Evidencias espectroscópicas de RMN de ¹H y ¹³C en la formación inusual de un "carbonilo inorgánico", derivado de la lactona costunólida

Eduardo Díaz,*^a Héctor Barrios,^a Aydeé Fuentes,^b David Corona^a y Ángel Guzmán^a

^a Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria Circuito Exterior. Coyoacán 04510, México D.F. Teléfono: 5622-4421.

^b Facultad de Química. Universidad Autónoma del Estado de México Paseo Colón y Tollocán; Toluca E. de México CP 50000.

Recibido el 6 de mayo del 2002. ]]> Aceptado el 26 de agosto del 2002.

Resumen

El uso de la RMN de ¹H y ¹³C permitió determinar la estructura inusual de un "carbonilo inorgánico" derivado de la lactona dehidrocostus.

Palabras clave: RMN de ¹H y ¹³C, derivados de productos naturales.

Abstract

¹H and ¹³C NMR of an unusual "inorganic carbonyl" derived from costunolide lactone are described.

Keywords: ¹H and ¹³C NMR. Natural products derivatives.

Introducción

Los compuestos orgánicos aislados de productos naturales ofrecen una abundante gama de estructuras que contienen grupos funcionales muy variados. Estos constituyen objetivos interesantes para poder efectuar un gran número de reacciones químicas que permitan introducir y transformar diferentes funcionalidades en la molécula.

De estos productos naturales, las lactonas sesquiterpénicas han sido objeto de estudios muy variados sobre la utilización y funcionalización del metileno exocíclico de la lactona, o también sobre algún otro grupo funcional presente en la estructura. Siguiendo este criterio, se han logrado obtener derivados dibromociclopropánicos [1], ciclopropánicos [2], o bien derivados de uracilos usando reacciones de Michael, las cuales demostraron efectuarse con características estereoselectivas [3-5].

Los derivados dibromociclopropánicos con los que se han funcionalizado las estructuras de las lactonas sesquiterpénicas, han servido como intermediarios para acceder a sistemas alénicos a través de la bien conocida reacción de Hiyama [6].

Entre las investigaciones más recientes efectuadas por nuestro grupo, están las reacciones con diclorocarbenos [7], usando técnicas de transferencia de fase con NaOH, CHCl₃ y un catalizador conocido como TEBAC.

Ahora, en este trabajo describimos las estructuras de dos subproductos aislados de la reacción de la lactona costunólida con CHCl₃ / NaOH / TEBAC y con CHCl₃ / NaOH / Arquad / Acetona respectivamente, los cuales presentan comportamientos inusuales y cuyas características estructurales fueron elucidadas a través de RMN de ¹H y ¹³C, apoyadas por la información obtenida de espectrometría de masas.

Discusión y resultados

En el caso de derivados dibromociclopropánicos o diclorociclopropánicos, los reactivos de Seyferth se han usado exitosamente. Sin embargo, debido a que en la transformación es necesario usar temperaturas de reflujo del disolvente usado en la reacción, este proceso resulta inadecuado en los casos en los que la materia prima se descompone o polimeriza. Tal es el caso de la lactona costunólida 1; por lo tanto, es necesario buscar una reacción alternativa para evitar tales inconvenientes.

Las reacciones de transferencia de fase han constituído un método ideal para las reacciones de dihalocarbenación aplicados a sistemas lábiles.

En el caso de la lactona costunólida 1, cuando es tratada con CHBr₃ / NaOH / Arquad, se obtuvieron mono, bis y tris dibromociclopropanos [9]. Sin embargo, cuando la reacción se efectuó usando la misma lactona con CHCl₃ / NaOH / TEBAC o bien con CHCl₃ / NaOH / Arquad / acetona no se obtuvo ningún derivado diclorociclopropánico, obteniéndose en su lugar dos productos (2 y 3) cuyas estructuras constituyen el objeto de este trabajo.

Cuando el compuesto 1 se puso a reaccionar con CHCl₃ / NaOH / TEBAC, se aisló un sólido cristalino de punto de fusión 160-163 °C cuyo espectro de resonancia magnética nuclear protónica mostró los hidrógenos del metileno exocíclico (H-13 y H-13') en δ = 5.21 y 4.76 (DMSO-d₆, 500 MHz; Figs. 1 y 2).

El espectro de RMN de ¹³C mostró una señal en δ = 174.0. La forma para complementar dicha observación con lo detectado en RMN de ¹H e IR, solo puede ser posible asumiendo la formación de un "carbonilo inorgánico" [10-11] como se representa en la estructura 2. Estos carbonilos están estrechamente relacionados con los iones oxocarbonio estables y que son intermediarios de gran interés en virtud de que se ha observado que ácidos carbónicos protonados han mostrado ser agentes carboxilantes efectivos y juegan un papel importante en ciertos procesos biológicos de carboxilación.

Asimismo, las observaciones espectroscópicas de este tipo de intermediarios han sido exitosamente efectuadas usando muy bajas temperaturas (-40 a -80 °C) y en presencia de mezclas conocidas como superácidos (FSO₃H-SbF₅-SO₂).

Olah [12] ha informado la obtención de 2-hidroxi-1,3-dioxolium hexafluoro antimoniato a partir de una solución de carbonato de vinileno disuelto en HF-SbF₅-SO₂. La sal es un material blanco cristalino, higroscópico y que en presencia de aire seco se oscurece a temperatura ambiente.

De lo anteriormente expuesto se observa que la posibilidad de obtener los llamados "carbonilos inorgánicos" bajo condiciones menos severas no es algo usual.

Por otro lado, cuando la reacción se efectuó sobre la lactona costunólida usando CHCl₃ / NaOH / Arquad / acetona, se obtuvo un nuevo producto (3) derivado de la adición de Michael del enolato de la acetona sobre el metileno exocíclico C-11- C-13.

La estructura del compuesto 3 se elucidó por la observación en la RMN de ¹H de la desaparición de las señales debidas al metileno exocíclico presente en la lactona costunólida (δ = 6.04 y 5.64) observándose en su lugar las señales de un nuevo metileno saturado en δ =1.76 y 1.96 y la aparición de un singulete (3H) en δ = 2.17 correspondiente a una metil cetona. En el espectro de IR dos bandas de grupo carbonilo fueron detectadas; 1763 cm^-1 (γ-lactona) y 1713 cm^-1 cetona). En el espectro de masas la observación de un ion molecular (M⁺) m/z 288 sugiere la adición de 58 unidades de masa (C₃H₆O) al metileno exocíclico de la lactona costunólida tal como se representa en 3 (Fig. 3). Los datos completos de RMN de los desplazamientos químicos de ¹H y ¹³C del compuesto 3, así como sus correlaciones heteronucleares (HMBC) están representados en la Tabla 1.

La evidencia del centro estereogénico generado por la adición de la acetona sobre el C-13 fue deducida de la constante de acoplamiento 3JH-11-H-7 = 9.5 Hz. La magnitud de este acoplamiento solo puede ser observada si H-7 y H-11 están en una geometría anti [13]. Esta consideración está de acuerdo con las observaciones anteriores hechas para la misma lactona [5].

Para explicar porqué la adición de Michael del enolato de la acetona sobre el metileno exocíclico se efectúa por la cara α se llevó a cabo una comparación energética por medio de modelaje molecular sobre las moléculas representadas en el esquema 3.

La diferencia de 6.3 Kcal mol^-1 entre ambas estructuras fácilmente permite deducir que cuando el grupo adicionado al metileno exocíclico es β, una interacción synperiplanar entre C-13 / C-8 se efectúa y por lo tanto esta configuración presentará una mayor energía estérica que aquella estructura que presenta la cadena unida al C-13 en posición α. Esta predicción está de acuerdo con lo observado experimentalmente a través de la constante de acoplamiento vecinal H7-H11.

Parte experimental

Los espectros de masas fueron determinados en instrumentos JEOL JMS-AX505 HA y JEOL-JMS-10217 usando impacto electrónico, ionización química o FAB. Los espectros de infrarrojo fueron detectados en instrumentos Nicolet FX-SX y Nicolet 55-X.

Los espectros de alta resolución se determinaron en un instrumento Varian Unity 500 operando a 500.3 MHz para ¹H y 125.0 MHz para ¹³C. Los experimentos fueron efectuados usando una sonda de detección inversa de 5 mm. Los experimentos de HMQC y HMBC se corrieron usando el programa estándar habitual de Varian Unity. Los espectros de los compuestos 1 y 2 fueron obtenidos en solución de DMSO-d₆ usando TMS como referencia interna (0.00 ppm). El compuesto 3 se analizó en solución de cloroformo deuterado y TMS como referencia.

Procedimientos generales

A una solución de 200 mg de lactona dehidrocostus en 1.5 mL de cloroformo, se agregaron 6.0 mL de solución de hidróxido de sodio (10 %) y 20 mg de TEBAC. La reacción se agitó durante 24 h monitoreándola por cromatografía en capa fina. Después del trabajo usual el residuo se purificó por cromatografía en columna (flash, silica gel, hexano / acetato de etilo 9:1) para dar el derivado 2.

El compuesto 2 presentó un pf = 160-163 °C ; [RMN ¹H, δ ppm; 5.21, 5.08, 4.81, 4.76, 4.71, 4.59, 3.21, 2.74, 2.49, 2.52, 2.36, 2.33, 2.26, 2.00, 1.86, 1.70, 1.67, 1.47].

NMR ¹³C δ ppm: 174.0, 154.2, 153.2, 152.2, 112.6, 109.1, 107.5, 74.1, 55.7, 50.8, 46.4, 36.3, 34.5, 31.3, 29.1.

MS, FAB: M+ m/z 293 (100), C₁₅H₁₈O₃Na₂; m/z 271 (55); 254 (20), 176 (80), 154 (40), 101 (60), 79 (80).

IR (KBr) ν_max cm^-1; 3320, 2933, 1677, 1547, 1427, 1383.

A una solución de 1.0 g de lactona dehidrocostus en 15 mL de cloroformo, 5 mL de acetona y 100 mg de Arquad S-50 se le fue agregando gota a gota 7.5 mL de una solución de hidróxido de sodio (50 %). La solución tomó una coloración amarilla. Se dejó agitar a temperatura ambiente por 24 h. Después del trabajo usual, el residuo se purificó por cromatografía en placa preparativa dando unos cristales blancos de pf 168-169 °C que fueron identificados como el derivado 3.

[El compuesto 3 presentó un espectro de RMN de ¹H ppm: 5.18, 5.05, 4.87, 4.78, 3.90, 2.86, 2.83, 2.74, 2.49, 2.48, 1.96, 2.20, 2.17, 2.15, 2.04, 2.02, 1.96, 1.94, 1.84, 1.76, 1.32. RMN ¹³C δ ppm: 208.1, 177.9, 151.6, 149.8, 111.9, 109.2, 85.1, 52.0, 47.8, 47.1, 45.5, 40.0, 37.4, 32.4, 30.1, 30.0, 22.2].

MS, IE: M+ m/z 288, C₁₈H₂₄O₃, M+ -17, m/z 270; m/5 158; m/z 43 (100).

Agradecimientos

Al Ing. L. Velasco y al M.C. J. Pérez por los E.M.; Quím. R. Patiño por los espectros de IR y a la M.C. M.I. Chávez por los espectros de RMN de ¹H y ¹³C.

Bibliografía

1. Toscano, R.A.; Nava, J.L.; Guerrero, C.; Guzmán, A.; Díaz, E. J. Chem. Crystallography 1997, 27, 457-463.         [ Links ]

2. Díaz, E.; Dominguez, G.G.; Mannino, A.; Negrón, G; Jankowski, K. Magn. Reson. Chem. 1985, 23, 494-502.         [ Links ]

3. Díaz, E.; Barrios, H.; Nava, J.L.; Enriquez, R.G.; Guzmán, A.; León, L.; Fuentes, J.F.; Fuentes, A.; Quintero, A.; SolanoJ.D. J. Heterocyclic. Chem. 1997, 34, 1037-1041.         [ Links ]

4. Díaz, E.; Nava, J.L.; Barrios, H.; Quiroz, B.; Guzmán, A.; León, L.; Fuentes, A. Spectrochimica Acta. 1998, Part A, 54, 567-574.         [ Links ]

5. Díaz, E.; Barrios, H.; Nava, J.L.; Chávez, M.I.; Guzmán A.; Fuentes, J.F.; Fuentes, A.; Spectroscopy Lett. 1998, 31, 51-61.         [ Links ]

6. a) Díaz, E.; Ortega, A.; Guerrero, C.; Guzmán, A.; Lizama, B.E.; Jankowski, K. Natural Products Lett. 1998, 12, 241-254.         [ Links ] b) Hiyama, T.; Okude, Y.; Kumura, I.K.; Nozaki, N. Bull. Chem. Soc. Japan 1982, 55, 561-568.         [ Links ]

7. a) Díaz, E.; Toscano, R.A.; Alvarez, A.; Shoolery, J.N.; Jankowski, K. Can. J. Chem. 1990, 68, 701-704.         [ Links ] b) Díaz, E.; Fuentes, A.; Villafranca, E.V.; Jankowski, K. Acta Crystallographica 1994, C-50, 2030-2032.         [ Links ]

8. a) Seyferth, D. Accounts Chem. Res. 1972, 5, 561.         [ Links ] b) Seyferth, D; Mui, J.Y.P; Burlich, J.M. J. Amer. Chem. Soc. 1967, 89, 4953-4959.         [ Links ] c) Seyferth, D.; Burlich, J.M. J. Amer. Chem. Soc. 1964, 86, 2730-2731.         [ Links ]

9. Díaz, E., resultados aún no publicados.

10. Stothers, J.B. en: C-13 NMR spectroscopy, Academic Press. N.Y. 303-305 1972.         [ Links ]

11. Le Quesne, P.W.; Levery, S.B.; Menachery, M.D.; Brennan, F.F.; Raffault, R.F. J.Chem. Soc. Perkin Trans. I 1978, 1572-1580.         [ Links ]

12. a) Olah, G.A.; White, A.M. J. Amer. Chem. Soc. 1967, 89, 7072-7075.         [ Links ] b) Olah, G.A.; White, A.M. J. Amer. Chem. Soc. 1968, 90, 1884-1889.         [ Links ]

13. a) Karplus, M. J. Amer. Chem. Soc. 1963, 85, 2870-2871.         [ Links ] b) Bhacca, N.; Williams, D.H. in: Applications of NMR Spectroscopy in Organic Chemistry, Holden Day, San Francisco, 1964.         [ Links ]