Sintesi, Caratterizzazione NMR ed Impiego di un nuovo derivato della ß-ciclodestrina a funzionalità mista in esperimenti di enantiodiscriminazione NMR di composti polari ed apolari

Riassunto
È stata sintetizzata e caratterizzata tramite spettroscopia NMR la ciclodestrina a
funzionalità mista eptakis[6-O-(N-acetilil-L-valina-terz-butilammide)-2,3-di-O-metil]-ȕ-
ciclodestrina (1), con lo scopo di sviluppare un nuovo Agente Solvatante Chirale 
utilizzabile per la determinazione NMR, in soluzione, della purezza enantiomerica di 
composti chirali polari (derivati di amminoacidi) ed apolari (alleni trisostituiti). 
O
RO
O
OR
O
7
R = Me
O N
H
O
N
H Bu
t
O
N
Br
H
N
O
Bu
t
H
1
2
Le proprietà enantiodiscriminanti di 1 sono state confrontate con quelle della diammide 2,
impiegata nella preparazione del derivato ciclodestrinico, e con quelle di ciclodestrine
derivatizzate, precedentemente proposte per la differenziazione di miscele enantiomeriche
di composti dello stesso tipo. 
Sono stati condotti studi NMR sulla conformazione di 1, sugli eventuali fenomeni di 
autoaggregazione che coinvolgono gli ausiliari chirali studiati e le miscele
enantiomeriche analizzate e sull’origine dei fenomeni di discriminazione chirale. A tale 
scopo sono state impiegate tecniche di misura degli effetti NOE (Nuclear Overhauser 
Enhancement) intra- ed intermolecolari e tecniche DOSY (Diffusion Ordered 
SpectroscopY) per la determinazione dei coefficienti di diffusione degli ausiliari chirali e
di loro addotti formati in soluzione con gli enantiomeri dei composti presi in esame.
III
INTRODUZIONE
Introduzione
La chiralità ha avuto una profonda influenza sull’origine della vita e rappresenta oggi uno 
degli aspetti fondamentali della ricerca scientifica.
1
 Tutte le molecole chirali di origine 
biologica sono stereodefinite, quali, ad esempio, gli amminoacidi delle proteine, gli 
zuccheri presenti negli acidi nucleici, oppure nei tessuti e nelle strutture biologiche. Sono 
state avanzate molte ipotesi, tutte più o meno collegate tra loro, sulla possibile origine 
della chiralità, ma nessuna di esse dimostrata ed esaustiva: il motivo per cui da reazioni 
casuali tra molecole statisticamente distribuite tra le due forme stereoisomeriche si siano 
formati polipeptidi, polisaccaridi o acidi nucleici a stereochimica ben definita rimane
ancora oggi irrisolto.
2
Molti farmaci, additivi alimentari, aromi e fragranze o prodotti agrochimici sono chirali e 
spesso le proprietà dei due enantiomeri risultano molto diverse. Ad esempio, esiste un 
vasto numero di farmaci chirali che sono assai più efficaci come singoli enantiomeri e, in
alcuni casi, gli enantiomeri di configurazione opposta mostrano proprietà farmacologiche
diverse, oppure, nelle situazioni più sfavorevoli, uno dei due può addirittura risultare 
dannoso. Da ciò nasce l’esigenza di sviluppare nuove strategie sintetiche stereoselettive
3
e, parallelamente, nuovi metodi diretti, accurati, rapidi ed affidabili per il controllo della 
composizione enantiomerica.
4
La determinazione diretta della purezza enantiomerica può essere eseguita mediante
diverse tecniche di analisi, tra le quali assai diffuse sono la cromatografia chirale e la 
spettroscopia NMR. Entrambe le tecniche si basano sulla disponibilità di un ausiliario 
chirale che generi un intorno diastereoisomerico nelle miscele di enantiomeri. A
differenza degli enantiomeri, i diastereoisomeri possiedono, infatti, proprietà
intrinsecamente diverse e sono, quindi, differenziabili mediante metodi analitici di vario 
tipo.
Nella cromatografia,
5
l’ausiliario chirale può essere utilizzato in miscela con l’eluente
oppure legato covalentemente o adsorbito fisicamente al supporto solido. In quest’ultimo
caso si ottengono le cosiddette fasi stazionarie chirali (CSP), molte delle quali sono 
attualmente disponibili in commercio.
I metodi NMR di determinazione della purezza enantiomerica e della configurazione
assoluta
4
 sono basati sull’impiego di ausiliari chirali enantiomericamente puri, capaci di
indurre anisocronia nei nuclei originariamente enantiotopici e quindi isocroni di miscele
VII
Introduzione
enantiomeriche. Gli ausiliari chirali per spettroscopia NMR possono essere suddivisi in 
tre categorie principali (Schema 1): 
x Agenti Derivatizzanti Chirali
x Agenti Solvatanti Chirali
x Reagenti Chirali Lantanidici di Shift
Ausiliari Chirali per spettroscopia NMR
(+)-A
(+)-S / (-)-S
(-)-S (+)-A(+)-S (+)-A
diastereoisomeri
stabili
diastereoisomeri
labili
Agenti
Derivatizzanti
Chirali
CDA
Agenti
Solvatanti
Chirali
CSA
Reagenti
Chirali Lantanidici 
di Shift 
CLSR
Schema 1 
Gli Agenti Derivatizzanti Chirali (CDA) sono composti otticamente attivi ed 
enantiomericamente puri la cui reazione con la miscela enantiomerica in esame conduce 
alla formazione di loro derivati diastereoisomerici. La reazione coinvolta deve essere 
quantitativa, non devono verificarsi fenomeni di risoluzione cinetica o racemizzazione.
VIII
Introduzione
L’integrazione dei segnali NMR relativi ai due diastereoisomeri permette di ricavare
l’eccesso enantiomerico.
Gli Agenti Solvatanti Chirali (CSA) sono molecole stereodefinite, che vengono 
miscelate con gli enantiomeri, direttamente nel tubo NMR, per creare in essi un intorno 
diastereoisomerico in virtù di effetti di solvatazione in cui sono coinvolte interazioni
attrattive intermolecolari, quali legami a idrogeno, interazioni dipolo-dipolo, forze di Van 
der Waals, o interazioni S-S. Come nel caso dei CDA, l’eccesso enantiomerico viene 
calcolato sulla base dell’integrazione dei segnali relativi ai due enantiomeri, ma a 
differenza di essi, l’ausiliario chirale produce un unico gruppo di segnali nei soluti 
diastereoisomerici.
I Reagenti Chirali Lantanidici di Shift (CLSR) si comportano come i CSA, ma sono
complessi organometallici di tipo paramagnetico e non composti diamagnetici come i
CSA.
L’efficienza di un ausiliario chirale viene misurata in base ad un parametro definito come
nonequivalenza ('G), che rappresenta la differenza tra i chemical shift dei nuclei 
corrispondenti dei due enantiomeri in presenza dell’ausiliario chirale stesso.
Tra gli ausiliari chirali per spettroscopia NMR, i CSA presentano ovvi vantaggi dal punto 
di vista della semplicità di impiego e ciò giustifica il notevole interesse che essi suscitano, 
come testimoniato dai dati di letteratura.
Il gruppo di ricerca all’interno del quale si è svolto il presente lavoro di tesi si occupa 
ormai da molti anni di metodi NMR di determinazione della purezza enantiomerica e
della configurazione assoluta di composti chirali, con particolare riferimento agli Agenti 
Solvatanti Chirali. A tale proposito, notevole interesse è stato rivolto allo sviluppo di 
CSA a partire da prodotti naturali quali gli alcaloidi della China
6
 o l’acido lattico,
7
 o 
sistemi macrociclici chirali quali le ciclodestrine native e derivatizzate
8
 o calixareni 
chirali.
9
 Fra le ciclodestrine derivatizzate, in passato, sono state proposte le ciclodestrine 
esaustivamente metilate, che hanno mostrato notevole efficienza nella differenziazione 
dei nuclei enantiotopici di alleni trisostituiti o idrocarburi aromatici, in tutti i casi privi di 
gruppi donatori di legame a idrogeno.
8a-e
Derivati ciclodestrinici di tipo carbammoilico si sono, invece, dimostrati efficienti nel
discriminare composti polari dotati di gruppi donatori di legame a idrogeno.
8f,10
IX
Introduzione
Allo scopo, quindi, di ottenere sistemi capaci di differenziare miscele enantiomeriche di 
entrambe le classi di composti, sono state successivamente proposte ciclodestrine a
funzionalità mista carbammoilica-metilica,
8g
 che sono risultate assai promettenti.
Nel settore cromatografico fasi stazionarie chirali binarie, basate su selettori di tipo 
diammidico in combinazione con ciclodestrine polialchilate,
11
 hanno mostrato ampio
spettro di enantioselettività. I suddetti risultati hanno suggerito la possibilità di sviluppare 
un nuovo CSA ciclodestrinico a funzionalità mista diammidica-metilica, ovvero la 
eptakis[6-O-(N-acetilil-L-valina-terz-butilammide)-2,3-di-O-metil]-ȕ-ciclodestrina (1)
(Figura 1), da impiegare nella determinazione della purezza enantiomerica tramite
spettroscopia NMR di derivati di amminoacidi ed alleni trisostituiti (Figura 2),
rispettivamente dotati e privi di gruppi donatori di legami a idrogeno. 
O
RO
O
OR
O
7
R = Me
O N
H
O
N
H Bu
t
O
N
Br
H
N
O
Bu
t
H
1
2
O
RO
O
OR
OR
1
7
R
Me
Me
ArNHCO
R
1
Me
ArNHCO
Me
3
4
5
Ar = 3,5-dimetilfenil
Figura 1 
Nell’ambito di questo lavoro di tesi ci siamo proposti di: 
1. sintetizzare l’ausiliario chirale 1, il suo precursore 2 (Figura 1), ed alcuni dei 
composti impiegati negli esperimenti di enantiodiscriminazione;
2. caratterizzare tramite spettroscopia NMR i suddetti composti;
3. valutare l’efficienza enantiodiscriminante dell’ausiliario chirale 1 in esperimenti
di enantiodiscriminazione NMR in soluzione di substrati chirali, polari ed apolari 
(Figura 2), a confronto con 2, la ciclodestrina esaustivamente metilata 3 e
ciclodestrine a funzionalità mista metilata-carbammoilata 4 e 5 (Figura 1), 
X
Introduzione
precedentemente studiate nel laboratorio di ricerca in cui si è svolto il presente 
lavoro di tesi; 
4. studiare la conformazione dei composti 1 e 2 in soluzione tramite metodi NMR; 
5. indagare l’origine dei fenomeni di enantiodiscriminazione in soluzione, mediante
studio in soluzione dei processi di complessazione che coinvolgono gli ausiliari
chirali e i composti enantiomerici. Ci siamo anche proposti di valutare le 
potenzialità della tecnica DOSY di misura dei coefficienti di diffusione nello
studio dei fenomeni di riconoscimento chirale, oltre che dei fenomeni di
autoassociazione in soluzione. 
N
H
R
1
O
R
2
O
N
H
R
O
OH
O
R
1
35DNPh
CF
3
35DNPh
R
2
NHC
8
H
17
OH
OH
6
7
8
N
H
R
1
O
OR
2
O
R
1
CH
3
CF
3
CF
3
35DNPh
R
2
H
H
Et
Me
9
10
11
12
R
35DNPh
CF
3
13
14
R
N
H
F
3
C
O
OH
O
R
Pr 15
16
R
Br
Ph
pFPh
17
18
19
Me
Bu
t
H
R
OH
H
Ph
35DNPh = 3,5-dinitrofenile
Figura 2 
Bibliografia
1
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2
 Barron, L. D. Nature 2000, 405, 895. 
3
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XI
Introduzione
4
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Balzano, F.; Salvadori, P. Current Pharmaceutical Design 2006 in stampa.
5
Schurig, V. Chirality 2005, 17, S205.
6
 Uccello-Barretta, G.; Mirabella, F.; Balzano, F.; Salvadori, P. Tetrahedron: Asymmetry 
2003, 14, 1511. 
7
 Pini, D.; Uccello-Barretta, G.; Rosini, C.; Salvadori, P. Chirality 1991, 3, 174.
8
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Menicagli, R.; Salvadori, P. J. Org. Chem. 1996, 61, 363. [d] Uccello-Barretta G.; 
Balzano F.; Lazzaroni, R.; Caporusso A. M.; Menicagli, R.; Salvadori, P. Enantiomer
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Barretta, G.; Balzano, F.; Sicoli, G.; Scarselli, A.; Salvadori, P. Eur. J. Org. 2005, 24,
5349.
9
 Berni, M. G. Tesi di Laurea. Università degli Studi di Pisa, 2003.
XII
Introduzione
10
[a] Yashima, E.; Yamada, M.; Yamamoto, C.; Nakashima, M.; Okamoto, Y. 
Enantiomer 1997, 2, 225. [b] Kubota, T.; Yamamoto, C.; Okamoto, Y. Chirality 2002,
14, 372.
11
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Levkina, A.; Schurig, V. Anal. Chem. 2006, 78, 5148.
XIII