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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


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)


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 5. Espectro de RMN de 13

C do derivado t-CTN. ........................................ 152


Espectro 7. Espectro de RMN de 1H do derivado t-CTN-OL (mistura epimérica.

Proporção 2.81:1 do derivado sobre o ). ............................................................... 154



Espectro 10. Expansão do espectro 7. ....................................................................... 157


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




C do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da

reação R-I). ............................................................................................................... 164


Espectro 19. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da

reação R-I). ............................................................................................................... 166




C do derivado t-DCTN--OL (fração isolada da

reação R-I). ............................................................................................................... 169


Espectro 24. Espectro de RMN de 1H do derivado t-DCTN--OL (amostra bruta

oriunda da reação R-II). ............................................................................................ 171




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





1H (HomoCOSY) do derivado t-CTN-OL (mistura

epimérica 2.81:1 do derivado sobre o ). ............................................................... 180





1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL

(fração isolada da reação R-I). ................................................................................... 184






(fração isolada da reação R-I). ................................................................................... 188







(amostra bruta oriunda da reação R-II). ..................................................................... 193




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,

http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsico-Qu%C3%ADmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Transmiss%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Absor%C3%A7%C3%A3o_(f%C3%ADsica)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Reflex%C3%A3o

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

mailto:[email protected]


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

http://www.ccdc.cam.ac.uk/

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


§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.


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)


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)


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.


Plant material was collected in Jacundá, Pará state (Amazonian region-Brazil)



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


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.


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


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


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.


Plant material was collected in Jacundá, Pará state (Amazonian region-Brazil)



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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278–282.

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


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


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


151

1.25 1.20 1.15 1.10 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80


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


152

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20


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


C do derivado t-CTN.

153

75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15


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


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


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


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


157

1.15 1.10 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75


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


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


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


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


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


160

42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18


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


161

19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1


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


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


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


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


164

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0


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


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


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


166

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0


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


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


168

2.5 2.0 1.5 1.0


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


169

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0


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


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


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


171

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0


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


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


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


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


174

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20


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


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


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


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


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


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


180

rrb_ctn_cosy_ctn_ol.esp


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


1H (HomoCOSY) do derivado t-CTN-OL (mistura

epimérica 2.81:1 do derivado sobre o ).

181



F1 C

hem

ica

l S

hift

(pp

m)

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5


182


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


183


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


184

RRB_Ce_I_F1_cosy.esp


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


1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL (fração

isolada da reação R-I).

185



F1 C

hem

ica

l S

hift

(pp

m)

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5


186



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


187



F1 C

hem

ica

l S

hift

(pp

m)

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0


188



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


1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL (fração

isolada da reação R-I).

189



F1 C

hem

ica

l S

hift

(pp

m)

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5


190



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


191



F1 C

hem

ica

l S

hift

(pp

m)

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5


192



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


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

)


1H (HomoCOSY) do derivado t-DCTN--OL (amostra bruta

oriunda da reação R-II).

194


7.5 7.0 6.5 6.0 5.5


5.5

6.0

6.5

7.0

7.5F

1 C

hem

ical S

hift (p

pm

)


195


5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5


2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

F1 C

hem

ical S

hift (p

pm

)


196


2.5 2.0 1.5 1.0


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

)


universidade federal do rio grande ... - … · ufrn –biblioteca setorial do instituto de...

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