OH - Facultad de Química UNAM

México, D.F., 2012
La Química de la perezona a 200 años del nacimiento
de LeopoldoRio de la Loza
El papel de la perezona en el desarrollo de la química
en México.
México.
Dr. Gabriel Cuevas
Instituto de Química. UNAM.
1
Definición de la estructura molecular.
Constitución
Conectividad
Configuración
Conformación
¿es relevante?
¿tiene consecuencias?
2
Definición de la estructura molecular.
Constitución
Número y tipo de átomos que
forman la molécula.
Permite obtener la fórmula
Molecular.
Ejemplos:
C2H6O; C6H12O6
3
Definición de la estructura molecular.
Conectividad
Forma en la que los átomos se unen unos con otros
a través de enlaces. Un enlace es la acumulación de
densidad electrónica entre dos átomos.
Isómeros estructurales:
4
Definición de la estructura molecular.
Configuración
Isómeros configuracionales: se interconvierten entre sí mediante
la ruptura de enlaces.
Un caso de isomería lo presentan los isómeros quirales.
5
Definición de la estructura molecular.
Constitución
Conectividad
Configuración
Conformación
¿es relevante?
¿tiene consecuencias?
6
La historia inicia con:
Leopoldo Río de la Loza
Ciudad de México,
15 de noviembre de 1807
A 200 años de su nacimiento.
7
8
9
Nace el 15 de noviembre de 1807 en el seno de una familia dedicada a la
Química. Hijo de Mariano Río de la Loza, químico de profesión.
1815 Explosión durante la destilación de Cloruro de Mercurio.
En 1820 ingresa a Colegio de San Ildefonso.
Ingresa al Jardín Botánico llevando cursos con Vicente Cervantes.
Ese mismo año es aceptado como discípulo de Manuel Cotero con quien
cursa Química en la Escuela de Minas.
Ingresa a la Escuela de Cirugía en el Hospital Real
En 1927 se gradúa como cirujano, en 1828 como médico farmacéutico y
en 1833 como médico.
Urbán,, G.; Aceves, P. Rev. Soc. Quim.
Urbán
Quim. Méx. 2001
2001,, 45, 3535-39.
10
Discurso pronunciado por el Catedrático de Química Médica de la
Escuela de Medicina, en el acto público del ramo el día 23 de
Noviembre de 1852:
“Pretendo dar a conocer un nuevo principio
inmediato, curioso por su aspecto, precioso por
las reacciones que presenta y útil por la acción
que ejerce sobre el organismo. A este principio,
que tengo el honor de presentar con la
cristalización que le es propia, he dado el
nombre de ácido pipitzahoico, para conservar el
mexicano, que tal vez cambiaré a eupatórico, sin
duda más científico, si encuentro el ácido en
otras plantas del mismo género.”
11
En primer lugar se describieron sus propiedades cristalinas, su
punto de fusión, su reactividad frente a ácidos, bases y
halógenos. La descripción incluye sus propiedades ácidobásicas:
Ojo: estamos hablando de 1852:
“... la capacidad de saturación de este ácido es débil, pero su
sensibilidad con los álcalis es igual, si no mejor, que la del
tornasol enrojecido como se está viendo en esta solución que
sólo contiene 0.000006 de ácido pipitzahoico; pudiéndose reducir
aún a dos y hasta una millonésima”
12
“... Aunque el número de operaciones practicadas hasta ahora,
en unión de mi amigo el Sr. Caraveri, no dejan enteramente
satisfecha la escrupulosidad indispensable a estos trabajos, no
habiendo cosa alguna notable que inspire desconfianza en los
resultados, presentamos la composición elemental del ácido
pipizahoico, protestando rectificarla y fijar los equivalentes
cuando se hayan estudiado los pipitzahoatos.
En mil partes de ácido pipitzahoico hay:
O: 201.24, H 83.32, C: 638.66 y Az: 76.78.”
13
Leopoldo Río de la Loza en 1856:
O: 201.24, H 83.32, C: 638.66 y Az
Az:: 76.78
(suma: 715.44)
Cálculo actual:
O: 193.5, H: 80.6, C: 725.8
14
¿Cuál es el origen del error?
Método de Liebig (Liebig J. Anleitung zur Analyse
1837).
).
Organischer körper.
körper. Braunschweig,
Braunschweig, 1837
Método de Dumas (Dumas J.B. Compt.
Compt. Rend.
Rend. 11,
287, 1840
1840).
).
Método de Kjeldahl (Kjeldahl,
Kjeldahl, J.G. Z. Anal. Chem.
22, 366, 1883
1883).
).
Oxidación de Schöniger (Schöniger,
Schöniger, W. Mikrochim.
Mikrochim.
1955,, 123).
Acta, 1955
15
CuO + muestra orgánica (CHO) CO2 + H2O
El agua se retiene en una trampa de óxido de calcio
El dióxido de carbono se retiene una trampa de
hidróxido de sodio
16
17
M. LE Da Justus Liebig. Instruction sur Analyse des corps organiques. Traducción de
Aguste Schmersahl Librerie Sicentifique Industrialle et Agricole. Paris, 1838.
18
M. LE Da Justus Liebig. Instruction sur Analyse des corps organiques. Traducción de
Aguste Schmersahl Librerie Sicentifique Industrialle et Agricole. Paris, 1838.
¿Cuál es el origen del error?
En 1876 Vicente Gómez y Couto,
Couto, alumno de la
Escuela de Medicina presenta el estudio de la
Coca. En la sección de acción de la coca sobre la
nutrición es importante determinar la
concentración de urea en orina de rata.
19
¿Cuál es el origen del error?
Método de Leconte,
Leconte, basado en la descomposición
que sufre la urea por los hipocloritos, que la
transforman en azóe,
azóe, agua y ácido carbónico, el
cloro del hipoclorito queda en el licor formando un
cloruro. El hipoclorito que usa es el de sosa:
C.H.4Az2O + 3 Na.Cl.O.
Na.Cl.O. = 3 NaCl + 2 H.2O. Co.2 + Az.2
No hay peligro de que pase a la campana en que
se recoge el azoe nada del ácido carbónico
porque este queda en la solución en exceso de
hipoclorito que lo retiene.
retiene.
20
¿Cuál es el origen del error?
Leconte ha establecido por multitud de observa
observa-ciones que 34 centímetros cúbicos de azoe a 0o,
760 milímetros de presión correspondiente a 0.1
decigramo de urea.
Para 1890 era un método bien establecido, así
como los métodos de Ivon y de Magnier.
Magnier.
21
¿Cuál es el origen del error?
¿Es posible que se determinara nitrógeno por la
reacción de la perezona con hipoclorito de sodio?
¿Es posible que algo de CO2 pasara por error al
tubo de medida de nitrógeno por saturación en
el recipiente diseñado para atraparlo?
22
Fuentes de error:
La balanza
Fritz Pregl (PN 1923)
23
► “El
volumen de la delgadísima película de
disolución que recubre las paredes del
recipiente de medida del gas es suficiente
para producir errores considerables”
24
Wed da una fórmula de la perezona y establece
que es un producto natural de fórmula:
C30H20O6
(problema de la equivalencia química de los elementos)
Wed, M.C. Ann. 1855
1855,, 95, 188.
25
Mason C. Wela estudio la química de estos cristales por
sugerencia de Liebig y confirmó que su formula
corresponde a C15H20O3.
Mylius descubrió que definitivamente no es un ácido
carboxílico y tomando el nombre de la planta, la llamo
‘Perezona’.
Perezona’. Además, Mylius,
Mylius, Anschutz y otros ratificaron
la formula C15H20O3 propuesta por Wela y confirmaron
que dos de los oxígenos pertenecen a quinonas y el
tercero a un grupo fenol.
26
► Se
presenta la molécula en la Sesión de
1884 de la Sociedad del Bajo Rhin en Bonn.
► Remfry
en Inglaterra en 1913 prepara el
benzoato de β-pipitzol
pipitzol..
27
Entre 1852 y hasta 1919 la molécula es objeto de varios estudios:
-Derivados
-primeras estructuras
1. Es una quinona.
quinona.
2. Tiene dos grupos alquilo.
3. Tiene un hidroxilo
4. No es un ácido carboxílico.
28
La configuración se resolvió primero.
Determinación de la configuración absoluta de la perezona.
O
OH
COOH
COOH
H2/PtO2
H2O2/KOH
O
Idéntica rotación
OHC
OH
OH
COOH
CHO
H
(R)-(D) -(+)-gliceraldehido
(R) -(+)-citronelal
R
Arigoni, D.; Jeger, O. Helv. Chim. Acta. 1954, 37, 881
29
Determinación de la posición de
las cadenas hidrocarbonadas
(inicia el interés en la conectividad)
O
O
O
OH
Anilina PhN
H
O
OH
OH
H2SO4 dil. HO
AcOH
O
O
1. H2
2. Me2SO4
OMe
HOOC
OMe
COOH
1. Zn/calor
2. CrO3
MeO
OMe
Joseph-Nathan, P. Rev. Soc. Quim. Méx. 1974, 18, 226.
30
Síntesis de dihidroperezona.
O
O
O
EtO2C
OMe
OMe
OMe
Base
CO2Et
KOH
Calor
Br
OMe
OMe
OMe
MeMgI
OH
OH
OMe
OMe
1. H+
HI
2. H2
OH
OMe
OMe
HCN
CHO
O
OH
OH
H2O2/KOH
OH
O
Yamaguchi, K. J. Pharm. Soc. Japan, 1942, 62, 491.
31
32
Síntesis de dihidroperezona
O
O
O
OH
H2
HO
HO
O
O
Producto sintético
O
Dihidroperezona
O
O
OH
PhHN
Muestra auténtica.
NHPh
Punto de Fusión (ºC)
P. Natural P. Sintético
Dihidroperezona
95
103-105
Anílido
139
89-91
Dihidroxiperezona 143-144 126-127
HO
O
O
O
O
OH
HO
OH
HO
O
O
Yamaguchi, K. J. Pharm. Soc. Japan, 1942, 62, 491.
33
Síntesis de dihidroperezona
O
O
O
OH
H2
HO
O
HO
O
Producto sintético
O
Muestra auténtica.
Las diferencias se deben a que la perezona es un producto natural quiral
y se ha obtenido una mezcla racémica.
Pero la diferencia se debía a que la estructura sintetizada era incorrecta.
Yamaguchi, K. J. Pharm. Soc. Japan, 1942, 62, 491.
34
Pero: ¿Cuál es la conectividad?
Se sabía que era una p-quinona, con dos grupos alquilo en posición para,
y un hidroxilo adicional dada la composición de oxígeno (O3)
O
O
OH
H
H
HO
O
O
Kögl y Boer
Walls et al.
Walls, F.; Salmón, M.; Padilla, J.; Joseph-Nathan, P.; Romo, J. Bol. Inst. Quı´m. Univ. Nac. Auton. Mex. 1965, 17, 3-15.
35
50 años de Resonancia Nuclear Magnética
en el Instituto de Química de la Universidad
Nacional Autónoma de México
Dr. José Luis Mateos Gómez
Mateos Gómez, J.L.; Imagen y Obra Escogida. Colección México y la UNAM. 24, 1984.
Universidad Nacional Autónoma de México.
Diaz, E. J. Mex. Chem. Soc. 2002, 46, 277-283.
36
37
Dr. José Luis Mateos Gómez
Primera Tesis doctoral en la que se emplea RNM Tesis del Dr. Javier
Padilla Olivares
38
RMN
O2
C4
C7
OH
perezona
7
C8
6
C1
C9
O1
14 8
14 8
13
C14
15
15
OH
OH
6
6
12
12
9
9
Walls, F.; Salmón,39M.; Padilla, J.; Joseph-Nathan, P.; Romo, J. Bol. Inst. Quím. Univ. Nac. Auton. Mex. 1965, 17, 3-15.
Síntesis de la perezona
OMe
OMe
Li
n-BuLi
OMe
OMe
OMe
OMe
HO
H+
éter
O
OMe
OMe
O
K2CO3/H2O
H
Na/NH3
OMe
OMe
O
H2SO4 dil.
OH
CrO3
O
OMe
O
O
Producto idéntico al natural
Cortés, E.; Salmón, M.; Walls, F. Bol. Inst. Quim. Univ. Nal. Autón. Méx. 1965, 17, 19.
40
Quinonas
Respiración
Fotosíntesis
Transferencia Electrónica
Conservación de la Energía
•L. Stryer, Biochemistry, 4th ed., Stanford University, 1995, Capítulo 21, 26
41
•F. L. Crane, Annu. Rev. Biochem. 1977, 46, 439.
•R. Bentley, I. M. Campbell, en The Chemistry of Quinoid Compounds (Ed.: S. Patai), John Wiley & Sons, London, 1974, 683
Debido a que las propiedades fisicoquímicas de las moléculas depende de los
arreglos que adquieren sus átomos en el espacio, es fundamental entender cuales
son los principios que controlan estas preferencias conformacionales.
perezona
ubiquinona (Qn)
MeO
O1
OH
MeO
O
curcuquinona
O
poliprenil quinona
O
O
O
O
O
H
9
1
2
3
4
42
•Juaristi, E.; Introduction to Stereochemistry and Conformational Analysis. Wiley, New York, 1991
Antecedentes
¿Tiene algún efecto la cadena? ¿La
naturaleza tiene una razón para generar
moléculas con estas cadenas?
...el
...el enlace doble C=C del isopropilideno
parece distante
distante..
43
•
C. Yu, G. Lianquan, L. Yu, Biochemistry 1985, 24, 3897
No es claro que sólo la flexibilidad y
longitud de la cadena sea la responsable
del comportamiento observado.
44
•
C. Yu, G. Lianquan, L. Yu, Biochemistry 1985, 24, 3897
¿Qué se sabe de la conformación de la
perezona?
perezona
?
La única que falta, dado que se conoce la
Constitución, la Conectividad y la
Configuración, solo falta la
CONFORMACIÓN
45
•
C. Yu, G. Lianquan, L. Yu, Biochemistry 1985, 24, 3897
¿Es posible que un doble enlace localizado en posición remota
respecto al anillo de la quinona tenga influencia en las
Propiedades químicas de la molécula?
Fin del problema de la conectividad
Conformación de la perezona en estado sólido.
“La conformación en solución es idéntica a la del estado sólido”
Soriano-García, M.; Toscano, R.A.; Flores-Valverde, E.; Montoya-Vega, F.; López-Celis, I. Acta. Cryst. 1986, C42, 327-329
46
Cómo obtener la perezona
perezona (Perezia cuernavacana)
47
Cómo obtener la perezona
perezona (Perezia cuernavacana)
Extracción: maceración
c/hexano
Separación: filtración y
concentración
Purificación: columna flash
48
•M. Aguilar-Martínez, J. A. Bautista-Martinez, N. Macías-Ruvalcaba, I. González, E. Tovar,
T. Marín del Alizal, O. Collera, G. Cuevas, J. Org. Chem. 2001, 66, 8349
Cómo obtener la dihidroperezona
Hidrogenación de la perezona
O
O
7
5
4
6
1
3
OH
OH
8
2
H2, Pd/C
9
10
O
11
15
... curioso por su aspecto, precioso por las
reacciones que presenta y útil por la acción
que ejerce sobre el organismo. A este
principio, que tengo el honor de presentar
con la cristalización que le es propia, he
dado el nombre de ácido pipitzahoico ...
O
12
13
14
1
1-H2
•Kögl, F.; Boer, A.G.; Rec. Trav. Chim. 1935, 54, 779.
¡Primer producto natural aislado en América!
•D. A. Archer, R. H. Thomson, J. Chem. Soc. (C) 1967, 1710
49
•M. Aguilar-Martínez, G. Cuevas, J. Org. Chem. 2001, 66, 8349
Voltamperometría Cíclica
1.0 mM de perezona
Et4NBF4 / acetonitrilo
Electrodo C vítreo
Barrido de potencial 0.1 V/s
50
•Comunicación personal de la Dr. Martha Aguilar Martínez de la Facultad de Química, UNAM, México D.F.
ES MÁS DÍFICIL REDUCIR ELECROQUÍMICAMENTE A LA PEREZONA
O2
O2
C7
C7
C4
C4
OH
C1
C9
OH
C8
C8
C1
C9
O1
O1
C12
C13
a
b
200
100
50
IIa
perezona (1)
-100
Epc = - 0.926 V
-200
J/µAcm
-2
J/µAcm
a
b
C14
-2
0
Ia
C14
dihidroperezona (1-H2)
0
-50
Epc = - 0.903 V
-300
S1
-400
Epc = - 1.72 V
-500
-150
-2.0
-1.5
Epc = - 1.58 V
IIc
IIc
-600
-2.5
Ic
-100
Ic
-1.0
-0.5
0.0
+
E/V vs Fc /Fc
mayor corriente de respuesta
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
+
E/V vs Fc /Fc
menor corriente de respuesta
51
Antecedentes
Cambio en el ambiente
electroquímico
Ecuación de Randles-Sevcik
ip = (2.69*105)n3/2 A Do1/2 v1/2 c
●
●
●
●
ip = corriente de pico (mA/cm2)
n = número de electrones transferidos
A = área transversal electrodo (cm2)
D = coeficiente de difusión (cm2/s)
v = velocidad de barrido (volt/s)
c = concentración (moles/cm3)
52
•A. J. Fry, Synthetic Organic Electrochemistry, Harper and Row Publishers, New York, 1972.
Antecedentes
Cambio en el ambiente
electroquímico
O2
C7
C4
O2
OH
C7
C8
C1
C9
C4
Ecuación de Randles-Sevcik
C8
C1
ip = (2.69*105)n3/2 A Do1/2 v1/2 c
O1
OH
●
●
●
●
C9
O1
C12
C13
C14
dihidroperezona (1-H2)
C14
perezona (1)
53
H
H
O
O
1.16G
1.26G
H
OH
H
OH
H
0.32G
H
0.30G
H
H
H
H
4.02G
3.9G
O
O
Espectros de Resonancia Paramagnética electrónica del anión
electrogenerado (A y B) y simulado (C) a potenciales más negativos
que el correspondiente IIC.
54
Metodología
Cálculos computacionales
Optimización de la geometría:
MP2, B3LYP con la base 6-31G(d,p)
Single Point: MP2 con la base 6-31++G(d,p)
55
•Gaussian 03, Revision C.02, Frisch, M.J. et.al.; Gaussian, Inc. Wallingford CT, 2004
•Gaussian 94, Revision E.2, Frisch, M.J. et.al.; Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 1995
•F. W. Beigler-König, R. F. W. Bader, T. H. Tang, J. Comput. Chem. 1982, 3, 317
Resultados computacionales
56
1a
1c
1b
1d
1e
1f
•Molekel, Versión 4.3.win32, Date: 11.Nov.02, by Stefan Portman, Copyright © 2002
CSCS/ETHZ. (orig. IRIX GL implementation, concept and data structure by Peter F.
Fluekiger, CSCS/UNI Geneva
Estudio conformacional de la perezona
CONFORMERO:
Distintos arreglos moleculares generados
por el giro de enlaces sencillos.
57
Resultados Teóricos
Energías MP2
Perezona anti
1a
EMP2/6-31G(d,p)
Erel [kcalmol-1]
1a
-806.85271
0
58
1b
-806.85569
-1.87
1c
-806.85863
-3.71
1d
-806.85368
-0.61
1e
-806.85041
1.44
1f
-806.85927
-4.12
Resultados Teóricos
Energías MP2
C7
H12
Conformación α
1c
EMP2/6-31G(d,p)
Erel [kcalmol-1]
1a
-806.85271
0
59
C14
1b
-806.85569
-1.87
1c
-806.85863
-3.71
1d
-806.85368
-0.61
1e
-806.85041
1.44
1f
-806.85927
-4.12
Resultados Teóricos
Energías MP2
C7
Conformación β’
1f
H12
C14
EMP2/6-31G(d,p)
Erel [kcalmol-1]
1a
-806.85271
0
60
1b
-806.85569
-1.87
1c
-806.85863
-3.71
1d
-806.85368
-0.61
1e
-806.85041
1.44
1f
-806.85927
-4.12
RMN
¿Es posible que los confórmeros más estables
propuestos sean reales o sean sólo producto de un
cálculo hecho en fase gaseosa?
61
RMN
ESTUDIO CONFORMACIONAL DE LA PEREZONA
62
O
H3C
OH
H3C
CH 3
H
RMN
O
H
O
7
5
6
3
4
2
1
8
10
H 3C
11
13
H-11, H-10b
12
Inversión 15
H
15
CH 3
CH 3
1-H2
1
nOe
CH 3
9
O
H3C
OH
C
14
Me-7
H-6
H-12
Me-8
H-12
Inversión 14 y 15
Inversión 14
H-13
B
B
A
A
8.7
7.6
63
6.5 5.4
4.3
3.2
2.1
1.0
H-12
Me-15
Me-7
Me-8
8.7
7.6
6.5 5.4
4.3
3.2
2.1
1.0
Roura-Pérez, G.; Quiróz, B.; Aguilar-Martínez, M.; Frontana, C.; Solano, A.; González, I.; Bautista-Martínez, J.A.; Jiménez-Barbero,
J.; Cuevas, G J. Org. Chem. 2007, 72, 1883-1894.
RMN
nOe
Me-7
Inversion 6
O
7
Me-14
5
Me-15
OH
3
4
8
6
H
2
1
9
O
11
10
15
12
13
H
14
H-6
Me-14
Me-15
Inversion 7
Roura-Pérez, G.; Quiróz, B.; Aguilar-Martínez, M.; Frontana, C.; Solano, A.; González, I.; Bautista-Martínez, J.A.;
Jiménez-Barbero, J.; Cuevas, G J. Org. Chem. 2007, 72, 1883-1894.
64
Considerando el
Coeficiente de
Difusión
65
•S. Di Bernanrdo, R. Fato, R. Casadio, P. Fariselli, G. Lenaz, FEBS Lett. 1998, 426, 77
¿Por qué son importantes los pipitzoles en este estudio?
O
H
OH
O
OH
O
O
O
Concertado
O
O
CH 3
H
CH 3
H
H3C
H 3C
β - Pipitzol
α - Pipitzol
HO
O
OH
OO-
O
OH
O
+
O
+
Woodward y Hofman la entienden como una reacción de cicloadición de la clase B
que se acompaña con una transposición sigmatrópica de orden 1,9.
66
•E. Tovar, Tesis Maestría, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Química, UNAM,
México, D.F. 1998.
¿Cómo probar cuál mecanismo opera?
67
¿Qué sugieren estos resultados?
Los confórmeros plegados son estables
Se encuentran en disolución
Explican los coeficientes de difusión
Conformación compacta de perezona
La evolución en el conocimiento de las propiedades de
la perezona permite seguir el desarrollo de la Química
Orgánica en México.
68
Conclusiones
Dado que la interacción puede participar en el control
conformacional de la perezona, es posible suponer que una
interacción similar participa en el proceso conformacional
de quinonas análogas con cadenas alifáticas que contienen
dobles enlaces.
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Constitución
1856
Conectividad
Configuración
Conformación
¿es relevante? SI
¿tiene consecuencias? SI
2007
151 años después.
70
GRACIAS
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Dra. Martha Aguilar
Dr. José Gustavo Ávila
Dr. Ignacio González
Dr. Carlos Frontana
Dr. José A. Bautista
Dr. Carlos M. Cerda García
• Dr Joaquín Tamariz
• Dr. Jesús Hernández
• Dr. Jesús Jiménez Barbero
• M. en C. Emma Maldonado
• Dra. Beatriz Quiroz
Conacyt
DGAPA
71
GRACIAS
Victor
Fabián
Verónica
Martha
Lorena
Guillermo
Karla
Julio
César
Mariana
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