Struttura e funzione delle molecole organiche negli alimenti, parte 2: dai metodi spettroscopici all'NMR

OLIO IN ACQUA

Es. aggiungo un cucchiaio di olio in un bicchiere di acqua:

Dispersione coalescenza per ridurre la tensione superficiale sistema bifasico, olio in superficie.

→ →

Un emulsionante deve stabilizzare abbassando la tensione superficiale, per evitare i passaggi qui

sopra.

Gli emulsionanti di solito hanno una testa polare e una coda non polare, quindi una porzione che

interagisce con la fase acquosa e una che interagisce con quella oleosa.

L’immagine schematizza ciò che succede a una gocciolina di olio in acqua:

© Laila Pansera - 53

Gli emulsionanti si riconoscono perché hanno queste caratteristiche particolari.

Tutti i fosfolipidi funzionano da emulsionanti, perché hanno una funzione lipofila e una idrofila. La

lecitina è la FOSFATIDILCOLINA: la colina si dispone verso la fase acquosa, mentre le catene di acidi

grassi si dispongono verso la fase oleosa.

Anche il colesterolo funziona in questo modo: l’OH sta verso la parte idrofila, il resto è lipofilo.

La maionese è un’emulsione di olio nel rosso d’uovo. I fosfolipidi agiscono come emulsionanti

(lecitina), mentre il colesterolo e le proteine dell’uovo aiutano la formazione dell’emulsione.

Un singolo rosso d’uovo può emulsionare 15L di olio.

Le lecitine dell’uovo agiscono come emulsionanti in: maionese, preparazione di pane e torte,

cioccolato e confectionery.

Ci sono emulsionanti alternativi a quelli naturali, e costano meno. Es: esteri dell’acido

diacetiltartarico con un monogliceride (DATEMS). Questo emulsionante viene utilizzato nei pani

commerciali.

N.B.: il gruppo estere è un C=O con legate 2 catene al C: una OR e una R.

Anche i monogliceridi e i monogliceridi sostituiti idrofili sono utilizzati come emulsionanti.

Un altro emulsionante è il polisorbato 20, oppure il sorbitano.

© Laila Pansera - 54

Tutti gli emulsionanti hanno strutture in parte idrofile e in parte idrofobe.

© Laila Pansera - 55

Spettroscopia infrarossa

La radiazione elettromagnetica interagisce con la materia, avviene una variazione dovuta

all’assorbimento dell’energia che viene fornita attraverso la radiazione, il sistema si perturba, passa

allo stato eccitato, assorbe energia, poi torna allo stato fondamentale.

La spettroscopia UV-visibile riguarda transizioni elettroniche che interessano gli elettroni esterni che

occupano l’ultimo guscio: essi, assorbono energia e saltano nel primo orbitale di non legame. Quindi

l’energia fornita deve essere uguale alla differenza tra lo stato energetico eccitato e quello

fondamentale, cioè il salto HOMO-LUMO.

Ora vediamo cosa succede se irradiamo una molecola con una radiazione infrarossa.

La radiazione infrarossa ha un contenuto energetico minore rispetto a quella UV, quindi se irradio

con una radiazione infrarossa non succede niente agli elettroni (non ho energia sufficiente per il salto

HOMO-LUMO). Quello che succede è la variazione relativa degli atomi che compongono la molecola,

cioè si allontanano e si avvicinano quando forniamo una radiazione IR.

Una molecola è fatta da tanti atomi che sono uniti da legami, quindi immaginiamo i legami come

delle molle, e quando noi forniamo un’energia infrarossa, il comportamento dei legami è identico a

quello delle molle.

Gli atomi subiscono:

Vibrazioni di stretching, simmetrico o asimmetrico, oppure

- vibrazioni di bending: piegamenti come forbice, oppure movimenti di piegamento torsionale.

-

Quando fornisco alla molecola una radiazione infrarossa vado a verificare la posizione relativa degli

atomi in quella molecola, grazie alle vibrazioni conformazionali che modificano gli stati vibrazioni

degli atomi, quindi non si ha nessun salto elettronico e nessun salto di protoni, ma semplicemente

si vanno a modificare le posizioni degli atomi. Queste variazioni vibrazionali della molecola vengono

registrate e rappresentate in uno spettro IR dove generalmente viene messa in ordinata la

trasmittanza, in funzione della lunghezza d’onda (in ascissa, cm ).

-1

© Laila Pansera - 56

Come l’UV, l’infrarosso non dà informazioni sulla molecola, ma ottengo informazioni sui gruppi

funzionali di una molecola (es. non mi dice è acetone, ma mi dice c’è un’aldeide, un alcol, etc). Da

ogni analisi spettroscopica (UV-visibile, IR, NMR) ottengo qualche informazione, poi l’unione delle

informazioni mi aiuterà a costituire la molecola.

Quando io fornisco una radiazione infrarossa a una molecola, i cambiamenti vengono rilevati dallo

strumento esattamente come succedeva nell’UV: ci sono alcuni legami che assorbono a determinate

lunghezze d’onda, e quindi la presenza dei picchi corrispondenti mi dà informazioni sul tipo di

legame che è presente.

Le lunghezze d’onda che vengono studiate nell’infrarossa vanno circa tra 900-4000 cm ; ora

-1

vediamo alcuni range di lunghezze d’onda per gruppi funzionali specifici:

Nella zona intorno a 3200-3500, vengono rilevati i picchi dei legami O-H N-H, quindi se ho una

- molecola che ha dei legami OH o NH assorbe la radiazione di lunghezza d’onda di 3500 circa e

si ha lo stretching di questo legame. Si hanno delle bande molto larghe (a panettone); se in

questa zona c’è una banda larga, significa che ho alcoli, ammine, o acidi carbossilici

Lo stretching del legame C-H è un po’ prima di 3000 e si hanno delle bande più allungate e

- frastagliate. Se la banda prosegue un po’ oltre i 3000 significa che ci sono anche dei doppi

legami C=H (sp2, es. alcheni).

Lo stretching dei doppi legami C=C C=N è prima dei 3000, con piccole bande

- Lo stretching del legame C=O è intorno a 1700, è un picco molto sottile e molto caratteristico

- (una delle principali informazioni dello spettro infrarosso)

Ogni sostanza ha una parte di spettro tra 1500-500, con picchi caratteristici di ogni sostanza.

- Questa zona si chiama zona dell’impronta digitale. Qui abbiamo il piegamento di legami CO

CX CN, ma non è una zona diagnostica. Non guardo questa zona, perché è nella zona precedente

che ho i picchi caratteristici dei gruppi funzionali.

© Laila Pansera - 57

I picchi possono essere sharp: piccoli, broad: larghi. I picchi del carbonile sono molto caratteristici.

Esempio: picco significativo D, dovuto alla presenza di un chetone. B è per l’OH; picco C, CH nella

→

molecola non ci sono doppi legami, perché non ho il picco C=C.

Esempi:

Spettro dell’ottano, un alcano, ha solo legami CH, quindi avrò gli stretching di legami CH, prima

- dei 3000. Vediamo che non ci sono picchi per i carbonili, per gli OH, per i doppi legami, etc

© Laila Pansera - 58

Alchene: la differenza è che si ha anche il segnale dello stretching del legame C sp2-H; quindi

- vediamo il segnale poco prima dei 3000 e poco dopo

Composto aromatico: avendo dei carboni sp2 ha un sistema di bande che va da prima di 3000 a

- dopo 3000; gli aromatici hanno anche dei piccoli segnali nella zona delle impronte digitali

Alcol: c’è un grosso bandone oltre i 3000, che indica la presenza di un gruppo OH

- Chetone: si vede bene la banda del carbonile, sottile e lunga intorno a 1700; ho anche stretching

- del CH prima dei 3000

Aldeide: banda sottile intorno a 1700 e stretching del CH

- Aldeide aromatica: stretching del CH aromatico, stretching del CH alifatico e carbonile

- Acido carbossilico: gruppo CO e gruppo OH, che si sovrappone allo stretching del CH

- Estere: c’è solo il CO del carbonile, vedo stretching del CH e del carbonile. A seconda dei gruppi

- che sono attaccati al carbonile, il gruppo C=O si può spostare: verso i 1800cm se al C=O sono

-1

attaccati i gruppi che tirano l’elettrone o verso 1600cm se invece al C=O sono attaccati i gruppi

-1

che cedono l’elettrone.

Estere aromatico: vedo stretching del CH, stretching del CH aromatico e del carbonile

- Ammina: stretching del legame NH, solo se l’ammina è primaria e secondaria, nella terziaria il

- legame NH non c’è, quindi non c’è il picco.

Lo strumento è simile a quello dell’UV.

Posso sciogliere composto in un solvente, oppure uso pastiglie di NaCl, in cui metto goccia del

composto sciolta in un olio di paraffina. Si fa lo spettro tenendo conto che devo togliere i segnali

dell’olio di paraffina. © Laila Pansera - 59

NMR

Abbiamo visto altri metodi spettroscopici, che si basano tutti più o meno sullo stesso principio, viene

irradiato un sistema con una radiazione elettromagnetica e questo sistema ha una perturbazione.

Quindi il sistema passa da uno stato energetico minore ad uno stato energetico maggiore

assorbendo l’energia che viene fornita, poi si rilassa e torna nello stato fondamentale, riemettendo

l’energia.

Es: se fornisco raggi X causo una perturbazione a livello degli elettroni degli atomi, se fornisco

un’energia della radiazione del visibile ottengo una perturbazione degli elettroni che occupano

l’ultimo degli orbitali molecolari occupati, se fornisco energia con lunghezza d’onda nell’infrarosso,

ottengo una perturbazione che influisce sui moti vibrazionali e rotazionali delle molecole, quando

fornisco un’energia con lunghezza d’onda molto maggiore, e quindi energeticamente molto minore,

come ad esempio le onde radio, non avviene nessuna perturbazione, perché il contenuto energetico

è troppo basso. Ma se io fornisco questa energia ad un sistema che viene prima messo in un campo

magnetico, si ha una perturbazione che coinvolge i protoni e viene studiata tramite la RISONANZA

MAGNETICA NUCLEARE.

Proprietà magnetiche dei nuclei

Numero atomico Z: numero di protoni presenti nel nucleo che coincide con il numero di elettroni

presenti nell’atomo.

Numero di massa A: numero di protoni +numero di neutroni (la massa degli elettroni è trascurabile).

Il numero quantico di spin nucleare, che si indica con la lettera I, è un numero che può avere dei

valori che vanno da 0 a valori semiinteri (es. ½) a seconda dei valori di Z e A:

Z pari e A pari I = 0

→

- Z dispari e A pari I = intero

→

- Z pari e A dispari I = semiintero

→

- Z dispari e A dispari I = semiintero

→

-

La NMR si occupa dello spin dei protoni che si trovano dentro i nuclei degli atomi. I nuclei che

vengono studiati alla NMR hanno un numero quantico di spin diverso da 0, perché i nuclei con spin

= 0 non sono attivi in NMR. I nuclei che vengono più studiati in NMR sono H1 (il più abbondante in

natura) e il C13 (il C12 ha I = 0), che però ha un’abbondanza molto bassa.

© Laila Pansera - 60

Il nucleo è una piccola sfera carica (perché contiene i protoni, carichi), che genera una piccola

corrente