Reazioni chimica organica

Sostituzione nucleofila

Nella sostituzione nucleofila un nucleofilo (ricco di elettroni) attacca un elettrofilo (ricco di elettroni) con conseguente distacco di un gruppo uscente (un buon gruppo uscente è una base debole).

S_N2: Meccanismo concertato

Il primo modello possibile è la sostituzione che avviene con un meccanismo S_N2 concertato. In questo caso abbiamo un attacco da retro del nucleofilo che è abbastanza forte da indurre il distacco diretto del gruppo uscente. La reazione avviene in un unico passaggio, non si forma un intermedio ma si ha solo uno stato di transizione. Conseguenza dell'attacco da retro è l'inversione della configurazione.

S_N1: Due passaggi

Il secondo meccanismo è la sostituzione che avviene in due passaggi S_N1. Nel primo passaggio abbiamo il distacco del gruppo uscente con formazione di un carbocatione intermedio stabilizzato. Nel secondo passaggio il nucleofilo reagisce con il carbocatione (estremamente elettrofilo), a seconda della faccia in cui avviene l'attacco (re o si) si può avere inversione o ritenzione di configurazione.

Trasferimento del gruppo fosfato

Il trasferimento di gruppo fosfato avviene tra un donatore di gruppo fosfato e un accettore di gruppo fosfato. Il fosfato è elettrofilo (e solitamente sono presenti ioni metallici che richiamano densità elettronica rendendolo più elettrofilo).

Il nucleofilo si avvicina al fosforo dalla parte opposta del gruppo uscente con la formazione di un intermedio con struttura bipiramidale trigonale che torna poi alla struttura tetraedrica nel momento in cui il gruppo uscente si allontana con inversione di configurazione. Il meccanismo è molto simile a un meccanismo S_N2 ma invece di uno stato di transizione bipiramidale qui troviamo la formazione di un vero e proprio intermedio.

Idrolisi del gruppo fosfato

Le fosfatasi catalizzano reazioni di defosforilazione che non sono l'inverso di quelle di fosforilazione. Le fosfatasi trasferiscono gruppi fosfato all'acqua (sono reazioni di idrolisi). Non richiedono quindi energia come il processo inverso.

Nel primo meccanismo abbiamo l'attacco diretto di acqua (nucleofilo) sul fosforo elettrofilo, con la formazione dell'intermedio e il distacco del gruppo uscente, in presenza di un enzima acido-base. Nella reazione indiretta abbiamo due passaggi. Nel primo il fosfato viene attaccato da un gruppo nucleofilo e solo successivamente reagisce con l'acqua come visto sopra. I due meccanismi sono diversi ma portano alla fine allo stesso identico risultato.

Addizione nucleofila

L'addizione nucleofila porta alla formazione di un nuovo legame δ a spese di un legame π di aldeidi e chetoni. La reazione avviene con l'attacco al gruppo carbonilico e la protonazione dell'ossigeno (per renderlo più elettrofilo).

Il nucleofilo attacca seguendo la traiettoria di Burgi-Dunitz e la geometria di legame diventa tetraedrica con l'eventuale creazione di un nuovo centro di chiralità (che dipende dalla faccia che viene attaccata). Questa traiettoria è favorita perché è un compromesso tra massima interazione HOMO-LUMO e minima repulsione dell'HOMO (del nucleofilo) da parte degli elettroni del legame π.

Formazione di un acetale

Si formano quando un emiacetale (o emichetale) reagisce con una seconda molecola di alcool nucleofilo. In un contesto non biologico è catalizzata da un acido forte e segue una reazione S_N1: un ossidrile viene protonato formando acqua (buon gruppo uscente) che si distacca con formazione di un carbocatione intermedio stabilizzato per mesomeria.

In un contesto biologico il gruppo OH non viene protonato ma trasformato in un buon gruppo uscente per fosforilazione (si ha un primo passaggio di attivazione), segue poi una S_N1. Esempio di gruppo acetale è il legame glicosidico.

Idrolisi di un acetale

Un acetale può essere idrolizzato ad emiacetale. La reazione è ancora una sostituzione nucleofila (S_N1) ma stavolta il nucleofilo è l'acqua mentre il gruppo uscente è un alcool (formato per protonazione).

Il gruppo alcossi viene protonato e si stacca una molecola di alcool con formazione di un carbocatione che viene attaccato da una molecola di acqua deprotonata (resa un miglior nucleofilo). Questo intermedio è quello che avviene nella scissione dei legami glicosidici.

Formazione di un legame N-glicosidico

Nella formazione di un legame glicosidico un emiacetale viene attaccato da una seconda molecola di alcool con formazione di un acetale. Se invece un emiacetale viene attaccato da un'ammina, si forma un "acetale misto" con un carbonio legato ad un ossigeno e a un azoto che viene definito legame N-glicosidico.

Il procedimento è sempre lo stesso (sostituzione nucleofila S_N1) con l'ossidrile attivato per fosforilazione (viene attaccato il fosfato β dell'ATP) con conseguente distacco del pirofosfato e formazione di un carbocatione intermedio che verrà attaccato da un'ammina.

Formazione di emiacetali e emichetali

Uno degli esempi più importanti è l'addizione a un chetone o a un'aldeide con la formazione di emiacetali e emichetali (acetali e chetali si formeranno per aggiunta di una seconda molecola di alcool). Questi solitamente si trovano a energia più alta per cui l'equilibrio della reazione è spostato a sinistra.

Il meccanismo biochimico avviene con catalisi basica: l'alcol viene deprotonato (reso più nucleofilo) e attacca il carbonio elettrofilo del carbonile (con protonazione dell'ossigeno). In laboratorio (processo non biologico) la reazione avviene con catalisi acida in presenza di un acido forte che protona l'ossigeno carbonilico formando degli intermedi troppo acidi per formarsi in ambiente biologico (pKa=0).

La ciclizzazione dei carboidrati

In soluzione acquosa le molecole di carboidrati a cinque o sei atomi di carbonio danno una rapida interconversione tra forma lineare e forma ciclica con la formazione intramolecolare (perché l'alcool si trova sulla stessa molecola) di emiacetali e emichetali.

Questi casi sono delle eccezioni a quanto detto sopra in quanto le forme cicliche sono a energia notevolmente inferiore. In soluzione acquosa queste reazioni non sono catalizzate da enzimi. Il glucosio in forma ciclica è detto...