View/Open - Instituto Politécnico Nacional

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E
INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS
β-LACTAMAS OBTENIDAS MEDIANTE LA REACCIÓN DE
STAUDINGER”
T E S I
S
PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL
P
R
E
S
E
N
T
A:
SANDRA ELIZABETH AVILÉS ZEPEDA
DIRECTOR DE TESIS: DRA. DELIA QUINTANA ZAVALA
MÉXICO, D.F. 2008
Esta tesis se realizó en el Laboratorio de Química Orgánica del Centro de Investigación en
Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional, Unidad
Legaria (CICATA-IPN-Legaria), con apoyo de los proyectos SIP-20070010 y SIP20080495, bajo la dirección de la Dra. Delia Quintana Zavala.
DEDICATORIAS
Señor: tú que en silencio me has acompañado
a lo largo de mi vida y sin pedirme nada a cambio,
hoy me regalas la alegría de ver realizado uno de
mis sueños, hazme ver lo que para todos es realidad
y no permitas que mi mente viaje sola y me traicione
guíame día con día hacia el camino de la honestidad.
Juan Carlos: tu que también me has acompañado
a lo largo de mi vida y que con tu adiós me demostraste
que tu cariño es eterno hoy comparto contigo este
nuestro gran sueño.
A mis grandes amigos: Taro, Rhys y Arion por enseñarme
Que la amistad verdadera es aquella que me acompaña
en mis alegrías, me consuela en mis tristezas y mira con
indulgencia mis errores.
A mi mejor amigo:Gilberto
Hay tres cosas en la vida que no vuelven jamás:
La palabra pronunciada, la flecha lanzada y
La oportunidad perdida. Por todo lo que vivimos juntos
me fue imposible no recordar tu fortaleza,
tus errores, tu paciencia, tus virtudes, tu sinceridad
y sobre todo tu entrega.
RECONOCIMIENTOS
AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL: Por permitirme terminar este gran sueño
e impulsarme a buscar otros. Gracias IPN por ser mi alma mater, siempre te llevaré en mi
corazón.
A ESIQIE:
Por dignificarme y darme la oportunidad de crecer y ofrecerme las herramientas adecuadas
para ser una profesionista con éxito, siempre te llevaré con orgullo porque soy Politécnico por
convicción y no por circunstancias.
A CICATA-LEGARIA:
Por otorgarme las facilidades requeridas para la elaboración de esta tesis y permitirme
continuar en la búsqueda de otros sueños.
A ESM: por permitirme combinar la Ingeniería con la medicina, por que en tì he alcanzado
conquistas universales y por darme alojamiento para continuar con lo que más me gusta
hacer: la investigación
AGRADECIMIENTOS
A la Dra. Delia Quintana: porque sin su ayuda, apoyo y dedicación jamás ubiera
podido realizarlo sola, gracias por todo y sobre todo por su amistad sincera.
Al Dr. José Trujillo: “Perdonar es nobleza y con el tiempo da grandeza”, gracias
por sus consejos, su apoyo, su comprensión sus palabras para levantarme el
ánimo, en los tiempos más difíciles para mí, por creer en mí y brindarme otra
oportunidad.
Al Dr. Norberto Farfán: por que sin su apoyo no ubiera podido regresar y
continuar.
A la QFB Flor del Monte y al IQI Sergio Hernández por el tiempo dedicado a la
revisión de esta tesis y por sus contribuciones realizadas.
Al M.C. Noe Sánchez: por tu tiempo dedicado a la realización de esta tesis, tus
enseñanzas y por ofrecerme tu amistad.
Al IQI. David Zárate: porque has estado conmigo en todo momento, cuando
lloro, cuando río, por ser un excelente amigo y preocuparte por mi.
A la IQI. Fabiola: por ser mi amiga, ayudarme en los tiempos más difíciles y
demostrarme que eres una persona excepcional.
A mis amigos de la ESIQIE: Miriam, Margarita, Nacho, “El compadre”, Karla,
Blanca, Yamin, Salvador, Emmanuel: por todos los triunfos y fracasos
compartidos, por nuestra solaridad y apoyo y también por todas nuestras
parrandas.
A mis amigos de la ESM: Araceli, Chucha y Eunice, por permitirme conocerlos,
por confiar en mí y ofrecerme su sincera amistad y apoyo.
ÍNDICE
Pág.
RESUMEN
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………...
1
I. ANTECEDENTES
I.1 Aldehídos y cetonas………………………………………………………….
4
I.2 Tautomerismo ceto-enol……………………………………………………..
6
I.3 Iminas……………………………………………………………………….
8
I.4 β-lactamas……………………………………………………………………. 11
II. PARTE EXPERIMENTAL
II.1 Instrumentación ……………………………………………………………..
28
II.2 Disolventes y reactivos……………………………………………………...
29
II.3 Procedimiento y metodología ………………………………………………
30
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
III.1 Formación de iminas (1a-lc)…………………………………………..
39
III.2 Obtención de la NH-β-lactama 2a…………………….
53
III.3 Obtención de la N-fenil-β-lactama 2a
56
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
62
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
64
ANEXOS
67
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS
OBTENIDAS MEDIANTE LA REACCIÓN
DE STAUDINGER”
RESUMEN
La Química como la ciencia de la materia y la energía que se ocupa de la composición,
la estructura y las propiedades de las substancias y sus transformaciones que
experimentan, es fundamental para entender la biología, la geología, la ciencia de los
materiales, la medicina, muchas ramas de la ingeniería y otras ciencias más. Un aspecto
fundamental de la Química es su aplicación a la síntesis de compuestos químicos
nuevos, con propiedades y características que pueden mejorar a las de los compuestos
ya existentes.
En el presente trabajo se llevó a cabo la síntesis de 3 iminas, la preparación de estas
iminas fue indispensable para la posterior preparación de 2 nuevas β-lactamas. Estos
últimos compuestos son de gran interés en la actualidad, debido a que tienen
aplicaciones tanto a nivel químico (retos sintéticos) como a nivel farmacológico
(antibióticos). En la síntesis de las 3 iminas se tiene como materia prima a la 2,4pentanodiona. Estas iminas provienen de la reacción de las aminas primarias; isopropilamina, y anilina, así como la derivada del amoniaco con la acetilacetona. Las
condiciones de reacción se optimizaron dando como resultado rendimientos del orden
del 85%.
La ruta de síntesis de las 2 nuevas β-lactamas se llevó acabo mediante la “reacción de
Staudinger” (cicloadición [2+2]). Que es reconocida como un método fundamental y
versátil para la síntesis de derivados β-lactámicos (2-azetidinonas) en un solo paso.
Obteniéndose rendimientos del orden del 30-65%. Para la caracterización y asignación
de todos los compuestos sintetizados, se utilizaron técnicas espectroscópicas de
resonancia magnética nuclear (RMN) de 1H y
13
C, espectroscopia infrarroja (IR), y
espectrometría de masas (EM). Estas técnicas instrumentales permitieron establecer
tendencias y diferencias entre los compuestos obtenidos. Así mismo, el infrarrojo fue
complemento importante para la identificación de grupos funcionales que están
presentes en las moléculas.
Finalmente la espectrometría de masas permitió establecer el peso molecular y patrones
de fragmentación de las moléculas. Adicionalmente para el compuesto 1c, se efectuaron
técnicas especiales de RMN de 1H y 13C tanto unidimensional como bidimensional con
correlación heteronuclear.
El valor agregado en la síntesis de estos compuestos β-láctamicos es probar en un futuro
su potencial actividad antibiótica.
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
INTRODUCCIÓN
La Química como la ciencia de la materia y la energía, se ocupa de la composición, la
estructura y las propiedades de las substancias y las transformaciones que experimentan estas,
es fundamental para entender la biología, la geología, la ciencia de los materiales, la medicina,
muchas ramas de la ingeniería y otras ciencias más. Un aspecto fundamental de la Química es
su aplicación a la síntesis de compuestos químicos nuevos, con propiedades y características
que pueden mejorar a las de los compuestos ya existentes.
Sin duda alguna, muchos descubrimientos tienen que ver con el azar y la suerte. A menudo los
resultados y conocimientos científicos surgen por accidente. Se requiere creatividad y
discernimiento para transformar un afortunado accidente en resultados útiles y emocionantes.
Por ejemplo en 1928 se produjo uno de los accidentes más famosos en la historia de la ciencia,
el descubrimiento de los antibióticos por Alexander Fleming,1 bacteriólogo francés. Uno de
los cultivos del hospital-laboratorio del doctor Alexander Fleming, se contaminó
accidentalmente con un
hongo verde el cual se reproduce por esporas, denominado
Penicillium notatum. Fleming observó que los gérmenes del área contaminada morían, por lo
que concluyó que el hongo contenía una substancia que las destruía, que fue llamada
“penicilina”. Posteriormente en 1938, Howard Walter Florey, patólogo australiano y Ernest
Boris Chain purificaron parcialmente la penicilina de Fleming, probando su potencia y amplio
espectro. En 1945 fue otorgado a Fleming, a Florey y a Chain el Premio Novel de Medicina.
Aun después de más de 70 años del descubrimiento de la penicilina, los antibióticos βlactámicos se mantienen como una de las contribuciones más importantes de la ciencia a la
humanidad.2
1
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Por lo anterior la importancia de sintetizar nuevos compuestos monobactámicos, mediante la
reacción de Staudinger utilizando para ello materias primas de fácil acceso.
Se sintetizaron y caracterizaron 3 iminas derivadas de la acetilacetona y aminas primarias
alifáticas y aromáticas, y para la asignación inequívoca de las iminas se llevó acabo un
estudio de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) con técnicas especiales de una dimensión
como DEPT, y de dos dimensiones como COSY, HETCOR y FLOCK.
Por lo tanto la contribución de este trabajo radica en la síntesis de 2 nuevos compuestos del
tipo monobactámico. Utilizando precisamente la metodología que involucra a la reacción de
Staudinger en la formación del anillo β-lactámico, con la finalidad de hacer posteriormente su
evaluación biológica, en otras palabras, aportar un poco en la química de los antibióticos βlactámicos.
2
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
CAPÍTULO 1
3
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
I. ANTECEDENTES
I.1 Aldehídos y Cetonas
Los aldehídos y cetonas se encuentran dentro de los compuestos de mayor importancia, tanto
en bioquímica como en la industria química. En el laboratorio, los aldehídos pueden ser
elaborados mediante la ruptura oxidativa de alquenos terminales, por oxidación de alcoholes
primarios o por reducción parcial de cloruros de ácidos o ésteres. Las cetonas se producen de
manera similar por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes secundarios, o
por adición de diorganocupratos a cloruros de ácido.
El grupo funcional característico de los aldehídos y cetonas es el grupo carbonilo. Para los
aldehídos, el carbono carbonilo es un carbono terminal y se encuentra enlazado a un
hidrógeno, mientras que en las cetonas nunca será un carbono terminal ya que debe estar
enlazado a otros dos átomos de carbono. En la Figura 1 se muestran las estructuras de estos
compuestos carbonílicos.
O
O
H
R
R'
R
Aldehído
Cetona
Figura 1. Estructura química de un aldehído y una cetona
Las reacciones para los aldehídos y las cetonas, son esencialmente de 3 tipos: de adición
nucleofílica, de oxidación y de reducción. Dichas reacciones se efectúan sobre el grupo
carbonilo. Debido a su mayor electronegatividad, el oxígeno atrae el par electrónico más hacia
él, como consecuencia, la distribución electrónica del enlace no resulta simétrica; el oxígeno
es ligeramente negativo y el carbono ligeramente positivo. El grupo carbonilo puede
representarse como dos formas resonantes, Figura 2.
H 3C
δ + δ C
H 3C
H 3C
+
C
O
-
O
H 3C
Figura 2. Formas resonantes del grupo carbonilo
4
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
La reacción de adición nucleofílica es la más importante de los aldehídos y las cetonas, siendo
posible elaborar una gran cantidad de productos mediante este tipo de reacción. Estas
reacciones son aplicables tanto a cetonas como aldehídos, pero en general estos últimos son
más reactivos por razones estéricas y electrónicas. En la Figura 3 se muestran algunas
reacciones de este tipo. La reacción de obtención de Iminas se tratará con más detalle
adelante.
OH
OH
R
H3C
Alcohol
R
CH3
CH3
NR2
CH3
H3C
Alqueno
H3C
CH3
Alcohol
H
C
R
C
CH3
Enamina
H3C
NaBH4
RMgX
C
C
R2NH
Ph3PCR2
R
O
N
RNH2
CH3
H3C
Cetona/Aldehído
C
H3C
HCN
ROH
N 2H 4
KOH
NH2OH
OH
OR
H3C
C
CH3
Imina o base
de schiff
C
OR
CHó3 Acetal
Cetal
H3C
C
CH3
Alcano
H3C
OH
H
C
R1
CN
Cianohidrina
N
H
CH3
Oxima
R2
Figura 3. Algunas reacciones con cetonas y aldehídos.
5
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
I.2 Tautomerismo ceto-enol
El tautomerismo se refiere a un equilibrio entre dos estructuras diferentes del mismo
compuesto. Tautómero es una palabra que deriva del griego tauto=igual y meros= parte, se
denomina a dos isómeros que se diferencian sólo en la posición de un grupo funcional.
Los tautómeros son compuestos diferentes que normalmente se interconvierten a gran
velocidad, y que en principio se pueden aislar como compuestos separados y demostrar que su
estructura es distinta. Un compuesto que contiene un grupo carbonilo (C=O) normalmente es
rápidamente equilibrado en su tautómero enol el cual contiene un doble enlace carbono
carbono adyacente al grupo hidroxilo (C=C−OH).
Específicamente un tauromerismo ceto-enol (Figura 4) se refiere al equilibrio químico que
existe entre la forma ceto (de una cetona o un aldehído) y la forma enol, y a estas formas ceto
y enol se les conoce con el nombre de tautómeros. La interconversión de estas dos formas
involucra el movimiento de un protón y el cambio de los electrones de enlace, por lo tanto el
isomerismo califica como un tautomerismo.
H
O
O
C
H3C
H
C
CH3
C
H3C
CH
Ceto 3
C
CH3
CH3Enol
Figura 4. Equilibrio ceto-enol
El tautomerismo ceto-enol es un equilibrio desplazado en la mayoría de las veces hacia la
forma ceto, aunque la cantidad de cada forma depende de la estabilidad relativa de ambos
tautómeros. El tautomerismo ceto-enol es importante en varias áreas de la bioquímica. El alto
potencial de transferencia del fosfato del fosfoenolpiruvato resulta del hecho de que el
6
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
compuesto fosforilado es “atrapado” en su forma enol menos estable y después en la
desfosforilación este puede asumir su forma ceto.
En los ácidos nucleicos este fenómeno de tautomerización cambia totalmente la capacidad de
formar reconocimientos específicos de las bases. Las bases nitrogenadas de los nucleósidos se
encuentran en su forma ceto. La forma enol de las bases Guanidina y la Timina puede llevar a
mutaciones porque se ven alteradas las propiedades de sus pares de bases. Como
consecuencia, cambios tautoméricos pueden alterar totalmente la reactividad y funcionalidad
de las bases. En biología molecular; de acuerdo al modelo del ADN de Watson & Crick hoy
sabemos que el código genético se mantiene en tanto que los tautómeros ceto-amino son más
estables que los enol-imino
Para compuestos β-dicarbonílicos dos factores incrementan los enlaces de la forma enol
relativo a los de la forma ceto. Primero el doble enlace carbono- carbono esta conjugado al
doble enlace del carbonilo, lo que implica un incremento en el enlace estimado de 17 kJ/mol.
Segundo el hidrógeno del hidroxilo forma un enlace por puente de hidrógeno con el oxígeno
del carbonilo, lo cual forma un anillo de seis miembros estable. La fuerza de un enlace de este
tipo es de alrededor de 25 kJmol. Adicionalmente, el intermediario desprotonado en la
interconversión de las dos formas, es referido como un anión enolato, el cual es importante en
la química de los carbonilos, en gran medida por que es un nucleofílo fuerte. Figura 5.
H
O
R
H
O
O
CH3
R
O
CH3
Figura 5. Forma enol estabilizada por la formación de un puente de hidrógeno
La 2-4-pentanodiona ó acetilacetona (Acac). Es un sistema modelo para el estudio de puente
de hidrógeno intramolecular, es un compuesto 1,3-dicarboxilico el cual a temperatura
7
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
ambiente se encuentra en estado líquido como una mezcla en equilibrio dinámico de sus dos
formas tautoméricas la ceto y la enol 25% y 75% respectivamente.3 Figura 6.
O
H3C
CH2
O
OH
O
CH3
Forma ceto (25%)
H3C
CH
CH3
Forma enol (75%)
Figura 6. Forma ceto-enol de la Acac
El equilibrio termodinámico de la reacción de tautomerización ceto-enol de la Acac es un
ejemplo clásico que se estudia por resonancia magnética nuclear RMN, debido a que las
cantidades relativas de estos dos tautómeros se pueden monitorear usando la espectroscopia de
RMN de 1H porque la velocidad de interconversión es lo suficientemente lenta como para que
las señales puedan ser observadas por separado para los protones en ambas formas isoméricas.
La integración del área bajo la curva de las señales de los hidrógenos de ambas formas ceto y
enol se usa para el cálculo de la constante de equilibrio a diferentes temperaturas.
Variables termodinámicas tales como la Entalpía, la Entropía y energía libre de Gibss pueden
también ser calculadas de estos datos cinéticos porque la constante de equilibrio es una
función de la temperatura. Por tanto, la tautomería es un fenómeno muy general e importante,
tanto en química orgánica,
y en particular en química heterocíclica, como en biología
molecular (modelo de ADN de Watson-Crick).
I.3 Iminas
La reacción del amoniaco o de una amina primaria con un aldehído o una cetona forma una
imina, conocida también como una base de Schiff. La estructura general de este grupo es
8
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
RR’C=NR’’ donde R’ puede ser un hidrógeno o un radical alquilo. De forma análoga al doble
enlace de los alquenos las iminas pueden presentar isomería cis/trans (Z/E), de manera tal que
los criterios de estabilidad relativa de un isomero respecto al otro serán los mismos que con los
alquenos, donde el impedimento estérico juega un papel importante.
Síntesis de Iminas
El mecanismo de formación de la imina, comienza con la adición nucleofílica del nitrógeno de
la amina sobre el carbonilo parcialmente positivo del aldehído o cetona para generar un
intermediario iónico dipolar tetraédrico. La rápida desprotonación del nitrógeno y la
reprotonación del oxígeno producen una especie neutra llamada hemiaminal o carbinolamina,
pero como este intermediario esta en un medio prótico se puede protonar una vez más, ya sea
en el oxígeno o en el nitrógeno. La protonación en el nitrógeno no es productiva, pero la que
se produce en el oxígeno prepara el escenario para la pérdida de agua y la formación de un
enlace C=N con el par de electrones no compartido del nitrógeno. El ión iminio resultante
pierde un protón para formar una especie neutra la imina. Figura 7.
O
RH2N:
H3C
+
RH2N:
CH3
H2N
+
O
O-
RH2N:
CH3
H2N
+H+
RHN:
+H+
Cetona
H
H
+
H
H
N
:N
+
-H2O
H3C
CH3
Imina
H3C
CH3
Ion iminio
hemiamina
CH
3
H2N
CH3
H
O
RHN:
H2N
O
H
CH3
Figura 7. Formación de Imina
La reacción habitualmente requiere catálisis ácida. Como puede verse es una reacción que esta
en equilibrio, para desplazar esta hacia el producto se debe eliminar el agua del medio de
9
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
reacción de manera azeotrópica o mediante agentes deshidratantes. Las iminas derivadas de
los aldehídos con el amoniaco son especialmente inestables, no se aíslan con facilidad y en
presencia de agua se convierten de inmediato en el aldehído y la imina inicial. La formación
de iminas está favorecida cuando existe conjugación del doble enlace carbono-nitrógeno con
algún sustituyente, típicamente grupos arilo. En estos casos, la imina es relativamente estable.
Algunas de las reacciones de las iminas son las siguientes:
La imina puede ser reducida a amina (Reducción).
La imina puede ser hidrolizada con agua a los correspondientes compuestos
carbonilo y amina (Hidrólisis).
La imina reacciona con cianuro en la síntesis de Strecker de aminoácidos.
Las sales de iminio resultantes de la protonación de iminas pueden ser
intermediarios, reaccionando con nucleófilos de tipo enol, en la reacción de
Knoevenagel y en la reacción de Mannich.
Bases de Schiff en la química de carbohidratos
En el campo de los hidratos de carbono se conocen iminas procedentes de la condensación de
aldehídos de azúcares con aminas y otros resultantes de la condensación de aminoazúcares con
aldehídos. Ambos tipos han sido utilizados en síntesis asimétrica en las que el resto del
carbohidrato actúa como inductor quiral.
En otro ejemplo, más reciente Martín y col,4 prepararon la 1,6-didesoxi-L-nojirimycina (4) a
partir de la imina 2, realizando alquilaciones altamente estereoselectivas con diversos
derivados organometálicos, tales como metil litio. Figura 8.
10
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
O O
O
O
OO
CH3
i
O
O O
O
OO
CH3
OO
CH3
CH3
i
ii
CH3
BnN=HC
CH3
OBn
OBn
O
O O
O
1
OBn
OBn
CH3
BnNH
H3C
H3H
C
2
3
CH3
Me
OBn
OBn
iii
iv
H
+
H3Me
C
H HO
C
Reactivos: i = BnNH2; ii = MeLi; iii = H3O ; iv= H2 Pd/C
3
H3HO
C
N
OH
4
Figura 8. Síntesis de la 1,6-didesoxi-L-nojirimycina
Las bases de Schiff también son intermedios en la síntesis de aminas; así Hang y col,5
preparan el ω-aminoazúcar 7 por reducción de la imina 6 procedente de la condensación del
aldehído 5 con amoniaco. Figura 9.
CHO
CH=NH
O
O
O
O
CH2NH2
O
O
i
OAc
OBn
5
ii
O
O
H3C
CH3
OAc
OBn
6
O
H3C
O
CH3
OAc
OBn
7
O
H3C
O
CH3
Reactivos: i = NH3, MeO; ii = H2 Pd/C
Figura 9. Síntesis del ω-aminoazúcar
I.4 β-lactamas
Las β-lactamas son moléculas de importancia tanto a nivel de síntesis química como
farmacológico; las reacciones de antibióticos β-lactámicos y sus derivados han sido
extensamente estudiados. Los antibióticos β-lactámicos constituyen la familia más amplia de
los antibióticos; en la estructura química de estas moléculas se encuentra un anillo βlactámico, que es el responsable de su actividad biológica.
11
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Actúan inhibiendo la síntesis de la pared bacteriana; bloquean la actividad transpeptidasa de
las proteínas fijadoras de penicilinas (PBPs) de la membrana citoplasmática, inhibiendo
además la síntesis del peptidoglucano y produciendo la muerte de la bacteria por efectos
osmóticos y por la digestión de enzimas autolíticas.
Los antibióticos β-lactámicos (Figura 10) presentan escasa toxicidad, tienen un amplio margen
terapéutico y se clasifican en: penicilinas, cefalosporinas, carba-penemas y monobactámicos.
R
NH
R
H
H
CH3
S
O
X
H
S
R
O
CH3
N
O
NH
N
O
H
NH
R
O
O
COOH
COOH
N
COOH
5) Norcardicinas, (1976)
2) X = H, Cefalosporina (1950)
1) Penicilina (1940)
OH
3) X = OMe, Cefamicinas (1971)
4) X = NHCHO, Cefabacidas sintéticas (1984)
H
OR
H
H
OH
O
H
H
NH2
HO
Me
O
COOH
6) Ácido clavulánico (1976)
H
NHAc
H
O
O
COOH
R
S
N
N
H3C
S
N
COOH
7) Carbapenemos (Tianamicina), (1977)
H
8) Ácido olivánico (1977)
H
S
R
NH
R
O
N
O
COOH
9) Penemos síntesis Woodward. (1976)
O
N
SO3H
10) Monobactamas (1981)
Figura 10. Antibióticos más comúnmente empleados en medicina.
12
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Por otro lado, las β-lactamas, no son otra cosa que derivados cíclicos de los β-aminoácidos se
puede decir, que éstos no son muy abundantes comparados con sus análogos α, pero también
se encuentran presentes en productos naturales, y en forma libre tienen efectos farmacológicos
interesantes son importantes en la nutrición de hombres y animales, y son componentes de
muchos agentes terapéuticos, agroquímicos, cosméticos, etc.
Los β-amino ácidos están también presentes en la naturaleza, como componentes de péptidos
activos biológicamente,6 y su incorporación como péptidos de interés farmacológico.
Frecuentemente se han encontrado ventajas en términos de actividad biológica y estabilidad
metabólica.7 La Bastatina y el Taxol son dos moléculas activas biológicamente que contienen
una molécula de β-aminoácido en su estructura, el taxol es un compuesto líder que es aplicado
en la quimioterapia del cáncer y la Bastatina es un inhibidor enzimático.8
Los mecanismos de defensa que han desarrollado muchas bacterias, haciéndose resistentes a
los tratamientos con antibióticos β-lactámicos, hoy en día es uno de los mayores problemas
para la salud.9
Consecuentemente debido al crecimiento de la resistencia de bacterias hacia los antibióticos βlactámicos y de la necesidad de medicamentos con una actividad antibacteriana mas
especifica, se han sintetizado y semi-sintetizado algunos antibióticos β-lactámicos en la
industria farmacéutica.
La 2-azetidinona (Figura 11), también llamada β-lactama, es una amida cíclica de cuatro
miembros, fue sintetizada por primera vez por Staudinger en 1907,10 y debido al
descubrimiento de la penicilina en 1929 por Fleming y tras la confirmación de este compuesto
a través de la cristalografía de rayos X,1 la importancia biológica de los compuestos βláctamicos ha sido investigado con mucho interes.11
13
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
O
HN
R1
R4
R3 R2
Figura 11. Sistema cíclico de la β-lactama (2-azetidinona).
Además de su importancia biológica las β-lactamas en forma enatioméricamente puras, son
indispensables para la síntesis de una gran variedad de productos naturales, tales como los βaminoácidos, oligopéptidos, péptidos y azetidinas.12
Antibióticos β-lactámicos
La presencia de un anillo β-lactámico define químicamente a esta familia de antibióticos, de la
que se han originado diversos grupos: penicilinas, cefalosporinas, carbapenemas,
monobactamas e inhibidores de las betalactamasas.
Las penicilinas son un grupo de antibióticos que contienen un anillo β-lactámico y un anillo de
tiazolidina, formando el ácido 6-aminopenicilánico, estructura que deriva de la condensación
de una molécula de valina y una cisteína para dar lugar al doble anillo característico. Además
tienen una cadena lateral, que varía de unas penicilinas a otras en la posición 6 del anillo βlactámico.
Las cefalosporinas son fármacos estructuralmente similares a las penicilinas, cuya
característica básica está constituida por el núcleo Cefem que consiste en la fusión de un
anillo dihidrotiazínico (en lugar del anillo tiazolidínico característico de las penicilinas) y un
14
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
anillo β-lactámico. La introducción de modificaciones en las cadenas laterales da origen a las
diversas cefalosporinas.
En la actualidad
únicamente se emplean en clínica inhibidores de las β-lactamasas de
estructura química β-lactámica. Como por ejemplo; el ácido clavulánico el cual tiene un
núcleo similar al ácido penicilánico de las penicilinas con la sustitución del átomo de azufre en
posición 3 por un átomo de oxígeno (que incrementa la reactividad de la molécula y
proporciona una afinidad mayor por las β-lactamasas), y la falta de la cadena lateral acilamino
en posición 6. El sulbactam es una sulfona semisintética del ácido penicilánico. El tazobactam
se diferencia del sulbactam por la presencia de un grupo triazol en posición 3.
Antibióticos monobactámicos
Historia y desarrollo. El primero monobactámico, denominado “SQ 261180”, se obtuvo a
partir de una cepa de C. Violaceum, en 1978, en una muestra de tierra procedente de New
Jersey.13 Su estructura es β-lactámica sencilla, se trata del ácido 3-aminomonobactámico, con
un grupo metoxi en posición 3, sin el segundo anillo que tienen los demás antibióticos del
grupo. El nitrógeno amídico del anillo β-lactámico está unido a un radical sulfónico que activa
el núcleo. De la estructura base, que se puede obtener por síntesis, se han podido estudiar más
de 1000 derivados, pero sólo algunos han llegado a la fase de desarrollo clínico.
“El aztreonam”, el único monobactan comercializado (Figura 12), se obtuvo por síntesis
mediante la fusión del ácido sulfónico con el aminoácido treonina; esta molécula incorpora un
radical metilo en la posición 4 del anillo β-lactámico que aumenta la estabilidad a las βlactamasas bacterianas, así como una cadena lateral aminotiazol-carboxipropiloximino, en la
posición 3, a la que debe su actividad frente a las bacterias gramnegativas incluyendo
15
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Pseudomonas. Otras monobactamas son el carumonán y el tigemonán, éste último formulado
como un derivado, en forma de éster se absorbe por vía oral.
O
O
C
H3C
C
S
OCH3
NH
N
H3 N
+
O
N
N
O
N
SO3H
H3C
CH3
NH
O
SO3H
CH3
CH3
Aztreonam
SQ 261180
Figura 12. Antibióticos monobactámicos
Otra característica del aztreonam es que tiene buena actividad in vitro frente a bacterias
aerobias gramnegativas, comparable a los aminoglucósidos y cefalosporinas de la tercera
generación. Es muy activo frente a todas las cepas de E. coli, Serratia marcescens, Proteus
spp, Salmonella spp, Providencia spp, H. influenzae y Neisseria spp independientemente de la
producción o no de β-lactamasas ya sean pencicilinasas o cefalosporinasas. El mecanismo de
acción del aztreonam es similar al de las penicilinas y las cefalosporinas. Como todos los
antibióticos β-lactámicos, atraviesa la pared de las bacterias gramnegativas a través de los
canales de las porfinas.
Métodos para la síntesis de β-lactamas:
Como ya se menciono anteriormente los sistemas cíclicos de cuatro miembros característicos
de las β-lactamas, han sido reconocidos durante mucho tiempo como el centro de la actividad
de antibióticos tales como las penicilinas y las cefalosporinas. Recientemente, se encontró que
algunas β-lactamas son potencialmente inhibidores de adsorción del colesterol.14
16
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Inspirado por las aplicaciones farmacológicas de las β-lactamas y debido a las limitaciones
asociadas con su biosíntesis, la síntesis química de este tipo de compuestos ha llamado la
atención en los últimos 80 años.15
El anillo de cuatro-miembros constituye la estructura central de todos los antibióticos βlactámicos, y es el principal reto sintético en la síntesis de estos derivados β- lactámicos. El
anillo de cuatro miembros de la β-lactama puede obtenerse mediante la formación de los
cuatro enlaces simples o mediante una cicloadición [2+2]. Figura 13.
R2
O
R2
R2
R1
O
X
NH
R3
R1
N
R2
X
1
R3
H3C
[2+2]
4
Olefina e Isocianato
CH3
+
O
C
N
R3
R3
[2+2]
Imina y Cetena
Formación del
enlace C2-C3
R1
R2
N
O
R1
N
O
R3
Formación del
enlace C3-C4
3
2
HN
OH R3
R1
O
Formación del
enlace N-C4
Formación del
enlace N-C2
R2
R1
X
C
+
N
R3
O
Reacción de Staudinger
Fig
Figura 13. Métodos para la formación del anillo de β-lactama
17
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
La metodología más obvia es la formación del enlace amida N1-C2 es y fue la utilizada en la
síntesis de la penicilina.16 La formación del enlace simple C1-C2 es muy rara. Se ha
reportado.17 una metodología que involucra un cierre de anillo mediado por tri-n-butil estaño,
para obtener el enlace C2-C3. A pesar de que su rendimiento es pobre, este método es una
alternativa para la obtención de β–lactamas quirales considerando que la materia prima puede
prepararse de β-amino ácidos disponibles.
Para la formación del enlace C3-C4, en un sentido simple, la formación del enlace C-C
involucra la formación de un centro nucleofílico a C3 y un centro electrofílico sobre C4, o
viceversa.18 Respecto a la manera biosintética de la síntesis de β–lactamas esta se enfoca
principalmente en la formación del enlace C4-N1.19
Muchas investigaciones se han desarrollado para construir este enlace. La idea es el
desplazamiento intramolecular de un grupo saliente unido al C4 con el nitrógeno activado,20
Figura 14.
4
O
GS
NH
1 R
GS = grupo saliente
Figura 14. Formación del enlace C4-N1
La síntesis de 2-azetidinonas α,α-sustituidas ha sido realizada empleando esencialmente dos
vías de síntesis:
La ciclación de clorhidratos de cloruros de ácidos 3-amino propiónicos α–sustituidos
mediante la acción de una base orgánica como amoniaco o trietilamina.
18
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
La ciclación de ésteres de ácidos aminopropiónicos α–sustituidos mediante la acción
de un reactivo de Grignard.
En ambos casos, el reactivo de partida es un cianoacetato de etilo disustituidos que es
convertido en el aminoéster por hidrogenación catalítica; el clorhidrato del cloruro de ácido se
obtiene mediante la hidrólisis y tratamiento del aminoéster con cloruro de acetilo y
pentacloruro de fósforo (PCl5). Ambas vías de reacción se muestran en la Figura 15.
R1
CN
H2/Ni
C
R2
HCl
C
COOC2H5
R2
CH2NH2
R1
C
Raney
COOC2H5
CH2NH2
R1
COOH
R2
PCl5/CH3COCl
RMgX
R1
R1
O
R2
NH
NH3
o TEA
CH2NH2.HCl
C
R2
COCl
Figura 15. Síntesis de 2-azetidinona α-sustituida
Cuando la ciclación se realiza a partir del aminoéster, los mejores resultados se alcanzan a
temperaturas comprendidas entre 0 y 5 °C, ya que a temperaturas superiores se obtiene la
formación del polímero.
Las 2-azetidinonas sustituidas en la posición 4, especialmente las β-β-disustituidas, son
difíciles de obtener por ciclación de ésteres con compuestos organomagnésicos. Sin embargo,
19
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
estas β-lactamas pueden ser obtenidas en forma satisfactoria mediante la reacción de adición
del clorosulfonilisocianato (CSI) a olefinas sustituidas, Figura 16.
H3C
C
C
H3C
H3C
N
ClO2S
CH3
H3C
C
C
O
+
CH3
H3C
N
H3C
N
ClO2S
O
ClO2S
N
O
H
O
Figura 16. Síntesis de 2-azetidinonas β-sustituídas, empleando CSI.
El CSI es un compuesto volátil que resulta ser muy reactivo frente a un gran número de
nucleófilos, y de modo particular con las olefinas sustituidas, con las cuales se producen
directamente las β-lactamas. Una gran variedad de β-lactamas con rendimientos moderados y
altos, se ha obtenido aplicando esta ruta sintética con olefinas sustituidas21 y con sustancias
vinílicas.22 Mejoras posteriores del método, con rendimientos entre el 80% y 97% han sido
descritas por Hauser y Ellenberger.23 El producto intermedio que se obtiene en la reacción, la
N-clorosulfonil β-lactama, es en muchos casos térmicamente inestable, pero puede ser
convertida fácilmente en la β-lactama correspondiente mediante una hidrólisis reductiva en la
que se pueden emplear diferentes reactivos bajo condiciones controladas de temperatura.(21, 23)
Síntesis asimétrica de β-lactamas
En relación a la síntesis estereoselectiva de β-lactamas enantioméricamente puras, se ha
reportado la preparación de β-lactamas ópticamente activas24 mediante la adición 1,4 de
aminas a un sintón quiral disponible el 5(R) –Mentiloxy-2[5H]-furanona 8, vía β-aminolactona
9. La ciclación del β-amino ácido 10 para obtener la β-lactama 11, se realizo siguiendo el
procedimiento de Mukaiyama y colaboradores25 con un rendimiento del 52% después de la
20
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
purificación. Como puede observarse la β-lactama 11 posee un grupo protector fácilmente
removible en el nitrógeno de la amida, lo cual hace a esta β-lactama un precursor atractivo
para la síntesis de antibióticos del tipo carbapem. Figura 17.
NHR
O
RNH
RNH2
M*O
O
O
DMF
8
5(R)-metiloxi-2[5H]-furanona
1
M*O
O
O 2
p-TsOH/MeOH
MeO
OH
NaOH/MeOH
9
OMe
10
Mukaiyama
OMe
M*O= mentiloxi
MeO
H
O
N
11
R
Figura 17.- Ruta de síntesis para β-lactamas ópticamente activas.
Recientemente se ha utilizado una mezcla de alcaloides naturales la quinina y la quinidina
protegidos con trimetilsilano (TMS) como catalizador en la síntesis asimétrica de β-lactamas
14 mediante una ciclocondensación [2+2] entre halogenuros de ácido 12 e iminas 13 activadas
con el grupo bencensulfonil (N-bencensulfonil-Iminas), con bajas diastereoselectividades.26
Figura 18. Además la adición de un ácido de Lewis para incrementar la reactividad del
sustrato imina no tuvo un efecto considerable.
21
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
O
R1
N
Cl
R2
R1
12
H
N
Ac. Lewis
Isp2NEt
R1
13
TMS-Quinidina
R3
O
TMS - Q
+
TMS-Quinina
R2
14
H2C
H2C
OTMS
N
N
TMSO
N
N
OMe
MeO
TMS-Q= TMS-Quinina/TMS-Quinidina
Ns= 1-sulfonil-4-nitrobenceno ó 1-sulfonil-2-nitrobenceno
Figura 18- Síntesis de β-lactamas catalizada con TMS-Q.
Cicloadición 1,3-dipolar
La reacción de cicloadición entre un compuesto alquino terminal 15 y una nitrona 16, que es
un compuesto 1,3-dipolar, en la presencia de cantidades catalíticas de un metal (cobre)
proporciona la 2-azetidinona 17, y es conocida como la reacción de Kinugasa-Miura,27 Figura
19.
H
+
CH
15
R1
R
R
R1
N
+
R2
O
_
C u (1 ).L *
(C 6 H 1 1 )2 N M e
M eC N
N
O
16
R2
17
Figura 19.- Reacción de Kinugasa-Miura.
22
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Una variación enantioselectiva de este proceso ha sido recientemente presentada por Fu y
colaboradores, donde se preparan algunas β-lactamas utilizando en la síntesis ligandos quirales
del tipo bis(azaferrocenos).28
Por otra lado, si el biciclopropiliden 18 es usado como el dipolarofilo en la cicloadición con la
nitrona 16 se obtiene como único producto la isoxazolidina 19, la cual sufre un rearreglo
térmico al ser tratada con ácido trifluoroacético a 70oC para obtener la correspondiente βlactama 3-espiro ciclopropanato 20, en un buen rendimiento global de las dos reacciones.
Figura 20.
H
.
+
+
N
R2
18
O
_
R2
R2
R1
H+ , Δ
R1
19
N
N
O
O
R1
20
21
Figura 20. Síntesis de β-lactamas vía rearreglo térmico de isoxazolidinas.
Reactividad de compuestos β-lactámicos
Las β-lactamas son amidas excepcionalmente reactivas, capaces de acilar una diversidad de
reactivos nucleofílicos. La considerable tensión en el anillo de cuatro miembros parece ser la
fuerza impulsora de la gran reactividad de las β-lactamas.
Mediante la adición de un nucleófilo sobre el carbonilo de la β-lactama el anillo se abre y se
libera la tensión. Figura 21.
23
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
H
H
H
H
H
H
H
H
O
N
N
O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O
H
O
N:
H
Nu
Nu
H
H
NH2
Nu
O
Nu:
Figura 21. Adición nucleofìlica sobre la β-lactama
Debido a la alta tensión que presenta el anillo de cuatro miembros de las β-lactamas, es
posible la ruptura de cualquiera de los cuatro enlaces.
Así por ejemplo el enlace N1-C2 se puede romper fácilmente por la acción de nucleófilos
(tales como, oxígeno, nitrógeno, y carbono), para obtener como productos derivados de βaminoácidos.29 Por otro lado cuando R2 es un grupo amino y R3 es un grupo aromático, la
reacción de hidrogenólisis catalizada con Paladio es la mejor manera de romper el enlace N1C4, obteniéndose en este caso derivados peptídicos de α–aminoácidos.10b
La apertura del anillo en el enlace formado por C2-C3 proporciona compuestos α–hidroxi-βlactámicos los cuales
también pueden producir
derivados de α–amino ácidos, vía un
anhídrido intermediario del tipo N-carboxi α aminácido.30 Figura 22.
24
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
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R2
R3
3
4
R1
HN
O
Ruptura N1-C2
2
N1
O
R3
HO
R1
R2
β−aminoácidos
R1
α−αminoácidos
Ar
Ar
H2N
3
H2N
Ruptura N1-C4
4
N1
2
O
O
R1
R2
HO
NH
O
R2
Ruptura C2-C3
HO
N
O
H
[O]
α-aminoácidos
HN
R1
R1
O
[O]
[-CO 2]
R2
O
N
R1
O
Figura 22. Derivados obtenidos por la ruptura de enlaces en β-lactamas.
Comparada con la metodología que involucra la formación de un enlace simple en la síntesis
de las β-lactamas la cicloadición de cetena-imina la cual incluye la inserción de un carbenoide,
es conocida también como la “reacción de Staudinger” (cicloadición [2+2]). Es reconocida
como un método fundamental y versátil para la síntesis de derivados β-lactámicos (2azetidinonas) en un solo paso. Figura 23.
O
C
H3C
CH3
cetena
N
N
+
R'
O
X
X
CH3
R'
CH3
Imina
CH3
2-Azetiodinona
Figura 23. Reacción de Staudinger
25
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Aunque la reacción de Staudinger entre cetenas e iminas es conocida desde 190710 la
naturaleza de su mecanismo no era muy aceptada hasta recientemente.16 Este problema se
complica con el desarrollo de diferentes variantes en la reacción. Quizás la metodología más
ampliamente utilizada es la que involucra un cloruro de ácido con una imina, una gran
variedad de investigaciones de este tipo han sido reportadas.
Existen varias investigaciones experimentales y teóricas sobre la reacción de Staudinger en
décadas pasadas y el proceso mas ampliamente aceptado de esta reacción es el siguiente:
1.- La reacción de cicloadición de la cetena-imina, más que una reacción concertada es una
reacción paso a paso.
2.- La reacción se inicia con el ataque nucleofílico de la imina a la cetena dando un “zuiterión” como intermediario.
3.- Un cierre de anillo electrocíclico conrotatorio del “zuiter-ión” intermediario produce la βlactama como producto final.
Gracias a la disponibilidad de iminas y cetenas, la reacción de Staudinger ha mantenido un
acercamiento útil y barato, esta reacción es la más eficaz para construir el anillo de cuatro
miembros de la β–lactama directamente.
Debido a que las β-lactamas han figurado prominentemente tanto en síntesis orgánica, por su
versatilidad estructural, como a nivel farmacológico por sus propiedades medicinales como
agentes quimioterapéuticos, el desarrollo de métodos eficientes para su preparación juega un
papel muy importante.
26
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
CAPÍTULO 2
27
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
II. PARTE EXPERIMENTAL
II.1 Instrumentación
Para realizar la síntesis, se empleó material de fácil acceso en los laboratorios de química
orgánica: vasos de precipitado, probetas, matraces para aforar, tubos de ensaye, embudos,
embudos de separación, pipetas, cristalizadores, refrigerantes, equipo de destilación, barras de
agitación, jeringas desechables, cánulas, soportes; el material de vidrio usado fue secado en
una estufa a 180°C durante 24 h antes de
usarse. Todos los productos sintetizados se
concentraron usando un rotavapor Buche Water Bath B480 adaptado a una bomba de vacío.
La purificación de los compuestos sintetizados se llevó a cabo mediante cromatografía en
columna tipo flash31, utilizando sílica gel Merck de 230-240 mallas (0.040-0.063mm),
destilación fraccionada y recristalización fraccionada según el producto obtenido. La
cromatografía en capa fina se efectuó sobre cromatoplacas Merck-DC-F254; empleando una
lámpara de luz ultravioleta (UV) para identificar y revelar los productos.
Los puntos de fusión se determinaron en un aparato Fisher Scientific usando láminas de vidrio
abierto sin corregir. Los espectros de infrarrojo se determinaron en pastillas de KBr y
cloroformo con un espectrómetro Spectrum One FT-IR de Perkin Elmer, las frecuencias de
absorción se reportan en cm-1. Los espectros de masas de impacto electrónico se obtuvieron en
un equipo GC-MS Perkin Elmer con un voltaje de ionización de 70 eV y una corriente de
filamento de 100 pA, las señales de fragmentación se reportan en m/z.
Los espectros de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) se determinaron en un espectrómetro
JEOL modelo GSX-270. Para 1H a 270 MHz y los de 13C a 67.89 MHz. Las determinaciones
28
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
se llevaron a cabo utilizando como disolvente cloroformo deuterado (CDCl3) y
tetrametilsilano (TMS) como referencia interna.
Para indicar la multiplicidad de las señales en 1H se utilizaron las siguientes abreviaturas: (s)
simple, (d) doble, (t) triple, (m) múltiple, los valores de los desplazamientos químicos (δ) se
presentan en partes por millón (ppm) y las constantes de acoplamiento (J) se describen en
Hertz (Hz). En los casos en que no se pudo determinar la multiplicidad de una señal se reporta
el intervalo de desplazamiento químico en el que aparecen. Los espectros de 13C se asignaron
utilizando las tablas del libro “Determinación de estructuras de compuestos orgánicos” 32.
Los espectros de RMN bidimensionales de correlación; Heteronuclear Carbono-Hidrógeno
(HETCOR) Homonuclear Hidrógeno-Hidrógeno (COSY), fueron obtenidos con el
espectrómetro, Bruker Avance 300.
II.2 Disolventes y Reactivos
El diclorometano (CH2Cl2) se secó utilizando sulfato de calcio como indicador (Driedrita).
Agitándose por lo menos 6 h a reflujo en atmósfera inerte de nitrógeno (N2) y destilándose
previa utilización. El hexano y el acetato de etilo utilizados para la purificación de los
compuestos fueron destilados antes de usarse.
Los reactivos utilizados en la presente tesis fueron:
2,4-pentanodiona 99% (C5H8O2). Peso molecular 100.12 g/gmol. Densidad 0.97 g/mL.
Isopropilamina 99.5% (C3H9N). Peso molecular 59.11 g/gmol.
Cloruro de cloroacetilo 98% (C2H2Cl2O). Peso molecular 112.94 g/gmol.
Trietilamina (C2H5)3N. Peso molecular 101.19 g/gmol. Densidad 0.73 g/mL.
29
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Hidróxido de amonio (NH4OH), 27% como NH3. Peso molecular 36 g/gmol. Densidad
0.896 g/mL.
Tolueno (C6H5CH3). Peso molecular 92.14 g/gmol. Densidad 0.865 g/mL.
Sulfato de sodio anhidro (Na2SO4). Peso molecular 142 g/gmol.
Bicarbonato de sodio. Peso molecular 84.01 g/gmol.
Cloruro de metileno (CH2Cl2)
II.3 Procedimiento y metodología
Síntesis de la 4-imino-2-penten-2-ol (Imina 1a)
En un matraz balón se agregaron 12.8 mL (0.097 mol) de hidróxido de amonio, 10 mL (0.0998
mol) de 2,4-pentanodiona en 25 mL de tolueno y 1 mL de ácido clorhídrico, la reacción se
mantuvo en agitación magnética y a reflujo durante 8 h. La solución resultante fue filtrada a
vació, el precipitado se lavó con hexano, al líquido obtenido se le evapora el disolvente, se
concentra en el rotavapor y finalmente se destilo utilizando vació y una temperatura de 90°C,
obteniéndose un líquido amarillo claro que tiende a cristalizar con un rendimiento del 85%.
Figura 24.
NH
OH
H3C
1
2
4
3
CH3
5
1a
Figura 24. 4-imino-2-penten-2-ol (Imina 1a)
IR v (KBr, cm-1); 3339.4 (O-H), 3177.3 (N-H), 2922.94 (=C-H), 1618.6 (C=C), 1536.1
(C=N), 1415.1 (-CH3) y 1290.3 (-CH3).
30
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
1
H-RMN ( 300 MHz; CDCl), δ (ppm); 9.71 (1H, sa, =C-OH), 5.43 (1H, sa, C=NH), 5.03 (1H,
s, =CH), 2.03 (3H, s, CH3-C(OH)=C), 1.92 (3H, s, CH3-C=N).
13
C-RMN ( 75 MHz; CDCl), δ (ppm); 196.53 (=C(OH)), 161.37 (C=NH), 95.48 (=CH), 29.03
(CH3-C(OH)=C), 22.03 (CH3-C=N).
Peso molecular: 99.13 g/gmol
Espectro de masa: GC-MS, m/z; 99 (56.1%) [M+], 84 (100%) [M+ -15], 44 (7%) [M+ -55], 42
(68%) [M+ -57], 40 (5%) [M+ -59].
Síntesis de la 4-fenilimino-2-penten-2-ol ( fenilimina 1b)
En un matraz balón se agregaron 10 mL (0.109 mol) de anilina, 10.3 mL (0.1 mol) de 2,4pentanodiona en 25 mL de tolueno y 1 mL de ácido clorhídrico, la reacción se mantuvo en
agitación magnética y a reflujo durante 8 h. La solución resultante fue filtrada a presión
reducida, el precipitado se lavó con hexano, el líquido obtenido es evaporado, concentrado y
destilado a 90°C, obteniéndose un líquido amarillo, con rendimiento del 85%. Figura 25.
N
OH
H3C
1
2
4
3
CH3
5
1b
Figura 25. 4-fenilimino-2-penten-2-ol ( fenilimina 1b)
IR v (KBr, cm-1); 3431.2 (O-H), 2998.2 (=C-H),1596.5 (C=C),1573.5 (C=N),
1510.5(C=Caromático), 1439.6 (-CH3) y 1438.02 (-CH3), 751.10 Armono.
31
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
1
H-RMN ( 270 MHz; CDCl), δ (ppm); 7.2-7.3 (2H, m, =C-Haromático), 7.0-7.2 (3H, m, =C-
Haromático), 5.13 (1H, s, =CH), 3.65 (1H, sa, O-H), 2.05 (3H, s, CH3-C(OH)=C), 1.91 (3H, s,
CH3-C=N).
13
C-RMN ( 67.89 MHz; CDCl), δ (ppm); 196.15 (=C(OH)), 160.40 (C=NPh), 138.73 (=Cipso),
129.19 (=Corto), 125.6 (=Cpara), 124.69 (=Cmeta), 97.8 (=CH), 29.3 (CH3-C(OH)=C), 19.9
(CH3-C=N).
Peso molecular: 175.22 g/gmol.
Espectro de masa GC-MS, m/z; 175 (32%) [M+], 160 (100%) [M+ -15], 132 (53%) [M+ 43],118 (31%) [M+ - 57], 77 (60%) [M+ - 98], 43 (46%) [M+ - 132].
Síntesis de la 4-isopropilimino-2-penten-2-ol ( isopropilimina 1c)
En un matraz balón se agregaron 10 mL (0.118 mol) de isopropilamina, 10.3 mL (0.1 mol) de
2,4-pentanodiona en 25 mL de tolueno y 1 mL de ácido clorhídrico, la reacción se mantuvo en
agitación magnética y a reflujo durante 8 h. La solución resultante fue filtrada a presión
reducida, el precipitado se lavó con hexano, el líquido obtenido es evaporado, concentrado y
destilado a 90°C, obteniéndose un líquido amarillo con un rendimiento del 85%. Figura 26.
CH3
H3C
1
2
CH3
N
OH
4
3
1c
CH3
5
Figura 26. 4-isopropilimino-2-penten-2-ol ( isopropilimina 1c)
32
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
IR v (KBr, cm-1), 3450.56 (O-H), 2972.92 ((CH3)2C-H), 2931.54 (=C-H), 1610.27 (C=C),
1579.18 (C=N), 1513.6 (-CH3), 1440.24 (-CH3), 1355.25 (-CH3) y 1306.05 (-CH3).
1
H-RMN ( 270 MHz; CDCl), δ (ppm), J (Hz); 10.47 (1H, sa, =C-OH), 4.54 (1H, s, =CH),
3.36 (1H, m, (CH3)2CH), 1.59 (3H, s, CH3-C(OH)=C), 1.58 (3H, s, CH3-C=N), 0.85 (6H, d,
J3H-H=6.43, (CH3)2CH).
13
C-RMN ( 67.93 MHz; CDCl), δ (ppm); 193.82 (=C(OH)), 161.45 (C=NH), 94.61 (=CH),
44.26 ((CH3)2CH), 28.37 (CH3-C(OH)=C), 23.54 ((CH3)2CH), 18.21 (CH3-C=N).
Peso molecular: 141.21 g/gmol .
Espectro de masa GC-MS, m/z; 141 (61%) [M+], 126 (54%) [M+ - 15], 124 (23%) [M+ -17],
108 (36%) [M+ - 33], 98 (56%) [M+ - 43], 84 (100%) [M+ - 57], 58 (23%) [M+ - 83], 44
(23%) [M+ - 97].
Síntesis de la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)- azetidin-2-ona (NH-β-lactama 2a)
En un matraz balón de fondo redondo, se agregaron 2.05g (0.021 mol) de la NH-imina (1a) y
30 mL de diclorometano, esta solución se mantuvo bajo agitación magnética en atmósfera de
nitrógeno y en un baño de hielo seco/acetona para alcanzar una temperatura de –78°C. A esta
mezcla se le adicionó vía cánula en condiciones inertes y gota a gota una solución de 4.9 mL
(0.062 mol) de cloruro de cloroacetilo en 30 mL de diclorometano, posteriormente se agregó
vía cánula en condiciones inertes y gota a gota una solución de 8.6 mL (0.062 mol) de
trietilamina en 30 mL de diclorometano.
33
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Terminada la adición, se mantuvo 2 h a esta temperatura y posteriormente se agitó a
temperatura ambiente por 48 h. Finalizado el tiempo de reacción, la solución resultante fue
filtrada a vacío, para quitar el clorhidrato de la trietilamina formado, el cual se lavó con
diclorometano; el líquido obtenido del filtrado fue tratado con una solución de bicarbonato de
sodio (NaHCO3) al 10% haciéndose 3 extracciones con esta solución y 2 extracciones con
agua destilada, la fase orgánica se secó con sulfato de sodio anhídro (Na2SO4), se filtro y se
destiló todo el disolvente, recuperando después una tercera parte de destilado.
El producto se purificó por columna tipo flash empleando una mezcla de disolventes 9:1 de
hexano/acetato de etilo. Se obtuvo un sólido blanco con un p.f = 62-63°C, con un rendimiento
de 65%. Figura 27.
O
H
N
1 2
4 3
CH3
H3C
O
Cl
2a
Figura 27. 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)- azetidin-2-ona (NH-β-lactama 2a)
IR v (KBr, cm-1), 3452.11 (N-H), 2988.27 (CH3-CO), 2948.37 y 1139.41 (C-CH3), 1737.20
(N-C=O), 1636.90 (C=Ocetona), 1484.40 (CH2-C), 620.7(C-Cl).
1
H-RMN ( 300 MHz; CDCl), δ (ppm); 12.94 (1H, s, NH), 5.43 (1H, s, Cl-CH), 4.07 (2H, s,
CH2-Cl), 2.37 (3H, s, CH3-CO), 2.15 (3H, s, CH3-C).
13
C-RMN ( 75 MHz; CDCl-d6), δ (ppm); 199.90 (CH3-CO), 166.28 (HN-CO), 153.56 (CH2-
C-CH3),107.36 (Cl-CH-CO), 43.22 (CO-CH2-C), 30.55 (CH3-CO), 21.70 (CH2-C-CH3).
Peso molecular: 175.6 g/gmol ;
34
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Espectro de masa GC-MS, m/z; 175 (8.0%) [M+], 160 (8.0%) y 162 (1.5%) [M+ - 15 con
35
Cl y 37Cl respectivamente],134 (25%) y 132 (75%) [M+ - 43 con 35Cl y 37Cl], 84 (100%) [M+
- 91], 49 (19%) [M+ - 126], 43 (93%) [M+ - 132].
Síntesis de 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona
(N-fenil-β-lactama 2b)
En un matraz balón de fondo redondo, se agregaron 2.84g (0.016 mol) de la n-fenil-imina (1b)
y 30 mL de diclorometano, esta solución se mantuvo bajo agitación magnética en atmósfera
de nitrógeno y en un baño de hielo seco/acetona para alcanzar una temperatura de -78°C. A
esta mezcla se le adicionó vía cánula en condiciones inertes y gota a gota una solución de 3.9
mL (0.048 mol) de cloruro de cloroacetilo en 30 mL de diclorometano, posteriormente se
agregó vía cánula en condiciones inertes y gota a gota una solución de 6.7 mL (0.048 mol) de
trietilamina en 30 mL de diclorometano.
Terminada la adición, se mantuvo 2 h a esta temperatura y posteriormente se agitó a
temperatura ambiente por 48 h. Finalizado el tiempo de reacción, la solución resultante fue
filtrada a vacío, para quitar el clorhidrato de trietilamina formado, el cual se lavó con
diclorometano; el líquido obtenido del filtrado fue tratado con una solución de bicarbonato de
sodio (NaHCO3) al 10% haciéndose 3 extracciones con esta solución y 2 extracciones con
agua destilada, la fase orgánica se secó con sulfato de sodio anhídro (Na2SO4), se filtro y se
destiló todo el disolvente, recuperando aproximadamente una tercera parte de destilado.
El producto se purificó por columna tipo flash empleando una mezcla de disolventes 9:1 de
hexano/acetato de etilo. Se obtuvo un sólido blanco con un p.f= 150°C, con un rendimiento de
30%. Figura 28.
35
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
O
N1 2
H
4
H
3
CH3
H3C
Cl
O
2a
Figura 28. 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona (N-fenil-β-lactama 2b)
IR v (KBr, cm-1), 3452.11 (N-Caromático), 2940.44 y 1081.26 (C-CH3), 1685.0 (N-C=O),
1661.24 (CH3-C=O), 1494.32 (CH2-C), 619.55(C-Cl).
1
H-RMN ( 500 MHz; CDCl), δ (ppm), J (Hz); 7.4 (3H, m, =C-Haromático), 7.1 (2H, m, =C-
Haromático), 4.86 (1H, s, Cl-CH), 3.99 (1H, d, JgemH-H= 12, CHa-C-), 3.78 (1H, d, JgemH-H= 12,
CHb-C-), 2.43 (3H, s, CH3-CO), 1.8 (3H, s, CH3-C).
13
C-RMN ( 125.78 MHz; CDCl), δ (ppm); 202.59 (CH3-CO), 165.2 (PhN-CO), 140.93
(=Cipso), 130.0 (=Corto), 129.43 (=Cmeta), 120.18 (=Cpara), 75.29 (CH2-C-CH3), 60.41(Cl-CH),
47.24 (CO-CH2-C), 32.88 (CH3-CO), 19.08 (CH2-C-CH3).
Peso molecular: 251 g/gmol ;
Espectro de masa GC-MS, m/z; 212 (100%) [M+ - 39], 176 (18%) [M+ - 75], 118 (20%) [M+
- 133], 104 (13%) [M+ - 139], 77 (65%) [M+ - 174], 43 (55%) [M+ - 208].
36
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
CAPÍTULO 3
37
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Se plantea la siguiente ruta de síntesis para la obtención de las monobactamas, teniendo como
materia prima la 2,4-pentanodiona. En primer lugar se obtienen y caracterizan tres iminas, las
cuales provienen de las aminas primarias: isopropilamina, y anilina, así como la derivada del
amoniaco con la acetilacetona y finalmente por medio de la reacción de “Staudinger” se
obtienen dos monobactamas. Figura 29.
R
O
O
CH3
H3C
O
N
+
R'NH2
CH3
H3C
Cl
O
2,4-pentanodiona
β- Lactama
R' = H, Ph, Isp
R = H, Ph
Figura 29. Síntesis de monobactamas
La 2,4-pentanodiona (Acac) es ligeramente ácida tiene un pKa = 9, existe en estado líquido
como una mezcla tautomérica ceto-enol que depende del disolvente. La forma tautomérica
enol se favorece con disolventes orgánicos apróticos, y como se vió en los antecedentes esta
forma tautomérica esta estabilizada mediante un enlace por puente de hidrógeno. Figura 30.
O
H
O
H3C
CH3
H
H
O
Lento
H
O
O
O
OH
Rápido
CH3
H3C
H
CH3
H3C
H
O
H3C
CH3
H
Enol
Figura 30. Equilibrio tautomérico de la acetilacetona
38
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
La Acac es un compuesto ampliamente utilizando en síntesis, debido a la diversidad de
reacciones que pueden ocurrir sobre esta molécula; por ejemplo la reacción de adición de
electrófilos en las posiciones 3 y 5 vía formación de aniones, con un anión enolato y un 1,3dianión, respectivamente. Otras reacciones que involucran la formación del monoanión de la
acac
y homólogos
con compuestos carbonílicos, son las adiciones conjugadas sobre
compuesto α,β-insaturados33 (reacción de Michael), así como, reacciones aldol34 y
Knoevenenagel.35 Adicionalmente la funcionalidad de la 2,4-pentanodiona ha sido usada
frecuentemente en la síntesis de compuestos heterocíclicos de interés como pirazoles,
oxazoles, pirroles y pirimidinas.36
Una aplicación útil de esta molécula es la formación de complejos; quelatos de alta
cristalinidad con metales de transición, como acetilacetona cobre II, tris acetoacetonato de
fierro III, acetilacetonato de manganeso III, acetilacetonato de níquel II, y acetilacetonato de
paladio II, entre otros.
III.1 Formación de iminas (1a-1c)
Al igual que la formación de acetales, la reacción de aldehídos y cetonas con aminas primarias
del tipo RNH2 y ArNH2 ó Amoniaco (NH3), es un proceso en dos etapas. Como ya se
mencionó anteriormente, la primera etapa es una adición nucleofílica de la amina al grupo
carbonilo, para formar un compuesto llamado carbinolamina. La segunda etapa es la
deshidratación para obtener el producto aislado de la reacción, una imina N-alquil, N-aril ó NH sustituida.
Obtención de la 4-imino-2-penten-2-ol (Imina 1a).
Para la ruta de síntesis planteada se optimizaron los rendimientos, modificando tiempo de
reacción y temperatura. La reacción de la 2,4-pentanodiona con una solución acuosa de
39
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
hidróxido de amonio, utilizando tolueno como disolvente y con ácido clorhídrico como
catalizador, se mantuvo a reflujo durante 8 horas, para obtener la 4-imino-2-penten-2-ol
(Imina 1a). Debido a que esta es una reacción reversible fue necesario eliminar el agua
formada para desplazar el equilibrio hacia la formación de la imina. El producto obtenido fue
un líquido amarillo claro, el cual se caracterizó como imina 1a, Figura 31.
O
HO
H3C
Acac
OH
adición
CH3
+
NH4OH
Hidróxido de amonio
HO
eliminación
CH3
H3C
OH
HN
+ H2O
CH3
H3C
NH2
Imina 1a
Carbinolamina
Figura 31. Ruta de síntesis planteada pala la formación de la 4-imino-2-penten-2-ol .
En el espectro de RMN 1H de la imina 1a se pudo observar a 9.71 ppm una señal ancha
correspondiente al hidrógeno (OH) del enol, otra señal ancha para el protón de la imina en
5.43 ppm, para el hidrógeno vinílico se presenta una señal simple en 5.03 ppm, para el metilo
unido directamente al carbono imínico se muestra una señal simple en 1.92 ppm, mientras que
el metilo unido al carbono del enol aparece como una señal simple en 2.03 ppm. Figura 32.
9.71
5.43
NH
OH
2.03
CH3
H3C
1.92
H
5.03
Figura 32. Asignación de las señales de RMN 1H en ppm, del 4-imino-2-penten-2-ol
40
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
En la caracterización de este compuesto por RMN de 13C aparecen en la región de frecuencias
altas, es decir campos bajos, los desplazamientos correspondientes al Carbono con hibridación
sp2 al cual está unido directamente el OH en 196.5 ppm, y el del Carbono imínico aparece en
161.4 ppm, por otro lado a frecuencias bajas (campos altos) aparecen en 29.0 ppm y 22.0 ppm
los desplazamientos correspondientes a los metilos unidos al carbono del enol y el carbono
imínico respectivamente. Figura 33.
161.37
196.53
OH
NH
CH3
H3C
95.48
29.03
22.03
Figura 33. Asignación de las señales de RMN 13C en ppm del 4-imino-2-penten-2-ol
Por otro lado, en el espectro de infrarrojo se observa una banda de absorción en 1536.1 cm-1
característica del grupo imina, en 3339.4 cm-1 la absorción del grupo OH, en 3177.3 cm-1 la
banda del NH, así como las correspondientes a los metilos en 1415.1 cm-1 y 1290.3 cm-1
respectivamente.
41
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
En la espectrometría de masas del compuesto 1a, se determina el ión molecular de 99 m/z, y el
pico más abundante aparece en 84 m/z. A continuación se muestran los fragmentos
representativos de este compuesto. Figura 34.
+
OH
C2H4O
H3C
+
+
OH
m/z 44
(7 %)
OH
NH
NH
NH
CH3
C4H6NO
m/z 84
(100 %)
CH3
H3C
CH3
C5H9NO
m/z 99
(56 %)
C 2 H 4N
m/z 42
(68 %)
Figura 34. Fragmentación propuesta para la 4-imino-2-penten-2-ol
Obtención de la 4-fenilimino-2-penten-2-ol (fenilimina 1b)
Las mismas condiciones se utilizaron para la obtención de la 4-fenilimino-2-penten-2-ol, ver
figura 35. Se utilizó como amina primaria una aromática, la fenilamina o mejor conocida
como anilina, la cual debe utilizarse recién destilada. Figura 35.
42
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
NH2
HO
O
CH3
H3C
+
Acac
OH
Tolueno
Reflujo, 8h
N
+
H2O
CH3
H3C
Anilina
Fenilimina 1b
F
igura 35. Ruta de síntesis pala la formación de la 4-fenilimino-2-penten-2-ol
En el espectro de RMN 1H de la imina 1b se pudo observar en 7.2-7.3 ppm una señal
múltiple correspondiente a 2 protones aromáticos, en 7.0-7.2 ppm aparece otra señal múltiple
correspondiente a 3 protones aromáticos, para el hidrógeno vinìlico se presenta una señal
simple en 5.13 ppm, el hidrógeno del OH del enol aparece como una señal ancha en 3.65 ppm,
finalmente el metilo unido directamente al carbono imínico se muestra como una señal simple
en 1.91 ppm, mientras que el metilo unido al carbono del enol aparece en 2.05 ppm como una
señal simple. Figura 36.
7.0-7.2
3.65
7.2-7.3
N
OH
2.05
CH3
H3C
1.91
H
5.13
Figura 36. Asignación de las señales de RMN 1H en ppm del 4-fenilimino-2-penten-2-ol
43
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
En la caracterización del compuesto 1b por RMN de 13C aparecen en la región de frecuencias
altas, los desplazamientos correspondientes al Carbono con hibridación sp2 al que está unido
directamente el OH en 196.15 ppm, y el del Carbono imínico aparece en 160.40 ppm, en
relación a los Carbonos del grupo fenilo estos aparecen en 138.73 ppm la señal del Cipso, en
129.19 ppm la señal del Corto, en 125.6 ppm la del Cpara y en 124.69 ppm la del Cmeta, en 97.8
ppm se muestra la señal del Carbono vinílico, por otro lado a frecuencias bajas aparecen en
29.3 ppm y 19.9 ppm los desplazamientos correspondientes a los metilos unidos al carbono del
enol y del carbono imínico respectivamente Figura 37.
124.69
129.19
125.6
196.15
136.73
138.73
N
OH
CH3
H3C
19.9
160.40
29.3
98.70
97.8
Figura 37. Asignación de las señales de RMN 13C en ppm del 4-fenilimino-2-penten-2-ol
Adicionalmente con la determinación del espectro de carbono trece acoplado a hidrógeno se
pudo determinar que las señales en 196.15 ppm y 97.8 ppm corresponden a carbonos
metínicos es decir que tienen un hidrógeno (CH) ya que sus señales aparecen como dobles, y
que la señal en 160.40 ppm es un simple.
Por otro lado, en el espectro de infrarrojo se observa una banda de absorción en 1573.15 cm-1
característica del grupo imina, asì como en 3431.2 cm-1 la banda correspondiente al OH del
enol.
44
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
En la espectrometría de masas del compuesto 1b, se observa el ión molecular en 175 m/z, y el
pico más abundante en 160 m/z. A continuación se presenta la fragmentación propuesta para
este compuesto. Figura 38.
+
+
OH
N
HC
+
H3C
CH3
C2H3O
m/z 43
(46%)
C9H9N
m/z 132
(53%)
+
OH
CH3
H3C
N
+
N
OH
C11H13NO
m/z 175
CH3
C10H10NO
m/z 160
C6H6
m/z 77
(60%)
(100%)
+
N
CH3
C8H8N
m/z 118
(31%)
Figura 38. Fragmentación propuesta para la 4-fenilimino-2-penten-2-ol
45
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Obtención de la 4-isopropilimino-2-penten-2-ol ( isopropilimina 1c)
La obtención de la 4-isopropilimino-2-penten-2-ol, fue a través de las condiciones ya
mencionadas, empleando en este caso isopropilimina como la amina primaria, para desplazar
el equilibrio hacia la obtención de la imina 1c, fue indispensable eliminar el agua formada,
para lo cual se empleó una trampa de Dean stark. Figura 39.
H3C
HO
H2N
O
CH3
H3C
Acac
H3C
OH
Tolueno
+
CH3
Reflujo, 8h
CH3
N
+
H3C
Isopropilamina
H2O
CH3
Isopropilimina 1c
Figura 39. Ruta de síntesis pala la formación de la 4-isopropilimino-2-penten-2-ol
Para la asignación inequívoca de este compuesto (1c), ver figura 40 y 41 se utilizaron técnicas
de RMN unidimensional como “Distortionless Enhancemente by Polarization Transfer”
(DEPT) y de dos dimensiones tales como “homonuclear CORrelation SpectroscopY” (H,H
COSY), “HETeronuclear chemical Shift CORrelation” (H,C HETCOR) y FLOCK “Múltiple
Bird long Range Correlation Spectroscopy”.
En el experimento homonuclear hidrógeno hidrógeno COSY se observan picos cruzados, los
cuales son generados a través de la transferencia de magnetización que surge del acoplamiento
escalar (J) entre los protones. En particular para el análisis del COSY de este compuesto 1c
podemos observar la correlación a 4 enlaces entre el hidrógeno vinílico (=CH) 4.54 ppm y los
hidrógenos de los metilos imídico (CH3-C=N) 1.58 ppm y enólico (CH3-C(OH)=C) 1.59 ppm.
Así como la correlación entre el hidrógeno base del isopropilo (CH-(CH3)2) 3.36 ppm y los
hidrógenos de los metilos (CH-(CH3)2) 0.85 ppm. Figura 40.
46
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
CH 3
H 3C
1
2
CH 3
N
OH
4
3
1c
CH 3
5
Figura 40. Espectro de RMN H-H COSY del compuesto 1c
La correlación entre un protón con un núcleo diferentes en este caso carbono trece,
proporciona una información muy útil acerca de cual carbono esta unido a cual protón, de
manera tal que la asignación de un protón nos indica automáticamente la asignación del
carbono trece al que esta unido y viceversa. Por lo que se utilizó un experimento HETCOR
para establecer la conectividad entre carbonos y sus protrones unidos directamente,
observándose la correlación entre en hidrógeno vinílico (=CH) 4.54 ppm y el carbono vinílico
(=CH) 94.61ppm. La correlación entre el hidrógeno base del isopropilo (CH-(CH3)2) 3.36 ppm
y la señal del carbono al que esta unido (CH-(CH3)2) 44.26 ppm. La correlación entre los
hidrógenos de los metilos imídico (CH3-C=N) 1.58 ppm y enólico (CH3-C(OH)=C) 1.59 ppm,
con los carbonos imídico (CH3-C=N) 28.37 ppm y enólico (CH3-C(OH)=C) 18.21 ppm. Y
finalmente la correlación de los hidrógenos de los metilos del isopropilo (CH-(CH3)2) 0.85
ppm con sus propios carbonos (CH-(CH3)2) 23.54 ppm. Figura 41.
47
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
CH 3
H 3C
1
2
CH 3
N
OH
4
3
1c
CH 3
5
Figura 41. Espectro de RMN 1H-13C HETCOR del compuesto 1c
Por otro lado, los resultados de FLOCK que es un experimento de detección directa que
muestra la correlación a dos o a tres enlaces de distancia entre núcleos diferentes (hidrógenocarbono) y suprime las correlaciones a un enlace de distancia, nos indica la del hidrógeno
vinílico (=CH) 4.54 ppm a dos enlaces con los carbonos enólico (CH3-C(OH)=C) 193.82 ppm
e imídico (CH3-C=N) 161.45 ppm. Así como la correlación entre los hidrógenos de los
metilos imídico (CH3-C=N) 1.58 ppm y enólico (CH3-C(OH)=C) 1.59 ppm, a dos enlaces con
el carbono vinílico (=CH) 94.61ppm y a 3 enlaces con los carbonos enólico (CH3-C(OH)=C)
48
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
193.82 ppm e imídico (CH3-C=N) 161.45 ppm respectivamente. Y finalmente la correlación
de los hidrógenos de los metilos del isopropilo (CH-(CH3)2) 0.85 ppm a dos enlaces con el
carbono (CH-(CH3)2) 44.26 ppm y a 1 enlace con sus propios carbonos (CH-(CH3)2) 23.54
ppm. Figura 42.
CH 3
H 3C
1
2
CH 3
N
OH
4
3
1c
CH 3
5
Figura 42. Espectro de RMN 1H-13C FLOCK del compuesto 1c
Con el experimento DEPT a 45 grados se corroboró la asignación de los carbonos
cuaternarios. Así pues con los diferentes experimentos se realizó la asignación de todos los
picos y confirmación de la estructura. Figura 43 y 44.
49
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
10.47
0.85
CH3
OH
N H
3.36
CH3
H3C
1.59
CH3
1.58
H
4.54
Figura 43. Asignación de las señales de RMN 1H en ppm, del 4-isopropilimino-2-penten-2-ol
23.54
CH3
193.82
OH
N
CH3
44.26
CH3
H3C
161.45
94.61
28.37
18.15
Figura 44. Asignación de las señales de RMN 13C en ppm, del 4-isopropilimino-2-penten-2-ol
Por otro lado, en el espectro de infrarrojo se observa una banda de absorción en 1579.18 cm-1
característica del grupo imina, en 3450.6 cm-1 el OH, en 2972.92 cm-1 el CH del isopropilo,
también se localizan los metilos en 1513.6 cm-1, 1440.24 cm-1, 1355.25 cm-1 y 1306.05 cm-1
respectivamente.
50
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Para la espectrometría de masas del compuesto 1c, se observa el ión molecular en 141 m/z, y
el pico base aparece en 84 m/z.
+
+
OH
OH
H3C
C2H4O
m/z 44
23%
CH3
H3C
C5H8O
m/z 84
100%
CH3
+
CH3
OH
CH3
N
+
CH3
N
CH3
H3C
CH3
H3C
OH
C8H15NO
m/z 141
C8H14N
m/z 124
61%
N
CH3
H3C
C5H8NO
m/z 98
56%
+
+
CH3
OH
OH
CH3
N
CH3
C7H12NO
m/z 126
54%
H3C
CH C H O
3 5
m/z 58
23%
Figura 45. Fragmentación propuesta para la 4-isopropilimino-2-penten-2-ol
En las tablas 1 y 2, se resumen todos los datos de RMN de 1H y de
13
C de las tres iminas
sintetizadas, donde se puede observar que la señal simple del protón vinílico en los tres
51
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
compuesto varia en menos de 1 ppm, mientras que la señal simple del metilo enólico varia
solamente en el compuesto que tiene isopropilo.
CH 3
CH 3
H 3C
CH 3
H 3C
CH 3
CH 3
H 3C
1b
1a
N
OH
N
OH
NH
OH
1c
Tabla 1. Datos de RMN de 1H para los compuestos 1a, 1b y 1c
NHImina
OHEnol
1a
5.43
9.71
2.03
5.03
1b
------
12.64
2.05
1c
------
10.47
1.59
Comp.
CH3-C(OH)=
=CH
CH3-C=N
CH-(CH3)2
CH-(CH3)2
Haromático
1.92
------
------
------
5.13
1.91
------
-------
7.0 a7.2
7.2 a7.3
4.54
1.58
3.36*
0.85
__
* J3H-H = 6.43 Hz
Tabla 2. Datos de RMN de 13C para los compuestos 1a, 1b y 1c
Comp.
CH3-C(OH)=
CH3-C(OH)=
1a
29.03
196.53
=CH
95.48
CH3-C=N
CH3-C=N
161.37
22.03
CH-(CH3)2
------
CH-(CH3)2
-------
Caromatico
Ipso, orto,
para y meta
------138.73,
129.19,
1b
29.30
196.15
97.80
160.40
19.90
------
-----
125.60,
124.69
1c
28.37
193.82
94.61
161.45
18.15
44.26
23.54
-------
52
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
A continuación se muestra en la Tabla 5 los datos de Espectroscopia de Infrarrojo de los
compuestos 1a, 1b y lc.
CH 3
OH
CH 3
H 3C
CH 3
H 3C
CH 3
H 3C
1b
1a
CH 3
N
OH
N
OH
NH
1c
Tabla 3. Datos de IR de los compuestos 1a, 1b y lc
Comp.
v (NH)
v (OH)
v (C=N)
v (CH)alqueno
v (CH)alcano
v (Armono)
v (CH3)
1a
3177.21
3339.37
1618.6
2922.94
------
------
1415.09
1b
-------
3431.18
1596.50
2998.17
-------
821.74
1438.02
1c
-------
3450.56
1579.18
2972.92
2931.54
------
1440.24
III.2 Obtención de la NH-β-lactama 2a
La síntesis de la NH-β-lactama 2a se llevó a cabo mediante una cicloadición [2+2 ] entre una
imina y una cetena, mejor conocida como la reacción de “Staudinger”; para la obtención in
situ de la cetena se utilizó el cloruro de cloro acetilo, y como base trietilamina para abstraer el
hidrógeno ácido α al grupo carbonilo, utilizando un baño de acetona hielo/seco para alcanzar
una temperatura de –78°C, la reacción se mantuvo a esta temperatura por 2 h y posteriormente
48 h a temperatura ambiente. Figura 46.
53
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
O
OH
HN
+
CH 3
H 3C
O
NH
CH 2Cl2 , NEt3
Cl
- 78 oC
Cl
CH 3 Cl
Cloruro de cloroacetilo
H 3C
1a
O
2a
Figura 46. Síntesis de la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)- azetidin-2-ona
Después de purificar por columna flash se obtuvo un sólido blanco de punto de fusión 64°C el
cual se caracterizo por RMN 1H, y 13C.
En el espectro de RMN 1H del compuesto 2a aparecen solo señales simples, debido a que
como se puede ver en la estructura de este compuesto ninguno de los protones tiene
hidrógenos vecinos por tanto no hay ningún acoplamiento, incluso los hidrógenos del metileno
(–CH2-) son magnéticamente iguales por lo tanto solo se observa una señal simple para los dos
hidrógenos la cual aparece en 4.07 ppm ver figura 47.
7.24
H
O
O
N
1 2
H3C
2.37
H
5.43
4 3
H
4.07
H
CH3 Cl
2.15
Figura 47. Asignación de RMN 1H para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona.
54
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
En el espectro de 13C aparecen las 7 señales correspondientes a los siete átomos de Carbono
que conforman la estructura del compuesto 2a y que son magnéticamente diferentes. En la
región de frecuencias altas se encuentran en 199.90 ppm la señal correspondiente al carbono
carbonilico de la β-lactama (-CO-NH), en 166.28 ppm aparece la señal del carbono carbonilo
de la cetona (Me-CO-CH2), en 153.55 ppm se observa el carbono α que es el cuaternario de la
β-lactama (HN-C-Me), y a frecuencias más bajas en 43.22 ppm aparece otra señal
correspondiente al metileno α a la cetona (CH2-CO), así como los dos metilos restantes el α a
la cetona (CH3-CO) y el que esta unido al carbono cuaternario (CH3-C-) en 30.55 ppm y 21.70
ppm respectivamente. Figura 48.
166.28
153.56
43.22
O
H
N
1 2
4 3
199.90
CH3
H3C
O
Cl
21.70
107.36
30.55
Figura 48. Asignación de 13C para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona.
En la espectrometría de masas del compuesto 2a, se observa el ión molecular en 175 m/z con
una intensidad del 8.19%, y el pico base en 84 m/z en un 100%, en
espectroscópica se evidencia la presencia de los isótopos de cloro,
35
Cl y
esta técnica
37
Cl los cuales
tienen una abundancia natural de 75.77% y 24.23% respectivamente, así por ejemplo se
observa también un ión molecular en 177 con un 2.64%, así mismo aparecen fragmentos tanto
en 160 y 162, como en 134 y 132 los cuales tienen una proporción similar lo que nos indica la
presencia de cloro en esos fragmentos, mientras que el fragmento correspondiente al ión
molecular mas abundante no contiene ya al átomo de cloro, en la Figura 49 se representa el
mecanismo de fragmentación que se propone para este compuesto.
55
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
+
H
O
N
Cl
H3C
O
C6H7ClNO 2
m/z 160, 162
( 13.29% y 4.46%)
+
H
H
O
O
N
H2C
CH3
+
N
H3C
Cl
C5H7ClNO
CH3
H3C
O
Cl
CHNO
C7H10ClNO 2
O
m/z 175, 177
m/z 132, 134
(33.64% y 83.18%)
( 8.19% y 2.64%)
+
+
H
O
N
CH3
C4H6NO
m/z 84
(100%)
Figura 49. Fragmentación propuesta para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)- azetidin-2-ona
III.3 Obtención de la N-fenil-β-lactama 2b
Para la síntesis de la N-fenil-β-lactama 2b se utilizo el compuesto Fenilimina-1b bajo las
mismas condiciones de reacción ya establecidas en el laboratorio ver Figura 50.
56
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
O
OH
N
+
CH 3
H 3C
O
N
CH 2Cl2, NEt3
Cl
- 78 oC
Cl
CH 3 Cl
Cloruro de cloroacetilo
H 3C
1b
O
2b
Figura 50. Síntesis de la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona
En esta reacción se obtuvieron varios subproductos además de la β-lactama deseada, por lo
que después de purificar por columna flash se obtuvo un sólido blanco de punto de fusión
150°C, con un rendimiento del 30%, el cual se caracterizo por RMN de 1H y 13C.
La asignación de las señales en el espectro de RMN 1H para el compuesto 2b se presenta en la
Figura 51. Aparece una señal simple en 4.78 ppm que corresponde al hidrógeno α al carbonilo
de la β-lactama (ClCH-CO), ahora los hidrógenos del metileno α al carbonilo de la cetona son
magnéticamente distintos por lo que se observa una señal doble con una constante de
acoplamiento geminal de 12 Hz para cada uno, con un desplazamiento en 3.99 ppm uno y el
otro en 3.78 ppm, respecto al desplazamiento de los metilos uno aparece en 2.45 ppm como
una señal simple, mientras que el otro sale en 1.78 ppm también como una señal simple.
7.10
7.40
O
N
3.99
H
H
H
3.78
4.86
H3C
CH3
Cl
O
1.78
2.45
Figura 51. Asignación de RMN 1H de la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)1-fenil-azetidin-2-ona.
57
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
En el espectro de 13C aparecen las 11 señales correspondientes a los once átomos de Carbono
magnéticamente diferentes del compuesto 2b. En la región de frecuencias altas se encuentran
en 202.4 ppm la señal correspondiente al carbono carbonilico de la β-lactama (-CO-NPh), en
165.20 ppm aparece la señal del carbonilo de la cetona (Me-CO-CH2), en 75.29 ppm se
observa al carbono β que es el cuaternario de la β-lactama (-C-Me), y a frecuencia más bajas
en 47.24 ppm aparece la señal correspondiente al metileno alfa a la cetona (CH2-CO), así
como la de los dos metilos restantes, el α a la cetona (CH3-CO) y el que esta unido al carbono
cuaternario (CH3-C-) en 32.88 ppm y 19.08 ppm respectivamente. Figura 52.
120.18
129.43
130.0
140.93
165.2
O
N
75.29
47.24
202.59
CH3 Cl
H3C
60.41
O
19.08
32.88
Figura 52. Asignación de las señales de 13C para la N-fenil-β-lactama 2a.
58
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Para la espectrometría de masas del compuesto 2b, no se observa el ion molecular, se observa
el pico base en 212 m/z. Figura 53.
+
+
O
N
O
C7H5NO
m/z 118
(20%)
N
C9H8ClNO
Cl m/z 181
(18%)
+
+
O
N
O
N
Cl
CH3
C6H 5
m/z 77
(65%)
H3C
C13H14ClNO 2
O
H2C
H3C
Cl
C13H14NO2
m/z 212
(100%)
m/z 251
+
H3C
O
C2H 3O
m/z 43
(55%)
Figura 53. Fragmentación propuesta para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-feni-azetidin-2-ona
59
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
A continuación se muestran las tablas 4 y 5 de datos espectroscópicos de RMN de 1H y 13C de
los compuestos NH-β-lactama 2a y N-fenil-β-lactama 2b.
H
O
O
O
N
H
H
H3C
H
N
H
H
CH3 Cl
H
CH3 Cl
O
CH3
2a
2b
Tabla 4. Datos de RMN de 1H para los compuestos 2a y 2b.
Comp.
NHβ-lactama
Cl-CH
CH2-C
CH3-CO
CH3-C-
C-Haromático
2a
7.24
5.43
4.07
2.37
2.15
------
2b
------
4.88
3.99*
3.78
2.50
1.803
7.4
7.1
* JgemH-H= 12 Hz.
Tabla 5. Datos de RMN de 13C de los compuestos 2a y 2b.
Cipso Corto
Comp.
2a
CH3-CO
-N-CO
N-C-CH3
CO-CH2-
Cl-CH-
CH3-CO
-C-CH3
Cmeta, Cpara
199.89
166.28
153.55
43.22
107.36
30.55
21.69
----140.93,
130,
2b
202.59
165.2
75.29
47.24
60.39
32.88
19.08
129.43,
120.18
60
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
A continuación se muestra en la tabla 6 los datos de espectroscopia de Infrarrojo de los
compuestos 2a y 2b.
Tabla 6. Datos de IR de los compuestos 2a y 2b.
Comp.
2a
v (NH)
v (N-C=O)
v (-C=O)cetona
v (C-CH3)
v (CH2-C)
v (C-C1)
v (Armono)
3452.11
1737.20
1636.90
2948.37
1484.40
620.7
--------
1494.32
619.54
1139.41
777.17
2b
-------
1685.00
1661.25
2940.38
1081.26
736.92
703.48
61
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La síntesis de las tres iminas se llevo a cabo con buenos rendimientos a pesar de que en todos
los casos la purificación se realizó por destilación, en relación a la caracterización de estas
iminas básicamente se utilizó espectrometría de
masas, espectroscopia de infrarrojo y
espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear de protón y carbono trece.
Las iminas sintetizadas fueron las siguientes: 4-imino-2-penten-2-ol (1a), 4-fenil-imino-2penten-2-ol (1b), 4-isopropil-2-penten-2-ol (1c), Las dos primeras iminas 1a y 1b se utilizaron
para la posterior síntesis de las 2 nuevas β-lactamas.
A partir del análisis de experimentos de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) con técnicas
especiales en una dimensión como DEPT, y de dos dimensiones como COSY, HETCOR y
FLOCK, se corroboró la asignación de las iminas sintetizadas utilizando para ello el
compuesto isopropil-imina 1c, es decir el 4-isopropilimino-2-penten-2-ol.
Se establecieron las condiciones adecuadas para la realización de la reacción de Staudinger en
el laboratorio de Química Orgánica del CICATA-Legaria y posteriormente se llevo a cabo la
síntesis de dos nuevos compuestos mono β-lactámicos; la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1fenil-azetidin-2-ona (NH-β-Lactama 2a) y la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin2-ona (N-fenil-β-Lactama 2b).
La espectrometría de masas permitió establecer patrones de fragmentación característicos de
todos los compuestos, así como obtener su peso molecular. Adicionalmente usando esta
técnica espectroscópica para las β-Lactamas NH-2a, y N-fenil-2b, además de observar el ión
molecular se tiene evidencia de la presencia de los isótopos de cloro, 35Cl y 37Cl los cuales
tienen una abundancia natural de 75.77% y 24.23% respectivamente.
62
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
Como ya se mencionó los anillos β-lactámicos son los centros reactivos de las penicilinas y
cefalosporinas, sustancias de amplia aplicación como antibióticos. Durante décadas se ha
enfocado el esfuerzo de muchas investigaciones en la síntesis y evaluación de estos
compuestos a fin de buscarles usos como antibióticos, antidepresivos o sedantes. Estos
materiales también ofrecen la posibilidad de diseñar moléculas parecidas a las proteínas,
sistemas moleculares complejos, y para ello es necesario sintetizar estructuras más elaboradas
de las que se disponen hoy en día.
Debido a la naturaleza estructural de estos compuestos β-lactámicos NH-2a y N-fenil-2b para
darle un valor agregado a esta síntesis se recomienda hacerles algunos pruebas
microbiológicas ya que potencialmente pudieran tener actividad biológica específicamente
antibiótica.
En estos tiempos es evidente la necesidad del Ingeniero Químico Industrial de ser
multidisciplinario, y con ello conocer las diversas áreas en las que puede laborar, y dentro de
estas áreas podemos citar muy específicamente la Química Orgánica en la que se adquiere la
pericia de hacer síntesis de compuestos, se obtiene conocimiento mas detallado sobre las
técnicas espectroscópicas necesarias, se aplican muchos de los conocimientos fisicoquímicos,
analíticos e ingenieriles adquiridos durante la formación académica. Además se debe contar
con la infraestructura adecuada y el apoyo necesario para la realización de trabajos de este
tipo.
63
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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in the isolation of B. influenzae. Exp. Patho, 1929, 10, 226.
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3. Waisvizs. J. M.; van der Hoeven. M. G.; te Nijenhuis, B. A new sulfur-containing antibiotic.
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angiotensin II analogues by incorporating β-homotyrosine or β-homoisoleucine e residues. J.
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MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
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66
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
ANEXOS
67
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
ANEXOS
1. Índice de figuras
2. Índice de tablas
3. Índice de compuestos
4. Espectro de RMN 1H del compuesto 1a en 300 MHz
5. Espectro de RMN 13C del compuesto 1a en 75 MHz
6. Espectro de masas del compuesto 1a
7. Espectro de infrarrojo del compuesto 1a
8. Espectro de masa del compuesto 1b
9. Espectro de infrarrojo del compuesto 1b
10. Espectro de RMN 1H del compuesto 1c en 270 MHz
11. Espectro de RMN 13C del compuesto 1c en 67.93 MHz
12. Espectro de masa del compuesto 1c
13. Espectro de infrarrojo del compuesto 1c
14. Espectro de RMN 1H del compuesto 2a en 270 MHz
15. Espectro de RMN 13C del compuesto 2a en 67.93 MHz
16. Espectro de masa del compuesto 2a
17. Espectro de infrarrojo del compuesto 2a
18. Espectro de RMN 1H del compuesto 2b en 500 MHz
19. Espectro de RMN 13C del compuesto 2b en 125.78 MHz
20. Espectro de infrarrojo del compuesto 2b
68
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
1. Índice de figuras
1. Índice de figuras
Figura 1. Estructura química de un aldehído y una cetona…………………………………………………...
Figura 2. Formas resonantes del grupo carbonilo……………………………………………………………
Figura 3. Algunas reacciones con cetonas y aldehídos…………………………………………………… ...
Figura 4. Equilibrio ceto-enol………………………………………………………………………………..
Figura 5. Forma enol estabilizada por la formación de un puente de hidrógeno…………………………….
Figura 6. Forma ceto-enol de la Acac………………………………………………………………………..
Figura 7. Formación de Imina……………………………………………………………………………......
Figura 8. Síntesis de la 1,6-didesoxi-L-nojirimycina………………………………………………………...
Figura 9. Síntesis del ω-aminoazúcar……………………………………………………………………… ..
Figura 10. Antibióticos más comúnmente empleados en medicina………………………………………….
Figura 11. Sistema cíclico de la β-lactama (2-azetidinona)………………………………………………….
Figura 12. Antibióticos monobactámicos…………………………………………………………………….
Figura 13. Métodos para la formación del anillo de β-lactama………………………………………………
Figura 14. Formación del enlace C4-N1……………………………………………………………………....
Figura 15. síntesis de 2-azetidinona α-sustituida…………………………………………………………….
Figura 16. Síntesis de 2-azetidinonas β-sustituidas, empleando CSI………………………………………..
Figura 17. Ruta de síntesis para β-lactamas óptimamente activas…………………………………………..
Figura 18. Síntesis de β-lactamas catalizadas con TMS-Q…………………………………………………..
Figura 19. Reacción de Kinugasa-Miura…………………………………………………………………….
Figura 20. Síntesis de β-lactamas vía rearreglo térmico de isoxazolidinas………………………………….
Figura 21. Adición nucleofîlica sobre la β-lactama………………………………………………………….
Figura 22. Derivados obtenidos por la ruptura de enlaces en β-lactamas……………………………………
Figura 23. Reacción de Staudinger…………………………………………………………………………..
Figura 24. 4-Imino-2-penten-2-ol (Imina 1a)………………………………………………………………...
Figura 25. 4-Fenilimino-2-penten-2-ol (Fenilamina 1b)…………………………………………………….
Figura 26. 4-Isopropilmino-2-penten-2-ol (Isopropilimina 1c)……………………………………………..
Figura 27. 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona (NH-β-lactama 2a)…………………………....
Figura 28. 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona (N-fenil-β-lactama 2b)………………..
Figura 29. Síntesis de monobetalactamas……………………………………………………………………
Figura 30. Equilibrio tautomérico de la acetilacetona……………………………………………………….
Figura 31. Ruta de síntesis planteada para la formación de la 4-Imino-2-penten-2-ol ………….…………..
Figura 32. Asignación de las señales de RMN 1H en ppm del 4-imino-2-penten-2-ol …………..………….
Figura 33. Asignación de las señales de RMN 13C en ppm del 4-imino-2-penten-2-ol …………..…………
Figura 34. Fragmentaciòn propuesta para la 4-imino-2-penten-2-ol ………….………………………….....
Figura 35. Ruta de síntesis para la formación de la 4-imino-2-penten-2-ol………………………………….
Figura 36. Asignación de las señales de RMN 1H en ppm de la 4-fenilimino-2-penten-2-ol ………….……
Figura 37. Asignación de las señales de RMN 13C en ppm de la 4-fenilimino-2-penten-2-ol ………….…...
Figura 38. Fragmentación propuesta para la 4-fenilimino-2-penten-2-ol……………………………………
Figura 39. Ruta de síntesis para la formación del 4-isopropilimino-2-penten-2-ol………………………….
Figura 40. Espectro de RMN H-H COSY del compuesto 1c………………………………………………..
Figura 41. Espectro de RMN 1H-13C HETCOR del compuesto 1c………………………………………….
Figura 42. Espectro de RMN 1H-13C FLOCK del compuesto 1c…………………………………………….
Figura 43. Asignación de las señales de RMN 1H en ppm del 4-isopropilimino-2-penten-2-ol…………......
Figura 44. Asignación de las señales de RMN 13C en ppm del 4-isopropilimino-2-penten-2-ol…………….
Figura 45. Fragmentación propuesta para el 4-isopropilimino-2-penten-2-ol………………………………
Figura 46. Síntesis de la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona……………………………………
Figura 47. Asignación de RMN 1H para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona………………..
Figura 48. Asignación de RMN 13C para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona……………….
Figura 49. Fragmentación propuesta para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona……………..
Figura 50. Síntesis de la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona…………………………
Figura 51. Asignación de RMN 1H para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona……….
Figura 52. Asignación de RMN 13C para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona……...
Figura 53. Fragmentación propuesta para la 3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona………
Pág
4
4
5
6
7
8
9
11
11
12
13
16
17
18
19
20
21
22
22
23
24
25
25
30
31
32
34
36
38
38
40
40
41
42
43
43
44
45
46
47
48
49
50
50
51
54
54
55
56
57
57
58
59
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“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
2. Índice de tablas
Pág.
Tabla 1. Datos de RMN de 1H para los compuestos 1a, 1b y lc…………..
13
52
Tabla 2. Datos de RMN de C para los compuestos 1a, 1b y lc…………
52
Tabla 3. Datos de IR de los compuestos 1a, 1b y lc………………………
53
Tabla 4. Datos de RMN de 1H de los compuestos 2a y 2b…………..……
60
13
Tabla 5. Datos de RMN de C para los compuestos 2a y 2b ……………
60
Tabla 6. Datos de IR de los compuestos 2a y 2b
61
70
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
3. Índice de compuestos
NH
OH
H3C
2
1
4
3
N
OH
CH3
H3C
5
2
1
4
CH3
3
5
1b1b
4-fenilimino-2-penten-2-ol
1a1a
4-imino-2-penten-2-ol
1a
1b
CH3
OH
H3C
1
2
CH3
N
4
3
1c1c
CH3
5
4-isopropilimino-2-penten-2-ol
1c
O
H
N
1 2
4 3
CH3
H3C
O
Cl
2a2a
O
N1 2
H
3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-azetidin-2-ona
2a
4
H
3
CH3
H3C
Cl
O
2a2
3-cloro-4-metil-4-(2-oxopropil)-1-fenil-azetidin-2-ona
2b
71
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
NH
OH
H 3C
1
2
4
3
1a1a
1a
CH 3
5
4. Espectro de RMN 1H del compuesto 1a en 300 MHz
72
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
NH
OH
H 3C
1
2
4
3
CH 3
5
1a 1a
1a
5. Espectro de RMN 13C del compuesto 1a en 75 MHz
73
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
NH
OH
H 3C
1
2
4
3
CH 3
5
1a
1a 1a
6. Espectro de masas del compuesto 1a.
74
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
NH
OH
H 3C
1
2
4
3
CH 3
5
1a
1a 1a
7. Espectro de Infrarrojo del compuesto 1a
75
“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
N
OH
H3C
1
2
4
3
CH3
5
1b1b
1b
8. Espectro de masas del compuesto 1b
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“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
9. Espectro de Infrarrojo del compuesto 1b
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“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NUEVAS β-LACTAMAS OBTENIDAS
MEDIANTE LA REACCIÓN DE STAUDINGER”
N
OH
H3C 2
1
4
3
CH3
5
1b1b
12. Espectro de Infrarrojo del compuesto 1c
78