peptidi (proteine) - Macroarea di Scienze

29/11/2010
1
PEPTIDI (PROTEINE)
Polimeri costituiti da monomeri relativamente semplici: gli amminoacidi.
Hanno proprietà biologiche molto varie (ad es., antibiotici, ormoni, additivi
alimentari, antidolorifici, ecc.)
DEFINIZIONI
Õ Gli amminoacidi sono tenuti insieme con legami ammidici; il legame
ammidico viene chiamato anche legame peptidico
Õ Gli amminoacidi che fanno parte di un peptide o di una proteina
si dicono residui
La distinzione tra proteine e peptidi è formale e di riferisce alle dimensioni:
PEPTIDI
PROTEINE
polimeri costituiti da meno di 50 residui di
amminoacidi; di solito non hanno una struttura
tridimensionale ben definita.
polimeri costituiti da almeno 50 residui (fino a
oltre 1000); hanno strutture tridimensionali ben
definite, da cui dipendono le proprietà biologiche.
2
1
29/11/2010
Per peptidi e proteine si definiscono:
Struttura primaria
è la sequenza dei residui
Struttura secondaria
si riferisce ad aspetti strutturali specifici all'interno di
una molecola
Struttura terziaria
è la forma tridimensionale complessiva della molecola
Struttura quaternaria
quando unità separate di proteine sono bloccate
insieme(per esempio, emoglobina, tropocollagene)
PROPRIETA' CHIMICHE DEL LEGAME PEPTIDICO
R
H
N
..
C
R'
O
R
H
+
N
C
R'
-O
1. Il legame peptidico è piuttosto inerte. N non è né nucleofilo né basico. Perché gli
elettrofili reagiscano con C=O servono condizioni drastiche
2. Il gruppo ammidico può talvolta funzionare da nucleofilo (in tal caso il centro
nucleofilo è l'O).
3. Il gruppo ammidico è planare (importante per la forma tridimensionale).
3
PROPRIETA' BIOLOGICHE DI PEPTIDI E DI AMMINOACIDI
Non è necessario avere lunghe catene polimeriche per avere attività biologica
Nome
GABA
n. di
residui
1
Proprietà biologiche
neurotrasmettitore, implicato nel controllo degli impulsi nervosi
Glutammato monosodico 1
additivo alimentare
Aspartame
2
dolcificante artificiale (circa 100 volte più dolce del saccarosio)
Penicillina
3
potente antibiotico (prodotto da alcune muffe)
TRH
3
Encefaline
5
ormone che controlla il rilascio di un altro ormone (tirotrofina) ed
influenza il sistema nervoso centrale.
trovate nel cervello; sono peptidi coinvolti nella sensazione del dolore
Falloina
7
peptide biciclico, estremamente velenoso, in funghi non commestibili
Angiotensina II
8
usato dal corpo per aumentare la pressione del sangue
Ossitocina
9
nonapeptide ormonale ciclico, che può essere usato per provocaare il
travaglio
Gramicidina S
10
decapeptide ciclico, potente antibiotico
4
2
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La sequenza degli amminoacidi in molti peptidi è controllata dal codice genetico
solo 20 α-amminoacidi sono codificati dal DNA
anche così le combinazioni sono molte:
pentapeptide
205 combinazioni
3 200 000 possibili peptidi
Gli α-amminoacidi naturali (tranne la glicina) sono di serie L e di configurazione S
CO2H
H
R
H2N
L
Nome
CO2H
R
NH2
(S)
H
struttura
abbreviazioni
punto
catena laterale
isoelettrico pKa tipo
O
H3C
Alanina
OH
Ala, A
6.00
-
L
Arg, R
10.76
12.5
H+
Asn, N
5.41
NH2
NH
Arginina
H2N
O
N
H
OH
NH2
O
Asparagina
O
OH
H2N
Nome
H
5
struttura
abbreviazioni
O
Acido aspartico
-
NH2
OH
punto
catena laterale
isoelettrico pKa tipo
Asp, D
2.77
3.9
H-
Cys, C
5.07
9.3
H-
Glu, E
3.22
4.3
H-
H
OH NH2
O
Cisteina
HS
OH
NH2
O
Acido glutammico
O
HO
NH2
O
Glutammina
OH
O
H2N
Gln, Q
5.65
-
Gly, G
5.97
-
OH
NH2
O
Glicina
OH
NH2
O
Istidina
(Histidine)
N
N
OH
NH2
His, H
7.59
6.1
H
6
3
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Nome
struttura
abbreviazioni
punto
catena laterale
isoelettrico pKa tipo
O
Isoleucina
Ile, I
6.02
-
L
Leu, L
5.98
-
L
Lys, K
9.74
10.5
H+
Met, M
5.74
-
L
OH Phe, F
5.48
-
L
Pro, P
6.30
-
L
OH
NH2
O
Leucina
OH
NH2
Lisina
H2N
O
OH
NH2
O
S
Metionina
NH2
OH
O
Fenilalanina
(Phenylalanine)
NH2
O
Prolina
OH
N
Nome
7
H
struttura
abbreviazioni
punto
catena laterale
isoelettrico pKa tipo
O
Serina
HO
OH
Ser, S
5.68
-
-
Thr, T
5.60
-
-
Trp, W
5.89
-
L
NH2
OH O
Treonina
OH
NH2
O
Triptofano
OH
NH2
N
H
O
Tirosina
OH Tyr, Y
5.66
9.1
L
Val, V
5.96
-
L
NH2
HO
O
Valina
OH
NH2
H = idrofilo; L = lipofilo (idrofobo)
8
4
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Amminoacidi "non usuali"
Moltissimi amminoacidi presenti in natura non sono codificati dal DNA. Sono meno abbondanti di quelli codificati
Catene laterali insolite
esempi:
Cl
S
H
H
N
H
N
CO2H
O
CO2H
H2N CH2CH2 CH2 C
CO2H
H
CO2H
H
HO2C
H
N
H
NH2
CO2H
CH2 C CH CH2 C
CO2H
H2N CH2CH2CH2 CH2 C
H
NH2
H
NH2
Ornitina
H
NH2
Lisina
presente in molti peptidi naturali
(antibiotico)
HO
H
N
CO2H
H
Prolina
H
N
H
CO2H
Idrossiprolina
costituente principale del collagene
β-amminoacidi
esempi:
CO2H
H 2N
H 2N
CO2H
9
γ-amminoacidi
OH
H2N
esempi:
GABA
CO2H
CO2H
acido 4-amminobutanoico
entra nella trasmissione
degli impulsi nervosi
NH2
D-amminoacidi
NH2
esempi:
CH2 C
H
CO2H
D-Phe
H3C
CH C
H3C
NH2
H
CO2H
CO2H
N
H
H
D-Pro
D-Val
sono sintetizzati da diversi organismi e sono importanti costituenti di antibiotici
altri
esempi:
H3C +
H3C N CH2 CO2
H3C
Betaina
agente metilante, entra nella
biosintesi della metionina
H2N CH2 CO2H
Glicina
10
5
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CLASSIFICAZIONE E PROPRIETA' FISICHE DEGLI α-AMMINOACIDI
Gli amminoacidi vengono classificati, a seconda della natura della catena laterale, in:
Amminoacidi "acidi“
contengono nella catena laterale un altro gruppo -CO2H
contengono nella catena laterale un altro gruppo -NH2
Amminoacidi "basici“
polari
contengono nella catena laterale un eteroatomo
non polari
la catena laterale è idrocarburica
Amminoacidi "neutri"
Gli α-aminoacidi naturali sono composti solidi cristallini, alto-fondenti, solubili in acqua
Le proprietà fisiche sono diverse da quelle di acidi o ammine con lo stesso numero di atomi di C
RCO2H
pKa ~ 5
RNH2
pKb ~ 4
pKa ~ 10
pKb ~ 12
H2N CH CO2H
R
?
Allo stato solido gli α-amminoacidi sono "ioni dipolari" (zwitterioni)
+
H3N
CO2C
Il centro acido è -NH3+, il centro basico è -CO2-
H
R
11
IN SOLUZIONE ACQUOSA LA STRUTTURA PREVALENTE DIPENDE DAL pH
In soluzione acquosa -NH3+ è più forte come acido di quanto -CO2- sia forte come base
Come risultato della differenza di forza tra il centro acido ed il centro
basico, UNA SOLUZIONE ACQUOSA DI ALANINA (amminoacido neutro
non polare) CONTIENE PIU' ANIONI CHE CATIONI
A pH 7 l'alanina ha una carica globale negativa.
CO 2
+
H3N
H
C
base
(più debole)
+ H2 O
H2N
C
H
+
H3 O +
R
R
acido
(più forte)
CO2-
si comporta
da base
carica globale negativa
Per tornare allo ione dipolare bisogna aggiungere H3O+
A pH 6 l'alanina ha una carica globale nulla.
CO 2
H2N
C
R
H
+
H3O +
+
H3 N
CO2C
H
+ H2O
R
12
carica globale nulla
6
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CO2H
H2N
C
+
H3 N
H
CH3
CO2H
C
R
L’alanina NON E’ MAI così
L’alanina è così allo stato solido
e al punto isoelettrico
Si definisce PUNTO ISOELETTRICO quel valore di pH al quale l'amminoacido esiste in
prevalenza come ione dipolare (complessivamente neutro). Al punto isoelettrico la
concentrazione della forma cationica e di quella anionica sono uguali (e molto basse).
Per un amminoacido "neutro" il punto isoelettrico (che dipende soprattutti dai valori
del pKa di NH3+ e del pKb di -CO2-) è attorno a 5.5-6.0.
CO2H2N
C
H+
+
H3N
H
OH-
R
CO2C
H+
H
OH-
R
prevalente a
prevalente a
R
prevalente a
pH = pI
pH > pI
CO2H
+
H3N C H
pH < pI
13
Ogni amminoacido ha un punto isoelettrico diverso
In un amminoacido "acido" c'è un altro gruppo (il secondo carbossile) che reagisce
con l'acqua (è il centro acido più forte)
Una soluzione acquosa di un amminoacido "acido" è decisamente acida:
+
H3N
acido
(più debole)
CO -
base
(più debole)
2
C
+ H 2O
H
CH2 CH2 CO2H
acido
(più forte)
CO2+
H3N C H
+ H3O+
CH2 CH2 CO2si comporta
da base
carica globale negativa
Per portare un amminoacido "acido" al punto isoelettrico E' NECESSARIA UNA
CONCENTRAZIONE DI H3O+ MAGGIORE che per un amminoacido "neutro".
Il punto isoelettrico di amminoacidi "acidi" è ~ pH 3.
14
7
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In un amminoacido "basico" c'è un altro gruppo (il secondo gruppo amminico) che
reagisce con l'acqua (è il centro basico più forte)
Una soluzione acquosa di un amminoacido “basico" è decisamente basica
+
H3 N
acido
(più debole)
base
(più debole)
CO 2
C
+ H2O
H
CH2 CH2 CH2 CH2 NH2
si comporta
da acido
base
(più forte)
CO2+
H 3N C H
+ OH+
CH2 CH2 CH2 CH2 NH3
carica globale positiva
Per neutralizzare un amminoacido "basico" e portarlo al punto isoelettrico BISOGNA
AGGIUNGERE IONI OH-.
Il punto isoelettrico di amminoacidi "basici" è nell'intervallo 9-10 di pH.
15
TITOLAZIONE DELLA GLICINA
+
H3N CH2 CO2H + H2O
K1
+
+
H3N CH2 CO2 + H3O
Quando sono stati aggiunti 0.5 equivalenti di OHK1 = [H3O+]
K1 =
+
[H3O+] [ H N CH CO ]
2
2
3
+
[ H3N CH2 CO2H ]
= 10-2.4
pKa1 = 2.35
Aggiungendo altro OH-:
+
H3N CH2 CO2 + H2O
K2
H2N CH2 CO2 + H3O+
Quando sono stati aggiunti 1.5 equivalenti di OH-
K1 =
[H3O+] [ H2N CH2 CO2- ]
+
[ H N CH2 CO2 ]
3
al punto isoelettrico
specie prevalente
= 10-9.78
K2 = [H3O+]
pKa2 = 9.78
+
[ H2N CH2 CO2- ] = [ H3N CH2 CO2H ]
+
H3N CH2 CO2
16
8
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+
[ H3N CH2 CO2H ] x 10-2.4
[ H3N CH2 CO2 ] =
[H3O+]
[H3O+] [ H N CH CO - ]
+
2
2
2
[ H N CH2 CO2 ] =
3
-9.78
10
Dal primo equilibrio
Dal secondo equilibrio
[ H3N CH2 CO2H ] x 10-2.4
[H3O+]
=
[H3O+] [ H N CH CO - ]
2
2
2
10-9.78
+
10-12.2 [ H3N CH2 CO2H ]
2
[H3O+] =
[ H2N CH2 CO2 ]
[H3O+] =
al punto isoelettrico
10-12.2
Per gli amminoacidi "neutri" il valore del punto isoelettrico è determinato dall'effetto
induttivo del gruppo R
aumenta l'acidità, diminuisce la basicità
il fenile ha effetto -I
17
Confronto fra le curve di titolazione di
glicina e fenilalanina
Curva di titolazione dell’acido
glutammico (amminoacido “acido”)
pKa=2.19
+
H3N
pKa=9.67
CO2H
C
pI =
H
pKa1 + pKa2
2
=
2.19 + 4.25
2
=
6.44
2
= 3.22
CH2 CH2 CO2H
acido glutammico
pKa=4.25
18
9
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Curva di titolazione della lisina
(amminoacido “basico”)
+
H3N
pKa=8.95
pKa=2.18
CO2H
C
H
+
CH2 CH2 CH2 CH2 NH3
lisina
pKa2 + pKa3
pI =
2
=
19.74
2
=
pKa=10.79
8.95 + 10.79
2
= 9.87
E’ significativo confrontare la carica complessiva dei quattro amminoacidi a pH diversi
19
Il pI si sfrutta per separare gli amminoacidi mediante elettroforesi
-
+
H3N
+
CO-2
C
+
H3N
H
+
CH2 CH2 CH2 CH2 NH3
lisina
CH2 CO2
glicina
pI = 6.1
+
H3N
CO-2
C
H
CH2 CH2 CO-2
acido glutammico
pI = 3.22
pI = 9.87
20
10
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IDROFILICITA'/LIPOFILICITA'
La catena laterale degli amminoacidi ne influenza la solubilità
Il fatto che tutti gli amminoacidi allo stato solido esistano come ioni dipolari li rende più solubili
nei solventi polari che in quelli non polari.
Amminoacidi (e peptidi) di solito sono solubili in acqua, ma spesso si sciolgono con difficoltà
nei solventi organici
le solubilità relative nei diversi solventi dipendono dalla natura della catena laterale
in H2O (polare protico)
Ser > Gly > Phe
in CHCl3 (poco polare)
Gly ~ Ser ~ Phe
in benzene (non polare)
Phe > Gly > Ser
Gli amminoacidi "acidi", "basici" o "neutri polari" in grado di formare legami idrogeno
si dicono IDROFILI ed hanno elevata solubilità in acqua. Gli amminoacidi "neutri" si
dicono LIPOFILI (o IDROFOBI) e preferiscono mezzi non polari.
Le proprietà fisiche degli amminoacidi sono determinate da tre fattori
principali:
- la carica complessiva ad un dato pH
- il pH al quale c'è carica complessiva zero (pI)
- l'idrofilicità o la lipofilicità delle catene laterali.
21
SINTESI DI α-AMMINOACIDI
1.
Amminazione di α-alogenoacidi
CH3CH2 CO2H
P/Br2
CH3CH CO2H
Br
NH3
in eccesso
CH3CH CO2- NH4+
NH2
E’ il metodo più semplice, ma il MENO UTILE in pratica, perché l’amminoacido prodotto è ancora
nucleofilo e può reagire con il bromoacido.
CH3CH CO2- NH4+
NH2 +
CH3CH CO2H
Br-
CH3CH CO2- NH +
4
NH
CH3CH CO2 NH4+
Prodotto indesiderato.
Si abbassano le rese e si deve
separare
Br
utile solo per preparare industrialmente la glicina
2.
Sintesi di Gabriel
O
O
N - K+ + R
CH CO2CH3
Br
O
KBr
R
O
H2O, H+
N CH
CO2CH3
O
R
+
OH
H N CH CO2H
OH + 3
O
O
Perché non
si usa
NH
O
?
Perché non si usa subito
l’acido, visto che poi si deve
fare l’idrolisi?
22
11
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3.
Alchilazione di derivati dell'estere malonico
CO2CH3
CH2
CO2CH3
1) CH3ONa
CH Br
2) Br2
CO2CH3
NH3
in eccesso
CO2CH3
NH4Br
CO2CH3
CO2CH3
CO2CH3
CH2 C NH C R
1) CH3ONa
O
2) RX
CO2CH3
CH NH2
H+
OH
CH2 C
O
CO2CH3
PhCH2OCOCl
CH2 C NH CH
O
CO2H
+
H3N C R
CO2H
Δ
+ NH
CO2CH3
3
R CH CO2H
CO2
in alternativa:
O
CO2CH3
N- K+
CH Br +
CO2CH3
H+
H2O
CO2CH3
+ NH
O
1) CH3ONa
CH
N
CO2CH3
O
O
2) RX
CO2CH3
O
R C
N
CO2CH3
O
CO2H
3
R CH CO2H + CH3OH +
CO2H
23
4.
Sintesi di Strecker
O
R
H
NH
OH
R CH NH2
..
+ NH3
H2O
R
H
:CN
2) H+
NH2
R CH C N
+
H2O
H+
NH3
R CH CO2H
Tutti i metodi precedenti portano a miscele racemiche
RISOLUZIONE DI MISCELE RACEMICHE DEGLI α-AMMINOACIDI
1) Metodi chimici
Qualche volta è possibile la formazione di sali con un controione chirale, che può precipitare
preferenzialmente con l'amminoacido D o con quello L.
N-acetil-(±)-amminoacido
+ base otticamente attiva
sali diastereomeri
si separano e si
aggiunge acido
li amminoacidi basici possono essere risolti direttamente, usando l'acido
(1S)-10-canforsolfonico
Non ci sono regole per poter prevedere quale
enantiomero dia il sale che precipita, né le
condizioni necessarie perché la cristallizzazione
avvenga. bisogna operare per tentativi.
H3C
CH3
H
CH2 O
SO3H
24
12
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2) Metodi enzimatici
N-acetil-(±)-amminoacido + acilasi
L-amminoacido
+
N-acetil-D-amminoacido
solubile in acqua
insolubile in acqua
da rene di maiale
Se occorre anche l'amminoacido D, si recupera per idrolisi
3) HPLC chirale (metodo analitico)
Con un gruppo chirale legato alla fase
stazionaria diventa possibile separare
glienantiomeri. Sono disponibili colonne
HPLC chirali che usano come componenti
chirali della fase stazionaria carboidrati o
proteine.Le fasi stazionarie chirali più
usate sono quelle con derivati di
amminoacidi legatiad un supporto di
silice.
OEt
O
H
O
Si
O
N
H
NO2
O
NO2
fase stazionaria chiraledi Pirkle
25
SINTESI ASIMMETRICA
1) Uso di reagenti chirali
Sono disponibili reagenti ossidanti chirali, reagenti riducenti chirali e catalizzatori
chirali
Esempio:
P
..
1) [Rh(COD)Cl]2/NaBF4
..
O
RhH(R,R-Dipamp)
2) H2
P
O
COD =
(R,R)-Dipamp
H2
O
N
H
CO2H
[RhH(R,R)Dipamp]
O H
N
H
CO2H
resa 100%
e.e. 96%
(1972)
26
13
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2. Uso di ausiliari chirali
Nel composto di partenza c'è un gruppo chirale rimovibile, che indirizza l'andamento
stereochimico nella formazione del nuovo centro chirale; alla fine del processo (e dopo
la purificazione) il gruppo chirale si rimuove
Esempio:
O
H H CH
3
H H CH
3
OR'
R
Al/Hg
O
N
N
O
N
OH
NH2
CH3OCH2CH2OCH3
O
R
1) HNO2
riduzione stereospecifica
sulla faccia inferiore
2) LiAlH4
OH H CH
3 H2 N
1) H2/Pd
C
+
O
N
OH
2) OHH R
H
H H CH
3
H
N
N
O
O
H R
27
3. Sintesi chirale
Si parte da materiale otticamente attivo, il cui centro chirale viene poi incorporato nel
prodotto.
Esempio:
O
HO
H2N
OH
H
2) 2 PrLi
L-Ser
HO
HN H
Ts
O
[O]
HBr
HO
HN H
Ts
SH
1) HS
BF3.Et2O
O
1) TsCl
2) Ni Raney
HO
HN H
Ts
O
HO
H2N
H
Acido D-2-amminoesanoico
Resa complessiva: 24%; >99% e.e.
(1984)
Ci sono molti modi per preparare un dato amminoacido: quale via scegliere
in un caso specifico dipende da un'accurata considerazione della struttura da
preparare e dall'esame di sintesi riportate in letteratura per composti simili.
28
14
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Esempio
L'acido γ-amminobutanoico (GABA) è un neurotrasmettitore e molti suoi derivati sono stati
studiati per le loro potenzialità come farmaci. Un importante derivato, il 3-idrossi (GABOB), è
anch'esso un neurotrasmettitore; l'enantiomero R ha attività biologica molto maggiore dell'S.
OH
H2N
CO2H
(R)-GABOB
CO2H
H2N
GABA
acido 4-ammino-3-idrossibutanoico
All'inizio è il GABOB è stato preparato come miscela racemica con metodi tradizionali. La
risoluzione della miscela racemica è stata ottenuta per cristallizzazione del sale canforsolfonico
dell'ammide.
H3C
OH
CH3
H
H3C
CH3
H
+
H3 N
CONH2 +
H2N
CH2 O
SO3H
(R,S)
OH
OH
CONH2 + H2N
CONH2
(R)
CH2 O
SO-
(S)
(in soluzione)
3
H2O, OH-
OH
CO2H
H2N
precipitato cristallino
(1977)
(R)
questo metodo ha permesso di ottenere (R)-GABOB, ma è lungo e con sprechi
29
Nel 1980 è stata pubblicata una sintesi chirale a partire dall'acido ascorbico (Vitamina C)
H
CH2OH
OH
O
HOH
O
acido L-ascorbico
(Vitamina C)
Metodo 3: sintesi chirale
OH
Sintesi lunga (nove passaggi) e resa bassa (~ 10%).
Metodo 1: reagente chirale
Nel 1983 è stata pubblicata una sintesi asimmetrica
OH
t-BuOOH/Ti(O-iPr)4
1) RuO4
O
OH 2) NH3
L-(+)Tartrato dietilico
OH O
H2N
OH
Resa globale 17%; 55% e.e.
Sintesi breve (tre passaggi), ma resa scarsa ed e.e. modesto
Un miglioramento si è avuto con la pubblicazione nel 1985 di una
sequenza in tre passaggi che comprendono una riduzione enzimatica
O
Cl
O
lievito di
birra
Cl
OC8H17
OH O
1) NMe3
OC8H17
2) H2O/HCl
+
Me3N
Cl
Metodo 1:
reagente chirale
OH O
OH
Resa globale 45%; >95% e.e.
La difficoltà maggiore è stata la ricerca del β-chetoestere migliore
30
15
29/11/2010
A tutt'oggi il metodo migliore comporta una sintesi chirale a partire dall'acido malico (acido
2-idrossibutandioico), disponibile sia come isomero R che S, anche se la sintesi è stata
fatta con l'acido S-malico, meno costoso.
Metodo 3: sintesi chirale
O
OCOCF3
OH
OH
HO
O
O
acido (S)-malico
NH2
O
O
1) Zn(MnO4)2
2) HCl
O
O
H+
HO
O
O
2) MeOH/HCl
OH
NH2
O
O
C(CH3)3
C(CH3)3
O
O
1) NH3
(CF3CO)2O
O
1) LiAlH4
2) (t-BuOCO)2O
HO
NH Boc
OH
NH2
Resa complessiva 25%; ~ 100 % e.e.
(1987)
Fra i molti metodi a disposizione la scelta può dipendere dall'importanza
della purezza ottica (se per esempio l'enantiomero "sbagliato" è tossico)
o dalla resa o dalla versatilità del metodo.
31
POLIPEPTIDI
I peptidi conservano molte delle proprietà degli amminoacidi, avendo alle due
estremità un gruppo acido ed un gruppo amminico.
Le proprietà fisiche dei peptidi possono grosso modo essere determinate considerando insieme gli effetti di tutte le
catene laterali, più quelli dei gruppi amminico e carbossilico alle estremità
- cariche globali tipiche a diversi pH
- punti isoelettrici caratteristici
- affinità specifiche per la fase acquosa e quella non acquosa
R
C
O
H
N
..
R'
R
H
+
N
C
R'
-O
Legame rigido e planare
32
16
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Con due amminoacidi diversi si possono avere due dipeptidi diversi, a seconda di
quale gruppo carbossilico e quale gruppo amminico formino il legame peptidico
esempio: con glicina e alanina
In un peptide:
l’amminoacido con l’NH2 libero si chiama estremità amminica o residuo N-terminale;
l’amminoacido con il gruppo –CO2H libero si chiama estremità carbossilica o residuo C-terminale;
la catena che comprende i lagami ammidici si chiama catena principale;
i sostituenti R degli amminoacidi costituenti il peptide si chiamano catene laterali.
33
Per convenzione i peptidi si rappresentano scrivendo la sequenza da sinistra verso destra, a partire
dall'estremità con il gruppo amminico:
R'
O
H2N
residuo
N-terminale
N
H
R
primo
residuo
H
N
O
O
OH
residuo
C-terminale
R"
secondo
residuo
terzo
residuo
NOMENCLATURA. Il residuo C-terminale costituisce il nome base; gli altri residui si
chiamano come sostituenti (desinenza -ile).
O
H2 N
CH3
N
H
glicilalanina
OH
O
Gly-Ala
O
H2N
I nomi degli amminoacidi
si abbreviano con le prime
tre lettere, si collegano
con"-" o con "."
O
H2N
N
CH3 H
SH
H
N
O
N
CH3 H
OH alanilglicina
O
Ala-Gly
alanilcisteinilfenilalanina
O
OH
Ala-Cys-Phe
Ala.Cys.Phe
34
17
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In caso di amminoacidi sostituiti, il sostituente si può indicare di seguito alla abbreviazione del
nome dell'amminoacido
H2N CH CO2H
CH2 CH2 CO2CH3
Me
H2NCH2CONH2
GlyNH2
Glu
Si presuppone che gli amminoacidi siano di serie L. Se sono di serie D, va indicato
O
H2N
O
OH
H2N
CH3
N
CH3 H
SH
H
N
O
OH
O
D-Ala-Cys-Phe
D-Ala
Quando si studiano i peptidi (e le proteine) le operazioni importanti sono:
1. Purificazione ed isolamento
2. Analisi degli amminoacidi e determinazione della sequenza
3. Sintesi
1. Perché si estrae dalla matrice biologica, insieme ad altre migliaia di composti
2. L’analisi non solo deve identificare quali amminoacidi costituiscono il peptide,
ma anche la sequenza, cioè l’ordine con cui gli amminoacido sono legati tra
loro, a partire dal residuo N-terminale fino al residuo C-terminale
3. Per avere quantità di peptide sufficiente per gli studi clinici, servono quantità
molto maggiori di quelle che si posono ottenere dalla matrice biologica.
35
PURIFICAZIONE ED ISOLAMENTO DEI PEPTIDI
Oltre al pI ed alla affinità per l'acqua o per i solventi organici è importante la dimensione del peptide
1. DIALISI
Con membrane semipermeabili è possibile separare molecole piccole (peptidi) da molecole grandi
(proteine)
Il piccolo peptide, però, sarà
distribuito dentro e fuori la
membrana semipermeabile.
il volume esterno deve essere molto
grande: quando la concentrazione dentro
e fuori la membrana semipermeabile è
uguale, c'è molto più peptide fuori.
Quando si ha una miscela complessa, tutte le molecole
al di sotto di una certa dimensione passano attraverso
la membrana, tutte quelle più grandi restano nella
sacca della dialisi
La dialisi è un metodo per una purificazione grossolana,
che permette di maneggiare grandi quantità di materiale
36
18
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2. GEL FILTRATION
La gel filtration impiega un supporto polimerico poroso. Le molecole grandi, che non entrano nei pori,
vengono eluite rapidamente, mentre le molecole più piccole hanno tempi di ritenzione più lunghi.
Se la miscela di peptidi è complessa, più
grandi delle dimensioni dei pori verranno eluiti
insieme ed insieme verranno eluiti quelli più
piccoli
Usando un intervallo di dimensioni dei pori,
le molecole di dimensioni piccole entreranno
in tutti i pori, quelle di dimensioni medie
entreranno solo in alcuni, le molecole grandi
non entreranno in nessuno
Per molecole di dimensione intermedia diventano importanti i fattori di diffusione ed i tempi di
ritenzione sono approssimativamente una funzione lineare di log(MW).
Purificazione per gel filtration di una miscela con 4 peptidi di MW 5000 (A), 3000 (B), 500 (C) e 100 (D)
Colonna di gel filtration con una sola dimensione dei pori
Con pori di dimensione corrispondente a
circa MW 1000 (~12Å) verranno eluiti
prima A+B e poi C+D
MW>1000
37
MW<1000
Colonna di gel filtration con un intervallo di dimensione dei pori
I pori differiscono tra loro all’incirca di
12Å : i quattro peptidi vengono separati
Questo è un profilo tipico per una gel
filtration e dà anche un’indicazione del
peso molecolare dei peptidi
Con la gel filtration si ha un miglioramento della purezza del peptide ed una idea del
peso molecolare, ma per isolare un peptide veramente puroservono altri metodi.
3. CROMATOGRAFIA A SCAMBIO IONICO
Se una soluzione di una miscela di peptidi viene fatta passare lungo una colonna che contiene
un supporto polimerico carico, i peptidi verranno eluiti con una velocità diversa, che dipende
soprattutto dalla loro carica complessiva.
La carica del polimero può essere sia positiva che negativa.
38
19
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P
O
L
I
M
E
R
O
H2SO4
Sn/HCl
NO2
SO3
P
O
L
I
M
E
R
O
NH2
CH3I
(eccesso)
NH2
cromatografia a scambio di anione
+
N(CH3)3 I-
H2SO4
P
O
L
I
M
E
R
O
NO2
+
N(CH3)3 I-
P
O
L
I
M
E
R
O
P
O
L
I
M
E
R
O
P
O
L
I
M
E
R
O
HNO3
l'anione ioduro può essere sostituito da altri anioni
SO3H
SO3H
NaOH
P
O
L
I
M
E
R
O
SO3 Na+
SO3 Na+
cromatografia a scambio di catione
il catione sodio può essere sostituito da altri cationi
I peptidi carichi positivamente hanno una elevata affinità per resine anioniche e non vengono
eluiti; i peptidi carichi negativamente non interagiscono con le resine anioniche e vengono39
eluiti rapidamente (il contrario si ha con le resine cationiche).
Per essere sicuri che tutto venga eluito in un tempo ragionevole, spesso si varia l'eluente con il
tempo e questo di solito migliora anche la separazione dei componenti. Si può variare il pH o la
forza ionica
A = Ala-Lys
B = Ala-Lys-Ala-Lys
A pH <9 entrambi i peptidi vengono
eluiti lentamente.
Aumentando il pH entrambi vengono
eluiti abbastanza rapidamente ed
escono a valori di pH prossimi al loro pI
C = Lys-Ala-Ala
D = Lys-Glu-Lys
Tra pH 3 e 10 hanno carica complessiva
molto simile
D contiene più gruppi polari: la sua maggiore
affinità per i solventi polari è incrementata
dall’aumento della forza ionica.
40
20
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4. ELETTROFORESI
Nell'elettroforesi, una miscela di peptidi viene applicata su un supporto solido; il
supporto viene permeato con una soluzione di elettrolita, in modo che possa essere
applicata una differenza di potenziale.
Quando si fa passare la corrente,
i peptidi carichi positivamente
sono attratti verso il catodo,
verso cui migrano. Invece i
peptidi carichi negativamente
migrano verso l'anodo.
Il supporto più semplice è una striscia di
carta ed i peptidi si applicano vicino al centro
della striscia. I diversi peptidi migrano con
velocità diversa a seconda della loro carica
complessiva e della loro resistenza al
movimento: peptidi piccoli con carica elevata
migrano più velocemente.
41
tipico elettroforetogramma da
una miscela di di- e tri-peptidi,
eseguito a pH 7.
I dipeptidi Phe-Phe e Lys-Glu sono elettricamente neutri e restano vicino all'origine. Più alta è la
carica complessiva, più migrano i peptidi (per es., Lys-Lys > Lys-Phe), ma un aumento di
dimensione riduce la mobilità (per es., Lys-Lys-Phe migra meno di Lys-Lys).
L'elettroforesi su carta è un metodo molto efficace per purificare piccole quantità di peptidi.
Elettroforesi SDS-PAGE (PolyAcrylAmide Electrophoresis)
Come supporto, invece della carta, si preparara un gel di un polimero come la poliacrilammide e
la miscela di peptidi si applica ad una estremità
I gel di poliacriloammide si formano per polimerizzazione radicalica della propenammide
(acrilammide).
42
21
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R.
.
.
O
iniziatore
radicalico
R
R
NH2
+
R
NH2
NH2
O.
O
radicale stabilizzato
NH2
O
NH2
+
O
R
NH2
NH2
.
O
O NH
2
n
R
O
O
O
NH2
O
NH2
O
NH2
NH2
NH
Per dare solidità al gel si
usano agenti di cross-linking.
O
CH2
PAGE si può eseguire come
l'elettroforesi su carta
NH
O
PAGE si esegue in presenza di dodecilsolfato si sodio (SDS)
O
+
CH3CH2CH2 CH2CH2 CH2CH2 CH2CH2 CH2CH2CH2 O S O Na
O
SDS (Sodium DodecylSuplhate)
SDS:
è un tensioattivo e denatura i peptidi (e le proteine)
circonda i peptidi (e le proteine) conferendo loro una carica complessiva negativa e
facendoli quindi migrare verso l'anodo
fa migrare i peptidi (e le proteine) solo in funzione del loro peso molecolare (migrano
più rapidamente i più piccoli).
43
(-)
il campione
si applica qui
Peso
molecolare
Migrazione
Tipico elettroforetogramma SDS-PAGE;
il peso molecolare si deduce dalla
distanzapercorsa, per confronto con
standard noti
a scala non è lineare ed è graduata in kilodaltons (1 kD = peso molecolare 1000)
SDS-PAGE è un ottimo metodo per separare peptidi
(e proteine) sulla base del solo peso molecolare e
permette anche di determinare il pesomolecolare
approssimato.
(+)
5. HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
L'HPLC è una tecnica che usa supporti con elevata area superficiale e che può sopportare
pressioni abbastanza elevate.
10-100 atm, l'analisi dura 10-30 min
La presenza di un solo segnale all'HPLC è criterio per la purezza del peptide
- metodo analitico (< 1 mg)
- fase inversa
La cromatografia a fase inversa usa una fase stazionaria NON polare ed una fase mobile polare.
44 I
peptidi idrofili vengono eluiti rapidamente, quelli lipofili hanno tempi di ritenzione più lunghi.
22
29/11/2010
Il supporto consiste di granelli di silice ( < 10 mm), in cui i gruppi Si-OH presenti sulla superficie
sono stati sililati per trattamento con RMe2SiCl.
Si(CH3)2R
CH3
H3C
OH
HO
HO
Si Cl
O
R
OH
R(CH3)2 Si
OH
O
R(CH3)2 Si
R = catena idrocarburica
O
O
O
Si(CH3)2R
O
Si(CH3)2R
O
O
O
O
Più lungo è R, più lipofila è la colonna
campione in solvente polare
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
eluente
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
acqua con quantità crescenti di un solvente
meno polare (MeCN, MeOH, i-PrOH), a pH
costante e vicino alla neutralità.
O
O
-----------------------
45
HPLC tipico
Il campione viene iniettato (I). A questo
punto inizia il gradiente del solvente. A è il
peptide più idrofilo, D il più lipofilo.
46
23
29/11/2010
RIVELAZIONE DEI PEPTIDI
1. METODI NON DISTRUTTIVI
Assorbimento nell'ultravioletto
λmax ~ 214 nm (π
π* del carbonile ammidico)
di solito si usano λ 230 o 254 nm (spalla), perché la maggior parte degli eluenti ha assorbimento
significativo a 210 nm. Se ci sono sostituenti aromatici (Phe, Tyr), si usa λ = 280 nm
Indice di rifrazione
Quando nell'eluente è presente un composto, cambia l'indice di rifrazione (RI refractive index) del
solvente. Metodo molto sensibile, non può essere usato con gradiente di solventi
Rotazione ottica (OR)
La presenza di C chirali nei peptidi fa sì che questi ruotino la luce polarizzata
rivelatori OR laser, molto sensibili
I metodi non distruttivi non si possono usare per l'analisi di elettroforetogrammi
47
2. METODI DISTRUTTIVI
O
O
Ninidrina
H2O
O
OH
OH
O
O
conferisce una colorazione caratteristica viola-porpora
R
O
O
CH
R
O + H2N CH CO2H
N
H2O
O
R
O-
CH
N
H2O, H+
OH
NH2 +
H
O
R
C
O
OH
O
..
NH2
+
H
OH
O
CO2, H+
Solo l’N del residuo Nterminale viene
incorporato nel prodotto:
il saggio non permette di
distringuere tra i vari
amminoacidi (o peptidi)
O
O
O
O
O
C
O
N
O
H2O
O
O
λmax= 570 nm
48
24
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Fluorescammina
R
O
O
O
reagisce con qualsiasi gruppo -NH2
N
+ RNH2
assorbe a 390 nm
riemette a 475 nm
OH O
CO2H
O
Il metodo è molto sensibile, in grado di rivelare picomoli (10-12 moli)
Cloruro di dansile
H3C
N
CH3
H3C
N
reagisce con qualsiasi gruppo -NH2
CH3
+ RNH2
assorbe nell'UV
SO2Cl
SO2 NHR
Il metodo è in grado di rivelare < 1 μg (10-8 moli) di qualsiasi amminoacido (o peptide)
1,2-Benzendicarbaldeide (Aldeide ftalica, OPA o-phthalaldehyde)
in presenza di mercaptoetanolo, reagisce con qualsiasi gruppo -NH2
CHO
HS
S
OH
+ RNH2
OH
assorbe a 340 nm
riemette a 450 nm
N R
CHO
49
I metodi distruttivi sono accettabili solo se si usano piccole quantità di materiale.
Se si sta usando l'elettroforesi per purificare i peptidi, si può rimuovere una sottile
striscia di carta, sulla quale vengono visualizzati i peptidi
A
BC
D
A
B
C
------------------------------
D
A
BC
D
Una volta visualizzati i peptidi, si deduce la loro posizione sull'elettroforetogramma, si ritagliano
le strisce contenenti i peptidi, che vengono recuperati lavandoli via con un solvente.
La purificazione di un pentapeptide incognito verrà ottenuta con più passaggi successivi,
iniziando con quelli che permettono di trattare grandi quantità di materiale e passando poi
a tecniche che abbiano risoluzione sempre maggiore, man mano che diminuisce la
quantità di campione.
Una sequenza tipica può essere:
1. Dialisi: per rimuovere le proteine
2. Gel filtration: dà una purificazione significativa ed un PM approssimato
3. Cromatografia a scambio ionico: permette di trattare quantità relativamente
grandi di materiale.
4. HPLC in fase inversa: metodo ottimo per purificare quantità piccole di
peptidi
5. Elettroforesi su carta: per controllare la purezza del peptide e, se
50
necessario, per isolare in piccola scala il peptide veramente puro.
25
29/11/2010
ANALISI DEI PEPTIDI
L’analisi dei peptidi consiste nell’individuare gli amminoacidi presenti e nel determinare la
sequenza con cui sono legati fra loro
ANALISI DEGLI AMMINOACIDI
1. Idrolisi totale dei peptidi
I gruppi ammidici sono relativamente poco reattivi e
possono essere idrolizzati incondizioni fortemente acide
o basiche od usando enzimi specifici.
a) Idrolisi acida
E' il metodo più usato per l'idrolisi totale dei peptidi allo scopo di
analizzare gli amminoacidi
Condizioni standard: HCl acquoso 6M 110°C, 24 ore
pompa da
vuoto
riscaldato
a 110°C
per 24 ore
HCl 6 M
La reazione si esegue di solito in un
tubo di vetro sigillato, che prima di
essere chiuso viene accuratamente
degassato.
fiamma
campione di peptide
Al termine il tubo viene rotto, il solvente viene
evaporato, lasciando gli amminoacidi che
costituivano il campione.
51
Alcuni amminoacidi possono essere distrutti nelle condizioni di idrolisi acida:
- Ser e Thr si disidratano ad alcheni (di solito le perdite non sono gravi)
- Met, Cys e Cys2 si ossidano facilmente a 110°C. Non basta degassare, bisogna flussare
accuratamente con azoto.
- Trp viene completamente distrutto.
Anche le catene laterali ammidiche vengono idrolizzate: l'asparagina ad acido aspartico, la
glutammina ad acido glutammico.
b) Idrolisi basica
Condizioni standard: NaOH 2 M in acqua, 100°C.
Arginina, cisteina, serina e treonina sono completamente distrutte, il triptofano no.
c) Idrolisi enzimatica
Gli enzimi peptidasi scindono i legami ammidici
Condizioni standard: pH 7, 37°C, quantità catalitica di enzima
Amminopeptidasi
Carbossipeptidasi
scindono (velocemente) i legami peptidici, liberando gli amminoacidi
uno dopo l'altro, a partire dal residuo N-terminale. La scissione si
interrompe tutte le volte che si arriva:
- ad un residuo Pro: il gruppo amminico è secondario e la
catena laterale non può entrare nel sito attivo dell'enzima
- ad un D-amminoacido: la configurazione D impedisce alla
catena laterale di entrare nella tasca del sito catalitico.
scindono (lentamente) i legami peptidici, liberando gli amminoacidi
uno dopo l'altro, a partire dal residuo C-terminale.
52
26
29/11/2010
2. Separazione degli amminoacidi
Eseguita l'idrolisi totale del peptide, il problema successivo è separare gli amminoacidi
liberati.
a) Cromatografia a scambio ionico
Di solito si usano solfonati (resine a scambio di catione).
I tempi di ritenzione relativi sono influenzati dalla carica complessiva
dell'amminoacido.
Gli amminoacidi si separano in base alla carica complessiva.
Si raccolgono più frazioni che poi si analizzano
Supponiamo di avere Gly, Phe, Lys e Glu
a pH 7
Gly: ha H come catena laterale; praticamente non carico
Phe: ha CH2Ph come catena laterale (effetto -I); praticamente non carico
Glu: ha un altro gruppo acido; complessivamente ha una carica negativa
Lys: ha un altro gruppo amminico; complessivamente ha una carica positiva.
Ordine di eluizione a pH 7
Glu (carica complessiva -1)
Gly e Phe (carica complessiva 0)
Lys (carica complessiva +1)
53
a pH 2
A pH 2 gli amminoacidi non avranno cariche intere, perché è un valore di pH più acido del punto
isoelettrico.
Gly + 0.7, Phe + 0.4, Glu + 0.6, Lys + 1.6
Ordine di eluizione a pH 2
Phe, Glu, Gly, Lys
eluizione molto lenta (anche
alcuni giorni)
Per separare tutti gli aminoacidi in tempi ragionevoli, nel corso della eluizione il
pH viene gradualmente aumentato da 3 a 10: vengono eluiti prima gli amminoacidi
acidi, poi quelli neutri ed infine quelli basici
La cromatografia a scambio ionico si può effettuare automaticamente, con un analizzatore di
amminoacidi. Le frazioni raccolte sono esaminate spettrofotometricamente, dopo aggiunta di
ninidrina, a 570 nm (sapendo il coefficiente di estinzione molare, si conosce anche la
54
concentrazione.
27
29/11/2010
pH 3.25
A
a 570 nm
Cys
Asp
pH 4.25
Ser
Thr
Glu
(eluente +
ninidrina)
Met
Val
Leu
Ile
Gly Ala
pH 9.0
Tyr Phe
Trp NH
His Lys 3
Cys
Arg
2
Pro
Volume di eluizione, ml
Cromatografia a scambio di catione per la separazione di quantità equimolari degli aa codificati dal DNA
A
(eluente +
ninidrina)
Volume di eluizione, ml
A = Glu, B = Gly, C = Phe, D = Lys, E = ammoniaca
Gli amminoacidi ottenuti dall'idrolisi totale di un peptide, fatti passare attraverso una colonna
a scambio di catione, vengono identificati per confronto con gli standard.
b) HPLC
L'HPLC in fase inversa è particolarmente efficiente per separare gli amminoacidi, che si possono
rivelare con la ninidrina o facendone i fluorenilmetossicarbonilderivati, che assorbono a circa 280
nm.
R
+
H2N
CO2H
λ = 280 nm
O
O
O
O
Cl
cloruro di fluorenilmetossicarbonile
R
NH
CO2H
Derivato Fmoc dell'amminoacido
(Fmoc-Cl)
vantaggi
si usano strumenti HPLC standard e si rivelano tutti gli amminoacidi, compresa la
prolina.
c) Gascromatografia
Gli amminoacidi, esistendo generalmente come ioni dipolari, non sono volatili e vanno trasformati
in derivati volatili per poter essere analizzati via GC.
1. EtOH, H+
2. (CF3CO)2O
R
H2N
O
F 3C
CO2H
Me3SiCl
Et3N
R
N
H
CO2Et
R
Me3 Si
N
H
CO2SiMe3
Generalmente la temperatura della colonna viene aumentata con il tempo
56
28
29/11/2010
(+)
fiamma
Registratore
(-)
H2
O2
Rivelatore ad ionizzazione di fiamma: il
gas
di
trasporto
(eluente)
viene
convogliato su una fiamma che brucia in
una camera, attraverso la quale è
applicata una differenza di potenziale: la
corrente dipenderà dal numero di
particelle ionizzate prodotte dalla fiamma.
gas dal GC
Gly
(92°C)
Quantità
rivelata
Glu
(148°C)
Phe
(135°C)
Lys
(170°C)
vantaggi
Si possono usare gli strumenti GC standard.
Si possono rivelare tutti gli amminoacidi
(anche se danno risposte diverse al f.i.d.)
Il GC può essere direttamente collegato ad
uno spettrometro di massa
Tempo di ritenzione, min
Analisi GC dei trifluoroacetammido esteri degli aa
57
d) Elettroforesi su carta
La tecnica si effettua caricarndo la miscela di amminoacidi su una striscia di carta che viene
poi imbevuta con un tampone acquoso ad un pH opportuno. Quando alla carta si applica una
differenza di potenziale, gli amminoacidi con carica globale positiva migrano verso il catodo,
quelli con carica globale negativa migrano verso l'anodo.
(-)
(+)
il campione
Phe
viene
Lys applicato Gly
qui
Svantaggi:
Vantaggi:
elettroforesi a pH 8
Glu
scarsa risoluzionemolto difficile eseguire un'analisi quantitativa
☺ utile per separare amminoacidi insoliti
☺ utile per separare amminoacidi marcati con isotopi radioattivi
58
29
29/11/2010
a) Cromatografia su carta
La cellulosa funziona da supporto e l'acqua ad essa legata (legame idrogeno) fa da
fase stazionaria. Si usa un eluente acquoso (cromatografia di ripartizione).
La cromatografia su carta separa gli amminoacidi in base alla polarità. Gli amminoacidi
meno polari vengono eluiti più rapidamente.
Al termine dell’eluizione ai spruzza ninidrina, che dà una macchia violetta in
corrispondenza degli amminoacidi.
Eluenti tipici contengono:
- acqua
- soluzione ammoniacale (per aumentare il pH)
- acido acetico (per diminuire il pH)
- 1-butanolo (per diminuire la costante dielettrica).
59
Se non si riesce a separare completamente gli amminoacidi con la cromatografia su carta, si
può tentare una cromatografia bidimensionale.
Si fa correre l'eluente in una direzione, si asciuga la carta, si cambia eluente e si fa
correre in direzione perpendicolare alla precedente.
S
O
L
V
E
N
T
E
1 Glu
2 Ser
3 Gly
4 Thr
5 Lys
6 Ala
7 Arg
8 Tyr
9 Val
10 Pro
B
SOLVENTE A
Cromatografia su carta in due dimensioni di una miscela di 10 a
60
30
29/11/2010
DETERMINAZIONE DELLA SEQUENZA
1. Analisi dei residui alle estremità del peptide
I residui alle estremità sono gli unici che hanno, rispettivamente, il gruppo aminico ed il gruppo
carbossilico liberi (a parte quelli che li contengono nelle catene laterali).
Si modificano chimicamente questi gruppi funzionali, si esegue l'idrolisi del
peptide: gli amminoacidi alle estremità vengono liberati in forma modificata
Residuo N-terminale
a. Metodo di Sanger
I gruppi amminici primari e secondari sono abbastanza nucleofili da dare
reazionecon il 2,4-dinitrofluorobenzene (reagente di Sanger), dando i 2,4dinitrofenil derivati (DNP, dinitrophenyl)
H H
F
..
R NH2 +
R
NO2
NH
F
R N
+
NO2
NO2
-
HF
NO2
NO2
NO2
Perché 2,4-dinitro?
Perché F?
Frederick Sanger
Il gruppo DNP è stabile all'idrolisi acida. Idrolizzando il peptide, si liberano gli amminoacidi: l’unico
con DNP in α è il residuo N-terminale.
F
CO2H
NO2
CO2H
H
N
H2N
O
N
H
O
O
H
N
NO2
CO2H
N
H
O
H
N
NH
O
O
O2N
H
N
N
H
O
N
H
O
CO2H
SMe
SMe
NO2
NH
NO2
NH2
Asp-Met-Phe-Lys-Ala
NO2
CO2H
H2O, H+
+
H3N
O
OH
+
OH
NH
H3N
O
O2N
O
OH
+
+
NH
NO2
+
SMe
+
+
H3N
OH
+
H3N
CO2H
O
NO2
DNP-Asp
Lys(DNP)
NO2
Met
Phe
Ala
Provenendo dall’idrolisi acida, gli amminoacidi sono in forma cationica!
31
29/11/2010
L'identificazione si fa per confronto con i DNP derivati degli amminoacidi.
Gli amminoacidi che hanno gruppi amminici in catena laterale saranno sostituit in una
posizione diversa dalla α.
CO2H
H2N α
O2N
γ
β
ε NH
δ
CO2H
N
NO2 H
NO2
derivato Nε-DNP
NH
NO2
derivato Nα,Nε-bis-DNP
(tutti i residui di Lys)
(Lys N-terminale)
NO2
NO2
l processo di identificazione si può migliorare estraendo i DNP derivaticon solventi organici
(cloroformio, acetato di etile).
Più recentemente il cloruro di dansile viene utilizzato a preferenza del
reagente di Sanger (i derivati hanno forte assorbimento nell'UV).
H3C
N
CH3
H3C
N
CH3
+ RNH2
SO2Cl
SO2 NHR
Residuo C-terminale
L'identificazione dell'estremità carbossilica è meno facile
a. trattamento con NH2NH2
L'idrazina (Nu forte) attacca tutti i legami ammidici e come base dà l'anione carbossilato. L’unico
carbossile libero al termine della reazione è quello del residuo C-terminale (o un carbossile in
catena laterale)
H
N
Asp Met Phe
O
N
H
H
N
Asp Met Phe
CO2H
..
H2N
+
NH NH2
+
NH2
H2N
NH2
Asp NH NH2
O
Met NH NH2
+
NH2
Phe NH NH2
CO2
H2N
NH2
+
Lys NH NH2
b. trattamento con LiBH4
Tutti i gruppi carbossilici si trasformano in esteri metilici: il trattamento con LiBH4 riduce le
funzioni esteree, ma non quelle ammidiche.
O
Asp Met Phe Lys
O
MeOH, H+
N
H
CO2H
Asp Met Phe Lys
N
H
CO2CH3
32
29/11/2010
O
CO2CH3
N
H
Asp Met Phe Lys
O
LiBH4
CH2OH
N
H
Asp Met Phe Lys
Per idrolisi totale del peptide modificato, si ottengono gli amminoacidi ed un amminoalcool
(quello dal residuo C-terminale)
H2O, H+
Asp + Met + Phe + Lys +
Δ
H2N
estraibile con solvente
organico (etossietano)
a pH 11
CH2OH
I metodi non sono molto sensibili ed il limite inferiore è circa 10μg.
2. Rimozione dei residui uno alla volta
Residuo N-terminale
Degradazione di Edman
reagente:
isotiocianato di fenile
S
N
C
P. V. Edman
(1916-1977 )
N
C
S
R
+
H
N
H2N
S
R
H
C +
N
N
N
Peptide
H H O
S
HN
Peptide
O
R
C
N
H
S-
H
N
Peptide
O
R
H
C +
N
N
N
Peptide
H H O
tiourea
Si aggiunge HCl 6 M che distrugge l'eccesso di Ph-N=C=S e promuove la reazione successiva
S
HN
C
R
N
H
H
N
H+
Peptide
H2N
Peptide +
HN
N
O
R
S
con un residuo in
meno rispetto al
peptide iniziale
H
O
S
N
O
N
H
R
H
derivato della
feniltioidantoina
(termodinamicamente più stabile)
La tioidantoina si estrae con un solvente organico e si identifica per confronto con le tioidantoine
preparate con i vari amminoacidi.
33
29/11/2010
Esempio:
CO2H
H
N
H2N
N
O
H
N
N
H
O
1.
O
N
H
O
CO2H
C
S
S
+
HN
N
2. H+
CO2H
+
O
H3N
N
H
O
O
H
N
SMe
SMe
O
+
H3N
N
H
N
O
H
N
CO 2 H
N
H
O
C
1.
HN
H
N
+ H3 N
N
H
NH3
+
Phe-Lys-Ala
CO2H
N
1.
C
+
+
S
S
HN
2. H+
+
Phe-Lys-Ala
CO 2 H
O
H3N
N
CO2H
N
H
+
O
Lys-Ala
NH3
+
NH3
N
H
CO2H
N
1.
S
C
HN
S
+
N
+
2. H+
Lys-Ala
NH3
O
H3N
Svantaggi
N
H
O
O
O
O
Vantaggi:
O
H
N
+
N
3
S
+
Met-Phe-Lys-Ala
+
S
S
2. H+
SMe
H3 N
+ NH
Met-Phe-Lys-Ala
NH2
Asp-Met-Phe-Lys-Ala
CO2H
N
H
O
H3N
O
CO2H
N
+ H3
Ala
+
NH3
☺ con 50 μg si può ricostruire la sequenza di un pentapeptide
☺ il processo è stato automatizzato
non è abbastanza sensibile per le piccole quantità di peptide
spesso a disposizione
con la ripetizione del ciclo di reazione il peptide rimanente
contiene sempre più impurezze e dopo 20 residui i risultati
possono essere ambigui
è necessario che l'estremità contenga il gruppo amminico
libero (ed in molti peptidi naturali non è così).
Se si deve ricostruire la sequenza di un peptide contenente più di 20-30 residui di amminoacidi, si effettua una
scissione parziale a peptidi più piccoli.
34
29/11/2010
Residuo C-terminale
La carbossipeptidasi scinde gli amminoacidi uno alla volta, partendo dal residuo C-terminale.
L'idrolisi è abbastanza lenta ed interrompendola intempi successivi (per es., per acidificazione)
è possibile determinare i primi residui dagli amminoacidi liberati.
Esempio: Usando la carbossipeptidasi sul pentapeptide Asp-Met-Phe-Lys-Ala, si ottengono i
seguenti risultati:
tempo di reazione (min)
Aa liberati (equivalenti)
2
6
20
60
Ala (0.34)
Ala (0.73) Lys (0.17)
Ala (0.96), Lys (0.52), Phe (0.07)
Ala (0.96), Lys (0.52), Phe (0.07) Met (0.12)
Con il procedere del tempo, le diverse velocità di idrolisi determinano un quadro più complesso.
Di solito non è possibile risalire la sequenza per più di 3-5 residui.
3. Idrolisi parziale
L'idrolisi parziale (chimica o enzimatica) scinde il peptide in peptidi più piccoli, di cui è più facile
ricostruire la sequenza: la struttura del peptide iniziale si ricostruisce trovando i punti in comune
dei peptidi più piccoli.
Ala-Phe-Gly-Glu-Phe-Ser-Ser-Phe
Esempio
ottapeptide
idrolisi parziale
eptapeptidi + amminoacidi
Ala + Phe-Gly-Glu-Phe-Ser-Ser-Phe + Ala-Phe-Gly-Glu-Phe-Ser-Ser + Phe
esapeptidi + dipeptidi
Ala-Phe + Gly-Glu-Phe-Ser-Ser-Phe + Ala-Phe-Gly-Glu-Phe-Ser + Ser-Phe
pentapeptidi, tripeptidi
Si raccolgono tutti i peptidi della stessa lunghezza: per esempio i tripeptidi
Ala-Phe-Gly-Glu-Phe-Ser-Ser-Phe
Ala-Phe-Gly
Glu-Phe-Ser
Phe-Gly-Glu
Phe-Ser-Ser
Gly-Glu-Phe
Ser-Ser-Phe
Ala-Phe-Gly
Phe-Gly-Glu
Gly-Glu-Phe
Glu-Phe-Ser
Phe-Ser-Ser
Ser-Ser-Phe
Un peptide (o una proteina) può essere idrolizzato parzialmente anche usando enzimi, detti
endopeptidasi, che catalizzano l’idrolisi di un legame ammidico non terminale
Idrolisi enzimatica
Enzima
Tripsina
Chimitripsina
Elastasi
Specificità
idrolizza dal lato carbonilico di Arg e Lys
idrolizza dal lato carbonilico di amminoacidi contenenti
anelli aromatici a 6 termini (Phe, Tyr, Trp)
idrolizza dal lato carbonilico di piccoli amminoacidi (Gly, Ala)
35
29/11/2010
SINTESI DEI PEPTIDI
-confermare la struttura di un peptide naturale
- preparare quantità relativamente grandi di peptidi rari
- preparare peptidi nuovi
La sintesi dei peptidi permette di:
Supponiamo di dover preparare il pentapeptide Glp-Phe-Gly-Gly-Lys partendo da L-amminoacidi
facilmente disponibili.
+
H3N
Affrontiamo il problema iniziando
ad unire insieme due residui a
partire da quello C-terminale: si
tratta di fare il dipeptide Gly-Lys
H3N
+
CO-2 +
CO2
?
H
N
H3N
+
CO2
O
NH2
NH2
si può pensare di trasformare la glicina nel suo cloruro acilico e poi di aggiungere la lisina
Se però si fa questa reazione:
H3N
+
CO-2 + SOCl2
H
N
NH2
H2 N
Cl
H2N
CO2
H2N
O
O
+
NH
H2N
+ polimeri della Gly
NH2
CO2
H2N
CO2
O
+ polimeri
oltre al dipeptide desiderato si formano un centinaio di sottoprodotti!
Per formare un dipeptide dagli amminoacidi che lo costituiscono, bisogna proteggere tutti i
gruppi funzionali, tranne quelli che dovranno essere coinvolti nella formazione del legame
ammidico
?
H2N
CO2
Gly-Lys
H2N
CO-2
+
NH2
posizioni che devono essere protette per avere l'accoppiamento corretto
si devono scegliere gruppi protettori che si possano rimuovere senza rompere il legame
peptidico appena formato
- Protezione del gruppo amminico
si ottiene diminuendo la nucleofilicità dell'N, trasformando il gruppo amminico in
alcossicarbonil derivato
R
NH
O
R = PhCH2, t-Bu, Et
O
Cambiando R, la deprotezione si può ottenere
con varie condizioni blande.
- Protezione del gruppo carbossilico
si ottiene trasformando l'acido nell'estere corrispondente (gli esteri sono più reattivi
delle ammidi)
36
29/11/2010
La sintesi del dipeptide Gly-Lys si può perciò effettuare nel modo seguente
O
Gly
Et O
Cl
N
H
H2N
H
O
O
Et O
CO2Me
N
H
CO2Me
N
1. OH-, H2O
O
2. H+ acquoso
O Et
HN
Lys
Gly-Lys
O
O Et
HN
O
uesta strategia funziona bene per preparare il dipeptide. Se però si vuole continuare la sintesi di un
peptide più lungo, bisogna introdurre di nuovo i gruppi protettori: sarebbe meglio poter rimuovere
solo il gruppo protettore dell'NH2 in α
H
N
O
R' O
Gly
N
H
CO2R
H
N
H2N
CO2R
accoppiamento del
residuo successivo (X)
X
all'NH2 libero in α
O
O
rimozione
selettiva di R'
Lys
ecc.
CO2R
O R
HN
O R
HN
Gly Lys OR
O
O
La sintesi dei peptidi si semplifica notevolmente, se si usano due tipi di gruppi protettori, ciascuno
dei quali può essere rimosso selettivamente.
L'uso di gruppi protettori complementari si dice protezione ortogonale
Un esempio di protezione ortogonale si
ha con i bruppi benzile/terz-butile
RCO2H
RCO2R'
RNH2
R
HN
reagente
TFA
H2/Pd-C
×
√
R'=CH2Ph
O R'
√
R'= CMe3 (t-Bu)
O
×
= stabile
√
×
= deprotezione
entrambi i gruppi si possono rimuovere con HBr/AcOH o HF
Combinando i gruppi protettori benzile e t-butile, si può preparare facilmente un dipeptide GlyLys protetto, pronto per le reazioni successive
O
H3C
H3C
C O N
H3C
H
O
H
N
O
O
Boc Gly
O
HN
Lys
OCH2Ph
Z
O
37
29/11/2010
il trattamento con TFA deproteggerà solo il gruppo amminico in α, lasciando protetti il gruppo
carbossilico ed il gruppo amminico in catena laterale. L'NH2 su può accoppiare con il successivo
amminoacido protetto e così via, fino ad ottenere la sequenza desiderata
Il pentapeptide Glp-Phe-Gly-Gly-Lys si può preparare nel modo seguente:
OH
Boc Gly
H
+
Lys OCH2Ph
Z
1. accoppiamento
2. aggiunta di TFA
OH
Boc Gly
+
H
Gly Lys OCH2Ph
Z
1. accoppiamento
2. aggiunta di TFA
Boc Phe
OH
+
H
Gly Gly Lys OCH2Ph
1. accoppiamento Z
2. aggiunta di TFA
OH
Glp
H
+
Phe Gly Gly Lys OCH2Ph
Z
accoppiamento
Phe Gly Gly Lys OCH2Ph
Glp
Z
H2/Pd-C
Glp Phe Gly Gly Lys
Un modo abbreviato di rappresentare la sintesi peptidica è quello di indicare ciascun residuo
con una linea verticale, i legami con linee orizzontali, i gruppi protettori con segmenti diagonali
e mettendo i reagenti tra le strutture:
Glp
Gly
Phe
Lys
Gly
Z
Boc
Boc
Boc
Boc
Boc
Boc
OH
H
accoppiamento
H2/Pd-C
OH H
accoppiamento
TFA
OH
H
accoppiamento
TFA
OH
H
accoppiamento
TFA
Z OCH2Ph
OCH2Ph
Z
OCH2Ph
Z
OCH2Ph
Z
OCH2Ph
Z
OCH2Ph
Z
OCH2Ph
Z
OCH2Ph
OH
38
29/11/2010
- Protezione di altri gruppi
In catena laterale ci possono essere gruppi che devono essere protetti
Amminoacido
protetto
abbreviazione
rimozione
Arg(NO2)
H2/Pd-C
Amminoacido
protetto
abbreviazione
rimozione
NO2
N
NH2
NH
H3N
CO-2
H3N
+
+
Na/NH3liq.
Cys(CH2Ph)
S
CO2
O
N
His(Bom)
N
O
H2/Pd-C
H3N
H3N
+
CO2-
Ser(CH2Ph)
CO-2
HBr/AcOH
o Na/NH3liq.
+
O
Tyr(CH2Ph)
H3N
+
CO-2
HBr/AcOH
o Na/NH3liq.
Tutti questi gruppi protettori sono stabili quando si tratta con TFA. Sono tutti rimuovibili con HF.
INTRODUZIONE DEI GRUPPI PROTETTORI
Spesso costa meno comperare gli amminoacidi già protetti (perché preparati ingrandi quantità).
Dovendoli preparare, i gruppi protettori più comuni si introducono nel modo seguente:
O
O
O
R NH2 +
O
R NH2 +
R CO2H
R CO2H
O
Cl
O
O
+
O
NHR
R
Z
NH
R
Boc
NH
O
NEt3
O
O
OH
+
NEt3
NHR
O
H+
R
O
O
H+
R
O
R CO2CH2Ph
R CO2But
Un problema particolare si presenta quando dobbiamo differenziare due gruppi amminici o due
gruppi carbossilici. La soluzione dipende da quale gruppo si deve proteggere.
39
29/11/2010
Per esempio, la protezione della catena laterale della lisina con Z si può effettuare sul chelato con
un catione, come quello rameico; successivamente il gruppo amminico si protegge con Boc, dopo
aver rimosso il catione
O
CO2
H2N
H2N
H2N ..
Cu2+
2
O
NH2
O
O
. .. O
Cu..
. . NH
O
2
Cl
NEt3
NH2
O
O
N
H
O
.. O
Cu..
. .NH
O
2
H2N .. .
O
H
N
O
O
O
H2S
O
O
O
O
O
O
O
O
N
H
CuS
N
H
NEt3
NH2
H
N
O
O
CO2H
CO2
Boc Lys(Z) OH
FORMAZIONE DEL LEGAME PEPTIDICO
Dovendo formare il legame ammidico tra due amminoacidi, opportunamente
protetti, bisogna trasformare il gruppo OH dell'acido in un buon gruppo uscente
O
O
Boc HN
Boc HN
OH
X
Boc-Gly-X
Boc-Gly-OH
Per gli acidi carbossilici l'attivazione più usata nel passato è stata la trasformazione in cloruri acilici
O
R
O
SOCl2
R
OH
O
R'NH2
Cl
R
NHR'
per la formazione del legame peptidico, se l'attivazione è troppo forte, si
hanno dei problemi, il principale dei quali è la racemizzazione del C α
però
O (-)
O
base
O
R (-)
R
X
X
R
OH
H
otticamente
puro
X
R
acido
X
O
O
X
R
+
H
R
H
X
racemico
40
29/11/2010
L'acido carbossilico libero non dà racemizzazione in ambiente basico, ma il cloruro
acilico la dà, (Cl favorisce la formazione dell'anione)
O
O
H
base
H2 N
N
O
OH
H R
il centro chirale è "al sicuro"
H R
O
H
N
X
H
(dianione sfavorito)
O-
H
N
base
X
racemizzazione
R
R
Con i peptidi (e con gli amminoacidi con il gruppo amminico protetto come ammide semplice)
c'è un altro meccanismo con cui avviene la racemizzazione quando il gruppo OH dell'acido
carbossilico è sostituito con un gruppo uscente molto buono.
O
H
N
=
X
OH
O
R
H
N
..
R
X
O
N
X
R
H
O
H+
O
ossazolone
Gli ossazoloni sono molecole abbastanza reattive e possono fare legame peptidico per trattamento
con l'opportuno composto con il gruppo amminico
N
N
R
H
O
R'
H+
: NH
O
-O
O
2
N
R
O
O
H
N R'
H
O
H
N
R
H
N R'
H
O H
R
N
H
R'
però l'ossazolone dà racemizzazione in condizioni molto blande, soprattutto
inseguito a deprotonazione base-catalizzata, dando un anello aromatico a 6
elettroni π
N
R
:B
N
H
O
BH+
O
O
O
- R
N
- N
R
O
O
R
O
O
-
qualunque formazione di ossazolone potrebbe portare a racemizzazione del centro
chirale, pregiudicando l'integrità del peptide appena preparato
Per ridurre il grado di racemizzazione durante le reazioni di formazione del legame
peptidico si può:
eseguire reazioni di accoppiamento in cui il carbossile attivato sia quello
della glicina (che non è chirale) o della prolina (che non forma ossazolone)
scegliere condizioni di reazione che minimizzino la racemizzazione
(solvente poco polare, pH neutro, bassa temperatura)
scegliere accuratamente le condizioni per attivare il carbossile (v. dopo)
usare nelle reazioni di accoppiamento amminoacidi protetti con gruppi
alcossicarbonile
R'O
H
N
O
O H R
acido
X
}
praticamente nessuna racemizzazione
base
41
29/11/2010
con questi derivati non si osserva praticamente racemizzazione, tranne che in
condizioni molto estreme (si pensa che gli alcossiossazoloni corrispondenti siano
difficili da deprotonare sul C α).
gli amminoacidi protetti con alcossicarbonile possono essere "attivati" e poi
accoppiati con l'amminoacido appropriato, senza rischio di avere racemizzazione.
REAGENTI PER L'ACCOPPIAMENTO PEPTIDICO
DICICLOESILCARBODIIMMIDE (DCC)
R
O
C
OH
N
C
N
+
R
O
C
HN
O C
N
R' NH2 R
O
C
HN
O C
NH
+
NHR'
DCC
dicicloesilurea
La DCC può essere aggiunta direttamente alla miscela di acido ed ammina, perché
con l'ammina dà solo un equilibrio.
La dicicloesilurea è poco solubile e si separa per filtrazione
L'uso della DCC permette di accoppiare un acido ed un'ammina in una reazione
"one-pot" ed è il metodo più semplice di formazione del legame ammidico.
ANIDRIDE
Se l'acido carbossilico si tratta con mezzo equivalente
di DCC, si osserva la formazione del precipitato bianco
di diciloesilurea anche prima dell'aggiunta della DCC,
a causa della formazione di anidride
2
R
O
C
DCC
OH
H2O
R
O
C
O
C
O
R
L'anidride può essere utilizzata per la formazione del legame ammidico
R
O
C
O
C
O
R
+ R' NH
2
R
O
C
+
NHR'
R
O
C
OH
Questo procedimento è molto usato nella sintesi di peptidi, perché la reazione è pulita
ed avviene velocemente (di solito entro un'ora).
Le anidridi simmetriche, formate da acido e DCC, reagiscono con le ammine per
dare ammidi che di solito sono molto pure, ma questo metodo comporta lo spreco
di metà dell'acido carbossilico (costoso).
L'inconveniente si può evitare usando anidridi miste:
R
O
C
O
C
+ H3C
Cl
OH H3C C
CH3
R
O
C
O
C
O
O
CH3 R' NH2
+ (CH3)3CO2H
C
C
R
NHR'
H3C CH3
42
29/11/2010
ESTERE ATTIVO
Gli esteri metilici sono poco reattivi con le ammine e perciò non
sono buoni substrati per la sintesi di peptidi.
la reazione diventa utile con esteri con gruppi OR migliori gruppi uscenti
(maggiore stabilità do RO- )
R
O
C
F
O R' + H2N R'
R
R
O
C
O
C
O F
C
R
O
NO2
O
esteri pentafluorofenilici
(reagiscono in 12 ore)
+ R'O-
F
F
esteri p-nitrofenilici
NHR'
F
(reagiscono in 1 ora)
Alcuni esteri attivi possono essere preparati in situ. Per esempio, l'1-idrossibenzotriazolo e
la DCC vengono fatti reagire con l'acido carbossilico in uno stadio di "pre-attivazione"; la
successiva aggiunta di ammina porta alla formazione pulita dell'ammide desiderata.
N
R
O
C
DCC
HN
C O
N
OH
O
C
N
N
R
HO
R
O
C
N
N
HN
+ O C
HN
O
N
Quando gli esteri attivi vengono fatti reagire con le ammine, si ottengono ammididi
elevata purezza, ma gli esteri attivi possono essere difficili da preparare (o costosi
da comperare).
AZIDI
Le azidi aciliche si possono formare dagli esteri carbossilici per trattamento con
idrazina (che forma l'idrazide dell'acido) ed acido nitroso (fonte di NO+).
R
O
C
O R'
H2N NH2
MeOH
R
O
C
NO+
+
N N N
R
C
O
NH NH2
azide acilica
(stabilizzata per risonanza)
Il gruppo azido è un gruppo uscente moderatamente buono. La reazione con le
ammine avviene in circa 10 ore, dando l'ammide corrispondente.
R
O
C
N3
+ H2N R'
H+, N3-
R
O
C
NHR'
Il metodo dell'azide non viene scelto di solito, perché le azidi aciliche danno reazioni secondarie
(per esempio la trasposizione di Curtius) e la formazione di ammide è piuttosto lenta. Però le azidi
non danno racemizzazione.
La formazione di legame peptidico con azide si usa solo quando la racemizzazione
è un problema serio, soprattutto nell'accoppiamento di due frammenti peptidici.
43
29/11/2010
Riassumendo, i quattro metodi principali di accoppiamento peptidico sono:
Metodo
Forma attivata
R
DCC
Anidride
R
Estere
attivo
O
C
HN
O C
N
O
C
Svantaggi
qualche reazione
secondaria
semplice
O
C
O
R
reazione
molto pulita
sprechi
piuttosto costoso
reazione
molto pulita
esteri attivi costosi
o di non facile
preparazione
F
O
C
R
Vantaggi
NO2
O
O F
C
R
O
F
F
F
Azide
R
assenza di
racemizzazione
nell'accoppiare
frammenti
O
C
N3
numerose reazioni
secondarie
STRATEGIA
Dovendo preparare un peptide, dobbiamo eseguire la sintesi aggiungendo un
amminoacido alla volta o dobbiamo costruire la molecola in pezzi? Ci sono altri
fattori che possono influenzare il progetto della via sintetica?
SINTESI LINEARE o CONVERGENTE ?
Una sintesi di peptide si chiama lineare se la molecola-obbiettivo viene costruita
accoppiando un residuo amminoacidico alla volta.
Una sintesi di peptide convergente comporta la sintesi separata di frammenti
peptidici (contenenti due o più residui) che poi vengono accoppiati, formando il
peptide finale.
Consideriamo la sintesi di un ottapeptide, la cui sequenza di amminoacidi si indichi con:
A-B-C-D-E-F-G-H
Supponiamo di poter garantire una resa del 90% per ciascun passaggio di accoppiamento e
confrontiamo la resa complessiva di una sintesi lineare con quella di una sintesi convergente
Sintesi lineare:
A + B
+ F
+ C
A-B
A-B-C
90%
81%
A-B-C-D-E-F
59%
+ G
+ D
A-B-C-D-E-F-G
53%
+ E
A-B-C-D
A-B-C-D-E
73%
+ H
66%
A-B-C-D-E-F-G-H
48%
44
29/11/2010
Sintesi convergente:
90%
A + B
C + D
A-B
C-D
E + F
G + H
E-F
G-H
}
}
81%
A-B-C-D
73%
}
A-B-C-D-E-F-G-H
E-F-G-H
La resa complessiva mette in evidenza il vantaggio della sintesi convergente.
Il numero di passaggi è lo stesso, ma il metodo lineare fa sì che si abbia a che fare con peptidi
sempre più grandi ad ogni passaggio di accoppiamento, mentre il metodo convergente
permette di eseguire la maggior parte dei passaggi con frammenti relativamente piccoli.
La sintesi convergente dà rese più elevate e comporta la manipolazione di frammenti
peptidici piccoli e facili da maneggiare per la maggior parte dei passaggi.
QUALI FRAMMENTI ACCOPPIARE?
Per la sintesi convergente di un pentapeptide, per esempio Glp-Phe-Gly-Gly-Lys, ci possono
essere strade diverse
Glp-Phe
Glp +
+
Glp-Phe
Phe-Gly
Gly-Gly-Lys
+
+
Gly-Gly
A
C
Gly-Lys
B
+ Lys
Glp-Phe-Gly-Gly-Lys
D
Glp-Phe-Gly
+
Gly-Lys
C'è una strategia significativamente migliore delle altre?
La via D presenta un accoppiamento semplice, perché è coinvolta la
glicina (non chirale): in assenza di problemi di racemizzazione, si può
usare il metodo semplice della DCC. Però i precursori (di- e tri-peptidi)
devono essere preparati con il metodo lineare.
Sintesi lineare
Glp-Phe-Gly
attivazione del residuo C-terminale
H-Gly-Lys-P
P
O
Glp Phe N CH2 C
H
X
Glp-Phe-Gly-Gly-Lys- P
P
(P = gruppo protettore: occorre
proteggere anche la catena laterale
della lisina)
Nel decidere quali frammenti accoppiare, è preferibile scegliere come componente
carbossilico quello che non dà racemizzazione (glicina o prolina) e quindi usare il
metodo semplice della DCC. Se nell'accoppiamento dei frammenti non si può usare
un residuo Glyo Pro C-terminale, bisogna usare l'accoppiamento con l'azide.
LA SINTESI DEL PEPTIDE DEVE INIZIARE DALL'ESTREMITA' N- o C-?
Anche se il metodo complessivo è convergente, quasi sempre richiede qualche sintesi lineare
al suo interno (per es., la via D precedente)
45
29/11/2010
Glp + Phe
Sintesi lineare
dall'estremità
N-terminale
Phe + Gly
Sintesi lineare
Glp Phe
Gly
Phe
Glp
Gly dall'estremità
C-terminale
Glp Phe Gly
E' meglio costruire il peptide "da destra a sinistra", perché si può minimizzare la racemizzazione.
Per la sintesi lineare di peptidi è meglio partire dall'estremità C-terminale, perché gli
amminoacidi protetti con alcossicarbonile si possono attivare facilmente, senza seri
rischi di racemizzazione.
Boc Phe OH + H Gly OCH2Ph
DCC
Boc Phe Gly OCH2Ph
TFA
H Phe Gly OCH2Ph
Glp/DCC
Glp Phe Gly OCH2Ph
H2, Pd/C
Glp Phe Gly
Nonostante i vantaggi della sintesi convergente, in seguito all'avvento della sintesi dei peptidi in fase
solida, la maggior parte della sintesi peptidica si esegue in modo lineare.
SINTESI DEI PEPTIDI IN FASE SOLIDA
Uno dei problemi principali nella sintesi peptidica non sono tanto i passaggi di protezione/
deprotezione o le reazioni di accoppiamento, quanto la necessità di purificare il peptide ad
ogni passaggio, per evitare che si accumulino le impurezze.
Un modo di semplificare notevolmente la purificazione si deve a Merrifield, che ha
sviluppato la tecnica di legare l'estremità C- ad un supporto polimerico insolubile.
Merrifield ha usato un supporto di polistirene trattato con clorometossimetano in
presenza di un acido di Lewis. Questa reazione di Friedel-Crafts dà un polimero
insolubile, in grado di formare un legame di tipo estere benzilico con l'appropriato
derivato di un amminoacido:
Cl
H2C
polimerizzazione
ClCH2OMe
SnCl4
Cl
H2C
Cl
H2C
R
O
Boc N
HR
O
Boc N
H
Boc N
H
O
CH2
CH2
RO
O
CH2
O
Questi polimeri si presentano come palline; l'amminoacido reagisce come se fosse un semplice
estere benzilico; il polimero è insolubile nei solventi organici: il peptide in crescita è l'unica molecola
organica legata alla resina. Tutte le impurezze vengono rimosse per lavaggio.
46
29/11/2010
Si usano metodi di accoppiamento che assicurano reazione completa entro un'ora e si aggiunge
un eccesso (3-5 equivalenti) dell'amminoacido attivato.
Ancora oggi sono è molto usata la combinazione di protezione ed attivazione
originale di Merrifield: protezione del gruppo amminico con Boc, attivazione con DCC,
protezione di tipo benzilico delle catene laterali. Alla fine della sintesi si usa
HBr/AcOH, che rimuove i gruppi protettori benzilici e contemporaneamente stacca il
peptide dalla resina.
R
O
Boc N
H
Durante la sintesi dei peptidi
si esegue il seguente ciclo di
reazioni:
CH2
O
1) TFA
deprotezione
2) lavaggio con DMF
lavaggio
R
O
H 2N
CH2
O
ciclo
completo
R'
1)
Boc N
H
X
accoppiamento
O
2) lavaggio con DMF
Boc N
H
R'
lavaggio
R
O
N
H
O
CH2
O
si ripete
B. Merrifield
Più recentemente sono state sviluppate altre combinazioni di supporto polimerico, di legame
del C-terminale, di protezione e deprotezione.
1. Supporto polimerico
La polimerizzazione radicalica della N,N-dimetilpropenammide (acrilammide), in presenza di un
derivato funzionalizzato e di un agente di "cross-linking" dà un polimero permeabile in solventi come
DMF, che può essere supportato su Kiselguhr (argilla inorganica), per avere sintesi peptidica in
"flusso continuo“ (i reagenti ed il solvente scorrono attraverso una colonna contenente la resina).
O
O
H3C
N
CH3
O
+
H3C
O
O
Me2N
O
polimerizzazione
radicalica
N
CH3
O
H3C
N
Me
O O
Me2 N
O
O
N
H
N
H
agente di cross-linking
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2. Collegamento polimero-peptide
Una modifica in due passaggi del gruppo estere metilico dà un idrossi derivato, a cui si può legare
l'amminoacido C-terminale con un semplice legame estereo
HO
1.
H3C
H2N
NH2
O
O
2.
O
X
O
HH O
N
N
HO
O
O
O
Il legame è labile in ambiente acido ed il peptide finale può essere rilasciato con ac. trifluoroacetico.
3. Protezione
Il gruppo protettore Fmoc si rimuove facilmente in condizioni basiche blande (di solito 20%
azaciloesano).
H2C
Fmoc
R
O
O
N
H
COX
Durante la sintesi il peptide in crescita viene in contatto solo con reagenti blandi ed il trattamento
finale con TFA libera dalla resina il peptide completamente de-protetto.
4. Attivazione
Gli esteri di Dhbt (3,4-diidro-4-osso-1,2,3-benzotriazol-3-ile, 3,4-dihydro-4-oxo-1,2,3benzotriazol-3-yl) si accoppiano abbastanza velocemente con i gruppi amminici liberi
(circa 30 min). Durante la reazione di accoppiamento la resina si colora di giallo e
quando l'accoppiamento è completo il colore scompare.
O
R
Fmoc N
H
O
O
N
N
ODhbt
N
Quattro fattori hanno fatto sì che il metodo in fase solida sia quelloattualmente più usato nella
sintesi dei peptidi
Le sintesi sono veloci: in un giorno si possono facilmente accoppiare 5-10 residui
(la sintesi convenzionale in soluzione di un ottapeptide può richiedere un mese o
più).
I passaggi sono semplici e ripetitivi ed è stato possibile ottimizzare le reazioni fino a
rese di quasi il 100%.
La purificazione mediante HPLC ha permesso di isolare rapidamente peptidi molto
puri.
Dato che il metodo è così semplice e ripetitivo è stato possibile renderlo
completamente automatico. I sintetizzatori automatici dipeptidi sono costosi, ma
adatti per le ditte farmaceutiche, che li possono far funzionare ventiquattro ore
al giorno.
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29/11/2010
La sintesi dei peptidi in fase solida ha però degli inconvenienti
Dopo 15-20 residui le impurezze cominciano a diventare significative
Qualche volta l'accoppiamento può diventare difficile in modo inatteso e
non evidenziato dal metodo, probabilmente per il ripiegamento della catena
peptidica
Ci sono dei limiti alla quantità di peptidi che si possono preparare con
la sintesi in fase solida. La resina non può essere caricata troppo con il
primo residuo, altrimenti diminuisce l'efficienza dell'accoppiamento; 0.5
g di resina (che è la quantità maneggiata nella maggior parte dei
laboratori) possono dare solo 75 mg di un pentapeptide (abbastanza per
semplici prove biologiche, ma non per l'eventuale applicazione medica)
La resina, gli amminoacidi protetti, i reagenti ed i solventi per la
sintesi in fase solida sono molto costosi.
La sintesi dei peptidi in fase solida immobilizza il peptide in crescita su un polimero insolubile, permettendo
una purificazione facile dopo ciascun accoppiamento. E' un metodo veloce ed affidabile per ottenere piccole
quantità (10-100 mg) di peptide per i test biologici. Quantità maggiori di peptide si preparano usando la sintesi
convergente in soluzione.
CARBOIDRATI
Detti anche zuccheri, sono il gruppo più abbondante di biomolecole. Hanno
importanti funzioni biologiche, associate alla loro formazione, alle loro proprietà (da
soli o in combinazione con altre biomolecole) ed alla loro decomposizione.
I carboidrati formati dalle piante a partire da CO2 durante la fotosintesi.
Forniscono quasi tutto il C agli organismi viventi.
Storicamente derivano il nome dalla formula empirica
Cm(H2O)n
Oggi il termine saccaride sta sostituendo il termine zucchero
Sono composti polifunzionali
poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni
Si dividono in zuccheri semplici (monosaccaridi) e zuccheri complessi (disaccaridi, oligosaccaridi,
polisaccaridi), composti dall’unione di più monosaccaridi.
MONOSACCARIDI
non vengono idrolizzati
DISACCARIDI
vengono idrolizzati a 2 unità di monosaccaridi
OLIGOSACCARIDI
vengono idrolizzati a 3÷10 unità di monosaccaridi
POLISACCARIDI
vengono idrolizzati a più di 10 unità di monosaccaridi
NOMENCLATURA
La nomenclatura sistematica dei monosaccaridi richiede la desinenza -osio
monosio
monosi con funzione aldeidica
aldosi
monosi con funzione chetonica
chetosi
l numero di atomi di C (di solito da 3 a 11) si indica con un prefisso prima della desinenza -osio
tri-, tetra-, penta-, esa-, epta-, ecc.
49
29/11/2010
aldoesosio vuol dire: monosio con 6 atomi di C e funzione aldeidica
chetopentosio vuol dire: monosio con 5 atomi di C e funzione chetonica
aldosio più semplice: 2,3-diidrossipropanale
(aldeide glicerica)
H
CHO
OH
CH2 OH
aldotriosio
CH2 OH
C O
CH2 OH
chetosio più semplice: 1,3-diidrossipropanone
(1,2diidrossiacetone)
chetotriosio
gli aldosi con atomi di C da 4 a 6 hanno nomi propri tuttora usati dalla IUPAC.
alcuni chetosi hanno nomi propri
I chetosi sono spesso indicati con la desinenza -ulosio
esulosio vuol dire: chetosio con
6 atomi di carbonio
La desinenza -ulosio può essere preceduta dal prefisso che indica quanti sono gli atomi di
C, dall'indicazione della posizione del carbonile e da una descrizione dellaconfigurazione
degli atomi di C, data con il nome dell'aldosio corrispondente.
i chetosi più comuni sono i 2-chetosi, tanto che spesso il numero 2 si sottintende
Per scrivere i monosi si usa la notazione di Fischer
ALDOSI
CHO
H
D-gliceraldeide
OH
aldotriosio
CH2OH
CHO
H
H
CHO
OH
OH
HO
H
aldotetrosi
CH2OH
CHO
OH
OH
OH
CH2OH
D-ribosio
CHO
HO
H
H
H
OH
OH
CH2OH
D-arabinosio
CHO
CHO
H
OH
OH HO
H
H
OH H
OH HO
H
OH
OH H
OH
H
OH
OH H
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-allosio D-altrosio D-glucosio
CHO
H
H
H
H
Emil Fischer
(1852-1919)
CH2OH
D-treosio
D-eritrosio
H
H
H
H
OH
CHO
aldopentosi
H
HO
H
OH
H
OH
CH2OH
D-xilosio
CHO
HO
HO
H
H
H
OH
CH2OH
D-lixosio
CHO
CHO
CHO
CHO
HO
H
H
OH
H
H
OH HO
H
HO
H
H
H
H
OH H
OH HO
HO
H
HO
H
OH HO
H HO
H
H
OH
H
OH
OH
H
OH H
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-galattosio
D-talosio
D-mannosio
D-idosio
D-gulosio
CHO
HO
HO
H
H
aldoesosi
regola mnemonica: all altruist gladly make gum in gallon tanks
50
29/11/2010
CH2OH
CHETOSI
diidrossiacetone
O
CH2OH
chetotriosio
CHO
H
O
OH
chetotetrosio
CH2OH
D-eritrulosio
CH2OH
CH2OH
O
H
OH
H
OH
CH2OH
Emil Fischer (1852-1919)
O
H
OH
CH2OH
D-xilulosio
HO
H
chetopentosi
D-ribulosio
CH2OH
O
OH
OH
OH
CH2OH
D-psicosio
H
H
H
CH2OH
CH2OH
O
HO
H
H
OH
H
OH
CH2OH
O
H
OH
HO
H
H
OH
CH2OH
CH2OH
HO
HO
H
D-tagatosio
D-sorbosio
D-fruttosio
O
H
H
OH
CH2OH
chetoesosi
I monosi di serie L sono l'IMMAGINE SPECULARE dei corrispondenti monosi di serie D
CHO
CHO
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-glucosio
CHETOSI
HO
H
HO
HO
H
OH
H
H
CH2OH
L-glucosio
CH2OH
O
HO
H
H
OH
H
OH
CH2OH
D-fruttosio
D-arabino-2-esulosio
CHO
H
HO
H
OH
H
OH
CH2OH
D-xilosio
CHO
HO
H
HO
H
OH
H
CH2OH
L-xilosio
CHO
OH
O
H
OH
H
OH
CH2OH
H
D-ribo-3-esulosio
ALDITOLI
Alcuni zuccheri naturali non hanno carbonile e sono noti come alditoli. Vengono chiamati
sostituendo la desinenza -osio con la desinenza -itolo.
51
29/11/2010
CH2OH
H
HO
H
H
D-glucitolo
OH
H
OH
OH
CH2OH
si trova nelle mele e nelle susine
ed è usato industrialmente come
dolcificante
Notare come, pur non essendoci
un’estremità più ossidata, viene ancora
considerato di serie D, perché è
riconoscibile la struttura del D-glucosio
alcuni zuccheri "modificati", biologicamente importanti, hanno nomi propri
CHO
H
H
HO
HO
L-ramnosio;
6-desossi-L-mannosio
OH
OH
H
H
CH3
si trova in amminoglicosidi
antibiotici, polisaccarididi
piante, polisaccaridi batterici
H
OH
OH
H
CH3
L-fucosio;
6-desossi-L-galattosio
si trova in oligosaccaridi
della superficie cellulare
acido neuramminicoacido
CO2H
CO2H
5-ammino-3,5-didesossi-Dglicero-D-galatto-2-nonulonico
O
H
H
H2N
HO
H
H
CHO
HO
H
H
HO
H
OH
H
H
OH
OH
CH2OH
O
H
H
O
C NH
HO
H3C
H
H
CHO
H
HO
HO
H
OH
H
H
OH
CH2OH
D-galattosio
H
OH
H
H
OH
OH
CH2OH
acido N-acetilneuramminico
sono costituenti dei gangliosidi (polimeri della materia grigia cerebrale)
Per indicare la mancanza della funzione ossidrilica si usa la
NOMENCLATURA SOTTRATTIVA (il presisso de(s) indica che, rispetto al
composto di riferimento, manca il gruppo che viene nominato
esempio:
ATTENZIONE: se il gruppo mancante è sostituito
con un H, basta il prefisso sottrattivo. Altrimenti
bisogna indicare ANCHE il gruppo.
Composto di
riferimento
CHO
OH
H
H
OH
H
OH
CH2OH
D-ribosio
CHO
H
H
H
H
OH
OH
CH2OH
2-desossi-D-ribosio
CHO
H
HO
H
H
NH2
H
OH
OH
CH2OH
D-glucosammina
Composto di
riferimento
CHO
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-glucosio
2-ammino-2-desossi-D-glucosio
in molti antibiotici
amminoglicosidici
NB Il nome 2-ammino-D-glucosio
indicherebbe un composto che ha il
gruppo NH2 (come sempre) al posto
dell’H
CHO
H2 N
OH
HO
H
H
H
OH
OH
CH2OH
52
29/11/2010
FORME CICLICHE DEI MONOSI
Le proprietà dei monosi non si possono spiegare solo con le formule scritte
il D-glucosio esiste in due forme cristalline, α e β, che, appena sciolte, hanno
un potere rotatorio specifico diverso; dopo alcune ore in soluzione acquosa
le rotazioni convergono allo stesso valore (mutarotazione).
α-D-glucosio
miscela di equilibrio
+112°
+52.7°
[α]D
β-D-glucosio
+19°
Tutti gli aldosi (tranne la gliceraldeide) mancano dell'assorbimento IR a
circa 1700 cm-1 (stretching del C=O) e del segnale a circa δ 10 nello spettro
1H NMR (H aldeidico)
Il gruppo carbonilico di aldosi e chetosi reagisce con un OH alcoolico, dando un emiacetale
ciclico
H
O
C
CHOH
CHOH
..
CHOH
..
CHOH
CH2OH
emiacetale ciclico a 5 termini
FURANOSIO
O
furano
emiacetale ciclico a 6 termini
PIRANOSIO
O
pirano
Quale OH?
generalmente gli anelli furanosidici si formano rapidamente (controllo cinetico), gli
anelli piranosidici sono più stabili e prevalgono all'equilibrio (controllo termodinamico)
[α]D
α-D-glucosio
miscela di equilibrio
+112°
+52.7°
β-D-glucosio
+19°
Perché sono due le forme cristalline del D-glucosio?
Nu:
la formazione di emiacetale porta ad un nuovo
C chirale,che si chiama carbonio anomerico
C O
Per ciclizzazione si ha quindi la formazione di DUE diastereomeri
i diastereomeri che differiscono solo per la
configurazionedel C anomerico si chiamano
anomeri
La mutarotazione è la conseguenza dell’instaurarsi in soluzione dell’equilibrio degli
anomeri con la forma aperta
CHO
Kα
α-D-glucosio
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
Kβ
β-D-glucosio
53
29/11/2010
Per rappresentare gli emiacetali ciclici si utilizzano diverse notazioni
1. Formule di Fischer
si mantiene la formula proiettiva della catena aperta; anche il nuovo C chirale
ha i legami proiettati a croce; l'O mantiene, rispetto alla catena, la posizione
che aveva l'OH; i legami vengono deformati
H 1 O
1
1
C
H C OH
HO C H
Forma
2
furanosidica
O
O
3
4
5
anomero α
CH2OH
D
OH
CH2OH
CH2OH
anomero β
si chiama α l'anomero in cui ponte O e OH anomerico si trovano dalla stessa
parte rispetto alla catena di atomi di C; β l'anomero in cui si trovano da parti
opposte
H
1
C
1
H C OH
O
1
HO C H
2
Forma
piranosidica
3
O
5
5
anomero α
O
4
OH
OH
2
5
6 CH
CH2OH
D
CH2OH
anomero β
Analogamente per i chetosi:
HO
HO CH2 C OH
C CH2 OH
O
O
1
anomero α
CH2OH
CH2OH
2
C
3
O
CH2OH
anomero β
4
5
..
OH
..
OH
2
6 CH
D
HO CH2 C OH
O
OH
anomero α CH
2
HO
C CH2 OH
O
OH
CH2
anomero β
il C non è chirale, ma per convenzione il ponte
ossigeno si mette a destra della catena
se l'OH che agisce da nucleofilo si trova a sinistra della catena di atomi di C nella proiezione di Fischer della
forma aperta, anche il ponte ossigeno va scritto a sinistra
54
29/11/2010
H
1
H C
2
3
O
HO
anomero α
O
1
C
1
HO C H
4
5
CH2OH
L
OH
O
CH2OH
CH2OH
la definizione di anomeri α e β resta la stessa: l’anomero si chiama
anomero β
α quando OH anomerico e ponte
β
ossigeno si trovano dalla stessa parte rispetto alla catena di atomi di C ( quando OH anomerico e
ponte ossigeno si trovano dalla parte opposta rispetto alla catena di atomi di C
2. Formule di Haworth
Per scrivere il monosio in forma emiacetalica secondo la notazione di Haworth vanno seguite le seguenti regole:
a. Si approssima l'anello ad un piano visto in prospettiva, con i legami sopra e
sotto il piano.
b. L'anello furanosidico si orienta in modo che l'O occupi il vertice in alto ed il C
anomerico (C1 negli aldosi e C2 nei chetosi) si trovi alla sua destra.
c. L'anello piranosidico si orienta in modo che l'O occupi il vertice in alto a destra
ed il C anomerico si trovi alla sua destra
furanosidico
O
C anomerico
C1 negli aldosi
C2 nei chetosi
O
piranosidico
C anomerico
C1 negli aldosi
C2 nei chetosi
Passaggio dalla notazione di Fischer alla notazione di Haworth
a) Si scrive la formula proiettiva di Fischer in modo che tutti i legami che non costituiscono l’anello siano a sinistra
ed a destra della catena di atomi di C
Questo significa cambiare posizione al legame
di CH2OH, senza cambiare la configurazione del
C chirale
1
1
H C OH
H C OH
2
2
3
Esempio: anomero α
H
D
3
O
4
4
5
5
HO CH2
6 CH
2
OH
6
O
H
b) Tutti i legami a sinistra nella formula di Fischer vanno trascritti in alto nella formula di Haworth (e,
ovviamente, tutti i legami a destra vanno scritti in basso)
55
29/11/2010
1
6
H C OH
2
3
O
4
5
HO CH2
6
4
CH2OH
O H
5
H
1
OH
2
3
H
Va notato che con questo procedimento, la forma Dpiranosidica ha il –CH2OH in alto: la forma L-piranosidica
(immagine speculare) deve averlo in basso.
O
CH2OH
D
L
H
CH2OH
O H
H
In ogni caso, anomero α:
CH2OH e OH sono da parti
opposte del piano
CH2OH
O
H
O OH
CH2OH
H
OH
D, α
L, α
Esempio:
H
O
C
H C OH
Scrivere gli anomeri del seguente aldoesosio
H
HO
H
Se non è specificato, vanno scritte le forme
piranosidiche E le forme furanosidiche
H
1C
OH
H
OH
CH2OH
O
H 2 C OH
1
O
H
..
HO
H
1
H C OH
HO C H
2
2
H
OH + O H
OH
3
3
H
OH
H
OH
4
4
H
H
5
5
H
OH
H
OH
6 CH OH
6 CH OH
2
2
β
3
OH
H
..
5
OH
6 CH OH
2
D
4
1
H C OH
2
H
OH
3
H
OHO +
HO 4 H
5
H
6 CH OH
2
α
α
1
HO C H
2
H
OH
O
H 3 OH
4
HO
H
5
H
6 CH OH
2
β
1
1
O
H C OH
2
H
OH
H 3 OH
4
H
5 CHOH
CH2OH
6
H
O
H
H O HC
OH
HO CH2
β
H
1
HO C H
2
H
OH
O H 3 OH
4
CHOH
H
5
CH2OH
W. N. Haworth
1
H C OH
HO C
2
2
H
OH
H
3
3
H
OH O
H
4
4
HO
H
HO
5
5
H
HO CH2
HO CH2
6
6
H
OH
OH O
H
H
6
H
6
O
H
OH
H
O
H
C
OH
OH
HO CH2
OH
H
OH
α
CH2OH
O H
5
H
1
4
H
H
H 3
2 OH
OH OH
HO
α
CH2OH
O OH
H
H
H
H
H
OH OH
HO
β
56
29/11/2010
3. Formule conformazionali
Le forme piranosidiche sono anelli a 6 termini e perciò la rappresentazione più vicina alla
struttura vera deve far uso delle conformazioni a sedia
O
O
Per passare dalle formule di Haworth alle formule conformazionali, i gruppi
legati al di sopra del piano nella formula di Haworth vanno trascritti come
legami assiali ed equatoriali a seconda di quello che è al di sopra del piano
medio nella conformazione a sedia
esempio:
6 CH
2
HO
4
H
5
H
H
3
CH2OH H
1
H
H
O
OH
HO
H
3
4
2
OH
H
OH
5
1
H
OH
6
OH
O H
2 OH
OH
H
HO 6 OH
4 CH2 HO
5
H
H
OH
2
3
H
1
OH
OH
ciascun piranosio può esistere in due conformazioni a sedia che si interconvertono:
l’equilibrio sarà spostato verso la sedia in cui sono minori le interazioni 1,3-diassiali. In
particolare è importante la posizione del gruppo -CH2OH, perché è il più voluminoso e
perché è legato al C5 (legame C-O più corto di C-C).
interazione 1,3
interazioni 1,3
O
4
4C
1
1
O
1
1C
4
4
interazioni 1,3
interazione 1,3
C sta per chair (sedia), il numero in alto a sinistra indica il carbonio al di sopra del
piano medio dell'anello, il numero in basso a destra indica il carbonio al di sotto
del piano medio dell'anello
La conformazione preferita dai D-esapiranosi è spesso la 4C1
CH2OH
HO
HO
CH2OH
O
HO
HO
HO
OH
α-D-glucopiranosio
HOCH OH
2
O
OH
O
OH
HO
HO
HO
β-D-galattopiranosio
β-D-glucopiranosio
esempi di conformazione preferita1C4:
CH2OH
CH2OH
O
HO
OH
OH
HO
α-D-idopiranosio
O
OH
OH
OH
OH
α-D-altropiranosio
57
29/11/2010
Gli L-esapiranosi, che hanno configurazione opposta al C5, generalmente adottano la conformazione 1C4
OH
HO CH2
HO
HO
O
OH
α-L-glucopiranosio
Tornando alla mutarotazione, si può capire la composizione all’equilibrio: l’anomero β ha tutti i
gruppi diversi da H in posizione equatoriale
CH2OH
HO
HO
H
HO
H
H
O
HO
OH
α-D-glucopiranosio
CHO
OH
H
OH
OH
CH2OH
CH2OH
HO
HO
OH
HO
β-D-glucopiranosio
62.6%
0.002%
37.3%
O
sostituenti elettronegativi in posizione anomerica preferiscono
l'orientamento assiale
però
Effetto anomerico
CH2OH
HO
HO
O
HO
R = Me
R=H
O
R
66%
34%
Gli anomeri equatoriali sono
destabilizzati per repulsione
delle coppie elettroniche (o
dei dipoli allineati)
CH2OH
ROH, H+
HO
HO
O
O
HO
R
34%
64%
..
O :
..
O
..
R
O
O
R
H
H
+
O
O
1
O
-O R
R
orbitale p non
legante dell'O
Gli anomeri assiali sono stabilizzati per
risonanza (iperconiugazione)
o per sovrapposizione tra l'orbitale p non
legante dell'O dell'anello e l'orbitale σ*
antilegante del legame C1-O1
O
orbitale antilegante
σ* del legame C1-O1
O
R
con R=H prevale l'anomero equatoriale, perché l'OH è più solvatato di OR e quindi,
considerando anche le molecole di acqua di solvatazione, è più voluminoso di OR.
58
29/11/2010
Tutti i monosi in grado di formare anelli stabili (a 5 e 6 termini) danno mutarotazione
in genere gli anelli a 5 termini si formano più velocemente, gli anelli a 6 termini sono più stabili e
prevalgono all'equilibrio
esempio: composizione all'equilibrio di una soluzione acquosa di D-glucosio
CH2 OH
HO
H
H
O
1C
H 2 C OH
HO
H
H
OH H CHO
HO
3
H
H
OH
5
OH
6 CH OH
2
D
4
CH2OH
CH2OH
HO C H
H
O
C H
O H
O OH
+
OH H
OH H
OH
H
H
H
H OH
H OH
H
OH
CH2 OH
H
OH
H
OH H
HO
H
α-D-glucofuranosio β-D-glucofuranosio
<1%
<1%
CH2OH
O H
H
CHO
HO
OH
+
OH H
H
CH2OH
O OH
H
OH
OH
HO
OH H
H
OH
H
α-D-glucopiranosio
β-D-glucopiranosio
36%
64%
REAZIONI DEI MONOSI
1. Reazioni in ambiente basico
Il tipo di reazione dipende dalla basicità della soluzione acquosa. E’ consigliabile evitare l’ambiente
basico con i monosi.
in ambiente moderatamente basico:
O
H
O
H
C
H
C
H
O
H
O
H
C
H
H aldosio
H
O
aldosio
H
O
O
enolo
H C
H
R
O
R
R
di diversa configurazione
R
chetosio
esempio: tautomeria cheto-enolica del glucosio
CHO
CHO
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-glucosio
NaOH ~10-2M
35°C, 100h
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-glucosio (57%)
CH2OH
CHO
+
HO
HO
H
H
H
H
OH
OH
CH2OH
+ HO
H
H
D-mannosio (3%)
O
H
OH
OH
CH2OH
D-fruttosio (28%)
59
29/11/2010
monosi che differiscono per la configurazione di UN SOLO CARBONIO CHIRALE
EPIMERI
D-glucosio e D-mannosio sono 2-epimeri (cioè
differiscono solo per la configurazione del C2)
in ambiente fortemente basico:
Si ha reazione retro-aldolica del chetosio seguita da condensazione aldolica, con
formazione di 3- e 4-epimeri
CHO
H
HO
H
H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
O
H
Ca(OH)2 1% C OO
HO
H
+
C
H
O
C
H
OH
H
HO
H
OH
H
CH2OH
CH2OH
OH
H
OH
OH
CH2OH
C O
C
OH
H
C
H
H C OH
CH2OH
HO
miscela di prodotti
2. Reazioni con alcooli (formazione di acetali)
La forma emiacetalica dei monosi reagisce con alcooli, in presenza di catalizzatore acido anidro,
dando acetali
HO CH2
+ HO CH2
O OH CH3OH, H
O O CH
3
HO CH2
O OH CH3OH, H+
HO CH2
O O CH
3
gli acetali dei monosi si chiamano glicosidi. Il gruppo R proveniente dall'alcool prende
il nome di aglicone.
Gli agliconi precedono il nome del glicoside. Il nome del singolo
glicoside si ottiene da nome del monosio, sostituendo la desinenza
-osio con la desinmenza -oside.
HO CH2
esempi:
O O CH
3
HO CH2
O
O CH2 CH3
metil-β-D-glicopiranoside
etil-α-D-glicofuranoside
In Natura i glicosidi sono diffusi e spesso gli agliconi sono gruppi complessi
CH2OH
HO
HO
O
OH HO
CH2OH
CH2OH
O
OH
amigdalina
(nei semi di albicocche e mandorle amare)
C
N
HO
HO
O
OCH3
OH
glucovaniglina
(nella vaniglia)
C
H
O
i glicosidi hanno l'anello bloccato e, come tutti gli acetali, sono stabili in ambiente basico
60
29/11/2010
l'interconversione α-β è bloccata e, in linea di principio, si possono isolare quattro glicosidi diversi
CH 2 OH
CH 2 OH
H+
HO
O
O
HO
OH
OH
HO
HO
OH
OH
H+
H+
HO
HO
CH 2 OH
CH 2 OH
O
HO
HO
O+H
H
H2 O
HO
HO
HO
HO
HO CH 3
H+
HO
HO
HO
HO
HO
CH 2 OH
O
O
metil-α-Dglucopiranoside
CH 3
H+
CH 2 OH
HO
O
OH
O
OH CH 3
CH 3
metil-β-Dglucopiranoside
HO CH 3
OH
CH 2 OH
HO
HO
O
CH 2 OH
+
O
OH
H+
H+
CH 2 OH
O
OH
H 2O
CH 2 OH +
O
H
O+
H
O
OH
metil-α-Dglucofuranoside
O
O
OH
CH 3
OH
metil-β-Dglucofuranoside
catalizzatore acido: HCl gassoso ("glicosidazione di Fischer“)
più recentemente: resina a scambio ionico
CH2OH
esempio:
OH
CH2OH
O
HO
resina Dowex H+
O
OH HO
CH2OH
HO
O
OH HO
O CH3
+
+
13%
4%
O
Δ, 45min, MeOH
CH3
OH
OH
CH2OH
OH
D-mannosio
CH2OH
O
O
HO
HO
+ HOHO
O
CH3
separabili per cromatografia
40%
O
8%
CH3
su polvere di cellulosa
HO
HO
D-ribosio e D-arabinosio nella forma piranosidica danno come prodotto principale (per stabilità
termodinamica) li β-D-glicoside; per isolare i furanosidi si deve effettuare la reazione in condizioni
di controllo cinetico
H
CH2OH
OH
O
MeOH/HCl
H
O
si interrompe la reazione non
HO
OH
appena è negativo il saggio
25°C, 4h
OH
per il -CHO
O
CH
OH
3
OH
D-arabinopiranosio
>50%
la glicosidazione degli zuccheri con alcooli è limitata all'uso di alcooli volatili (per
poterli usare in eccesso) e dalla difficoltà di isolare il glicoside desiderato dalla
miscela di prodotti.
61
29/11/2010
3. Reazioni con ammine
Gli aldosi reagiscono con ammoniaca ed ammine primarie e secondarie, dando glicosilammine.
Le glicosilammine si interconvertono rapidamente tra le varie forme cicliche in
soluzione e, anche allo stato solido, sono miscele di composizione incognita.
CH2OH
HO
HO
CH2OH
CH3NH2
O
HO
HO
reflux, 1h
OH
D-glucosio
H
H+
HO
H
H
H+
O
H
OH
N CH3
metil-Dglucosilammina H
H
CH2 N CH3
C O
OH
H
N
CH3
C
C OH
H
OH
OH
CH2OH
HO
H
H
H
HO
H
H
H
N+
C
CH3
OH
H
OH
OH
CH2OH
trasposizione di
Amadori
H
OH
OH
CH2OH
negli alimenti: reazione degli zuccheri con i gruppi amminici di amminoacidi e peptidi
4. Reazioni con derivati dell’amminoniaca
gli aldosi reagiscono con i derivati dell'ammoniaca (reazioni tipiche di -CHO): addizione nucleofila
e perdita di una molecola d’acqua
O
H
N OH
H
C
C
con idrossilammina
H
OH NH2OH
H
OH
HO
H
HO
H
H
OH
H2O
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
D-glucosio
ossima
con fenilidrazina
H
H
HO
H
H
con fenilidrazina, invece, vengono consumate tre
molecole di reagente per ogni molecola di aldosio
O
C
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
PhNHNH2
H2O
N NH
C
H
HO
H
H
H
OH
2 PhNHNH2
H
OH
OH
CH2OH
HO
H
H
N NH
C
N
NH
H
OH
OH
CH2OH
+ NH3
+ H2O
+
NH2
osazone
CH2OH
HO
HO
O
OH
N NH
H
62
29/11/2010
meccanismo:
H
O-
O
..
C
H2N NH
CHOH +
OH
+
H C NH2 NH
CHOH
H
H C NH NH
CHOH
H2O
N NH
H
C
CHOH
tautomeria
H
C
H
N NH
C
N H
C
NH2
H C N NH
HN NH
H C
HO
H2N NH
fenilidrazone
C O
C O H
N H H2N NH
C O
H
CHOH
β-eliminazione
addizione nucleofila
H
N NH
C
NH2
C
C NH NH
NH3, H2O
N NH
osazone
β-eliminazione
addizione nucleofila
coppie di 2-epimeri danno lo stesso osazone (si viene a perdere proprio l’unico
carbonio chirale diverso).
Gli osazoni possono servire per ulteriori trasformazioni
H C N NH
C
H
H2O
N NH
O
C
C O
NaBH4
CH2OH
C O
osone
osazone
E’ possibile da un aldosio ottenere il chetosio con la stessa configurazione dei C chirali, passando
attraverso l’osazone e l’osone e sfruttando la maggiore reattività delle aldeidi rispetto ai chetoni.
5. Reazioni con tioli
I tioli alchilici possono agire da nucleofili nelle reazioni con gli aldosi, senza bisognodi catalisi acida
I dialchil tioacetali si usano quando serve la forma aperta dello zucchero.
Il gruppo aldeidico si ripristina trattando con HgCl2 acquoso.
H
H
HO
H
H
SEt
O
C
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-glucosio
H
H
SEt
OH
HO
H2O/HgCl2
H
H
H
OH
OH
CH2OH
EtSH
H+
CH2OH
HO
HO
O
OH
S CH2 CH3
1-S-etil-1-tio-D-glucopiranosio
D-glucosio dietil
tioacetale
63
29/11/2010
6. Reazioni di riduzione
Gli aldosi sono facilmente ridotti ad alditol con: NaBH4, amalgama di Na, o H2 e
catalizzatore
O
H
H
C
OH
NaBH4
H
H
H
OH
OH
OH
CH2OH
D-allosio
CH2OH
OH
H
H
H
H
oppure
H2, Ni
OH
OH
OH
CH2OH
allitolo
piano di simmetria
gli alditoli, avendo lo stesso gruppo funzionale ( -CH2OH) ad entrambe le estremità, possono
presentare un piano di simmetria
I chetosi possono essere ridotti, con formazione di un nuovo centro chirale e quindi di due alditoli
(diastereomerici).
In casi favorevoli, l'idrogenazione ad elevate pressioni con Ni Raney può essere selettiva, con
formazione di un solo alditolo.
CH2OH
O
esempio:
H
H2
HO
H
HO
H
OH
H
CH2OH
L-sorbosio
Ni Raney
(L-xilo-esulosio)
CH2OH
OH
HO
H
HO
H
OH
H
CH2OH
L-iditolo
>78%
7. Reazioni di ossidazione
a) con Ag(NH3)2OH (saggio degli zuccheri riducenti, saggio di Tollens)
CH2OH
HO
HO
CO2Ag+
O
H
OH
+ Ag°
specchio di argento
H
OH
OH
CH2OH
poiché la reazione avviene in ambiente basico, anche i chetosi
Perché?
danno saggio positivo
OH
HO
H
H
OH
b) con "acqua di bromo“ (Br2 in tampone acquoso a pH 5-6)
gli aldosi (ma NON i chetosi) vengono ossidati ad acidi aldonici (solo la
funzione aldeidica viene ossidata)
La temperatura a cui viene evaporata la miscela della reazione di
ossidazione determina quale prodotto si isola
H
H
HO
H
H
O
HO
C
OH
Br2
H
OH H2O
OH
CH2OH
D-glucosio
H
HO
H
H
O
C
OH
H
OH
OH
CH2OH
acido D-gluconico
isolato a t<25°C
HO
CH2OH
O
OH
CH2OH
O
OH
O
OH
OH
O
OH
D-glucono-γ-lattone
D-glucono-δ-lattone
isolato a t>25°C
isolato a t=25°C
64
29/11/2010
c) con acido nitrico
H
H
gli aldosi (ma NON i chetosi) vengono
ossidati ad acidi aldarici (oltre alla funzione
aldeidica viene ossidato la funzione di
alcool primario)
HO
H
H
HO
O
C
OH
HNO3
H
OH
OH
CH2OH
O
C
H
OH
HO
H
H
H
OH
OH
C
HO
D-glucosio
O
acido D-glucarico
anche gli acidi aldarici (avendo uguali le estremità) possono avere un piano di simmetria
si ossidano anche le funzioni di alcool secondario; la reazione è
utile solo se alcuni degli alcooli secondari sono protetti
con RuO4
d) ossidazione enzimatica
in natura gli aldosi possono essere ossidati enzimaticamente: la funzione aldeidica rimane
inalterata, mentre viene ossidata la funzione di alcool primario
acidi alduronici
H
O
H
HO
H
H
H
C
OH
enzima
H
OH
H
OH
OH
HO
D-glucosio
OH
C
HO
H
H
[O]
H
OH
OH
CH2OH
O
O
C
=
HO
HO
H
H
H
OH
H
HO
C
C
O
O
acido D-glucuronico
H
in realtà non è più di serie D-, ma
viene mantenuto il riferimento al
glucosio
e) con acido periodico (scissione ossidativa)
reazione degli 1,2-dioli
R
R
R
R
R
R
R
IO4-
OH
OH
H2O
R
O
OI
O
R
R C O
+
R C O
R
OH
OH
O
+ IO3- + H2O
1,2-diolo
H
H
O
OHO
esempio:
IO4-
O
O
O
OH O
CH3
D-glucoside protetto
H
scissione
H
H
IO4-
OH
OH
H
C O +
H
H2O
R
O
O
C O
H
H
H
H
O CH3
O
+ IO3- + H2O
R
1,2-diolo terminale
R
R
H
scissione
H
H
OH
OH
OH
R
triolo
IO4-
C O
H
H2O
+
H
O
H
OH
R
OH
OH
H
H
OH
R
l'aldeide idrata è
formalmente
ancora un 1,2-diolo
HO
IO4-
H
C O
+
H
C O
R
65
29/11/2010
Tutti i legami C-C di un poli-olo vengono scissi, come anche i legami CHOH
adiacenti a C=O
H
H
H
CHO
OH
OH
OH
CH2OH
H
O + H C
HO
+ 4 IO4-
4
H
C
CH2OH
+ 2 IO4-
C O
CH2OH
CH2OH
HO
HO
OH
O CH2OH
C
OH
H
H
O CH OH
2
O
C
H
H
2 HCO2H
H
3 IO4-
O
OH
IO4-
H2O
C
lento
O
C O
H2CO
H
HO
H
H
2
C
H
O + O C
O
O CH OH
2
C
OH + HCO2H
H
H
H2 O
O
H
O
OH
IO4-
OH
C
C
2 HCO2H
OH
H
CH2OH
I legami CHOH adiacenti
ad un acetale o ad un CH2
non vengono scissi
HO
HO
HO
CH2OH
O
OH
O
2 IO4-
CH2OH
O
OR
OR
2 IO4-
per dioli aciclici,
l'isomero treo reagisce
più velocemente
dell'eritro (che dà un
intermedio ciclico con
gli R eclissati)
OH
OH
R
IO4H2O
lento
CH2OH
O
O
HO
H
H
OH
R
diolo treo
OR +
O
O
base
2 IO4-
H
H
R
H
R
O
OI
O
H2CO
CH2OH
O
OH
OH
diolo eritro
CHO
IO4H2O
veloce
R
H
H
R
O
H
CHO
OH
O
OI
O
base
OH
H
R
HCO2H
OR
O
Per dioli ciclici, l'ossidazione con periodato è
più veloce quando i due OH sono in cis tra loro,
perché è più facile la formazione dell'intermedio
ciclico a 5 termini
R
+
O
OH
OH
H
H
O
R
C O
OH
OH
R
+
C O
H
+ IO3- + H2O
O
66
29/11/2010
GRUPPI PROTETTORI dei monosi
1. Esterificazione
i gruppi OH dei monosi vengono acilati con cloruri acilici o con
anidridi (catalisi acida o basica)
acetati
L'acetilazione dei monosi con anidride acetica dà una miscela di anomeri, ma
l'anomero desiderato si può preparare variando le condizioni di reazione
Ac2O
Ac O
Ac O
piridina
CH2OH
HO
HO
O
CH2OAc
O
con piridina (base forte),
l'acetilazione è più veloce
dell'anomerizzazione
OAc OAc
penta-O-acetil-α-D-glucopiranoside
OH OH
CH2OH
α-D-glucosio
HO
HO
Ac2O/AcONa
O
OH
Δ
Ac O
Ac O
CH2OAc
O
OAc
OAc
OH
con AcONa, base più debole, l'acetilazione è lenta, si ha equilibrio tra gli anomeri, dei quali il β
viene acetilato più velocemente (OH meno ingombrato)
Acetilazione del D-galattosio
HO
CH2OH
Ac2O/AcONa
O
OH
Ac2O/ZnCl2
OAc
Ac O
100°C
HO
Ac O
CH2OAc
O
100°C
OAc
OH
Ac O
CH2OAc
O
Ac O
OAc
OAc
ATTENZIONE: se l'acilazione è parziale, si ha migrazione di acetato, che perciò è poco affidabile
come gruppo protettore
esempio:
Ac O
HO
CH2OAc
O
Ac O
OMe
O
CH2OAc
O
CH3I
OMe
Ag2O
O
O
Ac O
Ac O
OMe
H3 C O
O
OH
H 3C
H3C
CH2OAc
O
viene metilata una posizione diversa da quella inizialmente libera
Rimozione
idrolisi acida o basica (attenzione all'ambiente basico!)
Ba(OH)2
CH3ONa in CH3OH
O
C
MeOH
O
CH3
-OCH
zucchero
3
esempio:
Ac O
Ac O
OAc
CH2OAc
O
OMe
zucchero-O-
-O
C
OCH3
+
O
O
CH3
zucchero
MeONa/MeOH
C
OCH3
CH3OH
CH3O-
CH3
CH2OH
HO
HO
O
100%
OH
O
CH3
67
29/11/2010
OAc
Ac O CH
O
2
Ac O
O Ac
in ambiente acido:
HCl (4M)
HO CH2
HO
HO
Me
N
100°C, 45 min
Ac
O
OH
H
ClN Me
+
H
più stabili degli acetati
benzoati
O
C
CH2OH
O
OH
Ph O
Cl
O
Ph O
CH2 Ph
O
O O
piridina
HBr/AcOH
O
CH2 Ph
O
O O
OCH3
OCH3
OH
Br
O
O
O
O
il triacetil derivato
corrispondente è instabile Ph
Ph
Esempio: Preparazione di tetrabenzoati del D-arabinopiranosio
O
H
Cl
O OH
H
Ph
O O
O
OH
Ph
piridina, 0°C
OH
OH
Ph
O
O
O
Ph
O
O
O
piridina, 115°C
Cl
O
H
O
OH
Ph
O
Ph
O
O
Ph
O
piridina, 0°C
OH
OH
OH
Ph
O
O
H
O
O
O
Derivati di diacidi possono reagire con due ossidrili di un monosio, dando diesteri ciclici
carbonati
con fosgene (Cl2C=O)
con clorocarbonato di metile (MeOCOCl)
O
CH2OH
O
H3C
OH
OH
H3C
O
O
OH
Cl
CH2OCO2CH3
O
OCO2CH3
1,5-di-O-metossicarbonilD-ribofuranosio 2,3-carbonato
O
O
Cl
O
O
Rimozione
boronati
HO
HO
MeOCOCl dà derivati
metossicarbonile con gli OH
che non sono dioli adiacenti cis
Idrolisi basica
l'acido benzenboronico, PhB(OH)2, reagisce con dioli 1,3-cis,
dando diesteri ciclici a 6 termini
OH
B
O
OCH3
OH
O
OH
OCH3
O HO
B
O
β-D-xilopiranoside-2,4-fenilboronato
89%
Sono abbastanza stabili di
permettere esterificazioni selettive
Rimozione
alcoolisi o idrolisi in
condizioni neutre
68
29/11/2010
2. Formazione di acetali ciclici
Si formano gli acetali termodinamicamente favoriti. Il prodotto principale della reazione di esosi
con aldeidi è l'acetale ciclico a 6 termini 4,6-O
Con aldeide o chetone, in ambiente acido
H
CHO
HO
HO
CH 2 OH
O
OH
OH
O
O HO
H
ZnCl2
O
O HO
H2 O
OH
42%
D-glucosio
O
O
H
O
+
O
OH
4,6-O-benzilidene-D-glucopiranosio
1,2:4,6-di-O-benzilidene-α-D-glucopiranosio
si estrae con etere
Per reazione degli esosi con chetoni si formano di preferitenza gli acetali ciclici a 5 termini
HO
HO
CH 2 OH
O
Me2CO, H2SO4
OH
OH
H3C
H3 C
O
HO
O
+ HO
O
OH
H 2O
D-glucosio
O
1,2:4,5-di-O-isopropilideneα-D-glucofuranosio
O
OH
O
CH 3
O
O
CH 3
CH 3
CH 3
H2SO4 0.4% in H2O
idrolisi acida; idrogenolisi
(con i benzilideni)
Rimozione
resa 95% estrazione selettiva
con H2O da CH2Cl2
3. Formazione di eteri
MeI + Na; MeI + BaO in DMF; Me2SO4 + NaOH; CH2N2 + BF3.OEt
MeI + MeOH + Ag2O
metilazione di Purdie
NaH + MeI + DMSO
metilazione di Hakomori
esempi:
HO
HO
CH 2 OH
O
OH
CH3I/CH3OH/Ag2O
H3C
O
CH 2 OCH 3
O
O
H3C H C O
3
97%
45°C
OCH 3
metil tetra-O-metil-α-D-glucopiranoside
OCH 3
dopo 4 cicli di
metilazione
metodo limitato agli zuccheri non riducenti, perché Ag2O ossida gli OH emiacetalici a lattoni
metodo blando, richiede parecchi trattamenti per avere metilazione completa
la metilazione di Hakomori usa come base l'anione del DMSO. Si ha metilazione
completa, in pochi minuti, dei gruppi -OH, -NH2, -CO2H
H3C
H3C
O
O
CH3I/CH3SOCH3/NaH
O
O
OH
O
O
O
O
25°C
CH3
CH3
Rimozione
H3C
H3C
O
O
O
CH 3
CH3
CH3
BCl3
69
29/11/2010
4. GLICOSIDAZIONE
La posizione anomerica si protegge formando un glicoside
Arilglicosidi si preparano aggiungendo una soluzione acquosa di fenolo e NaOH
all'alogenoglicoside, completamente protetto (metodo di Koenigs-Knorr)
Ac O
O
O Br
Br-
Ac O
O
Ac O
-
O
O + O
H 3C
Ba(OH)2
Ac OCH OAc
2
O
Ac OCH OAc
2
O
Ac OCH OAc
2
O
NO2
O
HO
CH 2 OH
O
O
OH
β-galattosidasi HO
OH
NO 2
O-
HO
CH 2 OH
O
-OH
HO
O
H 3C
H 3C
+
OH
NO 2
enzima essenziale nel metabolismo del lattosio
Rimozione
NO 2
(giallo)
Idrolisi basica (enzimatica)
SINTESI DEI MONOSI
I monosi di ottengono in abbondanza da fonti naturali (biomasse). Le sintesi sono perciò limitate
alla trasformazione dei composti di origine naturale.
1. Allungamento della catena di un aldosio
A. con cianuro (Sintesi di Kiliani-Fischer)
H
C
H
HO
HO
OH
H
H
CH2OH
-CN
H
HO
HO
L-arabinosio
H
HO
HO
OH
H
H
CH2OH
OH
+
H
H
CH2OH
H2O
H+
si separano per
cristallizzazione
frazionata
coppia di
2-epimeri
OH
H
H
CH2OH
O
C
HO C H
H
HO
HO
H
HO
HO
minore %
maggiore %
HO
C N
HO C H
C N
HO C H
C N
H C OH
O
OH
H
H
CH2OH
Δ
CH2OH
OH
O OH
O
[H]
OH
γ-lattone dell'acido L-gluconico
CH2 OH
OH
O OH
OH
OH L-glucosio
Heinrich Kiliani
(1855 - 1945)
acido L-gluconico
[H] = NaBH4 oppure Na(Hg) in H2O, con CO2 (fa da tampone)
Perché è necessario
un tampone?
70
29/11/2010
B. con nitrometano
H
- CH NO
2
2
H
H
O
O
NO2
C
C
H
H
O
H
OH
H
HO
OH 1. cristallizzazione
C
H
OH
H
OH
CH3NO2
frazionata
H
OH
+
H
OH
HO
H
HO
H
2. base acquosa
HO
H
base
HO
H
HO
H
HO
H
3. H2SO4 conc.
HO
H
HO
H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
L-mannosio
L-glucosio
diastereomeri
L-arabinosio
H
2. Accorciamento della catena di un monosio
A. degradazione di Ruff
H
O
HO
C
H
HO
H
H
O
OH
Br2
H
OH H2O
OH
CH2OH
H
HO
H
H
C
OH
H
OH
OH
CH2OH
Δ
Fe(III)
CO2 +
HO
H
H
H
OH
OH
CH2OH
Otto Ruff
(1871 -1939)
D-arabinosio
acido D-gluconico
D-glucosio
O
H
C
Lo stesso aldopentosio si ottiene per degradazione del 2-epimero del D.glucosio (D-mannosio)
meccanismo:
..
..O
H
H
CO2H
OH
OH
C
H
H
. . ..
O.
.
H C OH
H
OH
OH
OH
e, H+
H
O
C
H
OH
e, H+
CO2
B. degradazione di Wohl
H
O
C
H
HO
H
H
H
N OH
O
C N
H
C
OH
H
OH Ac O,AcONa H
OH
OH
H
N
2
2
H
HO
H
HO
H
H
CH3ONa HO
OH
H
OH
H
OH
H
OH
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H2O
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-glucosio
C
ossima del D-glucosio
cianidrina
D-arabinosio
L’ultimo passaggio sfrutta la reversibilità delle addizioni di nucleofili al carbonile
Alfred Wohl
(1863-1939)
71
29/11/2010
DETERMINAZIONE DELLA DIMENSIONE DELL'ANELLO EMIACETALICO
Prima di tutto è necessario bloccare l'equilibrio tra forma aperta e forma ciclica
Tutti i metodi di determinazione chimica della dimensione dell’anello emiacetalico
richiedono come primo passaggio la trasformazione in acetali.
CHO
OH
OH
OH
OH
CH2OH
CHOH
OH
OH
OH
O
CHOH
OH O
OH
oppure
OH
CH2OH
CH2OH
CH3OH, H+
CHOCH3
CHOCH3
OH
OH
OH
OH
OH
O
oppure
O
OH
CH2OH
CH2OH
si deve identificare quale –OH è stao utilizzato per l’addizione nucleofila al carbonile
1. Con HIO4
Si sfrutta la reattività di –OH adiacenti e la non reattività di –OH adiacenti
ad un acetale.
CHOCH3
OH
OH
OH
O
CHOCH3
oppure
OH
OH
HIO4
OH
CH2OH
CH2OH
2 HIO4
2 HIO4
HCO2H
OCH3
O
H C CH O CH C H
CH2OH
O
O
H2C=O
+
CHOCH3
H C O
O
CHOCH3
H C O
H C O
H C O
H
C
O
+
OCH3
H C CH O CH C H
O
C HO
O
O
CH2OH
(1-formil-1-metossi)metil (1-formil-1-idrossimetil)metil etere
2-(1-formil-1-metossi)metilossipropandiale
I prodotti attesi sono diversi a seconda dell’anello: si effettua la reazione e si verifica quale
prodotto si è formato. Nel caso dell’esempio, la differenza più facilmente riconoscibile è tra
acido metanoico e metanale. Altre volte può cambiare il numero di equivalenti di acido
periodico consumati.
72
29/11/2010
2. Metilazione/ossidazione
Si metilano tutti gli OH liberi, si idrolizza l’acetale e si
identifica l’unica posizione che ha un -OH
oppure
CHOCH3
OH
OH
OH
CHOCH3
OH
OH
O
O
OH
CH2OH
CH2OH
CH3I o (CH3)2SO4, OH-
CHOCH3
OCH3
OCH3O
OCH3
Tutti gli –OH liberi
vengono metilati
CHOCH3
OCH3 O
OCH3
oppure
Perché serve
l’ambiente basico?
OCH3
CH2OCH3
CH2OCH3
H2O, H+
CHO
CHO
OCH3
OCH3
OCH3
OH
CH2OCH3
OCH3
OCH3
OH
OCH3
oppure
Perché si idrolizza
solo un –OCH3?
Il C=O chetonico non si ossida,
ma il legame C-CO si rompe
CH2OCH3
HNO3
CO2H
CO2H
OCH3
OCH3
OCH3
O
CH2OCH3
OCH3
OCH3
OCH3
CO2H
CO2H
CO2H
OCH3
OCH3
O
OCH3
oppure
OCH3
OCH3
CO2H
Si identifica il diacido
più lungo formatosi
nella reazione
CH2OCH3
DETERMINAZIONE DELLA STRUTTURA DEL GLUCOSIO
(E.Fischer, 1896)
Glucosio
4 C chirali
C6H12O6
aldosio
24 = 16 stereoisomeri
Decide di considerare la serie D
8 di serie D, 8 di serie L
CHO
serie D
Questo riduce a 8 le
possibili strutture
OH
CH2OH
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
OH HO
HO
OH HO
OH HO
OH
HO
OH HO
OH
OH HO
OH HO
HO
OH
OH
HO
OH HO
OH HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CHO
Il glucosio ha una di queste otto strutture o è l’immagine speculare di una di queste
strutture
73
29/11/2010
1.
Individuazione del 2-epimero del glucosio
glucosio e mannosio
differiscono solo per la
configurazione del C 2
CH N NH
Glucosio
2.
C
N
Mannosio
NH
Ossidazione ad acido aldarico
glucosio
mannosio
HNO3
HNO3
CHO
acido glucarico
otticamente attivo
acido mannarico
otticamente attivo
CHO
OH HO
OH
OH
OH
CH2OH
CHO
CHO
CHO
CHO
OH
OH HO
OH HO
OH HO
OH HO
OH
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
si possono escludere
tutte quelle coppie di
2-epimeri in cui uno
dei termini dà un
acido aldarico
otticamente inattivo.
CHO
HO
OH
OH HO
OH HO
HO
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CHO
HO
HO
HO
OH
CH2OH
Il numero di strutture possibili per il glucosio si riduce a quattro.
Strutture possibili:
CHO
CHO
OH
OH
OH
HO
OH
OH
CH2OH
3.
HO
OH
CH2OH
CHO
HO
HO
CHO
HO
OH
OH
OH
CH2OH
HO
OH
CH2OH
Individuazione dell'aldopentosio strutturalmente collegato al glucosio
glucosio
degradazione di Ruff
arabinosio (aldopentosio)
mannosio
e ossidazione ad acido aldarico
arabinosio
HNO3
acido arabinarico
si possono escludere tutte quelle
strutture con disposizione degli
OH che darebbe un acido
aldarico otticamente inattivo
otticamente attivo
74
29/11/2010
OH
OH
OH
OH
HO
OH
CHO
CHO
OH
OH
OH
HO
OH
OH
CH2OH
piano di
simmetria
CHO
HO
HO
CHO
HO
OH
HO
OH
OH
CH2OH
OH
CH2OH
HO
OH
CH2OH
Restano solo le strutture:
CHO
CHO
OH HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
4.
Sono le strutture di una coppia di
2-epimeri: una sarà la struttura del
glucosio e l’altra quella del mannosio
e ora ?
con l'ossidazione ad acido aldarico si perde la differenza tra il C1 ed il C6
CO2H
può venire da -CHO oppure da -CH2OH
OH
HO
OH
OH
CO2H
può venire da -CHO oppure da -CH2OH
CH2OH
CHO
OH
HO
OH
OH
CH2OH
OH
HO
OH
OH
CHO
CHO
HO
HO
OH
HO
CH2OH
Lo stesso acido aldarico può venire da due aldoesosi diversi!
75
29/11/2010
CO2H
può venire da -CHO oppure da -CH2OH
OH
OH
CO2H
può venire da -CHO oppure da -CH2OH
HO
HO
CH2OH
CHO
HO
HO
OH
OH
CHO
OH
OH
CH2OH
CHO
HO
HO
HO
HO
OH
OH
CH2OH
Questo acido aldarico può venire da un solo aldoesosio
CHO
L'aldoesosio di struttura
HO
HO
OH
OH
CH2OH
dà un acido aldarico
che non può essere dato da
nessun altro aldoesosio
CHO
L'aldoesosio di struttura
OH
HO
OH
OH
CH2OH
5.
CHO
dà un acido aldarico
che può essere dato da
un altro aldoesosio
quello di struttura
HO
HO
OH
HO
CH2OH
Sperimentalmente:
CHO
L'acido aldarico ottenuto dal mannosio non è
dato da nessun altro aldoesosio
L'acido aldarico ottenuto dal glucosio è
identico all'acido aldarico ottenuto dal gulosio
gulosio
HNO3
stesso acido aldarico
HNO3
glucosio
OH
HO
OH
OH
CH2OH
D-glucosio
76
29/11/2010
POLISACCARIDI
Sono acetali costituiti dall'unione di più unità di monosio.
DISACCARIDI.
I disaccaridi sono acetali costituiti dall'unione di due unità di monosio. Ciò significa
che almeno una delle due unità è legata attraverso il carbonio anomerico.
I disaccaridi si dividono in due famiglie: a) un’unità di monosio è legata attraverso l’OH
emiacetalico e l’altra unità attraverso un OH alcoolico; b) entrambe le unità sono legate
attraverso l’OH emiacetalico.
Quando il disaccaride è costituito da un monosio legato attraverso il
C anomerico,mentre l'altro monosio impegna un qualunque ossidrile
alcoolico, si considera il disccaride come un derivato dello zucchero
riducente
glicosilmonosio
esempio:
4-O-(β -D-ribofuranosil)-D-glucosio
una unità di D-ribosio, in forma β furanosidica,
si lega all'ossigeno in 4 del D-glucosio
Formule di Fischer
H
C OH
HO C H
H
OH
H
OH O HO
O
H
OH
H
OH
H
H
CH2OH
CH2OH
β-D-ribosio
- H2O
H
HO
H
H
H
C OH
OH
O
H
H
H
O
C H
OH O
OH
CH2OH
CH2OH
4-O-(β-D-ribofuranosil)-D-glucosio
D-glucosio
Formule di Haworth
H O H 2C
O
OH
OH OH
β-D-ribosio
CH2OH
O
H
OH H
H
H
- H 2O
H O H 2C
O
O
OH
HO
H
OH
H
D-glucosio
CH2OH
O
H
OH H
H
OH
OH
OH OH
H
4-O-(β-D-ribofuranosil)-D-glucosio
Formule di conformazionali
HO H2C O OH
HO
HO
OH OH
β-D-ribosio
CH2OH
O
OH
- H 2O
CH2OH
O
HO H2C O OHO
OH
OH
OH
D-glucosio
OH OH
4-O-(β-D-ribofuranosil)-D-glucosio
La conformazione del C anomerico dell'unità glucosidica resta indeterminata,
perché, essendo emiacetalico, è soggetto a mutarotazione
Quando entrambi i monosi sono legati attraverso il C anomerico,
ciascuno è un acetale (disaccaride non riducente)
glicosilglicoside
esempio:
α-D-ribofuranosil-β -D-ribofuranoside
due unità di D-ribosio, in forma furanosidica,
sono legate attraverso il C 1 di ciascuna.
La configurazione di entrambi i C anomerici resta bloccata.
77
29/11/2010
Formule di Fischer
H C OH
H
OH O
H
OH
H
CH2OH
HO C H
H
OH O
H
OH
H
CH2OH
α-D-ribosio
β-D-ribosio
- H2O
H C
O
C H
H
OH O
H
OH O
H
OH
H
OH
H
H
CH2OH
CH2OH
α-D-ribofuranosil-β-D-ribofuranoside
Formule di Haworth
HO H2C
O
HO H2C
OH
OH OH
O
OH
- H2O
HO CH2
OH OH
β-D-ribosio
α-D-ribosio
O
O
HO H2C
O
OH OH
OH OH
α-D-ribofuranosil-β-D-ribofuranoside
HO H2C O
oppure:
HO H2C O OH
OH OH
HO H2C O
O
OH
OH OH
α
OH OH
β
HO H2C O
OH OH
Ciascun monosio fa da aglicone all'altro.
NOMENCLATURA ABBREVIATA
Õ Il monosio si indica con le prime tre lettere del nome (inglese), tranne i glucosio,
che viene indicato con Glc (o solo G)
Õ Se si tratta di forme piranosidiche, di solito non si indica; è però peferibile
aggiungere p per piranosidico, f per furanosidico.
ÕI
sostituenti sono indicati con lettere aggiuntive
esempi:
D-GlcN
2-ammino-2-desossi-D-glucosio
D-GlcA6Et
D-glucuronato di etile
I simboli sono preceduti dai prefissi D-, L-, α-, β-.
α-D-ribofuranosil-β -D-ribofuranoside
α-D-Ribf-β-D-Ribf
Da una coppia di esapiranosi identici sono possibili 11 glicosidi disaccaridi
DISACCARIDI PIU’ DIFFUSI IN NATURA
CH2OH
HO
HO
Maltosio
O
OH
CH2OH
O
HO
4-O-(α-D-glucopiranosil)-D-glucosio
α-D-Glcp-(1 4)-D-Glc
O
OH
OH
dall'idrolisi dell'amido
78
29/11/2010
CH2OH
HO
HO
Cellobiosio
CH2OH
O
O
HO
OH
O
4-O-β-D-glucopiranosil-D-glucopiranosio
OH
β-D-Glcp-(1
OH
4)-D-Glc
dall'idrolisi della cellulosa
Trealosio
HO
α-D-glucopiranosil-α-D-glucopiranoside
O
O
HO CH2
O
OH
α-D-Glcp(1
OH
HO OH
OH
CH2 OH
HO
CH2OH
1)-α-D-Glcp
riserva di energia in insetti e funghi (15%
del peso secco)
ci sono anche gli isomeri α,β e β,β
Lattosio
CH2OH
O
O
HO
OH
4-O-β-D-galattopiranosil-α-D-glucopiranosio
O
β-D-Galp-(1
HO
OH
4)-D-Glcp
OH
nei mammiferi (fino all'8.5% nel latte) è il
principale disaccaride libero;
sottoprodotto nella lavorazione del latte
CH2OH
HO
HO
Saccarosio
O
OH
α-D-glucopiranosil-β-D-fruttofuranoside
O
2
HO CH2
α-D-Glcp-(1
OH 4
1
O
3
5
OH
CH2OH
2)-β-D-Fruf
nelle piante: principale risorsa
energetica solubile in acqua
6
non scritto secondo la
notazione di Haworth
CH2OH
HO
HO
α
β
CH2OH
O
OH
HO
HO
OH
CH2OH OH
O
H HO
CH2OH
H
OH H
O
OH
+ H2O
CH2OH O
O
H HO
CH2OH
H
OH H
viene usato nell'industria alimentare, perché, essendo non riducente, nonreagisce
con i gruppi amminici delle proteine
79
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Per idrolisi acida libera glucosio e fruttosio
zucchero "invertito"
CH2OH
HO
HO
O
H2O, H+
o
α
O
β
HO CH2
OH
invertasi
OH
CH2OH OH
O
O
HO
+
+
CH2OH
OH H HO
CH2OH
H
OH
OH
OH
OH
OH H
OH
α-D-glucopiranosio β-D-glucopiranosio β-D-fruttofuranosio
β-D-fruttopiranosio
CH2OH
HO
HO
OH
O
OH
CH2OH
+ HO
HO
O
32%
18%
34%
16%
- 92
+ 52.7
+ 66.5
[α]
CH2OH
O
Il potere rotatorio cambia da positivo a negativo
OLIGOSACCARIDI
I tri- e tetra-saccaridi si trovano in natura in concentrazioni minori di quelle dei disaccaridi.
Gli oligosaccaridi possono essere descritti con la notazione abbreviata simile a quella dei monosi
HO
CH2OH
raffinosio
O
α-D-Galp-(1
HO
OH
O
HO
HO
CH2
zucchero non riducente
O
HO CH2
OH
O
OH
CH2OH
CH2OH
HO
HO
melezitosio
α-D-Glcp-(1
2)-β-D-Fruf
diffuso nelle piante, sottoprodotto del
saccarosio dalla melassa di barbabietola
O
OH
6)-α-D-Glcp-(1
O
CH2OH
OH
OH
O
OH
3)-β-D-Fruf-(2
nel miele e nell'essudato di
alberi danneggiati da insetti
1)-α-D-Glcp
O
HO H2C
O
O
OH
H
CH2OH
H
OH
H
zucchero non riducente
80
29/11/2010
Notevole importanza in chimica organica hanno assunto alcuni oligosaccaridi ciclici
Cicloeptamaltosio: caratterizzato da cavità non polare e superficie esterna polare
CH2OH
O
O
OH HO
HO H C
2
O
OH O
O OH
O
con 6 unità
α-ciclodestrina
con 7 unità
β-ciclodestrina
con 8 unità
γ-ciclodestrina
CH2OH
HO
si possono preparare dall'amido
per azione dell'enzima
OH
O
HO H2C
sono in grado di complessare molecole
organiche piccole, dando"composti di
inclusione", di solito cristallini, anche
quando la molecola è volatile. Questi
composti sono meno volatili, meno
reattivi e più solubili delle molecole non
complessate.
O
OH
OH
OH
O
CH2OH
O
ciclodestrina transglicolasi
OH
β-ciclodestrina
HO
O
CH2OH
OH
OH
OHO
O
CH2OH
O
OCH3
usati nell'industria
alimentare, cosmetica e
farmaceutica
OCH3
selettività diversa da
quella della molecola
libera
+
HOCl
OCH3
OCH3
Cl
Cl
HOCl
OCH3
β-ciclodestrina
unico prodotto
Cl
96%
POLISACCARIDI
I polisaccaridi possono essere descritti con la notazione abbreviata simile a quella dei monosi
ecc.
O
HO
CH2OH
O
OH
O
HO
CH2OH
O
CH2OH
O
O
HO
OH
OH
O
HO
CH2OH
O
O
ecc.
OH
poli-4-O-(β-D-Gp)
I polisaccaridi regolari (cioè costituiti da unità identiche di monosio) si indicano
aggiungendo la desinenza -ANO al nome del monosio
cellulosa
(1
4)-β-D-glucano
lineare
glicogeno
(1
4)-α-D-, (1
ramificato
destrano
(1
6)-β-D-glucano
6)-α-D-glucano
lineare
(in secrezioni batteriche)
I polisaccaridi più comuni in natura sono omopolisaccaridi, la cui struttura tridimensionale
dipende dal modo con cui i monosi sono legati tra loro
Polisaccaridi a nastro
contengono parecchie migliaia di monosi, con i legami che collegano
ciascun monosio agli altri due quasi paralleli
81
29/11/2010
esempi:
CH2OH
O
HO
cellulosa
OH
O
O HO
OH
(1
O
CH2OH
il glucano dell'avena è un polisaccaride 1
HO
O
OH
(1
4)-β-D-glucano
le unità glucosidiche adiacenti sono
ruotate di 180°; insolubile in acqua
O
3, e,e, solubile in acqua)
4)-β-D-xilano
O
O
HO
O
O
OH
O
HO
le unità xilosidiche adiacenti sono ruotate di 120°
(1
OH
CH 2 OH
O
O HO
4)-β-D-mannano
la cellulosa è il costituente principale delle piante
ed è usata, insieme ad altri polisaccaridi a nastro
più flessibili (xilano e mannano) per dare rigidità e
forza.
O
O
CH2 OH
OH
CH2OH
CH2 OH
Le cellule di piante mature
(tronchi di alberi) sono
composti da microfibrille di
cellulosa (50%) e xilano
(20%) cementati da polimeri
di alcool coniferilico (lignine)
CH2 OH
polimerizzazione
ossidativa
(radicalica)
O
H
H
CH3
OCH3
H3 C O
O CH3
OH
alcool coniferilico
OH
Lignina
Nei germogli giovani c'è meno lignina e più acqua e sono più flessibili
CH2OH
O
HO
O
(1
O
CH2OH
NHAc
O
H
CHO
CH2OH
(porzione rappresentativa)
Chitina
NHAc
O HO
H
O
H
O
4)-2-acetammido-2-desossi-β-D-glucano
costituente principale del guscio dei
crostacei e dell'esoscheletro degli insetti
formano "fogli" (sheets) rigidi, insolubili in acqua
Le pareti delle cellule batteriche contengono più del 40% di un peptidoglicano simile alla chitina
p
o
l
i
s
a
c
c
a
r
i
d
e
Ala
forma una rete continua molto forte
O
CH2OH
O
HO
Peptide
Ala
Peptide
Ala
Peptide
H
OH C
3
O
NHAc
NHAc
O
O
CH2OH
4) β-D-GlcpNAc(1
O
n
n = 10-65
4) 3-lattil β-D-GlcpNAc(1
82
29/11/2010
Polisaccaridi a "egg-box"
collegamenti 1,4-diassiali tra le unità di monosio mantengono paralleli i legami di collegamento
paralleli, ma spostati della lunghezza di una unità di monosaccaride, con formazione di cavità tra
coppie di monosi adiacenti. L'interazione tra gli atomi di queste coppie è sfavorevole, a meno che
le cavità non vengano riempite con acqua o ioni.
esempio:
Ca++
Ca++
pectine
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
polimeri dell'acido galatturonico
OH
nella frutta e nelle pareti
cellulari di molte piante
O
.
O O
O... H
.
O
.
O
.
.
-. . .
O O
O
O.. ... .. ....
... . . ..
. . .... . . . . . . .O H
...
. Ca++
. . . . . ... ... .... . ..
H O
.
.. . . .. .
.. . .. . .
... ... .. - O
O O
O
. . O
O ..
OH
H. O
-O
O
O
HO
gli ioni calcio inglobati conferiscono
capacità di forte coesione
HO
Polisaccaridi a spirale
i due legami di collegamento sono a V
Tendono a formare una spirale, se lungo l'asse della spirale si possono formare legami
idrogeno. In assenza di interazioni favorevoli, si hanno avvolgimenti casuali (random
coils), con conformazioni che fluttuano continuamente
CH2OH
O
O
HO CH2
O
HO
OH
OH
O HO
O
HO
CH2OH
O
OH
O
HO CH2
OH
O
OH
OH
O
O
H.....
O
H
legame
idrogeno
CH2
O
CH2OH
OH
OH
OH
OH O
O
CH2OH
O
di solito, sono parzialmente solubili in acqua
83
29/11/2010
esempi:
amido
glicogeno
presente in grande quantità nelle piante
presente negli animali
l'amido ed il glicogeno sono usati come riserve di energia: devono esserein grado di
formare depositi concentrati, ma essere facilmente accessibile,in modo da essere
rilasciato quando necessario.
(1 4)-α-D-glucano
L’amido è costituito da due frazioni: amilosio e amilopectina
Amilosio: lunghe catene lineari (1000-2000 unità);
in ogni spira ci sono da 4 a 8 unità di glucosio, tenute insieme da legame idrogeno.
Il tubo cavo interno è idrofobo
con I2 all'interno dell'avvolgimento si allineano gli atomi di iodio,
dando il complesso viola scuro "iodio-salda d'amido"
Amilopectina: 106 unità di glucosio, con ramificazione in 6 ogni 20 unità circa.
Sono impossibili strutture estese a spirale
Glicogeno: simile alla amilopectina, con ramificazioni ogni 11 unità
COMPOSTI ETEROCICLICI
Si classifica come eterociclico un composto ciclico in cui almeno uno degli
atomi costituenti l'anello sia diverso da carbonio.
Applicazioni
prodotti farmaceutici,
prodotti per l'agricoltura,
prodotti veterinari,
agenti antiossidanti,
inibitori della corrosione,
additivi con varie funzioni,
coloranti e pigmenti.
Esempi:
N
CH3
chinino
HO
H
OMe
N
usato contro la
malaria fin dal
XVI secolo
O
N
N
CH3
antipirina
primo farmaco
sintetico
(1887)
84
29/11/2010
O
O
S
N
H
N
(1938)
NHCH3
N
N
CH3
C
O S
N
O
Tagamet
S
N
H
CH3
N
N
O HN
primo antibiotico
efficace
N
H2N
N
O
sulfapiridina
primo farmaco
“multimilionario”
(antiulcera)
N
N
CH3
Viagra
(1997)
(1970)
composti chiave in processi biologici:
meccanismo di replicazione,
fotosintesi nelle piante superiori e trasporto di ossigeno negli animali,
vitamine,
amminoacidi.
NH2
serotonina
Esempio: Composti collegati alla serotonina
5-idrossitriptammina
(5-hydroxytryptamine)
5-HT
HO
N
H
isolata per la prima volta nel 1948 come agente vasocostrittore nel siero dopo
la coagulazione del sangue e in seguito anche nell'intestino e nel cervello.
solo dopo la sintesi in laboratorio si è potuto studiare il suo modo di azione
Ampia e complessa gamma di azioni fisiologiche:
costrizione dei vasi sanguigni,
aggregazione delle piastrine,
costrittore di arterie nel cervello e implicato nell'emicrania,
variazione dell'umore e dell'appetito.
viene metabolizzata troppo rapidamente per poter essere usata come agente farmaceutico
Sono però state osservate somiglianze strutturali con alcuni composti naturali
NH2
N(CH3)2
OH
HO
Psilocina
N
H
uno dei principiattivi di un fungo
messicano allucinogeno
N
H
N(CH3)2
HO
Bufotenina
allucinogeno in fungo velenoso
agonisti (= promotori
dell'attività) ai recettori
della serotonina nel
cervello
N
H
N(CH3)2
Sumatriptano
prodotto della ricerca farmaceutica: agonista selettivo
dei siti recettori della serotonina nel cervello
efficace nel trattamento dell'emicrania
H3C
H
N
S
O
O
N
H
85
29/11/2010
Esempio: composti collegati all'istamina
NH2
Istamina
riconosciuto come componente
naturale del corpo nel 1927, ma
disponibile già da venti anni prima
per sintesi.
N
N
H
effetto di:
contrazione del muscolo liscio,
abbassamento della pressione sanguigna;
coinvolta in reazioni allergiche,
viene liberata dalle cellule della pelle in seguito a danneggiamento;
partecipa alla regolazione della secrezione gastrica.
Dagli anni '40 sono disponibili farmaci di sintesi che funzionano da antagonisti dell'istamina.
H3C
O
inibisce l'azione dell'istamina, ma non blocca la
secrezione gastrica
due tipi di recettori (H1 e H2).
Pirilammina
N
N(CH3)2
agisce su H1
N
N
La ricerca del recettore antagonista specifico del sito
H2 (controllo della secrezione gastrica acida) e nel
1976 si è arrivati alla cimetidina (primo trattamento
non chirurgico dell'ulcera)
NO2
CH3
H3C N
H3C
S
O
N
H
H
N
S
N
H
NHCH3
N
CH3
NHCH3
O
N CH3
N
N
antagonista del sito recettore H1
antiasmatico ed antiallergico
Cl
Esempio: Analoghi dei nucleosidi
O
O
O
CH3
HN
O
O
CH3
HN
N
HO
N
Ranitidina
farmaco per il trattamento delle ulcere
peptiche
Azelastina
HO
C
O
O
N
N
HO
O
N
NH
N
NH2
Aciclovir (ACV)
OH
Timidina
interferisce nel ciclo
riproduttivo dei virus
Problema: scarsa selettività,
tossico anche per le cellule
normali
Non solo nei farmaci:
N3
Zidovudina (AZT)
farmaco per il trattamento da virus
dell'herpes
elevata selettività
usato nel
trattamento
dell'AIDS
N
H
O
componente principale
dell’aroma del pane
86
29/11/2010
NOMENCLATURA DEI COMPOSTI ETEROCICLICI
Per quanto riguarda la nomenclatura, sono in uso diversi sistemi, tutti approvati dalla IUPAC
1. Nomi correnti accettati dalla IUPAC
I composti eterociclici più usati mantengono il nome corrente, che diventa il nome IUPAC-base
per tutti i derivati sostituiti
Eterocicli più importanti con nomi correnti accettati dalla IUPAC
3
a 5 termini
3
2
N1
H
PIRROLO
con 1 eteroatomo
O
3
2
2
S
1
1
FURANO
TIOFENE
O
Esempi:
N
CH3
N
H
H3C
H3C
1-metilpirrolo
3-etilpirrolo
o
O
4-acetil-2-metilfurano
N-metilpirrolo
CO2H
S
acido 5-metil2-tiofencarbossilico
con 2 eteroatomi
N
H
3
N
4
3
2
5
N
H 1
4
2 5
imidazolo
3
3
N2
N
H1
O
N3
2
1
3
N2
2
S
S
1
1
tiazoloisotiaazolo
2
N
2
O 2
O
ossazolo isossazolo
pirazolo
3
N
3
3
S1
3
4
con 3 eteroatomi
5N
N
O 2
1
furazano
4
con un anello benzenico condensato
3a
3
2
6
NH
N1
H
1
isoindolo
INDOLO
2
N2
2
1
7a N
7
H
1
3
3
5
indazolo
N
4
5
3
indolizina
2
2
O1
S1
benzofurano
benzotiofene
H H
a 6 termini
con 1 eteroatomo
N
O H
PIRIDINA
N
N
piridazina
O
O
2H-pirano 4H-pirano catione pirilio
con 2 eteroatomi
N
+
H
N
PIRIMIDINA
N
N
pirazina
87
29/11/2010
con un anello benzenico condensato
5 4a
4
7
8
N3
3
2
N
8a
1
4
3
6
N2
N
1
1
1
CHINOLINA
isochinolina
con due anelli benzenici condensati
2
chinazolina
5
6
2
N
+
5 4
4
chinolizina
9
3
8
2
7
N
9H
8
3
7
1
6
carbazolo
10
N
1
N
5
4
2
3
fenazina
con due anelli eterociclici condensati
6
7
5
N
4
N
N
1
N3
2
6 5 7
N
N
2
pteridina
8
N 4 N9
H
3
PURINA
2. NOMENCLATURA SISTEMATICA di Hantzsch-Widman
per i composti monocilcici (ultima revisione nel 1983)
Il nome degli eterocicli viene costruito combinando un prefisso (che indica
l'eteroatomo presente) con una desinenza, che indica la dimensione
dell'anello e se l'anello è saturo o no.
Prefissi
Desinenza
Elemento
Gruppo
16
Gruppo
15
Gruppo
14
Gruppo
Valenza
Prefisso
2
2
2
2
3
3
3
4
4
3
ossatiaselenatelluraazafosfaarsasilagermabora-
ossigeno
zolfo
selenio
tellurio
azoto
fosforo
asenico
silicio
germanio
boro
Dimensione
dell'anello
3
4
5
6
7
8
9
10
Anello
insaturo
-irene
-eto
-olo
-ina
-epina
-ocina
-onina
-ecina
Anello
saturo
-irano
-etano
-olano
-inano
-epano
-ocano
-onano
-ecano
13
esempi:
Se
O
ossolano
N
H
azepina
B
H
seletano borinano
88
29/11/2010
Per gli anelli saturi contenenti AZOTO, sono preferite le desinenze:
-IRIDINA (3 termini),
-ETIDINA (4 termini),
-OLIDINA (5 termini)
N
H
N
H
N
H
aziridina
azetidina
azolidina
Con gli anelli a 6 termini saturi, con O, S, Se, Te, al prefisso si aggiunge
direttamente la desinenza -ano.
S
O
S
Se
Te
ossano
tiano
selenano
tellurano
S
1,3-ditiano
Le radici insature si usano per anelli con il MASSIMO NUMERO DI DOPPI LEGAMI.
Le radici sature si usano per anelli senza doppi legami.
S
N
O
O
O NH
N
esempi:
tiirene
ossirano
N
1,3-diazeto
1,2-ossazetidina
O
1,3-diossolano
N
N
S
1,2,4-triazina
tiepano
N
azocina
Quando sono presenti due o più eteroatomi, i prefissi vengono indicati
NELL'ORDINE CON CUI COMPAIONO NELLA TABELLA (dall'alto verso il basso).
Due o più eteroatomi dello stesso tipo si indicano con i prefissi moltiplicativi "di", "tri-", "tetra-", ecc.
La numerazione inizia con l'eteroatomo più in alto nella tabella.
Quando un anello ha il massimo numero di doppi legami e ancora un atomo di C saturo,
va indicata la posizione di quest'ultimo, dicendo chec'è un H e dando la posizione
relativa
1
Se
=
Se
H
2
H
2
=
1
Se
2H-seleneto
Quando sono possibili diverse numerazioni, alla posizione satura va dato il numero più basso possibile
esempi:
1
H
N
2
N
N1
1H-azirina(*)
2H-azirina(*)
O
2H-1,3-ossazina
(e non 3H-)
N
O
6H-1,3-ossazina
N
3H-azepina
(e non 5H-)
(*) desinenza preferita a -irene uando l'eteroatomo è N
89
29/11/2010
per i composti policilcici
NOMENCLATURA di Hantzsch-Widman DEI SISTEMI CON ANELLI FUSI
I nomi sistematici degli anelli fusi vengono derivati CONSIDERANDO GLI ATOMI IN
COMUNE COME APPARTENENTI AD ENTRAMBI GLI ANELLI.
Gli anelli si separano (formalmente) in più composti monociclici
N
N
+
O
benzossazolo
O
ossazolo
N
benzene
N
N
+
N
pirimidina
pirrolo[1,5-a]pirimidina
N
H
pirrolo
REGOLE PER LA COSTRUZIONE DEI NOMI PER SISTEMI CON ANELLI FUSI
I nomi dei componenti del sistema fuso vengono scelti tra i nomi correnti accettati.
Si sceglie il componente più grande con nome corrente accettato.
1.
N
indolo (e non pirrolo)
N
H
Se un componente monociclico non ha un nome accettato, si costruisce secondo la
nomenclatura di Hantzsch-Widman
In un sistema fuso costituito da due (o più) componenti nominati
separatamente, uno viene scelto come COMPONENTE BASE per il nome del
composto.
2.
Per derivare il componente base di un sistema di anelli fusi si procede secondo il seguente schema
1. C'è solo un componente che contiene N?
NO
SI
scegliere questo come componente base
esempio:
N
O
2. L'azoto è assente da tutti gli anelli?
SI
NO
scegliere l'anello che contiene l’eteroatomo che sta più in alto nella
Tabella della nomenclatura di Hantzsch-Widman
O
esempio:
3. Sono presenti più di due anelli?
NO
SI
componente base:
pirrolo
S
componente base:
furano
(se gli anelli contengono
lo stesso eteroatomo,
andare al punto 3)
si sceglie come componente base quello che contiene il maggior
numero di anelli
N
componente base:
esempio:
chinolina
N
N
90
29/11/2010
4. I due anelli sono di dimensioni diverse?
O
si sceglie l'anello più grande
SI
NO
esempio:
componente base:
azepina
N
5. Gli anelli contengono un numero diverso di eteroatomi?
SI
si sceglie quello con il numero maggiore di eteroatomi
NO
H
N
esempio:
N
O
componente base:
isossazolo
6. Ci sono differenze tra i numeri di ciascun tipo di eteroatomo nei due anelli?
NO
SI
si sceglie l'anello con il maggior numero di atomi elencati prima nella tabella
esempio:
N
S
N
O
componente base:
ossazolo
7. Si sceglie come componente base l'anello in cui gli eteroatomi hanno i numeri più
bassi (prima della fusione)
esempio:
N
N
N
N
3.
componente base:
pirazolo
Il secondo componente si aggiunge come prefisso al nome del componente
base. Il prefisso si forma cambiando l'ultima vocale del composto con una
"o".
esempio:
pirazina
pirazino-
Eccezioni:
da furano
da imidazolo
da isochinolina
furoimidazoisochino-
da piridina
da chinolina
da tiofene
piridochinotieno-
I legami del componente base sono indicati con delle lettere (a, b, c, ...) a partire
dal lato solitamente numerato 1,2.
Gli atomi del secondo componente sono numerati nel modo normale.
Il sito di fusione viene perciò indicato con lettere e numeri.
I numeri del secondo componente sono elencati secondo la sequenza con cui
compaiono nel COMPONENTE BASE
c 3
4 N3
Nb
O
N
d
esempio:
+
2
5
2
e O a
N
N
4.
1
N
1
(2) 1
O
N
(1)
composto base
fusione
ossazolo (step 6 nello schema)
lato b dell'ossazolo
lato 1,2 dell'imidazolo
sul lato b dell'ossazolo si incontra l'atomo 2 dell'imidazolo prima dell'atomo 1
imidazo[2,1-b]ossazolo
91
29/11/2010
4
esempio:
N
4
3N
N
5
N
5
N
+
c
b
e
N
f Na
1
fusione
2 1 N
1
2
N
composto base
N
d
3
piridazina (step 4 nello schema)
lato b della piridazina
lato 1,5 dell'imidazolo
sul lato b della piridazina si incontra l'atomo 1 dell'imidazolo prima dell'atomo 5
imidazo[1,5-b]piridazina
LA NUMERAZIONE DEL SISTEMA FUSO E' DATA INDIPENDENTEMENTE DALLE
OPERAZIONI PRECEDENTI.
Si parte da un ATOMO ADIACENTE ad una testa di ponte, in modo da dare agli
eteroatomi il NUMERO PIU' BASSO POSSIBILE.
6 6a 1
5 4a 4
3
O
N
Se ci sono più modi diversi di dare agli eteroatomi il
2 6N
5
numero più basso possibile, si danno i numeri più
N
N
2
N
bassi agli eteroatomi più in alto nella tabella.
4 3a 3
7 7a 1
5.
L'indicazione degli H si fa come nei sistemi monociclici
5
O
4a 4
5
3
6
O
7 7a 1
4H-furo[2,3-e]1,2-ossazina
N2
O
4a 4 3 CH CH
2
3
6
O
7 7a 1
N2
3-etil-4H-furo[2,3-e]1,2-ossazina
3. NOMENCLATURA SOSTITUTIVA
Il nome dell'eterociclo si costruisce indicando l'eteroatomo come prefisso del nome
del carbociclo corrispondente.
esempi:
N
N
azabenzene
O
ossaciclopentano
S
N
1,3-diazabenzene
silabenzene
H
N
P
O
N
1-ossa-4-azacicloesano
1-aza-4-fosfabenzene
O
B
S
1,4-ditia-2,5-cicloesadiene
Si
H
7-ossabiciclo[2.2.1]2,5-eptadiene
H
9-borabiciclo[3.3.1]nonano
92
29/11/2010
ETEROCICLI AROMATICI
1. ETEROCICLI CON 6 ELETTRONI π E 6 ATOMI
Sono aromatici (regola di Hückel):
l’eteroatomo (nella piridina N sp2)
partecipa alla delocalizzazione con
1 elettrone p, che si aggiunge agli
elettroni p degli atomi di C
Orbitali molecolari di benzene e piridina:
BENZENE
AZABENZENE (piridina)
π6
π6
.
N
.
.
:
.
N .
π5
.
π4
π5
π4
N
N
0 eV----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
π2
π3
π3
π2
N
N
π1
π1
N
N
..
N
..
Benzene
+
+
..N
..
..N
..
piridina
..
- +
N
..
1. ETEROCICLI CON 6 ELETTRONI π E 5 ATOMI
Sono aromatici perché l’eteroatomo (ibridato sp2) partecipa alla delocalizzazione
con I 2 elettroni nell’orbitale p, che si aggiungono agli elettroni p degli altri atomi.
..
..
-
anione ciclopentadienato
..
N
H
..
H N
pirrolo
93
29/11/2010
..
N
H
..
-
..
-
N+
H
N+
H
....-
N+
H
N+
H
Orbitali molecolari di benzene e piridina:
π5
N
H
π4
La delocalizzazione elettronica,
usando la coppia di elettroni dell’N
per completare il sestetto aromatico,
rende l’N NON BASICO
N
H
0 eV-------------------------------------------------------
π3
N
H
π2
N
H
azaciclopentano
pirrolo
π1
N
H
partecipa con 2 elettroni
partecipa con 1 elettrone
.
:
N
.
N
..
N
H
.
..
.
N
H
..
-
N ..-
N
N+
H
N+
H
..-
N
N
N+
H
N+
H
..-
CRITERI DI AROMATICITA'
1. Lunghezza di legame
Lunghezze di legame tipiche (Å) di legami semplici
e doppi che collegano atomi ibridati sp 2
C-C
C-N
C-O
C-S
N-N
1.48
1.45
1.36
1.75
1.41
C=C
C=N
C=O
C=S
N=N
1.34
1.27
1.22
1.64
1.23
1.395 Å
I legami del benzene sono tutti
ugualmente lunghi
94
29/11/2010
Distanze di legame (Å) in alcuni composti eteroaromatici:
1.375
1.394
1.395
N
N
N 1.330
1.307
N
N
1.373
1.341
1.340
1.348
1.384
1.395
+
N
1.331
1.333
N
1.331
1.307
H
1.417
1.416
1.382
1.373
N 1.370
H
N
H
1.379
N1.326
1.331 1.358
N
N
H
N 1.291
1.396
O
1.362
O
N
1.372
1.359
1.358
1.309
1.361 1.356
S
1.409
1.436
1.425
1.431
1.372
N
1.370 1.367
1.304
S 1.714
1.398
1.381
1.395
1.352
1.423
1.423
1.406
O
1.380
1.372
1.395
N
1.374H
1.369
1.384
N
1.389
1.386
Nei composti eterociclici a 6 termini le distanze di legame sono tutte intermedie
fra quelle dei legami semplice e doppio.
i composti monociclici hanno valori vicini a quelli del benzene: questo significa che c'è sostanziale
delocalizzazione degli elettroni π
I composti eterociclici a 5 termini presentano valori diversi, in accordo con una
struttura più localizzata
la delocalizzazione degli elettroni π è minore
che con gli anelli a 6 termini
2. Corrente d'anello e chemical shift
campo indotto da una corrente
d'anello diamagnetica
Campo
applicato
H
H deschermati, risuonano a
campi bassi (δ alti)
L'esistenza di corrente d'anello
diamagnetica è stata proposta
come
test
diagnostico
del
carattere aromatico
Limitazioni
dipende dalla dimensione dell'anello
è necessario avere un composto di riferimento
altri fattori influenzano il δ
Confronto dei valori di chemical shifts di eterocicli aromatici e non aromatici:
7.10
5.50
5.50
6.78
CH3
7.46
8.56
N
7.63
N
CH3
4.95
6.41
O
6.31
5.63
7.13
O
7.35
6.17
S
S
Sono stati usati metodi indiretti per stimare l'influenza della corrente d'anello. I valori di δ di metili
legati ad eterociclici sono stati confrontati con i valori calcolati: gli spostamenti a campi bassi sono
stati considerati un indice delle aromaticità relative degli eterocicli
95
29/11/2010
O
δ (Me) osservato:
calcolato:
downfield shift:
CH3
CH3
N
H
2.18
1.97
0.21
2.30
2.14
0.16
CH3
S
2.48
2.19
0.29
In generale è meglio considerare l'effetto della corrente d'anello come un indice
qualitativo dell'aromaticità, piuttosto che quantitativo
3. Spettri di assorbimento nell'ultravioletto
Spettri di assorbimento uv di alcuni composti eteroaromatici:
π
(Benzene)
Piridina
Piridazina
Pirimidina
Piridina
1,2,4,5-Tetrazina
(Naftalene)
Chinolina
Isochinolina
Indolo
π*
n
λmax, nm
log ε
256
251
246
243
260
252
219, 275, 311
225, 270, 313
217, 266, 317
215, 226, 279
2.40
3.30
3.11
3.31
3.75
3.33
5.10, 3.75, 2.39
4.48, 3.59, 3.37
4.57, 3.61, 3.49
4.38, 3.70, 3.62
λmax, nm
π*
log ε
270
340
298
328
542
2.65
2.50
2.51
3.02
2.92
4. STIME TERMOCHIMICHE DELL'AROMATICITA‘ (Energie empiriche di risonanza)
misure di entalpia standard di combustione (calorimetria) e di entalpia standard di
idrogenazione
Il calore di formazione si calcola sommando i valori di energia di legame per una struttura
con legami localizzati. La differenza tra il valore calcolato e quello sperimentale si chiama
energia empirica di risonanza.
ENERGIE DI RISONANZA CALCOLATE
Energie di risonanza per elettrone π (REPE) ed energie
aromatiche di alcuni eterocicli
Energie empirica di risonanza
kcal/mole
Benzene
Piridina
Chinolina
Pirrolo
Indolo
Tiofene
Furano
35.9
27.9
48.4
21.6
46.8
29.1
6.2
(kJ/mole)
(150)
(117)
(200)
(90)
(196)
(122)
(68)
benzene
REPE 0.065,
energia aromatica 118
naftalene
REPE 0.055
eterociclo
piridina
pirimidina
pirazina
chinolina
isochinolina
pirrolo
pirazolo
imidazolo
tiofene
furano
indolo
benzofurano
benzo[b]tiofene
isoindolo
isobenzofurano
benzo[c]tiofene
REPE (b)
0.058
0.049
0.049
0.052
0.051
0.039
0.055
0.042
0.032
0.007
0.047
0.036
0.044
0.029
0.002
0.025
energia aromatica
kJ mol-1
107
104
103
94
69
51
-
96
29/11/2010
Gli azabenzeni sono composti aromatici con un grado di stabilizzazione
per risonanza simile a quello del benzene, ma un po' più basso.
Gli eterocicli fusi con un anello benzenico sono un po' meno stabilizzati
La delocalizzazione negli eterocicli a cinque termini varia in relazione
agli eteroatomi presenti.
Il furano è un sistema molto più localizzato di pirrolo e tiofene.
REATTIVITA' DEI COMPOSTI ETEROAROMATICI
TAUTOMERIA DEI COMPOSTI ETEROAROMATICI
Composti con sostituenti –NH2, -OH, -SH possono essere in equilibrio tautomerico
X
N
H
N
X
XH
XH
N
H
La posizione dell’equilibrio
è stata determinata con
spettri UV, IR, NMR
N
X = NR, O, S
N O
H
2-piridone
λmax
(EtOH)
N
OH
N O
CH 3
2-idrossipiridina
229 (log ε 3.85)
300 (3.70)
N
230 (3.78)
305 (3.70)
O
CH 3
270 (3.55)
in soluzione prevale il 2-piridone (almeno 90%)
tautomeri prevalenti con gli altri sostituenti
N
NH 2
N
H
S
97
29/11/2010
N
N
S
N
H
15N NMR δ(N )
1
SH
N
179.7
N
N
S
N
CH 3
N
180.1
S
CH 3
63.7
N
solvente: D3CSOCD3, riferimento: CD3NO2
circa 97%
S
N
H
Natura del solvente e concentrazione influiscono sulla posizione dell'equilibrio
prevale a concentrazione 10-7M ed in fase gassosa
2-idrossipiridina
2-piridone
dimero (legame idrogeno) in solventi non polari
N
In solventi polari
O
H
H
O
H +
N
N
-O
differenze di polarità tra i tautomeri e quindi differenze di legame idrogeno
In fase gassosa
differenze di stabilità
ΔE empirica di risonanza tra
e
OCH 3
N
6.5 kcal/mole
(27 kJ/mole)
N O
CH 3
+
OH
N
..
N
H
+
N
H
N+ OH
O
O-
N
H
O-
+
N
H
O
L'aromaticità relativa ha scarsa influenza sulla posizione dell'equilibrio
La reattività della miscela di tautomeri non è necessariamente legata
al tautomero prevalente
Altri esempi di tautomeria prototropica:
O
OH
non esiste "piridone" neutro
N+
H H
N
H
N N
N
N N
N N
N
N
H
H H
N
H
tautomero più
stabile quando X = S
energia di attivazione considerevole
entrambi i tautomeri si possono
isolare in forma pura
OEt
OEt
N
processo veloce,
bassa energia di attivazione
O
OH
H
X
X
H
tautomero più
stabile quando X = O, NR
98
29/11/2010
COMPOSTI ETEROAROMATICI A SEI TERMINI
PIRIDINA (AZABENZENE)
+
+
N
N
N +
N
-
N
-
-
Le reazioni di piridina e sali di piridinio mostrano analogie con tre sistemi modello:
1. ammine terziarie
reazioni all'N
2. benzene
reazioni di sostituzione; resistenza all'addizione ed alla
3. immine coniugate
attacco di nucleofili in α e γ
(protonazione, alchilazione, acilazione,
formazione di N-ossido, coordinazione con acidi di Lewis)
apertura d'anello
Il sito più ricco di elettroni (centro nucleofilo) è l’N
Reazioni con reagenti elettrofili
(v. strutture di risonanza)
1. PROTONAZIONE
Piridine ed alchilpiridine sono basi deboli, che formano
sali con acidi forti. Sostituenti ad attrazione elettronica
(soprattutto in 2 e in 4) diminuiscono la basicità;
sostituenti a rilascio elettronicola aumentano
..
N
+
H
+
H
+
pKa = 5.29
N+
N
..
H
+
pKa = 11.16
+
N
H
H
H
Spiegare!
2. ALCHILAZIONE
+ R X
N+
N+
N
..
I
solido cristallino,
solubile in acqua
X = alogeno, tosile
X
-
SN2
R
CH3
3. ACILAZIONE
Reazione facile, ma reversibile, con alogenuri acilici ed anidridi: si può
sfruttare usando la piridina come catalizzatore in reazioni di acilazione
O
-
+ R C
N
..
X
N+
X
C
O
H 3C
N
CH3
H 3C
N+
R
+
R C
YH = (CH3)3COH
Y
+
HX
N
neutralizzato con un
eccesso di piridina
CH
N+ 3
catalizzatore più efficace (maggiore concentrazione
dell'addotto)
N
C
O
R
O
Y H
C
O
R
99
29/11/2010
4. COMPLESSAZIONE CON ACIDI DI LEWIS
si formano complessi stabili, isolabili, usabili comne reagenti
+ SO3
piridinio N-solfonato
Blando reagente di solfonazione
N+
N
..
SO3-
+ BH3
N-borilpiridinio
+ NO +BF 2
4
N
..
N+
NO2
CF3SO3-
N+
F
agente riducente, blando e selettivo
N+
- BH3
N
..
BF4-
Tetrafluoborato di N-nitropiridinio
agente nitrante blando
trifluorometansolfonatodi N-fluoropiridinio
agente fluorurante
5. REAZIONE CON PERACIDI (trasformazione in N-ossido)
CH3CO2H + H2O2
O
H3 C
C
O
OH +
N
..
N+
CH3CO2H
O-
Gli N-ossidi sono importanti perché
il gruppo N-O può delocalizzare
sull’anello sia la carica positiva, sia
quella negativa.
-
N+
N+
N+
O
O
O
N+
O
-
N+
O-
+
+
..
N
O-
..
N
O-
.. +
N
O-
100
29/11/2010
Sostituzioni Elettrofile Aromatiche
L’eteroatomo attira elettroni (-I, -R), impoverendo l’anello e rendendo difficile la reazione con gli elettrofili
ll prodotto cinetico della reazione della piridina con elettrofii è la
COORDINAZIONE AL DOPPIETTO ELETTRONICO DI N. Questo
rende ancora più difficile la sostituzione elettrofila al C
+ E+
N+
E
N
Reattività relativa verso la sostituzione elettrofila aromatica
NO2
kpiridina/kbenzene = 10-6
>
>
>
N
NO2
NO2
E+ sul C
Usando condizioni di reazione molto drastiche
+
+
+ E+
E
E
N
N
N
E
N
H
E
+
posizioni 3 e 5
H
H
+
N
N
H
E
+
N
+
N
E
H
N
E
(N con ottetto
incompleto)
H
E
H
+
instabile
E
+
N
H
E
H
+
N
instabile
(N con ottetto
incompleto)
L'effetto dell'azagruppo può essere bilanciato da sostituenti a rilascio elettronico (-OR, -NR2)
ALCHILAZIONE ed ACILAZIONE di Friedel-Crafts
NON AVVENGONO
NO2
NITRAZIONE
NaNO3 + H2SO4 fumante a 300°C
N
(< 5% !)
Cl
N
Cl2 + AlCl3 (eccesso)
ALOGENAZIONE
rese moderate
Br
Br2 in H2SO4 fumante a 130°C
ALOGENAZIONE
SOLFONAZIONE
N
N
rese alte
SO3H
H2SO4 fumante + HgCl2 [o Hg(SO4)2] a 265°C
N (75-80%)
Le reazioni di sostituzione elettrofila aromatiche sono più facili con gli N-ossidi
+NO
2
RCO3H
N
H NO2
NO2
[H]
N+
N+
N+
O-
O
O-
es.: Fe in AcOH
es.: PCl3
NO2
N
Un altro modo di rendere più reattiva la piridina verso i reagenti elettrofili è quello
di trasformarla in litiopiridina.
101
29/11/2010
Le piridine litiate reagiscono facilmente con gli elettrofili. La 3-litiopiridina si ottiene
dalla 3-bromo piridina (non si può Fare altrettanto con la 2-bromo e la 4-bromo)
Li
Br BuLi
-100°C
N
O
C
Li
+
N
Br
N
Br
N
OLi
H2O
N
e
però con BuLi
C
C
OH
N
SOSTITUZIONE NUCLEOFILA (v. dopo)
N
O
C
È possibile ottenere la 2litiopiridina trattando con una
base forte il suo complesso con
esafluoroacetone (C carbonilico
reso più elettrofilo dai 6 F)
CF3
F3C
-
N
LDA
N+
O
CF3
CF3
Li
.
..
OCF3
+N
-70°C
CF3
D2O
N
D
Le sostituzioni elettrofile aromatiche sono più facili con sostituenti a rilascio elettronico
CH3 HNO + H SO
CH3
3
N
2
4
40°C
N
NO2
KNO3
H3C
N
H3C
H 3C C
H3C
N
H3C
H2SO4, 100°C
CH3
C
CH3
CH3
CH3 rese buone
SO3H
H3C
CH3
H3C C N C CH
3
CH3
CH3
N
SO3
CH3
SO2 liquida, -10°C
Alcossi ed idrossipiridine reagiscono facilmente
del sostituente
N
prevale l'effetto orto + para orientante
+
N
OR
N
OR
Nelle piridine 2- e 4-alcossi
sostituite le posizioni che
risentono dell’effetto a rilascio
elettronico del sostituente sono
anche quelle che sentono solo
l’effetto –I dell’aza gruppo.
OR
OR
OR
Come mai bastano
condizioni così blande?
E
E
+ E+
NO2
E
+ E+
N
N
OR
OR
+ E+
OR
+
N
N
E
poco
E
N
Quando il sostituente è in 3,
la posizione 4 non è
reattiva, perché risente
ANCHE dell’effetto –R di N
Le idrossipiridine (anche quando sono presenti in soluzione come tautomero minore)
reagiscono con gli elettrofili in maniera analoga.
OH
N
OH
HNO3 + H2SO4
40°C
rese moderate
N
NO2
102
29/11/2010
Br
Br2 in H2O
Br
Br
Br
oppure
N
H
O
HNO3 + H2SO4
HNO3 + H2SO4
O2 N
NO2
NO2
+
O2 N
OH
N
O
N
H
AcOH
OH
N
OH
N
Br2 in
OH
N
OH
N
O2 N
NO2
NO2
O
N
H
O
N
H
O2 N
N
H
O
Anche i prodotti daranno l’equilibrio tautomerico, spostato verso la forma
carbonilica
Sostituzioni Nucleofile Aromatiche
con un buon gruppo uscente: meccanismo di addizione-eliminazione (aza gruppo
stabilizza l’addotto negativo)
-
+ YX
N
N
Y
-
Y
N
-
Y
X
N
X
Y
X
X
X
Y
Y
Y
N
N
-
+ X-
N
Y
X
-
N
Y
Y
N
-
+ Y-
N
X
-
-
N
+ X-
Y
N
X
-
X
X
+ Y-
Y
N
X
+ XN
N
X
N+
La sostituzione nucleofila è ancora più facile con i sali di N-alchilpiridinio
XR
L’ordine di reattività delle cloropiridine è analogo a quello dei cloronitrobenzeni
Cl
Cl
Cl
Cl
>
>
N
N
Cl
N
>
>
NO2
Cl
NO2
NO2
103
29/11/2010
cloropiridine più reattive di clorobenzene
ArCl + CH3O-
Velocità relative per la reazione
ArOCH3 + Cl-
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
N
2.76x108
1
Cl
N
N
NO2
9.12x104
NO2
NO2
2.10x1010
7.43x109
7.05x1010
5.64x105
Cl
Cl
+ N Cl
CH3
+N
CH3
4.23x1019
2.62x1013
1.28x1021
Cl
N+
CH3
Nu
+ Nu:
Cl
+ Nu:
Cl-
N
N
N
Cl-
N
Nu
Nu: = NH2, -NH2, RS-, carbanioni stabilizzati
La reazione è favorita da sostituenti ad attrazione elettronica
O
+
- N
O
O2N
O2N
Cl
+ EtOH
N
-
Cl
N
O2N
Cl
N
O Et
+
H
7.3x106 volte più reattiva della 2-cloropiridina
O Et
H+
N
OEt
i sali di 2-alogeno-N-alchilpiridinio reagiscono con molti nucleofili
+N X
CH3
I-
RCO2H
O
Et3N
+N O
CH3
C
O
+
C
N O
R
Y
CH3
R
Y-
(Y-= t-BuO-)
Le sostituzioni nucleofile possono essere catalizzate da acidi o acidi di Lewis
si formano sali
di piridinio
NH3
ZnCl2
Cl
N
Cl
NH3
N
ZnCl2
N
NH2
NH2
N
la 2-bromopiridina più reattiva della 2-cloropiridina
Perché?
Le cloropiridine-N-ossidi sono più reattive delle cloropiridine
104
29/11/2010
Sostituzioni nucleofile di IDRURO
La piridina è così reattiva con i reagenti nucleofili, che in alcuni casi la sostituzione
nucleofila aromatica avviene anche in assenza di un buon gruppo uscente.
110°C
-
1. con NH2
N
+ NaNH2
N(CH3)2
+ H2
NH2
N
meccanismo:
(+ tracce di 4-NH2)
H+
NaH
+ NaNH2
NH2
N H
Na+
N
NH
Na+
N
NH2 H
2
N
NaH
N
NH2
posizione 2 più elettrofila (maggiore effetto induttivo di -N=)
è importante la coordinazione di Na+ con l'aza gruppo
La reazione avviene anche con piridine sostituite
CH3
+ NaNH2
N
N
CH3
CH3
CH3
+ NaNH2
NH2
N
N
NH2
NH2
+ NaNH2
CH3
N
+ NaNH2
H2N
CH3
N
H3C
CH3
N
H3C
N
CH3
rese scarse
-
2. con OH
+ KOH
fuso
N
vapore
-
300°C
resa bassa
OH
N
O
composti litioorganici o magnesioorganici
3. con R- o Ar
+
Δ
N
Li
N
H
e
CH3
CH CH3
3
R
LiH
R
N
H
+ RLi
N
Li
N
H
E
E+
N
R
L’intermedio su può trattare
con un elettrofilo prima della
riaromatizzazione,
H
isolati e caratterizzati
N
Li
con i sali di N-alchilpiridinio le reazione con i nucleofili sono ancora più facili
OH-, H2O
N+ X
R
H
N
OH
R
pseudobase
K3Fe(CN)6
N
R
O
Si ha ADDIZIONE NUCLEOFILA, perché
il prodotto è stabile (neutro) ed il
gruppo uscente è cattivo.
Il prodotto si può ossidare a piridone.
105
29/11/2010
La trasformazione della piridina in N-ossido favorisce anche la sostituzione nuclofila,
sugli stessi atomi dell’anello favoriti per la sostituzione elettrofila: 2-, 4- e 6In alcuni casi l’attacco nucleofilo su sali di piridinio è seguito da perdita di un gruppo uscente
sull'azoto
-
Ac2O
+
N+
C
N+
O-
O
O
O
C
N
O
C
O
C
O
C
+N
+N
O-
Cl
P
Cl
O
Cl
P
Cl
C
N
H O
C
C
O C
+
C O
C
O
N
O
Cl
O
C
P
H
Cl
Cl
N
Cl
Cl
Cl
E’ possibile apertura d'anello, in seguito a reazioni di nucleofili su piridina-N-ossido
MgBr
N+
O-
+
N
H
OMgBr
N
N
OMgBr
OH
La reazione ha una certa utilità sintetica per preparare composti carbonilici insaturi
..
N(CH3)2
N + Cl
NO2
N
H2O
+ (CH3)2NH
H
NO2
H3 C
H2O
70°C
N
O
CH3
NO2
NO2
RIDUZIONE
più facile ridurre la piridina che il benzene. E' difficile avere riduzione selettiva
Con idruri
H H
+ LiAlH4
N
con NaBH4
H+
non isolabili
N H
N
H
H
riduzione facile con sostituenti ad attrazione elettronica
complesso contenente
sinteticamente utile in presenza di esteri cloroformiato
H
O
Cl C OR , NaBH4
N
-70°C, MeOH (R=Me)
-78°C, EtOH (R=Ph)
H
N
H
CO2R
Me2NCHO
POCl3
C
O
H
81%
N
H
CO2R
106
29/11/2010
facile
Riduzione di Birch
Il prodotto dipende da sostituenti e condizioni di reazione
.
.
Na
NH3
N
-
-
Na+
N
N
..
Na
N
[O]
-
-N
N
NH3
N
H H
EtOH
N
N
H
-
Na+
La riduzione di Birch di 2-metilpiridine porta ad un equivalente sintetico di
cicloesanoni (utilizzati nella sintesi di steroidi)
NaOH
Na, NH3
R
N
R
CH3 EtOH
1,4-diidropiridine
CH3
N
H
R
CH3
OO
R
O
imitatori di NADH
H H
CONH2
CONH2
- H+, -2e
N
N
R
R
utilizzate in laboratorio per riduzione di carbonili
reattività aumentata da ioni Zn2+ e Mg2+
ALCHILPIRIDINE e ALCHENILPIRIDINE
ACIDITA’
l gruppo aza rende acidi gli H di un metile
pKa
N
CH3
-
CH2
N
N
-
CH2
CH3
2
N
CH2
-
-
-
N
CH2
CH2
N
N
N
CH3
-
CH2
N
CH2
33.5
N
- CH2
CH2
-
-
CH2
-
26
N
CH2
CH2
29.5
-
CH2
N
N
CH2
N
CH2
-
N
-CH
CH3
CH2
CH2
N
N
-
N
-
CH2
-
CH2
42
-
Le basi coniugate di 2- e 4-metilpiridina sono nucleofili
Possono dare alchilazione, acilazione, condensazione aldolica, addizione coniugata
107
29/11/2010
Condensazione aldolica
(CH3CO)2O
N
meglio con Ac2O o acidi di Lewis
(la coordinazione all'N aumenta l'acidità del metile)
..
N
O
CH3
H
C
O
C O
CH2
CH3
N
CH CH
OEt
C O
Li
N
-
Li+
CH2
CH2 C
N
O
3-metilpiridina
meno acida: si deprotona con NaNH 2 in NH 3
CH 3
N
CH 3
BuLi
S S
CH 3
La diversa acidità si sfrutta per
deprotonare selettivamente le
dimetilpiridine
CH 2 S
N
Alchenili in 2- ed in 4- possono essere attaccati dai nucleofili (addizione coniugata
per la coniugazione C=C-C=N)
R2NH.HCl
N
CH CH2
AcOH
CH2 CH2 NR2
N
IDROSSIPIRIDINE
A causa dell’equilibrio tautomerico, danno le reazioni caratteristiche dell’OH
fenolico o quelle caratteristiche di un carbonileinsaturo, a seconda del reagente.
O
O
CH3I
N O
H
p.f. 107°C
H3C N
O
PCl5
N O
CH3
O
O
O
O
solubile in
acqua
CH3ONa
N
OPCl4
N
N
Cl
OCH3
AMMINOPIRIDINE
La basicità della piridina è simile a quella dell’anilina, ma la 2ammino e la 4-amminopiridina vengono protonate solo sull’N
eterociclico (stabilità per risonanza dell’acido coniugato, effetto
elettronico del sostituente)
BASICITA’
NH2
NH2
NH2
+
NH2
NH2
NH2
N
H
N +
H
N+
H
+
+ H+
N
NH2
N+
H
+ N
H
N
H
108
29/11/2010
Lo stesso vale per le dialchilamminopiridine
N(CH3)2
N(CH3)2
N(CH3)2
N(CH3)2
+
N(CH3)2
N(CH3)2
N(CH3)2
N +
H
N+
H
+
+ H+
+ N
H
N+
H
N
pKa = 9.70
N
H
N
H
Le amminopiridine danno le reazioni caratteristiche delle ammine aromatiche. Da notare che con
acido nitroso il sale di diazionio si isola solo dalla 3-amminopiridina: quelli provenienti dalla 2ammino e dalla 4-ammino sono instabili e nel mezzo di reazione reagiscono ulteriormente.
+
N
NH2 HNO2
NH2
H2O
N
N
N
H2O
N
-O
Sono più stabili i sali di diazonio
derivati dagli N-ossidi:
+
HNO2
+
N
N2
N
+
N N
-
N
Nu
facile
CO2H
N
CO2H
>
N
acido
picolinico
O
C
O-
+N
H
N
O
N
CH3
nicotina
H
NO+
N
N
acido
isonicotinico
acido
nicotinico
..
N
+N
H
Spiegare!
N
Per chi è interessato: questo è uno dei motivi per cui il fumo fa male
H
CO2
CO2H
>
CO2H
Reazione acido-base
intramolecolare
In ambiente basico sono due i centri nucleofili:
per esempio, si può alchilare sia il carbossilato
che l’azoto
N
decarbossilazione
N
H
N+
H
N
Nu
N
-
CO2
CO2H
CO2
O
+
N N
O N
ACIDI PIRIDINCARBOSSILICI
CO2H base
OH
H2O
+
N
H3C
NO
e ossidazione
N
H3C
NO
N
apertura d'anello
CH3
N
NO
H
+
N
O
potenti cancerogeni
109
29/11/2010
1. SINTESI DI HANTZSCH
La sintesi più generale delle piridine è ancora quella di Hantzsch (1857-1935): due molecole di un
composto β-dicarbonilico reagiscono con una molecola di aldeide ed una di ammoniaca. Si forma
una diidropiridina sostituita, che si ossida a piridina con acido nitrico.
C
O
H
C H
O
H
O
H
H C
O
O
C
NH3
esempio:
CO2Et
O
N
EtO2C
H3C
N
H
CO2Et
HNO3
EtO2C
CH3
H2SO4
H 3C
H 3C
2 EtOH, 2 CaCO3
CO2Et
CH3
N
65%
89%
1. KOH, H2O
2. CaO, D
CH3
Provart a scrivere
un meccanismo
plausibile per
questa
trasformazione
N
2 H2O
CO2Et
O
ossidazione
C
+ H2C O + NH3
EtO2C
H3C
O
H O
N
H
2 H2O
O
C
N
Hantzsch
(1857-1935)
Il prodotto è sempre una
piridina simmetricamente
sostituita
CH3
O2N
O2N
O
Se si vuole una piridina sostituita
in modo non simmetrico, bisogna
eseguire la sintesi in due stadi,
trattando un composto β dicarbonilico con l’aldeide e poi
aggiungendo ammoniaca ed un
composto β -dicarbonilico diverso
EtO
EtO
+
NH2
H O
O
110°C
O
H
OEt
O
O
OEt
EtO
EtO
CH3
O
N
OEt H
CH3
OEt
(1992)
53%
2. Da composti 1,5-dicarbonilici e ammoniaca
H
H
H
ossidazione
H
H
O O
NH3
2H2O
H
N
H
H
N
Con composti 1,5-dicarbonilici insaturi si ottengono direttamente le piridine
H
H
O O
NH3
2H2O
H
N
esempio:
H3C
+ NH3
O O
H3C
N
H
(1996)
110
29/11/2010
DIAZINE, TRIAZINE
Ancora con carattere aromatico, ma si allontanano dal benzene
Caratteristiche generali:della reattività:
Con l'aumentare del numero di -N= si abbassa l'energia degli orbitali molecolari π
l'attacco elettrofilo sul C diventa sempre più difficile
l'attacco nucleofilo sul C diventa sempre più facile.
Con l'eccezione del C-5 della pirimidina, tutti i C dell'anello sono in posizionedi tipo orto o para con almeno un aza
gruppo:
N
N
N
N
N
N
N
N
N
i cationi provenienti da attacco elettrofilo sull'N sono meno stabilizzati rispetto ai
corrispondenti composti piridinici
diazine e triazine sono più difficili da N-alchilare e N-ossidare
le sostituzioni elettrofile avvengono solo se ci sono sostituenti a forte rilascio elettronico
le sostituzioni nucleofile sono più facili con la pirimidina che con la piridina
PIRIMIDINA (1,3-DIAZABENZENE; 1,3-DIAZINA)
Y
Cl
Sostituzioni Nucleofile Aromatiche
N
Cl
N
N
N
N
N +
ClN
-
NH2
Cl
EtOH
N
N
>
Y
N
N
Cl
Cl
N
Cl
N
N
Ordine di reattività:
Y
Cl
Y-
N
+ NH3
N
Cl
+
NH2
N
N
Cl
2 : 3
resa 95%
Però, usando pirimidina marcata con 15N e
NH2- come nucleofilo
N*
N * -33°C
Meccanismo:
Ph
NH2N*
N
*
Cl
*
N
Ph
Ph
H
H2N
N*
*
N
-
Cl
-NH
N
H
Ph
*
N
Cl
N*
H
?
KNH2, NH3
Ph
N*
Cl
N
H
*
NH2
*
NH
N*
N
*
NH2
Meccanismo
SN(ANORC)
Addition of Nucleophile, Ring Opening and Ring Closure
comune in reazioni di diazine e triazine con KNH2
111
29/11/2010
CHINOLINA e ISOCHINOLINA
5
5
4
6
3
7
2
N
8
3
7
N2
8
1
chinolina
4
6
1
isochinolina
Un insetto peruviano (Peruvian fire stick) secerne chinolina da ghiandole dietro la testa,
per difendersi dai predatori (rane, ragni, formiche)
Sostituzioni Elettrofile Aromatiche
di preferenza sull'anello carbociclico, in posizione 5 e/o 8 (le posizioni analoghe alle α del
naftalene, sull’anello benzenico, meno impoverito di elettroni dalla presenza del gruppo aza)
NO2
HNO3 , H2SO4
+
0°C
N
N
NO2 43%
N
35%
NO2
HNO3 , H2SO4
N
N
0°C
+
N
NO2 8%
72%
D2SO4
150°C
H2SO4,
SO3, 90°C
N
Br2, AlCl3
Br
N
SO3H
N
+
D
N
N
Br
Br
+
però
Br2
NO2
N
Br+
Br2
..
N
N
Br
N
Br
H
Br
?
N
Br
H
H
N+
Br
Br
Br
H+
N
H
Br
Br
+ Br2
112
29/11/2010
Sostituzioni Nucleofile Aromatiche
Reagiscono in maniera analoga alla piridina: i nucleofili preferiscono l’anello eterociclico, più
povero di elettroni
Sostituzione di Cl (o altro buon gruppo uscente) con Nu- (RO-, RS-, R2NH)
meccanismo di addizione-eliminazione
+ Na NH2
1. NH3 liquida
80%
2. H+
N
CO2H
CO2H
N
NH2
N
1. NH3 liquida
+ K NH2
71%
N
2. H+
NH2
La diversa reattività dei due anelli permette la
sostituzione selettiva
CH2 C N
Cl
Cl
N
CH CN
NaNH2
Cl
N
Sostituzione di idruro: con gli stessi reagenti che la danno con la piridina
RLi
N
R
NaNH2
N
LiH
H
N OH
-K+
KOH
225°C
N
NH3
H2
NH2
O -K +
N
N
OH-
H
N O
H
N OH
N+
HCl
Cl
Cl
Con NaOCl la reazione è più facile, perché si passa attraverso un sale di chinolinio (Cl+ da NaOCl)
NaOCl
Addizioni Nucleofile Aromatiche
I sali di chinolinio addizionano i nucleofili, analogamente ai sali di piridinio
N+
CH3
OH-
H
N OH
CH3
H2O
K3Fe(CN)6
RCOCl
N O
CH3
CNCl-
N+
N
N
COR
COR
Ossidazioni
CN
H
L’anello piridinico è più resistente all’ossidazione dell’anello benzenico
N
Δ
CO2H
CO2H
KMnO4
N
CO2H
CO2
N
acido chinolinico
isolabile per ossidazione elettrochimica
113
29/11/2010
Sintesi della chinolina
O
+
R
NH2
R
N
H
H2O, H2
1. Sintesi di Skraup
addizione coniugata
sost. elettrofila aromatica
+ β -eliminazione
tautomeria
H
H
+ O
NH2
H
HO
H+
H+
O
N
H
N
H
H2O
ossidazione
[O]
N
N
H
La reazione si effettua scaldando insieme a 130°C
anilina, glicerolo(=1,2,3-propantriolo), acido solforico
concentrato e nitrobenzene
Spiegare la funzione
di tutti i reagenti
COMPOSTI ETEROAROMATICI A CINQUE TERMINI
Sono composti aromatici ricchi di elettroni e perciò reattivi con gli elettrofili
Ordine di reattività:
>
..
N
N
>
..
O
..
..
S
..
>
O perché più elettronegativo S
per orbitali 3p
furano
pirrolo
PIRROLO
tiofene
Le mappe di potenziale elettrostatico mostrano
un difetto elettronico sull’N (blu) e una maggiore
densità elettronica sull’O (rosso)
Basicità: l’N del pirrolo NON è basico (il doppietto serve per l’aromaticità)
+
N
H
H
+
N
H
+ H+
H
N H
H
+
H
H
N +
H
H
N H
H
H
+ N H
H
Con acidi forti la protonazione
avviene, ma sull’anello (in
prevalenza in posizione 2)
H
H
N+
H
Con acidi MOLTO forti in parte
il pirrolo si protona anche in 3
114
29/11/2010
Acidità: il legame N-H è relativamente acido (stabilità dell’anione per risonanza)
-
-
NaNH2
..
N
H
..
N
Na+
NH3
-
N
..
N
..
N
..
-
N
..
RLi
Servono basi molto forti
N
H
N
-
Li+
Sostituzioni Elettrofile Aromatiche
Il pirrolo è un composto aromatico ricco di elettroni e perciò reattivo con gli elettrofili
però...
Acidi forti (come H2SO4),
con pKa minore di -4, non si
possono usare con il pirrolo
Il pirrolo protonato fa da elettrofilo
sul pirrolo non protonato
H
N
H
H
N
H
+ H+
N+
H
..
N
H
+
N
H
polimero
N+
H
Servono perciò condizioni molto blande
+
Meccanismo e
orientamento:
+
N
H
NITRAZIONE
E
N H
H
H
E
+
N
H
E+
E
N H
H
H
N
H
Ac2O, 20°C
N
H
NO2 +
14 : 1
N
H
piridina, 100°C
N
H
Br
E
prodotto secondario
N
H
N+
H
O
N Br
N
H
SO3H
SO2Cl2
NBS
ALOGENAZIONE
E
N
H prodotto
principale
E
SO3
SOLFONAZIONE
E
+ N H
H
NO2
HNO3
N
H
+
N
H
Et2O
N
H
Cl + Cl
N
H
O
Br
Br2
Se si bromura con Br2, anche in assenza di acidi
di Lewis si ha sostituzione in tutte le posizioni
N
H
EtOH, 0°C
Cl
Br
Br
N
H
Br
115
29/11/2010
Il pirrolo reagisce anche con gli elettrofili molto deboli (ad esempio, sali di diazonio,
+
reazione di Mannich)
N2
Cl-
CH2O
CH2N(CH3)2
N
H
N
N
H
N
H
(CH3)2NH
H+
N
Reazioni come Nucleofilo
Il pirrolo non è nucleofilo, ma lo è la sua base coniugata
ALCHILAZIONE
esempio:
R X
..
N
-+
K
N
KX
..
N
H
R
H3C
NaH
H2
SO2 Cl
N
SO2
..
N
-
NaCl
Na+
H3C
ACILAZIONE
R
..
N
-+
K
O
C
N(CH3)2
esempio:
Cl
N
C
KCl
R
+
N
H
O
O
tBu
O
tBu
DMAP
N
N
O
O
H +
N(CH3)2
"anidride Boc"
O
O
O
tBu
N-Boc-pirrolo
N
FURANO
Il furano reagisce facilmente con gli elettrofili, con reazioni simili a quelle del pirrolo
Le differenze principali sono:
Il furano è considerevolmente meno aromatico del pirrolo. Ha una tendenza a dare
prodotti di addizione, piuttosto che di sostituzione. Anche quando alla fine si
ottengono prodotti di sostituzione, si dimostra che talvolta si passa attraverso
intermedi di addizione.
La sostituzione avviene di preferenza in posizione 2- piuttosto che in 3-, con una
selettività maggiore di quella del pirrolo
O
O
F
F F
F
con F C C O C C
F
O
C
O
O
O
C CF3
C CF3
CF3
N
H
O
6000 : 1
C
CF3
O
6 : 1
Anche con il furano va evitato l’ambiente acido
N
H
polimerizzazione
con acidi di Brønsted e di Lewis (H2SO4 conc. o AlCl3)
con acidi minerali acquosi, a caldo
scissione come enol eteri
+
H
H
O
O
H
O
+
+ O
H
H
H2O
O
H
H
O+ H
H
H2O
OH
H+
O O
emiacetale!!
116
29/11/2010
Il furano è meno aromatico: dà anche reazioni di addizione; anche i prodotti che
sembrano di sostituzione possono derivare da reazioni di addizione.
Br2,
O
Br
O
miscela di prodotti di
addizione
Br2,CS2, -50°C
O
Br2
O
-5°C
H3C H
O
CH3OH
10°C
H CH
3
O
O
meccanismo:
Br+
H CH3OH
O
+
O
Br
H3C
H
O
O
H3C
Br
O
Br-
O+
CH3OH
H3C
O
O
O
CH3
Se l'attacco dell'elettrofilo avviene in presenza di un nucleofilo, si hanno reazioni
di addizione, soprattutto a bassa temperatura. Il prodotto di addi-zione può dare
successiva eliminazione.
In assenza di nucleofilo, l'intermedio carbocationico viene deprotonato, con
formazione del prodotto di sostituzione.
O
NO2+ AcO-
H3 C
-5°C
C
piridina
O
NO2
O
O
NO2
35%
NO2+ BF 4
O
O
NO2 14%
Altri elettrofili seguono il meccanismo classico
O
H3C
Acilazione di Friedel-Crafts
O
O
CH3
SnCl4
O
O
piridina
O
CH3
O
SO3
Solfonazione
C
O
SO3H
Il furano reagisce anche con gli elettrofili deboli, ma NON REAGISCE con i sali di
diazonio
Il furano, proprio perché meno aromatico, dà reazioni reazioni caratteristiche dei
dieni coniugati, come le cicloaddizioni (reazione di Diels-Alder)
O
O +
O
O
O
O
O
O
Il prodotto di cicloaddizione puo subire apertura dell’anello eterociclico, con utili
applicazioni sintetiche.
O +
CO2CH3
C
C
CO2CH3
CO2CH3
O
CO2CH3
OH
H+
CO2CH3
CO2CH3
117
29/11/2010
TIOFENE
l tiofene è un po' meno reattivo del furano con i reagenti
elettrofili, molto meno reattivo del pirrolo, ma ancora più
reattivo del benzene (103-105).
S
Il tiofene ha un notevole carattere aromatico e dà reazioni di sostituzione elettrofila aromatica
quasi esclusivamente in posizione 2 (in 3, <1%).
CHO
S
(CH3)2NCHO, POCl3
NO2
S
HNO3
Ac2O,-10°C
CH3COCl
COCH3
S
SO2Cl2, Δ
S
SnCl4
+
N
S
CHCl3, AcOH
SO3
N2
piridina,
a caldo
Cl-
Cl
S
NBS,
Br
S
N
SO3H
S
Il tiofene è stabile in ambiente acido
La riduzione con H2/catalizzatore è difficile (il catalizzatore
viene avvelenato da S). Si può effettuare con Ni-Raney in
solvente inerte ( rimozione dello zolfo: importante farlo sul
petrolio)
Ni-Raney
R
S
R CH2 CH2 CH2 CH2 R'
R'
[X]
SINTESI
R
R
Metodo generale
O
X
O
X = NH, O, S
1. Sintesi di Paal-Knorr (pirrolo)
H
H
+ RNH2
O O
H3C
O O
CH3
PhH, a ricadere
H
NH3
H3C
HO
N
H3C
H
CH3
CH3
O
OH
H2N
H3C
N
H
N
R
2 H2O
CH3
H3C
HO
N
H
OH
H2O
CH3
2. Sintesi del furano
H
H
acido
+
O O
O
H2O
118
29/11/2010
t
t
t
Bu
TsOH (cat.)
Bu
t
t
Bu
Bu
t
O O
H H+
PhH, a ricadere
O O
H2O
t
Bu
O
Bu
OH
t
Bu
Bu
S
80%
3. Sintesi del tiofene
H
H
"S"
+
S
O O
H2O
P 2S 5
CH3
O O
CH3
CH3
PhMe, a ricadere
S S
S S
H
CH3
SH
S
S
H2S
H+
CH3
80%
3
INDOLO
2
N1
H
Reagisce facilmente con gli elettrofili (e con il protone), in posizione 3
+
H
H
..
N E
H
H E
.. + E+
N
H
N+ E
H
E
H E
+
N
H
N
H
N+
H
Addotto sigma più
stabile, perché l’anello
benzenico non perde
l’aromaticità
Acidità e basicità analoghe a quelle del pirrolo
base
pKa = -3.63
N
-
N
+
H H
..
N
H
H+
H H
+
N
H
119
29/11/2010
CHO
NO2
PhCONO2
(CH3)2NCHO, POCl3
20-35°C
N
H
N
H
0°C
COCH3
(CH3CO)2O
N
H
Δ
N
H
Cl
NCS, CH3OH, 20°C
N
H
NBS,
CCl4, 20°C
Br
SO3
+
N2
piridina,
a caldo
Cl-
N
H
SO3H
N N
N
H
N
H
tautomeria:
H H
O
OH
H
O
OH
N
H
N
H
IMIDAZOLO
4
5
tautomeria
3
1
5
N
2
N1
N
L'anello dell'imidazolo è presente nell'amminoacido essenziale
istidina e nel suoprodotto di decarbossilazione, l'istamina
2
O
3
H
C
HO
La tautomeria rende non definita la posizione dei
sostituenti in 4 o in 5
H3C
4
H3C
N3
2
5
H
N
N
H2 N
N
H
H2 N
istidina
istamina
N
H
presente in siti attivi di enzimi
H
N1
5
4
N1
H
H
H
N
4
N
H
N
H
N
2
Spiegare!
3
4(5)-metilimidazolo
Acidità e Basicità: l'imidazolo è una base più forte ed un acido più forte del pirrolo
-
N
N
N
N
-
H+
-H+
pKa = 14.5
N
N
H
H+
-H+
H
N+
H
N
N
N+
H
H
pKa = 7.0
Al pH fisiologico (circa 7.4) è presente sia l'imidazolo neutro che quello protonato
120
29/11/2010
Reazioni come nucleofilo (-N=)
L’azoto con il doppietto elettronico sull’orbitale sp2 è basico e nucleofilo
N
ALCHILAZIONE
R
N+
R X
N
N
H
H
-H+
N
N
R
N
Le N-alchilazioni si eseguono meglio in ambiente basico
N
+ R-X
N
X-
-
O
O
ACILAZIONE
N
R
C
C R
-H+
N+
X
N
N
reagente d
itrasferimento
di acile
N
N
H
H
C
R
O
O
O
N
+
N
-
R'NH2
N
R' MgX
C
R
N
R
R
N
COR
R'
MgBr
N
+
C
N
H
NHR'
O
R'OH
N
C
+
R
N
H
OR'
L'imidazolo può catalizzare l'idrolisi di esteri e di altri derivati acilici, RCOX.
Il tipo di catalisi dipende dalla natura di X
a) con X buon gruppo uscente:
O
N
+
N
H N
X
R
N
+
H
R
N
N
R
R
C
H 2O
C
O
H+
C X
O-
N
H +
N
O-
R
H N
+
N
+
C OH2
H N
O-
b) con X cattivo gruppo uscente:
N
N
H
+ H2O
N
N
H +N
C X
R -H+
R
N
N
O
X-
C
O
O
O
+ C
+
R
OH2
H
N+
C
C
H+
+
-OH
R
Catalisi
nucleofila
OH
Catalisi basica
N
H
Reazioni al C
Sostituzioni Elettrofile Aromatiche
L'imidazolo ha la reattività di un pirrolo con un sostituente a forte attrazione elettronica
complicazioni: l'N-3 è facilmente protonato o attaccato da altri elettrofili
conseguenze: Le alchilazioni e le acilazioni di Friedel-Crafts non avvengono, la
nitrazione in acido solforico è difficile
121
29/11/2010
Orientamento:
N+
N
N
N
N
H
E
+
N
H
H
H
+
E
H
N+ E
H
H
INSTABILE
+ E+
N
H
E
N
N
H
N
N
E
H
N
H
+
N
E
N+
E
H
H
N
H
Sostituzioni Nucleofile Aromatiche
Avvengono al C-2, in presenza di un buon gruppo uscente, più facilmente se c'è un altro gruppo ad attrazione elettronica
N
H3C
O2 N
H3C
N
N
75°C
Br + NH3
O2 N
CH3
N
200°C
+ HN
N Br
CH3
N N
CH3
60 h
N
NH2
N
CH3
O2N
Cl
O2 N
N
N
CH3
+ NaCN
100°C
N
C
N
N
CH3
PORFIRINE
-O C
Sono costituite da quattro anelli pirrolici, tenuti insieme
da ponti di un C. Sono molto diffuse in natura.
H3C
Ferro protoporfirina IX
N HN
-
2
CO2
N.
N
..
Fe.
..
N
N
eme
NH N
CH3
CH3
H3C
PURINA
6
1
N
2
H
5
N
7
6
1
N
8
N 4 N9
2
3
N7
8
tautomeria
N 4 N
3
H
9-H-purina
5
9
7-H-purina
possono essere N-alchilate o N-ossidate, ma IL SITO DI REAZIONE DIPENDE DAI SOSTITUENTI
PRESENTI e dal REAGENTE.
Nelle sostituzioni nucleofile il Cl sul C-6 è sostituito più facilmente del Cl sul C-2
Cl
N
Cl
N
NH2
N
NH3, CH3OH
N
H
100°C
N
N
Cl
N
N
H
122
29/11/2010
ACIDI NUCLEICI
CENNI STORICI
sono stati isolati dai nuclei delle cellule più di 100 anni fa
L'alterazione del DNA di batteri non virulenti li trasforma in modo irreversibile in batteri virulenti.
1944
Viene proposta la struttura a doppia elica. Si ottengono i primi risultati nello studio della struttura
di DNA e RNA.
1953
Viene determinato il codice con cui la sequenza di nucleotidi è tradotta in amminoacidi. Si
determinano meccanismi con cui l'RNA fa da intermedio nel processo.
Si produce DNA ricombinante al di fuori delle cellule, in grado di replicarsi e di esprimersi in
Escherichia coli. Inizio dell'ingegneria genetica.
1960-69
Sviluppo dell'analisi e della sintesi degli acidi nucleici con metodi che combinano chimica ed
enzimologia.
Stabilire la sequenza di basi di un gene e sintetizzare acidi nucleici sono operazioni di routine.
1973
Anni
’70-’80
oggi
COMPOSIZIONE DEGLI ACIDI NUCLEICI
2 x 104 ÷ 3 x 1010
Sono polimeri ad elevato peso molecolare
Gli acidi nucleici (DNA e RNA) si idrolizzano nei monomeri componenti
idrolisi
RNA (acido ribonucleico)
D-ribosio, acido fosforico,
adenina, guanina,citosina, uracile
a caldo
idrolisi
2-desossi-D-ribosio, acido fosforico,
adenina, guanina,citosina, timina
DNA (acido desossiribonucleico)
a caldo
basi puriniche
NH2
1
2
6
N
5
O
7
H
N
8
N 4 N9
3
H
ADENINA
6-amminopurina
1N 6
2
H2N
7
5 N
8
N 4 N9
3
H
GUANINA
2-ammino-6-idrossipurina
basi pirimidiniche
5
6
4
NH2
N3
1
N2 O
H
CITOSINA
4-ammino-2-idrossipirimidina
O
H
H3C 5 4
N3
6
1
N2 O
H
TIMINA
2,4-diidrossi-5-metilpirimidina
O
5
6
3 H
4 N
1
N2 O
H
URACILE
2,4-diidrossipirimidina
123
29/11/2010
le basi eterocicliche con sostituenti con O esistono sotto forma carbonilica
Esempio:
NH2
NH
N
N
N
R
O
NH2
H
N
R
N
O
N
R
cheto-immina
cheto-ammina
OH
enol-immina
> 99.99%
R = H (citosina),
D-ribosio (citidina),
2-desossi-D-ribosio (desossicitidina)
TAUTOMERIA DELLE BASI PIRIMIDINICHE E PURINICHE
uracile
O
OH
3 H
4 N
2
1
5
6
N
H
O
N
H
O
N
N
OH
O
N
N
N
O
N
H
OH
N
OH
H
O
H
N
OH
N
OH
timina
O
H3C 5
6
OH
3 H
4 N
2
1
N
H
H3C
O
N
H
citosina
O
H3C
N
O
N
H
NH2
NH2
4 3
N
2
1
5
6
N
N
H
O
OH
H3C
N
OH
N
N
O
H
H3C
O
OH
N
N
H
H3C
OH
N
N
OH
NH2
N
OH
N O
H
-NH2 non entra in modo significativo nella tautomeria)
adenina
NH2
6
1N
2
N
4
N9
H
8
N
3
(il
protone
dell’anello
imidazolico si sposta solo
tra le posizioni 7 e 9,
senza andare sull'anello a
sei termini)
NH2 H
N
N
7
5
N
N
N
O
H
N
guanina
O
H
H2 N
N1 6
2
N
3
7
5
N
4
N9
H
H
8
H2 N
N
N
N
OH
N
N
H2N
N
N
H
OH
H
N
N
N
N
H2N
per ciascun tautomero si possono
scrivere strutture di risonanza
A pH fisiologico non sono ionizzate (protonazione a pH <3.3, deprotonazione a pH>10)
124
29/11/2010
idrolisi blanda
RNA
idrolisi blanda
nucleosidi
(NH3 in H2O)
(NH3 in H2O)
DNA
NUCLEOSIDI:
O
NH2
1
N
2
HO
5'
4'
H
7
65
N
8
3
N
1'
O
4'
OH R
N
HO
1'
OH R
R = OH guanosina
R = H desossiguanosina
N
H
N
N
O
N
HO
O
O
OH R
OH R
R = H desossitimidina
R = OH
H
O
uridina
idrolisi enzimatica
idrolisi parziale
NH2
NH2
N
O
O P
-O
O
5'
N
N
N
N
N
O
HO
O
OH R
R = OH, H
nucleotidi
DNA
nucleotidi
-
R = OH citidina
R = H desossicitidina
O
O
H3 C
O
O
2'
OH R
R = OH adenosina
R = H desossiadenosina
RNA
N
8
3'
HO
NH2
7
65
H2N 2 N 4 N9
3
HO 5'
N 4 N9
O
3' 2'
N1
-
O P
-O
N
N
O
3'
O
R
esteri fosforici dei nucleosidi in 5' o 3'
125
29/11/2010
STRUTTURA DEGLI ACIDI NUCLEICI
La struttura primaria di RNA e DNA è costituita da nucleotidi legati come esteri difosfato attraverso
le posizioni 5' e 3'
DNA
R = H, R' = Me
NH2
R = OH, R' = H
RNA
OOH
Forme abbreviate:
C
U
G
N
Forme abbreviate: A
N
P
A C G T
O
OH OH OH OH
O
pACGU
d(pACGT)
N
O N
dpApCpGpT P
OO
P
O
P
O
OO
P
P
pApCpGpU P
P
P
P
P
N
O
O
-
O
P
N
O
O
P
NH2
R
O
P
R
N
O
N
N
O
N
R R'
O
NH2
O
N
O
N
O
O
O
R
ecc.
l legame fosfodiestere non è molto flessibile. La conformazione favorita ha le sequenze di atomi C4'C5'-O5'-P e P-O3'-C3'-C4' in catene antiperiplanari. I due piani formano un angolo al P di circa 80°,
evitando così la sovrapposizione dei doppietti elettronici degli O esterei.
base
O
HO
C4'
C3'
R
i piani formano un angolo di circa 80°
O3'O
-O
P
O-
base
C5'O
O
O5'
C4'
R
si evita l'interazione
repulsiva tra le coppie
di elettroni degli O esterei
O
ecc.
DNA
La dimensione del DNA è
spesso indicata con kbp
(coppie di chilobasi, kilobase
pairs): la singola molecola
che costituisce un tipico
cromosoma umano è circa
105 kbp
Cromosomi umani maschili
da K.P.C.Vollhardt, Organic Chemistry
126
29/11/2010
Struttura:
due catene complementari, tenute insieme da interazioni non covalenti:
- legami idrogeno
- forze di stacking delle basi
legame idrogeno ottimale
N
A:T, A:U, C:G (coppie di Watson e Crick)
H
N H.........O
N
N
A N .........H N T
zucchero N
N
O
zucchero
Struttura secondaria:
H
O .........H N
N
G N H ......... N
zucchero N
N H ......... O
H
C
N
zucchero
due catene di nucleotidi, tenute insieme da legami
idrogeno ed avvolti attorno allo stesso asse,
formando una spirale in cui la catena zuccherofosfato è all'esterno
Nella notazione abbreviata la catena 5'
3' si scrive sopra alla catena 3'
5' A G C T T A G 3'
3' T C G A A T C 5'
DNA in replicazione (microscopio elettronico)
5'
da K.P.C.Vollhardt, Organic Chemistry, Freeman Ed.
127
29/11/2010
Pesi molecolari da 104 per tRNA (RNA transfer) a 107 per rRNA
(RNA ribosomiale)
RNA
Struttura primaria:
Struttura secondaria:
catena lunga, regolare, non ramificata di ribonucleotidi legati
3'
5' zucchero-fosfodiestere
sezioni di catena si piegano su se stesse e sono tenute insieme
da legami idrogeno e da interazioni lipofile tra le basi
Caratteristiche:
Õ sequenze complementari (A:U,
G:C)
Õ distanza costante tra i due
scheletri (legame idrogeno sempre
tra una purina ed una pirimidina)
Õ regioni abbastanza corte,
disperse all'interno di sequenze di
RNA a filamento singolo
Õ struttura ordinata "a trifoglio"
LIPIDI
L'isolamento di biomolecole dai fluidi biologici (idrolizzati per separare i carboidrati
dai loro agliconi) o da materiale secco di origine animale o vegetale di solito inizia
con l'estrazione con un solvente organico.
Carboidrati, nucleotidi e proteine restano in acqua o come fase solida
I composti estratti, relativamente non polari, prendono il nome di lipidi
Lipidi: composti strutturalmente diversi, accomunati dalla solubilità in solventi relativamente polari
(cloroformio, etere dietilico)
Grassi, oli, cere
Sono i componenti in quantità maggiore e sono usati
da piante ed animali, come riserve di energia
esteri di acidi grassi
Con "acidi grassi" si intendono acidi carbossilici a catena lunga, con numero pari di atomi di C, saturi o
insaturi, con numero di atomi di C di solito tra 12 e 20.
128
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cere: esteri semplici di alcooli a catena lunga
esempio:
CH3(CH2)14CO2(CH2)29CH3
O
O
esadecanoato di triacontile (cera d’api)
grassi e olii sono trigliceridi: triesteri del glicerolo (1,2,3-triidrossipropano)
O
CH2 OH
R'
CH2 O
O
O CH
CH OH
CH2 OH
glicerolo
R
1,2,3-triidrossipropano
O
R, R', R" possono essere
uguali o diversi, saturi o
insaturi
R"
O
CH2 O
da 12 a 20 C
R C
Catene sature rendono il trigliceride solido a temperatura ambiente (grasso); la
presenza di uno o più doppi legami fa sì che il trigliceride sia liquido a temperatura
ambiente (olio)
Per idrolisi basica i grassi danno glicerolo e i carbossilati degli acidi grassi (saponi)
O
R C
O
CH2 O C R'
O CH
O
CH2 O C
R"
NaOH
CH2 OH
CH OH
H2O
CH2 OH
glicerolo
+
O
Na+ - O C R'
O
R C O- Na+
O
Na+ -O C
R"
I saponi sono caratterizzati da una testa polare (carbossilato) e da lunghe catene non
polari: in acqua non si sciolgono, ma si aggregano dando micelle, che sono disperse e
la fase sembra omogenea.
CO2-
129
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H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
unto
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
SO3 Na+
Sullo stesso principio si basano
i detergenti (solfonati di sintesi)
O
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C
OH
acido stearico (acido ottadecanoico)
CH3 CH2 CH2
CH2
14
C
C C
H
H H
11
H
C
C
H
H
C
9
O
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C 1
OH
acido linolenico (acido 9,11,14-ottadecatrienoico)
130
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Fosfogliceridi: sono diesteri dell’acido fosforico
O
R
CH2 O
O CH
R
O
il glicerolo è esterificato con due acidi grassi e un
monoestere dell’acido fosforico
O
CH2 O P O R'
O
R' contiene una carica positiva
per esempio da
+
HO CH2 CH2 N(CH3)3
colina
si trovano quasi esclusivamente nelle membrane cellulari
O
O
R C
O
CH2 O C R
O C H
O
+
CH2 O P O CH2 CH2 N(CH3)3
L
OFosfatidilcolina (una lecitina)
O
R C
CH2 O C R
O C H
O
+
CH2 O P O CH2 CH2 NH3
O-
Fosfatidiletanolammina
(una cefalina)
131
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glicosfingolipidi
cerammidi
sfingosina
R'=COR, R"=glicoside
R' = COR, R"=H
R',R" = H
sfingolipidi
H
OH
H
N CH
R'
CH2 O R"
H
OH
NH CH
R"
sfingomielina
O
CH2 O P O
O
OH
N(CH3)3
+
componente del rivestimento
mielinico delle cellule nervose
Terpeni
- si trovano in praticamente tutte le piante e tutti gli animali
- hanno diverse funzioni
contengono un numero di atomi di C multiplo di 5: si ripetono sequenze di 4
C + 1C in catena laterale
La struttura di 5 atomi di C si chiama “unità isoprenica”: l’estremità con la ramificazione si chiama “testa”, l’altra
estremità si dice “coda”.
coda
testa
Il nome “unità isoprenica” viene dall’isoprene (metilbutadiene); in realtà l’unità coinvolta
nel processo biogenetico è l’isopentenil pirofosfato
isoprene
metilbutadiene
O
O
O P O P OOOisopentenil pirofosfato
I terpeni più piccoli contengono due unità isopreniche
132
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Terpeni con due unità isopreniche (C10)
Terpeni con tre unità isopreniche (C15)
Terpeni con quattro unità isopreniche (C20)
Terpeni con sei unità isopreniche (C30)
monoterpeni
sesquiterpeni
diterpeni
triterpeni
Le giunzioni più comuni sono testa-coda, ma non mancano anche giunzioni testa-testa o
coda-coda
esempi:
mircene
(alloro)
due unità isopreniche
monoterpene (testa-coda)
α-pinene
10C: 2 unità isopreniche
monoterpene
(conifere)
limonene
10C: 2 unità isopreniche
monoterpene
(limone)
coda
mircene
testa
testa
coda
α-pinene
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15C: 3 unità isopreniche
sesquiterpene
zingiberene
(zenzero)
CO2H H
O
H
O
HO
OH
HO
CO H
CH2
CO2H 2
Gibberellina A13
20 C: diterpene
ormone della crescita nelle piante
CO2H
CH2
acido gibberellico
(considerato terpene,
anche se C 18)
β-Carotene
giunzione coda-coda
C 40: tetraterpene
fitoene
C 40: tetraterpene
biosintesi
HO
squalene
colesterolo
C 30: triterpene
biosintetizzato per dimerizzazione di due unità di sesquiterpeni (C 15)
134
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struttura ciclica del ciclopentanoperidrofenantrene
Steroidi
12
13 17
C
D
11
1
10 9
2
A
3
4
B
8
14
16
15
7
5
spesso in 10 e 13 ci sono metili (metili
angolari); in 17 ci può essere una catena
di C
La struttura tridimensionale degli steroidi varia con il
tipo di giunzione degli anelli
6
le giunzioni tra gli anelli B e C e tra gli anelli C e D sono sempre trans
la giunzione tra gli anelli A e B può essere trans o cis
A
Composto di
riferimento:
B
biciclo[4.4.0]decano
(decalina)
H
H
H
H
H
H
H
2.5 Å
H
H H
H
H
H H
H
H
H
tutta sedia
H
H
H
H
H
H
H
trans-decalina
H
H H
H
H
H
HH H
H
barca-sedia
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
2.17 Å
cis-decalina
Struttura tridimensionale degli steroidi:
faccia β
CH3
H3C
CH3
H3C
R
R
H
faccia α
H
5-α
5-β
La famiglia degli steroidi con la giunzione A-B trans si chiamano “5-α”, quelli con
giunzione cis si indicano con “5-β”.
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Nomenclatura degli steroidi
I nomi sistematici degli steroidi si basano sull'alcano tetraciclico saturo, che ha lo
stesso scheletro di atomi di C
21
18
12
19 11
1
2
10
3
4
5
9
22
20
13 17
24
23
16
14 15
8
7
25
C1-C27
C1-C24
C1-C21
C1-C19
C1-C18
26
27
6
COLESTANO
COLANO
PREGNANO
ANDROSTANO
ESTRANO
Le deviazioni da questi scheletri base è indicata con un prefisso.
I sostituenti ed i doppi legami sono indicati con i relativi prefissi e desinenze, accompagnate
dall'indicazione numerica della posizione ed eventualmente dalla posizione α o β (se si trovano,
rispettivamente, al di sotto o al di sopra del piano medio dello steroide).
esempi:
O
OH
O
Progesterone
C 21: 4-pregnen-3,20-dione
HO
O
Nandrolone
semisitematico:19-nortesterone (nor = manca)
sistematico: 17β-idrossi-4-estren-3-one
Colesterolo
5-colesten-3β-olo
Il colesterolo è l'unico steroide
abbondante nei vertebrati, ma non
ha attività ormonale
136
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CH3
H3C
CO2H
CO2H
H
HO
HO
acido litocolico
acido 3α-idrossi-5β-colan-24-oico
Androgeni:
H3C OH
H3C
H3C O
H
H
H3C
H
HO
testosterone
H
H
H3C OH
H
H
H
H
HO
H3C
aldosterone
(mineralcorticoide)
H
HO
(estrogeno sintetico)
(glucocorticoide)
H
CH
H
H
H3C OH
CH3
H
H3C
H
O
etinilestradiolo
idrocortisone
H
H3C OH
C
H
H
progesterone (un
progestinico)
O
CH
H
H
O
H3C
HO
H3C
O
H
H
O
OH
H
H
O
H3C OH
C
H
OH
H
H3C
H3C
estradiolo
O
O
H
androstendione
H3C O
estrone
H
O
H
HO
H
H
androsterone
Estrogeni:
HO
H3C
H
H
O
H3C O
H
H
O
noretindrone
metandrostenolone
(progestinico sintetico)
(Dianabol)
137
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Prostaglandine
Sono acidi carbossilici con 20 C ed un anello. Insieme a trombossani e
leucotrieni, costituiscono il gruppo degli eicosanoidi (dall'acido eicosanoico)
9 8
acido prostanoico
10
11 1213
6
14
1
3
5
7
2
4
16
15
CO2H
18
20
17
19
sono coinvolte nella stimolazione o nella inibizione del muscolo liscio; nella
regolazione della secrezione gastrica; nella regolazione della pressione
sanguigna; nella regolazione dei muscoli della respirazione; intervengono in
processi infiammatori, nervosi, riproduttivi.
Nomenclatura delle prostaglandine
Per la nomenclatura si usano nomi semisistematici
1.
si usano tre lettere maiuscole; le prime due sono PG (prostaglandina), la
terza indica come è sostituito l'anello ciclopentanico
O
O
O
R'
R"
PGA
R'
R"
PGB
O
R'
R"
PGC
O
PGE
R"
PGF
CH2CH2CH2CO2H
R'
O
OOH
O
R"
O
R"
O
PGD
O
R"
C5H11
PGG
R'
R'
R'
O
R'
OH
O
O
PGH
PGI
HO
R"
I trombossani si indicano con le lettere TX (tromboxane)
i leucotrieni si indicano con le lettere LT (leucotrienes)
R'
O
O R"
TXA
OH
R'
R"
HO
TXB
138
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La configurazione del C9 si indica con l'indice α (al di sotto del piano) o β (al
di sopra del piano)
2.
La catena laterale legata al C 8 si chiama catena α; la catena laterale legata
al C 12 si chiama catena ω; nelle catene laterali ci possono essere doppi
legami: il numero di doppi legami si indica con un indice
3.
catena α
R'=
4
7
6
catena ω
R"=
13
2
3
5
6
oppure
CO2H
1
14 15 16
18
14
20
oppure
17
19
4
7
5
15
16
13
O
CO2H
1
19
17
OH
OH
2
3
18
20
HO
CO2H
HO
CO2H
HO
OH
Prostaglandina E1
H
H
O
O
OH
Prostaglandina F2α
H
CO2H
H
CO2H
OH
Trombossano A2
O
prostaciclina
HO
OH
H OH
CO2H
H
S
O
Leucotriene D4
H2N
NH
CO2H
139