MOLECOLE ORGANICHE
TOSSICHE
Composti di sintesi
• quelle sostanze che di norma non sono presenti in natura
– vengono sintetizzate dai chimici a partire da sostanze di base più
semplici (per gran parte composti organici)
– molte di esse utilizzano il petrolio come fonte di carbonio.
• impiego massivo: conseguenze ambientali
• la loro tossicità:
– ha finito per influenzare la salute dell'uomo (si pensi al cancro e ai difetti
congeniti),
– il benessere degli organismi inferiori.
• Pesticidi (che includono gli insetticidi e gli erbicidi)
– i problemi ambientali associati con il loro impiego.
• difenili policlorurati (PCB),
– sostanze industriali di notevole interesse ambientale per le specifiche
proprietà sia loro che dei loro contaminanti.
• una serie di idrocarburi policiclici aromatici (IPA o PHA),
– sostanze tossiche, fonte di inquinamento sia dell'aria che delle acque.
PESTICIDI
– sostanze in grado di uccidere un organismo
indesiderato
– di esercitare nei suoi confronti un'azione di
controllo/limitazione
– per esempio interferendo con i suoi
processi riproduttivi.
PESTICIDI
• le varie categorie di pesticidi.
PESTICIDI
• La proprietà comune:
– bloccare un processo metabolico vitale
per gli organismi su cui risultano tossici.
• Insetticidi: uccidono gli insetti
• Erbicidi: uccidono le piante
• Fungicidi (o anticrittogamici): sostanze
impiegate per limitare la crescita di vari tipi
di funghi.
PESTICIDI
• Insetticidi tradizionali
• Vari tipi di insetticidi sono stati impiegati dalle società
umane per centinaia di anni.
• Motivi principali per l'uso degli insetticidi:
– controllo delle malattie infettive e parassitarie:
– nei secoli, il numero dei decessi umani dovuti alle malattie
trasmesse da insetti vettori ha di gran lunga superato quello
attribuibile agli effetti delle guerre.
• L'uso dei vari insetticidi
– ha fortemente ridotto l'incidenza di una lunga lista di malattie
trasmesse da insetti vettori e da roditori come la malaria, la
febbre gialla, la peste bubbonica e la malattia del sonno
(tripanosomiasi).
– eliminazione di insetti molesti
– salvaguardia dei raccolti dalle infestazioni
PESTICIDI
• l'impiego più antico
• documentato intorno al 1000 a.c. presso gli
antichi Greci, che bruciavano lo zolfo per
fumigare le proprie abitazioni;
– i fumiganti sono pesticidi che penetrano nell'insetto
sotto forma di gas inalato.
• L'impiego è continuato almeno fino al XIX
secolo.
• Lo stesso zolfo, in forma di polveri e di spray,
– è stato usato anche come insetticida e come
fungicida
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• Negli anni '40 e '50 le industrie chimiche del
Nordamerica e dell'Europa occidentale hanno prodotto
grandi quantità di numerosi e nuovi pesticidi, in modo
particolare di insetticidi.
• Gli ingredienti attivi:composti organoclorurati, molti
dei quali possiedono importanti proprietà:
– Stabilità verso la decomposizione e degradazione
ambientale.
– Solubilità estremamente bassa nell'acqua, a meno che nelle
molecole non siano presenti anche ossigeno e azoto.
– Solubilità elevata in mezzi simili agli idrocarburi, come le
sostanze grasse presenti nella materia vivente.
– Tossicità relativamente elevata verso gli insetti ma alquanto
bassa per l'uomo.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• Esempio di inquinante organico persistente
(Persistent Organic Pollutants POP).
• esaclorobenzene (HCB)
– è stabile,
– di facile preparazione a partire dal cloro e dal benzene
• per vari decenni dopo la seconda guerra mondiale, ha
trovato largo impiego
– in campo agricolo come fungicida per i cereali.
• Estremamente solubile nei mezzi organici, come gli
idrocarburi liquidi,
– l'HCB è quasi del tutto insolubile nell'acqua: in l litro di acqua se
ne dissolvono solo 0,0062 milligrammi
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• L'inquinamento degli ambienti acquatici non è
solamente una questione di concentrazione
dell'inquinante realmente presente in soluzione:
– i bassi valori di solubilità degli organoclorurati
nell'acqua possono essere ingannevoli.
• Quantità molto più elevate di tali sostanze
– sono legate alle superfici del particolato organico
sospeso nell'acqua
– o presenti nei sedimenti fangosi sul fondo dei fiumi
e dei laghi.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• Da queste fonti, così come dalle quantità effettivamente
disciolte nelle acque,
– gli organoclorurati penetrano sia nelle piante che
negli animali che vivono nelle acque naturali.
– molti organoclorurati raggiungono nei materiali
biologici a concentrazioni che si rivelano migliaia o
milioni di volte superiori a quelle a cui si trovano
realmente nell'acqua.
• È proprio per tale fenomeno che le concentrazioni di
questi insetticidi hanno raggiunto spesso livelli
nocivi per molte specie;
– di conseguenza è stato vietato l'uso di molti
insetticidi organoclorurati.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• Il DDT, o para-dicloro-difeniltricloroetano, ha avuto una
storia alquanto movimentata.
• Nel 1945 fu acclamato come «miracoloso» per il suo
impiego nello sforzo bellico:
– era estremamente efficace verso le zanzare che veicolano la
malaria e la febbre gialla, verso i pidocchi del corpo che possono
trasmettere il tifo esantematico (epidemico o petecchiale) e
verso le pulci, insetti vettori della peste.
• L'Organizzazione Mondiale della Sanità ha stimato che i
programmi di controllo e abbattimento della malaria, con
l'uso del DDT, avevano salvato la vita di oltre cinque
milioni di persone.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• Prima del DDT, i soli insetticidi disponibili
– i composti arsenicali:presentavano una elevata tossicità e persistenza;
– composti estratti dalle piante: perdevano però velocemente la loro
efficacia con l'esposizione agli elementi naturali.
• Pertanto il DDT apparve subito come l'insetticida ideale:
– non era molto tossico per l'uomo mentre era estremamente tossico per
gli insetti; importante persistenza negli ambienti.
• A scoprire che il DDT come composto ad azione insetticida fu, nel
1939, Paul Miiller, un chimico che lavorava per la Geigy (Svizzera)
allo sviluppo di varie sostanze chimiche per la lotta agli insetti in
agricoltura.
• Nel 1948 a Miiller fu assegnato il Premio Nobel per la Medicina e
la Fisiologia
– in riconoscimento all'elevato numero di civili salvati dal DDT dopo la
guerra.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• si divenne ben presto consapevoli dei problemi
ambientai i associati al DDT
• in seguito alla pubblicazione, nel 1962, del libro di
Rachel Carson Primavera silenziosa.
• l'autrice riferiva della progressiva estinzione, in
alcune zone degli Stati Uniti, del tordo
americano che si nutriva dei vermi della terra
• che accumulavano il DDT usato massivamente
dagli agricoltori per combattere la graziosi
dell'olmo.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• Il libro della Carson suscitò serie preoccupazioni nel
pubblico riguardo al DDT e agli altri pesticidi.
– Negli Stati Uniti, attraverso una serie di azioni legali promosse
da avvocati e scienziati che collaboravano con il Fondo per la
Difesa Ambientale,
– il DDT fu infine messo al bando o consentito per usi
strettamente limitati nella maggior parte degli Stati della
confederazione.
• Nel 1973, l'Agenzia per la Protezione Ambientale (USEPA) proibì qualsiasi uso del DDT ad eccezione di
quello necessario per la sanità pubblica.
– Direttive simili erano state adottate dalla Svezia nel 1969 e
successivamente lo furono da molti altri Paesi industrializzati.
DDT
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• La persistenza lo ha reso un insetticida ideale
• La persistenza è dovuta
– alla sua bassa tensione di vapore
– alla conseguente lenta evaporazione, alla
– alla limitata reattività nei confronti della luce e delle
sostanze chimiche presenti nell'ambiente
– alla sua bassissima solubilità in acqua.
• risulta solubile nei solventi organici e quindi nei
grassi animali.
– noi tutti possediamo qualche molecola di DDT nel
tessuto adiposo (fino a circa 3 ppm per adulto).
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• Molte specie animali riescono a metabolizzare il DDT
mediante eliminazione di HCl:
– un atomo di idrogeno viene rimosso da uno dei due atomi di
carbonio dell'etano
– un atomo di cloro viene rimosson dall'altro atomo di carbonio,
con conseguente formazione di un derivato detto DDE
(diclorodifenildicloroeteno)
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• I prodotti del metabolismo di una sostanza chimica sono
definiti metaboliti:
– pertanto il DDE è un metabolita del DDT.
• Il DDE è prodotto lentamente anche nell'ambiente
– per effetto della degradazione del DDT in condizioni alcaline
– e dagli insetti resistenti, che detossificano così il DDT.
• in alcuni uccelli, il DDE interferisce con l'enzima che
regola la distribuzione del calcio,
– gli uccelli contaminati producono uova il cui guscio (carbonato di
calcio) ha uno spessore insufficiente a sopportare il peso del
genitore durante la covata.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
DDT
• Nell'uomo, la maggior parte del DDT ingerito viene
eliminata anche se molto lentamente.
• Gran parte del «DDT» accumulato nel tessuto adiposo
umano
– è in realtà il DDE contenuto negli alimenti al momento della
ingestione e derivato dalla trasformazione del DDT
originariamente presente nell'ambiente.
• il DDE
– poco biodegradabile
– estremamente solubile nei tessuti adiposi,
– rimane nel nostro organismo per lungo tempo.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• Analoghi del DDT
• Molte altre molecole con la stessa struttura generale
del DDT presentano proprietà insetticide simili.
• La somiglianza:
– deriva dal meccanismo d'azione del DDT,
– che dipende soprattutto dalla sua struttura molecolare, piuttosto
che dalle interazioni chimiche con le particolari specie.
• La struttura di una molecola di DDT
– è definita dalla presenza di due atomi di carbonio tetraedrico
nell'unità etano e di due anelli benzenici planari.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• Analoghi del DDT
• Negli insetti, il DDT e le altre molecole con le stesse
dimensioni generali e la stessa struttura
tridimensionale
– rimangono bloccate nei canali ionici presenti alla superficie della
cellula nervosa. Normalmente questi canali trasmettono gli
impulsi solo all'occorrenza, attraverso ioni sodio.
• Quando però la molecola del DDT mantiene aperti i
canali, viene prodotta una serie continua di impulsi
nervosi scatenati dagli ioni Na+
– di conseguenza i muscoli dell'insetto sono sottoposti ad una
continua contrazione spasmodica ed infine ad un esaurimento
con convulsioni che portano alla morte.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• Analoghi del DDT
• Nell'uomo e negli altri animali a sangue caldo non si
verifica lo stesso processo
– le molecole del DDT non esercitano una simile azione di legame
ai canali ionici delle cellule nervose.
• Esempi di altre molecole che svolgono un'azione affine
a quella del DDT:
– il DDD (para diclorodifenildicloroetano): un prodotto di
degradazione ambientale del DDT
• il DDT e il DDD si assomigliano per dimensioni e
struttura,
– presentano pari tossicità per gli insetti.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
Analoghi del DDT
• il DDD è stato messo in commercio come insetticida,
– ma il suo uso è stato anche abbandonato a causa della sua bio
accumulazione.
• la struttura del DDE, a differenza di quella del DDD e del DDT, si
basa su una unità planare C=C piuttosto che su un legame C-C
che possiede gruppi tetraedrici a ciascun terminale;
– mentre il DDD è un insetticida simile al DDT,
– il DDE non lo è, data la differenza della struttura tridimensionale.
• La forma planare del DDE
– fa sì che questo composto è incapace di inserirsi nei canali nervosi
dell'insetto.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
Analoghi del DDT
• Gli scienziati hanno ideato sostanze analoghe al
DDT,
– con le stesse dimensioni e struttura
– in possesso delle medesime proprietà insetticide,
– che risultano discretamente biodegradabili
• e quindi privi dell'inconveniente del bioaccumulo
presentato dal DDT.
– il più noto è il metossicloro
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• TOXAFENI
• Durante gli anni '70, dopo la messa al bando
del DDT,
– l'insetticida usato in sostituzione in molte applicazioni
agricole (come la coltivazione del cotone e della soia)
– è stato il toxafene, introdotto per la prima volta in
commercio nel 1947.
– una miscela di molte sostanze affini, tutte derivate
dalla parziale clorurazione del canfene, un
idrocarburo presente in natura.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• TOXAFENI
• In questa reazione si produce un certo
riassortimento degli atomi presenti nella
struttura dell'idrocarburo;
– di conseguenza la maggior parte dei componenti
della miscela di toxafene risultano derivati
parzialmente clorurati dell'idrocarburo mostrato a
destra piuttosto che del canfene stesso:
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• TOXAFENI
• Prima di essere messo al bando nel 1982, il toxafene
era diventato l'insetticida più diffusamente impiegato
negli Stati Uniti.
– Questa sostanza si è rivelata estremamente tossica per i pesci e
per tale motivo veniva utilizzata nell'America Settentrionale allo
scopo di liberare i laghi dai pesci indesiderati;
• risultò anche talmente persistente nell'ambiente
– da allora in poi, i laghi non potevano essere ripopolati per anni!
– il toxafene si bioaccumula nei tessuti adiposi causando il cancro
negli animali di laboratorio esposti (roditori).
• Sebbene attualmente sia stato bandito dai Paesi
industrializzati,
– continua a depositarsi negli organismi acquatici anche se
risultano lontani dalle zone in cui viene tuttora impiegato
– per il suo trasporto con l'aria dai Paesi in via di sviluppo che,
come il Messico, ne fanno ancora ampio uso.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• Il ciclopentadiene
– un abbondante sottoprodotto della
raffinazione del petrolio.
– in ciascuna molecola vi sono due doppi
legami.
• Quando è completamente clorurato
– esso può essere legato con numerose
altre molecole organiche in modo da
fornire una serie completa di composti
insetticidi dotati di varie proprietà.
Ciclopentadiene clorurato
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• i principali ciclodieni in termini di importanza
commerciale:
– tali composti sono stati impiegati per controllare gli
insetti del suolo, le formiche, gli scarafaggi, le termiti,
le cavallette, le locuste e altri insetti nocivi
•
•
•
•
•
1) aldrin,
2) dieldrin e il suo isomero endrin,
3) eptacloro,
4) clordano
5) endosulfan.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• anche queste sostanze presentano una
solubilità estremamente bassa nell'acqua ed
elevata nei grassi.
• I pesticidi ciclodienici, inizialmente l'aldrin e il
dieldrin, furono immessi nel mercato intorno al
1950.
– nella maggior parte dei Paesi europei occidentali,
l'uso di quasi tutti questi composti è stato ormai
bandito per i seguenti motivi:
• la persistenza, la potenziale tossicità, la tendenza ad
accumularsi nei tessuti adiposi
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• Nei ciclodieni aldrin ed eptacloro, contenenti due
strutture ad anello,
– il secondo anello contiene un doppio legame in cui
nessun carbonio del tipo C- viene clorurato ma si
trova piuttosto legato ad un atomo di idrogeno.
• Nell'ambiente, tali molecole sono convertite
biologicamente nell'epossido:
– un atomo di ossigeno viene aggiunto dall'altra parte
del doppio legame, così da formare un anello
triatomico con legami singoli che collegano tutti e tre
gli atomi:
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• Anche l'epossido puo comportarsi da insetticida
– il dieldrin è l'epossido dell'aldrin e rappresenta una parte
consistente del carico ambientale che si deve all'aldrin.
• Come molti altri epossidi, il dieldrin viene considerato
un potenziale cancerogeno
• L'aldrin e il dieldrin vengono rapidamente e
strettamente assorbiti dalle particelle del suolo, in cui
persistono a lungo
– ambedue presentano una tossicità acuta per gli organismi
acquatici.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• Quando due molecole di percloro ciclopentadiene si
combinano chimicamente, anche la risultante molecola
di mirex si comporta come un insetticida
– Nella formula tutti i 10 atomi di carbonio risultano legati al cloro,
ma per una maggior chiarezza invece di riportare i singoli atomi
di cloro si è preferito indicare solo il loro numero globale.
• Questo composto fu messo in commercio anche con il
nome di «declorano» come additivo ignifugo per
materiali sintetici e naturali.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• Il mirex è stato messo in commercio negli anni '60.
Sebbene messo al bando fino dalla metà degli anni'70, il
mirex è attualmente considerato un «inquinante
maggiore», prioritario, dei Grandi Laghi.
• Questo insetticida penetrava e si accumulava nelle
acque del Lago Ontario
– perché la sua produzione industriale avveniva in prossimità del
fiume Niagara;
– sia le fuoriuscite accidentali che la presenza nelle acque reflue
dell'impianto di fabbricazione causavano il deposito di questa
sostanza nei fiumi che sfociano nel lago.
• A causa della sua notevole persistenza, si è stimato che
occorrerà circa un secolo per liberare
completamente quella zona dal mirex.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• Nell'ambiente in generale, e nei pesci in
particolare, è possibile ritrovare questo
insetticida
– sia come molecola d'origine
– che come derivato in cui un atomo di cloro viene
sostituito dall'idrogeno;
• questo derivato, detto fotomirex, è un prodotto di
degradazione che si forma per azione dei raggi UV sul mirex.
INSETTICIDI
ORGANOCLORURATI
• CICLOPENTADIENI CLORURATI
• Gran parte dei pesticidi clorurati ciclodienici
sono prodotti chimici ormai superati,
• il loro impiego è stato gradualmente
abbandonato o fortemente limitato in base a
considerazioni di carattere ambientaIe e di
salute pubblica.
INSETTICIDI
ORGANOFOSFORATI
• I pesticidi organofosforati sono una classe di composti
caratterizzati da una persistenza di breve durata;
– sotto questo aspetto essi costituiscono un notevole progresso
sugli organoclorurati,
– rispetto ai quali tuttavia presentano una tossicità acuta molto
maggiore per l'uomo e per gli altri mammiferi.
• Molti organofosforati
– rappresentano un grave danno per la salute di coloro che li
usano o delle persone che ne vengono in qualche modo a
contatto.
INSETTICIDI
ORGANOFOSFORATI
• L'esposizione a queste sostanze chimiche per
inalazione, ingestione o assorbimento cutaneo
• può causare gravi intossicazioni acute.
• Come gli idrocarburi clorurati,
– anche gli organofosforati si concentrano nei
tessuti adiposi ma, al contrario di essi, si
decompongono nel giro di pochi giorni o settimane,
quindi raramente sono reperibili nelle catene
alimentari.
INSETTICIDI
ORGANOFOSFORATI
• Tutti i pesticidi organofosforati presentano, al centro
della struttura, un atomo di fosforo pentavalente a
cui sono legati:
• un atomo di ossigeno o di zolfo unito da un doppio
legame all'atomo di P;
• 2 gruppi metossi (-OCH3) o etossi (-OCH2CH3) uniti con
un legame singolo all'atomo P;
• un gruppo R più lungo e più complesso unito con legame
singolo al fosforo mediante un atomo di ossigeno o di
zolfo.
INSETTICIDI
ORGANOFOSFORATI
• Tutte queste molecole si decompongono
abbastanza rapidamente nell'ambiente
• dato che l'ossigeno dell'aria trasforma i legami
P=S in P=O
• e che le molecole di acqua si addizionano ai
legami P=O scindendoli,
– con produzione finale di sostanze non tossiche come
l'acido fosforico e gli alcool
INSETTICIDI
ORGANOFOSFORATI
• Gli organofosforati sono tossici per gli insetti
– ne inibiscono gli enzimi del sistema nervoso, verso il quale
pertanto si comportano come veleni;
– interrompono la comunicazione intercellulare mediata dalla
molecola di acetilcolina.
• Questa trasmissione intercellulare non può avvenire
correttamente se l'acetilcolina non viene distrutta
dopo aver adempiuto la sua funzione.
– Gli organofosforati bloccano l'attività degli enzimi adibiti
alla distruzione della acetilcolina alla quale si legano in modo
selettivo.
CARBAMMATI E INSETTICIDI
NATURALI
• La modalità d'azione degli insetticidi carbammati
è simile a quella degli organofosforati;
– essi differiscono solo per avere un atomo di carbonio,
invece che di fosforo, che si lega all'enzima che
catalizza l'idrolisi dell'acetilcolina.
CARBAMMATI E INSETTICIDI
NATURALI
• I carbammati, introdotti come insetticidi nel
1951, sono derivati dell'acido carbammico
(H2NCOOH).
– Uno degli atomi di idrogeno legati all'azoto viene
sostituito da un gruppo alchilico, in genere metilico,
– mentre l'idrogeno attaccato all'ossigeno viene
sostituito da un gruppo organico più lungo e più
complicato, sotto indicato semplicemente con R:
CARBAMMATI E INSETTICIDI
NATURALI
• I carbammati, introdotti come insetticidi nel
1951, sono derivati dell'acido carbammico
(H2NCOOH).
– Uno degli atomi di idrogeno legati all'azoto viene
sostituito da un gruppo alchilico, in genere metilico,
– mentre l'idrogeno attaccato all'ossigeno viene
sostituito da un gruppo organico più lungo e più
complicato, sotto indicato semplicemente con R:
CARBAMMATI E INSETTICIDI
NATURALI
• Come gli organofosforati, anche i carbammati
sono caratterizzati da una breve permanenza
nell'ambiente,
– data la possibilità di reagire con l'acqua
scomponendosi in prodotti semplici e privi di tossicità.
– La reazione con l'acqua comporta la scissione di uno
dei legami singoli a livello del carbonio centrale.
CARBAMMATI E INSETTICIDI
NATURALI
• In sintesi,
• gli organofosforati e i carbammati risolvono il
problema della persistenza e dell'accumulo
ambientale tipico degli organoclorurati,
• ma talvolta presentano il risvolto negativo del
drammatico incremento di tossicità acuta per l'uomo
e gli animali
– quando vengono contatto con questi pesticidi ancora nella forma
attiva,
