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Trabajo Fin de Grado
Junio, 2018
Junio, 2017
UNIVERSIDAD DE JAÉN Facultad de Ciencias Experimentales
Grado en Química
Trabajo Fin de Grado
Reacción de Biginelli: descubrimiento, detalles mecanísticos, diversidad
estructural y aplicaciones
Alumno: Daniel Moral Martos
2
UNIVERSIDAD DE JAÉN Facultad de Ciencias Experimentales
Grado en Química
Trabajo Fin de Grado
Trabajo Fin de Grado
Reacción de Biginelli: Descubrimiento,
detalles mecanísticos, diversidad estructural y
aplicaciones
Alumno: Daniel Moral Martos
Junio, 2018
Junio, 2017
3
RESUMEN
La reacción de Biginelli fue desarrollada por Pietro Biginelli que logró la síntesis de
3,4-dihidropirimidinas-2-(1H)-onas funcionalizadas (DHPMs) a través de un proceso de
tres componentes y una sola etapa. Como reactivos utilizó benzaldehído, acetilacetato
de etilo y urea o tiourea, materiales de muy fácil acceso, en un disolvente prótico y un
catalizador ácido.
Actualmente se ha mostrado una gran generalidad tanto en el tipo de solvente
utilizado como en el catalizador y la estructura de los tres reactivos necesarios. Desde el
punto de vista estereoquímico se han desarrollado procedimientos de preparación de
compuestos enantioméricamente puros vía resolución y mediante síntesis
enantioselectiva. Adicionalmente, se han desarrollado diversas variaciones, incluida la
síntesis en fase sólida y fluorosa y condiciones asistidas por microondas y ausencia de
disolvente o líquidos iónicos.
En la actualidad, el creciente interés en esta reacción multicomponente se
encuentra, sobre todo, en la posibilidad de disponer de una forma sencilla, rápida y
limpia de DHPMs con propiedades terapéuticas y farmacológicas. La propuesta que se
presenta plantea un proyecto de investigación bibliográfica sobre esta reacción, que
indica en aspectos históricos, mecanísticos, de verstilidad estructural y aplicaciones de
la misma, haciendo especial énfasis en aproximaciones ‘’verdes’’, que permita obtener
una visión actualizada del alcance y utilidad de la misma.
ABSTRACT
The Biginelli’s reaction was developed by Pietro Biginelli who achieved the synthesis
of functionalized 3,4-dihydropyrimidine-2-(1H)-ones(DHPMs) through a three
component-one stage reaction. He used easily accessible reagent such as benzaldehyde,
ethyl acetylacetate and urea or thiourea, with protic solvent and acid catalyst.
Currently, it has shown great adaptability both in the type of solvent used and in
the catalyst and the structure of the three necessary reagents. From a stereochemical
point of view, it has created synthesis methods of enantiomerically pure compounds by
resolution and enantioselective synthesis. In addition, it has developed multiple
variations like solid-phase and fluorous synthesis, as well as microwave assisted and lack
of solvent or ionic liquids.
Nowadays, this multicomponent reaction is really interesting because of his fast,
clean and accessible DHPM products with therapeutic and pharmacological
characteristics. This propose represents a project of bibliographic investigation about
this reaction and it’s historical, mechanistic, structural and applications aspects; as well
as a ‘’green’’ approach to the reaction in order to update it’s significance and utility.
4
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. QUÍMICA VERDE
3. ASPECTOS HISTÓRICOS
4. ASPECTOS MECANÍSTICOS Y PROCEDIMIENTOS MEJORADOS
4.1. Mecanismos
4.2. Modificación de Atwal
4.3. Mejoras y alternativas
5. ASPECTOS ESTEREOQUÍMICOS
6. DIVERSIDAD MOLECULAR
7. APLICACIONES
7.1. Moduladores de los canales de calcio
7.2. Actividad antituberculosa
7.3. Actividad antiinflamatoria
7.4. Actividad antihiperglucémica
7.5. Actividad antimicótica
7.6. Actividad anticonvulsiva
7.7. Actividad antibacterial
7.8. Actividad antioxidante
7.9. Inhibidores de la actividad mitótica
7.10. Actividad antagonista del receptor α1a-adrenérgico
7.11. Polímeros funcionales
8. MÉTODO DE BÚSQUEDA
9. PARTE EXPERIMENTAL
9.1. Instrumental empleado
9.2. Preparación clásica de 6-metil-2-oxo-4-fenil-1,2,3,4-tetrahidro-5-
pirimidincarboxilato (DHPM)
9.3. Preparación clásica de DHPM reemplazando el ácido
9.4. Preparación verde de DHPM en agua y con HCl concentrado
9.5. Preparación verde de DHPM en agua y con p-toluensulfónico
9.6. Preparación verde de DHPM mediante molturación
9.6.1. Molturación con HCl concentrado
9.7. Preparación de DHPM asistido con microondas
9.7.1. Microondas fraccionado cada 5 minutos
9.7.2. Microondas fraccionado cada 2 minutos a 80º C
9.7.3. Microondas fraccionado cada 2 minutos a 60º C
9.7.4. Microondas fraccionado cada 2 minutos con 150 W
9.8. Resultados experimentales y conclusiones
10. APÉNDICE
10.1. Espectro de NMR
10.2. Espectro de masas
11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
5
1. INTRODUCCIÓN
Las reacciones multicomponente (RMCs) están adquiriendo una creciente
importancia en la química orgánica y medicinal. Gracias a su eficiencia, diversidad y
velocidad en el descubrimiento de nuevos compuestos con gran funcionalidad química,
se superponen sobre los procesos de síntesis lineales. En estas reacciones tres o más
componentes reaccionan juntos en un reactor, también conocidas como ‘’one-pot
reactions’’, del cual se obtiene productos con distintas porciones de todos los
componentes iniciales. Normalmente estos componentes iniciales son fáciles de
obtener ya sea comercialmente o a base de una sencilla síntesis que cubren un gran
rango de variaciones estructurales [1].
Una de estas RMCs es la reacción de Biginelli utilizada en la síntesis de
dihidropirimidinas (DHPMs). Esta reacción tricomponente fue propuesta por primera
vez por el químico italiano Pietro Biginelli en el año 1893. La reacción one-pot de
acetoacetato de etilo 1, un aldehído aromático 2 y urea 3 en una solución etanólica con
una cantidad catalítica de HCl a reflujo dio lugar a 3,4-dihidropirimidin-2(1H)-ona [2] de
manera sencilla, rápida y con rendimiento alto como se ve en el esquema 1; sin embargo
esta condensación no se hizo relevante hasta pasado un siglo desde su descubrimiento.
O H
2
Me O
EtOOCNH2
NH2 O
+
H+
EtOH,
NH
NH
OMe
EtOOC
1 34
Esquema 1. Reacción de Biginelli
En los años 1970 a 1980 la reacción volvio a ser de grán interes debido a las
propiedades de las DHPMs muy parecidas a las dihidropiridinas (DHP) como
moduladores de los canales de calcio del tipo nifedipina [3]. Actualmente mediante el
intercambio de los componentes iniciales por otros estructuralmente similares en la
reacción, uso de diferentes catalizadores, solventes y condiciones de la reacción; se
puede obtener una extensa variedad de compuestos con gran cantidad de funciones
biológicas entre las que se pueden destacar compuestos con acividad antihipertensiva,
anticancerígena, antimicrobial, antihiperglicémica, antiarrítmica, anti-inflamatoria,
analgésica, antibacterial, anti-HIV y antituberculosa [4]. Debido a la variedad de
funciones, el estudio en esta RMC se ha desarrollado considerablemete para adaptarse
a la preparación de productos en condiciones mas respetuosas con el medio ambiente
y con unos efectos secundarios menos dañinos.
6
En el presente trabajo se lleva a cabo una revisión bibliográfica sobre la reacción de
Biginelli haciendo énfasis en aspectos históricos, de diversidad estructural y aplicaciones
de la misma. Se destaca, asi mismo, las posibilades de llevarla mediante aproximaciones
‘’verdes’’ (green chemistry), siempre con la intención de obtener una visión actualizada
del alcance y utilidad de la misma.
La segunda parte del trabajo ha consistido en el estudio experimental de la reacción
con la intención de poner de manifiesto las ventajas y desventajas de métodos
alternativos en sintesis de DHPMs, sobre todo en el uso de la inducción con microondas
y la ausencia de disolvente.
2. QUÍMICA VERDE
La sintesis de productos se encuentra en constate crecimiento debido a la mayor
demanda de compuestos tanto ya existentes como nuevos compuestos, pero siempre
se ha buscado el hacer producto en si dejando de lado el cómo so hace. Con el paso del
tiempo esta actitud esta cambiando y se esta poniendo más énfasis también en cómo
se llega a obtener el producto, a esto es lo que se le llama ‘’química verde’’ [5] la cual
busca la forma de hacer compuestos de una mejor manera.
Esta química verde se centra en el estudio de hacer los procesos de una manera
más eficiente, segura y barata. Se tienen en cuenta distintos criterios [6] a la hora de
analizar las reacciones como pueden ser la cantidad de subproductos que la reacción
produce y que podrían ser reaprovechados, la economía atómica [7] que tiene en cuenta
el número de atomos que acaban en el producto deseado y los que acaban en
subproductos, los riesgos al usar ciertos reactivos o catalizadores que pueden ser
perjudiciales para el trabjador que los usa o para el ambiente y su reemplazo por unos
menos dañinos sin alterar en gran cantidad la sintesis de los productos, la eficiencia
energética usada en el método o el control de la polución y la prevención de riesgos del
método.
Las RMCs es un tipo de reacción de la química verde en la cual tres o más reactivos
reaccionan en una sola etapa para formar un producto el cual posee la gran mayoría de
los átomos de los compuestos iniciales. Se consideran reacciones de alta economía
atómica por no generar apenas subproductos además de ahorrar tiempo y costos de
producción y usa reactivos fácilmente adquiribles en el mercado [8] . En las RMCs, los
reactivos no reaccionan de manera concertada, sino en una consecución de procesos
secuenciados. Se reconocen tres tipos de RMCs [9] :
La RMC de tipo I es aquella en cuyos reactivos, intermediarios y productos
se encuentran en equilibrio dinámico. Los productos suelen estar mezclados
con los intermediarios y otros reactivos por lo que se complica su
aislamiento y purificación, además, genera productos secundarios que da
lugar a impurezas.
7
La RMC de tipo II posee sus reactivos en equilibrio, pero las reacciones
intermedias y final son irreversibles, haciendo que el equilibrio se desplace
hacia los productos.
La RMC de tipo III son secuencias de reacciones irrversibles, usuales en las
reacciones bioquímicas por sus circunstancias termodinámicas o la
combinación de reacciones endotérmicas con exotérmicas.
Esta clasificación es una idealización de los tipos de RMCs que pueden existir ya que
muchas reacciones no se pueden considerar de un tipo específico, aun así, la síntesis
ideal debería llevar al producto deseado con el número mínimo de pasos.
Otra técnica que se está empezando a utilizar es el conocido como ‘’grindstone
chemistry’’ [10] el cual es usado para reacciones exotérmicas como es el caso de la
reacción de Biginelli. Se caracteriza por no usar solventes, acelerar el tiempo de reacción
y obtener un rendimiento de reacción alto sin dañar el medio ambiente. Este método
consiste en moler los reactivos juntos, con la ayuda de compuestos que aumentan la
fricción si fuesen necesarios como el MgSO4·7H2O [11], ya sea manualmente o mediante
máquinas durante 5 – 10 minutos obteniendo el producto el cual sería necesario filtrar.
Además de ser un método poco costoso y rápido se puede usar para mezclas de
reactivos tanto sólido/sólido como sólido/ líquido o incluso líquido/líquido.
3. ASPECTOS HISTÓRICOS
La reacción de Biginelli debe su nombre al científico que la propuso, Pietro Giacomo
Biginelli [12], nacido el 25 de Julio de 1860, que aunque con unos orígenes modestos en
una villa pequeña se volvió un gran científico italiano. Gracias a la ayuda de su tío, un
influente sacerdote, y al estar bajo la tutela de Guareschi, una eminencia en el estudio
del naftaleno y su química, Biginelli terminó sus estudios en Torino nominado como
‘Aiuto alla cattedra di chimica organica’ por la escuela superior de agricultura de Milán.
Ya mostraba un temprano interés por las reacciones multicomponente en sus
primeros trabajos junto con Körner sobre un derivado de la cumarina trioxigenada
llamada fraxetin [13] y sus propios trabajos sobre reacciones del tipo Hantzsch [14] de etil
acetoacetato, amoníaco y aldehídos.
Después se mudó a Florencia atraído por la personalidad de Hugo Schiff, un
talentoso innovador en la química del tiempo, y trabajo en el Real Instituto de Estudios
Superiores de Florencia. Aquí fue donde fomento su interés por la química de la
condensación del grupo carbonilo.
Aquí fue donde realizó su trabajo sobre la reacción que lleva su nombre, la reacción
de Biginelli, la cual inicialmente empezó teniendo poca importancia como una reacción
de cadena abierta, la cual se consideró que tenía la estructura de crotoniluramato 5
como se ve en el esquema 2.
8
O H
2
Me O
EtOOCNH2
NH2 O
+
EtOH
NNH
OMe
COOEt
1 3
5
Reflujo
Esquema 2. Reacción multicomponente de aldehído, urea y acetoacetato de etilo propuesta
originalmente por Biginelli
Este descubrimiento por parte de Biginelli estaba basado en trabajos anteriores de
Behrend [15] y Schiff [16] en los cuales usaban urea en vez de amoníaco como reemplazo
en la química del grupo carbonilo. A partir de ello Biginelli investigó la reacción de
acetato de etilo y urea en presencia de aldehído, para ello, calentó urea 3, aldehído
salicílico 6 y acetoacetato de etilo 1 a reflujo en etanol absoluto por dos horas, obtuvo
un precipitado el cual filtró y lavó con etanol y recristalizó con el mismo solvente. Su
análisis evidenció que todos los componentes se habían incorporado en el nuevo aducto
al que se le asignó una estructura de uramidocrotonato 7 representado en el esquema
número 3.
O H
OH6
Me O
EtOOCNH2
NH2 O
+
EtOHNNH
OMe
COOEt
OH
1 3
7
Reflujo
Esquema 3. Primera reacción de Biginelli alegada por el autor
Después de comprobar las distintas posibilidades de reacción entre los distintos
reactivos en reacciones 2:1, Biginelli comprobó que la urea se comportaba como una
especie dinucleofílica en vez de como mononucleofilo de un simple nitrógeno por lo que
concluyó de que el aducto terciario poseía una estructura heterocíclica en vez de linear
llevando a dar un derivado de pirimidina.
Biginelli mejoró el rendimiento de estas reacciones mediante la adición de ácidos
de Brönsted e intercambiando por diferentes aldehídos con la misma reacción. Aun así
la reacción no destacó hasta la segunda mitad del siguiente siglo debido a que las
reacciones con urea no se consideraban como novedosas y la pirimidina solo era un
heterociclo raro.
9
Biginelli obtuvo el título de ‘privatdozent’ 8 años después de su graduación y se
mudó a Roma donde se convirtió en el asistente de la Cátedra de Química Farmacéutica
de Balbiano y conoció a su esposa Luigia Rizzini y su hijo Luigi con la que después
tuvieron un hijo propio.
Se convirtió en el asistente de Emanuele Paternó en el Laboratorio de Química del
Instituto Medicinal del Estado en el cual colaboró con el departamento de microbiología,
dirigido por Bartolomeo Gosio, para llevar a cabo el estudio del gas de Gosio, la segunda
aportación importante de Biginelli. Este gas demostró que varios microorganismos
podían vivir y crecer fácilmente en arsénico y desprendían una mezcla toxica de gases
de arsénico ligado a carbono [17]. Biginelli consiguió purificar eficientemente un derivado
órgano-arsenico del tóxico gas el cual era muy difícil trabajar con él por los riesgos que
conllevaban estos estudios. De esta forma Gosio declaro la purificación del ácido
micofenólico conocido hoy en día como un agente immunosupresivo [18].
A partir de este último descubrimiento Biginelli ya no volvió a participar en
investigación innovadora y se volcó en trabajos más analíticos del que cabe destacar un
método de detección de ácido pícrico en líquidos biológicos [19].
Su compromiso administrativo le llevo a ser premiado como ‘cavaliere’ y
‘Commendatore’ llegando a suceder a Paternó y convirtiéndose en el director del
Laboratorio Químico del Instituto de Sanidad Pública hasta su jubilación. Finalmente
vivió con su mujer en Corso hasta su fallecimiento el 15 de enero de 1937 tras haber
sufrido una apoplejía.
4. ASPECTOS MECANÍSTICOS Y PROCEDIMIENTOS MEJORADOS
4.1. Mecanismos
La reacción de Biginelli es una reacción ‘’one-pot’’ de tres componentes orgánicos:
un β-ceto éster 12, un aldehído aromático 8 y urea 3 o tiourea 9 para producir
dihidropirimidonas bajo condiciones ácidas. Comienza con la activación por protonación
del aldehído 8 por parte del ácido y el consiguiente ataque nucleófilo del grupo la amino
de la urea 3 o tiourea 9. La subsiguiente transferencia de protón conduce al alcohol
protonado 10 del cual se elimina H2O para formar un ion N-aciliminio 11 intermedio.
Este intermedio, a continuación, es atacado por la forma enólica del β-cetoéster 12. La
reacción del otro grupo amino al carbonilo activado produce un intermedio cíclico 13.
Se produce la transferencia del protón para así liberar H2O y la desprotonación
resultante da la pirimidona final 14. [20-22]
10
O
HR
H+
O+
H
H
R
NH2 NH2
X
O
H
H N+
NH2
X
H H
R
O+
H
H N NH2
X
HH
R
H2O
H
N+
NH2
X
HR
OR1
O O
R2
OR1
O O
R2
H
O
R1O
+
O
R2
N
NH2
X
H
H
R O
R1
O
O
R2
N
N+
X
H
H
H H
R
H+
O
R1
O+
O
R2
N
NH
X
H
H
H
R
H2OO
R1
O
R2
N
NH
+X
HH
R
O
R1
O
R2
N
NH
X
H
R
H+
8 10
11
12
13
14
X= O, 3
X= S, 9
X= O
X= S
Esquema 4. Mecanismo recomendado por Kappe [23]
Para ser más concretos en el esquema 4 es el mecanismo de reacción de Biginelli
recomendada por Kappe en 1997 que es el mecanismo actualmente más aceptado, pero
desde su descubrimiento hasta ahora se han desarrollado otros mecanismos anteriores
al más actual como son el mecanismo de Folkers y el mecanismo de Sweet.
El mecanismo de Folkers y sus colaboradores es de 1933 [24], representado en el
esquema 6, y parte de uno de los tres posibles productos primarios de reacción
bimolecular 15-17 del sistema urea/ aldehído/ acetoacetato.
11
NH2NH2
O
+NH
NH
CO
NH2
CO
NH2
H O
2x
15
NH2NH2
O
+
EtOOC
Me
ONH
NH2
OMe
EtOOC
16
EtOOC
Me
O+
H O
EtOOC
MeO
H
17
1
1
2
2
3
3
Esquema 5. Productos primarios de reacción bimolecular
Este autor consiguió demostrar experimentalmente que de los tres productos, solo
15 y 16 daban como resultado la pirimidina al reaccionar con el tercer componente,
mientras que 17 no reaccionaba, o daba muy bajo rendimiento, en su reacción con urea.
Puesto que podía demostrar que 16 se hidrolizó bajo las condiciones de reacción
empleadas, postuló la benzalbisurea 15 como el intermedio clave en la reacción de
Biginelli (figura 4). Más tarde Mamaev y sus colaboradores [25] demostraron que 15 es
un reactivo útil para las síntesis para una variedad de DHPM relacionadas. [2]
NH2NH2
O
+NH
NH
CO
NH2
CO
NH2
H O
2x15
32
OMe
EtOOC
NH
NH
NH
NH2
COOEt
MeO
O
1
NH
NH
EtOOC
Me O
H2O
4
Esquema 6. Mecanismo recomendado por Folkers [26]
12
En el mecanismo de Sweet y Fissekis, propuesto en 1973 [27] que se presenta en el
esquema 7, se sugiere que la condensación aldólica es el primer paso, además del paso
limitante, para la reacción originando el ion carbenio 18 propuesto como el intermedio
clave de la reacción. Al interaccionar el catión con la urea se produce el intermedio
adecuado para la ciclación a DHPM. También se demuestra que, al contrario de lo que
postula Folkers [24], el compuesto 17 si reacciona con urea cuando se encuentra
catalizado por un ácido fuerte dando un rendimiento de DHPM razonable. [2]
EtOOC
Me
O+
H O
MeO
H
O
EtO
H+
MeO
CH+
O
EtO
MeOH
CH+
O
EtO
NH
O
COOEt
Me
NH2
O
NH2 NH2
O
NH
NH
Me
COOEt
OH
2O
12
34
18
17
Esquema 7. Mecanismo recomendado por Sweet [26]
4.2. Modificación de Atwal
Partiendo de la reacción de Biginelli como base, Atwal y sus colaboradores
desarrollaron un procedimiento en 1987 conocido como ‘modificación de Atwal’. [28-30]
En esta primero se condensa una enona 17 , la cual se ha de sintetizar previamente, con
una urea 19 o tiourea 20 convenientemente protegida bajo condiciones ligeramente
básicas, para después desproteger 21 dando como resultado la DHPM deseada 4 o 22
con un alto rendimiento.
EtOOC
OMe
H
NH2
NH
X
R
+NaHCO3
DMF
N
NH
H
XR
EtOOC
Me
NH
NH
H
X
EtOOC
Me
Desprotección
17X = O, 19
X = S, 20 21 X = O, 4
X = O, 22
Esquema 8. Mecanismo modificado de Atwal
13
Aunque este procedimiento provee de DHPMs con una estructura más específica a
la reacción de Biginelli, sigue suponiendo un reto para la producción de estas DHPMs.
Para ello se investigan formas de hacer esta reacción más accesible, como el trabajo de
Etienne Pair y colaboradores [31] en el cual usan el método de Atwal modificado
comenzando con el ácido de Meldrum 23 en presencia de aldehídos 2 en condiciones
básicas para obtener una 5,6-dihidropirimidin-4-ona 24 que se usa como precursora de
compuestos bioactivos naturales.
O
O
O
OCH3
CH3
NH2
NH
X
R
+
OH
O
O
O
OCH3
CH3
Base
- Me2CO
- CO2
- H2O
NHN
XR
O
X = O, 19
X = S, 20
22324
Esquema 9. Reacción multicomponente Biginelli-Atwal modificada [31]
4.3. Mejoras y alternativas
Debido al interés farmacológico y terapéutico de los compuestos producidos por la
reacción de Biginelli se han estudiado formas de agilizar el proceso de reacción y
aumentar los rendimientos y la pureza de los productos mediante distintas técnicas. [32]
Se han creado librerías de DHPMs rápidamente mediante la generación asistida por
microondas la cual reduce considerablemente el tiempo de reacción de la reacción
original como Kappe y Stadler [33] que fueron capaces de preparar 48 compuestos en un
tiempo de 12 horas usando dicha técnica.
La síntesis en fase sólida mejora la reacción para la obtención de DHPMs
obteniéndolas con un gran rendimiento y ya que los subproductos que no se encuentran
unidos a la resina se pueden lavar fácilmente, se consiguen productos muy puros sin
apenas necesidad de purificarlos. [32] La primera modificación en fase sólida de la
reacción de Bigineli fue propuesta por Wipf y Cunningham en 1995 [34] en la que usan
una resina de Wang unida a urea 25, la cual se condensa con un exceso de β-cetoéster
12 y aldehído aromático 2 en THF a 55ºC y presencia catalítica de HCl obteniendo la
correspondiente DHPM que después es separada de la resina mediante TFA 26 tal y
como se ve en el esquema 10.
14
O HO
O
R2
O
R1
NH2
NH
O
O O
Resina
+
NH
N OR2
R1OOC
OH
O
1) THF, HCl, 55ºC
2) TFA
2512
2
26
Esquema 10. Reacción en fase sólida de la reacción de Biginelli
Otra variación parecida a la fase solida es la adaptación de la reacción de Biginelli en
condiciones de fase fluorosa desarrollada por Curran y colaboradores. [35,36] En este
protocolo se le añade un grupo fluorocarbonato adecuado a la urea o tiourea 27 para a
continuación reaccionar con su correspondiente acetoacetato 12 y aldehído aromático
2 en THF/BTF a 55ºC con HCl en presencia catalítica. Después se extrae la DHPM fluorosa
con disolventes fluorosos y luego se destila con TBAF y se purifica obteniendo la DHPM
28 con buenos rendimientos.
O HO
O
R2
O
R1 +
2712
2
28
O
O
Si(Rfh) 3
NH2
NH
O
NH
N
O
R2
R1OOC
O
O
Rfh
= C10
F21
CH2CH
2-
1) THF, HCl, 55ºC
2) Extracción FC-72
3)TBAF, THF/BTF
Esquema 11. Reacción en fase fluorosa de la reacción de Biginelli
Debido a que la reacción de Biginelli original tiene unos tiempos de reacción
medianamente largos y algunas de las optativas propuestas para la reacción usan
reactivos costosos, que son difíciles de trabajar e incluso tóxicos, se buscan opciones
más ‘’verdes’’ para la reacción para lo cual se ha probado a usar distintos tipos de
catalizadores que den resultados similares o mejores.
Se ha comprobado la mejora considerable de los rendimientos llevando a cabo la
reacción básica del esquema 1 con la actuación de un ácido inorgánico como catalizador
en distintos medios [37] y diferentes condiciones los cuales se representa en la tabla 1,
para los cuales el mejor resultado lo proporciona un medio acuoso a una temperatura
de 80ºC con un rendimiento del 92%.
15
Solvente Temperatura (ºC) Porcentaje
Agua 80 92
C2H5OH 70 80
CH3OH 40 60
CH3CN 75 40
CHCl3 60 35
DMSO 120 70
THF 55 20
Hexano 55 20
Sin solvente 100 20 Tabla 1. Efectos de los solventes en la reacción de síntesis de DHPM
En otro caso se ha usado un líquido iónico específico como es el ácido de Brønsted
1-butil-3-carboximetil-benzotriazol trifluoroacetato [C2O2BBTA][TFA] en ausencia de
solvente [38] en el cual el ácido puede ser reutilizado por unos 6 ciclos más sin presentar
disminución de la actividad catalítica, obteniendo además, unos rendimientos de DHPM
de entre 96% a 92%.
Se ha obtenido también buenos rendimientos de DHPMs, de hasta el 92%, mediante
el uso de un catalizador fotoquímico como es el sulfato de aluminio bajo luz visible [39]
el cual también reduce considerablemente el tiempo de reacción a alrededor de 85
minutos para su síntesis completa.
Incluso para librarnos de los problemas que conllevan los catalizadores orgánicos, la
mayoría tóxicos o dañinos para el medio ambiente, se ha estudiado la síntesis de DHPMs
usando zumo de frutas fáciles de obtener como son el de manzana, de uva y de granada
como medio de reacción, toda ella asistida por microondas [40] dando unos rendimientos
razonables.
5. ASPECTOS ESTEREOQUÍMICOS
La reacción de Biginelli es usada principalmente para la obtención de DHPMs
mediante un mecanismo ‘one-pot’ por lo que la conformación que estas puede adoptar
dependerá de los sustituyentes que se encuentren en los carbonos con posibilidad de
movimiento de la DHPM y que les proporcionara el gran número de funciones biológicas
que estas poseen. Los sustituyentes con capacidad de movimiento en la DHPMs son el
radical arilo en el C4 y el carbono del grupo éster del radical del C5 que son los únicos
que pueden rotar cambiando la conformación del producto en cuestión. [3]
16
CH3
4
NH3
2
NH1
6
5
O
O
O
CH3
Et
CH3
NHNH
CH3
O
O
Et
H NHNH
CH3
O
O
H
CH3
Et
sp ap
cis trans
confórmero-cis/sp confórmero-trans/ap
29 30 31
Esquema 12. Posibles conformaciones
En total se encuentran 4 conformaciones posibles para la DHPM, el grupo éster se
encuentra en disposición coplanar con el doble enlace (C5=C6) del anillo por lo que puede
tener conformación cis o trans; mientras que el grupo arilo adopta una conformación
antiperiplanar (ap) o syn- (sp) con respecto al C4 debido al sustituyente metilo que posee
el radical arilo. En todas las conformaciones el grupo arilo se encuentra en posición
perpendicular y axial a la DHPM. [41]
La configuración con la menor energía generalmente es el cis/sp 30, aunque los
otros rotámeros se encuentran solo unos pocos kcal/mol en energía por encima de este.
En general se puede encontrar las cuatro distintas formas geométricas sin que ninguna
posea algún tipo de preferencia estructural con respecto a las otras debido a la cercanía
estructural de los dos sistemas heterocíclicos. [41-45]
Debido a la importancia de estos sustituyentes específicos en las DHPMs ha sido
imperante el desarrollo de protocolos sintéticos para que nos proporcionen el
enantiómero específico con un gran rendimiento a los que se le conoce como síntesis
asimétrica que dan como resultado DHPMs enantioespecíficas mediante el uso de
catalizadores específicos y con unas condiciones exactas para obtener el enantiómero
deseado. [31, 46-51]
Se han estudiado distintos métodos de síntesis asimétrica, entre los primeros se
encuentra el de Zhu y colaboradores en 2005 [46] los cuales usaban catalizador quiral de
iterbio (esquema 13) el cual proporcionaba DHPMs con un alto rendimiento y
enantioselectividad, además de ser recuperable y ser reusado varios ciclos sin perder
capacidad.
17
Esquema 13. Esquema de reacción con catalizador de iterbio
Otro proceso en el que se usa un catalizador quiral fue estudiado por Gong y sus
colaboradores [47] los cuales usaban ácido fosfórico quiral para generar DHPMs con una
enantioselectividad moderada, método el cual usan posteriormente Goss y Schaus [48]
para sintetizar un inhibidor que induce pérdida de peso en ratas y conejillos de indias.
No solo se ha probado a cambiar el catalizador sino que también a cambiar el medio
como hace Mahmood Kamali [49] el cual usa un complejo quiral de cobre en medio
acuoso y en condiciones sin disolvente con una buena enantioselectividad y buenos
rendimientos.
Otras formas de obtener DHPMs enantioselectivamente [1] es mediante técnicas
preparativas de enantioseparación cromatográficas o HPLC enantioselectivos mediante
el uso de fases estacionarias quirales que se encuentran comercialmente disponibles en
análisis HPLC tanto normal como inverso. [52] También se ha reportado el uso de
electroforesis por capilaridad usando ammonium-β-ciclodextrin cuaternario como
buffer quiral para la separación de DHPMs. [53]
6. DIVERSIDAD MOLECULAR
Gracias al extenso trabajo con la reacción de Biginelli, debido a su importancia por
las aplicaciones para la salud de sus productos, se ha comprobado la gran variedad de
variaciones que pueden tener los tres componentes en su estructura. [2]
Con el aldehído aromático se ha demostrado que no solo puede tener bastantes
variaciones en el anillo sino que además este se puede sustituir por anillos alifáticos o
incluso heterociclos. Cabe destacar el interés por aldehídos derivados de carbohidratos
N
N
Yb
O
ON
N
Ph
Ph
N
X
NH2
Ph
H
H
COOR
OH CH3
CH3 OR
O O
NH2
X
NH2
N
NCH3
RO2C
Ph
H
H
X
+ +Yb(OTf)3
THF, RT
12
3
Yb(OTF)3
O H
18
los cuales producen DHPMs con un resto similar a azúcar en la posición del C4 como se
muestra en 32, 33 y 34 [54-61]. Otro grupo inusual para el aldehído es el α,β-dicloroetil
éter que con la reacción de Biginelli proporciona el derivado 4-clorometil 35 [62].
NH
NH
CH3
MeOOC
H
S
OHO
O
CH3
NH
NH
SCH3
MeOOC
HO
O
CH3
CH3
NH
NH
EtOOC
CH3 O
HO
OR
OR
NH
NH
OCH3
EtOOC
H
Cl
32 33 34 35
Esquema 14a. Variaciones en los reactivos de la reacción
Como el componente β-cetoéster en la reacción se suele usar los alquil
acetoacetatos, pero hay otros ésteres de ácidos acetoacetáticos alternativos que
también funcionan correctamente en la reacción de Biginelli como pueden ser β-
cloroetil acetoacetato, metil acetoacetato, 2-furanilmetil acetoacetato, bencil
acetoacetato y etiltio-acetoacetato; como ejemplo vemos el compuesto 36 resultado de
usar el éster del ácido fenilacético [63].
También se ha usado acetoacetamidas tanto primarias, como secundarias o
terciarias en lugar de esteres para producir pirimidin-5-carboxamidas 37 [64-67], mientras
que la urea puede ser reemplazada por ureas o tioureas substituidas. Cabe destacar las
ureas y tioureas monosustituidas en el N1 de las dihidropirimidinas como 38 [26, 63, 64, 66,
68, 69]. Los productos alquilados en el N3 de las DHPMs no se pueden obtener mediante
la reacción de Biginelli o por alquilación de derivados no substituidos, además las ureas
N,N’-disubstituidas no reaccionan bajo las circunstancias de nuestra reacción.
NH
NH
Ph
EtOOC
Ph O
NH
N
O
N
CH3
R
X
CH3
CH3
NH
N
Ph
EtOOC
CH3
R
X
36 37 38
Esquema 14b. Variaciones en los reactivos de la reacción
Como sabemos la reacción de Biginelli de tres reactivos se suele llevar a cabo en
disolución alcohólica con unas gotas de HCl concentrado o de ácido sulfúrico como
catalizador, pero se pueden usar otros medios que también dan resultados favorables
como son el ácido acético [24], ácido acético/ HCl [24], dioxano/ HCl [24] o ácido tartárico/
metanol [70].
19
7. APLICACIONES
Debido a la gran variedad DHPMs que se puede sintetizar a partir de la reacción de
Biginelli y sus consecuentes variaciones mediante pequeños cambios en la reacción
como con el intercambio de reactivos con estructura similar, se han obtenido DHPMs de
gran importancia para distintas actividades biológicas de las cuales voy a resaltar las
siguientes.
7.1. Moduladores de los canales de calcio
Las DHPMs son análogas a las dihidropiridinas (DHPs) del tipo nifedipina 39 el cual
es habitualmente usado para tratar enfermedades cardiovasculares tales como
hipertensión, anginas o arritmias cardiacas; por lo tanto presentan una actividad
farmacológica bastante similar a estas. Esta actividad fue estudiada por primera vez por
Khanina y sus colaboradores [71] demostrando que los β-aminoetil ésteres 40 poseen una
actividad hipotensora moderada además de propiedades de dilatadores coronarios.
Mediante la modificación en la estructura en su anillo se han obtenido DHPMs que
se asemejan más a la nifedipina mediante la adición de un grupo éster al nitrógeno 3 [72-
75] como pueden ser 41 y 42, proporcionándole una actividad vasodilatadora más
duradera e inicio más lento comparadas con las DHPs.
NH
CH3CH3
CO2MeMeO2C
O2N
NH
NH
OCH3
O
ON
H
Ph
N
N CH3CH3
Pr-iO2C
O2N
O
O
N
Ph
N
NH
SCH3
Pr-iO2C CO2Et
O2N
39 40
41
42
Esquema 15. Nifedipina y DHPMs análogas
Además se demostró que dependiendo del enantiómero De la DHPM que sea
poseerá distinta actividad como bloqueador de los canales de calcio, más
concretamente, esta actividad está regida por la configuración del carbono 4 tal como
lo explica Rovnyak [75] en su proposición de la conformación de las DHPs y DHPMs como
moduladores de los canales de calcio y que se muestra en la esquema 15. La orientación
20
del grupo arilo del C4 actúa como interruptor entre la actividad antagonista (grupo arilo
hacia arriba) y la agonista (grupo arilo hacia abajo), asimismo para que la actividad sea
óptima el grupo carbonil éster debería estar en posición cis con respecto al doble enlace
del anillo.
5 6
NH1
4
CH3
H
O
O
RX
NH
3 2
O
Grupo carbonil -endo
Grupo arilo abajo - ac. agonista Grupo arilo arriba - ac. antagonista
5 6
NH1
4
CH3
O
O
R
X NH
3 2
O
H
Esquema 16. Conformación para la actividad moduladora de los canales de calcio en DHP/DHPM
Los investigadores revelaron además que solo la parte izquierda de la molécula es
esencial para llevar a cabo esta actividad por lo que confiere más flexibilidad a las
DHPMs con respecto a las DHPs. [3, 76]
7.2. Actividad antituberculosa
Mediante la reacción de Biginelli, Trivedi [77] sintetizó nuevas DHPMs como
potenciales agentes antituberculosos 43(a-i). Se comprobó su actividad exponiéndolos
a una cepa de Mycobacterium tuberculosis con las cuales los compuestos dieron una
inhibición de entre un 90–100% tal y como se representa en la tabla 2 dando incluso
mejor actividad que los fármacos ya existentes.
NH
NH
N N
R
O
C2H5O
CH3 X
43a - X = O, R = NO2
43b - X = S, R = NO2
43c - X = S, R = CH3
43d - X = NH, R = Cl
43e - X = S, R = NO2
43f - X = O, R = Br
43g - X = O, R = CH3
43h - X = S-CH3, R = CH
3
43i - X = O, R = F43(a-i)
Esquema 17. DHPMs con actividad antituberculosa
Número del compuesto % de inhibición MIC µg/mL SI (SI=IC50/MIC)
43a 100 0.02 >500
43b 100 0.02 >500
43c 92 3.13 >3.2
21
43d 96 1.56 5.7
43e 94 3.13 >3.2
43f 91 3.13 3.0
43g 90 6.25 >1.6
43h 98 1.56 >6.4
43i 97 1.56 4.7
isoniazida --- 0.03 --- Tabla 2. Revisión de datos de actividad antituberculosa in vitro de DHPMs
Estos compuestos dieron una excelente guía para desarrollar nuevas moléculas
antituberculosas activas, en ellas se comprobó la importancia del carbono 3 del anillo
de pirazolilo ya que si se sustituye el grupo metilo por diferentes elementos
electronegativos, el compuesto se vuelve más activo.
7.3. Actividad Antiinflamatoria
El grupo de Sushilkumar [78] sintetizó una serie de DHPMs y evaluaron su actividad
antiinflamatoria dando unos resultados positivos. Esta evaluación se llevó a cabo
teniendo de referencia el diclofenaco sódico y mediante el test de edema de inducción
de carragenano en la pata de ratas albinas, la cual confirmó que los compuestos
prevenían el edema y mostraban poseer actividad antiinflamatoria.
NH
NH
OCH3OOH
SNH
NH
O
OH
S
Cl
OCH3
NH
NH
OCH3OOH
S
CH3
44
45
46
Esquema 18. DHPMs sintetizadas con notable actividad antiinflamatoria
Entre las moléculas sintetizadas cabe destacar la actividad presentada por los
compuestos 44, 45 y 46. Se observó que la presencia del grupo metoxifenilo en el
carbono 4 aumentaba la actividad en los compuestos, mientras que en el grupo fenil del
carbono 6 la reducía; por lo que se sustituyó el grupo fenil del carbono 6 por un grupo
p-clorofenil haciendo que la actividad volviese a aumentar.
7.4. Actividad antihiperglucémica
El equipo de Bhosle y colaboradores sintetizaron tiazolilmetoxifenilpirimidina [79]
para evaluar su actividad antihiperglucémica en ratas albinas macho con una cepa de
22
Sprague Dawley. Los resultados mostraban un control glucémico mediante la bajada del
nivel máximo de glucosa en sangre y del área bajo la curva del test de tolerancia de
sacarosa oral (OSTT). Los compuestos 47, 48, 49 y 50 mostraron la reducción de los
niveles de glucosa en sangre representados en la tabla 3, los cuales fueron comparados
con el fármaco estándar metformina.
NHNH
S
ON
NHNH
S
ON
OCH3
NHNH
S
ON
F
NHNH
S
ON
NO2
47 48
49
50
Esquema 19. DHPMs que presentan función antihiperglucémica
Número de compuesto
Dosis (mg/kg) % de mejora en OSTT
importancia
47 100 0.07 ---
48 100 1.05 ---
49 100 8.22 P < 0.05
50 100 7.04 P < 0.05
Metformin 100 14.1 P < 0.01 Tabla 3. Efecto de los compuestos frente al test de tolerancia de sacarosa oral (OSTT).
El que las moléculas poseen grupos flúor, nitro y metoxi en el anillo benzenoide tiene
un importante papel en esta actividad de la molécula, ya que controlan el
comportamiento acido de la misma mediante el efecto mesomérico del anillo
heterocíclico.
7.5. Actividad antimicótica
Debido a la gran bioactividad de DHPMs como el monastrol 51 y el piperastrol 52,
Wani y sus colaboradores [80] estudiaron nuevas moléculas con actividad fungicida
debido a la resistencia por parte de los hongos a los medicamentos ya existentes o las
características de estos mismos ya que suelen ser tóxicos, con poca biodisponibilidad o
interaccionan con otros fármacos. Para ello se basaron en la fluctosina 53, que
combinándolos con otros agentes antimicóticos, proporcionaba opciones terapéuticas
superiores; y sintetizaron DHPMs análogas las cuales daban una buena actividad
fungicida.
23
NH
NH
OH
O
EtO
CH3 S
NH
NH
O
O
SCH3
O
EtO
N
NH
NH2
F
O
NH
NH
O
EtO
CH3 X
NH
NH
O
OEt
CH3
X
NH
NH
O
EtO
CH3
X
51 52
53
54 X = O
55 X = S
56 X = O
57 X = S
Esquema 20. DHPMs con actividad fungicida
Estas DHPMs fueron evaluadas como fungicidas frente a ocho cepas diferentes de C.
albicans siendo 56 y 57 las que proporcionaban una mayor actividad frente a todas las
cepas estudiadas debido a que al ser bis-análogos poseen otro anillo bioactivo con
respecto a los mono-análogos 54 y 55 aumentando su estructuralidad por una mejor
interacción intermolecular conllevando a la mejora de su perfil biológico.
Cepas (C. albicans)
MIC (µg/ml)
53 54 55 56 57
ATCC 90028 4 64 32 16 2
074 8 125 125 32 2
072gr 16 250 125 125 32
002B1 4 32 16 4 1
003gr 4 250 64 32 8
004gr 32 500 500 125 32
004B1 8 125 32 8 1
0079gr 16 125 64 32 4 Tabla 4. Actividad antimicótica frente a cepas de C. albicans
7.6. Actividad anticonvulsiva
El grupo de Khanage [81] sintetizó nuevas pirimidinas las cuales contenían 1,2,4-triazol
las cuales evaluaron por su actividad anticonvulsiva mediante el método de convulsión
por electroshock máximo (MES). En el estudio se estimuló a ratones mediante
electrodos en las corneas y el medicamento se administró intraperitonealmente. Se
midió la destrucción de la extensión tónica de la pata posterior y se evaluó la actividad
24
anticonvulsiva en intervalos de entre media hora y cuatro horas de su administración.
Se compararon con la actividad de los medicamentos estándares fenitoina y
carbamazepina entre los que destacaron los compuestos 58, 59, 60, 61 y 62. Los grupos
electrón atrayentes del anillo fenólico en el carbono 6 de la DHPM producían un
incremento de la actividad.
NHN
SH
N
N
N
Cl
NHN
SH
N
N
N
Cl
NHN
SH
NN
NO2
NHN
SH
N
N
N
Br
NHN
SH
N
N
N
OCH3
OCH3
58 59
60 61
62
Esquema 21. DHPMs con actividad anticonvulsiva.
25
7.7. Actividad antibacterial
Attri y colaboradores evaluaron la actividad antibacteriana de los compuestos
mostrados en la esquema 21 [82]. Este análisis se hizo mediante un ensayo de difusión en
disco en la que se midió la zona de inhibición. En este método se añadió soluciones de
compuestos a placas Petri ya preparas con los cultivos de cada bacteria para después de
incubación medir la zona de inhibición producida por cada compuesto, además todas las
pruebas se hicieron por triplicado para cada compuesto en cada bacteria.
NH
NH
O
O
H5C2
CH3
NH
NH
O
O
H5C2
CH3
NO2
NH
NH
O
O
H5C2
CH3
Cl
NH
NH
O
O
H5C2
CH3
Cl
NH
NH
O
O
H5C2
CH3
Cl Cl
NH
NH
O
O
CH3
CH3
NO2
NH
NH
O
O
CH3
CH3
OCH3
NH
NH
O
O
CH3
CH3
Cl
NH
NH
S
O
H5C2
CH3
OCH3
NH
NH
S
O
H5C2
CH3
OCH3
NH
NH
C4H9
S
O
H5C2
CH3
6364 65 66
6768 69 70
71 72
73
Esquema 22. DHPMs que presentan actividad antibacteriana
Todos los compuestos poseían una actividad de moderada a buena frente a las
bacterias entre los que cabe destacar los compuestos 65, 66 y 67 por su buena actividad
inhibidora frente a todas las bacterias estudiadas debido a la presencia de halógeno en
el compuesto.
26
7.8. Actividad antioxidante
Kumar y sus colaboradores trabajaron con la actividad antioxidante en sus
moléculas, en 2009 [83] y la analizaron por el método de 2,2-difenil-1-picrylhydrazyl
(DPPH) 74 de las cuales las moléculas 75 y 76 dieron los mejores resultados. La fracción
del 3-nitrofenil en el 4º carbono de la DHPM mostro una buena capacidad antioxidante.
El método se basa en la decoloración de los radicales libres del DPPH, los cuales son
morados, que al reaccionar con donadores de hidrogeno se reducen a hidracinas y se
vuelve de color amarillo; es esta decoloración la que se detecta mediante mediciones
de absorbancia al añadir el antioxidante al DPPH.
NN
O2N
NO2
NO2NH
N XCH3
O
NH
Cl
NO2
CN
74
75 X = S
76 X = O
Esquema 23. DPPH y compuestos con actividad antioxidante.
El equipo de Atti no solo midió la actividad antibacteriana sino también su actividad
antioxidante en los compuestos 63-73 [82] el cual uso el mismo método DPPH dando
resultados de entre el 64,4 % al 17,3 % de inhibición siendo el compuesto con mejor
resultados la molécula 69.
7.9. Inhibidores de la actividad mitótica
Una práctica usual en el tratamiento contra el cáncer es interrumpir la etapa de
mitosis del ciclo celular mediante la perturbación de la dinámica de los microtúbulos e
impedir el ensamblaje de la horquilla de reproducción. Para este tipo de tratamiento
Mayer [84] identificó una DHPM que bloquea la formación de esta horquilla parando el
ciclo de reproducción llamada monastrol 51.
7.10. Actividad antagonista del receptor α1a-adrenérgico
La hiperplasia prostática benigna (BPH) es un progresivo agrandamiento de la
próstata que resulta en síntomas de obstrucción e irritantes [85]. Esta enfermedad se da
con más facilidad en personas mayores tal que el 70 % de los varones mayores de 70
años padecen síntomas asociados al BPH. Los medicamentos usados para tratar esta
enfermedad poseen efectos secundarios no deseados, por eso se busca otro tipo de
moléculas menos dañinas para las cuales se obtuvieron varios derivados de DHPMs.
27
N
NH
O
NH2 NH
O
OEt
N
Ph
CO2Me
F
F
N
NH
O
MeO NH
O
O
N
Ph
CH3
F
F
OMe
N
NH
O
MeO NH
O
OCH3
N
N
F
F
CONH 2
NH
NH
O
OMe
O
NH
F
F
N
F
7778
7980
Esquema 24. DHPMs con actividad antagonista del receptor α1a-adrenérgico
Se tomó como base la molécula 77 [86] la cual producía una buena afinidad y
selectividad con respecto a los receptores α1a y sin efectos secundarios importantes,
pero posee un potente µ-opioide agonista. Mediante la modificación de 77 se
obtuvieron las DHPMs 78, 79 y 80 [87-89] con la misma afinidad y selectividad sin el efecto
opioide de la original siendo 80 la DHPM con mayor potencial.
7.11. Polímeros funcionales
No solo se han encontrado aplicaciones farmacéuticas para las DHPMs, si estos se
polimerizan, se forman poliDHPMs los cuales poseen un gran control sobre sus
propiedades térmicas y se pueden usar como un adhesivo para metales, tal y como se
describe en los trabajos de Tao [90-93] y Meier [94].
8. MÉTODO DE BÚSQUEDA
Para realizar la búsqueda de toda la bibliografía se ha usado bases de datos como
Scifinder Scholar, ScienceDirect y WOS (Web Of Science) a través de la página web de la
universidad usando palabras clave para la búsqueda como son: dihydropyrimidines,
DHPMs, Biginelli, Biginelli’s reaction, dihydropyrimidines applications, application of
Biginelli’s reaction, Biginelli’s biography, hystory of Biginelli’s reaction, Atwal
modification, multicomponent reactions, one-pot reactions. Para realizar todas las
moléculas y las reacciones se ha usado el programa ChemSketch del ACD Labs Freeware
2012.
9. PARTE EXPERIMENTAL
Aquí se expondrá todos los procesos experimentales llevados a cabo para el estudio
de la reacción de Biginelli tanto como el equipamiento usado para llevarlo a cabo.
28
Para este segunda parte del trabajo se ha estudiado experimentalmente la reacción
de Biginelli para así recalcar las ventajas e inconvenientes al usar métodos alternativos
para la síntesis de DHPMs, entre los que destacamos el uso de inducción por microondas
y en ausencia de disolvente. Como ejemplo se ha usado la reacción entre benzaldehído,
acetoacetato de etilo y urea.
9.1. Instrumental empleado
El instrumental empleado para la caracterización de los compuestos durante el
proceso experimental fueron los siguientes:
Punto de fusión: Barstead Electrothermal 9100.
Resonancia Magnética Nuclear (RMN): Bruker ADVANCE-400, Centro de
instrumentación científico-Técnico (CICT). Se obtuvieron los espectros
correspondientes a 1H, 1H + D2O, 13C-DEPT, HMBC, NOESY, HSQC y COSY.
Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente disueltos en
dimetilsulfóxido hexadeuterado (DMSO-d6) y TMS como referencia interna.
Espectro de Masas (EM): por un lado se utilizó un espectrómetro de masas
cuádruplo-GC, que se trata de un espectrómetro de masas modelo Thermo
DSQ II con un analizador de iones tipo cuadrupolo acoplado a un
cromatógrafo de gases Trace GC Ultra de la misma casa.
Placas Silicagel Merck TLC 60 G: para cromatografía de capa fina
Disolventes utilizados: calidad HPLC
Microondas: CEM Discover monomodo.
9.2. Preparación clásica de etil 6-metil-2-oxo-4-fenil-1,2,3,4-tetrahidro-5-
pirimidincarboxilato (DHPM) [95]
En un matraz redondo de 25 mL, se prepara una mezcla con 2.05 mL (0.02 moles, 1
eq.) de benzaldehído, 3.93 mL (0.03 moles, 1.5 eq.) de acetoacetato de etilo y 1.22 g
(0.02 moles, 1 eq.) de urea en 10 mL de etanol.
Se le añade una gota de HCl concentrado y se calienta la disolución a reflujo. Para
controlar el progreso de la reacción se hacen comprobaciones con CCF analizando la
desaparición del benzaldehído. Al cabo de dos horas y media se comprueba que la
reacción ha terminado. El compuesto que se ha precipitado, se filtra a vacío y se lava
con etanol. Se obtiene un producto blanco cristalino.
Producto obtenido: 2.45 g
Punto de fusión: 198 º C
Rendimiento: 47 %
Se recristaliza en etanol caliente. Usaremos este producto recristalizado para hacer
las pruebas de RMN y EM. (Ver apéndices)
Punto de fusión: 200 º C
29
Punto de fusión bibliográfico: 202 – 203 º C
9.3. Preparación clásica de DHPM reemplazando el ácido [95, 96]
En un matraz redondo de 25 mL se prepara una mezcla con 2.05 mL (0.02 moles, 1
eq.) de benzaldehído, 3.93 mL (0.03 moles, 1.5 eq.) de acetoacetato de etilo y 1.22 g
(0.02 moles, 1 eq.) de urea en 10 mL de etanol.
Se le añade 0.01 g de ácido p-toluensulfónico y se calienta la mezcla a reflujo. Para
controlar el progreso de la reacción se hacen comprobaciones con CCF viendo la
desaparición del benzaldehído. Al cabo de dos horas y media se comprueba que la
reacción ha terminado.
La reacción se deja reposar hasta la aparición de precipitado. Este se filtra a vacío y
se lava con etanol. Se obtiene un producto blanco cristalino.
Producto obtenido: 0.28 g
Punto de fusión: 192 º C
Rendimiento: 5 %
9.4. Preparación verde de DHPM en agua y con HCl concentrado [96]
En un matraz redondo se añaden 5.17 mL (0.05 moles) de benzaldehído, 6.23 mL
(0.05 moles) de acetoacetato de etilo y 6 g (0.1 moles) de urea y en 15 mL de agua.
Se le añade 5 gotas de HCl concentrado y se agita la disolución vigorosamente a
reflujo hasta la aparición de un precipitado de color blanco al cabo de dos horas y media.
Este precipitado se filtra a vacío lavándose con agua. Una vez seco se pesa el compuesto.
Producto obtenido: 8.90 g
Punto de fusión: 183 º C
Rendimiento: 69 %
9.5. Preparación verde de DHPM en agua y con p-toluensulfónico [96]
En un matraz redondo se añaden 5.17 mL (0.05 moles, 1 eq.) de benzaldehído, 6.23
mL (0.05 moles, 1 eq.) de acetoacetato de etilo y 6 g (0.1 moles, 2 eq.) de urea y se
disuelven en 15 mL de agua.
Se le añade 0.25 g de ácido p-toluensulfónico y se agita la mezcla vigorosamente a
reflujo hasta la aparición de un precipitado de color blanco. Este precipitado se filtra a
vacío lavándose con agua. Una vez seco se pesa el compuesto.
Producto obtenido: 10.02 g
Punto de fusión: 181 º C
Rendimiento: 77 %
30
9.6. Preparación verde de DHPM mediante molturación [97]
Se prepara, en un mortero apropiado, una mezcla de 2.57 mL (0,025 moles, 1 eq.) de
benzaldehído, 3.24 mL (0.025 moles, 1 eq.) de acetoacetato de etilo y 3 g (0.05 moles, 2
eq.) de urea al que se le añade 200 mg de ácido p-toluensulfónico.
Se moltura la mezcla durante 5 minutos a temperatura ambiente hasta que se forma
una pasta blanca homogénea. Esta se filtra a vacío y se lava abundantemente con agua
hasta tener un sólido cristalino y no huela más a benzaldehído. Se pesa el producto.
Producto obtenido: 5.06 g
Punto de fusión: 177 º C
Rendimiento: 78 %
En las siguientes repeticiones del experimento, debido a los resultados que se
mostraran más adelante se hace una molturación más continuada y se cambia el ácido.
9.6.1. Molturación con HCl concentrado [97]
Se prepara, en un mortero apropiado, una disolución de 2.57 mL (0,025 moles, 1 eq.)
de benzaldehído, 3.24 mL (0.025 moles, 1 eq.) de acetoacetato de etilo y 3 g (0.05 moles,
2 eq.) de urea al que se le añade dos gotas de HCl concentrado.
La molturación se lleva cabo a temperatura ambiente por intervalos de 5 minutos
con un minuto de descanso y se repite hasta 4 veces para que el tiempo de reacción sea
de 20 minutos. Esta se filtra a vacío y se lava abundantemente con agua hasta tener un
sólido cristalino y no huela más a benzaldehído. Se pesa el producto.
Producto obtenido: 6.47 g
Punto de fusión: 174 º C
Rendimiento: 99 %
9.7. Preparación de DHPM asistido con microondas [98]
En un tubo de microondas se prepara una mezcla de 0.51 mL (0.005 moles, 1 eq.) de
benzaldehído, 0.99 mL (0.0075moles, 1.5 eq.) de acetoacetato de etilo y 0.31 g (0.005
moles, 1 eq.) de urea en 2 mL de etanol.
Se le añade una gota de HCl concentrado y se introduce en el microondas. Este se
programa a 300 W de potencia con una rampa de 2 minutos y un tiempo de reacción de
20 minutos a una temperatura de 120 ºC y una presión de 280 PSI.
Una vez transcurridos los 20 minutos, se deja enfriar apareciendo una masa
amarillenta, la cual se filtra a vacío y se lava con abundante agua hasta tener un sólido
cristalino blanco el cual se pesa y se mide su punto de fusión.
Producto obtenido: 0.30 g
31
Punto de fusión: 180 º C
Rendimiento: 23 %
Ya que no se puede ver cuando se completa exactamente la reacción, en las
siguientes repeticiones se fracciona el tiempo de reacción y en concentraciones
equimolares de reactivos.
9.7.1. Microondas fraccionado cada 5 minutos [98]
La mezcla se compone de 1.06 mL (0.01 moles, 1 eq.) de benzaldehído, 1.29 mL (0.01
moles, 1 eq.) de acetoacetato de etilo y 0.61 g (0.01 moles, 1 eq.) de urea en 1 mL de
etanol y con una gota de HCl concetrado.
El microondas se programa a 300 W de potencia con una rampa de 2 minutos y un
tiempo de reacción de 5 minutos a una temperatura de 120º C y una presión de 280 PSI.
Cuando este termina se hace una placa fina para comprobar la desaparición de
benzaldehído y se vuelve a hacer el proceso hasta 3 veces en la cual ya no muestra
benzaldehído en la disolución.
Producto obtenido: 2.26 g
Punto de fusión: 170 º C
Rendimiento: 87 %
9.7.2. Microondas fraccionado cada 2 minutos a 80º C [98]
La mezcla se compone de 1.06 mL (0.01 moles, 1 eq.) de benzaldehído, 1.29 mL (0.01
moles, 1 eq.) de acetoacetato de etilo y 0.61 g (0.01 moles, 1 eq.) de urea en 1 mL de
etanol y con una gota de HCl concetrado.
El microondas se programa a 300 W de potencia con una rampa de 2 minutos y un
tiempo de reacción de 2 minutos a una temperatura de 80º C y una presión de 280 PSI.
Cuando este termina se hace una placa fina para comprobar la desaparición de
benzaldehído y se vuelve a hacer el proceso hasta 6 veces en la cual ya no muestra
benzaldehído en la disolución.
Producto obtenido: 1.44 g
Punto de fusión: 196 º C
Rendimiento: 55 %
9.7.3. Microondas fraccionado cada 2 minutos a 60º C [98]
La mezcla se compone de 1.06 mL (0.01 moles, 1 eq.) de benzaldehído, 1.29 mL (0.01
moles, 1 eq.) de acetoacetato de etilo y 0.61 g (0.01 moles, 1 eq.) de urea en 1 mL de
etanol y con una gota de HCl concetrado.
32
El microondas se programa a 300 W de potencia con una rampa de 2 minutos y un
tiempo de reacción de 2 minutos a una temperatura de 60º C y una presión de 280 PSI.
Cuando este termina se hace una placa fina para comprobar la desaparición de
benzaldehído y se vuelve a hacer el proceso hasta 6 veces en la cual ya no muestra
benzaldehído en la disolución.
Producto obtenido: 2.54 g
Punto de fusión: 183 º C
Rendimiento: 98 %
9.7.4. Microondas fraccionado cada 2 minutos con 150 W [98]
La mezcla se compone de 1.06 mL (0.01 moles, 1 eq.) de benzaldehído, 1.29 mL (0.01
moles, 1 eq.) de acetoacetato de etilo y 0.61 g (0.01 moles, 1 eq.) de urea en 1 mL de
etanol y con una gota de HCl concetrado.
El microondas se programa a 150 W de potencia con una rampa de 2 minutos y un
tiempo de reacción de 2 minutos a una temperatura de 60º C y una presión de 280 PSI.
Cuando este termina se hace una placa fina para comprobar la desaparición de
benzaldehído y se vuelve a hacer el proceso hasta 6 veces en la cual ya no muestra
benzaldehído en la disolución.
Producto obtenido: 1.45 g
Punto de fusión: 191 º C
Rendimiento: 56 %
Al hacer experimentos en microondas y sin solvente se obtenían resultados con muy
malos rendimientos y descomposición del producto.
9.8. Resultados experimentales y conclusiones
Recogemos en una tabla todos los resultados experimentales de las experiencias
antes descritas con el peso del producto, sus puntos de fusión y sus rendimientos; y
comparamos los resultados entre ellos.
O H
2
Me O
EtOOCNH2
NH2 O
+ Condiciones NH
NH
OMe
EtOOC
1 3
4
+
Esquema 25. Reacción general de Biginelli.
33
Entrada 1 2 3 Condiciones Tiempo (biblio.)
Punto fusión
Rendimiento (biblio.)
9.2 0.03 (1.5-eq.)
0.02 (1-eq.)
0.02 (1-eq.)
EtOH, reflujo, HCl
2.5 h (2h)
198.2 47% (20-80%)
9.3 0.03 (1.5-eq.)
0.02 (1-eq.)
0.02 (1-eq.)
EtOH,reflujo, p-toluensulfónico
2.5 h (2h)
192.1 5% (20-80%)
9.4 0.05
(1-eq.) 0.05
(1-eq.) 0.1 (2-
eq.) H2O, reflujo,
HCl 2.5 h (2h)
183.2 69% (90%)
9.5 0.05
(1-eq.) 0.05
(1-eq.) 0.1 (2-
eq.) H2O, reflujo, p-toluensulfónico
2.5 h (2h)
181.3 77% (90%)
9.6 0.025 (1-eq.)
0.025 (1-eq.)
0.05 (2-eq.)
Sin solvente, Tº ambiente, p-
toluensulfónico
5 min (2-3 min
177.3 78% (93%)
9.6.1 0.025 (1-eq.)
0.025 (1-eq.)
0.05 (2-eq.)
Sin solvente, Tº ambiente, HCl
20 min (2-3 min)
174.8 99% (93%)
9.7 0.0075
(1.5-eq.)
0.005 (1-eq.)
0.005 (1-eq.)
EtOH, 120 ºC, HCl
20 min (20 min)
180.5 23% (95%)
9.7.1 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) EtOH, 120 ºC,
HCl 15 min
(20 min) 170.1 87% (95%)
9.7.2 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) EtOH, 80 ºC,
HCl 12 min
(20 min) 196.3 55% (95%)
9.7.3 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) EtOH, 60 ºC,
HCl 12 min
(20 min) 183.7 98% (95%)
9.7.4 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) 0.01
(1-eq.) EtOH, 60 ºC,
HCl 12 min
(20 min) 191.5 56% (95%)
Tabla 5. Resultados experimentales.
En 9.3 al cambiar el ácido de HCl a p-toluensulfónico el rendimiento de la
reacción disminuye considerablemente.
En 9.4 el cambio de agua por etanol produce un mayor rendimiento que la
reacción original aunque disminuye la pureza.
La reacción 9.5 vuelve a aumentar el rendimiento al cambiarle, además del
medio, el ácido con respecto a 9.4 pero vuelve a bajar levemente la
temperatura de fusión.
En la reacción 9.6 se obtiene un mayor rendimiento que las anteriores sin
necesidad de subirle la temperatura y reduciendo considerablemente el
tiempo de reacción, pero el punto de fusión obtenido es bastante más bajo
que con la original.
En la reacción de 9.6.1 se confirman los datos de 9.6 mejorando el
rendimiento de la reacción debido al mayor tiempo de molturación, sin subir
la temperatura a la reacción y sin variar su punto de fusión.
34
En 9.7 se disminuye considerablemente el tiempo de reacción y se obtiene
un punto de fusión ligeramente más bajo que la reacción original, aunque
obtenemos un rendimiento bastante más bajo.
En 9.7.1 se obtiene un mejor control de la reacción al fraccionar los tiempos
de reacción produciendo una disminución del tiempo de reacción y una
mejora del rendimiento aunque vuelve a bajar la temperatura de fusión.
En 9.7.2 se disminuye la temperatura de la reacción y se fracciona aún más
los tiempos de reacción haciendo que vuelva a bajar el tiempo de reacción y
aumenta la temperatura de fusión acercándose a la temperatura del
producto original.
En la reacción 9.7.3 se vuelve a disminuir la temperatura de reacción
obteniéndose un buen rendimiento y bajando el punto de fusión.
En 9.7.4 se cambia la potencia del microondas lo que produce un resultado
bastante parecido al obtenido en la reacción 9.7.2.
Las reacciones en agua mejoran el rendimiento de la reacción con respecto a etanol
y disminuyen el punto de fusión; las reacciones de molturación aumenta
considerablemente el rendimiento y disminuyen el tiempo de reacción mientras que
disminuye el punto de fusión del producto; por último las reacciones con microondas
disminuyen considerablemente el tiempo de reacción además de estar más controladas,
los productos tienen un punto de fusión cercano al original y poseen un rendimiento
normal-bueno.
En todos los casos se han obtenido rendimientos menores que los presentes en
bibliografía [95, 96, 97, 98] y también menor pureza. Según se desprende de los datos de
punto de fusión, los productos obtenidos en 9.2, 9.3, 9.7.2, 9.7.4, son de suficiente
pureza para no necesitar recristalización y pueden ser utilizados directamente.
De todos los procedimientos, los que utilizan agua, molturación y microondas son
los que mejor resultados presentan, es decir los ‘’verdes’’, especialmente se recomienda
la experiencia 9.6.1 ya que presenta un rendimiento casi cuantitativo y se lleva a cabo
sin solvente y a temperatura ambiente, aunque en este caso es recomendable
recristalizar el producto al presentar un punto de fusión algo bajo.
Lo mismo se puede indicar para la experiencia 9.7.3, prueba realizada en microondas
a 60 º C, con un rendimiento casi cuantitativo y ahora una mejor pureza que no requiere
de recristalización.
10. APÉNDICE
Aquí se muestran los espectros obtenidos de la recristalización del compuesto 9.2
obtenidos en disolución de DMSO-d6 y TMS como referencia interna. Para la asignación
de todas las señales de H1 y C13 se han realizado experimentos bidimensionales. La
asignación coincide con la encontrada en la bibliografía [98].
35
10.1. Espectro de NMR
Espectro de NMR de H1
Esquema 26. Espectro de H1
Esquema 27. Espectro de H1 ampliado
36
Espectro NMR de H1 + D2O
Esquema 28. Espectro de H1 + D2O
Espectro NMR de C13-DEPT
Esquema 29. Espectro de C13-DEPT
37
Espectro NMR de HMBC
Esquema 30. Espectro de HMBC
Espectro NMR de NOESY
Esquema 31. Espectro de NOESY
38
Espectro NMR de HSQC
Esquema 32. Espectro de HSQC
Espectro RMN de COSY
Esquema 33. Espectro de COSY
39
Caracterización de la molécula
El estudio de los espectros nos proporciona la asignación de los H y C de nuestro
compuesto que resumimos en las siguientes tablas.
o Tabla de asignación de H
CH3 - CH2 - CH3 - (6)
H - (4) N-H (3) N-H (1) Hm Ho y Hp
ʆ (ppm) 1.09 T
3 H
3.98 C
2 H
2.25 S
3 H
5.16 D
1 H
7.72 SA 1 H
9.18 SA 1 H
7.28-7.34 M
2 H
7.20-7.26 M
3 H
J (Hz) 7.0 7.0 ---- 3.35 ---- ---- ---- ---- Tabla 6. Asignación de H
S = singlete, SA = singlete ámplio, D = duplete, T = triplete, C = cuadruplete, M =
multiplete.
o Tabla de asignación de C
C-2 C-4 C-5 C-6 COO-
CH3
-CH2
CH3
-CH2
CH3
- (6)
Ci C-o C-m C-p
ʆ (ppm)
152.1
54.0
99.3
148.3
165.3
14.0
59.2
17.7
144.8
126.2
128.4
127.2
Tabla 7. Asignación de C
40
10.2. Espectro de masas
Esquema 34. Espectro de masas
M+ (C14H16N2O3+)
M+ - 29 (CH3CH2)
M+ - 77 (C6H5)
41
Esquema 35. Listado de intensidad de picos en espectro de masas
42
11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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