Struttura e funzione delle molecole organiche negli alimenti, parte 3: esercizi svolti

Corso di struttura e funzione delle molecole organiche negli alimenti

Prof.ssa Sabrina Dallavalle

Parte 3: Esercizi

© Laila Pansera - 1

Esercizio: 3,5-dicloro, 4-propilfenolo e 3,5-dicloro, 4-propilcicloesanolo

Questi due composti non sono solubili in acqua, perché gli anelli aromatici o alifatici sono immiscibili con l’acqua, dando origine a un sistema bifasico. Infatti, in questo caso, nonostante la presenza di un gruppo polare OH, c’è la prevalenza di legami C-C, apolari (motivo per cui gli alcoli a lunga catena non si sciolgono in acqua). Se i due composti sono solidi precipitano quindi sul fondo in acqua, se invece sono liquidi salgono in superficie stile sistema bifasico acqua-olio. In genere, anche nei sistemi bifasici acqua-solvente organico, l’acqua sta sul fondo.

Se ho questi due composti in una beuta, come devo fare per separarli? Quali composti organici sfrutto e in cosa differenzio i due composti?

Se avessi ad esempio nella beuta metanolo e fenolo, basterebbe sfruttare la loro diversa solubilità: aggiungo acqua e solvente organico, il metanolo si solubilizza in acqua e il fenolo in solvente organico. Se avessi ad esempio un fenolo e un altro composto senza il gruppo OH, potrei sfruttare il punto di ebollizione (alto nei fenoli) usando un distillatore Claisen (il composto senza il gruppo -OH evapora per primo e viene distillato, così lo separo, poi cambio il pallone e scaldo di più così distillo anche il secondo).

Se ho i due composti precedenti insieme e voglio separarli, considero che essi hanno acidità diversa (il fenolo è più acido), perciò:

• Metto i due composti in etere etilico (solvente organico) per farli solubilizzare.
• Aggiungo un solvente basico: soluzione acquosa di soda (verifico che la soluzione diventi basica con la cartina tornasole che diventa blu).
• Il fenolo, più acido, reagisce con la soda sciogliendosi e formando il sale sodico del fenolo: l’ossigeno del fenolo perde l’H e acquisisce carica negativa, di conseguenza l’ossigeno carico negativamente interagisce con lo ione sodio carico positivamente e ottengo il sale sodico, solubile in acqua.
• Ottengo un sistema bifasico in cui nell’acqua c’è il sale sodico e nel solvente organico c’è il 3,5-dicloro, 4-propilcicloesanolo.
• Uso un imbuto separatore per separare le due fasi.
• Alla soluzione acquosa aggiungo un acido (es. HCl): ottengo di nuovo il fenolo di partenza, più NaCl; il fenolo precipita mentre NaCl si scioglie in acqua.
• Filtro sottovuoto con l’imbuto Buchner usando della carta da filtro, perché l’obiettivo è ottenere il solido asciutto.
• Per recuperare il 3,5-dicloro-4-propilcicloesanolo, distillo in modo da far evaporare il solvente organico (punto di ebollizione dell'etere etilico è di 35°C). Posso utilizzare un distillatore Claisen o un distillatore collegato alla pompa da vuoto (rotavapor). Lavorando sottovuoto, la temperatura di ebollizione scende, il solvente evapora e nel pallone resta il composto asciutto.

Esercizio: Separazione di tre composti

1. Guardo i gruppi funzionali:

• Il 1° è molto acido e non solubile in acqua
• Il 2° (propantriolo o glicerolo) è solubile in acqua
• Il 3° non è solubile in acqua

2. Aggiungo acqua e solvente organico, si forma un sistema bifasico, in questo modo separo il 2° composto dagli altri due.

3. Distillo (evaporo) l'acqua e ottengo il 2° composto. Nel solvente organico restano il 1° ed il 3° composto:

4. Aggiungo una base (soluzione acquosa di soda) perché il 1° è molto acido e si forma il sale sodico del 1° composto, il quale si scioglie in acqua.

5. Il 3° composto resta nel solvente organico. Perciò evaporo il solvente e ottengo il 3° composto.

6. In acqua resta il sale del 1° composto. Aggiungo un acido, il sale si riprotona e precipita (è un solido).

7. Filtro sottovuoto per ottenere il 1° composto.

Esercizio: Separazione di composti organici

Ho una miscela di 3 composti organici. Li separo.

A e B non sono chirali, C è un composto chirale. Il composto A è un’aldeide, solubile in solvente organico. Il composto B è un’ammina alifatica, è un composto basico solubile in solvente organico. Il composto C è la gliceraldeide, quindi uno zucchero, ha 2 gruppi alcolici, è solubile in acqua.

• Metto i 3 composti in un imbuto separatore, aggiungo acqua e un solvente organico (in questo caso uso diclorometano CH₂Cl₂, che ha polarità intermedia) per separare il composto C dai primi 2. Il diclorometano (come gli altri composti clorurati) va sotto rispetto all’acqua, diversamente dagli altri solventi organici. Mescolo, agito, sfiato e richiudo, per separare le 2 fasi, facendo scendere il solvente organico con i composti A e B nella beuta.
• Recupero C dall’acqua: elimino l’acqua con un distillatore. C è stato separato.
• Ho ancora A e B insieme. Sfrutto il fatto che B è basico. Rimetto il composto nell’imbuto e ci aggiungo una soluzione acquosa acida (HCl), in modo da formare il sale, che solubilizza in acqua. Trovo B come sale d’ammonio nell’acqua.
• Nella soluzione acquosa acida ho il composto B sotto forma di sale, nel solvente organico ho il composto A. Con l’imbuto separatore separo le 2 fasi.
• Distillo il solvente organico per separare A. Prima però aggiungo alla soluzione un sale che ingloba le molecole di acqua: il sodio solfato, che non si scioglie nel solvente organico. Poi lo filtro con un filtro a pieghe per eliminarlo.
• Il composto B è sotto forma di sale, quindi aggiungo una soluzione acquosa basica (contenente soda).
• In questo modo si riforma l’ammina, che non è solubile in acqua e tende ad affiorare in superficie sotto forma di goccioline. Aggiungo di nuovo diclorometano in cui sciolgo l’ammina. Nell’acqua rimane il sale. Elimino l’acqua (imbuto separatore), aggiungo sodio solfato, filtro. Distillo il solvente organico, per ottenere il composto B puro.

Esercizio: Configurazione assoluta e separazione di composti

Separare 3 composti:

1. Acido 2-bromo, 3-fenilpropanoico:

• Priorità 1: Br
• Priorità 2: COOH
• Priorità 3: il resto della catena

Guardo in avanti: configurazione assoluta S

2. 2-cloro, 3-fenilpropanale:

• Priorità 1: Cl
• Priorità 2: CHO
• Priorità 3: il resto della catena

Guardo dietro: configurazione assoluta R

Per separare il galattosio faccio un sistema bifasico acqua e solvente organico. Il galattosio (3) si scioglie in acqua, i composti 1 e 2 in solvente organico. Ho separato il galattosio.

Rimangono i composti 1 e 2. Guardo il loro punto di ebollizione in base alla loro struttura.

Entrambi hanno una grande porzione apolare e un alogeno, ma uno ha un COOH, l’altro un CHO.

Bolle più alto il composto 1, perché l’acido carbossilico è in grado di fare legami H, mentre l’aldeide non è in grado di fare legami H (perché l’H è legato a un C). Questi composti però sono solidi, quindi non riesco a sfruttare l’ebollizione.

Posso sfruttare l’acidità dell’acido carbossilico: i 2 composti sono sciolti in solvente organico, aggiungo una soluzione acquosa basica (NaOH), agito, formo il sale che si scioglie in acqua (che sta sotto nel sistema bifasico dell’imbuto separatore).

Separo le 2 fasi. La fase organica viene fatta evaporare e ottengo il composto 2.

Per il composto 1 che è diventato un sale in acqua, aggiungo una soluzione acida, quindi si riforma l’acido carbossilico, che non essendo solubile in acqua precipita.

Faccio poi una filtrazione sottovuoto con il Buchner per recuperare il composto 1, che rimane sul filtro.

Esercizio: Isomeri 1,3-esadiene e 1,5-esadiene

I due composti sono due isomeri. Le caratteristiche fisico-chimiche sono molto simili, infatti non mi posso aspettare di vedere grosse differenze nella solubilità e punto di ebollizione. Anche la TLC non è un metodo indicato per distinguere i due composti, perché hanno polarità simile; avranno perciò la stessa interazione con la fase stazionaria e con quella mobile e quindi la corsa dei composti sulla lastrina TLC sarà circa la stessa.

Quindi per distinguere le due molecole si può utilizzare la spettroscopia UV-visibile, perché i due composti si comportano in maniera diversa: uno è un composto coniugato mentre l’altro è un diene isolato. Il composto coniugato assorbe a lunghezze d’onda >200 nm, mentre quello non coniugato assorbe a lunghezze d’onda <200 nm, che è il limite minimo rilevabile con l’UV-visibile. Però entrambi i composti sono incolori, perché due doppi legami non bastano per vedere un composto colorato; per essere colorati i composti devono assorbire oltre i 400 nm.

Esercizio: Coefficiente di estinzione del 2,5-dimetil-2,4-esadiene

Il coefficiente di estinzione del 2,5-dimetil-2,4-esadiene è M^-1 cm^-1. Quale concentrazione di questo composto in metanolo darà luogo ad un’assorbanza A=1.6? Si assuma che la lunghezza del cammino ottico è b=1 cm. Peso molecolare=110 g/mol.

Quindi:

• PM=110 g/mol
• M^-1 cm^-1 ε=13100
• A=1.6
• b=l=1 cm

Calcolo la concentrazione in grammi, e quella molecolare:

A=εlc

A = 1.6

c = A / (ε l) = 1.6 / (13100 M^-1 cm^-1 * 1 cm) = 1.22 x 10^-4 M

Per trasformare la concentrazione in g/l basta moltiplicare per il peso molecolare.

1.22 x 10^-4 mol/l * 110 g/mol = 0.013 g/l

Esercizio: Quantità di pesticida in un campione di uva

Determinare la quantità di pesticida in un campione di uva. Prendere 100 g di uva, frullarla ed estrarre per 2 volte con 20 ml di diclorometano (CH₂Cl₂, solvente comune usato nella chimica organica). Il pesticida è molto solubile nel composto per la regola del simile che scioglie il simile. Gli estratti riuniti sono analizzati all’UV a 365 nm. L’assorbanza della soluzione misurata in cella da 0,5 cm è A= 0.321. Sapendo che il peso molecolare del pesticida è 157 e che la ε = 3520 M^-1 cm^-1, determinare la quantità di pesticida nell’uva.

• 100 g di uva
• l = 0.5 cm
• 20 mL x 2
• PM = 157
• UV a 365 nm ε = 3520 M^-1 cm^-1
• A = 0.321

Applico la legge di Lambert Beer per ottenere la concentrazione del pesticida nel solvente usato per l’estrazione.

c = A / (ε l) = 0.321 / (3520 M^-1 cm^-1 * 0.5 cm) = 1.82 x 10^-4 M

Ora devo ottenere la quantità in grammi su litro nel solvente quindi moltiplico la concentrazione molare per il PM:

1.82 x 10^-4 mol/l * 157 g/mol = 2.85 x 10^-2 g/l cioè 28.5 mg/l

Per ottenere la quantità di pesticida in 40 mL di solvente usato: ho 28.5 mg di pesticida in 1 L di solvente, ma ho usato 40 mL di solvente, quindi 0.04 L. Moltiplico:

28.5 mg/l * 0.04 l = 1.14 mg di pesticida in 40 mL di solvente

Quindi vuol dire che ogni 100 g di uva contiene 1.14 mg di pesticida, quindi in ogni kg di uva avrò 11.4 mg di pesticida.

La spettrofotometria UV-visibile viene usata per scopi quantitativi, cioè per determinare le concentrazioni (esempio quella di un contaminante in un cibo) grazie anche al fatto che può lavorare a concentrazioni molto basse.

Esercizio: Metabolismo della cumarina

La cumarina (anticoagulante) viene metabolizzata nell’organismo ma con risultati diversi a seconda che si tratti del topo (formazione del un composto tossico B) o dell’uomo (composto non tossico A). Per ottenere un metabolita più facilmente eliminabile, nell’uomo il composto viene ossidato e si ha una specie con l’anello fenolico. Nel caso del topo, il metabolita tossico si forma per reazione di epossidazione e si ha un epossido, specie molto reattiva; il composto ha un anello a 3 molto tensionato e facilmente apribile per formare nuovi legami, anche irreversibili, come reazioni di alchilazione (legami irreversibili con basi DNA o altre molecole). Quindi se all’uomo somministro un farmaco a base di cumarina, esso funge da coagulante, mentre nel topo ne provoca la morte.

Come faccio a capire quale metabolita secondario ottengo?

Posso fare la TLC con fase mobile poco polare (gel di silice) e mi aspetto:

• Di vedere più in alto B rispetto ad A, perché A crea legami H con la fase stazionaria e quindi rimane più in basso di B.

Spettroscopia UV:

• Il composto A ha tutto un sistema coniugato.
• Nel composto B c’è un anello coniugato, ma la coniugazione viene interrotta dall’epossido.

Quindi A assorbe a lunghezza d’onda molto maggiore di B.

Come faccio a separare A da B? Non sono polari quindi non si sciolgono in acqua...