estabilizaba por resonancia el anión. Lo que dio un significado más amplio a su estudio, fue que Breslow reconoció que la tiamina (vitamina B1) contiene una unidad de tiazol y numerosas reacciones bioquímicas importantes que la requieren como una coenzima pueden ser comprendidas como análogas de la condensación benzoínica. La condensación benzoínica catalizada con tiamina es una reacción de química verde ya que elimina el uso de un reactivo sumamente tóxico y peligroso, el ión cianuro, el cual en la reacción tradicional no se consume y requiere ser tratado para su disposición final. La tiamina (vitamina B1) es un metabolito normal y no requiere de ningún tratamiento para su disposición final. Adicionalmente, ya que la reacción se lleva a cabo a temperatura ambiente en lugar de un reflujo, se disminuye su impacto en las fuentes de energía. II. Oxidación suave de la benzoina para sintetizar bencilo La benzoína puede oxidarse a la dicetona de diversas maneras. Tradicionalmente esta oxidación se llevaba a cabo con oxidantes como el ácido nítrico, procedimiento riesgoso y muy poco amigable con el medio ambiente, ya que el ácido nítrico es muy corrosivo y durante la rección se producen como subproductos una gran cantidad de vapores de óxidos de nitrógeno, sumamente tóxicos. Una oxidación de química verde, benigna con el medio ambiente, es la “oxidación acoplada” utilizando Cu2+ como oxidante catalítico de transferencia. En una oxidación acoplada pues la oxidación total procede en dos Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 206 pasos distintos. En el método que utilizaremos, el acetato de cobre se usa en cantidades catalíticas (menos del 1% de la cantidad estequiométrica requerida) y es reoxidado continuamente del estado reducido (ión cuproso) por el nitrato de amonio, que está presente en exceso. Este compuesto se reduce a nitrito de amonio, que se descompone en la mezcla de reacción a nitrógeno y agua. Es conveniente representar estos dos pasos de oxidación de la forma usada por los bioquímicos, que comúnmente trabajan con reacciones múltiples acopladas. Las sales cúpricas son agentes oxidantes suaves que no atacan la dicetona. En la ausencia de Cu2+, el nitrato de amonio no oxida a la benzoina (o al bencilo) en cantidad importante. Esta reacción es general para las αhidroxicetonas. III. La condensación de bencilo con urea para formar dilantina Cuando el benzilo y la urea se calientan juntos con una base como catalizador, se condensan para formar dilantina o 5,5-difenilhidantoina o 5,5-difenil-2,4-imidazolidindiona. Esta reacción es ambientalmente amigable. El proceso involucra un rearreglo del esqueleto ya que en el producto ambos fenilos están unidos al mismo átomo de carbono. Un posible mecanismo es el siguiente: El primer paso implica la abstracción por la base de un protón de una amida seguido de la adición de uno de los carbonilos del bencilo. A continuación se transfiere un protón y se pierde una molécula de agua lo que da un intermediario de condensación. El segundo paso es similar al primero, pero después de la adición del carbonilo, el grupo fenilo unido migra y la protonación del anillo da origen a la dilantina. Seguramente el rearreglo ocurre porque la estabilidad de la imida (-CO-NH-CO-) lo provoca. Espectros de Infrarojo y de Resonancia Magnética Nuclear del Reactivo y los Productos Puros Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. 207 Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. 208 Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina Espectros de Infrarrojo de los Productos Crudos (sin recristalizar) Obtenidos en esta Práctica Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. 209 Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 210 TÉCNICA I. Síntesis de benzoína a) Síntesis de benzoína con cianuro como catalizador ¿Qué precauciones son muy importantes en el manejo del cianuro? En un matraz redondo de fondo plano de 20 mL, con junta esmerilada roscada 14/10, ponga un agitador magnético. Coloque en el matraz 0.15 g de cianuro de potasio, ¿Qué reacción se está llevando a cabo? disuélvalo en 1.5 mL de agua; añada 3 mL de etanol de 95% y 1.5 mL de benzaldehido puro. Adapte al matraz un refrigerante para llevar a cabo un reflujo durante 40 minutos. No olvide engrasar ligeramente las juntas. Al terminar el tiempo de reflujo, Enfríe el matraz, primero a ¿Por qué se favorece la cristalización temperatura ambiente y después en baño de hielo y, si los raspando? cristales de benzoína no aparecen en unos minutos, raspe la pared del matraz con una varilla de vidrio para inducir la cristalización del producto. Cuando ésta se haya completado, filtre el producto al vacío ¿Qué pasa si el papel es más grande? usando un matraz kitasato de 50 mL y un embudo Hirsch, no olvide que el papel debe cubrir perfectamente el fondo de la placa, sin sobresalir de éste. Lave los cristales varias veces ¿Qué impurezas se eliminan en este con pequeñas porciones de una mezcla de etanol del lavado? 95%:agua 1:1. Pase el filtrado a un matraz Erlenmeyer de 25 mL. Deje los cristales en el vacío para que su producto termine de secarse. ¿No sería igual, o mejor, lavar sólo con Determine el peso del producto para sacar el rendimiento. agua? Separe suficientes cristales de benzoína para obtener el punto de fusión y el espectro de IR; para la prueba específica descrita más abajo y para verificar la pureza en una placa de sílica gel utilizando cloruro de metileno como eluyente y UV para observar el cromatograma. . Estos cristales incoloros de bezoína, generalmente tienen ¿Por qué el p.f. es indicativo de la pureza? una pureza adecuada (p.f. 134-135oC) para continuar con el siguiente paso de la síntesis sin recristalizar el producto. El rendimiento usual de benzoína cruda es de 1 a 1.2 g. La ¿Qué deberá hacerse si el p.f. es menor del benzoina puede recristalizarse, con una pérdida del 10 al 15 rango indicado? %, de metanol (12 mL/g de benzoina) o de etanol (8mL/g). Disposición del cianuro ¿Por qué no debe desecharse el cianuro sin tratarlo? Para disponer del cianuro, al matraz Erlenmeyer de 25 mL que tiene el filtrado, añádale 1 mL de hidróxido de sodio al ¿Cuáles son los productos de oxidación del 1% y 5 mL de hipoclorito de sodio doméstico para oxidar el cianuro? cianuro. Tape el matraz con un tapón de hule y deje reaccionar la mezcla 10-15 minutos. La solución resultante puede diluirse con agua y tirarse en la tarja, con el agua corriendo. ¿Cuál deberá ser característica más importante de estos productos? Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 211 b) Síntesis de benzoína con tiamina como catalizador En un matraz Erlenmeyer de 25 mL prepare una solución de ¿Qué reacción se está llevando a cabo? 520mg (1.5 mmol) de clorhidrato de tiamina en 1.5 mL de agua. Cuando todo el sólido se haya disuelto, añada, agitando bien entre cada adición, 4 mL de etanol al 95%, 1.5 mL de hidróxido de sodio al 10% (3 mmol) y 1.5 mL (1.6 g, 15 mmol) de benzaldehido. Tape el matraz y déjelo reposar a temperatura ambiente al menos durante la noche (los ¿Cuál es la función del NaOH en esta reacción? periodos de tiempo más largos no son perjudiciales). Al final del tiempo de reacción, la benzoína debe haberse separado como cristales finos. Enfríe el matraz en un baño de hielo-agua para completar la cristalización, filtre el producto al vacío en un embudo Hirsch, lave bien los ¿Por qué la reacción con tiamina requiere cristales con dos porciones de 3.5 mL cada una de una de mayor tiempo que con cianuro? solución fría de etanol al 50% y con varias porciones de agua. Presione los cristales para secarlos tanto como sea posible y espárzalos en un papel filtro para que terminen de secarse al aire. El producto, sin secarse completamente o sin recristalizarse, ¿Se podría calentar a reflujo para reducir el puede ser usado para la preparación de derivados o para tiempo? conversión a bencilo o ácido bencílico. La benzoína puede purificarse, con una pérdida de 10-15%, por recristalización de metanol (12 mL/g de benzoína) o de etanol (8 mL/g). Demuestre la pureza del producto por cromatografía en ¿Cuál sería la impureza principal? placa delgada. Prueba específica para la benzoína En un tubo de ensaye disuelva unos cuantos cristales de benzoína en 1 mL de etanol del 95%. La adición de una o dos gotas de NaOH al 10% produce una coloración púrpura. El color desaparece cuando se agita vigorosamente en el aire pero reaparece si la solución se deja reposar. En esta prueba ocurre una autooxidación de la benzoína a bencilo y a otros compuestos enólicos que con el bencilo forman un complejo. La aparición-desaparición del color puede repetirse varias veces, agitando y añadiendo más sosa; finalmente, la benzoína se agota, oxidándose a ácido bencílico y el color desaparece. II. Oxidación de benzoína para formar bencilo En un matraz redondo de fondo plano, con junta esmerilada 14/10 roscada de 10 mL, coloque 0.875 g de benzoína sin recristalizar, 2.5 mL de ácido acético glacial, 0.4 g de nitrato ¿Cuáles son las reacciones concertadas que de amonio pulverizado y 0.5 mL de una solución al 2% de están ocurriendo? acetato de cobre (esta solución del catalizador se preparó disolviendo 2.5 g de acetato cúprico monohidratado en 100 mL de ácido acético acuoso al 10%; después de agitar bien se filtró para remover las sales de cobre que puedan haber precipitado). Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina Añada al matraz un agitador magnético, engrase la junta y ajuste el refrigerante para llevar a cabo un reflujo. Cuando los reactivos empiezan a disolverse, se inicia la emisión de nitrógeno. Si se monta el aparato con una trampa de gases (similar a la de la figura adjunta) se puede seguir la reacción por el desprendimiento de nitrógeno (para oxidar 0.875 g de benzoina el volumen de nitrógeno desprendido, en condiciones estándar, sería aproximadamente de 92.8 mL). 212 ¿Cómo puede calcularse el volumen del nitrógeno esperado? Ponga la mezcla a reflujo durante 1.5 horas para completar La reacción con el Cu+2 (azul) es catalítica. la reacción. La mezcla de reacción cambia de azul a verde al ¿A qué se debe la aparición del color verde? ¿De qué color debe ser el producto? llevarse a cabo la reacción. Enfríe la solución a 50-60oC y vierta la mezcla de reacción en 10 mL de agua con hielo, enfríe en baño de hielo y deje reposar unos 15 min., agitando ocasionalmente para inducir completamente la cristalización. Después de cristalizar, filtre los cristales amarillos de bencilo al vacío, en un embudo Hirsch con un matraz kitasato de 50 mL, y lávelos abundantemente con agua de hielo. Deseche el filtrado al drenaje (el contenido total de Cu es menos de 8 mg). y deje los cristales secándose en el vacío presionando el producto para secarlo lo más posible. El rendimiento de producto crudo ya seco es de 1.4 a 1.6 g. El bencilo puede recristalizarse de metanol o de una solución acuosa de etanol al 75 %. ¿Por qué el enfriar y el raspar favorece la cristalización? ¿Qué impurezas se eliminan en este lavado? Verifique la pureza de su producto ya seco en una placa ¿Qué sustancia, la benzoína o el bencilo, delgada de sílica gel utilizando cloruro de metileno como tendrá mayor Rf? ¿Por qué? eluyente y UV para observar el cromatograma. Corra la placa con benzoína como testigo. Si el producto está libre Determina el Rf de la benzoína y el bencilo de benzoína utilícelo así para la síntesis de la dilantina. Si su producto está contaminado con benzoína, purifíquelo por cromatografía en una columna de sílica gel montada en una microbureta como columna de cromatografía, como se muestra en la figura. ¿Qué pasa si la altura de la sílica gel es Ponga en la columna primero un algodón pequeño y 2-3 mm demasiado baja? ¿y demasiado alta? de arena, Añada a la columna suficiente sílica gel seca (7-8 cm) y nuevamente 2-3 mm de arena. Añada a la columna cloruro de metileno (CH2Cl2) como eluyente, permita que el cloruro de metileno fluya hasta mojar toda la sílica y vacíe el solvente hasta la orilla de la ¿Por qué crees que no se recristaliza para arena. purificar el bencilo de la benzoína? Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 213 Disuelva el bencilo en la mínima cantidad de cloruro de metileno, añada la solución con una pipeta Pasteur a la columna y, con la llave abierta, permita que toda la sustancia entre a la columna, añadiendo pequeñas porciones del solvente, cuidando que no se seque la columna. Una vez que todo el bencilo esté dentro de la sílica, eluya con cloruro de metileno (unos 20 mL deben ser suficientes). Recolecte la solución de bencilo en un matraz de bola de fondo plano, junta 14/10, de 20 mL. Continúe eluyendo hasta que salga todo el bencilo, lo que puede seguirse fácilmente por el color amarillo de este compuesto. En caso de que el matraz se llene en ¾ partes, continúe la recolección de una segunda fracción en un matraz Erlenmeyer de 25 mL Ponga un agitador magnético en el matraz, monte un equipo destilación para recuperar el solvente. Destile hasta un volumen de unos 5 mL. Si hay una segunda fracción añádala al matraz de bola y destílela también. Con una pipeta Pasteur pase el residuo a un vaso de precipitados de 20 mL y termine de evaporar a sequedad, teniendo especial cuidando de no quemar el producto. Los cristales obtenidos se recuperan bajándolos con la espátula a un papel glassine. Determine el punto de fusión y el rendimiento obtenido. Separe algunos cristales para obtener el IR del bencilo. III. Síntesis de dilantina. ¿Qué reacción está ocurriendo? Tenga en En un matraz redondo de fondo plano de 20 mL, coloque cuenta que en esta etapa el producto es la 400 mg del bencilo obtenido en el paso anterior, 200 mg de sal sódica de la dilantina. urea, 6 mL de etanol y 1.2 mL de hidróxido de sodio acuoso al 30%. Engrase la junta, añada un agitador magnético, adapte el refrigerante y refluje la mezcla durante 1 hora. Enfríe la mezcla de reacción, añada 10 mL de agua y, sólo si ¿Cómo es la solubilidad de este producto es necesario, filtre la solución al vacío para eliminar un en agua? producto secundario poco soluble que algunas veces se forma. Acidifique el filtrado con ácido clorhídrico concentrado. Los ¿Para qué se acidifica el filtrado? cristales obtenidos se filtran al vacío en un embudo Hirsch. Los cristales se lavan abundantemente con agua de hielo y se dejan secar en el vacío. Recristalice la dilantina obtenida de etanol. ¿Qué impurezas se eliminan en este lavado? Calcule el rendimiento obtenido de este paso y el total de los tres pasos. Determine el punto de fusión (cercano a 3000C). Separe unos cristales para obtener el UV e IR de su producto. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. 214 Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 215 CUESTIONARIO DE PRELABORATORIO 1. Para los casos de la ampicilina y la codeína, cuyas estructuras se muestran en el protocolo de la práctica, indique: a) ¿Qué grupos funcionales contienen? b) ¿Cuántos centros quirales tiene cada molécula? c) ¿Cuántos diastereoisómeros existen de cada una? 2. La benzoína producida en el experimento contiene un centro quiral, pero el producto no es ópticamente activo. a) Explique este hecho b) ¿Cómo podrían separarse los estereoisómeros de esta molécula? 3. Observe la estructura del diazepan y la cimetidina, cuyas estructuras se muestran en el protocolo de la práctica e indica: a) ¿Cuál es el nombre de los heterociclos que forman parte de sus estructuras? (solamente de los heterociclos, no de toda la molécula). b) ¿Estos ciclos son aromáticos? Explique tu respuesta. 4. Escriba una ecuación balanceada para la reacción de oxidación de la benzoína por el nitrato de amonio (el ión cúprico es un catalizador y no es necesario considerarlo). 5. Observe los espectros de IR del benzaldehido y de los productos que obtendremos a) Asigne las bandas a los grupos funcionales que cada uno contiene. b) Observe que no se incluyó el espectro de la 5,5-difenilhidantoína (dilantina) sino de la 5-ciclobutil5-fenilhidantoína. ¿Qué diferencias espera encontrar en el espectro del producto que obtendremos? c) Asigne los picos a cada tipo de hidrógenos de la benzoína y el bencilo en los espectros de RMN. 6. Investigue las características peligrosas de los compuestos involucrados en la práctica y las precauciones para su manejo adecuado. CUESTIONARIO DE POSTLABORATORIO 1. Investigue el método de síntesis utilizado en la industria farmacéutica de alguno de los fármacos incluidos en el protocolo (con excepción de la aspirina). 2. ¿Qué Rf encontró en la cromatografía en placa para la benzoína y el bencilo? ¿Cómo explica esta diferencia? 3. Las 1,2 dicetonas como el bencilo pueden caracterizarse por la reacción con o-fenilendiamina para formar una quinoxalina sustituida. Escriba el mecanismo de esta reacción. 4. Investigue algún método de síntesis estereoespecífica que sea útil en la síntesis de fármacos. La bibliografía incluye referencias en la revista Chemical and Engineering News. (Un caso diferente para cada grupo de trabajo). Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. 5. Práctica 11. Síntesis de benzoína, bencilo y dilantina 216 El Premio Nobel de Química del año 2001 se concedió a investigadores que han trabajado en catalizadores para síntesis estereoespecíficas. Investigue con más detalle este interesante tema y presente un resumen. Incluya la estructura de los catalizadores utilizados y el tipo de reacciones en los que se utilizan. REPORTE 1. Indique: a) los porcentajes de rendimiento de cada una de las reacciones b) los puntos de fusión reportados en la literatura y experimentales de los compuestos obtenidos 2. Interpretación de los IR obtenidos e incluidos en la página 16 del instructivo. Indique si considera si están puros o qué los está impurificando y por qué. 3. Preguntas de post-laboratorio 4. Comentarios y conclusiones sobre el desarrollo de la práctica. 5. Entrega el o los productos obtenidos. BIBLIOGRAFIA • • • • • • • • • • • • • • • • Williamson, Kenneth L.; “Macroscale and Microscale Organic Experiments”, D.C. Heath y Company. S, 2nd. Ed., 1994. Pags. 487-493. Wilcox, Charles F. Jr. & Wilcox, Mary F.; “Experimental Organic Chemistry, A Small Scale Approach”, Prentice-Hall, 2nd. Ed., 1995, pags. 477-484. Mayo, D.W., Pike, R.M., Trumper P.K.; “Microscale Organic Laboratory”, John Wiley, 3rd. Ed., 1986. Pags. 468-477. Witcoff, Harold A. y Reuben B.G. “Productos Químicos Orgánicos Industriales”. Vol. 2. Tecnología, Formulaciones y Usos. LIMUSA, 1987, pags. 237-302. Kent J.A. “Manual de Riegel de Química Industrial” CECSA, 1984. Pags.635-657. Katzung B.G. “Farmacología Básica y Clínica”. El Manual Moderno, 1987, pags.270-287. “Combinatorial approaches provide fresh leads for medicinal chemistry”. Chemical and Engineering News. Febrero 7, 1994. pags. 20-27. “Combinatorial Chemistry”. Chemical and Engineering News. febrero 12, 1996. pags. 28-73. Splunckett M. J. y Ellman J.A.. “Combinatorial Chemistry and New Drugs”. Scientific American, abril, 1977. pags. 54-59. Chiral Drugs. Chemical and Engineering News. Septiembre 28, 1992. pags. 46-79 Chiral Drugs. ibid. Septiembre 27, 1993. pags. 38-63 Chiral Drugs. ibid. Septiembre 19, 1994. pags. 38-72 Chiral Drugs. ibid. Octubre 9, 1995. pags. 44-74 Chiral Drugs market shows signs of maturity. Ibid. Octubre 20, 1997, pag.38 Fertile Chemistry in Chiral Chemistry. Ibid Mayo 8, 2000, pag. 59. ¿What´s up with BINOL and BINAP? Ibid. Sept 4, 2000. Pag. 40-42. Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana.
