Sbobine Bioingegneria Chimica - AA 2020-2021 PDF

Porcelli/ Vallero 01 – Bioingegneria chimica 29/09/2020 IL LEGAME Gli atomi si legano perché il composto che ne deriva è più stabile degli atomi separati. Il legame è il risultato di un bilanciamento tra for...

Porcelli/ Vallero 01 – Bioingegneria chimica 29/09/2020 IL LEGAME Gli atomi si legano perché il composto che ne deriva è più stabile degli atomi separati. Il legame è il risultato di un bilanciamento tra forze coulombiane attrattive (elettroni-nuclei) e repulsive (elettroni-elettroni e nuclei-nuclei). Il legame chimico è un'interazione fra cariche di segno opposto, quelle del nucleo e degli elettroni. Immaginando di avere due atomi, con nucleo positivo e la carica dell’elettrone negativa, che si trovano una distanza internucleare d. Se si va a riportare in un grafico l’energia interazione in funzione della distanza d, è possibile vedere un andamento come in figura, dove l'energia diminuisce e il sistema diventa più stabile man mano che i due atomi si avvicinano per l'attrazione delle cariche negative sui nuclei positivi. L’energia diminuisce fino a raggiungere un minimo d0 che è la lunghezza di legame. Dopo aver raggiunto la lunghezza di legame e la stabilità, un ulteriore avvicinamento comporta un respingimento tra le nuvole elettroniche dei due atomi e quindi l'energia torna ad aumentare velocemente. Per capire come avviene la condivisione di nuvole elettroniche nella formazione del legame dobbiamo introdurre due parametri: Energia di ionizzazione: l'energia che è necessario fornire ad una mole di atomi allo stato gassoso per trasformarla in una mole di cationi monovalenti. X(g) + Eion (kj/mol) → X+ (g) + e- Quindi fa capire quanto un atomo tiene stretti a sé i suoi elettroni, indicando quindi l’energia necessaria per ionizzare un atomo, ossia per strappare a distanza infinita l’elettrone. Tanto più l’energia di ionizzazione è alta, maggiormente gli atomi tendono a tenere vicini a sé gli elettroni. Energia di affinità elettronica: tendenza di un elemento ad acquistare elettroni. Quindi indica quanta energia necessita l’elemento per acquisire un elettrone e diventare uno ione negativo. Avvicinando due atomi di tipo diverso, quindi con valori di energia di ionizzazione e di affinità elettronica diversi, la capacità di questi atomi di attrarre a sé gli elettroni sarà diversa. Il legame ionico ha luogo con un completo trasferimento di elettroni da un atomo a bassa energia di ionizzazione a un atomo ad alta affinità elettronica. Per esempio, facendo legare sodio, un atomo alcalino sulla sinistra della tavola periodica, con il cloro che invece è un atomo fortemente elettronegativo, quest’ultimo prende entrambi gli elettroni, quindi si forma il legame ionico Na+Cl- e il cloro prendendosi un elettrone completa l'ottetto raggiungendo la configurazione elettronica del gas nobile che lo che lo segue sulla tavola periodica. Le barrette (vedi reazione NaCl) sono una convenzione con cui si indicano delle coppie di elettroni che occupano l’orbitale. 1 Porcelli/ Vallero 01 – Bioingegneria chimica 29/09/2020 Si definisce elettronegatività χ (chi) la forza con cui un atomo attira a sé gli elettroni condivisi e deriva dai valori di energia di ionizzazione e affinità elettronica. Il legame covalente consiste nella messa in compartecipazione di una coppia di elettroni tra due atomi A e B. A seconda della natura di A e B (in particolare della loro elettronegatività), si può distinguere: Legame covalente puro (in genere tra atomi della stessa natura, uguali), in cui la coppia elettronica è condivisa simmetricamente, allo stesso modo, dai due atomi. Nel legame covalente gli elettroni immaginati come particelle, in realtà sono delle onde e le loro la probabilità di trovarli in una possibile posizione è descritta dalla funzione d'onda. Legame covalente polare (tra atomi di natura diversa), in cui gli elettroni coinvolti nel legame sono maggiormente attratti dall'atomo più elettronegativo. Il legame risulterà quindi polarizzato elettricamente: ognuno degli atomi coinvolti nel legame avrà una carica elettrica parziale positiva o negativa (δ+ e δ-). Nel legame tra idrogeno e cloro, il cloro è più elettronegativo e tenderà ad attrarre gli elettroni, quindi la nuvola elettronica avrà una geometria più sviluppata dal lato del cloro, quindi è più probabile trovare elettroni nella parte più scura (corrispondente al Cl). DOMANDA: Quale stato fisico ha l’acido cloridrico a temperatura ambiente? Gassoso. L’acido cloridrico è un gas costituito da molecole che sono esattamente simmetriche. (legame covalente polare H(δ+)-Cl(δ-)). Si trova in forma liquida nel caso di una soluzione di acido cloridrico in acqua, le molecole di acqua rompono il legame covalente polare, rottura eterolitica, si formano due ioni, H+ e Cl-. Tipi di rottura: Rottura omolitica: A ∙|∙ B da cui si generano specie radicaliche (elettrone spaiato, molto reattiva) → ogni atomo si prende il suo elettrone, favorita quando l’elettronegatività dei due atomi è simile Rottura eterolitica: A|∙ ∙ B da cui si generano specie ioniche → entrambi gli elettroni vanno sull' atomo più elettronegativo 2 Porcelli/ Vallero 01 – Bioingegneria chimica 29/09/2020 IL LEGAME – CHIMICA ORGANICA Gli ioni principali in chimica organica sono gli ioni con il carbonio e vengono chiamati: - carbocatione → ione positivo la cui carica risiede su un atomo di carbonio - carbanione → ione negativo la cui carica risiede su un atomo di carbonio Il carbocatione è quindi il risultato della rottura eterolitica di un legame tra il carbonio e un altro eteroatomo fortemente elettronegativo come il cloro. La rottura eterolitica del legame darà luogo al carbocatione più lo ione Cl-. Analogamente la rottura eterolitica fra il carbonio ed un atomo meno elettronegativo come l'idrogeno, si forma il carbanione più lo ione idrogeno positivo. Carbocationi e carbanioni sono instabili e non sono normalmente isolabili, ma costituiscono degli intermedi molto reattivi, dai quali posso passare per trasformare un reagente in prodotto. Carbocationi e carbanioni hanno più probabilità di formarsi come intermedi, a seconda della costituzione degli ioni. Prendendo ad esempio dal metano, al quale viene sostituito un idrogeno con un atomo di cloro, la rottura eterolitica porta alla formazione di un carbocatione metilico + Cl-. Prendendo ad esempio dall’etano, al quale viene sostituito un idrogeno con un atomo di cloro, la rottura eterolitica porta alla formazione di un carbocatione etilico primario + Cl-. Carbocationi e carbanioni si classificano in primari, secondari e terziari in relazione al numero di atomi di carbonio legati all’atomo di carbonio che porta la carica. L'atomo di carbonio che porta la carica positiva è ibridato sp2 ed ha quindi una struttura planare. Il carattere primario, secondario o terziario influisce sulla stabilità e quindi sulla reattività dei carbocationi. 3 Porcelli/ Vallero 01 – Bioingegneria chimica 29/09/2020 Ordine di stabilità dei carbocationi alchilici: La stabilità cresce man mano che gli idrogeni vengono sostituiti con gruppi R contenenti carbonio quindi il gruppo con un primario sarà più stabile del metilico e il carbocatione secondario sarà più stabile del primario e il terziario sarà più stabile del secondario, perché bisogna immaginare di avere al posto del trattino degli elettroni condivisi che spinge carica negativa verso il carbocatione (il carbonio ha una discreta elettronegatività, quindi non è incline a cedere elettroni) che si stabilizza grazie al carica negativa del carbonio con un effetto induttivo che aumenta man mano che si aggiungono gruppi CH3. I gruppi alchilici hanno la capacità di stabilizzare un carbocatione perché sono in grado di rilasciare elettroni verso il carbonio positivamente carico, diminuendone la densità di carica. Un gruppo alchilico "funziona" dunque da elettrondonatore. L'effetto è inoltre proporzionale alle dimensioni del gruppo alchilico. Il carbocatione allilico proviene dalla rottura eterolitica del propene (CH2=CH–CH3). Presenta un legame doppio e il carbocatione è primario perché c’è un carbonio con due idrogeni e un gruppo R. Nonostante sia un carbocatione primario, esso presenta una stabilità comparabile a quella di un carbocatione terziario. Questa maggiore stabilità si giustifica tramite un fenomeno di risonanza, che è in grado di aumentare la stabilità del carbocatione delocalizzando e quindi “disperdendo” la sua carica elettrica su più atomi (lo stesso accade per il carbocatione benzilico). La freccia in rosso indica lo spostamento di elettroni, con il quale, il doppio legame si sposta sull'altro lato mentre la carica positiva andrà sull’altro atomo di carbonio. Sarà possibile trovare il carbocatione allilico per metà del tempo in una condizione e metà del tempo nell'altro, indicandolo con un archetto tratteggiato (vedi sotto). La risonanza stabilizza il carbocatione perché l’energia si abbassa in quanto è possibile trovare più funzioni d’onda per gli elettroni. 4 Porcelli/ Vallero 01 – Bioingegneria chimica 29/09/2020 Prendendo il propene al quale un idrogeno è stato sostituito da un atomo di cloro, dopo la rottura eterolitica si forma un carbonio primario perché sono legati a un solo atomo di carbonio. È possibile anche la rottura eterolitica nell'altro senso, cioè la creazione di un carbanione, con tre gruppi legati è ibridato sp3 e con una geometria tetraedrica. Dal carbocatione al quale viene tolto una coppia elettronica si passa da una geometria tetraedrica con ibridazione sp3, come quella del metano, ad una geometria trigonale planare con ibridazione sp2. Il carbanione ha una geometria tetraedrica con il doppietto elettronico che si dispone al posto dell’idrogeno, con un’ibridazione sp3. La carica negativa e la presenza di un orbitale contenente un doppietto elettronico solitario non condiviso fanno dei carbanioni dei forti nucleofili, molecole che prendono parte ad una reazione donando un doppietto elettronico ad un'altra specie (l’elettrofilo) a cui si legano. I gruppi chimici che stabilizzano un carbocatione rendono instabile un carbanione, per cui l’ordine di stabilità dei carbanioni alchilici è terziario < secondario < primario < metilico. Questo perché, nel carbocatione si stabilizzava una carica positiva aggiungendo elettroni, mentre in questo caso, donando elettroni ad un atomo già negativo, il carbanione viene destabilizzato. RIPASSO IBRIDAZIONI ORBITALI Il carbonio nel suo stato energetico fondamentale ha configurazione elettronica 1s 2 2s2 2p2 con due elettroni spaiati negli orbitali 2p. La promozione di un orbitale 2s ad un orbitale 2p dà luogo alla formazione della specie C* con configurazione 2s 1 2p3 in cui C è tetravalente con una energia maggiore dello stato fondamentale. Poiché i legami CH hanno tutti la stessa lunghezza ed energia il carbonio viene portato ad uno stato energetico superiore con quattro orbitali perfettamente equivalenti. Questo fenomeno che richiede quindi energia è detto IBRIDAZIONE e corrisponde alla combinazione lineare delle funzioni d’onda degli orbitali atomici di partenza1. Il carbonio ha 4 elettroni di valenza e ha una configurazione 1s2 2s2 2p2. Un orbitale S può essere rappresentato da una sfera, gli orbitali P invece sono quelli orientati lungo i tre assi XYZ. Nella molecola tetraedrica del metano i quattro orbitali diventano 4 orbitali uguali sp3 che si orientano secondo un tetraedro. Nei quattro orbitali che diventano degeneri (con la stessa energia) gli elettroni si dispongono uno per ciascun orbitale. Questi numeri si riflettono poi nei periodi (linee orizzontali) della tavola periodica, infatti nello stesso periodo vengono aggiunti elettroni. 1 Approfondimento preso da appunti di chimica 5 Porcelli/ Vallero 01 – Bioingegneria chimica 29/09/2020 In una situazione in cui il carbonio è legato ad un atomo di bromo, la rottura del legame causerà la formazione di un carbocatione. Per la formazione di un carbanione, bisogna far legare al carbonio una specie più elettropositiva di questo, come i metalli alcalini e alcalino-terrosi. I carbanioni sono caratteristici di un gruppo di composti organometallici, detti Reattivi di Grignard, nei quali quindi si inserisce un atomo di magnesio nel legame carbonio alogeno. Il reattivo si ottiene mettendo dei trucioli di magnesio in un pallone con etere etilico e gocciolando piano piano sopra una soluzione sempre in etere dell’alogenuro. Reazione di Wortz: H3CBr + H3CMgBr → H3C-CH3 + MgBr2 Si forma bromuro di magnesio ed etano Prendendo il pallone con l'etere etilico e trucioli di magnesio, gocciolando troppo velocemente si accumula troppo alogenuro quando si è già formato un po’ del reattivo di Grignard, quindi si fa la reazione di Wortz. Gocciolando lentamente tutto il bromuro reagisce con il magnesio senza reagire con il reattivo. Un alogenuro alchilico reagisce, in atmosfera secca o in etere, con magnesio per dare un reattivo di Grignard RMgX (o con litio per dare un composto di alchil-litio Rli). I Grignard hanno un legame carbonio-magnesio fortemente polarizzato ed il carbonio si comporta quindi come un carbanione mascherato, con proprietà basiche e nucleofile. 6 Secundo/Grillo 02 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 01/10/2020 CHIMICA ORGANICA CARBANIONI I carbanioni sono specie che presentano il carbonio carico negativamente. Il carbonio ha un‘ibridazione di tipo sp3 in cui il quarto vertice del tetraedro è occupato dal doppietto elettronico, ovviamente è una situazione di instabilità perché il carbonio in queste condizioni ha una forte tendenza a donare gli elettroni, è una specie nucleofila. NUCLEOFILI=molecole che prendono parte ad una reazione donando un doppietto elettronico ad un’altra specie (elettrofilo) a cui si legano. La regola di stabilità dei carboanioni è inversa a quella dei carbocationi, cioè i gruppi chimici (gruppi R - che davano effetto induttivo) che stabilizzano un carbocatione rendono instabile un carboanione per cui l’ordine di stabilità sarà terziario < secondario < primario < metilico. Invece nei carbocationi la stabilità cresce al crescere del numero dei sostituenti. Questo avviene quando il carbonio è legato ad un atomo meno elettronegativo di lui, cioè più elettropositivo (a sinistra della tavola periodica) quindi un alcalino o alcalino terroso. REATTIVO DI GRIGNARD I carbanioni sono caratteristici di un gruppo di composti organometallici, detti reattivi di Grignard, coinvolti in alcune reazioni che si incontreranno successivamente. Immaginiamo di avere un cloruro di metile e un magnesio, che danno origine al reattivo di Grignard, che di fatto presenta un carbonio negativo perché legato al magnesio che è un atomo alcalino terroso: 𝐶𝐻3 𝐶𝑙 + 𝑀𝑔 → 𝐶𝐻3 𝑀𝑔𝐶𝑙 ≡ 𝐶𝐻3− +𝑀𝑔𝐶𝑙 Per preparare questo reattivo, utilizzo un pallone di reazione in cui inserisco dei trucioli di magnesio nel solvente di etere etilico e poi preparo una soluzione aggiungendo cloruro di metile (C𝐻3 Cl) lentamente. La soluzione rimane trasparente e si chiama reattivo di Grignard. Bisogna stare attenti ad aggiungere lentamente perché altrimenti posso avere una reazione fra il Grignard che si sta formando e il cloruro di metile che sto aggiungendo troppo velocemente, producendo precipitato bianco MgCl2 (reazione di Wurtz: CH3+Cl- + CH3-Mg+Cl → CH3-CH3 + MgCl2 ↓). LEGAMI INTERMOLECOLARI Oltre al legame covalente e al legame ionico, esistono anche dei legami più deboli che si vanno a formare per la natura dipolare dei legami. Quando c’è un legame tra due atomi diversi c’è sempre una polarizzazione, quindi un dipolo elettrico, che avvicinato ad un altro dipolo elettrico produrrà un’interazione attrattiva. Es1. ammoniaca in presenza d’acqua: interazione tra la zona dell’azoto che è polarizzata negativamente e l’idrogeno dell’acqua che è polarizzato positivamente 1 Secundo/Grillo 02 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 01/10/2020 Es2. L’acqua è liquida a temperatura ambiente grazie a queste interazioni. Se prendo l’acido solfidrico, che è isoelettronico con l’acqua, in realtà questo è un gas perché lo zolfo è più elettronegativo dell’idrogeno ma meno dell’ossigeno. I legami dipolo-dipolo nel caso in cui viene coinvolto H si chiamano legami idrogeno o ponte idrogeno responsabili di molti fenomeni che avvengono in natura. In particolare avvengono quando H si lega ad uno degli elementi più elettronegativi come il fluoro, l’ossigeno o l’azoto. Le interazioni dipolari sono meno forti dei legami chimici ma comunque giocano un ruolo nella stabilità della materia, nei processi etc. I COMPOSTI IDROCARBURICI I composti idrocarburici contengono solo carbonio e idrogeno. Non contengono eteroatomi, cioè atomi diversi da C e H. La prima distinzione da fare è tra i composti alifatici e aromatici:  Gli aromatici hanno come capostipite il benzene, come verrà visto in seguito, che è una molecola che presenta una delocalizzazione elettronica.  Gli alifatici, possono essere sia saturi che insaturi. Negli alifatici saturi abbiamo C ibridizzato sp3 e si chiamano alcani, possono essere a catena lineare o ramificata oppure ciclici (cicloalcani). Quelli insaturi sono quelli che presentano legami multipli: gli alcheni presentano legami doppi (C ibridizzato sp2) e possono essere anche ciclici (cicloalcheni) e gli alchini presentano legami tripli (C ibridizzato sp). 2 Secundo/Grillo 02 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 01/10/2020 ALCANI  Gli alcani non ciclici hanno formula generale CnH2n+2  Sono caratterizzati da legami semplici  Presentano desinenza -ano. È importante considerare i residui, i gruppi che si formano che saranno costituenti di molecole più complesse. Questi gruppi si formano essenzialmente togliendo un H all’alcano, nel nome conservano la stessa radice ma cambiano la desinenza da -ano a -ile. Quindi per esempio, se tolgo un H al metano formo il gruppo residuo metile che rappresento come CH3-. Potrebbe apparire il problema dell’isomeria, per esempio del propano posso avere il normal-propile (se tolgo un H primario) e l’iso-propile (se tolgo un H secondario). Posso anche fare delle reazioni di rottura omolitica di C-H formando dei radicali. La struttura degli alcani è tale da avere un’ibridazione sp3 in tutti i carboni. Nell’etano avvicinando due C ibridizzati sp3, si forma un legame sigma. Dunque da due orbitali atomici passo ad un orbitale molecolare. Il legame sigma mantiene la densità elettronica sull’asse internucleare. La geometria tetraedrica fa in modo che l’angolo di legame sia di 109.5° e che la lunghezza del legame singolo sia pari a 1.54Å. Per quanto riguarda la reattività, l’unica reazione degli alcani è la combustione: 3 Secundo/Grillo 02 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 01/10/2020 Gli alcani hanno grande importanza dal punto di vista energetico, in quanto sono usati per fornire energia in vari contesti, infatti: il metano è il gas di combustione urbano; propano e butano costituiscono il cosiddetto GPL, miscele di alcani da 5 a 10 atomi di carbonio costituiscono le comuni benzine, mentre il gasolio è costituito da miscele di alcani con un numero di atomi di carbonio maggiore, fino a 12. Non sono molecole che forniscono energia per gli esseri viventi salve qualche tipo di batterio, interessante per lo più per aspetti ambientali. Inoltre investono una fonte drammatica per l’inquinamento. ALCHENI  Hanno formula generale CnH2n NB: I cicloalcani hanno la stessa formula degli alcheni.  Sono caratterizzati da doppi legami  Presentano desinenza -ene NB: l’etene è detto anche etilene Per il butene ci saranno casi di isomeria dati dalla posizione del doppio legame (1- butene, cis-2- butene, trans-2-butene, isobutene). Negli alcheni i due atomi di C coinvolti nel doppio legame sono ibridizzati sp2, cioè ci sono 3 elettroni negli orbitali liberi sp e il quarto elettrone che rimane nell’orbitale p. Nell’alchene più semplice, l’etilene, i due atomi di C presentano un legame σ e un legame π. L’orbitale molecolare si forma dalla sovrapposizione di due orbitali atomici p. La densità atomica non si trova più sull’asse interatomico ma si trova sotto e sopra il piano della molecola. Il fatto che C condivida due elettroni anziché uno fa in modo che il legame sia più forte quindi necessita di maggiore energia per essere rotto e inoltre il legame doppio è più corto del legame singolo, infatti il legame doppio C=C è pari a 1.33 Å. 4 Secundo/Grillo 02 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 01/10/2020 I residui degli alcheni che si formano togliendo un H, conservano la stessa radice ma cambiano desinenza da -ene a -enile. NB: L’etenile CH2=CH- è anche detto vinile e il 2-propenile CH2=CH-CH2- è anche detto allile. Se sono presenti due o più doppi legami si definiscono dieni: la desinenza diventa -andiene o -antriene o -antetraene. I doppi legame possono essere o in posizione cumulata, sono noti come alleni, o essere distanziata da un singolo legame. NB: Il propandiene (CH2=C=CH2) è anche detto allene (dalla vecchia nomenclatura). Dal punto di vista della reattività, gli alcheni sono più interessanti rispetto agli alcani. Sono più importanti in natura: l’etilene è un ormone per le piante, stimola la maturazione. I doppi legami sono presenti in molte sostanze naturali, per esempio il β-carotene è un pigmento arancione che dà colore a dei vegetali ed è precursore della vitamina A: il colore è dato proprio dal fatto di avere diversi doppi legami coniugati, infatti gli elettroni π che sono su livelli energetici vicini possono essere eccitati facilmente se irraggiati dalla luce visibile e questo fa in modo che appaiano alla vista colorati. Inoltre, i doppi legami vengono usati per sintetizzare i polimeri utili, nel caso biomedico, per dispositivi impiantabili quali lenti intraoculari, protesi vascolari, impianti facciali, cateteri etc. ALCHINI  Hanno formula generale CnH2n-2  Sono caratterizzati da legami tripli  Presentano desinenza -ino NB: l’etino è anche detto acetilene. I due atomi di C coinvolti nel triplo legame sono ibridizzati sp. Il triplo legame degli alchini è costituito da un legame σ e 2 legami π: il legame σ si forma dalla sovrapposizione di due orbitali sp (quelli in rosa in foto) diretti lungo l'asse di legame, mentre i due legami π si formano dalla sovrapposizione laterale di coppie di orbitali p (quelli in blu in foto) paralleli. Per semplicità, possiamo immaginare il legame triplo come un hot dog al cui interno c’è la molecola più semplice (C2H2) che è lineare e all’estremità ho i due legami π. I residui degli alchini che si formano togliendo un H, conservano la stessa radice ma cambiano desinenza da -ino a -inile. 5 Secundo/Grillo 02 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 01/10/2020 COMPOSTI ALIFATICI CICLICI Esistono i composti ciclici sia saturi (cicloalcani) che insaturi (ciclocalcheni). Ci sono delle restrizioni legate alla geometria del legame. Nel cicloalcano C ha una geometria tetraedrica quindi tende ad avere un angolo di 109.5°. Per un numero di atomi di C minori di 5 c’è instabilità. Per quanto riguarda la nomenclatura, prendono il nome del composto lineare corrispondente preceduto dal prefisso ciclo-. Analogamente anche i residui prendono la desinenza in -ile (vedi esempi in foto). I composti ciclici li troviamo presenti nelle basi azotate del DNA, le quali sono uno dei componenti caratteristici dei nucleotidi. Le basi azotate appartengono a due classi, purine e pirimidine caratterizzate rispettivamente da 2 e 1 ciclo. Le basi azotate sono composti ciclici un po’ particolari perché contengono eteroatomi, ovvero atomi di azoto. Sono importanti anche perché tutte le volte nella doppia elica del DNA si accoppia una base purinica con una pirimidinica in modo che la distanza tra le due catene si mantenga costante. 6 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 GLI ALTRI COMPOSTI ORGANICI Gli altri composti organici sono quelli costituiti da molecole contenenti eteroatomi, cioè atomi diversi dal carbonio e dall’idrogeno. Queste molecole possono contenere particolari raggruppamenti di atomi, detti gruppi funzionali, e portano alla formazione di classi di composti con specifiche proprietà. Un gruppo funzionale è quindi un gruppo di atomi che conferisce alla molecola in cui compare un comportamento chimico caratteristico. I composti organici che verranno trattati sono riassunti in questa tabella con le rispettive formule: 1 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 ALOGENO-DERIVATI Gli alogeno-derivati sono idrocarburi in cui uno o più atomi di idrogeno sono sostituiti da altrettanti atomi di alogeno. L’alogeno è quindi considerato come il gruppo funzionale caratteristico degli alogeno-derivati. NB: Gli alogeni sono gli elementi del gruppo 17 della tavola periodica: fluoro (F), cloro (Cl), bromo (Br), iodio (I) e astato (At). Nomenclatura IUPAC: gli alogeni sono considerati come sostituenti e la loro posizione nella catena idrocarburica viene indicata con il numero dell’atomo di carbonio cui sono legati; non hanno precedenza rispetto agli altri costituenti, si sceglie sempre la catena più lunga. Tradizionale: al nome del radicale si fa precedere quello dell’alogeno con suffisso -uro. ALCOLI Gli alcoli derivano dagli idrocarburi per sostituzione di un idrogeno con un gruppo idrossido (ossidrile o idrossile) –OH. Nel legame tra un atomo di carbonio e un gruppo ossidrilico -OH il carbonio è ibridizzato sp3. Nomenclatura IUPAC: si usa la radice della catena più lunga contenente il gruppo idrossido e la desinenza –olo e si indica con un numero la posizione nella catena dell’atomo di carbonio al quale è legato il gruppo ossidrilico. NB: il gruppo -OH deve avere deve avere il numero più basso possibile. In base al numero di gruppi alchilici legati al carbonio a cui è legato l’-OH, gli alcoli possono essere classificati in primari, secondari o terziari. Si definiscono DIOLI gli alcoli in cui ci sono due ossidrili per molecola (e così trioli con tre, polioli con più di tre). 2 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 Acidità La acidità degli alcoli è molto bassa, anche più bassa di quella dell’acqua; essa è dovuta alle coppie elettroniche disponibili dell’ossigeno e alla polarizzazione dei legami carbonio-ossigeno e ossigeno-idrogeno. L’equilibrio della reazione è quindi spostato verso sinistra (acido debole). RO- è l’alcolato (o ione alcossido) base coniugata molto forte e deriva dall’acido alcolico che è un acido molto blando (Ka di circa 10^(-15) e quindi più debole dell’acqua). -ico  -ato Tanti gruppi R sono legati al carbonio legato all’-OH tanto meno stabile sarà l’alcolato e tanto meno acido sarà l’alcol corrispondente. Se ci sono dei gruppi elettrone-attrattore l’acidità aumenta perché si portano via carica elettronica dall’anione. ETERI ED EPOSSIDI Gli eteri sono composti in cui è presente il gruppo C-O-C. Hanno formula generale ROR’. Sono alcani a cui è stato staccato un idrogeno e attaccato un gruppo alcossido. Sono spesso utilizzati come solventi di reazione, in quanto poco reattivi. L’etere era una sostanza utilizzata per anestetizzare e narcotizzare. Nomenclatura IUPAC: si assegna alla catena idrocarburica più lunga il nome del corrispondente alcano o idrocarburo aromatico e si indica, insieme all’ossigeno, quella più corta come sostituente alcossidico. Tradizionale: si indicano in ordine alfabetico i gruppi idrocarburici, premettendoli alla parola etere. Etere misto (o asimmetrico) presenta due gruppi diversi: - si sceglie l’alcano più grande quindi l’etano  metossietano. - si prende l’ossigeno e si guardano i gruppi alchilici legati all’ossigeno, in questo caso un etile e un metile  etere etilmetilico Etere simmetrico presenta due gruppi uguali  etere dietilico 3 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 Gli eteri ciclici sono composti eterociclici in cui l’atomo di ossigeno fa parte dell’anello. Un esempio di etere ciclico è l’ossido di etilene importante in ambito medico in quanto viene utilizzata per sterilizzare i dispositivi. È una molecola molto attiva. Altri solventi: ALDEIDI E CHETONI Il gruppo funzionale di aldeidi e chetoni è il gruppo carbonilico il quale è costituito da un carbonio legato all’ossigeno tramite doppio legame C=O. Il carbonio dispone ancora di altri due legami che: se occupati da un idrogeno e un generico R  ALDEIDE se occupati da generici R ed R’  CHETONE Le aldeidi contengono un gruppo carbonilico cui è legato quindi almeno un atomo di idrogeno. I chetoni contengono un gruppo carbonilico cui sono legati due residui idrocarburici. L’addizione nucleofila a cui sono soggette aldeidi e chetoni è dovuta alla carica positiva presente sul carbonio; infatti, avendo C ed O elettronegatività molto diversa, gli elettroni del doppio legame si dispongono verso l’atomo più elettronegativo. In questo gruppo il carbonio è ibridizzato sp2 e il composto ha quindi geometria trigonale-planare. Nomenclatura IUPAC: I nomi delle aldeidi si ottengono sostituendo al suffisso “-o” dell’idrocarburo da cui derivano il suffisso “-ale”; i nomi dei chetoni si ottengono sostituendo il suffisso “-o” dell’alcano con il suffisso “-one” e indicando con il numero più basso possibile la posizione del carbonile. Tradizionale: I nomi delle aldeidi derivano dai corrispondenti acidi carbossilici; nei nomi dei chetoni si elencano in ordine alfabetico i nomi dei radicali presenti, facendoli seguire dalla parola “chetone”. 4 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 NB: Si dà sempre priorità al gruppo carbonilico (1). Uso la desinenza e la radice della catena più lunga, la catena viene numerata in modo che il carbonio legato all’ossigeno prenda il numero più basso. Composti contenenti gruppi aldeidici e chetonici più comuni e di interesse biologico ACIDI CARBOSSILICI Gli acidi carbossilici sono composti acidi caratterizzati dalla presenza di un gruppo funzionale carbossile (-COOH). L’ibridizzazione dell’ossigeno carbonilico è sp2, la geometria sarà quindi planare. Particolarità del gruppo carbossilico è quella di poter delocalizzare elettroni sul piano; si ha quindi un fenomeno di risonanza e si possono scrivere due forme di risonanza in cui la coppia solitaria di elettroni dell’ossigeno ossidrilico si delocalizza tramite sovrapposizione con il sistema π del gruppo carbonilico (doppio legame). La cessione del doppietto rende il gruppo carbonilico meno elettrofilo di aldeidi e chetoni. 5 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 Si possono instaurare forze intermolecolari dovute a due ponti idrogeno che si formano tra l’ossidrile di un acido ed il carbonile dell’altro e che sono conseguenza della polarità delle molecole di acido. Questa molecola in acqua si dissocia in un anione carbossilato (RCOO-) e in un idrogenione (H+). Pur non essendo acidi molto forti le costanti Ka degli acidi carbossilici hanno un valore più elevato sia di quelle degli alcoli sia di quelle dell’acqua. Perché l’acido acetico è più acido di un alcol e dell’acqua? Perché è possibile scrivere una forma di risonanza in cui si ha delocalizzazione di elettroni che stabilizza l’anione e sposta l’equilibrio verso destra. La maggior acidità di un acido carbossilico rispetto ad un alcol è legata al fatto che l’anione carbossilato, che si forma dalla dissociazione ionica dell’acido, è più stabile dell’anione alcossido (RO-), che si forma dalla dissociazione ionica di un alcol. Molecole anfipatiche: i sali degli acidi carbossilici sono quindi solubili in acqua purché non ci siano troppi atomi di carbonio nella catena; in questo caso una parte (testa) sarà idrofilica e una parte (coda) idrofobica. In acqua formeranno delle micelle (strutture sferiche) in cui le code idrofobiche si dispongono all’interno e le teste idrofiliche all’esterno. Questi composti vengono utilizzati come saponi in quanto la micella è in grado di inglobare lo sporco idrofobico (es. olio). Nomenclatura IUPAC: si usa la desinenza –oico e la radice della catena più lunga contenente il gruppo carbonilico. Tradizionale: nomi d’uso comune 6 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 DERIVATI DEGLI ACIDI CARBOSSISLICI Sono composti in cui al posto di -OH ho -OR(-SR), -Cl, -NH2, RCOO-. Da queste sostituzioni si ottengono rispettivamente esteri (tioesteri), cloruri acilici, ammidi e anidridi. Le anidridi derivano dall’addizione di due acidi carbossilici per rimozione di una molecola d’acqua formando il legame anidridico (an-idridico = tolgo acqua). Tutti i derivati degli acidi carbossilici possono essere riconvertiti nell’acido carbossilico per idrolisi. La reazione di idrolisi dei derivati degli acidi carbossilici è un esempio di sostituzione nucleofila acilica. Tale reazione è fondamentale in questo gruppo di composti poiché connette le varie classi che compongono la famiglia, permettendo di trasformare un derivato nell’altro. Reattività Un’importante caratteristica strutturale dei derivati degli acidi carbossilici è la delocalizzazione degli elettroni del sistema O-C-A. L’entità della delocalizzazione ed il conseguente livello di stabilizzazione del gruppo carbonilico dipendono dalla natura dell’atomo A. Minore è l’elettronegatività di A, maggiore è il suo effetto elettro-donatore verso il gruppo carbonilico e maggiore risulta pertanto il suo effetto stabilizzante. Nei cloruri acilici ad esempio l’effetto di stabilizzazione del cloro è minore rispetto a quello di qualsiasi altro derivato degli acidi carbossilici. Una molecola d’acqua cerca il carbonio positivo quindi la velocita d’idrolisi è favorita quando A è meno elettronegativo mentre la stabilità è un concetto opposto all’idrolisi. 7 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 Maggiore è l’elettronegatività di A, più è favorita l’idrolisi e conseguentemente c’è meno stabilità. L’ammide è molto stabile infatti viene idrolizzata meglio. Nomenclatura Esteri prendono il nome dall’acido, cambiando il suffisso da -oico ad -ato, seguito dal nome del radicale alchilico R’ presente nel gruppo –OR’. Cloruri acilici prendono il nome dall’acido, cambiando il suffisso da -ico ad –ile. Ammidi prendono il nome dall’acido, cambiando il suffisso da -oico ad –ammide. Le ammidi secondarie (RCONHR’) e terziarie (RCONR’2) vengono nominate rispettivamente come N-alchil e N,N-dialchil derivati dell’ammide primaria da cui derivano. Anidridi prendono il nome dai gruppi acilici che le formano con suffisso -oico. Se i gruppi acilici sono diversi (anidridi miste) vanno citati entrambi in ordine alfabetico, se sono uguali (anidridi simmetriche) va citato l’unico gruppo presente. Se R è diverso da R’ allora sono chiamate MISTE (o asimmetriche). Se R è uguale a R’ sono SIMMETRICHE. 8 Pascale/Ricciardi 03 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 01/10/2020 Importanti derivati degli acidi carbossilici sono lipidi (esteri del glicerolo con acidi grassi) e proteine (ammidi). L’acido lattico è un intermedio del metabolismo del glucosio che si forma in condizione di anaerobiosi, in particolare nei muscoli, come prodotto finale della fermentazione lattica. AMMINE Sono dei composti organici derivati dell’ammoniaca (NH3). Se sostituisco all’ammoniaca (NH3) un idrogeno con un radicale alchilico ottengo un’ammina (alifatica) Le ammine si distinguono in primarie, secondarie e terziarie a seconda del numero di atomi di carbonio legati direttamente all’azoto. Un’ammide deriva formalmente da una reazione tra un’ammina e un acido. Nelle ammine l’azoto è ibridizzato sp3 e la geometria è quindi tetraedrica in cui il quarto vertice del tetraedro è occupato da un doppietto elettronico. 9 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 AMMINE Le ammine possono essere considerate dei derivati organici dell’ammoniaca (NH3) nei quali uno o più atomi di idrogeno sono sostituiti da altrettanti gruppi alchilici (R-) o arilici (Ar-). Sono definite primarie, secondarie o terziarie in relazione al grado di sostituzione dell’atomo di azoto. L’atomo di azoto amminico è ibridato sp3. Le ammine presentano pertanto una struttura piramidale derivata da una struttura tetraedrica in cui un orbitale sp3 contiene un doppietto elettronico solitario. Le ammine terziarie con tre sostituenti diversi hanno un centro chirale costituito dall’azoto. Tuttavia esse non manifestano attività ottica. Ciò è dovuto al fatto che i due enantiomeri sono in reciproco equilibrio, potendosi convertire l’uno nell’altro. La configurazione subisce infatti una rapida inversione (inversione piramidale) attraverso uno stato di transizione trigonale planare. Grazie alla presenza nella loro molecola di un atomo elettronegativo come l’azoto, le ammine risultano polari. Le ammine primarie e secondarie, presentando legami covalenti polari N-H, sono in grado sia di dare che di accettare legami idrogeno. Basicità delle ammine Come l’ammoniaca anche le ammine hanno un debole carattere basico. La basicità di un’ammina si misura, come al solito, rispetto all’acqua. L’ammina è una base debole (azione nucleofila); infatti usa il suo doppietto elettronico solitario per prelevare un protone dall’acqua e trasformarsi nel suo acido coniugato (ione alchilammonio, sale di ammonio), dell’acqua rimane lo ione ossidrile. Analogamente il sale di idronio può dare idrolisi e generare ioni idronio e formare l’ammina. La relazione tra costante di dissociazione basica dell’ammina (Kb) e la costante di dissociazione acida del suo acido coniugato (Ka) è: Ricavare la Ka dell’acido coniugato di un’ammina è utile poiché in tal modo è possibile prevedere la reattività acido-base di un’ammina in termini di equilibrio di Brönsted tra acido forte e acido debole. Ad esempio possiamo prevedere che l’acido acetico trasformerà la metilammina nello ione metilammonio. L’acido acetico è infatti un acido più forte (pKa=4.7) dello ione metilammonio (pKa=10.7). 1 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 Il ruolo dell’azoto è di cedere elettroni per catturare il protone. Se ci sono sostituenti elettrodonatori, come il metile, l’azoto mette a disposizione una quota maggiore di densità elettronica. Quindi le alchilammine sono in generale più basiche dell’ammoniaca. Le ammine secondarie sono leggermente più basiche di quelle primarie, mentre per le ammine terziarie c’è un’inversione di tendenza a causa dell’effetto scudo dei 3 sostituenti, il cui ingombro sterico diminuisce anche l’effetto di solvatazione dell’acqua sullo ione alchilammonio, rendendolo meno stabile. Nomenclatura Le ammine si nominano citando in odine alfabetico il nome dei radicali legati all’azoto, seguiti dalla desinenza -ammina. Possono definirsi sia come alchilammine che come alcanammine. Trattando il gruppo amminico come sostituente è possibile utilizzare il prefisso ammino- eventualmente preceduto dal numero che individua la posizione dell’atomo di carbonio al quale è legato il gruppo amminico. Le ammine secondarie possono essere trattate come derivati N-sostituiti delle ammine primarie, le ammine terziarie come derivati N,N-disostituiti delle ammine primarie. Ammine alifatiche Ammine aromatiche (non si parla per ora di composti aromatici) 2 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 TIOLI E SOFURI I tioli sono importanti in campo biologico, in particolare nel metabolismo. Sono composti dal tipico odore di zolfo usati come traccianti nel metano di città. L’odore di gas, che protegge da eventuali fughe, non è l’odore del metano (inodore) ma dei tioli appositamente aggiunti per la nostra sicurezza. I tioli (alchiltioli o mercaptani) sono composti organici assimilabili ad alcoli (R-OH) in cui l’atomo di ossigeno è stato sostituito da un atomo di zolfo, R-SH. Il gruppo -SH è chiamato gruppo tiolico o solfidrico. La nomenclatura è la stessa degli alcoli ma al posto del suffisso -olo si ha il suffisso -tiolo. Tioletere: R-S-R’ (in analogia con gli esteri R-O-R’) Tiolestere: R-CO-S-R’ (in analogia con gli esteri R-COO-R’) Questo gruppo funzionale si trova in molte proteine, infatti esiste un amminoacido, la cisteina, che contiene un gruppo -SH e si può trovare sia allo stato ridotto che in quello ossidato (ponti disolfuro). La sua funzione principale è quella di permettere la formazione di ponti disolfuro (-S-S-) che garantiscono la stabilità della struttura terziaria proteica, come ad esempio nell’insulina. Il coenzima A (CoA) è una molecola, coinvolta nel metabolismo, piuttosto complessa che presenta una lunga catena che termina con un gruppo -SH, con il quale forma legami di tipo tioestere (formato dalla condensazione tra un diolo ed un acido carbossilico in ambiente acido con eliminazione di una molecola d’acqua). Il coenzima A è formato da un’adenosina (base azotata), dei gruppi fosfato, un residuo di acido pantotenico e la cisteina contenete il gruppo -SH. Il gruppo tiolico è responsabile del legame tioestere con residui di acidi carbossilici, tra cui il gruppo acetile. Un importantissimo tioestere del coenzima A è quello che si forma con il gruppo acetato, ovvero l’acetil-coenzima A (acetil-CoA), molecola centrale nel metabolismo cellulare. Il legame tioestere (forma di immagazzinamento dell’energia) è un legame ad alta energia, dalla cui idrolisi è possibile ricavare energia. I ponti disolfuro li troviamo anche nella cheratina del capello, essi tengono insieme le varie catene proteiche. Nei capelli esposti ad acqua calda (vapore) le α-cheratine cambiano struttura, diventano una forma β estesa. Con un composto riducente è possibile aprire/rompere i ponti disolfuro, provocare una tensione sulle fibre del capello in modo da dislocare i gruppi -SH rispetto alla loro posizione originale, piegare i capelli e applicare una seconda soluzione che riossida le cisteine creando ponti disolfuro in nuove posizioni. I legami covalenti mantengono la piega dei capelli in modo permanente. 3 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 FOSFATO ORGANICO Il fosfato organico è importante in chimica biologica. Con gruppo fosfato (assimilabile al gruppo carbossilico, con la differenza che il carbonio ha un legame in meno del fosforo perché ha meno elettroni di valenza) si intende un gruppo funzionale chimico costituito dall’anione fosfato legato ad una molecola organica tramite uno dei suoi 4 ossigeni. Si indica come (R-OPO3)2- e la sua carica negativa formalmente si trova sul fosforo ma in realtà è in risonanza su tutti gli atomi del gruppo (o ancora su altri atomi su cui è possibile lo stabilirsi di fenomeni di risonanza). L’analogia tra gruppo fosfato e gruppo carbossilico si vede anche nei derivati (anidridi). La fosforilazione, ovvero la coniugazione di un gruppo fosfato ad una proteina, è una frequente modificazione post-traduzionale che può cambiare anche notevolmente le proprietà della proteina (come ad esempio attivazione o disattivazione di un enzima). Il legame fosfoanidridico è presente nell’ATP. L’adenosina trifosfato (ATP) è un ribonucleoside trifosfato formato da una base azotata, cioè l’adenina, dal ribosio, che è uno zucchero pentoso, e da tre gruppi fosfato. È uno dei reagenti necessari per la sintesi dell’RNA, ma soprattutto è il collegamento chimico tra catabolismo e anabolismo e ne costituisce la “corrente energetica”. ATP+acqua=ADP+energia 4 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 ISOMERIA L’isomeria è quel fenomeno per il quale sostanze diverse per proprietà fisiche e spesso anche per comportamento chimico hanno la stessa formula bruta, cioè stesso peso molecolare e stessa composizione percentuale di atomi. Gli isomeri possono essere costituzionali (o strutturali) se gli atomi costituenti sono gli stessi ma la formula strutturale appare diversa (stessi atomi disposti in modo diverso nella struttura) oppure spaziali (stereoisomeri) se gli atomi costituenti sono gli stessi ma disposti in modo diverso nello spazio. Gli stereoisomeri possono essere diastereoisomeri (isomeri cis-trans e conformeri) oppure enantiomeri. Si parla di enantiomeri e di chiralità quando un carbonio è legato a quattro sostituenti diversi. I conformeri sono isomeri convertibili l’uno nell’altro per rotazione attorno a legami semplici (fenomeno che a temperatura ambiente avviene con facilità quindi non distinguo bene i due conformeri tra loro, diventano distinguibili a temperature molto basse poiché c’è poca energia a disposizione per la rotazione dei legami). Si parla di isomeri cis-trans negli alcheni (il doppio legame impedisce la rotazione). 5 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 STEREOISOMERIA LA STEREOISOMERIA NEGLI ALCANI Le diverse disposizioni assunte dagli atomi grazie alla mera rotazione intorno ad un legame semplice prendono il nome di conformazioni e la specie corrisponde ad una determinata conformazione si chiama conformero. I conformeri si trasformano l’uno nell’altro. La rotazione intorno al legame semplice dell’etano non è perfettamente libera (barriera energetica di 2,9 kcal/mol) e alcune conformazioni sono più stabili di altre. La conformazione più stabile è quella in cui i legami C-H sono distanziati nella massima misura possibile (nella rappresentazione di Newman appare sfalsata, configurazione sfalsata). La configurazione meno stabile (di energia massima) vede i 6 legami C-H alla minima distanza (configurazione eclissata). La conformazione sfalsata, visto che ha gli idrogeni distanziati tra loro, ha un’energia più bassa. Nota: il professore mostrò un modellino di etano in camera per evidenziare le varie configurazioni e come si ottengono le une dalle altre. Allineando su una retta che esce dal nostro sguardo i due atomi di carbonio dell’etano, se sono visibili tutti i sei atomi di idrogeno, si tratta della conformazione sfalsata. Partendo da questa configurazione, effettuando una rotazione di 60° attorno al legame semplice C-C e osservando frontalmente il modello, si nota che gli idrogeni si fanno ombra uno con l’altro e sono visibili 3 atomi di idrogeno; si tratta della conformazione eclissata. Non tutte le conformazioni sfasate dell’n-butano hanno la medesima energia. L’assetto di energia minima (conformazione anti) vede i due gruppi metili (A) alla massima distanza possibile (180°). Un minimo di energia si ottiene in corrispondenza di una conformazione sfalsata (conformazione gauche) in cui i due metili sono distanziati di 60°. Le conformazioni a maggiore energia sono quelle eclissate. Tra le conformazioni eclissate la conformazione a più elevata energia (la più instabile) è quella in cui i gruppi metile sono più vicini (eclissata sinperiplanare). Le conformazioni gauche è ad energia minore rispetto alle conformazioni eclissate perché nelle conformazioni eclissate i 6 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 sostituenti (idrogeni e metili) sono più vicini. La conformazione gauche è ad energia maggiore della conformazione anti perché, pur essendo entrambe sfalsate, nella conformazione anti i gruppi metili sono più lontani rispetto alla conformazione gauche (la vicinanza di gruppi metili fa aumentare l’energia della conformazione e diminuire la stabilità della molecola). Nota: il professore mostrò un modellino di butano (etano al quale si sostituiscono due idrogeni con due gruppi metile) in camera per evidenziare le varie configurazioni e come si ottengono le une dalle altre. Osservando frontalmente la molecola, la configurazione in cui si vedono 4 atomi di idrogeni, i due gruppi metile ed essi sono alla maggiore distanza possibile (ad esempio uno in alto e uno in basso) è la conformazione sfalsata anti (conformazione a più bassa energia). Con una rotazione di 60° si giunge alla conformazione eclissata anticlinale (più ad alta energia rispetto alla precedente), in questa conformazione sono visibili due idrogeni e un metile che fanno ombra sugli altri sostituenti. Ruotando ulteriormente di 60° si torna ad una conformazione sfalsata, diversa però da quella di partenza poiché i due gruppi metili sono più vicini tra loro e possono interagire maggiormente (infatti è una conformazione a più alta energia rispetto alla conformazione sfalsata anti, ma a più bassa energia rispetto alla eclissata); questa conformazione si chiama conformazione sfalsata gauche. Ruotando ancora di 60° si ottiene la conformazione più instabile (alta energia) di tutte, la conformazione eclissata simperiplanare, in cui un metile fa ombra sull’altro e si trovano alla minima distanza. 7 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 LA STEREOISOMERIA NEI CICLOALCANI Il cicloesano esiste sostanzialmente in tre diverse conformazioni, tutte prive di tensioni angolari, in equilibrio fra di loro: sedia, barca e treccia (o twist). Guardando frontalmente il cicloesano, esso si presenta come un esagono. Le conformazioni sedia, barca e treccia sono visibili osservando lateralmente il modellino del cicloesano. La conformazione a sedia è la più stabile (conformazione a più bassa energia) perché ad essa corrisponde una situazione priva di tensioni torsionali data dalla disposizione sfalsata dei legami di ogni coppia C-C. Nella conformazione a sedia si distinguono: Quando al posto degli H ci sono atomi o gruppi atomici ingombranti l’interconversione può essere impedita e le due conformazioni diventano distinguibili, fisicamente e chimicamente diverse (isomeria equato-assiale). Sostituendo, ad esempio, un idrogeno con un gruppo metile possiamo distinguere due conformazioni: metile e idrogeni assiali o equatoriali. La conformazione in cui il metile e gli idrogeni sono assiali è più instabile (a maggiore energia) della configurazione in cui metile e idrogeni sono equatoriali perché nella prima il sostituente e gli idrogeni sono più vicini. Quindi l’equilibrio è spostato verso destra (verso la conformazione più stabile in cui metile e idrogeni sono equatoriali). Alla conformazione a barca (meno stabile della sedia) corrisponde una tensione torsionale maggiore a causa della disposizione eclissata dei legami carbonio-idrogeno adiacenti. 8 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 LA STEREOISOMERIA NEGLI ALCHENI Negli alcheni la rotazione intorno al doppio legame non è libera: è necessario rompere il legame π e ciò richiede circa 64 kcal/mol (caso dell’etilene). Il doppio legame crea una tensione torsionale che vincola la libera rotazione attorno al legame stesso. Di conseguenza, due alcheni bisostituiti sui due diversi C del doppio legame, che derivano dalla rotazione intorno ad esso, non si trasformano spontaneamente l’uno nell’altro e costituiscono due composti distinti (isomeri geometrici CIS- TRANS). L’interconversione è impedita dalla presenza del doppio legame. Si applica la nomenclatura cis-trans nel caso di alchene bisostituito (due sostituenti sui due diversi C del doppio legame). Se i due sostituenti si trovano dalla stessa parte si antepone cis- al nome dell’alchene. Se i due sostituenti si trovano da parti opposte si antepone trans- al nome dell’alchene. Se abbiamo più di due sostituenti non è possibile applicare la nomenclatura cis-trans. La notazione E-Z si applica agli alcheni tri e tetra-sostituiti. Regole per la nomenclatura E-Z IUPAC. Stabilire il grado di priorità dei quattro gruppi legati a ciascun carbonio: a. Ha maggiore priorità il gruppo con l’atomo con il più alto numero atomico. b. Se il primo atomo è lo stesso, si guardano i successivi (stessa regola del numero atomico). c. Se s'incontrano gruppi sostituenti legati con doppio o triplo legame, essi vanno trattati come un insieme di atomi legati con legame semplice. Cioè il triplo legame ha priorità maggiore del doppio legame che ha priorità maggiore del legame semplice: C2H5– < CH2=CH– < HC≡C– Se i gruppi a priorità maggiore sono dalla stessa parte l’isomero è Z (zusammen, insieme); in caso contrario è E (entgegen, opposti). Regola pratica di sequenza: -I, -Br , -Cl , -SO2R , -SOR , -SR , -SH , -F , -OCOR , -OR , -OH , -NO2 , - NHCOR , -NR2 , -NHR , -NH2 , - CCI3 , -COCl , -COOR , -COOH , -CONH2 , -COR , -CHO , -CR2OH , - CHROH , CH2OH , -C6H5 , -CR3 , -CHR2 , CH2R , -CH3 , -D , -H. Nell’esempio in figura il gruppo Ph è il gruppo fenile (che è un benzene). Al carbonio che si trova a destra del doppio legame sono legati un gruppo fenile e un gruppo carbossile. Entrambi i gruppi iniziano con un carbonio quindi per stabilire la priorità applichiamo la regola b. Osservando gli atomi successivi (ossigeno nel gruppo carbossile e carbonio nel gruppo fenile) notiamo che l’ossigeno ha numero atomico maggiore del carbonio quindi il carbossile ha priorità maggiore del gruppo fenile, cioè si assegna 1 al carbossile e 2 al fenile. Sul carbonio a sinistra del doppio legame si assegna 1 al fenile e 2 all’idrogeno. Esempio nomenclatura E-Z 9 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 LA STEREOISOMERIA: L’ISOMERIA OTTICA (es. carboidrati e amminoacidi) ENANTIOMERI: isomeri geometrici che sono l’immagine speculare l’uno dell’altro. I due enantiomeri fanno ruotare dello stesso angolo ma in senso opposto il piano della luce polarizzata (unica differenza del comportamento fisico-chimico dei due isomeri). DIASTEREOISOMERI: isomeri geometrici che non sono immagini speculari (lo sono anche gli alcheni E-Z e CIS-TRANS). CHIRALITA’: le molecole chirali non sono sovrapponibili alle loro immagini speculari. Esempio di chiralità: carbonio chirale, che lega quattro gruppi diversi tra loro (carbonio con 4 sostituenti diversi). Quindi il carbonio chirale è ibridato sp3 e la molecola ha struttura tetraedrica. Attenzione: la presenza di un centro chirale in una molecola non garantisce la sua chiralità. CARBONIO CHIRALE: PROIEZIONI DI FISCHER La chiralità implica tridimensionalità ma poiché diventa complesso rappresentare tridimensionalmente le molecole, si adotta una rappresentazione convenzionale bidimensionale (proiezioni di fischer). Il centro chirale è adagiato su un piano di riferimento, due legami escono dal piano verso l’osservatore ed i due legami restanti sbucano sul lato opposto. Immaginando di “proiettare” i quattro legami sul piano si ottiene una rappresentazione bidimensionale, nella quale i legami assumono la forma di quattro segmenti disposti a croce. I due segmenti orizzontali, diretti uno a destra ed uno a sinistra, rappresentano i due legami diretti verso l’osservatore e perciò inclinati SOPRA il piano di rappresentazione; i due segmenti verticali, diretti verso l’alto e verso il basso, rappresentano i due legami diretti lontano dall’osservatore e perciò inclinati SOTTO il piano di rappresentazione. Per le rappresentazioni di Fischer (bidimensionali) valgono le seguenti regole: 1. ruotando la molecola di 90° si ottiene l’altro enantiomero 2. ruotando la molecola di 180° si riottiene l’enantiomero dipartenza 3. scambiando di posto 2 gruppi si ottiene l’altro enantiomero 4. scambiando di posto 3 gruppi si riottiene l’enantiomero di partenza. 10 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 CARBONIO CHIRALE: IDENTIFICAZIONE DELLA CONFIGURAZIONE DEGLI STEREOISOMERI (arrangiamento spaziale dei quattro sostituenti attorno al centro chirale), nomenclatura Criterio R/S (applicabilità generale IUPAC). I quattro sostituenti, legati al centro chirale, vengono classificati in ordine di priorità decrescente, dal maggiore al minore: 1 > 2 > 3 > 4 (le regole per l’attribuzione della priorità sono le stesse degli isomeri E-Z, note come Regole di Cahn Ingold Prelog). Si dispone il gruppo con priorità più bassa (4) il più lontano possibile dall’osservatore in modo da trovarsi di fronte i tre gruppi restanti legati al centro chirale (in genere il 4 è l’idrogeno, se compare come sostituente). Infine si stabilisce in quale verso decresce la priorità dei tre gruppi 1, 2, 3; se la priorità decresce procedendo nel verso orario, il centro chirale viene designato R (rectus); se la priorità decresce procedendo nel verso antiorario, il centro chirale si designa S (sinister). Criterio R/S usando le proiezioni di Fisher. Si assegnano le priorità dei gruppi secondo le regole note e si dispongono i sostituenti sulla croce in modo tale da avere il gruppo a priorità inferiore 4 sull’asse verticale (lontano dall’osservatore). Infine si stabilisce se il senso di rotazione dal gruppo 1 al gruppo 3 è orario (isomero R) o antiorario (isomero S). Criterio D/L (applicabile solo a stereoisomeri il cui atomo di carbonio asimmetrico risulti legato a un atomo di idrogeno). La molecola va disegnata applicando la proiezione di Fischer; i quattro gruppi legati al centro chirale non vanno disposti a caso, ma sistemando il gruppo più ossidato Rox in alto e quello più ridotto Rrid in basso. Di conseguenza ai lati del centro chirale si vengono a trovare un atomo di H da una parte ed un atomo o gruppo atomico X dall’altra. Se il gruppo X si trova a destra la molecola si dice avere configurazione D in caso contrario ha una configurazione L. Questo criterio si applica in chimica biologica, ad esempio, agli zuccheri e agli amminoacidi (in natura abbiamo gli L-amminoacidi). La chiralità è importante per la reattività delle molecole; infatti ad esempio gli enzimi riconoscono gli L-amminoacidi e hanno difficoltà ad interagire con i D-amminoacidi. 11 Oberto/Cavallone 04 Bioingegneria Chimica (Ciardelli) 08/10/2020 Caso di più centri chirali In un composto contenente n atomi di carbonio asimmetrici, il numero massimo di diastereoisomeri possibili è pari a 2n. Il numero di isomeri previsto da questa regola è quello massimo. A volte alcune caratteristiche strutturali riducono il numero effettivo di isomeri. Nel caso più semplice di una molecola contenente due atomi di carbonio asimmetrici, i diastereoisomeri possibili sono 2n = 4 tra i quali si possono identificare due coppie di enantiomeri. Per esempio nel 2,3- dicloropentano, molecola avente due carboni asimmetrici (2 centri chirali), è possibile distinguere quattro possibili isomeri: 1-3, 1-4, 2-3, 2-4 sono diastereoisomeri (hanno un centro chirale uguale e uno simmetrico). Composto meso: contiene più stereocentri ma nel suo complesso, a causa dell'esistenza di un piano di simmetria interno, risulta otticamente inattivo, non si parla di chiralità. Racemo: miscela equimolecolare (metà isomeri R, metà isomeri S) di una coppia di enantiomeri otticamente inattiva. 12 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 Domanda: differenza tra meso e racemo Il composto MESO è un composto che per la sua struttura contiene un piano di simmetria che è perpendicolare alla molecola tagliandola a metà, le due parti della molecola (sopra e sotto) sono uguali essendo un piano di simmetria. Questo comporta l’assenza di attività ottica cioè la capacità dei composti di ruotare il piano della luce polarizzata di un certo angolo in una certa direzione la quale è uguale e opposta per i due stereoisomeri. In questo caso, questo potere non c’è perché è come se le rotazioni imposte al piano della luce polarizzata delle due metà della molecola, scompensasse a causa di questo piano di simmetria. Quindi l’immagine è speculare e mostra la stessa molecola. Miscela RACEMO è una miscela in cui sono presenti un numero di molecole uguali dei due stereoisomeri cioè se R e S al 50% ciascuno. Separando la molecola si avrebbe attività ottica; non la si vede perché la % della molecola R è uguale ed opposta alla % della molecola S. Quindi il composto meso vale solo per alcuni composti con dei centri chirali ma un piano di simmetria, una miscela racemo può essere fatta con un qualsiasi composto chirale CENNI DI REATTIVITA’ DELLE MOLECOLE ORGANICHE I GRUPPI FUNZIONALI determinano la reattività di una molecola quindi il suo comportamento chimico proprio perché all’interno di essi troviamo i SITI REATTIVI. I SITI REATTIVI si possono classificare in: - Siti poveri di elettroni, indicati con δ+ e sono i casi in cui un atomo per es il C, è legato ad un altro atomo più elettronegativo - Siti ricchi di elettroni, indicati con δ- in cui si ha un legame polarizzato in cui la carica negativa si trova sull’atomo più elettronegativo. Questi siti sono in genere atomi con una o più coppie solitarie, per es un atomo di O con dei doppietti elettronici (che si possono rappresentare con i due puntini o le due barrette). Un sito ricco di elettroni è il legame π, il doppio legame che tende ad utilizzare questi elettroni per la sua reattività. Queste polarizzazioni possono anche estremizzarsi, si possono avere degli ioni ad es un carbocatione positivo. REAGENTI: sono sostanze che si aggiungono ai composti organici per indurne la reazione. Essi sono classificati in base al tipo di sito reattivo con il quale reagiscono. Se il reagente è attratto da regioni cariche positivamente, siti poveri di elettroni, sono detti NUCLEOFILI à amici del nucleo. Sono particelle che hanno coppie elettroniche solitarie o doppi legami. Le basi forti sono buoni nucleofili (essendo che una base dona doppietti elettronici). I reagenti attratti da regioni cariche negativamente, siti ricchi di elettroni, sono detti ELETTROFILI à accettore di una coppia di elettroni. 1 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 Classificazione delle reazioni organiche Si possono classificare in 2 modi: - In base al tipo di reagente utilizzato: se si aggiunge un nucleofilo si parla di reazione nucleofila; se si aggiunge un elettrofilo si parla di reazione elettrofila. - In base a ciò che accade durante la reazione: se si aggiungono atomi ad una molecola, si ha un’ADDIZIONE; se si perdono atomi, in genere 2, si ha una reazione di ELIMINAZIONE; se si sostituisce, si rimpiazza un gruppo con un altro gruppo diverso, si parla di SOSTITUZIONE. Il gruppo che viene rimpiazzato è detto gruppo uscente. I gruppi che tendono ad uscire facilmente dalle molecole sono detti buoni gruppi uscenti. Ad esempio, le basi deboli, che non sono dei buoni nucleofili, sono dei buoni gruppi uscenti. Se all’interno di una molecola, si ha una riorganizzazione degli atomi, una disposizione diversa della molecola nello spazio, si ha la TRASPOSIZIONE. Meccanismi di reazione Durante una reazione chimica si rompono dei legami e se ne formano altri. Questa rottura e formazione di legami implica uno spostamento di elettroni. Il meccanismo descrive la collisione efficace tra i reagenti e il composto (o substrato) fino ad ottenere i prodotti (il risultato finale). Nei meccanismi di reazione si scrive quello che avviene prima cioè la collisione efficace tra gli atomi e quindi l’orientamento, durante la collisione quando gli elettroni si spostano e dopo la collisione. Lo spostamento di elettroni è rappresentato da frecce curve che partono dal doppietto elettronico e arrivano nel punto in cui gli elettroni si sono sistemati. Per verificare che la reazione funzioni, ci si chiede: - Quanto è efficace il nucleofilo o l’elettrofilo? Quanto elevata è la sua reattività? Ad es un gruppo carbonile è più reattivo di un cloruro alchilico - La reattività è determinata anche da aspetti sterici quindi ci si chiede se la particella che attacca può accedere al sito di reazione o se c’è impedimento sterico. Ad es si ha in entrambi i casi un legame Cl – C quindi ho una polarizzazione del legame, un sito elettrofilo e un sito nucleofilo. Nel cloruro metile l’attacco al C elettrofilo è più facile che nel secondo caso perché i 3 metili stericamente, con le loro nuvole elettroniche, impediscono un attacco nucleofilo verso il sito elettrofilo. - Quanto sono forti i legami? Si romperanno facilmente? Il legame C – Br vale 276 kJ mol-1, quello C – Cl 338 kJ mol-1 quindi il primo si rompe più facilmente del secondo perché bisogna fornire meno energia per romperlo. Ricapitolando, le reazioni chimiche si possono classificare in base ai reagenti e al meccanismo di reazione. Le più comuni sono: - Sostituzione o Nucleofila o Elettrofila aromatica - Addizione - Eliminazione 2 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 ALCANI Gli alcani non sono dei composti così interessanti dal punto di vista della reattività. Provengono dal petrolio e dai gas naturali (a più basso peso molecolare, in particolare il metano) e vengono preparati per distillazione frazionata che isola i singoli composti da queste miscele reperibili naturalmente. La principale reazione è quella di COMBUSTIONE utilizzata per produrre energia. ALOGENAZIONE è una reazione radicalica ottenuta tramite irraggiamento luminoso o riscaldamento e in presenza di alogeni, gli atomi di H dell’alcano, possono essere sostituiti da atomi di alogeno (e questo è un metodo per preparare gli alogenuri alchilici). ALCHENI Gli Alcheni possono subire reazioni di ADDIZIONE DI ACIDI ALOGENIDRICI (Idroalogenazione) È interessante vedere la loro reattività perché si possono avere dei risultati inattesi. Per esempio, guardando l’addizione di “Acido cloridrico” al “3-metil-1-butene” si ottengono 2 composti: il “2-cloro-3-metilbutano” e il “2-cloro-2-metilbutano”. Il secondo prodotto non lo si aspetta perché il Cl va a finire su un atomo di C che non era impegnato nel doppio legame. Questo succede perché: nel primo stadio di addizione c’è l’addizione del protone al doppio legame quindi l’H si attacca sul primo atomo di carbonio del doppio legame e si forma un carbocatione sull’altro atomo di carbonio. (Il carbocatione primario non si sarebbe potuto formare essendo meno stabile del secondario). Successivamente si ha Cl- e C+ che si legano dando come risultato il “2-cloro-3-metil-butano” che si forma solo per un 40%. L’altro composto si ha perché avviene una trasposizione cioè uno spostamento di atomi. Dal carbocatione secondario c’è la trasposizione di idruro cioè si sposta un H con i suoi 2 elettroni (come se si spostasse un H-) e si trasferisce dall’atomo di carbonio terziario al secondario. Avendo spostato un idruro (H- ) si è formato un carbocatione terziario che è più stabile del secondario. Quindi la driving force di questo spostamento è la formazione di un carbocatione più stabile. Il carbocatione terziario appena formato velocemente si lega al Cl- e si ottiene il legame C-Cl e quindi il “2-cloro-2-metilbutano” 3 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 Domanda: visto che il terziario è più stabile del secondario perché solo il 60% del risultato finale della reazione contiene il terziario e non il 100%? Ci sono aspetti termodinamici che tendono a generare composti più stabili ma ci sono anche aspetti cinetici. Il carbocatione secondario si forma prima dell’altro. La reazione appena vista è quella che avviene per via IONICA. L’alternativa è per via RADICALICA. È impossibile per HCl e HI, è possibile per HBr. È un’addizione radicalica agli alcani che avviene in presenza di sostanze chimiche, per esempio i perossidi o condizioni di luce o calore, che stimolano la formazione di radicali, cioè la rottura omolitica di legami. Se si pensa all’addizione ionica si ottiene Per via radicalica invece si forma 1-bromopropano. Anche qui la risposta si ha nel meccanismo: quando si usa un perossido RO-OR (come per es l’acqua ossigenata), illuminandolo da origine a 2 radicali. Questo radicale reagisce con HBr, si forma l’alcol e reagisce con Br. Poi il Br si attacca all’alchene e si forma il radicale sull’altro atomo di carbonio. Non avviene questo che è a lato perché come per i carbocationi, il radicale secondario è più stabile del radicale primario. Alla fine, il prodotto finale è riportato in figura a dx e in più si ha un Br che propaga la reazione a catena (che continua finchè il radicale non muore perché urta con le pareti del recipiente). Quindi in questo caso il risultato è opposto: non si ottiene più il “2-bromopropano” con il meccanismo ionico dove si forma il carbocatione (dove vale la regola di stabilità dei carbocationi), ma si ottiene 1 bromo propano perché il meccanismo è radicalico. L’orientazione del prodotto finale si dice anti-Markovnikov La REGOLA DI MARKOVNIKOV descrive l’addizione ai doppi legami. Nel caso del Propene + HCl, il risultato è il 2-cloropropano perché l’H+ si addiziona al doppio legame, si forma il carbocatione secondario mentre non si forma il carbocatione primario. Poi successivamente si attacca il Cl e si ottiene il 2 cloropropano. Questo si spiega con questa regola che ci spiega intuitivamente “chi più ha, più sarà dato”. Il C che aveva già 2 H, ne prende un terzo. 4 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 L’addizione radicalica è anti MARKOVNIKOV perché il risultato è quello opposto a quello predetto dalla regola (non perché la regola non vale, essa vale solo quando c’è addizione ionica). ADDIZIONE DI ALOGENI I due atomi di Cl si vanno a legare ai due atomi impegnati nel doppio legame Si può avere addizione di acqua agli alcheni per dare gli alcol. Anche in questo caso la regola di MARKOVNIKOV è rispettata. Oppure c’è l’idrogenazione, addizione di H agli alcheni, catalizzato da Palladio con formazione dell’alcano corrispondente. ALCHINI Possono dare addizione al triplo legame formando alcheni sostituiti analogamente a quanto visto per il doppio legame. La preparazione è una reazione di eliminazione: trattando con KOH si elimina una molecola HX, si ottiene l’alchene e poi trattando con una base ancora più forte, NaNH2, si ottiene l’alchino. ALOGENURI ALCHILICI Detti anche “alogenoalcani”, “aloalcani”. Le reazioni viste danno come prodotto gli alogenuri alchilici, che hanno un importante sito reattivo: il C legato all’alogeno perché l’elettronegatività del C è più bassa degli alogeni (F, Cl e Br) e quindi si ha una polarizzazione del legame C-alogeno. Quindi si ha un atomo di C elettrofilo che si può attaccare con altri anioni, altre specie nucleofile ricche di elettroni come per es, l’acqua, l’ammoniaca, CN-, ecc con un aumento della reattività. 5 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 Quando si fa reagire il nucleofilo col substrato (alogenuro alchilico) si ha una reazione di SOSTITUZIONE NUCLEOFILA. Il nucleofilo attacca il C positivo e il substrato fa uscire il gruppo X (per es l’alogeno) che abbiamo chiamato gruppo uscente. Gli alogeni sono dei buoni gruppi uscenti. Nel caso in cui si ha un nucleofilo carico positivamente si ha un intermedio R-NuH+ che forma Nu-R + H Sostituzione nucleofila: sostituzione del gruppo X col nucleofile. Risultati di questa sostituzione La reazione può avere un meccanismo di tipo SN1 e SN2 dove “SN” sta per sostituzione nucleofila. Dato questo legame, si possono avere 2 casi: - una scissione eterolitica SN1 (foto a dx) - una scissione formalmente di tipo omolitico SN2 SN2 La reazione avviene in unico stadio: c’è l’attacco del nucleofilo e contemporaneamente la rottura del legame con gruppo uscente. C’è uno stato intermedio di reazione che si chiama “stato di transizione” a più alta energia, il C sta legato un po’ all’OH e un po’ al Br. A questo punto può decidere di tornare indietro o completare la reazione, cosa favorita termodinamicamente perché l’alcol finale è stabile dell’alogenuro. Il legame C-Br si rompe e si forma il legame C-O. 6 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 Questo meccanismo è favorito per gli alogenuri metilici poi primari, secondari e infine terziari perché l’attacco del nucleofilo sul C, tanto più C si hanno, tanto più stericamente il nucleofilo è ostacolato a reagire col C. Per quanto riguarda la reattività degli alogeni: RCl < RBr < RI perché dipende dalla forza del legame tra C e alogeno. Si chiama SN2 perché è bimolecolare cioè la velocità di reazione dipende sia dalla concentrazione del nucleofilo che dell’alogenuro. SN1 Nel meccanismo SN1 la reazione avviene in due stadi. Nel primo stadio si ha una rottura eterolitica del legame C alogeno à formazione del carbocatione. Successivamente, secondo stadio, il carbocatione reagisce col nucleofilo portando alla formazione del prodotto finale di sostituzione. È una cinetica SN1 perché nella prima fase è uno stato lento. In questo caso la reattività è al contrario: la stabilità è bassa nel metilico e cresce via via che cresce nell’alogenuro. Quindi con un terziario si ha il meccanismo monomolecolare SN1, con un primario o un metilico, meccanismo di tipo bimolecolare SN2. ALCOLI Simili agli alogenuri, cioè non sono solo reagenti ma sono anche dei prodotti. Si ha una polarizzazione del legame C-O. Per la reattività il gruppo funzionale è il gruppo ossidrilico. La reattività degli alcoli è dovuta all’atomo di C che può essere attaccato dai nucleofili, oppure le basi coniugate degli alcoli possono essere viste come dei nucleofili che reagiscono tramite l’ossigeno: si ha una bivalenza di reattività. 7 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 Inoltre, possono subire una OSSIDORIDUZIONE: si può passare da un alcol primario ad un aldeide e proseguendo si arriva all’acido carbossilico. Invece gli alcol secondari si fermano ai chetoni e poi non è più ossidabile non avendo più H. Il terziario non è reattivo all’ossidazione. ESTERIFICAZIONE: l’acido carbossilico reagisce con l’alcol e forma l’estere liberando una molecola d’acqua. La reazione è reversibile, quindi da un estere per idrolisi si possono ottenere l’alcol e l’acido DISIDRATAZIONE: reazione opposta all’idratazione degli alcheni. Si toglie una molecola d’acqua e si forma l’alchene. I primari agiscono più difficilmente dei secondari e dei terziari poiché la reazione procede per via ionica. Sono favoriti i terziari. ALDEIDI E CHETONI Hanno la polarizzazione del gruppo carbonilico. Anche questi gruppi funzionali possono reagire con i nucleofili tramite ADDIZIONE NUCLEOFILA Il nucleofilo con i due elettroni, attacca il C positivo a formare un prodotto di addizione. Ed aggiungendo acqua si ottiene l’alcol. Nel caso degli aldeidi alcoli secondari, nel caso dei chetoni, alcoli terziari. OSSIDORIDUZIONE Riducendo il gruppo carbonilico dell’aldeide si può ottenere l’alcol primario. Ossidando gli aldeidi invece gli acidi carbossilici. I chetoni non si ossidano (non avendo H), ma si può ridurre un chetone ad alcol secondario. Di fatto questa riduzione si può vedere come un’addizione nucleofila. L’atomo di carbonio del carbonile presenta un numero di ossidazione intermedio (+1 nelle aldeidi, +2 nei chetoni): si tratta quindi di composti molto reattivi. Nell’ossidazione di un’aldeide ad acido carbossilico il numero di ossidazione del carbonio del carbonile passa da +1 a +3 8 De Sio/Merendino 05 Bioingegneria chimica (Ciardelli) 13/10/20 ACIDI CARBOSSILICI Possono dare reazione di esterificazione con gli alcoli e possono essere ridotti ad aldeidi e infine ad acoli primari (in senso inverso, l’ossidazione). Derivati degli Acidi carbossilici - ALOGENURI ACILICI à esistono solo i cloruri acilici, molto poco i bromuri acilici. Sono composti soggetti a reazioni di sostituzione nucleofila. Si ottengono per sostituzione nucleofila del gruppo -OH di un acido carbossilico con un atomo di alogeno (-Cl o -Br) Cloruro acilico con R’OH e si forma l’estere + HCl È una sostituzione nucleofila quindi si potrebbe ragionare analogamente a quello visto per gli alogenuri alchilici e parlare di reazione di sostituzione, in realtà questa reazione è un po’ diversa: è un’addizione al gruppo carbonilico, l’eliminazione del Cl, il risultato finale è una sostituzione nucleofila acilica. - ANIDRIDI à sono il prodotto della condensazione tra due molecole di acidi carbossilico - ESTERI à sono il prodotto della condensazione (unione con eliminazione di una molecola d’acqua) tra un alcol ed un acido carbossilico in ambiente acido 9 Lopreiato/Pusceddu 06 Bioingegneria chimica (Boffito) 15/10/2020 Amminoacidi e proteine Le proteine sono lunghe catene polimeriche lineari costituite da tanti blocchetti legati in sequenza uno dietro l'altro, questi blocchetti costituenti le proteine sono appunto gli amminoacidi. Dal punto di vista funzionale le proteine sono delle macromolecole e in particolare possono essere definite come le macromolecole più versatili dei sistemi viventi, questo perché le si trovano coinvolte con un ruolo importante e fondamentale in tutti i processi che avvengono a livello biologico. A seconda del tipo di funzione che le proteine svolgono nei processi biologici possono essere categorizzate in diverse famiglie. Esse possono: - Agire da catalizzatori (enzimi): una particolare famiglia di proteine che svolgono il ruolo di catalizzare le reazioni biologiche. - Trasportare o conservare altre molecole, come l’ossigeno (proteine di trasporto): rientrano in questa categoria ad esempio l’emoglobina, l’albumina e la mioglobina. - Fornire un supporto meccanico (proteine strutturali): le proteine strutturali sono proteine che svolgono un ruolo di supporto, vanno infatti a costituire delle sorte di impalcature. Un esempio è l'impalcatura della matrice extracellulare. Appartengono a questa categoria il collagene e la cheratina. - Fornire una protezione immunitaria (anticorpi): le proteine che entrano in gioco nei meccanismi della protezione immunitaria vanno sotto il nome di anticorpi. - Generare movimento (proteine contrattili): le proteine che partecipano ai processi biologici e che convergono verso la produzione di un movimento vanno sotto il nome di proteine contrattili e tra esse ci sono la miosina e l'actina. - Trasmettere impulsi nervosi: proteine coinvolte nei meccanismi di trasporto, come ad esempio il trasporto degli impulsi nervosi. Appartengono a questa categoria le proteine che costituiscono la pompa sodio-potassio e le proteine che vanno a costruire canali ionici. - Controllare la crescita e il differenziamento (fattori di crescita): proteine il cui ruolo fondamentale è quello di controllare e guidare i processi di crescita e di differenziamento cellulare, in questo caso si parla di fattori di crescita. Caratteristiche principali delle proteine 1. Dal punto di vista chimico le proteine sono dei polimeri lineari a blocchi costituiti da unità monomeriche che prendono il nome di amminoacidi. La funzione di una proteina dipende direttamente dalla sua struttura tridimensionale. Si ripiegano spontaneamente in strutture tridimensionali che sono determinate dalla sequenza di amminoacidi del polimero proteico. 1 Lopreiato/Pusceddu 06 Bioingegneria chimica (Boffito) 15/10/2020 Le proteine sono caratterizzate da diversi livelli strutturali. Si possono definire per ogni proteina diverse strutture: la primaria, la secondaria, la terziaria ed eventualmente quaternaria. Ogni grado strutturale va a definire una delle caratteristiche delle proteine, parlando della struttura primaria si va a definire quali sono gli amminoacidi costituenti quella proteina e in che ordine sono legati tra di loro, passando a una struttura terziaria si va a caratterizzare la proteina in termini di organizzazione spaziale (nello spazio tridimensionale) cioè come la catena proteica è organizzata in 3D nella tridimensionalità. Questi diversi livelli strutturali sono estremamente concatenati tra loro, ogni livello va ad influenzare ciò che la proteina è nel livello successivo. Ad esempio ciò che la proteina è nella tridimensionalità (la sua organizzazione nello spazio tridimensionale) è determinato dalla sequenza degli amminoacidi, quindi la struttura terziaria è strettamente legata e determinata da quella che è la struttura primaria, cioè la sequenza degli amminoacidi. A determinare strettamente la funzionalità delle proteine e il ruolo che esse svolgono nei processi biologici è proprio la struttura terziaria, ovvero il modo in cui la catena proteica si organizza nello spazio. In questa immagine una proteina (la cui funzione è data dalla struttura) è coinvolta nella macchina molecolare della replicazione del DNA. Questa proteina svolge un ruolo molto importante poiché ha una forma circolare in cui tiene ferma la doppia elica del DNA nella posizione corretta durante il processo di replicazione. La struttura della proteina permette a grandi segmenti del DNA di poter essere copiati senza che il macchinario per la replicazione si dissoci. Quindi a determinare la funzione che le proteine svolgono nei processi biologici è la loro struttura tridimensionale (struttura terziaria) che ha poi un livello strutturale successivo nella struttura quaternaria che però non è presente in tutte le proteine. 2. Le proteine contengono diversi gruppi funzionali: gli amminoacidi contengono diversi gruppi funzionali e questi gruppi a loro volta vengono poi esposti lungo le catene proteiche. Tra i diversi gruppi funzionali che si possono incontrare si ricordano i gruppi degli alcoli (OH), il tiolo (SH), tioesteri, acidi carbossilici, carbossamidi e altri diversi gruppi basici come il gruppo NH2. Questi gruppi giocano un ruolo molto importante nel determinare le funzioni delle proteine, dal momento che essendo dei gruppi funzionali reattivi compartecipano alle reazioni che avvengono nei processi biologici. La reattività chimica di questi gruppi è essenziale per l’attività degli enzimi, dal momento che l’enzima catalizza le reazioni e nel catalizzarle sfrutta spesso i gruppi funzionali che sono esposti dagli aminoacidi che lo costituiscono. 2 Lopreiato/Pusceddu 06 Bioingegneria chimica (Boffito) 15/10/2020 3. Le proteine possono interagire le une con le altre e con altre macromolecole biologiche per formare strutture complesse: esiste infatti la possibilità di una struttura quaternaria che altro non è che un grosso complesso proteico costituito da tante unità proteiche che interagiscono tra loro. Alcune proteine possono associarsi ad altre macromolecole biologiche per creare delle strutture complesse che svolgono attività particolari. La capacità delle proteine di interagire fortemente con le altre macromolecole o con altre proteine porta alla creazione di strutture altamente complesse, altamente specifiche e altamente funzionali, alcuni esempi sono la macchina molecolare responsabile della replicazione del DNA, la trasmissione dei segnali all’interno della cellula e molti altri processi fondamentali. 4. Alcune proteine sono rigide, mentre altre sono relativamente flessibili: a seconda di quali sono gli amminoacidi costituenti le proteine e come la catena amminoacidica costituente si organizza nello spazio, si possono distinguere in proteine che hanno un comportamento più rigido e proteine che invece hanno un comportamento flessibile. Questa rigidezza o flessibilità è strettamente legata al ruolo che poi esse svolgono all'interno dell'organismo. Si ha a che fare con proteine che hanno una conformazione più rigida quando facciamo riferimento a proteine che svolgono un ruolo di tipo strutturale, quali quelle che vanno a costituire il citoscheletro (l’ossatura interna della cellula) piuttosto che il tessuto connettivo. Le proteine che invece hanno una struttura più flessibile possono agire come dei cardini, come delle molle o delle leve essenziali per l’associazione delle proteine tra loro o con altre macromolecole, e per la trasmissione delle informazioni all’interno della cellula o tra cellule e cellule. In questa figura è riportato l'esempio della proteina lattoferrina. Questa proteina cambia la sua conformazione in base al fatto che alloggi o meno un atomo di ferro. Nella sua conformazione libera tende ad essere aperta infatti ha la sede che andrà ad ospitare l'atomo di ferro. Nel momento in cui l'atomo di ferro entra, la configurazione della proteina cambia e questo cambiamento fa sì che a livello biologico le altre macromolecole possano immediatamente capire se la lattoferrina in quel momento ha o meno l'atomo di ferro all'interno della propria sede. Il fatto di avere a che fare con proteine particolarmente flessibili offre tra i vari vantaggi anche la possibilità di avere delle variazioni conformazionali che portano, a livello biologico, alla possibilità di capire subito se la proteina è o meno in una conformazione piuttosto che in un’altra. Nell’esempio della lattoferrina, se la proteina sta o meno legando l'atomo di ferro. 3 Lopreiato/Pusceddu 06 Bioingegneria chimica (Boffito) 15/10/2020 Amminoacidi Gli amminoacidi sono gli elementi costituenti le proteine, quest’ultime sono dunque dei polimeri costituiti da amminoacidi. Il legame che intercorre tra un amminoacido e quello successivo è chiamato legame ammidico peptidico (immaginare un treno di amminoacidi), perciò dal punto di vista chimico le proteine sono anche definite come delle poliammidi per mettere in evidenza la natura del legame che intercorre tra i vari elementi costituenti. Gli elementi costituenti sono gli amminoacidi. Di solito si parla di α-amminoacidi, questo prefisso α- va indicare che l'atomo di carbonio centrale costituente gli amminoacidi è un atomo di carbonio α. Si parla di atomo di carbonio α quando si tratta di un atomo di carbonio adiacente ad un gruppo carbossilico. La figura qui riportata va a schematizzare quella che è la struttura che caratterizza gli amminoacidi. Tutti gli amminoacidi hanno una struttura tipo: un carbonio centrale (α) a cui sono legati quattro sostituenti, quali un gruppo carbossilico (COOH), un atomo di idrogeno, un gruppo amminico (NH2) e un ultimo gruppo chiamato genericamente gruppo R che va ad identificare la catena laterale. Sarà proprio la natura chimica della catena laterale R a determinare e caratterizzare ciascun amminoacido. Data la disposizione a tetraedro dei quattro gruppi diversi intorno all’atomo di carbonio α, gli amminoacidi sono molecole chirali, questo vale per tutti gli amminoacidi ad eccezione di uno che è la glicina. La glicina è un’eccezione poiché il suo atomo di carbonio centrale, essendo legato a due atomi di idrogeno non è uno stereocentro. Parlare di carbonio chirale o molecole chirali fa riferimento ad un carbonio che ha legato a sé quattro sostituenti differenti. In questa molecola che si sta prendendo in esame non è sovrapponibile in alcun modo alla sua immagine speculare, un esempio tipico è la mano destra e la mano sinistra che sono uno l'immagine speculare dell'altra ma non possono in alcun modo sovrapporsi. Invece quando una molecola è sovrapponibile alla propria immagine speculare attraverso delle operazioni di traslazione e rotazione allora si parla di molecole achirali. Un altro modo per distinguere le molecole o gli oggetti achirali da quelli chirali è fare delle considerazioni sulla eventuale presenza di un piano di simmetria. Quando si parla di molecole chirali si fa riferimento a delle molecole per i quali non è possibile identificare un piano di simmetria, ad esempio nel caso della mano non è possibile in alcun modo definire un piano di simmetria su di essa. Diversamente quando facciamo riferimento a molecole o oggetti chirali è possibile identificare un piano di simmetria. 4 Lopreiato/Pusceddu 06 Bioingegneria chimica (Boffito) 15/10/2020 Nell'immagine riportata si trova un esempio di oggetto achirale (una flask , beuta in italiano ed è un tipo di contenitori utilizzati nei laboratori chimici), trattandosi di un contenitore che ha una simmetria risulta sovrapponibile alla propria immagine speculare ed è possibile anche identificare un piano di simmetria, per questo si parla di oggetto achirale. Quando abbiamo a che fare con due molecole identiche in tutto, salvo l'essere una l'immagine speculare dell’altra tra loro non sovrapponibili, si parla di enantiomeri. Per quanto riguarda le proprietà fisiche gli enantiomeri differiscono unicamente per il potere rotatorio, quest’ultimo è identico in termini numerici quindi in valore assoluto, ma è opposto di segno. Per definire il potere rotatorio in una molecola organica si utilizzano degli strumenti che si chiamano polarimetro. Nei polarimetri c'è una sorgente luminosa che va a creare una luce non polarizzata che attraverso un polarizzatore diventa una luce polarizzata, quest’ultima viene messa in contatto all'interno di un tubo porta campione con la molecola organica che si sta caratterizzando e si va a misurare di quanto viene ruotata questa luce polarizzata in presenza della molecola organica. Quando si ha a che fare con degli enantiomeri, l'entità di rotazione della luce polarizzata è uguale quindi stiamo parlando di intensità di rotazione uguali in termini assoluti, per un enantiomero la rotazione è in verso orario mentre per l’altro enantiomero la rotazione è in verso antiorario. Questa è l'unica differenza in termini di proprietà fisiche. Per convenzione se la rotazione del piano è in senso orario, si attribuisce il segno ed il composto è definito destrogiro D, se invece la rotazione è in senso antiorario si attribuisce il segno ed il composto si dice levogiro, L. L’entità della rotazione del piano della luce polarizzata è detta potere rotatorio. Si definisce potere rotatorio specifico [α] la rotazione osservata con un campione di concentrazione 1g/ml, con un cammino ottico di 1dm, a 20°C, utilizzando una luce di lunghezza d’onda di circa 589 nm: 5 Lopreiato/Pusceddu 06 Bioingegneria chimica (Boffito)