Appunti Chimica organica

SINTESI (MODIFICATA) KILLANI-FISCHER

1) Il gruppo aldeidico addizionato al gruppo ciano e all’acido

cloridrico porta alla formazione della CIANIDRINA corrispondente,

la quale contiene un nuovo legame C-C il tetroso iniziale (D-

eritrosio, composto a 4 atomi di C) diventa un pentoso (5 atomi di

C).

La reazione però NON essendo chemoselettiva darà luogo ad una

miscela di prodotti (due epimeri di cianidrine)

2) Una volta isolate le due cianidrine e aggiunto idrogeno e un

catalizzatore “avvelenato”, il triplo legame −C≡N diventa doppio

(riduzione parziale): si formano in questo modo le immine.

3) IDROLISI le immine (nelle condizioni idrolitiche, acide o

basiche) sono in equilibrio con l’aldeide. In questo modo si

ottengono i due pentosi corrispondenti in miscela (epimeri tra

loro) ma in proporzioni differenti; l’addizione di acido cianidrico

non segue la proporzione 1:1 in quanto si formano due epimeri,

due diastereoisomeri.

NB Con questa sintesi si possono ottenere degli zuccheri con un

atomo di carbonio in più. Dato che si tratta di due

diastereoisomeri possono essere facilmente separati (a differenza

degli enantiomeri).

ATTENZIONE: nella reazione è presente l’acido cianidrico,

nocivo per la salute.

DEGRADAZIONE DI WOHL: si tratta del processo inverso della

sintesi Killani Fischer, consiste nella rimozione di un legame C-C

(ad esempio si passa da un esoso ad un pentoso)

Con la degradazione di Wohl si trasforma l’aldeide (CHO) in gruppo

ciano con formazione della rispettiva cianidrina.

Trattandosi di una reazione reversibile, a seconda delle condizioni, si

sposta l’equilibrio a destra o a sinistra: la sintesi di Fischer è

spostata verso la formazione della cianidrina (tramite reazione di

idrolisi è completamente spostata verso destra), la degradazione di

Wohl implica la formazione dell’aldeide e la eliminazione di −C≡N

tramite rottura del legame C-C

Nella degradazione di Wohl va trasformata l’aldeide in immina, la

quale deve essere ossidata (processo non semplice) o meglio deve

subire un processo di disidratazione dell’alcol affinché si formi il

doppio legame

1) Si usa in questo caso un derivato dell’ammoniaca,

l’IDROSSILAMMINA (NH2OH). In questo modo si ottiene l’ossima

(C=NOH) del gruppo aldeidico, viene eliminata quindi una molecola

di H2O.

2) DISIDRATAZIONE si utilizza l’ANIDRIDE ACETICA, la quale acetila

l’ossigeno di tutti gli OH e disidrata l’ossima: a partire dal legame

C=OH si ottiene il legame −C≡N (si riforma la cianidrina)

NB In questo caso si opera in condizioni termodinamiche per

spostare l’equilibrio verso sinistra, fino ad ottenere l’aldeide (con un

legame C-C in meno) e l’acido cianidrico.

DEGRADAZIONE DI RUFF

1) si può evitare di utilizzare l’acido cianidrico usando l’acido

aldolico, ossidando selettivamente l’aldeide a gruppo carbossilico

COOH e trattando il composto con OSSIDO DI CALCIO (calce spenta):

si forma in questo modo il corrispondente sale di calcio.

2)Scaldando il sale di calcio ottenuto con acqua ossigenata e

adoperando SALI DI FERRO (come catalizzatore), avviene una

REAZIONE DI FENTON (di tipo radicalico) e il gruppo COOH esce

sotto forma di CO2 (diversamente da quanto accade con la

degradazione di Wohl per cui si ha la liberazione della cianidrina).

NB Queste reazioni sono state necessarie per la determinazione

della configurazione relativa del glucosio (un composto con 4 centri

stereogenici) e dei monosaccaridi ad esso correlati.

STEREOCHIMICA DEL GLUCOSIO

Fischer esaminò il composto (+)-glucosio e ipotizzò 8 strutture

plausibili di serie D per determinarne la configurazione relativa: le

nominò numericamente da 1 a 8.

NB La serie D presenta l’OH più lontano dal carbonile a destra

ESPERIMENTO 1, OSSIDAZIONE AD ACIDO ALDARICO

vengono ossidati entrambi gli estremi (quindi l’estremo carbonilico e

l’alcol primario)

NB La struttura di Fischer permette di visualizzare l’eventuale la

simmetria di una molecola.

In questo primo esperimento, trasforma sia il CHO sia CH2OH di

tutte le 8 molecole in COOH per escludere le molecole simmetriche

e di conseguenza otticamente inattive: le molecole 1 e 7

contengono entrambe un piano di simmetria, di conseguenza non

corrispondono alla struttura del glucosio (otticamente attiva).

ESPERIMENTO 2, DEGRADAZIONE DI RUFF (perdita di un C)

con l’ossidazione dell’acido aldolico (solo del gruppo aldeidico) e

utilizzando il sale di calcio e quindi il solfato di ferro e acqua

ossigenata, si ottiene un pentoso che trattato con HNO3 dà un acido

dicarbossilico otticamente attivo a partire dal glucosio.

Di conseguenza possono essere eliminate tutte le molecole che da

questa reazione danno un acido dicarbossilico simmetrico e non

otticamente attivo. In questo caso si riduce di un C e si ossida l’acido

aldarico corrispondente (tutti gli OH diventano COOH): le strutture 2,

5 e 6 sono simmetriche e non otticamente attive, per cui vanno

escluse. Rimangono plausibili le strutture 3, 4 e 8 (rispettivamente

glucosio, mannosio e talosio).

ESPERIMENTO 3, SINTESI DI KILLANI-FISCHER (aggiunta di un

C) uno zucchero a 5 atomi di C, il (-)-arabinosio, dà luogo ai due

epimeri in miscela (glucosio e mannosio): questi due composti

presentano gli ultimi tre centri stereogenici identici e sono epimeri in

C2, in questo modo si esclude la struttura del talosio.

ESPERIMENTO 4, TRASFERIMENTO/INVERSIONE DI C un’altra

caratteristica delle strutture di Fischer, se si invertono il C1 del

mannosio con il C6 (CHO in posizione 1 si riduce a CH2OH e CH2OH

in posizione 6 si ossida a CHO), ruotandola di 180° si ottiene lo

stesso zucchero di partenza (D-mannosio).

Il mannosio risulta quindi dal punto di vista stereochimico

simmetrico e si esclude. Fa lo stesso esperimento per il glucosio:

ossidando CH2OH a CHO, riducendo CHO a CH2OH e ruotando la

molecola di 180° , si ottiene la serie L del glucosio. In questo modo

Fischer ha stabilito la configurazione relativa del glucosio secondo le

sue proiezioni, e successivamente la stereochimica di tutti gli

zuccheri a 5 e 6 atomi di C.

NB Ogni volta che si trasforma una molecola in glucosio o in D-

gliceraldeide, la configurazione relativa di quel determinato centro

stereogenico sarà nota. Qualunque amminoacido (che porta il

gruppo amminico e il gruppo carbossilico) venga trasformato in

gliceraldeide della serie D (potere rotatorio +) avrà configurazione

D, viceversa se il potere rotatorio della gliceraldeide è (-) avrà

configurazione L.

TUTTI gli zuccheri sono della serie D mentre TUTTI gli amminoacidi

della serie L determinazione avvenuta prima dell’avvento dei raggi

X (anni ‘50), solo dopo verrà determinata esattamente la posizione

dei centri stereogenici (nomenclatura assoluta di Cahn-Ingold-Prelog,

R o S)

PROBLEMA: Le strutture di Fischer (acicliche, lineari) NON sono

adatte a rappresentare un disaccaride o polisaccaride, comunque

nella biologia e nella biochimica si mantiene la nomenclatura della

configurazione relativa (serie L per quanto riguarda gli amminoacidi,

la stessa della gliceraldeide ma con la differenza del COOH in

posizione 1 e l’NH2 a sinistra al posto dell’OH)

STRUTTURA CICLICA DEI MONOSACCARIDI

Il glucosio è solubile in acqua e in qualche solvente organico polare,

ma in soluzione non è una molecola lineare: si ha una

POLIIDROSSIALDEIDE (o un poliidrossichetone). In presenza del

gruppo carbonilico e dei gruppi alcolici, l’aldeide ciclizza

spontaneamente (è sufficiente la presenza degli H+ e degli OH-

dell'acqua): avviene la reazione di EMIACETILIZZAZIONE o di

EMICHETALIZZAZIONE.

Come avviene la reazione di addizione (acido o base catalizzata)

nucleofila al carbonile?

Uno o più gruppi alcolici (generalmente l’OH in posizione 4 o in

posizione 5, che si andranno poi a trovare più vicini al gruppo

carbonilico) possono interagire con il gruppo aldeidico con l’aiuto

dell’H+ dell’acqua viene attivato l’ossigeno carbonilico e si forma

l’emiacetale, viceversa l’OH- favorisce la DEPROTONAZIONE si forma

l’EMIACETALE CICLICO.

PROIEZIONI DI HAWORTH. Composti ciclici con un eteroatomo (ad

esempio l’ossigeno) sono detti eterociclici:

A) cicli a 5 derivano dal FURANO (suffisso –furanosio sugli zuccheri

se si tratta di un emiacetale, furanoside se si ha a che fare con un

acetale)

B) cicli a 6 derivano dal PIRANO (suffisso –piranosio per l’emiacetale,

piranoside per l’acetale)

L’acetale in questo caso si chiama GLUCOSIDE.

NB Quando il carbonio carbonilico (planare, sp2) diventa un

emiacetale, diventa di tipo sp3 e ha legati 4 gruppi differenti: si

tratta di un CENTRO PRO-STEREOGENICO quando si ha il carbonile

(diventa un centro stereogenico quando diventa un

acetale/emiacetale).

NB Nel momento in cui lo zucchero da lineare diventa ciclico si

introduce un nuovo centro stereogenico, il quale può dare luogo a

due diasteroisomeri tra loro epimeri in quanto si differenziano per

quel centro chirale.

Gli OH possono trovarsi:

A) Sopra il piano, ANOMERO β (β-glucopiranosio)

B) Sotto il piano, ANOMERO α (α-glucopiranosio)

TIPI DI PROIEZIONI (per indicare una molecola ciclica):

1) Fischer, NON ADATTA perché rappresenta una struttura lineare,

piatta (non tridimensionale)

2) Haworth, NON ADATTA perché nonostante sia migliore della

precedente in quanto mostra la struttura ciclica dell’esagono e la

formazione del centro stereogenico che porta alla formazione dei

due epimeri (epimeri/diasteroisomeri α e β), i legami chimici reali

NON corrispondono a quelli disegnati.

Se gli epimeri provengono dall’acetale o dall’emiacetale, si

chiamano ANOMERI (α e β), una classe particolare di epimeri che

deriva dal carbonio carbonilico (diventato sp3 per addizione

nucleofila dell’OH).

Il ciclo può essere a 5 o a 6 atomi di C in quanto l’OH può reagire sul

C4 o sul C5 e a seconda dello zucchero che si ha si preferisce un

ciclo piuttosto che l’altro oppure una miscela dei cicli in questione.

Questo processo è catalizzato sia da un acido sia da una base (è

sufficiente l’H+ proveniente dall’acqua, in concentrazione molare

[10^-7] mol/L), in questo modo viene favorita la forma ciclica

rispetto quella lineare.

La forma lineare è in trance, ovvero è un intermedio tra le due forme

anomeriche, tra loro in equilibrio termodinamico: ad una certa

temperatura in acqua, il glucosio per il 63% si trova nella