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Sep 23, 2023

ácido sólido

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8275 (2023) Citar este artículo

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En este estudio, desarrollamos una nueva estrategia sintética para convertir los glucósidos secoiridoides en compuestos dialdehídicos únicos utilizando catalizadores ácidos sólidos. En concreto, hemos conseguido la síntesis directa de oleaceína, un componente escaso del aceite de oliva virgen extra, a partir de la oleuropeína, abundante en la hoja de olivo. Mientras que la síntesis total convencional de oleaceína a partir de lixosa requiere más de 10 pasos, estos catalizadores ácidos sólidos permitieron la síntesis de oleaceína a partir de oleuropeína en un solo paso. Un paso clave en esta síntesis fue la hidrólisis selectiva del éster metílico. Los cálculos de la teoría funcional de la densidad en el nivel de teoría B3LYP/631+G (d) revelaron la formación de un intermedio tetraédrico unido a una molécula de H2O. Estos catalizadores ácidos sólidos se recuperaron fácilmente y se reutilizaron al menos cinco veces mediante una simple limpieza. Es importante destacar que este procedimiento sintético no solo era aplicable a otros glucósidos secoiridoides, sino que también podría emplearse para la correspondiente reacción de aumento de escala utilizando oleuropeína extraída de hojas de olivo como material de partida.

La estructura secoiridoide se encuentra en muchos productos naturales como la oleuropeína (1)1, 2, el ligstroside (2)2 y los fraxicarbosides2 y está compuesta por glucósidos monoterpenoides con un esqueleto de 2-alcoxidihidropirano. Estos glucósidos monoterpenoides exhiben actividades antioxidantes3, 4, antimicrobianas5 y antitumorales (Fig. 1)6. Además, los glucósidos iridoides relacionados se han estudiado a menudo en diversas áreas de investigación, como la síntesis orgánica, la evaluación de bioactividad, el aislamiento de compuestos y la determinación de estructuras7,8,9.

Estructuras de secoiridoides naturales.

Aunque estos secoiridoides se biosintetizan a través de intermediarios dialdehídicos en la ruta metabólica10, existen muy pocos informes sobre la bioconversión de glucósidos secoiridoides a través de tales intermediarios dialdehídicos. El oleocanthal (3), que se encuentra en el aceite de oliva virgen extra11, es un dialdehído natural potencial que exhibe actividades antiinflamatorias y antioxidantes11, reduce la acumulación de β-amiloide12 e inhibe el crecimiento de células cancerosas13.

La oleuropeína es un glucósido secoiridoide común que abunda en las hojas de olivo14, 15. Aquí informamos la conversión directa de oleuropeína en oleaceína (4), un componente raro del aceite de oliva virgen extra, utilizando catalizadores químicos (Fig. 2)16. Esta reacción también es aplicable a la síntesis de un compuesto análogo, oleocanthal (3), a partir de ligstroside (2). Debido a la rara aparición de oleaceína, sus funciones biológicas se han estudiado en menor medida que las del oleocantal. No obstante, se ha informado que la oleaceína exhibe actividades antioxidantes17,18,19 y antiinflamatorias20, actividad inhibidora contra las enzimas convertidoras de angiotensina relacionadas con la hipertensión arterial21, efectos protectores sobre los daños/alteraciones metabólicas causadas por una dieta rica en grasas22 y anti -actividad tumoral en mieloma múltiple23. Además, puede aumentar el nivel de ATP en un modelo celular de la enfermedad de Alzheimer temprana24.

Síntesis en un solo paso de oleaceína a partir de oleuropeína y oleocantal a partir de ligstroside.

La síntesis orgánica es una herramienta prometedora para la síntesis de oleaceína debido a que es difícil extraer grandes cantidades de este compuesto de matrices naturales. Smith et al. informaron la síntesis total de oleaceína a partir de d-lixosa en 10 pasos, con un rendimiento total del 13 %25. En comparación con la síntesis total, la semisíntesis es una alternativa más eficiente, económica y ecológica26, 27. Vougogiannopoulou et al. informaron la conversión directa de oleuropeína en oleaceína a través de la descarboxilación de Krapcho utilizando dos equivalentes de cloruro de sodio; sin embargo, el rendimiento de oleaceína fue solo del 20%28. El rendimiento aumentó al 48 % con el calentamiento por microondas29. Narde et al.30 reportaron la síntesis eficiente de oleuropeína desmetilada natural usando Er(OTf)3 como catalizador; La oleuropeína desmetilada se descarboxiló para formar oleaceína en esta síntesis. Por lo tanto, el desarrollo de un proceso eficiente para sintetizar oleaceína a partir de oleuropeína puede descubrir posibles funciones implícitas de la oleaceína. Además, dado que la oleuropeína está abundantemente presente en las hojas de olivo, esta estrategia garantizará el uso eficiente de los residuos de aceituna.

La oleuropeína es un secoiridoide conocido con una estructura de 2-alcoxidihidropirano, como se mencionó anteriormente1. La hidrólisis ácida de los compuestos de 2-alcoxidihidropirano produce glutaraldehídos en condiciones relativamente suaves, como la temperatura ambiente31. En un primer momento, confirmamos la viabilidad de la transformación de oleuropeína en oleaceína en presencia de ácidos homogéneos.

Como experimento preliminar, realizamos la reacción de 13,8 μmol de oleuropeína en presencia de ácido clorhídrico al 10 % mol a 150 °C durante 15 h en 0,5 mL de DMSO-d6 en un tubo de RMN sin agitación. La cantidad de H2O se determinó por valoración de Karl Fischer32 y la concentración se ajustó a 75,9 μmol (5,5 equiv de oleuropeína). Sin embargo, no se detectó oleaceína ni oleuropeína en la mezcla de reacción después de 12 h (Tabla 1). Curiosamente, cuando la concentración de ácido clorhídrico se redujo a 1% en moles, se observaron picos de RMN correspondientes a la oleaceína en los espectros, y el rendimiento fue del 54% basado en la oleuropeína. Una reducción adicional en la concentración de ácido clorhídrico a 0,1% en moles aumentó el rendimiento de oleaceína a 67%.

Por lo tanto, la hidrólisis ácida de la oleuropeína no solo escindió la estructura de 2-alcoxidihidropirano para dar una estructura de glutaraldehído, sino que también permitió la hidrólisis simultánea del éster metílico y la descarboxilación para dar oleaceína. En particular, solo se requirió una pequeña cantidad de ácido para esta reacción. Para determinar el efecto del tipo de ácido, llevamos a cabo esta reacción en presencia de ácido p-toluenosulfónico (PTSA). De hecho, la dilución en serie de PTSA dio como resultado un mayor rendimiento del producto, similar al observado para el ácido clorhídrico.

Con base en los resultados anteriores, reemplazamos estos ácidos homogéneos con ácidos sólidos porque este último es más fácil de manejar y permite una mejor recuperación y reciclaje de los catalizadores. Se examinaron varios ácidos sólidos con acidez débil y fuerte; estos incluyeron montmorillonita de intercambio de protones (H-mont), zirconia sulfatada (SO42–/ZrO2), γ-alúmina (γ-Al2O3), zeolita Y de intercambio de protones (zeolita HY, Si/Al = 5.5), sílice- alúmina (SiO2/Al2O3), Amberlyst® 70 y gel de sílice (SiO2). Entre ellos, H-mont se preparó a partir de montmorillonita según un estudio informado anteriormente, excepto que la concentración de HCl se cambió de 1,1 a 0,22% en peso33. Los demás catalizadores se utilizaron sin ninguna modificación. Para caracterizar los catalizadores ácidos sólidos, se realizaron análisis Brunauer-Emmett-Teller (BET) y desorción a temperatura programada de amoníaco (NH3-TPD) para cada catalizador. Los resultados se resumen en la Tabla 2 y los perfiles de NH3-TPD se muestran en la Fig. 3a. El número de sitios ácidos aumentó en el orden H-mont < SiO2 < SiO2/Al2O3 < SO42−/ZrO2 < γ-Al2O3 < HY-zeolita < Amberlyst 70, la densidad de sitios ácidos aumentó en el orden SiO2 < SiO2/Al2O3 < HY -Zeolita < H-mont < γ-Al2O3 < SO42−/ZrO2 < Amberlyst 70, y la fuerza del ácido aumentó en el orden SiO2 < γ-Al2O3 ~ H-mont < HY-Zeolita < SiO2−/Al2O3 < SO42−/ZrO2.

Propiedades de los ácidos sólidos. ( a ) Perfiles de desorción programados por temperatura de amoníaco. Espectros de transformada infrarroja de Fourier de reflectancia difusa de piridina absorbida en ácidos sólidos después del tratamiento a (b) 150 y (c) 220 °C.

Las propiedades de los sitios ácidos de estos ácidos sólidos se analizaron mediante espectroscopía de transformada de Fourier infrarroja de reflectancia difusa (DRIFT) utilizando piridina como molécula sonda. Después del pretratamiento a 150 °C al vacío durante 1 h, seguido de la adsorción de piridina a temperatura ambiente, los ácidos sólidos se trataron a 150 o 220 °C al vacío durante 12 h. Los resultados de los tratamientos a 150 y 220 °C se muestran en la Fig. 3b y c, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 3b, no apareció ningún pico de absorción en el rango del número de onda de 1400–1700 cm−1 para el SiO2, mientras que los otros ácidos sólidos exhibieron casi los mismos espectros que se informaron anteriormente33,34,35,36.

El pico de absorción a ~ 1450 cm−1 se puede asignar a la vibración del anillo de piridina coordinada con los sitios del ácido de Lewis, mientras que el pico de absorción a ~ 1550 cm−1 se puede asignar a la vibración del anillo de los iones de piridinio unidos al ácido de Brønsted sitios Los resultados que se muestran en las Fig. 3b y c sugieren los siguientes hechos: (1) La fuerza de los sitios ácidos en SiO2 era tan baja que la piridina se desorbía a temperaturas inferiores a 150 °C. (2) Los sitios ácidos de γ-Al2O3 a 150 °C eran en su mayoría de naturaleza ácida de Lewis. (3) H-mont, HY-zeolita, SiO2/Al2O3 y SO42-/ZrO2 tenían sitios ácidos tanto de Lewis como de Brønsted a 150 °C. (4) Los picos en el espectro de γ-Al2O3 tratado a 150 °C no se observaron para γ-Al2O3 tratado a 220 °C, lo que sugiere que γ-Al2O3 tiene la fuerza ácida más débil después del SiO2. (5) Para los otros catalizadores, los picos derivados de los sitios ácidos de Lewis fueron más débiles o estaban ausentes cuando se trataron a 220 °C, mientras que los derivados de los sitios ácidos de Brønsted se observaron, lo que indica que la fuerza ácida de los sitios ácidos de Lewis es más débil que la de los sitios ácidos de Brønsted. (6) Para SiO2/Al2O3, el pico derivado de los sitios ácidos de Brønsted fue ligeramente mayor cuando se trató a 220 °C, lo que sugiere la aparición de nuevos sitios ácidos de Brønsted.

Las reacciones en presencia de estos ácidos sólidos se realizaron a 150 °C durante 15 h en DMSO-d6 en un tubo NMR sin agitación. Los resultados se resumen en la Tabla 3. Todos estos ácidos sólidos, incluido el SiO2, el ácido sólido más débil examinado, catalizaron la conversión de oleuropeína en oleaceína con rendimientos en el rango de 40 a 82%. Los rendimientos aumentaron en el orden γ-Al2O3 < SiO2 < Amberlyst 70 < SiO2/Al2O3 < SO42−/ZrO2 < HY-zeolita < H-mont. Estos resultados sugieren que los ácidos sólidos con sitios ácidos de Brønsted relativamente débiles a moderadamente fuertes y una densidad de ácido moderada, como H-mont y HY-zeolita, proporcionan mejores rendimientos de oleaceína.

En particular, H-mont exhibió la mejor reciclabilidad y proporcionó el rendimiento más alto para esta reacción a pesar de su fuerza ácida relativamente débil y su densidad ácida más baja (Tabla 3); el catalizador. En el caso de ácidos sólidos más fuertes como SiO2/Al2O3, HY-zeolita y SO42-/ZrO2, aunque los rendimientos de oleaceína fueron relativamente altos en la primera prueba, disminuyeron con el aumento del número de pruebas. Esta disminución se atribuyó a la acumulación de compuestos orgánicos en la superficie del catalizador debido a los sitios ácidos más fuertes debido a que la actividad catalítica podría recuperarse mediante la calcinación de los catalizadores a 600 °C.

Aunque se sabe que la hidratación de los ácidos de Lewis imparte acidez de Brønsted, el γ-Al2O3, que tiene principalmente sitios ácidos de Lewis, proporcionó el rendimiento más bajo de oleaceína. Esto se atribuyó a la fuerza de ácido débil del γ-Al2O3 sin pretratamiento a alta temperatura, como lo indica el espectro DRIFT. Además, se sabe que el γ-Al2O3 se convierte en la boehmita menos ácida, acompañada de un cambio estructural, en las condiciones de hidratación37, 38.

El curso temporal de la reacción en presencia de H-mont se muestra en la Fig. 4a. Después de un período de inducción de 2 h, el rendimiento de oleaceína comenzó a aumentar bruscamente con el consumo de oleuropeína. Después de 8 h de reacción, el consumo de oleuropeína y el rendimiento de oleaceína casi alcanzaron la saturación.

Efecto de varios factores en la reacción. ( a ) Curso temporal de la formación catalizada por H-mont de 4 a 150 ° C. Efectos de (b) dosificación de ácido clorhídrico en la preparación de H-mont, (c) cantidad de H-mont añadida y (d) cantidad de H2O añadida en el rendimiento de 4. (e) Efecto de la temperatura en el transcurso del tiempo de la reacción

Dado que el rendimiento de oleaceína se vio afectado por la concentración de ácido homogéneo (Tabla 1), investigamos el efecto de la concentración de ácido utilizada para la preparación de H-mont en la actividad catalítica. Debido a que los sitios ácidos de H-mont se formaron por intercambio iónico con H+, el número de sitios ácidos se correlacionó con la concentración de ácido utilizada durante la preparación. La figura 4b muestra que el rendimiento de oleaceína aumentó con el aumento de la concentración de iones H+ utilizados para el intercambio iónico. La dosificación óptima de H+ fue 0,22% en peso de HCl; el rendimiento de oleaceína disminuyó con un aumento adicional en la concentración de H+.

A continuación, se investigó el efecto de la cantidad de H-mont sobre el rendimiento de oleaceína utilizando H-mont preparado en HCl al 0,22% en peso (Fig. 4c). En contraste con los resultados que se muestran en la Fig. 4b, no se observó una disminución en el rendimiento de oleaceína, aunque hubo un ligero aumento cuando se duplicó la cantidad de H-mont (40 mg). Motokura et al.33 informaron que cuando la montmorillonita se trató con HCl al 1,1 % en peso, el 98,9 % de Na+ se intercambió con H+. Por lo tanto, los resultados que se muestran en la Fig. 4b y c sugieren que para la síntesis de oleaceína utilizando H-mont como catalizador, no solo la cantidad de ácido, sino también la sustitución parcial de Na+ con H+, es responsable de la catálisis eficiente y el reciclaje del catalizador.

La cantidad de H2O fue el factor más importante en esta reacción. La Figura 4d muestra que el rendimiento de oleaceína dependía en gran medida de la cantidad de H2O añadida. La conversión de oleuropeína en oleaceína implica la hidrólisis de un enlace glucosilo y un enlace éster metílico y la protección de otro enlace éster del grupo hidroxitirosol contra la hidrólisis. Teóricamente, se requieren 2 equivalentes de H2O para esta reacción, mientras que la cantidad óptima de H2O parece ser de 3 a 6 equivalentes; un aumento adicional en la cantidad de H2O disminuyó significativamente el rendimiento, probablemente debido a la sobrehidrólisis de los grupos éster. Tal hidrólisis selectiva es el resultado del mecanismo de reacción subyacente, como se describe más adelante.

El efecto de la temperatura de reacción se muestra en la Fig. 4e. La reacción a 125 °C fue aproximadamente cuatro veces más lenta que a 150 °C (Fig. 4a), y no se produjo ninguna reacción cuando la temperatura se redujo a 100 °C.

A continuación, seleccionamos los disolventes para esta reacción (Tabla 4). La cantidad de H2O en los disolventes se midió por valoración de Karl Fischer y la concentración se ajustó a 5,5 equivalentes de oleuropeína. Después de la reacción, la oleaceína se separó mediante cromatografía en columna y se evaluó el rendimiento aislado. Se determinó que DMSO era el disolvente óptimo para esta reacción. Se obtuvieron rendimientos moderados de oleaceína cuando se usaron como disolventes γ-butirolactona (GBL) y dietilenglicol dimetil éter (diglima), mientras que no se formó oleaceína en dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirrolidona (NMP) y 1-octanol. Un tipo de grupo aldehído se puede proteger de una reacción posterior en DMSO39; por lo tanto, los mismos efectos de solvatación que los impartidos por DMSO contribuirían a la estabilización de la oleaceína para lograr mayores rendimientos. El mecanismo detallado se describe más adelante.

La oleuropeína tiene dos grupos éster, éster metílico y éster de hidroxitirosol, que pueden participar en la síntesis de oleaceína a partir de oleuropeína. Sin embargo, solo el grupo metilo debe hidrolizarse y descarboxilarse para dar oleaceína. Para dilucidar el mecanismo de reacción de esta hidrólisis selectiva, llevamos a cabo cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) al nivel B3LYP/631+G(d) sobre la hidrólisis de ambos grupos40, 41. Para simplificar la estructura, consideramos la hidrólisis ácida del compuesto modelo 5 (2-hidroxi-3H-4-metileno-etilcarboxilato-5-metilcarboxilatopirano), como se muestra en la Fig. 5a. En el compuesto modelo 5, un grupo hidroxitirosol de oleurpeína se reemplaza con el grupo etilo más simple ya que la unidad de catecol tiene un efecto insignificante sobre la hidrólisis ácida.

Modelo de reacción de hidrólisis ácida de oleuropeína y su mecanismo. (a) Hidrólisis de éster metílico y éster etílico. Intermedios tetraédricos en la hidrólisis de (b) éster metílico y (c) éster etílico. Perfiles de energía libre de la hidrólisis ácida de (d) éster metílico y (e) éster etílico.

Generalmente, en la hidrólisis ácida de ésteres, se considera que se forma un intermedio tetraédrico a partir de una molécula de ácido carboxílico y una molécula de H2O. Hori et al.42 realizaron cálculos teóricos para dilucidar el mecanismo de esta reacción y reportaron que la inclusión de dos moléculas de H2O como reactivos es necesaria para obtener un intermedio tetraédrico. Sin embargo, en la hidrólisis ácida del grupo éster metílico y el grupo éster etílico del compuesto modelo 5, encontramos que los intermedios tetraédricos 9 y 13 se formaron con una molécula de H2O (Fig. 5b y c). En estos intermedios tetraédricos, la molécula de H2O unida a cada grupo éster fue estabilizada por el átomo de oxígeno del carbonilo del otro grupo éster.

El mecanismo de reacción basado en estos intermedios tetraédricos y el perfil de energía libre correspondiente se muestran en la Fig. 5d y e, respectivamente. Se optimizaron las estructuras de todos los estados intermedios y de transición, y sus estructuras detalladas se muestran en la Información complementaria. En el caso de la hidrólisis del éster metílico, la rotación del éster etílico de 9 permitió la migración de protones desde H2O al grupo metoxi para formar 10, seguido de la eliminación del metanol para dar 11. Por otro lado, en el caso de la hidrólisis del éster etílico, la rotación del éster etílico de 13 permitió la migración de protones de H2O al grupo etoxilo para formar 14, seguido de la eliminación de etanol para dar 15.

Las energías de activación para la hidrólisis del éster metílico (81,12 kJ mol-1) y la hidrólisis del éster etílico (80,01 kJ mol-1) fueron casi las mismas. En ambas reacciones, el paso determinante de la velocidad fue la formación de los intermedios tetraédricos 9 y 13. Después de la formación de los intermedios tetraédricos, las energías de activación fueron 17,44 y 27,36 kJ mol-1 para la hidrólisis del éster metílico y la hidrólisis del éster etílico, respectivamente. La hidrólisis eficiente es posible gracias al efecto cooperativo de los ésteres etílico y metílico, que facilitan la migración de protones del H2O a los grupos alcoxi. La hidrólisis del éster metílico es más favorable que la hidrólisis del éster etílico porque la energía libre es menor en el lado del producto para el primero, mientras que es menor en el lado del reactivo para el segundo. En el primer caso, el enlace conjugado π se extiende liberando metanol, que es responsable de la estabilidad termodinámica en el lado del producto.

Estos resultados teóricos sugieren que la hidrólisis del éster metílico en la oleuropeína es más favorable que la hidrólisis del grupo hidroxitirosol. Para confirmar los intermedios de esta reacción, llevamos a cabo la reacción a 150 °C durante 3 h y examinamos la solución de reacción usando ESI-MS en el modo de iones positivos. Se detectaron varios compuestos relacionados (Fig. 6a) en la solución de reacción: oleaceína (m/z 342,8, aducto de Na+), oleuropeína desglicosilada (m/z 400,9, aducto de Na+), un compuesto en el que se desesterificó el éster metílico de la oleuropeína (m/z 427,0, aducto de Na+) y oleuropeína (m/z 562,8, aducto de Na+). Sin embargo, no se observó la formación de la forma desmetilesterificada de oleuropeína.

(a) espectro de masas ESI de la solución de reacción y (b) mecanismo de reacción propuesto.

Con base en estas observaciones, se propone un mecanismo de reacción (Fig. 6b). Primero, el éster metílico de la oleuropeína se hidroliza para producir ácido carboxílico. La energía de activación de este paso es tan baja que el grupo hidroxitirosol permanece sin hidrolizar. Después de la desglicosilación, el compuesto de 2-hidroxidihidropirano se isomeriza fácilmente a glutaraldehído, seguido de descarboxilación para dar oleaceína. Se produce una transformación similar de oleuropeína desmetilada en oleaceína en presencia de un catalizador ácido de Lewis en condiciones suaves30.

Para comprender el efecto protector del DMSO sobre el grupo aldehído, Tsilomelekis et al. examinó teóricamente la influencia de la solvatación de DMSO en 5-hidroximetilfurfural (HMF). Sus resultados mostraron que la solvatación de HMF por DMSO aumenta su energía LUMO, lo que reduce su susceptibilidad al ataque nucleofílico y minimiza las reacciones secundarias indeseables39. Por otro lado, la solvatación por H2O disminuye la energía LUMO de HMF, lo que aumenta su susceptibilidad al ataque nucleofílico por parte de otras moléculas.

Por lo tanto, realizamos cálculos DFT en el nivel B3LYP/631+G(d) para comprender el efecto de la solvatación del compuesto modelo 16 por DMSO. En el compuesto modelo 16, el grupo hidroxi de la oleaceína se reemplaza con un grupo etilo. Debido a que este compuesto tiene dos grupos aldehído, similares a los de la oleaceína, dos moléculas de DMSO pueden solvatar 16, como se muestra en la Fig. 7a.

Efecto protector de DMSO en un compuesto modelo de oleaceína. (a) Solvatación del compuesto modelo 16 por DMSO. (b) Estructuras y topologías optimizadas de los LUMO del compuesto modelo 16 y sus aductos con una (16+DMSO) y dos (16+2DMSO) moléculas de DMSO. Los valores entre paréntesis indican las energías LUMO.

La Figura 7b muestra la estructura optimizada y la topología del LUMO del compuesto modelo 16 solvatado por una sola molécula de DMSO y por dos moléculas de DMSO. Como se muestra para la solvatación de HMF por DMSO, la topología de LUMO no se vio muy afectada por la interacción con DMSO. Para todos los casos, LUMO fue el orbital antienlazante en el carbonilo y el doble enlace C=C. El principal efecto de solvatación impartido por DMSO fue el aumento de la energía LUMO, lo que sugiere que la solvatación de los grupos aldehído por DMSO aumenta la resistencia al ataque nucleofílico por otras moléculas. Se considera que esto es responsable del mayor rendimiento de oleaceína en DMSO.

Para demostrar una aplicación de esta catálisis, intentamos sintetizar oleocanthal a partir de ligstroside utilizando H-mont como catalizador ácido sólido. De hecho, se formó oleocanthal con un rendimiento aislado del 63 % cuando la reacción se llevó a cabo a 150 °C durante 12 h (Fig. 8a). En comparación con el método informado anteriormente que utiliza la dealcoxicarbonilación de Krapcho asistida por microondas, esta reacción catalítica puede producir oleocantal con un rendimiento relativamente mejor a partir del ligstroside27.

Aplicaciones de catalizadores. ( a ) Síntesis de oleocantal a partir de ligstroside. ( b ) Síntesis a escala de oleaceína a partir de oleuropeína extraída de hojas de olivo.

Además, intentamos ampliar la síntesis de oleaceína a partir de oleuropeína extraída de hojas de olivo (Fig. 8b). De 10,0 g de polvo de hoja de olivo, se pudieron extraer 1,53 g de polvo de oleuropeína (pureza = 88,0 %) con 40,0 ml de metanol y agua (40:10, v/v), seguido de una separación aproximada mediante cromatografía en columna de gel de sílice (CH2Cl2 /MeOH = 10:1). Con este polvo separado, la reacción se llevó a cabo a 150 °C en presencia de 2,8 equiv. de H2O, 10 mL de DMSO y 3,06 g de H-mont en un matraz de fondo redondo de 50 mL sin agitación. Después de 3 h, la reacción finalizó con el consumo completo de oleuropeína confirmado por TLC. La oleaceína pudo aislarse con un rendimiento del 75% (0,598 g). La reacción en el matraz de fondo redondo se completó en un tiempo más corto que en el tubo de RMN. En ambos casos, el catalizador sólido no se suspendió sino que permaneció en el fondo del recipiente. Por lo tanto, la diferencia en el tiempo de reacción se debe a la diferencia en la cantidad de sustrato en contacto con el catalizador en el fondo del recipiente por unidad de tiempo por convección natural. En general, el caudal másico es proporcional a la densidad, el área de la sección transversal y la velocidad media. La reacción en el matraz de fondo redondo tiene una concentración de sustrato más alta y un diámetro mayor que en el tubo de RMN, lo que da como resultado una reacción eficiente.

En conclusión, desarrollamos con éxito un método eficaz para la síntesis de oleaceína a partir de oleuropeína utilizando catalizadores ácidos sólidos reciclables. H-mont fue el catalizador ácido sólido más efectivo entre los examinados y pudo reutilizarse al menos cinco veces después de un simple tratamiento de limpieza y secado. El éster metílico de oleuropeína se hidrolizó selectivamente, seguido de desglicosilación e isomerización para formar un esqueleto de glutaraldehído que contenía ácido carboxílico que se descarboxiló adicionalmente para dar oleaceína. Esta reacción catalítica también podría emplearse para otros secoiridoides; como se demostró, el oleocantal se sintetizó a partir de ligstroside con un rendimiento aislado razonable. Además, esta reacción podría emplearse para la síntesis a escala de gramos de oleaceína a partir de polvo de hoja de olivo. Dado que la oleaceína es un componente raro del aceite de oliva, esta reacción brindará oportunidades para el descubrimiento de aplicaciones medicinales nuevas y beneficiosas.

Todos los reactivos eran de grado de investigación y se usaron sin purificación adicional, excepto H-mont33 y ligstroside43, que se sintetizaron de acuerdo con los métodos informados anteriormente. La concentración de HCl se modificó en la preparación de H-mont. Las hojas de olivo (origen geográfico en Shodoshima, Japón) se compraron comercialmente de SHIN-SEI Co., Ltd. En este estudio se cumplieron todas las pautas y legislaciones locales, nacionales o internacionales.

Los espectros de RMN 1H se registraron en DMSO-d6 y CDCl3 en un espectrómetro JEOL LA-400. Los desplazamientos químicos se expresaron en ppm en relación con tetrametilsilano (0 ppm) o CHCl3 (7,28 ppm). Las constantes de acoplamiento se dan en Hz. Los espectros de RMN de 13C se registraron en el mismo espectrómetro a 100 MHz utilizando la resonancia central de CDCl3 (δC 77,0 ppm) como referencia interna, a menos que se indique lo contrario.

ESI-MS se realizó en un instrumento Waters ZQ-2000 (ESI). El voltaje de la aguja y el cono fueron + 4,0 kV y 50 V, respectivamente. La solución de muestra se introdujo directamente en el aparato a un caudal de 20 µL min−1.

La cantidad de agua en los disolventes se determinó por valoración de Karl Fischer (Metrohm, 899 coulómetro).

Las áreas superficiales y los volúmenes de poro de los catalizadores sólidos se determinaron a partir de las isotermas de adsorción-desorción de N2 (método BET) registradas a -196 °C utilizando una unidad volumétrica (Micromeritics ASAP 2020). Antes de las mediciones de adsorción, cada catalizador se desgasificó a 350 °C durante 10 h a presión reducida.

Para investigar la acidez de los ácidos sólidos, se realizó NH3-TPD en un analizador de quimisorción BELCAT-B (BEL, Japón). El catalizador (0,10 g) se pretrató a 500 °C durante 1 h bajo flujo de He (50 mL min-1). Después de enfriar a 100 °C bajo flujo de He, el catalizador se expuso a 5 % de NH3-He (50 mL min-1) a 100 °C durante 0,5 h. El NH3 fisionado se eliminó mediante flujo de He durante 0,25 h a la misma temperatura. Finalmente, la TPD se realizó calentando el catalizador a 610 °C a una velocidad de 10 °C min-1 bajo flujo de He (30 mL min-1).

Las muestras se prepararon de acuerdo con un método previamente informado33. En un matraz Schlenk, el ácido sólido (100 mg) se pretrató al vacío a 150 °C durante 1 hora y, posteriormente, se introdujo piridina deshidratada (1,0 mmol) en atmósfera de N2. El matraz se dejó a temperatura ambiente durante 3 h para permitir que el sistema de reacción alcanzara el equilibrio, seguido de la evacuación del exceso de piridina al vacío a 150 o 220 °C durante 12 h. También se prepararon muestras sin tratamiento con piridina. Los espectros DRIFT se registraron en un instrumento JASO FT/IR 6800 equipado con una unidad de reflectancia difusa. La resolución fue de 1 cm−1 y el número de exploraciones se fijó en 64. Los espectros de diferencia se obtuvieron restando los espectros de muestra sin piridina de los que contenían piridina. Se utilizó la función de Kubelka-Munk para calcular la intensidad de absorción.

Se disolvió oleuropeína (10 mg, pureza > 75 %, 0,0138 mmol) en DMSO (0,5 ml), que tenía un contenido de agua de 1,36 mg (0,076 mmol). Después de agregar H-mont (20 mg), el tubo de reacción se llenó con N2 y se dejó reposar en un baño de aceite a 150 °C durante 12 h sin agitación. Después de esto, la capa orgánica se lavó con agua, se extrajo con AcOEt, se secó sobre Na2SO4, se filtró y se concentró. El residuo se purificó usando cromatografía en gel de sílice (hexano/AcOEt = 10:1 a 1:1) para obtener 3,5 mg de oleaceína (rendimiento aislado: 80%) como un polvo amarillo.

Realizamos cálculos de DFT utilizando el método B3LYP/631G+(d) con el programa Gaussian 09W44. Todas las especies optimizadas se verificaron como mínimos o estructuras de transición en función de la presencia de una frecuencia vibratoria imaginaria cero o única. Se examinaron las coordenadas de reacción intrínsecas para confirmar que la estructura del estado de transición conectaba el reactivo y el producto correctos en la superficie de energía.

Se pueden encontrar datos detallados para las síntesis de todos los compuestos y catalizadores, datos de RMN (1H y 13C) de los productos y resultados calculados para los cálculos teóricos de los compuestos 5–16, TS1–TS6, 16+DMSO y 16+2DMSO en la Información Complementaria.

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Descargar referencias

Este estudio fue apoyado por JST COI-NEXT [número de subvención: JPMJPF2017] y JST SATREPS [número de subvención: JPMJSA1506]. Los autores expresan su agradecimiento al Dr. M. Igarashi y al Sr. T. Matsumoto por su apoyo en la medición de espectroscopia DRIFT.

Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas (AIST), Centro de Investigación Interdisciplinario de Química Catalítica, Central 5, 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki, 305-8565, Japón

Yasuhiro Shimamoto, Tadahiro Fujitani y Ken-ichi Tominaga

Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas (AIST), Laboratorio de Innovación Abierta para Ingeniería de Recursos Alimenticios y Medicinales, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, 305-8577, Japón

Eriko Uchiage, Hiroko Isoda y Ken-ichi Tominaga

Escuela de Ciencias Ambientales y de la Vida, Universidad de Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, 305-8572, Japón

hiroko isoda

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HI y KT conceptualizaron y supervisaron el proyecto. YS, TF, EU y KT realizaron los experimentos. YS y KT escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Ken-ichi Tominaga.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Shimamoto, Y., Fujitani, T., Uchiage, E. et al. Síntesis en un solo paso catalizada por ácido sólido de oleaceína a partir de oleuropeína. Informe científico 13, 8275 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35423-x

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Recibido: 18 noviembre 2022

Aceptado: 17 de mayo de 2023

Publicado: 22 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35423-x

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