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

Corso di struttura e funzione delle molecole organiche negli alimenti

Prof.ssa Sabrina Dallavalle - Parte 2: dai metodi spettroscopici all'NMR

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Sommario

• Metodi spettroscopici ......................................................................................................................................................... 4
• Spettroscopia UV-visibile .............................................................................................................................................. 6
• Legge di Lambert-Beer............................................................................................................................................ 10
• Spettrofotometro UV-visibile ................................................................................................................................ 12
• I coloranti ............................................................................................................................................................................... 14
• Coloranti naturali ........................................................................................................................................................... 16
• Coloranti inorganici ....................................................................................................................................................... 21
• Coloranti di sintesi ......................................................................................................................................................... 21
• Coloranti azoici .................................................................................................................................................. 21
• Derivati del trifenilmetano ........................................................................................................................ 22
• Indigoidi solfonati – derivati dell'indaco ...................................................................................... 23
• Tossicologia ..................................................................................................................................................................... 24
• Gusto ....................................................................................................................................................................................... 25
• Fisiologia del gusto ....................................................................................................................................................... 28
• Dolcificanti ............................................................................................................................................................................ 31
• Dolcificanti naturali ....................................................................................................................................................... 33
• Dolcificanti sintetici ....................................................................................................................................................... 35
• Aromatizzanti ....................................................................................................................................................................... 38
• Chemestesi ............................................................................................................................................................................ 39
• Terpeni e steroidi ................................................................................................................................................................ 41
• Lipidi ................................................................................................................................................................................... 41
• Terpeni e steroidi ........................................................................................................................................................... 41
• Biosintesi dei terpeni ......................................................................................................................................... 42
• Derivati del colesterolo ............................................................................................................................... 50
• Tetraterpeni ............................................................................................................................................................ 52
• Cere ..................................................................................................................................................................................... 52
• Emulsionanti ......................................................................................................................................................................... 53
• Olio in acqua ......................................................................................................................................................... 53
• Spettroscopia infrarossa .................................................................................................................................................. 56

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NMR

• Proprietà magnetiche dei nuclei .............................................................................................................................. 60
• Produzione del segnale NMR .................................................................................................................................... 63
• Struttura di un NMR ..................................................................................................................................................... 64
• Spostamento chimico ................................................................................................................................................... 65
• Cosa trovo rappresentato nello spettro ................................................................................................................ 65
• Accoppiamento di spin ................................................................................................................................................ 70
• Costante di accoppiamento ....................................................................................................................................... 73

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Metodi spettroscopici

Siccome i coloranti sono composti colorati, andiamo a vedere che caratteristiche chimiche deve avere un composto per essere colorato. I composti coloranti assorbono la reazione luminosa nel range del visibile. La spettroscopia studia le proprietà della materia attraverso l’interazione della materia con la radiazione elettromagnetica. La radiazione elettromagnetica è costituita da campi elettrici e campi magnetici oscillanti nello spazio e nel tempo. I campi elettrici e magnetici sono perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda. La lunghezza d’onda (λ) è la distanza tra 2 massimi di onda, mentre la frequenza (ν) è il numero di onde in un secondo. L’ampiezza (A) è la distanza tra il massimo dell’onda e la direzione di propagazione. Il prodotto di lunghezza d’onda per frequenza è la velocità della luce (c). L’energia di una radiazione elettromagnetica è proporzionale alla sua frequenza: maggiore è la frequenza di una radiazione elettromagnetica, maggiore è la sua energia. Mentre maggiore è la lunghezza d’onda minore è l’energia (energia e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali).

Di tutto lo spettro elettromagnetico, la luce visibile occupa solo una piccola porzione (400-800 nm). Il visibile è meno energetico dell’UV ma più energetico degli infrarossi. Le radiazioni con maggiore contenuto energetico sono i raggi X e i raggi gamma, quelle con minor contenuto energetico sono gli infrarossi, le microonde e le onde radio.

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Alla base di tutte le reazioni che si studiano attraverso la spettroscopia c’è il concetto seguente. C’è un sistema (atomo, molecola, sistema generico) che si trova a un certo livello energetico. Fornisco al sistema energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Il sistema assorbe energia e salta a un livello energetico superiore, dopodiché il sistema ributta fuori l’energia assorbita e torna al suo livello base. Quindi se io fornisco a un sistema un’energia ben definita, assorbe e salta a un livello energetico superiore, poi riemette l’energia e torna indietro. Quindi ho uno stato fondamentale ed uno stato eccitato.

Se io fornisco alla materia una radiazione che ha un contenuto di energia uguale alla differenza tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato, avviene il salto energetico. Il salto non avviene se io fornisco una quantità di energia inferiore, né se ne fornisco una quantità superiore. Le interazioni delle radiazioni con la materia sono molteplici. Una volta che io tratto la materia con un raggio di luce incidente, questa luce può essere riflessa, rifratta, difratta, può essere trasmessa. L’assorbimento della luce è un processo a due stadi:

• Assorbimento
• Rilassamento

Nel secondo stadio si ritorna allo stato fondamentale, e lo fa in diversi modi. Il salto energetico allo stato eccitato può avvenire in diversi modi, a seconda del tipo di energia che fornisco (lo possono effettuare gli elettroni, possono esserci variazioni rotazionali di molecole, etc).

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La spettroscopia UV-visibile, e a raggi X, studia le variazioni di energia che avvengono a livello degli elettroni, che assorbono energia e saltano a un livello energetico superiore. Se io fornisco una radiazione molto energetica, come quella dei raggi X, quelli che saltano sono gli elettroni interni. Se io fornisco una radiazione a livello energetico basso (visibile o UV), quelli che saltano sono gli elettroni che si trovano nell’ultimo orbitale molecolare occupato, quelli del guscio più esterno. Avviene una transizione di gruppo elettronico, che viene registrata dallo strumento e si ha una modifica della materia, che poi ritorna allo stato fondamentale quando gli elettroni tornano al livello fondamentale.

Se fornisco una radiazione infrarossa invece, che ha un contenuto energetico più basso, non fornisco l’energia sufficiente agli elettroni per saltare; si ha in questo caso una variazione a livello rotazionale e vibrazionale delle molecole che vengono studiate attraverso la spettroscopia infrarossa. Se invece fornisco energia con contenuto energetico molto più basso (onde radio), non succede nulla, ma se fornisco questa energia mentre applico una variazione del campo magnetico, c’è un cambio dello spin; questo principio sta alla base della risonanza magnetica nucleare (NMR). Quindi a seconda del tipo di energia che fornisco, il sistema viene perturbato in un certo modo. Quindi alla base di tutti i metodi spettroscopici ci sono delle variazioni in un sistema che portano al passaggio da uno stato energetico fondamentale ad uno stato energetico eccitato, il sistema ritorna poi ad uno stato energetico fondamentale ri-emettendo in modi diversi l’energia che gli è stata fornita.

Spettroscopia UV-visibile

Essa riguarda le transizioni elettroniche: perturbazioni a livello degli elettroni esterni (che occupano il guscio esterno). L’energia fornita deve essere uguale alla differenza tra lo stato energetico eccitato e quello fondamentale. Ogni livello di transazioni elettroniche ha vari sottolivelli rotazionali e vibrazionali. L’energia totale è data dalla somma di questi sottolivelli energetici. Le specie che assorbono contengono elettroni e n.

Il legame si forma lungo l’asse internucleare con messa in compartecipazione di elettroni, in modo da raggiungere l’ottetto (il poi può essere più o meno polarizzato). Un esempio sono i legami C-C e C-H delle catene carboniose, e si trovano ai vertici di un tetraedro (il C è sp³).

Il legame dato dalla sovrapposizione degli elettroni che si trovano su un piano perpendicolare al piano del legame è il legame Quindi il doppio legame C=O oppure C=C è un legame ini. In questo caso il C è sp², sostituenti ai vertici di un triangolo equilatero, e poi un elettrone messo nell’orbitale p perpendicolare al piano del legame che viene messo a disposizione per fare un legame con un altro C sempre in un orbitale p.

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Gli elettroni n sono quelli che non partecipano a un legame. Nella formaldeide ci sono legami e anche elettroni di non legame. Quando si formano le molecole, gli atomi reagiscono, gli elettroni vanno ad occupare gli orbitali del legame. Ogni volta che si formano orbitali di legame, si formano anche orbitali di non legame, che non sono occupati da nessun elettrone, vengono indicati con un asterisco e hanno contenuto energetico maggiore rispetto ai corrispondenti orbitali di legame. Quindi ogni volta che si ha un legame gli elettroni si mettono nell’orbitale di legame, ma si forma anche un orbitale la stessa cosa vale per il legame. Gli orbitali n invece sono occupati dagli elettroni che non hanno legame.

I legami hanno contenuto energetico più basso, poi ci sono i legami poi gli elettroni di non legame, poi e infine . Quindi abbiamo una molecola con la sua distribuzione elettronica, gli elettroni sono immessi nei vari orbitali. A questo punto fornisco energia a questa molecola; se io le fornisco una quantità di energia uguale al l’elettrone salta al livello energetico successivo. Quindi a seconda della quantità di energia che io fornisco, l’elettrone può saltare da un livello ad un altro. Per far saltare un elettrone da un orbitale ad un orbitale ho bisogno di una grossa quantità di energia.

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Nella spettroscopia UV-visibile, quello che si studia è il salto elettronico che avviene quando un elettrone (si parla di elettroni esterni) che occupa l’ultimo orbitale molecolare occupato (HOMO – highest occupied molecular orbital) salta nel primo orbitale molecolare non occupato (LUMO – lower unoccupied molecular orbital). La spettroscopia UV-visibile è quella che studia il salto HOMO-LUMO. Per far fare questo salto, bisogna dare una certa energia al sistema, devo fornire una quantità di energia uguale al .

Se i livelli sono più vicini, l’energia che serve è più bassa ed è più facile la transizione, mentre se sono più lontani, l’energia che serve è più alta, e la transizione è più difficile. Quindi per effettuare il salto devo usare una radiazione ad alta energia (e bassa lunghezza d’onda), come anche per il salto. Esse sono molto difficili da misurare, per cui non ce ne occupiamo.

Quelle che studiamo noi sono le transizioni:

• n → π*
• π → π*

Esse possono essere misurate nell’UV-visibile, perché avvengono a lunghezze d’onda tra 200-700 nm. Un composto per assorbire nel visibile deve avere elettroni in grado di compiere un salto con una radiazione energetica minore della radiazione UV, quindi il composto deve avere un molto piccola. Se un composto assorbe a 185 nm, assorbe molto lontano dal visibile e non lo vedo colorato, mentre se assorbe es a 450 nm, lo vedo colorato. Esempi di composti in tabella:

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L’1-pentene (CH₃CH₂CH₂CH=CH₂) ha una lunghezza massima di assorbimento di 184 nm, quindi non è colorato, perché assorbe al limite dell’UV. L’1,5-esadiene (CH₂=CHCH₂CH₂CH=CH₂) assorbe a una lunghezza d’onda simile al precedente. Queste 2 molecole hanno legami e doppi legami (π), quindi possono fare delle transizioni e assorbono nel range UV-visibile per questi doppi legami.

L’1,3-butadiene (H₂C=CHCH=CH₂) è simile ai precedenti, ma ha i doppi legami coniugati. Quando in una molecola ci sono doppi legami coniugati, l’energia per effettuare il salto HOMO-LUMO è molto più bassa, quindi la radiazione necessaria ha una lunghezza d’onda maggiore. Se i legami coniugati sono 3, l’energia per effettuare il salto HOMO-LUMO diminuisce ancora di più.

Il 5-esen,2-one (CH₂=CH-CH₂-CH₂C=OCH₃), il 3-buten,2-one (CH₂=CHC=OCH₃). Se ho solo un chetone ho una certa lunghezza d’onda, se ho un chetone insaturo (legame coniugato, ossia doppio legame di fianco al C=O) la lunghezza d’onda aumenta perché il sistema è coniugato. In particolare il CO è in posizione α e il doppio legame è in posizione β.

Il butadiene ha 2 legami coniugati, quindi ho un orbitale dove si trovano 2 elettroni, e un orbitale dove si trovano altri 2 elettroni, poi ci sono i corrispondenti orbitali di anti-legame (uno dei due ha contenuto energetico maggiore rispetto all’altro, quindi le differenze di energia sono una maggiore e una minore). L’energia per effettuare il salto HOMO-LUMO è minore rispetto a quella che serve nel doppio legame isolato.

Quindi se io aumento il numero di doppi legami coniugati, avrò diversi livelli energetici nello stato fondamentale, e poi avrò i corrispondenti livelli energetici nello stato eccitato. Man mano che io aumento i doppi legami coniugati, aumenta l’energia degli elettroni nello stato fondamentale e diminuisce il salto che devo fare per andare ad occupare il primo orbitale molecolare non occupato. Quindi serve sempre meno energia per far saltare l’elettrone.

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Il limite da superare perché un composto sia colorato è 400 nm, altri