Relazioni di Chimica Organica III

Sintesi dell'1-pentadecen-4-olo

Obiettivo

Sintesi dell'1-pentadecen-4-olo attraverso una reazione di Grignard, a partire da dodecanale e allilmagnesio bromuro. Purificazione del prodotto e sua caratterizzazione con spettroscopi IR, ¹H NMR, ¹³C NMR e DEPT.

Introduzione

La sintesi dell’1-pentadecen-4-olo prevede la reazione della dodecanale con il reattivo di Grignard allilmagnesio bromuro, secondo il seguente meccanismo:

Il reattivo di Grignard reagisce con il composto carbonilico attraverso un'addizione nucleofila in cui il primo funge da nucleofilo e il secondo da elettrofilo. La nucleofilicità al C del reattivo di Grignard è dovuta alla polarizzazione del legame C–Mg.

Parte sperimentale

Vetreria e strumentazione:

Pallone a 3 colli da 100 mL, pallone a 3 colli da 50 mL, palloni da 50 mL, imbuto gocciolatore con doppio rubinetto, imbuto gocciolatore, beute da 100 mL, cilindro graduato da 100 mL, tubo refrigerante, colonna per flash chromatography (diametro: 20 mm), siringa da 5 mL, siringa da 10 mL, pipette Pasteur, subseal, fascette in teflon, termometro da freddo, dewar per bagno freddo, tubi NMR, piastra con agitatore magnetico, bilancia analitica, rotavapor.

Reattivi:

Ettere dietilico, sodio metallico, benzofenone, dodecanale (CH₃(CH₂)₁₀COH), allilmagnesio bromuro (CH₂CHCH₂MgBr), acetone, ghiaccio secco, HCl 12 M, NaHCO₃, Na₂SO₄ anidro, etere di petrolio (EP), acetato di etile (AcOEt), flusso d'argon, CDCl₃.

Procedura

È stata preparata una soluzione di 1.20 mL di dodecanale in 8 mL di etere dietilico anidro (anidrifdose per distillazione da sodio metallico e benzofenone in atmosfera di Ar). Alla soluzione, mantenuta in agitazione sotto flusso di Ar intorno a −40°C con un bagno di acetone e ghiaccio secco, sono stati aggiunti lentamente tramite un imbuto gocciolatore 1.2 eq. di allilmagnesio bromuro (6.5 mL), soluzione 1 M in THF.

La miscela di reazione è stata mantenuta a circa −30°C per 30 min e successivamente a t.a. per un'ora, sempre sotto agitazione e in atmosfera di Ar.

Al termine della reazione la miscela ottenuta è stata lavata con 5 mL di HCl 1:4 v/v e la fase acquosa separata è stata estratta tre volte con etere dietilico. Le fasi organiche riunite sono state lavate con NaHCO₃ 5% e poi con acqua. La soluzione organica è stata anidrificata su Na₂SO₄ anidro e svaporata al rotavapor, ottenendo un olio incolore (848 mg).

Il grezzo è stato purificato tramite flash-chromatography (SiO₂, 20 mm, eluente: EP/AcOEt 100:0, gradiente: 2% di AcOEt ogni 100 mL di eluente). Delle 30 frazioni raccolte è stata effettuata una TLC (eluente: EP/AcOEt 9:1, rivelazione con KMnO₄).

Tabella 1: Reagenti utilizzati

Lo spettro ¹H NMR della frazione 10 mostra l'assenza di aldeide non reagita. Inoltre l’alcol prodotto risulta abbastanza puro, nonostante alcune integrazioni non siano corrette. Nello spettro si osserva un multipletto a 5.8 ppm dovuto al protone vinilico in posizione 2 che accoppia con i protoni vinilici terminali e con i due protoni diastereotopici in posizione 3. A circa 5.2 ppm si osservano i segnali dei due protoni vinilici terminali, che pur avendo chemical shift leggermente diversi non sono ben risolti alla risoluzione dello spettrometro utilizzato (270 MHz). Il segnale a 3.7 ppm è dovuto al protone geminale al gruppo alcolico. Questo, nonostante sembri dare origine ad un singoletto, accoppia con i protoni in posizione 3 e 5, i quali sono diastereotopici.

Tra 2.4 e 2.1 ppm sono presenti i segnali dei due protoni diastereotopici in posizione 5, a circa 1.5 ppm quelli dei protoni in posizione 6, mentre i rimanenti protoni metilenici hanno chemical shift di circa 1.3 ppm. Il metile terminale dà origine al tripletto a 0.9 ppm.

Figura 5: Spettro ¹³C NMR in CDCl₃ della frazione 10 (spettrometro NMR 270 MHz)

Esperienza 2

Sintesi enantioselettiva dell'etil (+)-(S)-3-idrossibutirrato

Obiettivo

Sintesi dell'etil (+)-(S)-3-idrossibutirrato a partire da etil acetoacetato utilizzando cellule di Saccharomyces cerevisiae. Determinazione dell'eccesso enantiomerico tramite gas cromatografia chirale e del potere rotatorio specifico e caratterizzazione del prodotto attraverso spettroscopia IR, ¹H NMR, ¹³C NMR e DEPT.

Introduzione

In questa esperienza è stato ridotto enantioselettivamente un β-cheto estere prochirale (etil acetoacetato) nel corrispondente α-idrossiestere ((S)-3-idrossibutirrato di etile), utilizzando cellule del lievito Saccharomyces cerevisiae. L’utilizzo di cellule permette condizioni di reazione blande, sia per quanto riguarda la temperatura e il pH, sia per la possibilità di usare come solvente l'acqua. Inoltre è un metodo molto più economico rispetto a quello che prevede l’impiego di riducenti organometallici chirali.

La riduzione del substrato avviene attraverso la catalisi da parte di ossidoreduttasi che riducono il gruppo carbonilico chetonico al corrispettivo alcol chirale, con la contemporanea ossidazione del cofattore NAD(P)H a NAD(P)⁺. Per poter rigenerare NAD(P)H, in assenza del quale la reazione si arresterebbe, viene aggiunto nell’ambiente di reazione un cosubstrato (saccarosio) che viene metabolizzato dalla cellula, generando come sottoprodotti CO₂ ed etanolo.

Nonostante il lievito risulti utile per la riduzione di molti substrati, non sempre l’eccesso enantiomerico che si ottiene è elevato, a causa della competizione per il substrato di vari enzimi con diversa stereoselettività. Tuttavia, l’utilizzo di enzimi liberi, che permetterebbe di ottenere composti otticamente puri, sarebbe molto più costoso e più difficoltoso nel caso in cui questi necessitino di coenzimi.

Per quanto riguarda il Saccharomyces cerevisiae, questo organismo tende a ridurre chetoni ad alcoli secondari con configurazione S, grazie alla diversificazione delle facce dell’anello diidropiridinico da parte dell’enzima.

Eccesso enantiomerico:

ee = ( [α]_{esperimentale} / [α]_letteratura ) • 100 = 51.8%

Tabella 4: Caratteristiche del prodotto e resa

Figura 3: Spettro IR in fase liquida su pastiglie di NaCl del prodotto distillato

Conclusioni

La sintesi dell'etil-3-idrossibutirrato a partire da etil acetoacetato utilizzando cellule di Saccharomyces cerevisiae ha prodotto una miscela dei due enantiomeri R ed S, con un eccesso enantiomerico in S del 42.4% all'HRGC chirale e del 51.8% in base al potere rotatorio specifico. La resa ottenuta è del 28.1%, tuttavia gli spettri NMR mostrano la presenza di etil acetoacetato non reagito, nonostante il prodotto sia stato distillato.