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PROPEDEUTICA BIOCHIMICA
propedeutica biochimica - lez. 1 - 23 Nov 2021
1. Introduzione alla chimica organica
La chimica organica è la chimica dei composti del carbonio. Questo elemento ha particolare rilevanza biologica in quanto ha caratteristiche uniche rispetto a tutti gli altri elementi della tavola periodica; persino lo stesso silicio, che è subito successivo nello stesso gruppo del carbonio, non ha le sue stesse proprietà. Solo il carbonio ad esempio è in grado di dare vita a composti stabili costituiti da lunghe catene carboniose e costituite di vari elementi (oltre al carbonio) Sebbene per via sintetica si possano costituire numerosissimi composti del carbonio, solamente alcuni sono effettivamente individuabili; questi ultimi sono l’oggetto di studio della chimica organica. La reattività e le caratteristiche dei composti organici dipendono dai gruppi funzionali presenti in ciascuna molecola. Questi ultimi sono anche il “parametro” principale per la classificazione dei composti organici.
1.1 Il carbonio nei composti organici
Il carbonio è un elemento che forma sempre 4 legami covalenti in diverse combinazioni:
. 4 legami semplici . 1 legame doppio e 2 semplici . 2 legami doppi . 1 l egame triplo e 1 semplice Il fatto che il carbonio sia tetravalente (forma 4 legami) si può spiegare se un elettrone passa dall’orbitale 2 s all’orbitale 2 p, seguendo la regola di Hund ( quando gli elettroni si trovano su orbitali di pari energia, si dispongono ognuno su un orbitale diverso con spin parallelo agli altri) In alcuni rari casi (negli intermedi di reazione) il carbonio può formare 5 legami; in realtà questa considerazione è valida solo in parte in quanto il carbonio pentavalente è un’entità non isolabile.
1.2 L’ibridazione del carbonio
( ricordare che il carbonio non è l’unico elemento ad avere ibridazione) La configurazione del carbonio è [𝐻 𝑒] 2 𝑠 e può assumere una diversa ibridazione in base ai legami 2 2 𝑝 2 che deve formare.
. Ibridazione 𝑠𝑝(più comune) 3 Questo tipo di ibridazione coinvolge un orbitale di tipo s (viola) e 3 orbitali di tipo p (azzurri). Questi 4 orbitali si mescolano assumendo tutti la stessa energia (si dice quindi che sono isoenergetici) Gli orbitali si devono disporre nello spazio in modo da tenere più lontani possibile i loro elettroni; si dispongono quindi a formare una struttura tetraedrica con i vertici a formare angoli di 109 , 5 °
- le “codine” più chiare che sporgono sono le code degli orbitali 𝑠𝑝 3
. Ibridazione 𝑠𝑝 2 si ha ibridazione di 3 orbitali ( 1 di tipo s e 2 di tipo p) mentre quello rimanente di tipo 2 p non partecipa all’ibridazione. Anche in questo caso gli elettroni devono stare alla massima distanza tra loro e quindi si dispongono a formare una struttura trigonale planare con i vertici a formare angoli di 120 °. Il quarto orbitale che non partecipa all’ibridazione rimane perpendicolare al piano. Dalla sovrapposizione lungo lo stesso asse di due orbitali 𝑠𝑝si forma un orbitale molecolare. 2 σ L’atomo di carbonio che presenta questa ibridazione può formare un solo doppio legame e due legami semplici; Non può formare due doppi legami come nella molecola di anidride carbonica in quanto in quel caso il carbonio è ibridato sp. Quando due atomi di carbonio si mettono in compartecipazione a formare un legame, i loro orbitali non ibridati 𝑝si sovrappongono a formare un orbitale molecolare 2 π La porzione di mezzo più chiara è la sovrapposizione degli orbitali, mentre quelli che sporgono lateralmente sono gli orbitali che formeranno i legami semplici. . Ibridazione 𝑠𝑝 è riscontrabile nell’acido cianidrico quando il carbonio si lega con l’azoto formando un triplo legame. In questo tipo di ibridazione sono coinvolti un orbitale di tipo s e un orbitale di tipo p, lasciando un elettrone ciascuno negli orbitali di tipo 2 p non coinvolti nell’ibridazione.
La scelta della rappresentazione della formula è fondamentale anche per comprendere le reazioni che avvengono all'interno di una molecola; ad esempio nella beta ossidazione degli acidi grassi è necessario l’utilizzo della formula di Lewis per comprendere quale atomo di carbonio beta va incontro alla reazione di ossidazione.
2.1 Molecole organiche semplici
Le molecole organiche semplici sono così definite in quanto rispetto a quelle più complesse contengono meno specie atomiche. Dagli idrocarburi si possono introdurre gli eteroatomi (idrocarburi che presentano in più elementi diversi da carbonio e idrogeno, che può essere ossigeno, azoto, zolfo…; la presenza di elementi diversi fa in modo che ogni molecola organica abbia delle caratteristiche peculiari sia a livello fisico che chimico). I gruppi funzionali trasformano completamente le molecole e le rendono differenti le une delle altre.
2.2 Gli Idrocarburi
Gli idrocarburi sono composti organici formati da idrogeno e carbonio: Tra idrogeno e carbonio il legame è semplice, mentre tra atomi di carbonio adiacenti il legame può essere semplice, doppio o triplo. La classificazione degli idrocarburi si basa sulla presenza o assenza di legami multipli tra gli atomi di carbonio. Per quanto riguarda le proprietà fisiche, dalla figura, si determina che tra molecole di idrocarburi, che sono molecole apolari in quanto il legame carbonio-idrogeno è apolare per la bassa differenza di elettronegatività tra i due atomi; tuttavia questa differenza serve a determinare il numero di ossidazione in quanto all’interno del metano il carbonio ha n.o. pari a - 4 (si assume che acquisti un elettrone da ogni atomo di idrogeno che a sua volta assume n.o. pari a + 1 ) A differenza dei composti inorganici, in quelli organici alcune combinazioni di elementi fanno in modo che il carbonio assuma n.o. diversi in funzione degli elementi a cui è legato.
In generale a pressione e temperatura costanti, gli idrocarburi appaiono gassosi poiché non hanno forze di attrazione rilevabili. Le uniche forze presenti sono quelle di attrazione tra i dipoli. Quando la pressione aumenta a temperatura costante si passa allo stato liquido; stessa cosa avviene con l’aumento del numero di molecole come conseguenza all’aumento del numero di forze di attrazione tra i dipoli istantanei: fino al butano ( 4 atomi di carbonio) gli idrocarburi sono allo stato gassoso, successivamente si passa allo stato liquido. Dopo 16 atomi di carbonio gli idrocarburi sono solidi (esempio bitume) 2. 2. 1 Classificazione degli idrocarburi Gli idrocarburi alifatici sono così chiamati in quanto prevedono la presenza di legami semplici o multipli o la presenza di una struttura ciclica chiusa o aciclica aperta Gli idrocarburi aromatici invece sono sostanze sostanze derivanti dal benzene (ad esempio l’ IPA che si trova nelle parti alimentari bruciati ed è tossico) 2. 2. 2 Gli alcani Il nome proviene dalla lingua araba. Sono molecole contenenti carbonio e idrogeno e in particolare il legame tra atomi di carbonio è di tipo semplice. La loro formula minima è 𝐶𝑛𝐻 2 𝑛+ 2 ; quindi per ogni atomo di carbonio esiste il doppio di atomi di idrogeno più due. Esempio il metano contiene 1 atomo di carbonio e 4 atomi di idrogeno In questo tipo di strutture il carbonio è ibridato 𝑠𝑝 e gli idrogeno sono disposti ai vertici di un tetraedro 3 regolare. Anche se la struttura dell’alcano fosse ramificata, verrebbe rispettata ugualmente la formula minima (purchè l’idrocarburo sia saturo e omoatomo) Esiste una tipologia particolare di alcani: i cicloalcani Questi sono appunto alcani che assumono una conformazione ciclica e la cui formula minima non rispetta la formula minima sopra citata; La formula minima degli alcani è 𝐶𝑛𝐻 2 𝑛 Per quanto riguarda la nomenclatura degli alcani si usa come regola generale il numero di atomi di carbonio come prefisso e - ano come suffisso Esempio; 1 C →CH 4 Metano 3 C →C 3 H 8 Propano
In alcune strutture come l’emoglobina, che contiene il gruppo eme sono presenti dei particolari gruppi che legano il ferro detti gruppi metilici 2. 2. 3 L’isomeria Ad ogni formula bruta possono corrispondere molte altre formule di struttura differente. Quando a due composti corrisponde la stessa formula bruta ma diversa disposizione spaziale e diversi legami, queste due strutture prendono il nome di isomeri Quindi per isomeri si intendono due sostanze che hanno in comune solo ed esclusivamente la formula bruta e niente altro. All’interno della famiglia dell’isomeria si possono distinguere isomeria di struttura e stereoisomeria ISOMERIA DI STRUTTURA L’ isomeria di catena sta ad indicare che se ho un determinato gruppo (esempio un gruppo metilico) legato ad una catena lineare (esempio a 5 atomi di carbonio) in una certa posizione (esempio posizione 2 ), posso scrivere una molecola con la stessa formula bruta ma con il gruppo metilico in un’altra posizione (esempio in posizione 3 ). L’ isomeria di posizione potrebbe essere invece nel caso di una struttura alchenica (esempio il butene) con il doppio legame in posizione 1 oppure in posizione 2. Si tratta di due isomeri di posizione in quanto rappresentati dalla stessa formula bruta ma da un diverso modo in cui gli atomi di carbonio sono legati
L’ isomeria di gruppo funzionale è tale per cui con lo stesso numero e gli stessi tipi di atomi posso creare strutture con gruppi funzionali differenti. Ad esempio considerando l’etanolo, con gli stessi atomi posso formare il dimetiletere. A differenza dell’etanolo però, quest’ultimo è altamente tossico e utilizzato anticamente per le anestesie. STEREOISOMERIA La stereoisomeria è la disposizione diversa di una catena nello spazio. Esistono due tipi di stereoisomeria:
. Isomeria conformazionale in cui le due catene differiscono solo per la loro disposizione nello spazio; questa differenza è dovuta unicamente ad una rotazione che avviene attorno al legame semplice. Questo tipo di conformazione è di tipo reversibile e passa da uno stato in cui una molecola “oscura” l’altra per la stessa conformazione (detta forma eclissata )che è meni stabile ad una forma sfalsata in cui entrambe le molecole sono visibili chiaramente. . Isomeria configurazionale in cui le due catene possono condividere le stesse proprietà differendo solo per uno scambio di posizione degli atomi che le compongono A sua volta questa si distingue in:
- isomeria ottica in cui le catene interessate da isomeria configurazionale possono essere una la versione speculare dell’altra. Questa questione è molto importante in cui la natura ha naturalmente scelto quale versione dei due stereoisomeri rendere utilizzabile dall’organismo. Ad esempio gli amminoacidi di interesse biologico sono tutti stereoisomeri della serie L, il glucosio utilizzabile e assimilabile dal nostro organismo è lo stereoisomero della serie D.
- isomeria geometrica 2. 2. 4 Distinzione degli atomi di carbonio Per distinguere ogni atomo di carbonio presente all’interno di una catena si può far riferimento a quanti altri atomi di carbonio vi sono legati. Si distingue: . carbonio primario se è legato ad un solo altro atomo di carbonio . carbonio secondario se è legato ad altri due atomi di carbonio . carbonio terziario se è legato ad altri tre atomi di carbonio . carbonio quaternario se è legato ad altri quattro atomi di carbonio C4Hg
LEZIONE CHIMICA MEDICA 26 novembre 2021 L’altra volta ci siamo lasciati con la definizione e la descrizione degli idrocarburi che venivano definiti saturi, gli alcani. Riprendiamo il motivo per cui vengono detti saturi: il motivo è che, applicando quella legge CnH 2 n+ 2 , notiamo che se volessimo aggiungere degli idrogeni, non potremmo farlo, dunque quella molecola è SATURA di idrogeni. Gli ALCHENI invece sono idrocarburi INSATURI perché, come vedremo, il numero massimo di idrogeni che potrebbero essere “accolti” da quei carboni che costituiscono la molecola non rappresenta il numero massimo ma ce ne andrebbero altri 2. Nella pratica l’insaturazione è rappresentata dal doppio legame (ricordiamo che quando due carboni sono impegnati in un doppio legame essi sono ibridati sp 2 , con l’unica eccezione rappresentata dall’anidride carbonica, CO 2 in cui il carbonio, pur essendo impegnato in due doppi legami, è ibridato sp ). La formula bruta generale degli alcheni è CnH 2 n (ci dice cioè che per ogni atomo di carbonio, ci sono 2 idrogeni); tuttavia tale formula dovrebbe richiamare alla vostra memoria la formula generale di quegli idrocarburi saturi, ma ciclici, detti CICLOALCANI (ad ennesima riprova del fatto che la formula bruta serva solo a determinare il peso della molecola ma non dia altre informazioni riguardo al comportamento chimico-fisico della molecola). L’alchene più piccolo ha due atomi di carbonio (ed è ovvio altrimenti con chi formerebbe il doppio legame?). Questo doppio legame può dare origine ad un tipo di reazione che si dice di ADDIZIONE, quindi dobbiamo aggiungere qualcosa: nel caso in cui questo qualcosa sia l’idrogeno, chiameremo la reazione di SATURAZIONE. (N.B. Il meccanismo è un po’ più complesso di quello mostrato poiché sarebbe necessaria l’aggiunta di altri reagenti che permettano la rottura del legame degli atomi dell’idrogeno molecolare (H 2 ), la formazione di un intermedio positivo e il successivo legame con il singolo atomo di idrogeno.) Riassumendo: addizionando una molecola di idrogeno all’alchene si ottiene un idrocarburo saturo (alcano). Quindi l’insaturazione viene colmata. Nella fattispecie, le reazioni a cui va in contro l’alchene sono reazioni di addizione elettrofila. In passato (fa riferimento al concetto di acido e di base formalizzato da Bronsted e Lowry) abbiamo parlato della relatività dei concetti di acido e base, ossidante e riducente, ecco, se c’è un elettrofilo, ci sarà anche un nucleofilo da cui l’elettrofilo prenderà gli elettroni (e viceversa). Se ci sono entrambi però, perché specifichiamo che è elettrofila? Perché il nome del meccanismo deriva da chi “prende iniziativa”. In questo caso specifico l’iniziativa della reazione la prende la componente elettrofila. Vedremo in futuro come invece, nel caso delle aldeidi, sono presenti reazioni di addizione nucleofila proprio perché l’iniziativa è presa dalla componente che tende a cedere elettroni (appunto nucleofila). Tornando alla trattazione generale degli alcheni è importante ricordare che il suffisso tipico degli alcheni è “- ene ” (et ene , prop ene , but ene …). Il più piccolo esemplare di questa famiglia di composti è l’etene, meglio conosciuto come ETILENE, quando però parliamo di molecole più grandi (dal propene in poi) la posizione del doppio legame può essere differente (dando vita, di conseguenza, a isomeri di posizione). La differenza tra l’ 1 - butene e il 2 - butene ad esempio non è affatto qualcosa di ininfluente poiché le due molecole hanno una chimica ben differente! Certo, entrambi daranno reazioni di ossidazione o di combustione ma la loro reattività è diversa, anche da un punto di vista fisico. In generale si dice che il doppio legame renda planari le molecole ma questo punto merita non poca attenzione:
regolatore cascita
delle piante
La molecola qui riportata è l’etilene: in questo caso è vero, la molecola è planare poiché entrambi i carboni presentano ibridazione di tipo sp 2. (P.S. L’etilene è prodotto dalle piante ed ha un ruolo importantissimo nella maturazione dei frutti.) Se però prendessimo in esame il butene, noteremmo che la planarità interessa solo il sito interessato dalla presenza del doppio legame, la restante parte della molecola però presenta una sua peculiare geometria tridimensionale, gli altri carboni infatti, presentano legami singoli (ergo sono ibridati sp 3 ). Dei radicali contenenti doppi legami ne citiamo principalmente 2 : il radicale vinilico e il radicale allilico, il radicale vinilico lo incontreremo quando tratteremo il gruppo eme nell’ambito dell’emoglobina, in esso ci sono dei radicali legati all’anello morfilinico e due di questi due radicali sono proprio vinilici. Il radicale allilico invece è un po’ più lungo, ha 3 atomi di carbonio ed è utile conoscerlo perché la sintesi del colesterolo parte da un composto che si chiama dimetil-allil-pirofosfato che contiene tale gruppo radicalico. (allile) Durante la scorsa lezione abbiamo ricordato come attorno al doppio legame non ci possa essere alcuna rotazione, mentre è possibile nel caso di un legame singolo (tanto che abbiamo accennato alle proiezioni di Newman: quella eclissata e quella sfalsata). Ripensando al butene di prima quindi, la rotazione NON è possibile nel sito in cui è situato il doppio legame, ma è possibile negli altri punti della molecola interessati da singoli legami. Tutto ciò comporta che ai tipi di isomeria trattati la volta scorsa (di catena, di posizione, di gruppo funzionale […]) aggiungiamo un ulteriore tipo di stereoisomeria, detta GEOMETRICA. Queste due molecole sono due isomeri, entrambi sono 2 - butene ma hanno una caratteristica differente. Quale? Uno ha i due gruppi metilici dallo stesso lato, mentre l’altro li ha sui due lati opposti del piano (che si =c--
sono di interesse del corso (riassumendo: se tra due doppi legami è interposto un metilene, essi si dicono isolati). IMPORTANT REMINDER : La libera rotazione in queste molecole si può avere solo sui legami singoli e non sui doppi legami. Prendendo come esempio il 1 , 3 - butadiene si potrebbe ipotizzare una libera rotazione tra i carboni 2 e 3 , in realtà ciò non accade perché si verifica il fenomeno della delocalizzazione: nel modello standard ogni doppio legame ha il suo orbitale π a sovrapposizione parziale che copre i carboni coinvolti nel doppio legame; la verità però è che ogni atomo di carbonio coinvolto in questa molecola ( 1 , 3 - butadiene) ha un orbitale ibridato sp 2 e uno non ibrido con dentro un elettrone e per questo possiamo assumere che si formi un orbitale π tra i carboni in quanto gli elettroni tendono a stare quanto più distribuiti possibile in modo da assumere la massima stabilità. Si può dunque osservare la formazione di un grande orbitale di tipo π che avvolge tutti i 4 carboni sp 2. Questo grande orbitale con questi 4 elettroni che viaggiano all’interno della molecola aumentano la stabilità della molecola. Questa struttura dunque non consente la libera rotazione tra i C 2 e C 3 , aumentando però la stabilità della molecola e rendendo anche più difficile la reazione di addizione elettrofila. La massima espressione della stabilità dovuta alla delocalizzazione si ha negli idrocarburi aromatici. N.B. Anche per quanto riguarda gli alcheni si possono avere dei composti ciclici (alcheni ciclici) come ad esempio il ciclobutene che presenta i due carboni con il doppio legame ibridati sp 2 e gli altri due carboni ibridati sp 3. Questi alcheni ciclici hanno come formula CnH 2 n- 2. Gli alchini sono composti organici in cui è presente un triplo legame in cui i carboni coinvolti hanno una ibridazione sp , mentre gli altri due orbitali non ibridi formano altre strutture di sovrapposizione parziale che vanno sotto il nome di orbitali π. Quindi ci sono due orbitali π più uno di tipo σ a sovrapposizione totale che formano un triplo legame. La struttura di questi composti è lineare solo nella porzione che riguarda il triplo legame. Ad esempio, nel caso dell’ 1 - pentino abbiamo il triplo legame sul carbonio 1 , mentre tutto il resto della molecola è sp 3 ed assume una conformazione tridimensionale. Il suffisso in questi composti è
- ino come ad esempio l’etino che viene però sempre chiamato acetilene e viene, ad esempio, utilizzato nelle bombole per la fiamma ossidrica. Il triplo legame si incontrerà studiando i nitrili come ad esempio l’acido cianidrico (HCN) che presenta un triplo legame tra l’atomo di carbonio e quello di azoto. Tutti i composti organici che hanno il gruppo funzionale - CN hanno una struttura lineare e ricca di elettroni che può dare addizione elettrofila come accade ad esempio per gli alcheni. In realtà è anche più facile che i nitrili diano addizione elettrofila grazie alla maggiore concentrazione di elettroni. Gli idrocarburi aromatici presentano un odore molto forte e spesso sono anche cancerogeni. Un idrocarburo per essere definito aromatico deve avere delle peculiarità: tra le prime osservazioni fatte riguardo questi composti ci fu che questi presentano un rapporto carbonio/idrogeno inferiore anche rispetto agli alchini infatti, mentre la formula degli alchini è CnH 2 n- 2 , nei composti aromatici si ha CnHn e cioè si ha lo stesso numero di carboni e idrogeni. Facendo questa osservazione, dato che gli alcheni e gli alchini mi danno addizione elettrofila poiché insaturi, ci si aspetterebbe che anche questi composti diano addizione elettrofila e invece non è così, ma al contrario sono molto stabili per cui non si capiva quale fosse la struttura di questa molecola. Al tempo non esistevano né NMR né tutte le altre strumentazioni moderne che avrebbero aiutato a comprendere la struttura. NMR ( Nuclear Magnetic Resonance ) significa risonanza magnetica nucleare e nacque come apparecchiatura scientifica per studiare le molecole, mentre ora viene utilizzata nella pratica medica. La formula C 6 H 6 indica un rapporto minimale tra carbonio e idrogeno, ma a
questo si associa anche una grande stabilità. Tutto ciò fu giustificato da Kekulé che ipotizzò che il benzene fosse una molecola ciclica nella quale fossero distribuiti gli elettroni. La risonanza è un fenomeno che riguarda la distribuzione degli elettroni che tendono ad occupare quanto più spazio possibile. La struttura ciclica del benzene è composta da atomi di carbonio ibridati sp 2 con gli orbitali perpendicolari all’anello e paralleli tra loro, oltre ad un ulteriore orbitale p non ibrido perpendicolare a quelli sp 2 ; inoltre i 6 atomi di carbonio che compongono la molecola sono tra loro complanari.La stabilità del benzene la possiamo ammettere quando nella struttura ciclica ipotizziamo che i tre doppi legami siano fra di loro coniugati, ed in effetti sono coniugati: la distanza che passa da un doppio legame e un altro è lo stesso dell’esempio che abbiamo fatto in precedenza.Se la struttura fosse veramente questa, un doppio legame rispetto ad un legame singolo presenta una distanza che è più corta rispetto ad un legame singolo. Se qui la distanza è 10 (legame semplice) e qui è 6 (legame doppio), se la struttura fosse questa noi dovremmo ammettere che ci sia un’alternanza 10 - 6 di lunghezze di legame, quindi la molecola non sarebbe un perfetto esagono, è una struttura un po’ strana, con lati più grandi alternati a lati più piccoli, cosa che invece non è, perchè si vede che la lunghezza di legame tra C-C è sempre la stessa,e non è nè 6 nè 10 , ma è un numero intermedio, cioè la distanza tra gli atomi di carbonio degli atomi di benzene è un numero intermedio intorno a 8 .Non c’è un’alternanza tra legami semplici e legami doppi, è come se fossero tutti doppi legami.
Perchè?
Questi orbitali non ibridi, di tipo s, hanno ognuno di essi un elettrone, anziché come nei legami coniugati, formare un doppio legame che riguarda solo due atomi di carbonio, formano un doppio. I 6 elettroni negli orbitali non ibridi, non sono fermi, ma circolano intorno all’orbitale grande che si è formato sulla struttura ad anello degli atomi di carbonio, conferendo grande stabilità, perché c’è una superficie molto elevata, un buon numero di elettroni che sono delocalizzati, circolano intorno a questa superficie. Questo tipo di struttura è altamente stabile ed è difficile farla reagire con reazioni di tipo addizione elettrofila. L’addizione elettrofila comporterebbe che uno di questi ipotetici doppio legami, da insaturo diverrebbe saturo, ma se io rompo un doppio legame in questa struttura, da una struttura molto stabile vado verso una struttura meno stabile,quindi la struttura aromatica prima di subire un addizione elettrofila, resiste, solo con condizioni estreme da questo tipo di reazioni (ma solo con condizioni estreme) Potrei scrivere due strutture con i legami doppi alternati, doppi legami che sono distribuiti in maniera differente.
Questa figura fa vedere i due orbitali, una sopra e uno sotto al piano, che corrisponde allo spazio dove circoleranno questi 6 elettroni. Vediamo quali sono le regole per capire se una struttura ciclica è aromatica o meno: quindi avremo diversi tipi di molecole cicliche, sia in propedeutica sia in biochimica, ma non tutte sono aromatiche, La biosintesi non è propria degli animali superiori, sono le piante che formano i composti aromatici, le cortecce sono ricche di polifenoli (composti aromatici). Negli esseri umani, gli unici che formano strutture aromatiche con una certa significatività sono le donne, anche gli uomini ma meno, ossia un particolare ormone l’estradiolo.ma è un caso a parte, noi non siamo in grado di sintetizzare e nemmeno di metabolizzarli. Tanto è vero che se noi assumiamo sostanze aromatiche risultano tossiche.
Quali sono le condizioni?
- deve essere ciclica
- I doppi legami devono essere disposta in maniera coniugata (sulla carta, anche se è un unico orbitale)
- la struttura deve essere planare, quindi tutti gli atomi devono essere ibridati sp 2 , se no avremmo una struttura lineare o tridimensionale
- non deve essere per forza a 6 atomi, anche a 5 ad esempio
- deve avere questo 4 n+ 2 , n sta per il numero di cicli Il numero di elettroni che viene delocalizzato su questa struttura ciclica deve essere pari a 4 volte il numero di cicli + 2 es. benzene, ha 1 ciclo, 4 x 1 = 4 + 2 = 6 elettroni delocalizzati Il benzene è aromatico, perché tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp 2 , i doppi legami sono coniugati, il numero di elettroni che partecipano alla delocalizzazione e forma questo orbitale rispetta la regola di HÜckel, quindi 6 , quindi questa struttura è aromatica Questi sono altri composti aromatici che hanno un gruppo funzionale. Tutti quanti sono aromatici nella struttura di base, che si chiama fenile. Il radicale si chiama fenile. L’anello benzenico non dà reazione di addizione elettrofila,ma da una reazione particolare, che si chiama sostituzione elettrofila , ossia cede l’idrogeno pur di non perdere aromaticità. In questa struttura non vengono indicati i legami che ci sono con l’idrogeno. La molecola aromatica può cedere l’idrogeno e sostituirlo con un altro molecola, ma rimane integra l’aromaticità. Altri tipi di molecole:
Un unico ciclo:
● Benzene :
Questa è una delle due formule limite di risonanza, manca cerchio in mezzo. Ma in questo caso serve solo per dimostrare l’aromaticità.
● Ciclopentadiene: anione
penta perchè ha 5 carboni, diene perchè ha 2 doppi legami, ione perchè c’è una carica negativa Quando vi ho parlato di radicali, vi ho detto che nelle scissione eterolitica è difficile averle in generale nei composti, perché tenersi la carica negativa è abbastanza complicato.
Perché allora questo composto si tiene la carica negativa?
La tiene così ogni atomo di carbonio risulta ibridato sp 2 , anche questo che sembrava essere sp 3 in realtà è sp 2.
In questo orbitale non ibrido (quello con la carica negativa) sono contenuti due elettroni perché è un anione, ossia contiene un elettrone in più. Se io li faccio roteare nello spazio, costituendo un unico orbitale che avvolge tutta la struttura, avrò 6 elettroni. La struttura quindi è aromatica anche se è un anione, perché rispetta la regola di Huckel e possiede le altre caratteristiche.
Due cicli condensati:
● naftalina , (quella cosa che puzza, si metteva negli armadi come antitarme, è solido e va incontro
alla sublimazione, da solido a gassoso) perchè è aromatico?
- ciclico si, due cicli condensati
- ha tutti gli atomi di carbonio ibridati sp 2 , quindi è planare
- ha i doppi legami coniugati tra di loro
- deve rispettare regola di Huckel ( 4 n+ 2 ): n è il numero di cicli che sono 2 , dovrebbero essere 10 gli elettroni e ci sono 10 orbitali di tipo p non ibridati con un elettrone, formano un orbitalone gigante che avvolge questa struttura Il composto è, quindi, aromatico
La naftalina è più stabile o meno del benzene?
Molto più stabile, perché più elettroni metti in una superficie più grande e più avrai stabilità nel composto.
● Antracene e Fenantrene : sono due isomeri
Diamo per scontate le altre caratteristiche per essere aromatici. Questi due composti sono caratterizzati da 3 cicli, quindi gli elettroni sono 14 , vado a contare gli atomi di carbonio ibridati sp 2 con ognuno di essi un orbitale non ibrido con un elettrone e sono 14. In questo caso si forma, quindi, un unico orbitalone gigante che avvolge questi 3 nucleo o cicli. Le strutture è molto molto stabile.
Secondo voi è più stabile o meno del naftalene?
Più stabile.
Esistono dei composti in natura, che contengono un eteroatomo , cosa significa?
che non tutti gli atomi presenti nel ciclo sono carboni, ce n’è uno che è diverso, potrebbe essere un ossigeno o potrebbe essere un azoto, in alcuni casi anche lo zolfo, però per il 95 % dei casi ossigeno e azoto.
● Per esempio nel caso del furano, che contiene un ossigeno, è aromatico?
Il pirrolo quindi è aromatico ma non è basico secondo Lewis.
● Imidazolo, invece , è anche una base
L’imidazolo è tale e quale al pirrolo, soltanto che ha due atomi di azoto. L’imidazolo sta all’interno di un amminoacido che si chiama “ istidina ” Perchè è aromatico?
- è ciclico
- tutti quanti sono sp 2
- abbiamo 5 orbitali di tipo p non ibridi che contengono in totale 6 elettroni Un azoto ha un orbitale di tipo sp 2 , che ha due elettroni quindi è potenzialmente un donatore di doppietti. L’imidazolo è una base secondo Lewis. L’imidazolo attraverso questa sua proprietà è in grado di regolare il pH dei fluidi biologici, istidina presente nelle proteine che fluiscono nel sangue, sono in grado di fungere da sistema tampone.
Composti aromatici eterociclici
(nella struttura aromatica c’è un atomo che non è carbonio, potrebbe essere ossigeno o azoto, raramente lo zolfo) ● Piridina: aromatico e basico, puzza molto, rende gli uomini sterili ● Pirrolo: aromatico ● Indolo: composto particolare usato anche come colorante (usato dai Fenici), ha un colore azzurro-violaceo. è importante perché è il gruppo funzionale del triptofano Un derivato è la serotonina,che è un neuromediatore; un altro si chiama scatolo che da la puzza alle feci. ● Purine: ne parleremo a tempo debito
IPA
Idrocarburi policiclici aromatici
Gli IPA sono idrocarburi policiclici aromatici, ma anche l'antracene e il fenantrene lo sono. Inoltre sono entrambi lipofili , poiché formati da carbonio-carbonio-idrogeno quindi i legami sono praticamente apolari, queste sostanze non si sciolgono, perciò in acqua. La naftalina resta, infatti, solida. Sono sostanze solide perché tra di loro si sviluppano molto i legami idrofobici, considerato che sono molecole abbastanza grandi e quindi queste forze di London sono abbastanza incentivate. Poi c’è un effetto
che vedremo quando parleremo del DNA: effetto di impilazione.
Queste strutture planari fra di loro si impilano. Queste si formano quando noi bruciamo la carne, quando fa quella crosticina che si fa in primo luogo se noi cuociamo bene attraverso una reazione che si chiama “Reazione di Amadori”, perché agiscono gli zuccheri con alcuni amminoacidi. Da questa reazione si forma questa crosticina che è saporita. Se cuociamo alla brace, cioè alla fiamma o arrostiamo troppo, questa crosticina passa sul nero andante, questa è ricca di queste sostanze che sono gli idrocarburi policiclici aromatici. Di per sé sono stanze innocue, molto stabili. Se mangiamo queste sostanze, perciò non dovrebbe succedere niente, però noi abbiamo un metabolismo particolare nei confronti delle sostanze estranee che si chiama “metabolismo degli xenobiotici” (noi riusiamo attraverso questo a proteggerci dalle sostanze estranee).
Cosa fa questo metabolismo?
Prende delle sostanze estranee, che di solito quelle più pericolose non sono quelle molto solubili che più o meno vengono eliminate con le urine, ma quelle lipofile, perchè non sciogliendosi nei nostri fluidi biologici, è difficile che possano partecipare a vie metaboliche e quindi tendono ad accumularsi, specialmente laddove c’è grasso o le membrane, provocando a lungo termine dei danni. Il nostro metabolismo degli xenobiotici prende queste molecole e tende a renderle più solubili in acqua, per eliminarle attraverso le urine. Quell’ossigeno che è legato li rende il composto un epossido. Abbiamo già visto che gli epossidi sono strutture chimiche molto instabili, i famosi orbitali a banana di cui abbiamo parlato_._ Quando l’IPA viene modificato dal nostro metabolismo (perchè di per sé non farebbe nulla) per eliminarlo questa sostanza diventa altamente cancerogena, e quindi potrebbe potenzialmente modificare le base azotate (la strutturazione delle basi azotate) presenti nel materiale genetico, dando vita a delle mutazioni perenne, se la proteina non è prodotta bene rimane problema solo a quella, se invece il problema è legato al genoma allora la cosa è perenne. Molecole organiche semplici Quando parliamo di molecole organiche semplici, parliamo di molecole che hanno una struttura di base idrocarburica, ma all’interno di questa struttura idrocarburica viene ad essere inserito un eteroatomo o un legame particolare. Quando noi abbiamo queste strutture idrocarburiche sulle quali vengono inseriti uno o più eteroatomi o uno o più legami particolari, le proprietà che avevano gli idrocarburi (di essere apolari, di essere insolubili in acqua, di bruciare) vengono radicalmente perse. Si hanno caratteristiche fisiche e chimiche completamente diverse.
Ad esempio questo è l’etano e questo è etanolo, io ho inserito soltanto un ossigeno intercalando tra un
carbonio e un idrogeno. Sono molecole completamente differenti (basta mettere un eteroatomo per cambiare tutto): ⑤
