Isomeria

QUIMICA II. CURSO 2008. Seminario Nº 3. Isomería. Estudio de caso: agroquímicos

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SEMINARIO Nº 3 Estudio de Caso. Los agroquímicos y su estructura química. Relación con su actividad biológica.

Se aplicarán los conceptos de isomería, a moléculas de diferentes agroquímicos. agroquímicos. ¿Para qué?. Para comprender el efecto del cambio en la estructura sobre las propiedades del compuesto "activo" del agroquímico. ¾ Analizaremos algunos ejemplos, con distintos tipos de isomería. ¾ Haremos un análisis desde el punto de vista de la estructura, que nos permita inferir la causa de la toxicidad de los agroquímicos más comunes. ¾ Veremos distintos tipos de isomería ejemplificados con casos de moléculas de uso común. DEFINICION DE ISOMERO:

Isómeros son los compuestos que tienen igual fórmula molecular pero difieren al menos en alguna propiedad química, física o biológica. Si recordamos que las propiedades de las moléculas dependen de sus estructuras electrónicas, y de la disposición relativa de los átomos en el espacio( entre otros aspectos que pueden tomarse en cuenta), podremos darle una adecuada dimensión a la importancia que tiene este tema para el análisis de las relaciones entre estructurafunión-energía-información, funión-energía-información, que enunciamos al inicio del curso. IMPORTANCIA DE LA ISOMERIA EN COMPUESTOS DE USO AGRONOMICO, COMO LOS PESTICIDAS

Los compuestos que se usan como insecticidas, acaricidas, herbicidas, etc, son sustancias, algunas de origen natural, otros de origen sintético ( síntesis realizadas en laboratorios), laboratorios), que producen una respuesta fisiológica esperada. La acción de un determinado agroquímico, puede ser explicada a nivel molecular, teniendo en cuenta , entre otras cosas, cuál es la estructura del agroquímico que está actuando, y cuál la o las estructuras biológica que se ven afectadas. En esta primer acercamiento al tema, analizaremos cómo puede afectar la estructura molecular de un agroquímico, a su acción como tal. Debemos tener en cuenta que en general, los agroquímicos ejercen su acción biológica, afectando afectando el funcionamiento de las enzimas, y por ende al metabolismo. El análisis estructural, no es el único que se debe hacer, cuando se analiza la toxicidad de un agroquímico. Es sólo uno de los puntos de vista que deben tenerse en cuenta. Por ahora abordaremos ese aspecto. Aunque el análisis estructural no es el único que debe hacerse, no debe obviarse, ya que el primer paso en la acción de estos compuestos, es la interacción con moléculas biológicas vitales. Esa interacción depende en gran medida de las formas moleculares, que posibilitan en mayor o menor medida la complementariedad entre estructuras, y en consecuencia, su acción biológica. También consecuencia de la estructura, resulta la solubilidad de estos compuestos. Por lo tanto el criterio que se aplicará para seleccionar el solvente en el cual preparar el compuesto, derivará del conocimiento de la estructura ( o al mejorará la comprensión de las instrucciones del marbete). CLASIFICACION DE LOS ISOMEROS

FACULTAD DE1 AGRONOMÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PAMPA


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En un primer intento de clasificación, podemos separarlos en dos grupos, según sea el cambio energético implicado en el pasaje de una forma isomérica a otra ( que implique o no ruptura de enlaces). ISOMEROS CONFORMACIONALES

ISOMEROS ESTRUCTURALES

Son aquellos en los que el pasaje de una forma a la otra , por ej. de "silla a "bote"), no se rompen enlaces.

Son los que en el pasaje de una forma a otra , por ejemplo de cis a trans , se rompen enlaces.

Dentro de los isómeros estructurales, podemos distinguir dos casos: - Isomería plana, en la que no se tiene en cuenta el espacio para determinar la

existencia de isómeros, y con escribir la fórmula desarrollada basta. Dentro de esta isomería podemos considerar: a) Isómeros de posición: varían en la posición de los átomos en la cadena. b) Isómeros de cadena: lineal , ramificada o cíclica c) Isómeros de función: se diferencian por el grupo funcional. - Esteroisomería, que puede ser: a) Isomería geométrica: depende de la disposición de los átomos o grupos de átomos de la molécula, con referencia a un plano. b) Isomería óptica: es necesario considerar el espacio, y en general se distingue un isómero del otro, solamente por que varía en sus propiedades ópticas ( actividad frente a la luz polarizada) y a las propiedades biológicas. EJEMPLOS

ISOMERÍA CONFORMACIONAL Y DE POSICIÓN Lindane: o 1,2,3,4,5,6-hexaclorociclohexano, isómero γ ( entre los 4 isómeros de mayor importancia). Cl

H Cl

Cl H

Cl

H H

Cl

H H

Cl

Estos compuestos clorados, actualmente no se usan, por que se acumulas en grasas ISOMERIA GEOMETRICA. CIS-TRANS. Producto: organofosforado. Nombre común: Fosdrín Fórmula:

O H 3

H C

O P

3

HC

O

O C

C C

O CH

O

FACULTAD DE2 AGRONOMÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PAMPA 3

CH

3


3

El isómero CIS es el menos estable ( 2 hs.), en soluciones alcalinas. El TRANS es más estable ( 3 hs.) El CIS es menos polar y por ello menos soluble en agua.La actividad tóxica de los isómeros es diferente. Otros ejemplos posibles dentro de esta isomería: Cipermetrinas ( piretroides): CH 3 CH 3

H Cl

H

O

C

C Cl

C

H

C

O

O CN

. Fosforados ( Monocrotofos, dicrotofos ( Bidrin), etc.) ISOMERIA OPTICA: tipo DEXTRO-LEVO. Se ve en herbicidas. Ej: Marca comercial: Furore. herbicida graminicida selectivo. Nombre comercial: ISOMERO. El ingrediente activo es una molécula cuyo nombre común es FENOXAPROP-ETIL (fracción purificada). O C H Fórmula: N 3 O

C

Cl

O

C

O

C

C

2

H

5

H

Una de las fracciones isómeras es activa y la otra no. La fracción no activa se reduce al mínimo, y por lo tanto el productor aplica sólo la cantidad de principio activo "activo" para que cumpla la acción herbicida. ISOMERIA DE FUNCION Y DE POSICIÓN Ej.: Endrin, compuesto clorado. Este compuesto al oxidarse se inactiva, o lo que es lo mismo, al pasar a la forma de su isómero de función tipo ceto, se inactiva: Cl

Cl

O

Cl

Cl Cl C Cl

CH 2

Cl C Cl

O

Cl

CH 2

Cl Cl

Cl

Ej.: los insecticidas organofosforados 3

HC

O P

Clortión 3

HC

Cl

S

O

NO 2

O


QUIMICA II. CURSO 2008. Seminario Nº 3. Isomería. Estudio de caso: agroquímicos 3

HC

P HC

Cl

S O

Dicaptón 3

4

O

O

NO 2

Acción tóxica de un agroquímico:

Son muchos los factores que inciden en la toxicidad de un agroquímico. Por ahora hemos hecho una primera aproximación, desde el punto de vista de la estructura. Cabe preguntarse: ¿Por qué son tóxicos los agroquímicos?. La respuesta puede darse teniendo en cuenta diversos elementos, pero debemos tener en cuenta que la toxicidad deriva del efecto que produce en el ser vivo, la intervención del agroquímico en algún proceso vital del organismo. Esa interacción se dará siempre y cuando la estructura del agroquímico, sea “reconocida” en el ser vivo, por alguna proteína ( generalmente enzimas). Ese “reconocimiento” depende de la estructura, desde el momento que debe existir algún tipo de complementariedad estructural entre ambas moléculas. Por lo tanto a los fines de “encajar” perfectamente una con la otra, adquirirá importancia la proporción del isómero presente en el sistema. Las proteínas son moléculas esteroespecíficas , lo que signifia que tienen selectividad para un determinado tipo de estructura isomérica, Otrtos aspectos a considerar son: - Dosis de exposición: la dosis determina la toxicidad para cada caso ( “la dosis hace al veneno”1). - Sensibilidad individual del que recibe la dosis. - Oportunidad de aplicación - Estado fisiológico del receptor - Condiciones del medio ambiente - Mecanismo molecular de acción del agroquímico: nop siempre es conocido. En los casos que sí se conoce la acción molecular de un agroquímico, generalmente sa sabe que hay enzimas claves de procesos metabólicas, ante las cuales dichos agroquímicos actúan, modificando su actividad. IMPORTANTE: el fenómeno de toxicidad, no se explica por una sola variable, como estructura o dosis. Efecto de distintos sustituyentes en una misma molécula

La siguiente es la fórmula estructural de un compuesto organofosforado. A continuación, la Tabla consigna las dosis letales en diferentes organismos, incluyendo al hombre. Es importante observar cómo el cambio de estructura afecta las propiedades biológicas del producto

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Sentencia del griego Paracelso.



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S O O

X

CH

3

P CH

O

3

Y

X

Y

NO2 NO2 NO2 CH3S CH3S

H CH3 Cl H CH3

Dosis letal (DL50) Dosis letal (DL50) En rata. Mg/Kg En mosca. Mg/Kg

15 740 880 10 500

1,3 2,6 11,5 2,0 2,3

Nombre

Paratión Fenitrotión Clortión Fentión

A continuación el modelo representa la fijación del producto en el sitio activo (SA) de una enzima.2. La fijación irreversible del compuesto organofosforado en el sitio activo de la enzima, bloquea su acción, y provoca un efecto biológico que puede ser letal , en función de la dosis aplicada.

La enzima no es la misma molécula en las diferentes especies. Es por ello que la complementariedad alcanzada entre el compuesto químico y el sitio activo de la enzima, no es igual para todos los organismos. Por ello tampoco es igual el efecto biológico, y las dosis letales varían.

S O O

X

R

P O

R

Y

S.A. Enzima

Distancia en insectos 5- 5,5

Å

Distancia en mamíferos 4,3 a 4,7 Å BIBLIOGRAFÍA

- "Química Agrícola" . Vol II. Plaguicidas y fitorreguladores. E. Primo Yúfera. - " Los herbicidas y su empleo". Detroux y Gostinchar. - "Pesticidas Agrícolas". Claudio Barberá.

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Se trata en este caso, el de la enzima acetilcolinesterasa, que interrumpe la acción de sustancias químicas que producen la transmisión del impulso nervioso entre neuronas.


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