Manual de Prácticas de Laboratorio de

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Manual de
Prácticas de
Laboratorio de
Síntesis de Fármacos
Dr. en C. Carlos Alberto Mata Munguía
Lic. en Químico Farmacobiólogo
Extracto del Reglamento de Laboratorios
de Química (D-CL-20) del Centro Universitario UTEG
Artículo 1.- El presente reglamento es obligatorio y de observancia general, tanto para
el personal como para los alumnos que conforman la comunidad universitaria UTEG, y
tiene por objeto regular el uso y conservación de los laboratorios y equipos
especializados en química, incluyendo a sus ramas disciplinarias, así como los
derechos y obligaciones de los usuarios y encargados de los mismos.
Artículo 3.- Para los efectos de este reglamento se entiende por:
a. Agente Infeccioso: microorganismo capaz de causar una enfermedad si se
reúnen las condiciones para ello y cuya presencia en un residuo lo hace
peligroso.
b. Laboratorio de Química: lugar habilitado con material e instrumentos
especializados para realizar investigaciones y experimentos de tipo científico, en
la materia de química incluyendo sus ramas disciplinarias.
c. Residuos Peligrosos: son aquellos que posean alguna de las características de
corrosividad, reactividad, explosividad, toxicidad, inflamabilidad, o que contengan
agentes infecciosos que les confieran peligrosidad, así como envases,
recipientes, embalajes y suelos que hayan sido contaminados cuando se
transfieran a otro sitio.
d. Residuos Peligroso Biológico-Infecciosos: aquellos clasificados como tales
en las Normas Oficiales Mexicanas, como la sangre, sus componentes y
derivados; cultivos y cepas almacenadas de agentes infecciosos; desechos
patológicos como tejidos, órganos, cadáveres y partes de animales; muestras
biológicas para análisis químico, microbiológico, citológico e histológico,
excluyendo orina y excremento; residuos no anatómicos como materiales de
curación que contengan algún tipo de líquido corporal y derivados de los
laboratorios; y objetos punzocortantes contaminados y no contaminados
(lancetas, jeringas, porta y cubreobjetos, navajas de bisturí).
e. Usuario: toda persona miembro de la comunidad universitaria UTEG, sea
personal académico, alumnos y trabajadores administrativos, que utilice o haga
uso de los laboratorios de química.
Artículo 6.- Toda persona que haga uso de los laboratorios deberá registrar su ingreso
en las bitácoras correspondientes que, para el efecto de registro, posea el centro
universitario, anotando su nombre, matricula o número de empleado y firma.
Artículo 7.- Todas las prácticas y/o experimentos que se realicen en los laboratorios
deberán estar supervisados por el docente de la asignatura correspondiente.
III
Artículo 8.- Los usuarios deberán portar, al ingresar a los laboratorios, el siguiente
atuendo:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
i.
j.
k.
Bata blanca de manga larga abotonada, con el logo de la institución.
Lentes de seguridad.
Paño o franela para limpiar su área de trabajo.
No usar lentes de contacto, quienes necesiten lentes correctivos deberán portar
anteojos.
Calzado cerrado, de piso, no de tela y suela antiderrapante (el zapato deberá
cubrir completamente el empeine; no se permitirá la entrada con zapato abierto o
semicerrado, con o sin calcetines).
Pantalón largo de mezclilla o gabardina de algodón. No se permite la entrada con
pantalón corto, faldas, blusas escotadas o de tirantes.
Cabello recogido (en el laboratorio que se requiera portar cofia).
Uñas cortas y limpias, sin esmalte.
No accesorios como aretes, anillos, cadenas, pulseras, esclavas y/o relojes.
Portar guantes de látex y cubre bocas (bajo indicación del docente, de acuerdo al
tipo de práctica y de laboratorio).
Mujeres sin maquillaje, de acuerdo al tipo de práctica y de laboratorio, bajo la
indicación del docente.
Asimismo, es obligatorio llevar a cabo la técnica de lavado de manos indicada por los
docentes al iniciar y al terminar la práctica.
Artículo 9.- El docente deberá identificar los riesgos específicos de cada práctica e
indicar las medidas y procedimientos de seguridad adecuados para su realización, en
especial si el alumno pudiera estar expuesto a situaciones de peligro o riesgo, con
sustancias peligrosas por el tipo de sus características explosivas, volátiles, corrosivas,
reactivas, tóxicas, inflamables o infeccionas.
Artículo 11.- Durante el desarrollo de las prácticas en los laboratorios, los docentes a
cargo son responsables directos del correcto uso de las instalaciones, material, equipo,
reactivos y sustancias, siendo su obligación reportar cualquier irregularidad descubierta
en los mismos, notificando por escrito de inmediato al personal a cargo de los
laboratorios, así como de los eventuales infractores en su caso.
Artículo 12.- El docente que utilice los laboratorios deberá permanecer en los mismos
hasta que concluya la práctica, siendo responsable de proporcionar una asesoría
adecuada y de calidad a los alumnos durante su desarrollo, así como del
comportamiento de los alumnos.
Artículo 13.- Los alumnos son responsables del material y equipo de los laboratorios
que empleen durante las prácticas. En caso de falla o desperfecto en los equipos,
deberán reportarlo de inmediato al docente a cargo de la práctica y/o al Técnico
Laboratorista y/o Coordinador de Laboratorios. Para el caso de que algún alumno
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rompa de manera accidental o intencionada el material o instrumentos del laboratorio,
deberá reponerlo en la misma calidad, cantidad y de la misma marca que el que le fue
entregado.
Artículo 14.- Son obligaciones de los usuarios de los Laboratorios de Química, las
siguientes:
a. Asistir con puntualidad a las prácticas.
b. Permanecer en orden y guardar silencio.
c. Abstenerse de jugar, correr, hacer bromas y emplear lenguaje inadecuado dentro
de las instalaciones.
d. Realizar el lavado de manos indicado por el docente antes de iniciar la práctica.
e. Atender a las indicaciones de vestimenta y atuendo indispensable para asistir a
las prácticas.
f. Acatar a la brevedad las indicaciones del docente o encargado del laboratorio y/o
técnico auxiliar de laboratorio.
g. Hacer un uso adecuado de las instalaciones, equipo, materiales, sustancias y/o
reactivos.
h. Respetar los horarios y condiciones de uso de los laboratorios y sus equipos
especializados.
i. Revisar con antelación al desarrollo de la práctica, en el manual correspondiente,
el material necesario para su realización, solicitado por el docente y/o técnico y/o
encargado de laboratorio, ya que sin él no podrán realizarla, ni ingresar al
laboratorio, sin excepción.
j. Atender a las indicaciones del docente y/o técnico y/o encargado de laboratorio,
para la disposición final de las sustancias y reactivos empleados durante las
prácticas.
k. Localizar el equipo de seguridad para que, en cualquier contingencia, puedan
operarlo.
l. Usar solamente equipo que se encuentre en buenas condiciones y reportar
cualquier desperfecto de inmediato a su docente y/o encargado de laboratorio.
m. Guardar su material limpio, seco y completo en la gaveta asignada para tal
efecto.
n. Una vez concluida la actividad dentro del laboratorio, dejar en perfecto orden el
entorno en el cual estuvo trabajando; apagar y entregar equipos y materiales,
limpiar las mesas de trabajo, acomodar las bancas o sillas; retirar y limpiar los
papeles y elementos utilizados, y reportar cualquier falla del equipo.
Artículo 15.- Los alumnos tienen la posibilidad de alquilar en la dirección administrativa
del plantel, un lócker al inicio de cada ciclo escolar, para el efecto de que guarden sus
objetos personales durante las prácticas de laboratorio; en caso contrario, los alumnos
no podrán dejar sus pertenencias en los pasillos, aulas o dentro del laboratorio, y la
institución no se hace responsable de los daños que puedan sufrir.
V
Artículo 16.-El alumno deberá leer cuidadosamente las etiquetas de los reactivos; en
caso de accidente, deberá actuar con calma y reportar inmediatamente lo sucedido al
docente y/o técnico y/o encargado de laboratorio.
Artículo 17.- Los alumnos deberán observar los cuidados necesarios para el manejo de
los equipos utilizados en la práctica y leer previamente el instructivo de trabajo, el cual
se encontrará al lado del equipo. Cualquier duda al respecto deberá consultarla con el
encargado y/o técnico del laboratorio y/o docente.
Artículo 25.- Para poder ingresar a los laboratorios, el alumno deberá portar el atuendo
establecido en el presente reglamento, en caso contrario, será facultad del Docente y/o
encargado y/o técnico de laboratorio, restringirle el acceso al mismo; de igual manera,
deberá asistir con puntualidad en las horas programadas para la práctica.
Se nombrará lista de asistencia 10 diez minutos después de la hora señalada para la
práctica, después de lo cual no se permitirá el acceso o salida a ningún alumno; sin
excepción.
Artículo 26.- Se dará una tolerancia de sólo 5 cinco minutos para desocupar las
instalaciones, una vez concluido el horario designado. La ausencia de un docente o
grupo de alumnos en el horario posterior al que le corresponde, no da derecho a seguir
ocupando los laboratorios. Ante la omisión reiterada en el cumplimiento de este artículo
(dos o más veces), se podrá negar una nueva reservación, a criterio del Director
Académico.
Artículo 28.- El docente deberá respetar las fechas y número de prácticas establecidas
por él mismo en el programa de prácticas del laboratorio. Si el docente planea realizar
una práctica diferente a la programada, deberá notificar con preferencia 3 tres días de
anticipación para evitar el gasto innecesario de reactivos y/o uso de equipos. Ante la
omisión reiterada en el cumplimiento de este artículo (dos o más veces), se podrá negar
una nueva reservación, a criterio del Director Académico.
Artículo 29.- El usuario conservará y mantendrá el orden y limpieza de las
instalaciones y equipos de los laboratorios de química. Si el laboratorio se encuentra
sucio antes de empezar la sesión, el usuario deberá reportarlo al encargado y/o técnico
en turno; en caso de no recibir respuesta favorable, se deberá reportar a la Dirección
Académica.
Artículo 30.- Al inicio de cada semestre los alumnos deberán agruparse por equipos o
mesas de laboratorio para realizar las prácticas que les corresponda durante todo el
ciclo escolar, nombrando un representante. El docente y/o encargado y/o técnico de
laboratorio les entregará por equipo o mesa el material que requerirán a lo largo del
semestre, firmando el responsable del equipo, mismo que deberán guardar en la gaveta
VI
que les corresponda. Al final del semestre, el material deberá ser devuelto íntegro, de lo
contrario le será condicionada la reinscripción al equipo completo.
Existe material que no debe reusarse por la naturaleza de las muestras que se manejan
(como portaobjetos, cubreobjetos), este material deberá desecharse en su contenedor
correspondiente y el alumno deberá reponerlo en la práctica inmediata posterior en que
fue desechado.
Artículo 31.- Al inicio de cada práctica el alumno deberá solicitar al docente y/o
encargado y/o técnico de laboratorio la llave de la gaveta donde se encuentra su
material, para poder emplear el requerido durante la práctica; al final de la misma el
material deberá ser devuelto completamente limpio y seco. En caso de que éste sufra
algún desperfecto, deberá reportarlo al docente y/o encargado del laboratorio, de lo
contrario, asumirá la responsabilidad correspondiente.
Artículo 32.- Por ningún motivo el alumno deberá tratar de abrir o reparar el material o
equipo del laboratorio por sí mismo. Cualquier falla en el equipo o material deberá ser
reportada al docente o técnico y/o encargado del laboratorio.
Artículo 33.- El material y/o equipo utilizado debe ser devuelto en las condiciones que
fue prestado. Por tal motivo, en caso de que el usuario dañe el equipo y/o material a su
cargo de manera accidental o intencional, deberá reponerlo en la práctica inmediata
posterior por uno igual en marca y características. En caso contrario, se le negará el
servicio por tiempo indefinido y se levantará el acta correspondiente, ajeno a la sanción
que le corresponda de acuerdo al Reglamento de Alumnos.
En el caso de docentes y/o técnicos laboratoristas que dañen algún equipo o material,
se valorará el por parte de Coordinación de Laboratorios y la Dirección Académica; en
caso de que tengan que pagar o reponer el material esto se puede hacer mediante un
descuento vía nómina previo Vo. Bo. del departamento de Recursos Humanos.
Artículo 34.- Para el caso de que el laboratorio no cuente con las muestras necesarias
para el desarrollo de la práctica, el docente deberá solicitarlas a sus alumnos con
anticipación.
Artículo 38.- Se debe conservar siempre limpia la mesa de trabajo al inicio, durante y al
finalizar cada práctica; depositar toda la basura en los cestos correspondientes.
Los vertederos deberán estar siempre libres de residuos, no se deberán arrojar cuerpos
sólidos ni papeles.
Artículo 44.- Queda estrictamente prohibido a los usuarios lo siguiente:
VII
a. Mascar chicle, introducir y consumir bebidas, alimentos, cigarrillos o cualquier
tipo de golosina dentro del área de laboratorios.
b. El uso de lentes oscuros, gorras, audífonos, teléfonos celulares, reproductor de
música o video; videojuegos o cualquier equipo electrónico de entretenimiento o
comunicación no permitido durante el uso de los laboratorios.
c. El uso de sandalias, bermudas, pantalones cortos, cabello largo suelto,
accesorios prominentes y corbata.
d. Ingresar al laboratorio, tanto alumnos como docentes, sin bata de marga larga o
con una bata diferente a la reglamentaria.
e. El desorden y ruidos fuera de lo normal, dentro y fuera de los laboratorios; en
todo caso los usuarios deberán esperar para su ingreso en el perímetro de
acceso a que llegue su docente.
f. La entrada a personas ajenas a la comunidad Universitaria UTEG.
g. Correr, jugar, hacer bromas o acciones que pongan el peligro su seguridad y la
de sus compañeros.
h. Ingresar a los laboratorios si no está presente el docente o encargado de
laboratorio.
i. Utilizar computadora durante la clase, excepto si se requiere para exponer algún
tema.
j. Introducirse objetos en la boca.
k. Hacer uso del equipo de seguridad y/o salida de emergencia cuando no sea
necesario.
l. Mezclar sustancias y reactivos sin la debida autorización del docente o
encargado de laboratorio.
m. Hacer un uso incorrecto del mobiliario, equipos, instalaciones, sustancias o
reactivos de los laboratorios.
n. Proferir palabras altisonantes u ofensivas entre los alumnos, docentes, técnicos
y/o encargados de laboratorio.
o. Las demás que sean establecidas por el docente, encargado y/o técnico o
Director Académico, para garantizar el buen funcionamiento y conservación de
los equipos y laboratorios de química.
Artículo 45.- Ningún alumno podrá permanecer en el recinto de los laboratorios en
ausencia de sus docentes o del responsable de laboratorio, ni portando una bata ajena
a la reglamentaria.
Ningún docente podrá permanecer en los laboratorios fuera de su programa de
prácticas sin la autorización del encargado de laboratorio y/o Director Académico de la
carrera y/o portando bata ajena a la reglamentaria.
Artículo 46.- En caso de incumplimiento a los lineamientos establecidos en el presente
reglamento, podrán ser aplicadas por el encargado o personal responsable del
laboratorio, el docente, el Director Académico y/o Administrativo, según sea el caso, sin
perjuicio de exigir la reparación de los daños ocasionados, las siguientes sanciones:
a. Amonestación verbal o escrita.
VIII
b. Retención de credenciales.
c. Suspensión del servicio.
d. Las sanciones establecidas en el reglamento que por su relación con el Centro
Universitario le correspondan.
Artículo 47.- El alumno debe comportarse adecuadamente dentro de las instalaciones
del laboratorio, hacer uso apropiado del lenguaje oral y escrito, respetar a sus
profesores y compañeros de clase técnicos y/o encargados de laboratorio; en caso
contrario se le suspenderá el servicio temporalmente o en casos graves
indefinidamente, a criterio del docente o del encargado y/o técnico del laboratorio,
previo el aval de Dirección Académica.
Artículo 48.- Los alumnos que incumplan con las disposiciones contenidas en el
presente reglamento, deberán ser reportados por el docente y/o encargado y/o técnico
de laboratorio al Director Académico que corresponda, para que con base en el
Procedimiento de Determinación de Responsabilidad y Aplicación de Sanciones
establecido en el Reglamento de Alumnos, se determine la sanción que le corresponda
de acuerdo a la gravedad de la infracción y se glose copia del acta respectiva al
expediente del alumno.
Artículo 49.- Los docentes y técnicos y/o encargados de laboratorios que incumplan las
obligaciones que este reglamento les confiere, podrán ser sancionados con base en la
gravedad de la infracción, de acuerdo al Reglamento de Docentes o Interior de Trabajo,
según corresponda.
Artículo 50.- Los casos no previstos en este Reglamento serán solucionados por el
encargado o técnico del laboratorio, o por el Director Académico en su caso, atendiendo
a los intereses de la comunidad y teniendo a la vista el cumplimiento de las finalidades
que son propias del servicio de los laboratorios de Química del Centro Universitario.
El presente reglamento fue modificado a petición del Director Académico de la
Licenciatura en Químico Farmacobiólogo durante revisión oficiosa R03/0114 en el mes
de enero de 2014; en virtud de lo anterior se deberá entender que subsiste el contenido
en todas sus partes del presente reglamento, en lo que ve a aquellas disposiciones que
no fueron modificadas. Estas reformas entrarán en vigor a partir del mes de enero de
2014, previa autorización del Director del Macroproceso correspondiente.
TABLA DE MODIFICACIONES
REVISIÓN
FECHA APROBACIÓN
MODIFICACIONES
R02
Enero de 2013
Artículo 4, 8 inciso e) y f) y 18.
R03
Enero de 2014
Art 13, 21 y 23.
IX
Contenido
Introducción, 3
Práctica Nº 1. Análisis estructural de complejos fármaco-receptor. Síntesis in silico de
fármacos, 3
Práctica Nº 2. Fármacos heterocíclicos. Síntesis aldólica de la flavona 2-fenil-4hcromen-4-ona, 9
Práctica Nº 3. Grupos protectores. Síntesis de sulfanilamida, 15
Práctica Nº 4. Acaricida veterinario. Síntesis de amitraz vía formación de iminas, 23
Práctica Nº 5. SNAc. Síntesis de fenacemida por sustitución nucleofílica acílica, 34
Práctica Nº 6. Precursores farmacéuticos. Síntesis de cloro-2,6-dimetilacetanilida, 35
Práctica Nº 7. Anestésicos locales. Síntesis de lidocaína, 41
Práctica Nº 8. Síntesis de pargilina por sustitución nucleofílica. Efecto del disolvente, 47
Práctica Nº 9. Reacción de Mannich. Síntesis de tolperisona, 53
Práctica Nº 10. Resolución diastereomérica de una mezcla racémica. Ibuprofeno
racémico, 59
Práctica Nº 11. Síntesis de acetaminofén por N-acilación, 65
Práctica Nº 12. Biopolímeros: preparación de micropartículas de
quitosano/caseína/fármaco, 73
Bibliografía, 79
Anexo 1. Almacenamiento de productos químicos, 85
Anexo 2. Cómo efectuar el proceso de desactivación de un residuo químico, 87
Anexo 3. Riesgos específicos (frases ‘R’), 91
Anexo 4. Instrucciones operativas (frases ‘S’), 95
Anexo 5. Los pictogramas y símbolos de seguridad, 93
Anexo 6. Compuestos químicos utilizados en la parte experimental, 95
Introducción
Muchos fármacos son el producto total de síntesis o semisíntesis químicas por la
modificación de productos naturales. La estructura del fármaco define si éste es
accesible por métodos de síntesis u obtenido de sustratos naturales.
Las estructuras complejas son difícilmente sintetizadas en un laboratorio, debido
al gran número de reacciones necesarias para obtenerlas y por la obtención de
subproductos que merman el rendimiento. Así, los fármacos de estructura compleja son
sintetizados con fines académicos, pero no comerciales. Por ello, antes de decidir qué
sintetizar, el estudiante debe comprender los límites de su complejidad estructural.
Algunos factores que nos permiten percibir dicha complejidad son: a) el número
de centros estereogénicos; b) presencia de estructuras anulares; c) asimetría;
d) impedimento estérico, y e) reactividad de grupos funcionales. Sin embargo, para
superar tales retos se cuenta con un arsenal de metodologías que permite la síntesis de
fármacos de estructura muy compleja. Esto incluye la utilización de grupos protectores,
auxiliares quirales, catálisis enzimática, compuestos organometálicos, procesos
biotecnológicos, entre otros.
Este manual tiene como objetivo introducir al estudiante de las ciencias
farmacéuticas en la síntesis de fármacos de estructura simple. La mayoría de los
procesos químicos implica reacciones orgánicas de un solo paso, por lo que el grado de
complejidad es mínimo en muchos de los casos, pero implican medidas de precaución
muy importantes.
En la Práctica Nº 1, el objetivo es aprender a analizar estructuralmente los
complejos fármaco-receptor que se dispone en las bases de datos bioinformáticas. Esto
es imprescindible en el diseño moderno de fármacos, ya que muchos de ellos parten de
análogos estructurales previamente caracterizados. Prácticamente, la síntesis in silico
de moléculas con actividad biológica ayuda a la selección experimental de potenciales
fármacos.
La Práctica Nº 2 nos introduce en el vasto mundo heterocíclico. La presencia
ubicua de estas estructuras anulares en el ambiente biológico da cuenta de la
importancia de los heterociclos para la vida. Entre los múltiples métodos de síntesis se
eligió una condensación aldólica, proceso imprescindible en química orgánica para la
formación de enlaces C-C.
La Práctica Nº 3 nos muestra la importancia de los grupos protectores en los
métodos de síntesis que implican varias etapas o medios de reacción inestables. Los
fármacos veterinarios son muy importantes en la higiene y el tratamiento de zoonosis;
muchos de ellos son fármacos inespecíficos de estructura simple, accesibles a los
procesos de síntesis química en el nivel académico.
En la Práctica Nº 4 se obtiene amitraz con la formación de iminas a partir de
precursores aromáticos.
Una reacción fundamental en la bioquímica y en los procesos de síntesis química
es la sustitución nucleofílica acílica (SNAc). En la Práctica Nº 5 se obtiene fenacemida
por medio de dicha reacción.
1
La obtención de precursores químicos es fundamental en síntesis química. En la
Práctica Nº 6 se obtiene cloro-2,6-dimetilacetanilida, precursor en la síntesis de
lidocaína (Práctica Nº 7). En la Práctica Nº 8, la sustitución nucleofílica puede ocurrir uni
o bimolecularmente; el efecto del disolvente es un factor importante para determinar
selectivamente la formación de los productos en este tipo de reacciones.
En la Práctica Nº 9, la reacción de Mannich nos sirve para la obtención de
tolperisona, un relajante muscular.
La décima Práctica nos introduce al mundo multidimensional de la síntesis
asimétrica. El rendimiento enantiomérico es controlado con la introducción de auxiliares
quirales. Experimentalmente, se resolverá una mezcla racémica de dl-ibuprofeno,
fármaco ópticamente activo.
Como penúltima síntesis se obtendrá acetaminofén, un fármaco de estructura
sencilla ampliamente comercializado.
La Práctica Nº 12 concluye este manual con la síntesis de un biopolímero
utilizado con fines terapéuticos; cuyo objetivo es preparar micropartículas de quitosanocaseína como vehículo de liberación controlada para un antibiótico.
Es necesario recalcar que muchas veces el interés en síntesis química se centra
particularmente en aquellos agentes químicos con efectos biológicos placenteros y que
pudieran utilizarse con fines perjudiciales (droga), por lo que se suplica a los químicos
evocar el código de ética antes de ir más allá de la síntesis de fármacos y asumir la
responsabilidad social del conocimiento aplicado. No obstante, la reciente aprobación
médica de sustancias naturales con usos terapéuticos alternativos, genera que muchos
de los principios activos contenidos en ellas sean blanco de posteriores procesos de
separación o semisíntesis química.
En cuestión de seguridad, el estudiante debe entender la importancia de las
reglas del laboratorio, el significado de los pictogramas y los símbolos de seguridad (ver
ANEXOS 1-4), ya que esta información debe tenerse en cuenta durante toda la práctica,
a fin de salvaguardar su integridad y la de sus compañeros. Respecto a esto, el manual
tiene varios anexos que hacen referencia a la seguridad y al cuidado que se debe tener
al entrar al laboratorio de química farmacéutica. Dichos anexos orientan sobre el
almacenamiento de productos químicos, así como de los procesos de desactivación de
un residuo químico; y hacen referencia a los riesgos específicos (frases ‘R’) e
instrucciones operativas (frases ‘S’) comunes en la práctica química.
Finalizo haciendo énfasis en procurar que toda sustancia sintetizada durante el
presente curso experimental de química, cumpla un propósito en la enseñanza y
formación académica del químico farmacéutico.
Dr. en C. Carlos A. Mata Munguía
Agosto de 2014.
2
Práctica Nº 1
Análisis estructural de complejos
fármaco-receptor. Síntesis in silico de fármacos
La creación racional de nuevas entidades químicas con acción biológica, implica un
conocimiento del entorno biológico y molecular. Los fármacos específicos ejercen su
acción por reconocer receptores particulares en el organismo. La estimulación o
inhibición de estos receptores es el paso inicial del efecto farmacológico
desencadenado por agonistas o antagonistas, respectivamente.
En la práctica moderna, el diseño estructural de fármacos se basa en la relación
estructura-actividad entre fármacos y receptores fisiológicos ya conocidos. Esta relación
depende en gran medida de la afinidad, la cual se da por la complementariedad química
entre las moléculas. Los antagonistas se caracterizan por una alta afinidad hacia sus
receptores, lo que les permite bloquear o impedir su funcionamiento. Contrario a esto, la
naturaleza de los agonistas, tanto naturales como sintéticos, implica poca afinidad por
su receptor pero una alta capacidad (eficacia) para estimularlo, lo que les permite
desencadenar una respuesta fisiológica.
En el campo de la biofarmacia, la conformación estructural de enzimas, vacunas,
hormonas, anticuerpos o citosinas, determina su capacidad funcional en el ambiente
biológico. Los errores en el plegamiento de estas moléculas pueden derivar en la
pérdida de su actividad farmacológica, mientras que interacciones bien definidas,
mejorarla. Mucha de esta información está disponible en bases de datos bioinformáticas
de acceso público.
Experimentalmente, la estructura de los biofármacos y complejos fármacoreceptor son obtenidos por cristalografía de rayos X de alta resolución y dispuestos en
bases de datos públicas como el Protein Data Bank (PDB); mientras que las secuencias
de ácidos nucleicos y proteínas en el DNA Data Bank of Japan (DDBJ), el Centro
Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) y en el European Molecular Biology
Laboratory - European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI).
La mayoría de la información tóxico y farmacológica se dispone en las bases de
datos quimioinformáticas (ver TABLA 1.1). Dichas bases de datos son de acceso libre,
con el fin de optimar la investigación química y farmacológica de sustancias nuevas o
conocidas. Ejemplo de ellas son el DrugBank, ChEBI, PDBeChem y PubChem.
Además, la diversidad de fuentes científicas en el área farmacéutica se extiende a los
vademécum, PLM, enciclopedias y libros con versiones electrónicas accesibles por
medio de Internet.
3
Tabla 1.1. Bases de datos bio y quimioinformáticas de interés farmacéutico.
Base de
datos
DrugBank
ChEBI
PDBeChem
PubChem
PDB
DDBJ
NCBI
EMBL-EBI
Comentario
Link
Banco de drogas con orientación
quimioinformática.
Biblioteca electrónica de entidades químicas con
interés biológico.
http://www.drugbank.ca/
http://www.ebi.ac.uk/chebi/
Diccionario de componentes químicos del PDB.
Biblioteca con información sobre las actividades
biológicas de las moléculas pequeñas.
Información estructural de complejos fármacoreceptor.
El DNA Data Bank of Japan, recopila y dispone
públicamente secuencias nucleotídicas de interés
biológico.
El Centro Nacional de Información sobre
Biotecnología permite el acceso a la información
biomédica y genómica.
Proporciona datos sobre los experimentos
efectuados en el área químico-biológica.
http://www.ebi.ac.uk/pdbesrv/
pdbechem/
http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
search/search.cgi
http://www.rcsb.org/pdb/home/
home.do
http://www.ddbj.nig.ac.jp/
index-e.html
http://www.ncbi.nlm.nih.gov
https://www.ebi.ac.uk
En los últimos años, el diseño de fármacos se fundamenta sobre el análisis molecular
del complejo fármaco-receptor. La información obtenida de estos procesos se
complementa con la médico-biológica para elucidar los mecanismos de acción
farmacológicos y el diseño de nuevos fármacos. Un paso interesante en el estudio de
nuevas entidades químicas con potencial efecto terapéutico es acoplarlas in silico con
los receptores conocidos o modificados estructuralmente, donde receptores con
mutaciones estructurales pueden ser modelados con algoritmos computacionales.
Estas aplicaciones infieren el plegamiento de los receptores farmacológicos con base
en sus propiedades moleculares. En la FIGURA 1, se esquematizan las técnicas in silico
utilizadas para el modelaje y acoplamiento de proteínas y fármacos. Estas
metodologías se han aplicado en diversos ámbitos biomédicos, por ejemplo, en el
diagnóstico y análisis estructural de la resistencia del virus de la inmunodeficiencia
humana (VIH-1) hacia la terapia antirretroviral.
4
Proteína
Proteínas modificadas
Modelaje estructural: permite la obtención de estructuras complejas
Potenciales fármacos
Unión proteína‐proteína o proteína‐fármaco
Acoplamiento molecular: predice cómo pequeñas moléculas se unen a una proteína
Sistema de visualización : permiten analizar el ambiente molecular.
Figura 1.1 Diagrama que ilustra las herramientas in silico utilizadas en el estudio
molecular de proteínas y fármacos.
En años recientes se han desarrollado visualizadores moleculares más amigables y de
acceso público. Los sistemas gráficos de visualización molecular permiten inferir
interacciones fisicoquímicas en los complejos ligando-receptor con mayor exactitud. En
la síntesis de fármacos esto tiene gran implicación, ya que nos permite evaluar qué tipo
de interacciones hay entre el fármaco y el receptor, lo cual contribuye a caracterizar los
grupos funcionales que determinan el farmacóforo y el dominio del enlace en dichos
complejos.
Objetivo general
9 Analizar estructuralmente la interacción en un complejo fármaco-receptor.
Objetivos particulares
•
•
•
•
Manejar bases de datos bioinformáticas.
Utilizar herramientas computacionales para el diseño y análisis de fármacos.
Visualizar complejos fármaco-receptor a partir de información estructural obtenida
de la web.
Determinar el farmacóforo y el dominio de enlace en un complejo fármaco-receptor.
5
Recursos
Material /
base de datos
• DrugBank.
• PDBeChem.
• PubChem.
• PDB.
• NCBI.
Reactivos / software
Equipos
• ChemSketch.
• Swiss-Model.
• PyMOL.
• Computadora con acceso a Internet.
Procedimiento
1. Bajar de Internet las versiones libres del siguiente software:
• ACD/Freeware. Es un paquete de dibujo que le permite diseñar estructuras
químicas que incluyen compuestos orgánicos, organometálicos, polímeros y
estructuras Markush. El software MarvinSketch es la alternativa para Mac OS X.
http://www.acdlabs.com/account/register.php?redirect=/resources/freeware/
download.php
• PyMOL. Es un sistema de visualización molecular gestionado por el usuario en
una base de código abierto. http://PyMOL.org/edu/
2. Dibujar la estructura de tres fármacos con distinto receptor en el ChemSketch
(Windows) o MarvinSketch (Mac).
3. Buscar dos análogos estructurales de uno de ellos con la herramienta ChemQuery
dispuesta en el DrugBank. ChemQuery permite dibujar o escribir SMILES de un
compuesto químico y buscar en el DrugBank los productos químicos similares o
idénticos al compuesto de la consulta con base en un índice de similaridad
estructural. Describir las propiedades moleculares de ellos en la TABLA 1.2.
4. Buscar la estructura de un complejo fármaco-receptor en el PDB y bajar el archivo
electrónico en formato *.PDB, anotando la clave de cuatro dígitos.
5. Visualizar con PyMOL el archivo anterior e identificar el dominio de enlace en el
receptor (los aminoácidos más cercanos al fármaco). Anotar tipo y posición de los
AA en la TABLA 1.3.
A. Para ello, debe visualizar la secuencia primaria de la proteína:
Menu Display- Comando: Sequence On.
B. Mostrar en código de aminoácido de una sola letra:
Menu Display - Submenu- Sequence Comando Residue Codes.
C. Visualizar el fármaco seleccionando su ID de tres dígitos en la secuencia del
archivo.
Seleccionar - Menu Show – Comando Sticks
D. Colorear los aminoácidos más cercanos al fármaco.
Seleccionar - Menu Color – Comando Red
6. Determinar tres interacciones a una distancia < 5 Å entre fármaco y su receptor
(anotar en la TABLA 3.1). Dar un clic en los átomos cuya distancia se quiere inferir
después de activar la opción de medida.
Menu Wizard - Comando: Measurement.
6
7. Copiar y generar cinco cambios en la secuencia primaria del receptor en formato
FASTA (recabarlo del PDB o del NCBI) y guardarlo como archivo de texto (bloc de
notas). Anotar la naturaleza de las mutaciones y su posición (ejemplo: 35L-W).
8. Ingresar a la interface web del SWISS-Model y pegar la secuencia mutante en el
servidor de modelado por homología (Automatic Mode). Utilizar la estructura original
como plantilla.
9. Analizar con PyMOL la superposición de la estructura mutante con su plantilla e
identificar los dominios con cambios estructurales.
Resultados
Anote la información correspondiente a cada compuesto investigado.
Tabla 1.2. Propiedades moleculares de los fármacos investigados.
Fármaco
Análogo 1
Análogo 2
Nombre común
Efecto farmacológico
Fórmula y PM
Acidez
LogP
GDPH/GAPH
Enlaces rotables
Área polar de superficie (APS)
Similitud estructural (score)
Anote la información correspondiente al complejo analizado:
Tabla 1.3. Análisis estructural de un complejo fármaco-receptor.
Complejo fármaco - receptor
ID PDB
Receptor/función
Ligando(s)
Dominio de enlace
(Posición-AA)
Interacciones
Fármaco-Receptor (Â)
Actividad
1. Realice un esquema que represente la distancia en Ärmstrong entre los grupos
funcionales del fármaco y los residuos (AA) del receptor.
7
2. Conteste el siguiente cuestionario.
a) ¿Qué es la quimiotaxonomía?
b) ¿Cuáles son las interacciones más comunes en los complejos fármaco-receptor?
c) Mencione dos índices para determinar la similaridad estructural.
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
8
Práctica Nº 2
Fármacos heterocíclicos. Síntesis aldólica
de la flavona 2-fenil-4H-cromen-4-ona
La química heterocíclica es una rama muy grande e importante de la química orgánica.
Por definición, estudia la síntesis, estructura y reactividad de los sistemas anulares
(cíclicos) con al menos un heteroátomo (cualquier átomo, excepto C). Los heterociclos
biogénicos contienen principalmente O, N, S y P como heteroátomos. Son
omnipresentes en la naturaleza como nucleósidos, mensajeros químicos, aminoácidos
esenciales, alcaloides, vitaminas, carbohidratos, etcétera; mientras que los heterociclos
sintéticos tienen un amplio uso como herbicidas, fármacos, vitaminas, cosméticos y
aditivos alimentarios.
Los heterociclos forman la familia más extensa de compuestos orgánicos. Un
número importante de compuestos biológicos corresponde a heterocíclicos, ya que los
heteroátomos de oxígeno, nitrógeno y azufre proveen una estructura y funcionalidad
esencial en el ambiente biológico. Los ciclos que forman pueden ser de diferentes
tamaños y fusionarse con relativa facilidad. Los heteroátomos contienen electrones
desapareados y la capacidad de generar dobles enlaces, lo cual los provee de
características que favorecen la formación de sistemas anulares aromáticos.
La diversidad de estructuras heterocíclicas ha generado un gran número de
métodos de síntesis. Entre los heterociclos sintetizados por estos métodos encontramos
los indoles, benzofuranos, tiofenos, imidazoles, oxazoles, pirazoles, aziridinas, pirroles,
quinolinas, quinazolonas, piperidinas, etcétera. Para cada grupo de compuestos existen
análogos estructurales con actividad biológica; ello hace que muchos de los fármacos
sean heterociclos, por lo que métodos cada vez más sofisticados de química
heterocíclica, son necesarios en la industria farmacéutica.
Los flavonoides son sustancias fenólicas ampliamente presentes en el reino
vegetal, cuya estructura consiste en dos anillos bencénicos (A y B) unidas por medio de
un heterociclo de pirano o pirona. Se han identificado más de 4 mil variedades de
flavonoides, muchos de los cuales son responsables de los atractivos colores de las
flores, frutas y hojas. Los flavonoides y sus O-glicósidos derivados tienen efecto
antioxidante, por reducir el estrés oxidativo, e inhiben la oxidación de lipoproteínas de
baja densidad (LDL) y la agregación plaquetaria. Además, actúan como
vasodilatadores, inmunomoduladores, agentes antiinflamatorios y antitumorales. En la
FIGURA 2.1 se muestran compuestos análogos estructurales a las cromenonas que han
sido utilizados como fármacos.
9
Diosmina Flavoxato
Trioxalen
Cromoglicato de sodio
Metoxsalen
Khellin
Figura 2.1. Fármacos estructuralmente relacionados con las cromenonas.
Los flavonoides se dividen en ‘clases’ con base en caracteres estructurales,
enzimáticos o de origen. Los flavonoles se caracterizan por una estructura de
3-hidroxiflavona, la cual es plana a causa de un doble enlace en el anillo C. La
quercetina es el miembro mejor descrito de este grupo y se encuentra en abundancia
en las cebollas, el brócoli, las manzanas y las cerezas. Los dihidroflavonoles tienen una
función α-hidroxi-carbonilpirona fusionada al anillo aromático A, derivada de la
hidrogenación del doble enlace enol del flavonol correspondiente. Las flavanonas como
la naringenina se encuentran en alta concentración en los cítricos y son precursoras de
otros flavonoides más complejos. La naringenina está presente en el zumo de naranja y
limón; la liquiritigenina, en el regaliz, y el eriodictiol, quimioatrayente de agrobacterias,
está presente en los chicharos. Las flavonas tienen como base estructural la
2-fenilcromen-4-ona y carecen del grupo 3-hidróxilo de los flavonoles. Las flavonas se
encuentran principalmente en los cereales y hierbas. Son compuestos biológicamente
activos, como la apigenina, que es un inhibidor competitivo del flunitrazepam.
Algunos de los métodos bien conocidos para la síntesis de cromenonas son el de
Baker-Venkatraman, así como las condensaciones de Claisen-Schmidt vía calcona (ver
FIGURA 2.2). La vía calcona implica la condensación aldólica catalizada por una base de
2-hidroxiacetofenonas con aldehídos aromáticos o conjugados. La calcona resultante
puede ciclarse a una flavona en presencia de yodo o en 3-hidroxiflavona utilizando una
solución alcalina de peróxido de hidrógeno, mediante la reacción Algar-Flynn-Oyamada.
El rearreglo de Baker-Venkataraman implica la reorganización de 2-hidroxiacetofenona
O-acetilada a orto-hidroxi 1,3-dicetonas mediante la formación de enolato seguida por
una transferencia de acilo promovida por una base. La cromenona posteriormente se
puede obtener por medio de ciclación catalizada con ácido.
La esterificación de ácido bencílico con 2-hidroxiacetofenona, (1-(2-hidroxífeniletanona; CAS 118-93-4) genera la 2-hidroxiacetofenona O-bencilada, que en medio
ácido se convierte a 2-fenilcromen-4-ona, núcleo estructural de los flavonoides;
10
mientras que las calconas se preparan efectuando una condensación de ClaisenSchmidt de 2-hidroxiacetofenona y aldehídos aromáticos.
Rearreglo de Baker‐Venkataraman O
O
CH3
CH3
+
Esterificación
HO
O
OH
O
O
O
H
O
O
+
Rearreglo de Baker‐Venkataraman OH
Condensación vía calcona
O
O
O
O
O
CH3
H
Ciclación
+
OH
:B
O
OH
Figura 2.2. Métodos comunes de síntesis química de 2-fenil-4h-cromen-4-ona.
Objetivo general
9 Sintetizar 2-fenil-4h-cromen-4-ona por medio de la condensación aldólica.
•
•
•
•
Utilizar la condensación aldólica entre 2-hidroxiacetofenona y aldehídos aromáticos
para la obtención de calconas.
Inducir la ciclación in situ la formación de la cromenona 2-fenil-4h-cromen-4-ona.
Efectuar el seguimiento del proceso de reacción por medio de cromatografía de
capa fina.
Verificar el producto de reacción por HPLC.
11
Recursos
Material
• Matraz redondo 100 ml.
• Agitadores magnéticos.
• Termómetro.
• Embudo Büchner.
• Papel de filtro.
• Matraz Kitasato.
• Agitador de vidrio.
• Cristales de reloj.
• Refrigerante.
Reactivos
• 2’-hidroxiacetofenona.
• Benzaldehído.
• Hidróxido de potasio.
• Etanol.
Equipos
• Cámara de elusión.
• Lámpara UV.
• Bomba de vacío.
• Termobaño.
• Estufa.
• Equipo de filtración al vacío.
• Fusiómetro.
Procedimiento
Síntesis de 2-fenil-4h-cromen-4-ona.
1. Mezclar cuidadosamente 20 ml de etanol y 5 g de KOH en un vaso de precipitados.
La mezcla se debe agitar hasta homogenizar la solución. La reacción es exotérmica,
por lo que se deberá evitar el sobrecalentamiento del medio de reacción.
2. En un matraz redondo colocar 3 ml de benzaldehído y 5 g de 2’-hidroxiacetofenona.
Agregar poco a poco la solución alcalina de etanol con agitación constante.
3. Calentar la solución a 50 °C durante una hora y dejar toda la noche a temperatura
ambiente.
4. Filtrar por gravedad el sólido formado en la mezcla de reacción y recristalizarlo con
etanol si es necesario.
5. Efectuar el seguimiento de reacción con CCF y verificar el producto una vez
purificado con HPLC.
Resultados
Del procedimiento realizado, determinar el rendimiento experimental con base en el
rendimiento teórico utilizando las siguientes fórmulas:
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de 2-fenil-4h-cromen-4-ona.
gr = peso en gramos de 2-fenil-4h-cromen-4-ona
PM = peso molecular de 2-fenil-4h-cromen-4-ona
12
Cálculos:
n 2’-hidroxiacetofenona
n
Benzaldehído
Gramos teóricos
2-fenil-4h-cromen-4-ona
Gramos experimentales
2-fenil-4h-cromen-4-ona
% de rendimiento experimental: ____________
Observaciones
Actividad
1. Conteste el siguiente cuestionario.
A. ¿Cuáles son las características físicoquímicas más importantes de las cromenonas?
B. ¿Cuáles son los principales factores que determinan el rendimiento de una
condensación aldólica hacia un solo producto?
C. Escriba dos ejemplos de condensación aldólica.
13
2. Elabore el mecanismo de reacción.
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
14
Práctica Nº 3
Grupos protectores. Síntesis de sulfanilamida
La síntesis en múltiples etapas (multistep synthesis) se refiere a una secuencia de
reacciones diseñada para producir una molécula específica como resultado final. Cada
reacción produce un producto que se utiliza en la siguiente etapa, hasta que se obtiene
la molécula final deseada. Sin embargo, la diversidad de grupos funcionales en el o los
precursores hace más complicado que las reacciones se lleven con una alta
selectividad química; por ejemplo, la oxidación de una función aldehído a un ácido
carboxílico en presencia de un grupo hidroxilo. Por eso, es necesario utilizar grupos
protectores que permitan cubrir y dejar intactos ciertos grupos funcionales, que
posteriormente serían fácilmente reconstituibles.
Actualmente, los grupos protectores son una herramienta fundamental en
síntesis química. Una baja selectividad química puede generar distintos productos en
una reacción y merma el rendimiento del producto deseado. Muchos de los reactivos
utilizados tienen más de una posibilidad de reaccionar con la molécula, o ésta puede
tener el mismo grupo funcional en varias partes. Los grupos protectores nos permiten
proteger los grupos funcionales que son incompatibles con las condiciones de reacción.
Existen dos etapas en esta protección química: introducción y eliminación. Ambas
etapas deben ser eficientes y selectivas.
Los principales grupos funcionales que se ocupan en proteger durante la síntesis
orgánica, son: a) los grupos hidroxilo; b) las cetonas y aldehídos; c) aminas; d) ácidos
carboxílicos, y e) alquinos. Muchos de ellos presentan reactividad ante otros grupos
funcionales, son susceptibles a los reactivos o a las condiciones utilizadas en alguna
etapa de la síntesis. En la FIGURA 3.1 se representan los grupos protectores más
utilizados en síntesis química para estos grupos funcionales.
En esta práctica la molécula a sintetizar es la sulfanilamida, un antibiótico de la
familia sulfonamida. Estos compuestos son antibióticos bacteriostáticos sintéticos de
amplio espectro contra los organismos Gram-negativos y Gram-positivos. Sin embargo,
actualmente muchas cepas son resistentes. Las sulfonamidas inhiben la reproducción
de las bacterias al actuar como inhibidores competitivos del ácido p-aminobenzoico en
el ciclo metabólico del ácido fólico. La sulfanilamida es un inhibidor competitivo de la
enzima dihidropteroato sintetasa bacteriana, y está indicada para el tratamiento de la
vulvovaginitis por Candida albicans.
15
Grupos protectores para hidróxilos
Cl
R
CH3
O
R
O
O
R
O
R
CH3
O
Cl
O
O
S
CH3
Cl
R
R
O
O
CH3
R
O
O
CH3
O
CH3
R
Si
R
CH3
O
O
CH2
CH3
R
H3 C
H3 C
O
CH3
O
CH3
CH3
R
O
O
CH3
Si
Si
Si
CH3
O
O
CH3
CH3
H3 C
CH3
H3 C
H3 C
CH3
O
CH3
R
Grupos protectores para aldehídos y cetonas
CH3
H3 C
Si
O
O
S
S
R1
R
R1
R
O
O
O
R1
R
H3 C
CH3
O
CH3
Grupos protectores para carboxilos
O
O
R1
CH3
O
O
R
O
CH3
R
O
R
CH3
O
CH2 O
R
CH3
O
H3 C
O
O
O
CH3
CH2
R
O
R
Grupos protectores para aminas
O
O
CH3
CH3
O
CH3
R
Si
N
H
O
CH3
CH3
O
R
R
N
H
O
O
CH3
Cl
N
H
N
H
CH3
O
O
R
R
CH2
N
H
Cl
O
R
Cl
O
NH
Grupos protectores para alquinos
H3 C
CH3
CH3
R
Si
OH
CH3
R
CH3
CH3
CH3
O
Si
R
THP
CH3
CH3
Figura 3.1. Grupos protectores utilizados en síntesis química.
16
En la FIGURA 3.2 se representa la síntesis de sulfanilamida a partir de anilina. El grupo
amino activa altamente al anillo aromático hacia la sustitución electrofílica
aromática (SEA). Dicha activación produciría sustitución en ambas posiciones, orto- y
para-. Además, las aminas son muy reactivas hacia la sustitución nucleofílica en
presencia de buenos grupos salientes, por lo que el grupo amina suele ser protegido
como una amida. El grupo amida se prefiere debido a su alta estabilidad, que significa
baja reactividad en condiciones comunes de síntesis. La porción acetilo (CH3CO-) en la
amida es un grupo protector que impide reacciones laterales o secundarias del grupo
amina.
O
Sulfonación
NH2
Protección
HN
O
CH3
O
Cl
S
N
H
CH3
O
Sulfamidación
O
O
H2 N
S
O
Desprotección
NH2
O
H2 N
S
N
H
CH3
O
Figura 3.2. Método de síntesis de sulfanilamida a partir de anilina.
La acetanilida, aunque reduce la activación aromática, dirige selectivamente la SEA
hacia la posición para- por factores estéricos y electrónicos. Una vez protegido el grupo
amina de la anilina, la SEA es llevada con ácido clorosulfónico para la formación del
cloruro
de
p-acetamidobencensulfonilo,
el
cual
es
transformado
a
p-acetamidobencensulfonamida por reaccionar con amonio. Después, el grupo amino
puede ser reconstituido por hidrólisis de la acetanilida.
Objetivo general
9 Sintetizar sulfanilamida efectuando un proceso de múltiples etapas.
•
•
•
•
Utilizar el grupo acetilo como agente protector en la anilina.
Llevar la sulfonación de la acetanilida por SNA.
Sintetizar la p-acetamidobencensulfonamida por amidación.
Eliminar el grupo protector por hidrólisis de la acetanilida.
17
•
•
capa fina.
Recursos
Material
• Matraz Erlenmeyer 50 ml.
• Agitadores magnéticos.
• Termómetro.
• Vidrios de reloj.
• Refrigerante.
Reactivos
• Anilina.
• Anhídrido acético.
• Ácido clorosulfónico.
• Hidróxido de amonio.
• Solución de hidróxido de
sodio al 40 %.
• Ácido clorosulfónico.
• Ácido clorhídrico 5 %.
• Bicarbonato de sodio.
• Acetato de etilo.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
• Equipo de filtración al
vacío.
• Fuisiómetro.
• Lámpara UV.
Procedimiento
Protección de anilina
1. Pesar aproximadamente 1.5 g de anilina (FW=93.13) y colocar en un matraz
Erlenmeyer de 50 ml.
2. Utilizando una probeta o cilindro graduado, añadir 1.7 ml de anhídrido acético
(FW=102.1, d=1.08 g/ml).
3. Colocar una barra magnética en el matraz y calentar en placa a 90 C la mezcla de
reacción, agitando continuamente.
4. Una vez formado un sólido de color blanco, retirar la mezcla de reacción del
calentamiento y dejar enfriar.
5. Lavar el producto anterior con agua fría y dejar secar en la estufa por 15 minutos.
Síntesis de cloruro de p-acetamidobencensulfonilo
6. En un matraz Erlenmeyer de 250 ml, colocar la acetanilida seca y calentar hasta
fundición.
7. Retirar de la placa y dejar enfriar a temperatura ambiente. Después, colocar el
matraz en baño de hielo y agregar bajo la campana, cuidadosamente, 5 ml de ácido
clorosulfónico. Precaución: el ácido clorosulfónico reacciona violentamente con el
agua.
8. Conectar al matraz una trampa con una solución de NaOH al 40 %.
9. Retirar el matraz del hielo y agitar la mezcla de reacción para que se homogeneíce.
Esto produce el desprendimiento de HCl(g); si la reacción se acelera sumerja
nuevamente el matraz en el hielo.
18
10. Retirar el matraz del baño de hielo y calentar lentamente en baño maría hasta que
ya no se observe desprendimiento de HCl. No desconectar la trampa de NaOH
hasta que la reacción termine (7-10 minutos).
11. Enfriar el matraz con agua; verter gota a gota y con agitación la mezcla de reacción
en un vaso de precipitado con 35 g de hielo (efectuar esta operación en la campana,
ya que puede haber desprendimiento de ácido clorhídrico).
12. Agitar durante algunos minutos y separar por filtración el cloruro de
p-acetamidobencensulfonilo, que es insoluble en agua. Se separa, se lava con agua
helada y se seca al vacío.
Obtención de la sulfanilamida
13. En un matraz de 125 ml colocar el cloruro de p-acetamidobencensulfonilo obtenido
de la etapa anterior y agregar 5 ml de hidróxido de amonio (NH4OH) concentrado y
5 ml de agua. Colocar el refrigerante en posición de reflujo y calentar con agitación
magnética. Mantener estas condiciones durante 10 minutos sin llegar al punto de
ebullición.
14. Enfriar la mezcla de reacción en baño de hielo, filtrar al vacío, lavar el sólido con
agua helada, secar, pesar y determinar el rendimiento. Efectuar una cromatografía
en capa fina con alícuotas obtenidas de cada una de las etapas.
Recristalización de sulfanilamida
15. Colocar en un matraz la diamida obtenida, agregar poco a poco 15 ml de una
solución de HCl al 15 %.
16. Calentar a reflujo con agitación magnética durante 20 minutos. Antes de suspender
el calentamiento tomar una muestra y determinar por CCF si la reacción se ha
efectuado. Debe tenerse especial cuidado al lavar el material, ya que está
impregnado de ácido.
17. Si la hidrólisis ya se efectuó, se suspende el calentamiento y se enfría exteriormente
el matraz (si se forma un sólido indica que la hidrólisis de la amida no fue completa,
en este caso se vuelve a calentar durante 10 minutos).
18. En un matraz Erlenmeyer de 125 mL, vertir la mezcla de reacción y después agregar
bicarbonato de sodio sólido poco a poco y con agitación constante (esto produce
formación de CO2) hasta pH neutro. Enfriar en hielo, filtrar al vacío y dejar secar.
19. Determinar el rendimiento en cada una de las etapas y comprobar la presencia de
los productos con cromatografía en capa fina.
19
Resultados
A partir del procedimiento efectuado, determinar el rendimiento experimental con base
en el rendimiento teórico, utilizando las siguientes fórmulas:
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de sulfanilamida
gr = peso en gramos de sulfanilamida
PM = peso molecular de sulfanilamida
Cálculos:
n
anilina
n
sulfanilamida
Gramos teóricos
sulfanilamida
sulfanilamida
Observaciones
Actividad
1. Responda el siguiente cuestionario.
a) ¿Cuáles son las características físicoquímicas más importantes de la sulfanilamida?
20
b) ¿Qué productos se formarían si no se protegiera la anilina?
c) ¿Cuáles son los principales factores que determinan la diferencias entre el
rendimiento teórico y experimental?
2. Elabore el mecanismo de reacción.
21
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
22
Práctica 4
Acaricida veterinario. Síntesis de amitraz vía formación de iminas
El amitraz es el ingrediente activo de productos acaricidas y garrapaticidas como Taktic,
Triazid, Mitac, Mitaban y Acarac. La molécula de amitraz es un insecticida de tipo
formamidina, cuyo nombre IUPAC es N’-(2,4-dimetilfenil)-N-{(E)-[(2,4-dimetilfenil)
imino]metil}-N-metilimidoformamida. Es un agonista de los receptores de octopamina en
los artrópodos, inhibiendo la neurotransmisión y resultando en parálisis flácida del
parásito. En animales vertebrados, es un agonista de los receptores α2-adrenérgicos,
por lo que las reacciones adversas son similares a las provocadas por xilazina, un
medicamento veterinario que causa bradicardia, depresión del sistema nervioso
central (SNC), ataxia, hipotensión, hiperglucemia, hipotermia, membranas mucosas
cianóticas, poliuria, midriasis, emesis y estado de coma.
El amitraz se hidroliza a 2,4-dimetil-formanilida y N-(2,4-dimetilfenil)-N'metilformamidina. Estos compuestos se metabolizan a 2,4-dimetilanilina y, en última
instancia, a ácido 4-amino-3-metilbenzoico, principal metabolito en la orina y el hígado.
La dosis tóxica es de 10 a 20 mg/kg. El tratamiento de la intoxicación por amitraz
incluye soporte cardiovascular con intravenosa de fluidos cristaloides y la inducción de
la emesis en animales asintomáticos. La yohimbina o atepamizol, ambos antagonistas
α-adrenérgicos, son el tratamiento de elección para revertir los signos clínicos de
intoxicación.
Una opción para la síntesis de amitraz es condensar dos moléculas de la xilidina
2,4-dimetilanilina con N-formyl-N-metilformamida. Comúnmente, esta condensación
puede ser catalizada en medio ácido y un disolvente aprótico o prótico. La reacción de
aldehídos y cetonas con aminas primarias (RNH2 y ArNH2) para dar iminas es un
proceso de dos etapas. La primera es una adición nucleofílica de la amina al grupo
carbonilo para dar una carbinolamina. La segunda es la deshidratación de la
carbinolamina para dar el producto que se aísla de la reacción, una N-alquil- o N-arilimina sustituida. El paso clave de la reacción es la deshidratación, la cual es
determinante para la velocidad cuando la reacción se lleva a cabo en solución ácida. Si
la solución es demasiado ácida, la protonación de la amina puede reducir su carácter
nucleofílico, por lo que el pH óptimo es próximo a 5.
N
O
N
N
NH 2
+
N
+ H2O
O
2,4‐dimetilanilina N‐formyl‐
N‐metilformamida Amitraz
Figura 4.1. Síntesis de Amitraz vía formación de iminas.
23
El mecanismo de hidrólisis de enaminas se ha estudiado cinéticamente en función del
pH. En solución alcalina, la protonación del carbono determina la velocidad de reacción,
la cual es seguida por el ataque del ión hidróxido para generar el ión iminio resultante.
La carbinolamina intermedia entonces se deshidrata generando la imina.
En pH neutro y ligeramente ácido, el ataque del agua en la enamina con carbono
protonado se convierte en la etapa limitante de la velocidad. Como en la hidrólisis de la
imina, la descomposición del intermedio tetraédrico se convierte en la etapa limitante de
la velocidad en solución fuertemente ácida. Una solución demasiado básica reduce la
velocidad de la última etapa, mientras que una solución demasiado ácida reduce la
velocidad de la etapa inicial.
Objetivo general
9 Sintetizar amitraz por medio de la reacción de condensación entre 2,4 metilanilina y
N-formil-N-metilformamida.
•
•
•
•
Sintetizar una imina por condensación.
Efectuar el seguimiento del proceso de síntesis por medio de cromatografía de capa
fina.
Manejar con destreza cristalería e instrumentación básica utilizada en el laboratorio
de síntesis química.
Identificar el mecanismo de reacción por el producto obtenido.
Recursos
Material
• Matraz redondo.
• Barras magnéticas de agitación.
• Termómetro.
• Matraz de filtración.
24
Reactivos
• 2,4-dimetilanilina.
• N-formyl-Nmetilformamida.
• Tetrahidrofurano.
• Dimetilsulfóxico .
• Hielo.
Equipos
• Balanza analítica.
• Termobaño.
• Estufa.
• Mangueras.
• Equipo de filtración
al vacío.
Procedimiento
Mezcla de reacción
1. Pesar 6 g (0.048 n) de 2,4-dimetilanilina y 2.1 g (0.024 n) de N-formyl-Nmetilformamida en un matraz redondo de 100 ml de manera independiente.
2. Utilizando una probeta o cilindro graduado, añadir 20 ml de THF o DMS y colocar
una barra magnética en el matraz.
3. Calentar la mezcla de reacción agitando continuamente, directo sobre una hornilla,
utilizando un termómetro para monitorear la temperatura interna (cerca de 100 °C).
4. Luego de que el sólido se haya disuelto (puede disolverse, precipitar y redisolverse),
calentar la mezcla por un periodo adicional de 10 minutos a 100 °C para completar
la reacción. Monitorear la reacción por CCF, obteniendo una alícuota con un capilar
del medio de reacción cada 5 minutos.
5. Aislar el amitraz retirando el matraz de la placa y permitiendo que se enfríe hasta
temperatura ambiente. Si no ocurre la cristalización, raspar las paredes del matraz
con un agitador de vidrio hasta iniciar la cristalización.
6. Enfriar bien la mezcla en un baño de hielo por 15 a 20 minutos y recoger los
cristales por filtración al vacío en un embudo Büchner.
7. Enjuagar el matraz con 5 ml de agua enfriada en hielo (bien fría) y transferir esta
mezcla al embudo Büchner.
8. Lavar los cristales en el embudo con dos porciones adicionales de 5 ml de agua fría.
9. Secar los cristales por 5 a 10 minutos aireando la muestra mientras permanece en el
embudo Büchner. Durante este periodo de secado, desbaratar los grumos con una
espátula.
10. Transferir el producto a un vidrio de reloj y permitir que los cristales sequen al aire.
Tomará varias horas en secar bien el amitraz, pero se puede pasar al próximo paso
antes de que esté completamente seco.
11. Pesar el producto crudo y sacar aparte una pequeña muestra para determinar el
punto de fusión.
12. Calcular el porcentaje de rendimiento del acetaminofén crudo (FW=151.2). Anotar la
apariencia de los cristales en la libreta de laboratorio.
13. Cristalizar el material con una mezcla de solventes 50 % agua y 50 % metanol por
volumen, añadiendo pequeñas porciones de solvente caliente hasta que el sólido se
disuelva. Cuando esto ocurra, permitir que la mezcla se enfríe lentamente a
temperatura ambiente. Entonces colocar el matraz en un baño de hielo por al menos
10 minutos. Si es necesario, inducir la cristalización raspando la pared interior del
matraz con la varilla de vidrio.
14. Recoger los cristales en un embudo Büchner. Colocar el producto en un vidrio de
reloj y dejar secar hasta el próximo periodo de laboratorio.
15. Pesar el amitraz y determinar el punto de fusión del producto seco. El punto de
fusión del amitraz puro es 86-87 °C.
16. Calcular el porcentaje de rendimiento. Este cálculo deberá estar basado en la
cantidad original de 2,4 dimetilanilina utilizada al comienzo del procedimiento.
25
Prueba de pureza
17. Con el objetivo de determinar si el amitraz obtenido está contaminado con anilina,
preparar una mezcla de hipoclorito de sodio y alcohol fenólico, el cual reacciona con
la dimetilanilina. La prueba da positiva cuando se forma un colorante azulino de
hidroxibenceno azo p-quinona, un colorante textil.
Resultados
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de amitraz
gr = peso en gramos de amitraz
PM = peso molecular de amitraz
Cálculos
n 2,4dimetilanilina
n
amitraz
Gramos teóricos
amitraz
amitraz
% de rendimiento experimental: __________
Prueba de acotación (+/-): ______________
Propiedades
2,4- dimetilanilina
N-formyl-Nmetilformamida
Amitraz
Peso molecular
Coeficiente de
partición (Log Pow)
Punto de
fusión/ebullición
Apariencia
Solubilidad en agua
26
Observaciones
Actividad
1. Contestar el siguiente cuestionario
a) ¿Cuáles son las características tóxico-farmacológicas más importantes del amitraz?
b) ¿A qué se deben las diferencias físicas entre los reactivos y los productos?
c) ¿Cuáles son los principales factores que determinan el rendimiento experimental en
esta reacción?
2. Elabore el mecanismo de reacción por condensación entre anilinas y la N-formyl-Nmetilformamida.
27
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
28
Práctica Nº 5
SNAc. Síntesis de fenacemida por sustitución nucleofílica acílica
La fenacemida es una acilurea hipnótica y anticonvulsivante. Está relacionada
estructuralmente con otros fármacos hipnóticos-sedantes, lo que indica que su
funcionalidad y estructura determina su actividad farmacológica (ver FIGURA 5.1). La
fenacemida tienen analogía estructural con fármacos cíclicos de tipo barbitúrico e
hidantoína, que al igual se prescriben para el tratamiento de la epilepsia, especialmente
para formas mixtas de convulsiones psicomotoras resistentes a otros fármacos. Actúa
sobre el SNC bloqueando los canales de sodio o calcio dependientes de voltaje, lo que
suprime la despolarización neuronal y la hipersincronización. La hipersincronización es
lo que a menudo causa las convulsiones.
La fenacemida puede provocar reacciones adversas graves e intoxicación, por lo
que su utilización terapéutica conlleva conocer muy bien su riesgo. Su administración
es contraindicada con el uso simultáneo de etotoína, un derivado de hidantoína con
efecto anticonvulsivo. Algunos de sus efectos secundarios son la anorexia, pérdida de
peso, somnolencia, nauseas, vómito, alteraciones psiquiátricas y nefritis.
H
N
H
N
O
O
NH2
NH
HN
O
O
O
Fenacemida
(antiepiléptico)
O
Fenobarbital
(hipnótico-sedante)
Etosuximida
(anticonvulsivo)
O
H
N
O
O
Cl
H
N
NH2
HN
NH
HN
O
O
Primidona
(anticonvulsivo)
NH
O
Cl
Guanfacine
(antihipertensivo SNC)
Fenitoína
(anticonvulsivo)
Figura 5.1. Fármacos relacionados estructuralmente con la fenacemida.
La fenacemida es un polvo blanco cristalino fino, inodoro, que funde a 213 °C, soluble
en agua (>2000 ml), etanol (500 ml) y cloroformo. La síntesis de fenacemida puede
conseguirse haciendo reaccionar urea con cloruro de fenilacetilo (FIGURA 4.2). El
mecanismo de reacción involucra una sustitución nucleofílica acílica (SNAc). La primera
29
etapa de reacción es la adición nucleofílica al grupo carbonilo, dando un intermediario
tetrahédrico. La segunda etapa restaura el grupo carbonilo por la eliminación del mejor
grupo saliente (comúnmente, haluros X-).
O
O
O
O
+
Cl
H2 N
NH2
+
HCl
HN
NH2
Cloruro de fenilacetilo Urea
Fenacemida
Figura 5.2. Síntesis de fenacemida a partir de cloruro de fenilacetilo.
El orden decreciente de reactividad de los diversos derivados de ácido acético hacia la
SNAc es el siguiente:
Cloruro de acetilo > anhídrido acético > acetato de etilo > acetamida
A pesar de que el Cl tienen pares de electrones desapareados en su orbital 3p, éstos
no ayudan a estabilizar el polo positivo sobre el carbono carbonílico por su diferencia de
tamaño. Este fenómeno debilita la estabilidad del grupo carbonilo, haciéndolo más
reactivo. Además, esto contribuye a que los X- sean buenos grupos salientes. En
general, los cloruros de acilo son las entidades más utilizadas en la práctica de síntesis
que conlleva SNAc. Los cloruros de acilo se preparan fácilmente a partir de reaccionar
ácidos carboxílicos con cloruro de tionilo (SOCl2).
En contraparte, cuando se utilizan nitrógenos como nucleófilos, la formación del
enlace C-N genera una amida, la cual es estabilizada por la resonancia del par de
electrones desapareados del nitrógeno. Esto favorece el rendimiento hacia la amida.
Otros derivados nucleofílicos nitrogenados que pueden ser utilizados en la SNAc son
las mismas amidas, las cuales se generan cuantitativamente al favorecer la formación
del enlace amida.
Farmacológicamente, la urea (NH2CONH2) es utilizada en distintas
concentraciones en formulaciones dermatológicas para hidratar la piel (10 %), acelerar
la degradación de la fibrina (15 %), como antipruriginoso, en la ictiosis (20-30 %) y
como proteolítico (40 %). Además, tiene un papel como humectante del estrato córneo.
Objetivo general
9 Sintetizar fenacemida por medio de la reacción de sustitución nucleofílica entre
cloruro de fenilacetilo y urea.
30
•
•
•
Sintetizar una amida por SNAc a partir de un cloruro de acilo.
Efectuar el seguimiento del proceso de reacción por medio de CCF o HPLC.
Recristalizar el producto obtenido.
Recursos
•
•
•
•
•
•
•
•
Material
Matraz Erlenmeyer 50 ml.
Barras magnéticas de agitación.
Termómetro.
Embudo Büchner.
Papel de filtro.
Matraz de filtración.
Agitador de vidrio.
Vidrios de reloj.
•
•
•
•
Reactivos
Cloruro de fenilacetilo.
Urea.
THF.
Etanol.
•
•
•
•
•
Equipos
Balanza analítica.
Bomba de vacío.
Termobaño.
Estufa.
Equipo de filtración
al vacío.
Procedimiento
Mezcla de reacción
1. Pesar 4 g de cloruro de fenilacetilo (dens. 1.169 g/ml) y 1.76 g de urea (dens.
1.335 g/ml) en un vaso de precipitados de 50 ml. Añadir 0.1 g de K2CO3 para
alcalinizar ligeramente el medio.
2. Utilizando una probeta o cilindro graduado, agregar 10 ml de tetrahidrofurano (THF)
y colocar una barra magnética.
3. Bajo campana y agitando magnéticamente, calentar la mezcla de reacción a 60 °C
en una placa de calentamiento. Utilice un termómetro para monitorear la
temperatura interna.
4. Luego de que homogenice la mezcla, calentar a reflujo por un periodo adicional de
45 minutos aprox. a 90 °C utilizando un condensador. Monitorear la reacción por
CCF, obteniendo una alícuota del medio de reacción cada 5 minutos con un capilar.
5. Retirar la mezcla del calentamiento e inducir la cristalización de fenacemida (pf.
205 °C), enfriando la mezcla en un baño de hielo por 15 a 20 minutos.
6. Si el rendimiento es adecuado, recoger los cristales por filtración al vacío en un
embudo Büchner. No desechar el sobrenadante. Si no cristaliza, recristalizar la
fenacemida con un disolvente, tomando en cuenta su solubilidad (muy poco soluble
en agua; poco soluble en álcali, benceno, cloroformo o éter).
31
Resultados
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de fenacemida.
gr = peso en gramos de fenacemida.
PM = peso molecular de fenacemida.
Cálculos:
n Cloruro de
fenilacetilo
n
fenacemida
Gramos teóricos
fenacemida
fenacemida
% de rendimiento experimental: __________
Propiedades
Peso molecular
Coeficiente de partición (Log Pow)
Punto de fusión/ebullición
Apariencia
Solubilidad en agua
Cloruro de fenilacetilo
Urea
Fenacemida
Observaciones
32
Actividad
1. Elaborar el mecanismo de reacción por SNAc entre el cloruro de fenilacetilo y la urea
para producir fenacemida.
a) ¿Cuáles son las características tóxico-farmacológicas más importantes de la
fenacemida?
b) Describa un método que le permita recristalizar la fenacemida del crudo de reacción
c) ¿Qué influencia tiene el disolvente prótico o aprótico utilizado en la reacción?
Conclusión
33
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
34
Práctica Nº 6
Precursores farmacéuticos. Síntesis de cloro -2,6-dimetilacetanilida
La naturaleza química de muchos fármacos se basa en su similitud estructural con los
mediadores endógenos naturales. Estos últimos tienen estructuras químicas
funcionales que les permiten ejercer o inhibir estímulos sobre sus receptores. El diseño
de agonistas o antagonistas farmacéuticos depende en gran medida de la relación
estructura-actividad que guardan los sistemas biológicos en la escala molecular.
Muchos fármacos son obtenidos mediante una serie de reacciones consecutivas
cuyo fin es la síntesis de precursores que permitan llegar a la síntesis total de la
molécula objetivo. Entre mayor es el tamaño y la complejidad química del fármaco,
mayor el número de reacciones, y por ende, de precursores a obtener. De este modo, la
obtención de precursores químicos es un paso importante en la síntesis de los
fármacos. Un precursor químico es una sustancia necesaria para producir otra
mediante una transformación química. Muchos de los precursores son de origen
natural, los cuales al ser transformados resultan en fármacos semisintéticos. Otros son
estructuras sintéticas accesibles por métodos químicos relativamente sencillos.
Ya que muchos precursores químicos pueden utilizarse en la producción,
fabricación o preparación de estupefacientes y sustancias psicotrópicas, su
comercialización y utilización es controlada por los gobiernos. Además, el control se ha
extendido a otros productos químicos que, no siendo precursores farmacéuticos (como
solventes, reactivos o catalizadores), también son utilizados en la producción,
fabricación, extracción o preparación de drogas. Sin embargo, el fuerte interés que
guarda la venta de drogas y el control social, hace que métodos de síntesis cada vez
más sofisticados sean implantados con el fin de evadir tal restricción.
Tabla 6.1. Lista de precursores y sustancias químicas utilizados frecuentemente en la
fabricación ilícita de estupefacientes y sustancias psicotrópicas.
1-fenil-2-propanona
3,4-metilendioxifenil-2-propanona
Acetona
Ácido antranílico
Ácido clorhídrico
Ácido fenilacético
Ácido lisérgico
Ácido sulfúrico
Anhídrido acético
Efedrina
Ergometrina
Ergotamina
Éter etílico
Isosafrol
Metiletilcetona
Norefedrina
Permanganato potásico
Piperidina
Piperonal
Pseudoefedrina
Safrol
Tolueno
Los métodos directos de síntesis de lidocaína tienen como principal precursor la
α-cloro-2,6-dimetilacetanilida, la cual se obtiene por sustitución nucleofílica acílica
(SNAc) de cloruro de α-cloroacetilo y 2,6-dimetilanilina. Los cloruros de ácidos
carboxílicos son muy reactivos hacia este tipo de reacciones de sustitución, por lo que
35
en presencia de aminas dan origen a amidas, más estables. Otro tipo de compuestos
menos reactivos, pero algo explosivos, puede sustituirlos, como los anhídridos acéticos.
Por otro lado, el poder nucleofílico de las aminas depende de la naturaleza y número de
sus sustituyentes. Con aminas aromáticas como las anilinas, la formación de la amida
es favorecida por el sistema resonante que se forma. En la FIGURA 6.1 se muestra el
mecanismo de reacción general para la SNAc.
:X
:X
:X
: Nu
Nu
:Nu
Figura 6.1. Mecanismo general para la sustitución nucleofílica acílica.
En este tipo de reacciones, hay que tener una adecuada precaución en el laboratorio de
síntesis, ya que muchas de las sustancias por su naturaleza y el grado de pureza son
altamente reactivas, irritantes y tóxicas. Por ejemplo, el cloruro de α-cloroacetilo
(Nº CAS 79-04-9) se descompone al calentarlo intensamente y arde, produciendo
humos tóxicos y corrosivos como fosgeno y cloruro de hidrógeno (HCl). Además,
reacciona con el agua o la humedad produciendo humos tóxicos y corrosivos de HCl,
Mientras que la 2,6-dimetilanilina es inflamable en presencia de llama, chispa o calor
excesivo.
Objetivo general
9 Sintetizar α-cloro-2,6-dimetilacetanilida por sustitución nucleofílica acílica sobre
α-cloroacetilo.
•
•
•
36
Sintetizar el precursor α-cloro-2,6-dimetilacetanilida por SNAc de cloruro de
α-cloroacetilo y 2,6-dimetilanilina.
capa fina (CCF) o HPLC.
Purificar el crudo de reacción.
Recursos
Material
Reactivos
• Cloruro de αcloroacetilo.
• 2,6-dimetilanilina.
• Termómetro.
• THF/AcOEt.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
vacío.
Procedimiento
Síntesis de α-cloro-2,6-dimetilacetanilida
1. Mezclar 4 g de 2,6-dimetilanilina (PM, 121.18; 0.033 n) con 3.76 g de cloruro de
α-cloroacetilo (PM, 112.94; 0,033 n) y 25 ml de tetrahidrofurano (THF) o acetato de
etilo (AcOEt) en un matraz Erlenmeyer de tamaño apropiado.
2. Calentar en un baño maría la solución a 40-50 °C, retirar el matraz y añadir una
solución de 5 g de acetato de sodio trihidratado disuelto en 100 ml de agua.
3. Poner el matraz en un baño de hielo y recoger el producto por filtración al vacío.
4. Enjuagar el sólido resultante con agua fría hasta que el olor de ácido acético sea
indetectable y secar lo mejor posible.
5. Determinar el porcentaje de rendimiento y punto de fusión del producto, α-cloro-2,6dimetilacetanilida (pf. 145-146 °C).
Resultados
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de α-cloro-2,6-dimetilacetanilida.
gr = peso en gramos de α-cloro-2,6-dimetilacetanilida.
PM = peso molecular de α-cloro-2,6-dimetilacetanilida.
Cálculos:
37
n cloruro de αcloroacetilo
n
α-cloro-2,6dimetilacetanilida
Gramos teóricos
% rendimiento experimental de α-cloro-2,6-dimetilacetanilida: __________
Propiedades
2,6dimetilanilina
Cloruro de
α-cloroacetilo
Peso molecular
Coeficiente de partición
(Log Pow)
Punto de fusión/ebullición
Apariencia
Solubilidad en agua
Observaciones
Actividad
1. Contestar el siguiente cuestionario:
a) ¿Cuáles son los principales riesgos a la salud de la 2,6-dimetilanilina y el cloruro de
α-cloroacetilo?
b) ¿Bajo qué condiciones se utilizan el THF y AcOEt como disolventes?
38
2. Elaborar el mecanismo de reacción para la SNAc entre 2,6-dimetilanilina y cloruro de
α-cloroacetilo.
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha:
Grado/grupo/turno
Calificación:
39
Práctica Nº 7
Anestésicos locales. Síntesis de lidocaína
La lidocaína (2-(diethilamino)-2',6'-acetoxylidide, lignocaína) es un anestésico local y
depresor cardiaco que se usa como agente antiarrítmico. La lidocaína también genera
anestesia regional en bloqueos de nervios periféricos del plexo braquial e intercostal,
bloqueo lumbar y epidural. El mecanismo de acción de la lidocaína implica el bloqueo
de los canales de sodio dependientes de voltaje (CSDV), lo cual impide la propagación
del potencial de acción en el sistema nervioso parasimpático (SNP, ver FIGURA 7.1). La
lidocaína supera a la procaína tanto en potencia como en eficacia, pero su tiempo de
acción es más corto que el de la bupivacaína o la prilocaína.
CH3
Difusión pasiva
CH3
NH
O
CH3
N
H+
CH3
Forma protonada
(hidrofílica)
NH
O
CH3
N
+
CH3
Bloquea la puerta h (interna) del canal de Na+
H
H3C
H3C
Canal de Na+
Membrana neuronal
+
Forma no protonada
CH3
(lipofílica)
NH
O
CH3
N
CH3
H+
CH3
H3C
+
+
+
+
NH
O
CH3
N
+
H
Ión Na+
CH3
H3C
Figura 7.1. Mecanismo de acción anestésica de la lidocaína.
Los métodos directos de síntesis de lidocaína tienen como precursor la α-cloro-2,6dimetilacetanilida, la cual se amina con dietilamina por medio de una sustitución
nucleofílica selectiva. En este caso, el ataque nucleófilo al carbonilo del grupo amida es
desfavorecido por la relativa estabilidad del enlace C-N del grupo amida, generada por
la resonancia del par de electrones desapareados del nitrógeno con el grupo carbonilo;
mientras que la SN del Cl del carbono α-carbonilo es favorecida termodinamicamente.
En la FIGURA 7.2 se muestra el análisis retrosintético para la obtención de lidocaína a
partir de los precursores antes mencionados.
41
Cl
HN
H
N
N
Cl
CH3
H
N
NH2
O
Cl
Cl
O
O
CH3
Lidocaína
α-cloro-2,6-dimetilacetanilida
2,6-dimetilanilina
Figura 7.2. Retrosíntesis estándar de lidocaína a partir de 2,6-dimetilanilina.
La dietilamina actúa como nucleófilo y base, por lo que no sólo desplaza al ion cloruro
sino también reacciona con el cloruro de hidrógeno formado en la reacción. Por lo
anterior, el uso de un exceso de dietilamina es necesario para obtener altos
rendimientos de lidocaína.
Para aislar lidocaína del crudo de reacción, es necesario eliminar por filtración el
clorohidrato de dietilamina, seguido de la extracción de la lidocaína con ácido
clorhídrico acuoso. El clorohidrato resultante se trata con álcali para su conversión a
lidocaína neutra, la cual se extrae finalmente con éter de petróleo. La eliminación del
disolvente y su cristalización, completan la síntesis.
Objetivo general
9 Sintetizar lidocaína por medio de una sustitución nucleofílica selectiva sobre la
α-cloro-2,6-dimetilacetanilida.
•
•
•
Sintetizar la lidocaína por SN entre α-cloro-2,6-dimetilacetanilida y dietilamina.
Recristalizar la lidocaína a partir del crudo de reacción.
Recursos
Material
• Termómetro.
42
Reactivos
• α-cloro-2,6dimetilacetanilida.
• Dietilamina.
• THF.
• AcOEt.
• Tolueno.
• Hexano.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
vacío.
Procedimiento
Nota: todos los reactivos y equipos utilizados deben estar secos
1. Colocar 2.5 g de α-cloro-2,6-dimetilacetanilida (PM, 197.66; 0.012 n) en un matraz
de fondo redondo y añadir 45 ml de tolueno, seguido de 2.64 g de dietilamina
(PM,73.14-, 0.036 n).
2. Equipar el matraz con un condensador y llevar un reflujo vigoroso durante
90 minutos.
3. Dejar que la mezcla enfríe y aislar el sólido cristalino por filtración al vacío. Enjuagar
el sólido del filtro con un poco de hexano frío (30-60 °C).
4. Transferir el filtrado a un embudo de decantación y extraer con dos fracciones de
25 ml de HCl 3 M.
5. Agitar enérgicamente, con ventilación. Combinar los extractos acuosos ácidos en un
matraz Erlenmeyer de 250 ml y añadir 50 ml de solución de KOH 8 M para
alcalinizar fuertemente hasta pH=12. Se debe ver una capa fina de aceite de color
amarillo oscuro en el matraz.
6. Enfriar la mezcla alcalina por inmersión en un baño de agua helada con sal.
7. Si se forman los cristales, recoger la lidocaína en bruto por filtración al vacío y lavar
el sólido con un poco de agua fría. Permitir que los cristales sequen.
8. Recristalizar la lidocaína disolviéndola en hexano hirviendo, utilizando
aproximadamente 10 ml por gramo. Dejar que la solución enfríe, añadir carbón
activado y recalentar a ebullición.
9. Filtrar por gravedad en caliente y permitir que la solución se enfríe a temperatura
ambiente. Después poner en un baño de agua helada. Deben formarse agujas
largas blancas de lidocaína.
10. Determinar el rendimiento y punto de fusión (68-69 °C) del producto.
11. Si no hay cristales en la solución alcalina fría, transferirla a un embudo de
decantación y extraer con dos fracciones de 50 ml de hexano. La extracción debe
ser con agitación vigorosa y ventilación frecuente. Combinar ambas fracciones y
lavar con 25 ml de agua. Secar con K2CO3 anhidro.
12. Añadir carbón activado y calentar la solución a ebullición; después filtrar por
gravedad en caliente. Se concentra el filtrado a un volumen de aproximadamente
40 ml por evaporación.
13. Permitir que se enfríe a temperatura ambiente, seguido de un enfriamiento en un
baño de hielo-agua. Deben formarse agujas blancas cristalinas de Lidocaína.
14. Determinar el rendimiento y punto de fusión del producto.
Resultados
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
43
n = moles de lidocaína.
gr = peso en gramos de lidocaína.
PM = peso molecular de lidocaína.
Cálculos:
n α-cloro-2,6dimetilacetanilida
n
lidocaína
Gramos teóricos
lidocaína
Gramos exp. lidocaína
% de rendimiento experimental de Lidocaína: __________
Propiedades
Dietilamina
Lidocaína
Peso molecular
Coeficiente de partición
(Log Pow)
Punto de
fusión/ebullición
Apariencia
Solubilidad en agua
Observaciones
44
Actividad
1. Elaborar el mecanismo de acción de la SN entre la α-cloro-2,6-dimetilacetanilida y la
dietilamina.
a) ¿Cuál es el mecanismo de acción de la lidocaína?
b) ¿Qué tipo de SN (1 o 2) favorecería el rendimiento de lidocaína?
c) Mencione otros anestésicos locales con estructura análoga a la lidocaína.
45
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
46
Práctica Nº 8
Síntesis de pargilina por sustitución nucleofílica. Efecto del disolvente
La pargilina es un inhibidor de la enzima monoamino oxidasa (IMAO) con propiedades
antihipertensivas. Los IMAO inhiben la actividad de la enzima monoamino
oxidasa (MAO), lo cual evita la inactivación de los neurotransmisores monoamina,
aumentando su disponibilidad. Hay dos isoformas, la MAOA y MAOB. La MAOA
desamina preferentemente serotonina, melatonina, epinefrina y norepinefrina, y la
MAOB desamina feniletilamina y trazas de aminas. La pargilina inhibe el metabolismo
de las catecolaminas y la tiramina en las terminales nerviosas presinápticas. Las
catecolaminas causan cambios fisiológicos generales que preparan al cuerpo para la
actividad física (respuesta de lucha o huida). Algunos efectos típicos de las
catecolaminas son: aumento en la frecuencia cardiaca, presión arterial, niveles de
glucosa en la sangre, y una reacción general del sistema nervioso simpático.
La síntesis de pargilina por medio de sustitución nucleofílica (SN) se puede
conseguir por alquilación de N-bencilmetilamina (PM: 121.18) con bromuro de
propargilo (CHCCH2Br). Esta alquilación por sustitución puede ser vía SN1 o SN2, de
acuerdo con el número de moléculas participantes en la etapa determinante de la
velocidad de reacción (ver FIGURA 8.1). La vía SN1 conlleva generar un carbocatión,
cuya formación es estabilizada por la resonancia de un triple enlace C-C; mientras que
la vía SN2 implica la rotura del enlace C-Br y la formación del enlace N-C de manera
concertada.
N
NH
+
+
Br
N‐bencilmetilamina Bromuro de propargilo
HBr
Pargilina
Figura 8.1. Síntesis de pargilina por sustitución nucleofílica
En la FIGURA 8.2 se representa una serie de métodos alternativos que han sido
propuestos para la síntesis de pargilina. Los métodos implican reacciones de sustitución
nucleofílica para generar el producto esperado.
47
NH
N
Br
N
Br
Figura 8.2. Métodos alternativos de síntesis para obtener pargilina (modificado de:
http://www.chemdrug.com/databases/8_0_ybvvfeouifloipdw.html).
La naturaleza del solvente de reacción (prótico o aprótico) desempeña un papel
importante en esta síntesis orgánica, ya que éste puede favorecer distintivamente
ambas SN. Un disolvente polar prótico (H2O o ácido fórmico) con alta constante
dieléctrica (€) estabiliza el estado de transición de una reacción SN1 (formación del
carbocatión) y aumenta su velocidad, mientras que solventes polares apróticos (DMSO,
DMF y acetonitrilo) con baja constante dieléctrica, aumentan la velocidad del
desplazamiento nucleofílico en una reacción SN2.
Otro factor importante en las reacciones de SN es el efecto estérico de los
reactivos. Principalmente, el impedimento estérico disminuye la velocidad de una
reacción SN2 pero no afecta las reacciones SN1. Sin embargo, el orden de reactividad
de los haluros de alquilo en reacciones SN1 es el mismo que sigue la estabilidad del
carbocatión. El carbocatión más estable es el haluro de alquilo más reactivo. De esta
manera, la reactividad relativa de los haluros de alquilo en las reacciones SN1 es
exactamente contraria de SN2. Orden de reactividad:
SN1: metilo < primaria < secundaria < terciario
SN2: terciario < secundaria < primaria < metilo
48
La basicidad de las aminas permite separarlas de compuestos orgánicos neutros.
La mezcla que contiene la amina se disuelve en dietil éter y se agita con ácido
clorhídrico diluido (HCl) para obtener una sal de amonio (RNH3+). La sal iónica de
amonio se disuelve en la fase acuosa, la cual puede separarse del éter. La adición de
hidróxido de sodio a la capa acuosa convierte la sal de amonio de vuelta a una amina
neutra, la cual se elimina de la fase acuosa por extracción con una fracción de éter.
Objetivo general
9 Sintetizar pargilina por medio de la reacción de sustitución nucleofílica entre
N-bencil-N-metil amina y bromuro de propargilo.
•
•
•
•
•
Sintetizar una amina terciaria por SN.
Inducir, a través de la naturaleza del solvente, una SN1 o SN2 para esta reacción.
capa fina.
Identificar el mecanismo de reacción por el producto obtenido.
Recursos
Material
• Termómetro.
Reactivos
• N-bencilmetil amina.
• Bromuro de
propargilo.
• DMF.
• Acetonitrilo.
• Iso-propanol.
• Metanol.
• Éter.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
vacío.
• Fusiómetro.
Procedimiento
Mezcla de reacción
1. Medir 5.5 ml de N-bencilmetilamina (dens. 0.939 g/ml) y 3.8 ml de bromuro de
propargilo (dens. 1.33 g/ml) en un vaso precipitados de 50 ml. Añadir 0.1 g de
K2CO3 para alcalinizar ligeramente el medio.
2. Dividir en dos, colocando cada fracción en un matraz redondo de 50 ml. Distinguirlos
como medio prótico (P) o aprótico (A).
49
3. Utilizando una probeta o cilindro graduado, añadir a uno de ellos (A) 10 ml de DMF o
acetonitrilo (CH3CN), mientras que al otro (P) 10 ml de metanol, agua o isopropanol.
Colocar una barra magnética en cada matraz.
4. Bajo campana y agitando magnéticamente, calentar ambas mezclas de reacción a
60 °C en una placa. Utilizar un termómetro para monitorear la temperatura interna.
5. Luego que se homogenice la mezcla, calentar a reflujo utilizando un condensador
por un periodo adicional de 30 minutos aprox. a 100 °C para completar la reacción.
6. Monitorear la reacción por CCF, obteniendo con un capilar una alícuota del medio
de reacción cada 5 minutos. Precaución: evítese inhalar los grases de bromo
durante la operación.
7. Si el rendimiento es bueno, aislar la pargilina retirando el matraz de la placa y
permitiendo que se enfríe hasta temperatura ambiente. Si la cristalización no ha
ocurrido, raspar las paredes del matraz con un agitador de vidrio hasta iniciar la
cristalización.
8. Enfriar bien la mezcla en un baño de hielo por 15 a 20 minutos y recoger los
cristales por filtración al vacío en un embudo Büchner.
9. Si no cristaliza, agregar ácido clorhídrico diluido para generar el clorhidrato de
pargilina, y resuspender el crudo de reacción en aprox. 25 ml de agua.
10. Separar ambas fases con una pera de decantación y, posteriormente, formar la
amina neutra alcalinizando la fase acuosa hasta pH 12 con solución 1 N de NaOH.
La fase orgánica puede ser lavada otra vez repitiendo la misma operación.
11. Agregar a la fase acuosa suficiente éter para disolver la amina neutra (base libre) y
agitar en varias ocasiones.
12. Separar con la pera de decantación la fase orgánica, donde está la amina neutra de
la fase acuosa. La fase acuosa puede ser lavada otra vez repitiendo la operación del
paso 11.
13. Concentrar el producto de reacción evaporando el solvente remanente (éter). Anotar
la apariencia de los cristales en el manual de laboratorio (sección de Actividades).
14. Calcular el porcentaje de rendimiento de pargilina (PM=159.22, pf. 160-163 °C),
tomando en cuenta la cantidad de reactivo utilizada.
15. Si es necesario, recristalizar la pargilina siguiendo la metodología para aminas
terciarias.
16. Pesar la pargilina y determinar el punto de fusión del producto seco. El punto de
fusión de la pargilina pura es 160-163 °C.
Resultados
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de pargilina
gr = peso en gramos de pargilina
PM = peso molecular de pargilina
50
Cálculos:
n
N-bencilmetilamina
n
pargilina
Gramos teóricos
pargilina
pargilina
% de rendimiento experimental: _________________
Propiedades
N-bencilmetilamina
Bromuro de
propargilo
Pargilina
Peso molecular
Coeficiente de
Punto de
fusión/ebullición
Apariencia
Solubilidad en
agua
Observaciones
Actividades
1. Contestar el siguiente cuestionario.
a) ¿Cuáles son las características tóxico-farmacológicas más importantes de la
pargilina?
51
b) ¿Cuáles son los principales factores que determinan el rendimiento experimental en
esta reacción?
c) ¿Qué influencia tiene el disolvente prótico o aprótico utilizado en la reacción?
d) ¿Qué factores determinan la formación de un carbocatión?
2. Elaborar ambos mecanismos de reacción por sustitución nucleofílica 1 y 2 entre
N-bencilmetilamina y bromuro de propargilo.
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
52
Práctica Nº 9
Reacción de Mannich. Síntesis de tolperisona
Muchos fármacos son producto de un proceso de síntesis complejo que implica
comúnmente varias reacciones. Entre las estrategias de síntesis, son preferibles
aquellas que generan mayor número de enlaces entre los reactivos, con un alto
rendimiento y selectividad. Una de las reacciones más interesantes es la de Mannich,
que está estrechamente relacionada con la condensación de Knoevenagel; ambas
tienen como producto intermedio un ion iminio. La reacción se lleva a cabo en solución
ligeramente ácida y permite la aminometilación de cetonas y aldehídos. Por ejemplo, la
reacción de Mannich se puede utilizar para añadir un grupo alquilo en la condensación
de α-norefedrina con formaldehído y m-metoxiacetofenona para generar oxifedrina, un
vasodilatador coronario.
La especie electrófila es el ion iminio derivado de la condensación entre la amina
y el formaldehido. La reacción es bastante general para aldehídos y cetonas que tienen
al menos un hidrógeno enolizable. En la práctica, se limita a aminas secundarias, ya
que la dialquilación se convierte en un problema significativo con aminas primarias. La
reacción de dialquilación, sin embargo, se puede utilizar ventajosamente en la
construcción de sistemas anulares (anillos). La reacción de Mannich es importante en la
formación de muchas moléculas en la naturaleza que contienen nitrógeno. Como
resultado, desempeña un papel importante en la síntesis total de compuestos
biogénicos.
La 1-(fenil)-3-(piperidin-1-il)propan-1-ona (1; PM, 253.77) es un precursor de
diversos fármacos. La síntesis de esta molécula tiene la ventaja de partir de reactivos
comunes en síntesis orgánica (acetofenona, formaldehido y piperidina). En la
FIGURA 9.1 se muestra su síntesis por medio de reacción de Mannich y su posterior
transformación a diversos fármacos, como trihexifenidil, antagonistas muscarínicos de
acción central utilizado para el tratamiento de los trastornos parkinsonianos, y como
antiespasmódico; biperidina, antagonista muscarínico que tiene efecto en el SNC y
SNP; cicrimina, utilizado en el tratamiento y manejo de Parkinson ya que reduce los
niveles de acetilcolina y contribuye al equilibrio con la dopamina. La obtención de estos
fármacos conlleva la adición de un reactivo de Grignard (RMgX) al grupo carbonilo.
La reacción de Mannich permite utilizar una acetona o aldehído, siempre y
cuando éste genere un solo anión enolizable, ya que esto evita la obtención de varios
subproductos de reacción. También, una ventaja de esta síntesis es que permite utilizar
una la amplia diversidad de amina primaria y secundaria condensables con el
formaldehido (NH3, RNH2, R1R2NH).
53
O
O
H
N
O
+
Trihexifenidil N
+
H
H
1
+
HO
OH
H
N
+
N
O
Oxifedrina +
O
N
OH
+
N
OH
Biperidina Cicrimina Figura 9.1. Síntesis de 1-(fenil)-3-(piperidin-1-il)propan-1-ona con reacción de Mannich y
su posterior transformación a diversos fármacos.
para la obtención de Tolperisona, sólo se sustituye la acetofenona por
4-metilpropiofenona (4-MMP) en la reacción anterior. La tolperisona se indica en
enfermedades que se acompañan de espasmos musculares dolorosos, como el
síndrome de columna vertebral, dolor muscular por enfermedades degenerativas y
fibromialgias. La tolperisona contiene un centro quiral. La tolperisona racémica está
disponible comercialmente como clorohidrato bajo los siguientes nombres comerciales:
Mydeton ®, Mydocalm ®, Midocalm ® y Muscalm ®. La obtención de tolperisona con la
reacción de Mannich ha sido descrita previamente (Kazuharu et al., 1994). Los
rendimientos publicados son relativamente altos, sin embargo es necesario eliminar los
subproductos por extracción acuosa.
O
O
H
N
O
+
H
H
Formaldehido 4-MMP N
+
Piperidina
Tolperisona Figura 9.2. Síntesis de tolperisona vía reacción de Mannich.
Una estrategia en este tipo de reacciones es sustituir el formaldehido por 1,3-dioxolano
(C3H6O2) o para-formaldehído (OH(CH2O)3H). El 1,3-dioxolano es un disolvente aprótico
potente y un ingrediente esencial en la síntesis de polímeros industriales y precursores
farmacéuticos, mientras que el para-formaldehído es un poli-acetal que es
despolimerizado a formaldehído gaseoso por calentamiento en seco, o a formaldehído
acuoso en presencia de solución alcalina.
54
Objetivo general
9 Sintetizar tolperisona por medio de la reacción de Mannich.
•
•
•
Sintetizar tolperisona con 4-metilpropiofenona, formaldehído y piperidina.
Recristalizar la tolperisona a partir del crudo de reacción.
Recursos
Material
• Termómetro.
Reactivos
• 4-metilpropiofenona.
• Formaldehído.
• Piperidina.
• THF.
• AcOEt.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
al vacío.
Procedimiento
Síntesis de tolperisona
1. En un matraz de 100 ml conectado a un condensador de reflujo y en atmósfera
inerte (flujo de nitrógeno), agregar 20 ml de solución de formaldehído (35 %) y 5 ml
de 4-metilpropiofenona bajo agitación magnética.
2. A través de un embudo de cristal, añadir 3 g de clorhidrato de piperidina y 0.5 ml de
ácido clorhídrico acuoso al 33 %. Enjuagar el embudo con 2 ml de solución de
formaldehído.
3. Purgar la atmósfera de reacción con nitrógeno gaseoso y calentar con agitación en
un baño maría a 100-105 °C. Procurar que la temperatura interna sea 83-86 °C.
4. Monitorear la presencia de piperidina por CCF hasta que ésta desaparezca (pueden
pasar varias horas). Esperar a que el precipitado blanco se disuelva.
5. Después de ello, desconectar y retirar del baño maría; mientras todavía está
caliente, y bajo agitación vigorosa, añadir 40 ml de acetato de etilo.
6. Dejar enfriar la solución a temperatura ambiente y después agregar 20 ml de metil
terc-butil éter (MTBE). El precipitado resultante se agita a 10 °C durante 30 minutos
y se separa por filtración en un papel filtro.
55
7. Lavar dos veces con 10 ml de MTBE. La sustancia se seca en el horno al vacío a
75-80 °C durante 10 a 14 horas.
Purificación del clorhidrato de tolperisona
8. Agregar la tolperisona desecada en el paso anterior a un matraz redondo de 100 ml
conectado a reflujo y con agitación magnética.
9. Agregar 15 ml de isopropanol y calentar la mezcla de reacción hasta el punto de
ebullición. Debe aparecer una solución clara.
10. Mezclar la solución caliente con 45 ml de MTBE y dejar enfriar bajo agitación
constante a temperatura ambiente durante 12-16 horas.
11. Enfriar la suspensión resultante a 5-10 °C; retirar de la agitación después de 2 a
3 horas.
12. Lavar el precipitado dos veces con 15 ml de MTBE y dejar secar en el horno de
vacío a 60 °C durante 12 horas.
Resultados
n=
gr
PM
%R=
gr = n * PM
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de tolperisona.
gr = peso en gramos de tolperisona.
PM = peso molecular de tolperisona.
Cálculos:
n 4metilpropiofenona
n
tolperisona
Gramos teóricos
tolperisona
tolperisona
% de rendimiento experimental de tolperisona: __________
56
Propiedades
Peso molecular
Coeficiente de
Punto de
fusión/ebullición
Apariencia
Solubilidad en agua
4-metilpropiofenona
Piperidina
Tolperisona
Observaciones
Actividad
1. Elaborar el mecanismo para la reacción de Mannich entre
piperidina y formaldehído.
4-metilpropiofenona,
57
2. Responder el siguiente cuestionario.
a) ¿Cuál es el mecanismo de acción de la tolperisona?
b) ¿Qué tipo de condiciones favorece el rendimiento en una reacción de Mannich?
c) Mencione un par de ejemplos donde se utilice la reacción de Mannich para obtener
otros fármacos.
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
58
Práctica Nº 10
Resolución diastereomérica de una
mezcla racémica. Ibuprofeno racémico
En el ambiente biológico, los fármacos quirales actúan selectivamente con su receptor
por su estereoquímica, desencadenando un efecto específico. En este caso, cada
enantiómero ejerce un efecto fisiológico diferente, lo cual implica que se comercialicen
por separado. Contrario a ello, hay enantiómeros con un mismo receptor y, por ende,
con un identico efecto. Dichos fármacos se comercializan como mezclas recémicas.
Esto mismo aplica en el caso de que un enantiómero sea inactivo.
En la FIGURA 10.1 se muestran fármacos quirales comercializados como mezclas
racémicas (R,S) o como enantiómeros puros. La necesidad de sintetizar un
enantiómero en partícular, ha implicado el uso de auxiliares quirales en síntesis
química. La síntesis asimétrica es definida como «el proceso por el cual una reacción
química forma uno o más elementos de quiralidad en un sustrato, o que produce una
estereoisomérica (enantioméricas o diastereoisoméricas) en cantidades desiguales».
Esta disciplina ha encontrado una amplia aplicación para una variedad de reacciones
en los últimas tres décadas.
CH3
O
CH3
O
S‐mexiletina
NH2
R,S‐anfetamina
Cl
H3 C
HN
O
CH3
D‐penicilamina
OH
OH
H
N
Cl
NH2
CH3
HS
NH2
CH3
OH
H3 C
CH3
R,S‐ketamina
H
N
O
CH3
CH3
S‐Propranolol
CH3
H2 N
R‐clenbuterol
N
H
F
F
Cl
CH3
O
H
3C
N
H
HO
CH3
F
O
CH3
O
O
H
CH3
O
H3 C
O
R,S‐fenilfenidato
CH3
O
O
H H
R,S‐fluoxetina
O
O
Acetato de cortisona
HN
R,S‐éxtasis
CH3
Figura 10.1. Fármacos quirales comercializados como mezclas racémicas (R,S) o como
enantiómeros puros.
59
Uno de los primeros objetivos en esta área fue controlar la formación de
productos quirales en condensaciones aldólicas utilizando auxiliares quirales. Un detalle
importante es que el auxiliar quiral (Aq) debe ser fácilmente disponible y recuperable del
crudo de reacción. En general, las principales cuestiones de las transformaciones
diastereoselectivas utilizando auxiliares quirales, son:
•
•
•
El auxiliar quiral debe inducir un proceso de enolisis altamente selectivo (producir un
solo producto).
Debe interaccionar molecularmente en la formación del nuevo enlace.
Su recuperación o destrucción no debe causar racemización.
Actualmente se dispone de una cantidad impresionante de auxiliares quirales. La
FIGURA 10.2 muestra algunos de los auxiliares quirales aplicados exitosamente en los
últimos años. En su mayoría, los auxiliares quirales son moléculas de síntesis de bajo
costo o de fuentes quirales naturales. Las reacciones controladas asimétricamente con
auxiliares quirales son: las α-alquilaciones de compuestos carbonílicos, condensación
aldólica y las reacciones Diels-Alder.
Figura 10.2. Auxiliares quirales aplicados con éxito en síntesis asimétrica.
Otro aspecto práctico importante en la química asimétrica es la resolución de mezclas
racémicas. Una opción para resolver mezclas racémicas es la formación de
diasteroisómeros con distintas propiedades fisicoquímicas que permitan separarlos. Se
hace reaccionar la solución racémica con un agente quiral para obtener los
diasteroisómeros, se separan y después se regenera cada enantiómero por separado.
60
Métodos alternativos implican la resolución catalizada por enzimas enantioselectivas
producidas por diversos microorganismos.
En esta práctica se resolverá una mezcla racémica de (S,R) ibuprofeno, un
antiinflamatorio no esteroideo (AINE) que exhibe propiedades analgésicas, antipiréticas
y antiinflamatorias. El ibuprofeno antagoniza la conversión del ácido araquidónico en
prostaglandina E2, que sirve como un mensajero endógeno para la vasodilatación
(inflamación) y la percepción del dolor. Farmacológicamente, el S-ibuprofeno tiene
actividad biológica, mientras que el enantiómero R es inactivo, aunque se comercializa
principalmente como una mezcla recémica. La resolución experimental de ibuprofeno
conlleva la reacción de amidación con la α-fenetilamina, una amina ópticamente activa;
su posterior separación como diasteroisómeros y, por último, su hidrólisis para separar
el auxiliar quiral (amina).
Objetivo general
9 Resolver una mezcla racémica de ibuprofeno.
•
•
•
Sintetizar diaesteroisómeros a partir de ibuprofeno y α-fenetilamina.
capa fina (CCF).
Recristalizar el ibuprofeno a partir del crudo de reacción.
Recursos
Material
• Termómetro.
Reactivos
• Ibuprofeno.
• α-fenetilamina
THF/AcOEt.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
al vacío.
Procedimiento
Formación y separación de las sales diastereoméricas
1. Anadir 3.06 g (14,8 mmol) de R,S-ibuprofeno racémico a 30 ml de KOH 0.5 M y se
calienta en un baño de agua a 75-85 °C.
61
2. Añadir 1.9 ml, de S-α-fenetilamina (dens. 0.94 g/ml; 14,8 mmol) gota a gota y
calentar a 75-85 °C con agitación durante 1 hora.
3. Dejar enfriar a temperatura ambiente. La sal diastereomérica se recoge por filtración
al vacío y se lava con 2-3 ml de agua fría helada (compuesto ‘A’). El filtrado acuoso
se mantiene en el matraz de filtración (compuesto ‘B’).
Recuperación de enantiómeros de ibuprofeno por separado (compuestos A y B).
4. El compuesto ‘A’ se recristaliza con 30 ml de 2-propanol. Después, 25 ml de H2SO4
2M se añaden a la sal y la solución se agita durante 5 minutos.
5. La capa acuosa se extrae con 3 fracciones de 15 ml de metil-t-butil-éter (MTBE)
mezclado con 15 ml de agua, y luego con 15 ml de una solución saturada de NaCl.
El MTBE se seca con sulfato de sodio anhidro, y el MTBE se evapora produciendo
1.25 g de ibuprofeno (enantiómero ‘A’, pf. 76-78 °C).
6. Para recuperar el otro enantiómero, añadir 25 ml de H2SO4 2 M a la solución filtrada
(compuesto ‘B’) y se agita durante 5 minutos.
7. La capa acuosa se extrae como en el paso 5. El MTBE se seca con sulfato de sodio
anhidro, y el MTBE se evapora produciendo 0.95 g de ibuprofeno (enantiómero ‘B’,
oleoso semisólido).
Polarimetría
8. Disolver 1 g de producto ‘A’ en 5.0 ml de etanol y medir la rotación óptica en el
polarímetro con una lámpara de sodio y una celda de 10 cm. Los resultados se
proporcionan en forma de laboratorio (Parte III).
9. Disolver 0.76 g de producto ‘B’ en 5.0 ml de etanol y medir la rotación óptica como
en el paso anterior.
Resultados
A partir del procedimiento efectuado, determinar la pureza óptica y eI ee con base en el
rendimiento teórico, utilizando las siguientes fórmulas:
PO = [α]obs / [α]esp X 100
ee = [ (R-S) / (R+S) ] X 100
Cálculos:
62
Masa (g)
Volumen
(ml)
α
[α]
Enantiómero R
Enantiómero S
Utilizando los valores reportados en la literatura de rotación óptica para cada
enantiómero puro de ibuprofeno, complete la siguiente tabla para la pureza óptica y el
exceso enantiomérico.
Pureza
óptica
%R
S
% de exceso
enantiomérico
Mezcla A
Mezcla B
Observaciones
Actividad
1. Elabore un esquema que represente la formación de diastereoisómeros a partir de
ibuprofeno y α-fenetilamina.
63
a) Mencione cinco principios activos quirales cuyod enantiómeros presenten distinta
farmacología.
b) ¿Qué diferencias fisicoquímicas tienen los diaestereoisómeros formados?
c) Mencione al menos otros tres métodos utilizados para la resolución enantiomérica
de fármacos.
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/grupo/turno
Calificación
64
Práctica Nº 11
Síntesis de acetaminofén por N-acilación
La reacción de acetilación es funtamental en los procesos de síntesis y semisíntesis de
fármacos. Muchos grupos funcionales son acetilables, principalmente en el ambiente
biológico las funciones –NH y –OH. Ciertos fármacos potencian su actividad cuando
son acetilados, proceso que sirve para proteger el principio activo de la degradación
generada por el ambiente biológico. Por ejemplo, la acetilación de dos funciones
hidróxilo en la morfina aumenta significativamente la potencia farmacológica en la
heroína. En otros casos, la acetilación es inducida en la molécula con el fin de modificar
las propiedades físicas del fármaco y, con ello, mejorar su farmacocinética.
Las funciones aminas son acetilables por N-acilación, siempre y cuando no haya
un impedimento estérico sobre el nitrógeno (aminas primarias y secundarias,
preferentemente). El producto formado es una amida, un grupo carbonilo enlazado a un
nitrógeno por un enlace semi-doble. La resonancia establecida en el sistema π: O=C-N
genera cierta rigidez molecular a este grupo funcional, determinante en el plegamiento
de las proteínas. También, el grupo amida ejerce interacciones polares con las
moléculas de agua mediante puentes de hidrógeno, lo que lo hace muy compatible con
el ambiente biológico.
Farmacocinéticamente, el metabolismo hepático de un fármaco con funciones
amina implica reacciones de N-acilación, aumentando así la solubilidad en agua y, por
ende, la excreción del metabolito por vía renal. Éste es un ejemplo de cómo aspectos
estructurales pueden determinar propiedades farmacocinéticas.
El acetaminofén (paracetamol ®) es una amida que actúa como un antipirético,
está indicado para aliviar el dolor muscular o de cabeza. Se encuentra en varias
preparaciones analgésicas (Alagesic, Amacodone, Co-codamol), algunas de las cuales
pueden contener otros ingredientes tales como cafeína, barbitúricos y analgésicos
opioides. El acetaminofén genera su efecto analgésico inhibiendo la síntesis de
prostaglandinas en el sistema nervioso central. Las prostaglandinas son potentes
hormonas producidas en diversos tejidos a partir de ácido araquidónico. Además, el
acetaminofén actúa reduciendo la fiebre al actuar en el centro regulador de la
temperatura del cerebro. A diferencia del ácido acetilsalicílico, el acetaminofén no tiene
efectos antiinflamatorios; tampoco irrita el estómago y no produce úlceras gástricas, al
no ser ácido. Una sobredosis de acetaminofén puede causar daño fatal al hígado.
Para la síntesis de acetaminofén se hará reaccionar el p-aminofenol con
anhídrido acético, para producir la N-acilación de la amina aromática. Un subproducto
puede generarse con la acetilación del -OH aromático, por lo que las condiciones de
reacción deben inclinar la selectividad hacia la N-acilación.
El grupo fenol del acetaminofén puede ser etanolizado para dar fenacetina, un
analgésico y antipirético muy eficaz; sin embargo, fue también el primer fármaco
antiinflamatorio no esteroideo (AINE) que se asoció con insuficiencia renal. Otro
análogo estructural con actividad biológica es el practolol, un antagonista betaadrenérgico que se ha utilizado en el tratamiento de emergencia de las arritmias
cardiacas. Este último se obtiene por introducir una isopropilamina a un propil
65
2,3 epoxilado. Otro fármaco recientemente sintetizado a partir del paracetamol es el
nitroparacetamol (NCX-701), el cual libera óxido nítrico, tiene potentes propiedades
antinociceptivas y antiinflamatorias (ver FIGURA 11.1).
O
NH2
H
N
O
+
O
H3 C
O
CH3
HO
Acetaminofén
HO
p- aminofenol
+
O
CH3
Anhídrido acético
+
H
N
OH
NH
H
N
O
CH3
CH3
CH3
O
O
Fenacetina
O
O
O
NCX-701
Practolol
H3 C
OH
H
N
CH3
NH
O
H3 C
O
Figura 11.1. Síntesis de acetaminofén y principales derivados bioactivos.
En la práctica, el p-aminofenol adqiere un color negro al oxidarse o cuando se expone
al aire, por lo que es mejor usar una muestra recién adquirida, o al menos con un color
grisáceo. Si es necesario, el material negro se puede decolorar mediante calentamiento
en una solución acuosa al 10 % de hidrosulfito de sodio antes de comenzar el
experimento.
Cualitativamente, la pureza del acetaminofén puede ser determinada por su
punto de fusión, el cual disminuye con el grado de impureza, o por HPLC.
Objetivo general
9 Sintetizar acetaminofén por medio de reactivos convencionales.
•
•
•
66
Aprender a identificar el mecanismo de reacción.
Conocer cómo se puede aplicar la química orgánica a la química farmacéutica.
Identificar el proceso de síntesis de un compuesto químico a partir de sus
principales precursores.
•
Asimismo, que el alumno adquiera destreza en el manejo del medidor de pH o
pH-metro, un instrumento básico en el laboratorio químico.
Recursos
Material
• Barras magnéticas de
agitación.
• Termómetro.
• Mangas.
Reactivos
• p-nitrofenol (1.5 g).
• Anhídrido acético (1.7 ml).
• Metanol.
• Hidrosulfito de sodio.
• Hielo.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
al vacío.
• Fusiómetro.
Procedimiento
Mezcla de reacción
1. Pese cerca de 1.5 g de p-aminofenol (FW=109.1) y colóquelos en un matraz
Erlenmeyer de 50 ml.
2. Utilizando una probeta o cilindro graduado, añada 4.5 ml de agua y 1.7 ml de
anhídrido acético (FW=102.1, d=1.08 g/ml).
3. Coloque una barra magnética en el matraz.
4. Caliente la mezcla de reacción, agitando continuamente, directamente en una
hornilla utilizando un termómetro para monitorear la temperatura interna (cerca de
100 °C).
5. Luego de que el sólido se haya disuelto (puede disolverse, precipitar y redisolverse),
caliente la mezcla por un periodo adicional de 10 minutos a cerca de 100 °C para
completar la reacción.
Aislamiento del acetaminofén crudo
6. Retire el matraz de la hornilla y permita que se enfríe hasta temperatura ambiente.
Si la cristalización no ha ocurrido, raspe las paredes del matraz con un agitador de
vidrio hasta inducir la cristalización.
7. Enfríe bien la mezcla en un baño de hielo por 15 a 20 minutos y recoja los cristales
por filtración al vacío en un embudo Büchner.
8. Enjuague el matraz con 5 ml de agua en hielo (bien fría) y transfiera esta mezcla al
embudo Büchner.
9. Lave los cristales en el embudo con dos porciones adicionales de 5 ml de agua fría.
67
10. Seque los cristales por 5 a 10 minutos, ventilando la muestra mientras permanece
en el embudo Büchner. Durante este periodo de secado, desbarate los grumos con
una espátula.
11. Transfiera el producto a un vidrio de reloj y permita que los cristales se sequen al
aire. Tomará varias horas en secarse bien el acetaminofén, pero puede pasar al
próximo paso antes de que esté completamente seco.
12. Pese el producto crudo y saque aparte una pequeña muestra para determinar el
punto de fusión.
13. Calcule el porcentaje de rendimiento del acetaminofén crudo (FW=151.2). Anote la
apariencia de los cristales en su libreta de laboratorio.
Cristalización de acetaminofén
14. Coloque el acetaminofén en un matraz Erlenemeyer de 50 ml.
15. Cristalice el material con una mezcla 50-50 % agua-metanol v/v. La solubilidad del
acetaminofén en esta mezcla caliente (casi a ebullición) es de 1 g / 5 ml. Puede usar
este número para deducir la cantidad de solvente requerida para disolver el sólido.
16. Añada pequeñas porciones de solvente caliente hasta que el sólido se disuelva y
permita que la mezcla se enfríe lentamente a temperatura ambiente.
17. Cuando la mezcla esté a temperatura ambiente, coloque el matraz en un baño de
hielo por al menos 10 minutos. Si es necesario, induzca la cristalización raspando
con la varilla de vidrio la pared interior del matraz. Debido a que el acetaminofén
cristalizará lentamente del solvente, es necesario enfriar el matraz en un baño de
hielo por un periodo de 10 minutos.
18. Recoja los cristales en un embudo Büchner. Coloque el producto en un vidrio de
reloj y déjelo secar hasta el próximo periodo de laboratorio.
19. Pese el acetaminofén (FW=151.2) y determine el punto de fusión del producto seco.
El punto de fusión del acetaminofén puro es 169-171 °C.
20. Calcule el porcentaje de rendimiento. Este cálculo deberá estar basado en la
cantidad original de p-aminofenol utilizada al comienzo de este procedimiento.
21. Compare el punto de fusión del producto crudo con el del producto final. También
compare los colores del crudo y del acetaminofén puro.
Prueba de pureza
22. Usar tricloruro férrico como revelador para detectar fenoles. Si en la muestra final
hay presencia de ácido salicílico, se obtendrá un color violeta intenso.
Resultados
Del procedimiento realizado, determinar el rendimiento experimental en base al
rendimiento teórico utilizando las siguientes fórmulas:
68
n=
gr
PM
gr = n * PM
%R=
g experimentales
*100
g teóricos
n = moles de acetaminofén.
gr = peso en gramos de acetaminofén.
PM = peso molecular de Acetaminofén:
Cálculos:
n
p-aminofenol
n acetaminofén
Gramos teóricos
acetaminofén
acetaminofén
Prueba de coloración de tricloruro férrico: __________
Observaciones
Actividad
a) ¿Cuáles son las características físico-químicas más importantes del acetaminofén?
b) ¿Por qué algunas sustancias forman cristales y otras forman polvos?
69
c) ¿Cuáles son los principales factores que determinan la diferencias entre el
rendimiento teórico y experimental?
2.- Elabora el mecanismo de reacción de la síntesis de acetaminofén:
70
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Grado/grupo/turno
Fecha
Calificación
71
Práctica Nº 12
Biopolímeros: preparación de
micropartículas de quitosano/caseína/fármaco
Recientemente, los sistemas de liberación de fármacos han mejorado con la aplicación
de los avances obtenidos en el campo de la nanotecnología. La nanotecnología
farmacéutica se centra en la formulación terapéutica de nanoformas biocompatibles con
los principios activos, tales como nanopartículas, nanocápsulas, sistemas micelares y
conjugados. El fármaco se disuelve, se atrapa o se encapsula por la matriz de la
nanopartícula.
Los sistemas basados en nanopartículas, desarrollados para la administración de
fármacos, incluyen polímeros biodegradables, micelas poliméricas, nanopartículas
sólidas, nanopartículas lipídicas (nanoliposomas), nanopartículas inorgánicas,
dendrímeros y nanopartículas magnéticas. Las nanocápsulas son sistemas vesiculares
en el que el fármaco es confinado a una cavidad rodeada por una estructura límite,
mientras que las nanoesferas son sistemas esféricos en la que el fármaco se dispersa
físicamente y de manera uniforme.
Entre los vectores de liberación controlada más recientes, los acurines (accurins)
representan la próxima generación de farmacoterapias basadas en la nanotecnología.
Los acurines son nanopartículas en cuyo interior pueden ser transportados fármacos.
En la superficie de estos vectores se contienen ligandos que reconocen proteínas o
receptores específicos de las células asociadas a la enfermedad.
Principalmente por su capacidad de liberar fármacos citotóxicos de manera
controlada en la escala tisular, celular y molecular, los acurines están diseñados para
tratar tumores. Actualmente, el potencial benéfico terapéutico de la primera de estas
moléculas, BIND-014, está siendo evaluado en fase clínica.
La tecnología del hidrogel ha dado lugar a avances importantes en la industria
farmacéutica y biomédica. Por definición, los hidrogeles son redes poliméricas con
configuración tridimensional capaz de embeber grandes cantidades de agua o fluidos
biológicos. Como agentes biofarmacéuticos, los hidrogeles han ayudado a mejorar la
seguridad, la biodisponibilidad y la eficacia de los fármacos; además de proteger de la
degradación química y enzimática a dichos agentes terapéuticos en sistemas de
liberación controlada. Su capacidad de hidratarse se debe a la presencia de grupos
hidrófilos tales como -OH, -CONH2 y -SO3H. Dependiendo de la naturaleza del medio
acuoso y de la composición del polímero, éste sufre diferentes grados de hidratación (a
veces, más de 90 % en peso).
Entre las propiedades fisicoquímicas y biológicas de esta clase de biomateriales,
están su alta hidratabilidad, su consistencia blanda y la baja tensión interfacial con agua
u otros fluidos biológicos. Un factor que influye en la hidratación de los hidrogeles es la
densidad de reticulaciones presentes en la estructura. Estos enlaces cruzados en la red
del polímero son proporcionados por enlaces covalentes, puentes de hidrógeno,
interacciones de Van der Waals o enrejados físicos.
73
Tabla 12.1. Polímeros hidrofílicos usados en la preparación de hidrogeles.
Polímeros naturales y derivados
• Catiónicos: quitosano, trimetilquitosano, poli-lisina.
• Aniónicos: ácido hialurónico, ácido algínico, pectina, carragenina, sulfato de condroitina,
dextran sulfato.
• Anfipáticos: colágeno (gelatina), carboximetil quitina, quitosano, caseína, fibrina.
• Neutros: dextrano, agarosa.
Polímeros sintéticos
• Poliésteres: poli-etilenglicol (PEG); poli-etilenglicol-ácido láctico (PEG-PLA); PEGpolicaprolactona (PEG-PCL); poli-hidroxibutirato (PHB), PEG-polióxido de butileno (PEGPBO tereftalato).
• Otros polímeros: PEG-bis-(PLA-acrilato), PEG-ciclodextrina (PEG-CD), poliacrilamida
(PAAm), poli-(N-isopropilacrilamida)-poliacrilato, (PNIPAAm- PAC).
Polímeros semi-sintéticos
Quitosano-PAAm; PEG-péptidos (PEG-P); alginato-poli (óxido de etileno); colágeno-acrilato;
alginato-acrilato; ácido hialurónico- NIPAAm.
El mecanismo de liberación del fármaco del hidrogel tiene tres factores principales:
difusión del fármaco, hidratación del hidrogel y reactividad química entre fármaco y
vector. Los hidrogeles son capaces de alterar su volumen y propiedades FQ en
respuesta al pH, la temperatura, la fuerza iónica y el campo eléctrico. Entre sus
aplicaciones biomédicas y farmacéuticas están la administración controlada de
fármacos, la separación molecular, la regulación de la actividad enzimática y la
biocompatibilidad en implantes tisulares.
Varios sistemas de hidrogeles naturales, sintéticos y semisintéticos se han
desarrollado en los últimos años, cada uno con sus propias ventajas e inconvenientes.
Los geles sintéticos de PAAm y PNIPAAm tienen características que ayudan a la
administración de fármacos. Sin embargo, hay propiedades tóxicas en las acrilamidas
(cancerígenas), por lo que en el laboratorio debe tenerse mayor precaución en su
manejo.
Entre los polímeros naturales más biocompatibles, el quitosano tiene bastantes
ventajas como biomaterial de partida en la manufactura de prótesis, injertos, implantes
y dispositivos de liberación controlada; además de ser utilizado como cicatrizante en
quemaduras y apósitos, piel artificial, adyuvante inmunológico, vehículo oftálmico,
regenerador neuronal y óseo, antioxidante y espermicida. En la FIGURA 12.1 se muestra
la estructura de quitina, la cual se convierte a quitosano una vez desacetilada.
74
Quitina
Caseína
Desacetilación
Quitosano
Figura 12.1. Estructura de los biopolímeros de quitina, quitosano y caseína.
Objetivo general
9 Sintetizar micropartículas de quitosano/caseína/antibiótico como sistema de
liberación controlada.
•
•
•
Preparar microesferas de quitosano y caseína como medio de transporte para
antibióticos.
Utilizar distinta cantidad de entrecruzante para variar el tamaño de partícula.
Recursos
Material
• Matraz redondo de 100 ml.
• Agitadores magnéticos .
• Termómetro.
• Refrigerante.
Reactivos
• Caseína.
• Quitosano.
• Glutaraldehido.
• Antibiótico.
• Hidróxido de sodio.
• Ácido acético glacial.
• Ácido cítrico.
• Bicarbonato de sodio.
• Fosfato de potasio.
• Fosfato disódico.
• Tetraborato de sodio.
• Cloruro de sodio.
Equipos
• Termobaño.
• Estufa.
vacío.
75
Procedimiento
Buffer a preparar
pH = 4 (ácido cítrico / hidróxido de sodio / cloruro de sodio).
pH = 7 (dihidrógeno fosfato de potasio / hidrógeno fosfato disódico).
pH = 10 (tetraborato de sodio / hidróxido de sodio).
Preparación de micropartículas de quitosano-caseína conteniendo antibiótico
1. Añadir 0.25 g de quitosano a 250 ml de una solución de ácido acético 1 % y agitar
durante una noche hasta formar una solución transparente.
2. Preparar soluciones de caseína a 5 % mediante la adición de una cantidad
apropiada de caseína en polvo a una solución de NaOH 1 N. Agitar hasta obtener
una solución clara. Conservar en refrigeración hasta su uso.
3. Añadir con agitación magnética en un vaso de precipitados: 25 ml de solución 1 %
de caseína; 25 ml de solución de quitosano 1 % y 0.05 % de fármaco, con base en
el peso de los biopolímeros.
4. Una vez formada la mezcla de reacción se agita durante otros 30 minutos.
5. Posteriormente añadir gota a gota 5 % de glutaraldehído (en peso de los
biopolímeros) y agitar durante 30 minutos más.
6. El precipitado se filtra a vacío en un embudo Büchner y se lava con agua destilada
hasta pH neutro.
7. El producto se seca en un horno a 200 °C y se conserva en un desecador.
8. Las micropartículas se dispersan en agua destilada y se sonican en un baño de
ultrasonido a 48 KHz durante 10 minutos.
9. Se coloca una gota de la dispersión en una placa de microscopio y se deja secar a
temperatura ambiente. Identificar la morfología de las partículas bajo el microscopio
óptico.
Resultados
Determinar la morfología por microscopia óptica de las micropartículas de quitosano/
caseína/fármaco.
76
Observaciones
Actividad
1. Responder el siguiente cuestionario
a) ¿Cómo se obtiene la quitosano en escala industrial?
b) ¿Cuáles son las principales propiedades farmacológicas de la quitosano?
c) Escriba la estructura química de la quitosano, caseína y el gluteraldehido.
2. Elabore el mecanismo de reacción para la formación del biopolímero quitosanocaseína:
77
Conclusión
Bibliografía
Título
Autor
Página
Editorial
Datos del alumno
Nombre del alumno
Fecha
Grado/Grupo/turno
Calificación
78
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84
Anexo 1. Almacenamiento de productos
Debido a que no almacenan gran cantidad de productos químicos, los laboratorios no
suelen estar sujetos a la normativa que regula el almacenamiento de este tipo de
productos. Los almacenes con una capacidad de almacenamiento determinada (por
ejemplo de inflamables o de líquidos tóxicos, instalaciones de gases, etcétera) sí están
sujetos a esta normativa.
El almacenamiento prolongado de productos químicos presenta los siguientes
riesgos asociados:
•
•
•
•
Descomposición lenta de la sustancia (producción de gases, que al acumularse
podría hacer estallar el envase).
Polimerización de sustancias (podrían ocurrir reacciones explosivas).
Formación de peróxidos (riesgo de explosión: al destilar, por contacto, etcétera).
Deterioro del recipiente (podría romperse).
Para evitar o controlar estos riesgos se debe:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Mantener el inventario (stock) al mínimo.
Utilizar un almacén externo al laboratorio.
Almacenar en el laboratorio únicamente los productos imprescindibles que se
usan durante la jornada.
Agrupar los productos por peligrosidades.
Separar los productos incompatibles.
Aislar los productos muy peligrosos:
o Los que reaccionan con el agua (sodio, potasio, litio).
o Los explosivos.
o Los cancerígenos.
o Los radioactivos.
Mantener un registro actualizado de productos almacenados (indicar última fecha
de utilización y nombre del responsable).
Emplear armarios de seguridad.
Utilizar frigoríficos antideflagrantes para guardar productos inflamables.
No deberían almacenarse juntos los productos cuya intersección es: X
Ácidos
fuertes
Ácidos
fuertes
Bases
fuertes
Comburentes
Halogenados
y derivados
Inflamables
Reductores
Bases
fuertes
Comburentes
X
X
Halogenados
y derivados
X
X
X
X
X
Inflamables
Reductores
X
X
X
X
X
85
Anexo 2. Cómo efectuar el proceso
de desactivación de un residuo químico
Se debe tener en cuenta que muchas veces es necesario desactivar los residuos
químicos generados en las diferentes prácticas que se efectúan en los laboratorios.
Esto debe hacerse antes de su almacenamiento, con el fin de transformar las
cantidades pequeñas de reactivos químicos en productos derivados menos peligrosos,
menos agresivos o más inocuos, y de esta manera asegurar un almacenaje y una
eliminación segura.
En el proceso de desactivación hay que trabajar con mucho cuidado, ya que
muchas veces se trata de reacciones químicas muy peligrosas o violentas. Este tipo de
trabajo debe ser hecho por personal capacitado para realizar estas funciones y siempre
observando las reglas de seguridad. Se recomienda inicialmente probar el sistema de
desactivación a escalas muy reducidas para evitar problemas imprevistos; se debe
elegir los recipientes más adecuados tanto en calidad como en tamaño.
Se debe recordar siempre que los residuos, aunque no sean ya útiles para el
trabajo, siguen constituyendo un riesgo potencial para la seguridad hasta que hayan
sido retirados por la empresa encargada de realizar la disposición final; por lo tanto es
necesario seguir siempre las medidas de seguridad.
¾ Incompatibilidades entre sustancias: las incompatibilidades son destacadas en el
Grupo VI, por lo que se debe tener en cuenta que éstas jamás se deben mezclar
entre sí ni con los otros grupos; de ser posible, almacenarlas en cantidades
pequeñas de máximo 1 litro y en su envase original. Algunas incompatibilidades a
tener en cuenta en el almacenamiento de residuos son:
Ácidos con bases: p.ej. ácido sulfúrico con ácido clorhídrico.
Ácidos fuertes con ácidos débiles que desprenden gases: p.ej. ácido nítrico con ácido
clorhídrico.
Oxidantes con reductores: p.ej. ácido nítrico con compuestos orgánicos.
Agua con compuestos varios: p.ej. carburos, haluros, isocianatos.
¾ Sustancias incompatibles de elevada afinidad:
Oxidantes con: nitratos, halogenatos, óxidos, peróxidos, flúor.
Reductores con: materiales inflamables, carburos, nitruros, hidruros, sulfuros,
aluminio, magnesio y zirconio en polvo.
Ácidos fuertes con: bases fuertes.
Acido sulfúrico con: azúcar, celulosa, ácido perclórico, permanganato potásico,
cloratos, sulfocianuros.
Sustancias fácilmente peroxidables: dentro del grupo de sustancias que pueden sufrir
una evolución, por ejemplo la formación de peróxidos que en ciertos casos pueden
presentar problemas de explosividad violenta, p.ej. éteres, compuestos arílicos,
haloalquenos, compuestos vinílicos, 2- butanol, metilisobutilcetona, etcétera.
87
Anexo 3. Riesgos específicos (frases ‘R’)
Las frases ‘R’ son breves enunciados, expuestos en las etiquetas de los envases que
contienen sustancias químicas; especifican la naturaleza de los riesgos que pueden
presentar las sustancias químicas y preparados peligrosos. El contenido de las frases
R no cambia. Cada frase ‘R’ se genera por una letra R y un código numérico.
R 1 Explosivo en estado seco.
R 2 Riesgo de explosión por choque, fricción, fuego o fuentes de ignición.
R 3 Grave riesgo de explosión por choque, fuego o fuentes de ignición.
R 4 Forma compuestos metálicos explosivos muy sensibles.
R 5 Peligro de explosión por la acción del calor.
R 6 Peligro de explosión en y sin contacto con el aire.
R 7 Puede provocar incendios.
R 8 Peligro de fuego en contacto con sustancias combustibles.
R 9 Peligro de explosión al mezclar con sustancias combustibles.
R 10 Inflamable.
R 11 Muy inflamable.
R 12 Extremadamente inflamable.
R 13 Gas licuado extremadamente inflamable.
R 14 Reacciona violentamente con el agua.
R 15 Reacciona con el agua produciendo gases muy inflamables.
R 16 Explosivo en mezcla con sustancias oxidantes. Ignición. –No fumar.
R 17 Se inflama espontáneamente al aire.
R 18 Al usarlo puede formar mezclas vapor-aire explosivas / inflamables.
R 19 Puede formar peróxidos explosivos.
R 20 Nocivo por inhalación.
R 21 Nocivo en contacto con la piel.
R 22 Nocivo por ingestión.
R 23 Tóxico por inhalación.
R 24 Tóxico en contacto con la piel.
R 25 Tóxico por ingestión.
R 26 Muy tóxico por inhalación.
R 27 Muy tóxico en contacto con la piel.
R 28 Muy tóxico por ingestión.
R 29 Emite gases tóxicos en contacto con agua.
R 30 Puede inflamar fácilmente durante el uso.
R 31 Emite gases tóxicos en contacto con ácidos.
R 32 Emite gases muy tóxicos en contacto con los ácidos.
R 33 Peligro de efectos acumulativos.
R 34 Provoca quemaduras.
R 35 Provoca graves quemaduras.
R 36 Irrita los ojos.
89
R 37 Irrita las vías respiratorias.
R 38 Irrita la piel.
R 39 Riesgos de efectos irreversibles muy graves.
R 40 Posibilidad de efectos irreversibles.
R 41 Peligro de daño severo al ojo.
R 42 Posibilidad de sensibilización por inhalación.
R 43 Posibilidad de sensibilización por contacto con la piel.
R 44 Riesgo de explosión al calentarlo en ambiente confinado.
R 45 Puede causar cáncer.
R 46 Puede causar alteraciones genéticas hereditarias.
R 48 Riesgo de efectos graves para la salud en caso de exposición prolongada.
R 49 Puede causar cáncer por inhalación.
R 50 Muy tóxico para los organismos acuáticos.
R 51 Tóxico para los organismos acuáticos.
R 52 Nocivo para los organismos acuáticos.
R 53 Puede provocar a largo plazo efectos negativos en el medio ambiente acuático.
R 54 Tóxico para la flora.
R 55 Tóxico para la fauna.
R 56 Tóxico para los organismos del suelo.
R 57 Tóxico para las abejas.
R 58 Puede provocar a largo plazo efectos negativos en el medio ambiente.
R 59 Peligroso para la capa de ozono.
R 60 Puede perjudicar la fertilidad.
R 61 Riesgo durante el embarazo de efectos adversos para el feto.
R 62 Posible riesgo de perjudicar la fertilidad.
R 63 Posible riesgo durante el embarazo de efectos adversos para el feto.
R 64 Puede perjudicar a los niños alimentados con leche materna.
R 65 Nocivo. Si se ingiere puede causar daño.
90
Anexo 4. Instrucciones operativas (frases ‘S’)
Las frases ‘S’ son breves enunciados, expuestos en las etiquetas de envases de
sustancias químicas, con consejos de seguridad a ser adoptados frente a los riesgos
que puedan presentar la sustancia en cuestión.
S 1 Guardar bajo llave.
S 2 Mantener fuera del alcance de los niños.
S 3 Conservar en sitio fresco.
S 4 Guardar fuera de espacios habitados.
S 5 Conservar bajo … (líquido protector).
S 6 Conservar bajo ... (gas inerte: ver etiqueta).
S 7 Tener el recipiente bien cerrado.
S 8 Tener el recipiente en lugar seco.
S 9 Tener el recipiente en sitio ventilado.
S 10 Mantener el producto en estado húmedo.
S 11 Evitar contacto con aíre.
S 12 No cerrar herméticamente el recipiente.
S 13 Mantener lejos de alimentos, bebidas.
S 14 Mantener lejos de ... (sustancias incompatibles: véase etiqueta).
S 15 Mantener lejos del calor.
S 16 Mantener lejos de fuentes de ignición. No fumar.
S 17 Mantener lejos de materiales combustibles.
S 18 Manipular y abrir recipiente con cuidado.
S 20 No comer ni beber durante la manipulación.
S 21 No fumar durante la manipulación.
S 22 Evitar respirar el polvo.
S 23 Evitar respirar los gases / humos / vapores / aerosoles.
S 24 Evitar contacto con la piel.
S 25 Evitar contacto con los ojos.
S 26 En caso de contacto con los ojos, lavar con abundante agua y acudir al médico.
S 27 Quitarse inmediatamente la ropa contaminada o empapada.
S 28 En caso de contacto con la piel lavarse inmediatamente (ver datos de etiqueta).
S 29 No tirar residuos por los desagües.
S 30 Nunca verter agua sobre este producto.
S 31 Mantener lejos de materiales explosivos.
S 33 Evitar acumulación de carga electrostática.
S 34 Evitar choque o frote.
S 35 Eliminar los residuos del producto y sus recipientes con todas las precauciones
posibles.
S 36 Llevar ropa de protección durante la manipulación.
S 37 Llevar guantes de protección apropiados.
S 38 En caso de ventilación insuficiente, llevar máscara adecuada.
S 39 Protegerse los ojos / la cara.
91
S 40 Para limpiar el piso y los objetos contaminados por este producto.
S 41 En caso de incendio o explosión, no respirar los humos.
S 42 Durante las fumigaciones / pulverizaciones, utilizar máscara adecuada.
S 43 En caso de incendio utilizar … (medios de extinción: véase etiqueta).
S 44 En caso de malestar acudir al médico (si es posible mostrarle la etiqueta).
S 45 En caso de accidente o de malestar acudir inmediatamente al médico (si es
posible, mostrarle la etiqueta).
S 46 En caso de ingestión, acuda de inmediato al médico y muéstrele la etiqueta o
envase.
S 47 Consérvese a una temperatura no superior a ...°C (a especificar por el fabricante).
S 48 Consérvese húmedo con ... (medio apropiado a especificar por el fabricante).
S 49 Consérvese en el recipiente de origen.
S 50 No mezclar con ... (especificado por el fabricante).
S 51 Úsese en lugares bien ventilados.
S 52 No usar sobre grandes superficies en locales habitados.
S 53 Evítese la exposición – recábense instrucciones especiales antes del uso.
S 56 Elimínense esta sustancia y su recipiente en un punto de recogida pública de
residuos especiales o peligrosos.
S 57 Utilice un envase de seguridad adecuado para evitar la contaminación del medio.
S 59 Remitirse al fabricante o proveedor para obtener información sobre su reciclado.
S 60 Elimínense el producto y su recipiente como residuos peligrosos.
S 61 Evítese su liberación al medio ambiente. Recábense instrucciones y datos de
seguridad.
S 62 En caso de ingestión no provocar vómito: acuda al médico y muestre la etiqueta o
envase.
S 63 En caso de accidente por inhalación, alejarse de la zona contaminada y reposar.
S 64 En caso de ingestión, lavar la boca.
92
Anexo 5. Los pictogramas y símbolos de seguridad
Por disposiciones de seguridad, todas las etiquetas de los contenedores de sustancias
químicas deben constar con los pictogramas y los símbolos de seguridad. Esto es un
requisito para la comercialización de sustancias químicas. Los pictogramas presentes
en las etiquetas tienen el siguiente significado:
93
Además de los pictogramas presentes en etiquetas, aparecen los siguientes símbolos:
Símbolo
T+
T
Xn
F
F+
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Significado
Muy tóxico
Tóxico
Nocivo
Fácilmente
inflamable
Extremadamente
inflamable
Símbolo
O
C
Xi
Significado
Comburente
Corrosivo
Irritante
E
Explosivo
N
Peligroso para
medio ambiente
el
Anexo 6. Compuestos químicos utilizados en la parte experimental
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2,4-dimetilanilina. (2,4-(CH3)2C6H3NH2); 121.18.
2’-hidroxiacetofenona HOC6H4COCH3; 136.15.
4-metilpropiofenona, 4-MMP. CH3C6H4COC2H5; 148.20.
Acetato de etilo, AcOEt. CH3COOC2H5; 88.11.
Acetonitrilo. CH3CN; 41.05.
Ácido acético, (AcOH). CH3CO2H; 60.05.
Ácido cítrico. HOC(COOH)(CH2COOH)2; 192.12.
Ácido clorhídrico. HCl; 36.5.
Ácido clorosulfónico. ClSO3H; 116.52.
Anhídrido acético. (CH3CO)2O; 102.09.
Anilina. C6H5NH2; 93.13.
Benzaldehído. C6H5CHO; 106.12.
Bicarbonato de sodio. NaHCO3; 84.01.
Bromuro de propargilo. HC≡CCH2Br. 118.96.
Caseína.
Cloruro de fenilacetilo. C6H5CH2COCl;154.59
Cloruro de sodio. NaCl; 58.5.
Cloruro de tionilo. SOCl2; 119.01.
Cloruro de α-cloroacetilo. ClCH2COCl;112.9.
Dimetil sulfóxido, DMSO. (CH3)2SO; 78.13.
Dimetilformamida, (DMF). HCON(CH3)2; 73.09.
Etanol, EtOH. CH3CH2OH; 46.07.
Formaldehido. HCHO. 30.03.
Fosfato de potasio. KH2PO4; 136.09.
Fosfato disódico. Na2HPO4;
Glutaraldehido. OHC(CH2)3CHO; 100.12.
Hexano. CH3(CH2)4CH3; 86.18.
Hidrosulfito de sodio. NaO2SSO2Na; 174.11.
Hidróxido de Amonio, Potasio, Sodio. NH4OH,KOH,NaOH.
Iso-propanol. (CH3)2CHOH; 60.1.
Metil terc-butil éter (MTBE). (CH3)3COCH3; 88.15.
N-bencilmetil amina. C6H5CH2NHCH3; 121.18.
N-formyl-N-metilformamida. C3H5NO2; 87.07.
p-nitrofenol. O2NC6H4OH; 139.11.
Piperidina C5H11N; 85.15.
Quitosano.
Tetraborato de sodio. Na2B4O7. 201.22.
Tetrahidrofurano C4H8O; 72.11
Urea. NH2CONH2; 60.06
α-cloro-2,6-dimetilacetanilida. C10H12ClNO; 197.66.
α-fenetilamina. C8H11N; 1215.18.
95

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