“FORMACION DE HIDANTOINAS” (Obtención de 5,5-difenilhidantoina) MANCILLA, C.G. E.; ALBARRÁN, A. D.; PERALTA, C. C. A. y PADILLA, M. B. S.Q.F.B.; VI Semestre: Universidad del Valle de México, Campus Chapultepec Laboratorio de Química Orgánica IV (Av. Constituyentes No. 151 Col. San Miguel Chapultepec. C.P. 11850 México, DF.) Resumen……………………………………………………………………………………1 Introducción………………………………………………………………………………...1 Objetivos…………………………………………………………………………………….3 PRÁCTICA # 1 Material……………………………………………………………………………………...3 Reactivos……………………………………………………………………………………3 “SÍNTESIS DE OXIRANO” Procedimiento……………………………………………………………………………..5 Diagramas de flujo……………………………………………………………….5 Resultados………………………………………………………………………………….6 Discusión de resultados…………………………………………………………………..7 Cuestionario………………………………………………………………………………..7 Conclusiones……………………………………………………………………………….7 Referencias…………………………………………………………………………………7 RESUMEN En esta práctica se da una breve introducción sobre las hidantoínas, sus métodos generales de obtención y su interés biológico y farmacéutico. Se realizo la obtención de la 5,5-difenilhidantoina a partir de ácido bencílico y urea en el cual uno de los hidrógenos está sustituido por un radical ácido y el otro por un radical alcohólico de la misma cadena, considerado como glucolilureidos. Con la ayuda del anhídrido acético y al final de la reacción con hidróxido de sodio para diluir el sólido formado y con HCl para precipitar el producto. INTRODUCCIÓN Métodos generales de obtención de hidantoinas Debido a las propiedades ácidas de las amidas, estas pueden reaccionar con un grupo cetona en presencia de una base para obtener compuestos denominados hidantoínas. Las hidantoínas pueden considerarse como derivados de la urea, en el cual uno de los hidrógenos está sustituido por un radical ácido y el otro por un radical alcohólico de la misma cadena, considerados como glucolilureidos. La importancia farmacológica de las hidantoínas radica en que tiene acción antiepiléptica o anticonvulsiva. La hidantoína, o imidazolidin-2,4-diona, se encuentra en el jugo de remolacha y puede preparase fácilmente a partir de aminoacetonitrilo y ácido cíanico, el producto inmediato de esta reacción cicliza con los ácidos La hidantoína puede sustituir a las acil-glicinas en la síntesis de amino y cetoácidos y la alantoína uno de sus derivados, esta relacionado con el ácido úrico.2 Fundamento químico de la reacción de obtención de hidantoinas y sus derivados La producción de D o L aminoácidos ópticamente puros mediante catalizadores enzimáticos a partir de mezclas racémicas de D,L-hidantoínas monosustituidas en el carbono 5 es un procedimiento más barato y técnicamente más sencillo que los métodos de síntesis química y quimioenzimática, además de ser menos contaminates. Dicho proceso ha recibido el nombre de -proceso de la hidantoinasa-. 1 http://fes.cuautitlan.2.unam.mx/organica/practicas3. qfb/htm 2 Acheson. Química Heterociclica. Pag: 383 1 En esta transformación enzimática, en primer lugar, el anillo de las hidantoínas D,L-5-sustituidas sintetizadas químicamente es hidrolizado por la enzima hidantoinasa. Posteriormente, la hidrólisis del Ncarbamil-aminoácido producido es llevada a cabo por la enzima N-carbamil-aminoácido amidohidrolasa (carbamilasa). En esta reacción se produce amoníaco, anhídrido carbónico y el aminoácido correspondiente. A la misma vez que la hidantoinasa hidroliza específicamente un isómero u otro de la hidantoína, comienza la racemización química o enzimática del otro isómero no hidrolizado. La producción de un enantiómero u otro del aminoácido depende de la estereoespecificidad de las enzimas con las que se trabaja. La racemización química de las hidantoínas se realiza en condiciones fuertemente alcalinas por tautomerismo ceto-enólico, y su velocidad depende de la electronegatividad del sustituyente del carbono 5. Los tiempos de racemización son muy elevados, lo que limita la obención de un 100% del Daminoácido ópticamente puro a un número muy pequeño de hidantoínas. Por tanto, la inmensa mayoría de D,L-hidantoínas sustituidas no racemizan espontáneamente a una velocidad adecuada, alargando y encareciendo la obtención de aminoácidos a partir de ellas. La velocidad de racemización de las hidantoínas se puede aumentar hasta hacerla rentable utilizando la acción catalítica de la enzima hidantoín racemasa. La utilización conjunta de esta enzima, la D-hidantoinasa y la D-carbamilasa, permite la transformación total de la hidantoína en Daminoácido. Evidenciada la enorme mejora del proceso de la hidantoína tras la incorporación de esta tercera enzima, en nuestro laboratorio se planteó la búsqueda de esta enzima en fuentes naturales, y la construcción de un sistema recombianate multienzimático para la conversión total de hidantoínas racémicas 5monosustituidas hasta D-aminoácidos ópticamente puros. 3 Procedimiento para la obtención de hidantoinas nsulfeniladas Cconsiste en hacer reaccionar un mol de hidantoínas de formula (II) con 1 a 3 moles cloruro de diclorofluorometansulfenilico de formula (III) en presencia de: un diluyente orgánico fuerte tal como tolueno, clorobenceno y otros; un aceptor de acido tal como aminas terciarias, a temperatura entre 0 y 100jc y a presión de 1 atmósfera, para obtener hidantoinas nsulfeniladas de formula (I), donde r es un resto alquilo, alquenilo, cicloalquilo y otros; r y r son iguales o diferentes y significan h, alquilo o alquenilo.tienen aplicación en la protección de materiales industriales contra la degradación microbial.4 Interés farmacéutico de las hidantoinas 5 El Compuesto de fórmula representada a continuación en forma racémica, enantiómera o todas las combinaciones de estas formas es un derivado de hidantoínas, pirimidintoínas y tioxopirimidonas , en la que: R1 representa un radical fenilo eventualmente sustituido, R2 representa H; R3 representa H o (CH2)pZ3; Z3 representa alquilo(C1-C12), alquenilo(C1-C12), cicloalquilo(C3-C8), un radical arilo carbocíclico o heterocíclico eventualmente sustituido, un radical heterocíclico no aromático eventualmente sustituido, un radical bis-arilalquilo o di-arilalquilo o también el radical R4 representa -(CH2)p-Z4; Z4 representa amino, alquilo(C1-C12), cicloalquilo(C3- C8), alquil(C1-C12)amino, N, N-di-alquil(C1-C12)- amino, aminocicloalquilo(C3-C6) , aminoalquil(C1- C6)cicloalquil(C3C6)alquilo(C1-C6) , aminoarilo carbocíclico o heterocíclico, alcoxi(C1-C12), alquenilo(C1-C12), -NC(O)O-alquilo(C1-C6) , un radical arilo carbocíclico o heterocíclico eventualmente sustituido, un radical heterocíclico no aromático eventualmente sustituido, bis-arilalquilo, di-arilalquilo; o una sal farmacéuticamente aceptable de dicho compuesto.6 5 3 http://www.cibernetia.com/tesis_es/QUIMICA/BIOQUI MICA/BIOSINTESIS/1 4 http://patentados.com/invento/procedimiento-para-laobtencion-de-hidantoinas-n-sulfeniladas.1.html http://132.248.103.112/organica/1521/1521_A.doc http://patentados.com/invento/derivados-de-hidantoinasde-tiohidantoinas-de-pirimidindionas-y-detioxopirimidinonas-sus-procedimientos-de-preparacion-ysu-utilizacion-como-medicamentos.html 6 2 O O NH2 N N NH2 OH HN NH FENITOÍNA: es el éster fosfato disódico de 3-hidroximetil-5-5 difenilhidantoína. Antiepileptico, anticonvulsivo. O N H Aminoácido HISTAMINA N H HISTIDINA Amina biógena derivada de la histidina. Vasodilatador. Aumenta la concentración de HCl en estómago. O N O2 N N N Ar O NH N H O METRONIDAZOL N H O ETOTOÍNA Antiepiléptico Antiparasitario, antibacteriano OH NIRVUNOL Hipnótico, sedante OBJETIVOS Efectuar la preparación de un anillo de cinco miembros con dos heteroátomos de nitrógeno en posición 1,3 Preparar 5,5-difenilhidantoina a partir de ácido bencílico y urea en presencia de anhídrido acético Revisar el interés biológico de las hidantoinas MATERIAL Pipeta de 10 mL graduada Agitador de vidrio Tela de alambre con asbesto Matraz erlenmeyer de 125 mL Büchner con alargadera Matraz erlenmeyer de 50 mL Recipiente de aluminio (baño María) Probeta de 25 mL Espátula, Vaso de precipitados de 100 mL Anillo metálico Recipiente de peltre Mechero de Bunsen con manguera Termómetro de 10 a 400°C Vidrio de reloj Embudo de vidrio (tallo corto) Kitasato 250 mL con manguera Pinzas de tres dedos con nuez Matraz pera de una boca Refrigerante p/agua c/mangueras Trampa de humedad, Vaso de precipitados de 250 mL Vaso de precipitados de 400 mL Algodón EQUIPO Balanza analítica Bomba de vacío Parrilla de calentamiento Aparato de fisher REACTIVOS CLORURO DE CALCIO (anhidro) Propiedades físicas: Punto de ebullición: 1935°C; Punto de fusión: 772°C; Densidad relativa (agua = 1): 2.16; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 74.5 Propiedades toxicológicas: Inhalación: Tos, dolor de garganta. Extracción localizada o protección respiratoria. Aire limpio, reposo; Piel: Piel seca, enrojecimiento. Guantes protectores. Quitar las ropas contaminadas, aclarar y lavar la piel con agua y jabón; • Ojos: Gafas de protección de seguridad. Enjuagar con agua abundante durante varios minutos (quitar las lentes de contacto si puede hacerse con facilidad) y proporcionar asistencia médica; Ingestión: Sensación de quemazón, náuseas, vómitos. No comer, ni beber, ni fumar durante el trabajo. Enjuagar la boca, dar a beber agua abundante, reposo. Propiedades químicas: La sustancia se descompone al calentarla intensamente a altas temperaturas y al arder, produciendo humos tóxicos y corrosivos. La disolución 3 en agua es una base débil. Ataca al cinc en presencia de agua, produciendo gas inflamable de hidrógeno. Se disuelve violentamente en el agua con liberación de gran cantidad de calor. CLORURO DE HIDROGENO (Acido clorhídrico, anhidro; Cloruro de hidrógeno, anhidro: HCl) Masa molecular: 36.5 ESTADO FISICO; ASPECTO: Gas licuado comprimido incoloro, de olor acre. PELIGROS FISICOS: El gas es más denso que el aire. PELIGROS QUIMICOS: La disolución en agua es un ácido fuerte, reacciona violentamente con bases y es corrosiva. Reacciona violentamente con oxidantes formado gas tóxico de cloro. En contacto con el aire desprende humos corrosivos de cloruro de hidrógeno. Ataca a muchos metales formando hidrógeno. VIAS DE EXPOSICION: La sustancia se puede absorber por inhalación. RIESGO DE INHALACION: Al producirse una pérdida de gas se alcanza muy rápidamente una concentración nociva de éste en el aire. TOXICIDAD: Corrosivo. La sustancia es corrosiva de los ojos, la piel y el tracto respiratorio. La inhalación de altas concentraciones del gas puede originar edema pulmonar (véanse Notas). Los efectos pueden aparecer de forma no inmediata. La sustancia puede afectar el pulmón, dando lugar a bronquitis crónica. La sustancia puede causar erosiones dentales. PROPIEDADES FÍSICAS: Punto de ebullición a 101.3 kPa: -85°C; Punto de fusión: -114°C; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 72; Solubilidad en agua: Elevada; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.3; Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 0.25 ETANOL (anhidro) (Alcohol etílico: CH3CH2OH/C2H5OH Masa molecular: 46.1 ESTADO FISICO; ASPECTO: Líquido incoloro, de olor característico. PELIGROS FISICOS: El vapor se mezcla bien con el aire, formándose fácilmente mezclas explosivas. PELIGROS QUIMICOS: Reacciona lentamente con hipoclorito cálcico, óxido de plata y amoníaco, originando peligro de incendio y explosión. Reacciona violentamente con oxidantes fuertes tales como, ácido nítrico o perclorato magnésico, originando peligro de incendio y explosión. VIAS DE EXPOSICION: La sustancia se puede absorber por inhalación del vapor y por ingestión. TOXICIDAD: Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar bastante lentamente una concentración nociva en el aire. La sustancia irrita los ojos. La inhalación de altas concentraciones del vapor puede originar irritación de los ojos y del tracto respiratorio. La sustancia puede causar efectos en el sistema nervioso central. El líquido desengrasa la piel. La sustancia puede afecta al tracto respiratorio superior y al sistema nervioso central, dando lugar a irritación, dolor de cabeza, fatiga y falta de concentración. La ingesta crónica de etanol puede causar cirrosis hepática. PROPIEDADES FÍSICAS: Punto de ebullición: 79°C; Punto de fusión: -117°C; Densidad relativa (agua = 1): 0.8; Solubilidad en agua: Miscible; Presión de vapor, kPa a 20°C: 5.8; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.6; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.03; Punto de inflamación: 13°C (c.c.); HIDROXIDO DE SODIO (Hidróxido sódico, Sosa cáustica, Sosa: NaOH; Masa molecular: 40.0g/mol) Propiedades físicas: Punto de ebullición: 1390°C; Punto de fusión: 318°C; Densidad relativa (agua = 1): 2.1; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 109; Presión de vapor, kPa a 739°C: 0.13 Propiedades toxicológicas: Inhalación: Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria, jadeo, dolor de garganta; Piel: Corrosivo. Quemaduras cutáneas graves, dolor; Ojos: Corrosivo. Dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves; Inhalación: Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria; Piel Corrosivo. Enrojecimiento, graves quemaduras cutáneas, dolor; Ojos: Corrosivo. Enrojecimiento, dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves; Ingestión: Corrosivo. Dolor abdominal, sensación de quemazón, diarrea, vómitos, colapso. Propiedades químicas: La sustancia es una base fuerte, reacciona violentamente con ácidos y es corrosiva en ambientes húmedos para metales tales como cinc, aluminio, estaño y plomo originando hidrógeno (combustible y explosivo). Ataca a algunas formas de plástico, de caucho y de recubrimientos. Absorbe rápidamente dióxido de carbono y agua del aire. Puede generar calor en contacto con la humedad o el agua. ACIDO BENCILICO Q.P Fórmula: C14H12O3 M.=228,25 CAS [76-93-7] Propiedades físicas y químicas: Aspecto: Sólido blanco. Olor: Inodoro. Punto de ebullición: 180°C Punto de fusión : 150°C. Solubilidad: Poco soluble en agua fría. Soluble en agua caliente. Información toxicológica: Efectos peligrosos para la salud: Por inhalación del polvo: Irritaciones en vias respiratorias. En contacto con la piel: Irritaciones. Por contacto ocular: Irritaciones. Por ingestión: Irritaciones en mucosas. Por absorción de grandes cantidades: trastornos gastro-intestinales No se descartan otras características peligrosas. Observar las precauciones habituales en el manejo de productos químicos.7 UREA Q.P. (Carbamida, Carbonildiamida, NH2CONH2/CH4N2O) Masa molecular: 60.1 ESTADO FISICO; ASPECTO: Cristales blancos, con olor característico. PELIGROS QUIMICOS: La sustancia se descompone al calentar intensamente por encima del punto de fusión, produciendo gases tóxicos. Propiedades físicas: Punto de fusión: 132.7-135°C. Densidad relativa (agua = 1): 1.32, Solubilidad en agua: miscible8 7 http://www.panreac.com/new/esp/fds/ESP/X15A67 4.htm 8 http://www.mtas.es/insht/ipcsnspn/nspn0595.htm 4 ANHIDRIDO ACETICO Oxido de acetilo Oxido acético C4H6O3/(CH3CO)2º Masa molecular: 102.1 ESTADO FISICO; ASPECTO: Líquido incoloro, muy móvil, de olor acre. PELIGROS QUIMICOS: La sustancia se descompone al calentarla intensamente, produciendo humos tóxicos y gases incluyendo acético. Reacciona violentamente con agua hirviendo, vapor de agua, oxidantes fuertes, alcoholes, aminas, bases fuertes y muchos otros compuestos. Ataca a muchos metales en presencia de agua. El líquido es muy corrosivo, especialmente en presencia de agua o humedad Propiedades físicas: Punto de ebullición: 139°C Punto de fusión: -73°C Densidad relativa (agua = 1): 1.08 Solubilidad en agua: Reacciona Presión de vapor, kPa a 20°C: 0.5 Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3.5 Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.01 Punto de inflamación: 49°C (c.c.)9 5,5 DIFENILHIDANTOINA (PRODUCTO) C15H12N2O2 masa molecular: 252.27 ASPECTO: color blanco, polvo finamente cristalizado, casi inodoro. Propiedades físicas: punto de fusión: 295-298ºC, insoluble en agua, solo en agua caliente e hidróxidos alcalinos. Densidad de amontonamiento: 400-450 Kg/m3. Temperatura de ignición: 550ºC 10 PROCEDIMIENTO En un matraz pera de dos bocas coloque 2.29 g de acido bencílico, 1.2 g de urea seca (nota1) y 2.25 g (2.1 mL) de anhídrido acético. En una de las bocas del matraz adapte el refrigerante de agua en posición de reflujo y a éste la trampa de humedad con cloruro de calcio anhidro, por la otra boca del matraz introduzca el termómetro sostenido por el portatermometro. Caliente con mechero a 105-110ºC. los reactivos se disuelven a esta temperatura y la reacción empieza vigorosamente. Cuando se calme continué el calentamiento a reflujo suave (115ºC) durante 1.5 horas (nota 2). Deje enfriar a temperatura ambiente y añada a la mezcla de reacción hidroxido de sodio al 10% hasta disolución del sólido formado, filtre cualquier residuo insoluble. Trate el filtrado con ácido clorhidrico concentrado hasta precipitación completa del producto, separe el sólido por filtración por vacío y lávelo 3 veces con 10 mL de agua fría cada vez. Recristalicelo de etanol y determine rendimiento. Notas: 1. la urea se seca en estufa a 60ºC durante dos horas 2. si durante el reflujo se observa que la mezcla de reaccion se seca, adicione un poco de anhídrido acético O C OH H2N RESULTADOS Reacción: H N O H2N (CH3CO)2O ∆ O N H + OH O DIAGRAMA DE FLUJO: 9 http://www.mtas.es/insht/ipcsnspn/nspn0209.htm 10 assets.chemportals.merck.de/documents/sds/emd/esp/es /8205/820534.pdf 5 Mecanismo: O O C OH + CH3 O C O O CCH3 O C H O O O C CH3 OH CCH3 O C O O H C O O CCH3 OH O C O -H+/+H+ O CCH3 O C OH CH3 O O CH3 O O H2N NH2 O O C O CH3 O C O O CNH2 O OH O C OH O C N H CH3 H O N H CH3 O CNH2 H CNH2 O O CCH3 OH + CH3 O -H+/+H+ C CH3 C O C O C O O O C C H N O CH3 O C N H O C O O O CNH2 CCH3 -H+/+H+ CH3 O C CH3 + CH 3 C O O Na H CH N O N H C O N N H H C O H N O H C N H O C CH3 6 CALCULOS 2.29 g =1.003 ×10 −2 mol →Re activoLimi tan te 228 .24 g / mol 1.2 g nurea = =1.9980 ×10 −2 mol 60 .06 g / mol 2.376 g n anhidridoa cetico = ( 2.2ml )(1.08 g / ml ) = = 2.3271 ×10 −2 mol 102 .9 g / mol 0.9903 g n producto = = 3.9256 ×10 −3 mol 252 .27 g / mol n acidobenci lico = %R = 3.9256 ×10 −3 mol ×100 = 39 .14 % 1.003 ×10 −2 mol DISCUSIÓN DE RESULTADOS Realizamos la obtención de la obtención de la 5,5difenilhidantoina a partir de ácido bencílico, urea y anhídrido acético en el cual uno de los hidrógenos está sustituido por un radical ácido y el otro por un radical alcohólico de la misma cadena. Se obtuvo un rendimiento a partir del reactivo limitante que fue el ácido benzóico de 39.14%, el cual fue muy poco, posiblemente ya que al adicionar el hidróxido de sodio sólo se utilizaron 20ml, lo cual fue muy poco a comparación de otros equipos que utilizaron más de este mismo y por lo que al solubilizarse se pudo obtener un poco más de producto. CUESTIONARIO una base para obtener compuestos denominados hidantoínas. Las hidantoínas pueden considerarse como derivados de la urea, en el cual uno de los hidrógenos está sustituido por un radical ácido y el otro por un radical alcohólico de la misma cadena, considerados como glicolilureidos. La importancia farmacológica de las hidantoínas radica en que tiene acción antiepiléptica o anticonvulsiva. Es por eso que su síntesis es importante y de mucha aplicación REFERENCIAS Manual de Quimica Orgánica IV, Heterociclica. Facultad de Química, UNAM p.p 155-161 http://fes.cuautitlan.2.unam.mx/organica/practicas3. qfb/htm Acheson. Química Heterociclica. Pag: 383 http://www.cibernetia.com/tesis_es/QUIMICA/BIOQ UIMICA/BIOSINTESIS/1 http://patentados.com/invento/procedimiento-parala-obtencion-de-hidantoinas-n-sulfeniladas.1.html http://132.248.103.112/organica/1521/1521_A.doc http://patentados.com/invento/derivados-dehidantoinas-de-tiohidantoinas-de-pirimidindionas-yde-tioxopirimidinonas-sus-procedimientos-depreparacion-y-su-utilizacion-comomedicamentos.html 1. 2. 3. 4. ¿Qué función desempeña el anhídrido en esta reacción? inicia la reacción, protonando al O. Explique la función del hidróxido de sodio al 10% en esta reacción. para neutralizar los H´s ácidos que se forman y asi precipitar el producto ¿Para que se coloca la trampa con cloruro de calcio anhidro? para atrapar las moléculas de agua (humedad) Cuando los volúmenes de disolventes a recuperar son pequeños ¿Qué sugiere hacer para abatir el costo de tratamiento de residuos? llevar el residuo a un pH neutro CONCLUSIONES Debido a las propiedades ácidas de las amidas, estas pueden reaccionar con grupo cetona en presencia de 7