Síntesis y evaluación de Heterociclos Naturales y otros compuestos bioactivos. Desarrollo de nuevas metodologías y estrategias

Como parte de la Química, la síntesis orgánica se ha convertido desde la Segunda Guerra Mundial en una de las herramientas fundamentales del desarrollo de nuestra civilización. La síntesis orgánica moderna es la gran proveedora de nuevos materiales, incluyendo entre ellos a los fármacos que protegen, restauran o mejoran nuestra salud, expandiendo la expectativa de vida de la humanidad y aumentando su calidad. También abarca a los agroquímicos, que permiten incrementar los volúmenes de cosecha y acrecentar la calidad de los productos, en aras de saciar a una población mundial cada vez más numerosa y demandante. En este contexto, se destaca como requisito el desarrollo de nuevas estrategias y metodologías sintéticas. Estas juegan un rol preponderante, no solo porque permiten el avance de la disciplina, sino que a la vez hacen a esta cada vez más poderosa y eficiente. También sobresale como necesidad el hallazgo de nuevas moléculas líder, capaces de ser moldeadas apropiadamente con el objeto de producir compuestos químicos optimizados, aptos para desarrollar de manera adecuada sus funciones propuestas. En este escenario, los productos naturales son protagonistas principales, gracias a la diversidad estructural que, fruto de la evolución, nos brinda la naturaleza. Mediante varios desarrollos concatenados, esta Tesis procura contribuir en varios de estos aspectos al desarrollo de la síntesis orgánica como instrumento de progreso, incluyendo desde el desarrollo de nuevas metodologías sintéticas hasta la síntesis y evaluación de productos naturales y análogos, o compuestos con funcionalidades promisorias. El resto éter de oxima es un motivo estructural importante que se encuentra en relativamente pocos productos naturales y, al igual que en el caso de las oximas, está presente en una amplia variedad de compuestos farmacológicamente relevantes. Los éteres de oxima se hallan frecuentemente en la literatura de patentes, siendo ampliamente utilizados como intermediarios en la industria química y en la química orgánica sintética, especialmente para las reacciones de electrociclación 6π de 1-azatrienos. Además, estos compuestos se han utilizado en el diseño molecular de plaguicidas, como los agentes comerciales aldicarb (insecticida) y trifopsoma (herbicida), así como en fármacos antimicóticos en investigación. Por otro lado, los éteres de oxima han mostrado propiedades anticolinérgicas, insecticidas y acaricidas. Debido a la gran importancia que poseen las metoximas dentro de la química orgánica, parte de esta Tesis tuvo como objetivo desarrollar novedosos métodos catalíticos de metoximación que fuesen rápidos y eficientes y que tuviesen lugar bajo condiciones suaves. El estudio utilizó acetofenona como material de partida en presencia de 1,5 equivalentes de clorhidrato de metoxilamina y base. Inicialmente, se exploraron los efectos cualitativos y cuantitativos de la adición de cantidades catalíticas de diferentes ácidos de Lewis, monitoreando las transformaciones mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS) y empleando anisol como estándar interno. La inspección de los rendimientos de la reacción en sus inicios (tiempo < 40 minutos) reveló que los comportamientos de MnSO4•4H2O, MnCl2•4H2O y CeCl3•7H2O fueron bastante similares entre sí, siendo el perfil de la reacción promovida por CeCl3•7H2O ligeramente superior a los de las sales manganosas. También se optimizó la naturaleza del solvente, observándose que los solventes alcohólicos fueron los más adecuados; entre ellos, EtOH absoluto resultó ser el más ventajoso. Por otro lado, también se evaluó la aptitud de distintas bases suaves, donde ninguna de ellas superó el desempeño obtenido al utilizar NaOAc, que es un reactivo muy económico y accesible. Finalmente, se analizó la carga del promotor, en el rango de 2– 8% en moles, concluyendo que la carga óptima era del 5% en moles. El protocolo resultante, que comprendió el uso de MeONH2•HCl, NaOAc (1,5 equiv. de cada uno) y 5% en moles de CeCl3•7H2O en EtOH a 50 °C demostró ser suave y compatible con compuestos sensibles, siendo a su vez una condición altamente superior frente a los procesos no catalizados, permitiendo además sintetizar compuestos nunca antes reportados (Tabla 1). Durante la etapa de optimización de este estudio se observó que las sales de manganeso [MnSO4•4H2O, MnCl2•4H2O] también fueron muy exitosas. Teniendo en cuenta que el manganeso es un metal abundante y ambientalmente benigno, y que sus derivados son particularmente atractivos debido a su reducido costo y baja toxicidad, se desarrolló un segundo método catalítico para la obtención de metoximas. Tras un proceso de desarrollo análogo al anterior, se observó que el MnCl2•4H2O presentó el mejor perfil catalítico, permitiendo establecer las condiciones de reacción para una eficiencia óptima de la metodología desarrollada (Tabla 2). Esto facilitó la exploración del alcance del nuevo método catalítico y la consecuente síntesis de diversas metoximas. El uso propuesto de MnCl2•4H2O para metoximaciones es novedoso y original ya que, a pesar de su amplia disponibilidad, la sal se ha empleado escasamente dentro del ámbito de la química orgánica sintética. Además, el mismo resultó simple, eficiente y ecoamigable. Adicionalmente, teniendo en cuenta las propiedades fungicidas de algunas metoximas, se desarrolló la síntesis de una biblioteca de metoximas derivadas de aldehídos y cetonas aromáticas, las cuales luego fueron evaluadas como compuestos antifúngicos en ensayos in vitro contra un panel de cepas relevantes de hongos fitopatógenos poscosecha, como Botrytis cinerea, Molinilia fructicola, Penicillium digitatum, Penicillium italicum y Rizopus stolonifer. Del estudio de estructura-actividad realizado, el mejor candidato (la metoxima de 2,4-dihidroxipropiofenona) fue sometido a experimentos ex vivo en frutos recientemente recolectados de especies frutales selectas con el fin de verificar su potencial (Figuras 1 y 2). Los resultados generales fueron prometedores y sugieren que estos compuestos, entre ellos el derivado de la metoxima de 2,4-dihidroxipropiofenona, pueden tener un gran potencial como líderes para un proceso de optimización estructural a los fines de desarrollar nuevos fungicidas para hongos fitopatógenos poscosecha, capaces de actuar por contacto o inmersión. No resulta menos importante destacar que la síntesis de estos compuestos es simple y directa, y que emplea precursores económicos y fácilmente disponibles. Además del estudio sobre las interesantes propiedades biológicas exhibidas por las metoximas, la metodología desarrollada se aplicó a una síntesis total mejorada y eficiente de 6,8-dimetoxi-1,3-dimetilisoquinolina (DMDMI). Este producto natural isoquinolínico, que fue aislado de una muestra de corteza de la liana tropical Ancistrocladus tectorius (Lour.) Merr. recolectada en Malasia, es el núcleo heterocíclico característico de diversos compuestos bioactivos, incluyendo naftilisoquinolinas. Para la síntesis total de DMDMI se aplicó una estrategia de electrociclización 6π de azatrienos, cuyo uso en la síntesis total de productos naturales está aún difundiéndose. La misma tuvo lugar en seis pasos, con un rendimiento global del 22% desde la fácilmente disponible floroacetofenona y estuvo exenta del uso de grupos protectores (Esquema 1). La secuencia se inició mediante la 2,4-di-O-metilación selectiva de floroacetofenona (1) y una posterior 6-O-triflación del intermediario dimetilado 2, resultando en el compuesto 3. Esto preparó el escenario para instalar la cadena de tres átomos de carbono requerida, que se realizó mediante una reacción de acoplamiento cruzado de Stille, con aliltributilestaño, seguida de una isomerización catalítica del resto alilo (4) a propenilo (5). La introducción del átomo de nitrógeno necesario para la formación del heterociclo se logró mediante la metoximación catalítica mediada por Ce(III) previamente desarrollada, lo cual permitió obtener el intermediario clave 6 sin complicaciones. Finalmente, una azaelectrociclación 6π del 1-azatrieno 6 bajo la promoción de microondas completó la síntesis del producto natural 8 a través del intermediario 7. La estrategia que implicó el cierre del anillo mediante una azaelectrociclización 6π de un 1- azatrieno resultó un enfoque innovador y conveniente para la síntesis total de la isoquinolina deseada. A partir de esta se prepararon derivados funcionalizados, 1-formilo (9) y 1-hidroximetilo (10) del producto natural (Esquema 2) Las isoquinolinas sintetizadas se evaluaron in vitro para determinar su actividad citotóxica. Las mismas resultaron activas en el rango micromolar contra una línea celular de cáncer de pulmón y dos líneas de cáncer de mama (Figura 3). Se observó que todos los compuestos exhibían efectos dependientes de la dosis, siendo el compuesto 9 el que mostró el mejor perfil. Finalmente, se desarrolló la primera síntesis total de cromanona A y la de otro producto natural relacionado, elaborándose asimismo una pequeña biblioteca de cromonas relacionadas, las cuales fueron evaluadas como potenciales antifúngicos frente a una cepa de Candida albicans que produce biofilms (biopelículas). La síntesis inició con una orto-acilación selectiva de Friedel-Crafts del pirocatecol (11) bajo la promoción de BF3.OEt2 para obtener el compuesto 12 (Esquema 3). A continuación, se llevó a cabo una ciclación de Kostanecki-Robinson que incluyó tres pasos sintéticos en una sola etapa (reacción one-pot), lo que posibilitó sintetizar el compuesto 13 con muy buen rendimiento. Posteriormente, se realizó una O-metilación del residuo fenólico libre en condiciones convencionales, resultando en el compuesto 14, al cual se le practicó una oxidación alílica tanto elegante como innovadora. En esta última se utilizaron condiciones aeróbicas (tubo de reacción cerrado saturado con O2), TsOH como activante, I2 como oxidante catalítico y DMSO anhidro como solvente, obteniéndose de esta manera el aldehído 15 de forma eficiente. Finalmente, 15 fue reducido en presencia de NaBH4, obteniéndose cromanona A (16) con un rendimiento global del 25,3%, luego de cinco pasos sintéticos. Los datos espectroscópicos de RMN del compuesto sintético estuvieron en excelente acuerdo con los reportados en la literatura. Siendo de especial interés la potencial utilidad de nuestras síntesis, se estudió la actividad antifúngica de la cromanona A, sus intermediarios de reacción y sus análogos contra Candida albicans, un agente formador de biofilms. Las pruebas de actividad antifúngica revelaron que el análogo 2-formilo de cromanona A (15), exhibió una CIM = 7,8 μg/mL (CFM = 125 μg/mL). Además, a niveles subletales de concentración, este compuesto inhibió significativamente varios factores de virulencia de C. albicans, incluida la secreción de fosfolipasas y la adherencia de las levaduras a las células epiteliales bucales, así como la formación de los tubos germinativos y la formación del pseudomicelio hifal. Por otro lado, el derivado de formilo inhibió completamente el crecimiento de C. albicans en biofilms preformados a 62,5 μg/mL. Estos resultados indican que el análogo 2-formilo de cromanona A no solo extermina a C. albicans, sino que también inhibe sus factores de virulencia, lo que sugiere que su blanco de acción consiste tanto en el crecimiento celular como en el proceso patogénico. Estas características convierten al aldehído en una pista potencialmente útil para desarrollar agentes más efectivos para combatir a esta levadura en escenarios de biofilms.