Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Química Trabajo Especial de Grado Síntesis y Caracterización Estructural de Derivados N-carbamoilo e Hidantoina de la Glicina y L-Alanina Br. Nathalie Sofía Barrera Rubio. Tutor: Prof. Gerzon E. Delgado A. Prof. Rafael Almeida Jurado Prof. Paulino Delgado Jurado Mérida, Junio 2007
Agradecimientos Este logro alcanzado no hubiese sido posible sin todas las personas que estuvieron allí, día a día, acompañándome en cada instante, por ello quiero agradecer: A Dios por reconfortarme en las dificultades y por llenarme del valor necesario para seguir siempre adelante. A mis padres, María y Carlos, por ser fuente inspiradora de esfuerzo, de constancia, de ímpetu ante la vida. Este éxito les pertenece. Los amo en demasía! A mis abuelos, Emira y Francisco, por todos los consejos y lecciones de vida. Los adoro! A mis hermanos: Stefani Sofía, Greymar, Andrés José, David Fernando y María Alejandra. Han llenado mi vida de alegría, Espero esto les sirva de ejemplo a futuro, y que recuerden siempre que lo mejor de la vida es luchar por lo que se quiere. Los quiero mucho!. A Germán por estar siempre allí, apoyándome en cada momento. Te quiero! A Yajaira, por compartir a mi lado tantos momentos, Te quiero! A mis tías: Elia Barrera y Emira Rubio, por preocuparse por mí en todo momento, por sus palabras de aliento, por estar en cada instante inspirándome confianza y brindándome su afecto. Las adoro! A mis primos: Angela, Jethzabel y Oscar Barrera (mi ejemplo de lucha perseverante). A Ustedes también les dedico este triunfo. Leonardo, has sido mi compañero, mi gran amigo, en el que confío a plenitud. Gracias por estar allí cuando más te necesite! Y ahora que he alcanzado esta meta a tu lado, no puedo sino reiterarte una vez más cuanto Te Quiero. Giannina, gracias por estos años de amistad. A la familia Escalante Fumero por ser tan especiales y por el tiempo compartido. Eladio Dapena, mi querido amigo, gracias por ser como eres, por tus palabras y por los momentos de alegría. Los quiero! A mis amigos de siempre: Ale-Quere, Jack (a pesar de la distancia), Alí, Claudia y Paola, Lenis e Isabel, Angi, Elda, Gissell, Siva, Adriana, Javier, Dannellys y Ramón, AleGandro Rojas, Gerardo, Mimo, Manga, Alí, Erika, Yuly, Simón y Milagros gracias por compartir a mi lado el día a día, por hacerme más llevaderos los días complicados, y hasta por los instantes de hastío, serán momentos inolvidables en mi vida. Simplemente gracias por estar allí en cualquier momento, son lo máximo. A todas las personas que hacen vida en el, en especial a la Sra. Oleida por ser siempre tan colaboradora y a la Profesora Asiloé por sus correcciones siempre tan oportunas. A mi tutor Gerzon Delgado, por toda la ayuda y el apoyo prestado, por su paciencia y sobre todo por su amistad. A mis compañeros de Laboratorio: Maru, Luis Eduardo, Valentina, Luis Vizcaya, Jennifer. Al CDCHT proyecto Nº C-1486-07-08-F Simplemente Gracias, Nathalie Barrera. ii
Índice General Acta Agradecimientos Índice General Índice de Figuras Índice de Tablas i ii iii iv ix Capítulo I. Aspectos Generales 1 I. Aspectos generales 2 I.1. Química supramolecular e ingeniería cristalina 2 I.2. El enlace de hidrógeno 3 I.3. Los aminoácidos 6 I.4. N-carbamoilos de α-aminoácidos 10 I.4.1. Síntesis de los N-carbamoilos de α-aminoácidos 11 I.4.2. Usos de los N-carbamoilos de α-aminoácidos 12 I.4.3. Estructura cristalina de los N-carbamoilos de α-aminoácidos 12 I.5. Hidantoinas 15 I.5.1. Síntesis de las hidantoinas 15 I.5.2. Usos de las hidantoinas 17 I.5.3. Estructura cristalina de las hidantoinas 19 I.6. La glicina 21 I.7. La L-alanina 22 I.8. Objetivos 23 I.8.1. Objetivo general 23 I.8.2. Objetivos específicos 23 I.9. Referencias 24 Capítulo II. Fundamentos teóricos de las técnicas de 27 caracterización II. Fundamentos teóricos de las técnicas de caracterización 28 II.1. Espectroscopia infrarroja 28 II.2. Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear 30 II.2.1. Técnicas de Resonancia Magnética Nuclear 32 II.2.1.1. Espectroscopia de Correlación Homonuclear ( 1 H, 1 H COSY) 33 II.2.1.2. Coherencia Cuántica Heteronuclear Múltiple y Sencilla (HMQC, 33 HSQC) II.2.1.3. Correlación de Enlace Heteronuclear Múltiple (HMBC) 34 II.3. Fundamentos Cristalográficos 34 II.3.1. El Estado Cristalino 35 II.3.2. Redes y Simetría Cristalinas 36 II.3.3. Fenómeno de Difracción de Rayos-X en Cristales 41 II.3.3.1. Ley de Bragg, Red Recíproca y Esfera de Ewald 42 II.3.4. Técnicas de de difracción de rayos-x 44 iii
II.3.4.1. Técnica de difracción en muestra policristalina 44 II.3.4.2 Técnica de difracción de cristal único 45 II.3.5. Factor de estructura y problema de las fases 46 II.3.6. Proceso de determinación y refinamiento estructural 48 II.4. Referencias 51 Capítulo III. Síntesis y caracterización espectroscópica de los derivados N-carbamoilo e hidantoína de la glicina y de la L- 53 alanina III. Síntesis y caracterización espectroscópica de los derivados N- carbamoilo e hidantoína de la glicina y de la L-alanina 54 III.1. Síntesis de los derivados N-carbamoil-glicina y N-carbamoil-Lalanina 54 III.2. Caracterización del N-carbamoil-glicina 55 III.2.1. Análisis por espectroscopía infrarroja 55 III.2.2. Análisis por espectroscopía de resonancia magnética nuclear 57 III.2.2.1. Análisis por espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear de protones (RMN 1 H) 57 III.2.2.2. Análisis por espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear de Carbono 13 (RMN 13 C) 59 III.2.2.3. Análisis por espectroscopia de Correlación Homonuclear ( 1 H, 1 H III.2.2.4. COSY) 59 Análisis por espectroscopia de Correlación de Enlace Heteronuclear Múltiple (HMBC) 60 III.3. Caracterización del N-carbamoil-L-alanina 61 III.3.1. Análisis por espectroscopia infrarroja 61 III.3.2. Análisis por espectroscopía de resonancia magnética nuclear 63 III.3.2.1. III.3.2.2. III.3.2.3. III.3.2.4. III.4. Análisis por espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear de protones (RMN 1 H) 63 Análisis por espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear de Carbono 13 (RMN 13 C) 65 Análisis por espectroscopia de Coherencia Cuántica Heteronuclear Sencilla (HSQC) 66 Análisis por espectroscopia de Correlación de Enlace Heteronuclear Múltiple (HMBC) 67 Síntesis y caracterización espectroscópica del derivado hidantoin-lalanina 68 III.4.1. Síntesis del derivado hidantoin-l-alanina 68 III.4.2. Caracterización del hidantoin-l-alanina 69 III.4.2.1. Análisis por espectroscopia infrarroja 69 III.4.2.2. Análisis por espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear 71 III.4.2.2.1. III.4.2.2.2. Análisis por espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear de protones (RMN 1 H) 71 Análisis por espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear de Carbono 13 (RMN 13 C) 72 iv
III.4.2.2.3. Análisis por espectroscopia de Coherencia Cuántica Heteronuclear Sencilla (HSQC) 74 III.4.2.2.4. Análisis por espectroscopia de Correlación de Enlace Heteronuclear Múltiple (HMBC) 75 III.5. Referencias 77 Capítulo IV. Caracterización de los derivados N-carbamoilo de la glicina y de la L-alanina mediante difracción de rayos-x 78 IV. Caracterización de los derivados N-carbamoilo de la glicina y de la L- alanina mediante difracción de rayos-x 79 IV.1. Caracterización por difracción de rayos-x en muestra policristalina de los derivados N-carbamoilo de la glicina y de la L-alanina 79 IV.2. Determinación y refinamiento de la esructura cristalina del derivado N-carbamoil-glicina 80 IV.2.1. Selección, montaje y toma de datos de monocristal del derivado N- IV.2.2. carbamoil-glicina 80 Determinación y refinamiento de la estructura del N-carbamoilglicina 82 IV.2.2.1. Descripción de la estructura cristalina del N-carbamoil-glicina 84 IV.3. Referencias 91 Capítulo V. Conclusiones 92 V. Conclusiones 93 v
Índice de Figuras. Figura Pág. Capítulo I. Aspectos Generales I.1. Sintones supramoleculares representativos 2 I.2. a)homosintones y b) Heterosintones supramoleculares 3 I.3. Definición de los parámetros geométricos en el enlace de hidrógeno 5 I.4. Tipos de Enlaces de Hidrógeno 5 I.5. Estructura general de los α-aminoácidos 6 I.6. a) L-α-aminoácido y (b) D- α-aminoácido 9 I.7. Representaciones iónicas de los Aminoácidos 9 I.8. Arreglo tipo cabeza-cola de cristales de L-Arginina dihidratada 10 I.9. Esquema de un N-carbamoilo 10 I.10. Esquema de reacción para la síntesis del ácido L-α-(3,4- dihidroxibenzil)-α-hidrazinopropiónico utilizado por Karaday et al 11 I.11. Ruta sintética de los N-carboxianhídridos propuesta por Taillades et al. 11 I.12. Esquema de reacción para la obtención de N-carbamoil-L-alanina propuesta por Terasaki et al. 12 I.13. Enlaces de Hidrógeno entre los grupos Ureido y Carboxilo en el N-carbamoil-L-asparagina 14 I.14. Estructura de una Hidantoina. 15 I.15. Esquema de conversión de la L-alanina en su respectiva hidantoina 16 I.16. Síntesis propuesta por Pinner para la obtención de hidantoinas partiendo de cianohídrinas 16 I.17. (a) Esquema de la reacción de Biltz (b) Esquema de síntesis de I.18. derivados N 3 -alquil de la fenitoína 17 Principales derivados de Hidantoínas utilizadas en el tratamiento de la epilepsia 18 I.19. Hidantoina con actividad antiviral 3-(ciclohexilmetil)-5- fenilimidazolidin-2,4-diona 18 I.20. Diagrama del derivado 5-(arilmetilen)-hidantoina 19 I.21. Celda unidad de la Hidantoína. 20 I.22. (a) Estructura cristalina y (b) empaquetamiento de la (L)-5- bencilhidantoina monohidratada 21 Capítulo II. Fundamentos teóricos de las técnicas de caracterización II.1. Momento magnético de los núcleos atómicos distribuidos de manera aleatoria 30 II.2. Efecto de campo magnético externo sobre núcleos vi
magnéticamente activos 31 II.3. Representación del aumento en la diferencia energética entre los estados de espín con el aumento de la fuerza del campo magnético 31 II.4. Representación de (a)espectro RMN bidimensional y (b) mapa de contornos 32 II.5. Correlación de protones en un espectro COSY. Picos Diagonales y de cruce 33 II.6. Correlaciones a un enlace protón-carbono 34 II.7. Correlación protón-heteroátomo a dos y tres enlaces 34 II.8. Celda Unidad con sus respectivos parámetros 36 II.9. Ejes de rotación 2, 3, 4 y 6 37 II.10. Eje de rotación inversión orden 4 37 II.11. Plano de reflexión 37 II.12. Ejes helicoidales o de tornillo 38 II.13. Planos de deslizamiento a y b 38 II.14. Plano de deslizamiento n 38 II.15. Centro de inversión 39 II.16. Redes de Bravais, donde los símbolos P, C, I, F y R se refieren a los distintos tipos de red: P = primitiva; C = centrada en las caras; I = centrada en el cuerpo; F = centrada en todas las caras; R = primitiva, con ejes iguales y ángulos iguales, ó hexagonal doblemente centrada en el 40 II.17. cuerpo Expansión de un frente de ondas cuando un haz incide sobre átomos dispersores 41 II.18. Esquema de derivación de la Ecuación de Bragg 42 II.19. Definición de un vector reciproco 43 II.20. Esfera de reflexión 44 II.21. Ejemplo de un patrón de polvo 45 II.22. Fotografías típicas de cristales bajo el microscopio de luz polarizada 46 II.23. Montaje del cristal en la cabeza goniométrica del difractómetro 46 Capítulo III: Síntesis y Caracterización Estructural de los Derivados N-carbamoil-glicina y N-carbamoil-L-alanina III.1. Esquema molecular del N-carbamoil-glicina y del N-carbamoil-Lalanina 54 III.2. Espectrofotometro FT-IR Perkin Elmer 1600 55 III.3. Comparación entre el espectro infrarrojo del N-carbamoil-glicina y el espectro teórico de la glicina 55 III.4. Espectro infrarrojo obtenido experimentalmente para el N- carbamoil-glicina 56 III.5. Espectrómetro Bruker Avance DRX 400 57 vii
III.6. Espectro RMN 1 H del N-carbamoil-glicina 58 III.7. Espectro RMN 13 C del N-carbamoil-glicina 59 III.8. Espectro COSY del N-carbamoil-glicina 60 III.9 Espectro HMBC del N-carbamoil-glicina 61 III.10 Comparación entre el espectro infrarrojo del N-carbamoil-Lalanina y el espectro teórico de la L-alanina 62 III.11. Espectro infrarrojo experimental del N-carbamoil-L-alanina 63 III.12. Espectro RMN 1 H del N-carbamoil-L-alanina 64 III.13. Espectro RMN 13 C del N-carbamoil-L-alanina 65 III.14. Espectro HSQC del N-carbamoil-L-alanina 67 III.15. Espectro HMBC del N-carbamoil-L-alanina 68 III.16. Esquema molecular del hidantoin-l-alanina 69 III.17. Comparación del espectro infrarrojo del hidantoin-l-alanina con III.18. los espectros del N-carbamoil-L-alanina y de la L-alanina 70 Espectro infrarrojo obtenido experimentalmente para el hidantoin- L-alanina 71 III.19. Espectro RMN 1 H del hidantoin-l-alanina 72 III.20. Espectro RMN 13 C del hidantoin-l-alanina 73 III.21. Espectro COSY del hidantoin-l-alanina 74 III.22. Espectro HSQC del hidantoin-l-alanina 75 III.23. Espectro HMBC del hidantoin-l-alanina 76 Capítulo IV. Caracterización de los derivados N-carbamoilos de la glicina y de la L-alanina mediante difracción de rayos-x IV.1. Difractómetro Philps PW1050/25 79 IV.2. Resultados del refinamiento de los parámetros de la celda unidad para los derivados (a) N-carbamoil-glicina y (b) N-carbamoil-L-alanina 80 IV.3. Difractómetro Rigaku AFC/S 81 IV.4. Unidad asimétrica del N-carbamoil-glicina mostrando las dos moléculas 85 IV.5. Enlaces de hidrógeno intermoleculares en el N-carbamoil-glicina 87 IV.6. Empaquetamiento cristalino del N-carbamoil-glicina visto a lo largo del eje b 88 IV.7. Sintones cíclicos formados en los derivados N-carbamoilos reportados en la literatura 89 IV.8. Proyección del N-carbamoil-glicina en la dirección (110) 90 IV.9. Vista del enrejado tridimensional de la moléculas del N-carbamoilglicina, en el plano ab 90 viii
Índice de Tablas Tabla Pág. Capítulo I. Aspectos Generales I.1. Principales Propiedades Físicas y Químicas de los Aminoácidos Naturales. 7 I.2. Esquema molecular y Número de estructuras cristalinas encontradas en la base de datos del CSD 13 I.3. Parámetros de celda y Estructura del N-carbamoil-DL-ácido aspártico reportadas por Zvargulis y Hambley 13 I.4. Parámetros de celda del N-carbamoil-L-asparagina reportadas por Yennawar y Viswamitra 14 I.5. Parámetros de Celda del N-carbamoil-L-prolina 15 I.6. Parámetros de celda de la Hidantoína 19 I.7. Parámetros de celda de la Hidantoína de la L-prolina 20 I.8. Algunas propiedades físicas y químicas de la glicina 21 I.9. Algunas propiedades físicas y químicas de la alanina 22 Capítulo II. Fundamentos Teóricos de las técnicas de caracterización II.1. Regiones en el Infrarrojo 28 II.2. Frecuencias de absorción de algunos grupos funcionales 29 II.3. Sistemas Cristalinos 39 Capítulo III. Síntesis y caracterización espectroscópica de los derivados N-carbamoilo e hidantoina de la glicina y de la L-alanina III.1. Bandas de absorción significativas para el N-carbamoil-glicina 57 III.2. Señales del espectro RMN 1 H del N-carbamoil-glicina 58 III.3. Correlaciones protón-carbono en el espectro HMBC del N-carbamoilglicina 61 III.5. Bandas de absorción significativas para el N-carbamoil-L-alanina 63 III.6. Espectro RMN 1 H obtenido experimentalmente para el N-carbamoil-Lalanina 65 III.7. Espectro RMN 13 C obtenido experimentalmente para el N-carbamoil-Lalanina 66 III.8. Correlaciones protón-carbono en el espectro HSQC del N-carbamoil-Lalanina 66 III.9. Correlaciones protón-carbono en el espectro HMBC del N-carbamoil-Lalanina 68 III.11. Bandas de absorción significativas para el hidantoin L-alanina 71 III.12. Correlaciones protón-carbono en el espectro HSQC del hidantoin-lalanina 74 ix
III.13. Correlaciones protón-carbono en el espectro HMBC del hidantoin-lalanina 76 Capítulo IV. Caracterización de los derivados N-carbamoilo de la glicina y de la L-alanina mediante difracción de rayos-x IV.1. Parámetros de celda unidad obtenidos para el N-carbamoil-glicina y para el N-carbamoil-L-alanina luego del indexado 79 IV.2. Datos cristalográficos y condiciones experimentales para el estudio por difracción de rayos-x de monocristal del N-carbamoil-glicina 81 IV.3. Factores de confiabilidad obtenidos del refinamiento del N-carbamoilglicina 82 IV.4. Posiciones atómicas y factores de temperatura isotrópicos del N- carbamoil-glicina 83 IV.5. Factores de temperatura anisotrópicos de los átomos no-hidrógenos en el N-carbamoil-glicina 83 IV.6 Posiciones atómicas y factores de temperatura isotrópicos de los átomos de hidrógeno en el N-carbamoil-glicina 84 IV.7. Distancias de enlace en el N-carbamoil-glicina 85 IV.8. Ángulos de enlace en el N-carbamoil-glicina 85 IV.9. Ángulos de torsión 86 IV.10. Enlaces de hidrógeno intra-moleculares del N-carbamoil-glicina 86 IV.11. Geometría de los enlaces de hidrógeno en el cristal del N-carbamoilglicina 87 x
Capítulo I Aspectos generales 11