Chimica organica - nozioni generali

STEREOCHIMICA

Gli stereoisomeri sono isomeri che differiscono unicamente per la disposizione degli atomi nello

enantiomeri diastereoisomeri

spazio. Questi si possono dividere in due categorie generali: gli ed i .

Gli enantiomeri sono stereoisomeri che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro, mentre i

diastereoisomeri non lo sono. chiralità

L’esistenza degli enantiomeri è legata ad una proprietà strutturale delle molecole: la . Una

molecola è definita chirale quando non è sovrapponibile alla sua immagine speculare. Chirale infatti

deriva dal greco e significa mano. Il suo uso deriva dal fatto che la relazione tra due enantiomeri è

la stessa che intercorre tra la mano destra e quella sinistra. Quando noi vediamo la mano sinistra

riflessa nello specchio noi guardiamo la mano destra, cioè la sua immagine speculare non

sovrapponibile. Tutte le molecole che contengono un atomo di carbonio chirale esistono sotto forma

di enantiomeri. Un carbonio è chirale quando lega 4 gruppi o 4 atomi diversi. Il numero di

n

stereoisomeri che si possono ottenere per una molecola sono 2 dove n è il numero di centri

asimmetrici presenti. 3 è asimmetrico ci sono due, e solo due, configurazioni

Quando l’atomo di carbonio ibridizzato sp

tetraedriche che sono l’immagine speculare l’una dell’altra e non sono sovrapponibili. Ad esempio,

la molecola CFClBrI può esistere in due forme non sovrapponibili

F F

C C Br

Br Cl Cl I

I specchio

chiralità

A livello macroscopico la delle molecole è svelata da un fenomeno fisico, la capacità di far

luce polarizzata attività ottica.

ruotare il piano della . Tali molecole quindi manifestano Che cosa è

la luce polarizzata? La luce visibile è un’ onda elettromagnetica che si propaga. Un raggio di luce

consiste in due campi che vibrano in piani perpendicolari fra loro: un campo elettrico oscillante ed

uno magnetico oscillante. I piani in cui avvengono le vibrazioni oltre ad essere perpendicolari fra di

loro sono perpendicolari alla direzione di propagazione del raggio. Le vibrazioni del campo elettrico

avvengono in tutti i possibili piani perpendicolari alla direzione di propagazione della luce. Quando

polarizzatore

la luce ordinaria attraversa un vi è una interazione tra polarizzatore e campo elettrico

luce

con conseguenza che la luce che emerge vibra in un solo piano. Questa luce si chiama

polarizzata. L’occhio umano non distingue la luce polarizzata da quella naturale. Pertanto bisogna

il polarimetro.

far ricorso a uno strumento Quello che dobbiamo misurare è l’angolo di rotazione

causato dall’introduzione del campione otticamente attivo. Se l’analizzatore del polarimetro è

ruotato in senso orario per ripristinare l’intensità della luce ottenuta con l’azzeramento dello

α destrogira.

strumento, l’angolo di rotazione è registrato positivo (+) e la sostanza è chiamata Se

α levogira.

invece la rotazione è antioraria l’angolo è negativo (-) e la sostanza è considerata

Nel 1891 Fischer inventò un modo per rappresentare sul piano l’atomo di carbonio asimmetrico

(con 4 sostituenti differenti). Secondo la sua simbologia i due legami che vengono sopra il piano del

foglio sono disegnati in orizzontale, mentre quelli diretti sotto il foglio sono verticali. Il carbonio si

trova nel punto di incrocio. 17

C HO

C HO = H OH

C

H OH C H O H

C H O H 2

2

Gliceraldeide Formula di Fischer

Gliceraldeide

I legami tratteggiati sono quelli che attraversano il foglio, quelli riempiti in nero sono quelli che

vengono sopra il piano del foglio. configurazione.

L’orientazione dei sostituenti di un atomo di carbonio asimmetrico è chiamata Il

R-S.

sistema più diffuso è quello Per stabilire le configurazione assoluta di un atomo di C si devono

seguire le regole di priorità. I simboli R o S sono assegnati nel modo seguente:

1. A ciascun gruppo legato al carbonio viene assegnato un numero di priorità da 1 a 4. La

priorità è definita in base al numero atomico dell’atomo che è direttamente legato al

carbonio chinale. Al gruppo con l’atomo con numero atomico più alto si assegna priorità 1 e

così via. > > > > >

Cl O N C H

Br

2. Se due atomi connessi al carbonio asimmetrico hanno la stessa priorità , si prosegue lungo la

catena sino a trovare il punto in cui differiscono i due gruppi. La priorità è assegnata sulla

base di tale differenza.

3. I doppi legami si scrivono come fossero due legami singoli:

H H H

H equivale a

C C C H

C C C

equivale a

C O C O

O C

4. I legami tripli si scrivono come se fossero tre legami singoli:

C C

equivale a

C C C C

C C

Facciamo un esempio applicando le regole della priorità. 18

C HO

C HO = H OH

C

H OH C H O H

C H O H 2

2

Gliceraldeide Formula di Fischer

Gliceraldeide

La priorità più alta appartiene per la gliceraldeide all’-OH e la più bassa all’ –H. Il gruppo –CHO

prevale sul gruppo –CH OH. Quindi l’ordine finale di priorità è il seguente:

2 > > >

OH CHO CH OH H

2

Andando dal sostituente a più alta priorità a quello a più bassa se la rotazione è concorde con quella

delle lancette dell’orologio, cioè in senso orario, l’atomo di carbonio asimmetrico avrà

R se la rotazione è opposta a quella delle lancette dell’orologio, senso antiorario,

configurazione S

sarà configurazione .

Nel caso della molecola da noi presa come esempio, mantenendo fisso il gruppo CH OH facciamo

2

ruotare in senso orario gli altri tre sostituenti di 90° come indicato dalle frecce.

H

C HO = HO C HO

H OH C H O H

C H O H 2

2

Gliceraldeide R-Gliceraldeide

Il movimento è necessario per posizionare in alto H che ha la priorità più bassa. Per assegnare la

corretta configurazione assoluta è conveniente porre sempre in alto il gruppo a più bassa priorità.

oppure basta invertire la configurazione che otteniamo lasciando la molecola scritta come all’inizio.

R.

La gliceraldeide sopra raffigurata ha configurazione assoluta

CARBOIDRATI (ZUCCHERI)

I carboidrati (idrati del carbonio) sono un gruppo di composti che hanno formula generale

composti organici contenenti funzioni carboniliche

C (H O) . La definizione corrente è: (aldeidiche

n 2 m funzioni alcoliche poliidrossialdeidi

e chetoniche) e . Possiamo quindi definire tali composti dei o

poliidrossichetoni otticamente attivi in quanto contengono almeno un atomo di carbonio chirale. I

monosaccaridi (carboidrati che non possono formare per idrolisi zuccheri più semplici) si possono

classificare in base al numero di atomi di carbonio presenti nella molecola (triosi, tetrosi, pentosi,

esosi). La struttura più semplice per i monosaccaridi è quella aperta ossia quella costituita da una

catena lineare con funzioni aldeidiche o chetoniche libere. Gli atomi di carbonio vengono numerati

secondo le regole IUPAC attribuendo al carbonio carbonilico il numero più basso possibile.

gliceraldeide diidrossiacetone.

e il

I monosaccaridi più semplici sono la 19

C H O H

C HO 2

* C O

C H O H C H O H

C H O H 2

2

gliceraldeide diidrossiacetone

(carbonio chirale)

*

Secondo le convenzioni la (+)-gliceraldeide ha configurazione assoluta R, la (-) gliceraldeide ha

configurazione S. E’ stato visto come prima che si determinassero le configurazioni assolute, si

erano stabilite le configurazioni relative di composti otticamente attivi scegliendo come composti di

riferimento i due enantiomeri della gliceraldeide. Alla (+)-gliceraldeide fu assegnata arbitrariamente

la configurazione D mentre alla (-)-gliceraldeide la configurazione L. Pertanto un qualsiasi

monosaccaride è di serie D oppure L quando il suo ultimo carbonio chirale ha la stessa

configurazione della D o L gliceraldeide oppure possiamo anche dire a seconda della struttura

dell’atomo di carbonio chirale più lontano dal gruppo carbonilico.

I carboidrati di maggior interesse dal punto di vista biologico e quindi analizzati nei vari corsi di

studio, sono quelli della serie D-aldosi (derivanti dalla D-gliceraldeide). Possiamo rappresentare la

serie con i rispettivi nomi mediante le formule di Fischer (Tabella 1).

Struttura ciclica dei monosaccaridi

La struttura aperta dei monosaccaridi non consente di chiarire del tutto il comportamento chimico-

fisico di tali composti. Gli zuccheri dato che posseggono un gruppo carbonilico e diversi gruppi

ossidrili nella stessa molecola hanno la tendenza a dare addizione nucleofila interna intramolecolare

EMIACETALI CICLICI , con

(tra il carbonile e l’ossidrile in posizione 5) e a trasformarsi in

anelli relativamente stabili a cinque e sei termini. La formazione della nuova molecola ciclica fa

nascere un nuovo centro chirale il C . Si avranno due diastereoisomeri che chiameremo

1

ANOMERI ossidrile anomerico

. Il carbonio C1 si definisce ANOMERICO e il nuovo ossidrile . I

α β

e secondo l’orientamento dell’ossidrile

due composti saranno rispettivamente l’anomero α

emiacetalico. Si instaura un vero e proprio equilibrio-chimico tra la forma aperta e i due anomeri

β

e . Possiamo ricorrere a diversi tipi di formule per rappresentare le strutture cicliche dei

carboidrati. Abbiamo le ben note formule proiettive di Fischer ,oppure le rappresentazioni planari di

conformazionali

Haworth, o le rappresentazioni più aderenti alla realtà quelle cioè quelle a sedia del

cicloesano.

Strutture di Fischer: Carbonio

Carbonio

ossidrile anomerico

chirale ossidrile

anomerico anomerico chirale anomerico

H O

C

1 1

HO H H OH

H OH

2 2

O

H OH H OH O

HO H

3 3

HO H HO H

H OH

4 4

H OH H OH

H OH

5 5

H H

OH

CH

6 2 6

OH

CH OH

CH

2 2

D-Glucosio

α β

Anomero Anomero 20

α

Secondo le proiezioni di Fischer per convenzione per i D-zuccheri, l’anomero è quello il cui –OH

β

anomerico cade a destra rispetto la catena, mentre l’anomero quello con l’-OH a sinistra.

Disegnando gli zuccheri con le strutture di Haworth abbiamo:

H 6

5

H CH OH

2

OH

4 OH H CH O

1

OH 3 2

H OH CH OH

2

CH OH 6

2 CH OH H O

2 H

O 5 OH

H O

H H H OH H

4 H

1

OH H OH

OH H CH O

OH

OH OH 3 H OH

2

H OH H OH β−Glucopiranosio

β−

α−Glucopiranosio

α− α β

L’anomero è quello il cui –OH anomerico cade in basso, mentre l’anomero quello con l’-OH

diretto in alto.

Per rappresentare tali strutture, come si può anche osservare nello schema, abbiamo fatto ruotare

prima il gruppo CH-CH OH intorno al C-4, e in seguito il gruppo OH si addiziona al C=O per

2

formare la struttura ciclica. Nella denominazione dei monosaccaridi la dimensione del ciclo è

–piranosio furanosio.

suggerita dai suffissi e – Questi termini sono adottati per la somiglianza

strutturale dei monosaccaridi con gli eterocicli (cicli in cui sono presenti anche elementi differenti

dal carbonio) pirano (a sei termini) e furano (a cinque termini).

O

O

Furano Pirano

Rappresentazioni conformazionali degli zuccheri:

H H CH2OH

CH2OH

H H

O O

HO HO

OH H

H H

HO HO

OH OH

H H H OH

β α

-D-Glucopiranosio -D-Glucopiranosio 21

Per il fruttosio abbiamo una struttura a cinque termini simile all’eterociclo furano.

Formazione di O-glicosidi

Gli zuccheri reagiscono mediante l’-OH anomerico con composti che possiedono funzioni alcoliche

o fenoliche per formare O-glicosidi composti che formalmente sono eteri. OH

CH

CH OH 2

2 O

O H

H H

H H+

+ CH 3OH OH H

OH H OH OCH

OH 3

OH H OH

H OH

Esterificazione

Per via chimica tutti gli ossidrili possono essere esterificati con acidi organici, inorganici o loro

derivati. Nella cellula le esterificazioni possono venire ad opera di enzimi. Molto importanti sono le

fosforilazioni che trasformano gli zuccheri in composti

esterificazioni con acido fosforico dette

biologicamente attivi. O -

CH O P

CH OH O

2 2 O

O -

H H O

H

H esoc inasi

H PO

+ 3 4

H OH H

OH H O

2 OH

OH OH

OH H OH

H OH

α α

-D-Glucopiranosio -D-Glucopiranosio-6-fosfato

Formazione di N-glicosidi

Gli zuccheri reagiscono con composti azotati come ammine, amminoacidi, purine pirimidine per

dare N-glucosidi.

CH OH CH OH

2 2

O O

H H

OH NHCH 3

+ NH CH

OH H OH H

2 3

H H

OH OH

H OH H OH

β-D-Glucopiranoside

β-D-Glucopiranosio N-Metil- 22

NH 2 N

N Adenosina monofosfato

N

O N AMP

- O P O CH O

2

-

O H H

Reazioni di ossidazione

L’acido nitrico è un forte ossidazione e ossida tutti gli zuccheri ad acidi bicarbossilici chiamati

acidi glicarici.

genericamente O

O H OH

C

C HO H

HO H HNO HO H

HO H 3 H OH

H OH H OH

H OH COOH

CH OH

2

D-Mannosio Acido Mannarico

Per quel che riguarda un chetoso abbiamo l’ossidazione del fruttosio COO H

CH OH

2 C O

C O HNO HO H

HO H 3 H OH

H OH H OH

H OH COO H

CH OH

2 Acido Fruttarico

D-Fruttosio

Con ossidanti blandi il processo di ossidazione avviene solo per gli aldosi e si arresta agli acidi

l’acqua di bromo .

gliconici cioè ai corrispondenti acidi monocarbossilici; questo succede con 23

O

O OH

H C

C HO H

H OH HO H

Br /H O

HO H 2 2 H OH

H OH H OH

H OH CH OH

CH OH 2

2 Acido Gluconico

D-Glucosio

Reazioni di riduzione

Il gruppo carbonilico può essere ridotto al gruppo alcolico corrispondente. I prodotti che si

alditoli.

ottengono sono polialcoli che prendono il nome generico di I riducenti utilizzati sono

idrogeno in presenza di nichel di Raney o in presenza di sodio amalgamato o il boroidruro di sodio

che essendo solubile in acqua come gli zuccheri consente di operare in ambiente acquoso.

O H CH OH

C 2

HO H

H OH NaBH HO H

HO H 4 H OH

H OH H OH

H OH CH OH

CH OH 2

2 D-Glucitolo o

D-Glucosio D-Sorbitolo 24

ALBERO GENEALOGICO dei D-ALDOSI. Proiezioni di Fischer

Tabella 1

H O H O H O H O H O H O H O H O

C C C C C C C C

H OH HO H H OH HO H H OH HO H H OH HO H

H OH H OH HO H HO H H OH H OH HO H HO H

H OH H OH H OH H OH HO H HO H HO H HO H

H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH

CH OH CH CH CH

OH OH OH CH OH CH OH CH OH CH OH

2 2 2 2 2 2 2 2

Altrosio

Allosio Glucosio Mannosio Gulosio Idosio Galattosio Talosio

H O H O H O H O

C C C C

H OH HO H H OH HO H

H OH H OH HO H HO H

H OH H OH H OH H OH

CH OH CH OH

OH CH OH

CH

2 2

2 2

Ribosio Arabinosio Lixosio

Xilosio

H O H O

C C

H OH HO H

H OH H OH

CH OH CH OH

2 2

Eritrosio Treosio

H O

C

H OH

H OH

CH OH

2

D-Gliceraldeide 25

DISACCARIDI

I disaccaridi sono particolari emiacetali formati fra l’-OH anomerico di un monosaccaride e l’-OH

alcolico di un altro monosaccaride. Tutti gli –OH alcolici dei monosaccaridi si possono comportare

da nucleofili ( specii in grado di cedere un doppietto) per dare emiacetali ma in natura è più comune

l’attacco da parte degli –OH nelle posizioni in C e in C .

4 6

Per definire più dettagliatamente la struttura di un disaccaride bisogna conoscere:

la natura dei monosaccaridi

1) quale monosaccaride fornisce l’-OH anomerico e quale l’-OH alcolico

2) fra quali carboni si forma il legame a ponte che unisce i due monosaccaridi

3) α β

la configurazione o di tale legame

4) la conformazione piranosica o furanosica dei due zuccheri.

5) maltosio cellobiosio

I disaccaridi più importanti sono il e il che rappresentano in natura

lattosio

rispettivamente le unità costruttive dell’amido e della cellulosa; il è lo zucchero del latte dei

saccarosio

mammiferi. Infine il che costituisce il comune zucchero commerciale. La struttura di

questi disaccaridi è stata determinata ricorrendo a una serie di reazioni più o meno complesse. Ad

esempio con l’idrolisi chimica è stato possibile stabilire la natura dei due monosaccaridi e con

α β

o del loro legame.

quella enzimatica la configurazione

MALTOSIO

Dall’idrolisi chimica si è visto che è costituito da due molecole di glucosio. Il legame fra le due

α

molecole di glucosio è di tipo . CH OH CH OH

2 2

O H O

H OH

H 1 4

OH H H

OH

OH O H

H OH H OH

α β

-D-glucopiranosil)- -D-glucopiranosio

4-O-( oppure

α β

D-glucopiranosil- (1-4)- -glucopiranosio

LATTOSIO

E’ un disaccaride formato da due monosaccaridi diversi: il galattosio che impegna l’-OH anomerico

β

con l’–OH in C del glucosio in un legame di tipo .

4 CH OH

2 O

H H

CH OH

2 4

O OH H

OH O OH

1

OH H H OH

H H

H OH α-D-glucopiranosio

4-O-(β-D-galattopiranosil)-

oppure

β-(1-4)-α-glucopiranosio

D-galattopiranosil- 26

CELLOBIOSIO

E’ formato come il maltosio da due molecole di glucosio in forma piranosica ma questa volta il

β .

legame fra il C e il C è del tipo

1 4 CH OH

2 O

H OH

CH OH

2 4

O OH H

H O H

1

OH H H OH

OH H

H OH β-D-glucopiranosio

4-O-(β-D-glucopiranosil)-

oppure

β(1-4)-β-glucopiranosio

D-glucopiranosil-

SACCAROSIO

Questo è un disaccaride formato da glucosio e fruttosio. La sua importante particolarità strutturale

le conferisce delle proprietà diverse.

α β

Infatti il glucosio in forma -piranosica e il fruttosio in forma -furanosica danno un legame con i

loro –OH anomerici. OH

CH

2 O

H H

1

OH H

OH O

H OH

HOCH

2 O

HO

H CH OH

2

H OH H

α β

-D-glucopiranosil- -D-fruttofuranoside

oppure

β α

-D-fruttofuranosil- -D-glucopiranoside

POLISACCARIDI

I polisaccaridi sono polimeri di monosaccaridi o di loro derivati, legati fra loro con legami

glicosidici.

AMIDO l’amilosio l’amilopectina.

Nelle molecole di amido sono generalmente presenti due frazioni: e α

L’amilosio è solubile in acqua ed è costituito da catene lineari unite fra loro solo con legame (1-

. L’amilopectina

4) la cui unità costitutiva di base è il maltosio è invece insolubile in acqua ed è

α

costituita anche in questo caso da unità di glucosio unite fra loro non solo con legami (1-4) ma

27

α

anche (1-6) che danno luogo a ramificazioni. Si deve quindi parlare di amidi poiché ogni tipo di

amido sarà formato da amilosio e amilopectina presenti in percentuali variabili come inoltre saranno

variabili il grado di polimerizzazione e di ramificazione dell’amilopectina.

CELLULOSA

La cellulosa è il composto organico più diffuso in natura strutturalmente è un polimero lineare del

β (1-4). Purtroppo nel nostro organismo la mancanza di enzimi

D-glucopiranosio con legami tutti

β

specifici per il legame (1-4) glucosidico ci impedisce di utilizzare direttamente tale elemento.

β

legame (1-4) glicosidico CH OH

CH OH 2

2 CH OH

2 O

O

H O OH H

OH H O

O OH H

OH H OH

H OH H OH n

ACIDI GRASSI

Gli acidi grassi presentano generalmente queste caratteristiche:

sono acidi monocarbossilici a catena lineare;

1.

2. possiedono un numero pari di atomi di carbonio compreso tra 4 e 30;

3. possono essere saturi o insaturi (con una o più insaturazioni)

Gli acidi grassi insaturi naturali possiedono la struttura dell’isomero Z o cis.

CH (CH ) C C (CH ) COOH

CH (CH ) COOH 3 2 5 2 7

3 2 10

Acido dodecanoico H H

Acido (Z)-9-esadecenoico

Tali composti hanno una densità inferiore a 1 e sono insolubili in acqua a causa del prevalere della

parte idrocarburica, idrofobica, sulla parte idrofila del carbossile. Il punto di fusione degli acidi

grassi è influenzato sia dalla lunghezza della catena, sia dalla presenza dei doppi legami. A

temperatura ambiente gli acidi grassi saturi sono allo stato solido, mentre quelli insaturi sono

liquidi.

Gliceridi

L’esterificazione parziale o totale del glicerolo, alcol con tre gruppi funzionali, con acidi grassi

porta alla formazione di diversi gliceridi. 28

CH CH CH

O C OR O C OR O C OR

2 2 2

CH OH CH O C OR' CH O C OR'

CH OH CH OH CH O C OR''

2 2 2 trigliceride

1,2-digliceride

monogliceride

I trigliceridi nonostante la presenza del gruppo estereo polare, si considerano apolare per la

preponderanza delle catene alifatiche. PROTEINE

Quando viene idrolizzata una proteina con acidi o basi diluite o enzimi idrolitici, il risultato è una

α α

miscela di -amminoacidi. Un -amminoacido contiene il gruppo ammino –NH sull’atomo di

2

α

carbonio in posizione cioè adiacente al gruppo carbossilico.

A parte la glicina, gli amminoacidi presenti in natura sono otticamente attivi, per lo più con

configurazione L. La struttura di riferimento per stabilire la configurazione assoluta degli ammino

acidi è ancora la gliceraldeide, con il gruppo ammino che sostituisce il gruppo –OH e il gruppo

carbossilico al posto del –CHO. La molecola mostrata ha una configurazione L poiché il gruppo

NH compare a sinistra.

2

Tali composti sono solidi cristallini bianchi con caratteristiche chimico fisiche paragonabili a quelle

dei composti ionici; infatti presentano punti di fusione elevati e scarsa solubilità nei solventi apolari.

Questo comportamento è dovuto alla possibilità che questi composti esistano nella forma ionica

“zwitterione”.

dipolare o Quando la soluzione acquosa è acida o basica, per il carattere anfotero

degli amminoacidi prevarranno rispettivamente la forma cationica o anionica. Quindi come

possiamo vedere l’amminoacido risente del pH dell’ambiente.

- R

R - O

O

R + OH + OH

O + H N CH C

H N CH C

+ 2

3

H N CH C -

- +

3 + O

O H

+ H

OH

pH molto acido pH molto basico

ione dipolare

forma cationica forma anionica

zwitterione

In soluzioni fortemente acide l’amminoacido esiste come catione, con un protone proveniente dalla

3+

soluzione che si coordina all’atomo di azoto formando NH . In soluzione fortemente basica si

forma un anione, mediante la perdita di protoni da parte di –CO H o NH . Ad un punto intermedio

2 3

si ha perdita di un protone da parte di –CO H mentre viene mantenuto da –NH . Il pH in cui

2 3

punto isoelettrico

l’amminoacido esiste in forma dipolare si chiama e può non coincidere col pH=7

perchè le due funzioni amminica e carbossilica hanno costanti di dissociazione diverse.

PEPTIDI

Una delle più importanti caratteristiche reazioni degli amminoacidi è quella fra il gruppo

carbossilico e il gruppo amminico di due amminoacidi, uguali o diversi, che si uniscono per formare

legame ammidico.

un 29

Appunti generici di Chimica organica del professor Romeo con attenzione ai seguenti argomenti: la chimica del carbonio, gli idrocarburi (alcani, alcheni, alchini), composti aromatici (il benzene, alcoli e fenoli, eteri, ammine, aldeidi e chetoni, acidi carbossilici, esteri, ammidi), la stereochimica, i carboidrati (zuccheri).