3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.3. Redução de uma Indolizina Derivada da Vitamina-B6
A hidrogenação de compostos indolizínicos já foi feita em nosso grupo de pesquisa.74 As condições para a obtenção do composto parcial- e totalmente
hidrogenado foram obtidas e diversas indolizinas bicíclicas e uma indolizina tricíclica foram submetidas à condições de hidrogenação. Entretanto, nenhum estudo havia sido feito para avaliar a estereosseletividade desse tipo de reação, na presença de um terceiro ciclo colocado agora no anel piridínico da indolizina. Sistemas bicíclicos contendo anéis fundidos (nos quais dois átomos são compartilhados por ambos os ciclos) são amplamente distribuídos na natureza. Os exemplos mais conhecidos dessa classe de compostos são as decalinas (IUPAC -biciclo[4.4.0]decanos) e os hidrindanos (IUPAC - biciclo[4.3.0]nonanos), ambos presentes no esqueleto de esteroides (Figura 3.3.1).75,76
Figura 3.3.1. Alguns exemplos de anéis do tipo decalina (destacado em azul) e
de anéis hidrindanos (destacados em vermelho) presentes na natureza.
Por conta dessa distribuição, estudos referentes a estereoquímica desses tipos de anéis são frequentes na literatura. Anéis do tipo decalina tem preferência para uma junção trans (diferença de energia cis/trans de 2,8 kcal mol-1 em favor
do isômero trans para a decalina) e anéis do tipo hidrindano seguem a mesma tendência.77 A diferença de energia entre os isômeros de ambos tipos de anéis
depende dos substituintes presentes em cada um deles. A preferência por uma junção do tipo trans pode ser entendida do ponto de vista estérico quando levamos em consideração as interações do tipo butano-gauche nesses sistemas (Figura 3.3.2). Nos sistemas hidrindanos, entretanto, um fator a mais deve ser levado em consideração que é a tensão torsional. Essa tensão faz com que a diferença de energia entre os isômeros cis e trans seja menor (0,5 kcal mol-1 em
favor do trans), visto que no cis-hidrindano o ângulo diedro na junção do anel de 5-membros é menor que no composto trans.77
Figura 3.3.2. Representação tridimensional da decalina e do hidrindano
em suas configurações cis e trans com a contagem de interações do tipo gauche em cada um deles.
Em sistemas mais complexos, uma simples análise visual de interações estéricas apesar de possibilitar uma análise intuitiva de uma possível preferência isomérica em compostos orgânicos, não é o bastante para determinar com precisão qual isômero será mais estável. Atualmente, cálculos computacionais se tornam cada vez mais acessíveis devido principalmente ao aumento da capacidade computacional de computadores modernos. Se antes cálculos ab
initio se restringiam a pequenas moléculas, hoje sistemas cada vez mais
complexos podem ser estudados utilizando essa aproximação.
Estudos estereoquímicos de sistemas contendo anéis fundidos em que um dos anéis seja de sete membros são escassos na literatura. Esse fato aliado a presença de diversas indolizidinas poli-hidroxiladas na natureza, nos levaram a utilizar um aldeído derivado da vitamina-B6 para sintetizar uma indolizina poli- substituída contendo um anel de 7-membros no anel piridínico e submetê-la as
condições de hidrogenação, a fim de estudar experimentalmente e por meio de cálculos teóricos a estereosseletividade na hidrogenação desse tipo de núcleo e a preferência conformacional de sistemas do tipo 6-7.
A escolha desse sistema em particular se deu pela disponibilidade do material de partida, no caso, a vitamina-B6. 2-Piridinocarboxaldeídos comercialmente disponíveis são raros e nenhum exemplo contendo um segundo anel saturado fundido a piridina está disponível. A síntese desse tipo de sistemas também não seria trivial. Entretanto, a utilização da vitamina-B6, nos permitiria a adição de um anel de sete membros ao anel piridínico através de uma simples acetalização das hidroxilas benzílicas do composto. A rota para a obtenção do aldeído bicíclico já havia sido descrita e está mostrada no esquema abaixo (Esquema 3.3.1).
Esquema 3.3.1. a) BnBr, 3 K2CO3, acetonitrila, 4 h, refluxo (83%); b) 2,2-
dimetoxipropano, PTSA (5 mol%), 21 h, refluxo (96%); c) mCPBA, CHCl3, 17 h
(83%); d) Ac2O, 70ºC, 1 h (99%) e) NaOMe/MeOH, 2 h (87%); f) IBX/CH3CN, 1
h (93%); g) DABCO (0,65 eq.), acrilato de metila (20 eq.), ultrassom, 72 h (85%);
A síntese se inicia com a proteção seletiva da hidroxila fenólica por um grupo benzil fornecendo 2c seguido da acetilação das hidroxilas benzílicas para dar origem a 3c. 3c foi então tratado com mCPBA a fim de dar origem ao N-óxido
4c que após acetilação e rearranjo sigmatrópico-[3,3] (reação de Boekelheide)78
forneceu o composto 5c. O mecanismo dessa transformação está mostrado no
Esquema 3.3.2 abaixo.
Esquema 3.3.2. Mecanismo da reação de Boekelheide.
Após metanólise de 5c, o 2-piridino álcool 6c foi obtido e pode então ser oxidado utilizando IBX para dar origem ao 2-piridinocarboxaldeído utilizado como substrato para a síntese da indolizina desejada. Diferente de quando utilizamos enonas cíclicas, a obtenção direta das indolizinas a partir da reação de MBH entre acrilatos e 2-piridinoaldeídos não acontece. A indolizina 9c precisa então ser obtida em uma etapa adicional de refluxo e anidrido acético, que converte a hidroxila do aduto em um bom grupo de saída, possibilitando agora o ataque do hidrogênio piridínico.
Para realizar a hidrogenação parcial de 9c alguns sistemas catalíticos foram testados (Tabela 3.3.1).
Pressão de H2
1 bar 80 bar
Entrada Catalisador AcOEt CH2Cl2 AcOEt
1 PtO2 -b -b Desproteção
2 Rh/C -b -b Degradação c
3 Rh/Al2O3a Desproteção -b
Cetona (30%) +
Álcoois (29%)d
4 Pd/Ca Desproteção Degradação c Desproteção
[a] Usando Rh/Al2O3 e Pd/C como catalisadores e AcOEt como solvente a10, 20, 40 e 60 bar de H2 levou apenas a desproteção do grupamento benzil.
[b] Material de partida recuperado.
[c] Degradação do material de partida sem formação de produto.
[d] Rendimento isolado; razão dos álcoois (1:1) foi determinado por análise de RMN de 1H.
Como podemos observar no Esquema 3.3.1, após a etapa de hidrogenação da indolizina 9c a cetona 11c poderia ser obtida nas formas cis ou
trans e o álcool 10c poderia ser obtido em quatro formas isoméricas (Figura
Figura 3.3.3. Representações dos Possíveis Diastereoisômeros do Composto 22a.
Através de experimentos de 2D-NOESY, foi possível determinar a estereoquímica relativa da junção dos anéis como sendo cis para os álcoois. A obtenção da estereoquímica cis para os álcoois nos leva a uma proposta mecanística que passe por um equilíbrio ceto-enólico e concomitante redução da carbonila formada (Esquema 3.3.3).
Esquema 3.3.3. Proposta de Mecanismo para a Etapa de Hidrogenação com
Rh/Al2O3 a 80 bar de Pressão de H2 em Acetato de Etila por 48 h.
A estereoquímica relativa da cetona obtida, entretanto, não pode ser determinada apenas pela aquisição de experimentos de 2D-NOESY, visto que não foi observado efeito nOe entre os hidrogênios da junção do anel. A não observação de uma correlação não é uma prova absoluta de que o composto seja trans. Isso aliado ao fato de a estereoquímica dos álcoois ser cis e por se tratar de um anel de seis membros com acoplamentos bastante distintos, nos levou a estudar os acoplamentos dos hidrogênios A e B da cetona 11c (ver
Figura 3.3.4) tanto experimentalmente quanto computacionalmente a fim de ter
Figura 3.3.4. Espectro de 1H em C
6D6 da cetona 11c obtido em um campo de
600 MHz, processado com uma gaussiana (lb de -1.0 Hz e gb de 0.6 Hz) a fim de facilitar a visualização do perfil dos multipletos.
Teoricamente, deveríamos observar para o hidrogênio A um sistema do tipo ddddd (acoplamentos com B, C, C’, D e D’) e para o hidrogênio B um ddd (acoplamento com A, E e E’). A identificação desses hidrogênios no espectro é quase imediata – o único ddd é o sinal centrado em 1,88 ppm e o único multipleto complexo o bastante para ser um ddddd é o sinal centrado em 1,56 ppm. Os deslocamentos estão de acordo com o esperado – hidrogênio alfa cetona B mais deslocado que A, além disso ambos hidrogênios estão ligados a carbonos de CH, de acordo com o experimento de HSQC sensível a fase (ver anexos). Os outros hidrogênios foram facilmente atribuídos através do mapa de correlação
de 2D-COSY e 2D-HSQC. Através da medida do valor de acoplamento 3J Ha,Hb
poderíamos determinar a estereoquímica relativa entre esses dois hidrogênios. Como os acoplamentos de A não podem ser medidos diretamente através de seu sinal, observamos os acoplamentos de B (3,47 Hz, 9,79 Hz e 12,35 Hz). O valor de 12,35 Hz para 3J em um anel de seis membros é evidencia de um
acoplamento trans-diaxial, portanto irradiamos A afim de observar se o esse acoplamento desapareceria em B. Não foi possível observar com clareza o desaparecimento desse acoplamento dada a largura do sinal de B no espectro de dupla irradiação. Isso nos levou a realizar um experimento extremamente recente e que nos permitiria determinar com certeza absoluta o valor dessa constante de acoplamento.
A sequência de pulso 2D-J PSYCHEDELIC (Pure Shift Yielded by CHirp Excitation to DELiver Individual Couplings)79 desenvolvida pelo grupo de
pesquisa do Prof. Gareth A. Morris em Manchester se trata de um experimento 2D-J-resolvido (experimento onde em uma dimensão ficam deslocamentos químicos e na outra ficam os acoplamentos) seletivo, ou seja, ao invés de todos os acoplamentos estarem presentes na segunda dimensão, através de um pulso seletivo na frequência de um determinado hidrogênio, apenas os hidrogênios acoplados ao hidrogênio irradiado apresentaram desdobramento na segunda dimensão. A fim de exemplificar as diferenças, a seguir estão os espectros de
1H desacoplado de hidrogênio (pure shift) (Figura 3.3.5), espectro 2D-J-resolvido
clássico (Figura 3.3.6) e o espectro obtido utilizando a sequência de pulso PSYCHEDELIC (Figura 3.3.7).
Figura 3.3.5. Espectro de pure shift de 1H em C6D6 da cetona 11c obtido
em espectrômetro de 600 MHz com a sequência de pulso TSE-PSYCHE.
Figura 3.3.6. Espectro clássico de 2D-J-Resolvido em C6D6 da cetona
11c obtido em espectrômetro de 500 MHz com a sequência de pulso jresqf
Figura 3.3.7. Espectro 2D-J PSYCHEDELIC em C6D6 da cetona 11c obtido em
espectrômetro de 600 MHz (Os parâmetros de aquisição estão nos anexos). O espectro de pure shift (Figura 3.3.5) permite uma análise simplificada dos deslocamentos químicos dos sinais, uma vez que todos os hidrogênios foram desacoplados. No espectro de 2D-J-resolvido clássico (Figura 3.3.6) o resultado obtido é apenas um espectro pure shift em uma dimensão e os acoplamentos estão na segunda. Esse espectro não é útil no nosso caso pois não temos sobreposição de multipletos, se houvesse, a medida das constantes de acoplamento seria facilitada pelo experimento, mas os valores de 3J de A
continuam complexos de medir ainda assim (inclusive não aparecem no espectro devido à baixa intensidade do sinal). No espectro de PSYCHEDELIC (Figura
3.3.7), ao utilizar um pulso seletivo na frequência de B, apenas os sinais
acoplados a este se desdobram na segunda dimensão. Como podemos observar na Figura 3.3.7, esses sinais correspondem a E’, E e A. Uma simples análise visual da distância já é suficiente para notar que o maior acoplamento é o de A com B, e para obter o valor desse acoplamento basta subtrair o valor em Hz dos deslocamentos dos pontos da segunda dimensão. Nesse caso o acoplamento é de 12.2 ± 0.6 Hz (erro associado a resolução na segunda dimensão). Portanto o acoplamento 12.35 Hz observado no sinal de B corresponde ao acoplamento
3J
Ha,Hb e esse valor corresponde a um acoplamento típico trans-diaxial. Para fins
comparativos, comparamos os valores de J obtidos para os sinais A e B com os valores obtidos através de cálculos teóricos (BHandH/EPR-III//M06-2X/aug-cc- pVDZ)80 do valor da constante de acoplamento para todos os possíveis
confôrmeros da cetona trans-11c e cis-11c (Tabela 3.3.2 e Tabela 3.3.3).
Tabela 3.3.2. Valores das constantes de acoplamento 3JHH calculados e obtidos
experimentalmente. O composto a direita corresponde ao confôrmero de menor energia da cetona trans. Erros maiores que 2 Hz estão destacados em vermelho.
Hidrogênios J Calculado (Hz) J Experimental (Hz) Erro (Hz)
AB 12.40 12.35 0.05 AC 11.90 12.30 -0.40 AC' 4.51 4.17 0.34 AD 11.51 10.13 1.38 AD' 7.07 3.11 3.96 BE 10.42 9.81 0.61 BE' 2.52 3.46 -0.94
Tabela 3.3.3 Valores das constantes de acoplamento 3J
HH calculados e obtidos
experimentalmente. O composto a direita corresponde ao confôrmero de menor energia da cetona cis. Erros maiores que 2 Hz estão destacados em vermelho.
Hidrogênios J Calculado (Hz) J Experimental (Hz) Erro (Hz)
AB 5.69 12.35 -6.66 AC 10.09 12.30 -2.21 AC' 4.68 4.17 0.51 AD 3.71 10.13 -6.42 AD' 2.19 3.11 -0.92 BE 9.26 9.81 -0.55 BE' 3.70 3.46 0.24
O cálculo da constante de acoplamento é mais uma prova de que a estereoquímica da cetona obtida é trans, visto que o valor de acoplamento calculado para a cetona trans possui um erro de apenas 0.05 Hz, muito inferior ao erro do cálculo da constante de acoplamento da cetona cis cujo erro é de 6.66 Hz. O erro associado a cálculos de constante de acoplamento geralmente fica na faixa de 1 a 2 Hz.80 Erros maiores que esses são um indício de que a estrutura
proposta pode estar incorreta e, aliados a dados experimentais, ajudam enormemente na determinação da estereoquímica de compostos orgânicos.
A obtenção da cetona trans e dos álcoois cis é um fato bastante intrigante. Geralmente o isômero de menor energia para um sistema em que o anel de seis membros esteja fundido a outro com certa planaridade (com uma cetona e um anel aromático no nosso caso) é o cis a fim de diminuir a tensão angular no anel.81 Apesar de termos obtido a cetona trans decidimos realizar cálculos
computacionais em colaboração com o Prof. Rodrigo Cormanich a fim de obtermos evidências de qual diastereoisômero seria mais estável. O Prof. Rodrigo Cormanich realizou cálculos de estrutura eletrônica para a cetona 11c em suas estereoquímicas cis e trans. Cálculos de busca conformacional Monte Carlo em nível de mecânica molecular foram feitos, apresentando nove conformações para o diastereoisômero cis-11c e cinco para o diastereoisômero
trans-11c. Todas essas conformações foram então reotimizadas em nível
B3LYP-D3/aug-cc-pVDZ67,68 levando-se em consideração o efeito do solvente
acetato de etila, utilizando-se o método de solvatação implícita (IEF-PCM).70 Os
confôrmeros de menor energia obtidos foram conduzidos a cálculos teóricos com o emprego de diversos funcionais da DFT e métodos ab initio, como mostrado na Tabela 3.3.4.67,82–84
Tabela 3.3.4. Valores relativos de energias, entalpias e energias livres de Gibbs
para o confôrmero mais estável do composto trans-11c e em relação ao do cis-
11c calculados em diversos níveis utilizando-se o conjunto de bases aug-cc-
pVDZ.
E H[a] G[a]
B3LYP -0.22 -0.37 -0.55 B3LYP-D3 0.38 0.25 0.08 M06 0.09 0.00 0.62 M06-2X 0.01 0.26 0.44 M11 0.20 0.12 0.81 B2PLYP-D3 0.44 0.54 1.16 HF -1.10 -1.11 -1.15 MP2 0.66 0.76 1.38 SCS-MP2 0.18 0.27 0.90
MP4(D) 1.07 1.15 1.77
MP4(DQ) 0.15 0.25 0.87
MP4(SDQ) 1.10 1.20 1.82
[a] As correções para os valores de entalpia térmica e para a energia livre de Gibbs para os
métodos pós-HF e para o funcional B2PLYP-D3 foram obtidas através de cálculos de frequência obtidos utilizando o funcional M11 para geometrias otimizados usando este mesmo funcional.
Comparando as energias livres de Gibbs, os cálculos ab initio mostram que a correlação eletrônica é um fator a ser levado em consideração, dado que o método HF mostra o resultado oposto em comparação ao MP2, ao método
Spin-Component-Scaled (SCS)84 MP2 de Grimme e aos métodos MP4, todos
indicando o composto cis como mais estável, enquanto o HF prevê o composto
trans como sendo mais estável. O funcional B3LYP também indica o composto trans como sendo mais estável, sendo que quando aplicamos a correção de
dispersão D3 de Grimme, o isômero cis é novamente indicado como sendo mais estável. A correção de dispersão D3 inclui no funcional correlação eletrônica e correções de dispersão, o que faz com que os valores de energia obtidos se tornem mais acurados.
Baseando-nos nos resultados anteriores, aplicamos os funcionais de Truhlar M06, M06-2X e M1183,85 e o funcional B2PLYP86 de Grimme incluindo
dispersão D3. Esses funcionais indicaram valores de energia livre que favorecem o composto cis em comparação com o trans. Apesar de todos os resultados indicarem que a cetona cis como sendo a mais estável, o “padrão de ouro”87 de
cálculos teóricos é considerado como sendo o modelo CCSD(T).88 Infelizmente
esse método se mostrou proibitivamente caro computacionalmente e os cálculos não convergiram. Entretanto, foi possível utilizar o método MP4(SDQ)89 que
pode ser considerado o método ab initio de maior correlação eletrônica utilizado. Esse método mostrou uma preferência para a cetona cis de 1,82 kcal mol-1. Essa
diferença é menor que a encontrada para sistemas do tipo decalina, entretanto é maior que a encontrada em sistemas do tipo hidrindano.
O fato de termos obtido a cetona trans experimentalmente não significa que ela seja o produto de menor energia. Para isso, tentamos isomerizá-la a fim de avaliar a proporção cis/trans obtida. Entretanto, infelizmente essa proposta
não pode ser provada experimentalmente já que não conseguimos realizar essa isomerização utilizando diferentes bases (DBU, metóxido de sódio e HMDS).