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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
BRENO ALMEIDA SOARES
TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS, CARACTERIZAÇÕES E ESTUDO
DE MODELAGEM MOLECULAR DO CLERODANO BIOATIVO
TRANS-DESIDROCROTONINA
NATAL/ RN
Setembro, 2014
Divisão de Serviços Técnicos
Catalogação da Publicação na Fonte
UFRN –Biblioteca Setorial do Instituto de Química
BRENO ALMEIDA SOARES
Soares, Breno Almeida.
Transformações químicas, caracterizações e estudo de modelagem molecular do clerodano bioativo trans-desidrocrotonina / Breno Almeida Soares. Natal, RN, 2014.
196 f. ; il. Orientadora: Maria Aparecida Medeiros Maciel Co-Orientador: Caio Lima Firme
Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em Química.
1. Química Orgânica – Tese. 2. Croton cajucara – Tese. 3. trans-
desidrocrotonina – Tese. 4. Procedimentos sintéticos – Tese. 5. Cálculos teóricos – Tese. I. Maciel, Maria Aparecida Medeiros. II. Firme, Caio Lima. III. Universidade
Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.
RN/UFRN/BSE-IQ CDU 547(043)
BRENO ALMEIDA SOARES
TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS, CARACTERIZAÇÕES E ESTUDO
DE MODELAGEM MOLECULAR DO CLERODANO BIOATIVO
TRANS-DESIDROCROTONINA
Tese de Doutorado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Química da
Universidade Federal do Rio Grande do
Norte como parte dos requisitos para a
obtenção do título de Doutor em Química.
“O ser humano aprende porque é incompleto, inconcluso e inacabado.”
Paulo Freire (1921-1997)
DEDICATÓRIA
Aos meus pais Terezinha Almeida
Soares e Washington Luiz Teixeira
Soares, que nunca mediram esforços
em prol da minha educação.
AGRADECIMENTOS
Ao irmão Wagner “Rasta” pela amizade, companheirismo, pelos valiosos conselhos nas horas mais
angustiantes, e por ter sido o grande catalisador de minha vinda a Natal.
A Profa. Maria Aparecida Medeiros Maciel pelos ensinamentos e por ter aceitado o desafio de
orientar um desconhecido vindo de longe, o que ocasionou a abertura de muitas portas na minha
vida, tanto na esfera profissional quanto pessoal. Estendo esse agradecimento ao Prof. Caio Lima
Firme, pela co-orientação na parte teórica deste trabalho.
Aos meus queridos pais, Terezinha e Washington, pelo amor, respeito e compreensão em ter seu
filho caçula distante fisicamente.
Ao amigo Claudio Costa pela amizade, confiança, e pela maneira linda como vive sua vida e
contagia os que estão a sua volta.
A todos os professores que participaram de minha formação desde o jardim de infância até o
doutorado.
Aos colegas que fiz aqui na UFRN durante esse período, que contribuíram de alguma forma para
esse trabalho seja direta ou indiretamente: Gineide, Cássia, Ciro, Everton, Francinaldo, Hugo,
Gutto, Sérgio, Norberto, Amison, Alciney e Tamires.
A família Chaparrause, que tive o privilégio de integrar a partir de 2012 e que tem uma importância
inenarrável em minha vida. Obrigado Grego, Jordy, Chapa, Bandana, Fernandinho, Keila, Julia,
Zaquinha, Marília, Yra, Natalinha, Camille, Faustine, Belito, Oriana, Pedro Gil, Zé Pedro, Thaís,
Kim, Zé, Mestre China e Kent.
Aos meus bichinhos de estimação que por tantas vezes amenizaram minhas tensões e angústias
apenas com sua simples presença. Muito obrigado Manga, Zicão, Sequé, Rodolfo, Salvia,
Jureminha e Manzarek.
Aos alunos de IC Luan e Gilvani pelo isolamento da t-DCTN utilizada nas sínteses apresentadas
neste trabalho. A toda equipe do PPGQ-UFRN: Cristovam, Higino, em especial a coordenadora,
Prof. Sibele Pergher, pela colaboração e boa vontade irrestrita na parte burocrática.
Aos professores Rosane Nora e Marco Edilson (DQ-UFRRJ) pela disponibilidade da infra-estrutura
da UFRRJ para a realização da parte experimental do trabalho. Estendo esse agradecimento a
Cleber Bomfim, Vitor e Francis pela aquisição dos espectros de RMN e obtenção de
cromatogramas e espectros de massa dos derivados apresentados neste trabalho. E também ao Prof.
Adaílton Bortoluzzi pelas análises de difração de Raios-X de alguns derivados descritos neste
trabalho.
Aos professores da banca externa (Profa. Rosane Nora e Prof. Pierre André) por terem aceitado o
convite mesmo depois de tantas mudanças de data, e ao Prof. Fabricio Gava Menezes (banca
interna) pela paciência, compreensão e relevantes contribuições no exame de qualificação.
Finalmente, a Capes pelo auxílio financeiro concedido até o segundo ano do doutorado.
RESUMO
Neste trabalho foram desenvolvidos estudos sintéticos e teóricos para clerodanos
bioativos obtidos de uma das plantas medicinais mais representativas da região
Amazônica do Brasil, Croton cajucara Benth. Especificamente, utilizou-se como
molécula alvo o biocomposto majoritário isolado das cascas do caule deste Croton, o
diterpenóide 19-nor-clerodano trans-desidrocrotonina (t-DCTN). Derivados semi-
sintéticos foram obtidos de t-DCTN utilizando-se os seguintes procedimentos sintéticos:
1) redução catalítica com H2, 2) redução com NaBH4 e 3) redução estereosseletiva com
NaBH4/CeCl3). Os derivados semi-sintéticos do tipo 19-nor-furano-clerodanos
alcoólicos foram denominados de t-CTN, t-CTN-OL, t-CTN-OL, t-DCTN-OL
e t-DCTN-OL, tendo sido caracterizados por RMN. Os álcoois clerodanos derivados
t-CTN-OL e t-CTN-OL foram obtidos a partir do derivado semi-sintético t-CTN,
que também pode ser isolado das cascas do caule de C. cajucara.
Uma metodologia teórica (DFT/B3LYP) envolvendo a previsão de propriedades
geométricas e magnéticas como ângulos e distâncias de ligações bem como
deslocamento químico e constante de acoplamento, foi desenvolvida para a molécula
alvo t-DCTN em que foram correlacionados dados teóricos de RMN e estruturais, tendo
sido obtidas correlação satisfatórias com dados experimentais de RMN (com
coeficientes de correlação variando entre 0,97 e 0,99) e de difração de Raios-X. Esta
metodologia teórica foi validada para todos os derivados semi-sintéticos apresentados
neste trabalho. Em adição, informações topológicas obtidas com o auxílio da Teoria
Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM) evidenciaram a presença de interações
estabilizantes intramoleculares do tipo H-H e (C)O--H(C) em t-DCTN e t-CTN,
contribuindo para o entendimento da diferente reatividade destes clerodanos na presença
de NaBH4.
Palavras-chave: Croton cajucara; trans-desidrocrotonina; procedimentos sintéticos;
NaBH4; cálculos teóricos; RMN; DFT; QTAIM.
ABSTRACT
In this work it were developed synthetic and theoretical studies for clerodane-type
diterpenes obtained from Croton cajucara Benth which represents one of the most
important medicinal plant of the Brazil amazon region. Specifically, the majoritary
biocompound 19-nor-clerodane trans-dehydrocrotonin (t-DCTN) isolated from the bark
of this Croton, was used as target molecule. Semi-synthetic derivatives were obtained
from t-DCTN by using the followed synthetic procedures: 1) catalytic reduction with
H2, 2) reduction using NaBH4 and 3) reduction using NaBH4/CeCl3. The semi-synthetic
19-nor-furan-clerodane alcohol-type derivatives were denominated such as t-CTN, t-
CTN-OL, t-CTN-OL, t-DCTN-OL, t-DCTN-OL, being all of them
characterized by NMR. The furan-clerodane alcohol derivatives t-CTN-OL and t-
CTN-OL were obtained form the semi-synthetic t-CTN, which can be isolated from
the bark of C. cajucara.
A theoretical protocol (DFT/B3LYP) involving the prevision of geometric and magnetic
properties such as bond length and angles, as well as chemical shifts and coupling
constants, were developed for the target t-DCTN in which was correlated NMR
theoretical data with structural data, with satisfactory correlation with NMR
experimental data (coefficients ranging from 0.97 and 0.99) and X-ray diffraction data.
This theoretical methodology was also validated for all semi-synthetic derivatives
described in this work. In addition, topological data from the Quantum Theory of Atoms
in Molecules (QTAIM) showed the presence of H-H and (C)O--H(C) intramolecular
stabilized interactions types for t-DCTN e t-CTN, contributing to the understanding of
the different reactivity of this clerodanes in the presence of NaBH4.
Keywords: Croton cajucara; trans-dehydrocrotonin; synthetic approach; NaBH4;
theoretical calculations; NMR; DFT; QTAIM.
LISTA DAS ABREVIATURAS E SÍMBOLOS CITADOS NO ESTADO DA ARTE
AAA Ácido acetilaleuritólico
BBN 9-borabiciclo [3.3.1] nonano
BCP Pontos críticos de ligação
0 Campo magnético externo
t-CTN trans-Crotonina
t-CTN--OL Derivado semi-sintetico de trans-crotonina
t-CTN--OL Derivado semi-sintetico de trans-crotonina
CeCl3.6H2O Tricloreto de cério hexahidratado
t-DCTN trans-Desidrocrotonina
t-DCTN--OL Derivado semi-sintetico de trans-desidrocrotonina
t-DCTN--OL Derivado semi-sintetico de trans-desidrocrotonina
DFT Teoria do funcional de densidade
DIBAH Hidreto de diisobutilalumínio
DMSO Dimetil sulfoxido
DSO Diamagnética spin orbital
FI Fator de Impacto
GGPP Pirofosfato de geranilgeranila
GIAO Método do orbital atômico gauge invariante
HFR Método Hartree-Fock-Roothaan
H3O+ Água acidulada
IPP Pirofosfato de isopentila
LiAlH4 Hidreto de lítio alumínio
LiBH4 Boroidreto de lítio
NaBH4 Boroidreto de sódio
19-nor Indicativo da ausência do carbono-19
QTAIM Teoria quântica de átomos em moléculas
REA Relação Estrutura Química e Atividade Biológica
RMN Ressonância Magnética Nuclear
RMN 1D Ressonância Magnética Nuclear Unidimensional
RMN 2D Ressonância Magnética Nuclear Bidimensional
RMN de 1H Ressonância Magnética Nuclear de Hidrogênio
RMN de 13
C Ressonância Magnética Nuclear de Carbono
SNC Sistema Nervorso Central
TIBA Triisobutilalumínio
TMS Tetrametilsilano
Zn(BH4)2 Boroidreto de zinco
Ψ Função de onda
Hamiltoniano
0 Campo magnético externo
I Número de spin nuclear
Momento magnético spin nuclear
(H,H´) Índice de deslocalização eletrônica
Constante de proteção
Fator giromagnético
Densidade eletrônica
Momento giromagnético nuclear
Frequência nuclear de Larmor
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS CITADOS NOS ARTIGOS
BCP Bond Critical Point
BP Bond Path
br s Broad singlet
br d Broad dublet
br t Broad triplet
COSY Correlation spectroscopy
d Dublet
dd Dublet dublet
ddd Dublet dublet dublet
dddd Dublet dublet dublet dublet
DFT Density Functional Theory
DSO Diamagnetic Spin Orbit
FC Fermi Contact
GC-MS Gas Chromatography Coupled to Mass Spectrometer
GIAO Gauge Independent Atomic Orbital
HPLC High Performace Liquid Chromatography
Hz Hertz
IPP Isopenthenyl Pyrophophate
J Coupling constant
LiAlH4 Lithium aluminium hydride
m Multiplet
m/z Mass/charge
MO Molecular Orbital
mp Melting point
NMR Nuclear Magnetic Resonance
1H NMR Hydrogen Nuclear Magnetic Resonance
13C NMR Carbon Nuclear Magnetic Resonance
NaBH4 Sodium borohydride
ppm Parts per million
PSO Paramagnetic Spin Orbit
QTAIM Quantum Theoy of Atoms in Molecules
SD Spin Dipole
SSCC Spin Spin Coupling Constant
s Singlet
t Triplet
t-CTN trans-crotonin
t-CTN--OL trans-crotonin semi-synthetic derivative
t-CTN--OL trans-crotonin semi-synthetic derivative
t-DCTN trans-dehydrocrotonin
t-DCTN--OL trans-dehydrocrotonin semi-synthetic derivative
t-DCTN--OL trans-dehydrocrotonin semi-synthetic derivative
TLC Thin Layer Chromatography
VB Valence Bond
Chemical shift
(H,H´) Electron delocalization index
Electron density
LISTA DE FIGURAS DESCRITAS NO ESTADO DA ARTE
Figura 1. Representação estrutural para o 19-nor-clerodano t-DCTN. ........................ 19
Figura 2. Estrutura química do primeiro diterpeno isolado de Clerodanum infotunatum.
................................................................................................................................... 23
Figura 3. Esqueletos básicos para alguns diterpenos cíclicos. ..................................... 24
Figura 4. Estrutura química do constituinte químico majoritário do óleo essencial das
folhas de Croton cajucara Benth. ................................................................................ 26
Figura 5. Estruturas químicas de alguns terpenóides isolados das cascas do caule de
Croton cajucara Benth. ............................................................................................... 29
Figura 6. Estruturas químicas de derivados semi-sintéticos obtidos a partir de t-DCTN.
................................................................................................................................... 32
Figura 7. Formação de aciloxiborohidretos a partir do tratamento de boroidreto de
sódio com ácido carboxílico. ....................................................................................... 34
Figura 8. Redução seletiva da porção éster com preservação da subunidade amida,
utilizando boroidreto de lítio. ...................................................................................... 34
Figura 9. Reduções seletivas de derivado da podofilotoxina utilizando espécies
boranas. ................................................................................................................... ...35
Figura 10. Estruturas de alguns alquil e aril hidretos utilizados para reduções seletivas
................................................................................................................................... 36
Figura 11. Esquema para formação de produtos de adição 1,2 e 1,4 a partir de um
sistema carbonílico -insaturado. ............................................................................. 37
Figura 12. Proposta mecanística para formação de alcoxiboroidretos, reagentes que
favorecem a adição 1,2 ................................................................................................ 38
Figura 13. Estrutura de alguns agentes redutores seletivos específicos para adição 1,2
em sistemas conjugados. ............................................................................................. 39
Figura 14. O comportamento dinâmico de um ímã isento de atrito e colocado frente a
um campo magnético .................................................................................................. 43
Figura 15. Precessão de Larmor.. ............................................................................... 44
Figura 16. Níveis de energia nuclear spin para um núcleo com I=½. .......................... 46
Figura 17. Oscilador gerando a componente rotacional do campo aplicado B1. ........... 47
Figura 18. Oscilações observadas após a passagem pela frequência de ressonância em
um espectro de varredura. ........................................................................................... 47
Figura 19. Linhas de campo representando o momento magnético gerado pela
corrente de anel é proporcional ao momento angular L de uma partícula com carga q
girando tem em torno de seu eixo.. .............................................................................. 49
Figura 20. Escala de RMN em 300 MHz e 600 MHz. ................................................. 50
Figura 21. Acoplamento spin spin do hidrogênio molecular. ...................................... 53
Figura 22. Diagrama indicando os diferentes métodos existentes em química
computacional. ............................................................................................................ 58
Figura 23. Fluxograma de ciclo auto consistente para os métodos HFR e DFT para a
determinação da energia e propriedades de um sistema eletrônico ............................... 59
Figura 24. (a) Estrutura molecular da morfina. (b) Mapa de relevo representando a
densidade eletrônica no plano do anel aromático ......................................................... 61
Figura 25. Gráfico molecular para molécula do cubano. ............................................. 64
LISTA DE ESQUEMAS DESCRITAS NO ESTADO DA ARTE
Esquema 1. Formação do precursor da biossíntese dos clerodanos, pirofosfato de
geranilgeranila........................... .....................................................................................24
Esquema 2. Rota biossintética para formação de diterpenos do tipo clerodano.......................25
LISTA DE TABELAS DESCRITAS NO ESTADO DA ARTE
Tabela 1. Os diferentes tipos de pontos críticos (CP) na topologia de uma zona de
ligação química................................................................................................................63
LISTA DE ESPECTROS DESCRITOS NOS ARTIGOS
Espectro 1. Espectro de RMN de 1H do derivado t-CTN. ......................................... 148
Espectro 2. Expansão do espectro 1. ......................................................................... 149
Espectro 3. Expansão do espectro 1. ......................................................................... 150
Espectro 4. Expansão do espectro 1. ......................................................................... 151
Espectro 5. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-CTN. ........................................ 152
Espectro 6. Expansão do espectro 5. ......................................................................... 153
Espectro 7. Espectro de RMN de 1H do derivado t-CTN-OL (mistura epimérica.
Proporção 2.81:1 do derivado sobre o ). ............................................................... 154
Espectro 8. Expansão do espectro 7. ......................................................................... 155
Espectro 9. Expansão do espectro 7. ......................................................................... 156
Espectro 10. Expansão do espectro 7. ....................................................................... 157
Espectro 11. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-CTN-OL (mistura epimérica.
Proporção 2.81:1 do derivado sobre o ). ............................................................... 158
Espectro 12. Expansão do espectro 11. ..................................................................... 159
Espectro 13. Expansão do espectro 11 ...................................................................... 160
Espectro 14. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da
reação R-I). ............................................................................................................... 161
Espectro 15. Expansão do espectro 14. ..................................................................... 162
Espectro 16. Expansão do espectro 14 ...................................................................... 163
Espectro 17. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da
reação R-I). ............................................................................................................... 164
Espectro 18. Expansão do espectro 17 ...................................................................... 165
Espectro 19. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da
reação R-I). ............................................................................................................... 166
Espectro 20. Expansão do espectro 19. ..................................................................... 167
Espectro 21. Expansão do espectro 19. ..................................................................... 168
Espectro 22. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da
reação R-I). ............................................................................................................... 169
Espectro 23. Expansão do espectro 22. ..................................................................... 170
Espectro 24. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (amostra bruta
oriunda da reação R-II). ............................................................................................ 171
Espectro 25. Expansão do espectro 24. ..................................................................... 172
Espectro 26. Expansão do espectro 24. ..................................................................... 173
Espectro 27. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-DCTN--OL (amostra bruta
oriunda da reação R-II). ............................................................................................ 174
Espectro 28. Expansão de espectro 27. ..................................................................... 175
Espectro 29. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-CTN. ............. 176
Espectro 30. Expansão do espectro 29. ..................................................................... 177
Espectro 31. Expansão do espectro 29. ..................................................................... 178
Espectro 32. Expansão do espectro 29. ..................................................................... 179
Espectro 33. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-CTN-OL (mistura
epimérica 2.81:1 do derivado sobre o ). ............................................................... 180
Espectro 34. Expansão do espectro 33. ..................................................................... 181
Espectro 35. Expansão do espectro 33. ..................................................................... 182
Espectro 36. Expansão do espectro 33. ..................................................................... 183
Espectro 37. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL
(fração isolada da reação R-I). ................................................................................... 184
Espectro 38. Expansão do espectro 37. ..................................................................... 185
Espectro 39. Expansão do espectro 37. ..................................................................... 186
Espectro 40. Expansão do espectro 37. ..................................................................... 187
Espectro 41. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL
(fração isolada da reação R-I). ................................................................................... 188
Espectro 42. Expansão do espectro 41. ..................................................................... 189
Espectro 43. Expansão do espectro 41. ..................................................................... 190
Espectro 44. Expansão do espectro 41. ..................................................................... 191
Espectro 45. Expansão do espectro 41. ..................................................................... 192
Espectro 46. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL
(amostra bruta oriunda da reação R-II). ..................................................................... 193
Espectro 47. Expansão do espectro 46. ..................................................................... 194
Espectro 48. Expansão do espectro 46. ..................................................................... 195
Espectro 49. Expansão do espectro 46. ..................................................................... 196
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.................................................................................................. 18
2. OBJETIVOS ...................................................................................................... 22
2.1. Objetivo Geral ............................................................................................................. 22
2.2. Objetivos Específicos ................................................................................................... 22
3. ESTADO DA ARTE .......................................................................................... 23
3.1. Biossíntese de diterpenos do tipo clerodano ............................................................. 23
3.2. Aspectos históricos e fitofarmacológicos de Croton cajucara Benth......................... 26
3.3. Derivados semi-sintéticos de t-DCTN ...................................................................... 31
3.4. Reações de redução envolvendo boroidreto de sódio ................................................ 33
3.4.1. Redução de sistemas -insaturados (Adição 1,2 x 1,4) .................................. 36
3.5. Teoria básica de RMN ............................................................................................. 39
3.5.1. Fundamentos físicos da RMN .......................................................................... 40
3.5.1.1. Efeito do campo magnético nos elétrons e núcleos .................................... 41
3.5.1.2. Energia dos núcleos em um campo magnético .......................................... 42
3.5.1.3. Frequência de Larmor e divisão da energia ............................................... 43
3.5.1.4. Deslocamento químico e proteção eletrônica ................................................... 47
3.5.1.5. Teoria de Ramsey para deslocamento químico ................................................ 50
3.1.1.6. Hamiltoniano da RMN ................................................................................... 51
3.1.1.7. Acoplamento nuclear spin spin (J) ................................................................. 53
3.1.1.8. Teoria de Ramsey para o acoplamento spin spin (J) ....................................... 54
3.1.1.9. Método do orbital atômico gauge invariante (GIAO) ..................................... 55
3.6. Aspectos conceituais e fundamentais da DFT ........................................................... 56
3.7. Aspectos conceituais e fundamentais da QTAIM ..................................................... 60
4. REFERÊNCIAS ................................................................................................. 65
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................... 81
Capítulo 1. Experimental and NMR theoretical methodology applied to geometric
analysis of the bioactive clerodane trans-dehydrocrotonin .............................................. 81
Resumo ........................................................................................................................... 81
Abstract .......................................................................................................................... 82
Introduction .................................................................................................................... 83
Experimental ................................................................................................................... 85
Material and Methods ................................................................................................. 85
Single crystal X-ray diffraction .................................................................................... 85
Computational details ................................................................................................. 87
Results and Discussion .................................................................................................. 888
Conclusions .................................................................................................................... 96
Supplementary Information ............................................................................................. 97
Acknowledgments ........................................................................................................... 97
References ...................................................................................................................... 98
Capítulo 2. Synthesis, NMR data and theoretical study of semi-synthetic derivatives
from trans-dehydrocrotonin ........................................................................................... 104
Abstract ............................................................................................................................ 104
Introduction ...................................................................................................................... 105
Results and Discussion ...................................................................................................... 106
Experimental Section ........................................................................................................ 122
General equipment ........................................................................................................ 122
Material and Methods ................................................................................................... 122
Synthetic Approach ....................................................................................................... 122
Synthesis of t-CTN .................................................................................................... 122
Synthesis of t-CTN-OL (epimeric mixture) ................................................................ 123
Computational details ................................................................................................... 124
Conclusions ...................................................................................................................... 125
Supporting Information ..................................................................................................... 125
Acknowledgments............................................................................................................. 125
References ........................................................................................................................ 126
Capítulo 3. Stereoselective reduction of the bioactive clerodane trans-dehydrocrotonin
using sodium borohydride and cerium chloride............................................................. 128
Abstract ........................................................................................................................ 128
Introduction .................................................................................................................. 129
Results and Discussion .................................................................................................. 130
Experimental Section .................................................................................................... 140
General equipment .................................................................................................... 140
Material and Methods ............................................................................................... 140
Synthetic Approach.................................................................................................... 140
Conclusions .................................................................................................................. 142
References .................................................................................................................... 143
6. CONCLUSÕES GERAIS ................................................................................ 145
7. ANEXOS .......................................................................................................... 147
18
1. INTRODUÇÃO
Croton cajucara Benth é uma planta medicinal da família Euphorbiaceae, de
ampla ocorrência na Amazônia brasileira e tem um rico histórico de uso na medicina
popular desta região, onde é conhecida popularmente como “sacaca”. Atualmente,
representa uma das espécies mais relevantes do gênero Croton, em decorrência do
expressivo volume de publicações envolvendo estudos etnodirigidos que possibilitaram
validar seu uso tradicional para tratamento de diversas enfermidades, tais como: úlceras
gástricas, controle do Diabetes, problemas gastrintestinais, redução da febre, controle da
redução de índices elevados de colesterol, dentre outras indicações terapêuticas
(MACIEL et al., 2014; 2002a; 2002b; 2000; COSTA et al., 2007; HIRUMA-LIMA et
al., 2002a; 2002b; 2000; 1999a; 1999b; MELO et al., 2004; DI STASI; SANTOS;
HIRUMA, 1989; VAN DEN BERG, 1982).
Os estudos científicos que foram realizados com as cascas do caule deste Croton
encontram-se correlacionados com investigações fitoquímicas e farmacológicas
desenvolvidas a partir de óleos, extratos, frações e terpenóides. Com relação aos óleos
apolares (essencial ou fixo) provenientes de folhas ou cascas de Croton cajucara,
encontram-se relatos de trabalhos fitoquímicos (SOUZA et al., 2006; LOPES et al.,
2000; ARAUJO et al., 1972) e farmacológicos, tais como: antiparasitária (ROSA et al.,
2003), antifúngica (SOUZA et al., 2006), antioxidante e antimicrobiana (AZEVEDO et
al., 2013), dentre outras.
Em um contexto fitofarmacológico mais abrangente, o biocomponente
majoritário 19-nor-clerodano trans-desidrocrotonina (t-DCTN) (Figura 1), isolado das
cascas do caule de C. cajucara, detém o maior número de correlação com as
propriedades terapêuticas relatadas para esta planta (MACIEL et al., 2014; 2007; 2006;
2002b; 2000). Este clerodano vem sendo alvo de investigações interdisciplinares, em
que se incluem fitoquímica, síntese orgânica, farmacologia e veiculações
biotecnológicas e, em função dos resultados obtidos, é considerado o protótipo de
fármaco que melhor justifica os efeitos terapêuticos atribuídos ao Croton cajucara
Benth (MACIEL et al., 2014; 2007; 2002a; 2002b; 2000; LAPENDA et al., 2013;
NASCIMENTO FILHO et al., 2010; FRUNGILLO et al., 2009; COSTA et al., 2007;
CORRÊA et al., 2005; COSTA et al., 1999; ITOKAWA et al., 1989).
19
Figura 1. Representação estrutural para o 19-nor-clerodano t-DCTN.
t-DCTN
O
O
H
H
O
O
12
2
4
17
18
1516
20
10
57
9
1
A importância biológica de diterpenos clerodanos oxigenados desperta o
interesse de muitos pesquisadores que objetivam obter novos derivados semi-sintéticos
com propriedades farmacológicas. Citando alguns exemplos, clerodanos hidroxilados
apresentam propriedades antioxidante e inseticida, efeito vasodilatador, atividades
antimicrobiana e antifúngica (PACHECO et al., 2009; GUERRERO et al., 2004;
TAPIA et al., 2004; FERESIN et al., 2003; URONES et al., 1994). Os clerodanos do
tipo butenolídeos, apresentam atividade anticâncer (MACIEL et al., 2014; 2007; 2002b)
e derivados nitrogenados, ação antiulcerogênica e citotóxica (MELO et al., 2004; 2003;
2002; 2001). Para a espécie medicinal Croton cajucara Benth se destacam os
terpenóides bioativos 19-nor-clerodano trans-desidrocrotonina, 19-nor-clerodano trans-
crotonina (t-CTN) e o triterpeno ácido acetil aleuritólico (KHAN et al., 2009; PERAZZO
et al., 2007; MACIEL et al., 2002a; 2002b; CARVALHO et al., 1996).
Em se tratando de isolamento de produto natural obtido de plantas de uso
medicinal, o clerodano t-DCTN apresenta rendimento de isolamento muito elevado
(percentual mediano de 0,5%) (MACIEL; PINTO; KAISER, 2003; MACIEL et al.,
2000; 1998). Por esta razão, foi possível isolar a t-DCTN em grandes quantidades e
realizar estudos semi-sintéticos, farmacológicos e biotecnológicos A veiculação da t-
DCTN em complexos obtidos com -ciclodextrina e em nanopartículas poliméricas
(objetivando ganhos na relação dose/resposta, com redução de possíveis reações
adversas), representa uma possibilidade promissora na comercialização deste protótipo
de fármaco (MACIEL et al., 2014; 2010; 2006; 2002a; 2002b; 2000; LAPENDA et al.,
2013; 2012; NASCIMENTO FILHO et al., 2010; MORAIS et al., 2009; FRUNGILLO
et al., 2009; COSTA et al., 2007; 1999; CORRÊA et al., 2005).
20
No presente trabalho objetivou-se contribuir com o estudo sintético dos 19-nor-
clerodanos trans-desidrocrotonina (t-DCTN) e trans-crotonina (t-CTN). Para tanto, t-
DCTN foi obtida das cascas do caule de Croton cajucara Benth, via metodologia
fitoquímica previamente desenvolvida (MACIEL et al., 2000; 1998) e após purificação,
foram submetidos a processos de transformações químicas convencionais.
Especificamente, partindo-se da t-DCTN, obteve-se os seguintes derivados semi-
sintéticos: t-CTN, proveniente de hidrogenação catalítica, bem como t-DCTN--OL e t-
DCTN--OL, provenientes de reações de redução. A partir do derivado 19-nor-
clerodano t-CTN, obteve-se os derivados alcoólicos t-CTN--OL e t-CTN--OL,
provenientes de reação de redução. Estes derivados foram alvo de estudos teóricos
(investigações mecanísticas e caracterizações estruturais), tendo mostrado correlações
significativas com dados experimentais de RMN. Os compostos derivativos 19-nor-
furano-clerodanos alcoólicos (t-DCTN--OL, t-DCTN--OL, t-CTN--OL e t-CTN--
OL) são possíveis de possuirem as mesmas atividades biológicas evidenciadas para as
moléculas de partida (t-DCTN e t-CTN) e podem, ainda, vir a ser isolados de outras
fontes vegetais. Portanto, os estudos de RMN destes derivados, contribuem, não só com
a química síntética dos compostos clerodanos, mas também, com o progresso da
química dos produtos naturais.
Uma metodologia envolvendo cálculos teóricos foi utilizada como ferramenta
adicional, com proposta para estimar valores de deslocamentos químicos e constantes de
acoplamento, e está sendo indicada para avaliação de compostos orgânicos de origem
natural, semi-sintética ou sintética. Neste contexto, a Teoria Quântica de Átomos em
Moléculas (QTAIM) foi utilizada para obtenção de índices de deslocalização eletrônica,
que por sua vez, foram correlacionados com dados experimentais de constantes de
acoplamento spin spin dos clerodanos t-DCTN e t-CTN e seus derivados semi-
sintéticos, possibilitando, ainda, a partir da obtenção de dados topológicos, identificar e
quantificar interações estabilizantes intramoleculares. Para estas moléculas, os dados
teóricos (DFT/B3LYP) comparados com observações experimentais de RMN,
apresentaram correlações satisfatórias. No presente descritivo de pesquisa, estas e outras
abordagens, como análises de difração de Raios-X do clerodano t-DCTN, por exemplo,
são contextualizadas, conforme indicações a seguir. Após o informe dos objetivos,
encontram-se: um referencial teórico com abordagens para: biossíntese de diterpenos do
tipo clerodano; aspectos históricos e fitofarmacológicos de Croton cajucara Benth;
21
derivados semi-sintéticos de t-DCTN; reações de redução envolvendo boroidreto de
sódio; teoria de RMN; teorias DFT e QTAIM (empregadas na parte teórica do trabalho).
As referências bibliográficas que foram citadas na introdução e no referencial
teórico (este referencial, por conter um amplo descritivo de Croton cajucara Benth, foi
denominado de estado da arte) finalizam a parte que antecede os resultados e discussão.
Os conteúdos da parte dos resultados e discussão encontram-se apresentados na
formatação de artigos científicos (vinculados às normas dos seus respectivos periódicos)
e estão inseridos em capítulos. O Capítulo 1, refere-se ao artigo publicado no periódico
nacional Journal of Brazilian Chemical Society (FI=1,28), e consiste em uma proposta
metodológica adaptada, que é indicada para caracterização de compostos orgânicos de
origem sintética, semi-sintética ou natural. Neste estudo, observaram-se resultados
significativos entre os dados teóricos e experimentais de RMN obtidos para o clerodano
natural t-DCTN, que foi utilizado como molécula representativa.
As metodologias sintéticas e teóricas utilizadas na presente pesquisa, encontram-
se especificadas em cada artigo. No Capítulo 2, por exemplo, se encontram descritos os
resultados e discussões dos processos sintéticos realizados com as moléculas de partida
t-DCTN e t-CTN. Neste caso, inicialmente, o clerodano natural, t-DCTN foi submetido
a uma reação de hidrogenação catalítica, fornecendo o derivado semi-sintético t-CTN,
que em solução etanólica, sofreu redução na presença de NaBH4, produzindo os álcoois
derivados t-CTN--OL e t-CTN--OL. Este capítulo, se encontra em fase conclusiva e
conterá, ainda, dados de Raios-X do composto natural t-CTN, e quando concluído, será
submetido para publicação no periódico internacional Journal of Natural Products
(FI=3,94).
No Capítulo 3, encontra-se o descritivo sintético para t-DCTN, bem como para a
metodologia teórica desenvolvida (Capítulo 1) para avaliadar por comparação, dados
experimentais e teóricos de RMN da t-DCTN, tendo sido, também, utilizada e validada
para os derivados semi-sintéticos t-CTN, t-CTN--OL e t-CTN--OL (Capítulo 2) e t-
DCTN--OL e t-DCTN--OL (Capítulos 3). O Capítulo 3, se encontra em fase mediana
de elaboração e após sua finalização, será submetido a um periódico a ser definido
(vinculado à área da química orgânica sintética ou dos produtos naturais). Na parte
final, no item dos anexos, encontram-se os espectros de RMN de 1H (1D e 2D) e RMN
de 13
C obtidos para os derivados semi-sintéticos 19-nor-clerodanos t-DCTN e t-CTN.
22
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Ampliar os estudos sintéticos do 19-nor-clerodano trans-desidrocrotonina obtido
das cascas do caule da espécie medicinal Croton cajucara Benth, via reações sintéticas
específicas para produção de derivados semi-sintéticos do tipo 19-nor-furano-clerodanos
alcoólicos. Em adição, realização de estudos de caracterizações espectroscópicas de
RMN e de modelagem molecular (simulação de reatividade/propriedades magnéticas)
para os bioclerodanos naturais t-DCTN e t-CTN, bem como seus derivados semi-
sintéticos.
2.2. Objetivos Específicos
Obtenção da t-CTN partindo-se de t-DCTN;
Obtenção de derivados semi-sintéticos 19-nor-furano-clerodanos
alcoólicos t-DCTN--OL e t-DCTN--OL, partindo-se da t-DCTN;
Obtenção de derivados semi-sintéticos 19-nor-furano-clerodanos
alcoólicos t-CTN--OL e t-CTN--OL, , partindo-se da t-CTN;
Estudo de Ressonância Magnética Nuclear (RMN: uni- e bi-dimensional;
Simulação de dados espectroscópicos de RMN (propriedades magnéticas)
utilizando DFT como ferramenta;
Utilização da QTAIM para obtenção de valores de índice de
deslocalização (H,H´) eletrônica pares de hidrogênios vicinais ou a
longa distância de t-DCTN, bem como dos seus derivados, e ainda,
informações topológicas que evidenciarão possíveis interações
intramoleculares;
Utilização da QTAIM para obtenção de valores de índice de
deslocalização (H,H´) eletrônica pares de hidrogênios vicinais ou a
longa distância de t-CTN, bem como dos seus derivados, e ainda,
informações topológicas que evidenciarão possíveis interações
intramoleculares;
Estudo de modelagem molecular de processos sintéticos objetivando a
viabilização de rotas sintéticas eficazes, e entendimento da reatividade dos
clerodanos t-DCTN e t-CTN.
23
3. ESTADO DA ARTE
3.1. Biossíntese de diterpenos do tipo clerodano
Os diterpenos possuem esqueleto básico com 20 átomos de carbono, apresentam
uma grande e diversificada classe de metabólitos secundários, e resultam do
encadeamento cabeça-cauda de quatro unidades isoprênicas. Os clerodanos constituem
uma classe de diterpenos bicíclicos cujo nome genérico deriva da (-)-clerodina (Figura
2), que foi o primeiro diterpeno do tipo clerodano isolado de Clerodanum infotunatum
(Verbenaceae). A partir deste isolamento, as configurações relativas dos demais
clerodanos foram estabelecidas através da correlação química com a (-)-clerodina, um
neo-clerodano, cuja estereoquímica absoluta é conhecida (MACIEL; CORTEZ;
GOMES, 2006; MACIEL, 1997; BARTON; ELAD, 1956).
Figura 2. Estrutura química do primeiro diterpeno isolado de Clerodanum infotunatum.
H
O
O
OAcOAc
O
HH
H
(-)- clerodina
Os esqueletos carbônicos dos diterpenos se apresentam na forma acíclica ou
cíclica. Os diterpenos cíclicos podem ser constituídos de um ou mais anéis
condensados. A Figura 3 revela esqueletos básicos de alguns diterpenos cíclicos com
suas respectivas numerações.
24
Figura 3. Esqueletos básicos para alguns diterpenos cíclicos (MACIEL; CORTEZ;
GOMES, 2006; MACIEL, 1997).
15
13
20
17
5
108
1918
1
3
11
16
15
13
20
17
5
108
1918
1
3
11
16
labdano clerodano
17
16
13
20
5
108
1918
1
3
11
14
15
abietano
1613
20
5
108
1918
1
3
11
14
17
15
primarano caurano
13
20
5
10
8
1918
1
3
11
14
15
17
16
17
13
20
5
10
8
1918
1
3
11
14
15
16
beirano
A biossíntese dos terpenóides evoluiu com o reconhecimento do ácido mevalônico
como sendo o precursor geral desta classe de compostos (TOWERS; STAFFORD, 1990). Os
diterpenos são obtidos biossinteticamente através do pirofosfato de geranil-geranila (GGPP),
que por sua vez é formado a partir da adição de pirofosfato de isopentila (IPP) a uma molécula
de difosfato de farnesila (Esquema 1).
Esquema 1. Formação do precursor da biossíntese dos clerodanos, pirofosfato de geranil
geranila (GGPP) (DEWICK, 2011).
OPP OPPOPP
+ C5
+ C5
OPP
Pirofosfato de geranil geranila (GGPP)
25
Reações de ciclização de GGPP mediadas pela formação de carbocátion, com potencial
para ocorrência do rearranjo de Wagner-Meerwein irão permitir a produção de variados tipos de
diterpenoídes (DEWICK, 2011). Os diterpenos clerodanos se formam a partir do esqueleto
labdano com rearranjo concertado, envolvendo posterior migração de hidreto e metila. O
esquema abaixo, retirado de um artigo de revisão sobre o gênero Croton (MACIEL;
CORTEZ; GOMES, 2006), mostra uma das etapas finais da formação biossintética de
clerodanos. O referido trabalho aborda, ainda, aspectos importantes a respeito da nomenclatura
e estrutura dos terpenóides, bem como um amplo levantamento a respeito de muitas espécies do
gênero Croton e alguns clerodanos que foram isolados de diversas fontes naturais.
Esquema 2. Rota biossintética para formação de diterpenos do tipo clerodano (MACIEL; CORTEZ;
GOMES, 2006).
OPP
11
4
16
16
1
6
13
10
73
1
OPP
Me
H
H
17
4
15
16
18
1
10
12
8
5
+
OPP
Me
H
H
17
4
15
16
18
1
10
12
8
5
+
Pirofosfato de labdienila Pirofosfato de labdienila
H+
Pirofosfato de geranil gerinila
15
OPP
H
H
Me17
4
16
18
1
12
+
19
b
a
OPP
H
Me H
17
4
15
16
18
1
12
+
19
b
a
OPP
H
Me H
17
4
15
16
1
12
19
18
OPP
H
Me H
17
4
15
16
1
12
19
18
2020
OPP
H
H
Me17
4
16
18
1
12
19
20
OPP
H
H
Me17
4
16
18
1
12
20
Trans e cis -
clerodanos
26
3.2. Aspectos históricos e fitofarmacológicos de Croton cajucara Benth
O primeiro trabalho envolvendo o estudo da composição de Croton cajucara
Benth foi realizado com o óleo essencial obtido das folhas desta planta, e data de 1972
(ARAUJO et al., 1972). Nesta ocasião, identificou-se o monoterpeno linalol (Figura 4)
como componente majoritário, tendo sido confirmado em estudo posterior (LOPES et
al., 2000). Em outros estudos, foram avaliadas as propriedades terapêuticas de óleos
(essenciais e fixos) obtidos de folhas e cascas de C. cajucara; tais como: atividades
antimicrobiana (AZEVEDO et al., 2014), antifúngica (SOUZA et al., 2006),
antiparasitária (ROSA et al., 2003) e antiulcerogênica (HIRUMA-LIMA et al., 2002b;
2000; 1999b).
Figura 4. Estrutura química do constituinte químico majoritário do óleo essencial das
folhas de Croton cajucara Benth.
OH
linalol
Em 1979, foi isolado das cascas do caule de Croton cajucara Benth, o diterpeno
19-nor-clerodano trans-desidrocrotonina (t-DCTN) (Figuras 1 e 5) (SIMOES et al.,
1979). Em estudos posteriores, por comparação com rendimentos de outras substâncias
isoladas de folhas e cascas desta planta, a t-DCTN passou a ser descrita como sendo o
metabólito majoritário de C. cajucara (MACIEL et al., 2003; 2002b; 2000; 1998). A
estereoquímica trans da junção decalina proposta para t-DCTN foi confirmada em 1989,
em um trabalho que envolveu, ainda, o isolamento e caracterização estrutural do 19-nor-
clerodano trans-crotonina (t-CTN) (Figura 5) (ITOKAWA et al., 1989). Nesse ínterim,
foi publicado o primeiro estudo da estimativa de intensidade de fracos reflexos de
Raios-X para a estrutura de t-DCTN (BARTL; SCHUCKMANN, 1982). Em 1990, os
novos clerodanos denominados de t-cajucarina A e c-cajucarina B foram isolados das
cascas do caule de C. cajucara (Figura 5) (ITOKAWA et al., 1990). Na sequencia,
isolou-se o diastereoisômero inédito cis-desidrocrotonina (c-DCTN) que, juntamente
com seu estereoisômero t-DCTN, apresentou propriedade inseticida (KUBO et al.,
27
1991). Em 1992, mais dois novos clerodanos foram isolados (t-cajucarinolida e t-
isocajucarinolida) (Figura 5) e tiveram sua atividade anti-inflamatória comprovada
(ICHIHARA et al., 1992). Em 1998, os clerodanos denominados de t-cajucarina B e t-
sacacarina, representam os últimos clerodanos inéditos que foram isolados das cascas do
caule de C. cajucara (Figura 5) (MACIEL et al., 1998). Nesta época, em função da
limitação do equipamento de RMN (300 MHz) utilizado para caracterização da
estrutura da sacacarina, duas possibilidades estruturais isoméricas foram propostas. Para
a sacacarina, a carbonila da lactona estava ligada ao carbono C-9 e na outra opção, para
o isômero isosacacarina, a carbonila da lactona estava ligada ao carbono C-5 (MACIEL
et al., 1998; MACIEL, 1997). Em 2003, um extensivo estudo de ressonância magnética
nuclear em que se utilizou um equipamento de alta resolução (600 MHz), foi possível
reavaliar as estruturas químicas propostas. As novas análises de RMN foram realizadas
para as seguintes moléculas: sacacarina, t-DCTN, t-CTN e t-cajucarina B. Os estudos de
RMN 600 MHz proporcionaram rever os assinalamentos já publicados para estes
compostos e, especificamente para a sacacarina, houve revisão do assinalamento do H-
11 (que no campo 300 MHz absorvia em região de sobreposição de sinais). Em função
desta revisão, ficou evidente via correlações de RMN 2D que a estrutura correta, para
esta molécula, corresponde ao seu isômero isosacacarina (Figura 5) (MACIEL; PINTO;
KAISER, 2003). Todos os outros clerodanos analisados tiveram suas estruturas
químicas confirmadas.
A partir desse período comprovou-se que a espécie medicinal Croton cajucara
Benth é uma rica fonte de clerodanos bioativos, com destaque para seu componente
majoritário, trans-desidrocrotonina, que no presente trabalho de doutorado, é a molécula
alvo dos estudos de síntese e modelagem molecular. Este clerodano também foi isolado
do Croton schiedeanus (PUEBLA et al., 2003) e Croton glabellus (GARCÍA et al.,
2006). Dentre as diversas propriedades biológicas evidenciadas para a t-DCTN, pode-se
destacar cronologicamente, as atividades anti-inflamatória e antinociceptiva (KHAN et
al., 2009; PERAZZO et al., 2007; CARVALHO et al., 1996), efeito hipoglicêmico
(FARIAS et al., 1997), atividade anti-ulcerogênica (SOUZA BRITO et al., 1998;
HIRUMA-LIMA et al., 1999a), antigenotóxica (AGNER et al., 1999), citotóxica
(RODRÍGUEZ; HAUN, 1999), anti-estrogênica (COSTA et al., 1999) e antitumoral
(GRYNBERG et al., 1999), dentre outros relatos (MACIEL et al., 2014; 2006; 2002a;
2002b; 2000; LAPENDA et al., 2013; NASCIMENTO FILHO et al., 2010;
FRUNGILLO et al., 2009; COSTA et al., 2007; 1999).
28
O triterpeno ácido acetilaleuritólico (AAA) (Figura 5) também foi isolado das
cascas do caule de Croton cajucara Benth. O primeiro artigo científico reportando o
isolamento de AAA a partir de C. cajucara, data de 1998 (MACIEL et al., 1998). No
entanto, este triterpeno havia sido isolado de outras fontes vegetais (cascas do caule de
Croton oblongifolius (AIYAR; SESHADRI, 1971) e sementes de Phytoalaaca
americana (WOO; WAGNER, 1977). Um amplo estudo fitoquímico realizado com
cascas do caule de C. cajucara Benth, obtidas de árvores com idades diferentes,
mostrou que o para árvores com 1½ anos até 3 anos de idade, o rendimento majoritário
(0,08%) é do triterpeno AAA, tendo sido isolado, purificado e caracterizado. Para
árvores com idades acima de 3 anos, o rendimento majoritário foi evidenciado para o
clerodano t-DCTN (0,5% até rendimento máximo de 1,4% para árvores com idade a
partir de 4 anos). Com plantas de menor idade (1 até 2 anos) não foi detectado a
presença da t-DCTN (MACIEL et al., 2010; 2006; 2002a; 2000; MACIEL, 1997).
Ensaios farmacológicos revelaram que o triterpeno AAA possui atividade anti-
espasmódica, anti-inflamatória e antinociceptiva (KHAN et al., 2009; PERAZZO et al.,
2007; MACIEL et al., 2006; 2000). No entanto, em testes que avaliaram o potencial
antitumoral e antiulcerogênico, o AAA mostrou-se inativo (MACIEL et al., 2007; 2006;
2000). Estes e outros resultados acerca de estudos etnobotânicos, etnofarmacológicos,
fitoquímicos e farmacológicos de Croton cajucara Benth e seus terpenóides bioativos
(t-DCTN, t-CTN e AAA) bem como outros compostos isolados de cascas ou folhas
desta planta, ou, ainda, obtidos via procedimentos sintéticos, encontram-se amplamente
documentados (MACIEL et al., 2014; 2010; 2009; 2007; 2006; 2002a; 2002b; 2000;
AZEVEDO et al., 2013; LAPENDA et al., 2013; 2012; NASCIMENTO FILHO et al.,
2010; FRUNGILLO et al., 2009; KHAN et al., 2009; MORAIS et al., 2009; PERAZZO
et al., 2007; CORTEZ; GOMES, 2006; COSTA et al., 2007; 1999; PERAZZO et al.,
2007; SOUZA et al., 2006; SILVA et al., 2005; 2001; CORRÊA et al., 2005;
ANAZETTI et al., 2004; 2003; MELO et al., 2004; 2003; 2002; 2001; ALMEIDA et al.,
2003; ESTEVES-SOUZA, 2003a, 2003b; FREIRE et al., 2003; ROSA et al., 2003;
HIRUMA-LIMA et al., 2002a; 2000; 1999a; AGNER et al., 2001; LOPES et al., 2000;
GRYNBERG et al., 1999; CARVALHO et al., 1996; ITOKAWA et al., 1989).
29
Figura 5. Estruturas químicas de alguns terpenóides isolados das cascas do caule de
Croton cajucara Benth.
O
O
H
H
O
OH
t-CTN
O
O
H
H
O
O
O
O
H
H
O
O
OOH
O
O
H
H
O
O
OHO
OH
O
O
O
t-cajucarinolida t-isocajucarinolida t-sacacarina
OH
O
O
O
t-isosacacarina
O
CHO
H
O
COOCH 3
O
H
H
O
COOCH 3
t-cajucarina A t-cajucarina B
O
H
H
O
COOCH 3
c-cajucarina B
O
O
H
H
O
O
t-DCTNAAA
Na virada do século XX para o XXI, os trabalhos envolvendo as atividades
biológicas de Croton cajucara Benth, em sua grande maioria correlacionada com o
clerodano trans-desidrocrotonina avançaram para investigações farmacológicas mais
específicas, em que se objetivou a elucidação dos seus mecanismos de ação. Citando
alguns exemplos, trabalhos publicados a partir de 2001, que confirmam as atividades
hipoglicêmica (SILVA et al., 2001), citotóxica (FREIRE et al., 2003) e antigenotóxica
(AGNER et al., 2001) deste clerodano. Na sequência, destacam-se outros estudos
farmacológicos inéditos de C. cajucara e seus clerodanos bioativos, tais como: efeito
cardiovascular de t-DCTN (SILVA et al., 2005), propriedade antichagásica do extrato
polar das cascas e seus clerodanos isolados (CAMPOS et al., 2010). Os benefícios de t-
30
DCTN, t-CTN e AAA no SNC e seu potencial analgésico, também foi avaliado (KHAN
et al., 2009; PERAZZO et al., 2007; MACIEL et al., 2002a). A ausência da
mutagenicidade de t-DCTN seria confirmada um ano mais tarde (SANTOS et al., 2006),
seguido do primeiro relato da atividade antitumoral de t-CTN semi-sintética (MACIEL
et al., 2007).
Recentemente, uma investigação na área da química verde, envolvendo estudo
biotecnológico, realizada com o extrato hidroalcoolico obtido das cascas do caule de
Croton cajucara Benth revelou que esta planta também pode ser utilizada como inibidor
de corrosão (FELIPE et al., 2013). Portanto, este Croton surge como uma alternativa
para produção de produtos biodegradáveis que não agridam o meio ambiente, estando,
ainda, inserido na versatilidade da aplicabilidade de vegetais na indústria química.
Do ponto de vista biotecnológico, uma nova tendência de investigações acerca
de t-DCTN iniciou-se em 2005, em função do primeiro estudo envolvendo a veiculação
deste clerodano em complexo com -ciclodextrina, objetivando-se melhores resultados
na terapêutica citotóxica. Na ocasião, análises de difração de Raios-X possibilitaram
evidenciar a complexação de t-DCTN com -ciclodextrina (CORRÊA et al., 2005).
Em 2009, mais duas publicações envolvendo a veiculação de t-DCTN são
divulgadas. Uma em nanopartículas poliméricas visando a otimização do seu efeito
antitumoral (FRUNGILLO et al., 2009), e uma outra, em microssistemas emulsionados
(microesferas) com abordagem para o monitoramento da sua ação hipoglicemiante
(MORAIS et al., 2009). Um ano mais tarde, uma investigação termodinâmica para
formação de monocamadas mistas de t-DCTN e fosfolipídeos (lipossomas como
sistemas de veiculação) foi divulgada, seguida da validação de um método
espectrofotométrico para determinar a inclusão de t-DCTN em complexos com
hidroxipropil--ciclodextrina (LAPENDA et al., 2012), bem como a eficiência deste
sistema frente a células sarcoma 180 de camundongos suíços (LAPENDA et al., 2013).
31
3.3. Derivados semi-sintéticos de t-DCTN
Em função do grande número de atividades e propriedades biológicas de Croton
cajucara estar correlacionadas em sua maioria com t-DCTN, e somado ao fato deste
clerodano ser o mais abundante nas cascas desta planta medicinal, alguns trabalhos
foram desenvolvidos objetivando a síntese de derivados semi-sintéticos. Neste contexto,
na Figura 6 encontram-se algumas possibilidades que foram obtidas das seguintes
sínteses: 1) Síntese e elucidação estrutural do derivado 19-nor-furano-clerodano
alcoólico t-DCTN--OL (ITOKAWA et al., 1989); 2) Síntese e elucidação estrutural do
derivado furano-clerodano t-CTN (MACIEL et al., 2006; 2000); 3) Síntese e elucidação
estrutural do derivado t-CTN-OL (MACIEL et al., 2014; CUNHA, 2006; CORTEZ,
2005; 4) Síntese dos derivados butenolídeos cajucarinolida e isocajuarinolida, obtidos
via reação de foto-oxidação da subunidade furano de t-DCTN (MACIEL et al., 2007;
2006); 5) Síntese e elucidação estrutural parcial de pares estereoisoméricos de t-CTN-
OL e t-DCTN-OL, dentre outros (MACIEL et al., 2014); 6) Síntese de derivados
alcoólico (t-DCTN-OL), hidrazônicos e t-DCTN-2-ona-20-amida, e neste caso, carecem
de informações contundentes a respeito da elucidação estrutural dos compostos obtidos
(ANAZETTI et al., 2004; 2003; Melo et al., 2003; 2001), já que são citados nas
respectivas publicações, sem que dados espectroscópicos de RMN tenham sido
apresentados. As sínteses citadas acima, para obtenção dos 19-nor-furano-clerodano
álcoois derivados, foram realizadas através de reações de redução com NaBH4 e/ou
LiAlH4. Nestes estudos, os derivados t-DCTN-OL, t-DCTN-hidrazônicos e t-DCTN-2-
ona-20-amida são avaliados e apresentados como agentes anti-ulcerogênicos, como
bioativos frente a linhagens de células V79 e HL60, bem como com ação antitumoral.
De acordo com o estado da arte apresentado para o 19-nor-clerodano trans-
desidrocrotonina, fica evidente que, modificação estrutural de t-DCTN fornece
derivados com potencial biológico, que poderão contribuir, ainda, com estudos a cerca
da relação entre estrutura química e atividade biológica (REA) desta molécula. Neste
contexto, dentre os clerodanos derivados de t-DCTN, o mais significativo é o 19-nor-
furano-clerodano t-CTN, devido ao número de publicações envolvendo sua síntese (a
partir hidrogenação catalítica de t-DCTN), bem como do descritivo de suas
propriedades biológicas (MACIEL et al., 2007; 2006; 2002b; 2000; PERAZZO et al.,
2007; ALMEIDA et al., 2003; HIRUMA-LIMA et al., 2002a; ITOKAWA et al., 1989)
que são, resumidamente, destacadas a seguir.
32
Figura 6. Estruturas químicas de derivados semi-sintéticos obtidos a partir de t-DCTN.
t-DCTN-OL
O
OH
H
H
O
O
OH
OH
H
H
O
OH
O
H
H
O
N
O
OH
t-DCTN-TRIOL t-DCTN-2-ona-20-amida (N-dimetil)
O
N
H
H
O
O
NH2
O
N
H
H
O
O
N
H
CH3
O
N
H
H
O
O
N
H
Ph
O
N
H
H
O
O
OH
Derivados hidrazônicos
(a) (b) (c) (d)
Estudos relacionados com a síntese total do esqueleto 19-nor-clerodano foram
divulgados (MIRZAYANS et al., 2012; DUCROT et al., 1996). Especificamente, para
as transformações químicas do 19-nor-clerodano trans-desidrocrotonina e suas
correlações farmacológicas, algumas informações sobre REA são alvo de interesse de
pesquisadores que desenvolvem estudos em química medicinal. Neste contexto,
comprovou-se que o 19-nor-furano-clerodano t-CTN é bioativo em doses mais elevadas
do que as que foram observadas para t-DCTN. Maciel et al. (2006; 2002a; 2002b; 2000;
MACIEL, 1997) concluiram que a insaturação 3,4
presente na estrutura de t-DCTN
(ausente em t-CTN) ativa (via deslocalização de elétrons) a carbonila, possibilitando
que o sítio ativo seja mais eficaz na estrutura química da t-DCTN, já que o oxigênio do
grupo C=O (C-2 que tem caráter de carbonila -insaturada) assume caráter negativo.
Os clerodanos derivativos butenolídeos mostraram-se mais eficazes do que seu
precursor t-DCTN no combate a efeitos antiproliferativos (ação anticâncer). A carbonila
-insaturada adicional nos butenolídeo-clerodanos (t-cajucarinolida e t-
isocajucarinolida) justificam esse comportamento, já que são moléculas que possuem
forte ação farmacológica quando comparados com os furano-clerodanos (MACIEL et
al., 2007; 2006; 2002a; 2002b; 2000; MACIEL, 1997).
Uma série análoga de derivados hidrazônicos [combinando t-DCTN com
hidrazina (a), metilidrazina (b) e fenilidrazina (c)], além do derivado oxima (d), também
foi obtida. No entanto, se mostraram inativos contra o carcinoma de Erlich (Figura 6)
33
(ESTEVES-SOUZA, 2003a, 2003b). Os derivados t-DCTN-OL e t-DCTN-triol foram
investigados em outro trabalho, não tendo sido comprovada sua eficácia, entretanto o
derivado t-DCTN-2-ona-20-amida (N-dimetil) mostrou-se eficaz contra linhagens de
célula HL60 (ANAZETTI et al., 2003). O ensaio com células in vitro de leucemia K562
não revelou efeito de inibição para t-DCTN até 50 M. Nestes ensaios, os derivados
hidrazônicos e t-DCTN-OL se mostraram ativos em doses inferiores a 41 M
(ESTEVES-SOUZA, 2003a, 2003b).
3.4. Reações de redução envolvendo boroidreto de sódio
O primeiro relato da utilização de íons hidretos para redução de grupos
funcionais como aldeídos e cetonas data de 1939 (BROWN et al., 1939).
Posteriormente, algumas publicações vieram a confirmar a importância de agentes
redutores como boroidreto de sódio (SCHLESINGER et al., 1953) e hidreto de lítio
alumínio (FINHOLT et al., 1947), que são reagentes importantes em síntese orgânica, já
que permitem a redução de diversos grupos funcionais, tais como: carbonilados (C=O)
de aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres, lactonas e insaturações (C=C), dentre
outros (WARD; RHEE, 1989; BROWN; KRISHNAMURTHY, 1973; 1972; WALKER,
1976).
De acordo com os relatos disponibilizados nos livros de química orgânica, o
hidreto de lítio alumínio (LiAlH4) por ser um reagente forte, reduz de forma não seletiva
diversos grupos funcionais, sendo assim evitado em casos de processos reacionais
seletivos. Para o boroidreto de sódio (NaBH4), que é um reagente redutor mais suave,
reage preferencialmente, de acordo com a ordem de reatividade dos grupos funcionais,
ou seja, aldeídos (mais reativos), cetonas e ácidos carboxílicos (menos reativos). No
entanto, na literatura científica, encontram-se inúmeros relatos da não seletividade do
NaBH4. Este assunto é extensivamente discutido por Gribble (GRIBBLE, 1998), em
que a grande versatilidade do boroidreto de sódio utilizado em conjunto com ácido
carboxílico, gerando aciloxiborohidretos (Figura 7), é um dos assuntos abordados. Neste
contexto, o referido autor descreve inúmeras metodologias para redução dos seguintes
grupos funcionais: indol, iminas, enaminas e oximas, utilizando alcoxiboridretos, que
reduzem a disponibilidade de íon hidreto; na espécie NaBH4 age em maior percentual,
dificultando a seletividade deste reagente.
34
Figura 7. Formação de aciloxiboroidretos a partir do tratamento de boroidreto de sódio
com ácido carboxílico (GRIBBLE, 1998).
NaBH4 + 3RCOOH NaBH(OCOR)3 + 3H2
NaBH4 + RCOOH NaBH3OCOR + H2
Outros fatores são preponderantes para o controle nucleofílico do íon hidreto de
boranos e alanos, tais como: interação com o solvente, troca da espécie cátion metal e
efeito do grupo substituinte. Comparativamente, o boroidreto de sódio detém vantagem
sobre o uso do hidreto de lítio alumínio, já que por ser menos reativo, pode ser utilizado
com uma grande variedade de solventes, tais como: água, éter, alcoóis e DMSO. O
hidreto de lítio alumínio, por ter íons hidreto fortemente eletronegativos, só pode ser
utilizado em meio anidro. Em relação ao efeito que o cátion metal exerce na reação, o
boroidreto de lítio (LiBH4), por exemplo, é um agente redutor mais forte, quando
comparado com o boroidreto de sódio, e ideal para reduzir ésteres, particularmente em
presença de grupos (como amidas), que seriam prontamente reduzidos pelo hidreto de
lítio alumínio (Figura 8).
Figura 8. Redução seletiva da porção éster com preservação da subunidade amida,
utilizando boroidreto de lítio (WALKER, 1976).
O
OMeOH
OCHMeCOOMe
NHCOMe
OH
O
OMeOH
OCHMeCH 2OH
NHCOMe
OH
LiBH4
Para a redução envolvendo compostos álcali sensíveis, o boroidreto de zinco
(Zn(BH4)2), por ser menos básico ao que o NaBH4, é o mais indicado, e pode ser
facilmente preparado a partir do NaBH4 em mistura com o cloreto de zinco e
dimetoxietano (GENSLER et al., 1960). Possui o mesmo poder redutor do boroidreto de
sódio, sendo assim particularmente útil (Figura 9).
35
Figura 9. Reduções seletivas de derivado da podofilotoxina utilizando espécies boranas
(GENSLER et al., 1960).
O
O
O
O
OPh
H
H
O
O
O
OH
OPh
H
H
O
OOH
OH
OPh
Zn(BH4)2
NaBH4
Boroidretos alquil e aril substituídos foram descritos há algum tempo e
continuam sendo bastante difundidos. Alguns se encontram comercialmente
disponíveis, como exemplos: superhydride (a) (BROWN; KRISHNAMURTHY, 1973),
L-selectride (b) (BROWN; KRISHNAMURTHY, 1972) e K-selectride (d) (BROWN,
1973) (Figura 10). Juntamente com outros boroidretos [(d) (BROWN; DICKASON,
1970), (e) (COREY et al., 1971) e (f) (HOOZ et al., 1974), Figura 10] são bastante úteis
em reduções estereosseletivas e podem ser preparados a partir dos boranos
correspondentes, através da reação com hidreto de lítio ou t-butillítio (COREY et al.,
1971).
36
Figura 10. Estruturas de alguns alquil e aril hidretos utilizados para reduções seletivas
(a) (BROWN; KRISHNAMURTHY, 1973); (b) (BROWN; KRISHNAMURTHY,
1972); (c) (BROWN, 1973); (d) (BROWN; DICKASON, 1970); (e) (COREY et al.,
1971); (f) (HOOZ et al., 1974).
B-
H
Li+ B-
H
Li+B
-
H
B-
H
Li+
B-
H B-
H H
Li+Li+
K+
SuperhydrideL-Selectride K-Selectride
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
3.4.1. Redução de sistemas -insaturados (Adição 1,2 x 1,4)
Em se tratando de sistemas carbonilados -insaturados, e levando em
consideração a Teoria de Pearson (PEARSON, 1963), o boroidreto de sódio e o hidreto
de lítio alumínio apresentam quimiosseletividades distintas. Enquanto o primeiro, por se
tratar de um reagente mais suave, reduz, preferencialmente, a ligação dupla da posição
, o hidreto de lítio alumínio reduz, preferencialmente, a carbonila, por se tratar de um
reagente mais duro (Figura 11).
37
Figura 11. Esquema para formação de produtos de adição 1,2 e 1,4 a partir de um
sistema carbonílico -insaturado.
O
O-
O-
H OH H
O
1,2
1,4
H3O+
H3O+
(H-)
(H-)
Uma redução seletiva na posição 1,4 utilizando hidreto de lítio alumínio seria
inviável, em vista da força deste agente redutor, que reduziria também, a carbonila
(posição 1,2). Uma opção seria a proteção da carbonila utilizando etileno glicol seguido
da redução posterior da dupla ligação C=C (utilizando este agente redutor), e na etapa
final, hidrólise do cetal formado, o que acarretaria em duas etapas reacionais a mais, e
possivelmente, na formação de sub-produtos indesejáveis, tais como: alcoóis
secundários e hidroxialdeídos (CAREY; SUNDBERG, 2007).
Em 1978, Luche divulgou alguns estudos utilizando tricloreto de cério
hexahidratado (CeCl3.6H2O) juntamente com boroidreto de sódio em solução
metanólica para redução seletiva de algumas cetonas conjugadas (LUCHE, 1978) e
enonas naturais (LUCHE et al., 1978), em apenas uma etapa racional. Alguns anos mais
tarde, esse estudo seria ampliado, abordando aspectos mecanísticos, além da utilização
de outros sais de lantanídeos, tais como: lantânio, európio, samário, dentre outros
(GEMAL; LUCHE, 1981). Os sais de lantanídeos apresentam uma alta habilidade de
coordenação, que podem resultar em modificações na natureza eletrônica e estérica no
sítio reativo da molécula. Dessa forma, é esperada uma reação regio e/ou
estereosseletiva com a adição de um derivado dessa natureza. A função principal do
cério é catalisar a formação do alcoxiboroidreto (Figura 12), além de aumentar a
eletrofilicidade do carbono carbonílico, através de sua coordenação com o átomo de
oxigênio do solvente, que promove uma maior acidez no meio, ativando indiretamente a
carbonila da enona.
38
Figura 12. Proposta mecanística para formação de alcoxiboroidretos, reagentes que
favorecem a adição 1,2 (FRUHMANN et al., 2013).
H B-
H
H
H
H B-
H
H
O
H B-
H
O
O
H B-
O
O
OH O
Ce+3
H
B
HH- H2, Ce+3
Alcoxiborohidretos, reagentes duros (favorecem adição 1,2)
Os alcoxiboroidretos formados são nucleófilos mais duros de acordo com a
Teoria de Pearson (PEARSON, 1963). Essa dureza é aumentada pela troca de hidreto
(H-) por grupos alcoxi (RO
-). Paralelamente, a coordenação da carbonila (um sítio duro
comparado com a dupla C=C) com sal de cério tem como consequência o aumento de
sua eletrofilicidade. Dessa forma, a adição 1,2 é amplamente favorecida, explicando a
seletividade da metodologia de Luche. De fato, existem inúmeros relatos corroborando
a eficácia da metodologia de Luche, dentre os quais podemos destacar uma das etapas
reacionais da síntese total de (-)-5,11-dideoxitetrodoxina, que corresponde ao derivado
de um importante produto natural de origem marinha (NISHIKAWA et al., 1999), a
redução estereosseletiva da micotoxina deoxinivalenol (FRUHMANN et al., 2013), e
finalmente, a síntese de dois dos quatro estereoisômeros da galantamina, que tiveram a
metodologia de Luche empregada como etapa chave destes processos sintéticos
(TRINADHACHARI et al., 2014).
Para sistemas -insaturados, existem também outros reagentes redutores
seletivos que são mais específicos, e fornecem com altíssima seletividade o álcool
alílico correspondente. Neste contexto, destacam-se os hidretos de diisobutilalumínio
(DIBAH) e triisobutilalumínio (TIBA), o 9-borabiciclo [3.3.1] nonano (BBN)
(KRISHNAMURTHY; BROWN, 1977), bem como o tetraidroborato de
diisopropoxititânio III (RAVIKUMAR et al., 1993) (Figura 13).
39
Figura 13. Estrutura de alguns agentes redutores seletivos específicos para adição 1,2
em sistemas conjugados (KRISHNAMURTHY; BROWN, 1977; RAVIKUMAR et al.,
1993).
Al-
H
H
Al-
H
DIBAH TIBA
B-
HH
9-BBN
OTi
O
BH4
3.5. Teoria básica de RMN
Moléculas orgânicas submetidas ao estudo experimental de Ressonância
Magnética Nuclear (RMN), podem ter suas estruturas químicas melhor analisadas com a
ajuda de cálculos quanto-mecânicos. Os primeiros softwares quanto-mecânicos
disponibilizados para obtenção de parâmetros teóricos de RMN foram disponibilizados
nos anos 1980´s. Nesta proposta, dados experimentais de propriedades magnéticas e
suas correlações com dados teóricos, envolvem valores de deslocamentos químicos e
constantes de acoplamento spin spin, e são parâmetros que podem ser trabalhados juntos
ou separadamente (HELGAKER; JASZUŃSKI; PECUL, 2008; MAKSIC; ORVILLE-
THOMAS, 1999; FUKUI; MIURA; MATSUDA et al., 1993; FUKUI et al., 1992).
Explorando possibilidades comparativas entre dados teóricos e experimentais de
RMN, a Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM) (BADER, 1990) se
configura como uma ferramenta útil para obter informações como índices de
deslocalização eletrônica (H,H´) entre pares de hidrogênios, que por sua vez são
diretamente proporcionais as constante de acoplamento J, obtidas experimentalmente
(MATTA; HERNÁNDEZ-TRUJILLO; BADER, 2002). Alguns artigos dão suporte a
esta observação (SOARES et al., 2014; SÁNCHEZ-MENDOZA; HERNANDEZ-
TRUJILLO; RÍO-PORTILLA, 2007; MANDADO; BLOCKHUYS; ALSENOY, 2006).
40
Citando exemplos de trabalhos que correlacionam dados experimentais e
teóricos de RMN, destacam-se estudos envolvendo derivados do antraceno
(SÁNCHEZ-MENDOZA; HERNANDEZ-TRUJILLO; RÍO-PORTILLA, 2007), da
furanose (BOUR et al., 2004); de flavonóides (PIHLAJA et al., 2003) e de moléculas
com multicentros quirais (LÓPEZ-VALLEJO et al., 2011). Trabalhos teóricos que
descrevem aspectos geométricos obtidos por cristalografia de Raios-X e correlacionam
com valores experimentais de RMN, também são encontrados. Nesse contexto,
destacam-se as investigações acerca das conformações estruturais preferenciais da
galactose em solução e em forma cristalina (ROSLUND et al., 2004) e análises
estruturais de alcalóides (BUSYGIN et al., 2008).
3.5.1. Fundamentos físicos da RMN
Ressonância significa a condição de um acoplamento forte e efetivo quando duas
frequências de dois osciladores são idênticas, e representa a base de alguns fenômenos
presentes no nosso cotidiano como, por exemplo, a resposta dos rádios para as fracas
oscilações do campo eletromagnético gerado por um transmissor à distância (ATKINS;
PAULA, 2006).
A influência de um campo magnético externo estático e homogêneo ( 0), força
um alinhamento populacional excedente na direção do campo 0, cria níveis de energia
(+½ e -½) e o spin do elétron (ou do núcleo magneticamente ativo) adota um
movimento de precessão uniforme na direção do campo magnético 0. Ao ser aplicado
um pulso de onda eletromagnética, a direção do spin do elétron (ou núcleo) é alterada
em pequenos intervalos, conhecidos como tempo de relaxamento do núcleo, que é
necessário para que a energia absorvida seja devolvida ao sistema. Ao término da
incidência da radiação da onda eletromagnética, o spin do elétron (ou do núcleo) volta
para sua direção original devido à aplicação do campo magnético. Portanto, a RMN é o
estudo de transições de spins nucleares (magneticamente ativos) entre níveis de energia,
quando submetidos a um forte campo eletromagnético. Em decorrência da natureza
química das moléculas orgânicas, os núcleos mais comumente estudados são hidrogênio
e carbono. Especificamente, em função das propriedades eletromagnéticas, estuda-se a
RMN de 1H e RMN de
13C (ATKINS; PAULA, 2006; SILVERSTEIN; WEBSTER;
KIEMLE, 2005).
41
Espectroscopia é a designação que se utiliza para toda técnica de levantamento
de dados físico-químicos através datransmissão, absorção ou reflexão daenergia radiante
incidente em uma amostra (sistema molecular). A forma como a energia dos elétrons e
núcleos estão relacionadas com a influência de um campo magnético nuclear e externo,
e como é possível extrair informações de um sistema molecular através da frequência
ressonante da resultante desses campos, serão discutidos nos tópicos a seguir.
3.5.1.1. Efeito do campo magnético nos elétrons e núcleos
A comprovação da existência de propriedades quânticas intrínsecas em elétrons
e núcleos, denominado de momento angular spin, foi demonstrada em 1922 por Gerlach
e Stern (GERLACH; STERN, 1922). Os momentos angular orbital e spin geram um
momento magnético em um elétron ou núcleo. Dessa forma, são considerados como
pequenos magnetos. A relação entre o momento magnético spin do elétron, , e o
momento angular spin encontra-se descrita na Equação 1.
Eq. 1
Que tem fator giromagnético:
Eq. 2
E o magneto de Bohr:
Eq. 3
Seguindo a mesma lógica, o momento magnético orbital do elétron, Morb,el, está
relacionado com momento angular orbital L, como descrito na Equação 4.
Eq. 4
O momento magnético orbital é válido para elétrons e núcleos, de forma que em
função da natureza nuclear atômica, no caso dos núcleos, os parâmetros carga atômica
+Ze e massa atômica M devem ser observados (no caso do núcleo de hidrogênio,
42
ambos +Ze e M , são iguais a 1). Uma vez que a teoria de Dirac está relacionada com
elétrons e não com núcleos atômicos, assume-se que nada de especial aconteça com o
próton, apenas que sua massa e sua carga estarão diferenciando-os do elétron. Contudo,
há de se considerar um desvio no valor experimental do fator giromagnético do próton
para o seu correspondente valor teórico, atribuído a maior complexidade do próton em
relação ao núcleo magneticamente ativo. Desta forma, surge o termo fator
giromagnético observado, que é uma constante física do núcleo, ou seja, uma
constante de proporcionalidade entre o momento magnético spin de um núcleo e o
número de spin nuclear I. Assim, está associado com I, como descrito na Equação 5.
Eq. 5
3.5.1.2. Energia dos núcleos em um campo magnético
O número quântico spin nuclear (I) possui valores inteiros ou fracionados.
Núcleos com I igual a zero, correspondem a um tipo de núcleo que não possui
momento giromagnético nuclear, sendo assim, magneticamente inativo (exemplo: 12
C,
16O,
32S). Núcleos com I=½, correspondem a um tipo de núcleo que possui distribuição
de carga esférica e uniforme (exemplo: 1H,
13C,
15N,
19F,
31P) (SILVERSTEIN;
WEBSTER; KIEMLE, 2005).
O momento giromagnético nuclear, , é relacionado ao número quântico spin
nuclear pela Equação 6 (SILVERSTEIN; WEBSTER; KIEMLE, 2005).
Eq. 6
Em que é a razão giromagnética específica do núcleo atômico, uma característica
determinada empiricamente de acordo com sua estrutura interna. Havendo 2I+1
possíveis orientações do momento angular spin no espaço, há 2I+1 possíveis
orientações do magneto nuclear. Desta forma, o momento magnético nuclear na direção
z é dada pela Equação 7 (SILVERSTEIN; WEBSTER; KIEMLE, 2005).
Eq. 7
43
Cada orientação na presença do campo magnético terá uma energia diferenciada,
que pode ser descrita pela Equação 8.
Eq. 8
3.5.1.3. Frequência de Larmor e divisão da energia
De acordo com a teoria descrita por Piela (2007), um ímã isento de atrito sendo
colocado frente a um campo magnético pode ser alinhado com este campo em função de
uma força inerente ao ímã. O ímã fica oscilando sobre a linha do campo
indefinidamente e na busca por uma posição de energia mínima, realinha sozinho de
acordo com o campo (Figura 14a). Supondo que o mesmo ímã gire em torno de seu
eixo, existirá um momento angular direcionado ao longo do eixo. Em função da
necessidade de conservação do momento angular resultante e sua orientação no espaço,
o torque que realinharia o ímã com o campo magnético torna-se oposto. O resultado
disso é que o ímã precessa sob a direção do campo como um giroscópio, ou seja, o ímã
rotaciona sobre o campo de forma que ambos os pólos norte e sul descrevem
movimentos circulares sobre a direção do campo (Figura 14b).
Figura 14. O comportamento dinâmico de um ímã isento de atrito e colocado frente a
um campo magnéticoFigura adaptada de Piela (2007).
44
A dinâmica do núcleo em um campo magnético é chamada de precessão de
Larmor (Figura 15) e sua frequência, , é dada pela Equação 9.
Eq. 9
Figura 15. Precessão de Larmor. Figura adaptada de Piela (2007).
A precessão de ao redor do eixo z produz um campo magnético de rotação no
plano xy permitindo que a radiação da onda eletromagnética incidida seja capaz de
perturbar o movimento precessional do núcleo. A frequência da radiação deve ser igual
à frequência de Larmor e deve satisfazer a condição de Bohr-Einstein que tem a
seguinte equação: , é a frequência de Larmor.
Deste modo, a energia requerida para a transição entre dois níveis de energia
implica na radiação de mesma frequência de precessão de Larmor. Se esta frequência de
precessão do núcleo for muito diferente da frequência de Larmor, não haverá nenhum
efeito. Porém, se for igual à frequência de Larmor, então o momento magnético
rotacional e o campo magnético rotacional da radiação irão permanecer em fase um com
outro e o efeito resultante consiste na transição de spin do núcleo +½ para -½, que
ocorre no caso dos isótopos 1H,
3H,
13C,
15N e
19F, todos com I=½.
Para os átomos de hidrogênio (todos os isótopos são magneticamente ativos, 2H
tem I=1) o isótopo 1H é o que detém o maior percentual de registro por ser o mais
abundante (99,985% de ocorrência natural) e requer um campo magnético mínimo de
1T que corresponde a frequência de Larmor de aproximadamente 40 MHz. O momento
magnético do núcleo é algumas vezes expresso em termos do fator nuclear , uma
característica do núcleo, e do magneto nuclear, uma quantidade independente do núcleo
(Equações 10 e 11).
45
Eq. 10
Eq. 11
Em que mp é a massa do próton. Valores positivos de e denotam um momento
magnético que é paralelo ao spin, enquanto que valores negativos indicam que momento
magnético e spin são antiparalelos. Assume-se positivo, que é o caso da maioria dos
núcleos. O magneto nuclear é 2000 vezes menor do que o magneto de Bohr, então o
momento magnético nuclear (e consequentemente a energia de interação com o campo
externo), será cerca de 2000 vezes menor do que o momento magnético spin do elétron.
Em sua essência, um experimento de RMN consiste na absorção da radiação
ressonante do núcleo magneticamente ativo quando submetido a um forte campo
magnético aplicado (Figura 16), em que a energia de separação entre mI = +½ ( ou ) e
mI = -½ ( ou ) corresponde a:
Eq. 12
A absorção ressonante é registrada quando a condição de ressonância descrita na
Equação 13, ocorre.
Eq. 13
46
Figura 16. Níveis de energia nuclear spin para um núcleo com I=½ (por exemplo, 1H e
13C). A ressonância ocorre quando a separação dos níveis de energia atinge a energia
dos fótons no campo eletromagnético. Figura adaptada de Atkins; Paula (2006).
Como corresponde a frequência de Larmor do núcleo, essa
ressonância ocorre quando a frequência do campo magnético aplicado atinge a
frequência de Larmor ( . Dessa forma, a RMN, em sua essência, consiste no
estudo das propriedades moleculares que contém núcleos magnéticos, através da
aplicação de um campo e observação da frequência ressonante deste campo. Como a
frequência de Larmor dos núcleos no campo aplicado (cerca de 12T) tipicamente fica na
região de radiofrequência do espectro eletromagnético (próximo de 500 MHz), pode-se
afirmar que a RMN é uma técnica de radiofrequência.
Em outras palavras pode-se dizer que, quando o campo magnético externo
aplicado se mantém constante e a radiofrequência do oscilador varia, a velocidade
angular do componente rotacional do campo B1 (da onda eletromagnética) varia até se
tornar igual (em ressonância) com a velocidade angular de precessão nuclear (Figura
17). Neste ponto, ocorre absorção de energia e o registrador mostra um pico de
absorção. São aplicados vários pulsos de energia em intervalos de tempo controlado, em
função do relaxamento.
47
Figura 17. Oscilador gerando a componente rotacional do campo aplicado 1. Figura
adaptada de Silverstein; Webster; Kiemle (2005).
O plote de magnetização como função do tempo, é chamado de FID (decaimento
de indução livre) (Figura 5), que consiste em uma combinação de todas as frequências
superpostas emitidas por um sistema molecular, e pode ser muito complexo de
interpretar. Uma análise de transformada de Fourier é feita para extrair as frequências
individuais e gerar o espectro de RMN.
Figura 18. Oscilações observadas após a passagem pela frequência de ressonância em
um espectro de varredura. Figura adaptada de Silverstein; Webster; Kiemle (2005).
3.5.1.4. Deslocamento químico e proteção eletrônica
A frequência na qual um núcleo ressona depende somente do razão
giromagnética, , e do campo magnético aplicado. A equação fundamental da RMN
que correlaciona a frequência aplicada ( ) com o campo magnético externo ( 0) é dada
pela Equação 9.
48
A causa da variação na frequência de ressonância com a composição química se
deve ao fato de que os núcleos são sempre cercados por nuvens de elétrons que por sua
vez exercem efeito importante no campo magnético experimentado pelos núcleos. Desta
forma, o núcleo experimentará um campo levemente menor do que aquele aplicado e
ressonará numa frequência levemente menor que aquela dada por A
diferença na frequência de ressonância do núcleo isolado e a do núcleo imerso em uma
densidade eletrônica é chamada de deslocamento químico. Como é muito difícil medir o
campo magnético exato para o qual a molécula é exposta, se tornou prática universal
medir o deslocamento químico relativo a uma posição de ressonância de uma substância
padrão que tenha a ressonância bem definida. Para os átomos de 1H,
13C e
29Si, o padrão
é o tetrametilsilano (TMS), e a escala de deslocamento químico, conhecida como , é
definida como:
Eq. 14
O valor de é independente do campo e as medidas de absorção podem ser
comparadas mesmo obtidas de diferentes instrumentos.
Desta forma, define-se para o deslocamento químico (que corresponde à ação da
densidade eletrônica na diminuição da frequência de precessão do núcleo isolado) de
cada núcleo analisado uma constante de proteção (a), de modo que a frequência de
absorção de cada núcleo será dado pela Equação 15, na qual assume-se que somente
núcleos da mesma espécie, encontram-se envolvidos no espectro.
Eq. 15
Substituindo esta equação na equação do (Equação 14), obtém-se a Equação 16.
Eq. 16
O momento magnético nuclear interage com o campo magnético local, que por
sua vez se diferencia do campo aplicado porque este induz momento eletrônico orbital
angular (que trata-se da circulação de correntes eletrônicas), que dá origem a uma
pequena parte do campo magnético do núcleo, (Figura 19).
49
Figura 19. Linhas de campo representando o momento magnético gerado pela
corrente de anel é proporcional ao momento angular L de uma partícula com carga q
girando tem em torno de seu eixo. Figura adaptada de Autschbach; Le Guennic (2007).
Esse campo adicional é proporcional ao campo aplicado, portanto pode-se
estabelecer que:
Eq. 17
Em que é uma constante quantitativamente adimensional chamada de constante de
proteção ( é usualmente positiva, mas pode assumir valor negativo).
O campo total local pode ser escrito em termos do campo magnético intrínseco
do núcleo mais a contribuição da circulação de correntes eletrônicas, como mostrado na
Equação 18.
Eq. 18
Sendo a frequência nuclear de Larmor:
Eq. 19
A habilidade do campo aplicado em induzir uma corrente eletrônica na
molécula, e consequentemente afetar a intensidade do campo magnético local resultante
experimentado pelo núcleo, depende dos detalhes da estrutura eletrônica nas
vizinhanças do núcleo de interesse. Logo, núcleos em diferentes ambientes químicos,
com diferentes vizinhanças, terão constantes de proteção distintas.
50
Por convenção, um espectro de RMN é plotado com aumentando da direita
para a esquerda. Consequentemente, em um campo magnético aplicado fornecido, a
frequência de Larmor também aumenta da direita para esquerda. Nos espectrômetros de
onda contínua (CW), onde a radiofrequência é mantida constante e o campo magnético
aplicado varia, o espectro obtido mostra o campo magnético aplicado aumentando da
esquerda para direita, ou seja, um núcleo com um deslocamento químico pequeno
experimenta um campo local relativamente baixo, dessa forma necessita de um campo
magnético aplicado alto para poder ressonar na radiofrequência do campo.
Consequentemente, a parte da direita do espectro possui valores de deslocamento
químico menores, e também é onde termina um espectro (Figura 20). Absorções à
esquerda requerem um campo mais baixo já que os núcleos estão mais desprotegidos,
enquanto que as absorções à direita requerem um campo mais alto, uma vez que os
núcleos estão mais protegidos de acordo com suas vizinhanças.
Figura 20. Escala de RMN em 300 MHz e 600 MHz. Figura adaptada de Silverstein;
Webster; Kiemle (2005).
3.5.1.5. Teoria de Ramsey para deslocamento químico
Um campo magnético externo 0 e/ou um campo magnético produzido pelo
momento dipolo magnético do núcleo M1, M2, M3,....certamente representam uma
perturbação extremamente fraca para afetar a energia da molécula, e portanto, as
mudanças induzidas na molécula são racionalizadas por métodos perturbativos (teoria
que só pode ser aplicada quando as mudanças em energia são pequenas).
A teoria de Ramsey consiste em descrever esses efeitos induzidos a partir de
duas contribuições: a diamagnética (correção de primeira ordem) e a paramagnética
51
(correção de segunda ordem). A variação da energia que correspondente a essa
perturbação, encontra-se descrita na Equação 20 (PIELA, 2007).
Eq.20
O Hamiltoniano da constante de proteção é expresso em termos do produto
escalar IAH. O operador perturbação contém muitos termos, porém a maioria
deles, quando inseridos na expressão acima são incapazes de reproduzir os termos que
se comportem como IAH. Apenas alguns termos bem particulares podem reproduzir
esse produto escalar tão peculiar. Assim, o termo da correção de primeira ordem
(contribuição diamagnética), é obtido a partir da segunda derivada do Hamiltoniano
com respeito às componentes H e IA, inserindo, em seguida, o cálculo da derivada na
perturbação igual a zero (H=0 e IA=0): . Logo, o termo mais
próximo para expressar a energia correspondente à perturbação causada pelos
momentos magnéticos nucleares de um sistema molecular é a correção diamagnética
(ou de primeira ordem) que se encontra descrita na Equação 21.
Eq. 21
3.1.1.6. Hamiltoniano da RMN
O Hamiltoniano do sistema de N partículas (a jotaézima partícula de massa mj
e carga qj) movendo-se num campo eletromagnético externo com potencial vetor A e
potencial escalar pode ser escrito como:
Eq. 22
52
Assumindo para esta expressão, a aproximação de Born-Oppenheimer em que,
núcleos em análise ocupam algumas posições fixas no espaço, do Hamiltoniano
apresentado na Equação 22, obtém-se a carga eletrônica qj=-e e as massas mj=m0=m
(massa de repouso do elétron). A partir da adição da interação dos momentos
magnéticos da partícula (dos elétrons e dos núcleos; bem como dos momentos que
resultam do movimento orbitalar dos elétrons e do spin de cada partícula), refina-se o
Hamiltoniano, levando-se em consideração ainda, o campo magnético externo, e desta
forma, obtém-se a Equação 23 (PIELA, 2007).
Eq. 23
As equações de cada termo não serão aqui explicitadas. O termo contém o
operador da energia cinética no campo magnético externo, o potencial Coulômbico da
interação com todas as partículas carregadas, a interação dos momentos magnéticos spin
dos elétrons e dos núcleos no campo 0, os termos spin-órbita eletrônica, os termos
spin-spin eletrônico, e os termos órbita-órbita. Os termos correspondem à
interação dipolo-dipolo magnética envolvendo spins nucleares.
Para interpretar um espectro de RMN, considera-se um Hamiltoniano efetivo
que contenha explicitamente apenas os momentos magnéticos nucleares. As
coordenadas eletrônicas são ausentes e a estrutura eletrônica entra apenas
implicitamente através de alguns parâmetros interativos. Dessa forma, temos que:
Eq. 24
Em que , e denotam matrizes simétricas de dimensão três (tensores), de
forma que é a constante de proteção do núcleo A. Dessa forma, o núcleo A sente o
campo local , ao invés do campo aplicado . A
expressão assume que a proteção é proporcional a intensidade do campo magnético
externo aplicado que causa a proteção, então o primeiro termo Hamiltoniano pode ser
escrito como . O termo representa uma matriz 3x3 descrevendo
diretamente a interação dipolo-dipolo através do espaço. O termo é conhecido
como tensor de acoplamento intermediário spin spin reduzido, também representa uma
matriz 3x3 que leva em conta dois dipolos magnéticos interagindo adicionalmente
através da ligação química ou da ligação de hidrogênio que os separam (PIELA, 2007).
53
3.1.1.7. Acoplamento nuclear spin spin (J)
Foi discutido nos tópicos acima que cada núcleo é capaz de gerar um sinal de
ressonância devido ao seu momento dipolo magnético, que no caso de núcleos com
I=½, pode ser alinhado em duas direções com respeito ao campo aplicado, .
O momento magnético de cada núcleo pode aumentar ou diminuir o campo
magnético aplicado e essa mudança pode ser detectada por outro núcleo, se este estiver
suficientemente próximo (este processo é mútuo). A Figura 21 mostra o acoplamento
spin-spin de uma molécula de hidrogênio. O círculo não preenchido representa o núcleo
e o preenchido o elétron. As setas indicam as orientações dos momentos spin magnético
para as quatro partículas (GRINTER, 2005).
Figura 21. Acoplamento spin spin do hidrogênio molecular (GRINTER, 2005).
No lado esquerdo, percebe-se que o elétron desenhado mais próximo do núcleo
tem seu momento magnético na direção oposta a do núcleo, ou seja, as duas partículas
orientam seus momentos magnéticos de forma a minimizar a energia de interação. Esse
tipo de interação elétron-núcleo é conhecido por contato de Fermi, e foi sugerida por
Enrico Fermi em 1930, para explicar os efeitos vistos na espectroscopia atômica
(FERMI, 1930). É importante ressaltar que não se trata da mesma interação dipolo-
dipolo que é sentida quando dois ímãs são aproximados. A interação que queremos
mostrar aqui aumenta porque, por menor que ela seja, o núcleo e o elétron não são
cargas pontuais, e essa interação ocorre quando núcleo e elétron estão em contato.
Neste contexto, é importante observar que a informação spin nuclear é
transmitida pelos elétrons. Em moléculas que não possuem uma orientação espacial
fixa, por exemplo, em solução, a interação dipolo-dipolo nuclear spin existe, mas não é
vista porque a constante mudança de orientação da molécula com respeito ao campo
magnético aplicado leva o acoplamento dipolar à zero (GRINTER, 2005). O
acoplamento spin-spin é um acoplamento mediado pelo elétron, e existem dois modelos
54
(elétron spin e elétron orbital), que contribuem para o acoplamento mediado por elétron
observado em fase fluida, porém, como esses mecanismos possuem efeitos
negligenciáveis para o acoplamento próton-próton, não devem ser levados em conta
aqui. Apesar do mecanismo de acoplamento spin-spin mediado por elétrons ser
complexo, a expressão quanto-mecânica desse efeito é bem simples. Se levarmos em
conta a energia entre dois núcleos, A e B, como parâmetro, a constante de acoplamento
JAB, pode ser determinada experimentalmente. E essa energia pode ser escrita como JAB
multiplicado pelo produto escalar de e , como mostrado na Equação 25, em que
divide-se pela constante de Planck para que o valor fique em Hz, unidade de medida
que é utilizada nas análises experimentais (GRINTER, 2005).
Eq. 25
3.1.1.8. Teoria de Ramsey para o acoplamento spin spin (J)
Seguindo a mesma linha de raciocínio para a expressão para o deslocamento
químico, para calcular a energia envolvida no acoplamento entre dois núcleos,
consideram-se ambas as contribuições diamagnética e paramagnética, de acordo com a
equação abaixo:
= Edia +Epara
Eq. 26
Existem duas contribuições diamagnéticas referente a este efeito, dadas pelo
termo , que representa a contribuição referente a interação direta
(através do espaço) entre os núcleos, também chamada de contribuição elétron spin.
Porém, a média sobre as rotações livres da molécula faz com que esse termo seja igual a
zero. O segundo termo representa a contribuição diamagnética spin orbital (DSO) e
pode ser transformado a partir de algumas operações matemáticas, como mostrado na
Equação 27 (PIELA, 2007).
55
= Eq. 27
3.1.1.9. Método do orbital atômico gauge invariante (GIAO)
A aplicação prática da constante de acoplamento depende da escolha do vetor e
do potencial escalar. A arbitrariedade da escolha do potencial A e ϕ (escolha de gauge)
não representa nenhum problema para o átomo, já que é natural localizar sua origem no
núcleo (Equação 28) (PIELA, 2007).
Eq. 28
Pela mesma razão, porém, isso representa um sério problema para a molécula,
porque apesar da escolha ser igualmente justificada, esta justificativa é apenas teórica,
não prática. Uma equivocada escolha pelo vetor potencial (apesar de ser
matematicamente justificável) pode gerar resultados corretos, mas apenas depois de
calcular o somatório de todas as contribuições infinitamente, incluindo a aplicação de
todos os orbitais atômicos. De acordo com Fritz London (LONDON, 1937), a forma do
orbital atômico depende explicitamente do campo aplicado. Cada orbital atômico
com centro no núcleo C (e posição mostrada pelo vetor ) e descrevendo
um elétron pontual através do vetor r, é substituído pelos orbitais de London, de acordo
com a Equação 29.
Eq. 29
Em que corresponde ao valor do campo vetorial A no núcleo C, e A corresponde a
origem gauge de acordo com a Equação 24, onde 0 denota a intensidade do campo
magnético homogêneo (nenhuma contribuição do campo magnético gerado pelo núcleo
é considerada). Dessa forma, os orbitais de London não são invariáveis com respeito à
escolha do vetor potencial origem, por exemplo, quando realiza-se a troca da
coordenada do sistema na Equação 28 através pelo vetor R, obtém-se:
Eq. 30
De fato, substituindo na equação dos orbitais atômicos de London se obtém a Equação
31.
56
Eq. 31
Resumindo, os orbitais atômicos de London também conhecidos como Orbitais
Atômicos Gauge Invariantes (GIAO, da sigla em inglês), removem qualquer referência
para a arbitrariedade da origem gauge, através da troca da origem gauge por centros de
funções de base individualizadas.
3.6. Aspectos conceituais e fundamentais da DFT
A teoria do funcional de densidade (DFT – Density Functional Theory) surgiu
inicialmente no final de 1920´s implícita no trabalho desenvolvido por Fermi (FERMI,
1927) e Thomas (THOMAS, 1927), onde foi introduzida pela primeira vez a ideia de se
expressar a energia de um sistema em função de sua densidade eletrônica total. Um
importante passo no uso da DFT no estudo de moléculas e compostos no estado sólido
foi dado por Slater em 1951, com o método X, que consistia em um parâmetro de
aproximação do funcional de correlação e troca, escrito na forma de um funcional de
troca apenas. Apesar dessas teorias terem sido capazes (mesmo com muitas limitações)
de relacionar a energia e outras propriedades de um sistema com sua densidade
eletrônica, uma prova formal só veio a tona nos anos 1960´s, com o teorema de
Hohenberg e Kohn (HOHENBERG; KOHN, 1964), demonstrando que a energia do
estado fundamental de um sistema eletrônico não-degenerado e suas correspondentes
propriedades, estão unicamente definidas em termos de sua densidade eletrônica.
Entretanto, apesar de Hohenberg-Kohn confirmarem a existência de um funcional
relacionando a densidade eletrônica e a energia do sistema, não havia uma forma que
descrevesse este funcional (Equação 32).
E0[0] = T[0] + Eee[0] + Ene[0] Eq. 32
57
Foi então em 1965 que a introdução do conceito de orbitais cobriu essa lacuna
com as equações de Kohn-Sham (KOHN; SHAM, 1965), que considerando n os
elétrons e N os núcleos de um sistema molecular, pode ser escrita como mostram as
Equações 33 e 34. O primeiro termo é relativo à energia cinética não interativa dos
elétrons, o segundo mensura a interação elétron-núcleo, o terceiro é referente às
repulsões Coulômbicas entre a distribuição de carga total em r1 e r2. Finalmente o
quarto termo, conhecido como funcional de troca e correlação, representa a correção da
energia cinética relativa à natureza interativa dos elétrons, e todas as correções não-
clássicas do elétron. A descrição desse termo é até hoje em dia o maior desafio da DFT.
A qualidade dos resultados obtidos é função principalmente do tipo de potencial VXC(r)
utilizado. Uma grande variedade de técnicas e métodos de aproximação vem surgindo
na literatura para a representação desse termo, em forma de novos funcionais de
densidade. Nesse contexto, o funcional B3LYP vem sendo bastante representativo
(SOUSA; FERNANDES; RAMOS, 2007).
E [] = ET[] + EV[] + EJ[] + EXC[] Eq. 33
Esse cenário pavimentou a difusão da DFT na química computacional, onde
finalmente em 1995 ocorreu inclusão da DFT no pacote do programa GAUSSIAN
(FRISCH et al., 1995), sendo considerado como o mais popular e difundido pacote de
função de onda utilizado na época e atualmente, e promovendo definitivamente a DFT
como uma atrativa alternativa computacional a outros métodos ab initio. A Figura 22
revela onde a DFT se encaixa entre os métodos de química computacional/modelagem
molecular existentes atualmente.
Em 1998, Pople e Kohn são laureados Prêmio Nobel em Química devido as
suas relevantes contribuições aos avanços da química computacional. Neste contexto,
destaca-se a DFT por possibilitar velocidade de cálculo e espaço de memória, já que em
um sistema de n elétrons a função de onda Ψ contém três coordenadas para cada elétron,
mais a função spin, correspondendo a um total de 4n coordenadas, enquanto que a
densidade eletrônica depende apenas de três coordenadas, sendo independente do
[] Eq.34
58
número de elétrons que possui o sistema (JENSEN, 2013). Desta forma, a DFT se
tornou uma poderosa ferramenta de previsão de propriedades para sistemas moleculares
diversos e teve forte influência na evolução da química quântica (KOCH;
HOLTHAUSEN, 2001).
Figura 22. Diagrama indicando os diferentes métodos existentes em química
computacional.
Métodos Pós- Hartree-
Fock
Neste ano de 2014 completam-se 50 anos desde a publicação do teorema de
Hohenberg-Kohn (HOHENBERG; KOHN, 1964), que é amplamente considerado como
o início da teoria de densidade funcional moderna na teoria estrutural eletrônica. Nos
últimos anos, a DFT emergiu como uma indispensável ferramenta em física moderna,
química, biologia e ciência de materiais. Mais de 6000 artigos tratando de DFT foram
publicados no Journal of Chemical Physics, com média de 500-600 artigos por ano na
última década (KOHN; SHERRILL, 2014).
O número de propriedades que se pode obter de sistemas químicos complexos
utilizando a DFT e suas respectivas aplicabilidades vêm sendo descritas ao longo do
tempo e são diversas, como a possibilidade de obtenção de propriedades moleculares
como momento dipolo, dureza e moleza de compostos orgânicos (DUARTE, 2001;
KOBAYASHI et al., 1998; PROFT; LANGENAEKER; GEERLINGS, 1993), o estudo
do comportamento conformacional de carboidratos (PIHLAJA et al., 2003), a previsão
de aromaticidade em sistemas como pentaphyrins (ALONSO; GEERLINGS; PROFT et
59
al., 2014), o estudo de reações químicas, obtendo-se a previsão das energias dos
mínimos (reagentes, produtos e intermediários reacionais) e máximos (estado de
transição) (ADAMESCU; HAMILTON; AL-ABADLEH, 2014; SAFI; CHOHO;
GEERLINGS, 2001).
O fluxograma da Figura 23 extraído de um dos primeiros artigos nacionais de
revisão sobre DFT (MORGON; CUSTODIO, 1995) mostra um esquema computacional
geral comparativo para a DFT e para o método Hartree-Fock-Roothaan (HFR).
Figura 23. Fluxograma de ciclo auto consistente para os métodos HFR e DFT para a
determinação da energia e propriedades de um sistema eletrônico (MORGON;
CUSTODIO, 1995)
60
Em um trabalho recente investigou-se a aromaticidade e reatividade de
nucleobases de DNA e RNA (DUTTA; BHATTACHARYYA, 2014). A DFT também
pode ser útil na previsão de propriedades geométricas (distâncias e ângulos de ligação) e
magnéticas (previsão de dados de deslocamento químico e constante de acoplamento)
(BALLY; RABLEN, 2011; PERALTA et al., 2003), bem como na previsão de
propriedades espectroscópicas como infravermelho, ultravioleta, espectroscopia Raman
e difração de Raios-X (GOVINDARASU et al., 2014; MAHALAKSHMI;
BALACHANDRAN, 2014; MONICKA; JAMES, 2014. Além disso, a DFT pode atuar
como ferramenta no estudo da Relação entre Estrutura Química e Atividade Biológica
(REA) de uma série de compostos mostrando algumas atividades biológicas específicas
(KOBAYASHI et al., 1998).
3.7. Aspectos conceituais e fundamentais da QTAIM
A teoria quântica de átomos em moléculas (QTAIM) consiste em um modelo
quântico inovador criado pelo químico canadense Richard Bader (BADER, 1990).
Diferentemente dos modelos VB (teoria dos orbitais de valência) e MO (teoria do
orbital molecular) baseados em orbitais (BARBOSA, 2009), e que não podem ser
medidos experimentalmente, a QTAIM é baseada em um observável, a densidade
eletrônica, sendo assim bastante eficiente na caracterização de interações inter e/ou
intramoleculares, no estudo da ligação química, bem como na definição da estrutura
molecular (BADER, 2010). Toda informação inerente a um sistema químico está
contida em uma função de onda Ψ (ALMEIDA; SANTOS,2001), na qual o valor de
uma determinada propriedade física é obtida por intermédio da ação do operador
Hamiltoniano, que é o observável correspondente a energia total do sistema (Equação
35).
Eq. 35
Todavia, se há N elétrons em uma molécula, sua função de onda é descrita por
4N coordenadas. Essa função pode ser simplificada para uma função tridimensional
integrando sobre todas as coordenadas espaciais, exceto o conjunto de três
coordenadas descrevendo o elétron, e somando sobre todas as coordenadas de spin. A
função resultante é denominada densidade de probabilidade, P(r). De acordo com os
conceitos quanto-mecânicos da QTAIM, as propriedades observáveis de um sistema
61
químico estão contidas em sua densidade eletrônica, , onde o vetor gradiente é a
condição básica para se determinar a topologia molecular (POPELIER, 2000).
Considerando os átomos como sistemas de camada aberta (Ω) e restringindo condições
de contorno na superfície atômica S(Ω,r), Bader mostrou que o fluxo de densidade de
carga é nulo em qualquer ponto desta superfície (BADER, 1985). Dessa forma, o
gradiente é perpendicular a um vetor unitário n(r) normal à superfície definida em
S(Ω,r), conforme mostra a Equação 36:
Eq. 36
As informações topológicas de um determinado sistema molecular podem ser
obtidas através da utilização da densidade eletrônica obtida a partir de qualquer método
ab initio ou de densidade funcional ou mesmo experimental. As forças atrativas do
núcleo estão diretamente relacionadas com essas informações. Uma evidência disso são
os máximos locais na posição de cada núcleo em uma análise topológica. A Figura 24
mostra um mapa representativo da topologia da densidade eletrônica para uma
subunidade da estrutura da morfina (MATTA; BOYD; BECKE, 2007).
Figura 24. (a) Estrutura molecular da morfina. (b) Mapa de relevo representando a
densidade eletrônica no plano do anel aromático (MATTA; BOYD; BECKE, 2007).
62
A definição quanto-mecânica de todas as propriedades médias de uma molécula
é permitida na QTAIM a partir do somatório das propriedades médias para cada núcleo
isolado que compõem um determinado sistema molecular. Isso é possível pois a
QTAIM divide o sistema molecular em subsistemas quânticos, denominados bacias
atômicas. A integração da densidade eletrônica contida em cada bacia atômica define as
propriedades de um sistema molecular. Dessa forma é possível obter algumas
informações inerentes a um sistema molecular como previsão da intensidade de
espectros de infravermelho (HAIDUKE; BRUNS 2005; HAIDUKE; OLIVEIRA;
BRUNS, 2004) e da susceptibilidade magnética (KEITH; BADER, 1993), bem como
constantes de acoplamento spin-spin, a partir da QTAIM (MATTA; HERNÁNDEZ-
TRUJILLO; BADER, 2002). A equivalência entre a QTAIM e a técnica de difração de
Raios-X vem sendo comprovada com estudos mostrando satisfatórias correlações entre
dados experimentais e dados topológicos de densidade eletrônica para algumas espécies,
como por exemplo, bulvaleno (KORITSANSZKY; BUSCHMANN;LUGER, 1996) e
ácido de Meldrum (CHOPRA et al., 2009). Nesse contexto, estudos realizados com o
composto bioativo diidroartemisinina apresentaram progressos que facilitaram o
entendimento de suas características farmacofóricas (SALEH et al., 2013).
A QTAIM também trata a formação da ligação química, não se limitando apenas
ao ambiente atômico (POPELIER; AICKEN, 2003). As trajetórias do gradiente da
densidade eletrônica se moldam para descrever um sistema químico, e não se originam
do infinito, mas de um ponto localizado entre dois atratores, denominados Pontos
Críticos de Ligação (BCP-Bond Critical Point). Cada ponto crítico possui um
raqueamento (rank) e uma assinatura (signature), (r,s). O ranqueamento representa um
número diferente de zero referente a soma dos valores fundamentais da diagonal da
matriz Hessiana, que define a Laplaciana da densidade eletrônica (1, 2 e 3). Já a
assinatura denota o local da curvatura do ponto crítico com relação as coordenadas x, y,
z. Cada tipo de ponto crítico é identificado com um elemento da estrutura química. A
Tabela 1 resume os tipos de pontos críticos.
63
Tabela 1. Os diferentes tipos de pontos críticos (CP) na topologia de uma zona de
ligação química.
Nome Sigla 1 2 3 (r,s)
Nuclear critical point NCP - - - (3,-3)
Bond critical point BCP - - + (3,-1)
Ring critical point RCP - + + (3,+1)
Cage critical point CPC + + + (3,+3)
Um ponto crítico na densidade eletrônica é aquele ponto no espaço onde a
primeira derivada da densidade é zero. A relação matemática descrita na Equação 37
resume este fato.
= o (em todos os pontos críticos)
? o (em todos os outros pontos)
Eq. 37
O conceito de caminho de ligação (BP- Bond Path) surge quando duas
trajetórias de direcionadas aos núcleos são formadas a partir de um único ponto
crítico de ligação. Ou seja, quando algum caminho de ligação interliga dois atratores,
admite-se que esses dois núcleos formam uma ligação química. A Equação 38 define a
localização do Laplaciano da densidade eletrônica , onde os três autovalores (1, 2
e 3) de possuem dois valores negativos (1, 2) e um positivo (3).
Eq. 38
As derivadas de segunda da densidade eletrônica, ou campos Laplacianos trazem
informações relevantes para compreensão de um sistema químico. O sinal da Laplaciana
tem a propriedade de descrever a concentração de densidade de carga em uma ligação
química. Se 2> 0, significa que fisicamente a densidade está dispersa nos BCP das
ligações químicas, caracterizando um sistema de camada fechada, se aplicando para
ligações iônicas, ligações di-hidrogênios e interação de Van der Waals. Em
contrapartida, quando 2< 0, significa que a densidade de carga está concentrada em
torno da zona de ligação, caracterizando um sistema de camada aberta, podendo ser
64
aplicado para ligações covalentes. Além do sinal da Laplaciana, o tipo de interação
entre dois átomos, ou fisicamente falando, entre duas bacias atômicas, é classificado de
acordo com outros parâmetros topológicos tais como: valor da densidade de carga do
ponto crítico (); a razão |1|/3; e o valor de densidade de energia total (Hb). O
resultado direto das propriedades topológicas principais de distribuição de carga estão
no gráfico molecular onde o máximo local, os pontos críticos (3,-3) ocorrem nas
posições dos núcleos, e os pontos críticos (3, -1) ligam certos pares de núcleos em uma
molécula. O gráfico molecular consiste em uma rede de caminhos de ligação entre pares
atratores de núcleos vizinhos, e indica interações intra e/ou intermoleculares em um
sistema. A Figura 25 mostra o gráfico molecular e os respectivos pontos críticos para a
molécula do cubano (MATTA; BOYD; BECKE, 2007).
Figura 25. Gráfico molecular para molécula do cubano mostrando os caminhos de
ligação (Bond path-BP), e os pontos críticos: nuclear (de acordo com a cor de cada
elemento, C=preto, H=cinza), de ligação (bolinhas vermelhas), de anel (bolinhas
amarelas) e de gaiola (bolinha verde) (MATTA; BOYD; BECKE, 2007).
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81
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Capítulo 1. Experimental and NMR theoretical methodology applied to geometric
analysis of the bioactive clerodane trans-dehydrocrotonin
Breno Almeida Soares,a Caio Lima Firme,
a* Maria Aparecida Medeiros Maciel,
a,b
Carlos R. Kaiser,c Eduardo Schilling,
d Adailton J. Bortoluzzi
d
aUniversidade Federal do Rio Grande do Norte, Instituto de Química, Campus Lagoa Nova,
Natal-RN, Brazil
bUniversidade Potiguar Laureate International Universities, Programa de Pós-graduação em
Biotecnologia, Campus Salgado Filho, Natal-RN, Brazil
cUniversidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Química, Ilha do Fundão, Rio de Janeiro-
RJ, Brazil
dUniversidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Química, Campus Universitário
Trindade, Florianópolis-SC, Brazil
Corresponding author:
E-mail: [email protected] or [email protected]
Dados Completos da referida publicação:
SOARES, B. A.; FIRME, C. L.; MACIEL, M. A. M.; KAISER, C. R.; SCHILLING, E.;
BORTOLUZZI, A. J. Experimental and NMR theoretical methodology applied to
geometric analysis of the bioactive clerodane trans-dehydrocrotonin. Journal of
Brazilian Chemical Society, v. 25, p. 629-638, 2014.
Resumo
trans-Desidrocrotonina (t-DCTN), um bioditerpeno do tipo 19-nor-clerodano isolado de
Croton cajucara Benth, representa um dos clerodanos com maior índice de
investigações científicas atualmente. Neste trabalho, uma nova abordagem unindo dados
de difração de Raios-X, dados de Ressonância Magnética Nuclear e dados teóricos
foram aplicados para a completa caracterização da t-DCTN. Para tanto, a geometria de
t-DCTN foi reavaliada por difração de Raios-X e RMN de 1H e RMN de
13C e foi
comparada com os dados teóricos obtidos por B3LYP/6-311G++(d,p). A subsequente
avaliação dos valores teóricos e experimentais de deslocamentos químicos de RMN e
82
constantes de acoplamento spin spin levou a muito boas correlações entre propriedades
magnéticas teóricas e experimentais da t-DCTN. Adicionalmente, os índices de
deslocalização entre átomos de hidrogênio, ’correlacionaram bem com os dados
experimentais e calculados de constante de acoplamento. Uma análise topológica
complementar utilizando a Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM)
mostrou interações intramoleculares para t-DCTN.
Abstract
trans-Dehydrocrotonin (t-DCTN) a bioactive 19-nor-diterpenoid clerodane type isolated
from Croton cajucara Benth, represents one of the most investigated clerodane on
literature. In this work, a new approach joining X-ray diffraction data, Nuclear
Magnetic Resonance data and theoretical calculationswere applied to the thorough
characterization of t-DCTN. For that, the geometry of t-DCTN was reevaluated by X-
ray diffraction and 1H and
13C NMR, whose geometrical parameters where compared to
those from B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory. From the evaluation of the
calculated and experimental values of 1H and
13C NMR chemical shifts and spin-spin
coupling constants, it was found very good correlations between theoretical and
experimental magnetic properties of t-DCTN. Additionally, the delocalization indexes
between hydrogen atoms correlated well with theoretical and experimental spin-spin
coupling constants. An additional topological analysis from Quantum Theory of Atoms
in Molecules (QTAIM) showed intramolecular interactions for t-DCTN.
Keywords: Croton cajucara; trans-dehydrocrotonin; NMR; DFT calculations;
QTAIM; X-ray crystallography
83
Introduction
The clerodane group of diterpenes includes more than 800 isolated compounds
and a significant number of these compounds showed to have biological activity such as
antimicrobial,1 psychotropic,
2 antiulcer
3 and antitumor.
4 Actually, the 19-nor-clerodane
trans-dehydrocrotonin (t-DCTN), a furan clerodane skeleton type diterpene (Figure 1) is
one of the most important bioactive clerodane reported in the current literature. This
natural compound isolated from Croton cajucara Benth (Euphorbiaceae), a widely
grown tree in the Amazonian region of Northern Brazil, became an important target for
pre-clinical researches. In fact, pharmacological studies examining t-DCTN confirmed
its anti-inflammatory, analgesic, antitumor, antiulcer, hypolipidemic and
cardioprotective effect.5,6
t-DCTN has also been shown to have antimutagenic activity5-
7 and did not induce clastogenic, anticlastogenic, apoptotic and cytotoxic activities.
8
In general, a complete characterization of natural terpenoids compounds
involves a large amount of work, in which 1D and 2D-NMR techniques can be
combined with X-ray diffraction analysis. Since 1976, when Ferguson and Marsh
reported the first crystallographic analysis of a diterpenoid type clerodane molecule,9 a
plenty of reports arisesdescribing clerodane molecules by crystallographic analysis in
combination with NMR techniques. Owing to the complexity of clerodane structural
molecule, the X-ray diffraction analysis is an important tool for a reliable and complete
structural analysis of a new natural or semi-synthetic organic compound. In this context,
the use of theoretical quantum chemistry methods represents a complementary tool for
structural analysis of organic compounds.3,10-26
The NMR spectral data provides useful information on the molecular identity
and geometry of a new compound. In that, NMR parameters such as chemical shifts and
spin-spin coupling constants (SSCC), as well as theoretical calculations and 1H
spectrum simulations gives support for the total characterization of complex molecules.
Regarding to the SSCC parameter, it plays an important role on the conformational
analysis and elucidation of several types of molecules,27-31
mainly when it is correlated
with theoretical SSCC.32-43
Most of the theoretical descriptions of spin spin coupling constants follows the
Ramsey and Purcell interpretation44
and Ramsey formulation.45
In this method, the
coupling constants are calculated by adding four different terms: (1) diamagnetic spin
orbit (DSO) as well (2) the paramagnetic spin orbit (PSO), which represent the
interactions of the magnetic field of the nuclei mediated by the electron orbital motion,
84
(3) the Fermi contact (FC), which is also a response property reflecting the interaction
between the electron spin magnetic moment close to the nucleus and the magnetic field
at the nucleus, and (4) the spin-dipole (SD), which describes the interactions between
the nuclear magnetic moments as mediated by the electronic spin angular moment. For
an accurate quantum chemical description of SSCCs the terms cited above have to be
considered.46-49
In addition, the delocalization index between two hydrogen atoms,
(H,H′), can also be used in the theoretical analysis of the SSCCs.50
The QTAIM is based on an observable,51
the electron density, and it has been
used for several experimental applications, for example, the estimate of the intensity of
IR spectrum52,53
and magnetic susceptibility,54
as well as the calculation of topological
information from X-ray diffraction data55
and the linear correlation between
delocalization index (H,H′) and proton proton coupling constants.56-58
The linear
correlation between delocalization index and fluorine fluorine coupling constants is also
described.59
Unambiguous NMR assignments for t-DCTN and its stereochemistry
determination were previously reported using a powerful NMR equipment (600 MHz
for 1H), 2D-NMR experiments, AM1 calculations and
1H NMR spectrum simulations.
60
In the present work, we have performed X-ray diffraction of t-DCTN and many
theoretical calculations using B3LYP density functional and QTAIM. The geometric
skeleton of t-DCTN was re-examined by means of several correlations involving
experimental and theoretical data in order to provide additional structural information
such as bond length and dihedral angles measurements which are extensively used in
the conformational analysis of biomolecules applied to its pharmacological
responses.3,12,24
Correlations between theoretical results and corresponding experimental
data plus topological analysis from QTAIM are herein discussed.
85
Figure 1. (a) Crystallographic structure (b) skeleton formula and (c) optimized structure
from B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory of the clerodane t-DCTN.
Experimental
Material and Methods
Plant material was collected in Jacundá, Pará state (Amazonian region-Brazil),
and identified by Nelson A. Rosa. A voucher specimen (no. 247) has been stored in the
Herbarium of the Museu Paraense Emílio Goeldi (Belém-Brazil). The isolation of t-
DCTN was performed according to the literature5 and its recrystallization from a
mixture of hexane:ether (7:3) yielded suitable crystal for X-ray diffraction. The
assignments for structure elucidation were previously determined from 1H (600 MHz)
and 13
C (150 MHz) NMR spectroscopy.60
Single crystal X-ray diffraction
The crystal data were measured on an Enraf-Nonius CAD4 diffractometer using
graphite monochromated Mo-K radiation (=0.71069 Å) at room temperature. A
colorless crystal with dimensions of 0.40 x 0.33 x 0.30 mm was isolated from a
homogeneous crystalline sample of t-DCTN. Unit-cell parameters were determined
from centering of 25 reflections in the angle ranging from 4.92 to 12.03o and refined
86
by the least-squares method according to standard procedure.61
Intensities were
collected using the ω-2 scan technique. All diffracted intensities were corrected by
Lorentz and polarization effects. The structure was solved by direct methods and was
refined by the full-matrix least-squares method using SIR97 and SHELXL97.62,63
All
non-hydrogen atoms were refined with anisotropic displacement parameters. Hydrogen
atoms were placed at idealized positions using standard geometric criteria. The
PLATON program64
was used to generate the picture of the molecular structure. Further
relevant crystallographic data are summarized in Table 1.
Table 1. Crystal data and structure refinement for t-DCTN.
_________________________________________________________________
Empirical formula C19H22O4
Formula weight 314.37
Temperature (K) 293(2)
Wavelength (Å) 0.71073
Crystal system Orthorhombic
Space group P212121
a (Å) 7.3869(8)
b (Å) 13.8966(13)
c (Å) 16.018(3)
Volume (Å3) 1644.3(4)
Z 4
(g/cm3) 1.270
(mm-1
) 0.088
F(000) 672
Crystal size 0.40 x 0.33 x 0.30 mm3
Theta range for data collection 1.94 to 27.97o
Index ranges -9 h 0. -18 k 0. -21 l 0
87
Reflections collected / unique 2184 / 2184 [R(int) = 0.0000]
Completeness to theta = 27.97° 96.2 %
Absorption correction None
Refinement method Full-matrix least-squares on F2
Data / restraints / parameters 2184 / 0 / 208
Goodness-of-fit on F2 0.982
Final R indices [I>2(I)] R1 = 0.0502. wR2 = 0.1076
R indices (all data) R1 = 0.1753. wR2 = 0.1386
Largest diff. peak and hole (e.Å-3
) 0.170 and -0.105
Crystallographic data (atomic coordinates and equivalent isotropic displacement
parameters, calculated hydrogen atom parameters, anisotropic thermal parameters and
bond lengths and angles) have been deposited at the Cambridge Crystallographic Data
Center (deposition number CCDC 276648). Copies of this information may be obtained
free of charge from: CCDC. 12 Union Road. Cambridge. CB2 1EZ. UK (Fax: +44-
1223-336-033; e-mail: [email protected] or http://www.ccdc.cam.ac.uk).
Computational details
The geometry of the studied species was optimized by using standard
techniques.65
Vibrational analysis of t-DCTN optimized geometry was carried out to
determine whether it was true minimum or a transition state. No imaginary frequency
was obtained confirming that it was found a minimum in the potential energy surface.
The calculations were performed at B3LYP/6-311G++(d,p)66-71
by using GAUSSIAN
09 package.72
From the Kohn-Sham orbitals of t-DCTN optimized structure, the
electron density was obtained which was used for the calculation t-DCTN topological
data by means of the AIM2000 software.73
88
Results and Discussion
The DFT procedures for computing proton-proton coupling constants and/or
chemical shifts of unknown structures or targets from synthetic studies, have been
extensively reported.32-38
In this work, aiming to describe the most stable
conformational status of t-DCTN (Figure 1) more thoroughly, we have examined the
combined set of X-ray data, NMR spectra and computational calculations using
B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory. A single crystal X-ray diffraction was
undertaken in order to re-examine the asymmetric centers (C5, C8, C9, C10 and C12) of
t-DCTN. The PLATON perspective drawing (Figure 1a) is in agreement with the
geometric configuration supported by NMR spectra of t-DCTN.
Figure 1 shows the crystallographic structure of t-DCTN (Figure 1a), the
corresponding skeleton formula (Figure 1b) and its optimized structure obtained from
B3LYP/6-311G++(d,p) (Figure 1c). In the perspective drawing (Figure 1a and 1c), the
conformation of the decalin system chair is distorted due to 3,4
double bond (located at
C3 and C4 in ring so called A) and also the spiro-lactone at C9 (in ring so called B).
Geometrical data available in the Supplementary Information indicate that the
hydrogen atoms at C10 and C5 positions are on the opposite side of A/B decalin system,
assuming trans configuration. In addition, the bond lengths and angles are expected for
a trans geometry for t-DCTN.
The existence of the spiro arrangement in lactone moiety can be noticed by the
fact of C9 is shared by the lactone group itself and also by ring B of decalin system. The
-unsaturated carbonyl group located in C2, C3, C4 and O1 atoms of decalin ring A
could be observed revealing similar bond lengths of 3-(4-chlorobenzenesulfonamido)-5-
methylcyclohex-2-en-1-one,whose geometric and topological parameters were
described by Jackson and co-workers.74
The C=O, C=C and C-C bond lengths of 3-(4-
chlorobenzenesulfonamido)-5-methylcyclohex-2-en-1-one (1.251 Ǻ, 1.356 Ǻ and 1.437
Ǻ, respectively) are comparable to those corresponding bonds in ring A of t-DCTN
(1.215 Ǻ, 1.325 Ǻ and 1.449 Ǻ, respectively).
The minimum in the potential energy surface of t-DCTN was obtained by
B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory whose geometrical parameters were compared
with those from X-ray diffraction. The theoretical and experimental parameters for t-
89
DCTN are very similar, except for some angle values from furan and lactone moieties.
The O3-C12-C11, C15-C14-C13 and C13-C16-C14 angles have nearly two degrees of
discrepancy when comparing theoretical and experimental results (See Supplementary
Information).
As a consequence of agreement between experimental and theoretical results,
Figure 1a (PLATON thermal ellipsoids plots) and Figure 1c (an optimized structure)
indicate similar nuclear configuration for t-DCTN. Both stereo views showed a visual
similarity in arrangements of the decalin and lactone moieties, as well as for furan ring
which is out of plane for both representations.
Theoretical magnetic properties (chemical shifts and SSCC) of t-DCTN were
obtained from B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory and compared with corresponding
experimental values (See Supplementary Information).
Aiming to reinforce the discussion on the absolute configuration of t-DCTN,
correlations between the experimental NMR data60
and theoretical NMR chemical shifts
of t-DCTNare herein presented in Figures 2a (1H NMR chemical shifts, in ppm) and 2b
(13
C NMR chemical shifts, in ppm). Thereby we found very good linear correlations
between the experimental and theoretical NMR chemical shifts as indicated by their
corresponding coefficient of determinations. The agreement between experimental (both
X-ray and NMR data) and the corresponding theoretical data from our applied
computational protocol, indicate that B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory suffices for
the analysis of magnetic and geometric properties of the evaluated clerodane t-DCTN.
The vicinal or long range coupling constants of t-DCTN were calculated from the
gauge-independent atomic orbital (GIAO) method including the four contributing terms
(FC, PSO, DSO, SD)46
at the B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory. The
B3LYP/GIAO method provides accurate coupling constant values in many systems,
being most of them related to rigid structure and/or aromatic molecular systems.37-40
A reasonably good correlation between calculated and experimental coupling
constants was obtained (Figure 3), except for those values involving hydrogen atoms 8
and 17, whose differences between experimental and theoretical values were larger than
three ppm. Therefore, the B3LYP/6-311G++(d,p)/GIAO method, including the four
contributing terms (FC, PSO, DSO, SD), suffices to describe magnetic properties of low
symmetry and flexible structures similar to t-DCTN.
90
y = 1.0447x - 0.0313R2 = 0.9938
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Calc
ula
ted
1H
Ch
emic
al
Sh
ifts
/ p
pm
Experimental 1H Chemical Shifts /ppm
(a)
y = 1.0186x + 9.4188R2 = 0.9993
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250
Ca
lcu
late
d 1
3C
Ch
emic
al
Sh
ifts
/ p
pm
Experimental 13C Chemical Shifts / ppm
(b)
Figure 2. (a) Plot of experimental versus calculated (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H
NMR chemical shifts / ppm and (b) Plot of experimental versus theoretical 13
C NMR
chemical shifts / ppm for t-DCTN.
91
y = 0.811x + 0.4808R2 = 0.9551
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ca
lcu
late
d n
JH
,H´C
ou
pli
ng
Co
nst
an
ts /
Hz
Experimental nJH,H´Coupling Constants (Hz)
Figure 3. Plot of experimental versus calculated (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H vicinal or
long range NMR spin spin coupling constants [nJ(H-H´)] /Hz for t-DCTN.
The delocalization index from QTAIM is the quantity of shared electrons in an
atomic pair, bonded or non-bonded, and it has been used to establish a relation with
coupling constants of many molecular systems.56
The excellent correlations observed in
literature37,56-58
between delocalization index of vicinal or long range hydrogen atoms
(H,H′) and corresponding experimental coupling constants support the idea that
proton-proton vicinal coupling constants are a consequence of electron
delocalization.Additionaly, fluorine fluorine coupling constants also showed
satisfactory correlation with delocalization index data for aromatic systems.59
Figures 4a and 4b shows the plots of experimental and theoretical coupling
constants versus corresponding delocalization index of vicinal or long range hydrogen
atoms of t-DCTN, respectively. Both of them give a reasonably good coefficient of
determination, meaning that the amount of shared charge density between long or
vicinal hydrogen atoms is related with the magnitude of the corresponding coupling
constant, i.e., a relation between electronic and magnetic properties of t-DCTN is
established in Figure 4. According to Gutowsky and collaborators,75
the spin spin
coupling arises from second-order interaction between the nuclear magnetic moments
and some magnetic field internal to the molecule through electrons along chemical
bonding. The results from Figure 4 suggest that the influence of electron field effect
92
between the interacting nuclei play a role in spin spin coupling as well, which concords
with J-couplings in hydrogen bonds.76,77
y = 0.8496x + 0.5168R2 = 0.9584
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
(H
,H´)
x1
03
Experimental nJH,HCoupling Constants / Hz
(a)
y = 1.0198x + 0.1556R2 = 0.9508
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14
Calculated nJH,HCoupling Constants / Hz
(b)
(H
,H )
x1
03
Figure 4. (a) Plot of experimental spin-spin coupling constants of vicinal or long range
protons [Jn (H-H´)] / Hz versus corresponding delocalization index values (H,H′) / a.u.;
(b) Plot of calculated spin spin coupling constants (B3LYP/6-311G++(d,p)) versus
corresponding delocalization index (H,H′) / a.u. for t-DCTN.
93
Aiming the investigation of possible intramolecular interactions in t-DCTN, we
also carried out its topological analysis based on the gradient of the charge density
distribution. Figure 5 shows the molecular graph of t-DCTN which contains critical
points of the charge density and bond paths. Critical point is a mathematical point of a
determined function, whose gradients, with respect to their coordinates, are zero. The
topology of charge density may have four types of critical points: the nuclear attractor
critical point (where it is located an atomic nucleus), the bond critical point (a critical
point between two linking atoms), the ring critical point (a critical point within a ring)
and the cage critical point (a critical point inside a molecular cage). The bond path is an
atomic interaction line linking two nuclear critical points (or atomic basins) and one
bond critical point between them. It corresponds to the maximum charge density
compared to vicinal transversal region.51
Figure 5 shows the molecular graph of the t-DCTN. A molecular graph is made
up of critical points of gradient of the electron density, , and bond paths linking these
two main critical points. A critical point of any function is obtained wherever its first
derivative is zero. A critical point of electron density is a point wherever =0 and it
yields a nuclear critical point or a bond critical point, or a ring critical point, in ring
system, or a cage critical point, in cage system. The molecular graph of t-DCTN has
five bond critical points associated with intramolecular interactions, where three out of
them are hydrogen-hydrogen bonds (Table 2).
94
Figure 5. Molecular graph for t-DCTN.
An important applicability of QTAIM is to quantify and qualify bonded
interactions based on five topological parameters obtained at the analyzed bond critical
point:78-81
(1) the value of the charge density of the critical point (b); (2) the value and
the sign of the Laplacian ( of the charge density; (3) the ratio 31 || , where 1
and 3 are eigenvalues of Hessian matrix of the charge density; (4) the ratio Gb/ρb,
where Gb is the kinetic energy density; and (5) the total energy density (Hb) at the bond
critical point. In the case where 2ρ > 0, b is relatively low (b < 6x10
-2 au.), the ratio
31 || < 1, the ratio Gb/ρb > 1 or close to 1, and Hb has a positive value, close to zero,
the chemical interaction is defined as closed shell interaction and it corresponds, for
example, to hydrogen bond, ionic bond and van der Waals interactions.78-81
Table 2
shows these five topological data for all intramolecular bonded interaction in t-DCTN
(Figure 5) which are certainly related to the highest stability of t-DCTN found in its
NMR and X-ray data.
95
Table 2. Values of the charge density of bond critical points (ρb) / a.u. the
corresponding Laplacian of the charge density (2ρ) / a.u. the ratio |1|/3, the ratio
Gb/ρb, and the total energy density (Hb) / a.u. of all intramolecular bonded interactions
in t-DCTN.
Interactions x102 Gb/b Hb x102
H1e-H11 1.285 0.045 0.194 0.721 1.653
H1e-H14 0.384 0.012 0.175 0.632 0.487
H17-H12 0.771 0.026 0.162 0.705 0.971
O2-H7a 0.882 0.029 0.167 0.722 1.186
O2-H5 1.139 0.036 0.184 0.707 1.512
All values in Table 2 agree with the topological characterization of closed shell
interaction for the five interatomic interactions.78-81
The values of Gb/b in Table 2 are
in the same range to that found in closed shell interactions in metallocenes, involving
metal atom and ligand carbon atom.82
The most stable conformer of t-DCTN presents
five intramolecular interactions: three H-H bonds, linking hydrogen atoms from decalin
system to hydrogen atoms from spiro-lactone and furan rings, and two (C)O--H(C)
bonded interactions linking the lactone carbonyl oxygen to two axial hydrogen atoms
from decalin ring. It is demonstrated in literature that H-H bonding contributes as a
stabilizing factor to the energy of a chemical system.81,83
Matta and co-workers have
investigated intramolecular H-H bonding in several compounds showing its stabilizing
effect whose values of the five topological parameters listed in Table 2 were similar to
the H-H bonds in t-DCTN.
Regarding the (C)O--H(C) bonded interactions we compared the charge density
of bond critical points and Laplacian of the charge density between (C)O--H(C) bonded
interactions and the corresponding values from hydrogen bonds (O--HO) of substituted
malonaldehyde enols.84
The charge density of (C)O--H(C) bonded interactions are
nearly one-fifth of the averaged charge density value of hydrogen bonds of substituted
96
malonaldehyde enols. On the other hand, according to less positive values of 2ρ of the
bond critical point related to (C)O--H(C) bonded interactions in t-DCTN, the
corresponding distribution of the charge density is less dispersed in (C)O--H(C) bonded
interactions in t-DCTN than that in hydrogen bonds of substituted malonaldehyde
enols.84
Therefore, the sum of the charge density in the five intramolecular interactions
in t-DCTN is nearly equivalent to the charge density of one hydrogen bond of
malonaldehyde enol,84
which shows the cooperative effect of five weak intramolecular
interactions in determining the most stable conformer of t-DCTN.
Conclusions
The crystallographic and theoretical data are in agreement with the previously
detailed NMR analysis and characterization of the structure of t-DCTN using a 600
MHz instrument. Experimental and theoretical geometric parameters present nearly
negligible discrepancies, indicating that B3LYP/6-311G++(d,p) is a satisfactory level of
theory for the calculation of the optimized geometry of complex molecules such as t-
DCTN. Those results confirmed the stereochemistry of the decaline and lactone units
and a hindered rotation around the C12-C13 bond in t-DCTN.
There are very good correlations involving experimental and theoretical
magnetic properties (NMR nuclear shielding and spin-spin coupling constants),
indicating that: (1) the B3LYP/6-311G++(d,p)/GIAO method is satisfactory for the
calculation of NMR nuclear shielding and; (2) the B3LYP/311G++(d,p)/GIAO method
following Ramsey and Purcell interpretation44
and Ramsey formulation45
is satisfactory
for the calculation of spin spin coupling constants.
The values of QTAIM delocalization indexes involving vicinal or long range
hydrogen atoms correlate well with both corresponding theoretical and experimental
spin-spin coupling constants of t-DCTN, indicating that the amount of charge density
between each proton pair (being vicinal or not) is directly proportional to the spin spin
coupling constant.56
97
From the topological analysis of t-DCTN there are five intramolecular bonded
interactions in t-DCTN (three out of them being hydrogen-hydrogen bonds) which
possibly influence in the optimal nuclear configuration and structure of t-DCTN.
Since the stability of t-DCTN loaded in different biological formulations had
been investigated aiming its pharmacologic improvement,85-88
this present work attracts
significant importance on physicochemical characteristics of this compound to be
applied in the advancement of this drug uses in therapy.
A new approach joining two different methodologies, previously applied to
organic compounds, has been developed and validated in this work for the thorough
characterization of complex organic compounds.
Supplementary Information
Selected bond length and bond angles from X-ray diffraction and B3LYP method,
experimental and theoretical 1H and
13C NMR chemical shifts, experimental and
theoretical NMR spin spin coupled constants, Z-matrix and crystallographic data for t-
DCTN. This material is available free of charge via the Internet athttp://jbcs.sbq.org.br
as PDF file.
Acknowledgments
The authors thank FAPERN (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande
do Norte), CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior)
and CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) for
financial support.
98
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104
Capítulo 2. Synthesis, NMR data and theoretical study of semi-synthetic
derivatives from trans-dehydrocrotonin
Breno Almeida Soares,† Maria Aparecida Medeiros Maciel
†,#, Rosane Nora Castro,
§
Caio Lima Firme,†*
†Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Instituto de Química, Campus Lagoa Nova,
Natal-RN, Brazil
#Universidade Potiguar Laureate International Universities, Programa de Pós-graduação em
Biotecnologia, Campus Salgado Filho, Natal-RN, Brazil
§Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Instituto de Química, Seropédica-RJ, Brazil
*Corresponding author:
E-mail: [email protected] or [email protected]
Abstract
In this work, the 19-nor-diterpenoidclerodane-type trans-dehydrocrotonin (t-DCTN)
was a primary target for a two-step synthetic procedure. The catalytic hydrogenation of
t-DCTN afforded the semi-synthetic trans-crotonin (t-CTN), whose unsaturated
carbonyl group was reduced by NaBH4/EtOH medium, providing an epimeric mixture
named t-CTN-OL. Both structures of the epimeric compounds t-CTN--OL and t-CTN-
-OL were elucidated based on NMR spectral data (1H,
13C and
1H x
1H). For
stereochemistry authenticity of the obtained semi-synthetic t-CTN, a compared NMR
data evaluation were performed using natural sources of t-CTN. Calculated NMR data
for all described derivatives (semi-synthetic t-CTN and its t-CTN-OL epimeric mixture)
were performed using B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory which was used to
validate a theoretical protocol previously applied, by comparing NMR data between
experimental and calculated for natural t-CTN, t-CTN--OL and t-CTN--OL.
Topological data using basis of QTAIM were also reported for natural t-CTN, in order
to quantify and qualify intramolecular interactions of the most stable conformer.
Keywords: trans-crotonin; synthetic procedure; NMR theoretical calculations; B3LYP;
QTAIM
105
Introduction
Crotonin (CTN), a 19-nor-diterpenoid clerodane was first isolated in 1967 from
Croton lucidus L.1 One year later, its structural elucidation was published beyond
chemical transformations,2 which at the time was not enough to determine the decalin
moiety stereochemistry. The absolute configuration of CTN-decalin moiety was
published in 1984,3 in which X-ray diffraction data confirmed its cis-decalin junction
(c-CTN). Moreover, two semi-synthetic derivatives obtained from 15,16,-epoxy-19-
nor-2-oxo-13(16),14-clerodadien-20,12-olide (cis-CTN) were prepared. Few years later,
Itokawa and co-workers4 described the presence of cis-CTN diastereoisomer with the
decalin-junction modified astrans-crotonin (t-CTN). This new compound was obtained
from an Amazonian Euphorbiaceae plant called Croton cajucara Benth, in which the
bark plant showed to be a rich source of bioactive clerodanes, among them trans-
crotonin (t-CTN) and trans-dehydrocrotonin (t-DCTN).5 Since then t-CTN has been
described to present a few biological activities, such as antitumoral,6 antiulcerogenic,
7
anti-inflamatory and antinociceptive.8 The semi-synthetic t-CTN was already described
using catalytic hydrogenation in a hydrogenate equipment under high pressures5 and
more recently its structure was a target of total synthesis.9 Regarding the synthetic
procedures involving clerodane compounds, the reduction of t-DCTN by reactants such
as LiAlH4 and NaBH4 was previously reported in literature,4,10,11
although for two of
them.10,11
There is none available NMR structural elucidation.
In this present work, aiming to prepare new semi-synthetic bioactive compounds
from the primary target trans-dehydrocrotonin (t-DCTN), a synthetic procedure
afforded the known semi-synthetic t-CTN, as well the unknown 15,16,-epoxy-19-nor-
2-OL-13(16),14-clerodadien-20,12-olides t-CTN--OL and t-CTN--OL derivatives.
The proposed synthetic approach for obtaining the epimeric t-CTN-OL derivative
mixture was done by submitting the semi-synthetic t-CTN in NaBH4 and ethanol
medium. After their structure characterization based on 1D and 2D NMR spectra, the 1H
and 13
C chemical shift assignments of those compounds were compared with calculated
theoretical NMR data obtained to t-CTN, t-CTN--OL and t-CTN--OL derivatives,
aiming to validate our previously developed NMR theoretical protocol for structural
analyses of organic molecules.12
Concerning to the reaction results, 1H NMR
experimental data was useful to quantify the major amount formation of the epimeric t-
CTN--OL, in a 2.81(-OH):1(-OH) proportion, which was somewhat confirmed by
106
theoretical results applied in this reaction process. The reduction of the carbonyl group
on decalin systems in the presence of NaBH4 has been described to be favored by the
formation of -OH positioned alcohol,13,14
although there is one report that describes the
exclusively formation of -OH oriented alcohol.4
NMR theoretical data of t-CTN were evaluated and compared with the
experimental NMR data (600 MHz)15
of the natural t-CTN. Analysis between
theoretical and experimental NMR chemical shifts, as well as 1H NMR spin spin
coupling constants and the delocalization index (H,H′) were applied. QTAIM
topological data were also obtained in order to quantify and qualify intramolecular
interactions of the most stable t-CTN conformer.
Results and Discussion
Semi-synthetic t-CTN was obtained from the bioactive clerodane target t-DCTN
using an alternative approach of catalytic hydrogenation in which a balloon containing
hydrogen gas assisted by a vacuum system allowed the necessary saturated atmosphere to
reduce the decalin double bond (3,4
unsaturation) of the target molecule t-DCTN, as
shown in Scheme 1. TLC analysis confirmed that the reaction was quantitative in which all
t-DCTN was converted into t-CTN, been in agreement with the previously applied
methodology.5
Scheme 1:
O
O
OO H
H
H2, Pd/C
t-DCTN
O
O
OOH H
H
NaBH4 / EtOH
O
O
OO H
H
t-CTN t-CTN-OL
r.t.EtOH, r.t.
R R
NMR data of the obtained semi-synthetic t-CTN were compared to NMR dataof the
natural t-CTN15
which was analyzed in a 600 MHz equipment (for a better understanding
see Table S1 in Support Information). The comparative structural analysis between natural
107
t-CTN and the semi-synthetic t-CTN confirmed the high stereospecificity of this reaction
in which the new asymmetric center generated at C-4 position shows equal configuration
on C-4 position of the natural t-CTN. Figure 1 shows the decalin system chair
conformation of the target molecule t-DCTN, in which 3,4
double bond diastereotopic Si
face is hindered by the H-1 and H-5 axial hydrogens, while for Re face, there is no such a
hindrance. Thus, in this reaction, the Re face approximation of H2 is preferable, affording a
highly stereospecific synthetic reduction.
The confirmation of the t-CTN semi-synthetic derivative can be proved by the
absence of absorption around 5.89 ppm (H-3), which is a typical absorption for a vinyl
hydrogen, observed in the 1H NMR spectra of the target molecule t-DCTN. In fact, for t-
CTN derivative the H-3 absorption appears in a higher field (around 2 ppm) (See Figure S2
in Support Information). Moreover, H-5 and Me-18 follows the same tendency, with t-
DCTN absorptions in a lower field, compared to the same absorptions of the semi-
synthetic t-CTN. Specifically, for H-5 geometrical theoretical data corroborate with its
experimental 1H NMR data. The interatomic distance between H-5 and the unsaturated
bond of the C=O (C-20) moiety for t-DCTN is smaller than the observed for t-CTN (2.455
and 2.549 Å, respectively), appointing the major influence of diamagnetic anisotropic
effect of this unsaturation over H-5 for t-DCTN. In addition, there is an extra diamagnetic
anisotropy from the double bond C=C type (3,4
unsaturation) of the t-DCTN target
molecule. Comparatively in fact, it was observed at 3.18 (m, 12.50, 10.70, 3.35, 1.20,
1.19 Hz) H-5 absorption for t-DCTNandat higher absorption field 2.05 (dddd, 11.07;
10.64;10.58; 3.80 Hz) H-5 of t-CTN.
On the other hand, for Me-18, according to geometrical parameters in which the
interatomic distance between C=O (C-20) moiety and Me-18 is bigger for t-DCTN with
respect to t-CTN [5.447 and 5.363 Å, respectively], being the diamagnetic anisotropic
effect of the 3,4
unsaturation the main reason for the differences in absorption of Me-18
[1,06 d (6.41 Hz) for t-CTN; 1,97 dd (1,27 and 1.20 Hz) for t-DCTN].15
Moreover, 13
C
NMR data confirmed the very different absorptions related to C-3, being t-CTN in a higher
field, according to its less electronegative carbon feature [ for t-CTN; for t-
DCTN].
Mass spectrometry data also provided valuable information for structural
characterization and confirmation of t-CTN derivative, witch presented molecular ion peak
with m/z ratio 316, corresponding to the molecular mass of t-CTN. Additionally, it was
108
observed typical fragments already described for clerodanes skeleton,16
such as base peak
with m/z ratio 94.
In the second step of the synthetic process, the reduction of the semi-synthetic t-
CTN in the presence of NaBH4 ethanol solution afforded t-CTN-OL epimeric mixture
(Scheme 1) as new clerodane compounds. The 1H NMR data of the crude material
indicated a major quantity of the α-OH positioned epimeric alcohol over the β-OH (in the
proportion of 2.81:1.00) observed by the area integration of some specific absorptions,
citing one example, the methyl group attached at C-18 position (Me-18 absorption as a
doublet signal at 0.98 and 0.92 ppm as it can be observed in Figure S4 of the Supporting
Information). In that, based in the theoretical investigations herein described in next
section, the Re face is preferable for hydride ion (from NaBH4) approximation, affording
the major t-CTN-α-OH for this epimeric mixture.
t-DCTN
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1
O
H
O
O
O
H
HHH
H
11
6
3
t-CTN
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1O H
O
O
O
H
HHH
H
H
H
11
6
3
t-CTN- -OL
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1
OH H
O
O
O
H
HHH
H
H
H
H
11
6
3
t-CTN- -OL
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1
H H
O
O
O
H
HHH
H
OH
H
H
11
6
3
Figure 1. Chair conformation representation of t-DCTN and its semi-synthetic
derivatives t-CTN, t-CTN--OL and t-CTN--OL.
109
Figure 2 depicts the optimized geometries of t-DCTN,t-CTN, t-CTN--OL and t-
CTN--OL along with C-3 and C-4, C-2 and C-3 and C=O(C-2) bond lengths in
Angstroms. On going from t-DCTN to t-CTN, there is an increase of C-2 and C-3 bond
length. Moreover, this same bond increases from t-CTN to t-CTN-OL. The increasing
trend of C-2 and C-3 from t-DCTN to t-CTN to t-CTN-OL is according to the sp2
hybridization of this bond for t-DCTN, while for t-CTN it’s a sp3-sp
2 bond, and finally for
t-CTN-OL it´s a sp3-sp
3 bond.
1.348
1.220
1.4661.545
1.511
1.213
t-DCTN t-CTN
t-CTN--OL
1.537
1.528
1.439
t-CTN--OL
1.538
1.525
1.433
Figure 2. Optimized structures (B3LYP/6-311G++(d,p) level of theory) of t-DCTN,
t-CTN, t-CTN--OL and t-CTN--OL and some selected bond lengths, in Angstroms.
In order to explain the stereoselectivity of the t-CTN-OL in the NaBH4, a theoretical
calculation was proceeded to determine its transition states. After several attempts for
obtaining these transition states, it was observed that an ethanol molecule explicitly
participate in the NaBH4 reduction by being attached to boron atom as hydride atom from
NaBH4 migrates to the carbonyl carbon. The ethanol molecule decreases the
110
electrophilicity of boron hydride after hydride migration (Figure 3). Table 1 shows the
reaction enthalpy of activation (Hact) and the electronic energy of activation (Eact) for
both attacks on Si and Re faces. According to Boltzmann distribution the NaBH4 reduction
in ethanol medium favors the t-CTN--OL compound formation in ratio 1.59:1.0.
According to the calculated energy barrier, the ethanol/NaBH4 attack on Re face is 2.76
kcal mol-1
more favorable (Table 1). Thus, by theoretical ratio t-CTN--OL over t-CTN--
OL gives a smaller amount that was experimentally observed by NMR, whose
experimental ratio, was 2.81:1.00.
1.165
1.6651.152
1.668
Si attackRe attack
Figure 3. Optimized geometries of transition states from ethanol/NaBH4reduction of
C-2 carbonyl moiety of t-CTN from Si and Re diastereotopic faces approaches. Selected
interatomic distances in Angstroms are depicted in dashed lines.
Table 1. Activation electronic energy, Eact, and activation entalphy energy, Hact, in
kcal mol-1
, from B97XD /6-31G++(d,p) level of theory for borohydride reduction by both
diastereotopic faces of t-CTN carbonyl.
NaBH4 approach Hact / kcal mol-1 Eact / kcal mol-1
Si face 26.92 25.67
Re face 24.16 22.90
2.76 2.76
111
The 1H and
13C NMR data related to the elucidation of the new epimeric mixture
named t-CTN-OL and the semi-synthetic t-CTN is found in Table 2. The analysis of the
alcohol semi-synthetic derivatives t-CTN--OL and t-CTN--OL were compared with
the NMR assignments of t-CTN structural characterization. The hydrogen absorption at
confirms the C-2 carbonyl reduction of t-CTN structure as well as absorptions at
and 3.50 correlated to OH group of t-CTN--OL and t-CTN--OL,
respectively.
The secondary methyl group attached to carbon-18 (Me-18) for t-CTN is
observed at 1.06 (a dublet signal with J = 6.48 Hz) while the 1H RMN data of the
epimeric mixture shows this chemical shift at higher field 0.98 (d, J = 5.76 Hz) for t-
CTN--OL and 0.92 (d, J = 6.36 Hz) for t-CTN--OL. Since the carbon-2 for epimeric
compounds became sp3, there is an important geometric difference in the ring A of the
decalin moiety which reinforces the diamagnetic anisotropy effect C-20 carbonyl group
from the double bond of the lactone ring.
The differences in the assignments of hydrogen H-1, H-3 and H-4, for t-CTN
and t-CTN-OL are derived from the different electronegativity of O-C2/C-2 in these
compounds, in which C-2 for t-CTN is sp2 (more electronegative) and for t-CTN-OL
epimeric derivatives become sp3.
Regarding to 13
C NMR comparative data, C-2 chemical shift value for epimeric
mixture are observed in a higher field than C-2 of t-CTN, confirming the reduction pattern
from carbonyl moiety (209,53 ppm) to alcohol function (70.09 ppm for t-CTN--OL and
66.69 ppm for t-CTN--OL).
Mass spectrotrometry data also provided valuable information for structural
characterization confirmation of epimerc mixture. In that, it was found the molecular ion
peak with m/z ratio 318, which is the exactly molecular mass for both t-CTN--OL and t-
CTN--OL. Moreover, typical fragments already described for clerodane skeleton,16
such
as base peak with m/z ratio 95 for t-CTN--OL and m/z ratio 161 for t-CTN--OL were
also presented in mass spectra data.
112
Table 2.1H and
13C NMR spectroscopic data for compounds t-CTN, t-CTN--OL and t-CTN--OL
(400 MHz, CDCl3).
position t-CTN t-CTN--OL t-CTN--OL
H (J in Hz) C H (J in Hz) C H (J in Hz) C
1a 2.20-2.13† 43.3 2.10-2.03† 37.1 2.10-2.03† 34.1
1e 2.49 tt (13.0, 2.6) 2.45-2.38† 2.45-2.38†
2 209.5 3.59-3.52† 70.0 3.59-3.52† 66.6
3a 2.20-2.13† 49.7 2.10-2.03† 44.7 2.10-2.03† 44.7
3e 2.36† ddd 2.10-2.03† 2.10-2.03†
4 1.48-1.38† 38.6 1.37-1.26† 36.2 1.37-1.26† 31.8
5 2.05 dddd (11.0, 10.6, 10.5, 3.8)
41.6 2.10-2.03† 41.7 2.10-2.03† 41.7
6a 0.94 dddd (13.0, 12.5,
3.6)
29.7 2.10-2.03 m 29.9 0.83 dddd (13.0, 12.5,
12.6, 3.6)
29.9
6e 2.20-2.13† 1.97-1.88† 1.97-1.88†
7a 1.76 dddd (13.0,13.0,
12.7, 3.4)
29.4 1.74 dddd (13.0, 12.7,
12.6, 3.4)
29.5 1.79-1.69† 29.5
7e 1.59 m 1.67-1.51† 1.67-1.51†
8 1.67 m 42.1 1.67-1.51† 42.2 1.67-1.51† 42.2
9 52.3 51.8 51.7
10 1.51-1.44† 48.4 1.67-1.51† 46.7 1.67-1.51† 46.8
11 2.42 dd (13.0, 8.6) 40.9 2.45-2.38† 41.6 2.45-2.38† 41.6
11' 2.32 t (8.6) 2.42-2.40 (8.6) 2.45-2.38†
12 5.41 t (8.6) 72.3 5.40 t (8.8) 72.1 5.38 t 72.1
13 125.1 125.5 125.5
14 6.38 t (1.2) 108.0 6.43 m 108.2 6.41 t (1.2) 108.2
15 7.45† 144.2 7.47† 144.0 7.47† 143.9
16 7.45† 139.3 7.47† 139.8 7.47† 139.8
17 1.15 d (6.7) 17.7 1.12 d (6.7) 17.7 1.11 d (6.7) 17.8
18 1.06 d (6.4) 19.6 0.98 d (5.7) 19.4 0.92 d (6,3) 19.3
OH 4.18† m 3.50† br s
20 177.0 177.4 177.4
in ppm. †
Overlapped signals.
All 1H NMR assignments confirmed throught NMR homonuclear
1H x
1H 2D spectra.
In a previous work, we investigated the magnetic, electronic and geometrical
properties of the bioactive clerodane t-DCTN by means of a theoretical-experimental
comparative analysis, in order to give full support for the NMR characterization of
natural products.14
In this work we studied the NMR chemical shifts and coupling
constants for the new semi-synthetic t-CTN, t-CTN--OL and t-CTN--OL compounds
by applying the same previously developed protocol.
113
As to t-CTN, Figure 4 depicts the correlations between the experimental 1H NMR
chemical shifts data previously performed for t-CTN15
and the theoretical 1H NMR data
obtained herein for t-CTN in which, according to their corresponding coefficient of
determination (0.990), it was observed a very good linear correlations. In fact, the
B3LYP/6-311G++(d,p)/GIAO method, confirmed to be reliable to describe magnetic
properties of low symmetry and flexible structures similar to diterpene compounds12
.
Concerning to comparative analyses of coupling constants for natural t-CTN, it
was found in Figure 5 two points (related to the couplings constants involving H-4/Me-
18 and H-5/Me-17) out of the line. These coupling constant comes from the single
hydrogen and a methyl group, such as H-4 with H-18 or H-5 with H-17. Due to free
rotation of methyl group, each coupling of the single hydrogen with each methyl group
hydrogen are equivalent. On the other hand, the dynamic free rotation of methylic
hydrogen atoms is not observed in theoretical stationary calculation, which could
explain this observed discrepancy.
114
y = 1,0444x - 0,0515
R² = 0,994
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Ca
lcu
late
d
1H
Ch
em
ical S
hif
ts / p
pm
Experimental 1H Chemical Shifts /ppm
(a)
y = 1,0234x + 8,3717
R² = 0,9993
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250
Ca
lcu
late
d
13C
Ch
em
ical S
hif
ts /p
pm
Experimental 13C Chemical Shifts /ppm
(b)
Figure 4. (a) Plot of experimental versus theoretical (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H
NMR chemical shifts, in Hz, and (b) Plot of experimental versus theoretical 13
C NMR
chemical shifts of t-CTN. 1H NMR chemical shifts in ppm.
115
y = 0,813x + 0,3049
R² = 0,9582
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ca
lcu
late
d n
JH
,H C
ou
pli
ng
Co
nst
an
ts /
Hz
Experimental nJH,H Coupling Constants / Hz
Figure 5. Plot of experimental versus theoretical (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H vicinal
NMR or long range NMR spin spin coupling constants [Jn (H-H´)] of t-CTN.
Figures 6a and 6b show the plots of experimental and theoretical coupling
constants versus corresponding delocalization index of vicinal or long range protons of
t-CTN, respectively. Both of them showed a reasonably good coefficient of
determination, confirming that the amount of shared charge density between long or
vicinal protons is related with the magnitude of the corresponding coupling constant17
,
i.e., there is a relation between electronic and magnetic properties of t-CTN as shown in
Figure 6a. Moreover, the same two points related to hydrogens H-4/H-18 and H-8/H-17
are also out of the trend line (Figure 6a) which is in accordance with the same
theoretical-experimental discrepancy observed in Figure 5 and it can be similarly
reasoned on the same grounding as done above.
116
y = 0,8733x + 0,4106
R² = 0,9441
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
(a)
Experimental nJH,H Coupling Constants / Hz
(
H,H
)x
10
3
y = 1,0594x + 0,1695
R² = 0,9587
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14
(
H,H
)x
10
3
Calculated nJH,H Coupling Constants / Hz
(b)
Figure 6. (a) Plot of experimental spin-spin coupling constants of vicinal or long range
protons [Jn
(H-H´)] versus corresponding delocalization index values [(H,H′)]; (b) Plot
of calculated spin-spin coupling constants (B3LYP/6-311G++(d,p)) versus
corresponding delocalization index of t-CTN.
117
In order to investigate possible intramolecular interactions in the molecular
structure of t-CTN, we used QTAIM calculations18
based on the gradient of the charge
density distribution to carry out its topological analysis. The topology of charge density
may have four types of critical points: the nuclear attractor critical point (in which
atomic nucleus is located), the bond critical point (a critical point between two linking
atoms), the ring critical point (a critical point within a ring) and the cage critical point (a
critical point inside a molecular cage). Specifically, a critical point is a mathematical
point of a determined function, whose gradients, with respect to their coordinates, are
zero. The bond path is an atomic interaction line linking two nuclear critical points (or
atomic basins) and one bond critical point between them. It corresponds to the
maximum charge density compared to vicinal transversal region. Figure 7 shows the
molecular graph (a set of critical points of the charge density and bond paths) for t-
CTN.
H-1e/H-11
H1e-H14 H-12/H-17
O-2/H-5
O-C20/H7a
H-6e/H-18
Figure 7. Molecular graph for t-CTN.
118
The quantum theory of atoms in molecules can be used to quantify and qualify
bonded interactions19,20
as shared interaction (covalent bond) or closed shell interaction
(ionic bond, van der Waals interaction, hydrogen bond) based on the value of the charge
density of the critical point (b); the value and the sign of the Laplacian ( of the
charge density; the ratio 31 || , where 1 and 3 are eigenvalues of Hessian matrix of
the charge density; the ratio Gb/ρb, where Gb is the kinetic energy density; and the total
energy density (Hb) at the bond critical point. A closed shell interaction is characterized
by positive values of Laplacian ρ(r) which indicates the domination of the positive
contribution to the Hessian matrix trace. The trace of diagonalized Hessian matrix
eigenvalues is equal to the Laplacian of the electron density in this critical point. The
ratio 31 || <1, the ratio Gb/ρb > 1 or close to 1, and Hb with a positive value, close to
zero corroborates this features, meaning physically as charge depletion.
Table 3 shows these six topological data for all intramolecular bonded
interactions for the most stable conformer of t-CTN. All values in Table 4 are in
agreement with those corresponding values for t-DCTN in a previous work, namely the
five out of the six H-H / (C)O--H(C) intramolecular interactions in t-CTN (which are
also found in t-DCTN) and they are characterized as closed shell interactions.12
There is
an additional intramolecular interaction found for t-CTN, which can account for the
unique structural difference between t-CTN and t-DCTN, the unsaturated bond
localized in 3,4
position of ring A of decalin moiety (Figure 1). The H-H bond was
shown to exist in alkane complexes21
and this is the additional interaction in t-CTN
between H-6, located in equatorial position, and one of the hydrogens of Me-18 (Figure
7), confirming its different pattern of flexibility on its decalin ring, where the t-DCTN
has a more rigid system. This structural feature might be associated with different
reactivity behavior between these two clerodanes in the presence of NaBH4. While t-
CTN affords the unique epimeric mixture of t-CTN-OL, the target clerodane t-DCTN
under similar or same conditions provides a complex mixture of epimeric derivatives.22
119
Table 3. Values of the charge density of bond critical points (ρb). The corresponding
Laplacian of the charge density (2ρ), in a.u., the ratio |1|/3, the ratio Gb/ρb, and the
total energy density (Hb), in a.u., of all intramolecular bonded interactions from
molecular graph of t-CTN.
Interactions bx102/a.u.
Gb/o Hbx10
2/a.u.
H-1e/H-11 1.293 0.045 0.194 0.722 0.202
H-1e-H-14 0.370 0.011 0.174 0.635 0.052
H-17-H-12 0.827 0.028 0.165 0.701 0.123
H-6e-H-18 1.090 0.044 0.162 0.807 0.209
OC-20/H-7a 0.901 0.030 0.170 0.723 0.092
OC-20/H-5 0.977 0.031 0.175 0.711 0.086
Theoretical 1H and
13C NMR chemical shifts were also calculated for both
epimeric derivatives (t-CTN--OL and t-CTN--OL) in order to impart a further
validation of the theoretical protocol for structural elucidation of natural products,
which consists in a comparative study between experimental and theoretical NMR data.
The values of the coefficient of determination for experimental/theoretical chemical
shifts of both epimeric mixtures were very satisfactory (Figures 8 and 9).
Since t-CTN had been investigated aiming its pharmacologic and synthetic
importance, this present work attracts significant and additional importance on
development of new candidates of bioactive compounds.
120
y = 1,0915x - 0,4979
R² = 0,975
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 6 8Ca
lcu
late
d 1
H C
hem
ical S
hif
ts/ p
pm
Experimental 1H Chemical Shifts/ ppm
(a)
y = 1,0275x + 4,1082
R² = 0,9988
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200Ca
lcu
late
d 1
3C
Ch
em
ical S
hif
ts/ p
pm
Experimental 13C Chemical Shifts/ ppm
(b)
Figure 8. (a) Plot of experimental versus theoretical (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H
NMR chemical shifts, in ppm, and (b) Plot of experimental versus theoretical 13
C NMR
chemical shifts of t-CTN--OL.
121
y = 1,0464x - 0,1967
R² = 0,9774
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6 7 8Experimental 1H Chemical Shifts/ ppmC
alc
ula
ted
1H
Ch
em
ical S
hif
ts/ p
pm (a)
y = 1,0292x + 3,7007
R² = 0,9983
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200
Ca
lcu
late
d1
3C
Ch
em
icalS
hif
ts/ p
pm
Experimental 13C Chemical Shifts/ ppm
(b)
Figure 9. (a) Plot of experimental versus theoretical (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H
NMR chemical shifts, in ppm, and (b) Plot of experimental versus theoretical 13
C NMR
chemical shifts of t-CTN--OL.
122
Experimental Section
General equipment
Melting points were determined in a capillary with a Melt-Temp. 1H- and
13C-
NMR were recorded at room temperature using a Bruker-DRX 400 MHz spectrometers,
employing tetramethylsilane as internal reference. The chemical shifts (δ) are given in
ppm and coupling constants (J) in Hertz. Mass spectra were obtained at 70 eV on a
Shimadzu-CG/MS QP 2000A equipped with a solid probe. Fragments were described as
m/z ratio. Thin layer chromatography (TLC) was carried out on silica gel plates with a
fluorescence indicator F254 (0.2 mm, E. Merck); the spots were visualized in UV light
(254 nm). Column chromatography was performed on silica using Kieselgel 60 (230–
400 mesh, E. Merck). All solvents and reagents used in the present study were of
analytical grade.
Material and Methods
Plant material was collected in Jacundá, Pará state (Amazonian region-Brazil)
and identified by Nelson A. Rosa. A voucher specimen (no. 247) has been stored in the
Herbarium of the Museu Paraense Emílio Goeldi (Belém-Brazil). The isolation of t-
DCTN was performed according to the literature5 and its recrystallization from a
mixture of hexane:ether (7:3) yielded suitable crystal. The assignments for structure
elucidation of the natural t-CTN were previously determined from 1H (600MHz) and
13C (150MHz) NMR equipment.
15 For semi-synthetic t-CTN and for epimeric mixture
of t-CTN-OL the assignments were determined from 1H (400 MHz) and
13C (100 MHz)
NMR equipment.
Synthetic Approach
Synthesis of t-CTN
In a 5 mL round bottom flask containing 30 mg of powdered t-DCTN
solubilized in 1 mL of ethanol, a very little amount of charcoal over palladium was
added. A yellow balloon containing H2(g) was adapted as showed in Figure 1. The
atmosphere of reaction media was saturated H2(g) three times with the aid of a needle
123
adapted in a vacuum system. Afterwards, the system was stirred during 1 hour and half.
The total consumption of t-DCTN could be observed using thin layer chromatography
analysis in a hexane:ethyl acetate (1:1) as eluted solvent. Finally it was added 5mL of
ethyl acetate to filter charcoal and rotatory evaporator was used affording 23 mg (76%)
of t-CTN in form of white powder. mp 129-131ºC. 1H NMR (CDCl3, 400 MHz): 7.45
(2H, m, H-15, H-16); 6.38 (1H, t, J=1.28 Hz, H-14); 5.41(1H, t, J=8.62 Hz, H-12); 2.49
(1H, tt, J=13.05 ; 2.65 Hz, H-1e); 2.42 (1H, dd, J=13.05; 8.62 Hz, H-11); 2.32 (1H, t,
J=8.68 Hz, H-11’); 2.36 (1H, ddd, H-3e); 2.20-2.13 (2H, m, H-1a, H-3a); 1.48-1.38
(1H, m, H-4); 2.05 (1H, dddd, J=11.07; 10.64; 10.58; 3.80, H-5); 2.20-2.13 (1H, m, H-
6e); 1.76 (1H, dddd, J=13.08; 13.02; 12.75; 3.40 Hz, H-7a); 1.59 (1H, m, H-7e); 1.67
(1H, m, H-8); 1.51-1.44 (1H, m, H-10); 1.15 (3H, d, J=6.72, Me-17); 1.06 (3H, d,
J=6.48, Me-18); 0.94 (1H, dddd, J=13.08; 12.53; 3.66 Hz, H-6a). 13
C NMR (CDCl3,
100 MHz): 209.53 (C-2); 177.02 (C-20); 144.26 (C-15); 139.33 (C-16); 125.17 (C-
13); 108.04 (C-14); 72.32 (C-12); 52.34 (C-9); 49.79 (C-3); 48.43 (C-10); 43.32 (C-1);
42.19 (C-8); 41.65 (C-5); 40.95 (C-11); 38.60 (C-4); 29.70 (C-6); 29.44 (C-7); 19.67
(Me-18); 17.73 (Me-17). EIMS m/z 316 [M]+ (20), 204 (M-61)
+ (30), 121 (45), 94
(100), 81 (40), 55 (30), 41 (30).
Synthesis of t-CTN-OL (epimeric mixture)
Previously prepared and characterized t-CTN (120 mg, 0,378 mmol) was
dissolved in 5 mL of ethanol. NaBH4 (14.4 mg, 0.378 mmol) was added slowly, with
stirring. A gas evolution occurs, together with a temperature rise (40 oC). Stirring was
continued for 30 minutes before pH was adjusted to neutrality with dilute H2SO4,
followed by turbidity of reaction media. Then was added 20 mL of distilled water to
proceed extraction with chloroform (3x15 mL), drying with NaSO4 and the solvent
evaporation, affording 75 mg (63%) of crude material. M.p.: 130-132ºC. 1H NMR
(CDCl3, 400 MHz): 7.47 (2H, m, H-15, H-16); 3.59-3.52 (1H, m, H-2); 2.45-2.38 (4H,
m, H-1e, H-3e, H-11, H-11’); 2.10-2.03 (3H, m, H-1a, H-3a, H-5); 1.97-1.88 (1H, m, H-
6e); 1.67-1.51 (3H, m, H-7e, H-8, H-10); 1.37-1.26 (1H, m, H-4). t-CTN--OL
absorptions: 6.43 (1H, m, J=0.63 Hz, H-14); 5.40 (1H, t, J=8.80 Hz, H-
12); 2.10-2.03 (1H, m, H-6a); 1.74 (1H, dddd, J=13.00; 12.72; 12.68;
3.44 Hz, H-7a); 1.12 (1H, d, J=6.72 Hz, Me-17); 0.98 (1H, d, J=5.76 Hz, Me-18). t-
124
CTN--OL absorptions: 6.41 (1H, t, J=1.28 Hz, H-14); 5.39 (1H, t, H-12);
1,79-1.69 (1H, m, H-7a); 1.11 (1H, d, J=6.76 Hz, Me-17); 0.92 (1H,
d,J=6.36 Hz, Me-18); 0.83 (1H, dddd, J=13.02; 12.56; 12.60; 3.60, H-6a).13
C NMR
(CDCl3, 100 MHz): 177.44 (C-20); 144.06 (C-15), 139.80 (C-16), 125.55 (C-13),
108.20 (C-14), 72.11 (C-12); 51.87 (C-9), 46.79 (C-10), 44.71 (C-3), 42.25 (C-8), 41.75
(C-5), 41.61 (C-11), 29.98 (C-6), 29.53 (C-7), 19.42 (C-18), 17.79 (C-17). t-CTN--OL
absorptions: 70.09 (C-2); 37.17 (C-1); 36.22 (C-4); t-CTN--OL absorptions: 66.69
(C-2); 34.18 (C-1); 31.85 (C-4). EIMS: t-CTN--OL m/z 318 [M]+ (60), 255 (80), 206
(20), 161 (100), 105 (40), 94 (20), 81 (20), 55 (20). t-CTN--OL m/z 318 [M]+ (5), 206
(40), 161 (50), 105 (35), 95 (100), 81 (30), 55 (20).
Computational details
The geometry of the studied species was optimized by using standard
techniques.23
Vibrational analysis on the optimized geometries of selected points on the
potential energy surface (PES) was carried out to determine whether the optimized
geometry of t-CTN was true minimum or a transition state by checking the existence of
imaginary frequencies. No imaginary frequency was obtained confirming that it was
found a minimum in the PES. The calculations were performed at B3LYP/6-
311G++(d,p) for the optimized structures (t-DCTN, t-CTN, t-CTN--OL and t-CTN--
OL), in gas phase, and B97XD /6-31G++(d,p)24-29
for transition states, with implicit
solvatation approach based on IEFPCM model.30,31
All calculations were done by using
GAUSSIAN 09 package.32
The electronic density of t-CTN was obtained from the
optimization of the Kohn-Sham orbitals from the optimized structure of t-CTN for
further calculation of the corresponding molecular graph and atomic integrations of the
hydrogen atoms in order to obtain the delocalization index between vicinal or long
range hydrogen atoms. Topological data were calculated using AIM2000 software.33
125
Conclusions
The catalytic hydrogenation synthetic methodology applied to obtain t-CTN
showed to be a reproducible methodology, representing an important alternative to
catalytic reduction reactions lacking the need of using hydrogenate equipment.
Reduction of t-CTN derivative using NaBH4 in ethanolic solution afforded epimeric
mixture of t-CTN-OL in a major proportion for -OH compound over -OHderivative
(2.81:1.0), which was somewhat confirmed by DFT. Theoretical study showed that one
ethanol molecule explicitly participates in the transition state of NaBH4 of t-CTN.
A theoretical protocol previously developed and applied to t-DCTN was
validated for natural t-CTN structure and for t-CTN-OL epimeric mixture. Moreover,
QTAIM delocalization indexes involving vicinal or long range protons correlates well
with both corresponding theoretical and experimental spin spin coupling constants for
natural t-CTN, indicating that the amount of charge density between each proton pair
(being vicinal or not) are directly proportional with the spin spin coupling constant.
Additionally, from the analysis of topological data there are six intramolecular
interactions for t-CTN, indicating a different pattern of flexibility of this molecule
compared to its precursor t-DCTN.
ASSOCIATED CONTENT
Supporting Information
An illustration of the system applied for catalytic hydrogenation to obtain semi-
synthetic t-CTN is available. NMR (1H and
13C) and mass spectra for reported
compounds are provided.
ACKNOWLEDMENTS
The authors thank FAPERN (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande
do Norte), CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior)
and CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) for
financial support.
126
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128
Capítulo 3. Stereoselective reduction of the bioactive clerodane trans-
dehydrocrotonin using sodium borohydride and cerium chloride
Breno Almeida Soares,1 Caio Lima Firme,
1 Rosane Nora Castro
3, Maria Aparecida
Medeiros Maciel,1,2*
1Instituto de Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Campus Universitário,
59078-970, Natal, RN, Brazil.
2Universidade Potiguar Laureate International Universities, Programa de Pós-graduação em
Biotecnologia, Campus Salgado Filho, Natal-RN, Brazil
3Departamento de Química, Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal Rural do Rio de
Janeiro, 23851-970, Seropédica, RJ, Brazil
* Corresponding author.
E-mail address: [email protected] or [email protected]
Abstract
The bioactive 19-nor-clerodane diterpene type trans-dehydrocrotonin (t-DCTN) is used
as starting material to afford two new candidates of bioactive compounds t-DCTN--
OL and t-DCTN--OL by stereoselective reducing of the 2-positioned carbonyl moiety
of ring A of decalin ring in methanolic solution of NaBH4 /CeCl3.7H2O. HPLC analysis
associated with 1D and 2D NMR data provided all chromatography and structural
information needed to identify and characterize the new diastereoisomeric pair t-DCTN-
-OL and t-DCTN--OL. Additionally, a comparative study involving experimental
and theoretical (using B3LYP/6-311++g(d,p) level of theory) NMR chemical shifts of
both new t-DCTN derivatives are presented with coefficient of correlation (R > 0,98).
Keywords: Croton cajucara; trans-dehydrocrotonin; stereoselective reduction;
NaBH4/CeCl3
129
Introduction
Clerodane type diterpenes have a compact and densely functionalized structure
and includes several known compounds being most of them bioactivite.1-4
The genus
Croton is a rich source of this type diterpene,5 as an example, Croton cajucara Benth
(Euphorbiaceae), a medicinal plant occurring in Brazilian Amazonia, popular used to
treat a variety of diseases. 6-11
The 19-nor-clerodanes trans-dehydrocrotonin (t-DCTN)
and trans-crotonin (t-CTN) (Figure 1) obtained from the bark of C. cajucara been t-
DCTN cited to present several biological properties, among them anti-inflamatory,
antinociceptive, cardiovascular, hypoglycemic, antitumor and antiulcer.7-11
Because of
that, t-DCTN is an important target to produce semi-synthetic analogs and derivatives.
t-DCTN
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1
O
H
O
O
O
H
H
HH
H
11
6
3
t-CTN
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1
O H
O
O
O
H
H
HH
H
H
H
11
6
3
1
910
6
1615
12
11
8
20
7
4
17
14
5
18
3
2
O
O
O
H
H
O
1
910
6
1615
12
11
8
20
7
4
17
14
5
18
3
2
O
O
O
H
H
O
Figure 1. Structural representations for bioactive clerodanes t-DCTN and t-CTN.
In a general synthetic contest, since the discovery of the reducing properties of
boron hydrides, it is known that sodium borohydride (NaBH4) has received considerable
attention as a selective and mild reducing agent of the carbonyl group. Gribble
described the outstanding versatility of NaBH4, especially in acid media.12
Reviews
reports results of synthetic, mechanistic, or stereochemical importance using
NaBH4.13,14
In that, lanthanoid chlorides (LnCl3) as a catalyst (Luche reduction) for
regioselective reductions of -enones15
and derivatives of cyclopentanone16
with
130
NaBH4 showed to be a very effective alternative, even in cases where the use of NaBH4
itself does not demonstrate the desired stereoselectivity.
The significant number of works showing different clerodane alcoholic
derivatives with a better biological activity when compared to its precursor17-20
establishes a relevant reason for use trans-dehydrocrotonin as a target compound to
produce the alcoholic derivative t-DCTN-OL. Previously it was reported the reduction
of t-DCTN with sodium borohydride in alcoholic medium affording a complex mixture
of epimeric pairs,21
although there is one work reporting the formation of the derivative
t-DCTN-OL with -OH positioned.22
In this present work, the 19-nor-clerodane t-
DCTN was submitted in a synthetic procedure in a methanolic solution of NaBH4
affording the expected epimeric mixture of t-DCTN-α-OL and t-DCTN-β-OL. For a t-
DCTN stereoselective reduction of the C=O (C-2) moiety to produce t-DCTN-α-OL it
was observed in NaBH4 /CeCl3.7H2O media. Supporting that result regioselectivity
reductions for neo-clerodanes (roseotachenone and lasianthin) by using sodium
borohydride and cerium chloride (CeCl3) in a 10 minutes reaction in methanolic
solution, was found in literature.23,24
It’s proposed that the major effect of Ce3+
is to
catalyse the formation of alkoxyborohydrides, increasing consequently the
stereoselectivity, affording preferentially the -OH positioned diastereoisomer.
Results and Discussion
This present work aims to describe the stereoselectivity reduction of natural
clerodane t-DCTN. HPLC analysis and NMR data confirmed the presence of unique
diastereoisomeric pair (t-DCTN--OL and t-DCTN--OL), not a complex mixture
found for the reduction with sodium borohydride without Ce+3
salt.21
Concerning to reduction of carbonyl group positioned at decalin system of
clerodanes, early reports shows that the -oriented isomer is formed in higher
proportion over the a epimeric form.25
On the other hand, Itokawa and co-workers22
showed the stereoselective synthesis of t-DCTN--OL, in with occurs a reduction of the
C=O (C-2 decalin carbon) during 30 minutes t-DCTN reaction in a MeOH solution of t-
DCTN treated with excess of NaBH4. A full NMR characterization of this compound is
available, and the most important changes is describes for the coupling constants of
131
axial proton of C-2 ( 4.19) with protons from C-1 (J=9.7 and 5.7 Hz) as well as 9.0%
NOE enhancement with an axial proton at C-10. In other reports for this derivative (t-
DCTN--OL) and the t-DCTN-tri-OL and t-DCTN-20-amide (Figure 2) cited as
bioactive derivatives, which were evaluated in cytotoxicity on V79 Chinese hamster
cells, promyelocytic leukemia cell line (HL60), human peripheral blood mononuclear
cell experiments and also Escherichia coli.26-28
Additionally, the gastroprotective effect
of these synthetic derivatives were also investigated.29
Since in our early report the reduction of t-DCTN with sodium borohydride in
alcoholic medium (during 30 min.) afforded a complex mixture of epimeric pairs,
identified by RMN experiments,21
we decided to redo this synthesis in the presence of
NaBH4/CeCl3.7H2O media obtaining a stereoselective reduction of the C=O (C-2)
moiety to produce t-DCTN-α-OL. Specifically, a t-DCTN methanol solution treated
with excess of NaBH4 at room temperature (or warming up) ranging the reaction time
(20 to 40 min.) it was obtained a complex mixture of t-DCTN derivatives, such as t-
DCTN--OL, t-CTN--OL, t-DCTN-tri-OL, t-DCTN-2-OL-12,20-oxolane and t-
DCTN-2-OL-20 (Figure 3).21
For 15 to 20 min. of reaction time it was produced a
epimeric pair of t-DCTN-OL (OH-C2 at and α-position) and t-CTN-OL derivative as
other epimeric mixture (with an extra reduction at C-3 and C-4 double bond).21
Considering those synthetic results pharmacologic investigations26-29
performed
with t-DCTN-OL, t-DCTN-tri-OL and t-DCTN-20-amide (Figure 2) could not be
focused in one pure derivative as the authors described, since the authors prepared t-
DCTN-OL using LiAlH4 and do not clarify about RMN characterization of none t-
DCTN derivative.
132
O
H
H
O
O
OH
N(CH3)2
O
O
OH
H
H
O
t-DCTN-OL
OH
OH
H
H
O
OH
t-DCTN-tri-OL t-DCTN-Amide-20
Figure 2.Chemical structures of semi-synthetic t-DCTN derivatives.27,28
Regarding to the diastereotopic face of carbonyl moiety, each obtained
derivative compound had showed up as diastereoisomeric pairs (in which the hydroxyl
group at C-2 is epimeric). In that, reduction of t-DCTN using NaBH4 produced at least a
whole of 10 compounds [β- and -DCTN-OL; β- and -CTN-OL; β- and -DCTN-tri-
OL; β- and -DCTN-OL-12,20-Oxolane; β- and -DCTN-OL-20 acid] (Figure 3).
O
O
OH
H
H
O
OH
OH
H
H
O
OH
O
OH
H
H
O
CO2H
OH
H
H
O
O
O
OH
H
H
O
t-DCTN-OL t-CTN--OL t-DCTN-tri-OL
t-DCTN-2-OL-oxolano 12,20 t-DCTN-2-OL-20-Acid
Figure 3. Chemical structures of complex mixture of epimeric pairs formed by
the reduction of t-DCTN using NaBH4.21
133
Aiming a cleaner and more stereosselective reduction procedure for t-DCTN and
encouraged by the cited above reports, especially those showing the stereosselectivity
reduction of clerodanes using CeCl3 and NaBH4,23,24
we decided to apply this procedure
for t-DCTN, looking forward for the optimization of methodologies described
previously for this clerodane 21
. Using the same time reaction (30 min, as detailed in
experimental section) we proceeded the reduction of t-DCTN using two different
stoichiometric conditions: 1) equimolar quantity of NaBH4 and CeCl3 in methanolic
solution; 2) a little bit less proportion of CeCl3.7H2O (0.8 :1) (See Scheme 1 and Table
1). Both methods showed satisfactory results and good yields. The use of equimolar
amounts of NaBH4 and CeCl3 (R-I reaction) showed good stereoselectivity, when
compared to previously reported work without the presence of Ce+3
salt.21
Semi
preparative HPLC data revealed formation of epimeric mixture of t-DCTN-OL, with a
higher proportion of the -epimericc form over the -OH compound (Table 1). On
the other hand, when decreasing the amount of Ce+3
salt in 20% (R-II reaction), the
stereoselectivity of the reaction increased, but according to HPLC data, with a
considerable higher proportion of -OH over the -OH. The determination of the
stereochemistry was confirmed beyond 1D and 2D NMR investigations (Table 2).
O
O
OH
H
H
O
O
O
O
H
H
O
t-DCTN
NaBH4 / CeCl3 .7 H2O
MeOH , 30 min
t-DCTN-OL
O
O
OH
H
H
O
O
O
OH
H
H
O
t-DCTN--OL
t-DCTN--OL
HPLC
isolation
Scheme 1. The pathway from stereoselective reduction of natural clerodane t-DCTN to
HPLC purification of unique epimeric mixture of t-DCTN-OL.
134
Table 1. Semi prepative HPLC analysis of stereoselective reduction of t-DCTN using
NaBH4 and different amounts of Ce+3
salt.
Reaction DCTN:NaBH4:CeCl3 HPLC (Rf) % Yield
R-I 01:01:01 10.135 t-DCTN--OL 37.01
82% 15.868 t-DCTN--OL 55.68
R-II 01:01:0.8 10.086 t-DCTN--OL 89.69
87% 15.602 t-DCTN--OL 7.66
HPLC UV-SPD C18 25 cm x 10.0 mm x 5um
We preceded the isolation of fractions of reaction R-I using semi-preparative
HPLC technique. Posteriorly, full structural characterization was determinedsupporting
by 1H and
13C NMR data. 2D homonuclear correlation (
1H x
1H) was useful to confirm
the long range coupling constant (Tables 2 and 3). Chemical shifts of H-2 ( 4.21 and
3.84, respectively for the epimeric pair) as well as typical weak broad signals ( 2.00
and 3.64) appoint the reduction of carbonyl moiety at C-2 of t-DCTN to afford the
epimeric mixture. Additionally, the crude product of R-II reaction was also
characterized confirming the -OH derivative (Table 1).
.
135
Table 2. Chemical shifts and coupling constants for t-DCTN and isolated fractions obtained from reaction R-I.
Atoms
t-DCTN* t-DCTN--OL
** t-DCTN--OL
H (ppm)/ J (Hz) H (ppm)/ J (Hz)
1H x
1H
H (ppm)/ J (Hz)
1H x
1H
J2 J
3/J
4 J
2 J
3/J
4
1a 2.19 dd (15.61; 13.80) 1.23†(12.40; 10.20) H-1e H-2 1,29 m (13.32; 3.92) H-1e H-2/H-10
1e 2.54 dd (15.61; 2.80) 2.17-2.08† H-1a H-2 1.99 br d (13.32) H-1a H-2
OH 2.02 s 3.84 br s
2 4.21 m H-1a/H-1e/H-
3/H-5
3.64 br s H-1a/H-1e/H-3/
3 5.89 m (1.27; 1.19) 5.38 br s (1.10) H-2/H-5 5.58 m H-2/H-5
5 3.18 m (12.50; 10.70; 3.35;
1.20; 1.19)
2.82 br t (10.16) H-2/H-3/H-6a/H-
6e/H-7e/H-10
2.65 br t (11.60) H-3/H-6a/H-6e/H-
10
6a 1.18 dddd (12.89; 12.70;
12.50; 3.61)
0.97 dddd (12.84; 12.76; 3.44;
3.32)
H-6e H-5/H-7a 1.04 m (12.78; 3.50) H-6e H-5/H-7a
6e 2.27 dddd (12.89; 3.60; 3.35;
3.30)
2.17-2.08† H-6a H-5/H-10 2.11† (12.71; 3.30) H-6a H-5
7a 1.88 dddd (13.80; 12.70;
12.31; 3.60)
1.79-1.72† H-7e H-6a/H-8 2.17-2.08† H-7e H-6a/H-8
7e 1.66 dddd (13.80; 3.61; 3.58;
3.30)
1.73-1.57† H-7a H-5 1.85-1.51† H-7a
8 1.69 m (12.31; 6.80; 3.58) 1.73-1.57† H-7a 1.85-1.51† H-7a
10 1.81 ddd (13.80; 10.70; 2.80) 1.33† (12.34; 10.00) H-5/ H-6e 1.85-1.51† H-1e/H-1a/H-5
11a 2.42 dd (13.95; 8.62) 2.47-2.37† (8.67) H-12 2.48 dd (13.86; 8.86) H-12
11b 2.37 dd (13.95; 8.65) 2.42† dd (8.67; 1.58) H-12 2.39 dd (13.80; 8.44) H-12
12 5.43 ddd (8.65; 8.62; 0.72) 5.42 t (8.61) H-11/H-16 5,43 t (8,49) H-11
14 6.1 bdd (1.83; 0.89) 6.44 dd (1.58; 0.85) H-15/H-16 6.45 t (0.86) H-15/H-16
15 7.45 dd (1.83; 1.66) 7.42 t (1.70) H-14 7.46 t (1.68) H-14
16 7.46 ddd (1.66; 0.89; 0.72) 7.48 m H12/H-14 7.48 m H-14
Me-17 1.16 d (6.80) 1.13 d (6.60) H-8 1.13 d (6.60) H-8
Me-18 1.97 dd (1.27; 1.20) 1.70 d (1.34) H-3 1.72 d (1.12) H-3
*600 MHz data obtained from Maciel et al.; 2003.
**Solution in CDCl3 referenced to CHCl3 at 7.26.
All values deduced through homonuclear 1H x
1H 2D shift-correlated spectra.
136
Table 3. Chemical shifts and coupling constants for t-DCTN and crude semi-synthetic
derivative obtained from reaction R-II.
Atoms
t-DCTN* t-DCTN--OL
**
H (ppm)/ J (Hz) H (ppm)/ J (Hz)
1H x
1H
J2 J
3/J
4
1a 2.19 dd (15.61; 13.80) 1.82-1.56† H-1e H-2
1e 2.54 dd (15.61; 2.80) 2.16-2.06† H-1a H-2
OH 3.53 br s
2 4.21 m H-1a/H-1e/H-3/H-5
3 5.89 m (1.7; 1.19) 5.38 br s H-2/H-5
5 3.18 m (12.50; 10.70; 3.35; 1.20;
1.19)
2,81 br t (10,14) H-2/H-3/H-6a/H-6e/H-
7e/H-10
6a 1.18 dddd (12.89; 12.70; 12.50;
3.61)
0.97 dddd (12.84; 12.60; 3,44; 3,32) H-6e H-5/H-7a
6e 2.27 dddd (12.89; 3.60; 3.35; 3.30) 1.82-1.56† H-6a H-5
7a 1.88 dddd (13.80; 12.70; 12.31;
3.60)
2.16-2.06† H-7e H-6a/H-8
7e 1.66 dddd (13.80; 3.61; 3.58; 3.30) 1.35-1.20 m H-7a
8 1.69 m (12.31; 6.80; 3.58) 1.82-1.56† H-7a
10 1.81 ddd (13.80; 10.70; 2.80) 2.16-2.06† H-5/H-6a/H-6e
11a 2.42 dd (13.95; 8.62) 2.46-2.36† H-12
11b 2.37 dd (13.95; 8.65) 2.46-2.36† (7.64; 1.20) H-12
12 5.43 ddd (8.65; 8.62; 0.72) 5.42 t (8.61) H-11/H-16
14 6.41 bdd (1.83; 0.89) 7.48 m H-15/H-16
15 7.45 dd (1.83; 1.66) 7.48 m H-14
16 7.46 ddd (1.66; 0.89; 0.72) 7.48-7.45† H12/H-14
Me-17 1.16 d (6.80) 1.12 d (6.60) H-8
Me-18 1.97 dd (1.27; 1.20) 1.69 d (1.20) *600 MHz data obtained from Maciel et al.; 2003.
**Solution in CDCl3 referenced to CHCl3 at 7.26.
All values deduced through homonuclear 1H x
1H 2D shift-correlated spectra.
137
Table 4. Experimental 13
C NMR data of semi-synthetic clerodanes t-DCTN--OL and t-
DCTN--OL.
Atoms
t-DCTN-OL -OH t-DCTN-OL -OH t-DCTN-OL -OH
Reaction R-I Reaction R-II
C (ppm)
1 34.60 39.12 34.56
2 68.62 72.12 68.62
3 125.97 125.77 125.97
4 144.13 144.09 144.11
5 39.02 39.53 38.99
6 28.97 28.65 28.93
7 30.78 30.70 30.75
8 45.61 45.56 45.58
9 51.29 51.18 51.27
10 42.20 42.40 42.17
11 41.50 41.40 41.46
12 72.17 73.50 72.15
13 125.97 120.77 125.46
14 108.19 108.23 108.18
15 140.38 140.73 140.32
16 139.30 139.28 139.29
17 20.68 21.08 20.65
18 17.74 17.70 17.71
20 177.26 177.71 177.26 Solution in CDCl3 referenced to CHCl3 at 77.02.
In order to validate the theoretical methodology applied for t-DCTN,30
we
compared 1H and
13C chemical shifts obtained for fractions isolated from reaction R-I
(using HPLC), with calculated data obtained from DFT/B3LYP method. Figures 3 and
4 reveal the excellent correlation between experimental and theoretical chemical shift
data for both t-DCTN--OL and t-DCTN--OL.
138
y = 1,043x - 0,1164
R² = 0,9843
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 6 8Experimental 1H Chemical Shifts / ppm
Ca
lcu
late
d
1H
Ch
em
ical S
hif
ts / p
pm (a)
y = 0,995x + 8,7812
R² = 0,9886
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200
Experimental 13C Chemical Shifts / ppm
Ca
lcu
late
d 1
3C
Ch
em
ical S
hif
ts / p
pm
(b)
Figure 3. (a) Plot of experimental versus theoretical (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H NMR
chemical shifts, in ppm, and (b) Plot of experimental versus theoretical 13
C NMR
chemical shifts of t-DCTN--OL.
139
y = 1,0476x - 0,1421
R² = 0,9825
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 6 8Experimental 1H Chemical Shifts / ppm
Ca
lcu
late
d
1H
Ch
em
ical S
hif
ts / p
pm (a)
y = 1,0104x + 7,936
R² = 0,9868
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200
Experimental 13C Chemical Shifts / ppm
Ca
lcu
late
d 1
3C
Ch
em
ical S
hif
ts / p
pm (b)
Figure 4. (a) Plot of experimental versus theoretical (B3LYP/6-311G++(d,p)) 1H NMR
chemical shifts, in ppm, and (b) Plot of experimental versus theoretical 13
C NMR
chemical shifts of t-DCTN--OL.
140
Experimental Section
General equipment
Melting points were determined in a capillary with a Melt-Temp. 1H- and
13C-
NMR were recorded at room temperature using a Bruker-DRX 400 MHz spectrometers,
employing tetramethylsilane as internal reference. The chemical shifts (δ) are given in
ppm and coupling constants (J) in Hertz. Mass spectra were obtained at 70 eV on a
Shimadzu-CG/MS QP 2000A equipped with a solid probe. Fragments were described as
m/z ratio. Thin layer chromatography (TLC) was carried out on silica gel plates with a
fluorescence indicator F254 (0.2 mm, E. Merck); the spots were visualized in UV light
(254 nm). All solvents and reagents used in the present study were of analytical grade.
Material and Methods
Plant material was collected in Jacundá, Pará state (Amazonian region-Brazil)
and identified by Nelson A. Rosa. A voucher specimen (no. 247) has been stored in the
Herbarium of the Museu Paraense Emílio Goeldi (Belém-Brazil). The isolation of t-
DCTN was performed according to the literature31
and its recrystallization (from a
mixture of hexane:ether (7:3) yielded suitable crystal. The assignments for structure
elucidation were previously determined from 1H (600 MHz) and
13C (150 MHz) NMR
spectroscopy32
.
Synthetic Approach
Synthesis of t-DCTN-OL (epimeric mixture)
t-DCTN (90 mg, 0.286 mmol) and CeCl3 (60.2 mg, 0.268 mmol) were dissolved in 2
mL of methanol. NaBH4 (10.8 mg, 0.286 mmol) was added slowly, with stirring. A gas
evolution occurs, together with a temperature rise (around 40oC). Stirring was continued
for 30 minutes before pH was adjusted to neutrality with dilute H2SO4, followed by
turbidity of reaction media. Then was added 15 mL of distilled water to proced
extraction with chloroform (3x15 mL), drying with NaSO4 and the solvent evaporation,
affording 74 mg (82%) of crude material (epimeric mixture of t-DCTN-OL). Semi
141
preparative HPLC using acetonitrile and water (55:45) as mobile phase afforded
separation and isolation of the epimeric mixture.
t-DCTN--OL: yellowish white powder, mp 115-118 oC,
D[]20 = 37.1
o,1H NMR
(CDCl3, 400 MHz) 7.48 (1H, m, H-16); 7.42 (1H, t, J= 1.70 Hz, H-15); 6.44 (1H, dd,
J= 1.58; 0.85 Hz, H-14); 5.42 (1H, t, J= 8.61 Hz, H-12); 5.38 (1H, br s, J= 1.10 Hz, H-
3); 4.21 (1H, m, H-2); 2.82 (1H, br t, J= 10.16 Hz, H-5); 2.47-2.37 (1H, m, J= 8.67 Hz,
H-11a); 2.42 (1H, dd, J= 8.61; 1.58 Hz, H-11b); 2.17-2.08 (2H, m, H-1e, H-6e); 2.02
(1H, s, OH); 1.70 (3H, d, J= 1.34 Hz, Me-18); 1.33 (1H, m, J= 12.34; 10.00 Hz, H-10);
1.23 (1H, m, H-1a); 1.13 (3H, d, J= 6.60 Hz, Me-17); 0.97 (1H, dddd, J= 12.84; 12.76;
3.44; 3.32 Hz, H-6a). 13
C NMR (CDCl3, 100 MHz) 177.26 (C-20); 144.13 (C-4),
140.38 (C-15), 139.30 (C-16); 125.97 (C-13), 125.48 (C-3), 108.19 (C-14), 72.17 (C-
12), 68.66 (C-2), 51.29 (C-9), 45.61 (C-8), 42.20 (C-10), 41.50 (C-11), 39.02 (C-5),
34.60 (C-1), 30.78 (C-7), 28.97 (C-6), 20.68 (C-18), 17.74 (C-17). MS m/z (relative
intensity) [M]+ absent, 204 (M-112)
+ (15), 179 (M-137)
+ (10), 145 (M-171)
+ (20), 105
(M-211)+ (100), 95 (M-221)
+ (50), 82 (M-234)
+ (30).
t-DCTN--OL: yellowish oil,1H NMR (CDCl3, 400 MHz) 7.48 (1H, m, H-16); 7.46
(1H, t, J= 1.68 Hz, H-15); 6.45 (1H, t, J= 0.86 Hz, H-14); 5.43 (1H, t, J= 8.49 Hz, H-
12); 5.58 (1H, m, H-3); 3.84 (1H, m, H-2); 3.64 (1H, br s, OH); 2.48 (1H, dd, J= 13.86;
8.86 Hz, H-11a); 2.39 (1H, dd, J= 13.80; 8.44 Hz, H-11b); 2.17-2.08 (2H, m, H-7a);
2.11 (1H, m, J= 12.71; 3.30 Hz, H-6e); 1.99 (1H, br d, J=13.32 Hz, H-1e); 1.85-1.51
(3H, m, H-7e, H-8, H-10); 1.72 (3H, d, J= 6.60 Hz, Me-18) 1.33 (1H, m, J= 12.34;
10.00 Hz, H-10); 1.29 (1H, m, J= 13,32; 3,92 Hz, H-1a); 1.13 (3H, d, J= 6.60 Hz, Me-
17); 1.04 (1H, m, J= 12.78; 3.50 Hz, H-6a).13
C NMR (CDCl3, 100 MHz) 177.71 (C-
20); 144.09 (C-4), 140.73 (C-15), 139.28 (C-16); 125.71 (C-13), 120.77 (C-3), 108.23
(C-14), 73.50 (C-12), 72.12 (C-2), 51.18 (C-9), 45.56 (C-8), 42.11 (C-10), 41.40 (C-11),
39.53 (C-5), 39.12 (C-1), 30.70 (C-7), 28.65 (C-6), 21.08 (C-18), 17.70 (C-17). MS m/z
(relative intensity) [M]+ absent, 298 [M-H2O]
+ (10); 218 (M-98)
+ (25); 204 (M-112)
+
(100), 159 (M-157)+ (35), 145 (M-171)
+ (20), 135 (M-181)
+ (70); 105 (M-211)
+ (85), 95
(M-221)+ (90), 81 (M-234)
+ (50).
142
Conclusions
The adapted synthetic methodology proposed in this work using methanolic
solution of NaBH4/CeCl3 showed to be a feasible option for a cleaner and more
stereoselective reduction of t-DCTN. Previously reports on synthesis of t-DCTN
bioactive derivatives could not be focus in a pure derivative, even in a pure epimeric
pair, as Maciel and co-workers described using NMR data that t-DCTN in the presence
of NaBH4 affords a complex mixture of epimeric paris.21
For the synthetic procedures described herein, both reactions provided only
epimeric mixture of t-DCTN-OL (varying the major compound as the change of
stoichiometry). An extensive investigation under NMR data confirmed that for R-I, t-
DCTN--OL was the major compound over t-DCTN--OL. On the other hand, for R-II
(when was used a less amount of CeCl3), HPLC showed the higher stereoselectivity of
this methodology, and NMR analyses confirmed the major compound being this time t-
DCTN--OL.
143
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145
6. CONCLUSÕES GERAIS
As metodologias sintéticas aplicadas para a molécula alvo t-DCTN mostraram
ser aplicáveis, representando importantes alternativas para obtenção de novos derivados
semi-sintéticos, em especial os derivados clerodanos alcoólicos que a literatura vem
mostrando ser mais eficazes biologicamente que os não-alcoólicos.
A redução catalítica de t-DCTN forneceu t-CTN quantitativamente, que por sua
vez, quando tratada com NaBH4 em solução etanólica forneceu a mistura epimérica
chamada t-CTN-OL em proporção 2.81:1.0 do derivado sobre o derivado .
A reação de redução de t-DCTN em presença de NaBH4 envolveu também a presença
de CeCl3, e mostrou-se bastante estereosseletiva, o que não ocorre quando usa-se apenas
o NaBH4. A caracterização de todos os derivados obtidos nesse trabalho de (t-CTN, t-
DCTN--OL, t-DCTN--OL, t-CTN--OL e t-CTN--OL)foram apresentadas através
de técnicas de RMN 1D e 2D.
Uma metodologia teórica de simulação de propriedades geométricas e
magnéticas como ângulos e distâncias de ligação, além de deslocamento químico e
constante de acoplamento, foi aplicada para t-DCTN com resultados satisfatórios de
correlação com dados experimenatais (RMN de 600 MHz e difração de Raios-X). Esta
metodologia foi reproduzida e validada para todos os derivados semi-sintéticos obtidos
neste trabalho com coeficientes de correlação entre dados experimentais e teóricos
variando entre 0,97 e 0,99. Dessa forma essa metodologia mostra-se aplicável a outros
produtos naturais que apresentam geometrias relativamente flexíveis como os
clerodanos. Neste contexto as excelentes correlações entre valores de índice de
deslocalização (H,H´) obtido a partir da QTAIM, com as constantes de acoplamento
vicinais e a longa distância, confirmam que a quantidade de densidade de carga dividida
entre um par de prótons é diretamente proporcional a sua constante de acoplamento spin
spin.
As informações topológicas obtidas a partir da QTAIM foram úteis para
evidenciar presença de interações intramoleculares para t-DCTN e t-CTN, e auxiliar no
entendimento da diferença de reatividade entre t-DCTN e t-CTN frente ao NaBH4.
Finalmente, uma vez que t-DCTN vem sendo investigada em um contexto
multidisciplinar, que envolve temas como síntese, farmacologia e veiculações
biotecnológicas, este trabalho representa uma importante contribuição ao estudo da
146
espécie medicinal mais importante do gênero Croton, e tem importância adicional no
desenvolvimento de potenciais candidatos a compostos bioativos, que podem vir a ser
isolados da fonte natural e/ou ainda veiculados em sistemas micro e/ou
nanoemulsionados.
147
7. ANEXOS
148
19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1
Chemical Shift (ppm)
3.96 3.862.771.27 1.030.72
Me-18
Me-17
H-14 H-1eqH-15/H-16
H-11
H-8H-12
H-3eq/H-11´
H-1ax/H-3ax/H-6eq
H-5
H-6ax
H-7ax
H-4/H-10
7.45
217.
2858
6.38
68
5.43
735.
4156
5.39
425.
3163
2.48
112.
4230
2.40
132.
3573
2.33
532.
1987
2.17
612.
1440
2.13
361.
4818
1.16
281.
1460
1.06
93
t-CTN
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1O H
O
O
O
H
HHH
H
H
H
11
6
3
Espectro 1. Espectro de RMN de 1H do derivado t-CTN.
149
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
Chemical Shift (ppm)
1.27 1.030.72
H-14H-15/H-16 H-127.
4521
7.44
817.
4441
7.28
58
6.39
046.
3868
6.38
40
5.43
735.
4156
5.39
42
5.31
63
Espectro 2. Expansão do espectro do derivado t-CTN.
150
2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4
Chemical Shift (ppm)
3.96 2.772.68 2.511.42 1.391.321.28
H-1eq H-7eqH-11 H-8H-3eq/H-11´ H-1ax/H-3ax/H-6eq
H-5
H-7ax H-4/H-10
2.52
022.
5138
2.50
712.
4878
2.48
112.
4744
2.45
792.
4362
2.42
302.
4013
2.36
892.
3631
2.35
732.
3445
2.33
532.
3289
2.32
282.
3011
2.20
882.
1987
2.17
612.
1666
2.15
262.
1440
2.13
362.
1019
2.09
242.
0753
2.06
612.
0466
2.03
712.
0200
2.01
05
1.86
721.
8586
1.83
451.
8259
1.80
331.
7948
1.77
091.
7621
1.71
621.
6994
1.69
121.
6826
1.67
401.
6603
1.64
381.
6193
1.61
081.
6025
1.59
401.
5778
1.56
951.
5161
1.50
811.
4892
1.48
181.
4748
1.45
561.
4476
1.44
421.
4375
1.42
741.
4115
1.40
15
Espectro 3. Expansão do espectro do derivado t-CTN.
151
1.25 1.20 1.15 1.10 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80
Chemical Shift (ppm)
3.863.67 1.58
Me-18Me-17 H-6ax
1.16
28
1.14
60
1.06
93
1.05
31
1.00
050.
9914
0.96
78
0.95
87
0.93
790.
9287
0.90
520.
8960
Espectro 4. Expansão do espectro do derivado t-CTN.
152
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20
Chemical Shift (ppm)
C-7
C-6
C-5C-12
C-1
C-8
C-11
C-9
C-4
C-3
Me-17
C-10
Me-18
C-16C-2
C-15
C-2020
9.51
54
177.
0156
144.
2532
139.
3239
125.
1631
108.
0272
77.3
431
77.0
295
76.7
087
72.3
044
52.3
247
49.7
798
48.4
090
43.3
046
42.1
671
41.6
348
40.9
275
38.5
868
29.6
762
29.4
209
19.6
498
17.7
175
Espectro 5. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-CTN.
153
75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15
Chemical Shift (ppm)
C-6C-4
C-11
C-5
C-8
C-1
C-9
C-7
C-18
C-4 C-20
C-17
C-3
C-10
C-10
C-12
17.7
377
19.6
771
29.4
472
29.7
024
38.6
049
40.9
526
42.1
921
43.3
295
48.4
333
49.7
968
52.3
487
72.3
264
76.7
302
77.0
438
77.3
646
Espectro 6. Expansão do espectro de RMN de 13
C do derivado t-CTN.
154
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Chemical Shift (ppm)
7.934.022.03 1.90 1.541.23 0.880.52
OH (beta) Me-18 (beta)
Me-18 (alfa)
Me-17
H-14
OH (alfa)H-15/H-16
H-12
H-6eq
H-11/H-11´/H-1eq
H-1ax/H-3ax/H-3eq/H-5
H-6a (beta)
H-4
H-7ax/H-7eq/H-8/H-10
7.46
957.
4487
7.28
616.
4348
6.43
266.
4109
5.42
485.
4034
5.38
205.
3215
4.17
864.
1716
3.56
53
2.42
212.
4004
2.08
261.
7321
1.69
121.
6722
1.13
411.
1105
1.07
970.
9877
0.93
450.
9186
t-CTN-OL
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1
H(OH) H
O
O
O
H
HHH
H
(H)HO
H
H
11
6
3
Espectro 7. Espectro de RMN de 1H do derivado t-CTN-OL (mistura epimérica. Proporção 2.81:1 do derivado sobre o ).
155
8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5
Chemical Shift (ppm)
2.03 1.90 1.541.23 0.52
OH (beta)H-14 OH (alfa)H-15/H-16 H-12
7.4
734
7.4
695
7.4
673
7.4
627
7.4
487
7.4
447
7.2
861
6.4
369
6.4
348
6.4
173
6.4
131
5.4
248
5.4
138
5.4
034
5.3
924
5.3
820
5.3
707
5.3
215
4.1
860
4.1
786
4.1
716
3.5
919
3.5
812
3.5
757
3.5
653
3.5
546
3.5
494
3.5
387
3.5
033
Espectro 8. Expansão do espectro 7.
156
2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2
Chemical Shift (ppm)
6.615.694.02 3.68 2.13 1.540.88
H-6eqH-11/H-11´/H-1eq H-1ax/H-3ax/H-3eq/H-5 H-4H-7ax/H-7eq/H-8/H-10
2.42
212.
4114
2.40
042.
3894
2.38
24
2.10
342.
0921
2.08
262.
0747
2.06
552.
0591
2.05
022.
0417
2.03
311.
9686
1.96
311.
9579
1.95
271.
9472
1.94
171.
9158
1.76
30
1.73
211.
7278
1.72
351.
6997
1.69
121.
6722
1.64
261.
6343
1.62
551.
5873
1.57
051.
5674
1.56
071.
5518
1.54
331.
5356
1.51
911.
5109
1.37
731.
3706
1.34
281.
3394
1.33
641.
3119
1.30
491.
2960
1.28
991.
2777
1.27
04
Espectro 9. Expansão do espectro 7.
157
1.15 1.10 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75
Chemical Shift (ppm)
7.93 4.73 1.841.681.39
Me-18 (beta)Me-18 (alfa)Me-17 H-6a (beta)
1.13
41
1.12
74
1.11
73
1.11
051.
1057
1.08
551.
0797
1.06
471.
0592
1.04
36
1.03
51
1.02
80
0.98
77
0.97
33
0.95
410.
9486
0.94
46
0.93
45
0.91
86
0.88
81
0.87
92
0.85
57
0.84
65
0.82
54
0.81
63
0.79
30
0.78
36
Espectro 10. Expansão do espectro 7.
158
220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20
Chemical Shift (ppm)
C-11
C-5
C-8
C-4 (alfa)
C-7
C-10 C-4 (beta)
C-3
C-6
C-9
C-1 (alfa)
C-2 (beta)
C-2 (alfa)
C-14C-16 C-13
C-15
C-20
177
.4458
144
.0636
139
.2875
125
.5569
108
.2095
77.
3358
77.
0222
76.
7014
72.
1148
70.
0950
66.
6969
51.
8799
46.
7902
44.
7193
42.
2546
41.
9629
41.
7515
41.
6129
41.
3869
37.
1795
36.
2242
31.
8564
29.
9824
29.
9168
29.
5303
19.
4238
19.
3144
17.
7904
Espectro 11. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-CTN-OL (mistura epimérica. Proporção 2.81:1 do derivado sobre o ).
159
78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44
Chemical Shift (ppm)
C-10 C-3C-9C-2 (beta)C-2 (alfa)
77.
3358
77.
2264
77.
0222
76.
7014
72.
1148
70.
0950
66.
6969
51.
8799
51.
7340
46.
7902
44.
7193
Espectro 12. Expansão do espectro 11.
160
42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18
Chemical Shift (ppm)
C-11
C-5
C-8
C-4 (alfa) C-1 (beta) C-7C-4 (beta)
C-6
Me-17
C-1 (alfa)
Me-18
42.6
557
42.2
546
41.9
921
41.9
629
41.7
515
41.6
129
41.3
869
37.1
795
36.2
242
34.1
825
31.8
564
29.9
824
29.9
168
29.5
303
19.4
238
19.3
144
17.8
852
17.7
904
Espectro 13. Expansão do espectro 11.
161
19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1
Chemical Shift (ppm)
5.48 5.093.302.711.77 1.501.01
Me-17H-14H15/H-16 H-2H-12 H-1eq/H-6eq
H-11/H-11´
H-5
H-6ax
H-1ax/H-10
H-7ax/H-7eq/H-8/Me-18
7.4
805
7.4
627
7.4
585
7.2
858
6.4
445
5.4
499
5.4
285
5.4
068
5.3
845
4.2
385
4.2
180
4.2
138
2.8
215
2.4
392
2.4
175
2.1
456
2.1
291
1.6
997
1.6
722
1.6
637
1.6
218
1.3
083
1.2
667
1.1
439
1.1
274
0.9
568
t-DCTN--OL
5
10
18
2
8 17
12
15
16
9
4
1
H
H
O
O
O
H
HHH
HOH
11
6
3
Espectro 14. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da reação R-I).
162
8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0
Chemical Shift (ppm)
2.711.77 1.50 1.431.01
H-14H15/H-16 H-2H-12 H-5
7.48
057.
4627
7.45
857.
4542
7.28
58
6.44
456.
4424
5.44
995.
4285
5.40
685.
3845
4.23
854.
2336
4.22
754.
2226
4.21
804.
2138
4.20
40
2.84
662.
8215
2.79
58
Espectro 15. Expansão do espectro 14.
163
2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9
Chemical Shift (ppm)
5.48 5.094.813.403.30 2.10 1.761.711.39
Me-17H-1eq/H-6eqH-11/H-11´ H-6axH-1ax/H-10H-7ax/H-7eq/H-8/Me-18
2.47
382.
4521
2.43
922.
4353
2.41
752.
4136
2.40
072.
3787
2.17
342.
1590
2.14
562.
1352
2.12
912.
1132
2.10
432.
0961
2.08
902.
0258
1.79
261.
7908
1.76
761.
7605
1.70
311.
6997
1.68
051.
6722
1.66
371.
6554
1.64
651.
6346
1.62
941.
6218
1.59
151.
5750
1.36
421.
3391
1.33
331.
3318
1.30
831.
2936
1.26
911.
2667
1.24
101.
2355
1.21
021.
1439
1.12
74
1.02
931.
0207
0.99
720.
9886
0.96
510.
9568
0.93
300.
9251
Espectro 16. Expansão do espectro 14.
164
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Chemical Shift (ppm)
C-18
C-17
C-6
C-7
C-1C-11
C-10
C-8
C-9
C-2
C-12
C-14
C-13
C-3
C-16
C-3
C-15
C-4
C-20
17.7
450
20.6
833
28.9
73330.7
815
34.6
093
39.0
205
41.5
068
42.2
067
45.6
190
51.2
988
68.6
662
72.1
733
76.7
302
77.0
438
77.3
646
108.
1915
125.
4861
125.
9746
139.
3028
140.
3819
144.
1368
177.
2677
Espectro 17. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da reação R-I).
165
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15
Chemical Shift (ppm)
C-18
C-17
C-6
C-7
C-1C-5C-11
C-10
C-8
C-9
C-2
C-12
17.7
450
20.6
833
28.9
73330.7
815
34.6
093
39.0
205
41.5
068
42.2
067
45.6
190
51.2
988
68.6
662
72.1
733
76.7
302
77.0
438
77.3
646
Espectro 18. Expansão do espectro 17.
166
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Chemical Shift (ppm)
4.132.88 1.741.44 1.33 1.060.82
Me-18H-14
Me-17
H-3
H-15/H-16 H-1eqH-12
H-6e/H-7a
H-2 H-5
H-6ax
H-1ax
H-7eq
OH
H-11/H11´
H-8/H-10
7.48
937.
4673
7.28
616.
4507
5.59
265.
5861
5.45
995.
4382
5.41
75
3.64
57
2.65
162.
4756
2.45
362.
4261
2.40
501.
7312
1.72
841.
7055
1.55
031.
2884
1.14
051.
1240
t-DCTN--OL
5
10
18
2
8 17
12
14
15
16
9
4
1
OH
H
O
O
O
H
HHH
HH
11
6
3
Espectro 19. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da reação R-I).
167
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5
Chemical Shift (ppm)
1.44 1.33 1.060.930.82
H-14 H-3H-15/H-16 H-12 H-2OH
7.48
937.
4872
7.47
167.
4673
7.46
317.
2861
6.45
076.
4488
5.59
265.
5861
5.58
375.
4599
5.43
825.
4175
3.84
71
3.64
57
Espectro 20. Expansão do espectro 19.
168
2.5 2.0 1.5 1.0
Chemical Shift (ppm)
4.133.752.88 2.141.901.741.60 1.261.261.01 0.86
Me-18 Me-17H-1eqH-6e/H-7aH-5
H-6ax
H-1ax
H-7eq
H-11/H11´
H-8/H-10
2.68
062.
6516
2.62
262.
5104
2.48
812.
4756
2.46
862.
4536
2.44
662.
4261
2.40
502.
3916
2.37
052.
1471
2.13
852.
1303
2.12
172.
1156
2.10
682.
0985
2.01
261.
9793
1.82
621.
7954
1.78
681.
7312
1.72
841.
7129
1.70
551.
6973
1.62
671.
6181
1.59
401.
5854
1.58
211.
5778
1.55
031.
5460
1.51
941.
3315
1.32
171.
3113
1.29
821.
2884
1.26
671.
2566
1.14
051.
1240
1.08
241.
0739
1.05
061.
0418
1.01
860.
9865
Espectro 21. Expansão do espectro 19.
169
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Chemical Shift (ppm)
C-18
C-17C-6
C-7
C-1
C-5
C-11
C-10
C-8
C-9
C-2
C-12
C-14
C-13
C-3
C-16
C-4
C-20
17.7
085
21.0
843
28.6
598
30.7
086
39.1
226
39.5
382
41.4
047
42.1
192
45.5
606
51.1
894
54.8
933
56.0
672
72.1
295
73.5
003
76.7
302
77.0
438
77.3
646
108.
1186
108.
235212
0.71
77
125.
7704
139.
2809
140.
7318
143.
5389
144.
0930
177.
7125
Espectro 22. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da reação R-I).
170
75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20
Chemical Shift (ppm)
C-18
C-17
C-6
C-7
C-1
C-5
C-11
C-10
C-8
C-9
C-2
C-12 17.7
085
20.7
781
21.0
843
28.6
598
29.0
462
30.1
399
30.7
086
39.1
226
39.5
382
41.4
047
42.1
192
45.5
606
51.1
894
54.8
933
56.0
672
72.0
275
72.1
295
73.5
003
76.7
302
77.0
438
77.3
646
Espectro 23. Expansão do espectro 22.
171
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Chemical Shift (ppm)
5.644.043.563.051.99 1.501.16
H-14 Me-17H-11/H-11´
H-15/H-16
H12/H-3
H-5 H-6ax
H-1eq/H-6eq
H-2
H-1ax/H-10
H-7ax/H-7eq/H-8/Me-18
7.48
547.
4753
7.45
087.
2858
6.44
245.
4444
5.42
275.
4010
5.37
875.
3130
4.21
714.
2122
2.43
342.
4117
2.12
202.
0976
1.72
051.
6930
1.61
601.
3028
1.26
151.
1377
1.12
120.
9513
Espectro 24. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (amostra bruta oriunda da reação R-II).
172
8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0
Chemical Shift (ppm)
3.051.99 1.50 1.501.16
H-14H-15/H-16 H12/H-3 H-5H-2
7.48
547.
4753
7.46
437.
4597
7.45
517.
4508
7.44
667.
2858
6.44
246.
4378
5.44
445.
4227
5.40
105.
3787
5.31
30
4.23
704.
2281
4.21
714.
2122
4.20
834.
2037
4.19
79
2.84
142.
8392
2.81
452.
7907
Espectro 25. Expansão do espectro 24.
173
2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8
Chemical Shift (ppm)
5.645.164.04 3.963.86 3.763.56 1.82
Me-17H-11/H-11´ H-6axH-1eq/H-6eq H-1ax/H-10H-7ax/H-7eq/H-8/Me-18
2.46
802.
4460
2.43
342.
4304
2.41
172.
4087
2.16
762.
1529
2.13
952.
1288
2.12
202.
1138
2.10
612.
0976
2.08
932.
0679
1.81
461.
7926
1.78
411.
7605
1.75
321.
7229
1.72
051.
6960
1.69
301.
6417
1.62
941.
6236
1.61
601.
5854
1.57
72
1.35
871.
3336
1.32
781.
3263
1.30
281.
2884
1.26
431.
2615
1.23
611.
2306
1.20
501.
1377
1.12
121.
0238
1.01
520.
9917
0.98
310.
9596
0.95
130.
9275
0.91
96
Espectro 26. Expansão do espectro 24.
174
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20
Chemical Shift (ppm)
C-13
C-3
C-11 C-6C-9
C-5
C-8
Me-17
C-7
C-1
C-16
C-10
C-12
Me-18C-15
C-2
C-4
C-14C-20
177.
2635
144.
1147
140.
3229
139.
2948
125.
9725
125.
4621
108.
1804
77.3
577
77.0
368
76.7
233
72.1
513
68.6
220
51.2
747
45.5
870
42.1
744
41.4
671
38.9
952
34.5
617
30.7
553
28.9
397
20.6
561
17.7
175
Espectro 27. Espectro de RMN de 13
C do derivado t-DCTN--OL (amostra bruta oriunda da reação R-II).
175
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15
Chemical Shift (ppm)
C-11 C-6C-9 C-5
C-8
Me-17C-7C-1C-10C-12
Me-18
C-2
77.3
577
77.0
368
76.7
233
72.1
513
68.6
220
51.2
747
45.5
870
42.1
744
41.4
671
38.9
952
34.5
617
30.7
553
28.9
397
20.6
561
17.7
175
Espectro 28. Expansão de espectro 27.
176
RC_10_CoSY_CTN.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
Espectro 29. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-CTN.
177
RC_10_CoSY_CTN.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
Espectro 30. Expansão do espectro 29.
178
RC_10_CoSY_CTN.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
Espectro 31. Expansão do espectro 29.
179
RC_10_CoSY_CTN.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)2.5 2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Espectro 32. Expansão do espectro 29.
180
rrb_ctn_cosy_ctn_ol.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
Espectro 33. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-CTN-OL (mistura
epimérica 2.81:1 do derivado sobre o ).
181
rrb_ctn_cosy_ctn_ol.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
Espectro 34. Expansão do espectro 33.
182
rrb_ctn_cosy_ctn_ol.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
Espectro 35. Expansão do espectro 33.
183
rrb_ctn_cosy_ctn_ol.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
Espectro 36. Expansão do espectro 33.
184
RRB_Ce_I_F1_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
Espectro 37. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL (fração
isolada da reação R-I).
185
RRB_Ce_I_F1_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
Espectro 38. Expansão do espectro 37.
186
RRB_Ce_I_F1_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
Espectro 39. Expansão do espectro 37.
187
RRB_Ce_I_F1_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)2.5 2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Espectro 40. Expansão do espectro 37.
188
RRB_Ce_I_F3_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
Espectro 41. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL (fração
isolada da reação R-I).
189
RRB_Ce_I_F3_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
Espectro 42. Expansão do espectro 41.
190
RRB_Ce_I_F3_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
Espectro 43. Expansão do espectro 41.
191
RRB_Ce_I_F3_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Espectro 44. Expansão do espectro 41.
192
RRB_Ce_I_F3_cosy.esp
F2 Chemical Shif t (ppm)2.5 2.0 1.5 1.0
F1 C
hem
ica
l S
hift
(pp
m)
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Espectro 45. Expansão do espectro 41.
193
RRB_Ce_II_bruto_cosy_beta_DCTN_OL.esp
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
F2 Chemical Shift (ppm)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0F
1 C
hem
ical S
hift (p
pm
)
Espectro 46. Espectro de RMN 1H x
1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL (amostra bruta
oriunda da reação R-II).
194
RRB_Ce_II_bruto_cosy_beta_DCTN_OL.esp
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
F2 Chemical Shift (ppm)
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5F
1 C
hem
ical S
hift (p
pm
)
Espectro 47. Expansão do espectro 46.
195
RRB_Ce_II_bruto_cosy_beta_DCTN_OL.esp
5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5
F2 Chemical Shift (ppm)
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
F1 C
hem
ical S
hift (p
pm
)
Espectro 48. Expansão do espectro 46.
196
RRB_Ce_II_bruto_cosy_beta_DCTN_OL.esp
2.5 2.0 1.5 1.0
F2 Chemical Shift (ppm)
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
F1 C
hem
ical S
hift (p
pm
)
Espectro 49. Expansão do espectro 46.