UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRIDFACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS

DEPARTAMENTO DE QUMICA ORGANICA

5309577557 *UNIVERSIDAD COMPLUTENSE

MODELIZACION DE METALOENZIMAS:SNTESIS Y ESTUDIO DE RECEPTORES

DINUCLEARES DE METALES DE TRANSICION

TESIS DOCTORAL

JOSE MARIA BUENO CALDERON

1991

DIRECTOR:Dra. PILAR NAVARRO TORRES

Investigador Cientfico del C.S.I.C.

ARCHIVO

Dedicado a mi familia y a mis amigos

Este trabajo se ha realizado en la Seccin de Quimioterapia delInstituto de Qumica Mdica del Consejo Superior de InvestigacionesCientficas, bajo la direccin de la Dra. Pilar Navarro Torres, a quien deseoexpresar mi ms sincero agradecimiento por su constante dedicacin yayuda.

Asimismo agradezco al Prof. Jean Marie Lehn la proposicin del temade trabajo. A los Ores. Mara Teresa Garca Lpez y Federico Gmez de lasHeras, como Directores del Instituto de Qumica Mdica durante el perodo derealizacin de este trabajo, parlas facilidades recibidas y a la Dra MercedesPardo por haber aceptado ser tutora de esta Tesis Doctoral.

Tambin quiero expresar mi agradecimiento a la Dra Carmen Acerete(Universidad Autnoma de Madrid) por la determinacin de los valores depKa mediante tcnicas potendomtricas y espectrofotomtricas y al Dr. AndrSamat (CNRS, Francia) por la realizacin de los espectros de masasutilizando tcnicas FAB.

Al Dr D. Antonio Romero por la determinacin de estructuras cristalinasmediante difraccin de rayos X y al departamento de 13C-RMN en estadoslido del Instituto de Edafologa del Consejo Superior de InvestigacionesCientficas.

A todo el personal especializado del Centro Nacional de QumicaOrgnica, por la obtencin de microanlisis y espectros de RMN.

Finalmente, quiero dar las gracias a mis compaeros del Instituto deQumica Mdica, muy especialmente a Lucrecia Campayo, Angela Herrero,M. 1. Rodrguez Franco, Ana Sanz, Beatriz Gonzlez, Encarna Pueyo, MiguelAngel Trevio y Juan Rodrguez, por la gran satisfaccin que me haproducido compartir con ellos estos cuatro aos de trabajo en el laboratorio.

INDICE

pg.INTRODUCCION

1.- Justificacin del trabajo:Receptores dinucleares de cobre capaces de mimetizar laaccin de metaloenzimas involucradas en procesos deneurotransmisin 1

2.- Modelizacin de metaloenzimas binucleares de cobre 62.1. - Conceptos generales. Modelizacin de centros activos 62.2.- El centro activo de la metaloenzima tirosinasa 102.3.- Modelos sintticos de tirosinasa 13

2.3.1.- Requerimentos estructurales 132.3.2.- Receptores dinucleares de cobre de origen sinttico 14

2.3.2.1. - Clasificacin de los receptores 142.3.2.2. - Ligandos acclicos (podandos) 152.3.2.3. - Receptores macrocclicos 22

3.- Macrociclos heteroaromticas de pirazol 3,5-disustituido.Antecedentes bibliograficos 32

3.1.- Con cadenas de tetraetilenglicol 323.2. - Con cadenas de dietilenglicol y 2,6-bis(hidroxmetl)pirdina 38

4.- Objetivos concretos y plan general del trabajo 40

DISCUSION DE RESULTADOS

1.- Sntesis de steres corona de 1ff-prazol-3,5-disustitudo 511.1. - Sntesis de los pirazoles precursores 511.2.- Ensayos de formacin de enlaces de tipo ster.

Sntesis de ligandos acclicos de lId-prazol-3,5-dsusttudo 581.2.1.-A partir del cido 1H-pirazol-3,5-dicarboxlico 59

1.2.2. - A partir del dic/oruro del cido 1l-I-pirazol-3,5-dcarboxlico 641.2.3.- Identificacin de las estructuras 64

1.3. - Ensayos de ciclacin directa o por etapas a partir del dclorurodel cido 1tI-pirazol-3,5-dicarboxlico 711.3.1.- Factores que influyen en las reacciones de ciclacin 711.3.2.- Ensayos de ciclacin directa o por etapas

en condiciones de alta dilucin 741.3.2.1.- Sntesis via ciclacin directa 741.3.2.2.- Ciclacin empleando xido de di(n-butivestao 781.3.2.3.- Sntesis por etapas 79

1.3.3.- Sntesis via desbencilacin 811.3.3.1.- Sntesis de steres corona 1-bencil sustituidos 821.3.2.2.- Reaccin de desbencilacton 84

1.3.4.- Identificacin de las estructuras 851.3.4.1.- Macrociclos de 1jj-pirazol-3,5-disustitudo 851.3.4.2. - Macrociclos de 1 -bencilpirazol-3,5-disustituido 94

2.- Sntesis de politeres corona de lli-prazol3,5-disustituido 103

2.1.- Sntesis de precursores 1032.2.- Sntesis de politeres corona de 1-bencilpirazol-3,5-disustitudo 1062.3.-Ensayo de desbencilacin 109

2.3.1.- Identificacin de las estructuras 1102.3.1.1.- Politeres corona de 1-benclpirazol-3,5-disustitudo 1102.3.1.2- Macrociclos de lt!-pirazol-3,5-disustituido 120

3.- Sntesis de azacoronandos de pirazol 3,5-disustituido 1243.1.- Azasteres de 1-metilprazol-3,5-disustitudo con cadenas

de N-metildietanolamina 1243.1.1.- Identificacin de estructuras 1273.1.2.- Complejacin con urea 138

3.2. - Sntesis de azateres corona de 1fl-pirazol-3,5-disusttudo 1433.2.1.- Sntesis de precursores de 1-bendilpirazol 143

3.2.2. - Ensayo de desbencilacin 1443.2.3. - Identificacin de las estructuras 144

3.3.- Sntesis de podandos de 1li-prazol-3,5-disustitudo yeslabones de 2-hidroximetilpiridina 1463.3.1.- Identificacin de estructuras 149

4.- Estudio de las estructuras en estado slido de macrociclosde 1jj-pirazol-3,5-disustitudo 152

4.1.- 13C-RMN en estado slido 1534.1.1.- Antecedentes sobre estudios de tautomeria en derivados

de ijil-pirazol 3,5-disustituido 1534.1.2.- Interpretacin de los espectros 155

4.2.- Difraccn de rayos X 162

5.- Estudio de los valores de pK8 en ligandos con eslabones

de 111-pirazol 1695.1.- Mtodos potenciomtricos 1742.- Mtodos espectrofotomtricos 177

6.- Estudio de la complejacin con cinc y cobre 1826.1.- Capacidad complejante delprazol 182

6.1.1.- Conceptos generales 1826. 1.2.-Objetivos concretos 186

6.2. - Formacin de complejos mononucleares con ligandos cclicos 1876.3. - Formacin de complejos binucleares con ligandos cclicos 190

6.3.1.- Desprotonacin del anillo de pirazol 1906.3.2.- Formacin de complejos binucleares de cinc 196

6.4.- Formacin de complejos mono- y dinucleares de cinc a partirde un ligando acclico portador de anillos de piridina 1986.4.1.- Complejo mononuclear de cinc en medio neutro 1986.4.2.- Desprotonacin del anillo de pirazol 201

PARTE EXPERIMENTAL 210

1.- Sntesis de coronas heteroaromticos de ljj.-pirazol-3,5-disustituido de tipo ster 212

1.1. - Sntesis de pirazoles precursores 2121.2.- Sntesis de podandos de 1H-pirazol-3,5-disustitudo 216

1.2.1. - A partir del cido lkf-prazol-3,5-dcarboxlico 2161.2.2.- A partir del dicloruro del cido 1t-prazol-3,5-dicarboxlico 216

1.3.- Sntesis de steres corona de 1IJ-pirazol-3,5-disustitudo 2201.3.1. - Reacciones de ciclacin 2201.3.2.- A partir del dcloruro del cido ljd-pirazo-3,5-dicarboxlico 221

1.3.2.1.- Por ciclacin directa 2211.3.2.2.- Utilizando xido de di(n-butil)estao 2241.3.2.3.- Sntesispor etapas 225

1.3.3.- Va desbencilacin 2261.3.3.1.- Sntesis de steres corona de 1-bendilpirazol 2261.3.3.2. - Reaccin de desbencilacin 229

2.- Sntesis de coronas heteroaromticos de 1JI-pirazol-3,5-disustituido de tIpo politer 230

2.1.- Sntesis de los prazoles precursores 2302.2.- Sntesis de macrociclos de 1H-pirazol-3,5-disustitudo

va desbencilacion 2312.2.1.- Sntesis de politeres corona de 1-bencilpirazol

-3,5-disustituido 2312.2.2- Reaccin de desbencilacin 235

3.- Sntesis de azacoronandas de pirazol-3,5-disustitudo 2363.1.- Sntesis de azasteres de 1-metilpirazol-3,5-disustitudo 2363.2. - Sntesis de azateres de 1~-pirazol-3,5-disustitudo 239

321.- Sntesis de precursores bencilados 2393.2.2. - Reaccin de desbencilacin 241

4.- Sntesis de podandos de 1ll-pirazol-3,5-disustitudoportadores de eslabones de 2-hidroximetil-piridina 241

5.- Estudio mediante 130-RMN de la formacin de complejosmono- y dinucleares 243

5.1.- Formacin de complejos mononucleares en medio neutro 2435.2. - Formacin de complejos binucleares en medio bsico 244

5.2.1.- Desprotonacin del anillo de pirazol 2445.2. 1.- Complejacin con cinc 245

8.- Formacin de complejos binucleares de cobre 246

Conclusiones 248

Bibliografa 261

Apndice

INTRODUCCION

1

1.-JUSTIFICACION DEL TRABAJO: RECEPTORES DINUCLEARESDE COBRE CAPACES DE MIMETIZAR LA ACCION DEMETALOENZIMAS INVOLUCRADAS EN PROCESOS DENEUROTRANSMISION

El diseo racional de frmacos se fundamenta en el conocimiento delas complejas interacciones substrato-receptor que intervienen en undeterminado proceso biolgico1.

La Qumica Supramolecular, que ha sido definida como la Qumicadel enlace intermolecular, al moverse en un campo interdisciplinar (QumicaOrgnica, Fsica, Inorgnica y Analtica) puede contribuir de forma ptima alconocimiento de estas interacciones, aportando receptores sintticos deestructura simplificada capaces de mimetizar la funcin especfica dealgunas enzimas, contribuyendo as al esclarecimiento de los mecanismos atravs de los cuales tienen lugar determinados procesos biolgicos2.

Las investigaciones sobre metaloenzimas han experimentado un augeextraordinario en los ltimos aos3. De estos estudios se concluye que laactividad especfica de estas especies est ntimamente relacionada con laestructura de sus centros activos. Dichos centros se caracterizan porcontener cantidades estequlomtricas de uno varios elementos metlicos, yson considerados como complejos de coordinacin en los cuales los metalesestn unidos de forma estratgica a determinados ligandos.

La relacin entre las propiedades de algunos complejos decoordinacin de tipo sinttico y las observadas en determinadasmetaloenzimas, ha permitido a los qumicos orgnicos el diseo ypreparacin de especies de bajo peso molecular capaces de realizartransformaciones similares a las que ocurren en los seres vivos4.

El trabajo de investigacin correspondiente a esta Tesis Doctoral, quese ha desarrollado en el Instituto de Qumica Mdica de Madrid, se hadirigido prioritariamente a la modelizacin, sntesis y estudio de receptoresdinucleares de metales de transicin con capacidad potencial para mimetizarla accin enzimtica de monooxigenasas tales como la tirosinasa, tirosina

2

hidroxilasa y dopamina-~3-hidroxilasa, que tienen la propiedad deintroducir tomos de oxgeno en substratos orgnicos derivados de tirosina.

La biosntesis de noradrenalina a partir de tirosina transcurre en tresetapas de reaccin, de las cuales la primera (hidroxilacin de tirosina adopa) es la ms vulnerable por ser limitante de la velocidad del procesoglobal5 (figura 1).

OH OH OH OHHO HO

A Affl~

COOHHO

NH2 NH2

Dope Noradrenalina

Figura 1

En la anterior secuencia de reacciones, los procesos 1 y 3 soncatalizados, respectivamente, por dos metaloenzimas: tirosina hidroxitasay dopamina-f3-hidroxilasa.

La tirosina hidroxilasa es una metaloenzima que cataliza latransformacin de tirosina a dopa, mediante un proceso de hidroxilacin enposicin a al grupo tenlico de la tirosina que da lugar al agrupamientocatecol, caracterstico de las estructuras de dopa, dopamina y noradrenalina.

La dopamina-~-hidroxilasa cataliza el siguiente proceso dehidroxilacin de la cadena aliftca de dopamina que configura la estructuradefinitiva de la noradrenalina.

La estructura del centro activo de la tirosina hidroxilasa es unaincgnita que est por resolveraa. Sin embargo, se conoce bastante bien elcentro activo de la tirosinasa, que como es sabido interviene en la formacin

NH2

Tirosina Dopamina

3

de pigmentos de melanina catalizando tanto el proceso de hidroxilacin defenoles a catecoles como su posterior oxidacin a quinonas6.

Se ha demostrado que los centros activos de la tirosinasa y lashemocianinas son muy parecidos y estn formados por un agrupamientobinuclear de tipo Cu2~-Cu2~, susceptible de experimentar procesos de oxido-reduccin a Cu~-Cu~ y de enlazar una molcula de 02 entre los dos tomosde cobre, dando lugar a un centro activo de g-peroxodicobre(II) comn a laoxihemocianina y oxitirosinasa. Es interesante sealar que mientras en lahemocianina el proceso de fijacin de 02 es reversible, en la tirosinasa no loes, interviniendo activamente en el proceso de hidroxilacin de tirosina adopa3b(figura 2).

OOCu2~-Cu2~ 2& TirosinatCutCu+t Cu-Cu Cu~-Cu~ + DOPA

Figura 2

Por las razones anteriormente expuestas, cabe suponer que loscentros activos de tirosinasa y tirosina hidroxilasa tengan aspectosestructurales comunes.

Por otra parte, existen numerosas evidencias de que no slo latirosinasa, sino tambin la dopamina-I3-hidroxilasa, contiene agrupamientosbinucleares de Cu(I) responsables de la incorporacin de oxgeno ensubstratos orgnicos7-9. Estos centros metlicos en presencia de ascorbato(un donador de hidrgeno fisiolgicamente especfico) son capaces deenlazar la molcula de 02, introduciendo posteriormente uno de los tomosde oxgeno en forma de hidroxilo, en el carbono C(j3) de la cadena alifticade la dopamina10. Por otra parte se ha demostrado que su accin enzimticaes inhibida por agentes quetatantes de cobre3c.

En esta direccin, aprovechando nuestra experiencia anterior ensntesis de receptores heteroaromticos de pirazol 3,5-disustituido degrandes cavidades macrocclicas, esta Tesis Doctoral se ha dirigido a la

4

bsqueda de macrociclos de pirazol 3,5-disustituido protn ionizables de 26miembros (1), capaces de desprotonarse en medio bsico para dar lugar aligandos portadores de dos eslabones pirazolato (II) situados a unadistancia ptima para formar complejos mono y dinucleares de de Cu(II)(III) y (IV), potencialmente capacitados para mimetizar el centro activo dela tirosinasa y dopamina-13-hidroxilasa (figura 3).

(-O O->

O O

01

O

2 Z

5

z

En la fase final del trabajo se ha iniciado una nueva ruta de sntesis deazasteres (2=0) y azateres (Z=H2) corona de frmula general V(R=CH3,H) construidos con eslabones de 1-metil y ljj-pirazol-3,5-disustitudo ycadenas de N-metil-dietanolamina (figura 4).

z

6

2.- MODELIZACION DE METALOENZIMAS BINUCLEARES DECOBRE.

2.1.-Conceptos generales. Modelizacion de centros activos.

Las metaloproteinas son productos naturales caracterizados porcontener cantidades estequiomtricas de uno varios elementos en su formabiolgicamente activa. En la figura 5 se recogen algunos de los tipos demetaloproteinas que han sido estudiados ms extensamente, clasificados deacuerdo con las diferentes funciones que llevan a cabo en los seres vivos.

Como puede observarse, existe una relacin entre la funcin biolgicadesarrollada y el tipo de in metlico presente, habindose demostrado quesu presencia es imprescindible para llevar a cabo procesos tan importantescomo la fijacin de electrones (Fe, Cu); unin, fijacin y activacin desustrados (catlisis) (Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo) y transporte de oxgenomolecular (Fe, Cu)4.

La mayor parte del trabajo realizado en el campo de la modelizacinde centros activos se centra en el aislamiento e identificacin de lametaloproteina. Una vez se dispone de suficiente cantidad de sta en estadopuro, la estrategia a seguir es la indicada a continuacin11.

1) Medida de las propiedades fsicas y caracterizacin de loscomponentes del centro activo.

2) Preparacin de ligandos de bajo peso molecular de los complejoscorrespondientes, aprovechando la presencia del metal como plantilla paradirigir el proceso.

3) Comparacin entre las propiedades fsico-qumicas de loscomplejos con las conocidas para el centro activo.

Los modelos sintticos preparados deben ser especies de bajo pesomolecular, fcilmente aislables y con una disposicin de los tomos similar ala observada alrededor de los iones metlicos en el centro activo. Losligandos empleados han de ser similares a los presentes en los aminocidoscon potencial actividad complejante

oN

I

u,~-~Q

uO~0

Wc

nu

,w

0

(O

W~

Cflfl

G)

3cag

oai~

a>

g

o~

QL

..>.-0

Uern

8

Tabla 1

Atomo coordinante

O

Aminocido

Seiina

cadena gante

- 0H20-I

Treo nina

Tirosina

Mido asprtto

Ackio glutmko

U~naN

- CH(CH3)OH

-GH2X7k1

- CH2CH2cOOH

- (cH,J4nt

,,NH-(0H2>a-NHC\

NH2

CH2$0H

CH2

9

Como es lgico, estos anlogos sintticos no pueden reproducir losefectos inducidos por el entorno del centro activo sobre sus propiedades,debido a que stos vienen determinados por la disposicin adoptada por lascadenas peptdicas en la conformacin activa de la macromolcula. Noobstante presentan un gran inters, ya que permiten obtener una valiosainformacin sobre tres aspectos fundamentales:

- Propiedades intrnsecas del centro activo.- Conocimiento de la estructura ms sencilla capaz de llevar a cabo la

funcin biolgica.- Establecer la importancia de los efectos debidos al entorno del centro

activo en las propiedades de ste.

- n--v---~- ________

10

2.2- El centro activo de la metaloenzima tirosinasa.

Como se ha citado anteriormente, la metaloenzima tirosinasainterviene en los procesos de formacin de pigmentos de melatina mediantela hidroxilacin del grupo fenol a catecol (actividad creolsica), por lo queest capacitada para llevar a cabo la transformacin de tirosina a dopaSb.

Mediante estudios espectroscpicos y qumicos se ha podidocomprobar que el centro activo de esta monoaxigenasa es muy similar alencontrado en las hemocianinas12, protenas implicadas en el transporte deoxgeno molecular en moluscos y artrpodos 13 y consiste en un centro decoordinacin binuclear de cobre en el cual cada uno de los tomos metlicosse encuentra unida a tres imidazoles pertenecientes a sendos restos dehistidina.

La geometra y composicin de este centro activo no se conocieronhasta 1980, cuando fue aplicada la tcnica EXAES (espectroscopia deabsorcin de rayos X) al estudio de esta estructura14. Su elucidacinestructural se complet en 1984 a partir de un estudio mediante difraccin derayos X de la forma reducida de la metaloproteina 5(figura 6).

His~His393

N

His351 Ni~ - ~1

His355N

His1~

N

Figura 6

12

la oxihemocianina1218. El proceso tiene lugar mediante la complejacindirecta del sustrato en el centro activo dinuclear de cobre y ha sidoconfirmado mediante estudios espectrofotomtricos, por la aparicin de unabanda de absorcin a 425 nm, asignable a una transicin de transferencia decarga entre el grupo fenolato presente en la mimosina y los iones Cu2~ delcentro activo.

HO 000-

O00 NH3+1-10mimosina tirosina

Asimismo se han realizado estudios de complejacin competitiva entrelos dos inhibidores citados, comprobndose que tanto el anlogo del sustrato(mimosina) como el del perxido (azida) se desplazan mutuamente encompetencia por el centro activo. Durante este proceso se ha podidoobservar la formacin de un intermedio ternario en el cual se encuentranunidas ambas especies simultneamente a los iones Cu(II) del centroactivo

18.Tomando como base los estudios de inhibicin competitiva, se ha

propuesto que la hidroxilacin de fenoles y posterior oxidacin a quinona,tiene lugar a travs del mecanismo indicado en la figura 8.

Como puede observarse, el sustrato fenlico se coordina inicialmenteen la posicin axial de uno de los tomos de cobre presentes en laoxitirosinasa. A continuacin tiene lugar un cambio estructural a travs de unintermedio de tipo bipirmide trigonal, que trae como consecuencia lahidroxilacin del anillo aromtico en posicin orto por parte del grupo peroxocomplejado. Finalmente, la prdida de una molcula de agua y la oxidacindel o-difenol complejado a o-quinona libera un centro activo binuclear enforma reducida (Cu~-Cu~), que a continuacin compleja otra molcula de 02para regenerar la oxitirosinasa en su estado inicial.

11

Aunque no se dispone de oxihemocianina en estado cristalino, se hapodido comprobar mediante estudios espectrofotomtricos que su centroactivo posee dos tomos de cobre(II) unidos a una molcula de oxgenocuyo estado de oxidacin se corresponde con el anin perxido. Por otraparte, la geometra de cada unidad de coordinacin es tetragonal y existe unligando endgeno (R-Oj entre ellos, lo que provoca la aparicin de un fuerte

acoplamiento antiferromagntico dentro de un conjunto con carcterdiamagntico16 (figura 7).

H20 H20

,~,

R

Figura 7

Mediante estudios espectrofotomtricos de los centros activos enoxihemocianina y oxitirosinasa se ha demostrado que el anin azida

desplaza al grupo peroxo complejado. A partir de las velocidades dedesplazamiento se deduce que el centro activo de la oxitirosinasa es

considerablemente ms accesible a la llegada de ligandos externos17. En

este hecho reside la diferente actividad biolgica de estas dosmetaloenzimas ya que, mientras la hemocianina lleva a cabo unacomplejacin reversible de oxgeno (actividad transportadora), la tirosinasapuede complejar Sustratos orgnicos y realizar una funcin cataltica.

Por otra parte, se ha demostrado que determinados anlogosestructurales como la mimosina tambin desplazan el grupo peroxo presenteen el centro activo de la oxitirosinasa, no ocurriendo lo mismo en el caso de

13

H20 H20QO

0~b. cu;)

RR

1 hidroxilacin 102cu)

O O

UQs2~8+

O,8~ 1 ~.

4N\QR

2H~

H20

Figura 8

2.3.- Modelos sintticos de tirosinasa.

2.3.1 .-REQUERIMENTOS ESTRUCTURALES.

Tomando como base los datos conocidos sobre el centro activo de laenzima, se han definido las condiciones estructurales mnimas que deben

R

cumplir sus anlogos sintticos.

14

a) Deben ser ligandos poseedores de 4 a 6 tomos de nitrgenoelectrodonadores, agrupados en dos centros de coordinacin de tiposimtrico asimtrico, capaces de complejar cada uno de ellos un tomo decobre, de forma que la distancia entre ellos oscile entre 3 y 4 A.

b) Su estructura ha de ser flexible, con el fin de adaptarse a lasvariaciones geomtricas que ocurren durante el proceso de complejacincomo consecuencia de los cambios en los estados de oxidacin del metal yla unin de los sustratos.

El primer punto a discutir en relacin al diseo del receptor sinttico esla eleccin del tipo de tomo donador. Dado que en el centro activo de la

enzima cada metal se encuentra unido a tres imidazoles, parece lgicopensar que los nitrgenos de tipo sp2 sern los ms apropiados paraconstruir los modelos; en concreto se han diseado anlogos sintticos tantode tipo cclico como acclico utilizando aminas, iminas, piridinas, imidazoles, ypirazoles como grupos ligantes.

Algunos de los modelos diseados en base a estos requerimentosestructurales se describen con mayor detalle a continuacin.

2.3.2.-RECEPTORES DINUCLEARES DE COBRE DE ORIGEN SINTETICO.

2.3.2.1.- CLASIFIGAcION DE LOS RECEPTORES.

Se ha llevado a cabo una clasificacin general de receptores cclicos yacclicos en funcin de sus caractersticas estructurales. Se denominancoronandos (compuestos corona) a todos aquellos ligandos monocclicos

que poseen tomos electrodonadores separados entre si por cadenashidrocarbonadas de diferente longitud.

Por otra parte, se denominan podandos a los ligandos multidentadosde estructura acclica (monodimensional) y criptandos a los constituidos porestructuras bicclicas con simetra esfrica (figura 9).

15

Dn

DDt> Do O

Podando Coronando

MD

D

Criptando

D= tomo electrodonador

P= tomo cabeza de puente

= cadena hidrocarbonada

Figura 9

Cuando estas estructuras interaccionan con iones metlicos dan lugar

a la formacin de complejos denominados coronatos, podatos ycriptatos, respectivamente.

2.3.2.2.- LIGANDOS AGICLICOS

16

o oCNItU cu4~INQ

N N

o o1

Cu Cu1

N

Figura 10

Dado que la incorporacin de anillos de imidazol resulta difcil desdeel punto de vista sinttico, han sido muchos los autores que han sustituidoeste anillo aromtico por otros heterociclos en la preparacin de complejosbinucleares de cobre. As, por ejemplo, K.D. Karlin y cols

19 han sintetizado elligando VIII, que posee dos centros de complejacin formados cada unode ellos por dos tomos de nitrgeno de tipo piridnico y uno amnico. Enpresencia de dos equivalentes de cobre(I) tiene lugar la formacin delcomplejo binuclear IX.(figura 11).

2Gu~

Figura 11

VI VII

VIII Ix

-E

17

Basndose en la estructura VII, Casella y cols20 han preparado unanueva serie de ligandos en los cuales participan tomos de nitrgeno de tipoimnico y anillos de imidazol pertenecientes a restos de histitina. Un ejemplolo constituye el compuesto X, capaz de formar el complejo binuclear XI enpresencia de dos equivalentes de Cu~ (figura 12).

CH3

ocoocH3

CH3

2Cu~

N

H300c

Figura 12

En estos compuestos, la novedad ms importante desde el punto devista estructural es la utilizacin de slo dos tomos de nitrgenoelectrodonadores por cada in Cu~ complejado.

Los ligandos XII y XIV, que estn estructuralmente relacionadoscon los compuestos VIII y X, han sido recientemente preparados porSorrel y cols

21. En ellos los tomos de cobre son complejados por tomosde nitrgeno pertenecientes a anillos de 1-metil-imidazol sustituidos en laposicin 2.(figura 13>.

CH3 CH3

o

x XI

18

N~H 2Cu~

HaC~%

Figura 13

Como puede observarse en la figura 8, se ha propuesto que la enzimatirosinasa utiliza preferentemente uno de los tomos de cobre(I) en elproceso de complejacin previo a la hidroxilacin del anillo fenlico. Con elfin de simular este comportamiento, Karlin y cols

22 han preparado el ligandobinuclear de tipo asimtrico XVI. En el complejo XVII, los tomos de cobrese sitan en dos diferentes lugares de coordinacin con geometra trivalente(figura 14).

H3C..~N %

HSCN

XII

H3C~

XIV XV

19

2Cu+

Figura 14

Recientemente, Rglier y cols-23 han descrito la sntesis del ligandobinuclear de Cu~ XIX, en el cual, a diferencia de los descritos anteriormente,se introduce como espaciador aromtico el grupo bifenilo (figura 15).

KA> 4>0u

Figura 15

MIMETIZACION DEL MECANISMO DE ACCION DE LA TIROSINASA.

Los complejos binucleares de Cu~ poseedores de unidades de

benceno-1 ,3-disustitu ido (estructuras VI y VII) dan lugar, en presencia deoxgeno molecular, a aductos oxigenados de Cu2~ no aislables, en los cuales

XVI XVII

XIX XX

20

la molcula complejada se encuentra en forma de anin peroxo. Estosintermedios evolucionan mediante un ataque electrfilo al anillo aromtico,para dar lugar a complejos en los cuales el anillo bencnico aparecesustituido en la posicin 2 por un grupo hidroxilo, siguiendo el mecanismoindicado en la figura 16.

N NA

N~.cu Gu N/ 4N N

1~~~

n

Hl~CuN

H

1~~

Ii

H N

02

Figura 16

21

El empleo de 1802 ha demostrado que uno de los tomos de oxgenode la molcula complejada se introduce en el anillo aromtico, mientras queel otro se elimina en forma de agua. Aunque este hecho indica que elproceso tiene lugar de manera similar al llevado a cabo por la enzima11,lamimetizacin de su mecanismo de accin es relativa, ya que el proceso dehidroxilacin tiene lugar dentro de la misma estructura del complejo.

Sin embargo, se ha descrito que el complejo binuclear XX puedellevar a cabo la transformacin fenol =~ catecol =~ quinona, mediante laformacin previa del correspondiente aducto oxigenado de Cu2~ y posteriorreaccin con 2,4-ditercbutil-fenol (DTBP) en presencia de trietilamina comoaceptor de protones, segn se indica en la figura 17.

Cu~

02 DTEP+NEt3

oo03< Cc~ ~D

ooRut

o

t Rut(o u11 BUtc3uD

Figura 17

22

2.3.2.3.- RECEPTORES MACROCIcLIGOS.

Los receptores dinucleares de carcter macrocclico permitendisponer, dentro de una misma estructura, de centros de complejacinestratgicamente situados capaces no slo de complejar iones metlicos,sino tambin de interaccionar selectivamente con sustratos orgnicos. Estoes debido a que en estos complejos, la distancia y disposicin espacial delos cationes puede ser controlada a travs del diseo racional del ligando.De esta manera, se han estudiado fenmenos tan importantes como losacoplamientos magnticos, transferencias electrnicas, modificaciones en laspropiedades oxido-reductoras de los iones y complejacin selectiva demolculas orgnicas, en funcin de sus grupos enlazantes y de la distandaentre los iones metlicos.

En el caso concreto de receptores dinucleares de iones metlicos detipo mono y polimacrocclico, se ha llevado a cabo una clasificacin basadaen el nmero de cadenas puente utilizadas en la construccin de laestructura as como en la diferente disposicin que pueden adoptar dentro deellas los iones complejados24(figura 18).

~Complejos macrocclicos Complelos macrobiciclicos Complejos macrotric~clicos

Axial Lateral

FIgura 18

23

En la ligura 19 se indican esquemticamente los procesos deformacin de este tipo de complejos a partir de receptores macrocclicos(coronandos) XXI y macrobicclicos (criptandos) XXIV, respectivamente.

x

XXI

(x x%

XXIV

XXII

x x

Figura 19

Tomando como base la estructura general VII, Martel y cols9~25 handiseado el receptor macrocclico XXVII, el cual, a diferencia de losligandos acclicos descritos anteriormente, no incorpora ningn heterociclocomo agente complejante. En el complejo binuclear XXVIII los dos tomosde cobre

24

A,

4.

HN NH

NS A

y2Cu~

XXVII

~~14%.

HNcu CuNH

25

La existencia de un puente endgeno que une los tomos de cobre enlos centros activos de hemocianina y tirosnasa, queda confirmada por elcarcter diamagntico observado en sus correspondientes peroxo y azido-derivados17. Dadas las caractersticas magnticas que presentan loscomplejos binucleares de cobre(II), parece poco probable que la presenciade un slo puente de tipo peroxo azida aporte el acoplamientoantiferromagntico necesario para dar lugar a un centro activo de carcterdiamagntico1 1

La determinacin estructural del centro activo de la hemocianina en suforma reducida 15(ver esquema 6), demostr que los dos tomos de cobreestn unidos nicamente a restos de histidina. Esto indica que el puenteoxigenado responsable del acoplamiento antiferromagntico debe ser de tipohidroxo16, en contra de las hiptesis iniciales que apuntaban hacia laexistencia de puentes de tipo fenolato alcxido, procedentes los primerosde restos de tirosina y los segundos de serma treonina12. Sin embargo,resulta de gran inters destacar los estudios llevados a cabo con el fin deprofundizar en el conocimiento de la naturaleza de esta unin.

Por esta razn, a continuacin se resumen algunas de lasinvestigaciones sobre el efecto inducido por la insercin de especies talescomo los iones azida, hidrxido y alcxido, en las propiedades magnticasde complejos binucleares de cobre(II) de tipo macrocclico.

A) g-AZIDOCOMPLEJOS.

M. Nelson y cols26. han sintetizado el complejo binuclear de Pb2~XXX, que por transmetalacin en presencia de azida de sodio da lugar alcoronato binuclear de cobre(II) XXXI. Los estudios estructurales ymagnticos han determinado que en este compuesto la distancia entre losiones metlicos es de 6,02k presentando un dbil acoplamientoantilerromagntico como consecuencia de la formacin de un >-1 ,3-azidocomplejo (figura 22>.

26

uN 1 Pb NI

2Cu2~

Co

u..

FIgura 22

En el bis(g-1 ,3-azido)complejo binuclear XXXII, sintetizado por Weissy cols27, se observan modificaciones importantes respecto al descritoanteriormente. Por una parte no existen heterociclos como agentes ligantes ypor otra destaca la existencia de tomos de azufre en su estructura, que noaparecen en el centro activo de la metaloproteina. En este compuesto lageometra de coordinacin es octadrica deformada, la distancia entre losiones Cu2~ es de 5,145 y presenta carcter diamagntico comoconsecuencia de un fuerte acoplamiento antiferromagntico (figura 23).

7>HNCu NH1=;!NN...N.Nv

XXXIIFIgura 23

XXX XXXI

27

Los tetraazido complejos XXXIII y XXXIV han sido sintetizados porLehn y cols28 y estn estructuralmente relacionados con el compuestoXXXII. En ambos casos los iones Cu2~ estn contenidos dentro de laestructura macrocclica, unidos por agrupamientos ONO y NNN,respectivamente, como agentes ligantes y situados en los polos de lascorrespondientes cavidades. En el primero de ellos la distanca entre lostomos de cobre es de 3,16, cercano al observado en el centro activo de laoxihemocianina (3,7)14 y la geometra de coordinacin es octadrica,presentando un fuerte acoplamiento ferromagntico. En el segundo ladistancia entre los iones metlicos es de 5,97A y se sitan en un entorno congeometra de pirmide cuadrada. No se observa acoplamiento magntico(figura 24>.

OAN~~N %4%s-~~N-Q

NH HNCu 5N-N~

NH

XXXIII XXXIV

Figura 24

B) g-HIDROXOCOMPLEJOS.

El compuesto XXXV est estructuralmente relacionado con el XXXI yha sido sintetizado de manera similar29, sustituyendo el anin azida por elhidrxido (figura 25).

En este compuesto la distancia entre los centros metlicos ec de3,57, muy cercana a la encontrada en el centro activo de la metaloer~zima,aunque las medidas de susceptibilidad magntica indican que existe slo unmoderado acoplamiento antiferromagntico.

28

2Cu2~OH

XXXFigura 25

Utilizando tambin una unidad de tipo 2,6-bis(imino)piridina, Drew ycok30 han sintetizado los metoxo e hidroxocomplejos XXXVI y XXX VIIque presentan un moderado acoplamiento magntico. La estructura cristalinadel compuesto XXX VII ha sido determinada mediante difraccin de rayosX, comprobndose que la distancia entre los iones Cu2~ es de 3,145. Portratamiento de XXXVI con azida de sodio se obtiene el complejo binuclearXXXVIII, en el cual los iones metlicos sufren una fuerte interaccinantiferromagntica por la formacin de tipo g-1 ,1-azido (figura 26).

Basndose en la estructura XXXVI, Nelson y cols31 han sintetizadocomplejos binucleares de Cu(I) y Cu(II) de frmula general XXXIX, en loscuales los dos centros metlicos estn unidos por un puente de tipo etoxo(figura 27). Estos autores han estudiado tanto las propiedades magnticas delos complejos de Cu2~ como la complejacin de oxgeno molecular. Esinteresante sealar que, en este caso el heterociclo no participa en lacomplejacin de los iones metlicos, disponindose stos a una distanciaque oscila entre 2,80 y 3,35 A, inferior al encontrado en la metaloenzima.

XXXV

29

FIgura 26

FIgura 27

Estos autores han observado que el correspondiente complejo

binuclear de Cu

30

Los complejos binucleares sintetizados por Lippard y cols32 presentan,

como novedad ms interesante, la introduccin de anillos derivados detropolona como espaciadores. En el tropocoronato XL los tomos de cobrese encuentran ligados por puentes de tipo metoxo y acetato, presentando undbil acoplamiento antiferromagntico. La geometra de coordinacin estetrahdrica distorsionada, con distancias Cu....Cu de 3,1 A (figura 29)

CH3

Q~s?0) Ny~ HOCuOH3

XL

FIgura 29

Tomando como base la estructura XXXVI, Bailey y cols33 han

introducido grupos hidroxilo en las cadenas hidrocarbonadas. El resultado esla obtencin del complejo binuclear XLI , en el cual la distancia entre losiones (3,638,4) est determinada por el puente de tipo alcoxo, en unacoordinacin de tipo pirmide cuadrada. Las medidas de susceptibilidadmagntica muestran que existe una dbil interaccin antiferromagnticaentre ellos

31

QHN H NH\ N

HQQXLII

Figura 30

32

3.- Macrociclos heteroaromticos de pirazol 3,5-disustituido.

Antecedentes bibliogrficos.

3.1.- CON CADENAS DE TETRAETILENGLICOL.

Anteriormente, en nuestro grupo de trabajo se ha llevado a cabo unestudio sistemtico de las propiedades ionforas de dos series diferentes dereceptores heteroaromticos de estructura general XLIII y XLIV, frente acationes metlicos y orgnicos de simetra esfrica y tetrahdrica35,respectivamente. Estos receptores tienen una cavidad macrocclica formadapor ciclos aromticos de pirazol 3,5-disustituido y cadenas flexibles detetraetilenglicol ligados entre s por eslabones rgidos de tipo carboni)o(XLIII, X=O) o eslabones flexibles de tipo metileno (XLIV, X=H

2) (figura31).

z z

c~0~kcytX~NN

o o

RO NN O

o 04%)

z

XLIII(a-c), Z=OXLIV(a-c), Z=H2

a) R=H; b) R=CH3; c) R=CH2C6Hg

Figura 31

33

En la sntesis de steres corona de estructura general XLIII porreaccin de los dicloruros del cido pirazol-3,5-dicarboxlico adecuados contetraetilenglicol, se utilizaron condiciones de alta dilucin y trietilamina (TEA)como aceptor del cido hidrcido (HCI) generado en la reaccin. En estascondiciones, se obtuvieron di- y tetrasteres corona de 18 y 36 miembrosdotados de uno y dos ciclos de pirazol, respectivamente, con cavidadesmacrocclicas de carcter asimtrico (XLVIII, X=O, R=CH3, n=0,1) ysimtrico (XLIV, X=O, R=H, n=0, 1)36.37.

En general, las ciclaciones de tipo 1:1, que dan lugar a coronandos detipo monmero estn favorecidas en relacin a las de tipo 2:2 que originanreceptores de carcter dmero. Por otra parte, la reaccin a partir dederivados de 1-metilpirazol transcurre con rendimientos considerablementesuperiores [R=CH3:53%(n=0>, 23%(n=1)] a las realizadas con derivados de1H-pirazol [R=H:12%(n=0), 10%(n=1)].

Los bajos rendimientos con que se obtienen estos ltimos receptoresde carcter protn ionizable, no mejoran bajo la influencia cataltica delcatin Cs~(efecto template)

38, ni se consiguieron mejorar utilizando rutasalternativas de sntesis, via desbencilacin, a partir de coronandos de 18 y 36miembros de estructura XLIII(X=O, R=Bn, n=0,1)39.

La sntesis de politeres corona de estructura XLIV(X=H2, R=CH3,

Bn, n=1,2> se ha llevado a cabo mediante sntesis de Williamson porreacciones de ciclacin del dialcxido sdico de tetraetilenglicol con 3,5-bis

34

utilizando un sistema de membrana lquida de H20-CHCI3-H20 como

modelo de membrana celular en procesos de transporte pasivo.De los resultados obtenidos se deduce que, en general, los receptores

dmeros cuya cavidad macrocclica es de tamao anlogo a la devalinomicina (36 miembros) son transportadores ms eficaces que losreceptores monmeros con cavidades macrocclicas de tamao anlogo a ladel 18-corona-6 (18 miembros)

41.Con el fin de obtener informacin acerca del nmero y tipo de centros

activos de complejacin que intervienen en receptores de 18 y 36 miembros,utilizando tcnicas de 13C-RMN y cationes lantnidos (Eu3~ y Pr3~) comomodelo de cationes de simetra esfrica, se estudiaron los desplazamientosinducidos en los carbonos del esqueleto macrocclico en procesos decomplejacin en solucin de cloroformo.

A partir de estos estudios se confirm que el coronando de 18miembros que porta un eslabn de 1fr1-pirazol-3,5-disustitudo interaccionacon cationes de simetra esfrica de forma simtrica (fig 32a>, mientras queen el receptor anlogo 1-metil-sustituido, el catin se sita cerca de loscentros electrodonadores ms alejados espacialmente del grupo metilo,interaccionando de forma asimtrica (fig 32b)364142.

En ambos casos, el reducido tamao de la cavidad macrocclica y larigidez que impone a la estructura los dos grupos carbonilo, impiden laaccin cooperativa de los nitrgenos pirazlicos en los procesos de

complejacin, de forma que la interaccin con el metal se produce a travsde dos centros diferentes de complejacin, en rpido equilibrio. En el primerode ellos actan los nitrgenos de pirazol y los oxgenos carbonlicos

contiguos, mientras que en el segundo intervienen cooperativamente losoxgenos de la cadena flexible.

Estos condicionamientos estructurales deben ser causa de la bajacapacidad ionfora que muestran los dos steres corona de 18 miembros

anteriormente mencionados.

35

oe

Figura 32

El anterior comportamiento de complejacin cambia en los derivadosanlogos de 18 miembros de estructura ms flexible [(XLIV, R=CH3, H,X=H2, n=0), donde incluso en el corona 1-metil sustituido ms impedidoexiste un nico centro de complejacin en el que actan cooperativamente elnitrgeno sp

2 del pirazol y los cinco oxgenos de tipo ter situados en lacadena flexible40 (figura 33). De hecho, este pequeo corona que muestrauna interesante selectividad de transporte hacia el Li~ en relacin a los ionesNa~ y K~, muestra una capacidad ionfora considerablemente superior a lade los disteres corona monmeros de tamao anlogo.

a)

b)

36

La eficacia de transporte aumenta, y la selectividad se modificasustancialmente, en steres y politeres corona de 36 miembros deestructura dmera de frmula general [XLIII(n=1)] y (XLIV(n=1 >1 dotadosde dos eslabones de pirazol y dos cadenas flexibles de tetraetilenglicol.

En este tipo de ligandos, la mayor menor intervencin del nitrgeno

sp2 del pirazol condiciona la selectividad de complejacin y transporte deiones amonio en relacin a los iones K~ y Na~.

As, el tetraster corona de 36 miembros y tamao anlogo avalinomicina XLIII

figura 33

37

Figura 34

En este centro de complejacin, la cooperacin a ms larga distancia,de los nitrgenos del pirazol y los cuatro oxgenos carbonlicos esminoritaria42. De forma anloga a como ocurre con el 18-corona-6, laintervencin simultnea de seis oxgenos de tipo ter debe ser responsablede la selectividad K~/NH

4~ anteriormente mencionada.Sorprendentemente, la anterior selectividad se invierte en el corona

asimtrico de frmula XLIV(R=CH3, n=1) de estructura considerablementems flexible (X=H2) que se comporta como un transportador selectivo deiones amonio en relacin a los iones potasio (NH4~/K~) y sodio (NH4+/Na~>.

Utilizando tcnicas de1H-RMN, los estudios de complejadn con

iones amonio han demostrado que este ligando corresponde a una mezclade ismeros de posicin en proporcin aproximada 1:1, y que los ionesamonio interaccionan preferentemente con el ismero de estructurasimtrica, a travs de dos centros idnticos de complejacin en cada uno delos cuales intervienen un nitrgeno sp2 del anillo de pirazol y dos oxgenosalternos de tipo ter (figura 35).

38

H

le

1H30N

FIgura 36

La intervencin de los nitrgenos pirazlicos en el proceso decomplejacin selectiva de iones amonio debe ser igualmente responsable deque ste interesante ligando se comporte como un transportador eficaz desales de fenetilamonio, norefedrina, tiramina y catecolaminas involucradasen procesos de neurotransmisin tales como la homoveratrilamina ynorepinefrina, mostrando adems una acusada selectividad en relacin a losiones potasio y calcio

43.

3.2.- CON CADENAS DE DIETILENGLICOLY 2,6-BlS(HIDROXIMETIL)PIRIDINA.

Con el fin de evaluar la capacidad ionfora de tetrasteres coronaasimtricos con eslabones de pirazol situados a ms corta distancia,utilizando los procedimientos habituales, se sintetizaron dos nuevas seriesde receptores frmula general XLV y XLVI obtenidos por reaccin deldicloruro del cido 1-metilpirazol-3,5-dicarboxlico y dietilenglicol o 2,6-bis(hidroximetil>piridina, respectivamente

39

o o

XLV(n=1 ,2)

FIgura 37

Como caba esperar, la disminucin del nmero de eslabones quecomponen la cadena lateral impide en ambos casos la formacin dereceptores de carcter monmero XLV(n=0) y XLVI(n=0).

En la primera serie de estructura ms flexible (XLV), las reaccionesde ciclacin 2:2 y 3:3 que conducen a tetra- y hexasteres corona de 26 y 39miembros son prioritarias 126%ln=1) y 1 30/o(n=2)), respectivamente44.

Sin embargo, la utilizacin de espaciadores rgidos de 2,6-bis(metilen)piridina en la serie XLVI, dificulta enormemente las reaccionesde ciclacin de tipo 2:2, que conducen a receptores de 26 miembros[1%

40

4.- OBJETIVOS CONCRETOS Y PLAN GENERAL DEL TRABAJO.

En los captulos anteriores, hemos sealado los requerimentosestructurales necesarios para mimetizar el centro activo de tirosinasamediante receptores acclicos cclicos de carcter sinttico.

En la enzima natural, los dos centros ligantes son idnticos, y cada unode ellos est formado por tres nitrgenos sp2 pertenecientes al cicloaromtico de imidazol presente en la molcula de histidina (figuras 6 y 38a).

x

N N

a 1N N.,sV,.N N N N

4%

a) b)

Figura 38

De los esfuerzos realizados con el fin de mimetizar este centro activomediante receptores sintticos acclicos y cclicos, se han logrado resultados

positivos mediante variaciones estructurales, consistentes fundamentalmenteen la sustitucin parcial total de los nitrgenos sp2 del ciclo de imidazol porotros de tipo piridnico imnico.

En algunos casos se han comprobado adems que esta capacidad demimetizacin se mantiene en coronandos de 24 miembros, en los que, lostres tomos de nitrgeno sp2 de tipo tipo imidazlico se sustituyen por otrosde tipo sp3 pertenecientes a grupos amino secundarios (receptor XXXIV), incluso por oxgenos de tipo ter (receptor XXXIII).

Sobre esta base y teniendo en cuenta las analogas estructurales quepresentan los ciclos de imidazol y pirazol, ya que ambos son

41

diazaheterociclos aromticos de estructura pentacclica, dotados de unnitrgeno sp2 de carcter electrodonador y un grupo NH protn ionizablecapaz de generar aniones imidazolato pirazolato

42

b) A partir de los anteriores coronandos protn ionizables en mediobsico, obtencin de derivados de dipirazolatos de sodio o de potasio defrmula general XLVIIIa, capaces de formar complejos dinucleares conmetales de transicin, de estructura XLVIIIb, en los cuales los tomosmetlicos se encuentran situados en dos centros de complejacin idnticos.En estos complejos ya no intervienen nitrgenos sp2 de tipo piridnico, sinocuatro nitrgenos pertenecientes a dos ncleos de pirazol de tipo 1,2-dihaptopirazolato que actan como ligandos puente exobidentados.

Dadas las enormes dificultades sintticas que ha planteado laintroduccin de un grupo amino (X=NCHa) tanto en azasteres como enazateres corona de frmula general XLVIIa (figura 40), hemosintroducido una ruta adicional de sntesis de ligandos acclicos construidoscon un espaciador de 1H-pirazol-3,5-disustitudo y dos eslabones de piridina,de frmula general XLIXa, en los que uno dos nitrgenos de tipo piridnicopueden actuar cooperativamente en la formacin de complejos mono odinucleares con metales de transicin de estructura XLIXb y L,respectivamente (figura 41).

En la identificacin estructural de los nuevos podandos y coronandosse han utilizado las tcnicas analticas y espectroscpicas habituales de IR,1H y 13C-RMN, y EM(ionizacin electrnica y FAB-9.

Sobre los receptores cclicos, de mayor inters, se han llevado a caboestudios adicionales de la estructura cristalina mediante tcnicas dedifraccin de rayos X y de RMN de 13C en estado slido.

Adems, utilizando tcnicas de RMN, se ha llevado a cabo uninteresante estudio de identificacin de politeres y azasteres corona depirazol 1-bencil y 1-metil sustituidos, que presentan fenmenos de isomeriaen funcin de la diferente posicin relativa que ocupa el sustituyente encavidades macrocclicas de 26 miembros.

43

xH

NN

CORONANDO MONONUCLEAR

XL VIla

~OH

z z

...... x

CORONATO MONONUCLEARXLVIIb

CORONATO BINUCLEARXLVIIIb

Z= 0, H2X= O, N-CH3

Metal de transicin

Figura 40

44

ez

PODANDO MONONUCLEARXLIXa

7

PODATO MONONUCLEAR

XLIXb

I OH4

Lb

Z=O, H2

= Metal de transicin

Figura 41

La determinacin de los valores de pKa correspondientes a ladeprotonacin del anillo de 1fl-pirazol-3,5-disustitudo en ligandos cclicos yacclicos nos ha permitido evaluar la influencia que ejercen los gruposcarbonilo (X=O) metileno (X=H2) en el carcter protn ionizable de losderivados sintetizados, as como la ejercida por la cavidad macrocclica sobrela constante de ionizacin de este ncleo aromtico.

El estudio de ligandos cclicos acclicos dotados de anionespirazolato, as como el estudio de las variaciones espectroscpicas que seproducen en los ligandos debido a la deprotonacin del pirazol, se ha

PODANDO BINUCLEARLa

PODATO BINUCLEAR

45

llevado a cabo fundamentalmente mediante tcnicas de 13C-RMN ensoluciones bsicas de DMSO-d6.

En cuanto al estudio de complejacin con cobre(II), dado que este ines paramagntico e impide el registro de los espectros de RMN de suscomplejos, el estudio de formacin de coronatos y podatos mono ydinucleares se ha realizado utilizando el Zn2~ como modelo de metal detransicin. Sobre esta base, se ha estudiado adems la sntesis de coronatosde Cu(I) y Cu(II) en estado slido.

La sntesis de receptores cclicos y acclicos de estructuras XLVila yXLIXa se ha abordado de acuerdo con el siguiente esquema general detrabajo (figuras 42-45).

1.- Sntesis de steres corona de ltj-pirazol-3,5-disustitudo de estructuraXLVIIa (X=O, 1=0).

- Sntesis de pirazoles precursores.- Creacin de enlaces de tipo ster. Sntesis de ligandos acclicos(podandos)(figura 42).- Ensayos de ciclacin directa por etapas a partir del dicloruro del

cido 1ti-pirazol-3,5-dicarboxlico.a>- Utilizando OsC como template, siguiendo el principio de

dilucin (PD) y Et3N como aceptor de hidrcido (figura 43a>

b)- Utilizando xido de dibutil-estao (figura 43b).- Sntesis va desbencilacin (figura 43c).

2.- Sntesis de politeres corona de 1H-pirazol-3,5-disustitudo de estructuraXLVIIa (X=H2, 2=0) (figura 44).

- Sntesis de pirazoles precursores.- Sntesis de politeres corona de pirazol 1-bencil-sustituido, utilizando

CsCI como template y siguiendo el principio de dilucin.- Ensayos de desbencilacin.

3.- Sntesis de coronandos de pirazol 3,5-disustituido de estructura XLVila(Z= O, H2; X=NCH3).

- Sntesis de azasteres corona por ciclacin del dicloruro del cido

46

1-metil-pirazolil-3,5-dicarboxlico con N-metil-dietanolamina(figura 45a).

- Sntesis de azateres corona por reaccin de 1-bencil-3,5-bis(bromometil)-pi razol y dialcxido sdico de N-metil-dietanolamina

47

O O

NN

O o

HO NIN OHt

H

HO O OR O O

o o E

OR RO-)

C\ /~\HO O OR

o o/~

O

Q OH HO~

IrN

rN CI NN CIH

R= CH3, THP

cx O

14N + Tos~H

FIgura 42

48

oc

gO

t

o-

e,o

cirIIe

:3o>Ir

Cot

1

y-O

]

1

ITz

0~

(O

O.

e,

1zz

OO

oo-03

ou

,-1

03

50

CI NCH3~

PO/TEA

CsCI+

HO OHN

CH3

Br N rC6H5CH(

+

a)

PD

GsCI

CH3

Na~O N

b)

o O

CI NIN CIH

TEA

+

p-OH

2Q

O NH

\NI NI1

c)

*- 0H3-NI

Q~1

CH3-N

DISCUSION DE RESULTADOS

~1

51

1.-SNTESIS DE POLIESTERES CORONA DE Id-PIRAZOL3,5-DISUSTITU IDO.

1.1.-Sntesis de los pirazoles precursores.

Los dicloruros de los cidos ljj-, 1-metil- y 1-bencilpirazol-3,5-dicarboxlicos (3a-c), precursores de los macrociclos de tipo ster han sidosintetizados siguiendo el procedimiento descrito en la figura 46.

CH-COOEt+ EIOOG GOCEI EtOQO 7 COQEI

III NNNI 7 H R 1(b,c)

1 laCOOEt

CIOC COCNINI

R3(a-c)

HOOC COOH1NN

R2(a-c)

a, R=H b, R=CH3 c, R=CH2C6H5

FIgura 46

La preparacin del dietilster del cido 1U-pirazol-3,5-dicarboxlico(1 a) se puede llevar a cabo en dos etapas de reaccin, con altorendimiento

46(figura 47).

52

H HH

EtOOC COQEINN

H

Br2

930/

4

EtOOC OOOEI

N N

Hla

Figura 47

Se ha descrito en la bibliografa la obtencin de derivados de pirazol apartir de cicloadiciones 1 ,3-dipolares de diazocompuestos y alquinos

47-49.Siguiendo esta ruta de sntesis, la reaccin del propiolato de etilo ydiazoacetato de etilo, a una temperatura cuidadosamente controlada entre 20y 3000 conduce a la formacin del dietilster la con un rendimiento del 94%.Es importante destacar la formacin exclusiva del derivado sustituido en lasposiciones 3 y 5 del anillo de pirazol, a diferencia de otras cicloadicionessimilares, en las cuales se obtiene una mezcla de los derivados 3,4 y 3,5disustitudos4849(Figura 48).

EtOOC\

~ HNI cj

COOEt

H

COOEt

COOEIH

N

COOEt

la

CH-COOEt

N + CH2

III ~lN

4000

950/o

COOEt

Figura 48

53

La sntesis de los dietilsteres de pirazol N-sustitudo lb y lc se hallevado a cabo con rendimientos superiores al 90% siguiendoprocedimientos de N-alquilacin descritos en la bibliografa 46,5O~ Lasreaccines de transcurren a travs del anin pirazolato intermedio (la-), elcual se forma lentamente por desprotonacin del dietil ster del cido 111-pirazol-3,5-dicarboxlico la en medio bsico (figura 49).

CF-l~I

EtOOC COOEt1NN

CH3 lb

EtOOC COOEt

NI-~NIH

EtOOC COOEt

NN

K+

la

C6H5CH2CI

l&K~

EtOOC COOEI94%

C6H5CH2 ic

FIgura 49

Siguiendo procedimientos descritos en la bibliografa46-47, la hidrlisis

de los steres ia-c con cido clorhdrico 6N conduce a la obtencin de loscorrespondientes cidos dicarboxlicos 2a-c, con rendimientoscomprendidos entre 75 y 88%.

90%

54

Siguiendo tambin procedimientos tradicionales, el tratamiento de losdicidos 1-metil y 1-bencil sustituidos (2b,c) con cloruro de tionilo a reflujopermite la fcil obtencin de los correspondientes dicloruros de cido 3b,ccon rendimientos del 80 y 96~/o, respectivamente (figura 50).

EtOOC COOEtNN

4-R

HCISN4-6 h,ref lujo

1 (a-e)

HOOC COOH1

NN4-

R 2(a-c)

HOQO COOH1NN

4-R

SOC2

2-4 ti, reflujo

2(b,c)

Cloe a1

NN4-

R 3(b,c)

Figura 50

Sin embargo, se han encontrado grandes dificultades en lapreparacin del dicloruro del cido 1LL-pirazol-3,5-dicarboxlico 3a.

En un trabajo previo 35a se haba comprobado que el tratamiento delcido 1H-pirazol-3,5-dicarboxilico (2a) con cloruro de tionilo a reflujo durante8-24 horas conduce a la formacin del dicloruro de cido 3a junto concantidades variables de productos secundarios derivados dedicetopiperazina, de muy difcil aislamiento

55

En este trabajo se ha logrado el aislamiento del dicloruro de cido 3aen estado puro y con alto rendimiento (93%). Para ello se ha llevado unestudio sistemtico sobre la influencia que ejercen factores como latemperatura, la dilucin y el tiempo de reaccin. A partir de estos ensayos, seha comprobado que las reacciones de dimerizacin anteriormentemencionadas se minimizan haciendo reaccionar pequeas cantidades delcido 1.U.-pirazol-3,5-dicarboxlico

56

Este compuesto es un slido cristalino soluble en cloruro de tionilo aebullicin, acetona, tetrahidrofurano y dimetoxietano anhidros. Es interesantesealar que cuando la reaccin se lleva a cabo empleando mayorescantidades del dicido 2a y tiempos ms largos de reaccin los rendimientosdisminuyen de forma notable debido a la formacin de productossecundarios cuya identificacin no ha sido posible debido a su marcadainsolubilidad.

La estructura del dicloruro 3a ha sido determinada inequvocamente apartir de sus datos analticos y espectroscpicos de IR, EM, 1H-RMN y 13CRMN (ver parte experimental). En su espectro infrarrojo, registrado en pastillade KBr se observa una intensa banda a 1760 cm-1, correspondiente a latensin de enlace 0=0 en cloruros de cido aromticos, y otra a 3150 cm-1asignable a la vibracin NH en el anillo de pirazol.

En su espectro de 1 H-RMN registrado en acetona hexadeuteradaaparece una nica seal a 7,78 ppm correspondiente al tomo de hidrgenounido a la posicin 4 del anillo de pirazol. El desapantallamiento observadorespecto a otros derivados de lU-pirazol-3,5-disustitudo de tipo ster seexplica teniendo en cuenta la desactivacin del anillo aromtico por lapresencia de dos grupos fuertemente electroatractores.

El espectro de 13C-RMN es congruente con una estructuracompletamente simtrica, apareciendo tres seales finas a 159,3 , 143,3 y117,1 ppm, correspondientes a los carbonos QO-C,respectivamente. La equivalencia observada tanto en las seales de loscarbonos 3 y 5 del anillo de pirazol como en los grupos carbonilo confirmanla existencia en disolucin de un rpido equilibrio entre las formastautmeras equivalentes indicadas en la figura 52.

CIOC CICO 4% COCcocNNI NN

4-H H

FIgura 52

57

En su espectro de masas, obtenido mediante la tcnica de ionizacinelectrnica, si bien no se observa fa presencia del jn molecular M~, el picobase (m/z 157) corresponde a la prdida de un tomo de cloro a partir de l.Asimismo destaca la aparicin de picos con m/z 121(46%), 93(10%) y65

58

1.2.- Ensayos de formacin de enlaces de tipo ster.Sntesis de ligandos acclicos de lIL-pirazol-3,5-disustitudo.

La sntesis de steres corona de pirazol 3,5-disustituido protnionizables ha presentado serias dificultades, debido tanto a los problemasque originaba la obtencin del dicloruro del cido lj-pirazol-3,5-dicarboxlico (3a> como por los bajos rendimientos previamente descritos enla bibliografa en reacciones de ciclacin36 Estos inconvenientes nos hanllevado a ensayar dos rutas alternativas dirigidas a la creacin del enlacester:

a) A partir del cido lli-pirazol--3,5-dcarbox[lico (2a), utilizando elcarbonil-diimidazol como agente activante.

b) A partir del dicloruro del cido lfrI-pirazol-3,5-dicarboxlico (Sa).

En ambos casos se ha utilizado el podando 0-metil-sustituido 7 (figura54, R=CH

3) como modelo ms sencillo, con el fin de evaluar el procedimientoms eficaz.

O NN O4-

H

O O

OR RO)

7

59

(R=THP), precursor del podando acclico OH sustituido 9 (RzH), que se hautilizado posteriormente en reacciones de ciclacin en dos etapas dirigidas ala obtencin del correspondiente tetraster corona de 26 miembros deseado.

Por ltimo, estos estudios nos han permitido comprobar que si bien lautilizacin del carbonildiimidazol (mtodo a) permite la obtencin de ligandosacclicos con buenos rendimientos, este procedimiento no es adecuado enreacciones de ciclacin.

1.2.1.- A PARTIR DEL ACIDO 1U-PIRAZOL-3,5-DICARBOXILICO (2a)

Se han descrito en la bibliografa numerosas reacciones en las cualesel carbonildiimidazol se emplea con xito como agente activante del grupocarboxilo en la sntesis de steres y amidas, especialmente en aquelloscasos en los que la preparacin de los cloruros de cido resulta difcil inviable52~53. La reaccin transcurre a travs de una imidazolida intermedia,no aislable, que conduce a los steres por reaccin con los correspondientesalcoholes (figura 55a).

El tratamiento del cido 1H-pirazol-3,5-dicarboxlico monohidrato (2a)con carbonildiimidazol (relacin molar 1:3) y la posterior reaccin con loscorrespondientes alcoholes, conduce a la obtencin de los ligandos acclicosde 1fl-pirazol-3,5-disustitudo 7 y 8 con buenos rendimientos

60

~2RC~ =0 250C

N

QN +O

40 tNI R-OH RCRC~ + ~.E.

OtV NI 40-60CH 1..

&~:vN

a)

ON~\ II /~N

+ H20 ~- NI2

H

b)

Figura 55

El monometilter del dietilenglicol es un producto comercial, mientrasque el monotetrahidropiranilter del dietilenglicol se ha preparado porreaccin del dietilenglicol y 3,4-dihidro-2ff -pirano, empleando tosilato depiridinio como catalizador

54 (esquema 52). La reaccin se ha llevado a caboaadiendo el dihidropirano sobre el alcohol muy diluido en relacinestequiomtrica 1:1, con el fin de evitar en la medida de lo posible laproteccin de los dos grupos hidroxilo (figura 57).

~7fl -

H

]

HOOC

1N

Oo

O

OEn

2:

o

r-.En

2:

Co

oOO2:

ooo

62

OH

Tos14

NI+H

CHCI3, ta.24 lis

f\HO O

60%

FIgura 57

La eliminacin de los grupos tetrahidropiranilo en el compuesto 8 hapresentado grandes dificultades. Despus de intentar sin xito numerososprocedimientos descritos en la bibliografa 54-56, se consigui finalmente elobjetivo previsto introduciendo algunas modificaciones sobre el mtododescrito por N. Miyashita y cols

54. En concreto se ha comprobado que lareaccin del podando 8 con tosilato de piridinio a 600C, utilizando comodisolvente una mezcla etanol-agua (y/y 5:1), conduce a la formacin delcompuesto 9 con un rendimiento del 75% (figura 58).

O O

C~N orn>o O

(-Oc otO~>

8

QlTos H

EtOH/H20( y/y 5:1)

600C

75%

O O

O O

QOH HO)9

FIgura 58

o

OO

En

o

OIlt.-

e

OK

o-.)z

,~

ze,

~1

22:

wni

oX

1-

op

O(

(c

ir

O3-cco

2:

O00

~(~

1

1

~zloOO2:

z1kz

o)

O

64

1.2.2.- A PARTIR DEL DICLORURO DEL ACIDO ljj-PIRAZOL-3,5-DICARBOXILICO (3a).

Paralelamente, se ha llevado a cabo la sntesis de los ligandos 7 y 8con buenos rendimientos (80 y 70%, respectivamente) mediante la reaccindel dicloruro de cido 3a y los correspondientes alcoholes, empleandotrietilamina como aceptor de hidrcido (figura 59).

1 .2.3.-IDENTIFICACION DE ESTRUCTURAS.

- DETERMINACION DEL PESO MOLECULAR.

Los espectros de masas de los tres podandos sintetizados se hanregistrado utilizando el mtodo de bombardeo de tomos rpidos (FAB~)57.

En todos los espectros aparecen claramente los picoscorrespondientes a los iones moleculares protonados [M+H]t cuya formacinse justifica mediante una reaccin de autoprotonacin entre una molculaionizada y otra neutra57(figura 60).

+ M ~ [M+H]++ [M-H]

Figura 60

En los ligandos 7 (MH~=361) y 9

65

O

-C2H40

O

OR

-C2H402R

R= 7, -CH3; 8, THP-; 9, -H

Figura 61

Como se ha citato anteriormente, en el espectro de masas delcompuesto 7 el pico base coincide con el in molecular protonado MH--=361.A partir de l se observan dos importantes picos con m/z 285(34%) y241(17%), resultantes de prdidas consecutivas de fragmentos C2H402R(R=CH3) y C2H40, segn se indica en figura 62.

En el espectro de masas del podando 8 aparece pico correspondienteal ion molecular protonado (MH+=501) con intensidad relativa del 2% y otrosdos, a 335(10%) y 311(3%) unidades de masa, debidos a fragmentacionessucesivas de tipo C2H402R (R=THP) y C2H40 a partir de l.

Es importante destacar la prdida sucesiva de los dos grupostetrahidropiranilo a partir del in molecular protonado MH~=501, como quedaconfirmado por la aparicin de un pico con m/z 417[MH~-(THP-), 7%] y otrocon m/z 333[MH~-

~

Dentro de los estudios llevados a cabo con el fin de optimizar lasvariables que definen el trabajo en condiciones de alta dilucin, en nuestrolaboratorio se ha investigado el efecto que provoca la adicin de sales decesio en la sntesis de macrociclos heteroaromticos de 1-metilpirazol-3,5-disustitu ido.

A partir de los rendimientos obtenidos en la sntesis de los polisterescorona de 1-metilpirazol con cadenas de tetraetilenglicol

74

rendimientos con que se obtienen los macrociclos monmeros y dmeros de18 y 36 miembros, respectivamente.

Sin embargo, se ha comprobado que la utilizacin del catin Cs~ en lapreparacin de macrociclos de 1-metilpirazol 3,5-disustituido de tipo politer(XLIVb)40 aumenta notablemente los rendimientos en los coronasmonmeros y dimeros, favoreciendo asimismo la formacin de receptorestrmeros y tetrmeros, que no se forman en las reacciones llevadas a cabo enausencia de este in. De hecho, bajo la influencia cataltica del CsCI, losgrandes receptores de 54 miembros (trmeros) se obtuvieron conrendimientos prximos (20%) a los de 36 miembros (dmeros)

Por otra parte, las reacciones de ciclacin dirigidas a la preparacin decoronas de 1 -metilpirazol-3,5-disustituido de tipo ster con cadenas dedietilenglicol (XLV) (26 miembros), llevadas a cabo en presencia de clorurode cesio, han conducido a la obtencin de los macrociclos dmero (26miembros> y trmero (39 miembros> con rendimientos del 26 y 13%,respectivamente.

1.3.2.- ENSAYOS DE CICLACION DIRECTA O POR ETAPAS ENCONDICIONES DE ALTA DILUCION.

1.3.2.1.- SNTEsIs VA CICLACION DIRECTA.

La sntesis de steres coronas protn ionizables construidos coneslabones de ljj.-pirazol-3,5-disustitudo y cadenas de tetraetilenglicol, defrmula general XLIIIa (7=0) se llev a cabo utilizando trietilamina enrelacin molar 1:3 como aceptor de hidrcido y en ausencia de cloruro decesio36. Como se ha citado anteriormente, en este caso se obtuvieron loscoronas monmero y dmero de 18 y 36 miembros con rendimientos del 12 y10%, respectivamente.

Anteriormente se haba comprobado36 que la presencia de trietilaminainfluye decisivamente en los rendimientos con que se obtienen los sterescoronas de 1-metilpirazol-3,5-disustitudo. En concreto, se ha observado que

75

mientras la reaccin de ciclacin llevada a cabo en ausencia de dicha baseconduce nicamente al macrociclo de tipo monmero (18 miembros) conmuy bajo rendimiento (E2%), el ensayo en presencia de tres moles detrietilamina por mol de dicloruro del cido ljd.-pirazol-3,5-dicarboxlico (38)da lugar a los coronas monmero y dmero (18 y 36 miembros) conrendimientos del 54 y 23 %, respectivamente.

En este trabajo se ha llevado a cabo la reaccin entre el dicloruro delcido 1H.-pirazol-3,5-dicarboxlico , conduce por una parte a una suspensin decloruro de cesio e hidrocloruro de trietilamina, que se separan por filtracin yun slido pegajoso que queda adherido a las pareces del matraz. A partir delfiltrado se obtiene un bruto de reaccin consistente en una compleja mezclaque analizada mediante cromatografa de placa fina sobre gel de slice,utilizando la mezcla acetona/cloroformo (y/y 4:1> como eluyente revela lapresencia de un producto de Rf=0,5 y de una mezcla de productos con Rfmuy bajo.

El producto de Rf=0,5 precipit mayoritariamente cuando la mezclaanterior fue tratada con acetona y el resto se separ por cromatografa encolumna de gel de slice a presin, utilizando mezclas de acetona/cloroformode polaridad creciente. De esta forma se aisl el tetraster corona 10 comoun slido blanco de Pf=258-2600C con un rendimiento global muy bajo (2%).Los datos analticos y espectroscpicos de RMN de 1 H y 13C indican que se

76

trata de un derivado cclico y su espectro de masas, registrado mediante latcnica FAB~ confirma claramente el carcter dmero del corona por laaparicin del pico correspondiente al in molecular protonado (MH~=453,100%), que coincide con el pico base del espectro.

Desgraciadamente, a partir de la cromatografa anterior no fue posibleel aislamiento de ningn otro producto de reaccin con suficiente grado depureza como para ser inequvocamente identificado. Sin embargo, cuando elslido pegajoso que inicialmente qued adherido a las pareces del matrazfue tratado con agua y posteriormente lavado exahustivamente concloroformo pudo aislarse un slido blanco que corresponde a un compuestopuro muy insoluble en todos los disolventes orgnicos habitualmenteempleados excepto el dimetilsulfxido. Este compuesto sinteriza a 136-13800 y funde a 238~240oC.

Los espectros de RMN de 1H y 13C del slido, registrados endimetilsulfxido hexadeuterado son muy similares a los observados para elcorona dmero 10, indicando claramente que se trata de una estructuracclica. Dicho slido contiene cloro y su anlisis elemental es acorde con lafrmula emprica C

27H30N60 15.3H20.CsCl, correspondiente al hexastercorona trimero 11 trihidratado y complejado con una unidad de cloruro decesio. En su espectro de masas obtenido mediante la tcnica FAB~ apareceel in molecular correspondiente al complejo

caCIarti,y-

0

4

0

2:

03

2:

O

O

2:

o

mOooIn

CD

78

adicional, utilizando nicamente la cantidad estequiomtrica de trietilaminanecesaria para fijar el cido clorhdrico que se desprende en la reaccin indica la presencia del corona 10(Rf=0,5) junto con otros productos de Rf inferior.

79

Utilizando un procedimiento de aislamiento y purificacin similar alempleado en los ensayos precedentes, se obtiene el corona dmero 10 conun 10% de rendimiento, comparable con el obtenido en steres corona deljzj-pirazol de 38 miembros. Junto con el macrociclo 10 se obtuvieron otroscompuestos con Rf inferior mezclados ntimamente con una gran cantidad desubproductos de estao, como pudo comprobarse en base a las seales delos grupos n-butilo en los espectros de 1H-RMN. Esta circunstancia no hapermitido la separacin e identificacin de los diferentes componentes de lamezcla.

1 .3.2.3.-SNTESIS POR ETAPAS.

La sntesis del dihidroxiderivado 9 ha abierto una nueva va depreparacin de macrociclos de pirazol 3,5-disustituido de tipo ster protnonizables.

Con el fin de investigar nuevos mtodos de sntesis del macrociclo iO,se ha llevado a cabo la reaccin entre el podando 9 y el dicloruro del cidolJut-pirazol-3,5-dicarboxlico . Siguiendo un mtodo de purificacin similar al descrito anteriormente,del bruto de reaccin obtenido se asla el macrociclo 10 con un 10% derendimiento.

OO

2:

u1

LOo

-

LOCM

1

4~

.~~

~

0w

o

CD

CD*o

o>ir

z1~.2

:

zzl11z

, con prdidas de 44 y200 unidades de masa, respectivamente (figura 71).

-a

165(23%)

MH%453(100%)

-a

409(17%)

-a

365(6%)

Figura 71

En el espectro de masas del complejo 11.3H20.CSCi se observa laaparicin del correspondiente ion molecular protonado [MH~.3H2O.CsCl]conbaja intensidad (1%). A partir del ion molecular se observan otros dos

- [b+ 2H]

86

interesantes picos con m/z 733(1%) y 695

87

En el espectro infrarrojo del macrociclo 10, registrado en pastilla deKBr se observa una fina banda situada a 3250 cm>1 correspondiente a latensin del enlace NH en el anillo de pirazol, otra muy intensa a 1725 cm>tasignable a la vibracin del grupo carbonilo y finalmente dos bandascorrespondientes a las tensiones asimtrica y simtrica en el enlace C-O,situadas a 1300 y 1260 cm-1 respectivamente.

En el compuesto de carcter trmero 11, la presencia de molculas deagua provoca la aparicin de una banda muy ancha entre 3600 y 2500 cm-1con un pico observable a 3400 cml Finalmente pueden apreciarse lasbandas de tensin C=O y C-O mucho ms anchas que el el caso anteriorsituadas a 1720 y 1240 cm-1, presentando esta ltima un hombroperfectamente visible situado a 1210 cnr1

- RESONANCIA MAGNTICA NUCLEAR DE CARBONO 13.

El espectro de 130-RMN del macrociclo 10 registrado endimetilsulfxido hexadeuterado (tabla 6) es congruente con una estructura decarcter simtrico, como lo demuestra la aparicin de seales simples tantopara los grupos carbonilo (159,6 ppm) como para los carbonos en posicionesa y 3 de la cadena (67,8 y 63,3 ppm, respectivamente>.

Es interesante sealar que la seal correspondiente a los carbonos0(3) y 0(5) del anillo de pirazol aparecen como una seal muy ancha,centrada a 138 ppm como consecuencia del equilibrio prototrpico entre lasposiciones N(1> y N.

aoCC-Jo-oo

89

H H

~ N~N

X/H

H H1 1

H Hftn,,,,,,0 It..

&N~1,Hcf

Figura 73

Aunque hasta la fecha no se han conseguido cristales adecuados parallevar a cabo un estudio de la estructura cristalina mediante difraccin derayos X, a partir de un modelo CPK del macrociclo 10 no se descarta que elintercambio protnico intramolecular entre los dos anillos de pirazol pudieratener lugar cuando los nitrgenos se orientan hacia el interior de la cavidadmacrocclica

90

r

O

O

O

O->

O O O

y44

FIgura 74

91

0H-O rH

O

Figura 75

O

NNH1 H

H-O 1

ti HNN

92

La existencia de prototropa en el compuesto de carcter trmerol 1 noes sorprendente, ya que se ha descrito en la bibliografa48.70 que el anillo depirazol podra establecer tambin este tipo de equilibrios por formacin deespecies trmeras, unidas mediante interacciones por puente de hidrgeno(figura 76a). Por otra parte, dado que se ha comprobado la existencia demolculas de agua, stas podran intervenir activamente en el equilibriotautomrico (figura 76 b), siguiendo un mecanismo similar al descrito en lafigura 75 para el corona dmero.

O O e

O

FIgura 76

- RESONANCIA MAGNTICA NUCLEAR DE PROTON.

En los espectros de 1H-RMN de los macrociclos 10 y 11 H del anillo de pirazol aparece como un singlete situado

a) b)

oCMr

go)OCNi 2rE-oC/~02

94

a 7,03 ppm, mientras que en el compuesto trimero se observan tres, situadosa7,13,7,10y7,01 ppm.

En ambos espectros destaca la aparicin de una seal ancha,centrada a ~14,5 ppm, correspondiente al hidrgeno tautomrico. Estedesplazamiento qumico anormalmente alto ha sido observado71 paraprotones implicados en interacciones de tipo NH-N, lo que parece indicarque los protones unidos al anillo de pirazol pueden estar directamenteligados por puente de hidrgeno. Este hecho parece confirmar la hiptesispropuesta anteriormente en relacin con el equilibrio interanular entre lasdos formas tautmeras (figuras 74 y 76a).

Es importante sealar que en el espectro del complejo11.3H

20.CsCI se observa otra seal ancha centrada a 3,41 ppm, quedesaparece cuando la muestra se agita con agua deuterada y cuya integralcorresponde a 6 protones. Esta seal ha sido asignada a los protones de lastres molculas de agua de hidratacin.

1.3.4.2.- MAcRocicLos DE 1 -BENCILPIRAZOL-3,5-DISusTrruIDO.

- DETERMINACION DEL PESO MOLECULAR.

En los espectros de masas de los compuestos cclicos 12-15 seobserva la presencia de los picos correspondientes a los iones molecularesprotonados MW (tabla 8), adems de una serie de seales quecorresponden a fragmentaciones comunes y sucesivas a partir de losenlaces C-O en los grupos ster. Este tipo de prdidas ha sido observado enotros macrociclos de 1 -bencilpirazol-3,5-disustitu ido de tipo polister-politerde mayor tamao 35C

En los espectros de masas de los receptores cclicos 12-14, a partirdel ln molecular protonado MW se observan seales de menor intensidadque corresponden a prdidas de 44, 288 y 272 unidades de masa. Dichospicos son asignables a fragmentaciones de tipo a(02H40), b(C14H12N205) y

95

c(014H12N204>, respectivamente. Adems se observan prdidas de 91unidades de masa, caractersticas de la presencia de grupos bencilo.

Tabla 8

Compuesto MH~ (%)12 633 10013 949 100

14 1265 100

15 1371 5

En el espectro de masas del compuesto dmero 12 el pico basecoincide con el correspondiente al in molecular protonado MH~=633. Apartir de l se observan seales cuya presencia se puede explicaradmitiendo la secuencia de fragmentaciones indicada en el esquema (figura77).

MI1=633 (100%)

V

CH2C6H5

~3~o2)Y543(4%)

301(2%)

Figura 77

96

Se ha descrito en la bibliografa35c que en los coronas dmeros el picocorrespondiente al in molecular suele ser muy intenso y se fragmentasimtricamente originando el pico MH~/2. En este caso no se observa el picocorrespondiente a esta fragmentacin, aunque s aparece un pico de m/z 301resultante de la prdida sucesiva de un fragmento de tipo a y otro de tipo c, apartir del in molecular.

De manera similar, en el espectro de masas del compuesto 13 (figura78), de carcter trmero, a partir del in molecular protonadoMH~=949(1O0%), que coincide con el pico base del espectro, se observantres prdidas sucesivas de fragmentos de tipo a(0

2H40) y c(C14H12N204,junto con la correspondiente al grupo bencilo.

273(8%)

-c

317

97

En el caso del macrociclo de tipo tetrmero 14 pueden observarseadems de los iones moleculares protonado(MH+) y diprotonado(MH2~), lospicos correspondientes a prdidas de los fragmentos de tipo a(C2H40),c(C14H12N204) y (a+c) (figura 79).

3%)

949

98

739 1 correspondientes a la tensin del enlace O-O, tanto en elgrupo ster como en el ter.

En el espectro correspondiente al compuesto de cadena abierta 15,registrado en pelcula lquida, se observan bandas similares situadas a 1730,1265, 1220 y 1090 cm>1 junto a otra muy ancha centrada a 3420 cmQcatacteristica de la tensin O-H en grupos hidroxilo.

Es interesante sealar la presencia, en todos los casos de una slabanda de tensin C=O, a diferencia de otros steres de pirazol N-sustituido,

OO

423(100%

o

Nl1 cH2Ph

Ni

YOH

MH21372(4%)

99

en los cuales, la asimetra del anillo aromtico induce dos diferentes

frecuencias de vibracin en los grupos carbonilo contiguos46.

- RESONANCIA MAGNTICA NUCLEAR DE CARBONO 13.

Los desplazamientos qumicos observados en el espectros de 130RMN del corona de carcter dmero 12 demuestran que el carcterasimtrico del anillo de prazol se manifiesta en mayor menor medida entodos sus carbonos, dependiendo de su proximidad al grupo bencilo (tabla9). Las seales correspondientes a los grupos carbonilo unidos a lasposiciones 3 y 5 del anillo de pirazol aparecen a 161,3 y 158,8 ppm, mientrasque los carbonos 0(3) y C(5> lo hacen a 142,0 y 135,9 ppm, respectivamente.Estos datos son congruentes con los descritos previamente en la bibliografaen derivados cclicos y acclicos de 1-bencilpirazol de 36 miembros35, a partirde los cuales se determin que las seales ms desapantalladascorresponden a las posiciones ms alejadas del grupo bencilo. Lasdiferencias de desplazamiento qumico observadas (~6-9 ppm para loscarbonos 0(3) y C(5), y E2-3 ppm entre los carbonos 0(3>0 y 0(5)0) sonsimilares a las observadas en los macrociclos 13 y 14 de mayor tamao.

La proximidad del grupo bencilo afecta tambin a los carbonosmetilnicos de la cadena de politer, de forma que pueden distinguirse loscarbonos C(a), C(3) de los C(a), CQ3) ms prximos al nitrgeno unido alsustituyente. Dichas diferencias (=0,5ppm> son mximas en el ciclo dmero,debido probablemente a una mayor rigidez conformacional.

En relacin al compuesto de cadena abierta 15 (ver parteexperimental), su estructura acclica queda confirmada por la aparicin dedos nuevas seales centradas a 72,4 y 61,5 ppm correspondientes a loscarbonos -y y 5 en las cadenas de dietilenglicol que contienen gruposhidroxilo terminales.

Por otra parte, los desplazamientos qumicos correspondientes algrupo bencilo son, en todos los casos muy similares, lo que indica que seencuentra orientado hacia el exterior de la cavidad macrocclica, noresultando afectado por el tamao de sta.

oIIuJo

LI)

ciCCzoSroo0)wSr

oII

e,

o

uJU)0

Wc)

ItW

(5w

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0Ce1-

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0,

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Oih

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OIt

ci=~

_2

DuJ

0)

o1-zwCCItU)wo

z-S

Q

o

0,t

ad

cc%

Ot

101

- RESONANCIA MAGNTICA NUCLEAR DE PROTON.

Los desplazamientos qumicos observados en los espectros de 1H-RMN (tabla 10) indican que la influencia ejercida por el grupo bencilo sobrelos protones ms cercanos depende fundamentalmente del tamao de la

cavidad macrocclica.As, por ejemplo, en el caso de los coronas 12 y 13, de carcter

dmero y trimero, se observa la separacin de dos multipletes centrados a 4,4y 4,3 ppm, asignables a los hidrgenos unidos a las posiciones a y arespectivamente, mientras que en el compuesto 14 (tetrmero) tan sloaparece uno, ms ancho que los anteriores situado a 4,42 ppm. Estaasimetra no afecta a los protones ji y ji, ms alejados de la posicinocupada por el grupo bencilo, ni siquiera en el caso del macrociclo de menortamao, ya que aparecen en todos los espectros bajo un multiplete centradoa =3 7-3,8 ppm

Es interesante sealar que en el compuesto dmero 12 la seal delprotn C(4>H en el anillo de pirazol aparece ligeramente apantaliadarespecto a las observadas en sus homlogos de mayor tamao. Este efecto,que ha sido observado en otros macrociclos de pirazol N-sustitudo35 puedeexplicarse admitiendo que en este macrociclo dichos protones deben estarorientados hacia el interior de la cavidad macrocclica, en situacin prxima alos oxgenos de tipo ter pertenecientes a la cadena flexible.

CC2omo(5-4owwCJ

HZ

U)W

uJJ

ow0,

LLJoQ

Q)

..CC

NZ

IwoCC

oC

)cJz

zO

j-PiRAZOL-3,5-DISUSTITUIDO

El segundo objetivo prioritario del presente trabajo es la preparacin

de macrociclos de 26 miembros frmula general XLVII (Z=H2) que

contengan unidades de pirazol 3,5-disustituido ligados mediante uniones de

tipo ter.Es de esperar que la sustitucin de los eslabones de 3,5-bis(carbonil)-

1H.-pirazol por otros de bis(metilen)-1li-pirazol, ligados a cadenas de

dietilenglicol mediante enlaces de tipo ter influya favorablemente en la

capacidad ianfora de los correspondientes macrociclos ya que, por unaparte aumentar notablemente la flexibilidad de la estructura y por otra

potenciar el el carcter electrodonador de los nitrgenos sp2 del anillo depirazol.

La sntesis de politeres corona de ltj.-pirazol-3,5-disustitudo de tipoter de 26 miembros se ha llevado a cabo va desbencilacin de loscorrespondientes coronandos 1 -bencil sustituidos.

2.1.-Sntesis de precursores.

La preparacin del 1-bencii-3,5-bis(bromometil)-pirazol (17>, precursorinmediato de los macrociclos de frmula general XLVII (Z=Ha) se hallevado a cabo siguiendo la ruta sinttica indicada en la figura 74

EtOOC {77-COOEt HOCH2

104

En 1977 Gilman y Fryer describieron la reduccin del dimetilster delcido 1-trifenilmetilpirazol-3,5-dicarboxlico con hidruro de litio y aluminio(HLA) al correspondiente derivado de 3,5-bis(hidroximetil)-1-trifeniimetilpirazol72. Siguiendo un procedimiento anlogo, anteriormente ennuestro laboratorio se intent sin xito la reduccin con H

4AILi del dietilsterdel cido 1 -metilpirazol-3,5-dicarboxiico. Este resultado inesperado parecaestar de acuerdo con los ensayos previos de Greco y Pellegrini

47 quetampoco pudieron obtener el 3,5-bis(hidroximetil)-lEl-pirazol por tratamientodel dimetilster del cido lff-pirazoi-3,5-dicarboxiico con HLA. Sin embargose logr la sntesis del 1-metil-3,5-bis(hidroximetil)pirazol con 65% derendimiento por reduccin del 1-metilpirazoi-3,5-dicarbotioato de etiloempleando hidruro de litio y aluminio como agente reductor46.

Por otra parte, utilizando hidruro de dilsobutilaluminio (OIBAL) (figura75) se puso a punto un mtodo de reduccin de steres de pirazol-3,5-dicarboxlico ljj-, 1-metil y 1-bencilsustituidos 1(a-c) a partir del cual seobtuvieron los correspondientes dihidroxiderivados 16(a-c) conrendimientos del 65%, 96% y 90%, respectivamente3546.

EtOOC X COOEt DIBAL HOCH2 X CH2OH

1 ____ 1NN NN

/R Toueno,N2 R

1) -75~C,2) 25 oc

1~R=H l6gR=H(65%)1 I~ R=CH3 1 6t~ R=CH3 (96%)1 ~ R=CH2%H5 1 6q R=CH2C6H5 (90%)

esquema 75

En este trabajo se ha puesto a punto un nuevo mtodo de preparacindel dihidroxiderivado 16c utilizando como agente reductor el hidruro de litio yaluminio en proporcin molar 4:1, con rendimiento del 97% (figura 76>.

105

EtOOC COOEtNN

PhCH( lc

a)AILiH4THF,N2

1>000,2)2500b) MeOH/NH4CI

97%

HOCH2 CH2OH1

NNPhCH 1 6

Figura 76

La novedad de este mtodo, desde el punto de vista experimental, haconsistido en utilizar una disolucin acuosa de un electrolito fuerte decarcter cido (cloruro de amonio) en el proceso de hidrllsis. Esto permite,por una parte, hidrolizar de manera efectiva el alcxido de aluminio formadoy por otra facilitar enormemente el manejo experimental del bruto dereaccin, ya que provoca la floculacin de los geles formados por las salesbsicas obtenidas en este proceso.

La preparacin del dibromoderivado 17 se ha llevado a cabo conrendimiento ligeramente superior (97%) al previamente descrito en labiblografia

35(92%) por reaccin del 1 -bencil-3,5-bis(hidroximetil)-pirazol(16c> y tribromuro de fsforo en DME anhidro y a temperatura ambiente(figura 77).

HOCH2

CH2OH

NNPhCHQ 16

PB r3

DME, anh.t.a.

97%

BrCH~ ~ , CH2Br

NNPhCH(

17

Figura 77

106

2.2.- Sntesis de politeres corona de 1-bencil- pirazol-3,5-d isust itu ido.

La reaccin del 1-bencil-3,5-bis(bromometil)pirazol (17) y la saldisdica del dietilenglicol, en condiciones de alta dilucin y en presencia decloruro de cesio, conduce a la formacin de una serie de coronas de 26 y39miembros (figura 78).

La separacin de los compuestos obtenidos a partir del bruto dereaccin result extraordinariamente dificultosa y se consigui llevando acabo un primer fraccionamiento de la compleja mezcla inicial mediantecromatografa sobre gel de slice a presin, eluyendo con mezclas deacetona/clorotormo/hexano de polaridad creciente y posteriormente porcromatografa en placa fina preparativa, utilizando las mismas mezclas.

De esta forma se ha aislado el macrociclo 18, resultante de un procesode ciciacin 2:2 con un rendimiento del 18% (MH~=577>, junto con elcompuesto de carcter trmero 19 (8%, MH+=865) y el compuesto de cadenaabierta 20 con un 15% de rendimiento (MH~=683).

El macrociclo 18 corresponde en realidad a una mezcla de dosismeros 18 y 18, los cuales fueron separados mediante cromatografa enplaca fina preparativa con rendimientos dei 10 y 8%, respectivamente.

La obtencin de estos dos compuestos de carcter dmero se atribuyea la diferente posicin relativa de los grupos bencilo unidos al anillo depirazol. En trabajos previos35 se ha supuesto que cuando la cavidadmacrocclica se construye con eslabones de pirazol N-sustituido, lasreacciones de ciclacin de tipo 2:2, 3:3, 4:4, etc deberan dar lugar a mezclasde receptores ismeros en funcin de la posicin relativa que el sustituyenteunido al nitrgeno tenga dentro de ella. En el caso concreto de los coronasdmeros, se debera obtener una mezcla de dos receptores cclicos en losque dichos sustituyentes adoptaran posiciones relativas contiguas (cis) 6alternas (trans) (figura 79>.

La separacin de los coronas 18 y 18 reviste gran importancia, yaque hasta ahora no exista ningn precedente del aislamiento de este tipo deismeros en macrociclos dmeros.

os

04

ma 2

e

oc-4-cdO

+itOo

O2525

++

108

La identiticacin estructural de estos compuestos se ha llevado a caboen base a sus espectros de resonancia magntica nuclear, habindoseasignado al compuesto 18 una disposicin de tipo trans y al 18 una detipo cis (figura 79>.

La estructura de los coronas obtenidosinequvocamente a partir de sus datos analticostomando como base los coronandos anlogos de 36 yrespectivamente.

se ha determinadoy espectroscpicos,

44 miembros 21 y 22,

O

O

109

2.3.- Ensayos de desbencilacin.

La sntesis del politer corona de 1H-pirazoi-3,5-disustitudo 23 se hallevado a cabo indistintamente por desbencilacin de los coronandosismeros de carcter dmero 18 y 18 con sodio en amonaco liquido,segn el mtodo utilizado anteriormente en nuestro laboratorio en el caso