síntesis de compuestos fotoactivos con potenciales propiedades
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Elena Contreras García
Diego Sampedro Ruiz
Facultad de Ciencias, Estudios Agroalimentarios e Informática
Grado en Química
2013-2014
Título
Director/es
Facultad
Titulación
Departamento
TRABAJO FIN DE GRADO
Curso Académico
Síntesis de compuestos fotoactivos con potenciales propiedades antibióticas
Autor/es
© El autor© Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2014
publicaciones.unirioja.esE-mail: [email protected]
Síntesis de compuestos fotoactivos con potenciales propiedades antibióticas,trabajo fin de grado
de Elena Contreras García, dirigido por Diego Sampedro Ruiz (publicado por laUniversidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia
Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 3.0 Unported. Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden solicitarse a los
titulares del copyright.
Síntesis de compuestos fotoactivos
con potenciales propiedades
antibióticas
Elena Contreras García
Grado en Química
2013/2014
Durante este año en el grupo de fotoquímica orgánica he aprendido muchas cosas,
y por eso, quiero dar las gracias a todos sus integrantes antes de desarrollar el contenido
de mi trabajo.
En primer lugar al director de este trabajo, Diego, por todo lo que me ha enseñado
y por contestar siempre a mis preguntas con una sonrisa.
También a dos personas sin las que para mí hacer este trabajo hubiese sido mucho
más difícil: a David, que ha estado conmigo desde el primer día ayudándome en todo y
sin perder la paciencia ni el optimismo. Y a Cristina, que ha puesto todo de su parte para
que este trabajo llegara a tiempo.
Por supuesto al resto de personas que forman parte del grupo, tanto a los
profesores Pedro y Miguel Ángel, como a mis compañeros Raúl, Rocío, Fernando y
Juanjo por los buenos momentos que hemos pasado juntos.
También agradecer a los compañeros del grupo de síntesis orgánica
estereoselectiva ya que siempre que he necesitado algo han sido muy amables.
Finalmente me gustaría dar las gracias tanto a mi familia como a mi pareja por
haberme apoyado durante estos cuatro años.
Resumen
Durante este trabajo de fin de grado se desarrollan la síntesis y el estudio
fotoquímico de nuevos interruptores moleculares. Dichos interruptores están basados en
estructuras de origen natural, más concretamente en dos tipos de proteínas conocidas
como fitocromo y proteína verde fluorescente. Además, otra parte de sus estructuras están
inspiradas en el antibiótico denominado ciprofloxacina por lo que se espera que tengan
aplicación bactericida.
Tras llevar a cabo su síntesis se realizará un análisis de su comportamiento
fotoquímico que servirá para comprobar si las estructuras sintetizadas pueden ser
utilizadas como interruptores moleculares.
Abstract
This work is focused on the synthesis and photochemical study of new molecular
switches.The structures of these switches are based on compounds of natural origin, more
specifically in two types of proteins known as green fluorescent protein and phytochrome.
Also other part of their structures are inspired in the antibiotic known as ciprofloxacin so
it is expected that they have bactericidal applications.
After carrying out their synthesis, an analysis of the photochemical features will
be made to check whether the synthesized structures can be used as molecular switches.
Índice
Abreviaturas……………………………………………………………………………..4
1. Introducción……………………………………………………………………….....5
2. Antecedentes………………………………………………………………………....8
2.1. Interruptores moleculares accionados fotoquímicamente……………………...9
2.2. Diferencias entre interruptor, rotor y motor molecular………………………...10
2.3. Tipos de interruptores moleculares……………………………………….....….10
2.4. Aplicaciones de los interruptores moleculares………………………………...14
3. Objetivos……………………………………………………………………….……16
4. Estudio fotoquímico………………………………………………..…………..…....18
4.1. Síntesis de nuevos interruptores moleculares…………………………...……..19
4.2. Irradiación de nuevos prototipos de interruptores moleculares………………..22
5. Conclusiones……………………………………………………………….………..29
6. Parte experimental………………………………………………………….…….….31
6.1. Consideraciones generales…………………………………………….……….32
6.2. Síntesis de interruptores moleculares basados en la estructura del cromóforo de
la GFP…………………………………………………………………….……33
6.3. Síntesis de interruptores moleculares basados en la estructura del cromóforo del
fitocromo………………………………………………………………………35
6.4. Caracterización de interruptores moleculares…………………………….……36
7. Anexo: Espectros de RMN……………………………………………….………….38
Abreviaturas
4
c Cuatriplete (en RMN)
13C RMN Resonancia magnética nuclear de 13C
CCF Cromatografía de capa fina
d Doblete (en RMN)
ES (+) Electrospray con detección de ion positivo
ES (-) Electrospray con detección de ion negativo
GFP Proteína verde fluorescente
1H RMN Resonancia magnética nuclear de 1H
h Luz, fotones, irradiación
M Molaridad
MS Espectrometría de masas
s Singlete (en RMN)
S0 Estado fundamental
t Triplete (en RMN)
TMS Tetrametilsilano
UV-Vis Ultravioleta-visible
δ Desplazamiento químico
ε Coeficiente de absorción molar
λ Longitud de onda
1. Introducción
1. Introducción
6
La fotoquímica es la disciplina que estudia las reacciones químicas iniciadas por
la absorción de energía en forma de radiación visible, ultravioleta o infrarroja. El ejemplo
más importante de reacción fotoquímica es la fotosíntesis, donde la materia inorgánica se
transforma en orgánica. Los organismos que llevan a cabo la fotosíntesis fijan en forma
de materia orgánica en torno a 100.000 millones de toneladas de carbono al año. Para
llevar a cabo esta tarea la fuente de energía empleada es la luz solar, una fuente de energía
renovable y económica.
En la naturaleza se encuentra por tanto la mayor fuente de inspiración para la
ciencia, cuyo afán ha de ser imitar su funcionamiento y mejorarlo en la medida que sea
posible.
El comienzo de la fotoquímica orgánica se le atribuye a Trommsdorff en 1834,
quién observó que los cristales de α-santonina al ser expuestos a la luz cambiaban de
color. Esta transformación se debía a un proceso de isomerización.1
A comienzos del siglo XX, la fotoquímica apenas se había desarrollado como
ciencia. A pesar de esto, muchas reacciones habían sido descubiertas debido a la
exposición accidental o intencionada de los sustratos a la luz solar. La “primera ley de la
fotoquímica” establece que la luz debe ser absorbida por una sustancia química para que
dé lugar a una reacción fotoquímica. Esta ley había sido reconocida por Grotthus (1817)
y Draper (1843), aunque la naturaleza cuántica de la luz y sus consecuencias en este área
estaban aún por descubrir.
Hasta ese momento las reactividades eran descritas sin hacer referencia a la
naturaleza electrónica de las especies excitadas. Más tarde, a mediados del siglo XX, se
confirmó experimentalmente la existencia del estado triplete (Terenin y Ermolaev).
Al mismo tiempo se descubrió la técnica de fotólisis por destello láser (R. G. W.
Norrish y G. Porter) que hizo posible la detección de intermedios transitorios.
En la década de los 70, la mayoría de los principios básicos de esta disciplina
estaban establecidos y el rápido avance tecnológico permitió el crecimiento en este área.
1 H. Trommsdorf, Ann. Chem. Pharm. 1834, 11.
1. Introducción
7
Se sabe que los organismos son capaces de responder al estímulo de la luz dando
lugar a una amplia variedad de respuestas, desde la fotosíntesis explicada anteriormente,
hasta la visión de los seres vivos. Ésto es debido a la presencia de fotoproteínas, que al
recibir el estímulo de la luz experimentan un cambio en su conformación o estructura. La
estructura de las proteínas determina la reactividad de las mismas, y por lo tanto, un
cambio en la conformación puede llevar al aumento o disminución de su actividad o
incluso a su desactivación de manera temporal o permanente si se produce la
desnaturalización.
No toda la estructura de dichas proteínas presenta respuesta al estímulo de la luz,
sino que este hecho es debido a una parte denominada cromóforo. Un cromóforo se puede
definir como una sustancia capaz de absorber energía de una determinada longitud de
onda que depende de su estructura. De este modo el control fotoquímico de procesos
biológicos es resultado de la excitación fotoquímica y la reacción posterior que se da lugar
a través del cromóforo.
El cromóforo absorbe un fotón y pasa del estado fundamental (S0) a un estado
electrónico excitado, a través del cual se produce una reacción fotoquímica dando lugar
a los productos. Esta reacción puede dar lugar a distintos procesos:
Ruptura de enlaces.
Isomerización
Formación de nuevos enlaces.
Los compuestos que se van a estudiar durante este trabajo están basados en
cromóforos de origen natural como el de la proteína verde fluorescente. Durante el
transcurso del mismo se abordará tanto su síntesis como su capacidad de
fotoisomerización.
2. Antecedentes
2. Antecedentes
9
2.1. Interruptores moleculares accionados fotoquímicamente
Un interruptor molecular es un sistema molecular que puede ser intercambiado
reversiblemente entre dos estados por el efecto de una acción externa.
Figura 2.1. Esquema de un proceso de isomerización tras la fotoexcitación del cromóforo.
Se han utilizado tres tipos de estímulos para inducir el movimiento mecánico
requerido para activar interruptores moleculares: químicos, electroquímicos y
fotoquímicos.
Es conveniente seleccionar el estímulo adecuado para que el dispositivo
molecular funcione y a su vez los residuos generados sean mínimos. De esta forma los
productos secundarios no se acumularán en el medio de reacción. Teniendo esto en cuenta
los mejores estímulos son los fotones o los electrones, siempre y cuando estos últimos
provengan de fuentes electroquímicas que no sean reacciones redox.
Más concretamente, la energía fotoquímica presenta una serie de ventajas aparte
de las ya mencionadas:
La luz se puede apagar y encender fácilmente.
Los láseres proporcionan energía monocromática de alta intensidad en un espacio
muy pequeño.
Los fotones, además de proporcionar la energía deseada, pueden ser útiles para
leer el estado del sistema, por lo que seremos capaces de controlar la operación
del dispositivo molecular.
Si existe la posibilidad de emplear luz solar, tendremos una fuente de energía
limpia y renovable.
h1
h2
2. Antecedentes
10
La energía lumínica puede llevar a cabo la fotoisomerización de dobles enlaces
presentes en la estructura de los interruptores moleculares como: -C=C-, -C=N-, -N=N-.
2.2. Diferencias entre interruptor, rotor y motor molecular
Un interruptor, como se ha explicado en el anterior apartado sólo tiene dos
posiciones, encendido y apagado.
Un rotor, en cambio, se define como un dispositivo capaz de rotar en varias
direcciones a través de un movimiento continuo.
Por último, un motor debe girar unidireccionalmente con un movimiento continuo.
Para poder sintetizarlos se deben satisfacer tres criterios:
Rotación repetitiva de 360⁰.
Consumo de energía que se emplea en el movimiento.
Control en la dirección de giro. Esta se puede controlar introduciendo en la síntesis
del motor diversos factores químicos, como pueden ser la existencia de centros
quirales en la molécula o la existencia de puentes de hidrógeno que favorezcan el
giro en un sentido.
2.3. Tipos de interruptores moleculares
La mayor parte de interruptores moleculares se pueden clasificar en dos grandes
categorías atendiendo a la reacción que llevan a cabo: isomerización y ciclación.
Fulgidas, diariletenos, espiropiranos y dihidroazulenos han sido muy utilizados
como interruptores moleculares en procesos de fotociclación y fotorreversión.
En este trabajo se estudiarán los interruptores basados en la isomerización E/Z.
Hasta la fecha existen tres grandes grupos basados en dicha isomerización: azobencenos,
alquenos impedidos y los basados en la estructura del cromóforo de la rodopsina.
2. Antecedentes
11
2.3.1. Azobencenos
Los azobencenos son los compuestos más utilizados en la síntesis de interruptores.
Esto es debido a su alta eficiencia en la absorción de luz y en el proceso de
fotoisomerización, así como al gran cambio conformacional que se produce entre los dos
isómeros Z y E. Además de éstas, probablemente la principal razón de su amplio uso sea
la facilidad a la hora de realizar su síntesis. Existen diversas formas de sintetizar estos
compuestos:
Acoplamiento oxidativos de aminas aromáticas.2
Reducción de compuestos aromáticos con el grupo nitro.3
Acoplamiento de aminas con compuestos con el grupo nitroso.4
Acoplamiento azo.5
2.3.2. Alquenos impedidos
Estos interruptores han sido objeto de estudio durante los últimos años. Su
estructura básica consiste en dos partes aromáticas asimétricas conectadas mediante un
doble enlace.
Figura 2.2. Estructura básica y proceso de fotoisomerización de alquenos impedidos.
2 M. Hirano, S. Yakabe, H. Chikamori, J. H. Clark, T. Morimoto, J. Chem. Res. (S), 1998, 770. 3 J. H. Kim, J. H. Park, Y. K. Chung, K. H. Park, Adv. Synth. Catal., 2012, 354, 2412-2418. 4 S. Zarwell, K. Ruck-Braun, Tetrahedron Lett., 2008, 49, 4020. 5 M. H. Lee, B. K. Cho, J. Yoon, J. S. Kim, Org. Lett., 2007, 9, 4515.
X = CH2, O, SO2, S
Y = C, O, S, C(CH3)3… R1, R2, R3 = H, alquil, OCH3, NO2
h
h´
2. Antecedentes
12
Por razones estéricas ambas partes pierden su planaridad adoptando una estructura
helicoidal como ocurre en los helicenos.
En la síntesis de alquenos impedidos, el paso crucial es la formación del doble
enlace central C=C. El impedimento estérico, que es la clave del funcionamiento de estos
compuestos, dificulta la formación de este doble enlace. A pesar de estos obstáculos se
han desarrollado diversos métodos de síntesis:
Reacción de McMurry.6
Acoplamiento diazo-tiocetona.7
Plantilla quiral.8
2.3.3. Basados en la estructura del cromóforo de la rodopsina
Este tipo de interruptores son los más recientes y están basados en la estructura de
la base de Schiff protonada del retinal (PSB), el cromóforo de la rodopsina. Es uno de los
ejemplos más importantes que existen en la naturaleza de motor molecular que funciona
a través de una fotoisomerización E/Z.
Se sabe que la isomerización Z-E del cromóforo del retinal es la reacción primaria
del proceso de visión, a ésta le sigue un cambio conformacional en la proteína de la
rodopsina. La isomerización mencionada presenta un rendimiento cuántico in vivo de
0,67. Esto significa que de cada 100 fotones que llegan al cromóforo, se emplean 67 para
realizar la isomerización.
6 T. Shimasaki, S. I. Kato, K. Ideta, K. Goto, T. Shinmyozu, J. Org. Chem., 2007, 72, 1073. 7 R. M. Kellog, J. Buter, S. Wassenaar, J. Org. Chem., 1972, 37, 4045. 8 E. M. Geertsema, R. Hoen, A. Meetsma, B. L. Feringa, Eur. J. Org. Chem., 2006, 3596.
2. Antecedentes
13
Figura 2.3. Estructura de la rodopsina y su cromóforo (PSB).
En nuestro grupo de investigación se han sintetizado y estudiado distintos
interruptores moleculares basados en la PSB-retinal.9, 10
2.3.4. Otros interruptores: basados en la estructura de la proteína verde
fluorescente
A pesar de que la mayor parte de aplicaciones basadas en la isomerización E/Z
corresponden a las tres familias mencionadas anteriormente, actualmente se están
estudiando otras biomoléculas como la proteína verde fluorescente, también conocida
como GFP.
El cromóforo de la GFP es capaz de llevar a cabo procesos fotoquímicos de
manera eficiente. Este compuesto es producido por la medusa Aequorea victoria y emite
en la zona verde del espectro visible.
9 L. Rivado-Casas, D. Sampedro, P. J. Campos, S. Fusi, V. Zanirato, M. Olivucci, J. Org. Chem., 2009, 74, 4666. 10 M. Blanco-Lomas, P. J. Campos, D. Sampedro, Eur. J. Org. Chem., 2012, 6328.
2. Antecedentes
14
Figura 2.4. Estructura de la proteína verde fluorescente y su cromóforo.
Debido a su atractiva emisión fluorescente, la GFP se ha convertido en objeto de
estudio como marcador celular y molecular. Así, pueden seguirse dinámicas
intracelulares de distintas moléculas ya que se pueden activar a su estado fluorescente,
por ejemplo, se puede conseguir iluminar células tumorales y ver su expansión.
Se han desarrollado análogos de esta estructura que permiten modificar los
resultados fotoquímicos y fotofísicos.11
2.4. Aplicaciones de los interruptores moleculares
Los interruptores moleculares poseen multitud de aplicaciones. En biología, la
introducción de estos en proteínas y péptidos da lugar al fotocontrol de la conformación.12
En ciencia de materiales se han empleado polímeros con azo derivados en cadenas
laterales y azobencenos funcionalizados en monocapas ensambladas que dan lugar a la
generación de anisotropía.13 Por otro lado los alquenos impedidos pueden ser utilizados
como sistemas moleculares de almacenamiento de datos.14
Se espera que los interruptores estudiados durante este trabajo tengan una
función bactericida. Para ello una parte de su estructura está basada en el antibiótico
conocido como ciprofloxacina. A largo plazo, se podría estudiar la capacidad
11 A. R. Katritzky, M. Yoshioka-Tarver, B. E. D. M. El-Gendy, D. Hall, Tetrahedron Lett., 2011, 52, 2224. 12 A. A. Beharry, L. Wong, V. Tropepe, G. A. Woolley, Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 1325-1327. 13 J. A. Delaire, K. Nakatani, Chem. Rev., 2000, 100, 1817-1845. 14 B. L. Ferinfa, N. P. M. Huck, H. A. van Doren, J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 9929-9930.
2. Antecedentes
15
antibiótica de los compuestos sintetizados y analizar la actividad de los distintos
isómeros Z/E.
Figura 2.5. Estructura de la ciprofloxacina.
La ciprofloxacina es un antibiótico de amplio espectro, activo contra las
bacterias Gram-positivo y Gram-negativo.
En la actualidad existe el problema creciente de la resistencia a antibióticos,
por lo que es vital el desarrollo de nuevos compuestos bactericidas así como de nuevas
formas de controlar su actividad. Por tanto es importante la investigación en este tipo
de estructuras que presentan ambas propiedades con el fin de obtener el efecto deseado
únicamente donde y cuando son necesarios.
3. Objetivos
3. Objetivos
17
Los objetivos de este trabajo de fin de grado son los siguientes:
En primer lugar, llevar a cabo la síntesis de diferentes tipos de interruptores
moleculares con potenciales efectos bactericidas. Estos compuestos presentan
una estructura basada en cromóforos de origen natural, así como en el
antibiótico conocido como ciprofloxacina.
Una vez sintetizados, realizar un estudio de su comportamiento fotoquímico y
evaluar sus características como interruptores moleculares eficientes.
4. Estudio fotoquímico
de nuevos interruptores
moleculares
4. Estudio fotoquímico
19
4.1. Síntesis de nuevos interruptores moleculares
Antes que nada se lleva a cabo la síntesis de los interruptores moleculares. En la
siguiente figura se muestra la ruta sintética llevada a cabo para la obtención de dos tipos
de interruptores, uno basado en la GFP (6) y otro en el fitocromo (7):
Figura 4.1. Ruta sintética seguida para la obtención de dos tipos de interruptores moleculares.
4. Estudio fotoquímico
20
En primer lugar se lleva a cabo una reacción entre la anilina (1) y el malonato bajo
atmósfera inerte a una temperatura de 80o C, de esta forma se obtiene el compuesto (2)
con un rendimiento del 90%. A continuación se calienta el producto obtenido a 270 oC
utilizando difenil éter como disolvente, se produce una ciclación que da lugar al
compuesto (3) con un rendimiento del 76%. El siguiente paso consiste en una metilación
para obtener la amina terciaria (4), después se lleva a cabo la desprotección del acetal
empleando un medio ácido, los rendimientos conseguidos son del 80 y el 95%
respectivamente. A partir del aldehído (5) la ruta se bifurca para obtener dos tipos
distintos de interruptores. Si se utiliza N-acetilglicina en medio básico (NaAcO) y
calentando a 105 oC se obtiene el interruptor basado en el cromóforo de la GFP (6) a
través de una condensación. En cambio si se emplea 3-etil-4-metil-3-pirrolin-2-ona en
medio básico aunque más fuerte que el anterior (KOH 4M) y calentando a 60 oC se
sintetiza el interruptor basado en el cromóforo del fitocromo (7).
4.1.1. Otros derivados
Se han intentado obtener otras estructuras a partir del compuesto 3 pero sin
resultados positivos. Seguidamente se muestran los interruptores objetivo y se detallan
los problemas que presentaron:
En primer lugar se pensó en obtener el aldehído a partir del acetal (3) sin necesidad
de metilar. Este compuesto presenta un problema de purificación ya que únicamente es
soluble en DMF o DMSO. Además no puede ser purificado mediante cromatografía ya
que al tratarse de un compuesto muy polar habría que emplear eluyentes como el metanol
donde tiene lugar la apertura del anillo de 5 miembros.
Figura 4.2. Estructura del primer interruptor objetivo.
4. Estudio fotoquímico
21
Debido a los problemas de solubilidad que se han mencionado otro de los
objetivos fue intentar proteger la amina de forma que se corrigiese este inconveniente. Se
probaron dos grupos protectores Fmoc y Boc:
Figura 4.3. Estructura de los interruptores objetivo con la amina protegida.
Las protecciones se intentaron en dos etapas distintas de la ruta sintética:
Antes de llevar a cabo la ciclación de la amina (2)
Una vez obtenida la amina cíclica (3)
En ningún caso tuvo éxito.
Una vez llevada a cabo la síntesis de los dos tipos de interruptores moleculares se
realiza el estudio de su comportamiento fotoquímico.
Como se ha explicado anteriormente el fundamento de un interruptor molecular
es la capacidad de ser intercambiado entre dos estados distintos por la acción de un
estímulo externo. Más concretamente en este caso los dos estados distintos serán las
configuraciones Z/E y el estímulo vendrá dado por una fuente de luz. El proceso
fotoquímico que se lleva a cabo es un proceso de fotoisomerización del doble enlace C=C
situado entre los anillos de 5 y 6 miembros. En ambos compuestos se parte inicialmente
del isómero Z obtenido durante la síntesis. La estereoquímica del compuesto 7 se ha
comprobado mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear, mientras que en
el compuesto 6 se ha realizado una comparación con espectros RMN obtenidos de
derivados con estructura similar.
4. Estudio fotoquímico
22
Figura 4.4. Proceso de fotoisomerización del interruptor basado en el cromóforo de la GFP (6).
Figura 4.5. Proceso de fotoisomerización del interruptor basado en el cromóforo del fitocromo (7).
Tras la irradiación de los compuestos, se alcanzarán distintas mezclas en las cuales
la proporción de isómero E e isómero Z serán distintas para cada compuesto una vez que
se llega al estado fotoestacionario. Finalmente, se podrá revertir el proceso vía térmica
alcanzando el isómero termodinámicamente más estable o vía fotoquímica irradiando a
distintas longitudes de onda.
En este capítulo, serán objeto de estudio las propiedades fotoquímicas y fotofísicas
de los interruptores moleculares mostrados en las figuras 4.4 y 4.5.
4.2. Irradiación de los nuevos prototipos de interruptores moleculares
Cuando un interruptor molecular es irradiado, se provoca el movimiento de
distintos enlaces, en este caso como se indica en las figuras 4.4 y 4.5 el del doble enlace
C=C señalado. De esta forma la molécula puede cambiar su conformación entre los
isómeros Z y E.
4. Estudio fotoquímico
23
Antes de irradiar los compuestos, se realiza un espectro UV-Vis. Los valores de
longitud de onda y coeficiente de extinción molar para la banda de máxima absorción se
muestran en la tabla 4.1.
Figura 4.6. Espectro UV-Vis del compuesto 6 en CH2Cl2.
Figura 4.7. Espectro UV-Vis del compuesto 7 en MeOH.
300 350 400 450 500 550 600
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Abs
orba
ncia
(ua)
Longitud de onda (nm)
300 350 400 450 500 550 600
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Abs
orba
ncia
(ua)
Longitud de onda (nm)
4. Estudio fotoquímico
24
Tabla 4.1. Valores de longitud de onda y coeficiente de extinción molar para la banda de máxima
absorción.
Compuesto λmáx (nm) / ε (M-1cm-1)
6
305 / 16176
7
308 / 9600
Como se puede observar las bandas de absorción de ambos compuestos aparecen
a valores de longitud de onda similares.
Tras haber obtenido el espectro de absorción UV-Vis, el siguiente paso es la
irradiación de los compuestos utilizando una lámpara de Hg de media presión, con
potencia de 125 W y un filtro Pyrex. Una vez analizado el espectro de ultravioleta, se
selecciona el filtro de Pyrex ya que evita radiaciones de longitudes de onda inferiores a
290 nm, las cuáles pueden producir reacciones secundarias debido a transiciones más
energéticas.
La irradiación de los compuestos se lleva a cabo en un tubo de RMN de Pyrex
utilizando CDCl3 o DMSO-d6 como disolvente, con el fin de seguir la irradiación
mediante esta técnica a intervalos cortos de tiempo.
De esta forma se realizan espectros de 1H-RMN cada pocos minutos para poder
seguir la isomerización de los compuestos. Mediante la integración de las señales en el
espectro de 1H correspondientes a cada uno de los isómeros, se calcula la proporción Z/E
en cada momento.
4. Estudio fotoquímico
25
(b)
4.2.1. Irradiación del interruptor basado en el cromóforo de la GFP
Como se puede observar en los siguientes espectros de RMN, la irradiación del
compuesto 6 durante 25 minutos en la lámpara mencionada anteriormente da lugar a su
descomposición.
Figura 4.8. Espectro RMN del compuesto 6 tras ser irradiado (a) t=0 (b) t=25 minutos.
(a)
4. Estudio fotoquímico
26
Las señales que inicialmente estaban bien definidas aparecen ahora como
multipletes. Además en lugar de producirse el desdoblamiento de éstas aparecen otras
nuevas como resultado de la fragmentación de la molécula.
Por lo tanto esta estructura no puede ser utilizada como un interruptor molecular,
ya que en lugar de producirse la isomerización al ser irradiado, se produce su
descomposición.
4.2.2. Irradiación del interruptor basado en el cromóforo del fitocromo
De la misma forma que en el caso anterior, se disuelve el compuesto 7 en DMSO-
d6 y se lleva a cabo su irradiación durante 45 minutos. A continuación se muestran los
espectros de RMN obtenidos:
(a)
4. Estudio fotoquímico
27
Figura 4.9. Espectro RMN del compuesto 7 tras ser irradiado (a) t=0 (b) t=30 minutos (c) t=45 minutos.
(b)
(c)
4. Estudio fotoquímico
28
El estado fotoestacionario se alcanza una vez que la proporción de isómeros E/Z
no varía. En este caso la proporción de isómeros en dicho estado es de 63,3% Z / 36,7%
E. Es decir se obtiene una mezcla enriquecida en el compuesto Z.
Por último se lleva a cabo un estudio de la estabilidad térmica de este compuesto.
Si se deja la muestra a oscuras y a temperatura ambiente durante 10 días después de la
irradiación de la misma se sigue manteniendo una proporción Z/E idéntica a la que se
muestra en la figura 4.8. Esto es debido a que la barrera energética de isomerización
térmica es alta. Para conseguir la reversión térmica completa se ha de calentar la muestra
durante 3 días a 100o C.
Tras haber explicado los resultados obtenidos durante este trabajo, queda plantear
los objetivos de esta investigación a largo plazo. Dichos objetivos se resumen a
continuación:
Síntesis de nuevos compuestos de las dos familias de interruptores
moleculares.
Ensayo de las propiedades antibióticas de las estructuras presentadas así como
de las sintetizadas en un futuro.
5. Conclusiones
5. Conclusiones
30
Durante este trabajo se han estudiado dos tipos de interruptores moleculares, las
conclusiones obtenidas se resumen a continuación:
Ambos compuestos tienen una parte de su estructura en común y la obtención de
las distintas familias de interruptores se puede llevar a cabo a través de una sola
reacción a partir del compuesto 5.
La estructura basada en el cromóforo de la GFP 6 no presenta comportamiento de
interruptor molecular ya que al ser irradiado se produce su descomposición. Como
se ha explicado en el capítulo 4, se ha intentado solventar este problema mediante
pequeñas modificaciones en su estructura pero no se ha tenido éxito.
El compuesto basado en el cromóforo del fitocromo 7 sí presenta comportamiento
de interruptor molecular, alcanzándose una proporción 63,3% Z / 36,6% E en el
estado fotoestacionario. Además se han propuesto las condiciones necesarias para
la reversión térmica.
6. Parte experimental
6. Parte experimental
32
6.1. Consideraciones generales
Resonancia magnética nuclear:
Los experimentos de resonancia magnética nuclear de 1H y 13C se han llevado a
cabo en un equipo Bruker-ARX-300 y/o Bruker Avance 400. Se han utilizado como
disolventes CDCl3 con TMS como referencia interna, o DMSO-d6. Los valores de
desplazamiento químico (δ) se expresan en ppm. Las multiplicidades de las señales se
indican de la siguiente forma: (s) = singlete, (d) = doblete, (t) = triplete, (c) = cuatriplete.
Espectrometría de masas:
Los análisis de espectrometría de masas se han realizado en un equipo HP 5989B
provisto de una interfase de electrospray HP 59987A y se registraron en modo ion
positivo e ion negativo.
Cromatografía de capa fina:
Se han utilizado cromatofolios de gel de sílice de 0,2 mm de espesor con el
eluyente indicado en cada caso e indicador de ultravioleta (F254).
Lámparas e instrumentación fotoquímica:
Las irradiaciones se han realizado en reactores de inmersión de Pyrex empleando
un cilindro de vidrio Pyrex como filtro y utilizando lámparas de mercurio de media
presión 125W de la marca PhotochemicalReactors LTD (UK). A continuación se muestra
una foto del equipo utilizado:
6. Parte experimental
33
Figura 6.1. Foto y esquema del reactor empleado en la irradiación.
6.2. Síntesis de interruptores moleculares basados en la estructura del
cromóforo de la GFP
6.2.1. Procedimiento general
El procedimiento general para la síntesis de este tipo de interruptores se muestra
en la siguiente figura:
Salida de refrigerante
Salida de gas
Lámpara de Hg de media presión
Entrada de refrigerante
Entrada de gas
Disolución muestra
6. Parte experimental
34
Figura 6.2. Ruta sintética seguida para la obtención del interruptor basado en el cromóforo de la GFP.
En los siguientes párrafos se describen más detalladamente los pasos necesarios
para esta síntesis.
Síntesis de 2:
En un schlenk bajo atmósfera de argon se añade 1 equivalente de acetal (1) y un
equivalente de dietil-etoximetilenmalonato. La mezcla se agita durante 1 hora a 80 oC. La
reacción puede seguirse mediante CCF (2:1 hexano/acetato) hasta la total desaparición de
6. Parte experimental
35
ambos productos de partida. Posteriormente se lleva a cabo una primera extracción con
HCl 1M (50 ml) y CH2Cl2 (50 ml), se recoge la fase orgánica y se realiza una segunda
extracción con NaCl saturado (50 ml). La fase orgánica se seca (MgSO4) y se elimina el
disolvente en el rotavapor.
Síntesis de 3:
Se calienta 2 a 270 oC durante 1 hora en difenil éter. Se precipita el producto
obtenido en hexano y se filtra en caliente. El sólido se filtra a vacío y se lava con hexano.
Síntesis de 4:
Se disuelve el compuesto 3 en DMF y se le añaden 2 equivalentes de K2CO3
disueltos en agua y 10 equivalentes de MeI. Se agita la mezcla durante 24 horas a
temperatura ambiente. Una vez transcurrido ese tiempo se eliminan el DMF y el H2O
utilizando la bomba de vacío y calentando a 55 oC. A continuación se disuelve el producto
obtenido en CH2Cl2 (50 ml) y se extrae con H2O (3x50 ml). Por último se seca la fase
orgánica (MgSO4) y se elimina el disolvente en el rotavapor.
Síntesis de 5:
La desprotección de 4 se lleva a cabo con HAcO (80%), la mezcla se agita durante
una hora a 70 oC. Posteriormente se elimina el ácido en el rotavapor.
Síntesis de 6:
La reacción se lleva a cabo con 1 equivalente del aldehído (5), 1 equivalente de
N-acetilglicina y 1 equivalente de acetato de sodio empleando anhídrido acético como
disolvente. Se agita la mezcla durante 4 horas a 105 oC y se mantiene la agitación durante
una noche. El producto se precipita con EtO2 frío y se recoge con CH2Cl2. La purificación
se realiza mediante una recristalización con CH2Cl2 y EtO2.
6.3. Síntesis de interruptores moleculares basados en la estructura del
cromóforo del fitocromo
A partir del mismo aldehído (5) empleado en la síntesis del interruptor molecular
basado en el cromóforo de la GFP se lleva a cabo la siguiente reacción para obtener un
nuevo tipo de interruptor:
6. Parte experimental
36
Figura 6.3. Síntesis del interruptor molécular basado en el cromóforo del fitocromo.
Síntesis de 7:
Bajo atmósfera de argon se añade 1 equivalente de aldehído (5) y 2 equivalentes
de 3-etil-4metil-3-pirrolin-2-ona. Se disuelven en DMSO y se añaden 4 equivalentes de
KOH 4M. La mezcla se agita durante 12 horas a 60 oC. A continuación se neutraliza la
disolución obtenida utilizando HCl 37%. El sólido obtenido se filtra y se lava con agua.
A continuación se recoge con MeOH. Se seca con MgSO4 y se elimina el disolvente en
el rotavapor.
6.4. Caracterización de interruptores moleculares
Compuesto 6
Fórmula molecular: C18H16N2O5
Peso molecular: 340,33
Rendimiento: 33%
1H-RMN (400 MHz, CDCl3): δ ppm 8.55 (d, 1H), 8.52 (s, 1H), 8.33 (s, 1H), 8.03 (d, 1H),
7.20 (s, 1H), 4.40 (c, 2H), 3.94 (s, 3H), 2.46 (s, 3H), 1.42 (t, 3H).
13C-RMN (400 MHz, CDCl3): δ ppm 173.86 (s), 168.03 (s), 167.02 (s), 165.65 (s), 150.32
(s), 139.92 (s), 136.88 (s), 134.99 (s), 129.78 (s), 128.85 (s), 128.34 (s), 128.26 (s), 119.25
(s), 111.50 (s), 61.04 (s), 41.37 (s), 15.93 (s), 14.44 (s).
ES-MS (+) (C18H16N2O5 + H): 341,1127
6. Parte experimental
37
Observaciones: Sólido marrón
Compuesto 7
Fórmula molecular: C19H18N2O4
Peso molecular: 338,13
Rendimiento: 38%
1H-RMN (400 MHz, DMSO-d6): δ ppm 15.30 (s, 1H), 10.28 (s, 1H), 9.04 (s, 1H), 8.31
(d, 1H), 7.91 (s, 1H), 7.79 (d, 1H), 6.40 (s, 1H), 4.16 (s, 3H), 2.31 (c, 2H), 2.14 (s, 3H),
1.04 (t, 3H).
13C-RMN (400 MHz, DMSO-d6): δ ppm 177.20 (s, 1H), 172.88 (s, 1H), 166.12 (s, 1H),
150.31 (s, 1H), 141.66 (s, 1H), 140.74 (s, 1H), 140.70 (s, 1H), 140.54 (s, 1H), 133.86 (s,
1H), 127.01 (s, 1H), 125.73 (s, 1H), 123.50 (s, 1H), 117.88 (s, 1H), 107.41 (s, 1H),
105.88 (s, 1H), 41.60 (s, 1H), 16.32 (s, 1H), 13.15 (s, 1H), 9.44(s, 1H).
ES-MS (-) (C18H16N2O5 - H): 337,1198
Observaciones: Sólido amarillo
7. Anexo: Espectros
de RMN
7. Anexo: Espectros de RMN 1H y 13C
39
7. Anexo: Espectros de RMN 1H y 13C
40
COSY
HSQC
7. Anexo: Espectros de RMN 1H y 13C
41
7. Anexo: Espectros de RMN 1H y 13C
42
HSQC
