•Simmetria nelle molecole•Chiralità•Distinzione tra gruppi enantiotopici e diastereotopici •Sintesi stereoselettive•Metodi per la determinazione dell’eccesso enantiomerico•Catalisi stereoselettiva •Esperienza 4

Elementi ed operazioni di simmetria

Elementi

- asse di rotazione Cn (n = 1, 2, 3, ... ∞ )

- piano di riflessione σ

- centro di inversione i

- asse di roto-riflessione Sn (n = 4, 6, ...)

Operazioni

- rotazione attorno all' asse di 360°/n - riflessione nel piano

- inversione delle coordinate (da x,y,z a -x,-y,-z)

- rotazione attorno all' asse di 360°/n seguita da una riflessione in un piano perpendicolare all' asse (per n = 1, S1 = σ; per n = 2, S2 = i)

Gli elementi di rotazione semplice Cn e le corrispondenti operazioni sono detti del primo ordine

Gli elementi di riflessione Sn e le corrispondenti operazioni sono detti del secondo ordine

Anche gli elementi σ e i e le relative operazioni sono detti del secondo ordine

Una molecola è chirale quando possiede solamente elementi di simmetria del primo ordine

HO

H

C2

H

ClClCl

C3

ClClCl Cl

C4

H

H

H

H H

C6

H

H

Cl

C

Me

OHH

C1

Esempi di molecole che posseggono assi di rotazione semplici

solo una rotazione di 360°(l' operazione "identita'")genera la stessa molecola

∞

HO

H

Me

OHH

HO

O

H

H

H

CH

Me

HMe

C1C2

Esempi di molecole che posseggono piani di riflessione

2 σ 4 σ1 σ

7 σ

molecole che non contengono nessun σ

1 + ∞ σ

HOOC

COOHHHO

OHH

HOOC

COOHHHO

OHH

HOOC

COOHHHO

HOH

HOOC

COOHHHO

OHH

Me

Me

Me

Me

S4

Esempi di molecole che posseggono un i o un Sn

i = S2

rotazione di 180° riflessione

H3CCOOH

HO

HO

H

H

CH3HOOC

OH

OH

H

H

CH3

HOOCOH

OH

H

HH3C

COOHHO

HO

H

HHOH2C

COOHHO

H

H

H

Relazioni tra coppie di isomeri (K. Mislow, Bull. Soc. Chim. Belg. 1977, 86, 595)

ed una qualsiasi molecola a formula C4H8O4

sì noE' un' operazionedel primo ordine ?

sì

(un Cn)

no

(un Sn)

omomeri enantiomeri

Hanno lo stesso tipo di legami,la stessa costituzione?

sì no

diastereoisomeri isomeri costituzionali

equivalenti per simmetria non equivalenti per simmetria

Si consideri

La molecola di riferimento ed il suo isomero sono correlate da un' operazione di simmetria ?

Relazioni tra atomi o gruppi di atomi di una molecola

Mex and Mey = omotopici (scambiati da C2)Ha and Hc = omotopici (scambiati da C2)Ha and Hb = enantiotopici (scambiati da σ)Hb and Hc = enantiotopici (scambiati da i)Ha and Ha' = diastereotopiciHa and Hd = costituzionalmente eterotopici

MexMey Ha

Ha'

Hb

Hd

Hc

sì noE' un' operazionedel primo ordine ?

sì

(un Cn)

no

(un Sn)

omotopici enantiotopici

Hanno lo stesso tipo di legami,la stessa costituzione?

sì no

diastereotopici costituzionalmente eterotopici

equivalenti per simmetria non equivalenti per simmetria

Gli atomi o i gruppi di atomi sono correlati da un' operazione di simmetria ?

R

R

X

X

[R = R]

R

R'

X

X

[ R = R']

Si comportano in modo identico

Si comportano in modo identico solo in assenza di reagenti chirali

R

R*

X

X[ R = R* ; R* Chirale ]

Si comportano in modo diverso Danno segnali diversi all’NMR

omotopici

enantiotopici

X, X

diastereotopici

COOR

COORHH

COOR

PhHH

COORR

PhHH

COOR

PhMeH

COORR

PhMeH

COOR

COORMeH

COOR

PhHMe

COORR

PhHMe

Conseguenze della generazione di unita' stereogeniche

Considerazioni di simmetria e di topicita' relativa permettono di prevedere il numero di segnali di uno spettro NMR protonico, nonchè il tipo ed il numero degli stereoisomeri che si possono formare in una reazioneche genera unita' stereogeniche. In particolare, sostituzione di atomi (o gruppi di atomi, o su facce):

omotopici non genera stereoisomeri

enantiotopici genera enantiomeri+

diastereotopici genera diastereoisomeri+* * *

H H

FHClFHC

HH

HH

H

HH

O

MeH HMeH

HFF

ClH

H H

H

H H

HO H

HH

R

O

HHO H

HO

Me

H

Atomi, gruppi di atomi, e facce diastereotopici

Gli atomi e i gruppi diastereotopici sono indicati in grassetto; le molecole asteriscate posseggono anche facce diastereotopiche.

* *

**

La chiralita' e' una proprieta' "pervasiva" della molecola

Tutti i punti di una molecola chirale sono chirali e sono definiti chirotopici(K. Mislow and J. Siegel, JACS 1984, 106, 3319)

La chirotopicita' e' la proprieta' di un punto di una molecola che giace in un intorno chirale,cioe' che non giace su un elemento di simmetria del secondo ordine. Poiche' una molecolachirale non contiene elementi del secondo ordine, tutti i suoi punti sono chirotopici.

A l' interno di una molecola la

O

O

HOHO HO

OH

OHO

CH2OH

HOCH2

OH

carvonecumino

menta

saccarosio

D: metabolizzato

L: Non-metabolizzato

N

OHPTX (+)-251D

(+) Repellente per zanzare

(-) 10 volte meno efficace

Cl

Cl

O CO2H

H3C HR (+) erbicida

S (-) non attivo

(R)-(+)-Dichloroprop

O

"all new drugs should be marketed as single enantiomers unless it can be shown that the racemate has added benefits"

"the less active enatiomer should beregarded as a medicinal pollutant.."

• About 1/3 of medicinal drugs are chiral; in 9 out of 10 of the top selling drugs, the active ingredient is chiral

*

Palitossina: il composto naturale, non-peptidico, più tossicoSintesi realizzata da Kishi nel 1994

Possiede 64 centri stereogeniciSono possibili 264 stereoisomeriImpossibile senza sintesi stereoselettiva

O

HO

OH

O

O

O

O O

ONH

HN

OHOO

OH2N OH HO OH

OH

OH

OH

OH

OH

OHH

OHOH

OHOH

OH

OH

H

HO

OH

O O

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

HOOH

HO

OHHO

HO

OH

OHHO

OH

OH

HOOH

OH

1) Sintesi da composti enantiomericamente puri

2) Tecniche di risoluzione chirale

3) Metodi che prevedono ausiliari chirali

4) Catalisi asimmetricaa) enzimaticab) chimica/ biomimetica

-catalisi con metalli-organocatalisi

Metodi per ottenere composti chirali

• ☺ Generalmente altamente chemo, regio, distereo- ed enantioselettivi

• ☺ Richiedono condizioni blande

• ☺ L’elevata selettività rende possibili reazioni one-pot

• ☺ Non sono tossici

• Scarsa applicabilità a sostanze diverse

• Scarsa stabilità in vitro

• ☺ Applicabilità generalmente ampia all’interno di classi di reazioni

• possono essere tossici

• ☺ Non rimane contaminazione da parte di metalli

• ☺ Biodegradabili

• Applicabilità ristretta a poche classi di reazioni

Enzimi

Catalizzatori organici

Catalizzatori organometallici

ee% =R - S

R + Sx 100 ( se R > S)

Da cui % R =R

R + Sx 100 = 100 - ee%

2+ ee%

Se ee = 93% allora % R = 96.5

In altre parole c'e' il 93% di R e il 7% di racemo.

Se ee = 100% il prodotto viene definito enantiomericamente puro.

Una volta effettuata una reazione stereoselettiva e' necessario determinare :

- con quale eccesso si e' ottenuto uno stereoisomero rispetto all' altro;- quale e' la configurazione relativa e/o assoluta dello stereosiomero maggioritario.

L' eccesso enantiomerico (ee) e' espresso dall' equazione:

Determinazione del decorso stereochimico di una reazione stereoselettiva

-Semplice:

Sperimentalmente si sfrutta un paragone di potere ottico rotatorio con un valore noto e presunto essere quello di un campione puro. Teoricamente si basa sull' esistenza di una relazione lineare tra il potere ottico rotatorio e la composizione enantiomerica secondo l' equazione:

ee% =α

α max

x 100

-Poco preciso:

Si devono assumere: l' esistenza della relazione lineare; la riproducibilita' delle condizioni sperimentali della misura di [α];la bontà della determinazione (sperimentale) di [α]max

Anche se si opera correttamente l'incertezza e' circa del 3%, valore troppo elevato per molte applicazioni.

Metodi di I classe: polarimetria

NMR: Essendo equivalenti per simmetria, due enantiomeri danno spettri NMR identici. Tuttavia, in presenza di un agente enantiopuro che interagisca in modo non covalente con gli enantiomeri, questi possono dare segnali differenti, che, se integrabili separatamente, consentono la determinazione dell' ee.

Tra gli agenti enantiopuri i piu' efficienti sono i reagenti di shift chirali, complessi di lantanidi che coordinano i siti basici del substrato da analizzare creando complessi a geometria diversa e quindi intorni magneticamente non equivalenti.

In pratica, protoni enantiotopici ed indistinguibili diventano diastereo-topici e differenziabili.

Nelle migliori condizioni il metodo ha un' incertezza del 2% ed e' molto generale.

Metodi di I classe: NMR e cromatografia

Cromatografia: Sfrutta l' eluizione di una miscela di enantiomeri su una fase stazionaria enantiomericamente arricchita e le interazioni diastereoisomeriche che si creano tra la fase stazionaria e gli enantiomeri. Le interazioni sono non covalenti (legame a H, π/π, elettrostatiche) e si traducono in tempi di ritenzione diversi per i due enantiomeri, i cui picchi vengono integrati separatamente. Le interazioni devono essere almeno tre (modello di Pirkle), una delle quali deve essere piu' o meno forte a seconda della configurazione dell' enantiomero.

Un' interazione piu' forte produce un tempo di ritenzione maggiore. Il metodo e' molto sensibile, e, se applicato correttamente, ha un' incertezza < 1% ed e' molto generale.

CH3

O

OH

MeOConditions:Chiralpak AD-HHexane/IPA/TFA, 80:20:0.1Flow: 1.0 mL/minnaproxen

Fasi stazionarie chirali

1) A base di polisaccaridi (amilosio e cellulosa) ancorati a particelle di silica [compatibili con alcoli come eluenti]

2) Fasi di tipo Pirkle o Brush sfruttano interazioni diverse (π-π, legami ad H, interazioni steriche) generate in seguito all’interazione con piccole molecole legate alla silica [adatte solo a molecole aromatiche]

3) A base di ciclodestrine [adatte a molecole con gruppi idrofobici o aromatici che possono essere introddotti nella cavità delle ciclodestrine]

4) A base di glicopeptidi macrociclici legati alla silica, contengono molti centri chirali e cavità capaci di ospitare gli analiti.

5) A base di proteine [adatte a soluzioni acquose, in presenza di analiti ionizzabili]

Prevedono la trasformazione di una miscela di enantiomeri in diastereoisomeri.

Qualunque metodo analitico sufficientemente sensibile (NMR, cromatografia) può differenziare due diastereosiomeri e permette di risalire all' ee dal rapporto dastereoisomerico. Va notato che la trasformazione degli enantiomeri in diastereoisomeri ed il fatto stesso che questi ultimi abbiano proprieta' chimico-fisiche diverse possono essere fonti di notevoli errori.

Per convertire correttamente una miscela di enantiomeri in una di diastereosiomeri si deve:- usare un agente derivatizzante enantiopuro- avere reazioni quantitative o che procedono in assenza di risoluzione cinetica- non incorrere in racemizzazioni

L' analisi deve evitare

- arricchimenti accidentali in uno dei due diastereoisomeri (per esempio per differenza di solubilità)

- risposte non lineari rispetto alla concentrazione (per esempio per differenza di assorbimento UV)

Metodi di II classe

Determinazione dell’eccesso enantiomerico di una miscela di R /S 1-feniletilammina

ESP. 5

NH2 NH2

CH3 CH3

R S

analisi polarimetrica in etanolo.Dato di letteratura: (S)-(–)-1-feniletilammina: [a]D = –30, Conc = 0.1 g/mL in EtOH.

Determinazione dell’eccesso enantiomerico di una miscela di R /S 1-feniletilammina

ESP. 5

NH2 NH2

CH3 CH3

R S

analisi HPLC chirale. NH2HN

Ac2O, Et3NCH2Cl2

rtO1 2

Method A. Synthesis of the acetamide

Determinazione dell’eccesso enantiomerico di una miscela di R /S 1-feniletilammina

ESP. 5

NH2 NH2

CH3 CH3

R S

analisi 1H-NMR con shift reagent chirale.

H3CCH3

H3CO

CF3

O

Eu

3

Sintesi stereoselettiva

Preparazione di farmaci enantiomericamente puri, in modo meno costoso rispetto all’estrazione da fonti naturali

CHEMOSELETTIVITA’: reazione preferenziale di un gruppo funzionale rispetto ad un altro

REGIOSELETTIVITA’: formazione preferenziale di uno o più isomeri strutturali per reazione di un gruppo funzionale

STEREOSELETTIVITA’: formazione preferenziale di uno o più prodotti che differiscono solo per la configurazione

Sintesi stereoselettiva

Reazione di due enantiomeri con una molecola chirale

Es. Esterificazione di un acido chirale con un alcol chirale

Coord. reazione

G

E1, E2

diastereoisomeriP1

P2

TS2

TS1

+ R*

NB: caso simile se invece di una coppia di enantiomeri si ha un doppio legame prochirale

Sintesi stereoselettiva

Reazione di due enantiomeri con una molecola achirale

Es. Esterificazione di un acido chirale con un alcol achirale

Coord. reazione

G

E1, E2

enantiomeriP1, P2

TS1 , TS2

+ R

NB: caso simile se invece di una coppia di enantiomeri si ha un doppio legame prochirale

NB2: in casi particolari si possono formare diastereoisomeri

Catalisi stereoselettiva: utilizzo di un catalizzatore chirale

Il catalizzatore permette cammini alternativi, a basse energie

E1 + R

E2 + R

Cat *

Cat *

P1

P2

E1 R

Cat *

E2 R

Cat *

‡

‡

Se il catalizzatore è chirale, può permettere di differenziare le energie dei cammini di reazione dei due

enantiomeri

Stati di transizione diastereoisomerici

enantiomeri

Utilizzo di un catalizzatore chirale

Coord. reazione

G

E1, E2

enantiomeriP1, P2

TS1 , TS2

+ R

Reazione non catalizzata

E1 R

Cat *

‡

E1 R

Cat *

‡

Utilizzo di un catalizzatore chirale

Coord. reazione

G

E1, E2

enantiomeriP1, P2

+ R

E1 R

Cat *

‡

E1 R

Cat *

‡

ΔG1‡ ΔG2

‡

ΔΔG‡

Il catalizzatore agisce sulla cinetica del processo, non sulla termodinamica

Reazioni controllate cineticamente (non termodinamicamente)

La differenza di velocità di E1 ed E2 sarà legata al ΔΔG‡

E1 + R

E2 + R

Cat *

Cat *

v1 = d[P1]/dt = k1·[E1]n·[R]m·[Cat *]p

v2 = d[P2]/dt = k2·[E2]n·[R]m·[Cat *]p

v1 / v2 = k1 / k2 = exp(-ΔG1‡/RT) / exp(-ΔG2

‡/RT) = exp(-ΔΔG‡/RT)

A inizio reazione ( [E1] = [E2] ):

ΔΔG‡ = RT*ln(k2/k1)

050

100150200250300350400450500

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.5 Kcal/mol1 kcal/mol1.5 Kcal/mol2 kcal/mol4 kcal/mol

ΔΔG‡ = RT*ln(k2/k1)

Dato un certo sistema, ΔΔG‡ è fissato

Come varia k2/k1 in funzione della T ?

T (K)

k2/k1

Valori fissatidi ΔΔG‡

NOTA BENE (1)

T (K)

k2/k1

Anche se il valore di k2/k1 aumenta al diminuire di T, i valori assoluti di k2e k1 diminuiscono entrambi, cioè le reazioni diventano molto più lente!!

ln (k) = -ΔG/RT

050

100150200250300350400450500

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.5 Kcal/mol1 kcal/mol1.5 Kcal/mol2 kcal/mol4 kcal/mol

NOTA BENE (2)

Fissato un sistema, compresa la T, si avrà un rapporto k2/k1 costante

Se però la velocità di reazione dipende dalla conc. del reagente, il rapporto tra le velocità non rimarrà costante

durante il corso della reazione

es:Miscela di E1 e E2 che reagiscono con B, con k1 > k2

E1 + B → P1 v1 = d[P1]/dt = k1*[E1]*[B]

E2 + B → P2 v2 = d[P2]/dt = k2*[E2]*[B]

v1/v2 = k1*[E1]*[B]/k2*[E2]*[B] =k1*[E1]

k2*[E2]

Il rapporto tra le velocità saràmassimo all’inizio, per poi

diminuire, dovuto al ‘consumo’ di [E1]