Appunti di Complementi di Chimica Organica

Lezione del 03/05/2017

L'obiettivo di questo corso è capire come l'attività farmacologica di una molecola organica dipende dalle sue proprietà strutturali quindi dalla natura dei sostituenti che sono eventualmente presenti su questa molecola e dagli effetti che questi sostituenti possono esercitare.

Le molecole organiche possono presentare chiralità (possono esistere sotto forma di enantiomeri) e che le macromolecole di interesse biologico con cui si ritrovano ad interagire all'interno dell'organismo possono essere "intrinsecamente chirali".

Una macromolecola si dice "intrinsecamente chirale" quando i costituenti sono chirali e quindi questa chiralità viene trasmessa alla macromolecola oppure quando i costituenti non so chirali ma la macromolecola può assumere una chiralità che nasce dalla struttura tridimensionale della molecola.

La chiralità può giocare effetti biologici molto differenti (es. la talidomide). La talidomide è un farmaco che fu venduto negli anni cinquanta e sessanta (anche durante la guerra come calmante per i soldati) come sedativo, anti-nausea e ipnotico, rivolto in particolar modo alle donne in gravidanza.

Prodotto in forma di racemo, venne ritirato dal commercio alla fine del 1961, dopo essere stato diffuso in cinquantapaesi sotto quarantanomi commerciali diversi, fra cui il Contergan. Il ritiro fu dovuto alla scoperta della teratogenicità di uno dei suoi enantiomeri: le donne trattate con talidomide davano alla luce neonati con gravi alterazioni congenite dello sviluppo degli arti, ovvero amelia (assenza degli arti) o vari gradi di focomelia (riduzione delle ossa lunghedegli arti), generalmente più a carico degli arti superiori che quelli inferiori, più spesso bilateralmente, pur con gradi differenti.

La simmetria di una molecola è legata alla sua chiralità e la chiralità è legata alla funzione che la molecola svolge.

La simmetria di un oggetto può essere descritta dagli elementi di simmetria. Gli elementi di simmetria sono quegli elementi che la molecola possiede e che ci consentono di condurre le operazioni di simmetria.

• Principio di Neumann-Curie: "La simmetria di un fenomeno fisico esprime la simmetria della causa che lo produce."
• Aforisma di Curie: "È la riduzione della simmetria che crea i fenomeni fisici."

Consideriamo 2 carboni tetrasostituiti: il primo con 4 sostituenti uguali (X) e il secondo con 3 sostituenti uguali (X) e 1 diverso (Y). In questo i fenomeni fisici da prendere in considerazione sono la lunghezza di legame, l'angolo di legame, la grandezza del sostituente ecc. Nella prima molecola è possibile determinare 1 lunghezza di legame (X - C - E) 1 angolo di legame (X - C - X). Nella seconda molecola è possibile determinare 2 lunghezze di legame (X - C - E y - C e Y) e 2 angoli di legame (X - C - X e Y - C - X). In termini di simmetria la prima molecola considerata è più simmetria della seconda in quanto porta 4 sostituenti uguali ma mostra un numero di fenomeni fisici minore (1 lunghezza di legame e 1 angolo di legame). D'altro canto la seconda molecola è meno simmetrica della prima in quanto porta 3 sostituenti uguali e 1 diverso ma mostra un numero di fenomeni fisici maggiore (2 lunghezze di legame e 2 angoli di legame). Quindi man mano che diminuisce la simmetria aumenta il numero di fenomeni fisici. La complessità di una molecola cresce man mano che la sua simmetria diminuisce.

Il gruppo di simmetria a cui appartiene una molecola è l'insieme delle operazioni di simmetria che trasformano una molecola in un'altra che è perfettamente sovrapponibile alla prima.

La molecra presa in esame precedentemente appartiene al gruppo di simmetria del tetraedro.

Gli elementi di simmetria si distinguono in:

• Elementi di simmetria propri o semplici
  • Asse di rotazione
  • Piano di simmetria
• Elementi di simmetria composti o complessi
  • Asse di roto-riflessione
    • Condizione necessaria e sufficiente per cui un asse di roto-riflessione sia realmente un elemento di simmetria della molecola è che l'operazione di roto-riflessione goda della proprietà commutativa
  • Centro di simmetria o centro di inversione
    • È un punto che risiede all'interno della molecola e osservando la molecola circostante da quel punto si osserva sempre la stessa cosa

Piano di simmetria

Divide l'oggetto in 2 parti che sono l'una l'immagine speculare dell'altra non necessariamente sovrapponibili. Per le molecole planari, come per esempio per l'acqua, un piano di simmetria è il piano che contiene la molecola (questa considerazione deve essere estesa alle molecole in cui troviamo carboni sp2, sp e il benzene).

Asse di simmetria

Se un oggetto viene ruotato attorno a un asse di simmetria di ordine n di un angolo pari a 360/n, risulterà indistinguibile dalla situazione originale. Gli assi di simmetria sono il risultato dell'intersezione di più piani simmetria.

Il benzene può essere considerato di gruppo ad alta simmetria perché contiene 1 piano di simmetria che contiene la molecola, 6 piani di simmetria verticale, 1 asse di simmetria C6 e 6 assi di simmetria C2 (7 piani di simmetria e 7 assi di simmetria). Man mano che aumenta il numero degli elementi di simmetria e quindi delle operazioni che si possono condurre all'interno di quel gruppo ottenendo sempre lo stesso risultato allora aumenta l'ordine del gruppo di simmetria (minore è il numero delle operazioni di simmetria più bassa è la simmetria della molecola).

L'asse di simmetria di ordine infinito è, molto banalmente, un asse contenuto in tutte le molecole che nel caso di molecole aventi un triplo legame e quindi con carboni ibridizzati sp è necessario distinguere:

• Simmetria conica: quando le due estremità di un sistema avente un asse di simmetria di ordine infinito non sono uguali
• Simmetria cilindrica: quando le due estremità di un sistema avente un asse di simmetria di ordine infinito sono uguali

La geometria molecolare è correlata alla simmetria molecolare. È possibile risalire agli elementi di simmetria in base alla geometria molecolare.

• Numero di coordinazione: 1 (sistema sp)
  • Lo ione cianuro: 1 asse di simmetria di ordine infinito a simmetria conica
• Numero di coordinazione: 2 (sistema sp2)
  • Anidride carbonica e acetilene: 1 asse di simmetria C2, 1 asse di simmetria di ordine infinito a simmetria cilindrica e 1 piano di simmetria che contiene la molecola
  • Acido cianidrico: 1 asse di simmetria di C2, 1 asse di simmetria di ordine infinito a simmetria conica e 1 piano di simmetria che contiene la molecola
• Numero di coordinazione: 3 (sistema sp2)
  • Ione carbonato: 1 asse di simmetria C2, 3 assi di simmetria C3, 4 piani di simmetria (1 lunghezza di legame e 1 angolo di legame)
  • Metanale: 1 asse di simmetria C2, 2 piani di simmetria (2 lunghezze di legame e 2 angoli di legame)
  • Cloruro di acetile: 1 piano di simmetria (4 lunghezze di legame e 4 angoli di legame)
• Numero di coordinazione: 4 (sistema sp3)
  • Tetraclorometano: 3 assi di simmetria C2, 4 assi di simmetria C3, 6 piani di simmetria (1 lunghezza di legame e 1 angolo di legame)
  • Triclorometano: 1 asse di simmetria C3, 3 piani di simmetria (2 lunghezze di legame e 2 angoli di legame)
  • Diclorometano: 1 asse di simmetria C2, 2 piani di simmetria (2 lunghezze di legame e 3 angoli di legame)
  • Bromo diclorometano: 1 piano di simmetria (3 lunghezze di simmetria e 4 angoli di legame)

In chimica è detta chirale una molecola non sovrapponibile alla propria immagine speculare nelle tre dimensioni. Un carbonio è detto chirale quando porta 4 sostituenti diversi.

Un centro stereogenico è un atomo tale per cui scambiando tra loro due suoi sostituenti, quello che si ottiene è uno stereoisomero stabile della molecola da cui si è partiti. Non sempre questi stereoisomeri sono tra loro enantiomeri.

È possibile calcolare il numero delle operazioni di simmetria moltiplicando il numero di elementi di simmetria per il rispettivo ordine

• Xaaaa 4C3 + 3C2 + 6p Td
• Xaaab C3 + 3p C3v
• Xaabb C2 + 2p C2v