Síntesis de ligantes Imino-Amida como modelos de ligantes orgánicos asociados a actividad factor tolerante a la glucosa
Synthesis of Imino-Amide ligands as Models of associated organic ligands To glucose tolerant factor activity
Jhon Fernando Guateque1
Gustavo Adolfo Rojas Olave2
Marcos Flórez-Álamo3
Edwin Flórez-López4
Yenny Patricia Ávila-Torres5
1 Colombiano. Químico Industrial. Universidad
Tecnológica de Pereira. Escuela de Química,
Facultad de Tecnologías, QIAMMSB, Apartado
Aéreo 97, 660003, La Julita, Pereira, Colombia.
2 Colombiano. Químico Industrial. Universidad
Tecnológica de Pereira. Escuela de Química,
Facultad de Tecnologías, QIAMMSB, Apartado
Aéreo 97, 660003, La Julita, Pereira, Colombia.
3 Mexicano. Ph.D. Universidad Nacional
Autónoma de México, Ciudad Universitaria
Facultad de Química, 04510 México, D.F.,
México.
4 Colombiano. Ph.D. Universidad Santiago
de Cali, Programa de Química, Facultad de
Ciencias Básicas, Grupo de Investigación
en Quimica y Biotecnología-QUIBIO, 4102,
Pampalinda, Cali, Colombia.
5 Colombiana. Ph.D. Universidad Tecnológica
de Pereira, Escuela de Química, Facultad de
Tecnologías, QIAMMSB, Apartado Aéreo 97,
660003, La Julita, Pereira, Colombia.
Recibido: 15- 03 - 2017 Aceptado: 30-05-2017
Resumen
La estructura molecular del Factor Tolerante a la Glucosa (FTG) ha sido asociada con un centro metálico de cromo enlazado de forma coordinada a ligantes electrodonadores como aminoácidos y ácido nicotínico. En este sentido, en este artículo se lleva a cabo la síntesis de ligantes con potenciales aplicaciones como FTG al coordinarse al centro de cromo(III). Se obtuvo un compuesto imino-enol (3) a partir de bencilamina (2) y acetoacetato de etilo (1) en metanol anhidro. Así mismo, la síntesis de una amina cuaternaria (5), derivada de diacianodiamida (4), en donde el centro metálico fungió como catalizador de una reacción de condensación y no como ácido de Lewis formando compuestos de coordinación.
Palabras clave: FTG; cromo(III); iminoester; dicianodiamida.
Abstract
The molecular structure of the Tolerant Factor Glucose (FTG) has been associated with a metal center of chromium bound in a coordinated manner to ligands Electrodonators such as amino acids and nicotinic acid. In this sense, in this article the synthesis is carried out of ligands with potential applications such as FTG at Coordinated to the center of chromium (III). A compound Imino-enol (3) from benzylamine (2) and acetoacetate Ethyl (1) in anhydrous methanol. Likewise, the synthesis of a Amine quaternary amine (5), derived from diocyanodiamide (4), Where the metal center served as a catalyst for A condensation reaction and not as Lewis acid forming coordination compounds.
Keywords: GTF; chromium; imine-enol; dicyandiammine.
Introducción
El estudio de compuestos de coordinación del ion metálico Cromo(III) se hizo importante luego de que se descubriera que estas especies hacen parte de un agente metabólico denominado factor tolerante a la glucosa FTG, reportado por Mertz y Schwarz en 1955 (Vincent, 2001).
En este sentido, la relevancia del descubrimiento está en el hecho de que la bioquímica del Cromo(III) ejerce un rol importante en el control del metabolismo de carbohidratos y lípidos en el organismo (Vincent, 2000; Sharma et al., 2011). Este proceso es mediado por uno o más compuestos de coordinación del ion metálico con aminoácidos como aspartato, glutamato, glicina y cisteína para el caso de la cromodulina (Chen et al., 2011; Gómez García & Magaña Garns, 2004). La estructura de difracción de rayos-X no ha sido reportada para FTG, sin embargo se propone que la esfera de coordinación está formada por cromo (III) coordinado a ácido nicotínico y aminoácidos como cisteína de residuos peptídicos glutatiónicos (Chen et al., 2011; E-Learning Chemistry: Homepage, 2013).
El estudio de la bioquímica de vanadio (III, IV y V) y zinc (II) ha demostrado su participación en el metabolismo de carbohidratos y lípidos, al igual que el cromo (Goméz García, & Magaña Garns, 2004; Alvino De la Sota & Pacheco Calderón, 2007). El vanadio empezó a ser usado en 1899 como un fármaco oral en forma de metavanadato sódico para pacientes diabéticos, reportando actividad (Alvino De la Sota & Pacheco Calderón, 2007). Actualmente, la investigación con vanadio avanza sobre el diseño de compuestos de coordinación del ion vanadilo (III) con moléculas orgánicas que mejoran la bioabsorción respecto al uso de sales inorgánicas. La eficacia de estos compuestos ha sido evaluada in vitro en células adiposas aisladas de ratas, asociando la actividad biológica a una unión al receptor β que activa a la adenilato ciclasa que transforma ATP en adenosina 3´,5´-monofosfato cíclico, la que a su vez activa algunas proteínas quinasas y lipasas (Alvino De la Sota & Pacheco Calderón 2007).
La investigación de nuevas moléculas que funcionen como fármacos en el tratamiento de la diabetes mellitus (I y II) y sus complicaciones asociadas también se ha orientado sobre compuestos orgánicos. La aminoguanidina se ha estudiado como compuesto capaz de prevenir disfunciones vasculares producto de la diabetes (Corbett et al., 1992). La metformina actualmente es usada como medicamento en el tratamiento de efectos colaterales de la diabetes como lo son: obesidad, hipertensión, entre otras. Además se usa también como fármaco en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo 2 debido a que la metformina no afecta directamente los niveles de insulina sino que regula los niveles de carbohidratos en el torrente sanguíneo (Palumbo, 1998; Chan et al., 2007). Se han usado compuestos derivados de arilsulfonas en el tratamiento de la obesidad generada por DM (Greenwood, 1971; Imperial College of London, 1956; Fang et al., 2006).
A continuación se presenta la reacción de formación del imino-ester con semejanza estructural a los ligantes asociados a actividad FTG, producto detallado en el contexto del artículo, Figura 1.
Por otro lado, los procesos catalíticos homogéneos asociados a metales de transición, constituyen una herramienta para el desarrollo industrial y tecnológico. Procesos como carbonilación, adición, oxidación, y polimerización de oleofinas; condensación e hidrólisis hacen parte de las catálisis en donde interviene un centro metálico. Las condiciones de reacción del ligante nitrato de aminoguanidina y la sal metálica de cromo (III), permitieron cristalizar un derivado hidrolizado como sal cuaternaria de amonio, cuya carga se estabiliza con el contraion cloruro, que proviene de la sal metálica como reactivo de partida en la síntesis de los compuestos de coordinación. El catión amonio cuaternario presenta la estructura NR4+, donde R puede ser un grupo alquilo o un grupo arilo. Estos iones están cargados permanentemente, independiente del pH de la solución.
Experimental
Condiciones instrumentales.
Las sustancias fueron pesadas en una balanza analítica OHAUS Pioner PA214. Espectros IR de 4000 a 400 cm-1 fueron tomados en espectroscopio IR Agilent Technologies Cary 630 FTIR. Los barridos electrónicos de 800 a 200 nm se colectaron en espectrofotómetro UVvis Thermo Scientific Evolution 201. Los espectros RMN 1H y 13C se obtuvieron de espectroscopio de resonancia magnética nuclear Agilent Technologies NMR-vnmrs 400, tomados a 400 MHz y usando CDCl3 como disolvente, la medición se realizó en la Universidad Nacional Autónoma de México UNAM, unidad de estudios de posgrados, facultad de química. Se usó un fusiómetro digital Thermo Scientific IA9300X1 con intervalo de temperatura de 10 a 400 °C, 12 V y 45 W. Para la caracterización del compuesto monocristalino se utilizó un equipo de difracción de rayos- X Bruker P4, a temperatura ambiente, con la radiación Mokα (λ=0.71073 A°), con condiciones de medición estándar y aplicando una corrección por absorción. Las estructuras se resolvieron por métodos directos. Finalmente, los modelos estructurales, incluyendo parámetros de agitación térmica anisotrópica, se refinaron por mínimos cuadrados, con los átomos de hidrógeno puestos en posiciones calculadas. En los últimos ciclos de refinamiento, se aplicó un esquema de ponderación a los datos de difracción y se corrigió el efecto de la extinción secundaria mediante una fórmula semi-empírica. Los cálculos y refinamiento de la estructura se realizaron en el programa WINGX y el equipo fue usado en colaboración con la Unidad de Estudios de Posgrado de la facultad de Química (UNAM).
Materiales
Bencilamina 99% (MERCK), acetoacetato de etilo 99% (MERCK), CrCl3•6H2O 99% (MERCK), NaCl 99% (MERCK), hexano HPLC (MERCK), acetato de etilo HPLC (MERCK), metanol 99% (MERCK), virutas de magnesio metálico (JT Baker) y cristales de yodo (JT Baker), nitrato de aminoguanidina(MERCK).
El metanol anhidro se obtuvo destilando una mezcla de metanol, virutas de magnesio y cristales de yodo. Procedimiento adaptado del libro de Química orgánica práctica Vogel (Vogel, Furniss, Hannaford, Smith & Tatchell, 1989).
Síntesis
A una solución de acetoacetato de etilo (127 µL, 1 mmol) en 3,6 mL de metanol anhidro a temperatura ambiente se adicionó bencilamina (109 µL, 1 mmol) en un balón de destilación de 50 mL, la reacción se dejó en agitación constante durante 2 horas en montaje de reflujo. Posteriormente el producto de reacción se dejó en agitación constante durante 6 horas para evaporar el metanol. Luego se dejó la mezcla en reposo y a las 24 horas se obtuvieron cristales del compuesto (3) de color amarillo ocre. El seguimiento de la reacción se realizó por TLC durante 2 horas (6:4 hexano/acetato de etilo). IR (estado sólido, cm-1): 3357 (ν O-H) 3062 (ν C-H), 1660 (ν C=N). RMN1H (300 MHz, Chloroform-d) δ 8.96 (s, 1H), 7.37 – 7.24 (m, 5H), 4.55 (s, 1H), 4.43 (d, J = 6.4 Hz, 2H), 4.11 (c, J = 7.1 Hz, 2H), 1.92 (s, 3H), 1.26 (t, J = 7.1 Hz, 3H). RMN 13C (75 MHz, Chloroform-d) δ 170.57, 161.78, 138.74, 128.76, 127.46 – 127.04 (m), 126.69, 83.18, 58.37, 46.77, 19.36, 14.63. EM (IE, M+/z): 219.
En el caso particular del ligante dicianodiamida las condiciones de reacción difieren de la cuaternización convencional. Las condiciones de reacción que se llevaron a cabo se muestran en la Figura 2.
Resultados y discusión
Los compuestos carbonílicos, y en especial los aldehídos y las cetonas, presentan un equilibrio tautomérico ceto-enólico debido a la presencia de hidrógenos alfa al grupo carbonílico ligeramente ácidos. En la mayoría de los casos este equilibrio se encuentra desplazado hacia la forma ceto, debido a que este tipo de compuestos son mucho más estables que su contraparte enólica, pero en algunos casos muy específicos se observa que el tautómero enólico se halla favorecido. Las evidencias espectroscópicas muestran que el iminoéster 3 realmente se encuentra en su forma enólica debido a que el hidrógeno del grupo OH forma un puente de hidrogeno con el N del grupo imino, formando un intermediario de seis miembros termodinámicamente más estable a su tautómero cetónico (Figura 3).
Espectroscopia IR
El producto (3) esperado es una ceto–imina donde se puede presentar un tautomerismo debido a los hidrógenos ácidos del metileno que se encuentra en el carbono α con respecto al carbonilo de ester, generando así el enol– imina o la ceto-enamina, pero el tautomero enol-imina prevalece sobre el ceto-enamina, debido a que el oxígeno es más electronegativo y por ende tiene mayor facilidad de extraer dicho protón del metileno (Alcântara, Barroso, & Piló-Veloso, 2002; Ferraz & Gonçalo, 2007) . El espectro IR confirma este planteamiento donde se observa en 3357 cm-1 una vibración de tensión para el enlace O-H libre, mientras que en 1660 cm-1 se encuentra la vibración de tensión C=N, estableciendo así la presencia del grupo imino y no del grupo carbonilo, porque de surgir este grupo la vibración característica aparecería sobre 1700 cm-1. Figura 4.
Espectroscopia RMN 1H y 13C.
En el espectro de 1H-RMN las señales triples del hidrógeno-a y cuádruples del hidrógeno-b poseen una constante de acoplamiento de igual valor (J=7,1Hz), indicando que los hidrógenos se encuentran acoplados, siendo los protones que pertenecen al grupo etilo de éster. Debido a la presencia de un átomo electronegativo la señal cuádruple se desplaza a menor campo, como se observa en el espectro 1H. La evidencia que nos permite asegurar que el compuesto se encuentra en su forma tautomérica son las señales del hidrógeno-c que se presenta como una señal simple a 4.55 ppm, los hidrógenos bencílicos-e que se presentan como un doble debido al acoplamiento que revelan con el H que hace puente con el N y por supuesto el N-H que se ubica a 8,96 ppm. Adicionalmente se observan los cinco hidrógenos aromáticos en la región de 7,37-7,24 ppm (Tabla 1, Figura 5).
En el espectro de 13C-RMN se observan 13 señales características del imino-enol. En 170,6 y 161,8 ppm se muestran los carbonos del grupo imino y del carbono enólico respectivamente, en la región de 138,7-126,7 ppm se encuentran los seis carbonos aromáticos. Adicionalmente se observan el carbono bencílico-e 83,1 ppm y los carbonos alifáticos b, c, d y a a 58,4, 46,8, 19,4 y 14,6 ppm respectivamente (Tabla 2).
El tautómero enol-imina puede presentar puentes de hidrógeno intramoleculares con el N del grupo amino, generando así que se cierre la molécula en un ciclo de 6 miembros que son particularmente estables (Spedaletti, Vega Hissi, Andrada, Estrada & Garro Martínez, 2014), favoreciendo la forma enol frente a la ceto y evitando, que los procesos de reducción se completen hasta el aminoéster, confirmándose. Por ende, debe emplearse un método alterno de reducción de grupo carbonilo como el descrito por Giuseppe Bartoli siendo una reducción de Bouveault- Blanc (Bartoli, Cimarelli, Marcantoni, Palmieri, & Petrini, 1994; Sutton, 1975), Figura 6.
Cromatografía de gases- espectrometría de masas.
En el cromatograma obtenido se observan tres picos, uno correspondiente al compuesto 3, otro al producto de la trans-esterificación del éster etílico con el metanol usado como solvente, obteniéndose un éster metílico del compuesto 3. El tercer pico cromatográfico es atribuible a contaminación derivada del uso de solventes orgánicos en material plástico empleado durante el procedimiento de laboratorio en la obtención del compuesto 3. (Tabla 3).
Amina cuaternaria
Difracción de rayos-x de monocristal
La elucidación estructural de la sal cuaternaria fue posible ya que se obtuvieron cristales aptos para difracción de rayos-X de monocristal. Las reflexiones fueron colectadas en la Unidad de Estudios de Posgrado de la Facultad de Química (UNAM) en colaboración con el Dr. Marcos Flores. A continuación se describen todos los detalles estructurales, así como las tablas con las respectivas distancias y ángulos entre los átomos que constituyen la amina cuaternaria (Figura 7).
El diagrama de ORTEP se obtuvo a partir del refinamiento de la estructura por difracción de rayos-X con el programa WIN GX y el método de SHELL para átomos pesados. Los parámetros de red que describen la celda se observan en la Tabla 4.
En la celda cristalina hay cuatro moléculas por cada celda en un sistema monoclínico, en donde el cloruro compensa la carga de la amina, (Figura 8).
Las interacciones intermoleculares son numerosas, esto permite mostrar que el ligante se estabiliza fuertemente. Las interacciones son clasificadas con direccionalidad moderada, con un ángulo superior a 170° de átomo pesado a átomo pesado y una distancia alrededor de 3,2 A, para N-H……Cl y NH…….O. La visión tridimensional permite observar un arreglo en zig- zag en donde una molécula de amina se ubica sobre el eje a y la posterior sobre el eje b de forma periódica, (Figura 9a y Figura 9b).
Cabe mencionar que la estructura obtenida a partir de difracción de rayos-X, permite evidenciar la estabilización de una amina cuaternaria, en donde no se utilizó como proceso de síntesis la cuartenización convencional, sino que se plantea un mecanismo de hidrólisis, descarboxilación y ataque nucleofílico con la liberación del grupo urea. La reacción se llevó a cabo en ausencia de la sal metálica y el producto no fue obtenido. Esto concluye que el centro metálico tiene una actividad significativa en la reacción, papel que será abordado en nuevos estudios en torno al centro metálico.
El mecanismo propuesto por el cual se obtuvo la sal cuaternaria, consiste en los siguientes pasos:
El grupo ciano del compuesto 4 se hidroliza en medio básico para obtener el ácido carboxílico correspondiente A. Posteriormente se efectúa la descarboxilación del intermediario A para obtener el switterion B que por una transferencia de protón conduce a la formación del intermediario B´. El intermediario B´ efectúa un ataque nucleofílico al ácido carboxílico A para obtener el producto de condensación D, por pérdida de una molécula de agua. Finalmente la base presente en el medio, ataca el carbono imínico del intermediario D para obtener la sal cuaternaria 5 por pérdida de una molécula de urea. (Figura 10).
Los pasos que se proponen en este mecanismo de reacción cuentan con transformaciones bien conocidas en la química orgánica que se pueden observar en muchos de los mecanismos abordados en el texto "Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis: Background and Detailed Mechanisms", (Kürti, & Czakó, 2005).
Conclusiones
Se obtuvo el compuesto iminoéster (3), como un sólido, el cual presenta un tautomerismo en el que se favorece la presencia del tautomero imina-enol. Adicionalmente, se plantea un mecanismo para la obtención de aminas cuaternarias a partir de dicianodiamida, en donde la presencia del ion metálico cromo (III), muestra que existe un efecto sobre la síntesis, lo cual será abordado en posteriores publicaciones. Este artículo aporta principalmente en la síntesis de nuevos ligantes que son potenciales como bases de Lewis en la coordinación a cromo (III), estabilizando sistemas biomiméticos a factor tolerante a la glucosa.
Referencias
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