Metodele de sinteză a compuşilor chimici, precum şi cele de analiză a produşilor obţinuţi s-au modernizat în ultimele decenii, devenind mult mai uşor de aplicat şi având rezultate îmbunătăţite. Chimia însă a rămas la fel de fascinantă, chiar dacă şi-a schimbat tehnicile de cercetare.
Pornind de la următorul articol din revista americană PNAS:
şi mai ales utilizând ca idee de bază următorul extras:
noi am încercat să pătrundem în lumea chimiei moderne sintetizând doi compuşi nenaturali cu importanţă practică, după care am confirmat structurile pe care am intuit că aceştia le prezintă prin analiză în spectru RMN de proton. Datele spectrale ne-au confirmat rezultatele sintezelor.
La întrebarea: „Chimia – prieten sau duşman?”, noi alegem cu promptitudine varianta „PRIETEN” datorită întrebuinţărilor pe care compuşii concepuţi le pot avea. Considerăm că, din perspectiva domeniului nostru de cercetare (biochimie), chimia nu pare să aibă aspecte negative; se cunoaşte, dealtfel, importanţa uriaşă a acestei ramuri a cercetării chimice.
Vom începe prin a oferi câteva informaţii despre aminoacizi, proteine şi peptide pe de o parte şi metode spectroscopice pe de altă parte, după care vom prezenta etapele sintezelor pe care le-am realizat şi eventualele utilizări.
DESPRE AMINOACIZI
DESPRE AMINOACIZI
- Aminoacizii sunt compuşi bifuncţionali care au funcţiunea carboxil şi funcţiunea amino legată de un radical organic.
Aminoacizii naturali care intră în compoziţia proteinelor şi rezultă prin hidroliza acestora sunt α-aminoacizi cu formula generală:
- Proteinele sunt macromolecule cu structura polipeptidică cu masa moleculară mai mare de 10000, având un nivel de organizare superior şi proprietăţi fizico-chimice caracteristice.
Structura proteinelor
Elementele de bază care intră în compoziţia proteinelor sunt: carbon 50-52%, hidrogen 6,8-7,7%, oxigen 20-25%, azot 15-18%, sulf 0,5-2%, fosfor 0,4-0,9%. În anumite proteine intră în cantităţi mici metale ca: fier, zinc, cupru, cobalt, magneziu.
În funcţie de constituţie, proteinele pot fi simple sau conjugate, respectiv proteine legate de o componentă neproteică denumită şi grupă prostetică. Proteinele conjugate se mai numesc proteide.
- Peptidele sunt compuşi organici formaţi din α-aminoacizi legaţi prin legături amidice (peptidice) -NH-CO-.
În funcţie de numărul resturilor de aminoacid din peptide, acestea se clasifică în:
-dipeptide, conţin două resturi de aminoacid;
-tripeptide, conţin trei resturi de aminoacid;
-oligopeptide, conţine 3-10 resturi de aminoacid;
-polipeptide, conţin peste 10 resturi de aminoacid.
TEHNICI MODERNE DE ANALIZĂ A COMPUŞILOR ORGANICI
Până în a doua jumătate a secolului al XX-lea, structura unei substanţe – un compus natural nou descoperit, de exemplu, era determinată folosind informaţii obţinute din reacţii chimice. Aceste informaţii includeau identificarea grupelor funcţionale prin teste chimice, alături de rezultatele experimentelor în care substanţa era „ruptă” în fragmente mai mici şi mai uşor de identificat.
Chimiştii propuneau apoi un set de structuri eligibile pentru rezultatele testelor realizate. Dovada corectitudinii determinării se făcea convertind substanţa într-un compus deja cunoscut prin sinteză organică.
Testele calitative şi degradările chimice au fost suplimentate şi în mare măsură înlocuite de metode instrumentale de determinare a structurii. Cele mai folosite sunt:
* Spectroscopia de rezonanţă magnetică nucleară (RMN) – oferă informaţii despre scheletul de carbon şi locul în care se află ataşaţi atomii de hidrogen
* Spectroscopia în infraroşu – oferă informaţii despre grupele funcţionale dintr-un compus organic
* Spectroscopia în ultraviolet-vizibil (UV-VIS) – studiază distribuţia electronilor, în special în moleculele cu sisteme conjugate de electroni π
* Spectrometria de masă – cu ajutorul ei se deduc formula moleculară şi masa moleculară
Toate aceste metode sunt bazate pe absorbţia energiei de către o moleculă.
Spectroscopia RMN
Pentru chimia organică are o însemnătate deosebită rezonanţa magnetică nucleară a celor două elemente componente principale ale compuşilor organici: hidrogenul şi carbonul.
Rezonanţa magnetică nucleară de proton 1H-RMN oferă informaţii despre numărul şi felul atomilor de hidrogen din moleculă şi despre vecinătăţile acestora.
Principiul metodelor de rezonanţă magnetică nucleară are la bază proprietăţile nucleelor cu număr impar de protoni sau neutroni sau ambele, de a efectua o mişcare de rotaţie în jurul axei (spin ) caracterizată printr-un număr cuantic de spin nuclear, I, generând un câmp magnetic de-a lungul axei; aceste nuclee au deci un moment magnetic de spin, μI. În nucleele de 12C, 16O, cu număr par de protoni şi neutroni, cu spin opus, momentul magnetic de spin se compensează, devenind egal cu 0. Valoarea momentului magnetic de spin, în comparaţie cu cea a electronului, este foarte mică (impulsul mecanic fiind acelaşi, dar masa protonului de aproximativ 2000 de ori mai mare).
Un astfel de nucleu se comportă ca un magnet minuscul. Într-un câmp magnetic exterior, momentul magnetic se orientează întocmai ca un ac de busolă, cu deosebirea că orientarea este cuantificată. Un nucleu cu număr cuantic de spin nuclear I poate adopta 2I+1 orientări. Protonul ca şi 13C şi 19F, având număr cuantic de spin I=1/2, poate adopta două orientări: o orientare paralelă cu câmpul exterior şi o orientare antiparalelă cu acest câmp, prima fiind mai săracă în energie. Alte nuclee importante în spectroscopia RMN sunt 31P (spin 1/2),11B (spin 3/2) şi 14N (spin 1).
Un spectrometru RMN schematic este arătat mai jos (imagine preluată din „Chimie organică”, ediţia a 4-a, autori: Volhardt şi Schore):
Când un compus care conţine hidrogen este plasat într-un câmp magnetic, spinul nucleului de 1H poate fi aliniat paralel cu liniile câmpului magnetic (energie joasă, numită α) sau antiparalel (energie mare, numită β):
Frecvenţa radio aplicată de generator va face ca spinii să fie promovaţi pe nivele mai înalte de energie.
Să considerăm faptul că o moleculă dată are în general câteva tipuri diferite de atomi de hidrogeni în ea. De exemplu, considerăm molecula de metil t-butil eter:
Sunt două tipuri de atomi de hidrogen: cei trei din grupa metil ataşată de oxigen şi cei 9 aparţinând metililor ataşaţi de atomul de carbon central. Aceştia vor realiza tranziţie α→β la două frecvenţe diferite. Toţi nucleii de 1H vor fi în stare β, după care vor reveni în α emiţând frecvenţe radio caracteristice. Aceste frecvenţe vor fi înregistrate de un detector de frecvenţe radio (RF). Semnalele sunt apoi manipulate matematic şi desenate, rezultând următorul spectru RMN pentru compusul considerat:
Scala este gradată în ppm, adesea numită o δ (delta) valoare sau „deplasare chimică”. Valoarea 0 reprezintă frecvenţa la care compusul standard TMS (tetrametilsilan, (CH3)4Si) absoarbe energie.
Valoarea deplasării chimice (δ) este influenţată de densitatea electronică de la atomul de hidrogen. Valoarea δ mare indică densitate mică de electroni. Aşadar, atomii electronegativi sau grupele atrăgătoare de electroni de lângă carbonul de care se leagă hidrogenii vor cauza frecvenţe cu valori mai mari pentru δ. În spectrul de mai sus, picul de la 3.4 corespunde hidrogenilor grupei metil ataşată de O. Câteva intervale tipice pentru deplasarea chimică sunt următoarele:
RCH3 δ=0.8-1.0
RCH2R´ δ=1.2-1.4
R3CH δ=1.4-1.7
RCH2Cl δ=3.6-3.8
RCH2OH δ=3.3-4.0 (pentru hidrogenii din CH2, semnalul nu se vede adesea)
ROH δ=0.5-5 (intervalul larg este cauzat de legăturile de hidrogen; semnalul dispare prin înlocuirea H cu D)
Cetonă, RCOCH3 δ=2.1-2.6
Aldehidă, RCOH δ=9.5-10.0
Hidrogen aromatic δ=6.0-9.5
Numărul de semnale în spectru este determinat de numărul de protoni echivalenţi. Echivalenţa sau neechivalenţa hidrogenilor are o importanţă deosebită în spectroscopia RMN, întrucât hidrogenii de la atomii de carbon vecini vor scinda frecvenţa picului în picuri multiple. Dacă avem de-a face cu un singur hidrogen vecin picul va fi scindat în două (dublet); doi hidrogeni vecini vor scinda picul în trei (triplet); trei vor scinda în 4 (cvartet); patru în pentet etc. Generic, denumim picurile scindate în mai mult de 5 semnale „multiplet”. Totuşi, intensitatea acesor picuri scindate nu este echivalentă, cu excepţia dubletului (1:1). Un triplet este 1:2:1, un cvartet, 1:3:3:1, un pentet: 1:4:6:4:1, ş.a.m.d. conform triunghiului lui Pascal.
Fiecare pic (sau multiplet) într-un spectru RMN reprezintă un anumit număr de atomi de hidrogen. Dacă aria de sub pic este măsurată, se numeşte integrală şi această arie este proporţională cu numărul de hidrogeni reprezentaţi de pic.
Cel mai folosit solvent pentru spectroscopia RMN de proton este CDCl3, cloroformul deuterat, întrucât prin înlocuirea H din cloroform cu D se evită apariţia semnalelor corespunzătoare solventului în spectru. Solvenţii folosiţi în analiza spectroscopică a compuşilor sintetizaţi de noi a fost, de asemenea, CDCl3.
Pe de altă parte, rezonanţa magnetică nucleară de carbon are la bază proprietăţile magnetice ale izotopului 13C al carbonului. Prin 13C-RMN se obţin informaţii despre numărul şi felul atomilor de carbon din moleculă.
Spinul este o proprietate fundamentală a naturii, la fel cum sunt încărcătura electrică sau masa, de exemplu.
Spinul este o proprietate fundamentală a naturii, la fel cum sunt încărcătura electrică sau masa, de exemplu.
Spinul este un multiplu de ½ şi poate fi + sau ¬ - . Protonii, electronii şi neutronii au spin. Neîmperecheaţi, fiecare dintre aceste particule au spinul de ½. În atomul de deuteriu (2H), cu un electron neîmperecheat şi un neutron neîmperecheat, spinul total electronic este de ½, iar spinul total nuclear este 1. Două sau mai multe particule cu spini de semne diferite se pot împerechea anulând manifestările observabile ale spinului. Un exemplu este heliul. În rezonanţa magnetică nucleară, spinii nucleari neîmperecheaţi prezintă importanţă.
