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Química Orgánica II
Compuestos Heterocíclicos
Trabajo Práctico de Laboratorio 2
TEMA: Estructura y química de los compuestos heterocíclicos
Objetivo general: Hacer uso de las características físicoquímicas de compuestos núcleo
heterocíclico para abordar su extracción y purificación a partir de fuentes naturales.
Caracterizar los derivados de núcleo heterocíclico aislados por métodos espectroscópicos.
Parte 1: PORFIRINAS
Introducción teórica
El anillo de la porfina I constituye el núcleo básico de las porfirinas y está constituido
por cuatro anillos pirrólicos unidos por puentes metilénicos.
Una serie de compuestos de gran distribución en la naturaleza son las hidroclorinas
como las 7,8-dihidroporfirinas que presentan el anillo D reducido y las tetrahidroporfirinas que
poseen dos anillos reducidos.
La porfina es un sistema altamente conjugado que posee 22 electrones  de los cuales
18 se encuentran deslocalizados. Si aplicamos la regla de Hückel observamos que se trata de
un sistema aromático. Al ser 18 los electrones  deslocalizados, las clorinas (dihidroporfinas) y
bacterioclorinas (tetrahidroporfinas) también son aromáticas.
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Características espectroscópicas
-
UV-Visible: Absorben fuertemente al visible. Sus principales bandas poseen
coeficientes de extinción altos, particularmente la BANDA DE SORET = 400nm, que
desaparece con la ruptura de la conjugación del macrociclo. Además poseen 4 bandas
satélites que van desde 450 a 650 nm denominadas IV, III, II y I. La absorción es
IVIIIIII y la relación Soret/I=50.
-
1
H RMN: Los núcleos de hidrógeno de los enlaces N-H
penden en una cavidad donde el campo magnético
inducido es muy alto por la gran circulación de
electrones en el macrociclo altamente conjugado.
-
EM: Su masa exacta obtenida por espectrometría de masas de alta eesolución (HRMS)
es de 310,12185. En MS de baja resolución se observa que el ión molecular presenta
alta estabilidad: m/z 310 (100%); 311 (21,8%), 312 (2,3%).
-
RX: La interpretación de los espectros de RX indica que la estructura más probable
para los enlaces N-H pirrólicos es en posiciones opuestas de la cavidad, lo cual se
encuentra en consistencia con el análisis de la estabilidad de los tautómeros A y C que
resultan ser las estructuras más probables del anillo porfínico.
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Repulsión por fuerzas deVan der Waals
Propiedades ácido-base
Los anillos tetrapirrólicos son anfolitos. Pueden protonarse en sus nitrógenos
pirrolenínicos e ionizar sus nitrógenos pirrólicos debido al comportamiento de este núcleo
como ácido débil.
pK3≈ 4,8-5,8
pK4≈ 4,8-5,8
pK2≈ 16
pK1≈ 16
Las metaloporfirinas
Las metaloporfirinas son metalocomplejos derivados de porfirinas donde al menos un
par de electrones de los nitrógenos centrales coordina con un metal que actúa como ácido de
Lewis. Por lo general, también son reemplazados los H pirrólicos para satisfacer la
coordinación. El metal ocupa el centro de la cavidad. La desmetalización se lleva a cabo en
medio ácido. P-2 es un ligando quelante dinegativo tetradentado, cerrado y rígido.
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Los ligandos axiales naturales más comunes son H2O, nitrógenos imidazólicos de
histidina y O2.
La geometría de los metalocomplejos depende del estado de oxidación del metal
debido a su radio iónico. Fe y Co son los únicos que son compatibles con la cavidad del
macrociclo en varios estados de oxidación.
Las metaloporfirinas tienen tendencia a formar autoagregados de alto peso molecular
por lo que en la naturaleza se las encuentra rodeadas de un “caparazón” proteico.
Las clorofilas son metalocomplejos de Mg derivadas de una dihidroporfina. Su función
es absorber energía electromagnética para producir la fotólisis del agua en la fotosíntesis, por
esta razón constituyen una excepción y esos metalocomplejos están desprovistos de proteínas
alrededor ya que funcionan como agregados moleculares.
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El 0,1% constituye la clorofila fotoactiva o pigmento P 700 o centro de fotorreacción. El
átomo de Mg++ central necesita ligandos axiales para saturar la coordinación (1 o 2 bases de
Lewis), razón por la cual la clorofila no existe realmente como monómero tetragonal.
Si no existen otros ligandos, Mg++ adopta coordinación 5 que satisface con el C=O de la
ciclopentanona de otra molécula de clorofila para formar un dímero, y que luego formará
oligómeros que constituyen la clorofila antena. Ésta absorbe a 662 y 678 nm (azul) y al
agregarse agua se coordina y vira a 740 nm (verde).
Una pequeña proporción de clorofila a forma un par especial, que es un dímero de 2
moléculas de clorofila y 2 de agua axialmente unidas a Mg++, dónde el C=O de la cetona forma
puentes constituyendo el pigmento P700.
Los dos macrociclos son paralelos y están separados por 0,36 nm. Esta distancia es
menor que los respectivos radios de Van der Waals, por lo cual los electrones  de cada plano
pueden entrar en contacto con los del otro.
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Trabajo práctico
Objetivo: Extraer clorofila a partir de material vegetal fresco. Registrar y analizar los espectros
de UV-Visible del colorante y sus derivados. Preparar diferentes metalocomplejos.
PROTOCOLO DE LABORATORIO
Extracción: Cortar en tiras finas, aproximadamente 5 g de hojas verdes de acelga. Colocar el
material vegetal en la procesadora hasta obtener las hojas trituradas. Transferir el sólido a un
vaso de precipitado de 100 ml, agregar 25 ml de la mezcla acetona:agua (80:20) y agitar con
varilla de vidrio. Filtrar a través de un embudo con algodón, recogiendo el líquido de filtrado
en un tubo de ensayo (no descartar). Sobre el residuo sólido, agregar 15 mL de éter etílico
(bajo campana) y recoger el filtrado en otro tubo de ensayo limpio. Observar el color y la
fluorescencia frente a la luz ultravioleta (Lámpara de Wood) del filtrado de ambos tubos.
Análisis espectroscópico: Con la asistencia del Jefe de Trabajos Prácticos, colocar la solución
etérea perfectamente filtrada en una celda (o cubeta) de cuarzo para espectrofotómetro.
Calibrar el equipo y realizar la corrida blanco con el solvente utilizado. Colectar el espectro UVVisible de la solución de clorofila en el rango de 700 a 400 nm. Tomar nota del valor  de
máxima absorción (max).
Separación de Mg++ de la Clorofila. Obtención de Feofitina: A la solución etérea de clorofila,
agregarle 0,5 mL de HCl 0,1 N. Calentar con cuidado en un tubo a baño María (BM) bajo
campana sobre plancha calefactora, hasta evaporar el éter y luego llevar a volumen original
con acetona. Realizar el espectro correspondiente en el rango de 700-400 nm. Tomar nota del
valor de max.
Preparación de feofitina-Zn y/o feofitina-Cu: A la solución de feofitina en acetona obtenida en
la operación anterior, adicionar 1 mL de solución concentrada de una sal de Zn++ o Cu++.
Calentar cuidadosamente durante un minuto en BM, hasta que la solución se torne de color
verde. Registrar los valores de absorción en el rango de 700-400 nm. Tomar nota del valor de
max.
PRECAUCIONES: El éter etílico es sumamente volátil e inflamable
por lo cual debe manipularse siempre bajo campana y teniendo
la precaución de que no haya un mechero encendido cerca.
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Parte 2: EXTRACCIÓN DE CAFEINA DEL TE Y SU PURIFICACION
Introducción teórica
La cafeína (1,3,7-trimetilxantina) es un compuesto alcaloidal que puede ser extraído
de las hojas de té. A continuación se presentan algunas relaciones estructurales de cafeína con
núcleos heterocíclicos fundamentales y con otros compuestos relacionados. Asimismo, se
exponen algunas propiedades y usos de la misma.
La cafeína pertenece al grupo de los “alcaloides de núcleo purínico”. El núcleo de
purina (introducido por Emil Fisher), contiene los anillos de pirimidina y de imidazol
condensados. Las purinas son la clase más importante de compuestos derivados de dicho
núcleo.
N1
N
2
N
m-diazina
ó pirimidina
N
6 5
7
4
9
3
N
8
N
N
H
N
Núcleo de Purina
H
N
N
N
N
H
m-diazol
ó imidazol
Analizando el núcleo de la purina por teoría de la resonancia:
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N
N
N
N
N
N
N
N
H
N
N
N
N
H
N
N
N
N
N
N
N
H
N
H
H
N
N
N
N
N
N
N
H
N
H
Se observa que las posiciones 2, 6 y 8 son centros con déficit de electrones, por lo que
son susceptibles de sustitución nucleofílica. De esta manera, se justifica la existencia de una
gran variedad de derivados aminados e hidroxilados ampliamente distribuidos en la naturaleza
(tanto en animales como en plantas), en forma libre o combinada. Ejemplo de estos son el
conocido ácido úrico, cuya estructura corresponde a la de 2,6,8-trihidroxipurina y las bases
nitrogenadas adenina y guanina.
La xantina, de la que se presentan a continucación dos formas tautoméricas, es la 2,6dihidroxipurina.
O
OH
H
N
N
HO
N
HN
O
N
2,6-dihidroxipurina
H
N
Xantina
N
H
N
2,6-purinodiona
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Las N-metilxantinas son alcaloides importantes alcaloides, entre los cuales se
encunetran cafeína, teofilina y teobromina.
La cafeína (1,3,7-trimetilxantina) se encuentra presente en té (Camelia sinensis), café
(Coffea arabica), yerba mate (Ilex paraguariensis), en hojas, semillas y frutos, así como en otras
especies vegetales. Este compuesto tiene acción estimulante sobre el sistema nervioso central
(más activa que la de teofilina y teobromina), acción diurética y cardioestimulante (actúa por
estímulo directo del músculo cardíaco). La dosis efectiva de cafeína para un efecto estimulante es
de 150 a 250 mg, que son los ingeridos en 1 ó 2 tazas de café o de té. Al ingerir cafeína se absorbe
por vía intestinal y se distribuye rápidamente, siendo su tiempo de vida media de 3-7 horas. La
cafeína no se acumula en el torrente sanguíneo ni es almacenada en el organismo ya que es
metabolizada por hígado, el cual la transforma en monometilxantina y ácido mono- y dimetilúrico
que luego se degradan a urea y se eliminan por orina, muchas horas después de haber sido
consumida. De esta manera, el 80% se transforma en urea y el resto se excreta en forma
inalterada o parcialmente desmetilada. El contenido de cafeína en productos de origen vegetal es
aproximadamente: 1.5% en granos de café, 1% en yerba mate y 5% en hojas de té.
La teofilina (1,3-dimetilxantina) se encuentra principalmente en hojas de té. Tiene un
carácter ácido más fuerte que el de fenol, y la sal resultante de la combinación de 8cloroteofilina con benadril (difenilmetil-dimetilaminoetíl éter) se conoce comercialmente
como dramamina, droga utilizada para combatir mareos por movimientos. La teofilina se
utiliza como base libre o en sales dobles en angina de pecho, estados asmáticos y como
diurético. La teobromina (3,7-dimetilxantina) se encuentra presente principalmente en el
cacao (Theobroma cacao) en un 1,5-2% y en pequeñas cantidades en el café y en el té. Tiene
uso como diurético.
O
H3C
O
N
N
CH3
Cafeína
CH3
N
N
O
H3C
O
H
N
N
N
CH3
Teofilina
N
O
CH3
N
N
CH3
N
HN
O
Teobromina
Relación estructura química-actividad farmacológica
En estas tres N-metilxantinas se observa una gran correlación entre la posición de los
grupos metilos y sus acciones farmacológicas. El grupo metilo (Me) de la posición 1 tiene
acción estimulante sobre el sistema nervioso central, el Me de la posición 3 posee acción
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diurética y el Me de la posición 7 se encuentra asociado a una acción cardioestimulante. En la
cafeína, dado que se presentan los tres metilos en posiciones 1, 3, 7 se dan las tres acciones.
Las infusiones realizadas a partir de hojas de té poseen principalmente los alcaloides
cafeína y teofilina. Si se realiza una extracción con una mezcla de CHCl3-MeOH, ambos se
solubilizan principalmente en la fase orgánica. Al realizar un lavado de esta última con una
solución acuosa de NaOH es posible separarlos debido a que teofilina se comporta como un
ácido débil, de acuerdo al siguiente esquema:
H3C
O
CH3
N
N
CH3
N
N
O
Soluble en solvente orgánico
Cafeína
O
H3C
O
H
N
N
N
CH3
Teofilina
N
O
O
NaOH
H3C
O
N
N
CH3
N
H3C
N
O
Na+
N
N
N
CH3
N
Soluble en agua
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Trabajo práctico
Objetivo: Extraer, purificar e identificar un alcaloide de fuentes naturales
PROTOCOLO DE LABORATORIO
Extracción de cafeína: En un vaso de precipitado de 200 mL colocar 5 g de hojas de té y 100 mL
de agua y calentar a ebullición durante 10 minutos. Filtrar en caliente y agregar a la solución
filtrada 20 mL de solución de acetato de plomo al 10 % (este último procedimiento se aplica
para precipitar compuestos polifenólicos, tales como taninos). Calentar durante 5 minutos con
agitación y dejar reposar en baño de hielo durante 20 minutos. Centrifugar y colectar el
sobrenadante.
Purificación: En una ampolla de decantación extraer dos veces con una solución de CHCl3-EtOH
(3:1) con un volumen de 15 mL en cada caso. Combinar los extractos clorofórmicos y, utilizando la
misma ampolla de decantación, lavar con 20 mL de hidróxido de sodio 2 N (en caso de observar
emulsiones, agregar pequeños volúmenes de etanol sobre las paredes de la ampolla) y finalmente
lavar la fase clorofórmica con 30 mL de agua. Colocar la fase orgánica en un vaso de precipitado
perfectamente seco, agregar Na2SO4 anhidro (agente desecante o deshidratante) y filtrar.
Evaporar la fase orgánica a seco, en evaporador rotatorio, y observar las características de los
cristales obtenidos.
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Identificación:
Cromatografía en capa delgada: Disolver en un volumen
pequeño de CHCl3 el extracto de cafeína obtenido y un
patrón de cafeína. Sembrar ambas muestras en placa de
sílica gel y desarrollar la placa empleando una CHCl3:EtOH
(9:1) como solvente de corrida. Revelar con solución
etanólica de ácido fosfomolíbdico al 10%.
Espectroscopia de RMN: Con la asistencia del operador del equipo de RMN, en un tubo de RMN
agregar un par de cristales cuya presunta identidad y pureza se haya confirmado por TLC y
disolver con CCl3D. Entregue al operador para que realice los experimentos de RMN. Una vez
obtenidos sus datos (FID) con la asistencia del jefe de trabajos prácticos procéselos y analice y
asigne las señales de los correspondientes espectros de 1H y 13C-RMN.
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