Chimica Organica Mod. II

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Cipriano Giannini
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1 Università degli studi di Trento Tirocinio Formativo Attivo aa 2011/12 Stereochimica Chimica Organica Mod. II Ines Mancini in Chimica organica e biochimica Povo, 19 Febbraio2013

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

3 Contenuti Chiralità e simmetria Notazioni Concetti Chiralità in Natura Chiralità in sintesi organica

5 Chiralità

6 Relazione tra simmetria e chiralità

Hoffmann) Recensione del libro "Hoffmann continua a illustrare le meraviglie della chimica ai non

7 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) 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

8 Struttura Molecolare Stabilità /reattività Funzione biologica

10 Isomeri Costituzionali e Stereoisomeri

16 Conformazioni del cicloesano

18 Giunzione cis Giunzione trans

20 Esempio di isomeri configurazionali

22 Composti con uno stereocentro (enantiomeri)

23 Composto meso

27 Cahn Ingold Prelog (CIP) s rule E/Z R/S S S

28 Come visualizzare gli stereoisomeri? Software ( ChemDraw)

rotation of the polarized light plane Polarimeter is the

29 Optical Activity In an achiral environment they have all the same physical chemical properties, except to give opposite rotation of the polarized light plane Polarimeter is the instrument used to evaluate the optical activity Scheme of a polarimeter

32 Configurazione relativa e assoluta

33 Chiralità in composti senza C asimmetrici

34 Contenuti Chiralità e simmetria Notazioni Concetti Chiralità in Natura Chiralità in sintesi organica

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

36 DNA Structure Components: deoxiribose and phosphate groups, nucleobases (A, T, C, G). DNA is made by two chains forming a right-handed helical 3D structure. DNA is a chiral macromolecule due to its right-handed double helix.

37 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.

39 Quindi per le notazioni: D, L R, S? +, - d, l

43 Serie degli aldoesosi derivanti dalla D-gliceraldeide

46 Proiezione di Fischer del D-glucosio

47 Stereochimica degli amminoacidi naturali

48 Proteine Folding proteico

51 Biological relevance of Chirality Biological systems are able to discriminate two enantiomeric molecules Receptors are chiral and we are are able to associate a different smell to the two specular image of the same natural molecule

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

54 antibiotico

Importanza della purezza stereochimica: il caso della Talidomide Fu una delle più sciagurate dimostrazioni dell'importanza della stereochimica.

56 Importanza della purezza stereochimica: il caso della Talidomide 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. * Struttura molecolare della talidomide, con indicazione del centro chirale che determina la possibilita di due stereoisomeri

57 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 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.

62 Purificazione di un enantiomero

67 CALB = immobilized lipase Enzyme Kinetic Resolution

68 Contenuti Chiralità e simmetria Notazioni Concetti Chiralità in Natura Chiralità in sintesi organica

70 Asymmetric Synthesis It is an important method by which enantiopure chiral molecules may be obtained

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

77 Processi indesiderati

79 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.

80 Non solo enzimi nella biocatalisi Sharpless asymmetric epoxidation: Nobel prize in Chemistry 2001

81 Catalisi asimmetrica INDUSTRIAL SYNTHESIS OF MENTHOL R.Noyori (1938- ) Other Nobel Prize Winner 2001 Organocatalysis: BINAP chiral phosphine ligand

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