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Índice
Prólogo ..........................................................................................................
XI
UNIDAD DIDÁCTICA I
Tema 1. Aspectos cinéticos y termodinámicos de las reacciones orgánicas
(Dr. Enrique Teso Vilar) ...................................................................
Tema 2. Reacciones orgánicas. Introducción a los mecanismos
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
Tema 3. Ácidos y bases
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
Tema 4. Catálisis
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
3
49
87
123
UNIDAD DIDÁCTICA II
Tema 5. Intermedios de reacción
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
Tema 6. Mecanismos de las reacciones de sustitución nucleófila alifática
(Dr. Enrique Teso Vilar) .................................................................
Tema 7. Mecanismos de las reacciones de eliminación
(Dr. Enrique Teso Vilar) .................................................................
Tema 8. Mecanismos de las reacciones de adición
(Dr. Enrique Teso Vilar) .............................................................
159
207
271
313
UNIDAD DIDÁCTICA III
Tema 9. Mecanismos de las reacciones de sustitución en sistemas aromáticos
(Dr. Enrique Teso Vilar) .......................................................................
369
VIII
QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
Tema 10. Fotoquímica
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
Tema 11. Reacciones pericíclicas
(Dres. Paloma Ballesteros García y Enrique Teso Vilar) ..............
Tema 12. Reacciones radicalarias
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
411
437
485
UNIDAD DIDÁCTICA IV
Tema 13. Introducción a la Síntesis Orgánica
(Dra. Paloma Ballesteros García) .................................................
Tema 14. Análisis retrosintético I
(Dra. Paloma Ballesteros García) .................................................
Tema 15. Análisis retrosintético II
(Dra. Paloma Ballesteros García) .................................................
Tema 16. Análisis retrosintético III
(Dra. Paloma Ballesteros García) .................................................
Tema 17. Análisis retrosintético IV
(Dra. Paloma Ballesteros García) .................................................
527
549
577
609
645
UNIDAD DIDÁCTICA V
Tema 18. Introducción a los productos naturales
(Dra. Rosa M.a Claramunt Vallespí) ..............................................
Tema 19. Metabolitos secundarios derivados de hidratos de carbono
(Dra. Rosa M.a Claramunt Vallespí) ..............................................
Tema 20. Metabolitos secundarios derivados del acetato (I)
(Dra. Rosa M.a Claramunt Vallespí) ..............................................
Tema 21. Metabolitos secundarios derivados del acetato (II)
(Dra. Rosa M.a Claramunt Vallespí) ..............................................
Tema 22. Metabolitos secundarios derivados del ácido shikímico
(Dra. Rosa M.a Claramunt Vallespí) ..............................................
Tema 23. Metabolitos secundarios derivados de aminoácidos (I)
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
Tema 24. Metabolitos secundarios derivados de aminoácidos (II)
(Dra. Dionisia Sanz del Castillo) ..................................................
687
721
759
787
817
843
865
UNIDAD DIDÁCTICA VI
Tema 25. Metabolitos derivados del mevalonato: isoprenoides
(Dr. Enrique Teso Vilar)..................................................................
Tema 26. Monoterpenos
(Dr. Enrique Teso Vilar) .................................................................
899
931
ÍNDICE
IX
Tema 27. Sesquiterpenos (C15)
(Dra. Paloma Ballesteros García) ................................................. 955
Tema 28. Triterpenos (C30). Otros terpenos
(Dra. Paloma Ballesteros García) ................................................. 983
Tema 29. Metabolitos de origen biosintético mixto
(Dra. Rosa M.a Claramunt Vallespí).................................................. 1021
Tema 30. Metabolismo secundario y ecología
(Dra. Rosa M.a Claramunt Vallespí) .............................................. 1045
Bibliografía ................................................................................................... 1069
712
QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
18.5. Técnicas de elucidación de las rutas metabólicas
Después de la elucidación estructural del metabolismo secundario es posible
proponer una hipótesis biogenética para su formación a partir de las moléculas
building blocks, acetato, mevalonato, shikimato o aminoácidos. Sin embargo, las
rutas biosintéticas sólo podran confirmarse una vez identificados cada uno de los
intermedios y enzimas.
Para ello es necesario llevar a cabo experimentos en que precursores isotópicamente marcados se administran a plantas o microorganismos para producir el
metabolito secundario. Dicho metabolito es aislado, purificado y analizado en su
contenido isotópico y si la incorporación del isotópo ha ocurrido en la forma prevista se pueden establecer relaciones precursor-metabolito. A veces es posible aislar e identificar intermedios que contengan al isótopo y que podrán a su vez ser utilizados en posteriores estudios de incorporación.
A
B
C
X
Y
Z
Así, A es una molécula precursora pequeña, por ejemplo acetato, mientras que
B, C, X e Y son intermedios en el camino hacia el metabolito Z.
El uso de cepas de organismos mutantes proporciona también información útil,
ya que normalmente contienen enzimas aberrantes o niveles alterados de enzimas
normales. Así una enzima que cataliza la conversión de B en C puede estar ausente o no existir, con lo que se produciría una acumulación de metabolito B. Este
metabolito B también puede originar nuevos caminos o rutas biosintéticas.
Pueden surgir diversas dificultades, a saber:
1. La incorporación de un porcentaje significativo del precursor marcado para
que los resultados sean representativos.
2. La necesidad de analizar y quizás degradar el metabolito marcado, para
establecer qué átomos han sido isotópicamente enriquecidos.
18.5.1. Administración del precursor
El precursor isotópicamente marcado se administra a organismos vivos o a
extractos de células. En general, las plantas incorporan muy pobremente el isótopo marcado (a menudo sólo un 10-2 a 10-4 por cien del total administrado) debido a qué el precursor añadido no puede penetrar en el centro donde se realiza la
biosíntesis o es metabolizado en el camino. Se obtienen mejores resultados utilizando células callus o cultivos de tejidos de dichas plantas. Dichos cultivos se
obtienen a partir de trozos de tejidos que se han hecho crecer de modo que pro-
INTRODUCCIÓN A LOS PRODUCTOS NATURALES
713
duzcan células no diferenciadas, que retienen su capacidad de producir metabolitos secundarios pero son incapaces de producir otros compuestos. Una aplicación comercial de esta técnica consiste en producir lineas de células productoras
de alcaloides útiles en medicina o terpenoides seleccionados en perfumería. Se
consiguen mejores incorporaciones del isótopo con cultivos de bacterias y hongos y la mayor parte del trabajo de los últimos veinte años se ha realizado con
metabolitos de mohos.
18.5.2. Examen de los metabolitos marcados
Una vez en posesión de una muestra pura del metabolito marcado o el intermedio biosintético, debe examinarse para determinar la posición de los átomos
enriquecidos. Los isotópos radiactivos utilizados son tritio (3H), un β-emisor de
vida media 12,1 años, y carbono-14 (14C), un β-emisor de 5640 años de vida
media. El metabolito marcado debe ser degradado químicamente para obtener la
información sobre los centros marcados.
Los métodos de degradación utilizados son reacciones comunes en química
orgánica: ozonolisis, descarboxilación, degradación de Hofmann, etc. Cada paso
de degradación reduce la cantidad de metabolito disponible y es muy difícil, por
no decir prácticamente imposible obtener por dicho procedimiento un mapa completo del marcaje de la molécula.
El uso de isótopos no radiactivos como 13C, y en menor extensión 2H, 15N, 31P
y O ha revolucionado en los últimos tiempos el estudio de los procesos biosintéticos, ya que al tener dichos isótopos espin I=n/2 son detectables mediante la utilización de la resonancia magnética nuclear RMN.
17
Se compara el espectro de 13C en abundancia natural (1,1%) de un metabolito
con el que presenta dicho compuesto después de un experimento de incorporación
de un precursor enriquecido en 13C, con objeto de determinar que átomos de carbono provienen del precursor marcado.
El uso de precursores doblemente marcados, con carbono-13 y otro de los isótopos mencionados origina espectros RMN en los que alguna señal de los carbonos presenta efecto isotópico sobre el desplazamiento químico, lo que proporciona
información adicional. Así, en el espectro de carbono-13, se observa un desplazamiento hacia campos altos de un carbono cuando hay átomos de deuterio unidos al
mísmo, ya sea directamente (efecto α) o a través de otro átomo de carbono (efecto β).
Si consideramos, por ejemplo, la biosíntesis del ácido 6-metilsalicílico 4, se
puede ilustrar el uso de estas técnicas RMN. La molécula se construye a partir del
acetilcoenzima A, MeCO-SCoA, y tres moléculas de malonil-SCoA. Las enzimas
que catalizan las diferentes etapas han sido aisladas a partir de Penicillium patulum y parcialmente caracterizadas (Esquema 18.14, E= Enzima).
714
QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
Cuando se utiliza [2-2H3,1-13C]-acetato, en el espectro de 13C-RMN de 4 se
observan cuatro señales (Esquema 18.15, carbonos 8, 2, 6 y 4) cuya intensidad ha
aumentado con respecto al espectro registrado en abundancia natural, y en alguna
de ellas es doble según que el carbono esté o no directamente unido a un átomo de
deuterio (efecto α).
Además cada una de estas cuatro señales está acompañada por resonancias
satélite que demuestran la presencia de uno o más átomos de deuterio unidos a los
carbonos adyacentes (efecto β).
Si el enzima carece de NADPH, la lactona 3 es el producto mayoritario.
MeCOSCoA + 2 MalonilSCoA
O
Me
O
SE
O
NADPH
HO
Me
HO
H
Me
O
SE
O
3
O
O
–H2O
D
* CD3
*
D
*
CO2R
*
OH
*
4
O
H H
Me
O–
O
SE
O
[2–2H3,
Me
O
CD3
1–13C] acetato
O
MalonilSCoA
Me
–X—
O
S—
SE
O
O
ESQUEMA 18.14
O
715
INTRODUCCIÓN A LOS PRODUCTOS NATURALES
En el caso de la biosíntesis del ácido penicilánico 6 (ver Esquema 18.16) por
Penicillium griseum y Penicillum baarnense utilizando [1,2-13C]-acetato, la ruta
biosintética transcurre a través del metabolito denominado ácido orsellinico 5, en
el que las líneas en negrita indican los enlaces carbono-carbono que se mantienen
intactos a partir del enlace 13C-13C del precursor marcado, lo cual se ha podido
establecer a partir de los acoplamientos 13C-13C en el espectro de RMN de dicho
metabolito. Esta biosíntesis constituye un ejemplo claro del fenómeno general
mencionado anteriormente a lo largo de este tema, acerca de que los metabolitos
secundarios provienen de modificaciones de las rutas ordinarias que conducen a
metabolitos primarios.
(H, D)
5
6
4
(H, D) 3
1
2
OH
(H3, D3)
8 OMe
O
4
C-D
C-H
C-H
C-H
C-8
C-2
ESQUEMA 18.15
C-D
CD3
CHD3
CH2D
C-6
C-4
716
QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
A partir del [1,2-13C]-acetato pueden formarse dos tipos de cadenas carbonadas:
CO2–
Me
C
1
C—C—C
2 3 4
y
C—C—C
1 2 3
C
4
Las señales debidas a C1 y C2 aparecen como pares de dobletes con la mísma
constante de acoplamiento J1,2. De modo análogo C3 y C4 se presentan como
dobletes con una J3,4. Sin embargo, la magnitud del acoplamiento entre C2 y C3
puede considerarse despreciable.
En el ácido penicilánico sólo quedan dos enlaces carbono-carbono de este tipo,
C2-C3 y C5-C7, que permanecen intactos despues de un doble ataque por oxígeno
al compuesto 5, probablemente en forma de peróxido, con una descarboxilación
posterior y una transposición pseudo-Baeyer-Villiger.
El átomo de carbono extra que aparece en el ácido penicilánico (carbono metiléter, OMe) proviene del cofactor S-Adenosilmetionina (SAM).
Me
Me
O
[O]
COSE
Me
O—H
CO2H
OH
O
O
OH
HO
O
O
OMe
5
C1
Me
Me
O
HO—O
–O
Me
O
OMe
O
[O]
reducción Me
O
OHC
OMe
6 CH
2
OH
O 1
O
4
O
OMe
O
HO2C
OMe
–OH
2
3
5 Me
OH 7
OMe
J5,7 = 44 Hz
J2,3 = 77 Hz
6
ESQUEMA 18.16
INTRODUCCIÓN A LOS PRODUCTOS NATURALES
717
Ejercicios de autocomprobación
1. Indicar para cada una de las siguientes afirmaciones si son verdaderas o falsas, razonando en su caso el por qué:
a) Los productos naturales son compuestos orgánicos esenciales
para los organismos en los que se encuentran.
b) El metabolismo consiste en una serie de procesos químicos en
cada uno de los cuales interviene una enzima, mediante los que
los compuestos químicos se sintetizan y degradan en los organismos vivientes.
c) La glucosa es una de las moléculas building block del metabolismo secundario.
d) El ácido shikímico es el ácido 3,4,5-trihidroxiciclohex-1-en
carboxílico, y a partir de él mediante el metabolismo secundario se forman aminoácidos aromáticos, derivados del ácido
cinámico y otros compuestos aromáticos.
e) El acetato, en forma de acetilcoenzima A, es la molécula precursora de los ácidos nucleícos.
f) De modo general, cada enzima cataliza diversos tipos de reacción química y puede actuar con sustratos estructuralmente
muy diferentes entre sí.
g) En el acetilcoenzima A el grupo tioester activa a las especies
acilo frente al ataque nucleófilo en el átomo de carbono carbonilo, y también frente a la alquilación en el átomo de carbono-α.
h) Los azúcares se catabolizan en presencia de oxígeno a través de
la glucólisis y en ausencia de oxígeno mediante el ciclo del fosfato de pentosa o ciclo del ácido cítrico.
i) El fosfoenolpiruvato y el 4-fosfato de eritrosa originan el ácido
shikímico, a partir del cual se forman biosintéticamente los isoprenoides.
j) El piruvato vía acetilcoenzima A dá lugar a policétidos y ácidos grasos.
2. El espectro de 13C-RMN en abundancia natural de la dihidrolactumcidina obtenida a partir del Streptomyces reticuli presenta las
siguientes señales:
718
QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
Carbono
Desplazamiento químico en ppm
2
3
4
4a
5
6
7
7a
8
9
39,6
25,9
59,2
64,1
140,1
131,7
133,8
63,1
114,9
14,0
Cuando la biosíntesis se realizó en presencia de [1,2-13C]-acetato se obtuvo el espectro de 13C-RMN A, y con una mezcla 1:1 de
[1-13C]-acetato y [2-13C]-acetato el espectro de 13C-RMN B. En
dichos espectros alguno de los átomos de carbono esta acoplado a
otros carbonos, siendo los modos de acoplamiento posibles:
13
CH3
13
CH3
13
—–13CH2
CO2H
13
—–CH2
CH3
CO—–
CO2H
+
13
13
CO—–13CH2
CO—
CO2H
2
3
4
76
7a
8
4a
7a
9
TMS
5
140
120
100
80
60
Espectro A
40
20
0
719
INTRODUCCIÓN A LOS PRODUCTOS NATURALES
7a
2
4
4a
8
7
3
7a
6
9
4a
5
140
120
100
80
60
Espectro B
40
20
0
A partir del análisis de los espectros A y B y de la estructura de
la dihidrolactumcidina, proponer conexiones de acetato, que estarían de acuerdo con la multiplicidad de las diferentes señales (la
mayoría aparecen como tripletes, en los que la señal del centro se
debe a los carbonos en abundancia natural y los dobletes externos
corresponden a los carbonos enriquecidos y están asociados a acoplamientos debidos a dicho enriquecimiento). Tener en cuenta que
en el espectro B, los carbonos 4a y 5 se acoplan a otros dos átomos de carbono, mientras que los carbonos 2 y 9 no presentan
acoplamientos.