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PROGETTAZIONE DELLA SINTESI Le piccole molecole organiche esercitano potenti effetti sulle macromolecole contenute negli organismi viventi. Questa potenzialità

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Presentazione sul tema: "PROGETTAZIONE DELLA SINTESI Le piccole molecole organiche esercitano potenti effetti sulle macromolecole contenute negli organismi viventi. Questa potenzialità"— Transcript della presentazione:

1 PROGETTAZIONE DELLA SINTESI Le piccole molecole organiche esercitano potenti effetti sulle macromolecole contenute negli organismi viventi. Questa potenzialità le rende utili come mezzi per la comprensione dei processi alla base della vita e come agenti farmacologici per la cura delle malattie. Il primo tipo di approccio per ottenere piccole molecole in grado di perturbare macromolecole è chiamato target-oriented synthesis e si basa prevalentemente sullutilizzo di prodotti naturali. Moltissimi composti naturali possono essere identificati, isolati e caratterizzati strutturalmente utilizzando varie tecniche spettroscopiche. Una volta determinata la struttura, la molecola diventa un target per la sintesi chimica.

2 La natura del lead compound di partenza può variare e può includere prodotti naturali, farmaci già noti, strutture ottenute mediante rational drug design basato su tecniche di molecular modelling. Quale è il lavoro del chimico farmaceutico classico? Individuare una molecola che abbia un interesse da un punto di vista farmacologico; lo spunto può derivare da: Relazioni struttura attività; Modelli farmacoforici elaborati mediante metodi computazionali; Modelli di macromolecole costruiti mediante molecular modelling; Strutture di macromolecole cristallizzate in presenza di ligandi e risolte mediante i raggi X; Prodotti naturali ad attività interessante; Farmaci già noti. Lo scopo della chimica farmaceutica è quello di esplorare una regione di spazio chimico in prossimità di un punto con caratteristiche utili, cioè sintetizzare una serie di derivati di una molecola con interessanti proprietà farmacologiche in modo da ottimizzarne lattività e costruire delle relazioni struttura-attività.

3 Elaborare uno schema di sintesi basandosi su un approccio di tipo retrosintetico. Cercare in letteratura tutte le informazioni utili che riguardano la sintesi e la caratterizzazione di molecole il più possibile simili a quella che sta cercando di sintetizzare (banche dati). Pianificare la sintesi e progettare le apparecchiature necessarie per le condizioni di reazione che deve utilizzare; Effettuare la sintesi; Isolare e purificare i prodotti della reazione; Controllare la purezza e caratterizzare i prodotti stessi.

4 LA RETROSINTESI La target-oriented synthesis e la chimica farmaceutica si sono sviluppate grazie ad una strategia generale di pianificazione della sintesi chiamata analisi retrosintetica, in cui un target complesso viene trasformato in una sequenza di strutture progressivamente più semplici effettuando formalmente le reazioni chimiche in senso inverso. Prima dello sviluppo dellanalisi retrosintetica il problema di sintetizzare differenti molecole era risolto caso per caso. Lintroduzione di una strategia generale ha avuto un effetto rivoluzionario nel campo della sintesi chimica per tre motivi: ha fornito ai chimici gli strumenti per sintetizzare molecole complesse in precedenza proibitive; ha creato un linguaggio comune tra i chimici facilitando la comunicazione scientifica; ha stabilito un codice per insegnare alle nuove generazioni

5 E. J. Corey (premio nobel per la chimica nel 1990, per linvenzione dellanalisi retrosintetica): I took a course in Advanced Synthetic Organic Chemistry…in which the major reaction of syntheses were surveyed. It was explained that very few new synthetic methods remained to be found, since only five important reactions had been discovered in the preceding fifty years. We were given numerous molecular structures as synthetic problems….My new found competence in chemical problem solving seemed to result from an automatic know how rather than from the conscious application of well-defined procedures. Nonetheless, even though I had mastered the classical reactions, designing syntheses of molecules beyond the modest level of complexity of these instructional problems still eluded me. Molecules such as morphine, cholesterol, penicillin or sucrose were so forbidding that they defined the frontiers of 1947; each seemed to be unique and to require a very high level of creativity and invention.

6 Durante la prima metà del XX secolo, la maggior parte delle sintesi venivano effettuate scegliendo un opportuno materiale di partenza dopo una ricerca di tipo trial and error tra i composti commercialmente disponibili che presentassero una somiglianza strutturale con la molecola da sintetizzare. La pianificazione della sintesi era quindi strettamente dipendente dal punto di partenza. E. J. Corey: In the fall of 1957 I came upon a simple idea which led to an entirely different way of designing a chemical synthesis. In this approach the target structure is subjected to a deconstruction process which corresponds to the reverse of a synthetic reaction, so as to convert that target structure to simpler precursor structures, without any assumptions with regard to starting materials. Each of the precursors so generated is then examined in the same way, and the process is repeated until simple or commercially available structures are arrived at.

7 Lanalisi retrosintetica è quindi una tecnica che permette di trasformare la struttura di un target sintetico in una sequenza di strutture progressivamente più semplici fino ad arrivare a composti commercialmente disponibili. La trasformazione di una molecola in un precursore viene ottenuta mediante lapplicazione di una operazione che è linverso di una reazione sintetica. In uno schema retrosintetico, ogni struttura che deriva dalla semplificazione di un target sintetico, diventa essa stessa un target per una analisi successiva. La ripetizione di questo processo crea una serie di ramificazioni ai cui nodi si trovano le strutture chimiche via via più semplici e in cui un percorso dal basso verso lalto rappresenta una possibile sintesi della molecola target.

8 Ogni passaggio retrosintetico richiede la presenza di una subunità strutturale chiave chiamata retrone che permette lapplicazione di una particolare trasformazione. Per esempio il retrone per la condensazione aldolica consiste in una unità HO- C-C-C=O; la presenza di questa subunità permette lapplicazione di questa trasformazione. Il retrone per la reazione di Diels Alder è costituito da un anello a sei termini contenente un legame p e questa unità strutturale è lelemento chiave minimo per poter applicare la trasformazione.

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10 Sintesi del longifolene Uno degli aspetti più importanti della sintesi del longifolene, e di altre strutture che possiedono più anelli condensati, è che esistono numerose possibilità di disconnessione e quindi numerosi possibili precursori da cui si può costruire lo scheletro molecolare desiderato. La scelta della disconnessione da effettuare e quindi della strategia sintetica da utilizzare dipende dalle metodologie sintetiche disponibili in un determinato momento, da considerazioni pratiche quali la disponibilità dei materiali e dei reagenti da utilizzare, dal giudizio e dallesperienza personale secondo i quali una certa reazione viene ritenuta possibile oppure no.

11 SCHEMA RETROSINTETICO La prima cosa da fare in una strategia retrosintetica di molecole di questo tipo è individuare gli atomi comuni, cioè quegli atomi che sono legati a tre o quattro membri degli altri anelli. Un sistema meno complesso viene quindi generato disconnettendo un legame che unisce due atomi comuni.

12 Strutture ancora più semplici si possono ottenere disconnettendo due legami, specialmente quelli che uniscono due atomi adiacenti ad uno o più atomi comuni. Altre strutture più semplici possono essere ottenute rompendo un legame tra un atomo comune e uno non comune.

13 Una volta stabilite le possibili disconnessioni, bisogna valutare quale strategia può essere più conveniente sulla base delle reazioni disponibili per costruire lo scheletro molecolare desiderato. Corey ha scelto il primo tipo di disconnessione, cioè tra il legame 1 e 2, per la semplicità del sistema omodecalinico.

14 Per realizzare la condensazione tra il carbonio 1 e il carbonio 2, è stata ipotizzata una addizione di Michael intramolecolare. Perché avvenga la ciclizzazione è necessaria una fusione di tipo cis del sistema omodecalinico. La sostituzione R=CH 3 sembra offrire dei vantaggi rispetto alla sostituzione R=H, lulteriore metilazione in a rispetto al gruppo carbonilico, risulta infatti più facilmente controllabile; dopo la metilazione il carbonile i può essere ridotto, mentre il carbonile j può essere trasformato nel metilen derivato.

15 Il passaggio successivo consiste nellanalisi retrosintetica del sistema omodecalinico. Il sistema omodecalinico può essere generato da un sistema decalinico per espansione dellanello;

16 A questo punto ci sono due possibilità: Si può effettuare subito lespansione dellanello; Si può ciclizzare direttamente il sistema decalinico ed effettuare lespansione in un secondo momento.

17 Corey decide di effettuare subito lespansione dellanello. Come precursore per la sintesi del sistema omodecalinico viene scelto il chetone di Wieland-Miescher, composto commercialmente disponibile.

18 Per pianificare la sintesi di molecole organiche, i chimici utilizzano il concetto di retrosintesi, metodo in cui la molecola target viene trasformata in molecole sempre più semplici operando delle trasformazioni che sono linverso delle comuni reazioni chimiche. Daltra parte sono disponibili banche dati (reaction databases) che includono notevoli quantità di informazioni sulle reazioni chimiche descritte in letteratura (condizioni di reazione, rese, catalizzatori, reagenti e riferimenti bibliografici). Questo tipo di banche dati, che vengono continuamente aggiornate, sono ormai diffusamente utilizzate in tutti i laboratori di sintesi; perciò quando bisogna sintetizzare una determinata molecola spesso risulta utile controllare mediante i databases disponibili se esiste qualche precedente simile in letteratura.

19 Le banche dati sono utili soltanto se il chimico ha già unidea del tipo di reazione che bisogna effettuare per sintetizzare una molecola target. Esistono invece dei sistemi informatici in grado di fornire delle possibili vie sintetiche a partire da una determinata molecola. Le banche dati più utilizzate nei laboratori accademici sono due: SCIFINDER SCHOLAR BEILSTEIN

20 SCIFINDER SCOLAR E la versione elettronica del chemical abstract e permette di cercare informazioni su: Sostanze chimiche Reazioni chimiche Argomenti di ricerca Nomi di autori Riferimenti specifici E un motore di ricerca che può accedere a 6 banche dati: CAplus CAS REGISTRY CAS REACT CHEMCATS CHEMLIST MEDLINE

21 CAplus Riferimenti ad articoli e brevetti Contiene più di 23 milioni di riferimenti provenienti da più di 8000 riviste e da 45 organizzazioni che registrano brevetti. Copre un arco di tempo che va dal 1907 ad oggi ed è aggiornata quotidianamente con circa 3000 nuovi riferimenti. CAS REGISTRY Informazioni su sostanze chimiche E la più ampia banca dati di composti chimici e contiene più di 22 milioni di molecole organiche ed inorganiche, identificate mediante un numero univoco chiamato CAS Registry Number. Copre un arco di tempo che va dal 1957 ad oggi ed è aggiornata quotidianamente con circa 4000 nuovi composti.

22 CAS REACT Informazioni su reazioni chimiche Contiene più di 7 milioni di reazioni provenienti da riviste e brevetti, in cui sono specificate le condizioni di reazione. Copre un arco di tempo che va dal 1907 ad oggi ed è aggiornata quotidianamente con circa nuove reazioni. CHEM CATS Catalogo dei rivenditori Contiene 817 cataloghi di sostanze chimiche provenienti da 704 rivenditori, in cui sono presenti più di sei milioni di records. Ogni record contiene informazioni su una determinata sostanza commercialmente disponibile, come il nome chimico e commerciale, il nome e lindirizzo del rivenditore e il prezzo.

23 CHEMLIST Informazioni sulle regolamentazioni e sui brevetti Contiene informazioni sulle rivendicazioni e sullo stato brevettuale di più di composti ed è aggiornata settimanalmente con notizie su più di 50 nuovi composti. MEDLINE Riferimenti appartenenti alla letteratura medica e biomedica Contiene più di 13 milioni di riferimenti bibliografici provenienti da più di 3900 riviste. Copre un arco di tempo che va dal 1958 ad oggi ed è aggiornata 4 volte alla settimana.

24 BEILSTEIN E la banca dati più completa per quanto riguarda la chimica organica. I records delle sostanze contengono i documenti che provengono dal Beilstein Handbook of Organic Chemistry oltre ai dati relativi a 176 riviste di chimica organica. Contiene più di 8.8 milioni di records di sostanze, dati sulle reazioni di più di 7.6 milioni di sostanze e copre un periodo che va dal 1779 ad oggi. Il record di una sostanza contiene il BEILSTEIN Registry Number, il CAS Registry Number, la struttura, la formula molecolare e tutte le informazioni disponibili sulle proprietà fisiche, chimiche, farmacologiche ed ecologiche della sostanza stessa.

25 Informazioni che è possibile ottenere utilizzando Beilstein: Dati chimici Comportamento elettrochimico Proprietà elettriche e magnetiche Identificazione di sostanze Proprietà ottiche Dati farmacologici Dati ecologici Proprietà fisiche e meccaniche Reazioni chimiche Dati di tossicità e di sicurezza Dati spettroscopici Dati sugli stati di aggregazione Parametri di struttura ed energia Proprietà termodinamiche Fenomeni di trasporto

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30 Prodotti solidi e liquidi, tecniche di prelievo, di pesata e di misura Ai fini di una buona riuscita di un esperimento di chimica organica, è importante utilizzare quantità ben definite di prodotti di partenza e di reagenti, osservando strettamente i rapporti stechiometrici tra le specie reagenti ed in particolare quelli di protocolli pubblicati e collaudati. Prodotti solidi: I prodotti solidi vengono pesati utilizzando bilance. Il tipo di bilancia da utilizzare dipende dalla scala dellesperimento, cioè dai quantitativi di sostanza. Su scala macro, media e semimicro si utilizzano bilance tecniche, mentre su scala micro si utilizzano bilance analitiche. Bilance tecniche: sono molto resistenti allusura, al deterioramento e poco sensibili alle variazioni ambientali come vibrazioni e spostamenti daria; hanno portate fino a livello di qualche chilogrammo e sensibilità (peso minimo che può essere pesato) di almeno 0.01 g. Bilance analitiche: sono più delicate e sensibili alle variazioni ambientali (sono in genere collocate su un ripiano anti-vibrazioni e contenute in appositi mobiletti chiusi per preservarle da spostamenti daria); hanno portate fino a qualche centinaia di grammi e sensibilità fino a g e oltre.

31 Prodotti liquidi: Luso di bilance è la tecnica più accurata di pesata sia di composti solidi che liquidi. Tuttavia, mentre la tensione di vapore di solidi è generalmente molto bassa, i liquidi hanno tensioni di vapore che possono variare ampiamente a seconda della natura del liquido e delle condizioni ambientali. La discreta tensione di vapore di molti composti liquidi rende difficoltosa la valutazione del loro peso mediante luso di bilance, in quanto questo può variare considerevolmente durante il processo di pesata. La pesata dei liquidi è generalmente limitata a quelli aventi una bassa tensione di vapore. Questultimo requisito si verifica spesso per sostanze liquide con un discreto peso molecolare e nella maggior parte dei prodotti liquidi ottenuti al termina di una reazione. Il metodo più veloce di misura dei liquidi è volumetrico. Beker o beute: utili per valutazioni grossolane di volume; Cilindri graduati: utili per misure di volume più accurate: laccuratezza è legata alle dimensioni del recipiente utilizzato ed è più alta quanto più basso è il volume complessivo del cilindro. Per misurare una certa quantità di liquido bisogna usare il recipiente più idoneo.

32 Pipette: utili per misure più precise di volumi. Esistono pipette a svuotamento in cui tutto il liquido è trasferito durante la misura oppure pipette in cui rimane un volume di liquido residuo dopo il trasferimento del volume massimo di liquido misurabile. Possono essere di due tipi: Graduate: quando non vengono usate per lintera capacità il volume è dato dalla differenza tra due graduazioni. Tarate: il volume da misurare è compreso tra due tacche segnate sulla pipetta (in quelle a svuotamento manca la seconda tacca). Matracci tarati: usati nella preparazioni di soluzioni a titolo noto per misure quantitative di tipo spettroscopico o nelle titolazioni; Burette: per misurare volumi nelle titolazioni; Siringhe: utili per misure di volume precise di reagenti da aggiungere in reazioni che devono essere condotte in ambiente anidro o in atmosfera inerte.

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36 Attrezzature e tecniche utilizzate nel riscaldamento

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