Università degli studi di Trento Tirocinio Formativo Attivo

aa 2011/12

Chimica Organica Mod. II Ines Mancini

Povo, 19 Febbraio2013

Stereochimica in Chimica organica e biochimica

Conformazione o configurazione ? Centro asimmetrico o stereogenico / composto chirale Molecola con centri asimmetrici , quindi otticamente attivo? Notazioni: D,L d,l R,S +/- Composti chirali solo con carboni tetraedrici? Spiegazione della specificità degli enzimi

Concetti

?

D, L

d, l +, -

R, S

Contenuti

Chiralità e simmetria

Notazioni

Concetti

Chiralità in Natura

Chiralità in sintesi organica

Chiralità

Relazione tra simmetria e chiralità

Recensione del libro "Hoffmann continua a illustrare le meraviglie della chimica ai non iniziati... Questa potrebbe essere l'iniziazione perfetta anche per chi l'ha sempre odiata." The New York Times Book Review

Roald Hoffmann (1937- ) premio Nobel per la chimica , 1981

Meccanismi di reazione: regole di Woodward- Hoffmann

« Gli scienziati hanno l'obbligo di parlare alla gente. »

(R.Hoffmann)

Struttura Molecolare

Stabilità /reattività Funzione biologica

Isomeri Costituzionali e Stereoisomeri

Conformazioni del cicloesano

Giunzione cis Giunzione trans

1.

2. 3.

Esempio di isomeri configurazionali

Composti con uno stereocentro (enantiomeri)

Composto meso

Cahn Ingold Prelog (CIP)’s rule

E/Z

R/S

S S

Come visualizzare gli stereoisomeri?

• Software ( ChemDraw)

Polarimeter is the instrument used to evaluate the optical activity

Optical Activity In an achiral environment they have all the same physical chemical properties, except to give opposite rotation of the polarized light plane

Scheme of a polarimeter

Configurazione relativa e assoluta

Chiralità in composti senza C asimmetrici

Contenuti

Chiralità e simmetria

Notazioni

Concetti

Chiralità in Natura

Chiralità in sintesi organica

I più comuni esempi di sistemi naturali chirali sono: amminoacidi e proteine (enzimi), DNA Zuccheri Trigliceridi metaboliti secondari

DNA is a chiral macromolecule due to its right-handed double helix.

DNA Structure

DNA is made by two chains forming

a right-handed helical 3D structure.

Components: deoxiribose and phosphate

groups, nucleobases (A, T, C, G).

Meno noto è che tali organismi sono in grado di metabolizzare esclusivamente uno degli enantiomeri. Non a caso, in natura sia gli amminoacidi che gli zuccheri esistono in una sola forma enantiomerica. Il motivo per cui la natura abbia scelto di creare i costituenti base della vita sulla Terra in una sola forma enantiomerica e il modo in cui tale homochiralità si sia sviluppata sono tuttora fonte di dibattito. Sono state proposte diverse teorie accomunate dalla necessità di chiarificare il meccanismo primordiale in grado di discriminare tra le entità molecolari e le rispettive immagini speculari. La fonte di tale asimmetria potrebbe essere ricondotta a fonti extraterrestri di homochiralità (luce polarizzata circolarmente proveniente da stelle) o alla cosiddetta forza nucleare debole, l’unica delle quattro interazioni fondamentali della natura a violare la simmetria di parità e di carica.

Quindi per le notazioni:

?

D, L

d, l

+, -

R, S

Serie degli aldoesosi derivanti dalla D-gliceraldeide

Proiezione di Fischer del D-glucosio

Stereochimica degli amminoacidi naturali

Proteine

Folding proteico

Biological systems are able to discriminate two

enantiomeric molecules

Biological relevance of Chirality

Receptors are chiral and we are are able to associate a different smell to the two specular image of the same natural molecule

Prochiralità In presenza di un enzima, l'intorno chimico della reazione è il suo sito attivo che è chirale

antibiotico

Importanza della purezza stereochimica: il caso della Talidomide

Struttura molecolare della talidomide, con indicazione del centro chirale che determina la possibilita’ di due stereoisomeri

Fu una delle più sciagurate dimostrazioni dell'importanza della stereochimica. La talidomide è un farmaco, preparato per la prima volta nel 1957 in Germania, prescritto per trattare la nausea mattutina delle donne in stato di gravidanza. Il farmaco fu però scoperto essere causa di focomelia nei bambini appena nati. Si scoprì che uno dei due stereisomeri della molecola era sicuro, mentre l'altro era responsabile di seri danni genetici nei feti. Questo disastro impose un maggiore controllo sui farmaci prima della loro diffusione al pubblico.

*

I possibili enantiomeri di una stessa molecola possono interagire in modo diverso con gli enzimi e i recettori presentinel corpo umano determinando una risposta differente. Un esempio tristemente noto è rappresentato dalla talidomide, il principio attivo di un rimedio somministrato a donne incinte contro la nausea mattutina, dal 1957 al 1961, in 40 diverse nazioni. La talidomide può esistere in due forme enantiomeriche, di cui la prima agisce contro i sintomi della nausea mentre la seconda ha effetto teratogeno (sostanza in grado di modificare o alterare il normale sviluppo del feto). A causa della somministrazione del principio attivo come miscela dei due enantiomeri, si calcola che un numero di bambini compreso tra 8000 e 12000 siano nati con gravi malformazioni. Di questi circa 5000 sono sopravvissuti oltre l’infanzia. Risulta evidente che il controllo della stereochimica di molecole chirali è un punto di centrale importanza per le industrie alimentari e farmaceutiche. La necessità di ottenere prodotti enantio-puri ha determinato un crescente interesse scientifico verso la sintesi asimmetrica.

Purificazione di un enantiomero

Enzyme Kinetic Resolution

CALB = immobilized lipase

Contenuti

Chiralità e simmetria

Notazioni

Concetti

Chiralità in Natura

Chiralità in sintesi organica

Asymmetric Synthesis

It is an important method by which enantiopure chiral molecules may be

obtained

Definitions SPECIFICITY = HIGHLY SELECTIVITY

CHEMOSELECTIVITY: preferential reaction of a

reagent for a specific functional group

e.g. reaction on aldehyde in the presence of an alcohol

REGIOSELECTIVITY A regioselective reaction is one in which one direction of bond making or

breaking occurs preferentially over all other possible

direction

e.g. attack on a C of the two C in the epoxide group

STEREOSELECTIVITY The preferential formation in a chemical reaction of one stereoisomer over

another. Enanatioselectivity = When the stereisomers are

enantiomers

Asymmetric synthesis It is an organic synthesis which introduces one or more new and desired elements of chirality.

Processi indesiderati

Biocatalysis

It was employed to do chemical modifications on non-natural organic

compounds and the last 30 years have seen a substantial increase in

the application of biocatalysis to produce fine chemicals, especially for

the pharmaceutical industry.

It makes use of enzymes to effect chemical reagents stereoselectively.

Advantages

High selectivity which is necessary to obtain a high yield of a specific

product.

Sharpless asymmetric epoxidation: Nobel prize in Chemistry 2001

Non solo enzimi nella biocatalisi

INDUSTRIAL SYNTHESIS OF MENTHOL

R.Noyori (1938- ) Other Nobel Prize Winner 2001

Organocatalysis: BINAP

chiral phosphine ligand

Catalisi asimmetrica

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