RADICALI PERSISTENTI

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1 ADICALI PESISTETI In questo capitolo parleremo di quei radicali che hanno un tempo di vita di diversi minuti o più in soluzione diluita di solventi inerti Essi possono quindi essere studiati con tecniche spettroscopiche convenzionali Questi radicali sono detti radicali di lunga vita o persistenti in opposizione ai radicali transienti (come ad esempio il metil radicale), che sono molto più reattivi E' pertinente fare una distinzione tra il tempo di vita o la persistenza di un radicale e la sua stabilità La stabilità è una proprietà termodinamica e viene misurata in termini di forza del legame C- del radicale in questione con un atomo di idrogeno, mentre il tempo di vita o la persistenza è una proprietà cinetica o di reattività e si misura in termini di reattività di un radicale con se stesso (dimerizzazione): è legata all ingombro sterico del sito radicalico La delocalizzazione dell'elettrone spaiato che risulta in un aumento della stabilità del radicale se misurata come diminuzione nella forza del legame C-, frequentemente ha un'influenza relativamente piccola sul tempo di vita del radicale Questo è sicuramente vero per il benzil radicale che in termini di reattività è un radicale molto reattivo anche se presenta una considerabile delocalizzazione dell'elettrone spaiato nell'anello benzenico (la densità di spin sul carbonio alifatico è circa 07) C 2 C 2 benzil radicale Il tempo di vita di un radicale è molto più profondamente influenzato dall'ingombro sterico intorno al centro radicalico prodotto da sostituenti ingombranti che inibiscono sia le reazioni radicale-radicale che le reazioni del radicale con il solvente o altri substrati Questo punto sarà illustrato in questo capitolo con l'analisi di diverse classi di radicali una volta definiti stabili ma ora più correttamente designati come persistenti Triarilmetil radicali Il più conosciuto radicale stabile è il trifenilmetil radicale che è stato scoperto da Gomberg nel 1900 mentre egli cercava di preparare l'esafeniletano Egli ottenne un composto incolore (3) che credette essere l'esafeniletano (4), e che dava una soluzione gialla in diversi solventi 3-1

2 L'intensità del colore aumentava al riscaldamento e scompariva se si gorgogliava ossigeno nella soluzione Tale soluzione non obbediva alla legge di Lambert-Beer Questa evidenza indicava che il trifenilmetil radicale libero (2) giallo, era in equilibrio con il suo dimero (3) che non era però l esafeniletano (4) L aumento del colore con il riscaldamento indica uno spostamento dell equilibrio verso la formazione del radicale e la scomparsa del colore in presenza di ossigeno indica la formazione del perossido Questo fu confermato inizialmente da determinazioni di peso molecolare e poi per mezzo della spettroscopia EP Lo spettro EP del trifenilmetil radicale mostrava che c'era una considerabile delocalizzazione dell'elettrone spaiato sulle posizioni orto- e para- dell'anello benzenico Ma il grado di delocalizzazione dell'elettrone spaiato non è d'altronde molto maggiore per il trifenilmetil radicale che per il difenilmetil o il benzil radicale in quanto il forte ingombro sterico dei tre anelli benzenici impedisce la delocalizzazione su tutti gli anelli Il maggior tempo di vita del trifenilmetil radicale deve quindi essere dovuto più ad influenze steriche che impediscono la dimerizzazione più che alla delocalizzazione dell'elettrone spaiato Il dimero (3) deriva dall'attacco dell'atomo di carbonio trigonale di un trifenilmetil radical sulla posizione para di uno degli anelli benzenici di un secondo radicale C 3 C 3 + (3) Il semplice accoppiamento 3 C C 3 del trifenilmetilradicale per dare l'esafeniletano non si verifica poiché ci sarebbe una forte interazione sterica tra i gruppi fenilici dei radicali che si avvicinano L'importanza degli effetti sterici sulla stabilità dei triarilmetilradicali rispetto ai loro dimeri è chiara dallo studio dell'effetto dei sostituenti sul grado di dissociazione del dimero che può essere preso come misura inversa del tempo di vita del radicale Da tale studio si arriva alle seguenti conclusioni: (a) Il grado di dissociazione del dimero aumenta di più se il radicale porta dei sostituenti sulle posizioni orto- anziché in meta- o in para- negli anello benzenici (b) Il grado di dissociazione del dimero aumenta con il numero e la grandezza dei sostituenti in orto- (c) Il grado di dissociazione del dimero è molto alto se tutti e tre gli anelli sono sostituiti in posizione para- con sostituenti ingombranti L'aumentare della sostituzione in orto- inibisce l'attacco di un secondo radicale; d altronde la sostituzione di tutte e tre le posizioni para- del trifenilmetilradicale con gruppi ingombranti rende l'attacco da parte di un secondo radicale impossibile Se, d'altra parte 3-2

3 c'è una posizione para- libera il grado di dissociazione del dimero è fortemente ridotto Tali risultati indicano che gli effetti sterici sono molto più importanti degli effetti di delocalizzazione nel determinare la persistenza dei radicali triarilmetilici Fenossi radicali Il fenossi radicale è un radicale più persistente dell alcossi radicale, a causa della delocalizzazione dell elettrone spaiato sulle posizioni orto- e para- dell anello benzenico L accoppiamento del fenossi radicale delocalizzato produce dei dimeri che si formano per accoppiamento C o C C ma non L accoppiamento non avviene a causa dell instabilità del perossido che si forma el caso della dimerizzazione C e C C questa può avvenire sia in posizione ortoche para- Così, quando le posizioni orto- e para- sono sostituite con gruppi ingombranti si farà sentire l ingombro sterico e di conseguenza i fenossi radicali 2,4,6-trisostituiti sono molto più persistenti del fenossi radicale semplice (5) (6) Il 2,4,6-tri- t butilfenossi radicale (5) è completamente monomerico sia in soluzione che allo stato solido Il galvinossile (6), che inoltre ha una delocalizzazione maggiore dell elettrone spaiato, è anche più stabile del 2,4,6-tri- t butilfenossi radicale Il galvinossile è estesamente usato come trappola di radicali adicale idrazile Il più conosciuto radicale organico persistente è il 2,2-difenil-1-picrilidrazil radicale Esso è quasi stabile allo stato solido ed anche in soluzioni diluite La sua importanza è dovuta al suo largo uso nella chimica dei polimeri come trappola di radicali, e in misura minore come standard nella spettroscopia EP per la misura della concentrazione di radicale Lo spettro EP del 2,2-difenil-1-picrilidrazil radicale indica che l elettrone spaiato è localizzato più o meno allo stesso modo su entrambi gli atomi di azoto e che c è anche una apprezzabile delocalizzazione dell elettrone spaiato sui gruppi aromatici Ar Ar Ar' Ar Ar C Ar' 3-3

4 Anche in questo caso la presenza di gruppi ingombranti sull anello benzenico aumenta la persistenza del radicale itrossidi La stabilità dei nitrossidi è dovuta alla configurazione elettronica stabile del gruppo azotoossigeno più che alle influenze steriche o elettroniche dei gruppi attaccati sull azoto I nitrossidi sono rappresentati convenientemente da un ibrido di risonanza delle forme limiti (7) e (8), che può essere convenientemente rappresentato dalla forma (9) nella quale c è un legame a tre elettroni tra l azoto e l ossigeno Come conseguenza di questa disposizione elettronica stabile essi non danno luogo a dimerizzazione né sull atomo di ossigeno che sull atomo di azoto (7) (8) (9) Il tempo di vita dei nitrossidi è diminuito per lo più dalla loro abilità di reagire con se stessi per disproporzionamento: i nitrossidi sono infatti persistenti se i gruppi attaccati sull azoto non permettono al radicale di reagire con se stesso Così, mentre i dialchil nitrossidi nei quali entrambi i gruppi alchilici sono primari o secondari sono estremamente reattivi a causa della facilità con cui danno reazione di disproporzionamento ad idrossilammina (10) e nitrone (11), i di-tert-alchil nitrossidi sono abbastanza persistenti C 2 C 2 C + (11) (10) I gruppi attaccati all azoto, aumentando il grado di delocalizzazione dell elettrone, e quindi il numero di siti reattivi possono rendere il radicale più suscettibile alla dimerizazione in posizione coniugata Così il tert-butil-fenil nitrossido è molto meno stabile del di-tert-butil nitrossido, perché l elettrone spaiato è delocalizzato sul nucleo aromatico x 2 + Chimicamente questa delocalizzazione rende il nucleo aromatico suscettibile dell attacco di una seconda molecola di radicale sulla posizione para- Il dimero risultante 3-4

5 immediatamente si rompe per formare la -tert-butil-anilina (ammina) e la - tert-butil-pbenzochinonimmina--ossido I nitrossidi radicali sono stati ampiamente sfruttati in molteplici studi biofisici e biochimici ed hanno trovato una vasta applicazione come spin labels cioè come marcatori per la tecnica di risonanza di spin elettronico Molti sistemi biologici infatti non sono paramagnetici e quindi non danno segnali all EP Si possono tuttavia ottenere informazioni sulla conformazione delle macromolecole biologiche complesse come proteine e lipidi mediante l incorporazione di una sonda contenente un centro paramagnetico, che viene introdotta in una particolare zona della macromolecola Queste sonde sono principalmente nitrossidi radicali che vengono aggiunti come tali, nel sistema (spin probe) o legati covalentemente in siti specifici (spin label) L interpretazione dello spettro EP del nitrossido incorporato in un sistema biologico, quale un doppio strato lipidico, dà informazioni sulla fluidità e sullo stato di ordine delle molecole lipidiche I nitrossidi radicali sono inoltre impiegati nella risonanza magnetica nucleare per immagine (MI), dove vengono usati come agenti di contrasto in quanto, influenzando i tempi di rilassamento dei protoni dell acqua fisiologica, producono immagini più chiare dell organo studiato ecentemente, i nitrossidi radicali sono stati utilizzati nella spettroscopia EP in vivo, consentendo di studiare sistemi biologici complessi come tessuti animali o animali interi I nitrossidi radicali, sono inoltre i prodotti che si formano quando nitroni tipo il PB (α-feniltert-butilnitrone) o il DMP (5,5-dimetilpirrolidina--ossido) vengono usati come spin trap, cioè come trappole di radicali C PB DMP La tecnica dello spin trapping consiste nell intrappolare e studiare specie radicaliche transienti e molto reattive ad emivita brevissima, attraverso la loro trasformazione in radicali più stabili L interazione tra la specie radicalica instabile e lo spin trap porta alla formazione di un addotto spin/radicale, il cui segnale può essere registrato con uno spettrofotometro EP PB C + C nitrossido persistente Queste trappole hanno permesso di evidenziare la formazione di diversi radicali come, 2,, in sistemi biologici e chimici In quest ultimo decennio inoltre, i nitrossidi radicali, sono stati utilizzati anche come antiossidanti in diversi sistemi biologici, nonostante la loro attività come inibitori di fenomeni ossidativi, fosse conosciuta da tre decenni E stato osservato che i radicali piperidinici esercitano una azione citoprotettiva nei confronti di diverse sollecitazioni ossidative, che comprendono radiazioni, farmaci citotossici, xenobiotici e danno da ischemia-riperfusione 3-5

6 Questa funzione antiossidante nasce dal fatto che i nitrossidi radicali hanno la capacità di intrappolare i radicali e di ossidare i metalli di transizione allo stato ridotto Inoltre, ai nitrossidi radicali è stata associata un attività simile a quella dell enzima superossido dismutasi (SD) che spiega la protezione a livello delle cellule dal danno ossidativo indotto dallo ione superossido I nitrossidi principalmente studiati come antiossidanti sono stati quelli di tipo piperidinico, pirrolidinico, ossazolidinico, indolinonico e i loro derivati (piperidinico) (pirrolidinico) (ossazolidinico) (indolinonico) Vediamo la reattività delle diverse categorie di nitrossidi cominciando dai piperidinici e pirrolidinici Questi nitrossidi radicali, che sono alifatici, sono in grado di intrappolare selettivamente i radicali centrati al carbonio andando così ad inibire i processi radicalici autocatalitici come l autossidazione + I nitrossidi piperidinici e pirrolidinici reagiscono con radicali nucleofili come i radicali alchilici, con costanti di circa 11 x 10 9 M -1 s -1 a 60 C per dare le corrispondenti idrossilammine alchilate Questi nitrossidi non sono in grado di intrappolare i radicali centrati all ossigeno come ad esempio i perossi radicali (specie propagatrici delle catene di autossidazione radicaliche catalitiche) a differenza dei nitrossidi aromatici, che oltre ad intrappolare radicali alchilici sulla funzione nitrossido, sono in grado di reagire con costanti cinetiche dell ordine di 10 4 M -1 s -1 con perossi radicali attraverso l anello benzenico coniugato con la funzione nitrossido Me Me Me Me Me Me I nitrossidi piperidinici e pirrolidinici possono subire reazioni di riduzione, in quanto sono agenti ossidanti mono-elettronici deboli Essi riescono quindi ad ossidare i metalli di 3-6

7 transizione formando le idrossilammine (prodotti della riduzione dei nitrossidi) che a loro volta possiedono attività antiossidante attraverso il meccanismo di donazione di un atomo di idrogeno + + Fe 2 + Fe 3 I nitrossidi comunque, non sono solo capaci di ricevere elettroni agendo quindi da ossidanti, ma sono anche capaci di donare elettroni agendo da riducenti; in quest ultimo caso i nitrossidi si trasformano nei corrispondenti ioni ossoammonio altamente reattivi Sostanze capaci di ossidare i nitrossidi sono il cloro (Cl 2 ), il bromo (Br 2 ), l ossido di argento (Ag 2 ) Le reazioni di ossidoriduzione dei nitrossidi possono essere schematizzate in questo modo: - e - - e + e + + e Consideriamo ora la reattività dei radicali indolinonici che sono nitrossidi di tipo arilico; queste sono molecole caratterizzate da un anello indolinonico in cui la funzione nitrossido è in posizione coniugata con il sistema π di un anello benzenico Tale proprietà consente all elettrone spaiato di essere delocalizzato su tutto l anello benzenico e di interagire con diversi tipo di radicali ArS()n ArS 3-7

8 I radicali elettrofili come i tert-butossi, i tert-butilperossi e l'idrossi radicale reagiscono sull'anello aromatico, mentre i radicali nucleofili, come i radicali alchilici reagiscono all ossigeno saturando la valenza libera del nitrossido La reattività sopra descritta evidenzia che i nitrossidi radicali indolinonici, reagiscono efficacemente con tutti i radicali centrati all'ossigeno e al carbonio e possono quindi essere impiegati nella inibizione di processi autossidativi A questo proposito, in base alla loro reattività verso i radicali liberi, l attività antiossidante dei nitrossidi indolinonici è stata sperimentata in diversi sistemi biologici, sottoposti agli effetti dannosi dei radicali liberi Questi composti sono risultati efficaci nel prevenire l ossidazione dell acido linolenico e la perossidazione delle lipoproteine (LDL) indotta dal rame in maniera dipendente dalla concentrazione La perossidazione di proteine e di lipidi di microsomi di fegato di ratto sottoposti a diverse sollecitazioni radicaliche, diminuisce notevolmente in presenza di nitrossidi, come pure il danno al DA indotto negli eritrociti di trota Ulteriore conferma dell attività antiossidante di questi nitrossidi aromatici è stata ottenuta dal loro utilizzo come filtri solari adicali alchilici, arilici, vinilici ed allilici stericamente ingombrati L ingombro sterico sul centro radicalico produce una reattività eccezionalmente bassa ecentemente, sono stati preparati, un gran numero di alchil radicali persistenti, ad esempio t Bu 3 C, (Me 3 Si) 3 C, e t Bu 2 C : questi radicali non possono dimerizzare velocemente a causa dell ingombro sterico, né possono disproporzionare in quanto non possiedono β-idrogeni estraibili Il di- t butilmetil radicale decade attraverso una reazione di frammentazione C 3 C C 3 C + 3-8