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Síntesis de benzimidazoles 1,2-disustituidos utilizando surf

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by

Luis Ortiz

on 6 May 2016

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Transcript of Síntesis de benzimidazoles 1,2-disustituidos utilizando surf






Síntesis de benzimidazoles 1,2-disustituidos utilizando surfactantes como medio de reacción

TESIS

para obtener el título de

QUÍMICA

presenta

Elia Méndez Vargas

Dr. José Guillermo Penieres Carrillo
Dr. Fernando Ortega Jiménez

L-121, Sección Química Orgánica, Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
Índice

Generalidades
Química Verde
Surfactantes
Benzimidazoles
Propiedades
Síntesis
Hipótesis
Objetivos
Parte experimental
Resultados y discusión
Conclusiones

Química Verde

La Química Verde es una filosofía de trabajo cuyo objetivo primordial es
prevenir
la contaminación.

1990 - Ley de la Prevención de la Contaminación (EPA), se empieza a explorar la idea de desarrollar nuevos procesos y productos químicos, o mejorar los existentes para hacerlos menos peligrosos para la salud humana y el medio ambiente.

1991 - Programa de ayuda a la investigación “Rutas Sintéticas, Alternativas para Prevenir la Contaminación” (OPPT), proporcionó subvenciones para proyectos de investigación que incluyen la prevención de la contaminación en el diseño y síntesis de productos químicos.

1993 - El programa se amplia para incluir temas como disolventes químicos más seguros y más ecológicos, y pasó a denominarse Química Verde.
Generalidades
La Química Verde se rige por 12 principios que proporcionan una guía para la aplicación de la misma.

1. Prevención
2. Economía atómica
3. Síntesis químicas menos peligrosas
4. Diseño de productos químicos más seguros
5. Reducción del uso de disolventes y auxiliares
: El uso de sustancias auxiliares (disolventes, agentes de separación, etc.) deberían ser innecesarios, siempre que sea posible, e inocuos cuando se usen.
6.
Eficiencia energética
:
Los requerimientos energéticos serán catalogados por sus impactos ambientales y económicos, y deben ser reducidos. Los métodos de síntesis deben realizarse preferentemente a temperatura y presión ambiental.
7. Uso de materias primas renovables
8. Reducir derivados
9. Catálisis
10. Diseño de productos biodegradables
11. Análisis en tiempo real para la prevención de la contaminación
12. Seguridad química para la prevención de accidentes
La palabra anfipático refiere a un gran número de compuestos cuyas moléculas poseen dos extremos covalentemente unidos:

Hidrofóbico, cola: cadena alquilada, hidrocarburo, parcialmente aromática
Hidrofílico, cabeza: no iónicos, aniónicos, catiónicos y zwitteriónicos

Ejemplos: fosfolípidos, ácidos grasos, alcoholes, surfactantes.

En solución acuosa la interacción agua-cadena alquilada es energéticamente desfavorable, para evitarlo se forma una capa de adsorción del surfactante.

La adsorción de surfactantes en la interfase aire-solución reduce la tensión superficial del agua; esto ocurre cuando el surfactante se encuentra en concentraciones entre los 5 y los 110 µM. Otras propiedades de la solución que se ven modificadas al aumentar la concentración del surfactante son la turbidez, la presión osmótica y la conductividad.
El proceso de auto-asociación depende tanto de las moléculas tensoactivas como del medio en que se encuentran dispersas. La formación de micelas es un proceso cooperativo, espontáneo y reversible.

Características:

Termodinámicamente estables
Unidas por fuerzas de Van der Waals y de London
En equilibrio con las moléculas libres de surfactante
Se favorecen en solventes polares
Afectadas de manera negativa al aumentar la temperatura
Tamaño coloidal (menos de 500nm)

En un medio acuoso las micelas permiten un pequeño medio interior hidrofóbico, lo que posibilita que en su interior se alojen moléculas que son insolubles o parcialmente solubles en agua y puedan ser solubilizados, de ahí su uso como detergentes, espuma de flotación e incluso recuperación de petróleo.

Esta capacidad puede ser grandemente aumentada por la adición de un co-surfactante (hidrocarburos polares: alcoholes de longitud de cadena media, aminas, propilenglicol y aminoalcoholes).
Existe una concentración específica a la cual se forman las micelas, se llama
concentración micelar crítica
(CMC) cada compuesto tiene un valor propio y este valor puede presentar variaciones debido a impurezas. La CMC puede detectarse por un cambio en las propiedades físicas de la solución, principalmente en la conductividad molar. La temperatura de Kraft es aquella a la cual se forman las micelas. La temperatura de Kraft se incrementa aproximadamente 12°C por grupo metileno, este comportamiento se conoce como la regla de Traube.
Los factores más importantes que afectan la CMC y el tamaño de micela son:

• Estructura del grupo hidrofóbico
• Fuerza iónica
• Temperatura
• Naturaleza del contraion
• Naturaleza del grupo hidrofílico
El dodecilsulfato de sodio,
SDS
, también llamado laurilsulfato de sodio, SLS, por su relación con el ácido láurico; es un surfactante aniónico que posee una cadena lineal de 12 carbonos unida a un grupo sulfato.








CMC = 8.2 mM a 25°C
Micelas de aproximadamente 60 unidades
Desnaturalización de proteínas, productos de higiene personal
Los benzimidazoles son una clase común de heterociclos fusionados; se conforman por un benceno unido a un imidazol. Su designación, como lo explica la nomenclatura de sistemas anulares fusionados, deriva del sufijo benzo y el anillo imidazol.
Benzimidazoles
El benzimidazol es a su vez el núcleo de otras moléculas de suma importancia en la naturaleza como lo son las bases nitrogenadas guanina y adenina, que forman parte de la estructura primaria del ADN.
Usualmente son más solubles en disolventes polares que en no polares.

Poseen un alto grado de estabilidad, solamente el anillo bencénico se puede romper con una oxidación bajo condiciones vigorosas. Reacciona con ácidos carboxílicos, nitrilos, iminoéteres y aldehídos. Los benzimidazoles no se oxidan fácilmente y forman derivados metálicos y sales con ácidos.
El 5,6-dimetilbenzimidazol forma parte de la estructura de la vitamina B12, cuya función en el cuerpo humano es la formación de glóbulos rojos en la sangre y el mantenimiento del sistema nervioso central.
Acción farmacológica:

Antimalárico (a)
Anestésico
Antiácido (b)
Antihelmíntico
Usos industriales:

Humectantes
Emulsificantes
Espumantes
Dispersantes en teñido
Bronceadores
Prácticamente todas las síntesis de benzimidazoles parten de derivados del benceno que cuentan con funciones nitrogenadas en posición
orto
una a la otra.


Hoebrecker (1872)





Phillips (1928)
Los benzimidazoles que tienen un átomo de hidrógeno en la posición 1 forman puentes de hidrógeno entre sí o con disolventes polares, lo primero da como resultado que su punto de fusión aumente y, lo segundo, que sean solubles en estos disolventes.
Existen pocos métodos para la síntesis de benzimidazoles 1,2-disustituidos:

N
-alquilación de benzimidazoles 2-sustituidos en presencia de una base fuerte
Síntesis
Propiedades
Será posible la obtención de benzimidazoles 1,2 disustituidos a partir de la reacción entre
o
-fenilendiamina y aldehídos aromáticos, empleando los surfactantes SDS ó SDBS en solución acuosa como medio de reacción a temperatura ambiente.
Hipótesis
Objetivo general:
Sintetizar benzimidazoles 1,2-disustituidos dentro del contexto de la Química Verde.

Objetivos particulares:
a) Realizar la reacción entre o-fenilendiamina y distintos aldehídos aromáticos usando como medio de reacción una disolución acuosa de surfactante dodecilsulfato de sodio (SDS) o dodecilbencensulfato de sodio (SDBS), con la finalidad de obtener benzimidazoles 1,2 disustituidos.
b) Separar, purificar y caracterizar los compuestos obtenidos por medio de técnicas espectroscópicas de resonancia magnética nuclear de H y C, espectrometría de masas y espectrofotometría de absorción en el infrarrojo.
Objetivos
Parte experimental
1-Bencil-2-fenil-1
H
-benzimidazol
(I)

Fórmula molecular: C H N P.M.=284.1313g/mol
Sólido color blanco-amarillo
p.f. 121°C
1-(2-Metoxibencil)-2-(2-metoxifenil)-1
H
-benzimidazol
(II)

Fórmula molecular: C H N O
P.M.=344.1525g/mol
Sólido color amarillo
p.f. 148°C
1-(4-Metoxibencil)-2-(4-metoxifenil)-1
H
-benzimidazol
(III)

Fórmula molecular: C H N O
P.M.=344.1525g/mol
Sólido color blanco
p.f. 116°C
Mecanismo de reacción propuesto
Análisis espectroscópico de
1-(4-metoxibencil)-2-(4-metoxifenil)-1
H
-benzimidazol
Benzimidazoles 1,2-disustituidos
R = H, benzaldehído (I)
= 2-OMe,
o
-anisaldehído (II)
= 4-OMe,
p
-anisaldehído (III)
Benzimidazoles 2-sustituidos
R = 4-CHO, tereftaldehído (IV)
= 3-CHO, isoftaldehído (V)
2-(4-Formilfenil)-1
H
-benzimidazol
(IV)

Fórmula molecular: C H N O
P.M.=222.0793g/mol
Sólido color amarillo-café
p.f. 78-86°C
2-(3-Formilfenil)-1
H
-benzimidazol
(V)

Fórmula molecular: C H N O
P.M.=222.0793g/mol
Sólido color amarillo
p.f. 102-110°C
Mecanismo de reacción propuesto
Análisis espectroscópico de
2-(3-formilfenil)-1
H
-benzimidazol
Isoindolobenzimidazol
R = 2-CHO, ftaldehído (
VI
)

10
H
-Isoindolo[1,2-a]benzimidazol
(VI)

Fórmula molecular: C H N
P.M.=206.0844g/mol
Sólido color blanco
p.f. >300°C
Mecanismo de reacción propuesto
Análisis espectroscópico de
10
H
-isoindolo[1,2-a]benzimidazol

Conclusiones
• Se logró la síntesis de tres benzimidazoles 1,2-disustituidos a partir de
o
-fenilendiamina y aldehídos arílicos con surfactantes como medio de reacción.


• Los benzimidazoles 2-sustituidos son compuestos nuevos, pues se tiene poca o nula información de ellos; además, son de gran importancia en la síntesis orgánica pues al tener un grupo aldehído libre dan pie a ser utilizados como materia prima de moléculas más grandes como los indoles.

• La reacción con ftaldehído es una nueva alternativa a los procesos ya utilizados para la síntesis de isoindolobenzimidazoles.

• Las soluciones de surfactantes son una opción viable para la síntesis orgánica dentro del contexto de la Química Verde.

Surfactantes
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
Pal, A.; Chaudhary, S., Fluid Phase Equilibr., 2014, 372, 100.
http://www.sigmaaldrich.com/etc/medialib/docs/Sigma/Instructions/detergent_selection_table.Par.0001.File.tmp/detergent_selection_table.pdf (Consultado 23 Septiembre 2014)

Yang, K.; Lizhong, Z.; Xing, B.,
Environ. Sci. Technnol
., 2006, 40, 4274.
Azum, N.; Abdul, M.; Asiri, A.; Alamry, K.; Marwani, H.,
J. Disper. Sci. Technol
., 2014, 35, 358.
Ciclocondensación de
o
-aminoanilidas u
o
-fenilendiaminas
N
-sustituidas












Condensación en un paso de
o
-fenilendiaminas con aldehídos arílicos en presencia de catalizadores ácidos.
Resultados y discusión
Caracterización por medio de:
IR, pastilla de KBr
Espectrometría de masas
RMN de H (300MHz) y C (75MHz), CDCl o DMSO-d
0.07g surfactante
+
12mL agua destilada

Disolución completa
[SDS]=202.3nM
[SDBS]=162.9mM
0.125g (1.15mmol)
o
-fenilendiamina
+
2.3mmol aldehído

Agitación continua, 22min, temperatura ambiente
Filtración a vacío y lavado con agua destilada
Dilución en acetona, colocación en placas preparativas, elución dos veces en un sistema hexano/acetato de etilo (70:30)
AGRADECIMIENTOS


A la Universidad Nacional Autónoma de México por ser mi alma máter y a la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán por ser mí casa estos años.

A la DGAPA-UNAM por el apoyo brindado al proyecto PAPIIT IN218312 y por la beca recibida.

A mis asesores, los doctores Penieres y Fernando por contemplarme para trabajar con ellos y brindarme su tiempo y apoyo en la realización de esta tesis.

A Noelia y Paul por ofrecerme su amistad, ayuda y conocimientos.

A todos mis profesores y compañeros que a lo largo de mi vida académica contribuyeron para que pudiera alcanzar esta meta.
KBr/pastilla
CDCl
300 MHz
3
CDCl
75 MHz
3
Punto de fusión y rendimiento de benzimidazoles 1,2-disustituidos
Punto de fusión y rendimiento de benzimidazoles 2-sustituidos
DMSO-d
300 MHz
6
DMSO-d
75 MHz
6
KBr/Pastilla
KBr/Pastilla
DMSO-d
300 MHz
6
DMSO-d
300 MHz
6
Kiumars, B.; Khodaei, M.; Nejati, A. Green Chem., 2010, 12, 1237.
Perumal, S.; Mariappan, S.; Selvaraj, S., ARKIVOC, 2004, viii, 46.
Jerez, G.; Kaufman, G.; Prystai, M., J. Sep. Sci., 2009, 32, 1087.
Xue, D.; Long, Y., J. Org. Chem., 2014, 79, 4727.
• Se estableció que los surfactantes SDS y SDBS que se utilizaron en la reacción no tienen una diferencia importante en cuanto a la selectividad y rendimientos obtenidos de los productos.
• Fue posible la obtención de dos benzimidazoles 2-sustituidos a partir de
o
-fenilendiamina y dialdehídos arílicos con surfactantes como medio de reacción.
Kiumars, B.; Khodaei, M.; Nejati, A.;
Green Chem.
, 2010, 12, 1237.
Benzimidazoles 1,2-disustituidos
Benzimidazoles 2-sustituidos
Isoindolobenzimidazol
20
16
2
22
20
2
2
22
20
2
2
[M +1]
+
.
14
10
2
14
10
2
[M +1]
+
.
14
10
2
Anastas, P.; Warner, J.,
Green Chemestry: Theory and Practice
, Oxford University Press, Nueva York, 1998.
[M +1]
+
.
El dodecilbencensulfonato de sodio,
SDBS
, es un detergente de tipo aniónico biodegradable que pertenece a la familia de los
n-alquil-arilsulfonatos.







CMC = 2.764 mM a 25°C
Micelas de aproximadamente 23 unidades
Detergentes, lodos de perforación, lubricantes para fibras textiles, dispersantes de cal, gelificación de hidrocarburos, baños de galvanoplastia, recuperación mejorada de petróleo, medio de reacción en síntesis orgánica, recristalización.
• Se encontró que la reacción entre
o
-fenilendiamia y el ftaldehído con surfactantes como medio de reacción, proporciona la síntesis de un isoindolobenzimidazol.
Saify, Z.; Azim, M.; Ahmad, W.,
Bioorg. Med. Chem. Lett
., 2012, 22, 1282.
Ndakala, A.; Gessner, R.; Gitari, P.,
J. Med. Chem
., 2011, 54, 4581.

1
2
3
4
En soluciones muy diluidas el surfactante se comporta como un electrolito normal, en cambio, cuando la concentración es demasiado grande, para prevenir un mayor aumento en la energía libre del sistema, el surfactante empieza a auto-asociarse en agregados organizados denominados
micelas.
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
p.f. 170°C
p.f. 66°C
15
16
Síntesis de quinolinas de Friedländer
17
18
19
20
21
Porcari, A.; Devivar, R.; Kucera, L.,
J. Med. Chem.
, 1998, 41, 1252.
Ries, U.; Mihm, G.; Narr, B.,
J. Med. Chem
., 1993, 36, 4040.
Roth, T.; Morningstar, M.; Boyer, P.,
J. Med. Chem.
, 1997, 40, 4199.
Takeuchi, K.; Bastian, J.; Gifford-Moore, D., Bioorg. Med. Chem. Lett., 2000, 10, 2347.
Göker, H.; Özden, S.; Yildiz, S.; Boykin, D., Eur. J. Med. Chem., 2005, 40, 1062.
22
23
1
13
24
1
13
3
6
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
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44
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