•Simmetria nelle molecole •Chiralità •Distinzione tra gruppi enantiotopici e diastereotopici •Sintesi stereoselettive •Metodi per la determinazione dell’eccesso enantiomerico •Catalisi stereoselettiva •Esperienza 4 Elementi ed operazioni di simmetria Elementi Operazioni - asse di rotazione Cn (n = 1, 2, 3, ... ∞ ) - rotazione attorno all' asse di 360°/n - piano di riflessione σ - riflessione nel piano - centro di inversione i - inversione delle coordinate (da x,y,z a -x,-y,-z) - asse di roto-riflessione Sn (n = 4, 6, ...) - rotazione attorno all' asse di 360°/n seguita da una riflessione in un piano perpendicolare all' asse (per n = 1, S1 = σ; per n = 2, S2 = i) Gli elementi di rotazione semplice Cn e le corrispondenti operazioni sono detti del primo ordine Gli elementi di riflessione Sn e le corrispondenti operazioni sono detti del secondo ordine Anche gli elementi σ e i e le relative operazioni sono detti del secondo ordine Una molecola è chirale quando possiede solamente elementi di simmetria del primo ordine Esempi di molecole che posseggono assi di rotazione semplici H O H Cl Cl H C2 Cl Cl Cl Cl Cl C3 C4 Me H H H H OH H H H H C6 Cl C1 C∞ solo una rotazione di 360° (l' operazione "identita'") genera la stessa molecola Esempi di molecole che posseggono piani di riflessione H O H O 1σ H H O H H 2σ 7σ 4σ Me H OH C1 Me H Me C C2 molecole che non contengono nessun σ H 1+∞ σ Esempi di molecole che posseggono un i o un Sn HOOC OH H HO H COOH i = S2 HOOC HO H OH H COOH H HO HOOC COOH OH H HOOC HO H rotazione di 180° riflessione Me Me Me Me S4 OH H COOH Relazioni tra coppie di isomeri (K. Mislow, Bull. Soc. Chim. Belg. 1977, 86, 595) HO Si consideri H COOH ed una qualsiasi molecola a H3C formula C4H8O4 HO H La molecola di riferimento ed il suo isomero sono correlate da un' operazione di simmetria ? sì E' un' operazione del primo ordine ? sì (un Cn) sì H OH omomeri no (un Sn) OH HOOC HOOC H Hanno lo stesso tipo di legami, la stessa costituzione? no H OH CH3 no H OH H HO H COOH CH3 enantiomeri equivalenti per simmetria HO H3C HO H diastereoisomeri COOH HOH2C H H isomeri costituzionali non equivalenti per simmetria Relazioni tra atomi o gruppi di atomi di una molecola Gli atomi o i gruppi di atomi sono correlati da un' operazione di simmetria ? sì E' un' operazione del primo ordine ? sì no Hanno lo stesso tipo di legami, la stessa costituzione? sì no no (un Cn) (un Sn) enantiotopici omotopici equivalenti per simmetria Hb Mey Hc Ha' costituzionalmente eterotopici non equivalenti per simmetria Hd Ha diastereotopici Mex Mex and Mey = omotopici (scambiati da C2) Ha and Hc = omotopici (scambiati da C2) Ha and Hb = enantiotopici (scambiati da σ) Hb and Hc = enantiotopici (scambiati da i) Ha and Ha' = diastereotopici Ha and Hd = costituzionalmente eterotopici X X, X omotopici [R = R] R Si comportano in modo identico R X X enantiotopici [ R = R'] R Si comportano in modo identico solo in assenza di reagenti chirali R' X X diastereotopici R [ R = R* ; R* Chirale ] R* X Si comportano in modo diverso Danno segnali diversi all’NMR Conseguenze della generazione di unita' stereogeniche Considerazioni di simmetria e di topicita' relativa permettono di prevedere il numero di segnali di uno spettro NMR protonico, nonchè il tipo ed il numero degli stereoisomeri che si possono formare in una reazione che genera unita' stereogeniche. In particolare, sostituzione di atomi (o gruppi di atomi, o su facce): COOR COOR omotopici H H COOR H Me COOR COOR enantiotopici diastereotopici H H H Me Ph Ph COOR + Ph Me H COORR H Me Ph genera enantiomeri Ph * * * COORR H H COOR non genera stereoisomeri COORR + Me H Ph genera diastereoisomeri Atomi, gruppi di atomi, e facce diastereotopici Gli atomi e i gruppi diastereotopici sono indicati in grassetto; le molecole asteriscate posseggono anche facce diastereotopiche. H H H H H H H ClFHC H H Me F F F H H Me H H H O * * H H H H H H H H HO H Cl HO H Me H R O * HO * H La chiralita' e' una proprieta' "pervasiva" della molecola Tutti i punti di una molecola chirale sono chirali e sono definiti chirotopici (K. Mislow and J. Siegel, JACS 1984, 106, 3319) La chirotopicita' e' la proprieta' di un punto di una molecola che giace in un intorno chirale, cioe' che non giace su un elemento di simmetria del secondo ordine. Poiche' una molecola chirale non contiene elementi del secondo ordine, tutti i suoi punti sono chirotopici. A l' interno di una molecola la O carvone "the less active enatiomer should be regarded as a medicinal pollutant.." cumino "all new drugs should be marketed as single enantiomers unless it can be shown that the racemate has added benefits" * menta HO HO HO saccarosio O HOCH2 D: metabolizzato OH O O HO • About 1/3 of medicinal drugs are chiral; in 9 out of 10 of the top selling drugs, the active ingredient is chiral L: Non-metabolizzato CH2OH OH (+) Repellente per zanzare PTX (+)-251D OH N (-) 10 volte meno efficace R (+) erbicida Cl H3C (R)-(+)-Dichloroprop O Cl H CO2H S (-) non attivo Palitossina: il composto naturale, non-peptidico, più tossico Sintesi realizzata da Kishi nel 1994 Possiede 64 centri stereogenici Sono possibili 264 stereoisomeri Impossibile senza sintesi stereoselettiva OH O O OH O OH OH HO H2N OH HO OH OH O OH OH OH OH OH OH O O HN N H OH HO HO OH O OH OH O OH HO OH HO OH O O OH O HO OH OH H OH HO H O OH OH OH OH HO OH OH OH OH Metodi per ottenere composti chirali 1) Sintesi da composti enantiomericamente puri 2) Tecniche di risoluzione chirale 3) Metodi che prevedono ausiliari chirali 4) Catalisi asimmetrica a) enzimatica b) chimica/ biomimetica -catalisi con metalli -organocatalisi • • ☺ Applicabilità generalmente ampia all’interno di classi di reazioni Catalizzatori organometallici possono essere tossici • • • • • ☺ Non rimane contaminazione da parte di metalli ☺ Biodegradabili Catalizzatori organici • Applicabilità ristretta a poche classi di reazioni • ☺ Generalmente altamente chemo, regio, distereo- ed enantioselettivi ☺ Richiedono condizioni blande ☺ L’elevata selettività rende possibili reazioni one-pot ☺ Non sono tossici Enzimi • • Scarsa applicabilità a sostanze diverse Scarsa stabilità in vitro Determinazione del decorso stereochimico di una reazione stereoselettiva Una volta effettuata una reazione stereoselettiva e' necessario determinare : - con quale eccesso si e' ottenuto uno stereoisomero rispetto all' altro; - quale e' la configurazione relativa e/o assoluta dello stereosiomero maggioritario. L' eccesso enantiomerico (ee) e' espresso dall' equazione: R - S ee% = Da cui % R = R R + S Se ee = 93% allora % R x 100 = 100 - ee% 2 + ee% = 96.5 In altre parole c'e' il 93% di R e il 7% di racemo. Se ee = 100% il prodotto viene definito enantiomericamente puro. R + S x 100 ( se R > S) Metodi di I classe: polarimetria -Semplice: Sperimentalmente si sfrutta un paragone di potere ottico rotatorio con un valore noto e presunto essere quello di un campione puro. Teoricamente si basa sull' esistenza di una relazione lineare tra il potere ottico rotatorio e la composizione enantiomerica secondo l' equazione: α ee% = α x 100 max -Poco preciso: Si devono assumere: l' esistenza della relazione lineare; la riproducibilita' delle condizioni sperimentali della misura di [α]; la bontà della determinazione (sperimentale) di [α]max Anche se si opera correttamente l'incertezza e' circa del 3%, valore troppo elevato per molte applicazioni. Metodi di I classe: NMR e cromatografia NMR: Essendo equivalenti per simmetria, due enantiomeri danno spettri NMR identici. Tuttavia, in presenza di un agente enantiopuro che interagisca in modo non covalente con gli enantiomeri, questi possono dare segnali differenti, che, se integrabili separatamente, consentono la determinazione dell' ee. Tra gli agenti enantiopuri i piu' efficienti sono i reagenti di shift chirali, complessi di lantanidi che coordinano i siti basici del substrato da analizzare creando complessi a geometria diversa e quindi intorni magneticamente non equivalenti. In pratica, protoni enantiotopici ed indistinguibili diventano diastereo-topici e differenziabili. Nelle migliori condizioni il metodo ha un' incertezza del 2% ed e' molto generale. Cromatografia: Sfrutta l' eluizione di una miscela di enantiomeri su una fase stazionaria enantiomericamente arricchita e le interazioni diastereoisomeriche che si creano tra la fase stazionaria e gli enantiomeri. Le interazioni sono non covalenti (legame a H, π/π, elettrostatiche) e si traducono in tempi di ritenzione diversi per i due enantiomeri, i cui picchi vengono integrati separatamente. Le interazioni devono essere almeno tre (modello di Pirkle), una delle quali deve essere piu' o meno forte a seconda della configurazione dell' enantiomero. Un' interazione piu' forte produce un tempo di ritenzione maggiore. Il metodo e' molto sensibile, e, se applicato correttamente, ha un' incertezza < 1% ed e' molto generale. CH3 OH O MeO naproxen Conditions: Chiralpak AD-H Hexane/IPA/TFA, 80:20:0.1 Flow: 1.0 mL/min Fasi stazionarie chirali 1) A base di polisaccaridi (amilosio e cellulosa) ancorati a particelle di silica [compatibili con alcoli come eluenti] 2) Fasi di tipo Pirkle o Brush sfruttano interazioni diverse (π-π, legami ad H, interazioni steriche) generate in seguito all’interazione con piccole molecole legate alla silica [adatte solo a molecole aromatiche] 3) A base di ciclodestrine [adatte a molecole con gruppi idrofobici o aromatici che possono essere introddotti nella cavità delle ciclodestrine] 4) A base di glicopeptidi macrociclici legati alla silica, contengono molti centri chirali e cavità capaci di ospitare gli analiti. 5) A base di proteine [adatte a soluzioni acquose, in presenza di analiti ionizzabili] Metodi di II classe Prevedono la trasformazione di una miscela di enantiomeri in diastereoisomeri. Qualunque metodo analitico sufficientemente sensibile (NMR, cromatografia) può differenziare due diastereosiomeri e permette di risalire all' ee dal rapporto dastereoisomerico. Va notato che la trasformazione degli enantiomeri in diastereoisomeri ed il fatto stesso che questi ultimi abbiano proprieta' chimico-fisiche diverse possono essere fonti di notevoli errori. Per convertire correttamente una miscela di enantiomeri in una di diastereosiomeri si deve: - usare un agente derivatizzante enantiopuro - avere reazioni quantitative o che procedono in assenza di risoluzione cinetica - non incorrere in racemizzazioni L' analisi deve evitare - arricchimenti accidentali in uno dei due diastereoisomeri (per esempio per differenza di solubilità) - risposte non lineari rispetto alla concentrazione (per esempio per differenza di assorbimento UV) ESP. 5 Determinazione dell’eccesso enantiomerico di una miscela di R /S 1-feniletilammina CH3 CH3 NH2 NH2 R S analisi polarimetrica in etanolo. Dato di letteratura: (S)-(–)-1-feniletilammina: [a]D = –30, Conc = 0.1 g/mL in EtOH. ESP. 5 Determinazione dell’eccesso enantiomerico di una miscela di R /S 1-feniletilammina CH3 CH3 NH2 NH2 S R Method A. Synthesis of the acetamide analisi HPLC chirale. Ac2O, Et3N NH2 1 H N CH2Cl2 rt 2 O ESP. 5 Determinazione dell’eccesso enantiomerico di una miscela di R /S 1-feniletilammina CH3 CH3 NH2 NH2 S R CH3 analisi 1H-NMR con shift reagent chirale. H3C CF3 O H3C Eu O 3 Sintesi stereoselettiva Preparazione di farmaci enantiomericamente puri, in modo meno costoso rispetto all’estrazione da fonti naturali CHEMOSELETTIVITA’: reazione preferenziale di un gruppo funzionale rispetto ad un altro REGIOSELETTIVITA’: formazione preferenziale di uno o più isomeri strutturali per reazione di un gruppo funzionale STEREOSELETTIVITA’: formazione preferenziale di uno o più prodotti che differiscono solo per la configurazione Sintesi stereoselettiva Reazione di due enantiomeri con una molecola chirale Es. Esterificazione di un acido chirale con un alcol chirale TS1 TS2 G NB: caso simile se invece di una coppia di enantiomeri si ha un doppio legame prochirale E1, E2 + R* P2 diastereoisomeri P1 Coord. reazione Sintesi stereoselettiva Reazione di due enantiomeri con una molecola achirale Es. Esterificazione di un acido chirale con un alcol achirale TS1 , TS2 G E1, E2 +R NB: caso simile se invece di una coppia di enantiomeri si ha un doppio legame prochirale NB2: in casi particolari si possono formare diastereoisomeri P1, P2 enantiomeri Coord. reazione Catalisi stereoselettiva: utilizzo di un catalizzatore chirale Il catalizzatore permette cammini alternativi, a basse energie Se il catalizzatore è chirale, può permettere di differenziare le energie dei cammini di reazione dei due enantiomeri E1 + R Cat * E1 R ‡ P1 Cat * enantiomeri E2 + R Cat * E2 R ‡ P2 Cat * Stati di transizione diastereoisomerici Utilizzo di un catalizzatore chirale Reazione non catalizzata TS1 , TS2 E1 R ‡ Cat * G E1 R ‡ Cat * E1, E2 +R P1, P2 enantiomeri Coord. reazione Utilizzo di un catalizzatore chirale E1 G R ‡ Cat * ΔΔG‡ ΔG1‡ E1 ΔG2‡ R ‡ Cat * E1, E2 +R Il catalizzatore agisce sulla cinetica del processo, non sulla termodinamica P1, P2 enantiomeri Coord. reazione Reazioni controllate cineticamente (non termodinamicamente) La differenza di velocità di E1 ed E2 sarà legata al ΔΔG‡ E1 + R E2 + R Cat * v1 = d[P1]/dt = k1·[E1]n·[R]m·[Cat *]p Cat * v2 = d[P2]/dt = k2·[E2]n·[R]m·[Cat *]p A inizio reazione ( [E1] = [E2] ): v1 / v2 = k1 / k2 = exp(-ΔG1‡/RT) / exp(-ΔG2‡/RT) = exp(-ΔΔG‡/RT) ΔΔG‡ = RT*ln(k2/k1) ΔΔG‡ = RT*ln(k2/k1) Dato un certo sistema, ΔΔG‡ è fissato Come varia k2/k1 in funzione della T ? 500 450 Valori fissati di ΔΔG‡ 0.5 Kcal/mol k2/k1 400 350 1 kcal/mol 1.5 Kcal/mol 300 250 200 2 kcal/mol 4 kcal/mol 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 T (K) 350 400 NOTA BENE (1) 500 450 k2/k1 0.5 Kcal/mol 400 350 1 kcal/mol 1.5 Kcal/mol 300 250 200 2 kcal/mol 4 kcal/mol 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 T (K) Anche se il valore di k2/k1 aumenta al diminuire di T, i valori assoluti di k2 e k1 diminuiscono entrambi, cioè le reazioni diventano molto più lente!! ln (k) = -ΔG/RT NOTA BENE (2) Fissato un sistema, compresa la T, si avrà un rapporto k2/k1 costante Se però la velocità di reazione dipende dalla conc. del reagente, il rapporto tra le velocità non rimarrà costante durante il corso della reazione es: Miscela di E1 e E2 che reagiscono con B, con k1 > k2 E1 + B → P1 v1 = d[P1]/dt = k1*[E1]*[B] E2 + B → P2 v2 = d[P2]/dt = k2*[E2]*[B] k1*[E1] v1/v2 = k1*[E1]*[B]/k2*[E2]*[B] = k2*[E2] Il rapporto tra le velocità sarà massimo all’inizio, per poi diminuire, dovuto al ‘consumo’ di [E1]