REVISTA de la SOCIEDAD

Q UÍMICA de MÉXICO CONTENIDO Obituario Professor Dr. Lydia Rodríguez-Hahn 1932-1998 Nikolaus H. Fischer 79 Remembranzas sobre Lydia Rodríguez-Hahn Jacobo Gómez-Lara 80 El legado de la doctora Lydia Rodríguez-Hahn Mario Silva 81

Fotoadiciones de etanol a 6b-angeloiloxifuranoeremofil-10bH,9-ona y sus derivados Manuel Jiménez-Estrada*, Ricardo Reyes-Chilpa, Eugenia Cerqueda e Isabel Saad 106-109 Reaction of 4(7)-Aminobenzimidazole with Ethyl 2-Alkylmalonates in 1,2,4-Trichlorobenzene Lucía E. Valle-Aguilera,* Marco M. González-Chávez, and Roberto Martínez* 110-112

Investigación

Síntesis de derivados del 1-N-aminoindol en medios no acuosos a partir de la 1,4-dihidrocinolina obtenida por electrólisis en celda redox de flujo continuo Bernardo A. Frontana-Uribe* y Claude Moinet 113-117

Synthesis of Fused Azole-Piperidinoses: A Free Radical Cyclization Approach José Marco-Contelles* and Carolina Alhambra Jiménez 83-87

Expansión 5 ® 6 de compuestos heterocíclicos por el método de Stork–De Selms Marta E. Albores y Luis A. Maldonado* 118-122

Metabolitos secundarios y macromoléculas en el estudio evolutivo de la flora vascular endémica del archipiélago Juan Fernández Eduardo Ruiz y Mario Silva 88-92

Preparación de N-Metil-3-arilpirrolidinas mediante reacciones de cicloadición dipolares [3+2] Guillermo Negrón,* Aydeé Fuentes, Moisés Romero, Gustavo Madrid, Raymundo Cruz* 123-126

Transformaciones químicas de asclepinas Humberto Valle, Jorge Cárdenas* y Lydia Rodríguez-Hahn 93-96 Multi-metallic oxides as catalysts for light alcohols and hydrocarbons from synthesis gas Miguel Pérez, L. Díaz, H. de J. Galindo, J. M. Domínguez and Manuel Salmón* 97-99 Guayanólidas de Stevia laxiflora Alfredo Ortega,* Patricia Mondragón y Emma Maldonado 100-102 Anti-inflammatory Active Compounds from the n-Hexane Extract of Euphorbia hirta Mariano Martínez-Vázquez,* Teresa O. Ramírez Apan, María Eugenia Lazcano and Robert Bye 103-105

Lewis Acid Catalyzed Transformations of Z-Ligustilide María Yolanda Rios and Guillermo Delgado* 127-132

Revisión La bioquímica del litio y su utilización en pacientes con desórdenes mentales Roberto Arreguín-Espinosa,* Barbarín Arreguín y Laura Rocío Castañón Olivares 133-136 Celulosomas: sistemas multienzimáticos Alejandra Hernández-Santoyo,* Enrique García-Hernández y Adela Rodríguez-Romero 137-142

La Revista de la Sociedad Química de México se encuentra indizada en Chemical Abstracts, Bioscience Information Service, Chemisches Zentralblatt, Sumario Actual de Revistas (España), Russian Institute of Scientific and Technical Information. Las instrucciones para los autores aparecen publicadas en el número 1 de cada volumen. *En los artículos con más de un autor, el asterisco indica a quién debe dirigirse la correspondencia. El costo de la suscripción anual es de $325.00 para la República Mexicana. Se distribuye gratuitamente entre los socios de la Sociedad Química de México.

REVISTA d e l a SOCIEDAD QUÍMICA de MÉXICO (Rev. Soc. Quím. Méx.)

ISSN 0583-7693

Publicación bimestral editada y distribuida por la Sociedad Química de México, A.C., Mar del Norte núm. 5, Col. San Álvaro, Delegación Azcapotzalco, C.P. 02090, México, D.F., Tels.: 5386-2905 y 5386-0255. Editor: Guillermo Delgado Lamas. Editor Técnico: Arturo Sánchez y Gándara. D.R. © Sociedad Química de México, A.C. Se prohíbe la reproducción o impresión parcial o total sin la autorización por escrito del titular de los derechos. Reserva del título número 158-67 (mayo de 1967) otorgado por la Dirección General de Derechos de Autor, SEP. Certificado de licitud número 3565 y de contenido número 3867 otorgados por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Publicación periódica. Registro número 0790 790. Características 2294 5112, autorizado por SEPOMEX, 23 de julio de 1990. Oficio número 317 Exp. 091.70/2485. Autorizada como correspondencia de segunda clase por la Dirección General de Correos con fecha 25 de agosto de 1967. Edición e impresión: S y G Editores S.A. de C.V., Calle Cuapinol 52, Col. Santo Domingo de los Reyes, Delegación Coyoacán, 04369 México, D.F., Tel.: 5619-5293.

Editorial

Este fascículo reúne algunas contribuciones científicas dedicadas a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn (19321998), en ocasión de su primer aniversario luctuoso, y representa un homenaje para quien realizara una importante labor de investigación y educación en el ámbito de la química en nuestro país. Los homenajes póstumos recrean la memoria colectiva y en esta oportunidad permite recordar a uno de los miembros de la comunidad química de México de mayor estima e influencia. Esta compilación puede considerarse asimismo como una extensión del reconocimiento a la labor académica realizada por la Dra. Rodríguez-Hahn, quien fuera acreedora del Premio Andrés Manuel del Río de la Sociedad Química de México en 1988, del Premio IOCD-Syntex en 1991, y del Premio Universidad Nacional 1997 en el Área de Investigación en Ciencias Naturales, entre otras distinciones. La vida de la doctora Lydia fue singular en muchos aspectos. Nacida en Madrid, la guerra civil en España (1936-1939) la obligó a emigrar a la ex Unión Soviética, donde vivió parte de su niñez y adolescencia. Al término de la segunda guerra mundial (1945), vino a México, donde realizó sus estudios de educación media y cursó la carrera de Químico en la entonces Escuela Nacional de Ciencias Químicas de la UNAM. Después de realizar su tesis de licenciatura durante 1953-1954 [1] con el Dr. Francisco Giral, trabajó algunos años en Santiago de Chile como investigadora. De 1958 a 1962 realizó sus estudios y tesis doctorales [2] bajo la supervisión del Dr. Derek H. R. Barton (1918-1998), acreedor del Premio Nobel de Química en 1969. En 1962 se incorporó al Instituto de Química de la UNAM y en colaboración con el Dr. Jesús Romo Armería (1922-1977) incidió en la química de esteroides, de productos naturales orgánicos y en estudios fotoquímicos. En el periodo de 1977-1978 realizó una estancia académica en Grenoble, Francia, en el grupo del Dr. Pierre Crabbé (1928-1987). Realizó investigaciones importantes y sobresalientes sobre la reactividad de sustancias naturales [3], y durante la última década realizó un trabajo extraordinario referente a la química y el significado taxonómico de los metabolitos secundarios de las plantas del género Salvia [4], entre otras muchas contribuciones. Posiblemente uno de sus trabajos más citados sea el procedimiento para la reducción 1,2- de enonas conjugadas [5], de amplia aplicación y eficiencia. De vocación docente, notable sensibilidad artística y sentido humanista innato, la doctora Lydia ejerció una influencia profunda en alumnos y colegas que seguramente para ella pasó inadvertida. Adicionalmente a las publicaciones científicas y revisiones del presente fascículo, se incluyen contribuciones especí-

ficas de algunas personas cercanas a la Dra. Rodríguez-Hahn. El obituario escrito por el Dr. Nikolaus Fischer, de la Universidad Estatal de Luisiana, EUA, constituye una descripción clara y concisa de su trayectoria académica. La convivencia laboral cotidiana durante más de tres décadas del Dr. Jacobo Gómez-Lara con la Dra. Lydia en el Instituto de Química de la UNAM, permite esbozar, mediante sucintas remembranzas, a la dama de amplia cultura y profundo humanismo. Finalmente, el texto del Dr. Mario Silva, de la Universidad de Concepción, de Chile, quien tuvo una formación académica paralela a la de la Dra. Lydia, ilustra el amplio aprecio y reconocimiento de quienes la conocieron. Es conveniente mencionar que varios trabajos han sido dedicados a la doctora Lydia [6] y este fascículo reúne algunos adicionales a petición expresa de los autores. La rigurosidad académica y sentido crítico de la Dra. Rodríguez-Hahn se encuentran impresos no sólo en sus publicaciones científicas, sino en la memoria de todos quienes tuvimos la fortuna de conocerla. Dr. Guillermo Delgado Lamas

Referencias 1. Giral, F.; Rodríguez-Hahn, L. J. Chem. Soc. 1960, 2373. 2. (a) Baldwin, J. E.; Barton, D. H. R.; Bloomer, J. L.; Jackman, L. M., Rodríguez-Hahn, L.; Sutherland, J. K. Experientia 1962, 18, 345-388. (b) Barton, D. H. R.; Jackman, L. M.; Rodríguez-Hahn, L.; Sutherland, J. K. J. Chem. Soc. 1965, 1772-1778. 3. Véase inter allia: (a) Rodríguez-Hahn, L.; Jiménez, M.; Saucedo, R.; Soriano-García, M.; Toscano, R. A.; Díaz, E. Tetrahedron 1983 , 39, 3909-3918. (b) Rodríguez-Hahn, L.; O'Reilly, R.; Esquivel, B.; Maldonado, E.; Ortega, A.; Cárdenas, J.; Toscano, R. A.; Chan, T.-M. J. Org. Chem. 1990, 55, 3522-3525. (c) Rodríguez-Hahn, L.; Manríquez, M. E.; Frontana, B. A.; Cárdenas, J. An. Quím. Int. Ed. 1997, 93, 291-294. 4. Rodríguez-Hahn, L.; Esquivel, B.; Cárdenas, J., Clerodane Diterpenes in Labiatae, in: Prog. Chem. Org. Nat. Prod. 1994, 63. Springer-Verlag. 5. Luche, J. L.; Rodríguez-Hahn, L.; Crabbé, P. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1978, 601-602. 6. (a) Cea-Olivares, R.; Toscano, R. A.; López, M.; García, P. Monatsh. Chem. 1993, 124, 177-183. (b) Heinrich, M.; Koehler, I.; Rimpler, H.; Bauer, R. Rev. Soc. Quím. Méx. 1998, 42, 245-248. (c) Rios, M. Y.; Delgado, G.; Espinosa-Pérez, G. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 6605-6608. (d) Frontana-Uribe, B. A.; Moinet, C.; Toupet, L. Eur. J. Org. Chem. 1999, 419-430. (e) Rodríguez, B.; Rodríguez, B.; De la Torre, M. C.; Simmonds, M. S. J.; Blaney, W. M. J. Nat. Prod. 1999, 62, 594-600.

Professor Dr. Lydia Rodríguez-Hahn (1932-1998)

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 79

Obituary

Professor Dr. Lydia Rodríguez-Hahn 1932-1998 Nikolaus H. Fischer Department of Chemistry, Louisiana State University. Baton Rouge, LA 70803, USA.

Lydia Rodríguez-Hahn, Titular Professor of Chemistry at the Institute of Chemistry, National University of Mexico (UNAM) in Mexico City and a member of the Editorial Board of Planta Medica, died on May 20, 1998. As a natural products chemist of international distinction, her death is a serious loss to the Institute of Chemistry as well as the scientific community as a whole. Lydia was born in Madrid, Spain, but she and her family had to leave the country during the Spanish Civil War in 1936. After nine years in the Soviet Union, she came to Mexico at the end of the Second World War. She completed her undergraduate education at the School of Chemical Sciences at UNAM in 1954. After three years as a research scientist at the Catholic University and the University of Chile in Santiago, Chile, she studied with D. H. R. Barton at the Imperial College of Science and Technology in London, England, where she received her Ph.D. in 1962. She returned to Mexico and joined the Institute of Chemistry at UNAM, moving through the academic ranks to achieve the highest rank of Titular Professor in 1979. Besides her studies in organic photochemistry, her major scientific contributions were in the areas of structure determination and chemistry of natural products from higher plants and their use as biochemical systematic markers. Her studies of the diterpenes and other constituents of the Salvia complex (Labiatae) were elegant and concise. She educated a new generation of excellent scientists who will continue her legacy. Her scientific work resulted in about 100 peer-reviewed publications. Her lasting contributions to the chemistry and biochemical systematics of Mexican Salvia species are summarized in several review chapters. Lydia was a long-time member of the Mexican Academy of Sciences, and in 1997 she was awarded the “Premio Universidad Nacional” for her life-time research accomplishments in Natural Sciences. Lydia’s interests and human endeavours were manyfold. As an educator, she was a highly demanding and dedicated teacher and research adviser. Among the students in the Institute she was respectfully known as the “iron Lady”. During her whole scientific career she was dedicated to the advancement of natural products chemistry and the education of her students. In her private life, she and her husband

Ludwig Margules, a renowned theater director, created a humanistic and artistic environment for their children and friends. Her enthusiasm for literature was common knowledge among her colleagues and friends. One of my everlasting memories of Lydia will be her symposium lecture at the Fifth Chemical Congress of North America in Cancun, México, in November 1997. Severely weakened by her illness and barely able to speak, her presentation was a demonstration of inner strength and dedication to her scientific community. During my visit in Mexico City in early May last year, I was fortunate to pay her a short visit at her home. In spite of her severe illness, she was preparing an obituary for her mentor, the Nobel Laureate D. H. R. Barton, who had died in early 1998. At that time, I was not prepared to entertain the thought that I would write an obituary for her so soon after. She will be missed by her colleagues at UNAM and many other scientists and friends around the world. We extend our sincere sympathies to her husband Ludwig Margules and other members of her family.

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Obituario

Remembranzas sobre Lydia Rodríguez-Hahn Jacobo Gómez-Lara Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior, Ciudad Universitaria. Coyoacán, 04510 México, D. F.

Vivía la Dra. Lydia en la colonia Condesa cuando yo regresé a México. Era encantador coincidir con ella en el autobús a Ciudad Universitaria, que abordábamos en la Avenida Tacubaya. El viaje podía consistir en algún transbordo en la Avenida Insurgentes, y luego una caminata por los jardines de la C.U. Dichosas épocas en que no había tantos semáforos y no había tampoco tanta inseguridad. Bien se podía hacer el viaje en tiempos relativamente cortos. Además la plática de Lydia era siempre interesante y amena, lo cual acortaba distancias. Esos viajes, que siento ahora no serían tan interesantes por el tiempo que toman, por la contaminación, y sobre todo, por la ausencia de Lydia, me permitieron empezar a conocer a la gran dama y excelente colega con la que afortunadamente me tocó convivir espacios de trabajo, y también culturales y sociales, por largo tiempo. Coincidíamos en muchas cosas y puntos de vista; podíamos charlar largamente de teatro, de política, de música, de cine, de viajes y hasta de química. Durante mi primera visita a Chile (1968) pude conocer a la madre y al hermano de Lydia, ambos extraordinariamente atentos e inteligentes, quienes pendientes de los acontecimientos, se fueron posteriormente, pero a tiempo, a España. Del mismo modo conocí en el Instituto Politécnico al padre, todos ellos una gran familia. A Ludwig y su inseparable y aromática pipa lo conocí tiempo después. Un carácter encantador, pero ciertamente opuesto al de Lydia. También un artista, pero él de teatro, una figura controvertida, pero siempre reconocida por su talento y maestría, ya como director, ya como maestro, polaco hasta las cachas. Hacían la pareja perfecta, porque sus diferencias los complementaban y apoyaban. Anna primero, y Lydia chica después, conformaron el círculo familiar perfecto: la primera flautista del barroco, la segunda, actriz consumada. Políticamente Lydia era antifascista, pero sionista; anarquista, pero institucional. Su gesto de invitarnos a beber cham pagne un día después de la muerte de Franco, parecería contradictorio con su defensa del pueblo judío cuando la invasión de Egipto en la guerra del Yom Kippur, o la destrucción de la central nuclear iraquí por la aviación israelita.

De andar y ademanes y movimientos relativamente lentos, su chispa química era, sin embargo, instantánea. Le bastaba ver la fórmula de un compuesto para que, inmediatamente, sin mayor miramiento, empezara a encontrar analogías, reacciones de muchos tipos, señales en el infrarrojo, en la resonancia, rutas de biosíntesis, correlaciones químicas, potencial biológico, aplicaciones potenciales y, en fin, un sinnúmero de acertadas observaciones. Cuando recibió el premio Andrés Manuel del Río de la Sociedad Química de México, impartió una clarísima conferencia en el Congreso de Aguascalientes que llevó por título: “Diterpenos clerodánicos de salvias mexicanas”. Esa fue la primera vez que comprendí para qué servía la investigación sobre productos naturales, o más bien, fitoquímica, aparte de ser una ocupación altamente instructiva para los alumnos respecto a las técnicas de laboratorio. Su brillante exposición conformó todo un sistema de relaciones quimiotaxonómicas que correlacionaba metódicamente un cúmulo de conocimiento elegantemente construído. Defensora a ultranza de la universidad pública, no le convencían los sistemas de estímulos, ni la lucha para obtener fondos extraordinarios, a pesar de que obtuvo con facilidad unos y otros. Probablemente su última gran satisfacción académica, fue el otorgamiento del Premio Universidad Nacional (1997) en el área de investigación en Ciencias Naturales. La larga secuencia de evaluaciones para otorgarle el nombramiento de Investigadora Emérita, quedó trunca a una edad en que su lucidez era extraordinaria, según lo demostraba en sus intervenciones en cuerpos colegiados, como miembro del Comité de Ciencias Naturales del CONACYT o como jefa del Departamento de Productos Naturales del Instituto de Química, puestos que ocupaba al momento de su fallecimiento temprano. Académica ejemplar, mujer, colega, amiga, lo que más te molestó al entrar a tu último tratamiento médico no fueron las sondas, caídas de pelo y demás torturas, sino el hecho que tuvieras, a toda costa y contra viento y marea, que dejar de fumar. Estás presente, Lydia, en nuestra cotidiana labor, tu compañía nos alienta y nos recuerda que todo vale la pena, inclusive el fumar.

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Obituario

El legado de la doctora Lydia Rodríguez-Hahn‡ Mario Silva Laboratorio de Química de Productos Naturales. Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas. Universidad de Concepción, Casilla 160-C. Concepción, Chile.

Este mundo de los hombres, en el que compartimos nuestra vida entre conflictos, sospechas, resquemores, pero también colaboración, solidaridad y amor, no se satisface sólo de materia y actos concretos, sino también busca satisfacer el alma, el espíritu y las ansias de vivir más allá de las cosas y la realidad inmediata. Esta ceremonia que nos concita para recordar a nuestra querida colega Dra. Lydia Rodríguez-Hahn será un instante breve en el tiempo, pero eterno en nuestras almas. Al borde del tercer milenio, estamos viviendo un mundo que se globaliza donde lo que hagamos o dejemos de hacer compromete no sólo a los contemporáneos sino, más aún, a los descendientes nuestros y ajenos. La globalización obedece, en lo fundamental, a criterios de crecimiento económico, originados por intereses empresariales, inspirados en el principio que el bienestar y la felicidad del hombre son la resultante de una buena gestión de la empresa, para lo cual se deben anular o por lo menos, mitigar todas aquellas circunstancias que dificulten ese buen éxito; como la diversidad cultural, las religiones, idiomas, etc. Esto es, en buenas cuentas, que las personas no somos tanto personas, sino, más bien, elementos de un todo empresarial, por lo que nos corresponde, en primer lugar, ocuparnos de la empresa de la que formamos parte, para así asegurar nuestro bienestar y nuestro destino. Desgraciadamente, ésa es la metáfora que cada día toma más fuerza, en la medida en que se la acepta sin reflexión, sin cuestionamiento y sin tomar recaudos para detener o paliar toda la maldad que puede generar. Por todas estas razones, para mí es un gran honor haber sido invitado por los doctores Alfonso Romo de Vivar y Tirso Ríos para compartir con ustedes esta solemne ceremonia de homenaje a la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn, cuya vida fue un ejemplo de dedicación a la ciencia con una rigurosidad y sobriedad extraordinaria. La vida de Lydia sufrió el impacto de dos cruentas guerras, todo esto en circunstancias extraordinariamente compleParticipación del Dr. Silva en el homenaje en memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn que se llevó a cabo en el Instituto de Química de la UNAM el 15 de octubre de 1998. ‡

jas que templaron su espíritu y su carácter. Todo esto la llevó a poseer una gran cultura e interés por todos los aspectos de la vida. Lydia ingresó a la entonces Escuela de Ciencias Químicas, que como algunos de ustedes recuerdan, estaba ubicada en Tacuba, al grupo del Dr. Francisco Giral, líder científico con un gran dominio de la química y una sobriedad a toda prueba. Hoy tenemos la satisfacción que está entre nosotros. Las características del Dr. Giral se deben fundamentalmente a su formación, primero en España y posteriormente bajo la dirección del maestro Profesor Dr. Richard Kuhn en la Universidad de Heidelberg, Premio Nobel de Química. En ese grupo Lydia hizo su licenciatura en química, en un ambiente agradable donde compartían muchos colegas que ustedes conocen como Alfredo Büttenklepper, su esposa Paquita, Bertha Soto, Angela Sotelo, Raquel Mariel, Jaime Garbazevich, Samuel Ladabaum, María Eugenia Olivares, Carlitos Tobin, Carmen Rivera, y muchos otros, cuyos nombres pasan por mi mente en este momento. Además estaba siempre con nosotros Alfredo, el auxiliar, mariachi que nos deleitaba con sus canciones, que luego le permitieron llegar a ser un cantante de renombre. Sobre estos temas podría hablar muchas horas; pero debo decir en forma enfática: el Dr. Giral impactó nuestras vidas. Lydia terminó su tesis de licenciatura en 1954 y luego viajó a Chile, para trabajar primero en la Pontificia Universidad Católica, luego en la Universidad de Chile y para estar cerca de su señora madre. En el año 1957, en el mes de abril, tuve el privilegio de ingresar al laboratorio del Dr. Giral. Como venía de Chile, todos me contaban que su colega Lydia estaba precisamente en Chile, y me preguntaban si la conocía. En 1958 conocí a Lydia, una persona muy agradable y amistosa que me invitó muchas veces a la casa de su padre, con quien hablamos muy largo de España, Chile y naturalmente de México. Él vivía muy cerca del Ángel. En esos días Lydia preparaba su postulación al Consejo Británico para tratar de obtener una beca. En junio de ese año regresé a Chile y supe que Lydia ganó la beca, y que fue admitida en el grupo de química orgánica del Imperial College de la Universidad de Londres, por el Pro-

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fesor Derek R. H. Barton, F. R. S., para hacer un doctorado en química orgánica. Nuestra comunicación continuó y cuando tuve un mo mento de encrucijada, debido a que deseaba hacer un doctorado en química orgánica, y tenía dudas si debía ir a Estados Unidos o Inglaterra. Lo discutí con Lydia pidiéndole consejo, y preguntándole si sería posible ir a trabajar en el grupo del Profesor Barton. Pocos días después recibí su respuesta, y la sugerencia de escribir directamente al Profesor Barton, quien con consulta previa a Lydia, me aceptó de inmediato, siempre que obtuviera el financiamiento para mis estudios. Este desafío lo acepté y logré superarlo cuando obtuve una beca del Consejo Británico. Cuando llegué al Imperial College en septiembre de 1962, hacía pocas semanas que Lydia había regresado a México. En Londres se repitió la historia de México, en esos años hacían sus doctorados Peter G. Sammes, Jack Baldwin, Wolfgang Stegligh, Lycio Godinho da Silveira, James Sutherland, Gordon Kirby, entre otros, todos ellos actualmente profesores en Surrey, Oxford, München, Lisboa, Escocia, etc., que me hicieron comentarios científicos y humanos muy agradables de oír sobre las cualidades de Lydia. De nuevo vino un cambio trascendental en nuestras vidas. Los que tuvimos el privilegio de conocer a Barton como el Profesor, amigo y conductor de juventudes, podemos decir categóricamente: “él cambió nuestras vidas para siempre”. Los que lo conocieron y trabajaron para Derek Barton tienen anécdotas, desafíos científicos, que los hacen distinguirse entre sus pares. Cuando alguien le preguntó a Barton sobre las características que debe tener un científico, él respondió: debe ser inteligente, debe tener una gran motivación y debe ser honesto. —Como ustedes saben, estos requisitos los tenía

con creces Lydia—. Los requisitos que exigía el Profesor Barton siempre fueron muy altos. Al final de cada conferencia evaluaba el trabajo presentado, en su estilo, como (1) Very Good, (2) Good, (3) Thank You, (4) These results don’t make too much sense, do they? (5) There are not thermodynamic reasons for the reaction to stop at 60% conversion, etc. Nosotros todos sentimos esa tremenda presión, incluso los que participamos en febrero pasado en las Barton Conferences 1998 en las Islas Maldivas. Este hombre no dejó fortuna personal, sino un sello impreso en sus alumnos que formaron una familia que algunos llaman “Bartonian”. Una de esas mentes brillantes donde quedó impreso ese sello fue la de Lydia. Lo anterior se observa en la presentación de la obra de Lydia cuando fue propuesta como investigadora emérita de la Universidad Nacional Autónoma de México. El documento dice: “La obra de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn destaca por la alta calidad y rigurosidad científica de los trabajos presentados, todo esto reflejado en sus muy altos índices de citación”. Además, este documento realza el gran nivel de participación de Lydia en todas las actividades académicas en que fue requerida. Mi querida amiga Lydia, para no herir tu modestia, no continúo hablando de tus cualidades. Recibe un cariñoso saludo de mi esposa Katica y mío. Antes de terminar, reitero mis agradecimientos por esta invitación que me permitió estar con ustedes en esta solemne ceremonia. Finalmente, deseo presentar mi cariñoso saludo a los familiares de Lydia, y en especial al Sr. Ludwig Margules y a sus hijas Ana y Lydia Margules Rodríguez, y decirles que la huella que dejó Lydia en todos nosotros, es imborrable.

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Investigación

Synthesis of Fused Azole-Piperidinoses: A Free Radical Cyclization Approach José Marco-Contelles* and Carolina Alhambra Jiménez Instituto de Química Orgánica General (CSIC), Laboratorio de Radicales Libres, Juan de la Cierva, 3; 28006-Madrid, Spain. This paper is dedicated to the memory of Prof. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. Se ha informado una nueva estrategia para la síntesis de azol-piperidinosas fusionadas mediante una ciclización 6-exo-trig muy eficiente y sin precedentes, sobre plantillas de azúcares heterocíclicos. Estos compuestos son intermediarios clave para la síntesis de inhibidores de azol-glicosidasa conocidos o análogos de ellos. En esta comunicación describimos nuestros resultados recientes y exitosos sobre la síntesis de triazol-piperidinosas. Los precursores de radicales fueron preparados por la metodología usual a partir de 1,2:5,6-bis-O-isopropiliden-α-D -glucofuranosa (4) via triazoles unidos en C3, con orientación β, los cuales se obtienen fácilmente por cicloadición 1,3-dipolar de la azida 5 con acetilendicarboxilato de dietilo o propiolato de metilo y por desplazamiento SN2 del tosilato en C3 con 1,2,4-triazol en el compuesto 20. Las ciclizaciones 6-exo-trig mediante radicales procedieron en las condiciones usuales [hidruro de tributilestaño o tris(trimetilsilil)silano, AIBN, tolueno] produciendo los ciclo-aza azúcares 9, 11, 19 y 23 en rendimientos buenos o excelentes. Se propone un mecanismo para estas ciclizaciones.

Several tetrazoles [1], triazoles [2] and imidazoles [3] fused to furanoses or pyranoses have been identified as good, selective and potent glycosidase inhibitors [4]. This is the case of synthetic compounds 1 [1b], 2 [2] or the natural product nagstatin (3) [3] (Fig. 1). Most of the synthesis of these azasugars [5] have relied either on the intramolecular 1,3-dipolar cycloaddition (1,3-DC) of δ-azidonitriles [1b] or δ-azido α,β-unsaturated esters [2] derived from sugars, intramolecular SN 2 reaction on tethered azole triflate sugar derivatives [6], or from gluconolactams by annulation of hydrazinecarbaldehyde and aminoacetaldehyde dimethyl acetal [7]. In spite of these efforts, new synthetic alternatives are sought due to the potential biological activity and therapeutic profile of the new target molecules [4]. Continuing with our work on the synthesis of glycosidase inhibitors from carbohydrates via free radical cyclization strategies [8], in this communication we report a new and efficient synthetic approach for the preparation of fused azole-piperidinoses, a series of key intermediates for the synthesis of the above cited and related glycosidase inhibitors. The main aspects of this strategy are shown in Fig. 2 and consist in: (a) the introduction of an N-azole at C3 in an hexofuranose starting material (A) and (b) an unprecedented 6-exo-trig cycliza-

Abstract. A new strategy has been reported for the synthesis of fused azole-piperidinoses featuring an unprecedented and very efficient 6exo-trig free radical cyclization onto heterocyclic sugar templates. These compounds are key intermediates for the synthesis of known or analogues of azole-glycosidase inhibitors. In this communication we describe our recent and successful results on the synthesis of fused triazole-piperidinoses. Radical precursors have been prepared by standard methodologies from 1,2:5,6-bis-O-isopropylidene-α-D -glucofuranose (4) via triazoles linked at C3, with β-orientation, readily obtained by 1,3-dipolar cycloaddition of azide 5 with diethyl acetylenedicarboxylate or methyl propiolate, and by SN2 displacement of the tosylate at C3 with 1,2,4-triazole in compound 20. The key 6-exo-trig free radical cyclizations proceeded in the usual conditions [tributyltin hydride or tris(trimethylsilyl)silane, AIBN, toluene] yielding the azaannulated sugars 9, 11, 19 and 23 in good or excellent yields. A mechanism for these cyclizations has been proposed.

Fig. 1. Fused azole-piperidinose glycosidase inhibitors.

tion of a radical species at C6 onto an heterocyclic ring system in intermediates (B), leading to the azaannulated sugar [9] (C). It is expected that further standard synthetic manipulations (hydrolysis of the isopropylidenedioxy at C-1/C2, 1,2-diol

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Fig. 2. General strategy fot the synthesis of fused azole-piperidinoses.

Fig. 3. Reagents: i. (a) TsCl, py, rt (95%); (b) NaN 3 , DMF, 135°C (95%); ii. Diethyl acetylenedicarboxylate, toluene, 100°C (97%); iii. AcOH, H2 O (7:3), rt (97%); iv. (a) TsCl, py (87%); (b) Nal, DMF (88%); v. (from 8) Bu3 SnH, toluene (0.02M) (55%); vi. (from 8) [(CH3 )3 Si]3SiH, toluene (0.02M) (72%); (from 10) [(CH3 )3Si]3 SiH, toluene (0.02M) (94%); vii. Ac 2O, py (93%).

José Marco-Contelles and Carolina Alhambra Jiménez

cleavage and hydride reduction) would afford piperidinoses of type (D). This approach seems to be new, very attractive, flexible and versatile, due to the following facts: 1. We can modulate the absolute stereochemistry at C3 during the incorporation of the N-azole; 2. Differently substituted azole nucleus (X = O, N, S) can be placed at C3 by Mitsunobu reaction and/or SN 2 replacement of good leaving groups [10] and 3. Free radical cyclizations onto heterocycles are known [11], but these protocols never have been tested in sugar templates. In this paper we report our recent and successful results on this subject. We have concentrated our efforts in the synthesis and free radical cyclization of triazole derivatives (8, 10, 14, 18 and 22) of type B, positioned at C3 in β-orientation (Fig. 2), readily obtained from commercially available 1,2:5,6-bis-O-isopropylidene-α- D-allofuranose (4). The radical precursor 8 has been prepared by standard methodologies from the starting material 4. The 4,5-diethyl carboxylate 1,2,3-triazole was located at C3’ by a clean and high yielding 1,3-DC of azide 5 [12, 13] with diethyl acetylenedicarboxylate (Fig. 3) [14]. To our great satisfaction, free radical cyclization [15] of compound 8 under the usual conditions [16], using tributyltin hydride or tris(trimethysilyl)silane as initiator, gave the fused azole-piperidinose 9 in good yield (54% and 72%, respectively) [16]. The analytical and spectroscopic data of this compound clearly supported the structure, showing that the 6-exo-trig cyclization has ocurred into C5, a tetrasubstituted carbon of the 4,5-diethyl dicarboxylate-1,2,3triazole, with subsequent decarboxylation and aromatization. This is the first example described in the literature showing a

Fig. 4. Reagents: i. AcOH, H2 O (7:3), rt (95%); ii. CBr4 PPh3 , dry THF (89%); iii. Diethylacetylenedicarboxylate, toluene, ∆; iv. [(CH3)3 Si]3 SiH, toluene (0.02M).

Synthesis of Fused Azole-Piperidinoses: A Free Radical Cyclization Approach

85

Fig. 5. Reagents: i. Methyl propiolate, toluene, heat; ii. (from 16) (a) AcOH, H2 O (7:3), (99%); (b) CBr 4 PPh3 , dry THF (89%); iii. [(CH3 )3 Si]3SiH, toluene (0.02M) (56%).

Fig. 6. Reagents: i. TsCl, py, rt (59%); ii. 1,2,4-triazole, NaH, 18crown-6, DMF, ∆, 2 days (81%); iii. (a) AcOH, H2O (7:3), rt (96%); (b) TsCl, py, rt (90%); (c) Nal, DMF (71%); iv. [(CH3 )3 Si] 3SiH, toluene (0.02M).

free radical cyclization onto a 1,2.3-triazole heterocyclic system and the first example of a free radical cyclization onto an heterocycle containing a sugar template. Obviously, this result supported our projected strategy for the synthesis of new and different fused azole-piperidinoses. Consequently, the acetylated precursor 10, submitted to the same experimental conditions, gave the azaannulated sugar 11 in an impressive 94% yield (Fig. 3). For the sake of efficiency and economy, we studied the “one-pot-two-steps” protocol and the 1,3-DC followed by the radical cyclization in the same solvent (toluene), on compound 13 [16], readily prepared from azide 12 (Fig. 4). In fact, the expected intermediate 14 afforded a compound, identical to 9 (Fig. 3), in good overall chemical yield (60%) plus the reduced uncyclized material 15 (24%). This by-product was detected only in traces in the cyclization of precursor 8 (Fig. 3). This fact reflects the superior ability of iodides regarding bromides to promote efficient free radical chain reactions [15]. The interesting results obtained in the cyclization of intermediates 8, 10 and 14 are noteworthy, and moved us to test analogous protocols in precursors 18 (Fig. 5) and 22 (Fig. 6), having at C3’-β a carbomethoxy monosubstituted N-1,2,3-triazole or a N-1,2,4-triazole, respectively. The synthesis of compound 1 8 has been achieved as shown in Fig. 5. After 1,3-DC of the azide 5 with methyl propiolate, major cycloadduct 16 [17] was isolated and transformed into 18 by standard methodology. The 6-exo free radical cyclization proceeded as expected giving the fused triazole 19 in 56% yield. This compound showed spectroscopic data in agreement with this structure, very similar to those observed for the analogous adduct 9 (Fig. 3).

Finally, the N-1,2,4-triazole intermediate 22 was prepared and cyclized as shown in Fig. 6. In this case the heterocyclic ring has been incorporated into the sugar by a SN 2 displacement of the tosylate [10] with 1,2,4-triazole in intermediate 20. The 6-exo cyclization product 23 was obtained in 50% yield [16]. This product is the result of the attack of the primary radical to C5, instead of N2, with final aromatization. Comparing with the better yield obtained in the cyclization of precursor 8 (Fig. 3), it is evident the positive effect of the carboxylate groups attached to the heterocycle [15]. A probable mechanism for the series of events observed in the free radical cyclization of products 8 or 10 is showed in Fig. 7. The formation of aromatic products (9, 11) after carbon

Fig. 7. Proposed mechanism for the cyclization of compounds 8 or 10.

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Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

dioxide and radical ethyl elimination is a strong driving force that accounts for the efficiency of the free radical cyclizations, securing long chain radical reactions [15]. This proposal is similar to the mechanism advanced by Bowman for the cyclization of radicals derived from 1-(ω-benzeneselenylalkyl)-, 2-(benzenesulfenyl)-benzimidazoles and 2-(p-toluenesulfonyl)imidazoles [18]. In summary, a new strategy has been reported for the synthesis of fused azole-piperidinoses featuring an unprecedented and very efficient 6-exo-trig free radical cyclization onto triazole nucleus installed at C3, in conveniently functionalized furanose templates.

Acknowledgments JMC warmly thanks Miss Mercedes Rodríguez Fernández for the great effort in summarizing the not available C. A. Jiménez’s report activity regarding all the experimental material and the spectroscopic analysis-assignments; for recording some NMR spectra, for the determination of [α]25 D and melting points of some of the compounds described here.

References and Notes 1. (a) Heightman, T. D.; Vasella, A.; Tsitsanou, K. E.; Zographos, S. E.; Skamnaki, V.; Oikonomakos, N. G. Helv. Chim. Acta 1998, 81, 853; (b) Ermett, P.; Vasella, A. Helv. Chem. Acta 1991, 74, 2043. 2. Krülle, T. M.; de la Fuente, C.; Pickering, L.; Aplin, R. T.; Tsitsanou, K. E.; Zographos, S. E.; Oikonomakos, N. G.; Nash, R. J.; Griffiths, R. C.; Fleet, G. W. J. Tetrahedron Asymmetry 1997, 8, 3807. 3. Aoyama, T.; Naganawa, H.; Suda, H.; Uoptani, K.; Aoyagi, T.; Takeuchi, T. J. Antibiot. 1992, 45, 1557. 4. Elbein, A. D. Ann. Rev. Biochem. 1987, 56, 497. 5. Bols, M. Acc. Chem. Res. 1998, 31, 1. 6. (a) Frankowski, A.; Seliga, C.; Bur, D.; Streith, J. Helv. Chem. Acta 1991, 74, 934; (b) Frankowski, A.; Deredas, D.; Streith, J.; Tschamber, T. Tetrahedron 1998, 54, 9033. 7. Granier, T.; Gaiser, F.; Hintermann, L.; Vasella, A. Helv. Chem. Acta 1997, 80, 1443. 8. (a) Marco-Contelles, J.; Destabel, C.; Gallego, P.; Chiara, J. L.; Bernabé, M. J. Org. Chem. 1996, 61, 1354; (b) Marco-Contelles, J.; Gallego, P.; Rodríguez-Fernández, M.; Khiar, N.; Destabel, C.; Bernabé, M.; Martínez-Grau, A.; Chiara, J. L. J. Org. Chem. 1997, 62, 7397. 9. For a review on annulated sugars, see: Marco-Contelles, J.; Alhambra, C.; Martínez-Grau, A. Synlett 1998 , 693 (For a Corrigendum on this paper, see: Marco-Contelles, J.; MartínezGrau, A. Synlett 1999, 376). Leading references on the synthesis of azaannulated sugars: (a) Majumdar, S.; Bhattacharjya, A.; Patra, A. Tetrahedron Lett. 1997, 38, 8581; (b) Czernecki, S.; Ayadi, E.; Xie, J. Tetrahedron Lett. 1996, 37, 9193; (c) Xi, Z.; Glemarec, C.; Chattopadhyaya, C. Tetrahedron 1993, 49, 7525. 10. (a) Nair, V.; Nuesca, Z. M. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 7951; (b) Verheggen, I.; Van Aerschot, A.; Toppet, S.; Snoeck, R.; Janssen, G.; Balzarini, J.; De Clercq, E.; Herdewijn, P. J. Med. Chem. 1993, 36, 2033. 11. Free radical cyclization on conveniently functionalized indoles: (a) Moody, C. J.; Norton, C. L. Tetrahedron Lett. 1995, 36, 9051; imidazoles and benzimidazoles: (b) Aldabbagh, F.; Bowman, W.

José Marco-Contelles and Carolina Alhambra Jiménez R. Tetrahedron Lett. 1997, 38, 3793; (c) Aldabbagh, F.; Bowman, W. R. Tetrahedron 1999, 55, 4109; pyrroles: (d) Aldabbagh, F.; Bowman, W. R.; Mann, E. Tetrahedron Lett. 1997, 38, 7937. 12. Chen, H. C.; Guo, Z.; Liu, H.-W. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 9951. 13. For the synthesis of 3’-(1,2,3-triazol-1-yl)-3’-deoxythimidines from the corresponding azido derivative by 1,3-DC: Häbich, D.; Barth, W. Heterocycles 1989, 29, 2083. 14. (a) Lwowski, W. in 1,3-Dipolar Cycloaddition Chemistry, ed., Padwa, A., Wiley-Interscience, New York, 1984, Vol. 1, p. 559; (b) For an excellent review on asymmetric 1,3-DC, see: Gothelf, K. V.; Jorgensen, K. A. Chem. Rev. 1998, 98, 863. 15. (a) Giese, B. Radicals in Organic Synthesis: Formation of Carbon-Carbon Bonds, Pergamon Press, New York, 1986. (b) Curran, D. P. Synthesis 1988, 417, 489. (c) Beckwith, A. L. J.; Schiesser, C. H. Tetrahedron 1985, 41, 3925. (d) Jasperse, C. P.; Curran, D. P.; Fevig, T. L. Chem. Rev. 1991 , 91, 1237. (e) RajanBabu, T. V. Acc. Chem. Res. 1991, 24, 139. (f) Motherwell, W. B.; Crich, D. Free Radical Chain Reactions in Organic Synthesis; Academic Press, London, 1992. 16. General method for free radical cyclizations: To a solution of the radical precursor (8, 10, 22) (1 equiv) in toluene (0.02 M), previously purged with argon during 30 min, a solution of tributyltin hydride or tris(trimethylsilyl)silane (1.4 equiv) and AIBN (0.03 equiv) was slowly added (1 h) at reflux, under argon, via a syringe pump. After heating for 1 h more, the flask was cooled, the solvent was evaporated and the residue submitted to flash chromatography, eluting with hexane/ethyl acetate mixtures to give the final product (9, 11, 23). “One-pot-two-steps” radical cyclization protocol in compound 13: Compound 13 (100 mg, 0.32 mmol) was dissolved in toluene (1.2 mL) and treated with diethyl acetylenedicarboxylate (57 mg, 0.32 mmol). The mixture was heated under reflux for 4 h. Additional toluene was added (13.6 mL, 0.02 M) and argon was bubbled into the solution for 20 min. A solution of tris(trimethylsilyl)silane (121 mg, 0.49 mmol, 1.5 equiv) and AIBN (5 mg) in toluene (0.15 mL) was slowly added (40 min), under reflux and argon. The mixture was heated for 17 h and more tris(trimethylsilyl)silane (121 mg, 0.49 mmol, 1.5 equiv) plus AIBN (5 mg) were added. After 6 h the mixture was cooled to room temperature, the solvent was evaporated and the residue submitted to flash chromatography (hexane/ethyl acetate, 20/80) to give 9 (61 mg, 60%) and the reduced uncyclized material 15 (25 mg, 24%). Selected spectroscopic data Compound 9: mp 154-156 °C; [α]25 D -44 (c 0.35, CHCl 3 ); IR (KBr) υ 3600-3200, 3460, 2990, 2920, 1735, 1380, 1190, 1080 cm–1 ; 1 H NMR (300 MHz, CDCl3 ) δ 5.79 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H1), 5.11 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H2), 4.97 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H3), 4.89 (br s, 1 H, H4), 4.42 (q, J = 7.1 Hz, 2 H, COOCH2 CH3), 4.20 (m, 1H, H5), 3.69 (dd, J6,6’ = 16.9 Hz, J5,6 = 5.7 Hz, 1 H, H6), 3.00 (dd, J5,6’ = 11.0 Hz, 1H, H6’), 2.34 (d, J = 9.6 Hz, 1 H, OH), 1.60 and 1.36 [s, s, 3 H, 3 H, OC(CH3 )2 O], 1.41 (t, 3 H, COOCH2 CH 3 ) ; 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 ) δ 160.9 (COOCH2CH3 ), 137.5 (C8)*, 135.3 (C7)*, 113.1 [OC(CH3 )2 O], 104.8 (C1), 84.3 (C2), 76.8 (C4), 65.1 (C3), 63.7 (C5), 61.1 (COOCH2 CH3 ), 26.5 and 26.2 [OC(CH3 )2 O], 25.2 (C6), 14.3 (COOCH2 CH3) (* these values can be interchanged); MS (70 eV) m/z 326 (M++1, 27), 310 (M+ -15, 100), 280 (17), 250 (8), 209 (24), 184 (21), 152 (15), 107 (24), 85 (18) , 59 (28). Anal. C14 H19 N3 O6 . Calcd: C, 51.69; H, 5.89; N 12.92. Found: C, 51.48; H, 5.71; N 13.01. Compound 11: mp 78-80 °C; [α]25 D -48 (c 0.56, CHCl3 ); IR (KBr) υ 2960, 2900, 1735, 1720, 1460, 1360, 1265, 1080 cm–1 ; 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3) δ 5.79 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H1), 5.29 (m, 1 H, H5), 5.26 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H2), 5.01 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H3), 4.90-4.87 (br s, 1 H, H4), 4.41 (q, J = 7.1 Hz, 2 H, COOCH2 CH3 ), 3.65 (dd, J6,6’ = 14.0 Hz, J5,6 = 4.7

Synthesis of Fused Azole-Piperidinoses: A Free Radical Cyclization Approach Hz, 1 H, H6), 3.14 (dd, J5,6’ = 9.4 Hz, 1H, H6’), 1.57 and 1.34 [s, s, 3 H, 3 H, OC(CH3 )2 O], 1.39 (t, 3 H, COOCH2 CH3); 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 ) δ 170.1 (OCOCH3 ), 160.8 (COOCH2 CH3), 136.8 (C8)*, 135.6 (C7)*, 113.0 [OC(CH3 )2 O], 105.1 (C1), 83.7 (C2), 74.4 (C4), 66.0 (C5), 64.0 (C3), 61.2 (COOCH2 CH3 ), 26.4 and 26.1 [OC(CH3 ) 2 O], 21.9 (C6), 20.9 (OCOCH3 ), 14.3 (COOCH2 CH3 ) (* these values can be interchanged). Anal. C16 H21 N3 O7 . Calcd: C, 52.31; H, 5.76; N, 11.44. Found: C, 52.14; H, 5.72; N 11.31. Compound 23: Oil; [α]25 D -40 (c 0.25, CHCl3 ); 1 H NMR (300 MHz, CDCl3 ) δ 7.92 (s, 1 H, H8), 5.79 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H1), 5.11 (d, J = 3.6 Hz, 1 H, H2), 4.88 (br s, 1 H, H4), 4.69 (d, J = 3.8 Hz, 1 H, H3), 4.25 (m, 1 H, H5), 3.35 (dd, J = 16.3 Hz, J = 5.7 Hz, 1 H6), 3.00 (dd, J= 11.2 Hz, 1 H6’), 2.68 (br s, 1 H, OH), 1.58 and 1.35 [s, s, 3 H, 3 H, OC(CH3 )2 O]; 13C NMR (75 MHz, CDCl ) δ 152.7 (C8)*, 151.0 (C7)*, 112.8 3

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[OC(CH3 )2O], 104.9 (C1), 83.6 (C2), 77.4 (C4), 65.7 (C3), 63.5 (C5), 27.7 (C6), 26.6 and 26.2 [OC(CH3 )2 O]} (* these values can be interchanged). 17. The 1,3-DC of azides with monosubstituted acetylenes gives major 4-substituted derivatives, that can be identified by 1 H NMR spectroscopy: Alonso, G.; García-López, M. T.; GarcíaMuñoz, G.; Madroñero, R.; Rico, M. J. Heterocycl. Chem. 1970, 7, 1269. 18. Ref. 11b, c. See also: (a) Antonio, Y.; de la Cruz, M. E.; Galeazzi, E.; Guzmán, A.; Bray, B. L.; Greenhouse, R.; Kurz, L. J.; Lustig, D. A.; Maddox, M. L.; Muchowski, J. M. Can. J. Chem. 1994, 72, 15; (b) Curran, D. P.; Yu, H.; Liu, H. Tetrahedron 1994, 50, 7343; (c) Rosa, A. M.; Lobo, A. M.; Branco, P. S.; Prabhakar, S.; Pereira, A. M. D. L. Tetrahedron 1997, 53, 269.

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 88-92

Investigación

Metabolitos secundarios y macromoléculas en el estudio evolutivo de la flora vascular endémica del archipiélago Juan Fernández Eduardo Ruiz y Mario Silva Laboratorio de Química de Productos Naturales, Departamento de Botánica, Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas, Universidad de Concepción, Casilla 160-C, Concepción, Chile. E-mail: [email protected]. Fax: 056-41-246005. Trabajo dedicado a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. Las islas del Archipiélago Juan Fernández, en Chile, son escenario apropiado para la realización de estudios evolutivos y de modos de especiación. Se hace una reseña sucinta sobre la flora de Juan Fernández y su evolución. La especiación de la flora procedió por diferentes rutas. Los datos químicos referentes a los metabolitos secundarios (macromoléculas, flavonoides, terpenoides y alcaloides) de varios taxa (Dendroseris, Robinsonia, Erigeron, Gunnera, Peperomia, Lactoris, Rhaphithamnus, Chenopodium, i.a.). son analizados y correlacionados con características morfológicas y variabilidad vegetal. Se concluye que la información obtenida a través del uso de compuestos químicos en sistemática y evolución es extremadamente importante. Palabras clave: Archipiélago Juan Fernández, flora endémica, evolución, especies vegetales, metabolitos secundarios.

Abstract. The islands of the Juan Fernández archipelago, in Chile, are an appropriated scenary for evolutionary studies and differentiation pathways. A brief review of the Juan Fernandez flora and its evolution is described. Differentiation of the flora proceeded by different pathways. Chemical data regarding to secondary metabolites (macromolecules, flavonoids, terpenoids and alkaloids) of several taxa (Dendroseris, Robinsonia, Erigeron, Gunnera, Peperomia, Lactoris , Rhaphithamnus, Chenopodium, i.a) are correlated with morphological features and variability of the plants. It is concluded that the information provided through the use of chemical constituents in systematics and evolution is quite important. Keywords: Juan Fernández archipelago, endemic flora, evolution, plant species, secondary metabolites.

Introducción

flora de Juan Fernández”, donde dio a conocer 236 especies para el archipiélago, entregando descripciones completas de muchas de ellas, sinonimias, datos de dispersión, hábitats, etc. Sin duda, los trabajos más importantes realizados sobre la vegetación de Juan Fernández son los de Carl Skottsberg [5,6], quien publicó la obra “The Natural History of Juan Fernandez and Easter lslands”. Esta obra consta de tres volúmenes, el primero trata de la geografía, geología y orígenes de la vida en las Islas, haciendo referencia a las conexiones que existen entre la flora de Juan Fernández y la flora continental, donde se encontraron relaciones con el cono sur de América del Sur, pero también con Nueva Zelandia, Australia, Tasmania y el sur de África. El segundo volumen da a conocer la flora de Juan Fernández, incluyendo grupos de plantas inferiores y hongos, reconociendo la existencia de 147 especies de angiospermas nativas y 53 especies de helechos. El tercer volumen corresponde a zoología.

El origen de las angiospermas ocurrió hace 127 millones de años [1]. Durante este período han evolucionado originando un alto número de especies que han sido capaces de colonizar los más variados ambientes, desplazando a las gymnospermas y pteridofitas que dominaron en épocas geológicas anteriores. En el mundo, son pocos los escenarios que nos brinden la oportunidad de realizar estudios evolutivos y modos de especiación. Sin embargo, el caso de las islas oceánicas, la mayoría de origen volcánico y que nunca han tenido contacto con masas continentales, se transforman en laboratorios naturales para tales estudios. Aquí las corrientes marinas y las aves han tenido especial importancia en el establecimiento de la vegetación que exhiben en la actualidad [2]. El Parque Nacional Archipiélago de Juan Fernández está ubicado geográficamente a 667 km frente a las costas de Chile (33° 37' S, 78° 53' W) y está constituido por 3 islas, Robinson Crusoe (ex Masatierra), Alejandro Selkirk (ex Masafuera) y Santa Clara, un pequeño islote ubicado a 1.5 km al sur oeste de Masatierra [3]. En la Fig. 1, se muestra la localización geográfica del archipiélago de Juan Fernández.

Primeros trabajos sobre la flora de Juan Fernández El primer trabajo extenso sobre la flora de Juan Fernández fue el de Federico Johow en 1896 [4] titulado “Estudios sobre la

Estudios evolutivos sobre la flora de Juan Fernández Desde los trabajos de Skottsberg hasta la fecha, se han realizado numerosas investigaciones sobre la flora de Juan Fernández y su evolución. Entre estas investigaciones, destacan aquellas efectuadas desde 1980 por los departamentos de Botánica de la Universidad de Concepción, Chile y de la Universidad del estado de Ohio, USA. Este grupo de científicos ha efectuado 9

Metabolitos secundarios y macromoléculas en el estudio evolutivo de la flora vascular endémica del archipiélago Juan Fernández

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expediciones al archipiélago, y fruto de estas investigaciones anagénesis, en el cual una especie continental originó una esson las numerosas publicaciones, principalmente de taxonopecie insular endémica de las islas a través de un sólo proceso mía, evolución y química de las compuestas arbóreas endémide dispersión, como pudo haber ocurrido con Rhaphithamnus cas, de los géneros Dendroseris y Robinsonia que allí crecen. venustus (Verbenaceae) o Drimys confertifolia (Winteraceae). Sanders et al. [7] documentaron 3 principales cambios Lo importante es que en este proceso el ancestro desaparece. que han ocurrido en la flora de Juan Fernández desde los traSegún los autores el 71% de los casos de endemismo sufrieron bajos de [5]. este proceso de evolución. Primero, varias especies que en décadas pasadas eran freLa anacladogénesis, término propuesto por ellos para excuentes, en la actualidad son muy escasas, tanto así que fue plicar una de las alternativas de especiación ocurridas en el arimposible encontrarlas en lugares donde habían sido colecchipiélago, en la cual un progenitor origina una nueva especie, tadas anteriormente, tales como las compuestas arbóreas y pero este todavía existe con pocas modificaciones. Este proceso Juania australis (chonta). La razón de esto es la depredación ocurrió en el 24% de los casos estudiados, como por ejemplo que sufren por las casi 5000 cabras salvajes que habitan las las dos especies de Cuminia. Esto es muy factible que ocurriese islas y además por la tala ilegal de la chonta para extraer su debido a la corta edad de las islas, en donde la especiación de hermosa madera. poblaciones periféricas está ocurriendo constantemente. Segundo, ha habido un gran incremento en la superficie Menos importante fue el rol que jugó la cladogénesis invadida por “malezas” muy agresivas, tales como: Aristotelia (5% de los casos), en donde una especie originó a dos espechilensis (maqui), Rubus ulmifolius (zarzamora), Ugni molinae cies insulares endémicas y luego se extinguió, como pudo ha(mutilla) y Anthoxanthum odoratum. Esta situación ha ido en ber ocurrido con los subgéneros de Dendroseris y las dos aumento desde la publicación de este trabajo hasta la fecha, especies del género endémico Cuminia que crecen sólo en detectándose la presencia de nuevas especies invasoras [8]. Masatierra, sin existir especies continentales. Sin embargo, Otro notorio cambio es el aumento de la superficie estéril un fenómeno de anacladogénesis también pudo haber ocurriy seca, producto del sobrepastoreo y pisoteo por los mamífedo con este género. Una importante revisión acerca de los ros domésticos que se han introducido en las islas; así la cumecanismos de aislamiento y modos de especiación lo constibierta vegetal es menos capaz de retener agua de las lluvias, tuye el trabajo de Stuessy et al. [12], donde la especiación las cuales arrastran la tierra hacia las partes más bajas, produdebido al aislamiento geográfico ha ocurrido en más del 50% ciendo erosión y grandes cárcavas. Los animales que han de las especies endémicas. También ha jugado un rol imporpuesto en seria amenaza la flora nativa y endémica de las islas tante la especiación por diferenciación ecológica debido a los son cabras, conejos, vacas, coatíes y ovejas. diferentes hábitats, sobre todo dentro de las islas, y particuOtro trabajo sobre evolución de la flora de Juan Fernández larmente en Masafuera. es el de Sanders et al. [9], donde se dio a conocer el número de cromosomas de varias especies de plantas vasculares endémicas de las islas, como una primera aproximación para enFlavonoides y macromoléculas en la evolución tender la estructura cromosomal y eventos que podrían haber de los géneros Dendroseris y Robinsonia dado origen a patrones de especiación, involucrando principalmente, aneuploidía y euploidía. Se efectuaron 41 conteos En los estudios evolutivos de la flora de Juan Fernández especromosómicos para 26 especies y/o variedades correspondiencial atención han tenido los géneros de compuestas arbóreas tes a seis géneros. Un resultado importante de este estudio fue la no detección de líneas poliploides nativas en Juan Fernández; no hay alopoliploidía, por lo tanto, la evolución reticulada no ha jugado un papel importante en la evolución de la flora de Juan Fernández. En este sentido concuerda con Spooner et al. [10]. Esto hace menos complejo el estudio de la filogenia y evolución de la flora del archipiélago. Un trabajo importante fue el publicado por Stuessy y colaboradores [11] denominado “Patrones de filogenia en la flora vascular endémica de Juan Fernández”. Según los autores, este estudio sirve como guía para estudios más detallados sobre filogenia y modos de especiación. Se mencionan aquí tres vías alternativas de especiación que ocurrieron en Juan Fernández: anagénesis, cladogénesis y anacladogénesis. Se Fig. 1. Localización geográfica del archipiélago Juan Fernández. La pequeña isla al establece que el proceso más importante es la suroeste de Masatierra es Santa Clara.

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Dendroseris y Robinsonia que constituyen los dos géneros más grandes dentro de Juan Fernández con 11 y 7 especies, respectivamente. Sanders et al. [13], publicaron un trabajo de fitogeografía y evolución de ambos géneros, considerando aspectos taxonómicos (morfología), filogenéticos, biogeografía y de especiación. Estos autores postulan que cada género evolucionó a través de una sola introducción desde el continente. Probablemente el género más relacionado a Dendroseris es Sonchus, y para el caso de Robinsonia, el género más relacionado es Senecio. En relación al modo de especiación de estos géneros, los autores señalan que lo más probable que haya ocurrido es una especiación geográfica [14], anagenética o especiación filética, lo que es opuesto a la más típica y dicotómica cladogénesis. En este proceso evolutivo la alopoliploidía y la hibridación no han jugado un rol importante. Crawford et al. [15] publicaron un estudio de la variabilidad aloenzimática en Dendroseris, encontrando baja variación electroforética entre las poblaciones de una misma especie. También encontraron baja divergencia entre las especies de los subgéneros Dendroseris y Rea, lo que se contrapone con la alta divergencia morfológica y ecológica que existe entre ellos. Esto sugiere que la especiación fue rápida y reciente. Pacheco et al. [16], estudiaron los patrones de flavonoides encontrando cierta variación entre las especies. Hay un subgénero que no posee flavonoles; esto sugiere que este grupo dentro del género, es monofilético, lo que concuerda con los estudios morfológicos. La relativamente alta diversidad en los patrones de flavonoides, estaría explicada por el origen parafilético evidenciado por la morfología. Estudios similares se han efectuado para Robinsonia [17], donde los patrones de distribución de flavonoides permiten diferenciar entre secciones y especies, coincidiendo con los trabajos morfológicos. También se ha confirmado la inclusión de Retinodendron dentro de Robinsonia, por la estrecha similitud en los patrones de flavonoides. Al igual que para Dendroseris, Crawford et al. [18] realizaron un estudio de la variabilidad isoenzimática en Robinsonia. En este trabajo se encontró mayor variabilidad genética que en otros taxa insulares, debido a que son especies dioicas. Los datos sugieren, al igual que en Dendroseris, que la especiación fue rápida y muy reciente. Ambos géneros han sido estudiados desde el punto de vista filogenético usando ADN cloropiastidial y nuclear (a través del uso de espaciadores intergénicos y secuenciación de la zona ITS del ADN ribosomal nuclear), concluyéndose que ambos géneros han evolucionado a partir de un sólo evento de dispersión, y se ha resuelto completamente la filogenia de ambos grupos [19, 22]. Los resultados obtenidos con el uso de macromoléculas son absolutamente congruentes con las filogenias propuestas con caracteres morfológicos. Un trabajo muy completo acerca de la radiación adaptativa y la evolución en Dendroseris y Robisonia, así como también la variabilidad aloenzimática intra- e inter- poblacional en las especies de ambos géneros fue publicado por Crawford et al. [23].

Eduardo Ruiz y Mario Silva

Otros géneros estudiados usando flavonoides y aloenzimas Otro género de compuestas que ha sido estudiado evolutivamente es Erigeron, formado por seis especies. La situación en este caso es diferente, porque existen especies del género en el continente. Valdebenito et al. [24] publicaron un trabajo donde se usaron caracteres morfológicos, flavonoides y número de cromosomas para estudiar la evolución del género en Juan Fernández. Sus resultados sugieren que ha habido una sola introducción desde el continente y la relación más estrecha existe con E. leptorhizon de Perú. Como existe un mayor número de especies en Masafuera, se podría asumir que el género llegó a esta isla primero y luego colonizó Masatierra. El género Myrceugenia fue estudiado por Landrum [25, 26] a través de caracteres morfológicos, encontrando mayor relación entre la especie de Masatierra (M. fernandezíana) y especies de Brasil y mayor relación entre especies de Chile continental y la especies que crece en Masafuera (M. schulzei). Ruiz et al. [27], a través del uso de flavonoides encontraron mayor relación entre las especies insulares y las de Chile continental que con aquellas de Brasil, estudios macromoleculares (Ruiz et al., resultados no publicados) usando isoenzimas y ADN (secuencia de la zona ITS del ADN ribosomal nuclear) apoyan esta hipótesis. Otro género donde se han usado los flavonoides para interpretaciones filogenéticas es Gunnera (Gunneraceae), existen tres especies de este género, dos en Masatierra, G. peltata y G. bracteata, y una en Masafuera, G. masafuerana [28]. La morfología y los flavonoides sirvieron para establecer relaciones filogenéticas entre G. tinctoria de Chile continental y G. bracteata de Masatierra, y entre G. peltata de Masatierra y G. masafuerana de Masafuera. Los patrones de distribución de flavonoides también fueron usados por Valdebenito et al. [29], para estudiar la evolución del género Peperomia (Piperaceae) en Juan Fernández; los resultados fueron comparados con datos morfológicos y número de cromosomas. Crawford et al [30] analizaron la variabilidad aloenzimática de tres especies de Wahlenbergia (Campanulaceae) y compararon con los resultados obtenidos con caracteres morfológicos, obteniendo gran congruencia en la separación de los dos principales grupos de especies que habitan en Juan Fernández.

Flavonoides, aloenzimas y ADN en la evolucion y variabilidad genética de Lactoris fernandeziana Una especie que ha recibido especial atención corresponde al único representante de la familia Lactoridaceae, Lactoris fernandeziana. Esta especie es uno de los representantes más arcaicos dentro de las angiospermas y sus relaciones filogenéticas con otros grupos de angiospermas primitivas aún es un misterio. Lammers et al. [31] estudiaron las relaciones sistemáticas de esta especie con familias primitivas y encontraron relaciones estrechas con miembros del orden Magnolia-

Metabolitos secundarios y macromoléculas en el estudio evolutivo de la flora vascular endémica del archipiélago Juan Fernández

les. Para contribuir con el conocimiento de las conexiones entre L. fernandeziana y representantes de otras familias de Magnoliidae se hicieron estudios del contenido de flavonoides [32]. El análisis de estos compuestos, concuerdan con el hecho de que esta especie es una de las más primitivas dentro de las Angiospermas y, al igual que los análisis morfológicos realizados por Lammers et al. [31] y palinológicos hechos por Zavada et al. [33], las relaciones más estrechas se dan con representantes del orden Magnoliales. Brauner et al. [34] estudiaron la variación poblacional de Lactoris usando ADN nuclear a través de la técnica de RAPD. Al igual que lo que ocurre con la mayoría de las especies endémicas de Juan Fernández, la variabilidad genética detectada a través de este método fue mínima.

Otras especies de interés Géneros representados por una sola especie en el archipiélago también han sido estudiados desde el punto de vista evolutivo y de conservación genética, usando el contenido de flavonoides y aloenzimas. Crawford et al. [35] analizaron la diversidad genética de Rhaphithamnus venustus a través de electroforesis de isoenzimas. Recientemente, Sun et al. [36] estudiaron la evolución de esta especie usando información de su biología reproductiva. Stuessy et al [37] compararon la secuencia nucleotídica de la zona ITS del ADN ribosomal nuciar entre esta especie y su pariente continental R. spinosus, no encontrando varibilidad entre ambos, lo que podría indicar una especiación reciente de la especies insular. La variabilidad genética, representada por la variación en el contenido aloenzimático, entre y dentro de poblaciones de una misma especie ha sido mínima, como ocurre con Chenopodium sanctae-clarae [23]. En la actualidad esta especie no se encuentra en su hábitat natural (isla Santa Clara), sólo se le puede encontrar creciendo cultivada, en parques y jardines en Masatierra.

ADN en la detección de híbridos naturales en Juan Fernández A través de la técnica de RAPD, se ha podido documentar la existencia de hibridación intergenérica entre la especies endémica Margyricarpus digynus y la especie introducida Acaena argentea [38]. Los patrones amplificación muestran claramente el origen híbrido de X Margyricaena skotts bergii.

Terpenoides y alcaloides en especies endémicas de Juan Fernández Estudios químicos donde se han aislado numerosos metabolitos secundarios de interés en sistemática y evolución se han

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llevado a cabo en distintas especies de Juan Fernández, como por ejemplo terpenos del género Gunnera [39, 40]; terpenos del género Robinsonia [41, 42]; sesquiterpenlactonas de Dendroseris neriifolia [43, 44]; alcaloides de las especies de Sophora [45] Estos resultados están siendo correlacionados con características morfológicas, variabilidad isoenzimática y polimorfismo del ADN, para interpretaciones evolutivas y con fines de conservación.

Generalizaciones hechas sobre la base de los diferentes conjuntos de datos Como resultado global de todos los estudios realizados, principalmente sobre las compuestas insulares además de otras especies, se han podido establecer algunas generalidades importantes: (a) Los procesos de especiación que han ocurrido en el archipiélago se han producido sin cambio en el número de cromosomas [8, 9], a pesar de la marcada variabilidad morfológica que presentan algunos géneros, como por ejemplo Dendroseris. (b) El grado de divergencia genética ha sido mínima, como ha ocurrido con Lactoris fernandeziana y Chenopodium sancta-clarae [34, 46]. Para este último caso la variabilidad se ha medido usando isoenzimas y RAPD. Robinsonia es el único género endémico que ha mostrado variación infraespecífica [18], tal vez porque las especies son dioicas, contribuyendo así a la mantención de la variabilidad genética. (c) La hibridación no ha jugado un rol importante en la evolución de las especies de Juan Fernández, sólo dos casos de hibridación se han documentado: entre Gunnera peltata y G. bracteata [47] y entre Margyricarpus dígynus y Acaena argentea.

Conclusiones Es indudable que la información obtenida a través del uso de compuestos químicos en sistemática y evolución es extremadamente importante. Para obtener un esquema, realmente natural, es necesario obtener la mayor cantidad de datos posibles desde un individuo, población o especie (distinto conjunto de datos). Si bien es cierto que los primeros estudios se llevaron a cabo a través de la observación detallada de caracteres morfológicos, a medida que ha transcurrido el tiempo se han ido implementando otras herramientas aplicables a estudios taxonómicos y evolutivos, tales como metabolitos secundarios (principalmente flavonoides) y macromoléculas, tales como isoenzimas y ADN. El uso de estos nuevos tipos de datos nos brinda la oportunidad de obtener caracteres internos y hacer comparaciones directamente con el material genético de un organismo. Como lo precisó Crawford y Gianassi [48] y ratificó Crawford [49] “Siempre se ha tratado de inferir diferencias y similitudes genéticas a través del uso de características morfológicas, lo ideal sería comparar directamente con el material hereditario.” Además, el uso de las isoenzimas y ADN tienen una importancia práctica importante, ya que con el perfeccionamien-

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to de las técnicas moleculares, las cantidades de material biológico a utilizar son extremadamente pequeñas, lo que adquiere relevancia cuando se está estudiando variabilidad genética en especies raras o en peligro de extinción.

Agradecimientos Se agradece el apoyo financiero de Fondecyt (Proyectos 1093/83, 1087/84, 0652/89, 1960822 y 79 600-15) Dirección de Investigación, Universidad de Concepción, Chile, National Science Foundation, a los Drs. Tod Stuessy y Daniel Crawford, a Corporación Nacional Forestal (CONAF, V Región, Chile), y CONAF Juan Fernández.

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Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 93-96

Investigación

Transformaciones químicas de asclepinas ‡ Humberto Valle, Jorge Cárdenas* y Lydia Rodríguez-Hahn† Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México, D. F. Teléfono (52)5622 4413, Fax (52)5616 2217, E-mail: [email protected] † El presente trabajo fue el último concluido por la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn

Resumen. La oxidación con reactivos suaves del 1,2 diol de la unidad del azúcar de algunas asclepinas procede sin la ruptura oxidativa del enlace C-C del glicol. Sin embargo se observa una posterior migración [1,2] para obtener un producto de contracción de anillo en la parte del azúcar. Palabras clave: Asclepia linaria, cardenolidos, asclepinas, gomfósido, oxidaciones.

Abstract. The oxidation with mild reagents of the sugar moiety of some asclepines proceeds without oxidative cleavage of the glycol C-C bond. Nevertheless, a further [1,2] migration to afford the ring contraction of the sugar moiety is observed. Key word: Asclepia linaria, cardenolides, asclepines, gomphoside, oxidations.

Introducción

tienen el azúcar unido en las posiciones 2α y 3β de la aglicona, formando un hemicetal y un acetal respectivamente, lo que los hace muy resistentes a la hidrólisis ácida [7].

La familia Asclepiadaceae agrupa aproximadamente 2500 especies en 200 géneros. A diferencia de otras familias, en ésta abundan los glicósidos. En particular, los géneros Calotropis y Asclepias, tienen amplia distribución en México y sobresalen por la gran cantidad de productos con actividad cardiotónica (glicósidos cardiacos ó cardenólidos) [1,2,3]. Desgraciadamente, numerosos cardenólidos presentan actividad tóxica [4], y se conoce el papel de defensa indirecta que desempeñan en la naturaleza, al proveer a la mariposa monarca (Danaus plexippus) de un mecanismo de defensa en contra de algunos depredadores [2,3,4,5]. Otros metabolitos, por ejemplo, la labriformina (IV), ha mostrado cierta actividad tóxica [2]. Desafortunadamente, la pequeña cantidad de labriformina que se aísla del látex de las plantas de la familia Asclepiadaceae (por ejemplo, A. glaucescens), ha dificultado el estudio de la determinación de la actividad biológica [2,6]. Las asclepinas son glicósidos cardiacos (cardenólidos) pertenecientes a un grupo de derivados esteroidales de 23 átomos de carbono. La mayoría de estos productos son aislados de la familia Asclepiadaceae y están formados por un azúcar y una aglicona. Las características importantes de la estructura de la aglicona (o genina) son, en general, la presencia de una γ-lactona (β-butenólida) α,β-insaturada unida al carbono C-17 del esqueleto esteroidal y un grupo oxhidrilo terciario en el carbono C-14. Algunas geninas son portadoras de un grupo aldehído en el carbono C-19. La mayoría de los glicósidos ‡ Contribución

1702 del Instituto de Química, UNAM.

Resultados y discusión Al analizar las estructuras de las asclepinas (en particular, gomfósido I, afrósido II y calactina III), se plantea que, si la actividad biológica de la labriformina está determinada por la presencia de la tiazolina en la posición 3’, entonces es posible la transformación química de las asclepinas para obtener el derivado 3’-tiazolidina y evaluar así dicha actividad. Estas asclepinas muestran en su estructura un grupo 1,2-diol (posición 2’ y 3’, excepto el afrósido II que tiene dos grupos 1,2diol), lo que hace posible teóricamente, la oxidación del alcohol secundario (3’-hidroxilo), para formar la hidroxicetona correspondiente (3’-ceto). Posteriormente, se puede realizar la formación de la 3’-tiazolidina. La oxidación de 1,2-dioles a α-hidroxicetonas representa una transformación que siempre tiene que superar el problema de la oxidación del enlace C-C del glicol [8,9]. La oxidación en las asclepinas (gomfósido I, afrósido II, calactina III) se puede llevar a cabo adecuadamente, gracias a las técnicas actuales conocidas para este tipo de síntesis, que evitan la fragmentación del diol y además son regioespecíficas. La oxidación por brominólisis de derivados estanilados [9] y la oxidación con el ácido 2-yodoxibenzoico (IBX) [8], forman hidroxicetonas a partir de 1,2-dioles sin romper el enlace C-C del glicol.

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Humberto Valle et al.

O

O

O

O

O 12

OH OH

H

R1

O

3' 2'

H 9

S OH

N

14

H

H

O 2

H

OH

R2 O

3

1'

O

HO

17

O H

Gomfósido I Afrósido II Calactina III

H

O

H

H

R1 Me Me CHO

R5 H OH H

OH

O H

H

Labriformina IV Figura 2.

Figura 1.

El tratamiento del gomfósido (I) con óxido de dibutilestaño en benceno a reflujo para obtener el estanilacetal, brominólisis de éste y posterior purificación en CC de gel de sílice (véase parte experimental), genera un producto que por espectrometría de masas de alta resolución corresponde a una fórmula condensada C30H 44O 9 , la cual es mayor en 30 uma que la materia prima. En el espectro de IR se observan bandas para oxhidrilo en 3460 cm –1 , las bandas en 1771 cm–1 y 1622 cm–1 de la β-butenólida y en 1745 cm–1 un carbonilo de éster. El espectro de RMN 1 H (CDCl3) muestra un singulete en 5.87 ppm, que se asigna al protón H-22. Se observa el sistema AB de los protones diasterostópicos de la γ-lactona en 4.96 ppm (J = 18 Hz y 1.5 Hz, H-21a) y en 4.78 ppm (J = 18 Hz y 1.5 Hz, H-21b). Estos datos (IR y RMN) indican que la lactona α,β-insaturada no sufrió cambio alguno. La señal singulete del protón H-1’ (4.89 ppm), se observa desplazada ligeramente a campo bajo con respecto al gomfósido (4.74 ppm). En 3.57 se observa una señal que se debe al protón H-2, desplazado a campo alto con respecto al gomfósido (4.01 ppm). También se asigna la señal que aparece en 3.25 ppm del protón H-3, desplazada a campo alto con respecto al gomfósido (4.02 ppm). Una nueva señal singulete aparece en 3.79 ppm, que integra para tres protones y que por su desplazamiento químicos se asigna al metilo de un grupo carbometoxi (CO2 Me), que no se observaba en la materia prima. Además desaparece la señal asignada al protón H-3’, que en el gomfósido aparecía en 3.63 ppm. Estos datos indican que, efectivamente, ocurrió alguna transformación en el carbono C-3’. Al someter a condiciones de acetilación al producto 1 se obtiene el correspondiente derivado diacetilado 2. En el espectro de RMN 1 H de 2, se observa el singulete característico en 5.88 ppm, que corresponde al protón H-22 y la parte AB del sistema ABX de la γ-lactona α,β-insaturada en 5.01 ppm (J = 18 Hz y 1.5 Hz, H-21a) y en 4.82 ppm (J = 18 Hz y 1.5 Hz, H-21b). Aparece un singulete en 5.12 ppm, debido al protón H-1’, así como un singulete que se debe a los protones del metilo del carbometoxi (3.73 ppm). Se observan dos señales nuevas de los grupos acetato. Una de estas señales está en 2.10 ppm (AcO-C3’) y la otra en 2.04 ppm (AcO-C2). El protón del carbono C-2, se ve desplazado a campo bajo (4.88 ppm). Los datos espectroscó-

picos son congruentes con la estructura 1 si se considera que en primera instancia se llevó a cabo la oxidación en C-2’, posteriormente una migración [1,2] del C-1’ al C-3’ y la adición de MeOH al C-2’ como se muestra en la figura 3. Un producto similar a 1 fue obtenido por Reichstein al tratar la calactina (III) con ácido bórico, del que obtuvo un producto al que llamó éster metílico del ácido calactínico [10], por lo que el producto 1 se debería llamar éster metílico del ácido gomfosídico. En una nueva reacción del gomfósido (I) con el óxido de n-dibutilestaño, en la que se agregaron 2 mL de MeOH durante el reflujo en C 6 H6 , dio como resultado un derivado estanilado más soluble, el cual fue oxidado al hacerse reaccionar con la solución de bromo [11]. Durante la purificación por métodos cromatográficos se evitó el contacto con MeOH y se obtuvo el producto 3, que se identificó por el análisis de sus resultados espectroscópicos. El espectro de masas corresponde a una sustancia de fórmula C29 H 40 O 8. El espectro de RMN 1 H muestra grandes semejanzas con el espectro del producto 1, excepto que no tiene la señal que se asignó al grupo metilo del carbometoxi. Los sistemas característicos de los grupos funcionales como el de la β-butenólida y los que corresponden a la aglicona se mantienen sin cambios apreciables. Se observa un singulete en 5.04 ppm que se asigna al protón H-1’, que está desplazado a campo bajo con respecto al gomfósido (4.74 ppm) y al producto 1 (4.89 ppm). El protón H-2 (4.85 ppm) se desplaza a campo bajo con respecto al gomfósido (4.01 ppm) y no a campo alto como en 1 (3.57 ppm), el desplazamiento químico de H-2 sugiere que se encuentra geminal a un oxígeno de un grupo éster. El protón H-3 permanece casi constante (3.53 ppm) con respecto a 1. Estos resultados indican que, efectivamente, se formó un producto de oxidación, pero que no corresponde con el derivado 3’-ceto esperado. Al igual que se propuso para el producto 1, la oxidación en C-3’ y la contracción del anillo del azúcar por una migración [1,2] del carbono C-1’ al C-3’, da como intermediario la formación de una lactona de siete miembros, cuya estructura 3 es congruente con los resultados espectroscópicos, y se propone para ésta el nombre de 2’-gomfosólida. La oxidación de 1,2-dioles sin romper el enlace C-C del glicol se puede lograr con el ácido 2-yodoxibenzoico [8], por lo que se sometió una muestra de gomfósido al tratamiento

Transformaciones químicas de asclepinas

95

con ácido 2-yodoxibenzoico en sulfóxido de dimetilo (véase parte experimental). El producto obtenido de la reacción es idéntico en sus constantes físicas y espectroscópicas con la 2’gomfosólida (3). El tratamiento con MeOH del producto 3 obtenido de esta reacción en el proceso de purificación, no dio lugar al compuesto 1, por lo que no es en esta etapa cuando éste se forma. Las reacciones de oxidación por los métodos del ácido 2yodoxibenzoico y el óxido de n-dibutilestaño se realizaron con las asclepinas afrósido (II) y calactina (III). No fue posible obtener productos de estas reacciones, ya que al analizar el avance de las reacciones por ccf se observaban mezclas muy complejas, de las que no fue posible separar productos puros para su identificación espectroscópica.

ceno-hexano (1:1). La parte polar se concentró y se extrajo con CH2Cl2 y AcOEt. Del extracto de AcOEt se obtuvieron aproximadamente 3 g de un producto cristalino, los cuales se purificaron por cromatografías sucesivas. De las fracciones eluidas con MeOH al 1.0% en CH2Cl2 se obtuvo un sólido blanco cristalino (600 mg) con pf de 235-239°C y que por sus características espectroscópicas corresponde al gomfósido I. De las fracciones eluidas con MeOH al 2% en CH 2C l2, se aisló un sólido blanco cristalino (400 mg) con pf de 255260°C y que corresponde al afrósido II. Por otra parte, de un estudio realizado en A. linaria recolectada en el Estado de México (municipio de Texcoco), y tratada bajo las mismas condiciones, se aislaron (a partir de partes aéreas 1.8 Kg y se obtienen 318 g del extracto metanólico), gomfósido I (700 mg). De la elución con MeOH al 2% en CH 2Cl2, se obtuvo calactina III, (900 mg), con pf de 257-261°C.

Agradecimientos Preparación del éster metílico del ácido gomfosídico (1). El gomfósido I (100 mg, 0.193 mmol) y el óxido de dibutilestaño (52.2 mg, 0.21 mmol), fueron colocados en benceno (25 mL) y refluidos durante 24 h, acondicionado con un equipo DeanStark. El benceno se evaporó al vacío hasta obtener un volumen aproximado de 5mL. Se agregó tamiz molecular de 4Å (1 g) y CH2 Cl2 (2 mL). Una solución de bromo (bromo –320 mg, 2 mmol- en 5 mL de CH2Cl2 ) fue agregada gota a gota a la velocidad de una titulación a la solución del derivado estanilado agitada vigorosamente. El volumen agregado de la solución de bromo fue de 0.8 mL (bromo 51.2 mg, 0.32 mmol). La mezcla de reacción se filtró a través de algodón, se lavó con una mezcla de CH2Cl2 -MeOH y se evaporó hasta sequedad. El residuo se cromatografió en columna relámpago (sílica gel malla 230-400), usando CH2Cl2 como eluyente y aumentando la polaridad con MeOH. Al eluir la cromatografía con 0.5%

Se agradece la asistencia técnica de: M. en C. Rubén Gaviño, Quím. Rocío Patiño, Ing. Luis Velasco y al M. en C. Javier Pérez la determinación de los espectros de RMN 1 H, UV, IR y espectrometría de masas.

Parte experimental Aislamiento y purificación de asclepinas La planta A. linaria fue recolectada en 1995, en el Estado de San Luis Potosí (municipio de Salinas), México. Las partes aéreas de la planta (1.5 kg), fueron extraídas con MeOH (20 L) a temperatura ambiente durante siete días. El disolvente se evaporó a presión reducida. Se obtuvieron 300 g de extracto, al cual se le hicieron particiones con MeOH-agua (4:1) y ben-

O

O

O

O

O

O O

RO

O

HO

OR

OH

OH

O

O

O

O

1 R=H 2 R=Ac

3

MeO H O

H OH O

+

+ +

O

+

-H , +H

HO

O

Figura 3.

O

O O

+

-H , +H

O

1

96

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

de MeOH en CH2Cl2 se obtiene un producto blanco cristalino, soluble en CH2 Cl2 y que se recristalizó de AcOEt-hexano; pf 188-192°C, con un rendimiento de 83%. [α]20 D = -35º (c 0.48, CHCl 3 ); UV (CHCl3); λmax nm (ε): 218 (13229); IR (CHCl3) λ max cm –1 : 3460, 1771, 1745, 1622; RMN 1 H (CDCl3 ) δ (ppm): 5.87 (s,1H,H-22), 4.89 (s,1H,H-1’), 4.96 (dd,1H,J = 18.3 y J = 1.5,H-21a), 4.78 (dd,1H,J = 18.3 y J = 1.5,H-21b), 4.48 (dq,1H,H-5'), 3.79 (s,3H,OMe), 3.57 (ddd,1H,H-2), 3.25 (ddd,1H,H-3), 2.76 (dd,1H,H-17), 1.40 (d,3H,J = 6.3,H-6'), 0.87 (s,3H,H-18), 0.80 (s,3H,H-19); EM(FAB+) m/z (% abundancia relativa): 549(M++1)(17), 159(100), 99(44), 136(25), 41(12), 355(10), 531(5), 245(2). EMAR Calculado para C30H 45O 9 (549.3064); Observado C30 H 45 O 9 (549.3046). Diacetato del éster metílico del ácido gomfosídico (2). El producto 1 (20 mg, 0.036 mmol), se agregó a una solución vigorosamente agitada de piridina (0.5 mL) y anhídrido acético (0.5 mL), a temperatura ambiente y bajo condiciones anhidras. A las 24 h de reacción, la mezcla se llevó a sequedad al vacío, se agregó agua y se agitó durante 10 min. Se extrajo con AcOEt, la fase orgánica se lavó sucesivamente con HCl al 10%, NaHCO3 al 10% y finalmente con salmuera hasta pH neutro. Posteriormente la fase orgánica se secó sobre CaCl2 , se filtró, se llevó a sequedad y se purificó el producto por cromatografía. De la elución de la cromatografía al 15% de AcOEt en hexano se obtuvo un producto puro que cristalizó de CH2 Cl2 -hexano, con pf de 169-175°C y rendimiento de 85%: [α] 20 D -60° (c 0.11, MeOH); UV(CHCl 3 ) λmax nm (ε): 217.5 (13877); IR (CHCl 3 ) λmax cm–1 : 1743, 1622; RMN 1 H (CDCl3 ) δ (ppm): 5.88 (s,1H,H-22), 5.12 (s,1H,H-1’), 5.01 (dd,1H,J = 18 y J = 1.5,H-21a), 4.82 (dd,1H,J = 18 y J = 1.5,H-21b), 4.88 (m,1H,H-2), 4.30 (dq,1H,H-5’), 3.73 (s,3H,OMe), 3.61 (ddd,1H,H-3), 2.76 (dd,1H,H-17), 2.10 (s,3H,CH 3 del AcO-3’), 2.04 (s,3H,CH 3 del AcO-2), 1.32 (d,3H,J = 6.2,H-6’), 0.86 (s,3H,H-18), 0.85 (s,3H,H-19): EM (FAB + ) m/z (% abundancia relativa): 633(M ++1)(15) que corresponde con una fórmula molecular de C34 H48 O11 , 201(100), 135(40), 355(4), 220(2), 523(2), 432(1). Preparación de 2’-gomfosólida (3). Método A. En una modificación de la reacción realizada bajo las mismas condiciones descritas anteriormente, excepto que se agregaron 2 mL de MeOH [13] durante el reflujo y posteriormente se procedió con la brominólisis. El eluyente empleado en la purificación cromatográfica en este caso fue CH 2Cl2 y se aumentó la polaridad con acetona, evitando así el uso de MeOH. La elución con 2% de acetona en CH2 Cl2 proporcionó un producto blanco cristalino, insoluble en CH2 Cl2, pero soluble en CH 2 Cl 2 -MeOH y que se recristalizó de MeOH-AcOEt, pf 295-299°C, rendimiento de 87%. [α]20 D +45º (c 0.12, CHCl3 -MeOH 1:1); UV(CHCl3-MeOH 1:1) λmax nm (ε): 217.5 (14073); IR(nujol) λ max cm –1: 3457, 1774, 1741, 1623; RMN 1 H (CDCl3 -DMSOd6 ) δ (ppm): 5.78 (s,1H,H-22), 5.04 (s,1H,H-1’), 4.94 (dd,1H,J = 18.3 y J = 1.5,H-21a), 4.76 (dd,1H,J = 18.3 y J = 1.5,H-21b), 4.85 (td,1H,H-2), 4.10 (dq,1H,H-5’), 3.53 (td,1H,H-3), 2.70 (dd,1H,H-17), 1.21

Humberto Valle et al.

(d,3H,J = 6.0,H-6’), 0.84 (s,3H,H-18), 0.79 (s,3H,H-19); EM (IE+ ) m/z (% abundancia relativa): 516(M +)(9), 44(100), 355(39), 373(28), 239(16), 313(14), 498(5), 407(4), 470(3). EMAR: Calculado C2 9 H 41 O 8 (517.2801); Observado C29 H 41 O8 (517.2816). Método B. El ácido 2-yodoxibenzoico (39 mg, 0.103 mmol), se disolvió en 1 mL de DMSO. Posteriormente se agregó el gomfósido I (50 mg, 0.096 mmol) agitando la mezcla de reacción durante 24 h a temperatura ambiente. Se agregó agua y se filtró a vacío, el precipitado se lavó con CH 2 Cl2 que se eliminó con ligero calentamiento, la fase acuosa se extrajo con AcOEt y se reunió con el residuo de la evaporación del CH2 Cl2 , la fase orgánica se lavó con NaHCO3 y con salmuera hasta pH neutro. La fase orgánica se secó con CaCl2 , se filtró y se evaporó a sequedad al vacío. Se purificó por cromatografia en columna. Al eluir con 3% de acetona en CH2 Cl2 , se obtiene un sólido blanco cristalino con pf de 296-299°C con un rendimiento de 90%, cuyas características espectroscópicas son idénticas al producto obtenido en la segunda reacción (método A) del gomfósido y la brominólisis del derivado estanilado (3).

Referencias 1. Fonseca, G.; Rodríguez-Hahn, L.; Tablero, M.; Rodríguez, A.; Arreguín, B. J. Nat. Prod. 1991, 54, 860-862. 2. Rodríguez-Hahn, L.; Fonseca, G. Phytochemistry 1991, 30, 39413942. 3. Cheung, H. T. A.; Chiu, F. C. K.; Watson, T. R.; Wells, R. J. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I 1983, 2827-2835. 4. Cheung, H. T. A.; Watson, T. R. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I 1980, 2162-2168. 5. Harborne, J. B.; Introduction to Ecological Biochemistry, 3rd Ed., Academic Press, London, 1988. 6. Cheung, H. T. A.; Watson, T. R. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I 1980, 2169-2173. 7. Cheung, H. T. A.; Watson, T. R. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I 1986, 61-65. 8. Frigerio, M.; Santagostino, M. Tetrahedron Lett. 1994, 35, 80198022. 9. David, S.; Thieffry, A. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I 1979, 15681573. 10. Brüschweiler, F.; Stöckel, K.; Reichstein, T. Helv. Chim. Acta 1969, 52, 2276-2303. 11. David, S.; Hanessian, S. Tetrahedron 1985, 41, 643-663.

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 97-99

Investigación

Multi-Metallic Oxides as Catalysts for Light Alcohols and Hydrocarbons from Synthesis Gas Miguel Pérez,1 L. Díaz, H. de J. Galindo, J. M. Domínguez and Manuel Salmón2* 1 2

Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Central Lázaro Cárdenas Nº 152, Delegación Gustavo A. Madero, 07730, México D.F. Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México, D. F. E-mail: [email protected].; Fax (52) 5616 22 03, 5616 22 17.

This contribution is dedicated to the memory of Dr. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. Una serie de óxidos Cu-Co-Cr soportados con metales alcalinos (M), fueron preparados por el método de coprecipitación con nitratos metálicos (CuII,CoII,CrIII) y (M2)CO3 en soluciones acuosas. Los productos calcinados fueron usados como catalizadores para la síntesis de Fisher-Tropsch en la superficie fija de un microreactor de acero inoxidable. El material fue caracterizado por difracción de rayos X y el área de superficie específica, tamaño de poro y propiedades de adsorción-desorción de nitrógeno fueron determinadas. Los metales alcalinos favorecieron la síntesis de metanol y previnieron las reacciones de deshidratación, mientras que la formación de hidrocarburos es independiente de estos metales. Palabras clave. conversión syngas; catálisis heterogénea; óxidos tetrametálicos; Cu-Co-Cr (M); alcoholes; hidrocarburos; caracterización de catalizadores.

Abstract. A series of Cu-Co-Cr oxides doped with alcaline metals (M), were prepared by the coprecipitation method with metal nitrates (CuII, CoII, CrIII) and (M) 2CO3 in aqueous solution. The calcined products were used as catalysts for the Fisher-Tropsch synthesis in a stainless-steel fixed bed microreactor. The material was characterized by x-ray diffraction, and the specific surface area, pore size and nitrogen adsorption-desorption properties were also determined. The alkaline metals favoured the methanol synthesis and prevent the dehydration reactions whereas the hydrocarbon formation is independent to these metals. Key words. Syngas conversion; heterogeneous catalysis; tetrametallic oxides Cu-Co-Cr (M); alcohols, hydrocarbons; catalyst characterization.

Introduction

Experimental

Fisher-Tröpsch Synthesis has been used widely for obtaining different hydrocarbons of industrial interest, i.e. olefins, gasoline, higher alcohols, etc. In those reactions there are some parameters that influence the catalyst selectivity, as for example temperature, pressure and gas composition, as well as the presence of CO2 in the feed. The carbon monoxide hydrogenation is usually carried out on catalysts based in transition metal oxides, i.e. CoO and Fe2 O3 , which present a variety of catalytic properties [1]. The production of light alcohols i.e. methanol, seems favoured by the presence of some promoters in the catalyst; as for example alkaline metals [2], while higher alcohols preferentially proceeds on ternary systems like Ni-Cu-Zn-O type catalysts [3]. The activity of Fisher-Tröpsch catalysts for hydrocarbon production seems unaffected by the presence of alkaline metals in the catalyst, but the oxygenated products formation depend on the concentration of alkaline metals in the catalysts [4]. In this work, we studied the series of Cu-Co-Cr oxides doped with alkaline metals (M), with the aim of evaluating their catalytic properties, as for example the selectivity towards the higher alcohols from Fisher-Tröpsch reactions.

The catalysts were prepared by the coprecipitation method with metal nitrates ( CuII, Co II, CrIII) from Aldrich and 0.66 M of (M)2 CO 3 in aqueous solution, under controlled temperature (23ºC) at pH = 9.0. The gels were filtered and dried at 80ºC, after washing several times with demineralized water. A part of the gel precipitate was mixed vigorously with an alkaline metal chloride solution (i.e. Na, Li, K, Rb or Cs ) in order to obtain 2% wt of each alkaline metal oxide. The materials were dried, extrudated in 1/8 inch cylinders and finally calcined at 400ºC for 4 h. in static air atmosphere.

Catalyst Characterization The x-ray diffraction studies were performed in a Siemens D500 diffractometer with CuKα radiation source and Ni-filter. The x-ray look amorphous, but only three known phases corresponding to CuO, CoO and Cr2 O3 were recorded. The nitrogen adsorption-desorption (BET and Langmuir) isotherms were obtained in order to determine the specific surface area

98

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Miguel Pérez et al.

Table 1. Catalyst Phase Composition Determined by Atomic Absorption. Spectroscopy (% wt).

Table 2. Textural Properties of the Synthesized Materials. Catalyst

Surface Area (m 2/g)

Pore Volumen (cm3/g)

Pore Diameter (A°)

Catalyst

CuO

CoO

Cr2O3

M2O

I

36.10

41.06

20.05

Li = 2.11

I

60.7

0.09

269

II

28.10

43.32

25.01

Na = 2.07

II

12.3

0.41

291

III

33.40

43.01

20.12

K = 2.56

III

77.5

0.34

176

IV

30.00

41.05

20.74

Rb = 2.17

IV

96.8

0.39

232

V

36.20

41.00

20.74

Cs = 2.04

V

116.2

0.49

168

Table 3. Syngas Conversion Data.* XA –rA( mCo/g.h.) G(X Ah/X A,O)

Table 4. Alkaline Metal Effects on the Syngas Conversion Reactions.

Catalyst

XA,O

I Cu-Co-Cr-O5-Li2O

79.01

78.01

0.1189

0.987

II Cu-Co-Cr-O5-NaO

86.70

88.00

0.8280

1.014

Li

7.0

24.3

33.0

III Cu-Co-Cr-O5-K2O

86.82

89.12

0.0829

1.026

Na

6.0

24.0

28.0

IV Cu-Co-Cr-O5-Rb2O 73.95

76.50

0.1211

1.034

K

6.5

12.4

38.5

V Cu-Co-Cr-O 5-Cs2O

88.00

0.0850

0.994

Rb

5.0

6.5

18.7

Cs

7.5

13.4

38.2

Alkaline Metal

88.50

Reactor temp. 350°C, XA, O.≅ initial conversion, –r A ≅ reaction rate, G = induction para meter, Co = moles of CO converted to products.

and the pore size distribution, which were measured using an automatic Micromeritics ASAP 2000 spectrometer. NH3 -TPD was determined using a Gas Chromatograph Gow-Mac 550P, fitted with a thermal conductivity detector. The differential thermal analysis (DTA) were made in a Perkin-Elmer 1700 Analyser, with heating rates of 15ºC/min, and continuous He flow of 20 cc/min.

Results and Discussion The series of catalysts were prepared with the purpose of promoting the production of both higher alcohols and hydrocarbons, as suggested by Courty [5]. The addition of alkaline metals was expected to modify the catalyst properties, as shown in table 2. Some of the catalytic properties Product Yields, % mol CO

Catalyst Testing A stainless-steel fixed bed microreactor with 7 mm diameter and 15 cm length was used. The catalyst (i.e. 0.2 g) was preheated at 400°C. Helium gas was used as the carrier gas, with a flow rate of 30 ml/min. The reactor temperature was monitored by two Chromel-Alumel thermocouples which were positioned at the center of the reactor. The flow rate was monitored using a gas digital mass flowmeter. A dynamic on-line sampling procedure was used for analysis of the gas phase, with a Hewlett-Packard 5890 GC, fitted with FID and an integrator (model HP-3392). The separation of products was achieved using a 5 m x 1/8 inch Porapak-Q column. The reaction parameters are summarized as follows: 0.2 g, weight of catalyst; He (30 ml/min), gas carrier and flow; pretreatment temperature, 400°C; reaction temperature, 350°C; H2 /CO ratio = 1 mol/mol total pressure, 40 kg/cm2 ; GHSV = 7377 h –1; stabilization time, 60 minutes.

R-OH Yield, % mol HC Yield % mol CO2 Yield %mol

R-OH HC CO2

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Li

Na K Rb ALKALINE ALKALINEMETALS METALS

Cs

Fig. 1. Alkaline metal effect on the product distribution in Syngas Reactions.

Multi-Metallic Oxides as Catalysts for Light Alcohols and Hydrocarbons from Synthesis Gas

99

Table 5. Selectivity to Higher Hydrocarbons and Alcohols.* Catalyst

C1

Hydrocarbons C2= C2

C3=

C3

Alcohols C1 C2

iC3

nC3

nC4

I CuCoCr-Li

4.27

0.27

0.89

1.30

1.62

4.56

1.58

0.97

0.19

0.21

II CuCoCr-Na

11.8

0.17

1.77

1.85

2.16

5.06

1.14

0.33

0.08

0.00

III CuCoCr-K

8.77

13.8

1.49

0.00

0.00

3.95

1.43

0.83

0.67

0.25

IV CuCoCr-Rb

7.73

0.05

0.60

0.37

0.00

3.39

2.77

1.15

0.49

0.00

V CuCoCr-Cs

11.8

0.1

1.81

1.84

1.98

3.92

4.44

1.31

1.34

0.15

* Reaction selectivity measurements at 60 min, reactor temperature, 350°C, pressure, 40 kg/cm2, H 2/HC ratio, 1 mol/mol.

are shown in table 3, where the initial activity rate (Xa, 0 ) at 350°C is shown, together with the conversion data after 60 min on stream. The induction parameter was also included in this table, i.e. G=X A h/X a ,0 , as well as the reaction rate (–rA ). The activity data after 60 minutes on stream (350ºC) is reported in table 3. The best results were obtained with Na, K and Cs as observed in table 3. In the typical Syngas conversion reaction both CO2 and hydrocarbons are produced in higher yields with respect to other products, i.e. the oxygenated derivatives. As observed in the Table 3, the higher yields were produced with Cesium as alkaline promoter. Apparently the inclusion of metal alkaline promoter causes a catalyst modification, with in turn provokes small differences in the hydrocarbon and alcohol production (Figure 1 and Table 4 ), as well as the carbon homologation. The selectivity towards methane formation seems favoured by all the catalysts, yielding the best induction effects with catalysts containing Na and Cs. Also, the ethylene formation is increased when potassium promoter is included as catalyst component. Methanol, ethanol and 2-propanol were favoured by the catalysts series studied here. Methanol was produced in higher amounts. It is well known that catalysts containing Cobalt form, which are active spinels that favour the methanol forma-

tion [5], whereas Cu phases act as reducing agents, but they might change the chromate structure and make it easier for alloying the Co with other elements. In the other way, the alkaline ions restrain the alcohol dehydration, thus favouring the formation of higher oxygenated compounds. Thus, the CuCoCr-M (M = alkaline metal) oxides based catalysts, might have similar properties as other systems like Cu-Al-Zn-K [6] and Cu-Ni-K [7]. Nevertheless, the limitation of the experimental conditions used in this work, must be improved with the use of more severe conditions.

References 1. Vannice, M. A. Catal. Rev. Sci. Eng. 1976, 14, 151. 2. Forzatti, P.; Tronconi, E.; Pasquon I. Catal. Rev. Sci. Eng. 1991, 33, 109. 3. Courty, P.; Marcilly, C. Preparation of Catalysts III, (Poncelet, G; Grange, P.; Jacobs, P.J. Editors) Elsevier Science, Amsterdam, The Netherlands, 1983. 4. Courty, P.; Durand, D.; Freund, E.; Sugier F. French Patent 2,253,957, 1982 and US Patent 4,291,126, 1978; 4,346,179, 1979. 5. Courty, P.; Durand, D.; Freund, E.; Sugier, A. J. Mol. Cat. 1982, 17, 241. 6. Courty, P.; Chaumette, P.; Durand, D. Symp. of Monohydric Alcohols, Y. & E. Chem. Div. Am. Chem. Soc., Los Angeles, CA (U.S.A.), September 25-30, 1988. 7. Uchiyama, S.; Kawata, N. Sekiyu Gakkaishi Journal 1990, 33, 11.

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 100-102

Guayanólidas de Stevia laxiflora ‡ Alfredo Ortega,* Patricia Mondragón y Emma Maldonado Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México, D. F. México. Contribución dedicada a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. De las partes aéreas de Stevia laxiflora se aislaron dos flavonas conocidas y tres nuevas guayanólidas cuyas estructuras están muy relacionadas con la de eupahakonenina B, también presente en esta planta.

Abstract. From the aerial parts of Stevia laxiflora two known flavones and three new guaianolides were isolated. Structures of the guaianolides are closely related to that of eupahakonenine B also present in this plant.

Palabras clave: Stevia laxiflora, Compositae, lactonas sesquiterpénicas, guayanólidas, flavonas.

Key words: Stevia laxiflora, Compositae, sesquiterpene lactones, guaianolides, flavones.

Introducción

sentaron el mismo rf en CCF. Su espectro de IR mostró absorciones en 1770, 1730, 1692 y 1645 cm–1 , atribuidas respectivamente a la presencia de γ-lactona-α, β-no saturada, éster α, β-no saturado, aldehido y dobles enlaces. El espectro de RMN 1 H muestra dos conjuntos de señales en una proporción 2:1. En ambos casos, las señales originadas por los protones de la estructura propia de la guayanólida aparecen en su mayoría sobrepuestas, total o parcialmente, y son muy similares a la exhibidas por eupahakonenina B (Tabla 1). Esto es evidencia de que los compuestos 6, 7 y 3 difieren entre sí únicamente en el grupo éster unido a C-8. Así, el componente mayoritario de la mezcla, laxiflórida A (6), mostró señales en δ 6.64 (dc, J = 7, 2 Hz, H-3’), 2.25 (d, J = 2 Hz, H5’) y 10.15 (d, J = 7, Hz, H-4’), que indicaron que el éster sobre C-8 es un tiglato cuyo carbono 4 se encuentra oxidado a aldehido. La presencia de este tipo de éster sólo se ha descrito en una heliangólida aislada de Chromolaena glaberrima [10]. El grupo que esterifica a laxiflórida B (7) deriva del angelato, es el isómero geométrico del descrito para 6 y se caracterizó por las siguientes señales: un doblete de cuarteto en δ 6.11 (J = 7, 2 Hz, H-3’), un doblete en δ 2.03 (J = 2 Hz, H-5’) y un doblete en δ 10.05 (J = 7 Hz, H-4’). Laxiflórida C (8) presentó en su espectro de IR absorciones debidas a la presencia de γ-lactona y éster α, β-no saturados en 1762 y 1721 cm–1 , así como las atribuidas a dobles en 1667 y 1640 cm –1. Se observaron además dos bandas en 1508 y 874 cm–1 , que son características de un furano β-sustituido. Su espectro de RMN 1 H mostró que este compuesto es también una guayanólida, con la misma funcionalización que la presente en 3-7, pero con un grupo éster diferente. Este fue caracterizado como un β-furoiloxi por las señales en δ 7.91 (dd, J = 1.5, 1 Hz, H-5’), 7.34 (t, J = 1.5 Hz, H-4’) y 6.64 (dd, J = 1.5, 1 Hz, H-3’). El mismo éster se encuentra presente en bahifolina, una guayanólida aislada de Bahia oppositifolia [11,

Los ya numerosos estudios químicos que sobre el género Stevia se han realizado muestran una composición química muy variada. Se ha mencionado que la mayoría de las especies contienen derivados del longipineno y que las lactonas sesquiterpénicas, principalmente guayanólidas y germacranólidas, se encuentran con frecuencia en el género, lo mismo que flavonoides y diterpenos, sobre todo del tipo del kaurano [1, 2]. En este trabajo se describe el aislamiento de flavonas y guayanólidas como resultado del estudio químico de Stevia laxiflora D. C.

Resultados y discusión De las partes aéreas de S. laxiflora se obtuvo la mezcla de β-sitosterol y estigmasterol, así como las flavonas pectolinarigenina (1) [3] y 7,4’-dimetilapigenina (2) [4, 5]. El componente mayoritario del extracto fue identificado como eupahakonenina B (3), una guayanólida previamente aislada de S. setifera [6] a la que se asignó una estereoquímica errónea en C-1. Esto se corrigió después, cuando se aisló nuevamente de Eupatorium chinense L. var. hakonense [7] y de Stevia saturaefolia [8] y S. mercedencis [9]. Nosotros comprobamos la identidad de nuestro compuesto con 3 al obtener, por oxidación con reactivo de Jones, el derivado 4 y comparar sus datos con los descritos [9]. Se obtuvo también el acétonido 5, cuyo espectro de RMN 1H (Tabla 1) muestra las señales características de los metilos del cetal como un singulete que integra para seis protones en δ 1.43. Las laxiflóridas A y B (6 y 7) se aislaron como una mezcla que no pudo ser resuelta, ya que ambos compuestos pre‡

Contribución 1697 del Instituto de Química, UNAM.

Guayanolidas de Stevia laxiflora

101

Tabla 1. Datos de RMN 1 H de los compuestos 3 , 5-8 (80 MHz, CDCl3 , TMS como referencia interna). H

3

5

6

7

8

1

3.24 m*

3.16 m*

3.15 m*

3.15 m*

3.16 m*

2

2.40 m

2.45 m

2.48 m

2.48 m

2.48 m

3

5.53*

5.55*

5.50*

5.50*

5.58*

5

2.82 t a

2.81 t a

2.82 t a

2.82 t a

2.83 t a

9

9

9

9

9

4.51 t

4.38 t

4.47 t

4.47 t

4.53 t

9

9

9

9

9

7

3.24 m*

3.16 m*

3.15 m*

3.15 m*

3.16 m*

8

5.66 ddd*

5.55 m*

5.68 m*

5.68 m*

5.70 ddd*

6

5, 5, 3 13

5, 5, 3

6.26 d

6.28 d

6.25 d

6.29 d

6.28 d

3.8

3.8

3.8

3.8

3.8

5.54 d

5.51 d

5.52 d

5.49 d

5.58 d

3

3

3

3

3

14

5.02 s

4.99 s

5.01 s*

5.01 s*

5.02 s

14'

4.88 s

4.86 s

4.85 s*

4.85 s*

4.88 s

15

1.87 s

1.88 s

1.87 s*

1.87 s*

1.89 s

3'

6.84 t

6.74 m

6.64 dq

6.11 dq

6.64 dd

7, 2

7, 2

1.5, 1

10.15 d

10.05 d

7.39 t

7

7

1.5

2.25 d

2.03 d

7.91 dd

2

2

1.5, 1

13'

6 4'

4.42 d

4.2-4.5 m

6 5'

4.34 s

4.2-4.5 m

(*) señales sobrepuestas; (a) señales anchas.

Extracción y aislamiento. El material vegetal seco y molido (1.12 kg) se extrajo con hexano y posteriormente con Me2 CO para obtener, después de eliminar los disolventes, 36.8 y 56.3 g de extractos, respectivamente. Cada uno de los extractos se fraccionó mediante cromatografía en columna (CC) de sílica gel eluida con mezclas de hexano- AcOEt de polaridad creciente. De las frs. eluidas con hexano-AcOEt 19:1 de ambas CC se aislaron 117 mg de la mezcla de β-sitosterol y estigmasterol. Las frs. eluidas con hexano- AcOEt 9:1 y 17:3 de ambas columnas se reunieron y purificaron por CC (sílica gel, hexano-Me2 CO 9:1) y cristalización para obtener 28 mg de pectolinarigenina (1) pf 205-208°C (AcOEt-hexano); pf 220222°C (MeOH) (lit [3]: pf 206-208°C (benceno); pf 217°C (MeOH)) y 8 mg de 7,4 ’-dimetilapigenina (2) (pf 174-175°C; lit [4]: pf 168°C; lit [5]: pf 173°C). Las frs. eluidas con hexano- AcOEt 4:1 de la cromatografía del extracto de Me2 CO, se decoloraron con carbón activado y se purificaron por sucesivas CC (sílica gel, hexano- AcOEt 9:1) hasta obtener pura la mezcla de laxiflóridas A (6) y B (7) (21 mg). De las frs. eluidas con hexano- AcOEt 13:7 y 1:1 de la cromatografía del extracto de Me2CO se aislaron, después de sucesivas CC (sílica gel, hexano-Me2 CO 4:1 y hexano- AcOEt 9:1 y 4:1), 15 mg de laxiflórida C (8) y 20 g de eupahakonenina B (3) [6-9]. Las estructuras de los compuestos conocidos se determinaron por análisis de sus datos espectroscópicos y comparación con sus descripciones en la literatura. Laxiflóridas A y B (6 , 7). Aceite incoloro; IR ν máx. (CHCl 3 ) cm –1 : 1760, 1690, 1645, 1445, 1380, 1050, 1015, 950, 915. Laxiflórida C (8). Aceite incoloro; IR νmáx. (CHCl3) cm –1 : 1762, 1721, 1667, 1640, 1575, 1508, 1161, 874.

OMe R'O

O

1 R = OMe; R'= H 2 R = H; R'= Me

R

12] y en varios eudesmanos de Maytenus boaria [13]. Los datos espectróscopicos descritos para estos grupos son muy semejantes a los del éster de 8. Con base en lo anterior se propusieron las estructuras 6, 7 y 8 para las laxiflóridas A, B y C, respectivamente. La gran labilidad de estos nuevos compuestos impidió la obtención de una mayor cantidad de datos que apoyaran las estructuras propuestas, las que sin embargo consideramos correctas dada la similitud de nuestros datos con los de compuestos cuyas estructuras fueron sólidamente establecidas.

OH

O

OH OH

3R = O O

4R=

O O

H

O

OR

O

5R= O

H

H

O

Parte experimental Material vegetal. Las partes aéreas de S. laxiflora D. C. se recolectaron en los alrededores de Cuernavaca, Morelos, en septiembre de 1988. Un ejemplar de la planta se depositó en el Herbario del Instituto de Biología de la UNAM (AOH-209).

6R= O

O O

H

H

7R= O

H

O O

8R= O

102

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Obtención del compuesto 4. A una solución de 3 (100 mg) en Me2 CO (10 ml) se agregó reactivo de Jones, gota a gota, hasta persistencia del color naranja. La solución se mantuvo a 0°C durante toda la adición. El reactivo se eliminó por filtración a través de una columna empacada con bentonita (tonsil) y eluida con hexano- AcOEt 7:3. Se eliminó el disolvente y el residuo se purificó por CC (silica gel, hexanoAcOEt 4:1). Se obtuvieron 68 mg de 4 como un aceite incoloro, cuyos datos espectroscópicos coinciden con los descritos [9]. Obtención del compuesto 5. A una solución de 3 (100 mg) en Me2CO (10 ml) se agregaron 10 mg de ácido p-toluensulfónico (la solución se tornó verde). Se dejó reaccionar por una noche, se neutralizó con NaHCO3 y se filtró. El producto se purificó por CC (silica gel. hexano- Me2CO 19:1). Se obtuvieron 51 mg del compuesto 5. Cristales incoloros; pf 185188°C; IR νmáx. (CHCl3) cm –1 : 1762, 1707, 1659, 1449, 1378, 1251, 1045; EM-IE m/z (rel. int.): 400 [M]+ (1); 385 (0.4); 342 (1); 97 (100), 69 (57), 43 (89), 41 (81).

Alfredo Ortega et al.

Referencias 1. Hernández, L. R.; Catalán, C. A. N.; Cerda-García-Rojas, C. M.; Joseph-Nathan, P. Phytochemistry 1994, 37, 1334-1337. 2. Hernández, L. R.; Catalán, C. A. N.; Joseph-Nathan, P. Rev. Acad. Colomb. Cienc. 1998, 22, 229-279. 3. Farkas, L.; Nogradi, M.; Sudarsanam, V.; Herz, W. J. Org. Chem. 1966, 31, 3228-3232. 4. Bauer, K. H.; Dietrich, H. Chem. Ber. 1933, 66, 1053-1054. 5. Silva, M.; Mundaca, J. M.; Sammes, P. G. Phytochemistry 1971, 10, 1942-1943. 6. Bolhmann, F.; Dutta, N. L.; Dorner, W.; King, R. M.; Robinson, H. Phytochemistry 1979, 18, 673-675. 7. Ito, K.; Sakakibara, Y.; Haruna, M. Phytochemistry 1982, 21, 715-720. 8. Rajbhandari, A.; Roberts, M. F. J. Nat. Prod. 1983, 46, 194. 9. Bolhmann, F.; Zdero, C.; King, R. M.; Robinson, H. Liebigs Ann. Chem. 1979, 799-813. 10. Ahmed, A. A.; Whittemore, A. T.; Mabry, T. J. Phytochemistry 1985, 24, 605-606. 11. Herz, W.; Bhat, S. V.;Crawford, H.;Wagner, H.; Maurer, G.;Farkas, L. Phytochemistry 1972, 11, 371-375. 12. Nelson, P.; Asplund, R. O. Phytochemistry 1983, 22, 2755-2757. 13. Becerra, J.; Gaete, L.; Silva, M.; Bolhmann, F.; Jakupovic, J. Phytochemistry 1987, 26, 3073-3074.

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 103-105

Investigación

Anti-inflammatory Active Compounds from the n-Hexane Extract of Euphorbia hirta Mariano Martínez-Vázquez,1 * Teresa O. Ramírez Apan,1 María Eugenia Lazcano1 and Robert Bye2 1

Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México, D. F. México. E mail: [email protected] 2 Jardín Botánico, Instituto de Biología, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México, D.F. México. Dedicated to the memory of Dr. Lydia Rodríguez-Hahn

Resumen. El extracto hexánico de las partes aéreas de Euphorbia hirta L. (Euphorbiaceae), así como sus principales constituyentes triterpénicos; β-amirina (1), 24-metilencicloartenol (2), y β-sitosterol (3) fueron evaluados como agentes anti-inflamatorios en el modelo del TPA. Tanto el extracto como los triterpenos aislados mostraron actividad anti-inflamatoria significativa y dependiente de la dosis. Con el fin de investigar si los compuestos aislados poseen efectos aditivos en sus propiedades antiflogistas, se realizaron evaluaciones de algunas combinaciones duales y triples de los triterpenos. Los resultados obtenidos mostraron que algunas de estas combinaciones presentaron valores mas altos de inhibición del edema que aquellos correspondientes a cada uno de los triterpenos por separado. Palabras clave. Euphorbia hirta, Euphorbiaceae, triterpenos, β-amirina, 24-metilencicloartenol, β-sitosterol, actividad anti-inflamatoria.

Abstract. The n-hexane extract of the aerial parts of Euphorbia hirta L. (Euphorbiaceae) and its main triterpenes, β-amyrin (1), 24-methylencycloartenol (2), and β-sitosterol (3) were evaluated for antiinflammatory effects in mice. Both the extract and the triterpenes exerted significant and dose-dependent anti-inflammatory activity in the TPA-induced ear model. Some dual and triplet combinations of the triterpenes were tested as anti-inflammatory agents. The results showed that the combinations were higher in magnitude as antiinflammatory agents than those produced by each triterpene alone. Keywords. Euphorbia hirta, Euphorbiaceae, triterpenes, 24-methylencycloartenol, β-amyrin, β-sitosterol, anti-inflammatory activity.

Introduction

Discussion

Euphorbia hirta (Euphorbiaceae) is a pantropic herbaceous wild plant which has been widely used in several countries as antidiarrheic, antidiuretic and expectorant, and also as a remedy for bronchitis, asthma, intestinal ailments of children and for the treatment of various skin diseases [1]. In México, it grows in the Sierra Norte de Puebla region, where is used by the native people under the names of hierba de la golondrina or sabañonxihuit for the treatment of cancer and skin diseases [2]. It has been published the analgesic, antipyretic and antiinflammatory activities of a lyophilized aqueous extract of E. hirta [3]. In this report we describe the anti-inflammatory activity of a n-hexane extract of E. hirta as well as the isolation and identification of the compounds responsible of the anti-inflammatory effect on the 12-O-tetradecanoyl phorbol acetate (TPA)-induced mouse ear edema test [11]. Furthermore, in order to investigate a possible addition of their effects, several combinations of the active principles isolated also were tested.

The three triterpenes: β-amyrin (1), 24-methylencycloartenol (2), and β-sitosterol (3), isolated from E. hirta were examined for their inhibitory effects on TPA-induced inflammation in mice. The inhibitory effects were compared with those of the commercially available anti-inflammatory drug indomethacin (table 1). All of the triterpene alcohols markedly inhibited the TPA-induced inflammation, within a range of 0.1-0.3 mg per ear at the 50% inhibitory dose, being β-amyrin (1) the most potent, since it exhibited the strongest inhibitory effect (0.12 mg per ear). These data are in complete agreement with those published for the anti-inflammatory activities of 1, 2 and 3, tested in other models, such as carageenen- and ethyl phenyl propiolate-induced edema in rats [4-6]. Based on these results, it was shown that the skeleton of the tested compounds has no influence on the anti-inflammatory activity, since the three compounds tested were active. The presence of 1, 2 and 3 in E. hirta leads to the question if their affect could be additive. Obviously, in the n-hexane

104

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Mariano Martínez-Vázquez et al.

Table 1. Inhibitory effects by E. hirta extract, compounds 1-3 and indomethacin. Compound

ED 50 (mg/ear)

Vmax

Km

n-hexane extract

0.70 (r = 0.96)

β-amyrin (1)

0.12 (r = 0.998)

13.64

1.23 × 10–1

24-methylen-cycloartenol (2) 0.26 (r = 0.987)

9.56

8.72 × 10–2

8.33

5.07 × 10–3

β-sitosterol (3)

0.14 (r = 0.989)

indomethacin

0.20 (r = 0.989)

r: correlation coefficient

extract their activities are diminished, since it showed the higher ED 50 value. Probably this behavior could be due to the presence of other components in the extract. Then, in order to answer the formulated question, several dual and triplet combinations of pure triterpenes were tested. The results are shown in table 2. Taking into account that the triterpenes tested exert their anti-inflammatory effects by interacting reversibly with one population of receptors, and that their affect is proportional to the number of receptors occupied, we used the Seegers’s methodology [7] to estimate the activities of the different combinations (V calculated), and compare these values with those experimentally observed (V experimental). The results shown in table 2 clearly indicate that almost all the dual combinations except one were additive, at least on the concentrations used; among the two triplet combinations only one showed an additive profile. On the other hand, all the dual combinations at 0.25 mg per ear, presented higher values than a simple addition of effects of each triterpene. Since inhibitors of TPA-induced inflammation have demonstrated their inhibitory activities against tumor promotion, these triterpenoids, specially 1, and the dual combinations described here are expected to be potent anti-tumor agents [6].

tions of EtOAc gave a mixture of β-amyrin and 24-methylencycloartenol, which was separated by fractional crystallization from acetone and methanol, affording 232 mg of β-amyrin and 59 mg of 24-methylen cycloartenol. From the subsequent fractions 525 mg of β-sitosterol were obtained. The identities of β-amyrin, 24-methylencycloartenol and β-sitosterol were confirmed by comparison of their physical and spectroscopic properties (IR, MS,1 H and 13 C-NMR) with the data reported in the literature [8-10]. Anti-inflammatory activity. The 12-O-tetradecanoyl phorbol acetate (TPA) ear was performed as already described [11]. Groups of 6 male CD-1 mice (25-39 g) were anaesthetized with Ketalar® and 10 µl of an ethanolic solution containing the irritant (25 µg of TPA, Sigma) and the appropriate amount of the substances under testing were applied to the inner surface of the right ear of mice (surface: about 1 cm2 ), the left ear remaining untreated. Control animals received only the irritant and vehicle. Four hours later the animals were killed by cervical dislocation and plug (9 mm in diameter) was removed from both the treated and the untreated ear. The difference in weight between the two plugs was taken as a measure of the edematous response [12]. Statistical analysis. All data are represented as mean ± standard error mean (SEM) or as percentages. The analysis of variance (ANOVA) and the Dunnet’s test were used to compare several groups with a control. P values of 0.05 or less were considered significant. ED 50 values were evaluated according to a linear regression model, plotting log dose versus percentage or activity. Assuming that the drugs tested all exert their anti-inflammatory effects by interacting reversibly with one population of receptors, and that their effects is proportional to the number of receptors occupied, the relationships between the effect observed, V, and the dose of the drug given, A, is presented by equation 1 V = V max.A/K+A

Experimental section Materials and Methods. Animals. Groups of six male CD-1 mice weighing 25-30 g were used. The animals were provided by Facultad de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. All animals were maintained in suitable nutritional and environmental conditions through the experiments. Plant material. E. hirta was collected in San Nicolás de los Ranchos Puebla, in September of 1994. A voucher has been deposited at the Herbario Nacional, Universidad Nacional Autónoma de México. (MEXU 1516) Air dried and powdered whole plant was extracted successively with hexane and MeOH at room temperature. The solvents were removed under reduced pressure. Chromatography of the bioactive n-hexane extract (17.4 g) on Si gel (250 g) using n-hexane with increasing propor-

(1).

Table 2. Data of inhibition for the combinations of compounds 1-3. Combination

dose (mg/ear)

2+3

0.025

28.13*

6.61

4.14

0.25

82.93**

8.25

12.20

0.025

26.69*

3.6

3.88

0.25

87.53**

9.39

12.88

0.025

20.05

0.76

2.92

0.25

65.04**

8.56

9.56

0.017

21.14

7.28

3.12

0.17

56.64

6.45

8.36

1+2 1+3 1 + 2 +3

* p < 0.05; ** p < 0.01

Inhibition V V (%) (calculated) (experimental)

Anti-inflammatory Active Compounds from the n-Hexane Extract of Euphorbia hirta

105

References

HO

1

HO

2

HO

3

Figura 1.

The parameters which characterize this equation, and which can be estimated from the observations are Vmax, the maximum effect which is theoretically attained when all receptors are occupied by an infinite dose of the drugs, and K, the dissociation constant for the drug-receptor complex. In the present study estimates of Vmax and K were determined by a regression linear transformation of equation 1. In order to obtain response metameters, (V experimental), which increase with increasing doses of the drugs, the difference between the mean response observed in the vehicle-treated mice and the response observed in the drug-treated mice was taken. Under the assumptions stated earlier and under the assumption that the drugs act additively, the activities (V calculated) of dual and triple drug combinations may be predicted by the following equations. Vab = A.V maxa.K b + B.V maxb.Ka/K a.K b + A.Kb + Bk a Vabc = A.Vmaxa.Kb .K c + B.V maxb.K aK c + C.V maxc.K a.K b / K a.Kb .K c + A.K b.Kc + B.Ka .K c + Cka .K b In which for drugs a, b and c respectively: Ka, Kb and Kc = the dissociation constant of the drug-receptor complex. Vmaxa, Vmaxb and V max c = the maximum effect. A, B and C = the dose. V ab and Vabc are the effects of the dual and triple combinations, respectively. The differences between the measured effects of each combination and the expected effects were tested at the 5% level of significance using the estimate of the standard error of the mean response observed. The effect of a combination is classified as additive when the mean response observed does not differ significantly from its expectation.

Acknowledgments This work has been supported by CONACYT Project (25494/N)

1. Yoshida, T.; Chen, L.; Shingu, T.; Okuda, T. Chem. Pharm. Bull. 1988, 36, 2940-2949. 2. Martínez. M. A.; Evangelista, V.; Mendoza, M.; Morales, G.; Toledo, G. Wong Catálogo de Plantas Útiles de la Sierra Norte de Puebla, México. Instituto de Biología UNAM pp 110. 1995. 3. Lanhers, M.C.; Fleurentin, J.; Dorfman, P.; Mortier, F.; Pelt, J. M. Planta Med. 1991, 57, 225-231. 4. Yasukawa, K.; Takido, M.; Takenchi, M. Chem. Pharm. Bull. 1989, 37, 1071-1073. 5. Yasukawa, K.; Takido, M.; Matsumoto, T.; Takeuchi, M.; Nakagawa, S. Oncology 1991, 48, 72-76. 6. Akihisa, T.; Yasukawa, K.; Oinuma, H.; Kasahara, Y.; Yamanouchi, S.; Takido, M.; Kumaki, K.; Tamura, T. Phytochemistry 1996, 43, 1255-1260. 7. Seegers, J. M.; Jager, L. P.; Zandberg, P.; Van Noordwijk, J. Arch. Int. Pharmacology 1981, 251, 237-254. 8. De Pascual, J.; Urones, J. G.; Marcos, Y. S.; Basabe, P.; Sexmero, Ma. J.; Fernández, R. Phytochemistry 1987, 26, 1767-1776. 9. Knight, S. A. Org. Mag. Res. 1974, 6, 603-611. 10. Wright, J. L. C.; Shimizu, S.; Smith, D. G.; Walter, J. A.; Idler, D.; Khalil, W. Can. J. Chem. 1978, 50, 1898-1903. 11. Tubaro, A.; Dri, P.; Delbello, G.; Zilli, C.; Della Loggia R. Agents Actions 1985, 17, 341-349. 12. Della Loggia R.; Tubaro, A.; Sosa, S.; Becker, H.; Saar, St.; Isaac, O. Planta Med. 1994, 60, 516-520.

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 106-109

Investigación

Fotoadiciones de etanol a 6β-angeloiloxifuranoeremofil-10βΗ,9-ona y sus derivados Manuel Jiménez-Estrada*, Ricardo Reyes-Chilpa, Eugenia Cerqueda e Isabel Saad Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México, D.F. Teléfono: (52)56-22-44-30; Fax (52)56-16-22-17; E-mail: [email protected] Dedicado a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. Para identificar los grupos funcionales capaces de ser fotoexcitados, la 6β-angeloiloxi-furanoeremofil-10βH-9-ona (aislada de Senecio praecox) fue sujeta a una fotoadición de etanol, en presencia de benzofenona como sensibilizador. Se concluyó que el grupo carbonilo en C-9 es requerido para la reacción, y que el doble enlace C11 -C12- es el más reactivo. Palabras clave: fotólisis, fotoadición, eremofilona, sensibilizador.

Abstract. In order to identify the functional groups able to be photoexcitated, the 6β-angeloyloxyfuranoeremophil-10βH-9-one (isolated from Senecio praecox) was subjected to ethanol photoaddition in the presence of benzophenone as sensitizer. It was concluded that the C-9 carbonyl group is required for the reaction, and that the C11C12 double bond is the most reactive. Key words: photolysis, photoaddition, eremophilone, sensitizer

Introducción

productos naturales. En esta ocasión se informa de las fotoadiciones de etanol al compuesto 1 y derivados en presencia o ausencia de un fotosensiblizador (benzofenona).

Del tallo de Senecio praecox (Familia Compositae, Tribu Senecioneae) se obtiene principalmente el 6β-angeloiloxifuranoeremofil-10βH-9-ona (1) [1-3]. Este compuesto contiene grupos funcionales que pueden ser excitados electrónicamente debido a la energía lumínica que absorben principalmente de la región ultravioleta del espectro electromagnético, llevándolos a estados excitados de triplete y de singulete. Estos estados de alta energía se pueden alcanzar por reacciones químicas y/o por procesos enzimáticos en las células y organelos, en ausencia de luz [4]. Los metabolitos secundarios alcanzan estos estados excitados in vivo, y probablemente juegan un papel importante en los procesos de la vida de las plantas [5], por lo que resulta interesante conocer el comportamiento fotoquímico de estos metabolitos. El etanol, al ser excitado fotoquímicamente, es capaz de generar radicales libres. Estas especies químicas reactivas causan variados efectos sobre las células, las enzimas y las moléculas de los procesos vitales; por ello resulta interesante conocer su efecto sobre los

O 1

El compuesto 1 se obtuvo de los tallos del extracto metanólico de Senecio praecox [6] mediante procedimientos convencionales. Las condiciones de las fotorreacciones se muestran en la Tabla 1 y se llevaron a cabo en un equipo fotoquímico Rayonet. Se encontró que la doble ligadura del angelato en algunos casos se isomeriza de trans a cis . Se hidrogenó dicha doble ligadura con Pd/C (5%) y se obtuvo 2, que al someterlo a irradiación se observó la formación de mezclas complejas de productos. Sin embargo, cuando 1 se sometió a irradiación en etanol con lámparas de 350 nm en presencia de un fotosensibilizador (benzofenona) se obtuvieron cuatro compuestos, que se caracterizaron como 3, 4, 5 y 6 (Fig. 1). Por otra parte,

O

H 9

Resultados y discusión

O

EtOH 350 nm

H

H

O

O H O

O

O

OR'

Ph Ph 15

1

Figura 1.

OH

OA ng

3

OR

5

6

R OAng OAng H R' H Ac H

R H

4

4a

6a Ac

OR

Fotoadiciones de etanol a 6β-angeloiloxifuranoeremofil-10βΗ,9-ona y sus derivados

107

O

O

O

H

H

H O

EtOH 350 nm

O

OH

O

OH

sens. O

O

O

O

2

7a

7

O

OH

H

H O

O

OA ng

9

8

Figura 2.

cuando 2 se irradió en las mismas condiciones que 1 se formaron 7 y 7a (Fig. 2). El desplazamiento químico de la señal correpondiente a H-10 indica que 6 y 7a son epímeros. Los fotoproductos indican que hay una reacción inicial del etanol, que por efecto del sensibilizador [7] pasa a un estado excitado de triplete y lo tranforma al radical libre (Fig. 3), el cual por adición al doble enlace [8] del anillo furánico, provoca la ruptura homolítica del enlace C-O del angelato. En la Fig. 3 se muestra la formación de los diferentes radicales libres que se generan y que podrían explicar la formación de los productos. Para conocer el efecto que tiene el carbonilo en C-9 sobre el resto de la molécula, 1 se redujo con NaBH 4 y se obtuvo 8 (no se determinó la estereoquímica de los centros quirales formados). Al irradiar 8 en las condiciones indicadas en la tabla 3, solo se forma el compuesto 1. Finalmente, el compuesto 1 se redujo a la cetona 9 con polvo de Zn. 9 se sometió al efecto de la luz ultravioleta durante 8.5 h y se transformó a 6 y 7a. En resumen, la presencia del grupo carbonilo en C-9 favorece la activación electrónica de 1 y permite que el doble enlace C(11)-C(12) [9] del anillo furánico sea capaz de adicionar los radicales libres formados y por una posterior eliminación de átomos de hidrógeno se llega a los fotoproductos. Asimismo, el carbonilo induce una corriente electrónica a través del anillo furánico para activar alílicamente al enlace C(6)-OAng. En el caso del producto 5, la ruptura fue en el enlace O-Ang. La reconversión del alcohol 8 al compuesto original en las condiciones de fotorreacción sugiere que en la naturaleza este sistema electrónico debe participar en procesos oxido-reductivos.

hν 350 nm

O C 6H5

Figura 3.

C6 H5

*

O C 6H5

C6 H5

3

Parte experimental Los puntos de fusión se determinaron en un aparato Fisher-Jones y no están corregidos. Las cromatografías en columna (cc) se efectuaron en alúmina Alcoa F-20 (80-200), silicagel 60 Merck (70-230) y cromataplacas de silicagel F-254 Merck de 2 mm de espesor. Los espectros de UV se determinaron en hexano, metanol y etanol en un espectrofotómetro, UV 160V Shimadzu. Los espectros de IR se hicieron en película y en solución, en un espectrofotómetro IR Nicolet FT-IR 55X. Los espectros de RMN se hicieron en espectrómetros Varian Gemini-200 o Varian VXR-300S. Los desplazamientos químicos estan dados en ppm (δ) referidos al TMS. Los espectros de masas se determinaron en un espectrómetro Hewlett-Packard modelo 5945A, a 70 eV. Las irradiaciones se hicieron en un reactor fotoquímico Rayonet NORPR-100 con lámparas a 253.7, 300 y 350 nm. Las soluciones se burbujearon con argón, la temperatura se mantuvo entre 20° y 25°C con un recirculador de agua. Hidrogenación de 1. Una solución del compuesto 1 (2g) en AcOEt (75 ml) se hidrogenó en presencia de Pd/C (5%) (200 mg) hasta que terminó la absorción de hidrógeno, se filtró el catalizador, se evaporó el disolvente quedando el derivado hidrogenado (2), como un residuo aceitoso, Rf 0.53 (AcOEtC6H 6 , l:9); UV (EtOH) λ max (log ε) 220 (3.51), 283 (3.7) nm; IR (CHCl3) νmax 1730, 1675, 1620, 1540 cm–1 ; RMN 1 H (CDCl3 , 200 MHz) δ 7.38 (m, l H, H-12), 6.24 (s, l H, H-6), 2.74 (d, J = 5 Hz, l H, H-10), 2.39 (m, J = 6Hz, l H, H-17) 2.06 (d, J = l Hz, 3 H, Me-11), l.19 (d, J = 2Hz, 3H, Me-17),

EtOH

OH OH

O C 6H5

C6 H5

108

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Manuel Jiménez-Estrada et al.

Tabla 1. Datos referentes a la fotólisis de 1. Cantidad (mg)

Disolvente Sensibil. λ (nm) t (h) (ml) (mg)

100 100 100 + j (100) 100

a (10) b (10) c (10) e (10)

100 100

f (300) c (10)

100

f (10)

100 100 100

f (10) d (10) b (10)

100 + j (100) 100 + k (10) 100

c (10) g (10) f (10)

i (50) i (50)

254 254 254 254 350 300 300 350 300 350 300 350 300 350 300 300 350

11 11 11 8 7 8 8 12 8 12 8 12 8 12 11 24 11

δH-18

Observ.

6.84 6.85 6.85 6.86 6.87 6.85 -

++ ++ + + ++ + + ++ + + + ++ + ++ + + +

a: AcOEt; b: Me2 CO; c: C6 H 6; d: CHCl 3; e: EtOH; f: C 6H 12; g: CCl 4; h): THF; i: acetofenona; j: anhídrido maleico; k: peróxido de benzoílo; + : sin cambio; ++: isomerización.

1.10 (s, 3 H, Me-5), 0.9 (d, J = 6 Hz, 3 H, Me-4). Fotólisis de 1 en etanol en presencia de benzofenona. A una solución de 1 (500 mg) en etanol (300 ml) se le agregó benzofenona (100 mg). Después de 1.5 h de irradiación con lámparas de 350 nm se evaporó el disolvente, y se obtuvo un residuo aceitoso amarillento (las fotorreacciones se contro laron por cromatografía en capa fina). Los fotoproductos se separaron por cromatografía en columna con alúmina Alcoa F-20 (150 g) y como eluyentes hexano-C 6 H6 -AcOEt, en polaridad creciente. De las fracciones eluidas con hexano-C 6 H 6 25:75 hasta C6 H6 (100%) cristalizó el fotoproducto 3, que se purificó por cromatografía preparativa en capa fina, eluyendo con una mezcla de C6H 6 -AcOEt, 9:1. Se recristalizó de hexa-

no; cristales blancos (5.9% de rend.), pf 189-90°C; UV (EtOH) λmax (log ε) 220 (4.4), 285 (3.4) nm; IR (CHCl3 ) νmax 3590, 1660, 1600 cm–1 ; RMN 1 H (CDCl3 , 200 MHz) δ 7.33 (m, 10 H, Ar-H), 4.0 (s, 2 H, H-1, H-2), 3.55 (d, J = 9Hz, 1 H, H-10), 2.5 (OH), 2.42 y 2.26 (dd, J = 6, J=18 Hz, 2 H, H-6’, H-6), 0.95 (d, J = 1.5Hz, 3H, Me-11), 0.78 (d, J = 9 Hz, 3 H, Me-4) y 0.75 ppm (s, 3 H, Me-5); EMIE m/z (int. rel): 232 M + (73). Anal C 80.18%, H 7.4%, calcd para C 28 H 3 2 O 3 , C 80.73%, H 7.74%. Al eluir con C6 H6 -AcOEt (95:5), se obtuvieron dos productos que se separaron por cromatoplaca eluyendo dos veces con C6 H 6 -AcOEt-hexano (6:3:1). 4 es un aceite amarillo de Rf 0.49 (C 6 H 6 -AcOEt, 7:3); 11% de rendimiento; UV (EtOH) λmax (log ε) 221 (4.0), 292 (3.8) nm; IR (CHCl3 ) νmax 3595, 1710, 1675, 1620, 1555 cm –1 ; RMN 1H (CDCl , 200 MHz) δ 6.23 (s, 1 H, H-6), 5.98 (c, J = 12, J = 3 24 Hz, 1 H), 4.85 (c, J = 12 J = 24 Hz, 1 H, H-base del alcohol, H-21), 2.58 (d, J = 6, 5 Hz, 1 H, H-10), l.95 (d, J = 1.5 Hz, 3 H, Me-11), 1.5 (d, J = 9 Hz, 3 H, Me-21), 1.0 (s, 3 H, Me-5), 0.84 (d, J = 9Hz, 3 H, Me-4). EMIE m/z (int. rel.): 374 M + (40). El producto 5 (6.3%) cristalizó de acetona, cristales Tabla 3. Datos referentes a la fotólisis de 9. Cantidad (mg)

Disolvente (ml)

Sensibil. (mg)

λ (nm)

t (h)

Observ.

50 100 11 30 50 100 100 100 100 50 50 50 100

b (10) b (10) c (10) e (5) e (10) e (10) e (10) e (10) e (10) f (10) f (10) f (10) f (10)

n (5) n (10) n (10) n (5) n (5)

300 350 350 254 254 300 300 350 350 254 300 300 350

10 22 22 5 4 6 6 22 18 8.5 10 10 22

& & & & +++ & & & +++ & +++ +++ &

Las letras tienen el mismo significado de las Tablas 1 y 2. n: benzofenona; &: identificación de 1.

Tabla 2. Datos referentes a la fotólisis de 2. Cantidad (mg)

Disolvente

λ (nm)

t (h)

Observ.

100

f (10)

100

h (10)

100

m (10)

254 350 254 350 350 350

7 6 7 6 7 6

+ +++ + +++ + +++

Las letras tienen el mismo significado de la Tabla 1. m: metanol; +++: formación de va rios productos.

blancos, pf 131-133°C; UV (EtOH) νmax (log ε) 228 (3.4), 290 (3.3) nm; IR (CHCl3 ) λ max 3610, l675, 1620, 1550 cm –1 ; RMN 1H (CDCl , 200MHz) δ 7.32 (m, 1 H, H-12), 4.92 (s, 1 H, H3 6), 2.58 (d, J = 3, 6 Hz, 1 H, H-10), 2.3 (OH), 2.06 (d, J =l .5 H, 3H, Me-11), 1.10 (s, 3 H, Me-5) y 0.83 ppm (d, J = 10 Hz, 3 H, Me-4). EMIE m/z (int. rel.) 248 M + (25). La continuación de la cromatografía principal con C 6 H6 -AcOEt (9:1) hasta C6H 6 -AcOEt (4:1), condujo a la obtención de 6 (91%), aceite, Rf 0.31 (C 6 H 6 -AcOEt, 7:3); UV (EtOH) λ max (log ε) 230 (3.5), 291 (3.8) nm; IR (CHCl3) νmax: 3959, 1665, 1615, 1550 cm–1; RMN 1 H (CCl4 + D 2 O): δ 4.82 (c, J = 6 Hz, 1 H), 3.2 (d,

Fotoadiciones de etanol a 6β-angeloiloxifuranoeremofil-10βΗ,9-ona y sus derivados

J = 6 Hz, 1 H, H-10), 2.52, 2.39 (dd, J = l.7, J = 3.6 Hz, 2H, H-6’, H-6), 1.98 (d, J = l Hz, 3 H, Me-11), 1.5 (d, J = 7 Hz, 3 H, Me), 0.92 (d, J = 6Hz, 3 H, Me-4), 0.74 (s, 3 H, Me-5). Fotólisis del derivado hidrogenado 2. Se llevó a cabo en las condiciones descritas para el compuesto 1 utilizando 2 (500 mg), etanol (300 ml) y benzofenona (100 mg). Los productos se separaron por CC y CPCF, para obtener un aceite, 7: Rf 0.96 (C6H 6 -AcOEt 7:3); IR (CHCl3) λmax 3590, 1730, 1675, 1600, 1545 cm –1 ; RMN 1H (CDCl3 , 200 MHz) δ 6.22 (s, 1 H, H-6), 4.95 (c, J = 12 Hz, H-base OH), 2.79 (d, ancho, H-10), 2.59 (OH), 2.25 (d, J = 1.5 Hz, 3H, Me-11), 1.08 (s, 3H, Me5), 0.93 (d, J = 6 Hz, 3 H, Me-4); 7a (aceite), presentó el mismo Rf que 6; IR (CHCl3 ) λmax 3595, 1660 cm–1; RMN 1 H (CDCl3, 200 MHz) δ 4.86 (c, J = 8Hz, H-base OH), 2.88 (d, J = 6 Hz, 1 H, H-10), 1.54 (d, J = 7 Hz, 3H, Me-base de OH), 1.06 (s, 3 H, Me-5), 0.93 (d, J = 6Hz, 3H, Me-4). Derivado acetilado de 4. El compuesto 4 (38 mg) se disolvió en 1 ml de piridina y se le agregó anhídrido acético (1 ml). La mezcla se calentó en baño maría durante una hora, después de lo cual se extrajo con acetato de etilo. La fase orgánica se lavó con HCl (10%) y con agua hasta neutralidad, se secó con sulfato de sodio anhídro y se evaporó a sequedad, para obtener 4a, como un aceite, Rf 0.50 (C 6 H 6-AcOEt 9:1). IR (CHCl3) λmax 1735, 1675, 1600, 1550 cm –1 ; RMN 1 H (CCl4 , 200 MHz) δ 6.23 (s, 1 H, H-6), 5.95 (c, J = 6Hz, 1 H, H-l8), 2.64 (d, J = 6Hz, 1 H, H-10), 2.01 (d, J = 1.5 Hz, 3 H, Me-11), 2.0 (s, 3 H, Me-21), l.08 (s, 3 H, Me-5), 0.91 (d, J = 6Hz, 3 H, Me-4). Derivado acetilado de 6. El compuesto 6 (30 mg) se acetiló en la forma usual. Al evaporar el disolvente se obtuvo 6a, un aceite café, Rf 0.39 (C 6 H 6 -AcOEt, 9:1); IR (CHCl 3) λ max 1710, 1660, 1555, 1505 cm –1 ; RMN 1H (CDCl3, 200 MHz) δ 5.9 (c, J = 12 Hz, 1 H, H-16), 2.6 (d, J = 6Hz, 1 H, H-10), 2.52, 2.40 (dd, J = 16 J = 3.4 Hz, 2H, H-6´, H-6), 2.0 (s, 3 H, Me), 1.98 (d, J = 1 Hz, 3H, Me-11), 1.58 (d, J = 9Hz, 3 H, Me-16), 0.9 (d, J = 9 Hz, 3 H, Me-4), 0.77 ppm (s, 3 H, Me5). Obtención del 6β-Angeloiloxi-9-hidroxi-10βH-furanoeremofilano 8. El compuesto 1 (2 g) se disolvió en metanol (75 ml), se le agregó en frío una solución de NaBH 4 (2 g) en metanol (25 ml) la mezcla se agitó 2 h a temperatura ambiente. Se vertió en hielo y se extrajo con cloroformo; la fase orgánica se lavó con ácido clorhídrico (10%) y con agua hasta neutralidad, se secó con sulfato de sodio anhídro y se evaporó el disolvente. La purificación se hizo por CC usando alúmina Alcoa F-20 (80 g) y como eluyentes hexano-C 6 H6 en polaridad creciente. En las fracciones eluídas con hexano-C 6 H 6 (2:3), se obtuvo 8. Se recristalizó de acetona-pentano, cristales blancos pf 110-12°C; UV (EtOH) (log ε) λmax 223 (3.7) nm;. IR (CHCl3 ) νmax 3600, 1710, 1645 cm –1 ; RMN 1 H (CDCl3, 200 Mz) δ 7.10 (m, 1 H, H-12), 6.60 (s, 1H, H-6), 6.10 (c, J = 7 Hz, 1 H, H-18), 4.96 (d, J = 7Hz, 1 H, H-9), 2.10 (OH), 1.82 (d, J = 1.5 Hz, 3 H, Me-11), 0.99 (s, Me-5), 0.97 (d, J = 7 Hz, Me-4).

109

Obtención de 9. El compuesto 1 (2 g) se disolvió en piridina (14 ml) y se le adicionó Zn (15 g). Se sometió a agitación vigorosa, calentando (8 h) en el baño de vapor y se dejó a temperatura ambiente (14 h), se filtró y diluyó en agua, se extrajo con cloroformo. La fase orgánica se lavó con ácido clorhídrico (10%) y con agua hasta neutralidad, se secó con sulfato de sodio anhídro y se evaporó el disolvente. Se cristalizó de éter isopropílico, cristales blancos, pf 109-110°C; UV (EtOH) λmax (log ε) 280 (3.5) nm; IR (CHCl3 ) νmax 1660, 1600, 1530 cm–1 ; RMN 1 H (CDCl3, 200 Mz) δ 7.38 (m, 1 H, H-12), 3.0, 2.4 (dd, J = 18, 2 Hz, H-6’, H-6), 2.0 (d, J = 1.5 Hz, 3 H, Me-11), 1.08 (s, 3 H, Me-5), 0.9 (d, J=7Hz, 3H, Me-4); EMIE m/z (int. rel.) 232 M + (34). Fotoadición de 9. Una solución de 9 (430 mg) en etanol (260 ml) y benzofenona (85 mg) se irradió (350 nm) durante 8.5 h. Los fotoproductos se separaron por CC, empleando sílice (20 g) y eluyendo con hexano-C 6 H 6 -AcOEt en polaridad creciente. Al eluir con C6 H6 -AcOEt 95:5, se obtuvo la mezcla de fotoproductos 6 y 7a isómeros. IR (CHCl 3 ) λmax 3580, 1655, 1545 cm–1 ; RMN 1H (CDCl3 , 200 MHz) δ 4.93 (c, J = 10 Hz, 1 H, H-16), 4.10 (c, J = 10 Hz, 1 H, H-16), 3.55 (OH), 2.9, 2,2 (d d, J = 24, 7.0 Hz, 2 H, H-6’,H-6), 2.0 (d, J = 1.5 Hz, 3 H, Me-11), l.55 (d, J = 12 Hz, 3 H, Me-16), l.05 (s, 3 H, Me-5), 0.87 (d, J = 10 Hz, 3 H, Me-4).

Referencias y notas 1. Ortega, A.; Romero, M.; Díaz, E. Rev. Latinamer. Quím. 1975, 6, 136-142. 2. Bohlmann, F.; Zdero, C. Chem. Ber. 1976,109, 819-825. 3. Samek, Z.; Harmatha, J.; Novotny, L.; Sorm, F. Coll. Czech. Chem. Comm. 1969, 34, 2792-2808. 4. Cilento, G. Experientia, 1988, 44, 572-572. 5. Jiménez-Estrada, M.; Medina, F., Navarro, O. A.; Reyes-Chilpa, R.; Macías, G.; Guerrero, R. C. Current Topics in Phytochemistry (Life Sci. Adv) 1995, 14, 7-15 6. Cerqueda García E. Tesis Profesional. QFB, 1981, Fac. de Química, UNAM. México. D.F. 7. Yamashita, T.; Watanabe, M.; Kojima, R.; Shiragami, T.; Shima, K.; Yasuda, M. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 1998, 118, 165-171. 8. Turro N.J., Modern Molecular Photochemistry, Benjamin/Cummings CA, 1978, p 362. 9. Kropp, P.J. Organic Photochemistry, 1979 , Padwa, A. Ed. Marcel Dekker Inc., New York, Vol. 4, Chap. 1, p.1.

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 110-112

Investigación

Reaction of 4(7)-Aminobenzimidazole with Ethyl 2-Alkylmalonates in 1,2,4-Trichlorobenzene Lucía E. Valle-Aguilera,1* Marco M. González-Chávez,1 and Roberto Martínez2* 1

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava 6, Zona Universitaria, San Luis Potosí, S. L. P., México 2 Instituto de Química [1], Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán 04510, México, D. F. e-mail: [email protected] Dedicado a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn. Resumen. La reacción del 4-(7)-aminobencimidazol (2) con malonato de etilo o 2-alilmalonato de etilo, utilizando el 1,2,4-triclorobenceno como disolvente, produce benzodiazepin-4,6-dionas y acetamido bencimidazoles. Sin embargo, la reacción de (2) con el 2-metilmalonato de etilo, o con derivados de 2-propilo o 2-butilo, produce, además de compuestos similares a los anteriores, un tercer compuesto identificado como una dihidroxiquinolina.

Abstract. The reaction of 4-(7)-aminobenzimidazole (2) with ethyl malonate or ethyl 2-allylmalonate, using 1,2,4-trichlorobenzene as the reaction solvent produces benzodiazepin-4,6-diones and acetamidobenzimidazoles. However, reaction of (2) with ethyl 2-methylmalonate as well as the 2-butyl and 2-propyl derivatives, produced unknown dihydroxyquinolines in addition to benzodiazepin-4,6diones and acetamidobenzimidazoles.

Introduction

nificantly different than those obtained without TCB (54% vs 19% and 6% vs 54%, respectively). On the other hand, reaction of ethyl 2-methylmalonate (3b) with (2) produced three compounds: a benzodiazepin-4,6-dione (4 b), an acetamidobenzimidazole (5b) and the hitherto unknown dihydroxy-

Since the discovery that 4,5,6,7-tetrahydro-5-methylimidazo[4,5,1-jk][1,4]benzodiazepin-1-(1H)-one derivatives, dessigned with the acronym TIBO derivatives, display potent anti-HIV (human immunodeficiency virus, the causative agent of AIDS) activity [2], the synthesis of new 1,4-benzodiazepines has been the subject of intense study in many laboratories. Some of the most interesting novel developments include benzodiazepines (1) containing additional substituents in the tricyclic moiety [3]. Recently, as part of our research for new compounds with possible anti-HIV activity, we reported [4] that condensation of 4(7)-aminobenzimidazole (2) with ethyl 2-alkylmalonates (3) produces 4,5,6,7-tetrahydro-5alkylimidazo[1,5,4-ef][1,5]benzodiazepine-4,6-diones (4), structurally similar to (1), and 2-alkyl-4(7)-(2’-ethoxycarbonyl)acetamidobenzimidazoles (5a-e). However, in order to improve the yields of compounds (4a-e ) (see Table 1), the condensation was carried out using 1,2,4-trichlorobenzene (TCB)[5] as solvent (Fig. 1). We wish to report herein the results of this modification.

Results and Discussion Refluxing a mixture of 4-(7)-aminobenzimidazole (2) and ethyl malonate (3a) in 1,2,4-trichlorobenzene gave the benzodiazepinone (4a) and the imidazole amide (5a) in yields sig-

Table 1. Product Distribution (%) of Reaction of 4(7)-aminobenzimidazole (2) with Ethyl 2-alkylmalonates (3). Compound

a

R

H

4

5

6

(*)

(*)

(*)

54

6

0

( 19 )

( 54 )

(0)

b

CH3**

30

23

22

c

C3H7

8

21

53

( 12 )

( 38 )

(0)

14

17

35

( 13 )

( 51 )

(0)

12

41

0

( 20 )

( 33 )

(0)

d

e

C4H9 C3H5

* Yield obtained in previous work [4] ** This substituent was not used in previous work

Reaction of 4(7)-Aminobenzimidazole with Ethyl 2-Alkylmalonates in 1,2,4-Trichlorobenzene

111

Fig. 1. Products of Reaction of 4(7)-aminobenzimidazole (2) with Ethyl 2-alkylmalonates (3).

quinoline (6b) in 30%, 23% and 22% yield, respectively. The formation of the dihydroxyquinoline 6b can be rationalized as a malonamide type synthesis [6] from (5b) as a possible intermediate, since the aforementionated method uses aniline and malonic ester derivatives as starting materials. As an extension of these studies we examined the reactions of ethyl 2-propylmalonate (3c) and ethyl 2-butylmalonate (3d) with (2). The reaction of (2) with (3c) gave (4c), (5c) and (6c) in 8%, 21% and 53% yield, respectively, whereas reaction of (2) with 3d produced (4d), (5d) and (6d) in 14%, 17% and 35% yields. However, reaction of (2) with ethyl 2-allylmalonate (3e), resulted only in the obtention of benzodiazepin-4,6-dione (4e, 12%) and the acetamidobenzimidazole (5e, 41%). All structures were fully supported by their spectroscopic data. It is noteworthy that the 1 H-NMR spectra of compounds (6b) and (6d) showed the characteristic signals for both the enol (6) and dienol (6’) form of these compounds [6] (Fig. 2). In summary, the reaction of 7(4)-aminobenzimidazole (2) with ethyl 2-alkylmalonates, when the alkyl is a methyl, propyl or butyl group, using TCB as the reaction solvent, produces three compounds: benzodiazepin-4, 6-diones, acetamidobenzimidazoles and dihydroxyquinolines. On the other hand, when the 2-alkyl substituent is a hydrogen or an allyl group, the reaction gives benzodiazepin-4,6-diones and acetamidobenzimidazoles as the only products.

Experimental All melting points are uncorrected. The IR spectra were recorded on a Nicolet FT-55X spectrophotometer. 1H-NMR spectra were determined on a Varian FT-200 and Varian FT-300 instrument, obtained with the pulse sequence included as part of the spectrometer’s software; samples were dissolved in hexadeuterio-methyl sulfoxide or deuteriotrifluoroacetic acid solutions tetramethylsilane as the internal standard. Column chromatography was carried out using silica gel 230-400 mesh (Merck

Fig. 2. Enol (6) and dienol (6’) form of dihydroxyquinolines.

112

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Kieselgel 60 F254 ). Thin layer chromatography was carried out using silica gel 60, 0.25 mm (Merck Kieselgel 60 PF 254). All the solvents used were dried over appropriate drying agent. The starting 4-(7)-aminobenzimidazole (2) was prepared following a reported procedure [7]. The ethyl 2-alkylmalonates (3a-e) were purchased from Aldrich. The 4,5,6,7-tetrahydro-5-alkylimidazo[1,5,4-ef][1,5]benzodiazepine-4,6diones,(4a,c,d,e) and 4(7)-(2’-ethoxycarbonyl-2’-alkyl)acetamido benzimidazoles, (5a,c,d,e) have been previously prepared [4] and their structures were confirmed by their physical and spectral data. Reaction of 4-(7)-Aminobenzimidazole 2 with Ethyl malonate 3a. A solution of ethyl malonate (3a, 288 mg, 1.8 mmoles) in TCB (3.0 ml) was added to 200 mg (1.5 mmoles) of 2 dissolved in hot ethanol. The mixture was stirred at 175°C for 3 h and after this time the solvent was removed in vacuo. The resulting oil was separated by flash chromatography (silica gel, chloroform: ethanol, 70:30) to yield 4a (162 mg, 54%; mp 280-282°C; lit. 278-279°C [4]) and 5a (22 mg, 6%; mp 169171°C; lit. 170-171°C [4]) in pure form. Reaction of 4-(7)-Aminobenzimidazole 2 with Ethyl 2methylmalonate 3b. Compound 2 (200 mg, 1.5 mmoles) was allowed to react with 3b (313 mg, 1.8 mmoles) according with the procedure described above to give compounds 4b (97 mg, 30%), 5b (90 mg, 23%) and 6b (78 mg, 22%) in pure form. 4,5,6,7-Tetrahydro-5-methylimidazo[1,5,4-ef][1,5]benzodiazepine-4,6-dione, 4b. Mp 249-251°C; IR (KBr) 3291, 1703, 1638 cm –1 ; 1 H NMR (DMSO-d6 , 200 MHz) δ 10.41 (1H, bs, NH), 8.25 (1H, s, H-2), 7.90 (1H, d, J = 7.8 Hz, H-8), 7.30 (1H, d, J = 7.9 Hz, H-10), 7.15 (1H, dd, J = 7.8, 7.9 Hz, H-9), 4.20 (1H, q, J = 6.9 Hz, H-5), 1.45 (3H, d, J = 6.9 Hz, CH3 -C5). Anal. C, 61.41; H, 4.21, calcd for C11 H9 N 3O 2 , C, 61.39; H, 4.22. 4(7)-(2’-ethoxycarbonyl-2’-methyl)acetamidobenzimidazole, 5b. Mp 292-293°C; IR (KBr) 3283, 1736, 1660 cm –1 ; 1 H NMR (DMSO-d6 , 200 MHz) δ 12.60 (1H, s, NH-3), 10.15 (1H, bs, NH-CO), 8.20 (1H, s, H-2), 7.90 (1H, d, Jo = 7.9 Hz, H-5), 7.27 (1H, d, Jo = 7.8 Hz, H-7), 7.16 (1H, dd, Jo = 7.8, 7.9 Hz, H-6), 4.15 (2H, q, J = 7.2 Hz, OCH2 -CH3), 4.10 (1H, q, J = 7.0 Hz, H-3’), 1.3 (3H, d, J = 6.9 Hz, CH3-C3’), 1.15 (3H, t, J = 7.2 Hz, CH3 -CH2O). Anal. C, 59.89; H, 5.41, calcd for C 13 H 14 N 3O 3 , C, 59.99; H, 5.42. 6,8-Dihydroxy-7-methyl-1H-imidazo[4,5-h]quinoline, 6b. Mp 239-241°C; IR (KBr) 3246, 1708, 1628 cm –1 ; 1 H NMR (DMSO-d 6 , 200 MHz) 6: δ 10.80 (bs, 1H, OH), 8.29 (s, H-2), 7.62 (d, Jo = 8.5 Hz, H-5), 7.29 (d, Jo = 8.5 Hz, H-4), 5.30(bs, NH-CO), 1.44 (s, CH3 -C7); 6’: δ 11.80 (bs, 1H, OH), 8.40 (s, H-2), 7.78 (d, Jo = 8.7 Hz, H-5), 7.34 (d, Jo = 8.7 Hz, H-4), 2.03(3H, s, CH3 -C7). Anal. C, 61.34; H, 4.20, calcd for C11H 19N 3O 2 , C, 61.39; H, 4.22. Reaction of 4-(7)-Aminobenzimidazole 2 with Ethyl 2propylmalonate 3c.

Lucía E. Valle-Aguilera et al.

Compound 2 (200 mg, 1.5 mmoles) was allowed to react with 3c (364 mg, 1.8 mmoles) according with the procedure described above, to produce compounds 4c (28 mg; 8% mp 184-186°C; lit. [4]. 185-186°C), 5c (89 mg; 21%, oil; lit. [4] oil) and 6c in (194 mg, 53%). 6,8-Dihydroxy-7-propyl-1H-imidazo[4,5-h]quinoline, 6c. Mp 309-311°C; IR (KBr) 3246, 1706, 1626 cm –1 ; 1 H NMR (DMSO-d 6 , 200 MHz) 6’: δ 11.90 (1H, bs, OH-C6), 10.02 (1H, bs, OH-C8), 8.36 (1H, s, H-2), 7.75 (1H, d, Jo = 8.5 Hz, H-5), 7.28 (1H, d, Jo = 8.5 Hz, H-4), 2.58 (2H, t, J = 7.5 Hz, CH2 -C7), 1.38 (2H, m, CH 2 -CH3), 0.89 (3H, t, J = 7.8 H z , C H 3 -CH 2 ). Anal. C, 64.24; H, 5.40, calcd for C13 H 13 N3 O 2, C, 64.18; H, 5.38. Reaction of 4-(7)-Aminobenzimidazole 2 with Ethyl 2butylmalonate 3d. Compound 2 (200 mg, 1.5 mmoles) was allowed to react with 3d (385 mg, 1.8 mmoles), according with the procedure described above, to give compounds 4d (53 mg; 14%, mp 327-328°C; lit. [4] >300°C), 5d (72 mg; 17%, oil, lit. [4] oil) and 6d in (135 mg, 35%). 6,8-Dihydroxy-7-butyl-1H-imidazo[4,5-h]quinoline, 6d. Mp 326-328°C; IR (KBr) 3242, 1706, 1624 cm –1 ; 1 H NMR (DMSO-d6 , 200 MHz) 6: δ 10.80 (bs, OH), 8.32 (s, H2), 7.61 (d, Jo = 8.5 Hz, H-5), 7.28 (d, J o = 8.5 Hz, H-4), 5.30 (bs, NH-CO), 3.30 (m, CH2 -C7), 1.50 (m, CH2 -), 1.23 (m, CH2 -CH3 ), 0.76 (t, J = 7.8 Hz, CH3 ); 6’: δ 11.20 (bs, OH), 8.41 (s, H-2), 7.75 (d, Jo = 8.7 Hz, H-5), 7.38 (d, Jo = 8.7 Hz, H-4), 3.30 (m, CH2 -C7), 2.65 (CH2 -), 1.8 (CH2 -CH 3 ), 0.93 (t, J = 7.8 Hz, CH3 ). Anal. C, 65.33; H, 5.85, calcd for C14 H 15 N3 O 2, C, 65.35; H, 5.87. Reaction of 4-(7)-Aminobenzimidazole 2 with Ethyl 2allylmalonate 3e. Compound 2 (200 mg, 1.5 mmoles) was allowed to react with 3e (360 mg, 1.8 mmoles) according with the procedure described above, to produce compounds 4e (42 mg; 12%, mp 248-249°C; lit. [4] 240-241°C) and 5e (176 mg, 41%, oil; lit. [4] oil).

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Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 113-117

Investigación

Síntesis de derivados del 1-N-aminoindol en medios no acuosos a partir de la 1,4-dihidrocinolina obtenida por electrólisis en celda redox de flujo continuo ‡ Bernardo A. Frontana-Uribe 1 * y Claude Moinet2 1

Instituto de Química-UNAM. Circuito Exterior, Ciudad Universitaria Coyoacán, 04510 México D.F. E-mail: [email protected], Fax: (5) 6162203 2 Laboratoire d’Électrochimie et Organométalliques UMR CNRS 6509. Université de Rennes I Campus Beaulieu 35042 Rennes Cedex En memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn, impulsora del área de electrosíntesis orgánica en el Instituto de Química de la UNAM Resumen. En este trabajo se describe la síntesis de derivados del 1N-aminoindol en medios anhidros a partir de la 1,4-dihidrocinolina 4. Esta se obtiene mediante la electrólisis de la 2-(orto-nitrofenil)-etilamina 1a en celda redox de flujo continuo. Los productos de contracción del ciclo de la cinolina en 1-N-aminoindol se obtienen en rendimiento bajo, pero demuestran la posibilidad de llevar a cabo esta reacción en medios totalmente orgánicos, sin la necesidad de la adición de agua en el medio de reacción, como está descrito en trabajos precedentes.

Abstract. This work decribes the synthesis of 1-N-aminoindol derivatives in organic anhydrous media from 1,4-dihydrocinnoline. 1,4dihydrocinnoline 4 is obtained by electrolysis of 2-(orto-nitro phenyl)-ethylamine 1a in a continuous flow redox cell. The cinnoline ring contraction products are obtained in low yield, but they show the possibility to carry out the reaction in organic media without water addition, as it was noted in previous works.

Introducción

procede en medios anhidros orgánicos usando MeOH (HPLC) y AcOLi/AcOH glacial (0.5 M) como electrolito soporte. Este hecho permitió proponer como hipótesis, que la contracción del ciclo de la 1,4-dihidrocinolina 4 se realiza en estas condiciones mediante la especie diaziridínica 7 para formar los Naminoindoles N-substituidos 5’ (Fig. 2) [5]. Estas especies diaziridínicas han sido descritas como intermediarios en la contracción o expansión de ciclos heterocíclicos por métodos fotoquímicos o térmicos [6]. En este trabajo intentamos utilizar la 1,4-dihidrocinolina 4 electrogenerada a partir del compuesto 1a, como sintón de 1-N-aminoindoles N-substituidos 5’ en medios orgánicos, tratando de activar la contracción del ciclo de seis miembros con reactivos electrofílicos.

En un trabajo anterior describimos que la electrólisis de 2(orto-nitrofenil)-etilaminas N-substituidas 1, usando una celda redox de flujo continuo, permite obtener satisfactoriamente los 1-N-aminoindoles N-substituidos 5’[1]. La única excepción a este comportamiento se observó con la 2-(orto-nitrofenil)etilamina 1a, la cual produce en rendimiento moderado la 1,4dihidrocinolina 4 (Fig. 1). Algunos derivados de los 1-N-aminoindoles N-substituidos 5’ han demostrado poseer propiedades biológicas interesantes como antidepresores [2], en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer [3], así como en la síntesis de productos heterocíclicos [4]. La transformación de 1,4-dihidrocinolinas 4 en 1-N-aminoindoles N-substituidos 5’ en medios no acuosos no se encuentra NH R descrita en la literatura, de aquí el interés de explorar diferentes vías de acceso al ciclo NO 2 Electrólisis Redox del 1-N-aminoindol 5 y poder substituir la 1a R = H amina primaria con una función específica requerida. La reacción electroquímica de formación de N-aminoindoles N-substituidos 5’ ‡

Contribución 1698 del Instituto de Química de la UNAM.

Figura 1.

NH R R=H NO 3 2

N

+

N R

OH

+H - H2O

N 5'

NHR

R=H - H 2O

N 4 H

N

Oxidación al aire

9

N

N

114

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

- H 2O N N 3

+ R +H

N 4'

OH

Vía A + H2 O

+ N

O

R Medios acuosos

NH NH R 6

H

Vía B + Medios - H orgánicos H

N 7

Bernardo A. Frontana-Uribe y Claude Moinet

- H2 O

N

R

N 5'

H+

H

NHR

Figura 2.

La 1,4-dihidrocinolina 4 se encuentra en equilibrio químico con los 1-N-aminoindoles 5 cuando se someten a un medio ácido acuoso a reflujo (Fig. 3) [7]. Este equilibrio se da en función de los substituyentes de la 1,4-dihidrocinolina así como de las condiciones experimentales. Esta reacción puede desplazarse en el sentido de la formación del indol 5, si la amina primaria generada se consume para formar un derivado como 5’. Las reacciones normalmente empleadas para desplazar el equilibrio son: la acetilación [2,8] o la formilación [9]. Sin embargo, las condiciones drásticas y en algunos casos la lentitud de la reacción complican la transformación. R R

R

H3 O N 4

N

Reflujo

RX

N 5

H

N 5' H NR

NH2

Figura 3.

El compuesto 1a se electroliza en una celda redox de flujo continuo como está descrito precedentemente [1]. El polarograma trazado después de la electrólisis, en donde la solución circula sólo una vez por los electrodos, muestra la desaparición casi total de 1a y la aparición de la onda polarográfica característica de la 1,4-dihidrocinolina 4 (E½ = –1.35 V Gráfica. 1). Después del tratamiento, separación y purificación de la solución electrolizada, se aislan la 1,4-dihidrocinolina 4 y la cinolina 9 con un rendimiento respectivo de 45% y 30% (Fig. 5). La cinolina se obtiene de la oxidación al aire de la 1,4-dihidrocinolina, ya que ésta primera presenta una señal polarográfica a –0.48 V que no se observa al final de la electrólisis. La reacción de la 1,4-dihidrocinolina 4 con cloruro de acetilo y trietilamina en THF seco a reflujo, conduce a tres productos mayoritarios (Fig. 6). El producto buscado de la contracción del ciclo de la cinolina, el N-acetil-1-N-aminoindol 12, sólo se obtiene con un rendimiento del 15%. La acilación del nitrógeno de la posición 1 del ciclo de la 1,4-dihidrocinolina 4, debe de disminuir la nucleofilia de este átomo impidiendo la contracción del ciclo vía el intermediario diaziridínico 7 (vide supra). Para que el nitrógeno de la posición 1 esté en condiciones de llevar a cabo la contracción del ciclo, es necesario que si éste se acila, la reacción pueda revertirse para dejar libre este átomo. Para ello es necesario que el contra-ión del reactivo acilante esté presente durante todo el proceso de la reacción. En el caso del uso de cloruro de acetilo y trietilamina esto no ocurre ya que el ión cloruro es capturado por la sal de amonio cuaternaria que se forma durante la desprotonación de la 1,4-dihidrocinolina, formando una sal que se deposita en el fondo del matraz de reacción. Como resultado, el nitrógeno acilado de la posición 1 no puede participar en ningún equilibrio y se favorece la doble acilación de la 1,4dihidrocinolina (producto 11).

El método tradicional de preparación de 1-N-aminoidoles N-substituidos 5’ involucra la preparación del 1-N-amino indol 5 mediante la reacción de la hidroxilamina del ácido sulfónico y el indol. La funcionalización de 5, solo permite obtener rendimientos moderados del 1-N-aminoindol N-substituido 5’ [10].

Resultados y discusión La 2-(orto-nitrofenil)-etilamina 1a se sintetiza directamente a partir del orto-nitrofenilacetonitrilo 8, mediante la reducción selectiva de la función nitrilo con el complejo borano-sulfuro de dimetilo (CH3 ) 2S:BH3 , haciendo una variación al método descrito por Brown (Fig. 4) [15].

CH2CN

8

Figura 4.

N O2

CH2CH2 NH2

(CH3 )2S:BH3 1a

NO2

Fig. 5. Control polarográfico efectuado durante la electrólisis de 1a 15 mM en celda redox de flujo continuo en un medio hidroalcohólico (80% MeOH 20% tampón acético-acetato 2.5 M pH = 4.7). Velocidad de variación de potencial 5 mVs –1, tiempo de caida de la gota t = 2 s. a) Señales antes de la electrólisis b) Señales después electrólisis.

Síntesis de derivados del 1-N-aminoindol en medios no acuosos a partir de la 1,4-dihidrocinolina…

N

N

10 7%

COCH3

115

diacilación del N-aminoindol generado (producto 13). Una cantidad estequiométrica de anhídrido acético o bién la modificación de las condiciones de reacción podrían mejorar estos resultados preliminares.

Conclusión N H

N

CH3COCl Trietilamina THF Reflujo 14 h

4

N

N

COCH3

COCH3

11 45%

4

N 12 15% NCOCH3 H

Figura 6.

A fin de modificar las condiciones de reacción, se intentó la experiencia con un reactivo de acilación más suave como el anhídrido acético y sin trietilamina. En este caso el ion acetato es liberado. Este puede desprotonar a la 1,4-dihidrocinolina 4 generando ácido acético que es soluble en el THF, capaz de participar en el equilibrio de acilación-desacilación del nitrógeno de la posición 1 de la 1,4-dihidrocinolina 4. Después de la reacción a temperatura ambiente de la 1,4-dihidrocinolina 4 disuelta en anhídrido acético como disolvente y con una cantidad catalítica de ácido p-toluensulfónico, se aislaron los productos correspondientes a la contracción del ciclo en un 29% y los productos de acilación del producto de partida (Fig. 7). Si bien en estas condiciones la cantidad de N-acetil Naminoindoles aumentó al doble, aún fueron obtenidos en cantidades apreciables los productos de monoacilación y diacilación de la 1,4-dihidrocinolina 4 (productos 10 y 11). El empleo del anhídrido acético como disolvente provoca la

N

N

10 8%

COCH3

N

N

COCH 3

COCH3

11 15%

CH3 COOCOC H3 N

N

T.A. 48 hrs APTScat

H

N

12 20% NC OC H3

4 H

N N H3 COC

Figura 7.

13 9% C OCH 3

La reacción electroquímica redox en celda de flujo continuo de la 2-(orto-nitrofenil)-etilamina 1a es una vía de acceso útil y eficiente a la 1,4-dihidrocinolina 4. Debe ser posible aumentar el rendimiento de la electrosíntesis de la 1,4-dihidrocinolina 4, si se realiza el trabajo de la reacción en una linea de vacío y/o bajo condiciones libres de oxígeno para evitar su oxidación al aire. La reacción de acetilación de la 1,4-dihidrocinolina 4 en medios orgánicos anhidros y a temperatura ambiente permite obtener, aún en rendimientos modestos, el producto de contracción del ciclo de seis miembros, el N-acetil N-aminoindol 12. Este producto se obtiene en condiciones mucho más suaves que las empleadas en medios acuosos ácidos descritos en la literatura [7,8,9]. Si bien el mecanismo de contracción del ciclo en medios totalmente orgánicos no está completamente elucidado, los resultados obtenidos no están en contradicción con la hipótesis de un paso vía un sistema diaziridínico. Los rendimientos deben poderse mejorar seleccionando convenientemente los reactivos, disolventes y las condiciones de dilución.

Parte experimental Reactivos y soluciones. Todos los reactivos provienen de Aldrich Chemical Co. o de Acros Organics Co. Estos fueron empleados sin otra purificación a excepción del THF (este fue destilado de benzofenona-sodio) empleado en la reducción con (CH3 )2 S:BH3 . El metanol puro empleado en las electrosíntesis fue Merck. Las soluciones tampón se prepararon con agua desmineralizada. Cuando fue necesario, los productos obtenidos se purificaron en columna “flash” sobre gel de sílice (Acros 0.030-0.075 mm de diámetro). Las cromatografías en capa fina fueron realizadas con placas de aluminio recubiertas de gel de sílice (Macherey-Nagel Alugram Sil G/UV 254). Equipos de análisis. Los espectros de RMN 1 H (200 MHz) y 13 C (50 MHz) fueron registrados en un equipo Bruker DPI 200 FT. Los desplazamientos químicos (δ) se expresan en partes por millón (ppm) respecto al TMS y las constantes de acoplamiento (J) en Hertz. Los espectros de infrarrojo se adquirieron empleando como soporte KBr con las técnicas de película o pastilla en un espectrofotómetro Nicolet 205 FT-IR. Los espectros de masas de alta resolución se realizaron mediante la técnica de impacto electrónico (70 eV, I = 300 µA, aceleración = 3 KV) con un espectrómetro de alta resolución Varian MAT 311. Los puntos de fusión se determinaron en un equipo Kofler y no están corregidos.

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Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Bernardo A. Frontana-Uribe y Claude Moinet

Reacciones que ocurren en los electrodos porosos

R-NO E1 a) Contra-electrodo b) Membrana catiónica c) Cátodo poroso d) Separador poroso e) Ánodo Poroso E 1,E 2 = Fuentes de poder

E2

Cátodo poroso: NO2

NHOH

+4e- +4H+ -H2 O

a

R

b

Flujo de la solución

c

e

1

2-(orto-nitrofenil)-etilamina 1a. Un matraz bola de 250 ml de tres bocas se conectó a refrigerante con trampa de CaCl2 , una entrada de nitrógeno y un embudo isobárico de adición de 50 ml. El sistema se mantiene bajo corriente de nitrógeno y se agrega, con ayuda de una jeringa, la solución de borano (4 mol por mol de substrato, 10 ml 0.1 mol). La solución de borano se agita magnéticamente enfriando el matraz bola en un baño de hielo. El THF seco (30 ml) y el orto-nitrofenilacetonitrilo 8 (4 g 0.025 mol) se colocan en el embudo isobárico, y se adicionan lentamente a la solución de borano (se observa un ligero burbujeo de H2 ). Después de la adición, se retiran el embudo y el baño de hielo y una vez que la mezcla se encuentra a temperatura ambiente, ésta se calienta a reflujo durante 12 h. (La reacción debe ser cuidadosamente vigilada al principio del calentamiento para evitar un sobrecalentamiento debido a la exotermicidad de la reacción y debe hacerse dentro de la campana ya

NO -2e- -2H+

d

Celda y equipo de electroquímica. La celda electroquímica empleada para la electrosíntesis de la 1,4-dihidrocinolina 4 es una celda tipo redox de flujo continuo y se empleó según la metodología descrita (Fig. 8) [11]. La celda está equipada con dos electrodos de fieltro de grafito Le Carbon Lorraine (5,2 cm de diámetro, 12 cm de espesor) consecutivos y de polaridad opuesta. Dos fuentes de poder (0-30 V, 3 A) permiten imponer la intensidad de corriente necesaria en los dos circuitos eléctricos. La intensidad de corriente necesaria se deduce de la ley de Faraday considerando la cantidad de substrato que atraviesa los electrodos por segundo; para la misma intensidad de corriente (I1 = I 2) en los dos circuitos eléctricos, la intensidad de corriente catódica es el doble de la intensidad anódica. Las electrólisis se controlaron registrando el polarograma de la solución electrolizada. Para los estudios polarográficos se empleó una celda de tres electrodos y un potenciostato EG&G Princeton Applied Reserch modelo 362 acoplado a un graficador XY Kipp & Zonen. Los estudios electroanalíticos se realizaron en el mismo medio de electrólisis, solución hidroalcohólica metanol/tampón acético 2.5 M 4:1. La velocidad de variación del potencial fue de 5 mVs–1 y el tiempo de caida de la gota (τ) de 2 s. Todos los valores de potencial descritos están referidos al electrodo estandar de calomel.

1'

Ánodo Poroso: NHOH

R-NO 2 Figura 8.

R

R

1'

R

2

que hay liberación (CH 3 )2 S). Posteriormente la solución se coloca en un baño de hielo y se adiciona lentamente una solución de HCl 1 N hasta obtener un pH < 1. (Operación a realizar con cuidado, ya que si hay una gran cantidad de borano que no reaccionó, puede ocurrir un fuerte desprendimiento de H2). Se retira el baño de hielo y se adicionan 30 ml de H 2 O, de la mezcla se destila el THF y se mantiene a reflujo durante 2 h. Después de enfriar a temperatura ambiente, la solución es alcalinizada con una solución saturada de NaOH hasta pH > 12. La extracción con acetato de etilo (4 × 30 ml) permite aislar la 2-(orto-nitrofenil)-etilamina 1a, la cual es un aceite amarillo (aceite [12]); 3.6 g 86%. La amina se usa inmediatamente en la siguiente reacción sin mayor purificación (pureza por RMN 1 H > 95%). IR (KBr): 3296, 2938, 2868, 1664, 1609, 1525, 1442, 1351, 786, 743 cm–1. RMN 1H (CDCl3 ); δ J = Hz: 7.82 (dd, 1H, J = 8.2, 1.6; H-3’), 7.48 (ddd, 1H, J = 8.3, 6.6, 1.4; H-5’) 7.35-7.22 (m, 2H; H-4’, H-6’), 2.95 (s, 4H; 2 × CH 2 ), 1.3 (ancho s, 2H, int.-D 2 O; NH2 ). 1,4-dihidrocinolina 4. Usando la técnica de electrólisis redox descrita precedentemente [1], fue electrolizada la 2-(ortonitrofenil)-etilamina 1a (1.65 g 9 mmol) disuelta en una solución hidroalcohólica (600 ml de metanol/tampón acético 2.5 M 4:1). Después del tratamiento y separación de los productos mediante cromatografía “flash” (éter de petróleo/AcOEt 80:20), se aisla la 1,4-dihidrocinolina 4 y esta se recristaliza de una mezcla de éter/éter de petróleo. El producto 4 se obtiene como cristales color crema p.f. 81-82°C (81-82.5°C [13]); 0.56 g 45%. IR (KBr): 3306, 1602, 1468, 1434, 1298, 1252, 1191, 1036, 1014, 825, 790, 749, 706 cm –1. RMN 1 H (CDCl3 ); δ J = Hz: 7.65 (s, 1H, int.-D 2O; N-H), 7.12 (ddd, 1H, J = 8.7, 6.7, 2.4; H-7), 7.05-6.9 (m, 2H; H-6, H-5), 6.76 (t, 1H, J = 2.9; H-3), 6.66 (d, 1H, J = 7.8; H-8), 3.31 (d, 2H, J = 2.9; CH2 ). RMN 13 C (CDCl3 ); δ ppm: 140.0, 136.1, 127.5, 126.9, 122.5, 115.0, 111.8, 27.1; EMAR I.E. (70 eV); m/z (int. rel.): [M]+ 132.0688 (54), [M-1] + 131 (100), 104 (5.52), 77 (22), 66 (4.2), 51 (13.7) 39 (4.7); C 8 H 8N 2 [M]+ calculado a 132.0687. Cinolina 9. De la reacción de obtención de la 1,4-dihidrocinolina 4, después de la separación por cromatografía “flash”

Síntesis de derivados del 1-N-aminoindol en medios no acuosos a partir de la 1,4-dihidrocinolina…

(éter de petróleo/AcOEt 80:20), la cinolina 9 se obtiene como un aceite café (aceite café [14]); 0.35 g 30%. IR (KBr): 3057, 1581, 1492, 1417, 1298, 1392, 1138, 1091, 845, 749, cm –1 ; RMN 1H (CDCl3 ); δ ppm J = Hz: 9.25 (d, 1H, J = 5.9; H-3), 8.44 (dm, 1H, J = 7.6; H-8), 7.8-7.6 (m, 4H; H-7, H-6, H-5, H-4). RMN 13C (CDCl3); δ 150.5, 144.7, 131.0, 130.5, 129.4, 126.4, 125.8, 122.5. EMAR I.E. (70 eV); m/z (int. rel.): [M+1] + 131 (9.23), [M]+ 130.0530 (100), 102 (65.1), 76 (38.8), 75 (11.6), 74 (9.4), 63 (7.4), 51 (12.7), 50 (22.3) 28 (13); C 8 H6 N 2 [M]+ calculado a 130.0531. 1-N-acetil-1,4-dihidrocinolina 10. La 1,4-dihidrocinolina 4 (0.360 g 2.72 mmol) y 10 ml de THF seco se colocan en un matraz bola de 50 ml equipado con un refrigerante y una trampa de CaCl2. A esta solución se adicionan el cloruro de acetilo (0.2 ml 0.214 g 2.27 mmol) y la trietilamina (0.380 ml 0.274 g 2.72 mmol); la solución se agita magnéticamente y se calienta a reflujo durante 4 h. Una vez a temperatura ambiente, el precipitado de Et3 N+Cl– se separa por filtración y el THF se elimina en el evaporador rotatorio. Finalmente la mezcla de productos se purifica por cromatografía “flash” (éter de petróleo/AcOEt 90:10), aislando el compuesto 10 como un aceite incoloro; 0.025 g 7%; RMN 1 H (CDCl3); δ ppm J = Hz: 8.14 (dd, 1H, J = 8.2, 1.2), 7.3-7.15 (m, 2H), 7.1 (ddd, 1H, J = 7.5, 7.5, 1.4; H-7), 7.01 (dd, 1H, J = 7.5, 0.9; H-5), 3.35 (d, 2H, J = 2.9; CH2 ), 2.45 (s, 3H, COCH 3 ); RMN 13 C (CDCl 3 ); δ ppm: 171.6, 145.6, 134.6, 127.3, 127.29, 126.1, 121.3, 120.5, 28.7, 23.6. 1,2-diacetil-1,2-dihidrocinolina 11. El compuesto 11 formado junto con los productos 10 y 12 es un aceite incoloro; 0.250 g 45%. IR (KBr): 3568, 3366, 3076, 2928, 2850, 1699, 1618, 1566, 1484, 1456, 1372, 1110, 1080, 1032, 902, 777, 709, 586 cm–1; RMN 1H (CDCl3 ); δ ppm J = Hz: 7.4 (d, 1H, J = 7.1; H-3), 7.32-7.1 (m, 4H), 6.17 (d, 1H, J = 6.5; H-4), 2.15 (s, 3H; COCH 3 ), 2.05 (ancho s, 3H; COCH 3 ); RMN 13 C (CDCl 3 ); δ ppm: 173.6, 171.1, 135.5, 129.3, 128.3, 128.0, 127.7, 125.6, 124.5, 112.15, 21.1, 20.2; EMAR I.E. (70 eV); m/z (int. rel.): [M]+ 216.0900 (1), [M+-CH2CO]+ 174 (17), 131 (100), 102 (4), 77 (20), 43 (30); C12H 12N 2 O2 [M]+ calculado a 216.0898. 1-N-indoil-N-acetamida 12 (Dos confórmeros). El compuesto 12 formado junto con los productos 10 y 11 se obtiene en forma de cristales blancos p.f. 139-140°C (141-142°C [10]); 0.070 g 15%. IR (KBr): 3252, 2021, 1673, 1528, 1459, 1370, 1267, 1221, 1003, 743 cm–1; RMN 1 H (CDCl3 ); δ ppm J = Hz: 9.08 (s, int.-D2 O;NH), 8.37 (s, int.-D 2O; NH), 7.67-7.43 (m), 7.35-6.99 (m), 6.94 (d, 1H, J = 3.4; H-2), 6.77 (d, 1H, J = 3.4; H-2), 6.5 (d, 1H, J = 3.5; H-3), 6.39 (d, 1H, J = 3.5; H-3), 1.8 (s, 3H; COCH3 ), 1.69 (s, 3H; COCH3 ); RMN 13 C (CDCl3 ); δ ppm: 170.4, 170.2, 136.04, 135.7, 128.7, 128.1, 126.55, 126.36, 123.5, 122.6, 121.4, 121.2, 121.1, 120.5, 108.7, 108.6, 102.5, 102.2, 20.45, 18.6. N-acetil-1-N-indoil-N-acetamida 13 (Hidrato). En un matraz bola de 50 ml equipado con una trampa de CaCl2 se adiciona la

117

1,4-dihidrocinolina 4 (0.300 g 2.62 mmol) a 5 ml de anhídrido acético recién destilado el cual se usa como disolvente. Se adicionó a la solución una cantidad catalítica de ácido-p-toluensulfónico y la mezcla se deja en agitación magnética a temperatura ambiente durante 48 h. Después de la adicion de H 2 O (15 ml), se alcaliniza la solución con una solución saturada de NaOH hasta pH > 12 y los productos orgánicos se extraen con CH 2 Cl2 (4 × 20 ml). La fase orgánica se seca con MgSO4 y se concentra en el evaporador rotativo. La mezcla de productos se separa mediante cromatografía “flash” (éter de petróleo/AcOEt 90:10). El compuesto 13 se obtiene en forma de cristales blancos p.f. 99-100°C (98.5-99.5°C[10]); 0.030 g 9%. IR (KBr): 3436, 3126, 3110, 1733, 1364, 1217, 1196, 993, 770 cm–1 ; RMN 1 H (CDCl3 ); δ ppm J = Hz: 7.62 (dd, 1H, J = 7.6,1; H-7), 7.32-7.12 (m, 2H; H-5, H-6), 7.09 (dd, 1H, J = 7.7,1; H-4), 6.98 (d, 1H, J = 3.5; H-2), 6.62 (dd, 1H, J = 3.5,0.8; H-3), 2.3 (s, 6H; COCH3), 1.52 (s, 2H, int.-D2 O; H 2O).

Agradecimientos B. A. Frontana-Uribe agradece a la DGAPA-UNAM por el financiamiento otorgado para realizar sus estudios doctorales en Francia, así como al laboratorio de electroquímica orgánica de la Universidad de Rennes I Francia, por las facilidades otorgadas para llevar a cabo este trabajo.

Referencias 1. Frontana-Uribe, B. A.; Moinet, C. Eur. J. Org. Chem. 1999, 419430. 2. Schatz, F.; Jahn, U.; Wagner-Jauregg, Th.; Zirngibl, L.; Thiele, K. Arzneim. Forsch/Drug Res. 1980, 30, 919. 3. Klein, J. T.; Davis, L.; Olsen, G. E.; Wong, G. S.; Huger, F. P.; Smith, C. P.; Petko, W. W.; Cornfeldt, M.; Wilker, J. C.; Blitzer, R. D.; Landau, E.; Haroutunian, V.; Martin, L. L.; Effland, R. C. J. Med. Chem. 1996, 39, 570-581. 4. Somei, M.; Natsume, M. Tetrahedron Letters 1974, 3605-3608; Somei, M.; Matsubara, M.; Natsume, M. Chem. Pharm. Bull. 1975, 23, 2891-2898; Shen, J-K.; Katayama, H.; Takatsu, N.; Shiro, I. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1 1993, 2087-2097. 5. Frontana-Uribe, B. A. Tesis de Doctorado, Université de Rennes I, Francia 1999. 6. Snieckus, V.; Streith, J. Acc. Chem. Res. 1981, 14, 348-355. 7. Haddlesey, D. I.; Mayor, P. A.; Szinai, S. S. J. Chem. Soc. 1964, 5269-5274. 8. Belford, L. S.; Bruce, J. M. J. Chem. Soc. 1964, 4037-4044. 9. Ames, D. E.; Novitt, B. J. Chem. Soc. C 1970, 1700-1701. 10. Somei, M.; Natsume, M. Tetrahedron Letters 1974, 461-462. 11. Lamoreux, C.; Moinet, C. Bull. Soc. Chim. Fr. 1988 , 59-65; Lamoreux, C.; Moinet, C.; Tallec, A. Electrochim. Acta 1986, 31, 1-12; Moinet, C. J. physique IV 1994, 4, C1-175 - C1-184. 12. Muchowski, J. M. Can J. Chem 1971, 49, 2023-2028. 13. Belford, L. S.; Allen, G.; Bruce, J. M. J. Chem. Soc. 1963, 28672870. 14. Maier, G. Chem. Ber. 1969, 102, 3310. 15. Brown, H. C.; Heim, P. J. Org. Chem. 1973, 38, 912-916.

Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 118-122

Investigación

Expansión 5 → 6 de compuestos heterocíclicos por el método de Stork–De Selms Marta E. Albores y Luis A. Maldonado*[1] División de Estudios de Posgrado, Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Escolar, Ciudad Universitaria. Coyoacán 04510, México D.F. Teléfono: (52)56 22 44 49; Fax: 56 16 22 17; E-mail: [email protected] Dedicado a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. Se describe la construcción de los sistemas anulares de cromona, tiocromona y 4-quinolona por la expansión de acetatos de enol heterocíclicos apropiados, con dibromocarbeno generado por el método de Seyferth. También se informa del uso de este método para la síntesis del acetato de 2-bromo-1-naftilo y del intento de síntesis del anillo de flavona. Palabras clave: expansión de anillos, reacción de Stork–De Selms, síntesis, heterociclos.

Abstract. The construction of the chromone, thiochromone and 4quinolone ring systems by ring expansion of appropriate 5-membered heterocyclic enol acetates, with dibromocarbene generated by Seyferth’s method, is described. The use of the method for the synthesis of 2-bromo-1-naphthyl acetate and an attempted synthesis of the flavone ring are also reported. Key words: ring expansion, Stork–De Selms reaction, synthesis, heterocycles.

Introducción

A pesar de lo interesante de esta transformación, el método de Stork–De Selms prácticamente no se ha utilizado en síntesis orgánica, por lo que nos pareció de interés investigar el comportamiento de nuevos sustratos en esta reacción a fin de evaluar la generalidad del procedimiento y explorar su versatilidad en el campo de la química heterocíclica. Los resultados aquí presentados constituyen una primera fase de nuestros estudios en este campo.

La expansión de cetonas cíclicas por tratamiento de los aductos de sus éteres de enol y dihalocarbenos (2a) con sales de plata para dar las homoenonas α-halogenadas 3 fue descrita simultáneamente en 1962 por Birch y por Parham [2]. En 1966 Stork y De Selms independientemente, sugirieron substituir en la reacción anterior a los éteres de enol 1a por los acetatos de enol 1b ya que estos generalmente se pueden obtener más fácil y regioespecíficamente que los primeros, aumentando así considerablemente el potencial práctico de esta transformación [3] (Fig. 1). Además, en este último caso la saponificación de los aductos 2b genera ciclopropilcarbinoles cuyas bases conjugadas pueden facilitar la reacción de expansión, haciendo más versátil esta reacción. Esto resulta importante si tomamos en cuenta que los aductos biciclo[n.1.0]alcanos intermediarios se expanden espontáneamente solo si n posee valores iguales a 3 o inferiores.

O

Resultados y discusión Los acetatos de enol estudiados en esta investigación fueron los compuestos 5a-5d preparados como se indica en la Figura 2. Aunque el compuesto 5a no es heterocíclico, fue incluído en este estudio por su semejanza estructural con los otros sustratos 5b-5d.

Y

Y

X

O

X

X

(CH2)x

(CH2)x

1a, Y = OR 1b, Y = OAc

Figura 1.

(CH2)x 2a, Y = OR 2b, Y = OAc

(CH2)x

3

Expansión 5 → 6 de compuestos heterocíclicos por el método de Stork–De Selms O

OAc CO2 H R

R Z

Z

5a 5b 5c 5d 5e

4b 4c 4d 4e

Z = CH2 , R = H Z = O, R = H Z = S, R = H Z = NAc, R = H Z = O, R = C 6H5

CO2H

Z = O, R = H Z = S, R = H Z = NH, R = H Z = O, R = C6H5

Figura 2.

El compuesto 5a se obtuvo a partir de 1-indanona [4] por tratamiento con acetato de isopropenilo y catálisis ácida, mientras que los compuestos heterocíclicos conocidos 5b-5d se prepararon por ciclación-descarboxilación-acetilación simultáneas de los ácidos o-carboxifenilheteroacéticos 4b-4d, siguiendo técnicas apropiadas ya conocidas (ver parte experimental). La caracterización de estos compuestos se hizo por los métodos espectroscópicos usuales y así sus espectros de IR muestran las bandas de absorción características de los acetatos de enol en 1770, 1625 y 1200 cm –1 . Sus espectros de RMN 1H presentan, además de las señales correspondientes a los hidrógenos aromáticos (señal múltiple en δ 7.0-7.6), una señal sencilla en δ 2.2-2.3 asignada al CH3 del grupo acetato y una señal en δ 5.60-7.85 para el hidrógeno vinílico. Como era de esperar, el desplazamiento químico de esta señal a menor campo aumenta con la electronegatividad del sustituyente Z, y así el compuesto 5a presenta esta señal como un triplete (J = 4.5 Hz) en δ 5.60, mientras que los compuestos 5c, 5d y 5b la presentan como señales sencillas en δ 7.35, 7.50 y 7.85, respectivamente. Como los esteres de enol son inestables en medios básicos, los métodos convencionales de generar dihalocarbenos que emplean estas condiciones (CHX 3 / NaOH o t-BuOK), no se pueden usar aquí. Por lo tanto, se utilizó el método de Seyferth [5] que emplea como reactivos a los trihalometilfenilmercurios en condiciones neutras y anhidras, y que ha mostrado ser especialmente útil para una gran variedad de sustratos inestables en condiciones alcalinas. Cuando se calentó a la temperatura de reflujo una solución de 5a en benceno con un equivalente de tribromometilfenilmercurio por varias horas, se obtuvo una mezcla compleja de productos de la cual fue posible aislar en bajo rendimiento (~ 15 %) y caracterizar (ver más adelante) al producto esperado de la ciclopropanación y expansión: el acetato de 2-bromo1-naftilo 6. En este experimento también se pudieron aislar OAc 1) C6H5HgCBr3 (C6H6) ∆

5a

Figura 3.

Br

2) Ac 2O

6

119

pequeñas cantidades de materia prima y de 2-bromo-1-naftol (en un rendimiento combinado de ~ 5 %), pero no el aducto intermediario como era de esperar. Aparentemente, parte del producto de expansión es convertido en el fenol correspondiente, el cual resulta inestable durante el proceso de aislamiento. Por lo tanto, el crudo de reacción se acetiló (Ac2O y piridina) antes de la purificación cromatográfica obteniéndose el compuesto 6 en un satisfactorio 73 % de rendimiento (Fig. 3). En este segundo experimento se usó además 1.2 equivalentes de tribromometilfenilmercurio, conservándose esta última relación para los otros sustratos. La caracterización de 6 se hizo por los métodos espectroscópicos usuales y por comparación directa con una muestra auténtica preparada por bromación del 1-naftol en presencia de t-butilamina, seguido de acetilación [6]. Utilizando las condiciones de reacción anteriores para la adición del dibromocarbeno (1.2 equivalentes de tribromometilfenilmercurio), pero omitiendo la reacción de acetilación, los acetatos de enol heterocíclicos 5b-5d produjeron entonces los compuestos heterocíclicos de 6 miembros 7b-7d en rendimientos aceptables de 55-70 % (Fig. 4).

O Br C6H5HgCBr 3

5b, 5c, 5d (C6H6) ∆

7b, Z = O 7c, Z = S 7d, Z = NH

Z

Figura 4.

Es importante hacer notar que para el caso del sustrato 5d, el producto de expansión obtenido 7d perdió el grupo Nacetilo durante el trabajo de la reacción. Los espectros de IR de estos compuestos ya no presentan las bandas de absorción características de los acetatos de enol, apareciendo en su lugar una banda de carbonilo en 1650 cm–1 (para 7b), en 1635 cm–1 (para 7c) o en 1620 cm –1 (para 7d). Estos datos están de acuerdo con los descritos para cromonas, tiocromonas y 4-quinolonas respectivamente [7]. Los espectros de RMN 1H de 7b-7d no resultaron definitivos para asignar sus estructuras, ya que solo se observan señales complejas entre δ 7.4-8.2 para los hidrógenos aromáticos que se sobreponen a la señal sencilla del hidrógeno vinílico heterocíclico. Por lo tanto, como afortunadamente estos tres compuestos son conocidos [8-10], se decidió preparar cada uno de ellos para compararlos directamente con los productos obtenidos por nosotros, resultando en cada caso ser idénticos. Se ha informado que el benzofurano reacciona con diclorocarbeno para dar en bajo rendimiento el éter 2,2-bis(3-cloro3,4-cromenílico), mientras que el benzotiofeno es inerte al diclorocarbeno aun en presencia de un gran exceso de este [11]. Además de que nuestros experimentos demuestran que la reactividad del doble enlace del sistema heterocíclico se incrementa con la presencia del grupo acetato (lo cual era de

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Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

esperar), creemos que también eliminan la sugerencia hecha de que la probable formación de un aducto entre los electrones libres del azufre del benzotiofeno y el dihalocarbeno sea la causante de su no reactividad en esta reacción. También se encuentra descrito que la reacción de algunos indoles 2,3-disubstituídos con dihalocarbenos produce indoleninas en lugar de (o además de) los productos de expansión del anillo heterocíclico [12]. Por el resultado obtenido con 5d, es probable que esta reacción lateral se pueda evitar utilizando como sustratos los acetatos de enol apropiados. Puesto que el sistema heterocíclico de cromona (7b) se encuentra ampliamente distribuído en productos naturales como las flavonas, las isoflavonas y los rotenoides, se intentó utilizar el método aquí descrito para preparar la 3-bromoflavona 8a (Fig. 5).

O X

8a X = Br 8b X = F

5e O

Figura 5.

Con este fin se preparó el sustrato requerido, el 3-acetoxi2-fenilbenzofurano 5e como indica la Figura 2. Desafortunadamente en las condiciones de reacción que fueron eficientes para los otros sustratos aquí estudiados, el compuesto 5e resultó inerte recuperándose inalterado casi en su totalidad (90 %). Aparentemente la posibilidad de deslocalización de la doble ligadura del acetato de enol en el grupo fenilo, sumado al efecto estérico del mismo, disminuye la reactividad del doble enlace impidiendo la reacción con el dibromocarbeno. En un último intento por contrarrestar los efectos anteriores se trató de preparar la 3-fluoroflavona 8b, para lo cual en la reacción anterior se cambió el dibromocarbeno por el difluorocarbeno, ya que este es más pequeño y reactivo. Se calentó entonces 5e con 10 equivalentes de clorodifluoroacetato de sodio a la temperatura de ebullición de la diglima [13], pero una vez más se recuperó de nuevo el sustrato inalterado (87 %). En conclusión, se puede decir que a pesar de algunas limitaciones debidas al factor estérico y a la necesidad de estudiar más ejemplos, el método aquí presentado puede ser muy conveniente en la síntesis de cromonas, tiocromonas y 4-quinolonas. Asímismo, se debe hacer notar que la 3-bromocromona (7b) puede ser una materia prima adecuada para preparar isoflavonas mediante reacciones tipo Stille [14] o Suzuki [15] y el sistema de 4-quinolona (7d) se encuentra presente en algunos compuestos de interés farmacológico como el ácido nalidíxico y los antibióticos quinolónicos [16].

Marta E. Albores y Luis A. Maldonado

Parte experimental 1-Acetoxi-indeno 5a. Una mezcla de 13.2 g (0.1 mol) de 1indanona [4], 20 g (22 ml, 0.2 mol) de acetato de isopropenilo y 0.1 g de ácido p-toluensulfónico se calentaron a la temperatura de reflujo durante 17 h, mientras se eliminaba la acetona formada por destilación a través de una columna Vigreaux de 12 cm de largo y 1.5 cm de diámetro. Se agregó 10 g más de acetato de isopropenilo (11 ml, 0.1 mol) y se continuó la destilación hasta completar 24 h de calentamiento. Se enfrió la mezcla de reacción, se diluyó con Et2O y se lavó con solución saturada de NaHCO3 . Después del trabajo usual, el aceite de residuo se destiló a presión reducida para dar 12.2 g (70 % de rendimiento) de 5a; peb 150º/1. IR (película) νmax 1775, 1600, 1200 cm–1 ; RMN 1 H (CDCl3 , 60 MHz) δ 7.15 (s, 4H), 5.65 (t, J = 4.5 Hz, 1H), 2.80 (s, 2H), 2.25 (s, 3H). Ácido o-carboxifeniloxiacético 4b. Se preparó oxidando el ácido o-formilfeniloxiacético [17] por cualquiera de los 2 siguientes métodos. a) Con KMnO4 : En un vaso de precipitados de 50 ml se disolvió 1 g (5.5 mmol) del ácido o-formilfeniloxiacético en 10 ml de una solución acuosa de KHCO3 (1.7 g, 17 mmol). Se agitó magnéticamente mientras se agregó gota a gota en aproximadamente 1 h, una solución de KMnO 4 (1 g, 6.3 mmol) en 16 ml de agua. El color del oxidante desaparece rápidamente formándose el precipitado café de MnO2 . Una vez terminada la adición se continuó agitando por 30 min más y se filtró a través de una capa de celita. La torta de MnO 2 se lavó con agua caliente (3 x 3 ml), los filtrados reunidos se enfriaron en un baño de hielo y se aciduló con H2 SO 4 al 20 %. El sólido blanco que precipitó se filtró, se lavó con agua fría y se dejó secar al aire para dar 0.8 g del diácido 4b, pf 184-189º. Este producto crudo se usó para la reacción de ciclación, aunque por cpf (5 ml de CHCl3 -5 gotas de AcOH, 5 eluciones) se determinó que contiene ~ 5 % de materia prima. b) Con Ag 2 O: En un vaso de precipitados de 30 ml se disolvió NaOH (1 g, 25 mmol) en 5 ml de agua. Se agregó gota a gota con agitación magnética una solución de AgNO3 (2 g, 11.7 mmol) en 5 ml de agua y se continuó agitando por 5 min. A la suspensión de Ag2 O así obtenida se le agregó en pequeñas porciones el ácido o-formilfeniloxiacético sólido (1 g, 5.5 mmol) en un tiempo de ~ 10 min y se siguió agitando a temperatura ambiente por 30 min. Se filtró por celita, se lavó la torta de plata con agua caliente (4 × 3 ml), se enfrió en un baño de hielo y se aciduló con solución de H2 SO 4 al 20 %. El sólido blanco que precipitó se filtró, se lavó con agua fría y se dejó secar al aire para dar 1 g (91 % de rendimiento) de 4b, pf 192-193º. El pf informado para este compuesto es de 190º y también 191.5-192º [18]. Ácido o-carboxifeniltioacético 4c. Se preparó de ácido tiosalicílico y ácido cloroacético según el procedimiento informado [19]; pf 217-218º.

Expansión 5 → 6 de compuestos heterocíclicos por el método de Stork–De Selms

Ácido o-carboxifenilaminoacético (N-(o-carboxifenil)glicina) 4d. Se preparó de ácido antranílico y ácido cloroacético según la referencia [20]. El producto crudo se usó como tal en la siguiente reacción, a pesar de contener ~ 5 % de ácido antranílico (detectado por cpf eluyendo con 5 ml de CHCl3 -5 gotas de AcOH, 4 eluciones). El producto puro se puede obtener cristalizando de MeOH, pf 218-220º. Obtención de 5b-5d. Para el caso de 5b-5c se usó el método de Cagniant y Kirsch [21]; para 5d se usó el método de Nenitzescu [20]. Método de Cagniant y Kirsch: El ácido o-carboxifenilheteroacético apropiado (4b-4c, 25 mmol, ~ 5 g) se disolvió en Ac 2O (25 ml) y AcOH (5 ml), se agregó AcONa recién fundido (3-3.5 g, 36.3-42.6 mmol) y la suspensión se calentó a la temperatura de reflujo por 8-10 h. Se dejó enfriar, se evaporaron los volátiles (Ac 2 O-AcOH) con ayuda de la bomba de vacío y un baño de agua caliente, se dejó enfriar y se agregó hielo picado. Después de 2 h, se extrajo con AcOEt, se lavó con solución saturada de NaHCO 3 (¡precaución!, se forma espuma) y se trabajó de la forma usual. El residuo obtenido se purificó como se indica para cada caso. 3-Acetoxibenzofurano 5b. Se purificó por destilación a presión reducida, peb 150º/15 (informado [22]: peb 110º/0.1). Rendimiento: 62 %. IR (película) νmax 1770, 1625, 1220-1250 cm–1 ; RMN 1H (CDCl3 , 90 MHz) δ 7.85 (s, 1H), 7.6-7.0 (m, 4H), 2.2 (s, 3H). 3-Acetoxibenzotiofeno 5c. Se purificó por destilación a presión reducida, peb: 164º/15 (informado [19]: peb 165º/18). Rendimiento: 78 %. IR (película) νmax 1775, 1615, 1200-1230 cm–1 ; RMN 1H (CDCl3 , 60 MHz) δ 7.35 (s, 1H), 7.7-7.1 (m, 4H), 2.2 (s, 3H). 3-Acetoxi-N-acetilindol 5d. Se siguió el método de Nenitzescu sin modificaciones, pero las aguas madres de la cristalización se cromatografiaron en columna de alúmina usando C6 H 6 como eluyente, pf 76-78º (informado [20]: pf 82º). Rendimiento: 75 %. IR (KBr) νmax 1740, 1690, 1395, 1360, 1340, 1320, 1230, 1210 cm–1 ; RMN 1H (CDCl3 , 90 MHz) δ 8.2 (m, 1H), 7.3-7.7 (señal compleja, 4H), 2.5 (s, 3H), 2.3 (s, 3H). Método general para las reacciones de expansión. Bajo atmósfera de nitrógeno, se calentó a la temperatura de reflujo durante 10-12 h, una solución en C6 H6 del acetato de enol (1 eq) y el tribromometilfenilmercurio (1.2 eq). Se dejó enfriar y el sólido café así formado (bromuro de fenilmercurio) se filtró, se lavó con C6 H6 caliente y los filtrados combinados se evaporaron a sequedad en el rotavapor. Los productos crudos se purificaron por cromatografía en columna seguido de cristalización de los disolventes adecuados. Acetato de 2-bromo-1-naftilo 6. Para la reacción de expansión se usaron 3.5 g (20.1 mmol) de 5a, 12.8 g (24.1 mmol) de tribromometilfenilmercurio y 100 ml de C6 H6 . En este caso el

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crudo de la reacción de expansión se acetiló en las condiciones usuales de Ac2O y piridina antes de la purificación cromatográfica. Rendimiento: 3.8 g (73 %), pf 86-87 ºC. IR (KBr) νmax 1775, 1600, 1200 cm –1 ; RMN 1 H (CDCl3 , 60 MHz) δ 7.9-7.3 (m, 6H), 2.4 (s, 3H). 3-Bromocromona 7b. Para la reacción de expansión se usaron 1.12 g (6.4 mmol) de 5b, 4.1 g (7.7 mmol) de tribromometilfenilmercurio y 30 ml de C 6H 6. Rendimiento: 0.99 g (63 %), pf 9294º (informado [8] pf: 93º y 96-97º). IR (KBr) νmax 3050, 1650, 1600, 760 cm –1; RMN 1H (CDCl 3, 90 MHz) δ 8.0-7.2 (m, 5H). 3-Bromotiocromona 7c. Para la reacción de expansión se usaron 1.56 g (8.5 mmol) de 5c, 5.4 g (10.2 mmol) de tribromometilfenilmercurio y 40 ml de C6 H 6. Rendimiento: 1.25 g (64 %), pf 140º (informado [9]: pf 142-143º ). IR (KBr) νmax 3040, 1635, 1590, 740-800 cm–1; RMN 1H (CDCl3, 90 MHz) δ 8.0-7.2 (m, 5H). 3-Bromo-4-quinolona 7d. Para la reacción de expansión se usaron 2.17 g (10 mmol) de 5d, 6.4 g (12 mmol) de tribromometilfenilmercurio y 50 ml de C6 H 6. Rendimiento: 1.23 g (55 %), pf 286-288º (informado [10]: pf 288-289º). IR (KBr) νmax 3450, 3030, 1620, 1595, 750 cm–1 ; RMN 1 H (CDCl3 -DMSO, 90 MHz) δ 8.8 (señal ancha, NH, intercambia con D2 O), 8.07.2 (m, 5H). Obtención de muestras auténticas. Se prepararon siguiendo las indicaciones de la literatura. Acetato de 2-bromo-1-naftilo 6: Por bromación de 1naftol [6], seguido de acetilación. 3-Bromocromona 7b: Por dibromación de la cromanona seguido de dehidrobromación con piperidina [8]. 3-Bromotiocromona 7c: Por dibromación de la tiocromanona y deshidrobromación térmica [9]. 3-Bromo-4-quinolona 7d: Por bromación de la 4-quinolona [10]. 3-Acetoxi-2-fenilbenzofurano 5e: Se usó un método similar al empleado para preparar 5a pero sin aislar los intermediarios. Una mezcla de ácido 2-clorofenilacético (3 g, 17.5 mmol), salicilaldehído (2 g, 16.3 mmol) y K2CO 3 anhidro (4.8 g, 34.7 mmol) en dioxano seco (100 ml) se calentaron a reflujo durante 8 h. Se dejó enfriar, se diluyó con agua y se extrajo con C6H 6 . La fase orgánica se lavó con solución saturada de NaHCO3 y se aciduló la fase acuosa con H2SO4 al 20 %. Se extrajo con Et2 O, se trabajó de la forma usual y el residuo se disolvió en acetona (20 ml) y se oxidó con exceso de reactivo de Jones. Se dejó 2 h a temperatura ambiente, se agregó isopropanol hasta desaparición del color del oxidante, se diluyó con agua y se extrajo con Et2O. Después del trabajo usual, el diácido crudo se calentó durante una noche a la temperatura de reflujo con Ac 2 O (20 ml), AcOH (4 ml) y AcONa recién fundido (4 g, 48.5 mmol). Se dejó enfriar, se evaporó el exceso de Ac 2O con ayuda de la bomba de vacío y un baño de agua caliente, se diluyó con agua y se extrajo con Et2 O. Después del trabajo usual se obtuvo un material sólido que se cro-

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matografió en columna para dar 2.43 g de 2-fenilbenzofurano y 1.2 g de 5e, pf. 86-87°C. La obtención del 2-fenilbenzofurano se puede justificar por la presencia de ácido 2-(o-formilfeniloxi)-fenilacético en el crudo de reacción durante la reacción de ciclación debido a una oxidación incompleta con el reactivo de Jones. IR (KBr) ν max 1760, 1200 cm –1 ; RMN 1 H (CDCl3, 60 MHz) δ 7.9-7.1 (m, 10H), 2.3 (s, 3H).

Agradecimientos Se agradece a la Q. Alejandrina Acosta por la determinación de los espectros de RMN 1 H y a las Q. Graciela Chávez y Marisela Gutiérrez por los espectros de IR.

Referencias y notas 1. Dirección actual: Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria. Coyoacán, 04510 México D.F., México. 2. Parham, W.E.; Soeder, R.W.; Dodson, R.M. J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, 1755-1756. Parham, W.E.; Soeder, R.W.; Throckmorton, J.R.; Kuncl, K.; Dodson, R.M. ibid. 1965, 87, 321-328. Birch, A.J.; Graves, J.M.H.; Stansfield, T. Proc. Chem. Soc. 1962, 282. Birch, A.J.; Graves, J.M.H.; Siddall, J.B. J. Chem. Soc. 1963, 4234-4237. 3. Stork, G.; Nussim, M.; August, B. Tetrahedron, Supplement 8 (part 1), 1966, 105-112. De Selms, R.C. Tetrahedron Lett. 1966, 1965-1968. De Selms, R.C.; Lin, T.W. Tetrahedron 1967, 23, 1479-1488. 4. Pacaud, R.A.; Allen, C.F.H. Org. Synth., Coll. Vol. II 1954, 336338. 5. Seyferth, D.; Burlitch, J.M.; Minasz, R.J.; Mui, J.Y.-P.; Simmons

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Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 123-126

Investigación

Preparación de N-Metil-3-arilpirrolidinas mediante reacciones de cicloadición dipolares [3+2] Guillermo Negrón,1 * Aydeé Fuentes,2 Moisés Romero,2 Gustavo Madrid,3 Raymundo Cruz3* 1 Area

de Química Aplicada, Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, C.P. 02200, México, D.F., México. 2 Facultad de Química, UAEM. Toluca, Edo. de México, México C.P. 050000, México. 3 Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México D.F., México. En memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. Las reacciones de cicloadición [3+2] entre iluros de azometino generados por acción del LDA sobre el N-óxido de trimetilamina y varios derivados de la α-asarona, permite la obtención de las pirrolidinas correspondientes.

Abstract. The [3+2] cycloaddition reaction between azomethine ylide generated by deprotonation of trimethylamine N-oxide with LDA and various α-asarone derivatives to afford the corresponding pyrrolidines is described.

Introducción

El primer iluro de azometino Y no activado generado por tratamiento del N-óxido de trimetilamina (1) con LDA capaz de reaccionar con olefinas no activadas, formando pirrolidinas (2), fue descrito en la bibliografía por Roussi y colaboradores [10,11] en 1983 (Fig. 1).

Las pirrolidinas son subunidades estructurales que se encuentran formando parte de una gran variedad de substancias naturales y sintéticas con actividad biológica [1]. Se sabe por ejemplo que algunas 3-arilpirrolidinas presentan actividad dopaminérgica [2]. Esta actividad se asemeja a la de la dopamina (metabolito de L-dopa) que al llegar al cerebro se metaboliza enzimáticamente vía la L-dopa descarboxilasa [3]. En general, la levodopa se usa como un vasodilatador, ya que aumenta el ritmo cardíaco al aumentar las contracciones cardíacas y el volumen sistólico, pero también actúa principalmente en los receptores adrenérgicos del sistema nervioso simpático. Por esta razón se emplea en el tratamiento del síndrome de Parkinson [4]. La racloprida es un compuesto pirrolidínico muy conocido por su actividad antagonista del receptor dopamina D2. En la literatura encuentra descrito su uso como una substancia radiofarmacéutica en la técnica de tomografía de emi sión de positrón, conocida por sus siglas en inglés PTE [5, 6,7]. Los derivados de las pirrolidinas son compuestos atractivos de síntesis por sus propiedades biológicas y han sido sintetizados mediante (i) construcción del anillo pirrolidínico y (ii) modificaciones del anillo nitrogenado. Dentro de los métodos de síntesis [8,9] podemos mencionar: fotociclización de Ncloroaminas, aminaciones reductivas de 1,4-dicetonas, ciclizaciones catalizadas por metales y reacciones de cicloadición dipolares-1,3.

Discusión y resultados Continuando con nuestra actual línea de investigación, referente a la preparación de compuestos nitrogenados con actividad biológica potencial, decidimos abordar la síntesis de las N-Metil-3-arilpirrolidinas utilizando como dienófilo al iluro de azometino Y y como dipolarófilo a la α-asarona (3c) y algu-

N

+

O1

LDA/THF -78 oC - 0 oC

+ N - OLI

N+ Y

I

R1

R2

N R1

Figura 1.

R2 2

124

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Guillermo Negrón et al.

nos derivados comerciales análogos de 3c: éter metílico del isoeugenol (3a) y (E)- 3,4-dimetoxi-1-isopropenilbenceno (3b). La α-asarona (3c) es un producto natural aislado de una planta nativa de la península de Yucatán, México llamada Yumel Guatteria gaumeri y que resulta ser interesante desde el punto de vista biológico, por su actividad hipocolesterolemiante [12], no obstante sus efectos secundarios hepatotóxicos. El dipolarófilo 2-(1- trans-propenil)-4,5-dimetoxi-N ,Ndimetilanilina (3d), se preparó mediante nitración directa de (3b), seguida de una reducción y posterior alquilación [13]. Las reacciones de cicloadición se llevaron a cabo entre el Nóxido de trimetilamina (1) recién sublimado, los alquenos (3a)-(3d) y el diisopropilamiduro de litio (LDA), en tetrahidrofurano anhidro a 0°C, observándose la formación de las trans-pirrolidinas correspondientes (4a)-(4d), en rendimientos moderados (Fig. 2), las cuales se evaluarán posteriormente en actividad biológica. N R1 N

+

R1

OLDA/THF

R2

R3

3a R1 = H; R2 = OCH3; R3 = OH 3b R1 = H; R2 = R3 = OCH3 3c R1 = R2 = R3 = OCH3 3d R1 = (CH 3)2N; R2 = R3 = OCH3

R2

R3

4a R1 = H; R2 = OCH3; R3 = OH (45%) 4b R1 = H; R2 = R3 = OCH3 (34%) 4c R1 = R2 = R3 = OCH3 (67%) 4d R1 = (CH 3)2N; R2 = R3 = OCH3 (19%)

Figura 2.

Con el objeto de estudiar el comportamiento de los derivados de la α asarona (3c), pero ahora como dipolos, se prepararon los N-óxidos de 2-(1-trans-propenil)-4,5-dimetoxi-N,Ndimetilanilina (5) y el N-óxido de su compuesto reducido, el N,N-dimetil-(2-propil-4,5-dimetoxifenil)amina (6), los cuales se hicieron reaccionar con difenilacetileno y trans estilbeno respectivamente. En la primera reacción, se aisló como único producto la amina desmetilada 2-(1-trans-propenil)-4,5-dimetoxi-N-metilanilina (7). Este tipo de desmetilaciones se ha observado anteriormente en reacciones de cicloadición de los Nóxidos de azúcares [14]. En la segunda reacción se obtuvo como producto mayoritario al producto de dimerización [15], la piperazina (8) y trazas de la pirrolidina (9) (Fig. 3).

magnética nuclear de hidrógeno (RMN-1 H) se realizaron en un equipo Varian Gemini FT-200A a 200 MHz y Varian Unity a 300 MHz, usando tetrametilsilano (TMS) como referencia interna. El desplazamiento químico (δ) está dado en ppm. El disolvente empleado fue cloroformo deuterado (CDCl3 ) a excepción de los N-óxido y las pirrolidinas obtenidas, las cuales fueron disueltas en metanol deuterado. Los espectros de resonancia magnética nuclear de carbono-13 (RMN 13C) fueron determinados en un equipo Varian Unity 500 (125 MHz), utilizando metanol deuterado, a menos que se indique otro disolvente y usando TMS como referencia interna. Los espectros de masas (EM) de baja resolución fueron realizados en un aparato JEOL JMS-AX505HA por impacto electrónico a 70 eV. 1,4-Dimetil-3-(3-hidroxi-4-metoxifenil)pirrolidina (4a). En un matraz de bola de 100 ml de una boca, provisto de agitación magnética y un tapón de hule, se pesan rápidamente 0.375 g (5 mmol) de N-óxido de trimetilamina (1) e inmediatamente el matraz es purgado con argón. El matraz se coloca en un baño de hielo-sal y por medio de una cánula se adiciona todo el LDA preparado (17.5 mmol en 45 ml de THF) y se deja por unos segundos para después agregar 0.153 ml (1 mmol, 164 mg) de (3a). La mezcla se deja en agitación a 0°C por 1 hr. Al término de este tiempo se agrega a la mezcla un poco de agua destilada y se realizan extracciones con acetato de etilo. La fase orgánica se seca con Na2 SO 4 anhídro y se evapora a sequedad bajo presión reducida a no más de 50°C. El producto crudo de la reacción se purifica por cromatografía en columna de sílica gel, con un sistema eluyente de hexano/acetato de etilo en proporciones de 9:1, 8:2, 6:4 y 5:5. Se obtienen 100 mg de pirrolidina (4a) pura como un líquido aceitoso (45%). IR νmax (película): 3421, 2790, 2842, 2884 cm – 1 . RMN 1 H (MeOH-d 3 ): δ 0.99 (d, 3H, J = 2.1 Hz, CHCH 3), 1.89 (s, 1H, OH), 2.46 (s, 3H, NCH3 ), 2.42-2.51 (m, 1H, CHCHCH3 ), 2.70-2.90 (m, 2H, NCH2 CH-CH3 ), 3.01-3.10 (m, 2H, NCH 2 -CH-Ph) 3.33-3.42 (m, 1H, PhCHCH), 3.82 (s, 3H, CH 3 O), 6.60-6.66 (m, 2H, ArH), 6.85 (s, 1H, ArH). EM: m/z (%): 221 [M +] (75), 57 (100).

O

-

+ N

H

N PhC

CH 3O

CPh

LDA

CH 3O

OCH3

OCH3

5

7 OCH3

O-

Parte experimental

+ N

OCH3 Ph H

Ph

Ph

N

C C Ph

Los puntos de fusión se determinaron en un aparato FisherJohns y no están corregidos. Los espectros de infrarrojo (IR) se determinaron en espectrofotómetros Perkin-Elmer 283-3, Nicolet FT-SX y Nicolet 55-X, en solución de cloroformo, a menos que se indique otra forma. Los espectros de resonancia

CH3O

H N

LDA

N

+

OCH3

6

CH3O CH3O

OCH3 OCH3

Figura 3.

8

9

Preparación de N-Metil-3-arilpirrolidinas mediante reacciones de cicloadición dipolares [3+2]

1,4-Dimetil-3-(3,4-dimetoxifenil)pirrolidina (4b). En un matraz de bola de 100 ml de una boca, provisto de agitación magnética y un tapón de hule, se pesan rápidamente 0.375 g (5 mmol) de N-óxido de trimetilamina (1) e inmediatamente el matraz es purgado con argón. El matraz se coloca en un baño de hielo-sal y por medio de una cánula se adiciona todo el LDA preparado (17.5 mmol en 45 ml de THF) y se deja por unos segundos para después agregar 0.17 ml (1 mmol) de (3b). La mezcla se deja en agitación a 0°C por 1 h. Al término de este tiempo, se agrega a la mezcla un poco de agua destilada y se realizan extracciones con acetato de etilo. La fase orgánica se seca con Na2SO4 anhídro y se evapora a sequedad bajo presión reducida a no más de 50°C. El producto crudo de la reacción se purificó por cromatografía en columna de sílica gel, con un sistema eluyente de hexano/acetato de etilo en proporciones de 9:1, 8:2, 6:4 y 5:5. Cabe señalar que la pirrolidina obtenida es bastante lábil al calor y a la luz, por lo que la columna se forra con papel aluminio. Se obtienen 80 mg de (4b) como cristales blancos puros (34%). No se determinó p.f. por la razón antes mencionada, además este producto es extremadamente higroscópico. Por tal razón, la pirrolidina obtenida se guarda en refrigeración, bajo atmósfera de argón. IR νmax (película): 2774, 2835, 1422 cm–1 . RMN 1 H (MeOH-d 3 ): δ 1.03 (d, 3H, J = 3.2 Hz, CHCH 3), 2.29 (c, 1H, CHCHCH3 ), 2.20-2.35 (m, 1H, CH3 CHCH), 2.41-2.48 (m, 1H, CHCHPh), 2.76-2.89 (m, 2H, NCH 2 CHCH 3 ), 2.96-3.06 (m, 2H, NCH2 CH-Ph), 3.81 (s, 3H, CH3 O), 3.79 (s, 3H, OCH3 ), 6.78 (s, 1H, ArH), 6.80 (s, 1H, ArH), 6.81 (s, 1H, ArH). EM: m/z (%): 235 [M+] (38), 57 (100). 1,4-Dimetil-3-(2,4,5-trimetoxifenil)pirrolidina (4c). En un matraz de bola de 100 ml de una boca, provisto de agitación magnética y un tapón de hule, se pesan rápidamente 0.375 g (5 mmol) de N-óxido de trimetilamina (1) e inmediatamente el matraz es purgado con argón. El matraz se coloca en un baño de hielo-sal y por medio de una cánula se adiciona todo el LDA preparado (17.5 mmol en 45 ml de THF) y se deja por unos segundos para agregar α-asarona 210 mg (1 mmol) de (3c). La mezcla se deja en agitación a 0°C por 1 hr. Al término de este tiempo se agrega a la mezcla un poco de agua destilada y se realizan extracciones con acetato de etilo. La fase orgánica se seca con Na2SO4 anhídro y se evapora a sequedad bajo presión reducida a no más de 50°C. El producto crudo de la reacción se purifica por cromatografía en columna de sílica gel, con un sistema eluyente de hexano/acetato de etilo en proporciones de 9:1, 8:2, 6:4 y 5:5. Se obtienen 180 mg de la pirrolidina pura (4c) (67%). IR νmax (película): 2833, 2781 cm–1. RMN 1 H (MeOH-d 3): δ 0.99 (d, 3H, J = 2.1 Hz, CHCH 3 ), 2.28-2.40 (m, 2H, NCH 2CHCH3 ), 2.36 (s, 3H, NCH3), 2.642.70 (m, 1H, CHCHCH 3), 2.84-2.96 (m, 2H, NCH 2 CH-CH3 ), 3.18-3.29 (m, 1H, CHCH-Ph), 3.76 (s, 3H, OCH3 ), 3.77 (s, 3H, CH 3 O), 3.80 (s, 3H, CH3 O), 6.61 (s, 1H, ArH), 6.88 (s, 1H, ArH). EM: m/z (%): 265 [M + ] (60), 57 (100). 2-(1-trans-Propenil)-4,5-dimetoxi-N,N-dimetilanilina (3d). En un matraz redondo de 100 mL se hace reaccionar una mez-

125

cla de la 2-(1-trans-propenil)-4,5-dimetoxianilina (1.16 g, 6.07 mmol) y paraformaldehído (1.83 g , 61.0 mmol) en ácido acético (37 mL) a 25°C. Bajo atmósfera de nitrógeno, se adicionó en una porción cianoborohidruro de sodio (1.85 g, 29.85 mmol). La mezcla se agita a 25°C por 18 h. Al término de este tiempo, se agrega con cuidado hidróxido de sodio al 25% (en un baño de hielo) hasta un pH = 11 y se hacen extracciones con acetato de etilo (4 × 40 mL). La fase orgánica se seca con sulfato de sodio anhidro y después de filtrarse se evapora a sequedad bajo presión reducida. El residuo obtenido se purifica por cromatografía en columna usando como eluyente una solución de hexano-acetato de etilo (4:1), obteniéndose 0.776 g (59%) del compuesto (3d) como un sólido blanco con un p.f. 23-24°C. IR νmax 2830, 2783, 1941, 1507, 1454, 1101 cm –1 . RMN 1H δ 1.92 (dd, J = 1.73 Hz, J = 6.6 Hz, 3H), 2.69 (s, 6H), 3.88 (s, 6H), 6.05 (cd, J = 6.6 Hz, Jtrans = 15.4 Hz, 1H), 6.64 (s, 1H, H-6), 6.75 (cd, J = 1.8 Hz, Jtrans = 15.4 Hz, 1H), 6.96 (s,1H, H-3). EM: m/z (%) 221 [M +] (93), 206 (100), 192 (30), 178 (18). 1,4-Dimetil-3-[2-(N,N-dimetilamino)-4,5-dimetoxifenil]pirrolidina (4d). En un matraz redondo de 100 mL de una boca, provisto de agitación magnética y tapón de hule, bajo atmósfera inerte, se colocan 0.375 g. (5.0 mmoles) de Nóxido de trimetilamina (1) disuelto en 20 mL de THF, se enfria a 0°C en un baño de hielo-sal y por medio de una cánula se gotea una solución de LDA, previamente preparada (17.5 mmoles en 45 mL de THF anhidro), y se deja reaccionar por 15 seg para adicionar enseguida, mediante una jeringa, 0.221 g de (3d) disueltos en 3 mL de THF anhidro. La mezcla se agita a 0°C por 18 h. Al término de este tiempo, se agrega una solución concentrada de cloruro de amonio (20 mL), se separan las fases y la acuosa se extrae con acetato de etilo (2 × 20 mL). La fase orgánica combinada se seca sobre sulfato de sodio anhidro, se filtra y se evapora a presión reducida. El residuo se purifica por cromatografía en columna de sílica gel, usando un sistema de elución 1:1 de acetato de etilo-metanol, obteniéndose 0.053 g (19%) de (4d) como un aceite café-rojizo. IR ν max 2940, 2838, 2782, 1514, 1456 cm–1 . RMN 1 H δ 0.97 (d, J = 6.3 Hz, 3H), 2.30 (m, 1H, H-4), 2.38 (dd, 3J= 8.4 Hz, 2J = 9.3 Hz, 1H, H-2), 2.40 (s, 3H), 2.58 (s, 6H), 2.64 (dd, 3J = 8.4 Hz y 2 J = 9.6 Hz, 1H, H-5’), 2.94 (dd, 2J = 9.6 Hz y 3 J = 8.7 Hz, 1H, H-5) 2.98 (dd, 2 J = 9.3 Hz y 3 J = 8.7 Hz, 1H, H-2’), 3.67 (c, 3 J = 8.7 Hz, 3 J = 8.4 Hz y 3J = 8.7 Hz, 1H, H-3), 3.79 (s, 3H), 3.80 (s, 3H), 6.81 (s, 1H), 6.93 (s, 1H). RMN 13 C δ: 18.0 (CH 3 -C-4), 42.9 (C H 3 -N), 43.9 (C-4), 46.20 (C-3), 46.69 (N(CH 3) 2), 56.6 (-OCH3), 56.9 (-OCH3 ), 65.2 (C-5), 65.3 (C-2), 106 (C-3’), 112 (C-6’), 132.6 (C-1’), 147.9 (C-5’), 148.2 (C-4’), 149 (C-2’). EM: m/z (%): 278 [M +] (100), 263 (8), 234 (50), 220 (55), 206 (50), 192 (40), 178 (10).

Agradecimientos Los autores agradecen al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Conacyt (Proyecto No 1348-E9206), a la ANUIES

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Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

(Convenio No 60105) por su apoyo financiero, y a los señores F. J. Pérez, L. Velasco y R. Gaviño por su asistencia técnica.

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Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 127-132

Investigación

Lewis Acid Catalyzed Transformations of Z-Ligustilide María Yolanda Rios1 and Guillermo Delgado2 * 1 Centro

de Investigaciones Químicas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Avenida Universidad 1001. Cuernavaca, Morelos, México. 2 Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior, Ciudad Universitaria. Coyoacán, 04510 México, D. F. Teléfono: (52)-56-22-44-46; Fax: (52)-56-16-22-17; E-mail: [email protected] This paper is dedicated to the memory of Dr. Lydia Rodríguez-Hahn

Resumen. Se investigaron algunas reacciones de Z-ligustílida (1), un constituyente bioactivo de la planta medicinal Ligusticum porteri, catalizadas por ácidos de Lewis. Estas reacciones produjeron mezclas variables de Z-butilidenftálida (7), E-butilidenftálida (8), n-butilftálida (13), y ftálidos diméricos lineales novedosos (9-12) como productos principales. La formación de los dímeros procedió en rendimientos bajos y con regio- y situ- selectividad. La O- y C- complejación competitiva inicial del ácido de Lewis con Z-ligustílida promueve la formación de cationes en C(8), C(6) y C(7), los cuales son estabilizados por la adición de la olefina C(6’)-C(7’) de una segunda unidad de la materia prima para generar los cationes en C(6’)-C(7’). Isomerizaciones subsecuentes y la eliminación del catalizador conducen a los productos diméricos 9-12. Los rendimientos y estructuras de los productos son dependientes de las variaciones de las condiciones de reacción y del catalizador empleado. Palabras clave. ftálidas, Z-ligustílida, Ligusticum porteri, ácidos de Lewis, dimerizaciones, catálisis ácida, ftálidos diméricos lineales, reacciones carbocatiónicas.

Introduction

8

n-Pr

n-Pr

4

Phthalides are a relatively small group of acetogenins that have been isolated mainly from umbelliferous plants [1] used in traditional medicine in different parts of the world [2], and the variety of pharmacological properties associated with them [3,4] have stimulated interest for the synthesis of phthalide analogs [5]. Z-ligustilide (1) may be considered as the biogenetic precursor of a series of natural racemic dimeric compounds derived from [π4s + π2s] and [π2s + π2s] cycloadditions, and recent work has led to the synthesis of diligustilide (2) [6,7] and tokynolide B (3) [6] from 1. It is interesting to note that the relatively unexpected chemical reactivity of the dimeric phthalides reflects their particular molecular architecture [7,8]. For instance, base

Abstract. Some Lewis acid mediated reactions of Z-ligustilide (1), a bioactive constituent of the medicinal species Ligusticum porteri, were investigated. These reactions provided varying mixtures of Zbutylidenephthalide (7), E-butylidenephthalide (8), n-butylphthalide (13), and novel linear dimeric phthalides (9-12) as the main products. The formation of the dimers occurred in low yields and with regioand situ- selectivity. Initial competitive O- and C- complexation of the Lewis acid with Z-ligustilide promoted the formation of carbocations at C(8), C(6) and C(7), which were stabilized by the addition of the C(6’)-C(7’) olefin of a second unit of the starting material, to provide cations at C(6’) and C(7’). Subsequent isomerizations and elimination of the catalyst afforded the dimeric products 9-12. The yields and structure of the products are quite dependent on variations of the reaction conditions and the catalyst employed. Key words. phthalides, Z-ligustilide, Ligusticum porteri, Lewis acids, dimerizations, acid catalysis, linear dimeric phthalides, carbocationic reactions.

O

3 O

H

O O

O

1 O

7

n-Pr

O

O

O

n-Pr

O

n-Pr

1

2 n-Pr

n-Pr

O

HO

3 HO O

n-Bu

HO

O

H

O n-Pr

4

Figure 1.

H

COOCH3 O H

5

COOCH3 n-Pr

O

COOCH3 n-Pr

6

128

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

María Yolanda Rios and Guillermo Delgado

Results and Discussion

treatment of 2 afforded the pentacyclic compounds 4-6 via intramolecular condensations and competitive equilibrations [9]. Although some Diels-Alder reactions may be promoted by Lewis acid (LA) catalysis [10], attempts to catalyze the relay synthesis of 2 using 1 as diene and dienophile were unsuccessful, as previously informed [7]. Instead, the Lewis acid catalyzed reaction of 1 afforded complex reaction mixtures, and some polymeric material. Here we report the structures of the reaction products and the proposed mechanisms for their formation.

n-Pr

n-Pr

7

Treatment of 1 with LiClO4 in THF did not transform the starting material at room temperature, even at long reaction periods. When the reaction mixture was refluxed for several hours, Z-butylidenephthalide 7 [11] was obtained as the main product. Similar result was obtained with Et2 AlCl in CH2Cl2, which afforded a mixture of 1, 7 and E-butylidenphthalide (8) [12]. Treatment of 1 with Et2 OBF 3 in CH2 Cl2 gave a mixture of 7 and the dimers 9-12. The major dimer, 9, analyzed for C24 H 26 O4 and exhibited UV absorptions at λmax 271, 256 and 209 nm, indicative of an α,β,γ,δ- unsaturated carbonyl group and a benzenoid ring. The IR absorption at 1771 cm –1 was consistent with the presence of an unsaturated γ-lactone, and the signals at δ C 168.61 and δC 166.64 confirmed the presence of two γ-lactones. Compound 9 showed in its 1 H NMR spectra signals of an ABCD system corresponding for an o-disubstituted benzenoid ring at δ H 7.92-7.50, and the presence of only one triplet at δH 5.21, assigned to H(8’), indicated the C(8)

O

8

O

O

O

Figure 2. n-Pr

H O

6'

1'

7'

+ LA (Lewis acid)

O

6'

H

-H

n-Pr

O O

8 O

O

1

O

n- Pr

O

H O O

LA

O

A

n-Pr

O

LA

B

- H+, + H+

LA

H 10

8

7'

3'

4 3 O O 7

- [2H]

- LA, + H+

n- Pr

O

O O

1'

O

n- Pr

O

O

O

9

O

D

n-Pr

O O LA

C

Figure 3. 6'

n-Pr

LA 7

6

LA

O + LA (Lewis acid)

O

O 6

O

H 6

O

1'

O

n-Pr 7'

LA

O

O O

O n-Pr

1

A

n-Pr

B

n- Pr

- H+

H+

n-Pr 7' 6

O

O

LA - LA, +H +

O

Figure 4.

n-Pr

10

- H+ , + H +

O O

6

O - [2H]

O

n-Pr

n-Pr

LA

O

O O

H+

n-Pr

H O

O

D

n-Pr

C

Lewis Acid Catalyzed Transformations of Z-Ligustilide

129 n-Pr

O O

n-Pr

n-Pr O

O + LA (Lewis acid)

7

O

O

n-Pr

O

n-Pr

O

7' O

7 6 LA

H

1'

1

O LA

LA

A

B - H+ n-Pr

n-Pr O

O O

n-Pr

O

- LA, +H+

O

n-Pr

n-Pr O

H+ - H +, + H+

O

O

n-Pr

H

O H+

O

O

LA

11

O

LA

D

C

Figura 5.

n-Pr

LA

O

6 O

LA

O

+ LA (Lewis acid)

O

O 7'

O

1'

H

n-Pr

A

n-Pr

O

O

O

n-Pr

1

n-Pr LA

O

B - H+

O 6

6'

O

O

LA O

- LA, +H + O

O

O

H+ n-Pr

n-Pr

n-Pr

n-Pr

n-Pr

12

O - H+ , + H+

LA H

O

O

O

H+

O

n-Pr

D

C

Figura 6.

connectivity with the second monomeric unit. The broad singlet at δH 3.99 was assigned for H-7’, due to its low chemical shift, and this established the C(8)-C(7’) connectivity in 9; the amplitude of this signal (W 1/2 = 16 Hz) indicated its pseudo– axial orientation. In the NOESY experiment, the signal of H(4) showed crosspeaks with the signals for H(9) and H(10); hence, the olefin at C(3)-C(8) is Z, and the dimer can be trivially named 4,5-dehydro-6’,7’-dihydro-Z,Z’-8.7’-diligustilide (9) [13]. The structure was confirmed by COSY, HMBC and HMQC experiments. The formation of 9 can be explained by the reaction sequence shown in Fig. 3 [14]. Complexation of the Lewis acid with the carbonyl group of 1 promotes the regiodifferentiated nucleophilic addition of the C(6’)-C(7’) double bond of a second unit of Z-ligustilide (1’) to C(8), to afford a cation at C(6’) (intermediate A in Fig. 3). Isomerizations via a series of proton shifts (A → B → C → D), followed by dehydrogenation, provided 9. Compound 10, C 24H 26O 4 , is isomeric with 9. The UV and IR data also indicated an α,β,γ,δ- unsaturated carbonyl group and a benzenoid ring, and the presence of an ABC system for

an 1,2,4-trisubstituted benzene ring in the 1H NMR spectrum (δ 7.56, H-7; δ 7.55, H-4; δ 7.54, H-5) was indicative for a C(6) substitution of a Z-butylidenephthalide unit. The resonance at δ 3.95 was assigned to H(7’) of a Z-ligustilide fragment; therefore, there was connectivity between C(6) and C(7’). Compound 10 could be formed as is shown in Fig. 4. Complexation of the Lewis acid to the C(6)-C(7) double bond of Z-ligustilide produces a cation at C(6) (intermediate A, Fig. 4). This promotes the addition of the C(6’)-C(7’) olefin of the second monomeric unit, to form a cation at C(6’) (intermediate B). The cation is stabilized by hydrogen elimination (intermediate C), and the isomerization indicated (C → D), followed by aromatization, affords 4,5-dehydro-6’,7’-dihydroZ,Z’-6.7’-diligustilide (10). Compound 11 was isolated as colorless oil. The molecular formula was established as C24H 28O 4 by EIMS and spectroscopic analysis. The prominent carbonyl absorptions at 1773 and 1732 cm–1 indicated the presence of the unsaturated γ-lactones, which were confirmed from the 1 H NMR spectrum, showing diagnostic signals for the Z-ligustilide units.

130

Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

María Yolanda Rios and Guillermo Delgado

The signal for the vinylic proton at δ H 5.42 (H(6)) vicinal to a methylene, indicated a trisubstituted doble bond, and therefore, a substituent at C(7). The broad signal at δH 3.26 was assigned to H(6’), since it was shifted upfield with respect to the allylic methines in 9 (∆δ 0.73) and 10 (∆δ 0.69), establishing the C(7)-C(6’) connectivity. The formation of 11 can be rationalized as arising from complexation of the Lewis acid with the C(6)-C(7) olefin of Z-ligustilide, to form, in this case, a cation at C(7) (intermediate A, Fig. 5). Addition of the C(6’)-C(7’) olefin of another Z-ligustilide unit (1’) affords a cation, now at C(7’) (intermediate B), which is stabilized by the sequence B → C → D as shown in Fig. 5, to form 6’,7’dihydro-7.6’-Z,Z’-diligustilide (11). Compound 12 had a molecular formula C24H 28O 4 , determined by EIMS and spectroscopic analysis, and it is also a dimer of Z-ligustilide. Its 1H NMR spectrum presented signals at δ H 5.85 (s), δH 5.23 (t) and δ H 5.21 (t) for the vinylic hydrogens; the last two signals corresponded to the hydrogens at C(8) and C(8’). The site of connectivity was established by the chemical shift and multiplicity of the signal at δ H 5.85, which was assigned to H(7). This signal is shifted downfield with respect to that of H(6) of 11 (∆δ: 5.42-5.85 = -0.43), due to the deshielding of the carbonyl group, and therefore, there is substitution at C(6) in one Z-ligustilide fragment. The broad signal at δ H 3.30 was assigned to H(6’) of the second unit and corresponded to an allylic methine with two flanking methylene groups, thus establishing the C(6)-C(6’) connectivity for 12. The sequence described in Fig. 6 explains the formation of 12. Cation formation at C(6) (intermediate A, Fig. 6), promoted by the Lewis acid, followed by the addition of the C(6’)C(7’) of a second Z-ligustilide unit affords a C(7’) cation (intermediate B), which is stabilized by loss of a proton (intermediate C). Subsequent equilibrations gives 6’,7’-dihydroZ,Z’-6.6’-diligustilide (12). Treatment of Z-ligustilide (1) with tin tetrachloride in dichloromethane afforded Z-butylidenephthalide (7) as the major product, E-butylidenephthalide (8), n-butylphthalide (13) [12], and the dimers 9 and 10. It is interesting to point out the different complexation sites of the Lewis acids with Z-ligustilide (O- vs. C- complexation, see Fig. 8), to form different cations (C(8), C(6) and C(7)), which are stabilized by the addition of the C(6’)-C(7’) olefin to the cation, following the reaction paths shown in Fig. 8. The structures and yields of the products indicate: (a) the tendency of 1 to form aromatic products, (b) the low reactivity

8

(b) LA

Figura 8.

7

O

LA (a) LA

13

O O

Figure 7.

of 1 toward Lewis acid catalyzed reactions, (c) the slight preference for O-complexation (vs. C- complexation), and (d) the low nucleophilicity and regioselection displayed by the C(6’)C(7’) double bond (to stabilize the cation at 1). As previously noted [15], the course of these reactions is sensibly dependent on the catalysts, polarity of the solvents, and reaction conditions. Although the yields were not optimized, these acid catalyzed reactions could be considered for the preparation of some linear dimeric phthalides. The accumulated results regarding the chemical reactivity of Z-ligustilide (1) [6,7] have demonstrated the practical difficulties to obtain natural (or semisynthetic) dimers efficiently by direct chemosynthesis [16]. Although some products derived from exposure of 1 to sunlight have been identified as previously reported natural dimers [17], the yields and variability of the dimeric phthalides in the natural sources clearly indicate that they are formed by biosynthetic pathways.

Experimental For information on instruments and adsorbents, see reference [7]. Z-Ligustilide (1) was isolated from the organic extracts of the roots of Ligusticum porteri by succesive column chromatographies, as described previously [8]. The samples of 1 used for the reactions contained ca. 5% of 7. All reactions were carried out under an atmosphere of nitrogen. Treatment of Z-ligustilide (1) with LiClO4 . Three solutions of 1 (45.7 mg, 0.24 mmol; 72.7 mg, 0.38 mmol; 65.3 mg, 0.34 mmol) in dry THF (10 mL) were deoxygenated for 15 min (N 2) and stirred with LiClO4 (12.8 mg, 0.12 mmol; 20.4 mg, 0.19 mmol; 18.3 mg, 0.17 mmol, respectively) at three temperatures (0°C, room temperature and reflux, respectively) for 48 h. The mixtures were filtered through Celite, diluted with water and extracted with chloroform. The extracts were

Cation at

Bond formed

(Second) cation at

Product (yield %)

C(8)

C(8)-C(7')

C(6')

9 (20.0)

C(6)-C(7')

C(6')

10 (1.4)

C(6)-C(6')

C(7')

11 (1.2)

C(7)-C(6')

C(7')

12 (16.0)

(a) O-complexation

n-Pr

O

6

n-Bu

at C(7) (b) C-complexation at C(6)

C(6)

C(7)

Lewis Acid Catalyzed Transformations of Z-Ligustilide

washed, dried, evaporated to dryness and chromatographed (PTLC, n-hexane-EtOAc, 20:1), to provide a mixtures of 1 and Z-butylidenephthalide 7 [12]. The best transformation of the starting material was from the reaction under reflux. 1: 64%; 7: 25%. Treatment of Z-ligustilide (1) with Et2AlCl. A solution of Et2 AlCl (Aldrich, in CH 2 Cl2 , 1.0 mL, 2.79 mmol) was added dropwise to Z-ligustilide (1, 1.06 g 5.58 mmol). The mixture was stirred at room temperature for 7 days, but the starting material remained practically unchanged (TLC analysis). An additional amount of Et2 AlCl in CH2 Cl2 (1 mL, 2.79 mmol) was added and the mixture was refluxed for 6 h. The residue was filtered through Celite, diluted with CH 2 Cl2 , washed with brine, dried, and concentrated. Purification of the residue by column chromatography (n-hexane-EtOAc, 20:1) provided 1 (60%), 7 (22%) and 8 [12] (9%). Treatment of Z-ligustilide (1) with BF 3 OEt2. To a stirred solution of 1 (322 mg, 0.21 mmol) in dry CH2 Cl2 (10 mL) under nitrogen, was added dropwise BF3 OEt2 (1.5 mL, 12.9 mmol). The mixture was refluxed for 24 h, and after this time, TLC analysis indicated only a partial trasformation of the starting material. Therefore, the mixture was stirred at room temperature for 7 days. The reaction mixture was directly adsorbed over silica gel (70-230 mesh) and chromatographed in a column packed whith 60 g of the same silica-gel (elution system: n-hexane and n-hexane-EtOAc gradient). PLC of selected fractions allowed to obtain Z-butylidenephthalide (7, 133 mg, 41.7%), 4,5-dehydro-6’,7’-dihydro-Z,Z’-8.7’-diligustilide (9, 66 mg, 20%), 4,5-dehydro-6’,7’-dihydro-Z,Z’6.7’-diligustilide. (10, 4.5 mg, 1.4%), 6’,7’-dihydro-Z,Z’-7.6’diligustilide (11, 4 mg, 1.2%) and 6’,7’-dihydro-Z,Z’-6.6’-diligustilide (12, 51.4 mg, 16%). When the reaction mixture was refluxed for 72 h, the same mixture of products was obtained. 4,5-dehydro-6’,7’-dihydro-Z,Z’-8.7’-diligustilide (9). Colorless oil. UV (MeOH) λmax (ε): 271 (7247), 257 (6022), 210 (13034) nm; IR (film) νmax : 3022, 2961, 2935, 2873, 1771, 1677, 1610, 1473, 1458, 1266, 1090, 1018 y 768 cm–1. 1 H NMR (500 MHz, CDCl , assignments by COSY, HMBC 3 and NOESY): δ 7.92 (1H, dt, J = 8.0, 0.5 Hz, H-7), 7.70 (1H, ddd, J = 8.0, 7.0, 1.0 Hz, H-5), 7.66 (1H, d, J = 8.0, Hz, H-4), 7.50 (1H, ddd, J = 8.0 ,7.0, 1.0 Hz, H-6), 5.21 (1H, t, J = 7.5 Hz, H-8’), 3.99 (1H, br s, W1/2 = 16 Hz, H-7’ pseudo-axial), 2.53 (1H, m, H-9a), 2.51 (2H, m, H-4’), 2.37 (2H, q, J = 7.5 Hz, H-9’), 2.28 (1H, m, H-9b), 2.07 (2H, m, H-5’), 1.76 (2H, m, H-6’), 1.64 (2H, m, H-10), 1.51 (2H, q, J = 7.5 Hz, H-10’), 1.05 (3H, t, J = 7.5 Hz, H-11), 0.97 (3H, t, J = 7.5 Hz, H-11’); 13 C NMR (75 MHz, CDCl , assignments by APT and 3 HMBC): δ 168.61 (s, C-1’), 166.64 (s, C-1), 152.60 (s, C-3’a), 148.77 (s, C-3’), 143.21 (s, C-3), 138.32 (s, C-3a), 134.33 (d, C-5), 128.78 (d, C-6), 127.16 (s, C-7’a), 127.16 (s, C-7a), 127.16 (s, C-8), 125.55 (d, C-7), 122.96 (d, C-4), 111.38 (d, C-8’), 36.19 (d, C-7’), 31.75 (t, C-9), 28.50 (t, C-6’), 27.88 (t, C-9’), 22.53 (t, C-10), 22.36 (t, C-10’), 21.40 (t, C-5’), 21.17

131

(t, C-4’), 14.47 (q, C-11) 13.73 (q, C-11’); EIMS m/z (rel. int.): 378 [M + ] (23), 349 [M + -C 2H 5 ] (11), 335 [M +-C 3 H 7 ] (24), 319 (16), 192 (100), 190 (96), 187 (64), 186 (53), 149 (25), 148 (20), 105 (17), 91 (9), 77 (13), 59 (19), 55 (23). 4,5-Dehydro-6’,7’-dihydro-Z,Z’-8.7’-diligustilide (10). Colorless oil. UV (MeOH) λ (ε): 269 (18818), 207 (5139) nm; IR (CHCl3 ) νmax : 2965, 2936, 2876, 1773, 1732, 1464, 1267, 1091, 1024 cm –1 ; 1H NMR (200 Mz, CDCl 3 ): δ 7.68-7.49 (3H, m, H-4, H-5 and H-7), 5.60 (3H, t, J = 7.9 Hz, H-8), 5.30 (3H, t, J = 7.9 Hz, H-8’), 3.95 (1H, br s, W1/2 = 12 Hz, H-7’ pseudo-axial), 2.53 (2H, m, H-4’), 2.44 (2H, dd, 15.0, 7.4 Hz, H-9), 2.40 (2H, dd, J=15.2, 7.5 Hz, H-9’), 1.77 (2H, m, H-6’), 1.60 (2H, m, H-5’), 1.54 (4H, q, J = 7.5 Hz, H-10 and H-10’), 0.99 (3H, t, J = 7.2 Hz, H-11’), 0.98 (3H, t, J = 7.2 Hz, H-11); EIMS m/z (rel. int.): 378 [M+ ] (36), 349 [M+ -C 2 H5 ] (94), 338 (62), 309 (100), 296 (46), 254 (50), 192 (32), 190 (25), 187 (47), 186 (17), 149 (37), 104 (18), 97 (17), 83 (21), 71 (30), 57 (34) 55 (35), 43 (42). 6’,7’-Dihydro-Z,Z’-7.6’-diligustilide (11). Colorless oil. UV (MeOH) λ (ε): 268 (2442), 207 (665) nm; IR (CHCl3) νmax: 2963, 2932, 2874, 1773, 1732, 1456, 1094, 1024 cm–1 ; 1 H NMR (200 MHz, CDCl3, assignments by COSY): δ 5.42 (1H, m, W1/2 = 8 Hz, H-6), 5.21 (1H, t, J = 7.9 Hz, H-8’), 5.13 (1H, t, J = 7.9 Hz, H-8), 3.26 (1H, m, W1/2 = 13 Hz, H-6’ pseudoaxial), 3.08 (2H, m, H-4), 2.97 (2H, d, J = H-5), 2.36 (2H, dd, J = 7.7, 7.5 Hz, H-9, H-9’), 2.35 (4H, dd, J = 7.7, 7.5 Hz, H4’, H-7’), 1.77 (2H, m, H-5’), 1.50 (4H, m, H-10, H-10’), 0.96 (3H, t, J = 7.4 Hz, H-11’), 0.94 (3H, t, J = 7.4 Hz, H-11); EIMS m/z (rel. int.): 380 [M + ] (44), 378 [M +-H 2] (29), 349 [M +- H 2 - C 2 H 5 ] (59), 336 (16), 319 (8), 294 [M + -H 2 C4H 6 CO] (9), 256 (14), 192 (100), 190 (46), 189 (54), 187 (27), 186 (24), 161 (21), 149 (33), 129 (20), 104 (14), 97 (25), 83 (31), 73 (27), 71 (31), 57 (49), 55 (48), 43 (44). 6’,7’-Dihydro-Z,Z’-6.6’-diligustilide (12). Colorless oil. UV (MeOH) λ nm (ε): 269 (7419), 256 (6935), 207 (17733); IR (CHCl 3 ) ν max: 2963, 2934, 2874, 1771, 1734, 1464, 1267, 1092, 1036 cm–1; 1 H NMR (300 Mz, CDCl3 ): δ 5.85 (1H, s, H-7), 5.23 (1H, t, J = 7.5 Hz, H-8), 5.21 (1H, t, J = 7.5 Hz, H8’), 3.30 (1H, brs, W1/2 = 14.0 Hz, H-6’ pseudo-axial), 2.65 (2H, m, H-4), 2.51 (2H, m, H-5), 2.36 (6H, m, H-4’, H-9’ and H-9), 1.77 (4H, m, H-5’ and H-7’), 1.51 (2H, q, J = 7.5 Hz, H10), 1.49 (2H, q, J = 4.5 Hz, H-10’), 0.97 (3H, t, J = 7.5 Hz, H-11), 0.95 (3H, t, J = 7.5 Hz, H-11’); 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3): 168.86 (s, C-1’), 167.74 (s, C-1), 153.07 (s, C-6), 148.64 (s, C-3), 148.38 (s, C-3’), 145.86 (s, C-3a), 143.37 (s, C-3’a), 126.45 (s, C-7a), 124.68 (s, C-7’a), 113.60 (d, C-7), 112.83 (d, C-8), 111.95 (d, C-8’), 37.76 (d, C-6’), 28.10 (d, C9), 27.88 (d, C-9’), 26.98 (d, C-7’), 26.41 (d, C-5), 22.40 (d, C-10), 22.35 (d, C-10’), 21.07 (d, C-4’), 19.49 (d, C-4), 17.94 (d, C-5’), 13.83 (q, C-11), 13.74 (q, C-11’). EIMS m/z (rel. int.): 380 [M +] (22), 378 [M +-H 2] (18), 349 [M +-C 2H 5 ] (24), 335 [M +-C 3H 7 ] (17), 192 (100), 190 (62), 187 (43), 186 (35), 149 (27), 105 (15), 91 (8), 77 (9), 55 (17).

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Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Treatment of Z-ligustilide (1) with SnCl 4 . A solution of SnCl4 in CH 2 Cl2 (Aldrich, 1M, 0.6 mL, 3.4 mmol) was added dropwise to Z-ligustilide (1, 1.02 g, 5.37 mmol) with stirring at room temperature. After 7 days at room temperature, an additional amount of 0.5 mL of SnCl4 /CH2 Cl2 (2.8 mmol) was added and the mixture was then refluxed for 8 h. The mixture was filtered through Celite, washed with NH4Cl, diluted with chloroform, washed with brine, dried, and concentrated. Chromatography of the residue and elution with n-hexaneEtOAc gradient allowed to isolate 7 (35%), 9 (12%), 12 (7%), E-butylidenephthalide (8, 12%) [12] and n-butyl-phthalide (13 , 10%) [12]. 8 is a colorless oil: 1 H NMR (300 Mz, CDCl 3 ): δ 7.94 (1H, dd, J = 7.8, 0.9 Hz, H-7), 7.72 (2H, dd, J = 8.1, 1.2 Hz, H-4 and H-5), 7.55 (1H, m, H-6), 5.88 (1H, t, J = 7.8 Hz, H-8), 2.55 (2H, dd, J = 15.3, 7.8 Hz, H-9), 1.65 (2H, q, J = 7.2 Hz, H-10), 1.04 (3H, t, J = 7.2 Hz, H-11). 13 is a colorless oil: 1 H NMR (300 Mz, CDCl3): 7.90 (1H, d, J = 7.5 Hz, H-7), 7.67 (1H, ddd, J = 7.8, 7.8, 1.5 Hz, H-5), 7.53 (1H, dd, J = 7.5, 7.5 Hz, H-6), 7.44 (1H, dd, J = 7.5, 0.8 Hz, H-4), 5.48 (1H, dd, J=8.1, 4.5 Hz, H-3), 2.04 (2H, m, H-9), 1.78 (2H, m, H-8), 1.37 (2H, m, H-10), 0.91 (3H, t, J=7.2 Hz, H11); 13C NMR (75 MHz, CDCl3 ): 170.68 (s, C-1), 150.10 (s, C-3a), 136.51 (s, C-7a), 133.90 (d, C-7), 129.00 (d, C-5), 125.70 (d, C-6), 121.67 (d, C-4), 81.43 (d, C-3), 34.42 (t, C8), 26.87 (t, C-9), 22.41 (t, C-10), 13.85 (q, C-11).

Acknowledgements Financial support for this work from the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México (Project 4794-N9406, grant 940040) and Universidad Nacional Autónoma de México (PADEP 005351, 005369 and 005372) is gratefully acknowledged. We thank M. Sc. María Isabel Chávez for NMR experiments in the Varian Unity Plus-500 instrument, and Rocío Patiño, Beatriz Quiroz, Luis Velasco and Javier Pérez-Flores (Instituto de Química de la UNAM), for technical assistance. We also thank Dr. Robert Bye (Instituto de Biología de la UNAM) for providing the plant material.

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Revista de la Sociedad Química de México, Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999) 133-136

Revisión

La bioquímica del litio y su utilización en pacientes con desórdenes mentales Roberto Arreguín-Espinosa,1* Barbarín Arreguín1 y Laura Rocío Castañón Olivares2 1 Instituto

de Química, UNAM, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 04510 México D.F. Tel: (525) 622-45-65 Fax: (525) 616-22-03, E-mail [email protected] 2 Laboratorio de Micología Médica, Facultad de Medicina, UNAM, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán 04510 México, D.F. Dedicado a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn Resumen. El uso y toxicidad del litio ha sido revisado. El litio continúa siendo el más útil y poderoso agente disponible para la profilaxis y tratamiento de la enfermedad bipolar. El litio ha sido añadido a los antidepresivos y es usado en el tratamiento de la depresión unipolar resistente. Su empleo en otros desórdenes psiquiátricos, tales como la esquizofrenia, alcoholismo o comportamiento agresivo ha sido descrito solo cuando coexiste o sugiere un componente afectivo.

Abstract. Lithium utility and toxicity are reviewed. Lithium continues to be the most useful agent available for the prophylaxis and treatment of bipolar illness. Lithium augmentation of antidepressants is useful in treatment-resistant unipolar depression. Utility in other psychiatric disorders, such as schizoaffective, alcoholism, or aggressive behavior, is documented only when a significant affective component coexists.

El litio es el más ligero de los metales alcalinos y presenta algunas propiedades fisicoquímicas anómalas debido a la diferencia tan grande en su electronegatividad con respecto a los elementos que le siguen en el grupo IA del sistema periódico. Esta anomalía se manifiesta tanto en las propiedades como la reactividad del propio elemento, metal de color blanco que fue descubierto en el laboratorio de Berzelius en 1818. Entre las cualidades químicas de este elemento están las siguientes:

Como su nombre lo indica, el litio se encuentra en muchas rocas y minerales y es disuelto lentamente por el agua. El contenido natural de litio (7 mg por litro) en ciertos manantiales minerales que se encuentran por doquier en la República Mexicana, constituye la razón fundamental de sus propiedades terapéuticas y de los supuestos beneficios de tomar este tipo de aguas. En la segunda mitad del siglo XIX, el litio llegó a ser un tratamiento reconocido para diversas enfermedades producidas por la acumulación del ácido úrico en diferentes partes del cuerpo. También las sales de litio han tenido otros usos secundarios. El bromuro se empleó durante mucho tiempo como sedante y durante los años 40, el cloruro de litio se usó mucho en E.U.A. para sustituir a la sal en las dietas carentes de este condimento [1]. Sin embargo, después de varios decesos y de cierto número de envenenamientos no letales debidos a sus inesperados efectos sobre pacientes con enfermedades cardiacas y renales, la FDA (Food and Drug Administration) proscribió su uso en medicina hasta hace relativamente poco tiempo. En 1949, J. F. Cade investigó en Australia el efecto del ácido úrico sobre la toxicidad de la urea en los animales [2]. Utilizando el urato de litio, más soluble, observó que, al cabo de dos horas, la toxicidad era menor que la esperada. Posteriormente inyectó intraperitonealmente carbonato de litio en cobayos y encontró que, aunque totalmente conscientes, quedaban temporalmente aletargados y sin respuesta a los estímulos. Comprobó entonces el efecto de la administración oral de

a) Las sales de litio son marcadamente menos estables que las sales de sodio y potasio, así por ejemplo, el bicarbonato, el peróxido y el sulfhidrato son demasiado inestables para existir incluso a la temperatura ambiente. b) Los compuestos que contienen litio son de carácter más covalente que los de los otros metales alcalinos; así los haluros son más solubles en los disolventes orgánicos y pueden separarse de este modo. Además, los complejos formados con ligandos donadores de oxígeno o nitrógeno son más estables que los de sodio o potasio. c) Las sales de litio de aniones con elevadas densidades de carga tales como hidróxido, carbonato, fosfato y fluoruro son menos solubles en agua que las de otros metales alcalinos. d) La llamada “relación diagonal” en el sistema periódico es particularmente asociada al litio, cuyas sales se parecen a las de magnesio e incluso en cierto grado a las del calcio del grupo IIA.

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Rev. Soc. Quím. Méx. Vol. 43, Núms. 3, 4 (1999)

Roberto Arreguín-Espinosa et al.

litio sobre cierto número de pacientes humanos psicóticos, que sufrían diversas enfermedades mentales, observando una mejoría asociada con su comportamiento [3-6]. De acuerdo con el informe de Cade sobre este notable efecto del tratamiento con litio sobre pacientes maniacos, otros investigadores utilizaron casi de inmediato, en los años 50 y 60, las sales de litio y en particular el carbonato, como sedante eficaz en pacientes con excitación psicótica aguda. Desde entonces la terapia del litio se ha investigado y analizado ampliamente, pero su modo de actuar y el fundamento de su efecto específico sobre los pacientes con un tipo particular de desorden mental es aún desconocido.

chos casos de ataques monopolares recurrentes de manía sin la fase intermedia de depresión. El tratamiento para estos pacientes se limita solamente con inhibidores de la monoaminooxidasa, lo que no significa una cura, pero sí un remedio temporal. Desde hace tiempo que se conoce y se ha comparado la terapéutica del litio con la de otros fármacos (carbamazepina, cloropramicina) y con placebos. Se sabe por indicaciones estadísticas que el uso de litio para casos de manía da muy buenos resultados y aunque todavía el mecanismo de acción de este metal no se conoce exactamente, da esperanza y optimismo para seguir siendo utilizado.

Desórdenes afectivos manía y depresión

Terapéutica del litio

Existen naturalmente problemas relacionados con la terapéutica del litio, como los hay en otros fármacos. Aparte de su toxicidad, especialmente en pacientes con enfermedades cardiacas y renales, se han observado otros efectos secundarios nocivos, de modo que se reconoce actualmente que el litio no puede administrarse de modo indiscriminado. Sin embargo, el tratamiento con litio está bien probado y su eficacia específica contra la manía hace de él uno de los primeros fármacos cuya acción sobre el sistema nervioso central puede estudiarse de forma lógica y minuciosa. Además del carbonato de litio existían hasta hace poco otros dos tratamientos para reducir el estado de hiperactividad de los pacientes; las fenotiacinas y la terapia del shock electro-convulsivo (SEC). Este último se utiliza todavía en algunos países de Centroamérica y en África para casos de manías agudas, agresivas y delirantes. Aunque al parecer es sumamente eficaz en el tratamiento de pacientes violentos, la respuesta al SEC es de corta duración y el tratamiento conduce a una pérdida grave de memoria. Uno de los problemas al evaluar los diversos tratamientos de la manía y de las psicosis maniaco-depresivas, es la dificultad de establecer un diagnóstico inequívoco y un método objetivo de medir la mejoría. La excitación o depresión extremas se presentan en muchas enfermedades psiquiátricas y la mezcla de síntomas en un paciente particular explica porque el diagnóstico no es siempre claro. La incidencia de este tipo de enfermedades es aproximadamente de 1 por cada 150,000 habitantes. Los episodios recurrentes de manía y depresión se estima que afectan alrededor de 1% de todos los pacientes psiquiátricos. Los síntomas básicos de la fase maniaca son superactividad física y mental, excitación y versatilidad de ideas que conducen a irritabilidad o ira cuando el paciente queda frustrado de algún modo [7]. A esto le sigue una fase de depresión (esta fase puede durar días, semanas, meses e incluso años) caracterizada por una prolongada falta de interés en lo que le rodea, letargo y a veces tensión y lentitud de los procesos mentales. Estas sensaciones de inutilidad y falta de esperanza pueden conducir a algunos al suicidio. Además de la forma bipolar maniaco-depresiva, se conocen también mu -

El tratamiento típico para personas con algún desorden mental moderadamente grave, en un adulto de tamaño medio (75 kg), es de una dosis diaria inicial de 1.5-2.0 g de carbonato de litio, por vía oral, pero se debe de mantener una dosis en el torrente sanguíneo de 0.8 a 1.5 miliequivalentes (meq) por litro. Por encima de este nivel, se han observado diversos efectos secundarios, tales como calambres abdominales, náuseas, vómito y diarrea, sed extremada, somnolencia, temblor ocasional y, en algunos casos, una ganancia excesiva de peso (hasta de 2-5 kg en pocas semanas) [8]. Estos síntomas se presentan durante las primeras semanas de tratamiento y desaparecen espontáneamente o al rebajar la dosis. En cantidades excesivas, esto es, cuando el contenido de litio se eleva por encima de 2.5 meq por litro de suero sanguíneo, puede haber un envenenamiento, acentuándose los efectos secundarios anteriores e incluso pasando los pacientes a un estado de semi-inconsciencia o coma. En ciertos casos, la muerte puede ocurrir por complicaciones respiratorias, una falla renal o ataques cardiacos. El tratamiento más sencillo contra la toxicidad del litio es detener la administración del fármaco y aumentar la ingestión de sodio, si había sido restringida. En ciertos casos críticos puede ser necesario un tratamiento más amplio tal como hemodiálisis o diuresis forzada. Otros efectos secundarios menos frecuentes, pero bien documentados en la literatura, es el bocio o la disfunción de la tiroides, particularmente en pacientes predispuestos, lo que indica cierto efecto sobre el metabolismo del yodo [9]. Por esta razón la terapia del litio exige una estrecha vigilancia individual de los nocivos efectos secundarios y un análisis continuo de los niveles de litio en sangre. La sal que se utiliza ordinariamente es el carbonato de litio y se administra por vía oral, ya que es fácil de preparar en tabletas, y se disuelve bien. En algunos casos se han utilizado el citrato o el acetato de litio, pero su absorción es menor, por tal motivo se utiliza solamente el carbonato de litio por los laboratorios farmacéuticos [10]. Todavía no están claros los efectos teratogénicos del tratamiento con litio, esto es, el efecto sobre los fetos cuando las madres están sometidas a un tratamiento con litio, pero se tienen muchos estudios sobre algunos efectos adversos, tanto

La bioquímica del litio y su utilización en pacientes con desordenes mentales

en niños como en crías de ratones, lo suficientemente graves como para recomendar cautela en el tratamiento de mujeres embarazadas [11]. Los resultados terapéuticos más claros del tratamiento con litio se obtienen cuando se usa contra ataques maniacos claramente diagnosticados. Fieve revisó en 1969 los 20 años anteriores de la terapéutica del litio, durante los cuales fueron tratados con sales de litio 6000 pacientes en más de una docena de países, evaluándose los resultados por más de 350 grupos de investigación. En una extensa revisión bibliográfica, se estableció que del 20 al 30% de tales pacientes maniacos no respondió satisfactoriamente, mientras que el 70 al 80% mostró claras mejorías dentro de una semana, independientemente de la edad, sexo o duración previa de la enfermedad.

Bioquímica del litio en el organismo Aunque hay estudios previos de los efectos del litio sobre el sistema nervioso central, todavía falta mucho de entender y además no se tienen modelos animales adecuados para la manía y la depresión. Se ha obtenido información biológica fundamental sobre el efecto de los cationes del litio, a todos los niveles biológicos, en animales, en cultivo de órganos y células, en axones, membranas, enzimas, etc. Sin embargo, a pesar de la enorme cantidad de datos bioquímicos, se desconoce aún el lugar y el modo de actuar del litio en los pacientes maniacos. Varias teorías han sido sugeridas: a) una interferencia en el equilibrio de electrólitos en los fluidos y tejidos del organismo; b) un efecto sobre el metabolismo de las aminas biogénicas y de otros neurotransmisores; y c) un efecto sobre las hormonas o sobre el suministro de energía y el metabolismo de la glucosa en el cerebro. Los fenómenos bioquímicos causantes de la actividad nerviosa dependen, como es bien sabido, de la desigual distribución de iones, en particular sodio y potasio entre el interior y exterior de las membranas. El desequilibrio de iones que se mantiene por acción enzimática que es dependiente de Na y K, se manifiesta como un potencial de membrana que puede ser medido. Se conoce que el litio puede desplazar al sodio de las células, al menos tan rápidamente como el sodio mismo, pero después queda atrapado intracelularmente [12]. El litio provoca al menos en las primeras 24 a 30 horas de su administración, una diuresis de sodio. Sin embargo, al cabo de unos días de tratamiento puede producirse una retención del mismo. Los efectos del litio sobre el potasio son inciertos, pero hay información reciente que indica que el litio puede aumentar o disminuir los niveles de potasio en el suero. Se ha demostrado también que el litio altera tanto el contenido de calcio, como el de magnesio [13,14]. Cuando se inyecta litio a animales de laboratorio, se distribuye bastante rápido por casi todos los tejidos tales como hígado, riñón, pero la llegada al cerebro es muy lenta. Esta puede ser la razón del prolongado periodo de tratamiento necesario para producir una respuesta terapéutica en pacientes maniacos [15].

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Se han hecho estudios más importantes acerca del efecto del litio sobre la modulación sináptica alterando los niveles de los neurotransmisores: aminas biogénicas, acetilcolina, ácido g-aminobutírico y ácido glutámico. En estudios recientes, los fenómenos de elación y depresión en el hombre están relacionados con el nivel funcional de catecolaminas (principalmente epinefrina). Los estudios sobre catecolaminas sugieren que la manía está asociada a un aumento (y la depresión a una disminución) de norepinefrina funcional sobre las terminaciones nerviosas. En consecuencia, existe mucha duda de si el éxito de la terapéutica del litio en el tratamiento del síndrome maniaco-depresivo se debe exactamente a una alteración del metabolismo de la catecolamina [16]. Otro problema más que complica la dilucidación de la neuroquímica del litio y la relación de sus efectos con el tratamiento de los pacientes es el hecho de que la distribución del litio no es uniforme en el sistema nervioso central, y que las diferentes regiones del cerebro tienen funciones distintas de un modo sumamente específico. El efecto del litio sobre el metabolismo intermediario ha sido ampliamente estudiado tanto in vitro como in vivo. En cultivos de tejido cerebral, secciones de corteza y preparaciones de mitocondrias del cerebro, el litio al igual que el potasio (pero al contrario del sodio), mejora el metabolismo energético y estimula la respiración de la corteza cerebral [17]. Se sabe que en el metabolismo energético del cerebro se halla alterado tanto en la manía como en la depresión. El litio sustituirá al magnesio en muchas de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares y de los aminoácidos que se encuentran en todos los órganos incluidos cerebro, riñón, hígado y páncreas [18]. Los efectos de la terapéutica del litio sobre la absorción de la glucosa y la síntesis del glucógeno pueden ser causa de la ganancia de peso observada a menudo en pacientes tratados con litio y que se debe, al menos en parte, al efecto del litio sobre una o más de las enzimas implicadas [19]. La opinión general parece ser de que el tratamiento con litio conduce en el hombre a un aumento en los niveles de glucosa en sangre y a una disminución de la insulina, pero esto no puede estar relacionado con el estado mental del paciente. También hay una elevación uniforme de los glóbulos blancos en la sangre, fenómeno que se invierte al detener el tratamiento. El efecto del litio sobre el metabolismo de los azúcares se encuentra de cierta manera relacionado con el ritmo de incorporación de fosfato en huesos y músculos, por lo tanto con alteraciones en el metabolismo del calcio y del magnesio, ya que las concentraciones de estos iones están íntimamente ligadas a las de fosfato. También se ha estudiado el aumento de αcetoglutarato en la orina de pacientes sometidos a tratamientos con litio. Esto indica un efecto directo sobre las enzimas del ciclo del ácido cítrico. Se ha examinado el efecto del litio sobre varias enzimas, pero sin haber llegado a ninguna norma general, lo que sí está comprobado es que algunas enzimas son inhibidas o afectadas por efecto del litio, como es el caso de la adenilciclasa y la succinodeshidrogenasa.

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Finalmente, es indiscutible el efecto muy específico de la terapéutica del litio en el tratamiento de la manía, pero tiene además otra gran utilidad y es la de servir de instrumento para investigar la etiología bioquímica de una enfermedad mental específica y bien conocida.

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Revisión

Celulosomas: sistemas multienzimáticos Alejandra Hernández-Santoyo,* Enrique García-Hernández y Adela Rodríguez-Romero Departamento de Bioquímica, Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán 04510. México, D.F. Tel. 52(5) 622 45 68. Fax 52(5) 616 22 17. E-mail: [email protected]. Dedicada a la memoria de la Dra. Lydia Rodríguez-Hahn

Resumen. Los celulosomas son complejos multienzimáticos que actúan sinérgicamente para catalizar la hidrólisis de la celulosa. Estos están formados esencialmente por varios tipos de celulasas que están soportadas en una unidad de estructuración. Los celulosomas se encuentran unidos entre sí formando policelulosomas, que se observan como protuberancias en la superficie celular de bacterias celulolíticas. Una combinación de técnicas genéticas, bioquímicas, cristalográficas y microscópicas han permitido profundizar en el conocimiento de la celulosa y sus mecanismos de hidrólisis. En este trabajo se presenta una revisión actualizada de los avances en el estudio de estos complejos.

Abstract. Cellulosomes are multienzymatic complexes whose components interact in a cooperative way (synergically) to hydrolyze cellulose. They are essentially composed of several types of cellulases assembled on a scaffolding subunit. The cellulosomes are organized in polycellulosomal organelles, which form protuberances on the surface of cellulolytic bacteria. A combination of genetic, biochemical, crystallographic and microscopic techniques have helped to obtain more insight into the structure of cellulose and of its hydrolysis mechanism. In this work we present an actualized review of the study of these complexes.

Introducción

acuerdo a la homología en la secuencia de los aminoácidos en su dominio catalítico. De este grupo de enzimas se han determinado las estructuras tridimensionales de 15 familias, las cuales coinciden con 5 diferentes tipos de plegamientos: barril (βα)8 , el motivo β “jellyroll” (cadena polipeptídica envolviendo a un barril β), barril (βα) distorsionado, barril β y barril (α/α)6 [7-9]. Por otra parte, también han sido clasificadas de acuerdo al dominio que une a la celulosa (DUC), agrupándolas en 10 familias [10]. La función principal del DUC es la de ayudar al dominio catalítico a unirse al sustrato, aunque algunos DUC también rompen las interacciones no covalentes entre las cadenas de la celulosa [11, 12]. Desde hace varias décadas se sabe que ciertas bacterias y hongos producen diferentes tipos de celulasas que requieren para hidrolizar a la celulosa [9, 13-15]. Originalmente se pensaba que sus sistemas celulolíticos estaban formados por varios tipos de celulasas libres que actuaban sinérgicamente sobre el sustrato insoluble. Posteriormente se descubrió en la bacteria termófila anaerobia Clostridium thermocellum, un complejo multienzimático al que se llamó celulosoma [16]. La existencia de este tipo de complejos ha sido demostrada en otras especies del género Clostridium [17-19] y más recientemente en otras bacterias y hongos evolutivamente más distantes [9, 7, 20]. Sin embargo, cabe señalar que muchos de los sistemas celulolíticos, particularmente en microorganismos aerobios, están constituidos por enzimas libres.

La celulosa es el polímero más abundante en la biosfera, está formada por residuos de glucosa unidos por enlaces β-1,4 y es el constituyente principal de la pared celular de las plantas. Esta puede estar presente en un estado relativamente puro o en asociación con otros compuestos como la hemicelulosa y las ligninas. También se encuentra como constituyente de las algas y tunicados y es sintetizada por algunas bacterias como Acetobacter xylinum y por hongos [1]. El hecho de que la celulosa es el polímero más abundante en la naturaleza, confiere una gran importancia ecológica, industrial y económica a su despolimerización, por lo que es necesario conocer los requerimientos estructurales y mecanísticos para la hidrólisis de sus enlaces glucosídicos. Aunque la unidad repetitiva de este biopolímero es un disacárido (celobiosa), la celulosa está organizada en un complicado estado paracristalino y debido a esta complejidad estructural, un solo tipo de enzimas no puede hidrolizarla eficazmente, por lo que se requiere de diferentes celulasas trabajando cooperativamente o sinérgicamente [2-4]. Las celulasas son glicosil hidrolasas o glicohidrolasas, las cuales hidrolizan oligosacáridos y polisacáridos de glucosa unidos por enlaces β-1,4 [5, 6]. Estas enzimas están constituidas por dominios que son estructural y funcionalmente diferentes. Las celulasas han sido clasificadas en familias de

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Celulosoma

Componentes del celulosoma

Los celulosomas son complejos multienzimáticos cuyos componentes actúan de manera sinérgica para hidrolizar a la celulosa [21]. Inicialmente dicho complejo fue descrito como un factor antigénicamente activo que se une a la celulosa y que se localiza en la superficie de la célula [22]. Los celulosomas funcionan como estructuras exocelulares especializadas, que catalizan la hidrólisis de celulosa y hemicelulosa. En general, tres tipos de enzimas forman los sistemas celulolíticos: (1) endocelulasas (endoglucanasa o 1,4-β-D-glucan 4-glucanohidrolasa; E.C. 3.2.1.4), (2) exocelulasas (celulosa 1,4-β-D-celobiosidasa o 1,4-β-D-glucan celobiohidrolasa; E.C. 3.2.1.91) y (3) β-D-glucosidasas (β-D-glucosido glucohidrolasa; E.C. 3.2.1.21.) [3, 4, 23]. La heterogeneidad física de los sustratos y la complejidad de los sistemas celulolíticos hacen que su estudio no sea simple. Esto hace necesario que se realicen una serie de ensayos que permitan identificar cada tipo de celulasa involucrada en un complejo. Un solo ensayo no podría proporcionar una imagen completa de la naturaleza de una enzima, por lo que se recomienda el uso de varios ensayos para caracterizar el sistema y actualmente se han establecido varios métodos de medición e identificación de celulasas (Tabla 1) [2, 23-27].

Enzimas Endo-1,4-β-glucanasas Las endo-1,4-β-glucanasas rompen los enlaces glicosídicos internos de la celulosa en forma aleatoria, lo que provoca una rápida disminución en la longitud de la cadena de los β-glucanos con un incremento lento de los grupos reductores [28]. Las endoglucanasas son clasificadas en familias de acuerdo a sus propiedades hidrofóbicas [29] y su dominio catalítico [11]. Sus sustratos incluyen a la carboximetilcelulosa y a la celulosa amorfa tratada con H3 PO4 o álcali. La celulosa cristalina, así como las fibras de algodón o el avicel no son atacados de manera efectiva por esta enzima. El porcentaje de hidrólisis de celooligosacáridos de cadenas largas es alta y se incrementa con el grado de polimerización, siendo la celobiosa el principal producto de la reacción [23]. Exo-1,4-β-glucanasas Las exo-1,4-β-glucanasas, también llamadas celobiohidrolasas, actúan cortando la celobiosa del extremo no reductor de la cadena y en algunas ocasiones liberan pequeñas cantidades de glucosa. El porcentaje de hidrólisis de la celobiosa y de celooligosacáridos de cadenas largas se incrementa con el grado de polimerización de las mismas [9, 23, 30].

Tabla 1. Métodos de medición de la actividad celulolítica [23]. Enzima

Sustrato

Ensayo

Celulasas totales

Algodón

Estimación de celulosa en el residuo Liberación de azúcares reductores Disminución del peso Disminución en la tensión Liberación de azúcares reductores

Papel filtro Hidrocelulosa Avicel

Celobiohidrolasas (exocelobiohidrolasa, exocelulasa, Avicelasa)

Endo-1,4-β-glucanasa (CM-celulasa, endoglucanasa y endocelulasa)

Avicel Hidrocelulosa Celulosa morfa Celooligosacáridos

Liberación de azúcares reductores

Carboximetilcelulosa (CM) Hidroxietilcelulosa Celooligosacáridos Algodón

Liberación de azúcares reductores Disminución en viscosidad Incremento en el poder reductor o análisis por HPLC Crecimiento en alcali Liberación de azúcares reductores Disminución en la turbidez

Celulosa amorfa

β-glucosidasa

orto-o-para-nitrofenil-β-D-glucosidos Salicina Esculina Celobiosa Celooligosacáridos

Incremento en el poder reductor o análisis por HPLC

Liberación de orto-o-para-nitrofenol Liberación de glucosa

Incremento en el poder reductor.

Celulosomas: sistemas multienzimáticos

β-glucosidasas Las β-glucosidasas no son propiamente celulasas. No obstante, son componentes muy importantes de los sistemas celulolíticos, ya que completan la hidrólisis de cadenas pequeñas celooligosacáridos y de celobiosa, liberados por otras enzimas, hasta glucosa. Los sistemas celulolíticos con niveles bajos de β-glucosidasa tienen una baja actividad, debido a la inhibición de las endoglucanasas y las celobiohidrolasas por la celobiosa. Estas enzimas hidrolizan únicamente celooligosacáridos a una razón decreciente con el grado de polimerización y no son específicas para enlaces β-1,4 [23, 30].

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Tabla 2. Subunidades celulosomales de Clostridium thermocellum. Quitinasa A

Xilanasa Y [71]

Xilanasa A [63]

Endoglucanasa F [72]

Endoglucanasa B [64]

Xilanasa B [63]

Xilanasa Z [65]

Endoglucanasa E [73]

Exoglucanasa CBDIV [66]

Endoglucanasa G [74]

Liquenasa B o laminarasa 1 [67]

Celulasa K

Celulasa S [68]

Endoglucanasa D [75]

Celulasa J [69]

Endoglucanasa A [64]

Xilanasas Además de las enzimas ya mencionadas, también se ha detectado la presencia de actividad xilanolítica en polipéptidos del celulosoma de C. thermocellum [30, 31].

Endoglucanasa H [70]

Xilanasa C [76]

Proteínas que unen celulosa

El celulosoma se ha descrito como uno de los sistemas enzimáticos más complejos. Este está constituido por múltiples cadenas polipeptídicas cuyo número varía de un organismo a otro e incluso difiere entre cepas [16, 31]. El número exacto de polipéptidos no se conoce porque algunos de ellos producen múltiples bandas en geles de electroforesis, dependiendo de la asociación con otros polipéptidos y a su contenido de carbohidratos o materiales no proteicos. Recientemente, con el uso de técnicas de biología molecular y mediante la expresión y purificación de celulasas celulosomales recombinantes, se ha logrado el estudio de las enzimas nativas en forma más controlada [43-47]. Además, han sido usadas técnicas menos destructivas para la disociación de los componentes celulosomales lo que ha permitido el aislamiento y estudio de las enzimas nativas [48-50]. De esta manera, en C. thermocellum se han encontrado diferentes genes que codifican para diversas enzimas celulolíticas, reportándose 18 diferentes enzimas celulosomales de 10 familias diferentes de glicohidrolasas (Tabla 2). Las enzimas celulosomales son muy parecidas a las celulasas libres. Ambas contienen dominios catalíticos similares; la principal diferencia estriba en que las celulasas celulosomales tienen un dominio de anclaje, el cual ayuda a la integración de la enzima dentro del complejo celulosómico, mientras que las celulasas libres no lo tienen [51] (Fig.1A). En bacterias, el dominio de anclaje consta de 70 residuos que se caracterizan por tener una región de 22 residuos conservados [52]. Por otra parte, en enzimas presentes en un hongo ha sido descrito un dominio de anclaje que comprende una sequencia conservada de 40 aminoácidos [53]. Estas secuencias conservadas tienen un motivo que une al calcio. En el caso de las celulasas que no forman parte de los celulosomas, en lugar del dominio de anclaje, tienen un DUC [8]. Las enzimas celulosomales también pueden presentar un DUC. Los diferentes dominios que componen al complejo, están conectados por péptidos de enlace. Estos segmentos son frecuentemente, aunque no siempre, ricos en residuos de prolina y treonina y/o serina y están generalmente glicosilados. Las subunidades que forman el complejo celulosómico están orga-

Un componente mayoritario del celulosoma de C. thermocellum es un polipéptido que no presenta actividad enzimática y al que se le ha denominado S1 o SL (posteriormente fue renombrado como CipA), cuya masa molecular oscila entre 185 y 250 kDa. Estos polipéptidos pueden actuar como factores que unen celulosa y/o como estructuras que soportan las subunidades enzimáticamente activas del celulosoma [16, 31-35]. Componentes no proteicos del celulosoma Los carbohidratos constituyen del 6 al 12% del peso de la masa celulosomal. Los azúcares identificados en el celulosoma de C. thermocellum JW20 y YM4 son: xilosa, manosa, galactosa, glucosa y N-acetilglucosamina. Además, se han detectado disacáridos, Zinc y Calcio, este último con un papel probablemente estructural [30, 36-38]. Sinergia entre celulasas La interacción sinérgica entre celulasas se ha estudiado en diversos sistemas celulolíticos de bacterias y hongos [3,4]. El concepto de sinergia en la hidrólisis enzimática de la celulosa fue introducido por Reese et al. en 1950 [39]. En 1954, Gilligan y Reese [40] dan una evidencia experimental del fenómeno utilizando mezclas de celulasas de hongos y cuantificando los azúcares reductores, producto de la hidrólisis de la celulosa. A partir de entonces se han realizado numerosos estudios incluyendo la interacción sinérgica entre endo y exo celulasas homólogas, es decir, producidas por el mismo organismo. También se ha estudiado la sinergia cruzada entre endo y exo enzimas de diferentes especies de hongos aerobios y la sinergia entre especies de diferente origen filogenético, como es entre enzimas de bacterias y hongos [3, 4, 41, 42].

Estructura del celulosoma

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Fig. 1. Representación esquemática de la organización de un celulosoma. (A) La plataforma de estructuración tiene dos tipos de componentes: el dominio que une a la celulosa (DUC) y múltiples dominios de cohesina (numerados), los que están unidos entre sí por péptidos de enlace. Las subunidades catalíticas se encuentran unidas a un dominio de anclaje por medio de péptidos de enlace. Algunas subunidades catalíticas pueden contener también DUC. (B) Representación esquemática del modo de acción de un policelulosoma, donde se muestra la superficie celular con las protubozimas y el cambio conformacional que sufren al unirse a la celulosa.

nizadas por su interacción con una subunidad estructural especializada (scaffolding). A la fecha, se ha descrito esta estructura para cuatro especies del género Clostridium. Este tipo de subunidades estructurales son polipéptidos muy largos y cada una de ellas contiene un DUC, uno o más segmentos hidrofílicos conservados de función desconocida y copias múltiples de dominios de cohesina, que son responsables de la unión de las subunidades catalíticas dentro del complejo celulosomal [8, 21]. La estructura de los celulosomas es muy estable, flexible y la interacción con el sustrato parece implicar un cambio conformacional. Para romper el celulosoma se requieren temperaturas muy elevadas, sin embargo, las enzimas en forma individual, son fáciles de desnaturalizar bajo estas condiciones.

Mecanismo de acción del celulosoma Los primeros modelos para explicar el mecanismo de acción de los celulosomas se basaron principalmente en observaciones hechas con microscopía electrónica y una combinación de técnicas bioquímicas, inmunoquímicas y ultraestructurales [48, 54-56]. Estos modelos fueron apoyados posteriormente por investigaciones usando biología molecular [43, 57].

Alejandra Hernández-Santoyo et al.

El celulosoma de C. thermocellum ha sido el más estudiado a la fecha. Este comprende numerosas subunidades, que están agrupadas en un organelo policelulosomal parecido a una protuberancia, al cual se le conoce como protubozima. Estas protuberancias se localizan en la superficie de diferentes microorganismos [8, 21, 58]. Recientemente, utilizando técnicas de microscopía electrónica de transmisión y de barrido, se ha estudiado exhaustivamente la superficie celular de C. thermocellum [8, 54, 59, 60], pudiendo conocerse el ciclo de vida de la bacteria y su interacción con la celulosa. En la figura 1B se muestra un esquema de las protubozimas en sus formas inactiva y activa, cuando forma una conexión con la misma. Los celulosomas están cubriendo la parte exterior de la protuberancia inactiva, formando así los policelulosomas. Estas protuberancias o protubozimas, al ponerse en contacto con la celulosa sufren un cambio conformacional, formando una conexión con la misma. El proceso es posteriormente facilitado por celulasas no celulosomales y al igual que las células maduras, los celulosomas son liberados en la matriz extracelular donde ellos continúan su actividad celulolítica [8, 21]. Estudios recientes indican que los celulosomas se encuentran en un gran número de microorganismos, pudiendo concluir que estos sistemas se presentan frecuentemente en la naturaleza (Tabla 3).

Tabla 3. Celulosomas identificados en diferentes microorganismos. Organismo

Referencias

Acetivibrio cellulolyticus Bacteroides celulosolvens Butyrivibrio fibrisolvens Clostridium cellulolyticum Clostridium cellulovorans Clostridium josui Clostridium papyrosolvens Clostridium stercorarium Clostridium thermocellum Caldocellulosiruptor saccharolyticus Fibrobacter succinogenes Neocallimastix frontalis Neocallimastix patriciarum Piromyces orpinomyces Prevotella ruminicola Pseudomonas fluorescens Ruminococcus albus Ruminococcus flavefaciens Streptomyces lividans Thermomonospora fusca. Trichoderma reesei Vibrio sp

[7, 9, 30, 58] [7, 30, 58] [77-81] [7, 9, 82-84] [9, 17, 30, 85, 86] [7, 9, 87] [7, 9, 87] [9, 88] [9, 21, 13, 30, 42, 71, 89, 90] [91, 92, 93] [94-98] [99, 100] [53, 101, 102] [53, 103] [9, 104, 105 ] [9, 93, 106, 107] [30, 58, 93, 108, 109] [110-112] [9, 113, 114] [9, 115] [9, 93] [9, 116]

Celulosomas: sistemas multienzimáticos

Por otra parte, se han observado sistemas enzimáticos que actúan de manera sinérgica, pero que no son tan complejos como los celulosomas. Tal es el caso del sistema enzimático para la hidrólisis del almidón, en donde la α-amilasa, la βamilasa, la α-glucosidasa, una exo-α-1,4 glucanasa y la pululanasa actúan de manera sinérgica [9, 61]. Asimismo, se han detectado sistemas enzimáticos para la hidrólisis de quitina y agar [9, 62].

Conclusiones La presencia de varios sistemas celulolíticos ha sido detectada en diferentes microorganismos. El descubrimiento del celulosoma como un complejo multienzimático abrió el camino al estudio del mecanismo de hidrólisis de la celulosa. En este campo se han logrado grandes avances gracias a la información obtenida por técnicas tales como la microscopía electrónica, biología molecular y difracción de rayos X. Sin embargo, aún quedan muchas preguntas por contestar para entender la relación precisa entre la estructura cristalina de la celulosa y la hidrólisis de la misma.

Agradecimientos Agradecemos a la DGEP por el apoyo con el proyecto 201343 y al proyecto UNAM-Cray SC-010699.

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