Chimica Organica - · PDF fileChimica Organica Prof.ssa Maria Michela Corsaro [email protected]...
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Chimica Organica
Prof.ssa Maria Michela Corsaro
• CHIMICA ORGANICA 3 crediti• CHIMICA ORGANICA DEI SISTEMI BIOLOGICI 2 crediti• ESERCITAZIONI NUMERICHE DI CHIMICA ORGANICA 1 credito
•Esame orale con voto finale unico•Prove intercorso scritte valide per le sedute di Giugno, Luglio e Settembre•Le esercitazioni numeriche sono obbligatorie e saranno tenute durante il corso
Sito web www.docenti.unina.it1
Libri di testo consigliati:
•T.W.G. SolomonsFONDAMENTI DI CHIMICA ORGANICAZanichelli
•W. Brown T. PoonINTRODUZIONE ALLA CHIMICA ORGANICAEdises
2
3
C C C CC
CC
C
CC
C C C C
C C C C
C
C CC C C C CC
C
C C C
C
SiO
OOO
SiSiO
O
il carbonio è l'unico elemento capace di dare strutture pluriatomiche stabilinell'atmosfera terrestre
Il legame covalente caratterizza le molecole ed essendo direzionale imponedeterminate geometrie molecolari che comportano definite forme tridimensionali
Il legame covalente, la formazione di macrostrutture e la forma spazialedelle molecole sono essenziali per la vita
PERCHE' il CARBONIO ?
Chimica organica
anche il silicio sarebbe capace di dare strutture pluriatomiche ma nell'atmosferaterrestre il legame Si-Si si ossida per dare i silicati caratterizzati dai legami
chimica del legame covalente del carbonio
Il carbonio forma solo legami covalenti
C
LE DATE DELLA CHIMICA ORGANICA
1769: Isolamento dei primi prodotti organici da fonti naturali (Scheele)
1784: Analisi elementare (Lavoisier) : tutti i materiali organici contenevano Carbonio
in combinazione con altri elementi
1807: Definizione di sostanze organiche (Berzelius)
1828: Sintesi dell'urea dal cianato di ammonio (Wölher): cade la teoria della vis
vitalis. Data di inizio della Chimica Organica
NH4
+CNO-
Sintesi dell’Acido Acetico dai suoi componenti (Kolbe)
1895: Sintesi dell’Aspirina (Acido Acetilsalicilico)
1923: H2O, CO
2, N
2, CH
4, NH
3(A.J. Oparin)
OCH3C
OC
HO
O
H2N NH2
O
CH3 OH
O
41950: scarica elettrica amminoacidi
a) modello atomico di Rutherford
b) gli orbitali atomici
c) descrizione della configurazione elettronica degli atomi
d) perchè gli atomi reagiscono?
e) in quale modo reagiscono gli atomi?
f) valenza
g) strutture di Lewis
h) risonanza
h) orbitali molecolari
i) ibridazione
ATOMI e MOLECOLE
5
Na Cl
elettroni di valenza
modello atomico di Rutherford
N. atomico = 11 N. atomico = 17
6
7
+ + +- - -
nodo ampiezza
Orbitali ATOMICI
Equazione d'onda di Schrödinger
1syx
z
Principio di indeterminazione di Heisenberg
2s
+
y
x
z
+
-
In ciascuno degli orbitali possono trovarsi solo due elettroni con spin opposti
zz
z
x x xy y y
2px 2pz 2py
+-
nodo
CONFIGURAZIONE ELETTRONICA DI UN ATOMO: distribuzione degli
elettroni e descrizione degli orbitali
TAVOLA PERIODICA
Carbonio: C, numero atomico: 6, peso atomico: 12 u.m.a.1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 4f
energia
1)PRINCIPIO DELL’AUFBAU: l’ordine degli orbitali dipende dalla loro energia
2)PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI: max. 2 elettroni per orbitale
3)REGOLA DI HUND (o di massima molteplicità)
REGOLA DEL GAS NOBILE: cedere o condividere un numero di elettroni tali
da raggiungere la configurazione del gas nobile della stessa riga
8
9
10
PERCHE' GLI ATOMI REAGISCONO?
H2.1
Li1.0
Na0.9
Be1.5
Mg1.2
B2.0
Al1.5
C2.5
Si1.8
N3.0
P2.1
O3.5
S2.5
F4.0
Cl
Ne
Ar
He
Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa
Il numero del gruppo corrrisponde agli elettroni di valenza nel guscio più esterno, quello delperiodo al numero quantico principale
gas nobili
Un atomo reagisce per raggiungere una configurazione elettronica a cui compete unamaggiore stabilità e che corrisponde a quella del gas nobile a lui più vicino
K0.8
Br Kr
I
II
III
IV
Potenziale di ionizzazione = Energia spesa per allontanare un elettrone del guscio esternodall'atomo in fase gassosa. Genera ioni positivi.Affinità elettronica = Energia (di solito) guadagnata quando un elettrone si addizione ad unatomo in fase gassosa. Genera ioni negativi.Elettronegatività = Proprietà di attrarre gli elettroni di legame da parte degli atomi.Responsabile della polarizzazione del legame.Tutte queste grandezze aumentano da sinistra verso destra lungo il periodo ediminuiscono dall'alto verso il basso lungo il gruppo.
2.8
3.0
IN QUALE MODO REAGISCONO GLI ATOMI?
+
+
Na Cl
Na Cl+ -
+
Ne Ar
LEGAME IONICO= cessione di elettroni dall'atomo con basso P.I a quello con alta A.E. conconseguente formazione di ioni, rispettivamente positivo e negativo, e quindi attrazione.
Il legame ionico non è
direzionale e non dà
origine a molecole,
ma a solidi ionici
= Cl- = Na+
11
IN QUALE MODO REAGISCONO GLI ATOMI?
+Cl
LEGAME COVALENTE = Messa in compartecipazione di un elettrone da parte
di ciascuno atomo impegnato nel legame. Gli elettroni devono avere spin opposti
in modo da formare un doppietto elettronico di legame
Cl
Il legame covalente, a differenza di quello ionico, è direzionale induce quindi una
certa geometria molecolare e caratterizza le molecole.
ClCl
12
13
He
C
N
O
F
Ne
2s2px py pz
1s1
2p6
1s2monovalente
monovalente
bivalente
trivalente
tetravalente
N
F
O
C
H
Il numero di legami covalenti che un certo atomo può formare dipende dal numero di elettroni che gli occorrono (per compartecipazione) per raggiungerela configurazione elettronica del gas nobile a lui più vicino nel sistema periodico
H
Regola dell'ottetto. La più comune configurazione elettronica stabile è quellache prevede otto elettroni nel guscio più esterno.
Valenza
+ 1
+ 3
+ 1
+ 2
+ 4
I periodo
II periodo
HH NH
H O H
STRUTTURE DI LEWIS
2H
I legami covalenti sono indicati con le strutture di Lewis che mostrano tutti glielettroni di valenza sia quelli non condivisi, indicati con punti, che quelli condivisi,cioè quelli di legame. Questi di solito sono indicati da un trattino che indica unacoppia di elettroni con spin opposti.
O
HCl H
N+ 3H
ClH
+ ClCl
H
+ 4H+ C
H H
HO HH
Cl Cl2 H2O
NH3
_Cl
C
N
CH4H CH
HH
C CH
H
H
H C CH HN
Le valenze di un atomo possono essere saturate, cioè soddisfatte, anche da legami multipli
N
etene etino
N NHH N
H
H+
catione ammonioazoto14
CARICA FORMALE
Elettroni di valenza dell'atomo neutro - elettroni non condivisi - 1/2 elettroni condivisi
H
O N
O
O
+- 6-6-1 = -1
5-4 = +1
6-4-2 = 0
6-4-2 = 0
Acido nitrico
�� � �H
O C
O
O 6-4-2 = 0
6-4-2 = 0
6-4-2 = 0
H
Acido carbonico
� � �� �15
RISONANZA: LO IONE CARBONATO CO32-
C O
O
O
(-)
(-)
C O
O
O
(-)
(-)
C O
O
O
(-)
(-)
•Le strutture rappresentabili con più formule di risonanza sono più stabili delle singole strutture che contribuiscono all’ibrido•Nessuna singola struttura rappresenta la realtà, ma solo l’insieme delle varie forme canoniche di risonanza
FORME CANONICHE DI RISONANZA O STRUTTURE LIMITE DI RISONANZA
16
C
O
O Oδ -
δ -
δ -ibrido di risonanza
FORMALISMO DELLE FRECCE RICURVE
• Disegnare la struttura con gli elettroni del guscio di valenza
C O
O
O
(-)
(-)
• Spostare a due a due gli elettroni• La punta indica la destinazione, la coda il punto da cui gli elettroni
partono
C O
O
O
(-)
(-)
C O
O
O
(-)
(-)
C O
O
O
(-)
(-)
17
HC
HC
CH
CH
CH
HC
HC
HC
CH
CH
CH
HC
benzene
C C C C
H
H
H
H
HH
C C C C
H
H
H
H
HH
+ -
butadiene
C OC O+ -
LA RISONANZA: UN FENOMENO DIFFUSO IN CHIMICA ORGANICA
il gruppo carbonilico
18
REGOLE DELLA RISONANZA
1. Due strutture di risonanza si differenziano solo per la distribuzione degli elettroni, ma hanno la stessa identica posizione dei nuclei
2. La molecola reale è un ibrido di due o più strutture di risonanza che non hanno esistenza reale ma servono per descrivere la situazione elettronica effettiva che è la media ponderata delle strutture limiti
3. La struttura più stabile dà il maggior contributo4. La risonanza è importante quando le strutture che contribuiscono all’ibrido hanno
un contenuto energetico simile5. Sono più stabili le strutture con più legami e quelle in cui non c’è separazione di
carica
H NC H CNe NON sono strutture di risonanza
O C O O- C O
+
A BB molto meno stabile di A
19
6. Il contributo all’ibrido delle strutture limiti dipende dalla natura dell’atomo su cui si trovano le cariche
C H
O
CH2(-)
C H
O
CH2
(-)
A B
L’ossigeno porta molto meglio una carica negativa essendo più elettronegativo del carbonio, per cui A è molto meno stabile e contribuisce poco all’ibrido
7. Tutti gli atomi dovrebbero avere la configurazione di un gas nobile (regola dell’ottetto completo)
8. L’ibrido di risonanza è più stabile di ciascuna delle strutture che ad esso contribuiscono
9. L’aumentata stabilità è detta “Energia di Risonanza” ed è tanto maggiore quante più sono le strutture e quanto più simile è il loro contenuto energetico
20
H H
H H
H H
Orbitali Molecolari
H +
IV III II I
attrazione nessuna attrazione
legame
repulsione
r0 =0.74 distanza tra i due nuclei
E
H HH
Edissociazione = 104 kcal/mole
H
H
H+
∆H = -104 kcal/mole esotermica
∆H = +104 kcal/mole endotermica
formazione della molecola di idrogeno
Å
H
21
22
LCAO combinazione lineare degli orbitali atomici
c21's1+Ψmol. -
1's1 +1s1
-
contiene il doppietto di elettroni
+-
E
Si ottengono tanti orbitali molecolari quanti sono gli orbitali atomici che si combinano
nodo orbitale di antilegame
c11s1=
vuoto
orbitale di legame
Orbitali Molecolari
Gli orbitali molecolari σσσσ sono ottenuti per sovrapposizione di orbitali atomici lungo la direzione dell'asse internucleare e sono caratterizzati da una simmetria cilindrica lungo tale asse, cioè per rotazione intorno all'asse internucleare non cambia il segno della funzione d'onda
Orbitale molecolare σ dell'H2
2px 2px
+-
≡
≡
molecola di F 2 2s2 2p51s2
F-F
simmetria cilindrica σ23
Orbitali Molecolari
+-
≡
≡
2pz 2pz
antilegante
legante
o 2py 2py
x
Gli orbitali molecolari π sono quelli ottenuti per sovrapposizione laterale degli orbitali p e non hanno simmetria cilindrica lungo l'asse internucleare, infatti per rotazione intorno a tale asse cambiail segno della funzione.
Gli orbitali molecolari π sono a più alta energia di quelli σ24
Perchè il carbonio è tetravalente?
1s22s2
1s2
Stato fondamentale del carbonio
2py12px
1 2pz0
2sp3
bivalente
l'ibridazione (mescolamento degli orbitali) è un artificio matematico che permette di spiegare la tetravalenza del carbonio
tetravalente
stato eccitato
pz
py
pxs
C
4 sp3
ibridazione
25
26
C
Metano CH4
109,5°
H
H
H H
1.10 Å
C
sp3
H
1s
C H
simmetria cilindrica del legame C-H σ
il carbonio, tranne nell'ossido di carbonio, forma sempre 4legami
Ibridazione sp 2 del Carbonio
1s2
2s1
2px12py
1 2pz1
1s2
sp2
2pz1
3 sp2
px
z z
s
py
3 sp2 + pz
pz
sp2
z
la geometria dei 3 sp2 è planare trigonale. Dei quattro legami del carbonio, 3 sono ottenuti con i tre sp2, l'altro con l'orbitale pz non ibridizzato che è perpendicolare al piano degli sp2. Tipico dei C=C
27
Ibr idazione sp
1s2
2s1
2px1
2py12pz
1
1s2
2py12pz
1
sp
x
y
z z
x
y180°
2sp
spx sp
pz
py
la geometria dei due sp è lineare, dei quattro legami del carbonio 2 sono ottenuti con i due sp, gli altri con gli orbitale py e pz non ibridizzati che sono perpendicolari all'asse degli sp. Tipico di C≡C
28
C H
C H
C H
sp3 : 25% carattere s e 75% carattere p
sp : 50% carattere s e 50% carattere p
sp3 tetraedrica 109,5°sp2 trigonale planare 120°sp lineare 180°
1,09 Å
1,086 Å
1,06 Å
sp2:33,3% carattere s e 66,6% carattere p
p
-
-
-
+
+
+
+-
Cosa spiega la ibridazione?
geometria dell'intorno dell'atomo ibridatolunghezza di legameforza di legameelettronegatività
elettronegatività cresce nell'ordine sp > sp2 > sp3
quanto più è corto il legame tanto più esso è forte29
VSEPR valence shell electron-pair repulsion
Perchè il metano è tetraedrico?
H
C
HH
H N
HH
H
107 °
N-H 1,07 Å
109,5°
C-H 1,09 Å
O
H H105°
O-H 0,96 Å
La geometria molecolare è determinata dalla repulsione dei doppiettielettronici sia quelli di legame che quelli isolati. Tali doppietti tendono astare quanto più lontano possibile in modo da ridurre la repulsione
29a
Legame covalente polareIl legame covalente tra due atomi di diversa elettronegatività determina unaasimmetrica distribuzione elettronica del doppietto di legame, detta polarizzazione,che provoca la creazione di un dipolo con un negativo sull'atomo piùelettronegativo ed una deficienza elettronica, positivo, sull'altro atomo
H Cl
H F H Br
(+) (-)d
= e x d [D]
debyeH Cl
1,08 D
1,91 D 0,80 D
+ -
+ - + -
C
Cl
ClCl
Cl
0 D
O
H
H
CCl4 H2O
1,85 D
La polarità del legame può determinare unapolarità dell'intera molecola se questa nonha una geometria simmetrica
30
Gruppi Funzionali e Classi di Composti Organici
*
H C C
H
H
H
H
H
H C
H
H
Idrocarburi costituiti solo da C e H
HC CH
H
H
H
C C C CH
H
H HH
H
H C C H
*
C
CC
C
CCH
H
HH
H
H
alcheni (olefine)
sp2
alchini, sp
dienipolieni
sp2
etene
butadiene
etino
alcani saturi*
metano etano
pocoreattivi
insaturi
dannoaddizioni
sp3
sp2
benzene
non dannoaddizioniaromatici
insaturi
possono essere lineari, ramificati o ciclici
31
Modi di scrittura delle formule
C CH
H
H
H
H
H Formula di struttura in cui tutti i legami sono esplicitati
H3C CH3 sono omessi i legami C-H
CH3CH3 sono omessi anche i legami C-C
CH3CHCH2CH3
CH3
sono esplicitati solo i legami C-C delleramificazioni
I terminali della spezzata e gli angoli sono C, il
completamento della tetravalenza dei carboni
è dato da H che sono omessi32
Rappresentazione delle strutture
H
H
H
H
modello a cuneomodello ad aste e sfere
modello a spazio pieno
metano
33
Idrocarburi saturi a catena aperta contenenti solo legami singoli C-C.
Il carbonio è ibridato sp3
Alcani Formula Generale CnH(2n+2)
H
H
C HH
CH4
C C
H
H
H
H
HH
H3C CH3
metano
etano
C C
H
H
H
H
CH
H
H
H H3C CH2 CH3
propano
butanoC C
H
H
H
H
CH
H
H
C
H
H
H
H3C CH2 CH2 CH3
34
Nomenclatura degli alcani
La nomenclatura internazionale per tutti i composti organici è definita dalla IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)
Gli alcani sono caratterizzati dalla desinenza -ano
Il prefisso indica il numero di atomi di carbonio del composto
1 C metano CH42 C etano CH3CH33 C propano CH3CH2CH34 C butano CH3CH2CH2CH35 C pentano CH3(CH2)3CH36 C esano CH3(CH2)4CH37 C eptano CH3(CH2)5CH310 C decano CH3(CH2)8CH311C undecano CH3(CH2)9CH312 C dodecano CH3(CH2)10CH313 C tridecano CH3(CH2)11CH320 C eicosano CH3(CH2)18CH330 C triacontano CH3(CH2)28CH3100 C ectano CH3(CH2)98CH3
Alcani lineari
35
Nomenclatura dei gruppi alchilici (alifatici)lineari
Dall'alcano lineare si sostituisce la desinenza -ano con -ile
Metano CH3-H Metile -CH3Etano CH3CH2-H Etile -CH2CH3Propano CH3CH2CH2-H Propile -CH2CH2CH3Butano CH3CH2CH2CH3 Butile -CH2CH2CH2CH3
Nomenclatura degli alcani ramificati
1) si scrive la catena "lineare" più lunga di atomi di carboniodel composto, che determinerà il nome base dell'alcano
CH3CH2CH2CH2CHCH3
CH3
CH3CH2CH2CH2CHCH3
CH2
CH3
non è un etilesanoma un metileptano
2) si numera la "catena più lunga" in modo che il sostituenteabbia il numero d'ordine più basso
2-metilesano 3-metileptano
CH3CH2CH2CH2CHCH3
CH2
CH3
123456
1
2
34567
36
Nomenclatura degli alcani ramificati
3) se sono presenti più sostituenti si individua la loro posizione dal numero dell'atomo di carbonio facendo in modo da dare loro il numero d'ordine più basso
5-etil-2-metil-ottanonon 4-etil-7-metil-ottano
CH3CHCH2CH2CHCH2CH2CH3
CH 2
CH3
CH2CH2CCH2CH2CH3
CH2
CH3
CH3
1 2 3 4 5 6 7 8
l' etil precede il metil in base all'ordine alfabetico
CH3
3-etil-3-metil-esano
CH2CH2CCH2CH2CH3
CH3
CH3
3,3-dimetil-esano
CH3CHCH CHCHCH2CH3CH2
CH2CH3
1 2 3 4 5 6 7
CH3
CH3 CH3
2,3,5-trimetil-4-propil-eptano (4 sost.)non4-[2-butil]-2,3-dimetil-eptano (3 sost.) 37
Nomenclatura gruppi alchilici ramificati
CH3CH2CH3
-CH2CH2CH3 n-propile
CH3CHCH3 isopropile
CH3CH2CH2CH3
-CH2CH2CH2CH3 n-butile
CH3CHCH2CH3 sec-butile
CH3CHCH3
CH3-CH2CHCH3
CH3
CH3CCH3
CH3
isobutile
terz-butile
Classificazione degli atomi di C e di H
H3C C CH2 CH CH3
CH3
CH3
*
* *
*
* carboni e idrogeni 1°
§§ carboni e idrogeni 2°#
# carboni e idrogeni 3°
carbonio 4°
CH3 C e H del metileCH3
*
38
Isomeria costituzionale negli alcani
Isomeri costituzionali = composti con uguale formulamolecolare ma nei quali gli atomi sono legati con un ordinediverso
C4H10
butano 2-metilpropano
H3C CH2 CH2 CH3 H3C CH CH3
CH3
C6H14
CH3CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH2CH3
CH3
CH3CH2CHCH2CH3
CH3
CH3CCH2CH3
CH3
CH3
CH3CHCHCH3
CH3
CH3
n-esano 2-metilpentano
3-metilpentano2,2-dimetilbutano
2,3-dimetilbutano 39
FORMULA Isomeri
CH4 1
C2H6 1
C3H8 1
C4H10 2
C5H12 3
C6H14 5
FORMULA Isomeri
C7H16 9
C8H18 18
C9H20 35
C10H22 75
C20H42 366319
C30H62 411. 107
NUMERO DI ISOMERI AL VARIARE DEICARBONI
40
H
H H
HH
Hproiezionedi Newman
Etano
C C
Vista frontaleVista laterale
H
H
H
H
H
H
formula a cavalletto
H
H
H
H
H
H
H3C CH3
41
H
HH H
H
H
eclissata
H
H H
HH
H
sfalsata
Intorno al legame singolo C-C c'è libera rotazione.Le infinite diverse disposizioni degli atomi nello spazioottenute per rotazioni sono dette conformazioni
Conformazioni
42
H
H H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H HH
H
H
H
HH
H
HH
H
HH
H
HH
HH
sfalsata
Eclissata
H
HHb
sfalsata
2,8 kcal/mol
Eangolodiedro
0°
Ha
60°
Analisi conformazionale dell'etano
2,8 kcal/mol tensione torsionale43
Cicloalcani Formula Generale CnH2n
Alcani con struttura ciclica
Hanno 2H in meno rispetto agli alcani a catena aperta
H2C
CH2 CH2
CH2 CH2CH2
H2C
CH2
CH2
H2C
H2C
CH2
CH2
CH2
CH2
ciclobutano ciclopentano cicloesano
C
C
C
C
C
C
HH
HH
H
H
H H
H
H H
H
equatoriale
assiale
assiale
Cicloesano
Il cicloesano non è planareTutti gli angoli tra i legami sono di circa 109,5 ° 44
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
barca
10,8 kcal/mol
Analisi conformazionale cicloesano
Nella interconversione della sedia i sostituenti assialidiventano equatoriali e viceversa.La conformazione a sedia più stabile è quella che porta ilsostituente più ingombrante in posizione equatoriale
E
7,1 kcal/mol
45
pz pz
sp2
impegnati nella formazionedel legame σ C-C
impegnati nella formazionedel legame π C=C
σ
σ*
π
π*
zx
yx
idrocarburi contenenti il doppio legame C=C
Il carbonio impegnato nel doppio legame è ibridato sp2
C C
H
H
H
H
C C
H3C
H
H
H
Alcheni (olefine)Formula generale CnH2n
Propene
121,7°
Etene
46
Nomenclatura degli alcheni
Cambiando il suffisso -ano (degli alcani) in -ene
H3C CH2 CH2 CH2 CH CH2 1-esene
H3C CH2 CH CH2 CH CH2 4-metilesene
CH3
H3C CH2 CH C CH2 2-etil-3-metilpenteneCH2CH3
CH3
Si prende la catena più lunga contenente il doppio legame
IUPAC
Cicloalcheni
CH3
3-metilciclopentene
CH3
1,2-dimetilciclopentene
CH3
CH3
H3CH2C
4-etil-1-metilcicloesene
123456
123456
12345
1 2
3
45
1
2
34
5
1
2
34
5
6
47
Dieni
Gli alcheni con due doppi legami sono detti dieni
H2C CH CH2 CH CH2
H2C CH CH2 CH2
1,4-pentadiene1 4
1 31,3-butadiene
Dieni isolati
Dieni coniugati
1,3-ciclopentadiene
48
C CH H
ACETILENE op. ETINO
CnH2n-2Alchini
sp
pz pz
py py
sp
sp
I carboni del triplo legame sono ibridati sp
C
C
H
H
Z
X
σπ
π'
y
H3C C C H
PROPINO
H2C C C HCH3
H3C C C CH3
1-BUTINO
2-BUTINO
49
isomericomposti differenti con la stessaformula molecolare (bruta)
costituzionaliisomeri i cuiatomi sonoconnessi inmodi diversi stereoisomeri
isomeri che a parità di connessionedifferiscono per come gli atomi sonodisposti nello spazio
conformazionalistereoisomeri chesono interconvertibiliper rotazione intornoa legami singoli (σ)
diasteroisomeristereoisomeri chenon sono l'unol'immagine specularedell'altro
enantiomeristereoisomeri che sonol'uno l'immagine specularedell'altro non sovrapponibile
configurazionalistereoisomeri la cui interconversionerichiede rottura di legami ocomunque una energia tale che nonè ottenibile in condizioni ordinarie
La isomeria in Chimica Organica
50
CH2H3C CH CH3
CH3
composti con la stessa formula molecolare (bruta) mache differiscono per l'ordine con cui sono legati gli atomi
C4H10
butano 2-metilpropano
Isomeri costituzionali
H3C CH2OH
alcol etilico
C2H6O
H3C O CH3
etere dimetilico
C3H8O
H3C CH CH3
OH
alcol isopropilico
H3C CH2
alcol n-propilico
H3C CH2 O CH3
etilmetiletere
CH2 CH3H3C
CH2OH
51
CC
a
b
a
b
Z
X
y
cistrans
si ha diastereoisomeria
cis-trans negli alcheni
quando su ciascun
carbonio sp2 ci sono
sostituenti diversi
H
H H
H
H
H
H H
H
HH
stereoisomeri
conformazionali
diasteroisomeri
configurazionali
eclissata sfalsata
H
enantiomeri
etano
C CH CH3
HH3CC CH H
CH3H3C
trans-2-butenecis-2-butene
1,2-trans-dimetilciclopentano1,2-cis-dimetilciclopentano
H3C CH3 CH3
CH3
Sistemi ciclici
52
Molecole Chirali
Una molecola, in genere un oggetto, si dice chirale quandonon è sovrapponibile alla sua immagine speculare
Esempi di oggetti chirali: mano, vite, scala a chiocciola
In genere un oggetto achirale possiede un piano disimmetria
C
Cl
Cl
C
Cl
C
Cl
H
H
H
H
Cl
I
Br
Br
Un atomo tetraedrico (carbonio) che ha quattro sostituenti(atomi o gruppi) diversi è privo di un piano di simmetria ed èpertanto chirale ed è detto stereocentro ( centroasimmetrico)
molecole achirali: il piano del lucido è un piano di simmetria
chirale
53
Enantiomeria
C H
CH2CH3
OH
H3C
CH
H3CH2C
HO
CH3
Il 2-butanolo è una molecola chirale: non sovrapponibilealla propria immagine speculare
I II
Le due molecole I e II sono due enantiomeri in quanto sonol'una l'immagine speculare dell'altra e non sono sovrapponibili
A
BC
D
A
BC
D
A
BC
D
A
BD
C
180°specchio
I II
I II
I e II non sonosovrapponibili
L'enantiomeria si ha nelle molecole chirali. La più comune(ma non l'unica) causa di enantiomeria è la presenza diuno stereocentro nella molecola
54
Nomenclatura degli stereocentri
Sistema (R,S ) di Cahn, Ingold e Prelog
A) Identificare lo stereocentro ed i gruppi ad esso legato
B) Assegnare una priorità ai gruppi da 1 (alta priorità) a 4(bassa priorità) in base al Numero Atomico dell'atomolegato allo stereocentro
OH
CH3
CH2CH3
H
1°
4°
2°
3°
-CH2CH3 precede il -CH3
perchè al -CH2 sono legati 2H ed unC ( questo ha una priorità più altarispetto ad H) mentre al CH3 sonolegati 3H
C) Orientare la molecola nello spazio in modo che il gruppoa priorità minore (4) sia diretto lontano dall'osservatore,mentre gli altri tre si proiettano verso l'osservatore come iraggi di uno sterzo
OH
CH3
CH2CH3
H
1°
4°
2°
3°
D) Guardando dalla parte del guidatore dell'auto, cioèopposta alla canna dello sterzo, si vede il verso di rotazioneper andare dal gruppo 1 al 3, se questo è orario laconfigurazione dello stereocentro sarà (R ) se antiorario sarà(S )
(S ) 2-butanolo
55
C
CH3
H
H
OH
C
H3C
H
H
HO
C
CH3
H
H
OH
Rotazione di 180°Identiche
OGNI MOLECOLA HA UN’IMMAGINE SPECULARE!!!
SOLO SE QUESTE NON SONO SOVRAPPONIBILI SONO DIVERSE, CIOE’ ENANTIOMERI
55a
1) L’atomo con numero atomico
maggiore ha priorità sull’atomo a
numero
atomico minore.
2) Nel caso di isotopi la priorità
spetta all’isotopo con numero di
massa maggiore.
CONFIGURAZIONE ASSOLUTA: descrittori R o S [Cahn – Ingold –Prelog]
3) Se al carbonio chirale (centro stereogenico) sono legati atomi uguali, la priorità si determina sulla base del numero atomico del primo atomo differente.
I > Br > Cl > F > O > N > C > H
OH
C
H
CH 2CH 3CH
1
2 3
4
H3C
H3C
CH
F
T
D
1
2
3
4
55b
4) Gli atomi legati con legami multipli sono considerati
come atomi legati con un numero equivalente di legami
semplici.
CONFIGURAZIONE ASSOLUTA
HC CH2 C
H
CH2
CH2
C
C
5) Attribuiti i corretti numeri ai sostituenti del carbonio
chirale, osservare la disposizione dei gruppi 1, 2 e 3
guardando la molecola dalla parte opposta rispetto al
gruppo a priorità più bassa
Se la rotazione è oraria, la configurazione è R,altrimenti è S
55c
CHO
C HHO
CH2OH
gliceraldeide
Descrizione della configurazione dellostereocentro della gliceraldeide
Qual é la configurazione di questo enantiomero?
gruppoformilico
Il gruppo formilico precede il -CH2OH perchè il doppio
legame viene considerato come se al C formilico fossero
legati 2 O, oltre che 1 H, mentre al gruppo al C del
gruppo -CH2OH è legato 1 O, oltre che 2 H
(R )-gliceraldeide
C
OH
C
CH2OHH
1°
4°
2°
3°
O
H
C
HO
OC
HH
OH
2° 3°
OH
1°
H
4°56
Descrittori (D,L) di Fisher per la configurazione distereocentri
CHO
CH2OH
C OH
CH2OH
H
Formule di Fisher. Ideate per i carboidrati che sono composticontenenti sempre gruppi -OH su centri chirali. Sono proiezionidelle formule prospettiche
H OH
CHOH OH
CHO
CH2OH
Nelle formule di Fisher i legami orizzontali si dirigono versol'osservatore, quelli verticali si allontanano dall'osservatore
Il carbonio chirale è il centro della croce e non si indica,quindi si dispongono i sostituenti in modo che la catenacarboniosa più lunga sia sempre verticale, mettendo in alto ilcarbonio con il carbonio più ossidato
Quindi se l'OH è a destra e l'H a sinistra la configurazione è D,se è l'inverso la configurazione è L
(D)-gliceraldeide
CHO
CH2OH
H OH
CHO
CH2OH
HO H
(L)-gliceraldeide
1
2
1
3
H OH
CHO
CH2OH
HO H
CHO
CH2OH
57
Limiti delle formule di Fisher
H OH
CH3
CH2CH3
(S)2-butanolo
CH3
CH2CH3
H OH
(R)2-butanolo
H3CH2C CH3
H
OH
CH3H3CH2C
H
OH
90°
CH2CH3
CH3
H OH90°
Le formule di Fisher non possono essere sollevate dalpiano, possono invece essere ruotate di 180° nel pianoperchè questa rotazione porta allo stesso enantiomero dipartenza
Le formule di Fisher permettono di indicare le configurazioninel piano, cioè senza utilizzare le formule prospettiche, maesse non possono essere ruotate di 90° nel piano in quantoquesto comporterebbe la trasformazione di un enantiomeronell'altro
il piano del lucido è lo specchio e le immagini non sonosovrapponibili
Anche lo scambio di due sostituenti causa l'inversionedella configurazione
58
CHO
CH2OH
H OH H
COOH
NH2
R
D-amminoacidoD-gliceraldeide
CHO
CH2OH
HHO H2N
COOH
H
R
L-amminoacidoL-gliceraldeide
La nomenclatura dei centri chirali dei carboidrati edegli amminoacidi fa ancora uso del sistema (D,L)
CONFIGURAZIONE RELATIVA
59
Molecole a catena aperta con più di unostereocentro
Numero massimo di stereoisomeri con n stereocentri = 2n
CHO
CHOH
CHOH
CH2OH
2,3,4-triidrossibutanale
*
*
2 stereocentri (quelli asteriscati)
determinano al massimo 22= 4
stereoisomeri
CHO
CH OH
CH OH
CH2OH
CHO
CHO H
CHO H
CH2OH
CHO
CHO H
CH OH
CH2OH
CHO
CH OH
CHO H
CH2OH
I II III IV
coppia di enantiomeri coppia di enantiomeri
I e II (enantiomeri tra loro) sono diastereoisomeri di III e IV
III e IV (enantiomeri tra loro) sono diastereoisomeri di I e II
60
Descrizione delle configurazioni in unamolecola a più stereocentri
Le priorità per il centro a sono1 -OH;2 -CHO (gruppo formilico)3 -CHOH-CH2OH;4 -H
il verso di rotazione da 1 a 3 è antiorario ma poichè dobbiamoleggere il verso mettendoci dal lato opposto del sostituente apriorità più bassa (4) e invece tale sostituente (H) è nellastruttura orientato verso di noi, il verso corretto è l'opposto cioèl'orario e quindi la configurazione è R
CHO
CH OH
CH OH
CH2OH
1
2
3
a
4 R
2,3,4-triidrossibutanale
61
Molecole acicliche con più di unostereocentro-formule di Fisher
2,3,4-triidrossibutanale
CHO
CH OH
CH OH
CH2OH
CHO
CHO H
CHO H
CH2OH
CHO
CHO H
CH OH
CH2OH
CHO
CH OH
CHO H
CH2OH
I II III IV
CHO
H OH
H OH
CH2OH
CHO
HO H
HO H
CH2OH
CHO
HO H
H OH
CH2OH
CHO
H OH
HO H
CH2OH
I II III IV
R
R
S
S
S
R
R
S
Ovviamente se lo stereocentro di una molecola chirale è Rquello del suo enantiomero è S
Si possono utilizzare anche le formule piane di Fisher.
62
Proprietà degli stereoisomeri
Gli enantiomeri hanno proprietà chimiche e fisiche identiche
I diastereoisomeri hanno proprieà chimiche e fisiche diverse
Gli enantiomeri si possono distinguere solo quando reagisconocon altre molecole chirali o con un mezzo chirale come la lucepolarizzata
filtro polarizzatore
luce piano polarizzata
cella contenente l'enantiomero
α angolo di rotazione dellaluce piano polarizzata
sorgente luminosa
nuova posizione dellaluce piano polarizzatadopo l'attraversamentodel campione
posizione della lucepiano polarizzata cheentra nella cella
Gli enantiomeri sono otticamente attivi, cioè ruotano ilpiano della luce polarizzata
63
Un enantiomero è caratterizzato da una costante fisica che
misura la sua capacità a ruotare il piano della luce polarizzata,
detta potere rotatorio specifico [α]D25
[α]D25 =
rotazione osservata in gradi
lunghezza della cella [dm] x Conc. [g/ml]
α
Poiché ciascun enantiomero ha un potere rotatorio specificouguale in valore assoluto ma di segno apposto, gli enantiomerisono anche indicati come antipodi ottici
Potere rotatorio specifico
C
OH
CH3H3CH2C
H C
OH
H3C CH2CH3
H
(S )-(+)-2-butanolo (R )-(-)-2-butanolo
[a]D25 = +13,5 [α]D
25 = -13,5
destrogiro levogiro
Non c'è alcuna relazione tra il potere rotatorio specifico(si può conoscere solo attraverso la misura sperimentale)e i descrittori (R,S) della configurazione dellostereocentro, che dipende solo dalla priorità dei gruppi 64
Composti Meso
acido tartarico
COOH
CH OH
CH OH
COOH
COOH
CHO H
CHO H
COOH
COOH
CHO H
CH OH
COOH
COOH
CH OH
CHO H
COOH
I = II III IV
COOH
CHOH
COOH
CHOH*
*
COOH
CH OH
CH OH
COOH
piano di simmetriaintramolecolare
composto mesoachirale coppia di
enantiomeri
configurazione R
configurazione S
(1')
(1)
(2')
(2)
(4')
(4)
chirale chirale
L'acido tartarico, invece di avere 4 stereoisomeri cioè 22, ne
ha solo 3, una coppia di enantiomeri più una forma meso
Composto meso = molecola achirale che possiede dueo più stereocentri
65
Molecole cicliche con più stereocentri
CH3
CH3* *
CH3
CH3
CH3 CH3
trans cis
trans-1,2-dimetilciclopentanoenantiomeri
CH3
H3C
cis-1,3-dimetilcicloesano
CH3
H3C
CH3
CH3
meso achirale trans-1,3-dimetilcicloesanoenantiomeri
CH3H3C
trans-1,4-dimetilcicloesanocis-1,4-dimetilcicloesano
entrambi achirali
CH3 H3CCH3 H3C
trans-1,2-dimetilcicloesanoenantiomeri
cis-1,2-dimetilciclopentanomeso achirale
66
Miscela racemica
C
OH
CH3H3CH2C
H C
OH
H3C CH2CH3
H
(S )-(+)-2-butanolo (R )-(-)-2-butanolo
Una miscela equimolecolare dei due enantiomeri èdetta miscela racemica ed è caratterizzata dall'essereotticamente inattiva cioè non fa ruotare il piano della lucepolarizzata quindi ha un [α]D = 0
50% 50%
(S + R) + R1
miscelaracemica
agente chiralerisolvente
(S + R1)
(R + R1)
misceladiastereoisomerica
- R1
S
- R1
R
separazionechimico-fisica
La separazione dei componenti di una miscela racemica èdetta risoluzione
La strategia consiste nel fare reagire la miscela con unagente chirale che la trasformerà in una miscela didiastereoisomeri, questi avendo proprietà chimico-fisichediverse, potranno essere separati e quindi ritrasformati neisingoli enantiomeri
(R + R1)
(S + R1)
67
Forze intermolecolari
Le molecole tra loro esercitano delle interazioni che dipendonodalle loro strutture molecolari
H3C Cl δ+
Molecole con H legati ad atomi molto elettronegativi comeH-F, H-Cl, -O-H, -N-H formano legami (o ponti) idrogenola cui forza dipende dalla differenza di elettronegatività
H3C OH
H OCH3
δ+ δ+
δ+
δ-δ-
δ-
δ-
δ-δ+
1-9 kcal/mol
~2 kcal/mol
H3C CH3 δ+ δ- dipolo istantaneo
le molecole dotate di un momento dipolarepermanente, perchè contengono legami polarizzati,danno interazioni dipolo-dipolo
Interazioni ione-ione. Tipica dei composti ionici. Dovutaall'attrazione tra ioni di carica opposta. Particolarmente forte
Le forze di van der Waals sono dovute al moto deglielettroni che determinano dipoli istantanei tra i qualiavviene attrazione,Sono forze universali, le uniche che agiscono tramolecole nonpolari. Più sono grandi le molecole più èforte tale interazione
68
Perché gli enzimi hanno la capacità di distinguere gli enantiomeri e quindi di reagire con uno solo di questi?
Superficie dell’enzima Superficie dell’enzima
Substrato
Tre interazionicorrette
Dueinterazioni
corrette
69
Gruppi funzionali: atomi diversi da C e H, o gruppi di atomicon peculiari reattività che identificano le classi di compostiorganici
R OH R N
C OR
R'
C OR
HO
C OH
R
alcoliammine
chetoni
acidi
aldeidi
R (dove X=F,Cl,Br,I)
alogenuri alchilici
C OR'
O
esteri
C OR
N
ammidi
R = residuo alifatico derivante da un qualsiasi idrocarburosaturo o insaturo in cui un C è privato di un idrogeno al qualesi lega il gruppo funzionale; se deriva da un idrocarburoaromatico il residuo si indica con Ar
R SH
tioli
Gruppi Funzionali
X
Ar OH
fenoli
RR'
C OR'
S
tioesteri
C OR'
X
alogenuri acilici
C OR'
O
C OR
anidridi
Ar NH2
amminearomatiche
R O
eteri
R'
R
R
H
H
70
Interazione idrofobica
molecole di n-ottano insolubili in H2O
H2O
Associazione di molecole apolari in acqua, tanto più fortequanto più è grande la molecola
interazione molto importante per le macromolecole biologiche
COO-Na+
testa polare
coda apolare
Formazione di Micelle
acqua benzene
71
Proprietà fisiche e Struttura
p.f. °C p.eb. °Cetano CH3CH3 -183 -162cloroetano CH3CH2Cl -138,7 -23,7etanolo CH3CH2OH -115 78,5acetaldeide CH3CHO -121 20acido acetico CH3COOH 16,6 118acetato di sodio CH3COO-NA+ 324 decompetilammina CH3CH2NH2 -80 17
solido liquido gas
p.f. p. eb.
Solubilità
Per sciogliere composti ionici o polari occorrono solventi polariI composti non polari sono solubili in solventi non polarisimile scioglie simile
dissoluzione
-
+
- +-
+
++
--
solido solvatato
ioni solvatati
-
OH
H=
72
Perchè le molecole reagiscono ?
Come gli atomi reagiscono per dare le molecole, che sonospecie di maggiore stabilità, così le molecole, poste in certecondizioni, reagiscono per dare delle nuove molecole dotatedi una maggiore stabilità
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + calore
temperaturadi ignizione
Come esiste una energia potenziale che può trasformarsi inenergia cinetica, così esiste per una molecola un potenzialechimico che esprime la sua capacità a trasformarsi in un altroprodotto, in opportune condizioni
H2SO4 + 2NaOH Na2SO4 + 2H2O
In molte molecole organiche si può individuare un carattereacido o basico secondo le definizioni di Arrhenius,Brønsted o Lewis. Quest'ultima è particolarmenteimportante per comprendere perchè avvengono le reazionichimiche e anche il loro andamento
La natura acida o basica di una molecola è una delleprincipali forze motrici che fanno reagire le molecole
73
Acidi e basi Arrhenius
H O
H
+ H Cl H O
H
H + Cl
_+
(gas)
+ -
H N
H
H
H O H+ H N
H
H
H O+H+ -
-
La definizione di acidità e basicità di Arrhenius ha come limiteil fatto che è data solo per le soluzioni acquose
+
Un acido è una sostanza che in acqua libera un eccesso di ioni
H+ (H3O+), una base libera in acqua un eccesso di ioni OH-
74
Acidi e basi BRØNSTED-LOWRY
Un acido è una sostanza in grado di cedere protoni(H+), una base è una sostanza capace di acquistarli
H O
H
+ H Cl H O
H
H + Cl_
base acido acidoconiugato
baseconiugata
+(gas)
H3C COH
+ H2OO
H3C CO -
O+ H3O+
acidopiù debole
basepiù debole
acidopiù forte
basepiù forte
Pìù forte è l'acido più debole è la sua base coniugata
CH3OHCH4 + CH3O - CH3- +
Keq =[CH3COO-][H3O+]
[CH3COOH][H2O]Keq[H2O] = Ka
[CH3COO-][H3O+]Ka =
costante diacidità
-logKa = pKa[CH3COOH]
L'equilibrio della reazione acido/base è sempre spostatoverso le specie deboli a danno di quelle forti
Più è alto il valore del Ka (basso pKa) più forte è l'acido75
Acidi e Basi di Lewis
B + A B-A
Basi di Lewis
Cl-
HO-
CH3OH CH3OCH3
NH3 CH3NH2 CH3SHH3C
CH3C
O
Acidi di Lewis
Sono tutte quelle specie che hanno una lacuna elettronica
H3O+ Ag+F B
F
F
Cl Al
Cl
Cl
CH+H3C
H3C
δ+ δ-
CH+H3C
H3C
+ HO-
CHH3C
H3C
OH
H2C CH2+H3O+ H2C CH2
H+ H2O+
−
acido base
Sono tutte quelle specie che hanno coppie di elettroni noncondivise o doppietti di elettroni di legami ad alta energia,come gli elettroni π di C=C
Un acido è un accettore di coppie di elettroni, una base èun donatore di coppie di elettroni
76
Struttura e Acidità
La forza di un acido è misurata dalla sua Ka (pKa) più questa èalta (basso pKa) più l'acido è forte, cioè più l'equilibrio èspostato verso la sua base coniugata
HA + H2O A- + H3O+ Ka =[A- ][H3O+]
[HA]
L'equilibrio è sempre spostato verso specie più stabili, chesono quelle a minore contenuto energetico, quindi i fattoriche aumentano la stabilità della base coniugata, rispettoall'acido, aumenteranno la forza di quest'ultimo
Elettronegatività
Lungo un periodo, quanto più è elettronegativo l'atomo A di AHtanto più l'acido è forte perchè nella base coniugata A- la caricanegativa si troverà su un atomo più elettronegativo e questa èuna situazione a più bassa energia.
H3C H CH3 + H+
H2N H NH2 + H+
HO H OH + H+
F H F + H+
C 2,5
N 3,0
O 3,5
F 4,0
-
-
-
-
pKa54
38
15,7
3,2
Elettr. aumentodi acidità
elettronegatività degli ibridi sp > sp2 > sp3
C C H >H
acidità decrescente
H2C CH H > H3C CH2 H77
Struttura e Acidità
F H F + H+ 135-
pKa
3,2
E. dis.kcal/mol
aumentodi acidità
Forza di legame
Scendendo lungo un gruppo la forza del legame A-Hdiminuisce e quindi aumenta la forza dell'acido aumenta
Cl H Cl + H+ 102-
-7
Br H Br + H+ 87-
-9
I H I + H+ 71-
-10
Effetto induttivo
L'effetto induttivo consiste nella polarizzazione della densitàelettronica indotta dalla differenza di elettronegatività ed ètrasmesso attraverso i legami σ
H
H
H O H
OH
H
H O
O-
F
F
F O H
O
+ H+F
F
FO
O-
+ H+
acido acetico
acido trifluoroacetico
δ-
δ-
δ-
δ-
δ-
δ-
pKa = 4,76
pKa = 0,23
78
Struttura e Acidità
Effetto di delocalizzazione degli elettroni p (risonanza)
Quanto più una carica è delocalizzata, cioè distribuita su piùatomi, tanto più il sistema è stabile
H3CCO
OHH3CC
O
OH3CC
O
O-
-
Acido carbossilico: la base coniugata, carbossilato, è moltopiù stabile dell'acido perchè la delocalizzazione è tra struttureidentiche mentre nell'acido è tra strutture molto diverse
H3C CH2 O H H3C CH2 O + H- +
+ H+
Alcol, la base coniugata, alcossido, ha una stabilità simile aquella dell'alcol, per entrambi non c'è delocalizzazione
O H OH OH OH
O O O O
Fenolo: la base coniugata, fenossido, è più stabile del fenoloquindi esso è più acido dell'alcol, ma lo è meno dell'acidocarbossilico
H3CCO
OH+
-
+ H+
-
-
-
-
-
pKa= 9,95
pKa= 15,9
pKa= 4,76
79
Basepiù forte
Basepiù deboleacido
più forte
Acido Formula pKa Baseconiugata
Etano CH3CH3 51 CH3CH2-
ammoniaca NH3 38 NH2-
etanolo CH3CH2OH 15,9 CH3CH2O-
acqua H2O 15,7 HO-
Ione metilammonio CH3NH3+ 10,64 CH3NH2
etantiolo CH3CH3SH 10,5 CH3CH2S-
Ione bicarbonato HCO3- 10,33 CO3
--
fenolo C6H5OH 9,95 C6H5O-
Ione ammonio NH4+ 9,24 NH3
Acido carbonico H2CO3 6,36 HCO3-
Acido acetico CH3COOH 4,76 CH3COO-
Acido benzoico C6H5COOH 4,19 C6H5COO-
Acido fosforico H3PO4 2,1 H2PO4-
Ione idronio H3O+ -1,74 H2OAcido solforico H2SO4 -5,2 HSO4
-
Acido cloridrico HCl -7 Cl-
Acido bromidrico HBr -8 Br-
Acido iodidrico HI -9 I-
acidopiù debole
H3N+
H2N4,63anilinio
80
Una reazione chimica avviene se permette il raggiungimento diuna maggiore stabilità del sistema che sarà quindi a minoreenergia
Relazione tra Keq e variazione di energialibera standard DG°
AH + H2O A- + H3O+Ka =
[AH]
[A-] [ H3O+]
DG°= - 2,303 RT log Ka
quando Ka > 1, cioè l'acido è forte, il ∆G° è < 0quando Ka < 1, cioè l'acido è debole, il ∆G° è > 0
DG° < 0: reazione favorita termodinamicamenteDG° > 0: reazione sfavorita termodinamicamente
DG°= DH°-TDS°
La rottura e formazione di legami in una reazione chimicacomporta una variazione di energia: rompere un legamecomporta una spesa energetica, formare un legame comportaun guadagno energetico: Il ∆H° (entalpia o contenuto termico)rappresenta il bilancio energetico totale della reazione
DH° < 0 reazione esotermica favorita entalpicamenteDH° > 0 reazione endotermica sfavorita entalpicamente
La rottura e formazione di legami comporta, di solito, anche unavariazione del grado di ordine e del disordine del sistema che èmisurato dal ∆S (entropia)
DS° > 0 aumenta il disordine favorita entropicamenteDS° < 0 aumenta l'ordine sfavorita entropicamente
In generale per qualsiasi reazione:
81
Cinetica e Meccanismo di reazione
Una reazione termodinamicamente favorita, cioè che ha∆G°< 0, non è detto che effettivamente avvenga, perchèdipende anche dalla sua velocità, cioè dalla sua cinetica
Le molecole per reagire devono venire a contatto tra loro e
quindi vincere la repulsione delle loro atmosfere elettroniche,
cioè devono superare una barriera di energia, l'energia libera
di attivazione ∆G#, al cui massimo corrisponde lo stato di
transizione
La cinetica di una reazione dipende dalle energie implicate neiprocessi di formazione e rottura dei legami durante l'evolversidella reazione stessa, cioè dipende dal meccanismo direazione
∆G
P
A+B
coordinata di reazione
A+B P
stato di transizione
v = k1[A][B]
∆G#
k1
k1 è la costante specificadi velocità
Più alta è DG# più è bassa k1, cioè più è lenta la reazione
profilo direazione
[A---B]
82
Differenza tra Keq e k
∆G
P
A+B
∆G1°
coord. reaz.
∆G1#
[A---B]
∆G1°= ∆G°P - ∆G°(A+B)< 0per cui la reazione èfavorita e la Keq > 1
P
A+B
∆G2#
∆G2°
∆G2°= ∆G°P -∆G°(A+B)>0per cui la reazione èsfavorita e la Keq < 1
coord. reaz.
∆G[A---B]
∆G1#
< ∆G2# quindi la reazione del caso 1 è più veloce di
quella del caso 2
caso 1 caso 2
il valore della costante di equilibrio dipende solo dal∆G°cioè dalla differenza di energia tra prodotti e reagenti
quindi la Ka,essendo una Keq, dipende solo dalla relativastabilità della base coniugata rispetto all'acido
La costante specifiva di velocità, k, invece, dipende
dall'energia libera di attivazione ∆G#, cioè dalla differenza di
energia tra stato di transizione e reagenti
A+B P
83
∆G
P
A+B
coordinata di reazione
Reazioni ad uno o a più stadi
A+B P
A+B PAB
reagenti
reagenti
intermedio prodotto
prodotto
La reazione ad un solo stadio attraversa un unico stato ditransizione
La reazione a più stadi attraversa due o più stati di transizione
∆G
P
A+B
coordinata di reazione
AB
stati di transizione
stato di transizione
∆G1°
∆G1#
∆G2#
1 2
∆G2#
> ∆G1# cioè la velocità di reazione è limitata dallo
stadio 2 che è quello che passa attraversolo S.T. ad energia più alta
stadio più lento
84
Classificazioni delle reazioni chimiche
1) In base al tipo di trasformazione del substrato
b) addizione, eliminazione
c) ossidazione, riduzione
a) sostituzione
In una reazione di solito si distingue, per convenzione, trasubstrato, composto della cui trasformazione siamointeressati, e reattivo, composto necessario per indurre latrasformazione
CH2 XR + Y CH2 YR + X
H2C CH2 + YX H2C CH2
Y X
CH3C H3C C O
HH
HOH
- 2H (ossidazione)
+ 2H (riduzione)
H3C C O
H + O (ossidazione)
- O (riduzione) H3C C O
OH
addizione
eliminazione
alcol primario aldeide
aldeide acido carbossilico 85
Classificazione delle reazioni organiche
2) in base al tipo di meccanismo
concertata
a stadi
senza la formazione di intermedi, inun unico stadio quindi con un solostato di transizione
radicali specie aventi elettroni spaiati ottenute da scissioniomolitiche del legame
ionici ottenuti per scissione eterolitica del legame
CH Z
con formazione di intermedi e più statidi transizione
Intermedi più comuni
C + Z
CH Z C
CCH Z
Z
Z
+
+
-
-
carbocatione
carboanione
+
+86
3) in base alla natura del reattivo
nucleofila
quando il reattivo va alla ricerca di doppietti.Di fatto è anche un acido
Classificazione delle reazioni
elettrofila
nucleofili più comuni:
Cl CBr I HO RO HS
-
- - - - - - -
H2O O NH3
R
RNH
R
R
H C++ BF3
OH
R
reattivo nucleofilo substrato elettrofilo
reattivo elettrofilo substrato nucleofilo
reagirà con
reagirà con
elettroni π
Ag+
Quindi anche per i substrati si può identificare una naturanucleofila o elettrofila, in particolare gli atomi che nelsubstrato esplicano questa azione saranno il bersaglio delreattivo di natura opposta
La tendenza di un nucleofilo a reagire con un elettrofilo,e viceversa, è la principale forza motrice delle reazionichimiche
quando il reattivo porta l'attacco sul substratocon un doppietto elettronico isolato o di legamead alta energia. Di fatto è anche una base
Come una base reagirà con una specie che si comportada acido e viceversa, così:
87
Reattività
Gli alcani che sono molecole poco polari sono in generalepoco reattivi. La reazione più importante degli alcani è lacombustione, cioè una ossidazione che produce calore
Gli elettroni molecolari s sono a più bassa energia dei p
CH4 + O2 2H2O + CO2 ∆H = -192kcal/mole
La natura nucleofila è data da doppietti elettronici facilmentedisponibili ad essere ceduti e questi sono ovviamente quelliad alta energia
La natura elettrofila è data dalla disponibilità ad accettaredoppietti elettronici e quindi è individuabile in quei sitimolecolari che hanno una deficienza di elettroni, cioè sonocaratterizzati da un d+ o da una carica positiva piena
Le molecole polari presentano siti con un eccesso dielettroni (d-) e siti con un difetto di elettroni (d+) per cui inesse è facile identificare un sito nucleofilo ed uno elettrofilo
La reattività di un composto organico è quindi essenzialmentequella del suo gruppo funzionale, caratterizzato di solito daelettroni ad alta energia e/o da deficienze di elettroni.
Lo scheletro carbonioso saturo comunque influenza lareattività del gruppo funzionale sia per effetti elettronici(induttivi o di risonanza) che sterici, cioè di ingombrospaziale dovuto alle sue dimensione 88
Reattività degli alcheni
Pertanto gli alcheni sono dei composti di natura nucleofila,disponibili a cedere il doppietto elettronico del legame π amolecole di natura elettrofila che si addizionano saturando ildoppio legame. La classica reazione degli alcheni è :l'addizione elettrofila
HCl H2C CH2
H
Cl
H2C CH2
H
OH
H3O+
H2C CH2
H2C CH2
+
+H2SO4
H3C CH CH2
propene
+ H Clδ+ δ-
H3C CH CH3
+
carbocatione isopropilico
Cl-
+
H3C CH CH3+
Cl-
+ H3C CH CH3
Cl
cloruro di isopropile2-cloropropano
elettrofilo nucleofilo: elettroni π
Il gruppo funzionale degli alcheni è costituito dal doppiolegame C=C, che si rompe piuttosto facilmente essendoformato da elettroni π ad energia più alta degli elettroni σ,che formano il legame singolo
Il meccanismo è a stadi e prevede la formazione di unintermedio carbocationico
89
H3C CH CH2 H Cl
Teoricamente, l'addizione di H+ può avvenire su ciascuno dei
due carboni sp2 del doppio legame
H3C CH2 CH2
H3C CH CH3
H3CCH2CH2
Cl
H3C CH2 CH3
Cl
H3C C CH
H3C
H Cl
Cl
Cl
carbocatione 2°
CH32-metil-2-butene
H3C CH CH
H3C
CH3H3C C CH2
H3C
CH3
+
+
+
carbocatione 3°
Cl-
Cl-
2-cloro-2-metilbutano
H3C C CH2
H3C
CH3
Cl
Regioselettività dell'addizione elettrofila
H3C CH CH
H3C
CH3
Cl
2-cloro-3-metilbutano
+
δ+ δ-
+
+
carbocatione 1°
carbocatione 2°
1-cloropropano
2-cloropropano
-
-
Il preferenziale attacco di un reattivo su uno specifico sitomolecolare e quindi la formazione preferenziale di unisomero costituzionale rispetto ad un altro si diceregioselettività. L'addizione del protone sugli alcheni èquindi regioselettiva
90
H3C
H3CCH3
+
Il carbonio dei carbocationi è ibridato
sp2, per cui i tre sostituenti sono tutti
nello stesso piano e formano angoli di
120°, l'orbitale p non ibridizzato è
perpendicolare a questo piano ed è
vuotocarbocatione terz-butilico
Geometria e stabilità dei carbocationi
HC
HH
H3CC
HH
H3CC
H3CH
H3CC
H3CCH3< < <
stabilità crescente dei carbocationi
+ + + +
∆G
coord. di reazione
carbocatione
alchene+ HCl cloroalcano
L'addizione elettrofila ha unmeccanismo a stadi dove laformazione del carbocationeè lo stadio lento∆G#
1° 2° 3°metilico
C
L'aumentata stabilità dei carbocationi all'aumentare dellasostituzione alchilica è dovuta all'aumentata dispersionedella carica su un volume più ampio
Più è stabile il catione più esso si forma velocemente eccoperchè la reazione è regioselettiva, cioè dei due isomericostituzionali possibili si ottiene solo, o preferenzialmente,quello che si forma più velocemente
91
Addizione di H2O agli alcheni. Catalisi
H3C CH CH2 + H O H3C CH CH3+
H3C CH CH3
O
H
H
+
+ H O
H
H3C CH CH3+
+ H O
H
lento
H H+
H3C CH CH3
OH H
+
+ H O H H3C CH CH3
OH
+ H O H
veloce
veloce
alcol isopropilico
catione ossonio
H
+
Il meccanismo è simile a quello dell'addizione di HCl soloche in questo caso l'elettrofilo è H3O+, la cui concentrazioneè aumentata dalla presenza dell'H2SO4 che funziona dacatalizzatore. La reazione, quindi, procede con catalisi acida
Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità diuna reazione senza alterarne la posizione dell'equilibrio e, disolito, non viene consumato durante la reazione, cioè vieneripristinato durante la reazione stessa
Gli enzimi sono i catalizzatori che permettono la realizzazionedelle reazioni nei sistemi biologici a temperatura fisiologica
92
+ H2Pd
25°C,3 atm
+ H2
Idrogenazione degli alcheni ad alcani
CH3
CH3
Pt CH3
CH3
H
H
H
CH3
CH3
H
+
1,2-dimetilcicloesene cis- trans-
1,2-dimetilcicloesano
70% 30%
La idrogenazione catalitica degli alcheni è stereoselettiva
H H H H
catalizzatore
H H H
catalizzatore
H H
catalizzatore
Quando, potendosi formare più stereoisomeri, se ne formanouno o più prevalentemente si dice che la reazione èstereoselettiva
Il doppio legame è planare e questo determina l'esistenza didue facce della molecola. Se l'addizione dei due H suciascun carbonio avviene sulla stessa faccia della molecola sidice che l'addizione è sin e porta al prodotto cis, se avvienesu facce opposte si dice che l'addizione è anti e porta alprodotto trans.
93
La riduzione di un alchene ad un alcano è un processoesotermico
H-H + CH2=CH2 CH3-CH3 ∆H° = -32.8 kcal/mol
∆H°: calore di idrogenazione
Più l’alchene è stabile minore sarà il calore sviluppato nellaidrogenazione
Calore di idrogenazione. Stabilità degli alcheni
H3CC C
H
CH3
HH3C
C CCH3
H
Hcis-2-butene
CH3CH2CH2CH3
-28,6 kcal/mol -27,6 kcal/mol
trans-2-butene
H3C CH CH2∆H° = -30,1 kcal/mol
H3CC C
CH3
CH3
H
H3CC C
CH3
CH3
H3C
∆H° = -26,9 kcal/mol
2-metil-2-butene
2,3-dimetil-2-butene
∆H° = -26,6 kcal/mol
1 kcal/mol
94
HC
HC
HCCH
CH
CH
CH3 CH2CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CHH3C CH2 HC CH2
Idrocarburi aromatici
Tutti i carboni sono ibridati sp2
benzene
Alchil benzeni = Areni il residuo è indicato con Ar
metil benzenetoluene etilbenzene
orto metapara
dimetilbenzeni
isopropilbenzenestirene
fenile
Idrocarburi ciclici contenenti doppi legami alternati alegami singoli e dotati di particolare stabilità per cui nondanno reazioni di addizione, pur essendo insaturi.
95
La struttura del benzene. Aromaticità
C
CC
C
CC HH
H
HH
H
C C 1,34 Å
1,54 ÅC C
C6H6 + Br2 C6H5Br+ Br2
C6H4Br2
dibromobenzene3 isomeri costituzionali
bromobenzene
Kekulè
H
HH
H
H
sp2
benzene
FeCl3
orbitali π del benzene
i tre orbitali π che contengono i 6 elettroni dei p non ibridizzati
dei 6 carboni sp2 del benzene indicano una delocalizzazione
estesa all'intera molecola e questo conferisce una extra
stabilità che è l'essenza dell'aromaticità
L'aromaticità è comune ad altre molecole cicliche anchecon eteroatomi. Regole di Hückel:
a) avere un orbitale 2p su ciascun atomo dell'anellob) essere planare o quasi planare, in modo da consentire una
sovrapposizione continua di tutti gli orbitali 2p dell'anello3) Il numero degli elettroni p deve essere uguale a 4n+2 dove
n = 0, 1, 2, 3......n 96
Energia di risonanza del benzene
L'energia di risonanza è la differenza tra l'energia dell'ibridodi risonanza (la realtà fisica) e la più stabile delle strutturecanoniche di risonanza (strutture ipotetiche) che ad essocontribuiscono
+ H2
benzene cicloesano
ER=
- 28,6
+ H2
+ 2H2
- 49,8
- 85,8 (calcolata)
cicloesatriene(ipotetico)
benzenecicloesadiene
cicloesene
cicloesano
+ 3H2
+ 3H2
36
E
- 55,4
[kcal/mole]
∆H° = - 49,8kcal/mole
97
Reattività dei composti aromatici. Sostituzioneelettrofila aromatica
nucleofilo:elettroni p
elettrofilo
E
H HEH
EH
E
H
E
∆G#
E
E-Y+
Elettrofili più comuni
E-Y ++
+
+lentoδ+ δ-
Y-
+
Y-
+ Y-Hveloce
NO2+ nitronio
O2Nnitrazione
+carbocatione
CHCH
H3C
H3C
H3CH3C
FeCl3δ+ δ- BrBr Br
isopropilbenzenealchilazione
nitrobenzene
bromurazionebromobenzene
Gli idrocarburi aromatici, pur essendo altamente insaturi,non danno reazioni di addizione elettrofila ma solo disostituzione elettrofila, perchè i loro legami π sono moltostabili e difficilmente possono essere rotti.
98
Alogenuri alchilici e arilici
Derivano formalmente da un alcano in cui un idrogeno è stato
sostituito da un alogeno, il quale quindi è legato ad un C sp3
R-X dove X= F, Cl, Br, I il legame è polarizzato R X
δ+ δ-
CH3Cl
CH3CH2Cl
H3C CH CH3
Cl
H3C C CH3
Cl
CH3
clorometano o cloruro di metile
cloroetano o cloruro di etile alogenuro 1°
2-cloropropano o cloruro di isopropilealogenuro 2°
2-cloro-2-metilpropano ocloruro di terz-butile alogenuro 3°
CHCl3triclorometanoo cloroformio CCl4
Cl
clorocicloesanoCl
clorobenzene
Cl
o-cloro-metil-benzene
CH3
Ar-Cl
IUPAC Il nome dell'alcano è preceduto dal nome dell'alogeno
Alogenuri Arilici
tetraclorometano otetracloruro di carbonio
99
Sostituzione nucleofila alifatica
Nu -+ Nu R X
-+
nucleofilo elettrofilo
gruppo uscente
R Xδ+ δ-
CH3CHCH2CH3 CH3OH CH3CHCH2CH3 + HCl
Cl
+
OCH3
δ+
δ-
CH3CHCH2CH2-Br + Na+ I -
CH3
CH3CHCH2CH2I +
CH3
CH3CHCH2CH3
Br
δ+
δ-
+
δ-δ+
CH3S- Na+ CH3CHCH2CH3
SCH3
Na+ Br-
Na+ Br-+
Il substrato svolge il ruolo di elettrofilo, mentre il reagentesvolge quello di nucleofilo. Il nucleofilo, carico negativamenteo neutro, deve avere un doppietto elettronico facilmentecedibile. E' necessario che il substrato abbia una lacunaelettronica, cioè un sito con un δ+, sul quale avverrà l'attaccodell'atomo nucleofilo
100
Meccanismi della sostituzione nucleofilaalifatica
Meccanismo SN2= SostituzioneNucleofila Bimolecolare
Meccanismo concertato, senza intermedi, con un solo S.T. nella cui struttura sono presenti sia la molecola di substrato che quella del nucleofilo, da cui il bimolecolare
HO C Br
H
HH
+ C
H
H H
HO Br
-- - -
C
H
HH
HO + Br-
v = k[CH3Br][HO-] significa che se aumento [CH3Br] e/o [HO-]aumenta v
L'attacco del nucleofilo avviene dal lato opposto del gruppo uscente. Questo comporta una inversione di configurazione se il carbonio che subisce l'attacco è chirale
#
bromuro di metile
G
coord. reaz.
S.T.
CH3Br+ HO-
CH3OH + Br-
S.T. metanolo
Se il carbonio del reagente ha configurazione R, quello del prodotto non è detto che abbia configurazione S, perchè i descrittori dipendono dalla priorità dei gruppi. Se il reagente è levogiro non è detto che il prodotto sia destrogiro, questo è un dato solo sperimentale e che non si può prevedere 101
Meccanismo SN1= SostituzioneNucleofila monomolecolare
Meccanismo a stadi, nel 1° stadio, lento, si forma il carbocatione come intermedio attraverso uno S.T. a cui partecipa solo la molecola di substrato (monomolecolare)
C Br
H3C
H3C
H3CC+
CH3
H3C CH3
Br-
C+
CH3
H3C CH3
CH3OHCH3OH
C OCH3
H3C
H3CH3C
2°
1° lento
veloce
v = k[CH3Br], cioè la velocità dipende solo da [CH3Br]. Poichè l'attacco è sui due lati, se il carbonio è chirale, si forma una miscela racemica.
Meccanismi della sostituzione nucleofilaalifatica
H
+
veloce
C OCH3
H3C
H3CH3C
+-H
attacco su entrambi i lati perchè il carbocatione è planare
C Br
H3C
H3CH3C
+-
bromuro di terz-butile
#
G
1° 2°
coord.reaz.
carbocatione
terz-butilmetil etere
S.T.
S.T.
102
Fattori che influenzano i meccanismi di sostituzionenucleofila alifatica
a) struttura del substrato: effetto del sostituenteb) natura del nucleofiloc) natura del gruppo uscented) solvente
effetto sterico (dimensioni)
induttivo
delocalizzazione (risonanza)
Poichè gli effetti sono sulla velocità di reazione bisogna solo vedere come giocano i vari fattori sulla stabilità relativa dello S.T. rispetto ai reagenti
Un sostituente influenza per
SN2
C Br
H
HH
C Br
R
RR
SN1
effetto elettronico
velocità di reazione diminuisce
velocità di reazione aumenta
C Br
H
RH C Br
H
RR
1° 2° 3°metilico
per effetto sterico
per effetto stericoed elettronico
103
Fattori che influenzano i meccanismi di sostituzionenucleofila alifatica
natura del nucleofilo
Br- I- CH3S- RS-
CH3O- RO-HO-
CH3CO-
NH3 RNH2 R2NH
R2S
RSH
H2O CH3OH ROH
O
RCO-
O
buoni
medi
CH3COH
O
RCOH
Oscarsi
Un gruppo uscente quando esce sviluppa una carica negativaQuindi quanto meglio sopporta la carica negativa tanto più è stabile e tanto più è un buon gruppo uscente. Questo accade per quegli anioni che sono le basi coniugate degli acidi forti
gruppo uscente
I- Br- Cl- F-CH3CO- HO- CH3O- NH2
-> > >> > > >>
104
Poichè un nucleofilo è anche una base se la molecola possiede un idrogeno sul carbonio ( adiacente al carbonio ( ) che porta il gruppo uscente può aversi una -eliminazioneche porterà ad un alchene. Quindi la sostituzione spesso compete con la -eliminazione
- Br
H
CH3CH2O
Na+OCH2CH3
attacco basico
attacco nucleofilo
+
+
Na+Br-
CH3CH2OH Na+Br-+etossidodi sodio
La base attacca l'idrogeno, il nucleofilo attacca il carbonio
Reazioni di -Eliminazione
Meccanismo E2
-CH3CH2O
Na+
CH
CH3
CH2H Br+
CH3CH2OH + CH3CH CH2 + Br-
Meccanismo bimolecolare, concertato, avviene in un unico stadio senza intermedi. Favorito da basi forti.
La rottura e la formazione dei legami sono sincroni105
Meccanismo E1 di -eliminazione
Meccanismo a stadi, il 1° stadio è lo stesso della SN1, quindil'intermedio è il carbocatione. E' favorito dalle basi deboli
lento
eterolisiH3C C
CH3
CH3Br
++
-
H2C C
CH3
CH3+H
HO
H3C
HO
H3CH
++ CH2 C
CH3
CH3
Il solvente (base debole), nel 2° stadio, accetta un protone dacarbocatione e si ottiene l'alchene
Nel caso in cui si possono ottenere due isomeri (regioisomeri),sia con la E2 che con la E1, si forma di solito l'isomero che hail maggior numero di sostituenti sul doppio legame
CH2 C
CH3
Br
CH3CH3
CH2 C
CH3
CH2CH3
CH C
CH3
CH3CH3
2-bromo-2-metilbutano
2-metil-2-butene
2-metil-1-butene
più abbondante
+
H3C C
CH3
CH3
Br
106
Alcoli e Fenoli
Formalmente derivano da un alcano per sostituzione di un
idrogeno con l'ossidrile (-OH), che quindi è legato ad un C sp3
R OH legami C-O- e -O-H entrambi polarizzati
+ +- -
CH3 CH CH3
OH
CH3 C CH3
OH
CH3
OH
CH3OH alcol metilico o metanolo
CH3CH2OH alcol etilico o etanolo alcol 1°
alcol isopropilico o 2-propanolo alcol 2°
alcol terz-butilico o 2-metil-2-propanolo alcol 3°
cicloesanolo
La catena lineare più lunga contenente il carbonio con l'OH fornisce il nome base dell'alcol che deve terminare con la desinenza -olo. La numerazione deve essere tale da avere il carbonio con l'OH con il numero d'ordine più basso
CH3CHCH2CHCH2OH
CH3CH3
12345
2,4-dimetil-1-pentanolo
CH3CHCH2CH
OH
1 2 3 4 5CH2
4-penten-2-olo
OH
fenolo
OH
p-metil-fenolo
H3C
Ar-OH
Fenoli
107
EteriEtere: un composto contenente un atomo di ossigeno legato
a due carboni sp3
H3CO
CH3
dimetiletere
H3C O CH2CH3
etil-metil etere110,3°
OR R'
Tioli
molecola contenente il gruppo -SH legato ad un carbonio sp3
R SH
I tioli sono più acidi degli alcoli perchè il legame legame -S-H è più debole del legame -O-H
CH3 SH metantiolo
Polioli
H2C CH2 H2C CH2 CH2
1,2-etandiolo
OHOH OHOHOH1,2,3-propantriolo glicerolo
Composti con più ossidrili su carboni sp3
CH2 SHH3C etantiolo pKa= 10,5
CH2 OHH3C etanolo pKa= 18
108
CH3COH
CH3
CH3
H2SO4
C CH2
CH3
H3C50°C
OHH2SO4
140°C
CH3 CH2 OHH2SO4
180°CCH2 CH2
Reazioni degli alcoli
Disidratazione degli alcolireazione inversa all'addizione di H2O agli alcheni
velocità di reazione 1°< 2° < 3°
Ossidazione degli alcoli
CH3 CH2 OH CH3 C O
H
CH3 C O
OH
1° aldeide acido carbossilico
CH3 CH OH
CH3
2°
CH3 CH O
CH3
chetone
H+/CrO3 H+/CrO3
H+/CrO3
CH3COH
CH3
CH3
3°
H+/CrO3 non reagisce
109
Reazioni dei fenoli
pKa = 9-10 sono più acidi degli alcoli
O
O
CH3H3CO
H3CO H
OH
OH
CH3H3CO
H3CO H
OH O
OOH
n
coenzima Qossidato
+ 2H+ + 2e-
n
n=6-10
p-benzochinone
coenzima Qridotto
idrochinone
+ 2H+ + 2e-
110
H N
H
H H N
CH3
H H N
CH3
CH3
H3C N
CH3
CH3
NH2 NH
N
NH2 NHH3C NH3C CH3
Ammine
Composti formalmente derivati dall'ammoniaca in cui uno opiù idrogeni sono sostituiti da gruppi alchilici (R) o arilici (Ar)
ammoniaca metilamminaammina 1°
dimetilamminaammina 2°
trimetilamminaammina 3°
Ammine alifatiche contengono solo gruppi alchilici
Ammine aromatiche contengono almeno un gruppo arilico
anilina N-metilanilina N,N-dimetilanilina
111
Reattività delle ammine
La reattività delle ammine è data dal doppietto elettronico isolato che è più disponibile di quello dell'alcol a causa della minore elettronegatività dell'N rispetto all'O, quindi sono più basiche e nucleofile
CH3 N
H
H
O+ HH
Keq =
CH3 N
H
H
H OH-+ idrossido di
metilammonio
[CH3NH3+][OH-]
[CH3NH2][H2O] = 55,5 moli/L costante[H2O]
Keq[H2O] = Kb = 4,37 10-4
base acido acidoconiugato
baseconiugata
poichè la forza di una base è collegata a quella dell'acido coniugato si può utilizzare la costante di acidità di quest'ultimoper avere informazioni sulla forza della base stessa
CH3 N
H
H
H+
O+ HH
acido base
CH3 N
H
H
+ O HH
H
Keq [H2O] =Ka =[CH3NH3
+]
[CH3NH2][H3O+]
+
= 2,29 10-11
pKa=10,64
pKb=3,36
pKa + pKb = 14
112
NH2 NH3+OH-
Kb = 4,3 10-10 ; pKb = 9.37; pKa (ione anilinio)= 4,63
Ammine aromatiche
Le ammine alifatiche sono più basiche di quelle aromatiche perchè il doppietto, in queste ultime è delocalizzato sull'anello aromatico e quindi meno disponibile per la donazione
NH2 NH2 NH NH NHN HH
H N HH
H
N N
piridina
pKb = 8,75; pKa (piridinio) = 5,25
meno basica delle ammine alifatiche perchè il doppietto è in un
orbitale sp2
+ H2O
NH
NH
+ + OH-
+ H2O
anilina ione anilinio
strutture canoniche dell'anilina
+
-
+
-
+
-+ +
uniche strutture canoniche possibili per lo ione anilinio
113
Aldeidi e Chetoni
Composti caratterizzati dal gruppo carbonilico C O
Aldeidi contegono il gruppo formilico -CHO
HC
RO
HC
ArO
aldeidi alifatiche aldeidi aromatiche
Il nome dell'aldeide si ricava cambiando il suffisso -odell'alcano in -ale. Si sceglie sempre come nome base quello della catena carboniosa più lunga che contiene il gruppo -CHO
HC
HO
metanaleformaldeide
HC
H3CO
etanaleacetaldeide
CH3CHCH2CHO
CH3
1234
3-metilbutanale
H2C CHCHO123
2-propenale
CHO
CHO
+ -
ciclopentanale
benzaldeide114
Chetoni'R
CR
O RC
ArO
chetoni alifatici chetoni aromatici
Il nome del chetone si ricava cambiando il suffisso -odell'alcano in -one
H3CC
H3CO
propanoneacetone
CH3CH2C
CH3
O
2-butanone
CH3CH2CCH2CHCH3
1 3 5
5-metil-3-esanone
CH CH123
3-penten-2-one
C
O CH3
C CH3
O
H3C CH3
O
acetofenonefenilmetilchetone
C
Obenzofenonedifenilchetone
115
La struttura del gruppo carbonilico
C O
R
R
+ -
120°sp2
sp2
120°
C O C O+ -
La netta polarizzazione con una lacuna elettronica sul C, che lorende elettrofilo, indica che l'attacco deve essere condotto da reagenti nucleofili.
Se il nucleofilo è molto efficiente l'addizione può avvenire sul composto carbonilico direttamente, altrimenti esso deve essere attivato mediante catalisi acida.
Addizione nucleofila al carbonile
C O + H+C OH
+
C OH+
116
Addizione di alcoli
R'
C
R''
OHO
CR''
R'RO+ ROH emichetalechetone
R'
C
H
OHO
C
H
R'RO+ ROH emiacetalealdeide
H3C
C
H
O + CH3CH2OH
O
C
H
CH3H3CH2CO
H-
+
O
C
H
CH3H3CH2CO
H-
+O
C
H
CH3H3CH2CO
H
Attacco nucleofilo dell'ossigeno dell'alcol sul carbonio elettrofilo del gruppo carbonilico
Neutralizzazione dell'intermedio tetraedrico. Trasferimento protonico
veloce
lento
emiacetale
Equilibrio di solito spostato verso sinistra, se si formano ciclistabili l'equilibrio è spostato a destra (carboidrati)
acetaldeide
117
CH3
C
H
OHC2H5O H A
CH3
C
H
OHC2H5O
CH3
C
H
C2H5O
CH3
C
H
C2H5O
+
H+ + A -
++
+ H2O
CH3
C
H
C2H5O+OCH3H
CH3
C
H
C2H5O OCH3 + H A
La reazione è di equilibrio per cui bisogna sottrarre l'H2O per spostare l'equilibrio verso destra
CH3
C
H
OHC2H5O
H+
CH3OH
CH3
C
H
C2H5O+OCH3
H
+ A-
1) protonazione dell'OH del chetale
2) fuoriuscita dell'OH dell'emiacetale come H2O e formazione dello ione ossonio
3) attacco dell'alcol (metanolo) sul catione e formazione dell'acetale protonato
4) deprotonazione ad opera della base coniugata dell'acido catalizzatore e suo ripristino
Formazione di Acetali (Chetali)
CH3
C
H
C2H5O
CH3
C
H
C2H5O++ +
R C H
O
+ 2R'OH R C
OR'
OR'
H + H2OH+
118
Addizione di ammoniaca e ammine
L'azoto è un nucleofilo molto efficiente
H3C CH
O
+ H2N NCH + H2OH3C
immina (basi di Schiff)etanale
H+
O+ RH2N C
O
N
H
R
H
+
-
C
O
N
H
R
H
intermedio tetraedrico
C
O
N
H
R
H
C
O
N
H
R
H
H+
C N R
H
O HH
H+
+ H2O+
C N RH
+ H2O +
1) attacco nucleofilo dell'ammina e formazione dell'intermediotetraedrico
2) protonazione dell'ossidrile, fuoriuscita dell'acqua e formazione dell'immina protonata
3) deprotonazione dell'immina protonata ad apera della baseH2O
119
Prochiralità del gruppo carbonilico
Quando il carbonio del gruppo carbonilico è sostituito da due
gruppi diversi e il nucleofilo che lo attacca è diverso da questi
due gruppi esso diventa chirale nel prodotto di reazione. Per
tale motivo il carbonio carbonilico sp2 è detto prochirale
C2H5 C
H
O
CN
C2H5C
H
HO CN
C2H5C
H
NCOH
-
cianidrinachirale(S)
cianidrinachirale(R)
Se nella molecola non ci sono altri centri chirali, come nel casodell'esempio (propanale), i due enantiomeri S e R si formano inquantità uguali perchè l'attacco sulle due facce del carbonile avviene con uguale probabilità e quindi si ottiene una miscela racemica.
Gli enzimi sono in grado di distinguere gli attacchi sulle due facce permettendo l'ottenimento di uno solo degli enantiomeri 120
Se nella molecola è presente un altro centro chirale (supponiamo R), l' attacco sul carbonile prochirale crea ledue configurazioni R e S portando alla formazione di duemolecole diastereoisomeriche di cui una contiene i centri stereogenici (R,R) e l'altra i centri (R,S) per cui non sonol'una l'immagine speculare dell'altra. Pertanto si ottengono diastereoisomeri e non enantiomeri
Prochiralità del gruppo carbonilico
C
CH OH
HOH2C
OH
(R)
CN-
C
CH OH
HOH2C
HO
HC
CH OH
HOH2C
OHH
CNNC
(R)
(R)(S)
(R)
diastereoisomeri
121
Tautomeria Cheto-Enolica
H3C C CH3
O
H2C C CH3
OH
acetone forma chetonica
acetone forma enolica
tautomeri dell' acetone
C
O
formachetonica
formaenolica
% forma enolicaall'equilibrio
H3C C
O
CH2 CH3
H3C H CH
OH
H2C6 x 10
-5
H3C C CH3
O
H2C C CH3
OH
6 x 10-7
H3C C CH3
O
Meccanismo acido-catalizzato
H A+H3C C CH3
O H+
+ A-
H3C C CH2
O H+
+ A-
H H3C C CH2
O H
+ H-A
veloce
lento
122
Racemizzazione al carbonio
La formazione di enoli determina la racemizzazione di stereocentri in al gruppo carbonilico
C C
HH3C
O
CH3
C CH3C
OH
CH3
C C
H3CH
O
CH3
(R)-3-fenil-2-butanone (S)-3-fenil-2-butanoneachirale
H3C C
O
HH3C CH2
OH
H3C C
O
OH
Rid. Oss.
aldeidealcol primario acido carbossilico
H3C C
O
CH3
chetone
H3C CH
HO Rid.
alcol secondario
CH3
Oss.
123
Acidi carbossilici
caratterizzati dal gruppo carbossilico -COOH
R
C
HO
OAr
C
HO
O
alifatici aromatici
IUPAC catena più lunga contenente il gruppo -COOH al quale si dà il nome dell'alcano in cui la desinenza -o è sostituita con -oico
H
C
HO
acido metanoicoacido formico
H3CC
HOO
acido etanoicoacido acetico
CH3CH2CHCH2CH2COH
CH3 O
acido 4-metilesanoico
4
CHCH2CH2COH
O4
H3CHC
acido 4-esenoico
COOH
acido benzoico
O
Acidi bicarbossilici
COOH
COOH
COOH
CH2
COOH
COOH
CH2
CH2
COOH
COOH
CH2
CH2
CH2
COOH
COOH
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
ossalico
glutarico
succinicoadipico
glutarico
acidoetandioico
124
HCOOH metanoico formico
CH3COOH etanoico acetico
CH3CH2COOH propanoico proprionico
CH3(CH2)2COOH butanoico butirrico
CH3(CH2)3COOH pentanoico valerianico
CH3(CH2)4COOH esanoico capronico
CH3(CH2)6COOH ottanoico caprilico
CH3(CH2)8COOH decanoico caprico
CH3(CH2)10COOH dodecanoico laurico
CH3(CH2)12COOH tetradecanoico miristico
CH3(CH2)14COOH esadecanoico palmitico
CH3(CH2)16COOH ottadecanoico stearico
CH3(CH2)18COOH eicosanoico arachidico
Struttura IUPAC Nome comune
Alcuni acidi carbossilici alifatici
C C
H3C(H2C)7 (CH2)7CH3
HH
cis-9-ottadecenoico oleico
acido acido
9
125
Quando si usano i nomi comuni si aggiungono spesso le lettere greche , per indicare la posizione dei sostituenti
C C C C C
O
OH
12345
CH3 CH C OH
O
acido idrossipropionico
CH3
C C OH
O
NH2H
acido -amminopropionico alanina
H3C C CH2 C OH
O
-cheto acido acido -ossobutirrico
O
Acidi con un ulteriore gruppo funzionale
-cheto acidoacido -ossopropionico
CH3 C C OH
OO
H3C CH CH2 C OH
O
acido -idrossibutirrico
OH
OH
acido lattico
acido , -insaturo
H3C CH CH C OH
O
acido 2-butenoico
126
Gli acidi carbossilici formano legami idrogeno intermolecolari molto forti per cui hanno p.e. più alti di aldeidi e chetoni di pari peso molecolare.
H3C C
O
O H
CH3C
O
OH
-
-
+
+
COOH
testa polarecoda idrofobica (non polare)
acido decanoico
Gli acidi carbossilici sono i più acidi composti organici, anche se sono molto più deboli di quelli minerali (acido solforico, cloridrico, etc.)
Essi sono in grado di formare sali con basi come NaOH e anchecon NaHCO3
Inoltre formano legami idrogeno anche con l'H2O per cui i composti a minor numero di carbonio sono solubili in acqua. Aumentando le dimensioni diminuisce la solubilità
H3C C
O
OH + NaHCO3H3C C
O
O- + H2CO3 Na+
acetato di sodio
Proprietà degli acidi carbossilici
i sali sono solubili in acqua
127
acidi carbossilici (pKa 4-5)> fenoli (pKa 9-10)> alcoli (pKa16-18)
Acidità degli acidi carbossilici
CH3COOH < CClH2COOH < CCl2HCOOH < CCl3COOHacido acetico cloroacetico dicloroacetico tricloroaceticopKa 4,76 2,86 1,48 0,70
OHH3C
miscela in etere etilico
sol. NaHCO3
CH3COONa
trattamento con soluzione acquosa di NaOH
etere etilicosol. di NaOH sol.acquosa
Etere
OH +
OHH3C OH +
ONaH3C OH
CH3COOH +
trattamento con soluzione acquosa di NaHCO3
etere etilico
128
R C
O
OH R C
O
HR CH2 OH
Riduzione degli acidi carbossilici
acido aldeide alcol primario
Decarbossilazione degli acidi carbossilici
R C
O
OH
caloreRH + CO2
LiAlH4 LiAlH4
I -chetoacidi e gli acidi -dicarbossilici decarbossilano velocemente perchè i riarrangiamenti elettronici avvengono attraverso uno stato di transizione ciclico a sei termini
H3C C
O
OH + SOCl2 H3C C
O
Cl + HCl
cloruro di tionile
Formazione dei cloruri degli acidi
acido acetico cloruro di acetile
129
H3CC
O
CH2C
O
O
H
H3CC
O
CH2
C
O
OH
H3CC
O
CH3
+ + CO2
acido acetoacetico-ossobutanoico
enolo del chetone
Decarbossilazione di -chetoacidi
HOOCCOOH
O
COOH
acido ossalsuccinico
HOOCCOOH
O
acido -chetoglutarico
Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA) Krebs
Decarbossilazione degli acidi -dicarbossilici
CCH2
C
OHHO
O O
acido malonicoacido propandioico
140-150°C
CH3
C
OH
O
+ C
O
O
CCH2
C
O
HO
O
O
H
CCH2
C
O
HO
O
O
H
CCH3HO
O
forma enolica di un acido carbossilico
+ + CO2
acetone
acido acetico
130
Derivati degli acidi carbossilici
Per sostituzione dell'ossidrile del carbossile si ottengono vari derivati degli acidi carbossilici, noti come derivati acilici essendo il gruppo (Ar) R-C=O detto gruppo acilico
R
C
X
O
H3C
C
O
O
etanoato di metile acetato di metile
C
X= OH acidi carbossiliciX= OR esteriX=-NH2, NHR, NRR'; ammidiX= OCOR' anidridiX= alogeni; alogenuri acilici
(Ar)
Esteri
la nomenclatura fa uso di due termini, per indicare l'acido sisostituisce la desinenza -oico o -ico con -ato per la parte alcolica si usa il nome del residuo alifatico corrispondente all'alcol
O
benzoato di etile
H3CH2CH2C
C
O
O
propanoato di terz-butile
O
CH3C CH3
CH3
CH2CH3H3C
131
Ammidi
Sostituzione della desinenza -oico o -ico con la desinenzaammide
H3CC
OO
H3CC
H2NO
acetammideetanammide
H3CC
ClO
cloruro di acetilecloruro di etanoile
C
anidrideacetica
Canidridebenzoica
H3C
NO
N,N-dimetilacetammide
H3CH3C
O
NH2
benzammide
Anidridisi sostituzione il termine acido con quello di anidride
CH3C
O CO
O
O
Alogenuri acilici
si sostituzione la desinenza -ico con quella di -ile e siaggiunge il termine alogenuro di......
H3CH2CC
FO
floruro di propanoile
HO P
O
OH
OHHO P
O
OOH
P
O
OHOH
H-O P
O
OH
HOacido fosforico acido pirofosforico
+
P
O
OH
OH
HO P
O
O
OH
P
O
O
OH
acido trifosforico
132
Reattività del carbonile negliacidi e suoi derivati
RC
XO
δ+ δ-Nu-
R C
X
O-
-
Nu NuC
RO + X-ba
X=-NH2, NHR, NRR'; ammidiX= OCOR' anidridiX= alogeni; alogenuri acilici
RC
XO
δ+ δ-
Come per l'addizione nucleofila alle aldeidi e chetoni, anche inquesto caso si può avere necessità della catalisi acida che puòagire sia a livello di addizione (stadio a) che a livello dieliminazione (stadio b) a seconda della forza del nucleofilo (Nu)e della bontà del gruppo uscente (X)
intermediotetraedrico
Poichè il gruppo R-C=O è detto acile la reazione prende il nomedi Sostituzione Nucleofila Acilica
quando X= R,H (chetoni, aldeidi), lo stadio b non avvieneperchè X è un pessimo gruppo uscente e la reazione si fermaallo stadio di intermedio tetraedrico. Nel caso dei derivati degliacidi X è un migliore gruppo uscente e quindi la reazioneprocede oltre dando quindi una reazione di sostituzione in cuiNu sostituisce X
X= OH acidi carbossiliciX= OR esteri
133
Derivati degli acidi
L'ordine di reattività dei derivati degli acidi nella sostituzionenucleofila acilica è:
R C
O
XR C
O
OCR
O
R C
O
OR' R C
O
NHR> > >R C
O
OH,
RC
ZO
δ+ δ-Nu-
R C
Z
O-
-
Nu NuC
RO + Z-ba
alogenuriacilici
anidridi
esteriacidi
ammidi
Tale ordine è determinato, a parità di nucleofilo, da due fattori:
Z= X-, RCOO-, RO-, R2N- gruppo uscente
1) elettrofilicità del carbonio carbonilico
quanto più il gruppo legato al carbonile è elettronattrattoretanto più l'attacco del nucleofilo è favorito
2) quanto migliore è la bontà del gruppo uscente tanto più lareazione è favorita
bontà come gruppo uscente X- > RCOO- > RO- > R2N-
134
Formazione di esteri e loro idrolisi ad acidicarbossilici
CH3 COH
O
+ CH3OH CH3 COCH3+ H2O
ac.acetico alcol metilico acetato di metile
H2SO4
H3C COH
O
+ H+H3C COH
O H+
H3C C
O H
+OH H3C C
O H+OH
CH3OHH3C C
O H
+OH + H3C C
O H
+
OH
OH3C H
H3C C
O H
+
OH
OH3C H
H3C C
O H+
OH
OH3C
H
H3C C+OH
OH3C
H2O+
H3C C+OH
OH3C
H3C C +O
OH3C
+ H
1) protonazione dell'acido carbossilico
2) addizione nucleofila del metanolo sul carbonile dell'acido
3) trasferimento veloce del protone dall'alcol protonatoall'ossidrile
4) deprotonazione dell'estere e ripristino del catalizzatore acido
Il protone H+ non è mai nudo ma sempre solvatato, in questocaso dal CH3OH che è anche il solvente di reazione
O
135
Idrolisi basica di un estere (saponificazione)
H3C C OCH3
O
+ HO
1) attacco nucleofilo di HO- sul carbonile e formazionedell'intermnedio tetraedrico
H3C C OCH3
O
OH
--
H3C C OCH3
O
OH
-
2) fuoriuscita del gruppo alcossi e ripristino del gruppocarbonilico
H3C C OH
O
+ OCH3-
H3C C O-H
O
+ OCH3-
H3C C O
O
+ CH3OH-
3) stadio irreversibile perchè la reazione è spostata verso l'acidoe la base più debole
specie più debolispecie più forti
136
H3C C Cl
O
H3C C Cl
O
OH2
H3C C Cl
OH
OH
H3C C
O
OH
-HCl
H3C CO
O
H3C C
O
H3C C OH
O
H3C C NH2
OH3C C OH
O
H3C C O-Na+
O
H3C C OCH3
OH3C C OH
O
H3C C O-Na+
O
H2O-
+
H2O+ 2
Idrolisi dei derivati degli acidi
H2O+
NH4+Cl-+
HCl
calore
NH3+NaOH
calore
H2O+
CH3OH+H2SO4
CH3OH+NaOH
Esteri
Ammidi
Anidridi
cloruri degli acidi
137
H3C C Cl
OH3C C OCH3
O
H3C CO
O
H3C C
O
H3C C NH2
O
H3C C OCH3
O
H3C C NH2
O
H3C C Cl
O
H3C C O
O
CH3C
O
H3C C OCH3
O
H3C C NH2
O
H3C C O
O
H3C C OH
O
Preparazione dei derivati degli acidi
+ HCl
2NH3
CH3OH
+ NH4+Cl-
+ CH3COOH
2NH3
CH3OH
+ CH3COO-NH4+
SOCl2
-
H+
138
Riduzione dei derivati degli acidi
H3C C OCH3
O
H3C C NH2
O
CH3OH1.LiAlH4
2.H2O
2.H2O
1.LiAlH4
H3C CH2OH +
H3C CH2NH2
CH2OR
OH
CH2OH
OH
COOH
OH
COOH
OCOCH3
salicina alcolsalicilico
acidosalicilico acido acetil
salicilico (aspirina)
O O
cumarinaδ-lattone
αδ C
C N
C
C
C
S
O
CH3
CH3
COOH
H HHN
O
R
penicillineβ-lattame
H
βα
R = glucosio
139
H3C C CH2
O
H3C C CH2
O
H3C C CH2
O
H3C CH2 H3C CH2
H2C CH H2C CH
CH2CH3CO
O
H3CO C CH2
O
H3CO C CH2
O
CH3CH3CO
O
CHCH3CO
O
C CH3
O
CHCH3CO
O
C CH3
OCHCH3CO
O
C CH3
O
CHCH3CO
O
C CH3
O
H
H
H
H
H
Anioni enolato
Il gruppo carbonilico rende più acidi gli idrogeni nelleposizioni adiacenti (α)
-
- + HA
+ HA-
pKa= 20
pKa= 51
+ HA-
-
-
+ HA
pKa= 22
pKa= 44
-
pKa= 11-
-
-
chetoestere
chetone o aldeide
estere
alchene
alcano
ioni enolato
ioni enolato
ioni enolato
+ A-
+ A-
+ A-
+ A-
+ A-
+ HA
+
140
Formazione del legame C-C via ioni enolato
Il carbonio α dell'enolato è un sito nucleofilo che può quindireagire con siti elettrofili quale il carbonio carbonilico, portandoalla formazione di un legame C-C
CH3CH
O
H C CH2
O
-+ HO-
H CCH3
O-
CH2 C H
O
β-idrossialdeide= aldolo= aldeide + alcol
Condensazione aldolica
+ H2O
H C CH3
O
H C CH2
O
-+
H CCH3
O-
CH2 C H
O
+ H-O H CCH3
OH
CH2 C H
O
+ HO-
1.Lo ione ossidrilico strappa il protone dalla posizione α
2.Lo ione enolato porta l'attacco nucleofilo sul carbonile diun'altra molecola di acetaldeide formando l'addotto tetraedrico
enolato
H C CH2
O-
3. L'addotto tetraedrico prende un protone dall'acqua eripristina lo ione ossidrilico
H CCH3
OH
CH2 C H
O
H CCH3
CH C H
O
αβ
β-idrossialdeide
aldeide-α,β-insatura
riscaldamento inacidi o basi
αβ
H
141
Condensazione aldolica incrociata
Avviene tra un aldeide con idrogeni in che produce lo ione enolato, e un aldeide che non ha idrogeni in
HCH
OCHO
O CHO
C CH
OCH3
CH3
H3C
CHO
CH
O
H3C+ CH
HO
CH2 CH
O
H3C C
O
CH3 +HCH
OH3C C
O
CH2 CH2OH
4-idrossi-2-butanone
NaOH
I chetoni sono meno reattivi delle aldeidi nel subire l'attacco nucleofilo
NaOH
Condensazione di Claisen
Avviene tra esteri che hanno idrogeni in e porta alla formazione di -chetoesteri. In questo caso per produrre lo ioneenolato, che è anche in questo caso l'intermedio di reazione, è necessario usare una base più forte di NaOH perchè i protoni in
degli esteri sono meno acidi di quelli delle aldeidi e chetoni. Inoltre l'uso di una base acquosa produrrebbe la idrolisi (saponificazione ) dell'estere. Quindi si usano gli alcolati (etilatoo metilato di sodio in alcol etilico o metilico, rispettivamente.
142
H2C C
O
OEtH
H2C C
O
OEt
H2C C
O
OEt
CH2C
O
EtO H3C C
O
OEt CH2C
O
EtO
CH3
C
O
OEt
CH2C
O
EtO
CH3
C
O
OEt CH2C
O
EtO
CH3
C
O
CHC
O
EtO CH3C
O
H
CHC
O
EtO
CH3
C
O
CHC
O
EtO CH3C
O
H O HH
CH2C
O
EtOH3C
C
O
Meccanismo della Condensazione di Claisen
EtO- +
-
+ EtOH
-pKa=22 pKa=15,9
1)La base rimuove un H in al carbonile dell'estere per dare uno ione enolato stabilizzato per delocalizzazione
+-
-
2)Attacco nucleofilo dell'enolato su una seconda molecola di estere
Et- = CH3CH2-
-
-OEt+
-OEt+
-EtOH+
3)Fuoriuscita del gruppo uscente
-+
++ H2O
HCl
pKa=10,7 pKa=15,9
143
C
O
OEt
+
Condensazione di Claisen incrociata
H C
O
OEtEtO C
O
OEt C C
O
OEtEtO
O
formiato di etile
dietil carbonato
ossalato di etile
benzoato di etile
esempi di esteri senza H in che, quindi non danno enolato
O
Ph OCH3
O
OCH3
1. CH3ONa
2. H2O,HCl
O
Ph
O
OCH3
Idrolisi e decarbossilazione dei -chetoesteri
Poichè i -chetoacidi, così come gli acidi -dicarbossilici, subiscono facilmente decarbossilazione, anche i -chetoesteri , previa idrolisi in ambiente basico e successiva acidificazione decarbossilano
O
OEt
ClaisenO
OEt
O 1. NaOH,H2O
2. H2O,HCl
O
OH
OO
+ CO2
calore
144
Condensazioni aldoliche e di Claisen in biologia
O
SCoA
acetil-CoAtioestere
O
SCoA
O
SCoA
Otiolasi
Claisen+ + CoASH
O
SCoA
O+
O
SCoA
3-idrossi-3-metilglutaril-CoA sintetasi O
SCoA
OHO
-O
(S) 3-idrossi-3-metilglutaril-CoA
1. La formazione del nuovo stereocentro è selettiva, solo S
2. la condensazione aldolica è accoppiata con la idrolisi del gruppo tioestere
O
SCoA
OHO
-O
3-idrossi-3-metilglutaril-CoA riduttasi
OH
OHO
-O
(R) mevalonato
OP2O63-
OPO32-
O-O
3-fosfo-5-pirofosfomevalonato
-eliminazione
OP2O63-
aldolica
+ CO2 + PO43-
isopentenilpirofosfato
colesteroloterpeniisoprene
S
SR(NADH)
145
146
L'Acetil Coenzima A si ottiene per acetilazione a livello cellulare ad opera dell'acido acetico, anche da carboidrati, proteine e grassi
acido acetico
carboidrati
proteinegrassiH3C
O
SCoA
CH3C
O
CoAS O C O CH2
O
CoAS C
O
OH
+
acetil-CoAcarbossilasi
malonil-CoA
H2C
O
S-ACPC
O
HO
H3C
O
CH2
C
O
O
O
S-ACP
H3CCH
CH
O
S-ACP
H3C
OH
CH2
O
S-ACP
H3C
CH2
CH2
O
S-ACP
biosintesi acidi grassi
acetil-CoA
CHC
O
HO
O
S-ACPH3C C
O
S-ACPC
OCH3
trasferimento dei gruppi acilici del malonil ed acetilCoA al gruppo SH di una proteina detta ACP-SH
malonil-CoA
+ + ACP-SH
Acetacetil-S-ACP
riduzione
disidratazione
butirril-S-ACP
+ ACP-SH
decarbossilazione
condensazione
riduzione
H2C
O
S-ACPC
OHO
malonil-CoA
si ripete il ciclo e la catena carboniosa si allunga di altri due atomi di C
CoA-SH CoA-SH
H3C
O
O R H3C
O-
O R+
H3C
O-
O R+
H3C
O
S R H3C
O-
S R
+
H3C
O-
S R+
alto contributo all'ibridoriduce attacco nucleofilo
basso contributo all'ibrido
alto contributo all'ibridoattiva attacco nucleofilo
H2C
O
O R H2C
O-
O R-
-H
H2C
O
S R H2C
O-
S R-
-H
alto contributo all'ibridostabilizza base coniugata
Tioesteri
differenza di reattività di un tioestere rispetto ad un estere
1. più reattivo per l'attacco nucleofilo al carbonile
2. H in più acido
3. Il legame C-SR di un tioestere più debole del C-OR di un estere e-SR migliore gruppo uscente di -OR
147
-Amminoacidi149
R CH C
O
OH
NH2
R CH C
O
O-
NH3+
forma non ionizzata
forma ionizzatasale interno (zwitterione)stato solido cristallinop.f. alti e decomp.
Tranne nella glicina in tutti gli altri amminoacidi naturali il carbonio è uno stereocentro
CH2 C
O
OH
NH2
glicina
COO-
H NH3+
CH3
D-alanina
COO-
H3+N H
CH3
L-alanina
La quasi totalità delle proteine sono costituite da solo 20 tipi di-amminoacidi, tutti della serie L, di cui 19 hanno il gruppo
amminico primario e solo in uno è secondario, la prolina.
In soluzione acquosa c'è equilibrio
R CH C
O
OH
NH3+
R CH C
O
O-
NH3+
R CH C
O
O-
NH2
forma cationicapH molto acidi forma dipolare
forma anionicapH molto basici
Ka = 10-10 gruppo acido -NH3+
Kb= 10-12 gruppo basico -COO-
H+- H+-
H+ H++ +
CH3-
N COO-
H H
H-
CH3CH2CH-
H3C
CH3CHCH2-
CH3
CH3SCH2CH2-
N
CH2-
CH3CH-
CH3
R CH CO
O-
NH3+
CH2-
H2N C
O
CH2-
H2NC
O
CH2
CH2-
HO CH2-
H3C CH-
OH
-O
O
CH2-
-O
O
CH2-
HS CH2-
HO
CH2-
H2N
NH2+
NH
CH2-
+H3N CH2-
NH
NCH2
-
Tipi di amminoacidi
isoleucina, Ile, I
leucina, Leu, L
glicina, Gly, G
alanina, Ala,A
prolina, Pro,P
metionina. Met, M
fenilalanina, Phe,F
triptofano, Trp, W
valina, Val,V
Catene non polari
R =
Catene polari
R =
R =
R =
R =
R =
R =
R =
R =
R =
R =
glutammina, Gln,Q
serina, Ser,S
treonina, Thr,T
Catene acide
R =
R =
acido asparticoAsp, D
acido glutammicoGln, E
R = cisteina Cys, C
tirosina Tyr, Y
Catene basiche
R =
R =
arginina Arg, R
lisina Lys, K
R = istidina His, H
R =
R =
asparagina, Asn,N
159
R CH C
O
OH
NH3+
R CH C
O
O-
NH3+
HOOC
CH2CH
COOH
NH3+
CH2CH
COOH
NH3+
CH2
HOOC
R CH C
O
O-
NH3+
R CH C
O
O-
NH2
RHN CNH2
NH2
RHN CNH2
NH2
RHN CNH2
NH2
RN CNH2
NH2
N
N NH3+
COO-
H
H
N
N NH3+
COO-
H
H
N
N NH3+
COO-
H
+H3O+
+H3O+
Proprietà acido-base degli amminoacidi
acidità dei gruppi -carbossilici
+ H2O pKa= 2,19
riferimento acido acetico pKa= 4,76
pKa= 2,10
pKa= 3,86
acido aspartico
pKa=2,10
pKa= 4,07
acido glutammico
riferimento RNH3+ pKa= 10,76acidità dei gruppi -ammonici
+ H3O+
+ H2O pKa= 9,47+ H3O+
basicità dei gruppo guanidinico dell'arginina
+
++
pKa= 12,48
basicità dei gruppo imidazolico dell'istidina
+
+
pKa=6,10
sitobasico
doppietto necessario perl'aromaticità (4n+2) 160
H3NCH2COOH H3NCH2COO H2NCH2COO
H2O
OH OH
H2OPartendo da 1 mole di glicina a pH=0, A, si aggiunge una soluzione 1M di NaOH. Quando si sono aggiunte 0,5 moli di NaOH si ha che il 50% di A hareagito e il pH=pKa1=2,35
[H3NCH2COOH]= [H3NCH2COO-]
aggiungendo ancora NaOH fino ad 1 mole, tutto A ha reagito per dare a adun pH=6,06
A
[H3NCH2COO-]aggiungendo ancora NaOH fino ad 1,50 mole, il 50% di B ha reagito per dare a pH=pKa2=9,78
B
[H3NCH2COO-]= [H3NCH2COO-]
aggiungendo ancora NaOH fino ad 2 mole, tutto B ha reagito per dare C
C
Titolazione della glicina con NaOH
161
Punto isoelettrico
Il punto isoelettrico, pI, di un amminoacido, di un peptide o di una proteina è il pH al quale la specie non ha una carica netta, cioè la maggior parte delle molecole si trovano come zwitterione e le specie cariche positivamente sono in uguale concentrazione di quelle cariche negativamente
pI = 1/2(pKa -COOH + pKa -NH3+)
per la glicina pI=1/2(2,35+9,78)=6,06
Ogni aminoacido, peptide o proteina ha il suo punto isoelettrico caratteristico e conoscendolo è possibile valutare la carica posseduta dalla specie ad un dato pH
ad esempio, la tirosina ha un pI= 5,63, il che significa che a pH=5,63 la tirosina ha carica 0, a un pH=5 avremo una piccolafrazione di tirosina carica positivamente e a un pH ancora inferiore avremo che tutto la tirosina sarà sotto forma di ione positivo
Se si introducono due elettrodi, aventi tra loro una differenza di potenziale, in una soluzione di un amminoacido che si trova ad un pH uguale al punto isoelettrico, l'amminoacido non migrerà nè all'anodo nè al catodo
Scegliendo un opportuno pH è possibile fare migrare in un campo elettrico selettivamente i vari amminoacidi. Su tale principio si basa la elettroforesi, tecnica di separazione di speciedifferentemente cariche
162
Polipeptidi e proteine
I polipeptidi sono macromolecole contenenti da dieci a cento unità di amminoacidi legate tramite un legame peptidico, le proteine si hanno quando gli amminoacidi sono più di cento
HOH2C
CC
O
OH
H2N
Il legame peptidico è un legame ammidico
H
CH3
CC
O
OH
HN
H
HOH2C
CC
OH2N
H
CH3
CC
O
OH
N
H
HH
+
serina alanina
serilalanina
legame peptidico
amminoacido N-terminalea sinistra
amminoacido C-terminalea destra
C
C
O CN
H C
C
O C
N
H
-+
CC
O CN
H
120°
118,5°
121,5°
Il legame ammidico ha un parziale carattere di doppio legame che determina una impedita rotazione intorno ad esso causa di diastereoisomeria cis-trans
C
C
O
C
N
H
C
C
O CN
H
cis
trans 163
LIPIDI
Classe eterogenea di sostanze organiche caratterizzate dal fatto di non essere solubili in acqua ma solubili in solventi non polari aprotici (liposolubili)
1) trigliceridi, 2) fosfolipidi, 3) steroidi, 4) prostaglandine
Trigliceridi
CHOCOR'
CH2OCOR
CH2OCOR''
CHOH
CH2OH
CH2OH
RCOOH
R'COOH
R''COOH
+
1. NaOH, H2Osaponificazione
2. HCl, H2O
trigliceridi glicerolo acidi grassi
Gli acidi grassi sono acidi carbossilici a lunga catena (10-20 carboni) non ramificata
12:0 CH3(CH2)10COOH laurico
14:0 CH3(CH2)12COOH miristico
16:0 CH3(CH2)14COOH palmitico
18:0 CH3(CH2)16COOH stearico
20:0 CH3(CH2)18COOH arachidico
CH CHCH3(CH2)7 (CH2)7CH3 oleico(CH CHCH3(CH2)4 CH2)2 (CH2)6CH3 linoleico(CH CHCH3(CH2)4 CH2)3 (CH2)6CH3 linolenico(CH CHCH3(CH2)4 CH2)4 (CH2)2CH3 arachidonico
18:1
18:2
18:3
20:4
p.f. 44
p.f. 58
p.f. 63
p.f. 70
p.f. 77p.f. 16
p.f. -5p.f. -11
p.f. -49
CHOCO(CH2)7CH=CH(CH2)7CH3
CH2OCO(CH2)14CH3
CH2OCO(CH2)16CH3
palmitato
oleato
stearato 164
Struttura secondaria di una proteina
Descrive le particolari sistemazioni ordinate (conformazioni)
assunte dagli amminoacidi in particolari regioni della proteina
Pauling propose due tipi di strutture secondarie
Struttura
(o a pieghe)Struttura
(o a pieghe)
Struttura
(o ad elica)Struttura
(o ad elica)
I legami idrogeno stabilizzano una conformazione di una
proteina (polipeptide)
Legame
idrogeno
Il legame H può essere intercatena o intracatena
148
CHO
CHOH
CH2OH
CH2OH
C
CH2OH
CHO
OHH
CH2OH
CHO
CH2OH
H OH
CHO
HHO
CH2OH
CHO
CH2OH
HO H
Carboidrati
Cn(H2O)m
Chimicamente è una poliidrossialdeide o un poliidrossichetone
monosaccaridi: glucosio, fruttosiodisaccaridi: saccarosiopolisaccaridi: amido, cellulosa
Monosaccaridi CnH2nOn : aldosi (-CHO) e chetosi
gliceraldeidealdotrioso
diidrossiacetonechetotrioso
*
(R)-gliceraldeide
L-gliceraldeide[a]D= -13,5
D-gliceraldeide[a]D= +13,5
(S)-gliceraldeide
C=O
O
CHO
OHH
CH2OH
OHH
CH2OH
OHH
CHO
OHH
CH2OH
HHO
CHO
OHH
CH2OH
OHH
HHO
CHO
OHH
CH2OH
OHH
OHH
CHO
OHH
CH2OH
HHO
HHO
CHO
OHH
CH2OH
HHO
OHH
CHO
OHH
CH2OH
OHH
HHO
CHO
HHO
OHH
CH2OH
OHH
HHO
CHO
OHH
OHH
CH2OH
OHH
OHHO
CHO
HHO
OHH
CH2OH
OHH
OHH
CHO
OHH
OHH
CH2OH
HHO
HHO
CHO
HHO
OHH
CH2OH
HHO
HHO
CHO
OHH
OHH
CH2OH
HHO
OHH
CHO
HHO
OHH
CH2OH
HHO
OHH
CHO
OHH
D-gliceraldeide
D-eritrosioD-treosio
D-ribosioD-arabinosio
D-xilosioD-lixosio
glucosiomannosio allosioaltrosio galattosiotalosio gulosioidosio
Relazione configurazionali tra D-aldotreosi,D-aldotetrosi, D-aldopentosi, D-aldoesosi
1
32
1234
1
2345
1
23456
la serie D è determinata dalla configurazione del penultimo carbonio che deve avere, nella proiezione di Fischer, l' OH a destra. La serie L avrà questo ossidrile a sinistra. Un monosaccaride L è l' ENANTIOMERO dello stesso stereoisomero della serie D.
Diastereisomeri che differiscono per la configurazione di un certostereocentro sono detti epimeri: il glucosio ed il mannosio sono epimeri a C-2, il glucosio ed il galattosio sono epimeri a C-4, l'arabinosio ed il ribosio sono epimeri a C-2, etc. 149
H3C C
O
H H3C C
O
H
OEt
H
CHO
H OH
HO H
H OH
OHH
CH2OH
CHO
H
OH
OH
H
H
OHOH
H
HOH2C
COH
H
OH
OH
H
H
HO
CH2OH
H
OHC
OH
H
H
OH
OH
H
H
HO
O
CH2OH
H
C
H
OH
H
OH
OH
H
H
HO
O
CH2OH
H
O O
Forme cicliche degli zuccheri
Gli alcoli reagendo con le aldeidi o chetoni danno rispettivamente emiacetali o emichetali.
+ EtOHemiacetale
D-glucosio
1
2
3
4
56
5 1
-D-glucopiranosio
-D-glucopiranosio
-anomero
-anomero
carboni anomerici
Formule di Haworth
pirano
5
1
5
1
5
1
furano
I carboidrati chiudono intramolecolarmente un emiacetale o emichetale formando cicli stabili a 5 o 6 termini detti furani o pirani, rispettivamente.
23
4
6
COH
H
OH
OH
H
H
HO
OH
CH2OH
H
5
1
150
OHH
CH2OH
OHH
OHH
CHO
OH
H
HOH2C
OH
H
OH
H
CHO
C
H
OH
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
O
OH
HH
CH2OH
HOH
OH
H O
OH
HH
CH2OH
HOH
H
OH
CH2OH
C
H OH
H OH
O
CH2OH
O
H
HOH
CH2OH
HOH
OH
CH2OHO
H
HOH
CH2OH
HOH
CH2OH
OH
D-ribosio
14 3 2
4
-D-ribofuranosio -D-ribofuranosio
Forme Furaniche
D-fruttosio2-chetosio
-D-fruttofuranosio
2
2
1
55
1
-D-fruttofuranosio
25
1
C
H
OH
OH
H
OH
CH2OH
H
OH4
HO H
151
C
OH
H
H
OH
OH
H
H
HO
O
CH2OH
H
C
H
OH
H
OH
OH
H
H
HO
O
CH2OH
H
OHOH2C
HOHO OH
OH
OHOH2C
HOHO OH
OH
OHOH2CHO
HO OHOH
OHOH2C
HOHO OH
OH
OHHOH2C
HOHO OH
O
H
-D-glucopiranosio [ ]D=+18,7-D-glucopiranosio [ ]D=+112
Rappresentazioni delle conformazioni
Gli anomeri sono tra loro diastereoisomeri perchè differiscono solo per la configurazione al C-1. Gli altri stereocentri hanno uguali configurazioni, per cui non sono immagini speculari
Le forme piraniche non sono planari ma a sedia, quella che predomina all'equilibrio ha i sostituenti più ingombranti equatoriali
Mutarotazione
La mutarotazione è la spontanea variazione dell'[ ]D di un anomero puro quando è messo in soluzione. Essa è dovuta al raggiungimento dell'equilibrio tra i due anomeri, attraverso la forma aperta, ciascuno dei quali ha un diverso [ ]D
-anomero [ ]D=+112 -anomero [ ]D=+18,7
+52,7 valore dell' [ ]D della miscela anomerica all'equilibrio152
OHOH2C
HOHO OH OH
OHOH2C
HOHO OH
OCH3
OHOH2C
HOHO OH
OCH3
OHOH2C
HOHO OH NHR
HN
N
O
OH
N
N
NH2
OH
HN
N
O
OH
CH3
N
N
NH2
N
HN
N
O
NH2N
H H
N
N
NH2
O
OCH2OH
HH
HO
H
OH
H
Formazione di glicosidi O-glicosidi e N-glicosidi
Chimicamente la forma ciclica degli zuccheri corrisponde ad un semiacetale o semichetale, per cui reagendo con una molecola di un alcol in ambiente acido danno acetali o chetali.
CH3OH /H+
+
partendo sia dall' che dal anomero
metil -D-glucopiranoside emetil -D-glucopiranoside
legami O-glicosidiciO-glicosidi
N-glicosidi
uracile citosina timina
basi pirimidiniche
adenina guanina
basi puriniche
legame-N-glicosidico
ribonucleoside (citidina)
NH2R
153
Zuccheri riducenti
Gli zuccheri riducenti sono quelli in equilibrio con la forma aperta aldeidica, che è responsabile dell'attività riducente perchè si ossida facilmente ad acido carbossilico. Gli zuccheri riducenti sono anche quelli che danno mutarotazione.
OHO
HOHO
OHOH
-D-glucopiranosio + O2 + H2O
ossidante
glucosio ossidasi
I glicosidi non sono riducenti, nè danno mutarotazione perchè non sono in equilibrio con la forma aperta, a pH neutro
Amminozuccheri
OHOOC
HOHO
OHOH
OHOHO
HONHCOCH3
OH
N-acetil-D-glucosammina
Acidi uronici
acido -D-glucuronico
acido D-gluconico + H2O2
CHO
H OH
HO H
H OH
OHH
CH2OHD-glucosio
1
1
COOH
H OH
HO H
H OH
OHH
CH2OH
1
acido D-gluconico
6
154
OO
OHHO
OHHCH2OH
acido L-ascorbico(vitamina C)
D-glucitolo(D-sorbitolo)
D-glucosio
Alditoli
OHOHO
HOOH
OH
Poichè le aldeidi, oltre che ossidarsi, si possono anche ridurre, gli zuccheri, in equilibrio con la forma aperta, possono essere ridotti ad alditoli
CHO
H OH
HO H
H OH
OHH
CH2OH
1CH2OH
H OH
HO H
H OH
OHH
CH2OH
1
-D-glucopiranosio
LiAlH4
155
Disaccaridi
lattosio
cellobiosio
-glucosio
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
OH
HO
OH
14
O
O
O
OH
OHOHOH
HOOH
HOOH1
4
O
O
O
OH
OHOH
HO
HOOH
HOOH1
4
-glucosio
-galattosio
glucosio
glucosio
glucosio
maltosio
-glucopiranosio
O
O
OH
HOHO
OH
1
OCH2OH
OH
HO
CH2OH
2 -fruttofuranosiosaccarosio
non è riducente e non dà mutarotazione
156
Gruppi Sanguigni
O
OH
HO
OH
O
O
HO
H3C
OH
OH
OGruppo sanguigno O
-D-Galp
-L-Fucp1
2
O
OH
O
OH
O
O
HO
H3C
OH
OH
O
-D-Galp
-L-Fucp
1
2
O
OH
HO
OH
CH3COHN
-D-GalpNAc
Gruppo sanguigno A e AB
1
3
O
OH
O
OH
O
O
HO
H3C
OH
OH
O
-D-Galp
-L-Fucp1
2
O
OH
HO
OH
OH
-D-Galp
3
Gruppo sanguigno B e AB
antigene H
antigene A
antigene B
157
Polisaccaridi
OO
HO
OH
HO
O O
HO
HO
OO1
4
14
cellulosa
OO
HO
OH
HOO
1
4
O
HO
OH
HOO
1
4
amilosio
OO
HO
OH
HOO
1
4
O
HO
CH2
HOO
1
4
OO
HO
OH
HOO
1
4
6amilopectina
amilosio (20-25%)+ amilopectina (80-85%) = amido
catena lineare fino a 10000 residui
fino a 4000 residui
cartene laterali 24-30 residui
fino a 3000 residui
legame idrogeno
OO
HO
OH
NHCOCH3
O O
HO
HO
NHCOCH3
O14
1
4chitina
-D-Glcp
-D-Glcp
-D-GlcpNAc158
Prostaglandine
Sono una famiglia di sostanze con uno scheletro a 20 atomi di carbonio derivate dall’acido prostanoico
Le prostaglandine sono coinvolte nei processi fisiologici della riproduzione e nei processi infiammatori
Una prostaglandina
3
Misoprostolo, un farmaco per l’ulcera gastrica165
Steroidi
Composti naturali aventi la caratteristica struttura tetraciclica(nucleo steroideo)
Metili assiali
trans
trans
trans
Colesterolo
Componente essenziale delle membrane biologiche.
E’ il composto di partenza per la biosintesi degli ormoni sessuali ed adrenocorticoidi.
166
Alcuni ormoni steroidei
testosterone androsterone
Ormonisessualimaschili
Ormonisessuali
femminiliprogesterone estrone
167
Alcuni ormoni steroidei
cortisone cortisolo
aldosterone
Ormoni corticoidi, regolano il metabolismo dei carboidrati ed altro
Ormone corticoide, regola la pressione ed il volume del sangue
168
Fosfolipidi (fosfoacilgliceroli)
Testapolare
Codaapolare
I fosfolipidi si trovano quasi esclusivamente nelle membrane cellulari
Il glicerolo è esterificato con due molecole di acido grasso e una di acido fosforico
Acido Fosfatidico169
Membrane biologiche
Sono formate da un doppio strato lipidico
Parte interna della cellula
Parte esterna della cellula
fosfolipide
colesterolocateneidrocarburiche
proteine
oligosaccaride
170
171
Lipid A
Inner Core Outer Core O-Specific Chain
n
BiologicalBiological ActivitiesActivities of the of the OO--chainchain portionportion
RecognitionRecognitionAntigenicityAntigenicitySymbiosisSymbiosisAdhesionAdhesionVirulenceVirulence
172
Acidi nucleici, struttura
Sono dei biopolimeri formati da tre tipi di unità monomeriche:
1. basi azotate etereocicliche aromatiche;
2. D-ribosio o da 2-deossi-D-ribosio
3. fosfato
173
Basi azotate etereocicliche aromatiche
Primidina Uracile (U) Citosina (C) Timina (T)
Purina Adenina (A) Guanina (G)
174
Nucleosidi Composti contenenti una base azotata eil D-ribosio o il 2-deossi-D-ribosio
uracile
LegameN-glicosidico
ribosioQuesto nucleoside è: Uridina
A C G
Adenosina Citidina Guanosina175
Nucleotide È un nucleoside nel quale è presente un gruppo fosfato (o in 5’ o in 3’)
Adenosina-5’-monofosfato
Adenosina trifosfato (ATP)
176
5’
3’
Una parte di catena di DNA (a singolo filamento)
Le unità nucleosidichesono legate da ponti (3’-5’) fosfodiesterei
177
DNA struttura secondaria a doppia elica
Struttura scoperta da J.D. Watson e F.C. Crick nel 1953
Essa consiste di due filamenti polinucleotidici antiparalleli conavvolgimento destrogiro intorno allo stesso asse.
Solco minore Solco maggiore
Passo dell’elica, ogni 10 basi
I due filamenti sono strettamente legati da legami idrogeno intercatena (tra basi di due filamenti diversi).
178
N
N
N
N N
H N
N
O
O
H
A T
HCH3
dR
dR
Timina Adenina Citosina Guanina
N
N
N O
N
H
H
H
N
N
N
O
H
H
N
G C
dR
dR
179