Penicilinas y Cefalosporinas

1

Curso de Química Farmacéutica. Curso de Química Farmacéutica. Facultad de Química. UdelaR.Docente responsable: Dr. Eduardo Manta

1

Tema 19. Fármacos semisintéticos. Utilización como materia primas de precursores obtenidos en procesos de fermentación. Antibióticos β-lactámicos. Otros ejemplos.



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Antibióticos. Conceptos básicos.

Introducción: Cuando una bacteria invade al organismo de un huésped, se produce lo que se conoce como Infección bacteriana. A menudo las bacterias son destruidas por nuestro propio sistema inmune, antes de que algún signo obvio de la enfermedad sea reconocido. Pero si las bacterias se multiplican a una velocidad mayor de la que las puede destruir nuestro sistema inmune, se desarrolla una enfermedad infecciosa

Una enfermedad infecciosa es tratada con drogas que son capaces de dañar de alguna manera a las bacterias, ya sea matándola ó evitando que se multipliquen, pero al mismo tiempo sin dañar al huésped.

2


3

β-LactamicosGlicopeptidosAminoglicósidosPolipeptídicos

Un antimicrobiano es una droga que mata (ó inhibe la multiplicación de) microorganismos. (entendemos por microorganismos bacterias hongos, virus y protozoarios).

Un antibiótico es una clase de antimicrobiano, el cual es producido por microorganismos y que es capaz de matar ó inhibir el crecimiento de otros microorganismos.

Los antimicrobianos que no son antibióticos se los define como agentes quimioterápicos, y se producen por síntesis química. Un agente quimioterápico es definido como una droga (“chemical”) utilizada para tratar enfermedades causadas por la invasión de bacterias, virus, protozoarios ó metazoarios.

antibióticos

quimioterápicos

AntimicrobianoSulfamidas: SulfadiazinaQuinolonas: OfloxacinNitrofuranos


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Esta distinción, en función de su origen (biosintético ó sintético) muchas veces no es clara, porque muchos antimicrobianos resultan ser, como veremos, semi-sintéticos ( obtenidos por modificaciones químicas de antibióticos), y por lo tanto no entrarían en ninguna categoría.

Un agente bactericida, tal como las penicilinas, es un agente que mata al microorganismo.

Un agente bacteriostático, tal como las tetraciclinas ó la eritromicina, inhiben el crecimiento bacteriano y por lo tanto evitan su multiplicación. De esta manera, en un individuo saludable, y con buenas defensas, su sistema inmune termina matando a las bacterias.

3


5


Fuentes principales de agentes antimicrobianos:

1) Hongos. Penicillium sp. y Streptomyces sp. son los mayores productores de antibióticos de uso terapéutico.

2) Bacterias. Bacillus sp. son el mas notable grupo de bacterias a partir de las cuales se han obtenido una serie de antibióticos utilizados.

3) Síntesis ó semi-síntesis

Cultivo original de Penicillium


6


Nosotros utilizaremos una clasificación química, de esta manera los agruparemos en:

1. Antibióticos β-lactámicos:

a) Penicilinas (derivados del ác. 6-aminopenicilánico): Penicilina G, Amoxicilina, Ampicilina.

b) Cefalosporinas (derivados del ác. 7-aminocefalos-poránico): Cefalexina

2. Macrólidos y Lincosamidas (glicopeptidos): Eritromicina,

Azitromicina y Lincomicina

3. Aminoglicósidos: Gentamicina

4. Tetraciclinas: Tetraciclina

5. Polipeptídicos: Vancomicina

6. Otros: Cloranfenicol

4


7

•Modificación de las enzimas• bombas de aflujo

Inhiben la síntesis de proteínas (se unen a la sub-unidad 30S del ribosoma)

Tetraciclinas

• Metilación del rARN• bombas de aflujo


Macrólidos

•Modificación de las enzimas


Aminoglicósidos

• Modificación del precursor

Se unen a un precursor de los peptidoglicanos

Glicopéptidos

• β-lactamases• disminución de la afinidad por PBPs• bomba de aflujo

Inactivación de las transpeptidasas (PBPs) involucradas en la síntesis de peptidoglicanos

β-Lactámicos

Principal mecanismo de resistenciaMecanismo de acciónAntibiótico


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Antibióticos β-lactámicos

1) Principales miembros de la familia

a) Penicilinas. Son los prototipos que marcaron el comienzo de la era:

Ac. 6-acilamino-3,3-dimetil-7-oxo-4-tia-azabiciclo[3.2.0]heptan-2-carboxílico

7

6 54

3

21

7-oxo-4-tia-1-azabiciclo[3.2.0]heptano

R

Penamo

N

SH

O

Penicilinas (1940)

N

SH H

CO2H

RCONH

O

RO

NH

N

SH

OCO2H

H

N

S

O 1

45H

5


9


5

4

32

1

R

Cefam / Cefem

N

H

O

S

N

HRCONH

O

SH

HO2C

R2

Cefalosporinas (1950)

c) Cefamicinas. Aisladas en 1970. Estables a las β-lactamasas

N

HRCONH

O

SH3CO

HO2C

R2

b) Cefalosporinas: aisladas en 1950

N

S

CO2HO

HN HR

O OAc

H

N

S

O

HH

1 23

4

5

7

N

S

CO2HO

HN HR

O OAc

OMe


10


Ac. ClavuláricoNocardicinas

NO

OH

CO2H

HRCONH

N

CO2HO

OHO

d) Nocardicinas (β-lactama monocíclica), y Ác. Clavulánico. Aisladas en 1976.

Ác. Clavulánico

N

CO2HO

HNR

O

H OH

N

O

CO2HO

HOH

6


11


e) Penemos y Carbapenemos. Ej. la Tienamicina aislada en 1977

N

H

CO2HO

H

SNH2

OHMe

Tienamicina

N

XH

CO2HO

H R1

R2

Penemos (X= S)Carbapenemos (X= CH2)

H

N

XR2

H

OCO2H

R1 H

N

XS

H

OCO2H

NH2OH


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e) Lactamas monocíclicas, como la Monobactama, aislada de bacterias en 1981, y posteriormente las Formadicidinas en 1985.

FormadicinasX = H, OMe; Monobactamas

N

XR1CONH

O SO3HN

NHCHOR1CONH

O

OH

HO2C H

N

CO2HO

HNR

O

NHCHO OH

NSO3HO

HNR

O

X

7


13


Un poco de historia.

- El descubrimiento histórico de Sir Alexander Fleming de un poderoso agente antibacteriano producido por un hongo, posteriormente identificado como una cepa de Penicillium notatum, ha sido descrita muy a menudo por numerosos autores y no requiere otras explicaciones.

- En su trabajo original (Fleming, A.; Brit. J. Exp. Path., 10,226(1929).), le da el nombre Penicilina a esta sustancia activa, pero con los recursos y las técnicas limitadas en la época, fue incapaz de realizar su aislamiento.

- La naturaleza ácida de las penicilinas fue indicada por Raistrick y sus colaboradores en 1932 (Cluteruck et al., Biochem. J.; 26, 1907(1932)), quien pudo extraer pequeñas cantidades con éter de una solución neutra , mientras que la extracción a pH 2 fue casi completa.


14


En el curso de los trabajos iniciales de investigación se observó que la penicilina era moderadamente estable a pH 5 o´6 y temperatura normal, pero muy lábiles hacia los ácidos, bases, oxidantes y calor.

El rápido desarrollo de los procesos de fermentación para la producción de penicilinas, permitió pasar de la escala de laboratorio a la industrial. Para esto se reemplazaron las superficies de cultivo por los caldos de fermentación, y en segundo lugar se seleccionó cepas de alta productividad. La cepa de Penicillium chrysogenum, utilizada actualmente en la industria, da títulos de penicilina mucho mayores que la original de P. notatum.

8


15


Cultivos estandar de Penicillium


16


Frascos de porcelana para cultivo

9


17


Producción de penicilina en 1940


18


Esquema de extracción de penicilina

10


19


Estructura de las penicilinas:

- La molécula de penicilina, consiste un un anillo de azetidona (ó β-lactama) fusionados a una tiazolidina.

β−lactama

tiazolidina

N

SHN H

OCO2H

O

R 1

234

56

7


20


- La determinación estructural de las penicilinas, fue un trabajo muy duro para los investigadores de la época, en función de los métodos disponibles.

- Los primeros intentos aplicaron métodos degradativos y existen descritas en la literatura muchas propuestas estructurales diferentes.

- La estructura correcta fue finalmente elucidada químicamente y confirmada por difracción de rayos-X a mediados de los años 40, en trabajos de investigación conjuntos entre Gran Bretaña y EEUU durante la segunda guerra mundial.

11


21


"The Crystal and Molecular Structure of Benzylpenicillin 1'-Diethyl Carbonate Ester," I. Csoregh and T.-B. Palm, Acta Crystallographica, (1977), B33, pp2169-74.


22


N

H

NC

O

RO

S

CH3H3C COOH

H

12


23


N

O

..O

N

N

SCH3

CH3

CO2HO

HN

H

OR

..


24

Degradación química de penicilinas

Acido peniciloico

• Condiciones alcalinas:

Penicilina Ácido peniloico

• Condiciones ácidas: rearreglo acidico

N

NH S

O CO2H

HO

Ph OH-

HN

NH SO

CO2H

HO

Ph

O-

CO2

HN

NH S

CO2H

HO

Ph

N

HN S

OCO2H

H

O

Ph

H3O+

NH

S

CO2H

H

N

S

CO2H

H

N

OPh O

N

Ph

HO2C

Acido penilico

H2O

13


25


ESTABILIDAD EN SOLUCION ACIDA DE ALGUNAS PENICILINAS

N

S

CO2H

HH

O

NH

O

R OH

O

R

R = H R = OMe R = Cl R = NH3+

Vida media (min) de la penicilina ensolución EtOH: H2O (50:50) a pH 1.3 y35 oC

3.5 77 300 660

pKa del ácido de la cadena lateral enEtOH:H2O (50:50).

5.6 4.6 4.0 3.2


26

• Mecanismo de acción de penicilinas Estructura del peptidoglicano

|L-Ala

|D-Glu

|L-diA

|D-Ala

|D-Ala

NAG-NAM-NAG-NAM

-(AA)n-NH2

|L-Ala

|D-Glu

|L-diA

|D-Ala

|D-Ala

NAG-NAM-NAG-NAM

-(AA)n-NH2

Citoplasma

Reacción de entre-cruzamiento de péptidos

Membrana celular

14


27

PenicillinPenicillin--bindingbinding proteinsproteins ((PBPsPBPs), son transpeptidasas, ), son transpeptidasas, enzimas unidas a la membrana que catalizan el paso terminal enzimas unidas a la membrana que catalizan el paso terminal en la síntesis de peptidoglicanos.en la síntesis de peptidoglicanos.

Las Las ββ--lactamas alactamas actuan sobre las PBPs, inhibiendo la ctuan sobre las PBPs, inhibiendo la transpeptidacion por ananlogia con el sustrato transpeptidacion por ananlogia con el sustrato DD--AlaAla--DD--Ala, Ala, acilando irreversiblemente un residuo de Seracilando irreversiblemente un residuo de Ser--OH de la enzima.OH de la enzima.

Reducción de porinas

Bomba de aflujo

Enzimas β-lactamasas

Principales Mecanismos de resistencia de β-lactámicos:

PBPs insensibles a las β-lactamasas


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Penicilinas naturales.

En la siguiente tabla presentamos aquellas penicilinas que han sido identificadas como productos naturales de fermentación en los caldos de cultivo.

Las penicilinas naturales

Nombre común Nombre Químico R

Penicilina F Pentenilpenicilina CH3CH2CH=CHCH2

Dihidro penicilina F Pentilpenicilina CH3(CH2)4

Penicilina K Heptilpenicilina CH3(CH2)6

Penicilina G Bencilpenicilina PhCH2

Penicilina X p-Hidroxibencilpenicilina HO-C2H4-CH2

Penicilina N (D-4-Amino-4-carboxibutil)penicilina H2N-CH(CO2H)-(CH2)

15


29


Las primeras cinco se conocen desde 1942, y todas han sido aisladas en forma pura y sus estructuras establecidas en su momento por métodos degradativos.

Otras penicilinas minoritarias, han sido identificadas como naturales, a medida que los métodos de aislamiento y determinación estructural han ido evolucionando.


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Biosíntesis y penicilinas biosintéticas.

Los procesos biosintéticos de las penicilinas tienen lugar en el interior de las células del hongo, y el producto final es luego excretado al medio de cultivo. Menos de un 1% de penicilina queda dentro del micelio.

Estos procesos biosintéticos ocurren cuando el hongo está en etapa de crecimiento en un medio sintético que contiene los nutrientes. El proceso biosintético parte de moléculas simples e involucran muchas etapas.

Las etapas iniciales están estrechamente relacionadas con el metabolismo general, pero en las últimas se incorporan precursores más complejos a la molécula de penicilina.

16


31


La producción de bencilpenicilina, pudo ser incrementada en los procesos de fermentación, por incorporación al medio de fermentación de sustancias bencenoides, tales como fenilalanina y β-feniletilamina, las cuales son finalmente incorporadas a la cadena lateral de las penicilinas.

La adición de fenilacético al medio de cultivo y varios de sus derivados, estimula la producción de bencilpenicilina. Experimentos con precursores marcados con deuterio demostraron que la porción de fenilacetil se incorpora directamente a la penicilina.

Cuando los derivados del ác. fenilacético son utilizados en las cantidades adecuadas como precursores de las cadena lateral, la bencilpenicilina se produce con muy buenos rendimientos, disminuyendo en el mismo cultivo otras penicilinas naturales. Laformación de una sola penicilina, junto a un mayor rendimiento, simplifica mucho los procesos de aislamiento.


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Penicilinas biosintéticas

Nombre Nombre Grupo Rgenérico Químico

Penicilina G bencilpenicilina

Penicilina V Fenoximetilpenicilina

Meticilina dimetoxifenilpenicilina

Nafcilina 2-etoxi-1-naptil-penicilina

Pontente contra G+

Resistentes alas penicilinasas

N

NH S

O CO2H

HO

R

O

OOMeMeO

∗

∗

∗

O∗

Resistentes alas penicilinasas

menos potente,mas establea los ½ ácidos

17


33


ANHIDROPENICILINAS 1

El anillo de tiazolidina del núcleo de las penicilinas, puede ser reagrupado de acuerdo con la secuencia de reacciones que se presenta en el siguiente esquema.

La conversión de la penicilina (1) al correspondiente cloruro de ácido ó a un anhidro mixto (2), seguido por tratamiento con base, conduce al compuesto 3, el cual formalmente deriva de la penicilina padre por pérdida de una molécula de agua. De acuerdo a esto al compuesto 3 se le denominó anhidropenicilina. El mecanismo propuesto es el que se muestra en la Figura 1.


34


N

SH

COOH

RNH

ON

SH

C

RNH

O

OX

X = -Cl -OCOOR1 -OSO2R

B

N

SH

C

RNH

O

OX

N

COXSHRNH

ON

SHRNH

O

O

Anhidropenicilina

SOCl2Py / CH2Cl2

- 30 oC

(TEA)

1 2

3

1- “Anhydropenicillins: a novel rearrangement of the thiazolidine ring”; Wolfe, S. ; et al.; J.Am.Chem.Soc.,643(1963).

18


35


N

SH

COOH

N

O

CH3

CH3O

H

Penicilina G (natural)

Amidasas

(Penicilamidasa) N

SH

COOH

H2N

O

CH3

CH3

Ácido 6-aminopenicilánico(6-APA)

Semisíntesis

N

SH

COOH

N

O

CH3

CH3O

RH

Penicilinas semisintéticas

Esquema de obtención de penicilinas semisintéticas por métodos enzimáticos.


36


Esquema de obtención de penicilinas semisintéticas por métodos químicos.

N

SN H

O

Cl

Ph

CO2Si(CH3)3

N

SHN H

O

O

Ph

CO2H

(CH3)3SiCl

N

SN H

O

BuOPh

CO2H

PCl5

N

SH2N H

OCO2H

Penicilina G

nBuOH H2O/HCO2H

N

SHN H

O

O

Ph

CO2Si(Me)3

19


37



38


20


39


PROTECCION

ACTIVACION

NH

O

O

O

O

O

OEt

Se adiciona solución deetilclorocarbonato (0.1 mol)

Cl

O

OEt

-5 oCAcetona seca

(0.1 mol)

NH

CO2H

O

O

ác. α-Carbobenciloxiaminofenilacético

NH

CO2H

O

OH2O

NaOH

bencilclorocarbonato

Cl

O

O

α-aminofenilacético

NH2

CO2H

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE AMPICILINA ( Kaufmann, W. and Bauer, K.; U.S. Patent 3.079.30Feb. 26, 1963; assigned to Farben-fabriken Bayer AG, Alemania)


40


H2O

N

S CH3

CH3O

CO2H

HHNH

O

NH2

2) Filtra / ajusta pH 7 con HCl3) Conc. vacío T< 20 oC

1) Pd / BaCO3 / H2 / Pr. / R.T

Sal sódica de α-carbo-benciloxiaminobencil-penicilina.Sólido amarillo, 65%

2) se concentra a vacio y baja temperatura

1)sol. acuosa deNaHCO3 variasveces

se extrae con

Solución butanólica deα-carbobenciloxiamino-bencilpenicilina

1) pH 2 con HCl2) se extrae con BuOH

Fase AcuosaFase etérea sedescarta

1) se deja llegar a R.T2) se agita por 30 min3) se extrae con Et2O

0 oC

AcetonaNaHCO3 3%6-APA (0.1 mol)

Ac. 6-[D-amino-(2-fenilacetamido)]3,3-dimetil-7-oxo4-tia-1-azabiciclo[3.2.0]heptano-2-carboxílico.(D-α-aminobencilpenicilina, AMPICILINA)Rend. 74%. Pureza 48%

21


41


Nombre genérico. R Absorción / Espectro

AmoxicilinaHO CH CO

NH2

Excelente absorción oral;penicilina de amplio espectro

Ampicilina CH CO

NH2

Buena absorción oral;penicilina de amplio espectro

Bencilpenicilina(Penicilina G) CH2 CO

ALGUNOS EJEMPLOS DE PENICILINAS DE USO COMÚN:


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Nombre genérico. R Absorción / Espectro

CarbenicilinaCH CO

COOH

Pobre absorción oral;penicilina de amplio espectro

Cloxacilina ClCO

NO CH3

Oral;estable a penicilinasa

EpicilinaCH CO

NH2

Oral;estable a penicilinasa

MeticilinaOCH3

CO

OCH3

Mala absorción oralEstable a penicilinasa

22


43


Temocilina

N

S

O

NH

COONa

OCH3

OS

NaO2C


44


N

S

O

H2N

COOCH2C6H5

HCOOH

DCCN

S

O

NH

COOCH2C6H5

O

H

1) CH2Cl2 , NO

2) COCl2, -50 C

N

S

O

CN

COOCH2C6H5

CH3S-S-COOCH3

K2CO3 / DMF

Síntesis de Temocilina

23


45


N

S

O

CN

COOCH2C6H5

SCH3CHCl3 / p-TosOH

N

S

O

H2N

COOCH2C6H5

SCH3

DMF / Py / CH3OH / HgCl2

ó DMF / CH3OH / AgNO3N

S

O

H2N

COOCH2C6H5

OCH3

S

C6H5O2C

O

Cl

1)

2) H2O / HCl ; 3) NaHCO


46


N

S

O

NH

COOCH2C6H5

OCH3

OS

C6H5O2C

H2 / Pd-C

EtOH / H2O / NaHCO3

N

S

O

NH

COOH

OCH3

OS

C6H5O2C

H2O / Na2B4O7. 10 H2O

20 o CN

S

O

NH

COONa

OCH3

OS

NaO2C Temocilina

24


47


N

S Me

Me

CO2H

HNH

O

NH

O

HO

HO

NH HO

N

NO

OEt

CHO

BRL-36650

Algunas modificaciones recientes de las penicilinas


48


N

S N

CO2H

HH

O

NH

O

SO3H H

FHO

NO R

R = NNH

O

NH2

R = NNH2

NH22-Carboxypenamos

Algunas modificaciones recientes de las penicilinas

25


49


Cefam / Cefem

N

HRCONH

O

SH

HO2C

R2

Cefalosporinas

5

4

32

1

RN

H

O

S

Dihidrotiazina

β- lactama

Cefalosporinas

Las cefalosporinas resulta ser la familia de antibióticos β-lactámicos más y mejor conocida luego de las penicilinas.

Presentan también un esqueleto básico bicíclico conteniendo un sistema β-lactámico fusionado a un anillo de seis miembros de dihidrotiazina.


50


La Cefalosporina C el primer miembro de la familia fue aislado en 1956 a partir de especies de Cephalosporium (Abraham, E.P., et al.; BiochemJ., 62, 651(1956), ibid., 79, 377(1961)).La confirmación de su estructura fue establecida por difracción de rayos-X en 1961 ( Hodgking,D.C et. al.; Biochem J., 79, 393(1961)).

La Cefalosporina C presenta una mayor estabilidad frente a los ácidos y a las penicilinasas que las penicilinas, pero una mucho menor actividad antimicrobiana.

O NH

NO

S

NaO2C

CH2OAc

CO2

H3N H H H

72

5

Cefalosporina C

26


51


Cefalosporinas naturales con un resto de ác. α-aminoadípico en C-7

O NH

NO

S

NaO2C

CO2

H H HR1HN

R7

Cefalosporina R R1

Cefalosporina C OCOMe H

Deacetilcefalosporina C OH H

Deacetoxycefalosporina C H H

N-Acetildeacetoxycefalosporina C H COMe

O-Carbamoildeacetilcefalosporina C OCONH2 N


52


La estructura de los miembros naturales de esta familia tienen una cadena lateral de ácido α-aminoadípico en posición 7. Algunos compuestos han sido aislados con cadenas laterales derivadas de ác. glutárico ó de ácido 5- hidroxi-5-carboxivalérico. Ver Tabla.

El producto natural presenta un bajo nivel de actividad antibacteriana. La ruptura del enlace amida de la cadena lateral de ác. aminoadípico de la Cefalosporina C conduce al ác- 7-aminocefalosporánico (7-ACA).

A partir del 7-ACA puede sintetizarse una gran variedad de cefalosporinas semisintéticas a través de una reacción de acilación del grupo amino en posición 7.

Un primer método reportado en 1962 para la obtención de 7-ACA a partir de Cefalosporina C, involucraba el tratamiento con exceso de ácido nitroso en ác. acético-H2O

27


53


H3N

NO

S

O2C

CH2OAc

N

NO

S

NaO2C

CH2OAc

OHO2CH2O

OBTENCION DE AC. 7-AMINOCEFALOSPORANICO (7-ACA) A PARTIR DE CEFALOSPORINA C- Morin, R. B.; Jackson, B. G.; Flynn, E. H. and Roeske, R.W.; J. Am. Chem. Soc., 84, 3400(1962). Ibid.; J. Am. Chem. Soc., 84, 3401(1962

7-ACA

O NH

NO

S

NaO2C

CH2OAc

H3NCO2

NOHCefalosporina C

NO

N2

N

S

CO2HCH2OAcO

NH HO

HO2C

H2N

-H2O

N

S

CO2HCH2OAcO

H2N HO

HO2C

O

7-ACA

H3O+

NO

NH H

O

HO2C

N2

NO

N HO

HO2C

cefalosporina C

ONCl, HCO2H

+

catión diazonio


54


El método comúnmente más usado para remover la cadena lateral, resulta, tal como en el caso de las penicilinas, de tratar la CefalosporinaC protegida con PCl5, conduciendo al iminocloruro, el cual luego de su conversión al iminoéter, seguido por hidrólisis y desprotección conduce al 7-ACA con buenos rendimientos.

7N

O

S

CO 2R2

CH2O Ac

H HN

X

RO 2C

R1HN H

X = ClX = OR3

28


55


Conversión de Sulfóxido de penicilina en Cefalosporina

Los trabajos de Morín y colaboradores en 1963, demostraron que el reagrupamiento térmico del Sulfóxido de penicilina, en presencia de ácido conduce al sistema de anillos de la deacetoxicefalosporina.

Esto ocurre a través de un intermediario de ác. sulfénico, tal como se muestra en el siguiente esquema.

Este reagrupamiento conduce a un método muy atractivo para obtener cefalosporinas a partir del 6-APA, un material de partida muy barato, manteniendo la integridad estereoquímica del anillo de β-lactama.

Este método es utilizado par obtener cefalosporinas de interés comercial como la cefalexina y el cefaclor.


56


N

SH H

RCOHN

OCO2R

ác. sulfénico

H+

p-Ts, Δ

N

SH

CO2R

CH2

HO-

2) ClCOCH3

1)

N

SH

CO2R

CH2

H

OH

N

SH H

CO2H

RCONH

ON

SH H

CO2R

RCONH

O

CH2

O HH3C

O

OOH

Reagrupamiento sulfóxido de penicilina-cefalosporina

29


57


N

SH H

RCOHN

OCO2R

X=Me; Cefalexina

X=Cl; Cefaclor

N

SH H

RCOHN

OCO2R

O-

SnCl4

Cloruro de penicilinsulfinilo

N

SH H

CO2R

RCONH

O

O-Cl

N-Clorosuccinimida,Δ

N

SH H

RCOHN

O X

HO2C

N

SH H

CO2R

RCONH

O

CH2

O H


58


Obtención enzimática de 7-ACA

30


59



60


31


61


A diferencia de las penicilinas, en las cefalosporinas también existe la oportunidad de realizar diferentes modificaciones moleculares por manipulación del grupo acetoxymetil presente en la posición 3.

N

S

OAc

CO2H

RNH

O 33'

7

1

5

Una gran variedad de estos derivados han sido sintetizados, tal como se presenta en la siguiente figura.


62


N

S

OAc

CO2H

RNH

O

(R=H, ó Acyl)

N

S

OAc

CO2H

RCONH

O N

S

SR1

CO2H

RNH

O

N

S

NR3

CO2

RNH

O

N

S

OAc

CO2R1

RNH

O

N

S

Br

CO2R1

RNH

O

N

S

OH

CO2H

RCONH

O

N

S

OCONHR1

CO2H

RCONH

O N

S

X

CO2H

RNH

O(X=OH, Cl)

N

S

CO2R1

RNH

O

N

S

CH3

CO2H

RNH

O

R1SHN-AcylderivadoEsteres

NR3

32


63


CEFALOSPORINAS 7α-SUSTITUIDAS

N

S

OCO2H

R

NHHO2C O H

O

CH3

H2N H

R = OCOMeR = OCONH2

- Aisladas en 1971 de cepas de Streptomyces (S. lipmanii y S. clavuligerus) Nagarajan, R. et al., J.A.C.S., 93, 2308(1971)

- Muy resistentes a las β-lactamasas

- Colectivamente denominadas CEFAMYCINAS


64


N

S

OCO2H

O

NHHO2C X H

OH2N H (CH2)3R1

O OH

NHR

Cefabacinas-M ; X = OMe

Cefabacinas-F ; X = NHCHO

- De origen bacteriano, aisladas en 1985

33


65


N

S

OCO2H

O

NH O H

O

CH3

O

NH2S

Cefoxitin

- Primer miembro de este grupo en ser usado clínicamente

- Muy estable a las b-lactamasas

- Amplio espectro de acción, incluído bacterias anaerobias


66


Ac. 7α-metiltio-7-fenilacetamidodeacetoxy-cefalosporánico. ( R = 81 %)

N

S

O CH3

NH S H

HO2C

CH3

O

( R = 43 % )

N

S

O CH3

NH S H

OO

tBu

CH3

O

CH2Cl2 / H2Or.t. / 18 hr

O

Cl

Base de Schiff del 7α-metiltio(R = 40 %)

N

S

O CH3

N S H

OO

tBu

H

CH3

2) CH3S-SO2CH3 ( ó CH3S-Cl)

1) 1 eq. KOtBu / DME / - 20 o C

N

S

O CH3

N H H

OO

tBu

H

- W. A. Slusarchyk et al.; J. Org. Chem., 38(5), 943(1973); H. E. Applagate et al.; J. Org. Chem., 44(5), 811(1979)

Síntesis de Cefalosporinas 7α-sustituídas

0 o C, 20 min

TFA

34


67


N

S

O CH3

NH S H

OO

tBu

CH3

O

Hg(OAc)2 / MeOH

Reflujo, 10 min

N

S

O CH3

NH O H

OO

tBu

CH3

O N

S

O CH3

NH O H

OO

tBu

CH3

O

7α-epímero7β-epímero

( 30 % )( 70 % )

Síntesis de Cefalosporinas 7α-sustituídas (continuación)


68


N

S

O CH3

N O H

OO

tBu

H

CH3

CHCl3 /MeOHr.t. , 10 min

N

S

O CH3

N F H

OO

tBu

H1) 1 eq. KOtBu / DME / - 50 o C

2) ClF5N

S

O CH3

N H H

OO

tBu

H

Síntesis de Cefalosporinas 7α-sustituídas (continuación)

35


69


N

S

CO2H

HX

O

NRC

O H

VARIACIONES ESTRUCTURALES DEL ANILLO

C-1 reemplazo (C,O)

C-2 sustitución o reemplazo (O,N,S)

C-3 o C-3´ variaciones

C-4 ésteres, prodrogas

C-7 a, sustitución OMe, NHCHO

diferentes sustituyentesacilamino


70


Cefalosporinas

Primera generación:

N

S

CO2HO

H HNH

OAcOS

N

S

CO2HO

H HNH

SO

N

NS

NN

Me

NN

N

S

CO2H

MeO

H HNH

O

H2N H

Cefalexina

Cefazolina

Cefalotina

36


71


Segunda generación:

N

S

CO2HO

H HNH

O

HO H

S

N N

NN

MeCefamandol

N

S

CO2HO

H HNH

OCONH2

O

NO

OMe

CefuroximeN

S

CO2H

ClO

H HNH

O

H2N H

Cefaclor


72


Tercera generación:

N

S

CO2HO

H HNH

S

O

NOMe

NS

H2N

N

NN

O

ONa

Me

Ceftriaxona

N

S

CO2HO

H HNH

OAc

O

NOMe

NS

H2N

Cefotaxime

37


73


Cuarta generación:

N

S

CO2-

O

H HNH

O

NOMe

NS

H2N

N+

Me

Cefepime

N

S

CO2-

O

H HNH

O

NOMe

NS

H2N

N+

Cefpirome


74


Otros ejemplos

38


75


O

NH2

OHN

OOH OH O

HO H

OH

ABCD

123

44a5

5a6

6a78

910

10a11

11a1212a

naftacenotetraciclina

αβ

• Derivados de un sistema linear de 4 anillos de seis miembros condensados: 1,4,4a,5,5a,6,11,12a-octahidronaftaceno, con un típico arreglo de dobles enlaces.

• La molecula de tetraciclina posee 5 centros asimétricos: C-4, -4a, -5a, -6, and -12a.

Tetraciclinas• Conjunto de moléculas de origen natural o semisintetico con actividad antibiotica, uso oral y amplio espectro


76


Las tetraciclinas se obtienen por procesos de fermentación a partir de especies de Streptomices, ó por simisíntesis , a través de transformaciones químicas de productos naturales.

Son derivadas de un octahidronaftaceno, y poseen varios centros estereogénicos cuya estereoquímica resulta fundamental para su actividad biológica.

Son antibióticos de amplio espectro, su mecanismo de acción es la inhibición de la síntesis de proteínas a través de la unión a la unidad 30S del ribosoma, impidiendo la unión del aminoacil-ARNt al ARNm. Al parecer este mecanismo supone la formación de un complejo con Mg+2.

Desde el punto de vista químico, se comportan como compuestos anfóteros, que existen en solución neutra, fundamentalmente como ióneshíbridos, aunque posee tres constantes de disociación relacionadas con los grupos indicados en la figura,

39


77

ESTRUCTURA QUIMICA

derivado OH H CH3H Doxiciclina

derivadoH H H N(CH3)2Minociclina

S. rimosusH OH CH3H Oxitetraciclina

S. aureofasciensH OH CH3ClClortetraciclina

Streptomyces. texasH OH CH3H Tetraciclina

Origen R4R3R2R1Nombre

O

NH2

OHN

OOH OH O

R3R2H

OH

R1 R4pK1 PK2 PK3

Tetraciclina 3.3 7.7 9.5

Clorotetraciclina 3.3 7.4 9.3

Democlociclina 3.3 7.2 9.3

Oxitetraciclina 3.3 7.3 9.1

Doxiciclina 3.4 7.7 9.7

Minociclina 2.8 7.8 9.3pK1pK2

pK3


78


tetraciclina epitetraciclina mucho menos activa

O

NH(CH3)2

OH

NH2

O

H

O

H NH(CH3)2OH

NH2

O

A valores de pH intermedios, se epimerizan en C-4 a epitetraciclinas, mucho menos activas, mientras que en solución ácida ó básica, las estructuras que poseen un hidroxilo en la posición 6, pierden la actividad biológica. Ver esquema.

40


79

Degradación de Tetraciclinas

O

NH2

OHN

OOH OH O

HO H

OH

O

NH2

OHN

OOH OH O

HO H

OH

tetraciclina epitetraciclina (mucho menos activa)

O

NH2

OHN

OOH OH O

H

OH

H+

anhidrotetraciclinainactiva

O

NH2

OHN

OOH O

H

OH

O

OH-

epimerizacion

inactiva


80


OH O

OH

O

NH2

NMe2HH

OHO

HCH2

OH

OH

H2O / MeOH15 min , r.t. ( 96 % )

NaHSO3

OH O O

OH

O

NH2

NMe2HH

OHClO

HCH2 OH

HF liq.15 min , 0 oC

OH O

H3C O

O

OH

O

NH2

NMe2HH

OHClOH

OH

( 50 % )

DME / H2O10 min, 10 oC

NCS / Et3N

Síntesis parcial de DOXICICLINA a partir de OXYTETRACICLINA

OH OH

H3C OH

O O

OH

O

NH2

NMe2HH

OH

HOH

41


81


( α:β = 1:1 )

+ 6β-epímeroDoxiciclina

OH O

OH

O

NH2

NMe2HH

OHO

H

OH

CH3H OH

( 70 % )

28 o C70 bar, 3.5 hrHCl / EtOH

H2[Pt]

OH O

OH

O

NH2

NMe2HH

OHO

HCH2

OH

OH

Síntesis parcial de DOXICICLINA a partir de OXYTETRACICLIN


82


Bibliografía recomendada:

-”The β-Lactam Antibiotics”, G. Burton, N.F.Osborne, M.J.Pearson and R. Southgate, en Burger’s Medicinal Chemistry and Drug Discovery, Fifth Edition, Volume 4. Edited by Manfred E. Wolff, John Wiley & Sons, Inc. 1977. Cap. 41. Pags. 278-349.

- “Tetracyclines: Chemistry, Biochemistry, and Structure-Activity Relations”, Dürkheimer, W.; Angew. Chem. internat. Edit.; 14(11), 721(1975).

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