Pirimidina: descrizione della molecola e dei suoi derivati

In questo appunto viene analizzata la pirimidina, con particolare attenzione alla sua struttura, descrivendo le proprietà chimiche e riportando le maggiori caratteristiche.

Pirimidina: cos’è e quale è la struttura chimica

La pirimidina è una molecola organica eterociclica aromatica.
Per capire meglio questa definizione, occorre specificare cosa è un composto eterociclico e aromatico:

• Composto eterociclico: molecola ciclica che presenta uno o più atomi diversi dal carbonio
• Composto aromatico: molecola ciclica avente caratteristiche strutturali e funzionali simili a quelle del benzene

Difatti, la pirimidina fa parte delle diazine, un gruppo di molecole formate da un anello a sei un anello a sei termini, contenente due atomi di azoto (N) al posto di due atomi di carbonio (C). La struttura differisce da quella del benzene (anello formato da sei atomi di carbonio) per i due atomi di azoto presenti. Le diazine (per cui anche la pirimidina) hanno tre doppi legami alternati.
La formula generale è C4H4N2 e il nome IUPAC della pirimidina è 1,3-diazabenzene: i due atomi di azoto (N) di questa diazina si trovano in posizione 1 e 3. Tale molecola è infatti nota anche come 1,3-diazina o metadiazina.
Le altre due diazine aventi formula C4H4N2, aventi la posizione dei due atomi di azoto diversa dalla pirimidina, sono la piridazina (1,2-diazina) e la pirazina (1,4-diazina).

Quali sono i derivati della pirimidina e qual è il loro ruolo

A partire dalla pirimidina si formano tre derivati:

• Citosina (4-ammino-2-osso-1,2-diidropirimidina)
• Timina (2,4-diosso-5-metilpirimidina)
• Uracile (2,6-diidrossipirimidina)

Queste molecole, chiamate pirimidine o derivati pirimidinici, costituiscono le basi azotate degli acidi nucleici (DNA e RNA). In particolare, entrano a far parte dei nucleotidi, l’unità fondamentale degli acidi nucleici, mediante un legame covalente N-glicosidico tra l’azoto presente in posizione 1 della pirimidina e il carbonio in posizione 1 dello zucchero del nucleotide (deossiribosio se si tratta di DNA o ribosio se si tratta di RNA).
Le basi azotate formano due o tre legami a idrogeno con le loro purine complementari. In particolare, la timina e l’uracile formano due legami a idrogeno con la purina chiamata adenina, mentre la citosina forma tre legami a idrogeno con la guanina.
La citosina ha formula molecolare C4H5N3O ed ha un aspetto solido cristallino bianco a temperatura ambiente.
La timina ha formula molecolare C5H6N2O2 e, anche essa, ha un aspetto solido cristallino bianco a temperatura ambiente. Si trova solo nella struttura dell’acido nucleico DNA.
L’uracile ha formula molecolare C4H4N2O2 ed ha un aspetto solido cristallino bianco a temperatura ambiente. Si trova solo nella struttura dell’acido nucleico RNA. Una delle vie di sintesi dell’uracile è la deaminazione della citosina con la seguente reazione:
C4H5N3 + H2O → C4H4N2O2 + NH3
L’uracile viene sfruttato per la sintesi di pesticidi ed erbicidi, poiché è in grado di inibire la fotosintesi di piante infestanti delle colture di cotone, barbabietola da zucchero, vigneti e frutteti.
Per ulteriori approfondimenti sui nucleotidi e le basi azotate vedi qui

Proprietà della pirimidina

La pirimidina ha una massa molare di 80,09 g/mol.
È un liquido incolore e dall’odore poco gradevole, a temperatura ambiente.
Il punto di fusione è stato stabilito essere a 22°C, mentre il punto di ebollizione a 127°C.
La pirimidina è una base debole (Kb dell’ordine di 10-12): il catione monoprotonato che si forma dall’interazione con un H+ è poco stabilizzato a causa dell’effetto induttivo e mesomerico esercitato dal secondo atomo di azoto.
I due atomi di azoto nell’anello benzenico provocano una distribuzione irregolare della densità elettronica cha favorisce l’attacco nucleofilo sui carboni in posizione 2, 4 e 6 (adiacenti all’azoto).
La posizione 5 è l’unica a poter subire la sostituzione elettrofila, in quanto il carbonio 5 è il meno deficiente di elettroni.
La facilità di interconversione dei sostituenti in posizione 2, 4 e 6, e la reattività dei gruppi metilici in tali posizioni, sono un’altra conseguenza della presenza dei due atomi di azoto.
Se sostituite, le pirimidine possono partecipare a reazioni quali la nitrazione, la nitrosazione, la solfonazione e la formilazione.

La pirimidina può essere ridotta a idropirimidina.

Come avviene la sintesi della pirimidina

La pirimidina può essere sintetizzata attraverso la ciclizzazione di composti β-dicarbonilici con un’ammidina: facendo reagire la cloromalondialdeide con la guanidina, si ottiene la 2-ammino-5-coropirimidina. Con una diazotazione viene trasformato il gruppo amminico (NH2) presente in un ossidrile (OH). Aggiungendo poi il reagente cloruro di fosforile (POCl3) si ottiene la 2,5-dicloropirimidina, la quale subisce idrogenazione catalitica, così da formare la pirimidina.
Per ulteriori approfondimenti sulla sintesi della pirimidina vedi qui