Uma nova abordagem para a síntese e avaliação fotofísica preliminar de indolizinas policíclicas

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

INSTITUTO DE QUÍMICA

LUCAS ANDRÉ ZEOLY

UMA NOVA ABORDAGEM PARA A SÍNTESE E AVALIAÇÃO

FOTOFÍSICA PRELIMINAR DE INDOLIZINAS POLICÍCLICAS

CAMPINAS 2018

UMA NOVA ABORDAGEM PARA A SÍNTESE E AVALIAÇÃO FOTOFÍSICA PRELIMINAR DE INDOLIZINAS POLICÍCLICAS

Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Química na área de Química Orgânica.

Orientador: Prof. Dr. Fernando Antonio Santos Coelho

O arquivo digital corresponde à versão final da Dissertação defendida pelo aluno Lucas André Zeoly e orientada pelo Prof. Dr. Fernando Antonio Santos Coelho.

CAMPINAS 2018

Prof. Dr. Fernando Antonio Santos Coelho (Orientador)

Prof. Dr. Humberto Márcio Santos Milagre (IQ-UNESP/Araraquara)

Prof. Dr. Julio Cezar Pastre (IQ-UNICAMP)

A Ata da defesa assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.

Este exemplar corresponde à redação final da Dissertação de Mestrado defendida pelo aluno

LUCAS ANDRÉ ZEOLY,

aprovada pela comissão julgadora em 31 de julho de 2018.

Dedico essa dissertação de mestrado aos meus pais, Domingos Donizete Zeoly e Izilda Maria da Silva Zeoly. Obrigado pelo amor incondicional, pelo incentivo e pela educação, que me permitiram tornar-me quem sou. Sem vocês nada disso teria sido possível. Vocês são meus exemplos. Amo vocês.

Dedico essa dissertação às minhas avós, Neuza Aparecida Prata Zeoly e Erminda da Veiga Vidal, e à minha tia e madrinha, Rosimeire da Silva Galo, que já não estão mais presentes, mas que sempre intercederam por mim em tudo e continuam a interceder do Céu. Obrigado por tudo.

A Deus, que ouviu minhas orações e agradecimentos ao longo desses dois anos. Agradeço à Virgem Maria e aos Santos de minha devoção, os quais sempre intercederam por mim nesse trajeto.

Ao meu pai, Domingos, e à minha mãe, Izilda, por nunca me deixarem desistir e por terem sempre “perfumado o caminho” para que eu pudesse chegar até aqui – vocês são meus modelos, e sou muito grato por cada dia mais me parecer com vocês. Que eu seja capaz de retribuir um dia tudo que fizeram e fazem por mim.

Ao meu orientador e amigo, Prof. Fernando Coelho, por ter me recebido em seu laboratório com todo o entusiasmo que lhe é característico: obrigado por toda a confiança e por ter me transmitido esse brilho no olhar que você tem pela química orgânica. Quero me tornar um orientador como o senhor um dia! Muito obrigado pela orientação na química e pela sua amizade, “carinha”.

À Profa. Wanda, por todo o incentivo e por me receber sempre de braços abertos: sua amizade, carinho e cuidado tornaram o caminho mais leve! Obrigado por tudo.

Ao Manoel, por ter me recebido no laboratório e por ter me ensinado a ser “químico orgânico experimental” – sem você eu não seria o químico que sou hoje.

À Rosi, por ter me ajudado a realizar meus primeiros trabalhos, pela amizade e por sempre estar lá quando as coisas pareciam estar difíceis. Eu te admiro muito.

À Marília, por sempre ter estado lá me ajudando, por ter se tornado essa “amiga-irmã”, que me incentivou e esteve comigo nos bons e maus momentos. Vocês três foram parte essencial na minha formação e me guiaram nesse caminho. Muitíssimo obrigado por tudo!

Ao Prof. Rodrigo Cormanich, por ter me ensinado o que sei de cálculos computacionais e por ter sido esse amigo fantástico no período em que esteve em nosso laboratório. Muito obrigado! Você é um amigo sensacional!

Aos outros amigos do LSPNF e agregados: Ralphinho, João, Guidotti, Minhoca, Sâmia, Caio Nakavaki, Shima, Daniara, Lucimara, Capretz, Fábio,

vocês são família e fizeram desse laboratório uma casa para mim. Sintam-se sempre em meu coração. Muito obrigado por estarem comigo nos bons e maus momentos.

Aos amigos e colegas dos outros laboratórios da Unicamp, muito obrigado por tudo – especialmente os alunos do grupo do Prof. Rittner e do Prof. Cláudio pela ajuda com a realização de experimentos específicos de RMN – valeu Tatá e Laiza! Ao Pedro Vendramini do Laboratório do Prof. Eberlin, por toda a ajuda com os experimentos de massas, pelas cervejas no posto e pela amizade.

Agradeço especialmente ao Gui, ao Prof. Célio e ao Prof. Bruno por aguentarem meus dramas, pela confiança, companheirismo e amizade – meu mestrado foi melhor com vocês ao lado; agradeço ao Matheus, pelas caronas e por ter se tornado esse amigo sensacional ao longo do tempo – você é um cara incrível! – Orgulho-me muito de poder partilhar o meu dia-a-dia consigo, que venham muitos anos mais.

À Zezé Guessi, Isabella Garcia, Prof. Pedro Autreto, Pedro Bravo, Gabriel, Tati, Lari, Juninho e Rafa por terem feito desse caminho tão mais leve. É muito mais fácil chegar aonde cheguei com amigos como vocês ao lado me segurando a mão.

Ao Prof. Júlio Pastre, pela amizade, conselhos – você é uma pessoa muito querida! - e, em colaboração com o Prof. Caio Oliveira, pelas contribuições no exame de qualificação desse trabalho. Agradeço também ao Prof. Humberto Milagre e à Profa. Cíntia Milagre que se dispuseram a participar na minha banca de defesa. Obrigado por todos os conselhos e críticas!

Aos outros funcionários do Instituto, que me apoiaram e ajudaram a tornar esse sonho possível. Muito obrigado pelo trabalho e pela amizade de vocês, especialmente dos funcionários da Sala de RMN, Gustavo e Anderson; dos funcionários da CPG, Bel, Isabella, Janaína e Diego; e das funcionárias que realizam a limpeza do nosso laboratório. Obrigado pela presença e confiança!

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.

“Enquanto ensino continuo buscando, reprocurando. Ensino porque busco, porque indaguei, porque indago e me indago. Pesquiso para constatar, constatando, intervenho, intervindo educo e me educo. Pesquiso para conhecer o que ainda não conheço e comunicar ou anunciar a novidade” - Paulo Freire

Compostos heterocíclicos estão presentes em uma ampla variedade de produtos naturais e fármacos. Entre esses padrões heterocíclicos, destacam-se especialmente os heterociclos bicíclicos, dos quais fazem parte as indolizinas. Indolizinas são compostos heteroaromáticos bicíclicos formados por uma porção piridínica e outra porção pirrólica. O núcleo indolizínico é pouco comum na natureza em sua forma aromática, entretanto, análogos parcial- (tetrahidroindolizinas) e totalmente hidrogenados (indolizidinas) são relativamente comuns, sendo encontrados principalmente em metabólitos de formigas, plantas e sapos. Na literatura encontramos diversos métodos para a síntese de indolizinas, porém pouca ou quase nenhuma metodologia está disponível para a síntese de indolizinas que contenham anéis saturados ligados ao anel do tipo pirrólico da molécula e, portanto, pouco se conhece de suas propriedades físicas e químicas.

Neste trabalho, desenvolvemos um estudo metodológico utilizando um organocatalisador do tipo bicicloimidazoil-álcool, desenvolvido em nosso grupo de pesquisa, com o objetivo de preparar indolizinas tricíclicas substituídas. Após otimização das condições reacionais, uma série de novas indolizinas tricíclicas foram sintetizadas e totalmente caracterizadas. Algumas transformações químicas, tais como reações de redução, adição eletrofílica e reações do tipo aldol foram realizadas com essas novas moléculas para exemplificar a potencialidade química. Além das propriedades químicas, devido aos muitos relatos presentes na literatura sobre as propriedades fotofísicas de compostos contendo indolizinas, avaliamos também a absorção de luz UV e a fluorescência desses compostos e de alguns de seus derivados empregando medidas de espectroscopia no UV-Vis e de fluorescência. Por fim, avaliamos também a reatividade de uma indolizina derivada da Vitamina B6, frente a reações de hidrogenação parcial do anel. O comportamento dessa reação de hidrogenação foi avaliado tanto experimentalmente, quanto por meio do uso de cálculos de DFT e ab initio.

Heterocyclic compounds are present in a wide variety of natural products and drugs. Among these, bicyclic heterocycles, especially indolizines, are particularly noteworthy. Indolizines are bicyclic heteroaromatic compounds formed by a fused pyridine and pyrrole moieties. The indolizinic nucleus is uncommon in nature in its aromatic form; however, its partial (tetrahydroindolizines) and fully hydrogenated analogues (indolizidines) are relatively common, being found mainly in the metabolites of ants, plants, and frogs. In the literature, we find several methods to prepare indolizines, but little or no methodology is available for the synthesis of indolizines containing saturated rings attached to the pyrrole ring of the molecule, and therefore little is known about their physical and chemical properties.

In this work, we developed a methodological study employing an organocatalyst of bicycloimidazoyl alcohol type, developed in our research group, aiming to prepare substituted tricyclic indolizines. After optimization of the reaction conditions, a series of new tricyclic indolizines were synthesized and fully characterized. Some chemical transformations, such as reduction, electrophilic addition, and aldol-type reactions, were carried out with these new molecules to exemplify their chemical potentiality. In addition to chemical properties, due to the many reports in the literature about the photophysical properties of compounds containing indolizines, we also evaluated the UV light absorption and fluorescence of these compounds and some of their derivatives by means of spectroscopy measurements. Finally, we also evaluated the reactivity of an indolizine derived from Vitamin B6, in response to partial ring hydrogenation reactions. The behavior of this hydrogenation reaction was evaluated both experimentally and through the use of DFT and ab initio calculations.

1. INTRODUÇÃO ... 12

1.1. Síntese de Indolizinas ... 12

1.2. A Reação de Morita-Baylis-Hillman ... 18

2. OBJETIVOS ... 27

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 28

3.1. Síntese de Indolizinas Tricíclicas e Derivatizações ... 28

3.2. Avaliação das Propriedades Fotofísicas de Algumas Indolizinas ... 41

3.3. Redução de uma Indolizina Derivada da Vitamina-B6 ... 47

4. CONCLUSÃO ... 63

5. PARTE EXPERIMENTAL ... 64

5.1. Considerações Gerais ... 64

5.2. Parte experimental referente a seção 3.1 - Síntese de Indolizinas Tricíclicas e Derivatizações ... 65

5.3. Parte Experimental Referente a seção 3.3 - Redução de uma Indolizina Derivada da Vitamina-B6 ... 101

1. INTRODUÇÃO

1.1. Síntese de Indolizinas

Indolizinas são compostos heteroaromáticos bicíclicos formados por uma porção piridínica e outra porção pirrólica. O caráter aromático da indolizina pode ser expressado em três cânones de ressonância (Figura 1.1.1) mais importantes que exibem ou um sistema pirrólico completo (à esquerda), ou um sistema piridínio (dois cânones à direita). O sistema aromático da indolizina é rico em elétrons e as reações que o núcleo participa são majoritariamente reações de substituição eletrofílica aromática, que ocorrem nas posições 3 e 1 da porção pirrólica do anel.1

Figura 1.1.1. Núcleo indolizínico e seus três principais cânones de ressonância.

O núcleo indolizínico é pouco comum na natureza em sua forma aromática, entretanto, análogos parcial- (tetraidroindolizinas) e totalmente hidrogenados (indolizidinas) são relativamente comuns, sendo encontrados principalmente em metabólitos de formigas, plantas e sapos (Figura 1.1.2).2

Figura 1.1.2. Alguns exemplos de produtos naturais derivados de indolizinas.

As indolizinas, apesar de não serem encontradas em sua forma aromática na natureza, são bastante estudadas no âmbito da química medicinal, e exibem uma vasta gama de atividades biológicas, como por exemplo atividade anticâncer, antituberculose e antiviral.3 _{Além disso, indolizinas substituídas}

exibem fluorescência pronunciada sendo portanto também estudadas na química de materiais.4,5 _{Alguns exemplos de compostos indolizínicos com}

atividade biológica e atividade fotofísica estão representados abaixo (Figura

1.1.3). O composto 4 na figura abaixo é um inibidor do fator de crescimento

endotelial vascular (VGEF). OS VGEF são responsáveis pela vasculogênese e angiogênese. A inibição da VGEF é uma das vias de tratamento de câncer, uma vez que sua inibição não permite a vascularização de tumores.6 _{O composto 6 é}

um inibidor da fosfodiasterase 5 (PDE5A). Os inibidores dessa fosfodiasterase são utilizados no tratamento de disfunção erétil, independente da origem dessa disfunção.7

Figura 1.1.3. Alguns exemplos de compostos indolizínicos que exibem atividade

biológica ou fotofísica.

A síntese clássica de indolizinas é a síntese de Indolizinas de Chichibabin (Esquema 1.1.1).8 _{A reação de Chichibabin envolve a adição de uma}

2-alquilpiridina a uma 2-halocetona, seguida de uma ciclização catalisada por uma base que desprotona o grupo alquil do anel piridínio para gerar uma enamina que então condensa com a carbonila da cetona e dá origem a indolizina após perda de água.

Esquema 1.1.1. Exemplo da Síntese de Indolizinas de Chichibabin.

Uma revisão com métodos para a síntese de indolizinas foi recentemente publicada em 2016.9 _{Normalmente, piridinas substituídas na posição 2 do anel}

são utilizadas como substratos e a maioria delas se baseia em ciclizações intramoleculares, reações com alcinos e com olefinas. Entretanto, apesar de raro, indóis e pirróis também podem ser utilizados para a síntese de indolizinas (Esquema 1.1.2).10–14

Esquema 1.1.2. Alguns exemplos de metodologias de indolizinas envolvendo

ciclização intramolecular, reação com alcinos e reação com olefinas.

Em 2007, Yan et al. utilizaram catálise por cobre para realizar a ciclização intramolecular de 7 para obter piridinas dissubstituídas 8. Apesar de interessante, essa estratégia envolve a pré-funcionalização de 2-piridinocarboxaldeídos e os autores não fazem grandes variações no anel piridínico, diminuindo a diversidade das indolizinas obtidas.10

Em 2014, Wang et al. utilizaram triflato de samário para formar indolizinas trissubstituídas através de adição intermolecular de piridinas 2-substituidas 9 a álcoois aril propargílicos. Essa metodologia permite a obtenção de indolizinas altamente substituídas em uma única etapa, entretanto a porção piridínica também não é explorada pelos autores.11

Em 2015, Liu et al. utilizam piridino-ésteres 11 em uma reação radicalar com alcenos promovida por cobre e iodo. Os autores não fazem variações na porção piridina de 11 e a quantidade de cobre catalisada na reação é extremamente alta (3 equivalentes).12

Wang et al. empregaram piridinas substituídas como 13 em uma reação multicomponente envolvendo metilcetonas e derivados de ácido acrílico numa reação de ciclização catalisada por cobre, utilizando oxigêncio como oxidante terminal. Essa metodologia permite a obtenção de indolizinas polissubstituídas em condições bastante brandas.13

Mais recentemente, em 2018, Liu et al. empregaram indóis como materiais de partida para a síntese de indolizinas. Apesar de os substratos serem bastante específicos e precisarem ser pré-funcionalizados, a metodologia é uma das poucas que utiliza indóis para a síntese de indolizinas, fornecendo mais uma opção retrossintética para a síntese desse núcleo.15

Devido ao seu alto grau de funcionalização, os adutos de Morita-Baylis-Hillman (MBH) foram empregados como materiais de partida para a síntese de diversos compostos heterocíclicos,16 _{entre eles, indolizinas (Esquema}

Esquema 1.1.3. Preparo de indolizinas a partir de adutos de MBH ou seus

derivados.

Nos exemplos mostrados, tipicamente adutos de MBH são tratados com anidrido acético para dar origem a um bom grupo de saída (acetato) que após adição da piridina e eliminação do acetato leva a formação das indolizinas substituídas. A única aproximação que parte diretamente de aldeídos para dar origem a indolizinas diretamente é a de Basavaiah, publicada em 2014. Nela, o autor utiliza triflato de TMS como iniciador eletrofílico da reação de MBH entre enonas e 2-piridinoaldeídos ou cetonas que após etapa de MBH, ciclizam in situ para formar as indolizinas.

Afim de compreender melhor os aspectos da reação de MBH, faremos um breve histórico da reação e de seu mecanismo.

1.2. A Reação de Morita-Baylis-Hillman

A formação de ligações carbono-carbono (C-C) é um dos maiores focos de atenção da química orgânica. Esse tipo de transformação é essencial para construção de qualquer molécula orgânica e numerosos esforços vem sendo feitos, no decorrer dos anos, com o objetivo de descobrir novas metodologias para formação dessas ligações. Com o advento da química de compostos organometálicos, muitas reações novas de formação de ligações C-C foram desenvolvidas nas últimas décadas (Esquema 1.2.1). Na literatura podemos encontrar uma vasta quantidade de exemplos explorando essas novas metodologias em praticamenre todas as variações. 24–29

Esquema 1.2.1. Alguns exemplos de reações de formação de ligação

C-C catalisadas por metais de transição.

Apesar de metodologias empregando metais de transição serem bastante versáteis e interessantes, metodologias organocatalisadas visando esse tipo de

transformação são bastante antigas e possibilitam muitas vezes a utilização de produtos naturais de fácil obtenção como catalisadores.30 _{Além disso, essa tipo}

de estratégia de catálise tem um grande interesse industrial devido a ausência de metais, associada com a possibilidade de recuperação do catalisador utilizado, impactando direta e positivamente nos aspectos de impacto ambiental de processos químicos. Entre essas metodologias organocatalisadas, podemos destacar as reações de aldol, mannich e cicloadições.

Entre as reações de formação de ligações carbono-carbono organocatalisadas, a reação de Morita-Baylis-Hillman (MBH) é particularmente interessante. A origem da reação se dá em 1968 com o primeiro relato sendo feito por Morita, que utilizou uma fosfina como catalisador e fez a reação em acrilonitrila (Esquema 1.2.2).31

Esquema 1.2.2. Reação descrita por Morita utilizando fosfina como

catalisador.

Alguns anos após (1972), Baylis e Hillman descreveram, em uma patente, a mesma reação, entretanto agora uma amina terciária foi utilizada como catalisador (Esquema 1.1.3).32 _{Após essas descobertas iniciais, a reação foi}

abandonada na literatura por alguns anos até ser retomada em trabalhos pioneiros na década de 80 e 90.16

Esquema 1.2.3. Reação descrita por Baylis e Hillman utilizando uma

amina como catalisador.

Desde então, publicações envolvendo a reação de MBH vem aumentando de modo considerável e tem se mantido estável nos últimos anos, como podemos observar no gráfico abaixo (Figura 1.2.1), feito utilizando a ferramenta do website “Web of Knowledge” pesquisando por publicações com o termo “Baylis-Hillman” entre os anos de 1998-2017 (acessado em 10/07/2018).

Figura 1.2.1. Gráfico de publicações contendo o termo “Baylis-Hillman”

entre os anos de 1998-2017.

No nosso entender, os principais motivos desse crescente interesse na reação de Morita-Baylis-Hillman estão relacionados abaixo:

 Utilizar materiais de partida comercialmente disponíveis;  Apresentar uma alta economia de átomos;

 Fornecer adutos multifuncionais de grande versatilidade sintética;  Ser realizada na ausência completa de metais;

 Ser efetuada em condições muito brandas não exigindo o uso de solventes anidros ou de condições livres de oxigênio;

 Possibilitar a recuperação e o reciclo de todos os reagentes utililzados em excesso no processo;

 Abrir a perspectiva de apresentar um baixo impacto ambiental em processos em larga escala.

Apesar de todas essas vantagens, a reação de Morita-Baylis-Hillman também apresenta algumas desvantagens, que são menores do que as vantagens, mas que ainda existem. As duas principais são as seguintes:

 Tempo de reações de podem ser muito longos, sobretudo quando aldeídos aromáticos contendo grupos doadores de elétrons são utilizados com o componente eletrofílico da reação;

A fim de compreender qualquer reação química o entendimento do seu mecanismo é imprescindível. Na organocatálise não é diferente, e a melhor compreensão do ciclo catalítico é fundamental para o design de novos catalisadores e para o desenvolvimento de versões assimétricas.

A primeira proposta formal de mecanismo para a reação de MBH foi feita por Hoffmann33 _{e foi depois refinada pelos estudos de Isaacs e Hill}34 _{e está}

mostrada abaixo (Esquema 1.2.4).

Esquema 1.2.4. Proposta de mecanismo para a reação de MBH de

Hoffman-Isaacs-Hill.

A primeira etapa da reação envolve uma etapa de adição de Michael da amina terciária à olefina ativada para gerar um zwitterion, no caso do estudo, um aza-enolato. Na segunda etapa, o zwitterion se adiciona ao aldeído através de uma adição aldólica. É nessa etapa que ocorre a formação da nova ligação  C-C. Na terceira etapa, os autores propõem uma transferência de próton intramolecular e regeneração do aza-enolato, que por fim libera a amina que catalisou a reação em uma etapa de eliminação que pode ocorrer por um mecanismo do tipo E2 ou E1cb. Devido ao baixo efeito isotópico cinético medido por Hill e Isaacs,34 _{a segunda etapa da reação, a etapa de adição aldólica, foi}

inicialmente considerada como a etapa determinante da velocidade da reação de MBH.

McQuade et al.35 _{e Aggarwal et al.}36 _{revisitaram o trabalho inicial de Hill}

Isaacs e reavaliaram o mecanismo da reação de MBH utilizando experimentos de cinética química e cálculos teóricos, dando ênfase a etapa de transferência de próton. Segundo McQuade, a reação da MBH seria de segunda ordem em relação ao aldeído e mostraria um efeito isotópico cinético significativo, sugerindo a importância da abstração de próton na etapa determinante da reação. Com base nessas medidas, McQuade et al. propuseram um novo mecanismo para essa etapa, sugerindo que ela fosse a etapa determinante da reação com uma segunda molécula de aldeído auxiliando na abstração de próton. Essa proposta se baseou no isolamento de uma dioxanona (esquema 1.2.5), que era formada quando alguns acrilatos contendo bons grupos de saída ligados a função ester eram utilizados. Aggarwal também propôs que a etapa determinante da reação fosse a etapa de transferência de próton, entretanto apenas no início da reação, se tornando cada vez mais eficiente à medida que o aduto vai se formando e pode então atuar como fonte de prótons para a reação (autocatálise) (Esquema 1.2.5).

Ambas as propostas foram validadas experimentalmente por um estudo mecanístico do nosso grupo de pesquisa em colaboração com o grupo de pesquisa do Prof. Marcos Eberlin empregando a espectrometria de massas (ESI-MS(/MS)) que permitiu observar tanto quanto caracterizar pela primeira vez os intermediários que haviam sido propostos por McQuade et al. e Aggarwal et al. para a reação.37

Esquema 1.2.5. Propostas de mecanismo para a reação de MBH de

McQuade e de Aggarwal.

Mais recentemente, Plata e Singleton em 2015 reacenderam a discussão sobre o mecanismo dessa reação, sugerindo que as propostas anteriores estavam equivocadas e que na verdade o mecanismo da reação de MBH poderia ser explicado utilizando simples etapas de transferência de prótons. Essa hipótese foi duramente testada no trabalho desenvolvido por esses autores, que empregaram ferramentas muito robustas de cinética química (com forte tratamento de físico-química orgânica) e também cálculos teóricos. Esses últimos foram utilizados para comparar com os dados coletados experimentalmente.(Esquema 1.2.6).38

Esquema 1.2.6. Proposta de mecanismo feita por Plata e Singleton para

a reação de MBH.

Segundo la Plata e Singleton, o mecanismo da reação pode sofrer alterações e a etapa lenta do processo pode ser ou a etapa de condensação aldólica ou então a etapa de eliminação. A presença de uma fonte de próton pode armadilhar rapidamente ao alcóxido formado após a condensação aldólica. Uma vez essa protonação ocorrendo, a base conjugada pode agora promover a eliminação. Singleton estimou experimentalmente o valor de pKa dos hidrogênios a carbonila do intermediário que contém a amina quaternarizada. Segundo esses autores, esse grupo retira densidade eletrônica da ligaçãoo C-C e aumenta a acidez dos hidrogênios (pKa em torno de 12,7, contra 20 para um éster normal). Isso favorece enormente a etapa de eliminação, que pode ocorrer

preferencialmente por um mecanismo E1cb, sem a necessidade de qualquer estado de transição cíclico como proposto anteriormente.

Dentre as olefinas ativadas utilizadas na reação de MBH, podemos notar um número escasso de compostos substituídos na porção terminal da dupla. A substituição nessa posição leva a necessidade de condições drásticas de reação e diminui consideravelmente seu rendimento. Esse fato, entretanto, não acontece quando a olefina ativada em questão é uma enona cíclica (Esquema

1.1.7).16

Esquema 1.2.7. Representação geral da reação de MBH utilizando enonas

cíclicas.

A reação de MBH de enonas cíclicas com diversos aldeídos foi amplamente estudada. Dentre os diversos catalisadores utilizados para essas reações, podemos destacar o DMAP, N,N,N’,N’-tetrametil-1,3-propanodiamina (TMPDA), triazóis, imidazóis, DBU, metóxido de sódio e fosfinas terciárias.39–45 O uso de imidazol como catalisador da reação de MBH com enonas cíclicas apresenta alguns inconvenientes. Para garantirmos a eficiência dessa base de Lewis precisamos evitar variações bruscas do pH da reação, de forma a evitar a protonação do nitrogênio básico do imidazol. Se isso acontecer a reação não evolui, portanto, geralmente o uso de imidazol requer também o uso de um tampão.

Em um trabalho realizado em nosso grupo de pesquisa, identificamos que um biciclo imidazólico contendo uma hidroxila em sua estrutura poderia ser utilizado como catalisador bi-funcional para a reação de Morita-Baylis-Hillman. Esse catalisador reunia em sua estrutura um centro que podia atuar como base de Lewis, iniciando a etapa de adição conjugada da reação, viabilizando a formação de uma aza-enolato/enol e um outro centro que poderia atuar com ácido de Brönsted, facilitando a etapa de protonação do alcóxido formado após a adição aldólica e também assistir a etapa de eliminação. Essa racionalização nos levou a descobrir um novo catalisador para a reação de

Morita-Baylis-Hillman. Esse catalisador, um álcool imidazólico bicíclico (BIA – Bicyclic

Imidazoyl Alcohol), permitiu a realização da reação de MBH com cicloenonas,

em água utilizando SDS (dodecilsulfato de sódio) como surfactante (Esquema

1.2.8).46,47

Esquema 1.2.8. Reação de MBH utilizando enonas cíclicas catalisada por BIA

em água e SDS.

Esse resultado nos levou a propor esse trabalho de mestrado, com o objetivo de obter indolizinas policíclicas em uma reação one-pot utilizando enonas cíclicas. O precedente descrito por Basavaiah et al. serviu de estímulo para essa avaliarmos a nossa hipótese. Dessa forma, pretendemos sintetizar indolizinas policíclicas em uma única etapa e dependendo do resultado obtido, pretendemos expandir seu escopo outras cicloenonas e um sistema organocatalítico, preferencialmente em condições de química sustentável. O sucesso dessa proposta representará a descrição da primeira abordagem de síntese de indolizinas organocatalisada, utilizando adutos de Morita-Baylis-Hillman como plataforma para a construção desses heterociclos.

2. OBJETIVOS

Dada a ausência de uma versão organocatalisada para a preparação de indolizinas, o objetivo desse trabalho foi o desenvolvimento de uma metodologia baseada nesse tipo de catálise para a síntese dessa classe de heterociclos em uma única etapa, utilizando a reação de Morita-Baylis-Hillman entre enonas cíclicas de cinco, seis e sete membros e diferentes eletrófilos 2-piridinocarboxaldeídos, empregando como catalisador um álcool imidazólico bicíclico.

Além do desenvolvimento de uma nova metodologia para a preparação do núcleo indolizínico, também pretendemos exemplificar a versatilidade sintética desses novos heterociclos frente a algumas transformações clássicas nas diferentes partes das moléculas, ou seja, no anel aromático, no grupamento carbonila oriundo das cicloenonas e a posição alfa da carbonila. Após estabelecermos o escopo dessa reação, pretendemos investigar seu mecanismo empregando cálculos teóricos do estado de transição a fim de entender as diferentes reatividades das enonas cíclicas utilizadas nesse trabalho.

Em uma segunda parte do trabalho, pretendemos avaliar o potencial fotofísico de algumas das indolizinas sintetizadas e seus derivados. Por fim, vamos efetuar a síntese de uma indolizina derivada da vitamina-B6 e avaliar a influência de um anel cetal de sete membros na estereoquímica do produto de hidrogenação parcial dessa indolizina.

3.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Síntese de Indolizinas Tricíclicas e Derivatizações

Durante um trabalho de mestrado desenvolvido em nosso grupo, foi observado que indolizinas eram formadas como subproduto em uma reação de Morita-Baylis-Hillman (MBH) entre 2-piridinocarboxaldeídos e cicloenonas em água, catalisada por BIA (Bicyclic-imidazolic alcohol – álcool bicíclico-imidazólico), um catalisador que foi desenvolvido pelo grupo de pesquisa especialmente para reações de MBH envolvendo cicloenonas46 _(Esquema 3.1.1).

Esquema 3.1.1. Reação entre o 2-piridinocarboxaldeído e a 2-ciclohexenone em

água e SDS catalisada por BIA.

Naquele momento, por não se tratar do foco do trabalho em questão, nenhum estudo foi realizado visando obter seletivamente a indolizinas tricíclica. Decidimos então estudar com mais detalhes essa transformação e otimizar as condições para a preparação seletiva de indolizinas em detrimento aos adutos de MBH.

Inicialmente reproduzimos a condição experimental realizada, obtendo-se a indolizina desejada em um rendimento baixo (30%). Já haviam precedentes de síntese dessa molécula na literatura,48,49 _{entretanto, a nova metodologia}

encontrada em nosso grupo permitia obtê-la em princípios de química sustentável (Green-Chemistry), ou seja, utilizando um organocatalisor e água como solvente.

A fim de obtermos maior seletividade com relação à preparação das indolizinas, escolhemos como modelo a reação mostrada anteriormente no

Esquema 3.1.1 Decidimos variar diferentes parâmetros, tais como, catalisador,

solvente, temperatura, aditivo, e quantidade de aditivo. Inicialmente, avaliamos quais catalisadores capazes de promover a formação da indolizina (selecionados entre catalisadores comumente utilizados para reações de MBH com enonas cíclicas e o 3-quinuclidinol pela semelhança estrutural com o BIA).

As condições reacionais de cada catalisador foram aquelas reportadas na literatura para os adutos de MBH.50–57 Acompanhamos os resultados através da comparação da razão da área da indolizina para a área de aduto ao longo do tempo, obtida por análise de CG-MS das reações e para as melhores conversões o rendimento por RMN foi obtido.58 _{Os resultados obtidos nesse estudo}

preliminar comparativo estão resumidos na Tabela 3.1.1 abaixo.

Tabela 3.1.1. Otimização do Catalisador da Reação Utilizando Catalisadores

Conhecidos para a Reação de MBH.

Catalisador (equiv./Solvente) Razão Indolizina 1a/Aduto de MBH 2 (3h - 24h - 48h)a Rendimento (RMN)b 1 3-Quinuclidinol (0,65 / H2O) 26/74 – 74/26 – 92/8 68% 2 Imidazol (1,00 / NaHCO3 sat.) 0/100 – 49/51 – 51/49 - 3 Trietilamina (1,00 / H2O) 42/58 – 64/36 – 89/11 51 % 4 DBU (1,00 / H2O) 0/100 – 0/100 - c - 5 NaOMe (1,00 / MeOH) 0/100 – 0/100 - c _-

6 BIA (0,65 / H2O-SDS-10 mol%) 42/58 – 78/22 – 94/6 68%

7 TMPDA (1,00 / H2O) 0/100 – 6/94 - c -

a _{Razão entre os picos atribuídos a indolizina e ao aduto de MBH, seu}

b _{Rendimento obtido utilizando uma alíquota da reação (concentração}

conhecida), diluída em CDCl3 por 1H-RMN utilizando

1,2,4,5-Tetracloro-3-nitro-benzeno (T1= 10.7 s) como padrão interno (d1=5*T1=54s para garantir uma quantificação precisa).

c _{Não foram feitas medidas de CG após 24h para casos que apresentaram}

conversão menor que 40%.

Como podemos observar, dentre os catalisadores classicamente utilizados, o 3-quinuclidinol (Entrada 1), o imidazol (Entrada 2), a trietilamina (Entrada 3) e o BIA (Entrada 6) levaram à formação de indolizina. Apesar de todos terem levado à formação de indolizina, o 3-Quinuclidinol e o BIA se destacaram por apresentarem maiores taxas de formação de indolizina (a razão Indolizina/Aduto aumentou mais rapidamente) e maiores rendimentos. Ambos os catalisadores possuem uma hidroxila próxima ao nitrogênio nucleofílico responsável pela catálise da reação de MBH. Esse fato é interessante, pois é conhecido na literatura a capacidade de álcoois acelerarem a reação de MBH.59

A fim de avaliar apenas efeito do solvente e da temperatura na reação, o catalisador BIA (Entrada 6) foi escolhido. Apesar de o rendimento obtido utilizando o 3-quinuclidinol como catalisador ter sido o mesmo que o obtido utilizando BIA, optamos por este último por ser um catalisador desenvolvido em nosso grupo de pesquisa a fim de ampliar ainda mais sua aplicabilidade, por ser mais barato e por apresentar uma taxa de conversão maior. Os solventes avaliados foram iPrOH, MTBE, CHCl3, HMPA, AcOH, C6H5F e excesso de

enona, mas somente quando foi utilizada a água como solvente, foi observado a formação das indolizinas desejadas em rendimentos razoáveis.

A temperatura da reação foi então elevada a 40 ºC (67% de rendimento isolado após 24h de reação), 60 ºC (70% de rendimento isolado após 12h de reação) e 100 ºC (52% de rendimento isolado após 12h de reação). A maior taxa de conversão foi observada a 60 ºC e essa temperatura foi adotada para o estudo do escopo da reação. Foram feitas variações nas quantidades e tipo de surfactante empregado, porém não se observou melhora no rendimento. Portanto, o SDS foi mantido com carga de 10 mol%.

Na literatura, poucas enonas cíclicas substituídas foram utilizadas como aceptores de Michael na reação de MBH. Classicamente, as reações de

Morita-Baylis-Hillman com enonas cíclicas são bastante sensíveis a substituição no anel, fazendo com que o uso de aditivos ou ácidos de Lewis fortes fossem utilizados a fim de acelerar a reação.16 _{A fim de avaliar o escopo da reação,}

decidimos utilizar as enonas mostradas na Figura 3.1.1.

Figura 3.1.1. Enonas Utilizadas no Estudo do Escopo da Reação.

Na literatura são descritas diversas rotas para a obtenção de cetona alfa-beta insaturadas cíclicas. Uma das formas mais fáceis de sintetizar esse tipo de núcleo seria através de uma oxidação da cetona saturada correspondente. Apesar de amplamente descritas, as metodologias utilizando iodo hipervalente (IBX, por exemplo), costumam ser substrato dependentes e geram misturas de difícil separação.60–62 Uma alternativa, também bastante utilizada e um pouco mais clássica, é a utilização de dionas cíclicas, que são comercialmente disponíveis e baratas. Para tal, a diona cíclica é transformada em seu enol éter e posteriormente reduzida com hidreto de lítio e alumínio, que através de adição conjugada de hidreto e eliminação do alcóxido gera a enona cíclica em rendimentos bastante satisfatórios (Esquema 3.1.2).63,64

Esquema 3.1.2. Síntese das Enonas Não-Comerciais Utilizadas no

Trabalho.

As reações com as cicloenonas de 6 e 7 membros funcionaram de forma satisfatória com rendimentos variando de baixo a bons, utilizando-se diferentes 2-piridinoaldeídos (Esquema 3.1.3). Surpreendentemente, nenhuma das tentativas de obter a indolizina utilizando a 2-ciclopenten-1-ona forneceu o produto esperado. Entre essas reações, apenas o aduto de MBH e de aldol puderam ser obtidos. Não há uma tendência clara de reatividade. Entretanto, as reações com a enona de 7-membros apresentaram, na maioria das vezes, rendimentos superiores quando comparadas às de 6-membros.

Esquema 3.1.3. Escopo da Reação Utilizando Diversos 2-Piridinoaldeídos e Cicloenonas.

Nem a indolizina e nem o aduto de MBH correspondente foram detectados para a enona derivada do 2-naftol, e a 5,5-dimetil-2-ciclohexen-1-ona nessas condições reacionais.

Todas as indolizinas sintetizadas foram devidamente caracterizadas por espectroscopia de RMN de 1_{H e de} 13_{C. Como título de exemplo, abaixo estão}

apresentados os espectros de 1_{H (Figura 3.1.2),} 13_{C (Figura 3.1.3) (atribuídos}

utilizando os experimentos de correlação COSY 1_H-1_{H, HSQC} 1_H-13_{C, HMBC} 1 H-13_{C e HMBC} 1_H-15_{N disponíveis na parte experimental) e} 15_{N (Figura 3.1.4) da}

Figura 3.1.2. Espetro de RMN de 1_{H (500 MHz, C}

6D6) da indolizina 1a.

Como podemos observar na Figura 3.1.2, o hidrogênio mais blindado é o A, que se apresenta como um multipleto. Os hidrogênios benzílicos B aparecem logo em seguida como um tripleto com um valor de J de 6,2 Hz, e na região dos alifáticos, o sinal mais deslocado é o de C, CH2 alfa carbonila, que se apresenta

também como um multipleto. O hidrogênio G do anel do tipo pirrólico apresenta um deslocamento químico atipicamente alto em benzeno, próximo do sinal de H, e se apresenta como um singleto largo, provavelmente devido a um acoplamento do tipo 4_{J com o hidrogênio H. O sinal de H é um dupleto de dupleto de dupletos}

(ddd) com duas constantes de acoplamento pequenas e equivalentes (4_{J e} 5_{J) e}

uma constante orto maior (9,2 Hz) com o hidrogênio E. O sinal de F também se apresenta como um ddd, sendo que o acoplamento 4_{J é um pouco maior que o}

valor de acoplamento 5_{J; o valor do acoplamento orto para esse sinal é de 7,2}

Hz, sendo menor que 3_J

HE. Os sinais de D e E se apresentam ambos como ddd,

o acoplamento entre eles é de 6,2 Hz e D é menos deslocado, provavelmente por conta da conjugação direta dessa posição com o par de elétrons do nitrogênio.

Figura 3.1.3. Espetro de RMN de 13_{C (126 MHz, C}

6D6) da indolizina 1a.

Figura 3.1.4. Espetro de RMN de 15_{N (51 MHz, C}

6D6) da indolizina 1a (obtido da

projeção do experimento de HMBC 1_H-15_N).

No espectro de 13_{C na Figura 3.1.3 podemos observar o deslocamento}

do carbono da carbonila 1 um pouco menor que o esperado para uma cicloexanona devido a conjugação com o anel indolizínico. Vale também

ressaltar o deslocamento do carbono G, posição mais nucleofílica da indolizina, bastante blindado quando comparado aos outros carbonos.

No espectro de 15_{N (Figura 3.1.4), vemos um deslocamento típico de}

nitrogênio para indolizinas (187,3 ppm). Esse valor se assemelha ao valor de deslocamento de 15_{N de pirróis (abaixo de 200 ppm) e está bastante distante do}

valor de deslocamento de 15_{N de piridinas (acima de 250 ppm), indicando que o}

anel indolizina deve se parecer mais com um pirrol do que como uma piridina.65,66

Muito provavelmente, a ciclização deve ocorrer pelo mecanismo proposto abaixo (Esquema 3.1.4). Acreditamos que o catalisador BIA deve participar auxiliando o processo de re-aromatização. Assim, a abstração de um próton na junção de anéis pelo catalisador reorganiza o sistema em direção a uma situação mais estável, que é o composto aromático. Além disso, o fato de essa reação também funcionar com outra base bi-funcional de Lewis, como o quinuclidinol (ver Entrada 1, Tabela 3.1.1) corrobora com essa hipótese.

Esquema 3.1.4. Proposta de mecanismo para a formação das indolizinas.

Afim de obter heterociclos com diferentes padrões de substituição, decidimos submeter as condições reacionais outros aldeídos que possuíssem átomos de nitrogênio passíveis de sofrer ciclização posterior a formação dos adutos correspondentes. Os aldeídos testados foram o 2-quinolinocarboxaldeído, 2-tiazolcarboxaldeído, 2-amino-3-piridinocarboxaldeído

e o 2-pirrolcarboxaldeído. Em nenhum dos casos observamos a formação dos produtos de ciclização. Os adutos de Morita-Baylis-Hillman, que já são descritos na literatura, foram obtidos quando utilizamos o quinolinocarboxaldeído e o 2-tiazolcarboxaldeído. O 2-pirrolcarboxaldeído e o 2-amino-3-piridinocarboxaldeído não reagiram. Porém não foi observada a formação dos heterociclos desejados (Esquema 3.1.5).

Esquema 3.1.5. Outros aldeídos nitrogenados testados.

Com o objetivo de entender a reatividade diferenciada das enonas cíclicas, cálculos de energia do estado de transição para a etapa de ciclização com as enonas de 5, 6 e 7-membros foram realizados em colaboração com o Professor Rodrigo A. Cormanich (Figura 3.1.2).

Figura 3.1.5. Energias dos estados de transição (ET) em kcal mol-1 _calculadas

em nível B3LYP-D3/aug-cc-pVDZ.67,68 _{As energias livres de Gibbs relativas para}

2-Cyclopenten-1-one TS 2-Cyclohexen-1-one TS 2-Cyclohepten-1-one TS G gas 29.3 27.7 25.9 G water 25.2 21.8 21.0

cada estado de transição (ΔΔG) foram calculadas no mesmo nível teórico para a fase gasosa e em água (IEF-PCM).69

Os cálculos foram feitos tanto na fase gasosa, quanto com solvente implícito (IEF-PCM), utilizando-se a constante dielétrica da água como parâmetro para esse cálculo.70 _{Os resultados foram ao encontro do observado}

experimentalmente: a energia do estado de transição é bem maior para os anéis de 5 membros, que para os de 6, que por sua vez é levemente superior aos de 7 membros.

A fim de comparar a reatividade da cicloeptenona com a da 2-cicloexenona, um experimente de competição foi realizado e acompanhado por RMN de 19_{F (Esquema 3.1.6).}

Esquema 3.1.6. Reação de competição que foi acompanhada durante 6h

por RMN de 19_{F em um espectrômetro de 500 MHz.}

Optamos pelo acompanhamento da reação por RMN de flúor por conta da alta sensibilidade desse núcleo a mudanças estruturais pequenas, como é o nosso caso – mesmo estando no anel aromático, o deslocamento químico do átomo de 19_{F da indolizina fluorada contendo o anel de seis membros (-124.85}

ppm) é diferente do da indolizina fluorada com o anel de sete membros (-124.25 ppm). A reação foi acompanhada utilizando um experimento pseudo-2D diretamente no tubo de ressonância. As duas enonas foram adicionadas ao mesmo tempo ao tubo de ressonância e o tubo foi então levado ao espectrômetro com temperatura da sonda já ajustada a 60 ºC. Os espectros foram coletados durante 6h com um intervalo de 10 minutos entre cada aquisição e o resultado obtido para a formação das indolizinas e consumo do 3-fluro-2-piridinocarboxaldeído estão representadas na Figura 3.1.6 abaixo.

0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1,0 3-Fluoro-2-piridinocarboxaldeído _{Aduto da 2-Ciclohepten-1-ona}

Aduto da 2-Ciclohexen-1-ona

Áre

a

(~c)

Tempo (h)

Figura 3.1.6. Gráfico de área por tempo obtido através dos espectros de

RMN de 19_{F realizados no estudo de competição entre a ciclohexenona e}

2-cicloheptenona utilizando o 3-fluoro-2-piridinocarboxaldeído como eletrófilo.

Como podemos observar pelo gráfico, a reação com a 2-cicloeptenona é mais rápida que com a 2-cicloexenona, fato que vai ao encontro dos cálculos de energia de ativação do estado de transição para a formação dessas indolizinas. Com o escopo da reação em mãos, exploramos a versatilidade sintética das indolizinas sintetizadas utilizando como referência a indolizina 1a que havia sido preparada na escala de gramas. Planejamos transformações químicas de forma que elas nos permitissem explorar os diferentes sistemas presentes nessa molécula: o sistema aromático, a posição benzílica, a carbonila e os hidrogênios alfa carbonila (Esquema 3.1.7).

Esquema 3.1.7. Derivatizações feitas em diferentes regiões da indolizina 1a.

A fim de entender o comportamento do anel aromático frente as reações de substituição eletrofílica aromática, a indolizina foi submetida a condições de bromação utilizando NBS em acetonitrila. Uma mistura de produtos foi obtida, entretanto o produto principal obtido foi o de bromação benzílica (Esquema

3.1.7, 1b). A fim de bromar o anel aromático, utilizamos uma reação descrita na

literatura para outras indolizinas que utilizava cloreto de cobre como catalisador e um sal de potássio como fonte de haleto.71 _{A reação forneceu o produto de}

bromação do anel pirrólico da indolizina 4b em um rendimento de 25%.

A reação de redução da carbonila da cetona da indolizina 1a utilizando NaBH4, produziu de forma satisfatória e quantitativa o álcool 3b correspondente.

Por se tratar de uma carbonila com posições alfa e alfa’ substituídas de maneira bastante distinta, decidimos avaliar a enantiosseletividade de uma reação de redução da carbonila utilizando o catalisador de Corey-Bakshi-Shibata (CBS) em conjunto com borana.72 _{Nessas condições obtivemos o álcool 3b* em 95% de}

rendimento e um excesso enantiomérico de 93%.

Por fim, foi avaliada a capacidade da indolizina 1a de participa em reações de condensação. Para isso, com o intuito de sintetizar um composto planar, testamos a reação de condensação da indolizina 1a com o 2-amino-3-piridinocarboxaldeído. Nessa reação, ocorre formação de uma enamina com a cetona da indolizina, que na sequência condensa com o aldeído fornecendo a

naftiridina 2b. Esse novo heterociclo, contendo um núcleo indolizínico-naftiridínico linear, foi obtido com um rendimento de 62%.

3.2. Avaliação das Propriedades Fotofísicas de Algumas

Indolizinas

Devido aos precedentes da literatura acerca da fluorescência de compostos indolizínico5 _{e da aparente alta fluorescência observada para a}

indolizina reduzida (Figura 3.2.1), decidimos realizar um estudo de fluorescência desses compostos em colaboração com a Dra. Lair Saboia.

Figura 3.2.1. Fluorescência do composto 3b em solução (éter etílico) e

em placa cromatográfica ao ser exposto a luz no comprimento de onda de 365 nm.

A fluorescência ocorre quando um fluoróforo absorve radiação de determinada energia seguida pela emissão de fótons quando o composto retorna ao estado fundamental. Como a energia é perdida entre os processos de excitação e emissão, a fluorescência é emitida em comprimentos de onda maiores (de menor energia) do que os de excitação. Vários fatores afetam a fluorescência molecular, incluindo as estruturas moleculares e os níveis de energia vibracional associados, bem como o ambiente físico e químico nos quais a molécula se encontra.

O tempo que uma população de moléculas excitadas necessário para que elas decaiam de um estado para outro, é chamado de tempo de vida médio ou simplesmente tempo de vida (representada pela letra tau - τ). O tempo de vida de um processo fotofísico é, portanto, o tempo necessário por uma população de N moléculas excitadas seja reduzida por um fator de e. Se transpusermos

essa definição para a fluorescência, a duração da fluorescência é o tempo requerido por uma população de fluoróforos excitados para diminuir exponencialmente para N / e através da perda de energia através de fluorescência e outros processos não radiativos. O tempo de vida dos processos fotofísicos varia significativamente de dezenas de femtossegundos para conversão interna, a nanossegundos para fluorescência e microssegundos ou segundos para fosforescência.

A observação preliminar de que a indolizina reduzida era fluorescente em solução, nos levou a avaliar a fluorescência de algumas das indolizinas sintetizadas e de seus análogos reduzidos realizando as medidas de sua meia-vida de fluorescência. Os detalhes da preparação dos compostos estão na parte experimental.

Como podemos observar, a redução da carbonila leva a um aumento no tempo de vida de fluorescência (Figura 3.2.2). Como havíamos sintetizado uma indolizina com um segundo anel aromático na porção da enona, a utilizamos também para avaliar sua fluorescência (Figura 3.2.3). Essa indolizina apresentou tempo de vida de fluorescência similar ao da indolizina sem substituintes, entretanto a intensidade das bandas de absorção e emissão foi muito mais pronunciada, um pouco mais que o dobro dessa primeira. Após redução, como esperado, o tempo de vida aumentou e a intensidade de emissão triplicou. No caso da indolizina de 7-membros bromada (Figura 3.2.4), a indolizina não apresentou fluorescência antes de ser reduzida, e mesmo após redução, o seu tempo de meia vida ficou bastante baixo quando comparado ao das outras indolizinas estudadas.

Figura 3.2.2. Espectro de fluorescência e tempo de meia vida de 1a e seu análogo reduzido. 250 300 350 400 450 500 550 600 650 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 459 439 410 353 299 289 279 RFU Wavelength (nm) Excitation Emission 252

τ = 23.13 ±

0.05 ns

τ = 28.03 ± 0.02

ns

Figura 3.2.3. Espectro de fluorescência e tempo de meia vida de 9a e seu

Figura 3.2.4. Espectro de fluorescência e tempo de meia vida de 15a reduzido.

Uma possível explicação para o aumento observado na fluorescência quando as indolizinas foram reduzidas é o fato de que sem a carbonila, um dos cânones de ressonância das indolizinas deixa de existir, permitindo um provável aumento no caráter aromático do sistema indolizínico (Figura 3.2.5).

Figura 3.2.5. Representação de um dos cânones de ressonância da indolizina

sintetizada que faz com o sistema aromático seja menos rico em elétrons.

Quando comparamos o tempo de vida de fluorescência das indolizinas com sondas fluorescentes tipicamente utilizadas (Tabela 3.2.1) podemos notar um tempo de vida maior ou similar as sondas tipicamente utilizadas na literatura. Os tempos de vida de fluorescência dos nossos compostos são similares aos da Quinacridona e faixa de emissão similar a maioria delas (aproximadamente de 400-550 nm).

Tabela 3.2.1. Faixa de emissão e tempo de vida de fluorescência para algumas

sondas comumente utilizadas.73

Sonda Fluorescente Faixa de Emissão

(nm) Meio Tempo de Vida (ns) Acridona 420-500 Água 14.20 DAPI 420-500 Água 2.78 Pireno 450-550 Etanol 90.00 Cumarina 6 450-650 Etilenoglicol 0.30 Fluoresceína 450-550 Água 4.00

Quinacrina Mostarda 470-530 Água 6.00

BodipyFL 480-530 Água 5.87

Alexa 532 500-560 Água 2.53

NBD 500-560 Membrana celular 8.20

Rodamina 123 500-560 Água 3.97

Quinacridona 530-630 Água 22.80

Outro efeito avaliado foi o do pH na luminescência da indolizina 1a.4 _Como

podemos observar na Figura 3.2.6 abaixo, um meio básico aumenta consideravelmente a intensidade de emissão da indolizina. Infelizmente, devido à grande sensibilidade desses compostos sintetizados, a exposição a luz leva a sua rápida degradação, o que dificultaria sua aplicação em sondas fluorescentes. Entretanto, novas modificações estruturais, como a inserção de um terceiro anel no sistema pirrólico da indolizina costuma levar a sua estabilização. Talvez com esse tipo de modificação, essas indolizinas tricíclicas possam passar a ser utilizadas como sondas.

Figura 3.2.6. Efeito do pH na luminescência da indolizina 1a em água e DMSO.

Da esquerda para a direita: pH 1, pH 10, pH 12, pH 7 e DMSO.

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} 1_H.

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 1_{H 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 3_J 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 3_{J 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

1_{H 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 1_{H 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