Functional upgrading, which encompasses the extension of value adding functions within organisations

A reação de Biginelli é uma das mais importantes reações para a síntese de dihidropirimidinonas (DHPMs). [221]

Diante da vasta aplicação biológica, o interesse em estratégias sintéticas com abordagens variadas para sua síntese aumentou ao longo dos últimos anos ampliando tanto o interesse químico quanto biológico, o que tem proporcionado grande exploração na literatura de DHPMs. Neste sentido, a reação de Biginelli é uma alternativa elegante que vem sendo empregada. [118] [221] [222]

Diversas modificações nas condições empregadas nas reações de Biginelli foram realizadas. Tais alterações foram necessárias uma vez que a síntese original apresentava limitações como tempos reacionais prolongados sob refluxo, uso de ácido clorídrico concentrado como catalisador, além de baixos rendimentos quando aldeídos alifáticos eram empregados como substratos. [223]

Assim, nos últimos anos diversos ácidos de Brønsted e de Lewis foram relatados como catalisadores para essa reação [224]. Ademais, uma grande variedade de substâncias não ácidas, como líquidos iônicos [225], grafite [226] e até mesmo fermento biológico [227], foram relatadas como catalisadores para a reação de Biginelli.

Desse modo, dando prosseguimento a outra parte deste trabalho, foram realizadas algumas reações na tentativa da preparação da dihidropirimidinona substituída, análoga cíclica da metformina, a fim de avaliar a correlação entre a restrição conformacional destes compostos e a atividade antineoplásica.

Portanto, após a preparação e caracterização dos adutos de Mannich 50-64, foram feitas diversas reações com o intuito de sintetizar as DHPMs substituídas. Como catalisadores, foram utilizados diferentes ácidos de Brønsted e de Lewis, já que segunda a literatura, o uso dessas metodologias sintéticas possibilitam melhora nos rendimentos desse tipo de reação. [228]

Inicialmente, foram utilizados ácidos de Brønsted como catalisadores para reação. A primeira tentativa foi realizada com a adaptação da metodologia de Bose

e colaboradores (2005), utilizando água como solvente e ácido p-tolueno sulfônico como catalisador (Figura 75). [229]

Figura 76. Tentativa da síntese da primeira DHPM por meio da reação de Biginelli com p-

TsOH e água como solvente.

A função do ácido de Brønsted é protonar a carbonila do aldeído, e consequentemente, aumentar sua eletrofilicidade. Assim, o equilíbrio químico da reação é deslocado para a formação do íon imínio (Figura 76).

Figura 77. Mecanismo via imínio para síntese de DHPMs.

Em geral, nesta combinação tricomponente, dos três substratos envolvidos na reação de Biginelli, segundo a literatura, a reação funciona melhor com aldeídos aromáticos, podendo este apresentar substituintes em posições orto, meta ou para. Aldeídos aromáticos que apresentam grupos doadores ou retirados de elétrons nas posições meta ou para fornecem os produtos com rendimentos relativamente bons. Enquanto, os aldeídos contendo substituintes volumosos em posição orto, os rendimentos são menores, dependendo do substituinte na cadeia. [118]

Assim, foi estabelecida uma reação modelo que utilizou o p-nitrobenzaldeído 45 em todas as tentativas de preparação de DHPMs, pois o mesmo adequa-se perfeitamente na descrição acima. E ainda, este aldeído foi escolhido pela facilidade de manuseio (é sólido) e principalmente por sua reatividade, onde o grupo nitro do aldeído aumenta a eletrofilicidade do íon imínio formado in situ (Figura 77).

Figura 78. Estruturas de ressonância do p-nitrobenzaldeído.

Contudo, o resultado esperado da reação, a formação da DHPM substituída, não foi alcançado. Ainda assim, outros ácidos de Brønsted foram testados na tentativa de obtenção das DHPMs, como é mostrado na Tabela 6 abaixo.

Tabela 6. Ácidos de Brønsted utilizados na tentativa da preparação da DHPM.

Entrada Ácido de Brønsted Solvente Resultado Referência

1 p-TsOH EtOH X [229]

2 HCl EtOH X [195]

3 H3BO3 Ác. acético X [230]

Entretanto, o uso de HCl e H3BO3, além do uso do p-TsOH (Tabela 6), não

foi suficiente para obtenção do resultado esperado.

Diante dos resultados negativos obtidos, prossegui-se com uma busca por um catalisador propício para preparação da DHPM substituída. Em um trabalho publicado por Suresh e Sandu (2012), os ácidos de Lewis são empregados para alcançar excelentes rendimentos e reduzir bastante (colocaria outro advérbio de intensidade, como muito) o tempo de reação. [231]

Desse modo, na Tabela 7 abaixo são descritos todos os ácidos de Lewis que foram utilizados na tentativa da preparação das DHPMs substituídas.

Tabela 7. Ácidos de Lewis utilizados nas reações na tentativa da síntese das DHPMs.

Entrada Ácido de Lewis Solvente Resultado Referência

1 NbCl5 CH3CN/CH2Cl2 X [232]

2 (CH3)3SiCl DMF/CH3CN X [233] [234]

3 CuCl2 MeOH X [235]

4 CeCl3·7H2O MeOH X [149]

5 FeCl3.6H2O EtOH/CH3CN X [236] [237]

6 FeCl3/DMAP EtOH X [238]

7 MgSO4 - X [239]

8 CaCl2 EtOH X [240]

Cabe salientar que ao utilizar o pentacloreto de nióbio (NbCl5) como

catalisador (Entrada 1, Tabela 7), foi necessária a secagem prévia dos solventes utilizando hidreto de cálcio seguido por destilação fracionada.

O mecanismo da reação de Biginelli catalisada por ácido de Lewis é parecido com o mecanismo mostrado na Figura 78 - proposta mecanística similar ao de Kappe (1997). [241] A imina, o intermediário formado através da ureia/tioureia/guanidina substituída (aduto de Mannich) e o aldeído, é estabilizado pelo íon metal [exemplo é mostrado com o Ca2+ (entrada 8, da Tabela 7), Figura 78], seguido da adição do enolato β-cetoéster e ciclodesidratação para obtenção da diidropirimidinona.

Figura 79. Mecanismo proposto para reação de Biginelli promovida por ácido de Lewis.

Contudo, mesmo diante de variais tentativas, não obtivemos nenhum resultado na preparação das DHPMs substituídas. Então, ao invés de isolar o aduto de Mannich e em seguida fazer a reação de Biginelli, pretendeu-se fazer uma sequência reacional dominó que consistiu na reação de Mannich multicomponente para obter inicialmente o aduto de Mannich, com excesso do aldeído, seguido da adição de acetoacetato de etila para realizar a reação de Biginelli multicomponente (Figura 79). [242] O intuito do excesso de aldeído servirá tanto para formar o imínio na reação de Mannich e deslocar o equilíbrio químico no sentido da formação de aduto de Mannich, quanto para a formação do intermediário carbenio obtido pela reação aldólica, catalisada por ácido, entre o acetoacetato de etila e o aldeído na reação de Biginelli.

Figura 80. Tentativa da preparação de DHPM por uma sequência reacional dominó.

Existem diversas variações da reação Biginelli amplamente usada, para geração de compostos bioativos. [80] [243] Assim, diante dos insucessos descritos anteriormente para a síntese das DHPMs, foi proposto a tentativa de duas modificações de Biginelli: a modificação de Pinner e de Atwal.

O método de Pinner foi realizado segundo a adaptação de Kaiser (1959) e de Ringom e colaboradores (2004) [244] [245] como mostra a Figura 80 abaixo.

Figura 81. Tentativa da preparação da pirimidina substituída pelo método de Pinner.

Para a realização desta reação foi adicionado o etanol após a sua destilação para remoção de toda sua água. Em seguida, foi adicionado o etóxido de sódio, o aduto de Mannich 50 e o acetato de etila 65. A mistura foi refluxada por 24h e o solvente foi rotaevaporado. O resíduo marrom foi dissolvido em água gelada em um banho de gelo e acidificado com HCl até pH entre 5 e 7 para formação de

cristais incolores. Assim, o produto obtido foi caracterizado e após observar o espectro de 1H, notou-se que o produto esperado não foi formado.

A variante mais significativa é conhecida como modificação Atwal (Figura 81), em que uma enona reage com ureia protegida ou derivada de tioureia na presença de bicarbonato de sódio para formação de uma primeira dihidropirimidina que é, então, convertida para a correspondente DHPM sob desproteção com ácido. [80][243]

Figura 82. Variante das reações de Biginelli: modificação Atwal. [80]

A preparação da enona foi realizada segundo a adaptação da metodologia de Swenson e colaboradores (2002). [246] A mistura do p-nitrobenzaldeído 45 e acetoacetato de etila 65, piperidina e ácido acético em tolueno foi mantida em aquecimento sob refluxo por duas horas com remoção azeotrópica de água usando o Dean-Stark. A mistura foi refrigerada e concentrada a vácuo e o resíduo foi purificado com uma coluna cromatográfica, utilizando como eluente hexano/acetato de etila/tolueno na proporção de 3:1:1 para obter um sólido alaranjado como produto de ponto de fusão de 68-70 ºC e 69% de rendimento.

O mecanismo da formação da enona foi sugerido pela primeira vez em 1973, por Sweet e Fissekis, [98]conhecido por mecanismo de Knoevenagel (Figura 82 ).

A proposta envolve a reação entre o aldeído e acetoacetato de etila via condensação aldólica.

Para obtenção do produto de Knoevenagel 66, um enolato é formado como intermediário inicialmente. Este enolato reage com o aldeído, e o aldol resultante sofre uma eliminação subsequente induzida pela base.

Figura 83. Mecanismo da reação de Knoevenagel para formação do composto 66.

A caracterização estrutural de 66 por infravermelho em pastilha de ATR mostrou bandas características em 3042 e 2998 cm-1 referente aos estiramentos das ligações C-H aromática e alifática. A banda em 1729 cm-1 referente ao estiramento das ligações O=C-O. Em 1661 mostrou uma banda característica da ligação C=O. Por fim, o estiramento da ligação N=O do p-nitrobenzaldeído é evidenciado em 1519 e 1344 cm-1(Figura 83).

Figura 84. Espectro de IV do composto 66.

O espectro de RMN de 1H da região alifática (Figura 84) do composto 66 mostrou os sinais característicos dos hidrogênios da metila ligada a um –CH2 em

1.24 ppm (H1). Ainda na região alifática, observam-se os hidrogênios

característicos de outra metila, mas, dessa vez ligada ao carbono da carbonila em 2.43 ppm (H3). O último sinal observado na região alifática foi o referente aos

Figura 85. Espectro de 1H da reagião alifática do composto 66.

Na região aromática, puderam-se observar os hidrogênios característicos do anel aromático proveniente do aldeído em 8.23 ppm (H7 e H8), em 7.58 ppm (H5 e

H6). Ainda na região aromática pode-se observar o hidrogênio ligado a dupla

Figura 86. Espectro de 1H da reagião aromática do composto 66.

Assim, após a preparação, purificação e caracterização do composto 66, foi realizada a reação de Atwal através da adaptação da metodologia de Atwal e colaboradores (1989) como mostra a Figura 86. [111]

Figura 87. Tentativa da preparação de DHPM através da reação de Atwal.

Mais uma vez, não foi obtido nenhum sucesso na preparação diidropirimidinona substituída. Então, algumas variações na reação de Atwal foram realizadas como mostrada na tabela 8 abaixo.

Tabela 8. Algumas alterações na metodologia de Atwal.

Entrada Solvente Base Resultado

1 CH3CN NaHCO3 X

2 DMF EtONa X

3 DMF CaH2 X

A primeira reação de Atwal realizada (Figura 86) apresentou um sólido cristalino amarelo após recristalização com etanol. Contudo, após a caracterização e elucidação do composto, foi observado no espectro de RMN de 1H que esse composto se tratava do aduto de Mannich utilizado como reagente. Assim, concluiu-se que o produto 66 proveniente da reação de Knoevenagel e o aduto de Mannich utilizado não reagiram para formar a DHPM substituída como era o esperado.

Desse modo, foram feitas algumas modificações na reação de Atwal, a fim de conseguir sintetizar a DHPM substituída. Na entrada 1 da Tabela 8 , modificou- se o solvente para acetonitrila (CH3CN) em vez da dimetilformamida (DMF), uma

vez que o uso da DMF requer várias extrações para remoção desse solvente do meio reacional, em contrapartida, a acetonitrila é um solvente que possui propriedade similares (constante dielétrica e momento dipolar) ao da dimetilformamida, porém, a sua remoção do meio reacional é mais simples e assim as várias etapas de extração são minimizados. Contudo o resultado obtido com a utilização da acetonitrila foi o mesmo ao da utilização do DMF, após a caracterização o espectro de 1H também mostrou que tratava-se do aduto de Mannich, reagente da reação.

Sabendo que o aduto de Mannich e o composto 66 da reação de Knoevenagel não reagiam, supõe-se que a base - o bicarbonato de sódio (NaHCO3) - poderia não ser forte o suficiente para desprotonar o aduto de Mannich

para dar inicio a reação. Assim foram testada duas bases, o etóxido de sódio (EtONa) e o hidreto de cálcio (CaH2). Ainda assim, o resultado foi o mesmo, e a

Por fim, sem nenhum sucesso, foi decidida a tentativa da síntese da DHPM substituída pela inversão da rota sintética. Para tal, foi realizada a reação de Biginelli comum com um ácido de Lewis como catalisador para obtenção da DHPM não substituída. Após, a DHPM isolada e caracterizada foi adicionada ao meio reacional com uma base para tentar uma possível abstração do (s) hidrogênio (s) ligado ao nitrogênio, e assim, aumentar a nucleofilicidade da DHPM para o ataque com o íon imínio. Concomitante a essa reação, em outro balão foi adicionado o aldeído e o catalisador e após alguns minutos adicionou-se uma amina aromática para formação do eletrófilo in situ, o íon imínio. Em seguida, esse íon imínio foi adicionado lentamente ao meio reacional que estava contido a DHPM já desprotonada para mais uma tentativa da formação da DHPM substituída como mostrado na Figura 87 abaixo.

Para realização da primeira etapa dessa rota sintética foi usada à metodologia de Boumoud e colaboradores (2013), onde é relatado a ação cooperativa da base de Lewis a DMAP (4-dimetilaminopiridina) com o ácido de Lewis, o FeCl3. Várias sínteses usando essa combinação têm sido relatadas e

provaram ser mais eficiente para formação do produto desejado. [232] [247]

Com uma compreensão mais profunda do mecanismo comumente aceito da reação de Biginelli [241], a utilização de ácido de Lewis e base de Lewis como catalisador podem ser trabalhadas em conjunto, numa única reação para ativar a formação dos intermediários. [238]

Assim a mistura do acetato de etila, p-nitrobenzaldeído e ureia em etanol foram aquecidos sob refluxo em presença de FeCl3/DMAP (20 mol %) até término

da reação indicado pela CCF. Após o termino da reação, a mistura obtida foi resfriada até à temperatura ambiente, e agitada em água gelada. O sólido formado foi filtrado e recristalizado com etanol a quente para obter-se o produto puro, um sólido amarelo cristalino com 89% de rendimento.

Um mecanismo proposto para a reação de condensação de Biginelli é apresentado na Figura 88. O intermediário imínio A, formada pela condensação da ureia 41 com o aldeído ativado 45, é estabilizado por FeCl3 através de uma ligação

coordenada, devido o seu orbital vazio. Já o DMAP abstrai o próton ácido do β- cetoéster 65 para obtenção do enolato B. Em seguida, ocorre a adição nucleofílica subsequente de B em A, seguido pela ciclização e desidratação para produzir o composto 67 através da reação de Biginelli.

Figura 89. Mecanismo proposto da reação de Biginelli catalisada por FeCl3/DMAP.

A caracterização estrutural de 67 por infravermelho em pastilha de ATR mostrou bandas características em 3225 e 3112 cm-1 característica da ligação N-H. Uma banda em 2976 cm-1 referente ao estiramento da ligação C-H aromática e alifática. A banda em 1700 cm-1 mostrou uma banda característica da ligação C=O. Em 1641 cm-1 referente ao estiramento das ligações O=C-O. O estiramento da ligação N=O do p-nitrobenzaldeído é evidenciado em 1517 e 1347 cm-1(Figura 89).

Figura 90. Espectro de IV do composto 67.

O espectro de RMN de 1H da região alifática (Figura 90) do composto 67 mostrou os sinais característicos dos hidrogênios da metila ligada a um C=C em 2.23 ppm (H8). Ainda na região alifática, observam-se os hidrogênios

característicos de outra metila ligada ao metileno em 1.06 ppm (H7). Os hidrogênios

do metileno foi observado em 3.95 ppm (H6). O último sinal observado na região

alifática foi o referente ao único hidrogênio ligado a um carbono secundário em 5.24 ppm (H5).

Figura 91. Espectro de 1H da reagião alifática do composto 67.

Na região aromática, puderam-se observar os hidrogênios característicos do anel aromático proveniente do aldeído em 8.19 ppm (H1 e H2), em 7.47 ppm (H3 e

H4). Ainda na região aromática pode-se observar os hidrogênios ligados ao