Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Investeşte în oameni!
Formarea profesională a cadrelor didactice din învăţământul preuniversitar pentru noi oportunităţi de dezvoltare în carieră
OBŢINEREA ŞI UTILIZAREA MATERIALELOR ORGANICE Horia IOVU
Sorina GAREA
Program de conversie profesională la nivel postuniversitar pentru cadrele didactice din învăţământul preuniversitar Specializarea CHIMIE Forma de învăţământ ID - semestrul III
2011
CHIMIE Obţinerea şi utilizarea substanţelor organice
Michaela Sânziana ROŞCA Corneliu TĂRĂBĂŞANU-MIHĂILĂ
2011
© 2011
Acest manual a fost elaborat în cadrul "Proiectului pentru Învăţământul Rural", proiect co-finanţat de către Banca Mondială, Guvernul României şi comunităţile locale. Nici o parte a acestei lucrări nu poate fi reprodusă fără acordul scris al Ministerului Educaţiei, Cercetării, Tineretului şi Sportului.
ISBN 973-0-04103-2
Structura şi clasificarea compuşilor organici
CUPRINS GENERAL
Pagina Introducere…………………………………………………………………………ii Unitatea de învăţare nr. 1 .................................................................................................. 1 1.1. Clasificare şi reprezentanţi ........................................................................................... 1 1.2. Heterociclii aromatici cu inel de 5 atomi........................................................................ 5 1.3. Heterociclii aromatici cu inel de 6 atomi ..................................................................... 10 1.4. Acizi nucleici ............................................................................................................... 13 Lucrarea de verificare nr. 1 ................................................................................................ 17 Bibliografia pentru unitatea de învăţare nr. 1 ..................................................................... 18 Răspunsuri la testele de autoevaluare .............................................................................. 18
Unitatea de învăţare nr. 2 ................................................................................................ 21 2.1. Medicamente chimioterapice ..................................................................................... 22 2.2. Hipnotice şi tranchilizante minore ............................................................................... 30 2.3. Medicamente analgezice-antitermice-aniinflamatorii .................................................. 34 2.4. Medicamente cardiovasculare ................................................................................... 40 2.5. Vitamine ..................................................................................................................... 45 Lucrare de verificare nr. 2 .................................................................................................. 56 Bibliografie ......................................................................................................................... 57 Răspunsuri la testele de autoevaluare .............................................................................. 58
Unitatea de învăţare nr. 3 ................................................................................................ 60 3.1. Coloranţi naturali si sintetici ........................................................................................ 61 3.2. Coloranţi azoici .......................................................................................................... 67 3.3. Coloranţi antrachinonici ............................................................................................. 81 3.4. Coloranti hetero-poli-ciclo-cetonici .............................................................................. 90 3.5. Coloranţi indigoizi ....................................................................................................... 95 3.6. Coloranţi reactivi ......................................................................................................... 99 Lucrare de verificare nr. 3 ................................................................................................ 107 Bibliografie ....................................................................................................................... 106 Răspunsuri la testele de autoevaluare ............................................................................ 109
Unitatea de învăţare nr. 4 .............................................................................................. 113 4.1. Detergenţi ................................................................................................................ 115 4.2. Cosmetice ................................................................................................................ 126 Lucrare de verificare nr. 4 ................................................................................................ 133 Bibliografie ....................................................................................................................... 134 Răspunsuri la testele de autoevaluare ............................................................................ 134
i
Introducere
INTRODUCERE Acest modul opţional de specialitate vizează transmiterea unor cunoştinţe care completează gama foarte variată a utilizărilor substanţelor organice. In acest sens modulul completează(pentru cursanţii care fac aceasta opţiune) modulul de chimie organică. Aici sunt cuprinse 3 categorii de substanţe organice de interes major: medicamente, coloranţi si detergenţi – cosmetice. Pentru o înţelegere mai bună a materialului, secţiunea 1 a modulului tratează pe scurt un capitol de heterociclii, compuşi organici importanţi ce intră în compoziţia multor dintre substanţele tratate. Crearea unui asemenea modul reprezintă o inovare cu efecte pe care le considerăm pozitive în formarea culturii chimice a tinerilor. Programele si manualele existente in prezent pun un accent prea mare pe aspecte teoretice ale chimiei organice, neglijând in bună măsura partea cea mai interesanta – utilitatea compuşilor organici. Faptul că o astfel de tratare este incorectă rezultă chiar din unităţile de învăţare care sunt cuprinse in acest modul; acestea se referă la : medicamente, coloranţi, detergenţi şi produse cosmetice. După cum se vede este vorba de substanţe de cel mai mare interes – in primul rând pentru sănătate, igienă dar si pentru crearea unei ambianţe plăcute. Sunt substanţe utilizate zi de zi şi pot fi considerate indispensabile. Se poate exprima speranţa că prin includerea acestui modul se crează un precedent care va fi apreciat mai târziu şi se va ajunge la completarea firească a cunoştinţelor şcolare cu astfel de subiecte importante si atractive pentru întreaga populaţie. Din punct de vedere metodologic, modulul este echilibrat intre curs si seminar pentru a da posibilitatea (prin întrebări, probleme, teme de ansamblu, lectură suplimentară) să se consolideze un volum rezonabil, nu prea mare de cunoştinţe incluzând numai pe cele de baza. Structura modulului “Obţinerea şi utilizarea substanţelor organice” şi recomandări pentru studiu Unităţile de învăţare care intră în structura modului sunt astfel concepute încât să corespundă unei succesiuni logice, într-o creştere gradată a dificultăţii materialului, să vă expunem clar obiectivele, să vă atragem spre un studiu activ punându-vă probleme şi ajutându-vă să le soluţionaţi. Problemele rezolvate” constituie o modalitate pe care am folosit-o constant în acest scop. Ele au rolul de a exploata cât mai mult competenţele deja dobândite de dumneavoastră pentru a aborda obiective noi. De aceea vă recomandăm insistent să încercaţi să găsiţi soluţia singuri, înainte de a citi răspunsurile. Astfel veţi putea să va verificaţi competenţele şi cunoştinţele pe care le aveţi. In plus, abordaţi un obiectiv nou într-un mod activ, manifestând curiozitatea firească a unei persoane care şi-a definit o problemă pe care vrea să o rezolve. Testele de autoevaluare au deasemeni rolul de a vă pune probleme suplimentare. Rezolvarea lor constituie o bună modalitate de valorificare a cunoştinţelor prin transformarea în competenţe. În general problemele puse în testele de autoevaluare se referă la cunoştinţele discutate în unitatea şi sarcina de învăţare curentă. Dacă sunt implicate cunoştinţe anterioare acest fapt este semnalat în enunţ sau la locul unde sunt prezentate răspunsurile. Rămâne să revedeţi unităţile de învăţare nominalizate (sau intuite de dumneavoastră; căutarea în bibliografia recomandată este, desigur, foarte utilă în acest scop). ii
Introducere
Lucrările de verificare sunt prezentate la fiecare unitate de învăţare şi au un caracter de ansamblu, chiar dacă formularea sarcinilor îmbracă forme variate. Lucrările vor fi expediate prin poştă tutorelui având grijă să menţionaţi, pe prima pagină, următoarele: denumirea modulului, (Obţinerea şi utilizarea substanţelor organice) numărul lucrării de verificare, numele şi adresa dumneavoastră. Corelarea cu alte module din planul de învăţământ este realizată prin adaptarea programei prezentului modul. Corelarea s-a făcut, în primul rând, cu modulul “Chimie organică”, toţi compuşii trataţi fiind substanţe organice cu structuri, metode de sinteză şi proprietăţi caracteristice claselor din care fac parte. In afară de studiul individual bazat pe prezentul suport de curs modulul cuprinde activităţi în prezenţa tutorelui.. Ele cuprind activităţi tutoriale în care puteţi solicita lămuriri privind aspectele nesoluţionate ale studiului şi teme de control, care sunt monitorizate în evaluarea continuă. Criteriul de evaluare a activităţii îl constituie gradul de dobândire a competenţelor, conform obiectivelor stabilite prin unităţile de învăţare. Ponderea de evaluare este următoarea: Evaluare continuă 30% Proiect 20% Evaluare finală -examen oral 50% *Nota minimă de trecere la evaluarea finală este 5.
iii
Introducere
iv
Compuşi organici heterociclici
Unitatea de învăţare nr. 1 COMPUŞI ORGANICI HETEROCICLICI
Cuprins
Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 1 ................................................................................ 1 1.1. Clasificare şi reprezentanţi ........................................................................................ 1 1.1.1. Compuşi heterociclici saturaţi ............................................................................... 1 1.1.2. Compuşi heterociclici aromatici. Caracter aromatic.............................................. 4 1.2. Heterociclii aromatici cu inel de 5 atomi .................................................................. 5 1.2.1. Furan şi furfurol .................................................................................................... 6 1.2.2. Pirol, indol şi indigo .............................................................................................. 6 1.2.3. Tiofen ................................................................................................................... 8 1.2.4. Pirazol şi derivaţi (fenilmetilpirazolona – tautomerie) ........................................... 9 1.2.5. Tiazol şi derivaţi (2-aminotiazol) ......................................................................... 10 1.3. Heterociclii aromatici cu inel de 6 atomi ............................................................... 10 1.3.1. Piridina ............................................................................................................... 11 1.3.2. Chinolina ............................................................................................................ 11 1.3.3. Pirimidina ........................................................................................................... 12 1.4. Acizi nucleici ............................................................................................................. 13 1.4.1. Structura generală .............................................................................................. 13 1.4.2. Nucleotide .......................................................................................................... 14 1.4.3. Dubla elice; replicarea acizilor nucleici ............................................................... 16 1.4.4. Codul genetic ..................................................................................................... 16 Lucrarea de verificare nr. 1 ............................................................................................. 17 Bibliografia pentru unitatea de învăţare nr. 1................................................................ 18 Răspunsuri la testele de autoevaluare .......................................................................... 18
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 1 Obiectivul unităţii de învăţare nr. 1 îl constituie studiul clasei de compuşi organici care conţin o catenă ciclică în care există unul sau mai mulţi atomi diferiţi de carbon şi care sunt numiţi heteroatomi (de la cuvântul grec «heteros » = alte, alţi). În urma studierii acestei unităţi de învăţare veţi dobândi competenţe legate de : clasificarea şi stabilirea denumirii sistematice a compuşilor heterociclici de diferite tipuri ; stabilirea condiţiilor structurale de apariţie a stării aromatice la unii compuşi heterociclici ; deducerea reactivităţii diferitelor poziţii din compuşi heterociclici ; elaborarea schemelor de reacţie pentru sinteze de compuşi heterociclici ; identificarea compuşilor heterociclici existenţi în natură, a funcţiunilor biologice şi utilităţii acestora ; deducerea corelaţiei între structura acizilor nucleici, replicarea moleculelor 1
Compuşi organici heterociclici
1.1. Clasificare şi reprezentanţi Compuşii organici heterociclici se împart în două mari clase : - compuşi heterociclici saturaţi - compuşi heterociclici aromatici.
1.1.1. Compuşi heterociclici saturaţi O serie de reprezentanţi din această subclasă vă sunt cunoscuţi din studiul modulului de Chimie organică. Astfel, de exemplu, tetrahidrofuranul a fost descris în clasa eterilor întrucât atât metoda sa de obţinere (deshidratarea intramoleculară a 1,4-butandiolului) cât şi proprietăţile fizice şi chimice se încadrează în comportarea generală a acestei clase de compuşi. Deasemeni o amină ciclică cum este piperidina se încadrează perfect în comportarea generală a aminelor secundare. Comportarea compuşilor heterociclici saturaţi este, influenţată de mărimea ciclului făcând utilă în unele cazuri atribuirea unor denumiri noi pentru diferenţierea de compuşii aciclici cu structură înrudită (ca în cazurile esterilactone, amide-lactame, etc). În continuare vă prezentăm pe scurt câteva clase de compuşi saturaţi : Eterii ciclici conţin un atom de oxigen într-o catenă ciclică. Proprietăţile lor diferă semnificativ în funcţie de mărimea inelului ; din acest motiv există denumiri specifice pentru fiecare tip de inel cu 3-6 atomi : H2C
CH2 O
etilenoxid oxiran
H2C
CH2
H2C
O
oxetan
H2C CH2 H2C
O
CH2
tetrahidrofuran oxolan
H2C
O
O tetrahidrofuran
N H piperidina
O etilenoxid
Figura 1.1. Exemple de compuşi heterociclici saturaţi
CH2
H2C
CH2 O 1,4-dioxan
Test de autoevaluare 1.1. Ţinând seama de stabilitatea relativă a inelelor formate din 3, 4, 5 şi 6 atomi, apreciaţi care dintre clasele de compuşi oxetani, oxolani sau dioxani pot prezenta reacţiile de adiţie caracteristice pentru oxirani. Notă; În cazul în care întâmpinaţi dificultăţi în rezolvarea acestei probleme revedeţi secţiunile 3.2. şi 6.2.6. din modulul « Chimie organică ».
Răspuns la pag. 18
2
Structura şi clasificarea compuşilor organici
Test de autoevaluare 1.2. Formulaţi structura compusului heterociclic 1,3-dioxan; arătaţi dacă este de aşteptat sa aibă o comportare chimică foarte asemănătoare cu 1,4-dioxanul. Notă: Revedeţi secţiunea 7.1.4. din modulul « Chimie organică ».
Răspuns la pag. 18
Amine ciclice. Ca şi în cazul eterilor, aminele ciclice sunt foarte reactive în cazul în care conţin inele de 3 sau 4 atomi şi dimpotrivă, sunt compuşi cu reactivitate normală (comparabilă cu cea a aminelor aciclice) în cazul în care inelele lor au 5 sau 6 atomi. O N
N
N
H
N H
H
H
aziridina
pirolidina
piperidina
morfolina
Cu excepţia aziridinei, care manifestă tendinţa pronunţată de deschidere a inelului de trei atomi celelalte amine din seria de mai sus arată reacţii normale ale aminelor secundare. Lactonele sunt eteri ciclici, rezultaţi formal prin esterificarea intramoleculară a acizilor α-, β-, γ-, δhidroxiacizilor. Astfel se generează α-, β-, γ-, δ-lactone. Literele α-, β-, γ-, δ- desemnează poziţia relativă a celor două funcţiuni –COOH şi –OH în hidroxiacid. H2C
C=O O
α-lactona instabila; nu se poate izola
H2C
C=O
H2C
O
β-lactona izolabila dar foarte reactiva
H2C
CH2
C=O
H2C
CH2
C=O
CH2
O
H2C
CH2
O
γ-lactona
δ-lactona
cea mai stabila
stabila
Test de autoevaluare 1.3 Propuneţi scheme de sinteză pentru obţinerea compuşilor a)-c) ; în paranteze este indicată o materie primă de bază : a) 1,4-dioxan (etilenglicol) ; b) morfolină (etilenoxid); c) N-metilpirolidină (1,4-dibrombutan). Notă: Revedeţi secţiunea 6.5.2. din modulul « Chimie organică »; adăugaţi la reacţiile descrise în acea secţiune pe aceea a etilenoxidului cu amoniac.
Răspuns la pag. 18
3
Compuşi organici heterociclici
Lactamele sunt amide ciclice care manifestă proprietăţi de stabilitate foarte asemănătoare cu lactonele: α-lactamele sunt extrem de reactive, foarte greu de izolat; β-lactamele sunt izolabile dar foarte reactive; γ- şi δ-lactamele sunt compuşi stabili având proprietăţi similare amidelor aciclice.
H2C NH H2C C=O
H2C
β-propiolactama
NH
CH2
H2C CH2
NH
H2C
H2C CH2 C=O
CH2 C=O
γ-butirolactama
δ-valerolactama
CH2 CH2
NH
CH2 CH2 C=O ε-caprolactama
ε-Caprolactama este cel mai cunoscut compus din această serie : polimerizează uşor, cu deschiderea inelului lactamic formând o poliamidă (fibra 5 sau relon). Anhidridele ciclice se formează uşor prin deshidratatrea acizilor 1,4 şi 1,5-dicarboxilici; se formează astfel anhidride cu inele de 5 sau 6 atomi, stabile: O COOH
-H 2O
H
-H 2O
O
COOH
H
O CH 2
C OOH
CH 2
COOH
-H2 O
H 2C
O
COOH
anhidrida ftalica H 2C
O
COOH
O CH 2
C
CH 2
C
O anhidrida maleica
O
O anhidrida glutarica
Test de autoevaluare 1.4 Care dintre compuşii a-c de mai jos se încadrează în categoria compuşilor heterociclici; în cazurile a, b indicaţi numele compuşilor formaţi : a) produsul reacţiei acetaldehidei cu etilenglicol în prezenţa unui acid tare drept catalizator; b) produsul reacţiei format prin încălzirea 5-cloropentilaminei; c) metil-ciclohexil-eter; d) urotropină. Notă: Revedeţi secţiunea 6.5.2. din modulul « Chimie organică ».
Răspuns la pag. 19
4
Structura şi clasificarea compuşilor organici
1.1.2. Compuşi heterociclici aromatici. Caracterul aromatic Subclasa cea mai importantă de compuşi heterociclici posedă o structură aromatică. Reamintim că pentru a fi aromatic un compus trebuie să conţină un sistem electronic cu conjugare continuă implicând un număr de 4n+2 electroni π (n= 0, 1, 2….). Să considerăm acum compusul heterociclic numit furan : acesta posedă două duble legături π (însumând 4 electroni π şi o pereche de electroni p la atomul de oxigen ; aceştia formează în total 6 electroni în conjugare continuă. Compusul îndeplineşte condiţia unei structuri electronice aromatice. Acest fapt este pus clar în evidenţă dacă urmărim orbitalii atomici. Atomii de carbon cu hibridizare sp2 formează câte 3 legături σ şi posedă câte un orbital p, nehibridizat, ocupat cu un electron ; alături de aceştia, atomul de oxigen posedă doi orbitali p ocupaţi cu câte 2 electroni, unul dintre aceştia fiind paralel cu orbitalii p ai atomului de carbon. Aceşti 5 orbitali atomici formează 5 orbitali moleculari delocalizaţi. Sistemul aromatic de 6 electroni asigură stabilitatea de tip aromatic a moleculei. Structura electronică a moleculei de furan poate fi reprezentată şi prin structuri limită (structuri de rezonanţă) după cum urmează :
O
O
O
O
I
II
III
IV
Structurile electronice I-IV arată că sistemul este delocalizat : starea electronică reală este reprezentată de suprapunerea tuturor acestor structuri. De aici rezultă că toate legăturile care formează inelul sunt parţial duble şi atomul de oxigen are o sarcină electrică parţială pozitivă iar atomii de carbon sarcini parţiale negative.
5
Compuşi organici heterociclici
Problemă rezolvată După cum se ştie, compuşii aromatici prezintă reacţii de substituţie electrofilă, cu reactanţi X+. În ce poziţie a nucleului heterociclic va avea loc cu precădere substituţia ? (Notă : recomandăm ca înainte de a rezolva această problemă să fie revăzute secţiunile 5.1.8, 6.1.4, 6.3.5 şi 6.5.4 din modulul « Chimie organică » Răspuns : Structurile limită II-IV arată că există sarcini negative atât în poziţiile α (III, IV) cât şi în β (II). Totuşi structurile limită care conţin sarcina negativă în poziţia β sunt mai puţin favorabile deoarece distanţa între sarcinile electrice este mai mare (cu cât distanţa între sarcini este mai mare cu atât energia sistemului este mai ridicată). De aici deducem că sarcina negativă este mai mică în poziţia β decât în α. Substituţia electrofilă va avea loc în poziţia α. Toată discuţia de mai sus privind aromaticitatea furanului se aplică şi la compuşii heterociclici care conţin, în loc de oxigen, azot (pirol) sau sulf (tiofen) (vezi Figura 1.2.). Totuşi se poate observa o diferenţă între compuşii din această serie datorită ordinii de electronegativitate a heteroatomilor care este O>N>S. Oxigenul, mai electronegativ, defavorizează într-o anumită măsură delocalizarea electronilor (structurile II-IV) întrucât nu acomodează uşor sarcina pozitivă. La pirol, atomul de azot mai puţin electronegativ favorizează delocalizarea care este încă mai pronunţată la tiofen. Deducem de aici concluzia potrivit căreia caracterul aromatic creşte gradat de la furan la tiofen. În secţiunile următoare sunt descrise principalele grupe de compuşi heterociclici aromatici.
Test de autoevaluare 1.5. Formulaţi structuri limită de tipul I-IV pentru pirol şi tiofen.
Răspuns la pag. 19
6
O furan
N H pirol
S tiofen
Figura 1.2. Structuri electronice pentru furan, pirol şi tiofen
Structura şi clasificarea compuşilor organici
1.2. Compuşi heterociclici aromatici cu inele de 5 atomi Din această clasă fac parte în afară de compuşii cu un singur heteroatom menţionaţi mai sus (furan, pirol, tiofen) şi heterociclii conţinând doi heteroatomi identici (de exemplu pirazol) sau diferiţi (de exemplu tiazol.
1.2.1. Furan şi furfurol Furfurolul este o aldehidă a furanului care se obţine uşor din aldopentoze ; acestea la rândul lor provin din pentozani, polizaharide care se găsesc în deşeuri agricole (coceni, tărâţe). Dealtfel numele de furfurol vine de la cuvântul latin « furfur » = tărâţe. Reacţia prin care se formează furfurol este o deshidratare catalizată de acizi. OH
CH H2C
CH
OH
CH
CH
O
H+ -3H2O
HC
CH
HC
C
aldopentoza
H pirazol N
CH=O
O
OHOH
N N
S tiazol
furfurol
Din furfurol se poate obţine furan prin decarbonilare la încălzire puternică în prezenţa unui catalizator de cromit de zinc : 400oC, ZnCr2O4 -CO
CHO
O
O
furfurol
furan
Caracterul aromatic al furfurolului este confirmat de comportarea sa chimică, ce seamănă mult cu cea a benzaldehidei, o aldehidă aromatică tipică. Furanul, are aşa cum am prevăzut, un caracter aromatic relativ slab aşa cum arată preferinţa sa pentru reacţii de adiţie (chiar bromurarea prin substituţie este precedată de o reacţie de adiţie) : Br2
H Br
O
H O
Br
2H2 cat
-HBr
Br O α-bromofuran
O tetrahidrofuran (THF)
Tetrahidrofuranul obţinut prin hidrogenarea furanului este utilizat ca solvent.
7
Compuşi organici heterociclici
1.2.2. Pirol şi derivaţi Pirolul este un compus heterociclic aromatic care are o comportare chimică asemănătoare cu aceea a fenolului. Ca şi acesta are un caracter acid; reacţionează cu NaOH, formând săruri (pirolaţi) care pot fi alchilate cu halogenuri de alchil: +
-H2O
NaOH
N
CH3I -NaI
N Na
H
N CH3 N-metilpirol
pirolat de sodiu
Deasemeni pirolul cuplează (ca şi fenolul) cu săruri de diazoniu formând azoderivaţi : +
_ + Ar N N Cl
N
NaOH
N N Ar
-NaCl
N
H
H
Prin hidrogenare catalitică se formează pirolidina, o amină secundară : + N
2H2
Ni
N
H
H pirolidina
Problemă rezolvată Care dintre compuşii pirol sau pirolidină este o bază mai tare ? Produsul de reacţie al pirolului cu un acid tare păstrează caracter aromatic ? Răspuns : Ca orice amină secundară pirolidina este o bază putând fixa un proton prin perechea de electroni de la atomul de azot : +
HX
N
N H
H
X
+ H pirol
8
HX
N H
CH=O
N
H aldehida pirolului 2[H] -4H2O
HC
H
N
CH
NH HN
Pirolul posedă deasemeni o pereche de electroni la atomul de azot dar aceştia sunt implicaţi în conjugarea aromatică (vezi formulele de tip II-IV secţiunea 1.1.2). Din acest motiv pirolul este o bază mai slabă decât pirolidina.
N
4
X H
acid conjugat al pirolului
HC
N
CH
porfina
Figura 1.3. porfinei din pirolului
Formarea aldehida
Structura şi clasificarea compuşilor organici
Acidul conjugat al pirolului nu mai posedă sextetul electronic aromatic (are numai 4 electroni π şi conjugare întreruptă) deci nu mai prezintă caracter aromatic ci se comportă ca un compus nesaturat (polimerizează uşor). Porfirine. Unii derivaţi ai pirolului au o importanţă biologică excepţională. Astfel condensarea a 4 molecule dintr-o aldehidă a pirolului se formează un sistem heterociclic complex, porfina (Figura 1.3.). Nucleul porfinic se găseşte sub forma unor complecşi cu ioni de metal în structura unor compuşi naturali cu funcţiuni vitale pentru organismele animale sau vegetale (porfirine). Astfel hemul, colorantul roşu din sânge, este un complex cu Fe2+, clorofila din frunze este un complex cu ioni Mg2+ iar vitamina B12 este un complex cu ioni Co+2 (vezi structura hemului în Figura 1.4.).
H3C
CH=CH2
HC
CH N
H3C
CH3
N Fe N H2C H2C HOOC
CH
N HC
CH
H2C
CH2
CH3
HOOC CH2
Figura 1.4. Structura hemului, colorantul roşu din sânge * Nu se memorează structura
Test de autoevaluare 1.6. Urmăriţi în structura porfinei sistemul de duble legături conjugate ; notaţi numărul de electroni π implicat în conjugarea continuă şi stabiliţi dacă corespunde unui sistem aromatic.
Răspuns la pag. 19
Indol şi indigo. Indolul este compusul cu structura de benzopirol şi se poate forma prin reacţia anilinei cu acetilenă la temperatură ridicată : H + NH2
C
700oC
C
-H2
N
H
H indol
La rândul sau indigoul (un colorant natural, în prezent obţinut prin sinteză, vezi secţiunea 3. ) este un derivat al indolului care se obţine pornind de la anilină şi acid cloracetic : O
O COOH + NH2 Cl
COOH NaNH2
-HCl
CH2
NH
CH2
-H 2O
CH2 NH
N
2[O] -2H2O
indoxil
Un derivat al indolului cu funcţiune biologică importantă este triptofanul (indolilalanina, Figura 1.5.) un aminoacid natural, componentă importantă a proteinelor. NH2
H
N H O indigo
CH2 CH COOH
Figura 1.5. Structura triptofanului (indolilalanina)
N H
9
Compuşi organici heterociclici
1.2.3. Tiofen Tiofenul se formează prin încălzirea la 300ºC a unui amestec de sulf şi acetilenă : CH CH
CH S
o
300 C
CH
S tiofen
Tiofenul are proprietăţile fizice şi chimice foarte asemănătoare cu benzenul (din acest motiv benzenul provenit din subproduse de cocserie în care caz este impurificat cu tiofen se separă greu de acesta). Reacţiile tiofenului sunt tipice pentru compuşi aromatici : se clorurează şi se nitrează prin substituţie şi prezintă acilare Friedel-Crafts : Cl2
4
Cl
-HCl
S
S
3 2
5 1N
HONO2 -H2O
NO2
S
H pirol 4
CH3COCl AlCl3
COCH3
S
3
5
2
6
1N
7
Reacţiile de substituţie au loc în poziţia α, aşa cum am prevăzut pe considerente teoretice (vezi 1.1.2.).
H indol 3
4
1.2.4. Pirazol şi derivaţi
1N
Pirazolul este un compus heterociclic care conţine doi atomi de azot în poziţiile 1,2 dintr-un inel format din cinci atomi. Numerotarea poziţiilor în sistemele heterociclice începe de la un heteroatom şi continuă astfel încât cel de al doilea heteroatom să poarte numărul cel mai mic (Figura 1.6.) Fenilmetilpirazolona este un derivat interesant al pirazolului care se formează prin condensarea esterului acetilacetic (vezi secţiunea 7.3.2. din modulul « Chimie organică ») cu fenilhidrazina (C6H5-NH-NH2) : H2C
C
CH3
O O C ester OR NH2 acetilacetic HN C6H5 fenilhidrazina
10
N2
5
-H2O -ROH
O
H2C
C
C
N
CH3
N C6H5 1-fenil-3-metil-5-pirazolona
H pirazol 4
N3
5
2 1S
tiazol
Figura 1.6. Numerotarea poziţiilor în sisteme heterociclice
Structura şi clasificarea compuşilor organici
1-Fenil-3-metil-5-pirazolona prezintă un interesant caz de tautomerie. Reamintim că prin substanţe tautomere sunt definiţi compuşii izomeri ale căror structuri diferă numai prin poziţia unui proton şi a unei duble legături ca de exemplu, în cazul alcool vinilic→acetaldehidă. CH2 CH
CH3 CH
O
OH
În cazul 1-fenil-3-metil-5-pirazolonei există trei forme tautomere: CH3 H2C
C
C
N
O
HC
C
C
N
HO
N
CH3
CH3
HC O
N
C NH
C N
C6H5
C6H5
C6H5
A
B
C
Observaţi poziţiile diferite ale protonului: în formula A la atomul de carbon din poziţia 4; în formula B la atomul de oxigen iar în formula C la atomul de azot din poziţia 2. Antipirina este un medicament antitermic obţinut prin metilarea la atomul de azot al formei tautomere C.
CH3 HC O
1-fenil-3-metil-5-pirazolona CH3
Sinteza 2-aminotiazolului se bazează pe reacţia de condensare a cloroacetaldehidei cu tioureea. Această reacţie este formulată utilizând structurile tautomere ale reactanţilor, ceea ce este corect având în vedere că formele tautomere sunt în echilibru:
CH
C
C
N
O
CH3
N C6H5
antipirina (1-fenil-2,3-dimetil-5-pirazolona)
NH2
tiouree
OH Cl
C
S
Cl cloroacetaldehida HC
HC
NH2 +
CH2
N
-HI CH3I
Structura tiazolului şi sistemul de numerotare a fost prezentat mai sus (vezi Figura 1.6.). Un derivat cu utilizări practice este 2-aminotiazolul folosit la obţinerea medicamentului sulfatiazol (vezi secţiunea 2.1.1.).
O
NH
C
C6H5
1.2.5. Tiazol şi derivaţi
CH
C
H H
S
forme tautomere
N C
-HOH
NH2
-HCl
HC
N
HC
C
NH2 S 2-aminotiazol
11
Compuşi organici heterociclici
Test de autoevaluare 1.7. Formulaţi structurile tautomere ale compuşilor: a) ester acetilacetic; b) pirazol; c) 4,5dihidro-3-pirazolonă (4 forme tautomere).
Răspuns la pag. 19
1.3. Compuşi heterociclici aromatici cu inel de 6 atomi
O
X
sare de piriliu
Ca şi în cazul clasei heterociclilor cu inel de 5 atomi şi în cei care au un sistem ciclic format din 6 atomi pot exista unul sau doi heteroatomi (structurile câtorva dintre cei mai importanţi reprezentanţi sunt prezentate în Figura 1.7.).
N piridina
1.3.1. Săruri de piriliu N chinolina (benzopiridina)
Această grupă de compuşi heterociclici este interesantă sub două aspecte : pe de o parte structura lor ionică este inedită ; pe de altă parte există reprezentanţi naturali foarte importanţi din această clasă (antocianidine). Caracterul aromatic al cationului de piriliu este conferit de cei 6 electroni π proveniţi din trei duble legături, asemănător structurii electronice a benzenului. Din cauza sarcinii pozitive acest cation este atacat cu uşurinţă de baze cu formarea unor compuşi nearomatici (nesaturaţi). Un exemplu interesant este reacţia cu amoniac prin care sarea de piriliu se transformă în piridină : NH3
X
O
sare de piriliu compus aromatic
-H+
NH2 O
H
produs de aditie compus nesaturat
H O HN 2
N N pirimidina (1,3-diazina)
Figura 1.7. Exemple de compuşi heterociclici aromatici cu inel de 6 atomi
-H2O
OH OH
N
compus cu piridina HO structura aciclica compus aromatic
OH
O colorant rosu
Antocianidinele sunt derivaţi ai sărurilor de benzopiriliu (un reprezentant, pelargonidina este redat în Figura 1.8.) care sunt larg răspândiţi în natură fiind substanţele care dau culoarea roşie sau albastră florilor şi fructelor. Interesant este faptul că schimbarea culorii roşualbastru este determinată de mediul acid sau bazic, care duce la modificări structurale, aşa cum se arată în acea figură.
H+
HO-
OH OH HO
OH
O OH
colorant albastru Figura 1.8. Coloranţi roşu şi albastru din fructe
* Nu se memorează structurile
12
Structura şi clasificarea compuşilor organici
1.3.2. Piridina şi chinolina
Piridina este un heterociclu aromatic care poate fi privit ca derivând formal de la benzen prin înlocuirea unei grupe CH cu un atom de azot (vezi Figura 1.7.). Ca şi benzenul piridina are un pronunţat caracter aromatic aşa cum rezultă din numeroase reacţii de substituţie (halogenare, nitrare, sulfonare) care au loc în poziţia β. Piridina are şi un caracter bazic datorat perechii de electroni neparticipanţi de la atomul de azot. Spre deosebire de pirol, la care electronii p sunt implicaţi în conjugarea aromatică, în piridină atomul de azot, care are o hibridizare sp2, participă la conjugarea aromatică numai cu un electron din orbitalul p nehibridizat. Cei doi electroni rămaşi la atomul de azot, într-un orbital sp2 nu sunt implicaţi în conjugarea aromatică (orbitalul pe care îl ocupă se află în planul nucleului) ; rămâne astfel posibilitatea ca ei să fie utilizaţi la legarea unui proton. Tabloul general al reactivităţii piridinei trebuie completat cu reacţia de hidrogenare catalitică (comună tuturor compuşilor aromatici) dar şi cu reacţia cu amidură de sodiu care conduce la 2-aminopiridină (reacţia Cicibabin). Aceasta din urmă nu este o reacţie întâlnită la compuşii aromatici obişnuiţi cum sunt arenele ; în mod evident la piridină este facilitată de existenţa atomului de azot atrăgător de electroni.
Cl Cl2
N 3-cloropiridina
3H2
300oC
Ni
H piperidina
N HCl
N Cl H clorhidrat de piridina
N
NaNH2
N
NH2
2-aminopiridina
13
Compuşi organici heterociclici
Compuşi naturali, derivaţi ai piridinei sunt prezentaţi în Figura 1.9.
N
N
CH3 nicotina
Nicotina, reprezentant al clasei alcaloizilor (compuşi naturali având un caracter bazic datorat atomilor de azot pe care îi conţin în moleculă) este o substanţă care se găseşte în frunzele de tutun (în Nicotiana tabacum în proporţie de 2% iar în Nicotiana rustica până la 8%). Este deosebit de toxică, doza letală fiind de 40 mg. Prin oxidarea nicotinei se formează acidul nicotinic.
COOH N acidul nicotinic CONH2
Amida acidului nicotinic este un compus de importanţă biologică majoră având o funcţiune de vitamină (vezi secţiunea 2.5.). Un izomer al acidului nicotinic având grupa carboxil în poziţia 4 (sau γ) formează cu hidrazina un compus, Hidrazida nicotinică (important medicament antituberculos, vezi secţiunea 2.1.3.).
N nicotinamida
Chinolina (sau benzopiridina) este un compus heterociclic care apare deasemeni în compuşi naturali de tipul alcaloizilor. Unul dintre aceştia este chinina izolată din coaja unor arbori originari din regiunile înalte ale Anzilor şi folosită întâi de indigeni apoi şi de europeni ca medicament antipiretic (utilizat în particular în accesele de malarie).
acidul izonicotinic
COOH
N
CONHNH2
N hidrazida acidului izonicotinic
1.3.3. Pirimidina şi purina Pirimidina (1,3-diazina) este un heterociclu cu doi atomi de azot din clasa diazinelor ; (sunt cunoscuţi şi izomeri cu structuri de 1,2- şi respectiv 1,4-diazine). Mai importanţi decât termenul de bază sunt unii derivaţi cum sunt acidul barbituric a cărui structură se regăseşte în clasa medicamentelor hipnotice (vezi secţiunea 2.2.) şi mai ales aşa numitele « baze pirimidinice » care intră în structura acizilor nucleici : acestea sunt uracilul, timina şi citosina ale căror structuri sunt prezentate în Figura 1.10.).
Figura 1.9. Derivaţi ai piridinei cu importanţă biologică OH N N
OH
uracil H3C
N N OH timina NH2 N N OH citosina
Figura 1.10. Structura bazelor pirimidinice care intră în componenţa acizilor nucleici
14
Structura şi clasificarea compuşilor organici
Test de autoevaluare 1.8. Stabiliţi denumirile sistematice pentru uracil, timină şi citosină (pentru –NH2 se utilizează prefixul “amino”; pentru –OH prefixul “hidroxi”). Formulaţi structurile tautomere ale acestor baze pirimidinice.
Răspuns la pag. 19
Test de autoevaluare 1.9. Stabiliţi denumirile sistematice pentru adenină şi guanină. Formulaţi structura tautomeră lactamică a guaninei.
Răspuns la pag. 19
Purina este sistemul alcătuit din două nuclee heterociclice condensate, unul dintre acestea fiind un nucleu pirimidinic iar cel de al doilea un inel cu 5 atomi şi 2 atomi de azot, de tip imidazol. Numerotarea atomilor este indicată în Figura 1.11. Şi în cazul purinei importanţi sunt derivaţii acesteia numiţi “baze purinice” şi care intră în structura acizilor nucleici: adenina şi guanina (vezi Figura 1.12.).
7
6 1N
5
N
2
4
N9
8
N 3
H
Figura 1.11. Purina: structură şi numerotarea atomilor NH2 N
N
1.4. Acizi nucleici
N H guanina N
1.4.1. Structura generală a acizilor nucleici
OH
Acizii nucleici sunt compuşi macromoleculari cu catene foarte lungi dar care sunt alcătuite într-un mod relativ simplu. Unitatea “monomeră” este formată dintr-o monozaharidă (“Z”) de care este legată o bază organică cu structură pirimidinică sau purinică (B) precum şi un rest de acid fosforic (F). Întregul ansamblu poartă numele de nucleotidă (Figura 1.13.). Acizii numiţi ribonucleici (ARN) conţin drept monozaharidă riboza iar cei deoxiribonucleici (ADN) conţin deoxiriboza, monozaharida cu un atom de oxigen mai puţin decât precedenta:
N
N H2N
N H adenina N
Figura 1.12. Structura bazelor purinice care intră în componenţa acizilor nucleici
15
Compuşi organici heterociclici CH2OH H O H
H
CH2OH H O
H
OH OH OH riboza
H
H
OH
F
OH H deoxiriboza
Problemă rezolvată În structura acizilor nucleici bazele pirimidinice (Figura 1.10.) precum şi guanina (Figura 1.12.) se găsesc în formele tautomere cetonice. Formulaţi structurile corespunzătoare pentru U,T,C,A,G.
OH
N N
NH
U
OH
O
H3C
N
NH T
H2N
F
Figura 1.13. Structura generală a unui acid
nucleic CH2
C
N H
N
N
O
N G
N H
Cu aceste informaţii suplimentare putem formula mai exact acizii ribonucleici (Figura 1.14.) şi deoxiribonucleici (Figura 1.15.).
1.4.2. Complementaritatea bazelor pirimidinice şi purinice Cele patru baze pirimidinice şi purinice din structura unui acid nucleic sunt două câte două complementare. Prin aceasta 16
O HO P O CH2 O HO P O
OH O O
B OH
O
B = U, C, A, G Figura 1.14. Structura acizilor ribonucleici (ARN) NH2
HN
N NH
B
O
O OH HO P O O CH2 B O
O
NH2
O
N
N OH
NH
B3
Z
OH
N
O
O
NH
N N
OH
NH2
Nucleotide
F
Răspuns : Aşa cum am văzut în cazul 1-fenil-3-metil-5pirazolonei (secţiunea 1.2.4.) formularea structurilor tautomere se face astfel încât acestea să difere numai prin poziţiile unor duble legături şi a unor atomi de hidrogen. În cazul compuşilor din această problemă se porneşte de la formulele de structură prezentate în primul rând (conform indicaţiilor din figurile 1.10.şi 1.12.) şi în locul structurii =C-OH (fenolică) se formulează structura >C=O (cetonică) având grijă să respectăm valenţele elementelor prin schimbarea locului atomilor de hidrogen. Astfel obţinem structurile U,T,C,G din rândul al doilea : H3C
B2
Z
Bazele organice B sunt în număr de patru pentru fiecare tip de acizi nucleici, sunt alese dintre cele prezentate în secţiunea 1.3.3. şi anume : în acizi ribonucleici se găsesc uracil (U), citosină (C), adenină (A) şi guanină (G); în acizii deoxiribonucleici cele patru baze organice sunt timina (T), citosina (C), adenina (A) şi guanina (G). După cum se poate observa uracilul din ARN este înlocuit cu timină în ADN.
OH
B1
Z
H
N
N N A
N H
Structura şi clasificarea compuşilor organici
înţelegem că structurile lor se potrivesc astfel încât să interacţioneze între ele prin formarea legăturilor de hidrogen. Reamintim că legăturile de hidrogen se pot forma între funcţiuni –O-H sau >N-H (acidifiate de atomii electronegativi O şi N) şi un alt atom care posedă electroni neparticipanţi (O, N). În cazul bazelor pirimidinice şi purinice astfel de interacţiuni pot să apară între >NH şi –N< sau >N-H şi O=C<. Una din perechile de baze complementare apare în cazul uracil-adenină şi are structura următoare: H
O N Riboza
N
N
O uracil
CH2
Riboza
B
O O
B
O
adenina
N
O
H
citosina
H
B = T, C, A, G
Figura acizilor ADN
1.15. Structura deoxiribonucleici
O
H
N Riboza
O HO P O
N
După cum se vede cele două molecule au structuri care permit formarea a două legături de hidrogen. O altă pereche de baze complementare este cea alcătuită din citosină şi guanină : H
N
O HO P O
N N
B
O
O HO P O O CH2 O
H
N
H
CH2
N
N
N N
N
Riboza
guanina
În acest caz potrivirea structurală şi sterică a celor două baze complementare este încă şi mai evidentă : se formează trei legături de hidrogen ceea ce întăreşte interacţiunea între citosină şi guanină. Test de autoevaluare 1.10. În cazul compuşilor de tip ADN există perechea de baze complementare timină-adenină. Formulaţi structura acestei interacţiuni, după modelul U-A.
Răspuns la pag. 19
Test de autoevaluare 1.11. Arătaţi ce perechi complementare (posedând cel puţin două legături de hidrogen) s-ar putea construi din compuşii a-f : a) o-fenilendiamina; b) 2-amino-6-hidroxipiridină; c) εcaprolactamă; d) 2,6-dicetopiperidină; e) 1,2-ciclohexandionă; f) acid benzoic.
Răspuns la pag. 19
17
Compuşi organici heterociclici
1.4.3. Dubla elice a acizilor nucleici Cu informaţiile pe care le deţinem acum referitor la interacţiunea bazelor complementare putem avansa mai profund în cunoaşterea structurii acizilor nucleici. În acest sens trebuie să precizăm că macromoleculele de acizi nucleici nu sunt pur şi simplu filiforme ci sunt alcătuite din două şiruri paralele legate între ele prin perechi de baze complementare, reprezentate schematic în Figura 1.16. După cum au arătat J. D. Watson şi F. H. C. Crick (laureaţi ai Premiului Nobel) această pereche de catene adoptă o formă de dublă elice. Replicarea moleculelor de acizi nucleici. Vom vedea mai departe că molecula de AND este sediul informaţiei genetice într-o cantitate infimă de materie. Pentru a-şi putea îndeplini rolul biologic este în primul rând necesar ca această moleculă să fie replicată (copiată) în mai multe exemplare. Acest proces are loc în felul următor: acidul nucleic se găseşte într-un mediu în care se găsesc nucleotide conţinând A,C,G,T; sub acţiunea unei enzime, la unul din capetele moleculei ADN se produce o desfacere a catenei duble, fapt uşor realizabil şi datorită energiei relativ joase a legăturilor de hidrogen (mult mai slabe decât legăturile covalente). În locul în care dubla catenă a fost desfăcută, în dreptul fiecărei ramuri se construieşte imediat o nouă catenă pe baza fenomenului de recunoaştere moleculară menţionat mai sus: în dreptul unei nucleotide care conţine citosină se va plasa una conţinând guanină, în faţa celei de adenină una de timină, în faţa uneia de timină cea de adenină, ş.a.m.d. (Figura 1.17.). Continuând desfacerea până la capătul ADN, se obţin – în locul dublei catene iniţiale – două duble catene identice. Astfel se produce replicarea moleculelor ADN.
1.4.4. Funcţiunea biologică a acizilor nucleici. Codul genetic.
legaturi de hidrogen intre catene Fragment din Fragment din prima catena a doua catena
R
A
U
F
F R
G
C
F R
R F
U
A
F R
R
R F
C
G
R
R = riboza; F = fosfati; U,C,A,G = baze pirimidinice si purinice
Figura 1.16. Fragment din catena dublă a unui acid ribonucleic
C
G
A
T
A T Funcţiunea biologică a acizilor nucleici constă în a G C stoca şi a utiliza informaţia necesară pentru sinteza proteinelor. Reamintim că în studiul proteinelor (vezi modulul”Chimie T A organică” secţiunea 8.5.) s-a arătat că acestea sunt macromolecule uriaşe formate din numeroase unităţi de CG CG aminoacizi şi care au fiecare un rol biologic esenţial (enzime, GC GC hormoni, anticorpi, funcţiuni respiratorii, musculare, etc). Fiecare din aceste funcţiuni depinde, în ultimă instanţă de A T A T structura primară a proteinei, adică ordinea în care sunt legate unităţile de aminoacid pe catena proteinei. Această ordine trebuie realizată cu o perfectă fidelitate. Cum “ştie” organismul Figura 1.17. Replicarea unei să construiască astfel de molecule uriaşe cu o precizie molecule de ADN structurală perfectă? Aici intervine rolul biologic al acizilor nucleici: aceştia conţin informaţia privind succesiunea aminoacizilor în proteinele organismului, o adevărată “reţetă de lucru” prin care organismul îşi sintetizează proteinele necesare.
18
Structura şi clasificarea compuşilor organici
Codul genetic. Informaţia privind ordinea de legare a aminoacizilor în diferitele proteine care formează un organism viu (de ordinul miilor de proteine, chiar în cazul celor mai simple vieţuitoare) este înscrisă pe catena ADN într-un mod codificat: fiecare aminoacid corespunde unei anumite combinaţii de 3 nucleotide (identice sau diferite). Aceste combinaţii poartă numele de codoni. Ţinând seama că numărul aminoacizilor naturali care intră în structura proteinelor este de 20 iar numărul codonilor posibili formaţi din câte 3 nucleotide este de 43 = 64 este clar că există posibilitatea de a codifica toţi aminoacizii ; mai mult, în unele cazuri unui aminoacid îi corespund mai mulţi codoni. Astfel, de exemplu, glicina are codul GGG, GGU, GGC sau GGA, alanina GCU, GCC, GCA sau GGG, acidul glutamic GAA sau GAG, etc. Ţinând seama că o proteină poate fi formată din zeci de mii de unităţi ai unora din cei 20 de aminoacizi fiecare codificat printr-un codon şi că sunt mii de proteine într-un organism molecula de ADN pe care se află întreaga informaţie (genomul) are o lungime de ordinul metrilor ! Si chiar dacă informaţia genetică diferă esenţial de la un organism la altul, codul genetic este acelaşi, indiferent că este vorba de o bacterie, elefant sau om. Sinteza proteinelor. În nucleul celulelor în care se află informaţia genetică depozitată în ADN se face o copie care este acidul ribonucleic mesager (m-ARN). Acesta duce informaţia din nucleul celulei la ribozomi ; acolo se găsesc acizii ribonucleici cu molecule mai mici numiţi acizi ribonucleici de transfer (t-ARN). Fiecare dintre aceştia conţine un aminoacid şi codonul corespunzător acestuia. La sosirea moleculelor m-ARN începe sinteza proteinei, moleculele de tARN aducând pe rând aminoacizii în conformitate cu reţeta înscrisă în informaţia genetică. La sfârşitul sintezei există un codon specific pentru semnalul stop (sinteza încheiată).
Lucrarea de verificare nr. 1 Instrucţiuni Lucrarea de verificare ale cărei sarcini sunt enunţate mai jos se bazează pe cunoştinţele şi competenţele dobândite în urma studierii unităţii de învăţare nr. 1 (compuşi organici heterociclici). Lucrarea va fi expediată prin poştă tutorelui având grijă să menţionaţi, pe prima pagină următoarele: denumirea modulului (Obţinerea şi utilizarea substanţelor organice), numărul lucrării de verificare (lucrarea de verificare nr. 1), numele şi adresa dumneavoastră.
19
Compuşi organici heterociclici
Sarcinile lucrării 1. Elaboraţi scheme de reacţii pentru sintezele următorilor compuşi (în paranteze este indicată materia primă principală care vi se cere să o folosiţi): a) 1,4-dioxan (etilenoxid); b) ε-caprolactamă (fenol); c) anhidridă ftalică (naftalină); d) 2bromofuran (aldopentoză); e) 1-fenil-2,3-dimetil-5-pirazolonă (acetat de etil); f) 2aminopiperidina şi 3-aminopiperidina (piridină). 2. Discutaţi proprietăţile de acid-bază şi orientarea substituţiei electrofile la pirol şi piridină. 3. Formulaţi structurile tautomere ale : a) 1-metil-4-hidroxipirazolului (în total 2 structuri) şi b) 2,6-dihidroxipirimidina (în total 6 structuri). 4. Formulaţi indicând cu F (fosfat), Z (deoxiriboza şi T,C,A,G (bazele organice) fragmentul de catenă ADN care codifică peptida glu-ala-gli. Indicaţie : În eventualitatea că întâmpinaţi dificultăţi în rezolvarea sarcinilor lucrării revedeţi secţiunile 5.1.9., 6.5.2., 6.5.4., 7.1.5., 7.3.2., 8.4.5. şi 8.4.6. din modulul « Chimie organică ». Extinderea lucrării se recomandă să fie de cca 6 pagini. Evaluarea lucrării se face ţinând seama de corectitudinea soluţiilor date şi explicaţiile concise referitoare la alegerea lor. Fiecare subiect are o pondere de 25%.
Bibliografia pentru unitatea de învăţare nr. 1 C.D. Neniţescu, "Chimie organică", ediţia VIII-a, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980, vol. 2, pag. 567-632; 645-649; 673-675; 680-685; 727-733; 738-739; 747-753. M. Avram, "Chimie organică", ediţia a II-a, Ed. Zecasin, Bucureşti 1994, vol. 2, pag. 335385; 398-400; 404-436. M. Iovu, “Chimie organică”, ediţia a V-a, Bucureşti, 2005, pag. 790-819; 827-832; 841861; 875-886.
Răspunsuri la testele de autoevaluare Test de autoevaluare 1.1. Numai la oxetani este de aşteptat să existe o anumită tendinţă spre reacţia de adiţie, mult mai slabă decât la oxirani. O
O şi corespunde unui acetal Test de autoevaluare 1.2. Structura 1,3-dioxanului este ciclic al formaldehidei (cu 1,3-propandiol). Acetalii au o reactivitate mult mai mare decât eterii (în care se încadrează şi 1,4-dioxanul).
Test de autoevaluare 1.3. a)
CH2 OH HO CH2
H2SO4
CH2
CH2 OH
-H2O
CH2OH HOCH2
HO CH2
NH2 b)
20
O
O
CH2
OH
H2C
-H2O
H2C
H+ -H2O
H2C
NH O
+ NH3
H2SO4
OHHO
H2C
O O NH O
CH2 CH2 CH2 CH2
Structura şi clasificarea compuşilor organici c) Br
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2 Br
CH 3NH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2 Br
to
CH 2
-HBr
CH 2
CH 2 CH 2
NH
N
CH 3
CH 3
Test de autoevaluare 1.4. a ) C H 3 -C H = O
b)
+
HO
CH2
HO
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
NH2
CH2
Cl
H+
H 3C
to
CH2
-H C l
CH2
HC
O
CH2
O
CH2
2 -m e til-1 ,3 -d io x o la n CH2 CH2 NH
CH2
p iro lid in a N H 3C
c)
;
O
d)
N
N N
Compuşii a, b şi d sunt heterociclici. Test de autoevaluare 1.5. N
N H
H
N H
N H
S
S
S
S
Test de autoevaluare 1.6. Numărul de electroni π este 18 ; corespunde unui sistem aromatic (4x4)+2 = 18. Test de autoevaluare 1.7. H2C a) CH3 C O c)
CH2 COOR
CH3 C
CH COOR
b)
N
OH O
OH
N
N H
NH
N OH
N
N
N
N
HOH
OH
N
N
NH
N
OH
N
N
N
N
N
Test de autoevaluare 1.8. Denumiri sistematice pentru: uracil = 2,4-dihidroxipirimidină; timină = 2,4-dihidroxi-5-metilpirimidină; citosină = 4-amino-2-hidroxipirimidină. Test de autoevaluare 1.9. Denumiri sistematice pentru adenină = 6-aminopurină; guanină = 2-amino-6-hidroxipurină. OH N
N H 2N
N
CH 3
O N
HN
N H
N H
N
forma fenolica
N Riboza
N
H
O H
O
forma lactamica
N
N
N N
timina (T)
H
N
adenina (A)
Riboza
Test de autoevaluare 1.10. Interacţiunea T-A: Test de autoevaluare 1.11. Compuşii cu structurile NH2
a
NH2
O
NH HO
N b
NH2
C=O
c
O C
O
NH d
OH
O
O
e
f
Pot forma următoarele perechi complementare (cu formare a cel puţin două legături de hidrogen intermoleculare): a-e; b-c; b-d; c-c; c-d; d-d; f-f. 21
Medicamente
Unitatea de învăţare nr. 2 MEDICAMENTE
Cuprins ..................................................................................................................Pagina Obiectivele unităţii de învăţare nr. ................................................................................. 21 2.1. Medicamente chimioterapice .................................................................................. 22 2.1.1. Sulfamide ..................................................................................................... 22 2.1.2. Antibiotice ...................................................................................................... 25 2.1.3.Medicamente antituberculoase....................................................................... 28 2.1.4.Fluorochinolone .............................................................................................. 29 2.1.5. Medicamente antivirale (anti-SIDA) .............................................................. 29 2.2. Hipnotice şi tranchilizante minore ........................................................................... 30 2.2.1. Hipnotice .......................................................................................................30 2.2.2. Tranchilizante minore .................................................................................... 33 2.3. Medicamente analgezice-antitermice-aniinflamatorii ............................................ 34 2.3.1. Morfina ..........................................................................................................34 2.3.2. Algocalmin ..................................................................................................... 35 2.3.3. Aspirina ......................................................................................................... 36 2.3.4.Paracetamol ................................................................................................... 37 2.3.5. Derivaţi ai acidului fenilacetic şi alfa-fenilpropionic ........................................ 38 2.4. Medicamente cardiovasculare ................................................................................ 40 2.4.1. Medicamente cardiotonice ............................................................................ 40 2.4.2. Medicamente antianginoase.......................................................................... 41 2.4.3. Medicamente antihipertensive ....................................................................... 43 2.5. Vitamine .................................................................................................................... 45 2.5.1. Vitamina A ..................................................................................................... 48 2.5.2. Vitaminele D .................................................................................................. 50 2.5.3. Vitaminele B .................................................................................................. 52 2.5.4. Vitamina C ..................................................................................................... 54 Lucrare de verificare nr. 2 ............................................................................................... 56 Bibliografie ....................................................................................................................... 57 Răspunsuri la testele de autoevaluare ........................................................................... 58
20
Medicamente
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 2 Obiectivul unităţii de învăţare nr. 2 îl constituie studiul compuşilor organici biologic activi care se utilizează ca medicamente. Conform Organizaţiei Mondiale a Sănătăţii (OMS) medicamentul este o moleculă ce este capabilă să modifice o stare patologică (boală) în mod favorabil (pentru însănătoşirea acestuia sau diminuarea simptomelor unei boli). În urma studierii unităţii de învăţare "Medicamente" veţi dobândi competenţe legate de: Modul de obţinere al unor medicamente din clasele cele mai cunoscute şi totodată cele mai utilizate azi, determinate de bolile epocii moderne. Stabilirea corelaţiilor între structura chimică şi proprietăţile biologice ale medicamentelor. Stabilirea mecanismelor prin care medicamente influenţează procesele biologice ale organismului uman, exercitându-şi astfel efectul de vindecare
Introducere Organismul uman este un sistem biologic complex alcătuit din numeroase procese fizico-chimice care decurg unele din altele, se desfăşoară paralel sau simultan influenţându-se reciproc. Echilibrul acestor procese reprezintă starea de sănătate iar dereglarea lui, determinată de factori interni sau externi, constituie o stare patologică sau boală. Terapia medicală are ca obiect menţinerea şi restabilirea funcţiilor normale ale organismului. Acest lucru se poate realiza, în majoritatea cazurilor, prin utilizarea medicamentelor. O gamă bogată şi variată de medicamente reprezintă arma principală a medicinii în luptă cu boala. Din cele mai vechi timpuri oamenii au fost preocupaţi de găsirea unor modalităţi să-şi aline suferinţele. Medicina este la fel de bătrână ca lumea. Cel mai vechi text ’’medical″ aparţine civilizaţiei sumeriene cu 5000 de ani în urmă. Antichitatea este dominată de figurile celebre ale medicilor Hippocrate din Cos şi Galenus din Pergam care au lăsat uimitor de multe informaţii medicale. Lucrările lor împreună cu cele ale medicului persan Avicena (Ibn Sina) au ghidat medicina până în secolul al XIXlea. Dacă în tot acest timp, medicina a fost tributară produselor naturale, sfârşitul secolului XIX marchează apariţia primelor medicamente de sinteză : aspirina şi antipirina (1899). Dezvoltarea medicamentelor de sinteză a fost impulsionată de descoperirea salvarsanului de către P.Erlich care pune astfel bazele chimioterapiei ce domină secolul XX. Astăzi sunt folosite ca 200.000 de specialităţi farmaceutice (medicamente) ce conţin 4000 principii active în majoritate compuşi de sinteză. Posibilitatea de codificare a structurilor chimice, metodele moderne ale sintezei combinatoriale dinamice fac posibilă utilizarea unor programe de prognozare a noi şi noi medicamente. Introducerea unui medicament nou are un cost uriaş şi durează 10-12 ani de la descoperirea sa. Cu toate acestea în lume apar anual 30-40 medicamente noi.
Paul Erlich (1854-1915) Medic şi bacteriolog ; a pus bazele chimioterapiei prin descoperirea salvaranului. A primit premiul Nobel pentru medicină în 1908
21
Medicamente
2.1. Medicamente chimioterapice Termenul de “chimioterapie” a fost introdus de medicul german Paul Erlich, considerând ca scop principal al acestui domeniu tratarea şi vindecarea bolilor infecţioase prin atacul direct asupra agenţilor patogeni care au provocat boala (bacterii, protozoare, spirochete, fungi, virusuri). Un medicament chimioterapic este o substanţă chimică ce, prin diferite căi, incapacitează agentul patogen având un efect minim asupra organismului gazdă. Stabilirea originii microbiene a bolilor infecţioase (Pasteur 1860) şi utilizarea tehnicii de colorare a microorganismelor pentru a fi vizibile la microscop au stat la baza descoperirii chimioterapiei. Aşa se face că la sfârşitul secolului 19 Paul Erlich observând că parazitul malariei este imobilizat de colorantul albastru metilen, obţine rezultate pozitive administrând aceasta substanţă unui organism infectat experimental. Aceasta a fost prima experienţă chimioterapică efectuată conştient. Dezvoltarea chimioterapiei a fost puternic impulsionată de descoperirea salvarsanului (P.Erlich şi A.Berthaim 1912) care a reuşit să vindece una dintre cele mai teribile boli ale acelor vremuri –sifilisul.
Gerhard Domagk (1895-1964) Medic german, a descoperit sulfamida. Laureat al premiului Nobel pentru medicină in 1939.
2.1.1. Sulfamide Sulfamidele reprezintă prima clasă de medicamente capabile, pe cale sistemică, să combată infecţiile bacteriene. Descoperirea sulfamidelor este rezultatul încercărilor de a obţine substanţe antimicrobiene prin mărirea capacităţii de fixare a colorantului pe suportul proteinic al microorganismelor. In urma studiilor făcute pe un număr mare de coloranţi, farmacologul german Gerhard Domagk observă că prontosilul roşu, un colorant azoic, prezintă însuşiri antibacteriene in vivo (în organismul animal) dar este inactiv in vitro (pe culturi de bacterii). El dovedeşte că în organismul animal colorantul este redus biologic la p-aminobenzensulfonamidă, sau simplusulfamidă un compus cu o structură mai simplă şi care nu posedă proprietăţi colorante. Proprietăţile antibacteriene ale sulfamidei nou descoperite sun verificate de Domagk chiar pe propria sa fiică bolnavă de pneumonie, pe care o salvează de la moarte. De la acea dată s-au sintetizat peste 15.000 de sulfamide dintre care doar câteva zeci prezintă interes practic şi numai un număr de 10-15 sunt folosite curent. Cercetările ulterioare au extins domeniul de utilizare ale sulfamidelor, prin descoperirea unor compuşi din această clasă ce prezintă proprietăţi diuretice sau antidiabetice. Structura de bază a sulfamidelor bacteriene, care fac obiectului capitolului de faţă, este amida acidului
22
NH2 SO2NH2
N=N
H2N
Prontosilul roşu N2N
SO2NH2
Sulfamida albă
Medicamente
p-aminobenzensulfonic denumită sulfanilamidă sau sulfamida albă. Prin înlocuirea unui atom de hidrogen din gruparea sulfonamidică cu un radical organic – R – rezultă multitudinea de termeni ai clasei sulfamidelor. Câteva exemple sunt redate în Tabelul 2.1. SO2NH R
H2N
Denumire
R
Sulfamida albă
H N
Sulfatiazol
S
H3C
Sulfafurazol
O
Sulfametoxazol (Biseptol)
H3C
CH3
N
O
N
N OCH3
Sulfametin
N
Tabelul 2.1. Derivaţi ai sulfanilamidei Fabricarea sulfamidelor, ramură importantă a industriei de medicamente, porneşte de la un intermediar comun: clorura acidă a acidului para-N-acetilaminobenzensulfonic, numită prescurtat CAS. Acest compus se obţine prin clorosulfonarea acetanilidei la rece, (t<150C) direct cu acid clorosulfonic în
NHCOCH3
NHCOCH3
HSO3Cl excess o t < 15 C
RNH2
SO2Cl acetanilida
CAS
NHCOCH3
+
H2N
H2O / NaOH
S
CAS NHCOCH3
HO-
SO2NHR
NH2
N SO2NH
SO2NHR
N
SO2Cl
NH3+ Cl H2O / HCl
NHCOCH3
SO2NHR sulfamida
NH2 H+
NH2
SO2NR Na+
condiţii anhidre. CAS-ul rezultat se tratează cu amina RNH2, corespunzătoare fiecărei sulfamide, după care acetilsulafnilamida rezultata este supusă unei reacţii de hidroliză pentru îndepărtarea grupei rotejante acetil. Hidroliza se poate realiza prin tratare cu acid clorhidric, la fierbere, când rezultă o sare de amoniu sau în mediu bazic, soluţie de NaOH
S
H2O
N SO2NH
S
Sulfatiazol
23
Medicamente
cu formarea sării de sodiu. Neutralizarea celor două săruri, la pH riguros neutru duce la precipitarea sulfamidei. Sulfatiazolul se prepară prin încălzirea CAS-lui cu 2aminotiazol reacţie urmată de hidroliza grupării acetil. Acilarea grupei amino cu anhidridă ftalică duce la ftalilsulfatiazolul utilizat în infecţiile intestinale unde hidrolizează în timp, asigurând o concentraţie locală constantă şi de lungă durată. Sulfametoxazolul este componentă sulfamidica a medicamentului Biseptol. Se elimina încet şi este eficace în infecţiile urinare. Test de autoevaluare 2.1. Exceptând reacţia de clorosulfonare, prepararea sulfamidelor se realizează în soluţie apoasă. Explicaţi de ce neutralizarea finală se face la un pH riguros neutru. Răspuns la pag. 58
Relaţii structură chimică-activitate biologică Efectuarea unor astfel de studii, pe un număr mare de compuşi, este deosebit de utilă oferind posibilitatea obţinerii unor substanţe noi, mai active, funcţie de natura şi structura substituenţilor din moleculă. In clasa sulfamidelor, aceste studii au arătat că activitatea antibacteriană este determinată de poziţia para a grupării sulfamil (SO2NH2) faţă de amino, izomerii orto sau meta fiind inactivi; activitatea antibacteriană cea mai mare o au compuşi în care radicalul R are un efect atrăgător de electroni care să mărească aciditatea grupării NH amidice, ca de exemplu un heterociclu; substituirea atomilor de hidrogen ai azotului aminic duce la scăderea activităţii şi prelungirea duratei de acţiune. Sulfamidele au acţiune antibacteriană (inhibă creşterea şi multiplicarea bacteriilor) prezentând un spectru antibacterian larg: cuprinzând streptococi, stafilococi, pneumococi, meningococi, bacili şi altele. Sunt indicate în tratarea infecţiilor digestive, urinare, a unor tipuri de pneumonie etc. OH Prezintă dezavantajul unei solubilităţi reduse în apă N N
H2N N N Modul de acţiune al sulfamidelor Acţiunea antibacteriană a sulfamidelor se bazează pe asemănarea lor structurală, serică şi de repartiţie a sarcinilor electrice cu acidul p-aminobenzoic. Acest acid intră în compoziţia acidului folic, o substanţă indispensabilă tuturor organismelor vii fiind implicată în sinteza acizilor nucleici. Pentru om (şi animale) acidul folic este o vitamină procurată de organism din hrană. Bacteriile îşi sintetizează singure acidul folic luând acidul p-aminobenzoic necesar din mediu. La introducerea unei sulfamide într-un organism infectat, aceasta
24
H2N
COOH
Acid p-aminobenzoic
COOH CH2NH
CONHCH(CH2)2COOH
Acid folic* rest de acid p-aminobenzoic
Medicamente
va afecta numai bacteria, care va folosi medicamentul în locul acidului p-aminobenzoic sintetizând un acid folic modificat. Acidul p-aminobenzoic acţionează în organism în stare ionizată, (COO-) acest fapt explicând rolul substituentului heterociclic al grupei sulfamidice; substituentul măreşte aciditatea grupei sulfamidice (SO2NH2) şi deci asemănarea cu forma activă a acidului p-aminobenzoic (SO2NH-). Astfel se înţeleg şi o serie de detalii importante în tratamentul cu sulfamide: doza de atac la început şi evitarea alimentelor bogate în acid p-aminobenzoic (vin, oţet, murături).
2.1.2. Antibiotice Antibioticele sunt substanţe chimice rezultate din metabolismul unor microorganisme antagoniste. Denumirea provine de la termenul antibioză, fenomen semnalat de către Pasteur (1877) şi V. Babeş (1885). Prin antibioză se înţelege modalitatea prin care un microorganism se apără de un alt tip de microorganism prin cererea unor condiţii defavorabile de existenţă: modificarea pH-ului mediului, consumarea hranei sau secretarea unor substanţe nocive pentru acesta. Descoperirea antibioticelor este atribuită bacteriologului englez Alexander Fleming (1929) care a observat, întâmplător, pe cultura sa de bacterii (Staphillococus aureus) apariţia unui mucegai care a provocat distrugerea stafilococilor în jurul său. Acest mucegai a fost identificat ulterior ca fiind Penicillinum. În cazul observat de Fleming, activitatea mucegaiului era foarte puternică şi era interesant să se izoleze substanţa activă, performanţă pe care grupul de chimişti al echipei sale nu a reuşit să o realizeze. Abia în anul 1940 Florey şi Chain izolează din mediul de cultură al mucegaiului Penicillium nottatum principiul activ denumit penicilină. Succesul penicilinei a stimulat cercetarea în domeniul antibioticelor, fiind descoperite într-o perioada scurtă de timp streptomicina (1944), cloramfenicolul (1947), eritromicina (1952) tetraciclina (1953), pentru a menţiona câteva dintre cele mai cunoscute antibiotice. Domeniul de cercetare al antibioticelor este în continuă dezvoltare, atât pentru descoperirea unor noi compuşi mai activi cât mai ales pentru faptul că, prin selecţie naturală, agenţii patogeni se adaptează la antibioticele utilizate devenind rezistenţi la acţiune acestora. Majoritatea antibioticelor sunt sintetizate de mucegaiuri, actinomicete sau bacterii, microorganisme care se găsesc în pământ de unde se recoltează probe (din diferite regiuni ale globului) şi se testează pentru găsirea microorganismelor producătoare de antibiotice. In consecinţă, metoda generala de obţinere a acestor medicamente este una biologică (biosinteza) sau semisinteză, cu mici excepţii ca de exemplu cloramfenicolul fabricat prin sinteză totală.
Alexander Fleming (1881-1955) Medic şi fiziolog englez, descoperitorul penicilinei. Laureat al Premiului Nobel în 1945 pentru medicină
25
Medicamente
Peniciline naturale Penicilina naturală este un amestec de substanţe cu structură chimică asemănătoare rezultate în procesul de fermentaţie (biosinteză) al speciilor de mucegai Penicillium nottatum şi Penicillium chrysogenum. Din punct de vedere structural penicilinele sunt amide substituite ale acidului 6aminopenicilanic, 6-APA, cu diferiţi substituenţi R. 6-APA este unitatea structurală minimă necesară activităţii antibiotice. El conţine un ciclu tiazolidinic condensat cu un ciclu β-lactamic. Natura substituentului determină atât tipul cât şi intensitatea activităţii antibacteriene. In Tabelul 2.1.2 sunt redaţi câţiva reprezentanţi ai penicilinelor naturale (mai utilizate).
Denumire Benzilpenicilina (Penicila G) Fenoximetilpenicilina (Penicilina V) P-hidroxibenzilpenicilina (Penicilina X)
H3C H3C
1
2 3
5 4
COOH
N
H 6 7
N O
C6H5OCH2
Tabelul 2.1.2. Câteva peniciline naturale
H N H
R
C6H5CH2
HO
C
CH2
R
O
Penicilina Penicilinele fac parte din clasa antibioticelor βlactamice, conţinând în molecula lor un inel β-lactamic, de 4 atomi, foarte instabil din cauza tensiunii existente în ciclu. O serie de enzime produse de bacterii, cunoscute sub numele colectiv de penicilinaze produc rapid desfacerea ciclului lactamic prin hidroliză, ducând la acidul peniciloic şi pierderea activităţii. Penicilinele hidrolizează rapid şi în mediul acid din stomac micşorând activitatea penicilinei la administrare pe cale orală. Penicilina este fabricată prin procedeul fermentativ, în care tulpina de mucegai este introdusă într-un mediu nutritiv apos format din zaharuri (glucoză), proteine (extract de porumb, peptide), săruri minerale. Procesul durează între 70120 ore, la o temperatură de 24-260C, la un pH neutru, corectat cu bicarbonat de sodiu, şi o uşoară suprapresiune rezultată prin introducerea de aer sterilizat. Pentru obţinerea unei anumite peniciline se introduce în mediul de cultură o cantitate foarte mică de acid ce conţine radicalul R (precursor) al penicilinei dorite. După îndepărtarea mucegaiului, care s-a dezvoltat în toată masa, din soluţia rezultată se izolează penicilina prin extracţie cu solvenţi organici sau prin adsorbţie pe cărbune. După purificare se transformă în săruri alcaline (de sodiu sau potasiu), forme în care penicilinele sunt stabile putând fi păstrate şi sterilizate. Penicilinele G şi V, cele mai utilizate în terapeutica medicală, prezintă un spectru antibacterian asemănător (streptococi, stafilococi, pneumococi, gonococi, unele tulpini de bacili, spirochete etc.) deosebindu-se prin modul de administrare: penicilina V, mai rezistentă la degradare, se poate lua pe cale orală, penicilna G fiind mai activă sub formă injectabilă. 26
COR H3C H3C
S
NH
N COOH
O
+ enzime H
COR H3C
S
H3C COOH
NH CH
NH COOH
acid peniciloic
Medicamente
Peniciline semisintetice Din cauză că germenii patogeni dobândesc rezistenţă la peniciline, aşa cum am văzut mai sus, au fost preparate penicilinele semisintetice, compuşi ce conţin un radical R’ diferit de radicalii existenţi în penicilinele naturale. Acestea sunt mai greu recunoscute de enzimele de degradare. In Tabelul 2.1.3. sunt prezentate cele mai utilizate peniciline semisintetice, sub diferite denumiri comerciale. De exemplu, amoxicilina este o componenta a preparatului Augumentin. Prepararea penicilinelor semisintetice porneşte de la compusul natural 6-APA, obţinut din penicilina naturală prin hidroliză menajată, care se acilează cu clorura acidă a acidului ce conţine radicalul R’, prin metodele cunoscute la obţinerea peptidelor. Penicilinele semisintetice se utilizează în tratarea infecţiilor ce nu răspund la penicilinele naturale; fiind mai rezistente la degradarea acidă, se pot administra pe cale orală. Pentru mărirea rezistenţei la degradare unele peniciline se administrează împreună cu inhibitori ai enzimelor de degradare ca acidul clavulinic sau sulbactam. (augumentin). Cefalosporine Cefalosporinele sunt înrudite structural cu penicilinele, având un spectru antibacterian complemetar acestora. Molecula lor conţine un ciclu 1,3dihidrotiazinic în locul celui tiazolidinic din penicilină. Spre deosebire de peniciline, cefalosporinele naturale au o activitate scăzută şi de aceea sunt folosite mai mult pentru obţinerea acidului 7-aminocefalosporinic, 7-AC, materia primă pentru prepararea cefalosporinelor semisintetice. Cefalosporina C, produsă de specia de mucegai Cephalosporium duce prin hidroliză blândă la cidul 7-AC. Ca şi în cazul penicilinelor, acilarea acestui acid cu acizii adecuaţi oferă o gamă bogată de cefalosporine antibacteriene. Modul de acţiune al antibioticelor β -lactamice Pentru a putea supravieţui într-un mediu adesea neprielnic, bacteriile şi-au construit un înveliş celular foarte rezistent, cu o structură complexă. Pereţii celulei bacteriene sunt alcătuiţi din lanţuri de polizaharide paralele legate covalent încrucişat, cu un înalt grad de ramificare, prin lanţuri peptidice (schelet numit peptidoglican). Penicilinele şi cefalosporinele inhibă enzimele implicate in procesul de formare a peptidoglicanilor micşorând astfel rezistenţa fizică a acesteia.
Denumire Ampicilina
C6H5 CH NH2
Amoxicilină HO
CH NH2
Oxacilină N
CH3
O
Tabelul 2.1.3. Exemple de peniciline semisintetice
O
H2OCH2 HC
N
O
COOH Acid clavulanic* S
NH2 N
CH3COOCH2
O
COOH
Acidul 7-AC*
CH3
HO
OH
Tetracicline Tetraciclinele constituie o familie de antibiotice orale cu un spectru larg de acţiune, foarte active în infecţiile bacteriene, având ca unitate structurală comună scheletul de hidronaftacen. Sunt obţinute prin procedeul fermentativ din diferite specii de actinomicete, Streptomyces (microorganisme intermediare între mucegaiuri şi bacterii)
R’
N(CH3)2 OH
H
H
O
OH O
OH
CONH2
Tetraciclina*
27
Medicamente
şi prin transformări chimice ale compuşilor naturali. Cloramfenicol Cloramfenicolul, izolat din mediul de cultură al actinomicetelor Streptomyces venzuelae, foarte activ faţă de bacterii dar şi faţa de virusuri mari şi richetsi (agentul patogen al tifosului exantematic) este primul antibiotic preparat prin sinteză totală. Din numărul total de izomeri posibili numai (–)D-erito-cloramfenicolul este activ biologic. Deşi activitatea sa antimicrobiană este ridicată, utilizarea clinică este limitată datorită toxicităţii mari pe care o prezintă.
CH2OH Cl2CHCOHN C H H C OH
NO2
Cloramfenicol
Test de autoevaluare 2.2. Molecula cloramfenicolului conţine doi atomi de carbon asimetrici. Care este numărul total de stereoizomeri posibili? (Formulaţi configuraţiile acestora prin formule plane)
Răspuns la pag. 58
2.1.3.Medicamente antituberculoase Deşi agentul patogen al tuberculozei, bacilul Koch, fusese descoperit încă din anul 1882, primul medicament utilizat în tratarea acestei boli a fost antibioticul streptomicina, sintetizat in 1944. La scurtă vreme după aceea, au fost descoperite medicamentele specifice bolii, acidul paraaminosalicilic (PAS 1945) şi hidrazida (1952) PAS-ul se fabrică printr-o sinteză Kolbe-Scmitt din maminofenol şi bicarbonat de sodiu în sluţie apoasă, sub presiune de bioxid de carbon (5-10atm) la o temperatură de 90-1000C. Soluţia alcalină se acidulează cu HCl întâi la pH 6,5 pentru îndepărtarea m-aminofenolului nereacţionat (toxic) şi apoi până la pH 3 când precipită acidul p-aminosalicilic. NH2
NH2 CO2 NaHCO3
OH m-aminofenol
OH COOH PAS
Hidrazida este medicamentul antituberculos care se administrează în toate formele de tuberculoză, singur sau asociat cu PAS sau cu antibiotice (streptomicină, rifampicină). Din punct de vedere structural este un derivat al acidului 4piridincarboxilic denumit şi acid izonicotinic. Se prepară din 4metilpiridina (izolată din gudronul de cărbune) care dă prin oxidare cu KMnO4 şi acid sulfuric (sau cu aer şi catalizator de oxid de vanadiu) acidul izonicotinic. Esterificarea acestuia cu.
28
Medicamente
metanol în cataliză acidă urmată de încălzirea esterului cu hidrazină la 700C duce la obţinerea hidrazidei
CH3 N
COOH KMnO4 H2SO4
COOCH3
RNH2
N N acid izonicotinic
CONHNH2
NH2NH2
N hidrazida
2.1.4. Fluochinolone Fluochinolonele, descoperite după anii 1980, constituie o clasă de compuşi antibacterieni cu un spectru larg de acţiune. Ele sunt mai active, mai selective şi mai rezistente la degradarea bacteriană decât penicilinele. Molecula lor este alcătuită dintr-un nucleu izochinolinic (benzopiridină) de care sunt ataşaţi diferiţi substituenţi. Structura de chinolonă (grupa C=O), gruparea COOH ca şi atomul de fluor sunt responsabile de activitatea antimicrobiană. Pefloxacina (Nolicina) şi Ciprofloxacina sunt cele mai des utilizate medicamente din această clasă pentru combaterea infecţiilor pulmonare (pneumonii, bronşite), urinare, infecţii cu Proteus şi altele.
O
COOH
F N
N H
N
C2H5
Pefloxacin*
Mod de acţiune Fluochinolonele inhibă, selectiv, enzimele implicate în sinteza ADN-ului bacteriilor, enzime care nu se găsesc în organismul uman, explicând astfel toxicitatea lor redusă.
2.1.5. Medicamente antivirale Chimioterapia antivirală diferă fundamental de cea antibacteriană datorită particularităţilor structurale şi biologice diferite ale celor două tipuri de microorganisme: bacterii şi viruşi. Spre deosebire de bacterii, viruşii nu au metabolism propriu şi nu sunt capabili să se reproducă independent. Un virus este alcătuit dintr-un lanţ de acizi nucleici (ADN sau ARN) înconjurat de un înveliş protector proteinic. Pătrunzând în celula gazdă introduce o informaţie genetică nouă şi orientează metabolismul acesteia în sensul propriei sale reproduceri. Terapia infecţiilor vitale se bazează pe diferenţele subtile între celula infectată şi cea sănătoasă, ca de exemplu pe selectivitatea mai scăzută a enzimelor virale ce intervin in procesul de replicare (mai exact faţă de nucleotidele implicate în acest proces). Astfel medicamentul antiviral acţionează ca un substrat fals pentru enzima virusului oprind înmulţirea acestuia. De exemplu, un medicament anti-SIDA (boală provocată de virusul HIV), Zidovulin sau AZT conţine o unitate de acid nucleic (nucleotidă) cu structură diferită de cea naturală.
O CH3
HN HO O
O H
N3
N
H
AZT*
29
Medicamente
2.2.Hipnotice şi tranchilizante minore Medicamentele hipnotice, cunoscute mai bine sub denumirea de somnifere, sunt compuşi chimici care produc somn. Tranchilizantele minore (sedative) sunt substanţe care au un efect liniştitor, relaxant, reducând starea de tensiune psihică. Intre aceste tipuri de medicamente nu există o deosebire principială, ambele clase având o acţiune depresivă asupra sistemului nervos central.
2.2.1. Hipnotice. Hipnoticele sunt utilizate pentru a induce somnul atunci când somnul natural nu poate fi obţinut din multiple motive (condiţii nefavorabile, stres, bătrâneţe, diverse boli). Un tratament logic al insomniei – înlăturarea cauzei - nu poate fi întotdeauna aplicat şi in aceste cazuri se recurge la somnifere sau hipnotice. Hipnoticele induc un somn de durată şi profunzime diferită, depinzând de structura lor chimică. Alcoolul etilic poate fi considerat primul termen al acestei clase şi chiar primul medicament cunoscut, fiind utilizat încă din evul mediu pentru inducerea somnului şi ca anestezic primitiv in intervenţiile chirurgicale ale răniţilor de război. Alcoolul etilic nu are valoare terapeutică, din contră, este considerat o substanţă periculoasă afectând grav atât sănătatea cât şi comportamentul psihic al individului consumator de băuturi alcoolice in exces. El produce ca şi alte narcotice, întâi o stare de excitaţie şi euforie după care urmează efectul depresiv. Consumul de alcool duce la o intoxicaţie cronică, cu caracter de dependenţă, iar în cantitate mare poate produce comă şi chiar moarte. Descoperirea proprietăţilor hipnotice ale cloralului (tricloacetaldehida), paraldehidei, ale unor compuşi cu sulf, in a doua jumătate a secolului 19 a dus la înlocuirea etanolului şi a opiului ca mijloace de producere a somnului. Introducerea celui dintâi medicament barbituric (veronalul) în 1903 (Fischer) a reprezentat un progres deosebit în acest domeniu. Medicamente barbiturice Derivaţii acidului barbituric, denumiţi pe scurt “Barbiturice” reprezintă una dintre cele mai utilizate medicamente hipnotice. Durata acţiunii depresive precum şi intensitatea ei depinde de structura compusului, de cantitatea administrată şi de modul de administrare. Multitudinea compuşilor sintetizaţi permite o gradare a duratei si profunzimii somnului indus. Acelaşi medicament poate produce sedare (1/4 din doza hipnotică) ori somn depinzând de doza 30
Medicamente
administrată; o doză de aproximativ 10-15 ori mai mare decât doza hipnotică duce la moarte prin depresia respiraţiei (paralizia centrului respirator) şi complicaţii cardiovasculare. Acidul barbituric este un derivat de pirimidină, 2,4,6trihicetohexahidroipirimidină. (vezi secţiunea 1) El a fost sintetizat prima dată de Bayer (1864) prin condensarea esterului malonic cu uree în mediu bazic. O H2C
C OC2H5 C OC2H5
+
H2N
C2H5O-Na
C O
H2N
-2C2H5OH
C5
H2
O ester dietilmalonic
O
H
C
N
4
3
6
C
1
N
2C
O
O H acid barbituric
uree
Medicamentele barbiturice sunt derivaţi 5,5-disubstituiţi, cu radicali diferiţi, ai acidului barbituric având o formulă generală ca în Figura 1.
R1 R2
C5
O
H
C
N
4
3
6
1
C
N
O
H
2C
O
Figura 1. Formula generală a medicamentelor barbiturice Veronalul, sintetizat de Fischer conţine doi radicali identici: etil a fost scos din uz, prezentând numai un interes istoric. Fenobarbitalul este unul dintre cele mai utilizate barbiturice, având pe lângă acţiune hipnotică şi proprietăţi anticonvulsivante. Fenobarbitalul se obţine din esterul 2-fenil2-etilmalonic prin condensare la cald (70-800C) cu uree în prezenţa etoxidului de sodiu. O C6H5 C C2H5
COOC2H5 COOC2H5
ester 2-fenil-2-etilmalonic
NH2CONH2 C2H5O-Na+ -2C2H5OH
C6H5
C
NH
C
NH
C C2H5
C
O
O fenobarbital
Utilizarea fenobarbitalului ca somnifer este umbrită de efecte secundare neplăcute (trezire cu stare de mahmureală, ca după alcool) ca şi de riscul depresiei respiratorii în cazul unei doze mărite.
31
Medicamente
Relaţii structură chimică-acţiunebiologică în seria barbituricelor Monoalchil şi monoaril derivaţii acidului barbituric sunt lipsiţi de activitate hipnotică. Aceasta apare la derivaţii 5,5disubstituiţi şi este mai mare când cei doi substituenţi R1 si R2 sunt diferiţi, decât dacă ei sunt identici. Veronalul, primul termen al seriei este cotat ca şi cel mai puţin activ. Activitatea optimă o prezintă compuşii în care suma atomilor de carbon din cei doi substituenţi (R1+R2) este cuprinsă intre 4 şi 9, în afara acestor limite derivaţii respectivi sunt inactivi sau toxici. Fenobarbitalul este unul dintre cei mai activi termeni ai seriei. Introducerea de duble legături, atomi de halogen elemente structurale cu acţiune hipnoforă - măresc activitatea, în timp ce grupe polare ca OH, C=O, COOH sau NH2 au ca urmare scăderea sau dispariţia activităţii depresive. Metilarea unuia dintre atomii de azot măreşte acţiunea hipnotică şi diminuează durata de acţiune. Utilizări. Deşi au o vârstă venerabilă, barbituricele se mai utilizează şi astăzi ca : hipnotice prin administrare orală producând un somn de durată variabilă funcţie de structură; sedative în stări de excitaţie nervoasă, deliruim temens; anticonvulsivante (fenobarbitalul) în boala epileptică; pentru potenţarea analgezicelor prin asociere cu medicamente cu acţiune analgezică. Test de autoevaluare 2.3. Ciclobarbitalul este acidul 5-etil-5-(1-ciclohexenil)nbarbituric. Scrieţi formula cestui compus şi apreciaţi activitatea hipnotică în raport cu veronalul.
Răspuns la pag. 58
Test de autoevaluare 2.4 Elaboraţi o schemă de reacţii pentru sinteza veronalului. Încercaţi să preparaţi esterul malonic (malonat de etil) pornind de la acidul acetic. (Dacă nu reuşiţi rezolvarea, revedeţi modulul Chimie Organică secţiunea 7.2.3.)
Răspuns la pag. 58
32
Medicamente
2.2.2. Tranchilizante minore Medicamentele sedative la care ne referim în această secţiune se numesc tranchilizante minore sau anxiolitice. Ele au proprietatea de a reduce starea de tensiune psihică şi anxietate (apăsare psihică, teamă nejustificată acompaniată uneori de spasme musculare şi tahicardie). Aceste medicamente sunt utilizate în tratarea nevrozelor (nu şi a psihozelor), determinate de stresul vieţii moderne. Datorită efectului liniştitor, relaxant precum şi a modului de administrare comodă (orală) ele sunt utilizate în mod abuziv, ducând în multe cazuri la obişnuinţa. Una dintre cele mai utilizate şi mai noi clase de compuşi cu acţiune sedativă o constituie derivaţii de benzodiazepină. Benzodiazepinele prezintă un spectru farmacologic larg, cu proprietăţi tranchilizante, sedative şi miorelaxante. Ele sunt tranchilizante tipice indicate in stările de anxietate, tensiune nervoasă, in afecţiunile care au o componentă psihovegetativă (digestive, cardiace) şi in general, în tratamentul nevrozelor. Calitativ au un profil farmacologic comun; cantitativ se deosebesc prin aceea că una dintre proprietăţi predomină. Unele dintre ele sunt hipnotice eficiente înlocuind în unele cazuri barbituricele sau anticonvulsivantele in forme uşoare de epilepsie. Din cele câteva mii de substanţe sintetizate peste 25 au fost luate în consideraţie din punct de vedere clinic. Medazepamul cunoscut sub numele de Rudotel, este utilizat în stările de tensiune psihoafectivă producând o echilibrare afectivă şi o relaxare musculară. Diazepamul , poate cel mai folosit medicament benzodiazepinic, are un efect sedativ rapid şi de scurtă durată. Nitrazepamul conţine grupa hipnoforă NO2 în locul atomului de clor, existent în diazepam şi medazepam. De aici decurge şi proprietate sa hipnotică predominantă. Deşi este un somnifer mai slab decât fenobarbitalul el înlocuieşte în multe cazuri fenobarbitalul, fiind lipsit de efectele secundare neplăcute ale acestuia. CH3
Cl
N CH2 CH2 N C6H5
Rudotel*
CH3
H
O
Cl
N C6H5
Diazepam*
CH2
O
N C
N C O2N
N
CH2
C6H5
Nitrazepam*
33
Medicamente
2.3. Medicamente inflamatorii
analgezice-antitermice-anti-
Analgezicele sunt compuşi ce înlătură senzaţia de durere fără să afecteze nivelul general al cunoştinţei. Antitermicele (antipiretice) produc scăderea temperaturii ridicate a corpului (cauzată de ex. de o boală infecţioasă) la temperatura normală. Majoritatea antitermicelor prezintă şi acţiune analgezică, asociată în unele cazuri, şi cu o acţiune antiinflamatoare sau antireumatică. Aceste medicamente nu vindecă boala care a determinat apariţia simptomelor pe care le tratează, ci numai le diminuează sau le suprimă temporar. Ele se numesc medicamente simptomatice, acţionează asupra simptomelor, fără să vindece boala ca în cazul medicamentelor chimioterapice.
*
2.3.1 Morfina Unul dintre cele mai eficace analgezice cunoscute este morfina. Ea a fost izolată, în 1803 de Sertuner din amestecul de alcaliozi denumit opium, extras din sămânţa de mac (Papaver somniferum) originar din India. Morfina şi derivaţii săi, naturali şi sintetici, sunt adesea numiţi şi Opioizi sau Opiacee. Opiozii, deşi sunt unele dintre cele mai puternice medicamente analgezice, dezavantajul major de a produce toxicomanii grave restrânge drastic utilizarea lor. Medicamentele opioide sunt stupefiante (de la latinescul stupidus =prost) puternice. Efectul analgezic este precedat de o stare de euforie ce duce la dorinţa de a lua din nou medicamentul. Prin folosire repetată organismul capătă toleranţă, necesitând doze din ce în ce mai mari pentru a obţine acelaşi efect. Adicţia este cel de al doilea fenomen care însoţeşte consumarea narcoticelor. Aceasta constă in dezvoltarea unei dependenţe fizice (modificări ale fiziologiei si biochimiei celulare) şi psihice. Întreruperea bruscă a administrării drogului produce tulburări fizice si psihice grave (sindromul abstinenţei), ducând în final la moarte. Dezintoxicarea se face treptat numai sub supraveghere medicală. Pe lângă degradarea fizică prin deteriorarea funcţiilor organismului, tulburările psihice ce însoţesc morfinismul duc la slăbirea facultăţilor intelectuale, pierderea puterii de muncă, a memoriei şi a simţului etic. Acţiunea depresivă asupra centrului respirator completează spectrul dezavantajelor majore ale utilizării morfinei în terpeutica medicală. Modificările chimice aduse moleculei morfinei au avut drept scop obţinerea unor compuşi cu structuri mai simple, care să păstreze proprietăţile analgezice ale morfinei şi să fie lipsite de efectele ei secundare. Din păcate, înlocuitorii de
34
CH3 10 9 1
11
2
HO
3
4
N 8
14 12 13
7 5
O
6
OH
Morfina*
C2H5 C6H5 C6H5
C=O C CH2 CH N(CH3)2 CH3 Metadona
Medicamente
sinteză ai morfinei deşi au molecule uşor de obţinut păstrează caracterul stupefiant al acesteia într-o măsură mai mică sau mai mare. De exemplu, Metadona este un analgezic semănător morfinei cu proprietăţi narcotice şi depresive asupra respiraţiei mai reduse ca aceasta. Se poate utiliza şi prin administrare orală, spre deosebire de morfină care este eficace numai parenteral (prin injecţie). Produce adiţie şi toleranţă si este supusă aceloraşi restricţii ca morfina.
2.3.2. Algocalmin Algocalminul face parte din clasa pirazolonelor, cuprinzând o serie de medicamente cu acţiune în principal antitermică şi analgezică. Aceşti compuşi au fost introduşi in terapeutica medicală la sfârşitul secolului 19, fiind printre primele medicamente de sinteză utilizate. Algocalminul, este unul dintre cele mai folosite medicamente din clasa pirazolonelor. Problemă rezolvată. Elaboraţi o schemă de sintetiză a algocalminului pornind de la 1-feni-3-metilpirazolona (FMP) (vezi secţiunea 1.2.4.). Răspuns : H3C H
N
CH3I
O
N
H3C
H3C N N
C6H5
O
HCl
H3C
2[H] -CO2
O
NH CH3
N O H3C N C6H5
C6H5
NH2
H3C N N
O
CH2O HCOOH -H2O
C6H5 4-aminoantipirina
4-nitrozoantipirina
NH = CH2
H3C N N
H3C
C6H5
antipirina H3C
Zn / HCl O [H]
H3C N N
C6H5
FMP
N=O
H3C
NaNO2
CH2O + NaHSO3 CH2 SO3Na OH
4-metilaminoantipirina N
H3C H3C N N
C6H5
CH3
+ CH2 SO3 Na
O 34
algocalmin
Sinteza începe cu metilarea FMP-ului la atomul de azot cu iodură de metil (reactiv obişnuit pentru metilarea aminelor) când se obţine antipirina (ea însăşi un atitermic slab). Tratarea acesteia cu acid azotos, preparat în mediul de reacţie din nitrit de sodiu şi acid clorhidric, între 0-50C, duce la obţinerea 435
Medicamente
nitrozoantipirinei care se reduce cu Zn şi HCl pentru a forma amina corespunzătoare, 4-aminoantipirina. Introducerea unei grupe metil se realizează de data aceasta printr-o metodă diferită, pentru a evita metilarea totală a grupei aminice. Astfel, 4-aminoantipirina se tratează cu un amestec de formaldehidă şi acid formic ce are rolul de a reduce intermediarul rezultat prin eliminarea de apă dintre aldehidă şi amină (baza Schiff). 4-Metilaminoantipirinei rezultată se tratează cu un amestec de formaldehidă şi sulfit acid de sodiu (bisulfit de sodiu), de fapt cu combinaţia bisulfitică a acestora care se formează în mediul de reacţie. Prin eliminarea unei molecule de apă între hidrogenul aminic şi grupa hidroxil a combinaţiei bisulfitice rezultă algocalminul. Structura sa, de sare de sodiu, îi conferă o solubilitate mare în apă putând fi astfel administrat şi pe cale parenterală, spre deosebire de alţi termeni ai clasei care suferă de o solubilitate limitată.
2.3.3. Aspirina Proprietăţile antitermice si analgezice ale acidului salicilic sunt cunoscute de peste o sută de ani. Acidul salicilic s-a dovedit a fi prea iritant pentru mucoasa gastrică pentru a fi utilizat ca atare. Prin blocarea grupei fenolice (şi carboxilice) s-au sintetizat o serie de derivaţi cu valoare terapeutică, dintre care de departe cel mai important este aspirina Acidul salicilic se fabrică şi astăzi prin metoda KolbeSchmidt (1873), metodă ce constă în încălzirea fenoxidului de sodiu cu bioxid de carbon la 140-1700C (temperatura se ridică progresiv) şi 7-10atm. OH
ONa + CO2
CO2Na
o
140 C
H2SO4
CO2H
7-10atm
acid salicilic
fenoxid de sodiu OH
OH
CO2H
(CH3CO)2O
OCOCH3 COOH
H2SO4, 90oC
acid salicilic
aspirina
Aspirina (acidul acetilsalicilic) cel mai utilizat derivat al acidului salicilic, a fost introdusă în terapeutică în anul 1899 (sintetizată de firma Bayer sub această denumire). Se foloseşte ca antitermic şi analgezic, dar cea mai largă utilizare o are în tratamentul bolii reumatice. Descoperirea, mai nouă, a efectului antiplachetar (evitarea depunerilor pe pereţii interiori ai vaselor sanguine având ca efect obstrucţia lor) pe 36
Medicamente
care îl are aspirina a extins utilizarea ei şi în domeniul bolilor cardiovasculare (prevenirea infarctului miocardic), in doze de ¼ din doza antitermică. Proprietăţile terapeutice ca şi sinteza ei facilă, face ca aspirina să fie cel mai utilizat medicament de sinteză. Pentru prepararea aspirinei acidul salicilic se încălzeşte la 900C cu anhidridă acetică în prezenţa unei cantităţi catalitice de acid sulfuric. Salicilatul de metil, obţinut prin esterificarea acidului salicilic cu metanol este un compus uleios, puternic mirositor, care intră uşor în piele şi se foloseşte sub formă de unguente (Ben-Gay, Saliform) pe locurile dureroase. OH
CO2H
OH CH3OH
COOCH3
H2SO4
acid salicilic
salicilat de metil
Din studiul relaţiei-activitate biologică s-a constatat că izomerii meta şi para ai acidului salicilic şi derivaţilor săi nu sunt activi, determinându-se astfel că acţiunea farmacologică este dată de poziţia orto a grupărilor hidroxil şi carboxil. Bolile reumatice sunt procese inflamatorii care afectează articulaţiile producând modificări caracteristice (deformaţii ireversibile, degenerarea cartilajelor, imobilizarea articulaţiilor) în cele mai multe cazuri fiind însoţite de durere. Poliartrita reumatică, osteoartrita, spondiloza anchilozantă sunt forme majore ale acestei maladii. Cauza acestor procese nu este cunoscută şi tratamentul simptomatic este cel care poate ameliora manifestările bolii. Rezultate spectaculoase asupra bolilor reumatice au fost obţinute prin administrarea hormonilor corticoizi (secretaţi de glandele suprarenale, ca de ex. Hidrocortizon) dar toxicitatea datorată activităţii lor hormonale a dus la limitarea utilizării lor. Antireumaticele nesteroide rămân, aşa dar, cele mai indicate medicamente pentru tratarea acestei boli.
2.3.4. Paracetamol Paracetamolul se foloseşte pentru combaterea febrei şi a durerilor moderate. Asociat cu alţi compuşi oferă o gamă bogată de medicamente analgezice-antitermice (ex. Eferalgan, Saridon, Antinevralgic). Se prepară din fenol prin nitrozare directă, reacţie ce se realizează prin tratarea fenolului cu nitrit de sodiu şi acid sulfuric, în soluţie apoasă, la rece (0-50C). Avantajul utilizării reacţiei de nitrozare constă în obţinerea unui singur izomer, para-nitrozofenol. Acesta se reduce rapid la amină şi se acetilează. Este evitată reacţia de acilare cu anhidridă acetica sau clorură de acetil (agenţi de acetilare, 37
Medicamente
uzuali) pentru a nu afecta şi hidroxilul fenolic. De aceea acetilarea se va face cu acid acetic în benzen, pentru îndepărtarea apei prin distilarea azetropului benzen-apă OH
[H]
(NaNO2+ H2SO4)
OH
OH
OH HONO
CH3COOH C 6H 6
Fe /HCl
NH2
NO
NHCOCH3
Test de autoevaluare 2.5 Indicaţi o altă metodă de obţinere a para-aminofenolului şi specificaţi ce inconvenient prezintă această alternativă de sinteză. Scrieţi ecuaţiile reacţiilor.
Răspuns la pag. 58
2.3.5. Derivaţi de acid fenilacetic şi αfenilpropionic Derivaţii acizilor fenil acetic şi α-fenil propionic constituie o grupă relativ nouă de agenţi antiinflamatori cu proprietăţi analgezice şi antipiretice moderate. In general, aceşti compuşi arată o activitate similară aspirinei dar sunt mai activi şi mai puţin iritanţi ca aceasta. Domeniul s-a dovedit deosebit de fructos prin faptul că multe dintre substanţele sintetizate sunt antiinflamatoare eficace, peste 20 fiind introduse deja in terapeutică. Diclofenacul (Voltaren) este un medicament cu proprietăţi antireumatice foarte bune folosit atât pe cale orală cât şi sub formă de unguente sau geluri. Prezintă dezavantajul producerii unor deranjamente gastrointestinale deloc neglijabile. Cl Cl NH
BrCO CH2Br
Cl CO CH2Br
Cl 2,6-diclorodifenilamina Cl
Cl H2O
N Cl
AlCl3
N
O
C
NH
NaOH/EtOH
CH2
Cl
CH2COO-Na+
diclofenac
38
Medicamente
Ibuprofenul, este unul dintre cele mai folosite medicamente pentru combaterea febrei, a durerilor reumatice şi a nevralgiilor. Este superior ca potenţă şi toleranţă aspirinei şi o înlocuieşte constant în domeniile de utilizare a acesteia. Cererea mare pe piaţă, determinată de dozajul relativ ridicat al acestui medicament (grame/zi) a dus la intensificarea cercetărilor pentru găsirea unor metode de sinteză mai simple şi mai uşor de realizat. Problemă rezolvată Sa se formuleze o schemă de sinteză a ibuprofenului pornind de la izo-butilbenzen. Răspuns: Sinteza începe cu o reacţie de acetilare Friedel-Crafts prin tratarea izobutilbenzenului cu clorură de acetil în prezenţa clorurii de aluminiu. P-izobutilacetofenona rezultată se reduce (de ex. cu sodiu şi alcool etilic) la alcoolul corespunzător. Acest alcool, este un alcool benzilic, foarte reactiv, care la simpla tratare cu acid bromhidric formează bromderivatul corespunzător. Se ştie că derivaţii halogenaţi dau cu cianuri alcaline nitrili, astfel că şi compusul bromurat obţinut, va da în reacţia cu cianură de potasiu 2-(pizobutilfenil)propionitril. Hidroliza acestui nitril duce la acidul, 2(p-izobutilfenil)propionic sau ibuprofen.
HBr
[H] Na +C2H5OH
AlCl3 CH3COCl
i-Bu
i-Bu
i-Bu
i-Bu
COCH3 izobutilbenzen p-izobutilacetofenona i-Bu i-Bu
CHCH3 OH
CHCH3 Br
H 2O
KCN
CH3
H3C CH
CN
2-(p-izobutifenilpropionitril)
H3C CH COOH ibuprofen
CH CH2
i-Bu: CH3
Test de autoevaluare 2.6. Scrieţi mecanismulreacţiei de sinteză a p-izobutilacetofenonei utilizată în obţinerea ibuprofenului.
Răspuns la pag. 58
39
Medicamente
2.4. Medicamente cardiovasculare Circulaţia sângelui în organism determină funcţionarea normală a acestuia, asigurând transportul oxigenului şi al substanţelor nutritive, menţinerea unei temperaturi constante, eliminarea produselor de degradare matabolică şi alte funcţiuni importante. In acest proces inima este organul principal care distribuie sângele în toate ţesuturile organismului. Medicamente cardiovasculare sunt considerate acele substanţe care acţionează direct asupra inimii şi a musculaturii vaselor sanguine. Funcţionarea sistemului cardiovascular este influenţată şi de alte clase de medicamente care nu au o acţiune directă asupra inimii, ca de ex. beta-blocantele, diureticele, sedativele, anticoagulantele, acestea utilizându-se ca ajutătoare în tratamentul bolilor cardiace. Bolile cardiovasculare au în prezent o frecvenţă mult mai mare decât în trecut, situându-se pe primul loc în cauzele mortalităţii în lume. Maladiile cardiovasculare (ca de ex. infarct miocardic, angină pectorală, congestie cerebrală, hipertensiune, etc) sunt determinate de o circulaţie defectuoasă a sângelui din cauze foarte diferite (de exemplu ateroscleroză). In consecinţă şi consumul acestor medicamente se află pe primul loc, cca 19%, din totalul medicamentelor utilizate în terapeutica medicală.
2.4.1. Medicamente cardiotonice Cardiotonicele măresc puterea de contracţie a miocardului deficitar, - măresc randamentul mecanic al inimii - fiind utile în tratamentul insuficienţei cardiace. Sunt două clase principale de medicamente: glicozide cardiace şi medicamente de sinteză. Glicozidele cardiace sunt compuşi naturali izolaţi din frunzele şi rădăcina unor plante de tipul Digitalis purpureea (Degeţelul roşu) şi Digitalis lanata. Proprietăţile cardiotonice şi diuretice ale frunzelor uscate de Digitalis au fost cunoscute de multă vreme, fiind utilizate în terapia cardiacă încă de la sfârşitul secolului 18. Izolarea şi stabilirea compoziţiei şi a structurii chimice a amestecurilor complexe izolate din extractele de plante a întâmpinat multe dificultăţi din cauza sensibilităţii acestor substanţe la acţiunea bazelor, acizilor sau enzimelor Din punct de vedere al structurii chimce glicozidele cardiace sunt alcătuite dintr-o componentă steroidică şi una sau mai multe resturi de monozaharidă legate prin legături β-glicozidice. Amestecul total al glicozidelor naturale, standardizat pe baza unor teste biologice, se foloseşte şi astăzi sub numele de Digitală. Prin hidroliza glicozidelor naturale rezultă substanţe
40
Medicamente
pure, utilizate ca medicamente cardiotonice cum ar fi de exemplu Digoxina. Aceste medicamente măresc puterea de contracţie a miocardului bolnav şi sunt utilizate în tratarea diverselor forme de insuficienţă cardiacă şi aritmii. Se administrează toată viaţa, cu precauţie, deoarece doza curativă este foarte apropiată de doza toxică şi aceasta de doza letală.
2.4.2. Medicamente antianginoase Medicamentele antianginoase sunt utilizate în tratamentul crizelor de angină pectorală. Crizele de angor se manifestă prin dureri în partea stângă a toracelui fiind declanşate de efort fizic, emoţie, frig, masă bogată, etc. Aceste crize sunt o urmare a faptului că inima nu este suficient oxigenată din cauza constricţiei şi îngustării vaselor coronare, determinate de ateroscleroză (inima consumă cea mai mare parte din oxigenul transportat de sânge). Medicamentele antianginoase urmăresc eliminarea rapidă a crizei anginoase, reducerea frecvenţei şi intensităţii crizelor şi a pericolului de infarct. Cel dintâi compus folosit din această clasă a fost nitritul de izoamil (izopentil) (CH3)2CHCH2CH2ONO, un ester al acidului azotos cu alcoolul izopentilic. El produce prin inhalare un efect rapid dar de scurtă durată Efectul fugace a nitriţilor ca şi instabilitatea lor a dus la înlocuirea acestora cu nitraţi – esteri ai acidului azotic - cu polioli. Atât nitriţii cât şi nitraţii produc vasodilataţie prin acţiunea lor directă asupra muşchilor netezi ai vaselor sanguine, în special ai coronarelor. Nitroglicerina , este esterul glicerinei cu acidul azotic. Este cunoscută ca medicament antianginos de mai bine de 100 de ani. Se utilizează sublingual având un efect rapid (1-3 minute) şi o durată de acţiune scurtă (20-30 minute). Nitroglicerina este un lichid uleios cu caracter exploziv care se foloseşte în cantităţi mari la fabricarea dinamitei.
CH2ONO2 CHONO2 CH2ONO2
nitroglicerina Nitroglicerina
Test de autoevaluare 2.7. Sintetizaţi nitroglicerina pornind de la glicerină.
Răspuns la pag. 59
Nifedipina este reprezentantul unei clase noi de medicamente antianginoase, care produc dilatarea vaselor inimii. Aceste medicamente, numite şi ihibitori ai canalelor de ioni de calciu
41
Medicamente
acţionează prin împiedicarea influxului de ioni de calciu (Ca+2) prin canalele membranelor celulare (către interiorul celulei), fenomen ce provoacă contracţia vaselor sanguine manifestată prin (spasm) durere si reducerea aprovizionării cu sânge a inimii. Din punct de vedere chimic aceste medicamente sunt derivaţi de 1,4-dihidropiridină (vezi secţiunea 1.3.2.) Problemă rezolvată Pe baza competenţelor dobândite la în secţiunea 1. formulaţi o schemă de sinteză a nifedipinei pornind de la onitrobenzaldehidă şi acetilacetat de etil. Răspuns : NO2 CH O o-nitrobenzaldehida CH3OOC CH 2 H3C
C
NO2
-H2O
CH
H2C COOCH3 CH3OOC HC C
O O
CH3
H3C
NH3
CH COOCH3 CH3OOC
CH
H3C
N H
C C CH3 O O
nifedipin
acetilacetat de metil
NO2 CH3OOC C
CH C
COOCH3
C C H3C HO OH CH3
O-nitrobenzaldehida se condensează cu acetilacetatul de metil. In această reacţie componenta carbonilică este nitrobenzaldehida iar componenta metilenică este gruparea metilen (CH2) activată de funcţiunea carboxilică vecină. Prin eliminarea unei molecule de apă rezultă un intermediar care poate exista în 2 forme tautomere la echilibru: o formă cetonică şi una enolică (OH legat de un atom de carbon cu dublă legătură). La tratare cu amoniac reacţionează tautomerul enolic ducând prin eliminarea apei la închiderea ciclului dihidropiridinic cu formarea nifedipinei. (Vă reamintesc că tautomerii sunt izomeri ce se deosebesc numai prin poziţia unui (sau mai mulţi) atom de hidrogen şi prin poziţia unei (sau mai multe) duble legături; ei reacţionează după una sau alta dintre structuri depinzând de natura reactantului. Echilbrul se deplasează, conform principiului Le Chatelier, spre formarea tautomerului care se consumă în reacţie. ).
42
NO2
-2H2O
COOCH3 CH3
Medicamente
Test de autoevaluare 2.8 Acetilacetatul de metil (esterul acetilacetic) este o materie primă importantă pentru sinteza multor medicamente. Scrieţi o schemă de reacţii pentru obţinerea acestuia, pornind de la acid acetic şi alcool metilic. (Dacă nu reuşiţi, revedeţi secţiunea 7.3.2. din modulul Chimie Organică.)
Răspuns la pag. 59
Studiul relaţiei structură-activitate în această serie au arătat că substituirea nesimetrică a nucleului dihidropiridinic si deci introducerea unui centru de chiralitate duce la o creştere a activităţii biologice. Felodipina este un exemplu de compus chiral de acest tip.
2.4.3. Medicamente antihipertensive Hipertensiunea arterială (HTA) se caracterizează printro creştere anormală a presiunii sângelui, după normele noi mai mari decât 120 mm Hg presiunea sistolică (presiunea sângelui pompat de inimă) şi 90mm Hg cea diastolică (presiunea sângelui aspirat) Hipertensiunea ce are cauze cunoscute (anumite afecţiuni: renale, glandulare, etc.) se numeşte hipertensiune secundară. Cu mult mai frecventă este hipertensiunea primară sau esenţială (90% din cazuri), ale cărei cauze nu sunt cunoscute. HTA are efecte grave asupra sănătăţii, fiind una dintre cauzele principale ale aterosclerozei, generatoare de accidente cerebro-vasculare, infarct, insuficienţă cardiacă, renală şi altele. Tratamentul (simptomatic) al bolii hipertensive urmăreşte reducerea tensiunii arteriale la valori cât mai apropiate de cele normale şi comportă, în afară de măsuri igienico-dietetice cunoscute, o medicaţie foarte variată. Astfel, o serie de medicamente ajutătoare cum sunt diureticele, sedativele însoţesc întotdeauna antihipertensivele. In ultimele decenii au fost preparate si introduse în practică numeroase medicamente antihipertensive cu puncte de atac diferite (asupra sistemului nervos, vascular, hormonal) şi cu mecanisme de acţiune diferite. O clasă importantă o constituie compuşii capabili să producă scăderea tensiunii arteriale prin inhibarea sistemului nervos simpatic, pe diferite căi. Sistemul nervos simpatic alături de sistemul nervos parasimpatic alcătuiesc sistemul nervos vegetativ (autonom) care inervează organele interne şi glandele, a căror mişcări nu depind de voinţa noastră. (de ex. 43
Medicamente
bătaia inimii). Cele două sisteme au, în general, efecte antagoniste, din echilibrul lor rezultând starea de sănătate. Transmiterea influxului nervos de la fibra nervoasă la muşchii (netezi) ai organelor interne se realizează prin eliberarea unei substanţe chimice la terminaţia nervoasă, denumită neurotrasmiţător. Acesta acţionează de fapt asupra celulelor organelor respective producând efecte specifice. Neurotransmiţătorii sunt rapid inactivaţi (degradaţi chimic) de enzime specifice celulele organelor efectuare fiind apte să primească un nou impuls nervos. Sistemului nervos simpatic are ca neurotrasmiţători noradrenalina şi adrenalina. Noradrenalina şi adrenalina apar în urma excitării sistemului nervos simpatic la terminaţiile nervilor simpatici (adrenergici) producând o serie de transformări specifice în organism : creşterea frcvenţei şi puterii contractive a inimii (tahicardie), dilatarea bronhiilor, constricţia vaselor sanguine periferice cu consecinţa creşterii presiunii arteriale (efect hipertensiv), scăderea motilităţii (mişcări de contracţie şi relaxare ale intestinelor) şi un efect redus excitant asupra sistemului nervos central. In general simpaticul prepară, foarte rapid, organismul pentru o activitate riguroasă şi pentru apărare (“fight and fly)” Din punct de vedere chimic aceşti compuşi sunt derivaţi de pirocatehină ce poartă ca substituent un rest de 2aminoetanol (sau derivaţi de β-feniletanol). HO
HO HO
CH CH2NH2 OH
noradrenalină
HO
NH 3 CH CH2NHCH OH
adrenalină
Inhibitori ai sistemului nervos simpatic Medicamentele antihipertensive din clasa inhibitorilor sistemului nervos simpatic reduc acţiunea vasoconstictoare a noradrenalinei şi adrenalinei prin diferite mecanisme (de ex. prin ocuparea centrilor activi ai receptorilor împiedicând accesul celor doi neurotransmiţători la aceştia). Efectul inhibitor al adrenalinei şi noradrenalinei se utilizează şi la tratarea anginei pectorale, medicamentele acestei clase fiind utilizate şi ca antianginoase. O serie de medicamente sunt aşa numiţii “prololi”, derivaţi de aminopropanol, de unde derivă şi numele lor. Propranololul , primul termen al clasei, prezintă un efect hipotensiv moderat având dezavantajul unei acţiuni neselective (inhibă acţiunea vasoconstrictoare a adrenalinei dar produce constricţia bronhiilor). Cercetări ulterioare ale relaţiilor structură-activitate au dus la 44
Medicamente
sinteza unor compuşi noi, mai activi şi tot odată mai selectivi. O CH2CHCH2NH CH(CH3)2 OH
propranolol* Atenololul, unul dintre cele mai utilizate medicamente pentru aceste boli, conţine în loc de naftalină un nucleu benzenic substituit în para cu un rest de etil-metileter O CH2CHCH2NH CH(CH3)2 OH
CH2CH2OCH3
atenolol* Problemă rezolvată Formulaţi o schemă de reacţii pentru obţinerea propranololului având ca materii prime α-naftol, epiclorhidrină şi izopropilamina. Răspuns : Cunoaşteţi, din modulul de Chimie organică, reacţia α-naftolulului cu hidroxidul de sodiu cu formarea naftoxidul de sodiu. Acesta substituie uşor atomul de clor din epiclorhidrină ducând la un intermediar epoxidic, foarte reactiv, ce tinde să-şi desfacă inelul de trei atomi prin adiţia izopropilaminei cu formarea medicamentului propranolol. Epiclorhidrina este o substanţă des utilizată în sintezele de medicamente. Ea se obţine prin tratarea glicerinei cu acid clorhidric gazos, reacţie în care grupările hidroxil din poziţiile 1,3 sunt înlocuite cu atomi de clor formând 1,3-dicloro-2propanol. Prim încălzire cu o bază tare (hidroxid de sodiu) acesta elimină acid clorhidric obţinându-se epiclorhidrina. ONa
O CH2 Cl
α-naftoxid de sodiu
CH
CH2 O
CH2
CH
CH2 O
(CH3)2CHNH2
-HCl
epiclorhidrina O
CH2
CH CH2 NHCH(CH3)2 OH
propranolol 45
Medicamente CH2 OH
CH OH
CH2 OH
α-naftoxid de sodiu
2HCl -2H2O
CH2
CH
CH2
NaOH
CH2
Cl
OH
Cl
-HCl
Cl
1,3-dicloro-2-propanol
CH
CH2 O
epiclorhidrina
Inhibitori ai ACE Elucidarea unuia dintre mecanismele de reglare biologică a presiunii arteriale a condus la descoperirea unei noi clase de medicamente antihipertensive introduse, nu de mult timp, în tratamentul maladiei hipertensive. Sistemul renină-angiotensină joacă un rol esenţial în menţinerea şi funcţionarea aparatului circulator, controlând volumul şi presiunea sângelui ca şi nivelul de sodiu şi potasiu din ţesuturi. Angiotensinogenul este o α-globulină (proteină produsă în ficat). Aceasta este scindată de renină, o enzimă proteolitică secretată de rinichi, la decapeptida angiotensina I cu o activitate biologică nesemnificativă. Sub influenţa enzimei de conversie ACE (Angiotensin converting enzyme), o altă proteză existentă în vasele sanguine şi plămâni, angiotensina I este transformată în angiotensină II, o octapeptidă. Aceasta este una dintre cele mai puternice vasoconstrictoare cunoscute fiind responsabilă de creşterea presiunii în vasele sanguine. Angiotensina II produce hipertensiune nu numai prin vasoconstricţie directă ci şi indirect, prin stimularea eliberării noradrenalinei, adrenalinei şi a aldosteronei din glandele suprarenale. Aldosterona este un hormon care reglează balanţa electroliţilor şi lichidelor din organism promovând reţinerea apei şi a ionilor de sodiu şi eliminarea potasiului. Ambele efecte duc la creşterea presiunii sanguine. In acelaşi timp angiotensina II catalizează şi hidroliza unei nanopeptide, bradykinină, ce are o puternica acţiune vasodilatatoare. Angiotensinogen renina
Angiotensina I ACE Angiotensina II Inhibarea enzimei de conversie, ACE, împiedică formarea angiotensinei II din precursorul său reducând astfel efectele hipertensive ale acesteia. Captoprilul, primul medicament din această clasă, este un derivat al aminoacidului natural L-prolină. Este activ în tratamentul hipertensiunii şi insuficienţei cardiace iar asociat 46
Medicamente
cu un diuretic eficacitatea sa creşte foarte mult.
CH3
CH3 HOOC C = CH2
candida rugosa
acid metacrilic CH3
Cl COOH
HOH2C C COOH
SOCl2 DMF
H
CH3
ClH2C C COCl
acid (S)-3-hidroxibutiric
ClCH2 CH COCl
N
H
CH3 H CH2
C
C O
N
NH4SH
CH3 H HS CH 2
COOH
L-prolina
C
C O
N COOH
captopril
2.5. Vitamine Vitaminele sunt substanţe organice care, în cantităţi foarte mici, îndeplinesc în organismul animal funcţii specifice şi vitale. Ele nu furnizează energie (ca zaharurile), nu sunt materiale de construire a celulelor (ca proteinele) dar sunt indispensabile pentru creşterea şi menţinerea sănătăţii organismului. Pot fi considerate, în termeni generali, ca fiind biocatalizatori ai multiplelor procese chimice ce alcătuiesc viaţa. Denumirea de vitamină, cu înţelesul de amină vitală, provine de la substanţa izolată de Funk (1912) din tărâţa de orez, care avea caracter bazic şi conţinea azot. Această substanţă, care s-a dovedit ulterior a fi vitamina B1, vindeca polineurita puilor de găină hrăniţi cu orez decorticat. . Deşi denumirea aceasta nu este corectă, cele mai multe vitamine nu sunt amine, ea s-a păstrat de-a lungul anilor, cuprinzând substanţe cu structuri foarte diferite. In general vitaminele nu pot fi sintetizate de organismul animal (cu mici excepţii) ci numai de plante sau microrganisme, sunt deci de origine exogenă. Ele sunt introduse în organism odată cu hrana, ca atare, sau ca precursori (sau provitamine), substanţe care în organism se transformă în vitamine. Hipoviataminoza reprezintă un aport insuficient de vitamină cu simptome necaracteristice fiecărei vitamine, constând în pierderea în greutate, lipsa poftei de mâncare, încetarea creşterii etc.
47
Medicamente
Avitaminoza, lipsa complectă a unei vitamine, este o boală tipică fiecărei vitamine şi poate duce la moarte. Ambele deficienţe sunt determinate nu numai de lipsa de vitamine din hrană. Ele pot apare şi în cazul unui regim alimentar complect, datorându-se incapacităţii organismului de a le absorbi din hrană sau când nevoia organismului este mai mare din anumite cauze ( convalescenţă, sarcină, tratament îndelungat cu antibiotice). Prin administrarea vitaminei care lipseşte simptomele dispar şi organismul revine la starea normală. Hipervitaminozele apar numai în cazul unor anumite vitamine (vitaminele A şi D). Vitaminele sunt denumite prin literele alfabetului (A, D, B, C, etc), după numele bolilor de deficienţă pe care le provoacă lipsa lor (de exemplu antirahitică, antiscorbutică) sau în unele cazuri, după structura lor chimică. Vitaminele se găsesc răspândite în plante şi ţesuturi animale din care se pot obţine prin extracţie, şi purificare prin metode obişnuite. Marea majoritate a lor se prepară astăzi, mai convenabil, prin sinteză totală şi numai în puţine cazuri prin sinteze parţiale sau biochimice. Vitaminele obţinute prin sinteză prezintă o acţiune fiziologică identică cu produsul natural permiţând o mare extindere a aplicaţiilor lor, nu numai în bolile de deficienţă ci şi în alte cazuri în care un aport suplimentar de vitamine poate conferi organismului posibilităţi mai eficiente de apărare Vitaminele îndeplinesc în organism funcţii importante, unele făcând parte din componenţa unor enzime, altele sunt coenzime sau factori de creştere. După solubilitatea lor, în grăsimi sau în apă, vitaminele se împart în vitamine liposolubile şi hidrosolubile.
2.5.1. Vitamine liposolubile Vitamina A Vitamina joacă un rol esenţial în procesul vederii şi în menţinerea ţesuturilor epiteliale. Lipsa acestei vitamine produce diminuarea vederii la întuneric, nictalopie, şi într-o fază mai avansată xeroftalmie (uscarea şi cheratinizarea conjunctivei) ducând la orbire. In acelaşi timp o carenţă de vitamina A produce uscarea şi înăsprirea pielii, cheratinizarea mucoaselor (căi respiratorii, digestive) facilitând posibilitatea apariţiei infecţiilor bacteriene, slăbind astfel rezistenţa organismului la infecţii. Vitamina A se găseşte în special în ficatul unor peşti marini (alături de vitamina D) şi în cantităţi mai mici în ficat (porc, pasăre etc.), lapte, unt şi ouă. Din uleiul ficatului peştilor marini vitamina A se poate separa prin îndepărtarea grăsimilor prin saponificare, extragerea părţilor nesaponificabile cu solvent organic, îndepărtarea sterolilor si purificare cromatografică. Prin fabricarea vitaminei A prin sinteză, obţinerea ei din surse naturale a scăzut în importanţă. 48
Medicamente
Sub numele de vitamina A sunt cuprinse mai multe substanţe înrudite structural având aceleaşi proprietăţi fiziologice. Vitamina A1 denumită şi Retinol este un alcool primar cu formula moleculară C20H40O, ce conţine un inel ciclohexenic şi o catenă laterală cu patru duble legături conjugate în configuraţie trans. Celelalte vitamine A diferă prin: natura grupării funcţionale din catena laterală, ca de exemplu Retinalul ce conţine gruparea aldehidă în locul alcoolului sau prin configuraţia dublelor legături, ca în Neovitamina A în care o dublă legătură (poziţia 13) are configuraţie cis. CH3 CH3
CH3
CH3 CH2OH
CH3CH3
CH3
CH3
CH3
CHO
CH3
Vitamina A1 (Retinol)*
Retinal*
Precursorul vitaminei A poate fi considerat o substanţă din clasa compuşilor naturali denumite carotinoide. Carotinoidele reprezintă o grupă de pigmenţi coloraţi de la galben până la roşu sintetizaţi numai de plante. Culoarea roşie a tomatelor sau galbenă a morcovilor sunt datorate carotinoidelor ce le conţin. Din punct de vedere chimic carotinoidele pot fi hidrocrburi, alcooli, aldehide sau acizi. Ele au o structură poliizoprenică, fiind alcătuite din resturi de izopren aşezate cap-coadă. Dintre carotinoidele hidrocarburi (C40H56), carotinele, au proprietăţi de vitamină A. β-Carotina (din morcovi, de unde vine şi numele ei) este pentru organismul animal o provitamină A. In mucoasa intestinală, sub influenţa enzimei β-carotinoxidaza, β-carotina suferă o rupere la mijlocul catenei transformându-se în retinal care este redus la retinol şi depus în ficat sub formă de ester.
β−carotina β−carotinoxidaza CH2OH retinol
Există numeroase metode de sinteză ale vitaminelor A ce constau, practic în 3 etape: prepararea pe rând a două componente, de exemplu una cu 15 atomi de carbon şi alta cu 5 atomi de carbon, urmată de condensarea lor cu formarea 49
Medicamente
structurii finale C20H40O. Vitamina A joacă un rol important în fiziologia vederii. Retinalul legat de o proteină (opsină) formează compusul rodopsină ce se găseşte în retină. Rodopsina absoarbe lumina, din regiunea vizibilă a spectrului, datorită sistemului de duble legături conjugate ale vitaminei A. Absorbţia luminii iniţiază o serie de transformări enzimatice ale rodopsinei, (incluzând izomerizări cis-trans ale vitaminelor A) ce se soldează în final cu transmisia unui impuls nervos la creier. Vitamina A este indicată în tulburări oculare, în anumite tipuri de cheratoze ale pielii precum şi pentru o mărire a rezistenţei organismului în timpul creşterii rapide, sarcinii şi a altor condiţii speciale. O supradozare a vitaminei A poate da tulburări ca de exemplu hemoragii locale, cefalee, decalcifierea oaselor 2.5.2. Vitaminele D (Calciferoli) Vitamina D are proprietatea de a preveni şi vindeca rahitismul. Această maladie se manifestă la copii prin deformarea oaselor şi carii dentare, datorate unei insuficiente depuneri a fosfatului de calciu în oase; la adulţi, se întâlneşte mai rar şi produce deformarea oaselor şi friabilitatea lor. Denumirea de vitamină D cuprinde mai mulţi compuşi cu structură chimică asemănătoare dar cu aceiaşi activitate biologică. Vitaminele D se găsesc în uleiul extras din ficatul unor peşti marini alături de vitamina A (untură de peşte) şi în piele sub forma unei provitamine. Provitaminele D sunt compuşi steroidici care prin iradiere conduc la vitaminele D. Steroizii sunt compuşi naturali ce joacă un rol deosebit de important în organismul animal. Hormonii sexuali, corticosteroizi, provitaminele D, acizii biliari şi unele medicamente cardiace (glicozide cardiace) fac parte din această clasă de compuşi. Din punct de vedere structural steroizii conţin sistemul tetraciclic al ciclopentanoperhidrofenantrenului substituit cu diferite funcţiuni. Colesterolul, un alcool steroidic, este steroidul cu cea mai mare răspândire, ce se găseşte în toate ţesuturile animale. H3C 18
CH3
19
11 12 13
CH3 9 H
HO
2 1 10 8 H7 5 3 6 4
14
H C CH2 16 15
H
Colesterol* 50
CH2
CH2
CH
CH3 CH3
Medicamente
Colesterolul participă la biosinteza tuturor celorlalţi steroizi ai organismului uman, fiind deci esenţial pentru viaţă. Organismul îşi sintetizează singur colesterolul. O cantitate de colesterol mai mare decât cea necesară (provenită din hrană) este nocivă, favorizând apariţia arteriosclerozei (pierderea elasticităţii vaselor sanguine) şi a infarctului miocardic, prin obstrucţia arterelor inimii, datorată depunerii lui pe pereţii interiori ai acestor vase. Vitamina D3 (Colecalciferol) Acţiunea benefică a expunerii la soare a copiilor rahitici era cunoscută cu mult înainte de descoperirea vitaminelor D. 7-Dehidrocolesterolul (ce se găseşte şi în piele în cantitate mică, alături de colesterol) constituie provitamina D3. Această vitamină se prepară prin semisinteză, pornindu-se de la un compus cu schelet steroidic -7-dehidrocolesterolul – ce se obţine în scopuri industriale, din colesterol prin metodele obişnuite de introducere a unei dublei legături. Iradierea acestuia în mediu de gaz inert duce la formarea vitaminei D3. CH3
CH3 HO 7−dehidrocolesterol
CH3 Ergosterol
CH2 hν
CH3
CHCH=CHCH CH CH3 CH3
C8H17
CH CH3 8 17
CH3
HO
Ergosterol
HO vitamina D3
Test de autoevaluare 2.9 Formulaţi o schemă de reacţii prin care puteţi introduce o dublă legătură între atomii de carbon 7-8 ai colesterolului pentru a obţine 7-dehidrocolesterol.
Răspuns la pag. 59
Vitamina D2 (Ergocalciferolul) se obţine prin iradierea ergosterolului. Ergosterolul, precursorul vitaminei D2, a fost izolat in drojdia de bere şi diferă de colesterol numai radicalul din poziţia 17, care în acest caz este o catenă ce conţine în plus 2 atomi de carbon şi o dublă legătură (C9H17).
51
Medicamente
Vitamina D2 prezintă o activitate vitaminică de aceiaşi intensitate ca vitamina D3. Există un număr mai mare de vitamine D, diferind prin natura radicalului din poziţia 17 dar mai puţin active decât cele două vitamine menţionate. Vitamina D favorizează absorbţia calciului din tractul intestinal şi reabsorbţia tubulară renală a fosfaţilor, menţinând concentraţia lor la nivelul necesar osificării. Vitamina D se administrează pentru prevenirea şi tratamentul rahitismului infantil şi a osteomalaciei (decalcifierea şi deformarea oaselor) la adulţi). Forma activă a colecalciferolului în organism este un metabolit al acestuia, (dihidroxicolecalciferol), numit Calcitrol hidroxilarea petrecându-se in ficat şi rinichi, sub acţiunea unor enzime specifice, a oxigenului şi ionilor de magneziu. Calcitrolul este de cca 20-30 de ori mai activ decât vitamina D3. Vitaminele A şi D fac parte din categoria vitaminelor liposolubile (solubile în grăsimi şi insolubile în apă) ce cuprinde şi alte vitamine importante, ca de exemplu vitaminele K şi E. O altă clasă de vitamine o constituie vitaminele hidrosolubile din care fac parte vitaminele complexului B şi vitamina C. Vitamine hidrosolubile 2.5.3. Vitaminele B Vitaminele complexului B sunt substanţe organice cu structuri diferite, cu funcţii biologice diferite care se complectează reciproc. Ele prezintă unele caracteristici comune, cum sunt: solubilitatea în apă; se găsesc în drojdia de bere, ficat şi cereale; sunt factori de creştere pentru bacterii şi ciuperci; sunt coenzime sau activatori ai proceselor enzimatice. Deficienţa acestor vitamine duce la simptome asemănătoare astfel că, de obicei, se utilizează ca medicament un amestec de vitamine B. Vitamina B1 (Tiamina) Tiamina joacă un rol important în funcţionarea sistemului nervos. Hipovitaminoza se manifestă prin oboseală, lipsa poftei de mâncare, tulburări gastrointestinale. Ea apare şi în alcoolismul cronic precum şi în intoxicaţiile cu nicotină, plumb sau mercur. Avitaminoza duce la boala beri-beri ce se caracterizează prin tulburări nervoase, paralizie şi moarte. Această boală era răspândită în special în Asia unde populaţia se hrănea cu orez decorticat. Vitamina B1 este sintetizată de plante şi de bacterii. Ea se găseşte în cereale (în special în învelişul lor) în drojdia de bere, făină, ficat, ouă şi legume proaspete. Vitamina B1 este alcătuită dintr-un nucleu pirimidinic legat printr-o grupă CH2 de un ciclu tiazolic sub formă de sare cuaternară de tiazoliu. 52
N H3C
Cl CH3 N CH2CH2 N S NH2 OH Vitamina B1
Medicamente
Esterul vitaminei B1 cu acidul pirofosforic difosfotiamina-(TPP) constituie coenzima cocarboxilază care colaborează cu enzimele decarboxilaze jucând un rol esenţial în metabolismul hidraţilor de carbon. Astfel, acest sistem realizează decarboxilarea acidului piruvic la acetaldehidă sau acid acetic. Lipsa vitaminei B1 duce la creşterea concentraţiei de acid piruvic în sânge care afectează sistemul nervos (oboseală, iritare nervoasă), cardiovascular (tahicardie, insuficienţă cardiacă) şi în final la boala beri-beri. Acidul folic (pteroilglutamic) este de asemenea o vitamină B. Se găseşte în natură în aceleaşi materiale ca şi celelalte vitamine B, în drojdia de bere, ficat, rinichi, ouă, carne, vegetale, în cantităţi foarte mici. Boala caracteristică hipovitaminozei de acid folic este anemia megaloblastică, boală în care procesul de hematopoeză (formarea globulelor albe şi roşii în măduvă) este profund dereglat. Se formează astfel eritrocite deformate şi anormal de mari. Anemia se vindecă prin administrarea de acid folic. Acidul folic este indispensabil pentru viaţa animalelor şi microorganismelor. El participă la sinteza aminoacizilor, a bazelor pirimidinice şi purinice din care organismul îşi sintetizează acizii nucleici. Acidul folic este un factor de creştere pentru microorganisme fapt ce explică acţiunea antibacteriană a sulfamidelor. (vezi secţiunea 2.1) Vitamina PP Denumirea provine de la boala determinată de avitaminoza acestei vitamine -pelagră- ce este vindecabilă prin administrare de vitamină PP (pelagra preventiv factor). Pelagra se manifestă prin leziuni ale mucoaselor şi pielii expuse la lumină, tulburări gastrointestinale şi tulburări psihice, aşa numitul sindrom 3D (dermatită, diaree, demenţă). Pelgra era des întâlnită în trecut, în zonele în care hrana principală o constituia porumbul, aliment sărac în triptofan, precursorul biologic al acidului nicotinic. Vitamina PP cuprinde doi compuşi: acidul nicotinic şi nicotinamida. Acidul nicotinic are o largă răspândire în natură iar amida sa se găseşte în toate celulele vii. Materialele mai bogate sunt drojdia de bere, ficatul, tărâţele de orez, spanacul, inimă splină şi gălbenuşul de ou. Vitamina propriu-zisă este nicotinamida sau niacina acidul nicotinic fiind transformat în organism în amidă. CH3 N
K2Cr2O7+H2SO4 sau O2 /V2O5
3-metilpiridina
COOH N acid nicotinic
SOCl2 NH3 NH3
o
200 /p
COOH N
Acidul nicotinic CONH2 N
Nicotinamida
CONH2 N
nicotinamida
Acidul nicotinic a fost obţinut prima dată prin oxidarea nicotinei (alcaloidul din frunza de tutun) cu acid azotic. 53
Medicamente
Metoda industrială porneşte de la 3-metilpiridina (β-picolina) care se oxidează cu dicromat de potasiu şi acid sulfuric sau cu o2 molecular şi catalizator de pentoxid de vanadiu. Din acid, prin metodele cunoscute se obţine nicotinamida. Nicotinamida întră în compoziţia a două coenzime : Codehidraza I şi Codehidraza II ce joacă un rol important în metabolismul celular. Ele conlucrează cu enzimele dehidrogenaze catalizând astfel reacţiile de transfer de hidrogen din organism intervenind in metabolismul hidraţilor de carbon (de ex. acetaldehidă→alcool etilic, acid piruvic→acid lactic), lipidelor şi proteinelor. Este considerată ca fiind una dintre cele mai importante vitamine B. 2.5.4. Vitamina C (Acid ascorbic) Vitamina C vindecă boala denumită scorbut ce se datorează lipsei acestei vitamine. Scorbutul este cunoscut din timpurile cele mai vechi fiind întâlnită la marinarii ce se hrăneau un timp îndelungat cu alimente conservate. Scorbutul se manifestă prin tulburări osoase (dureri în oase şi încheieturi), hemoragii, căderea dinţilor, scăderea rezistentei organismului la infecţii şi chiar tulburări nervoase, ducând la moarte dacă este netratat. Vitamina C se găseşte în fructele şi legumele proaspete (mai bogate sunt citricele, ardeiul, măceşul), în laptele crud, ficat şi în cortexul glandelor suprarenale. In afară de om, maimuţă şi cobai animalele sunt capabile să-şi sintetizeze singure această vitamină. Cantitatea zilnică necesară organismului este mult mai mare decât în cazul celorlalte vitamine (sute de mg). Acidul ascorbic are o structură mai rar întâlnită în compuşii organici, cea de enol (grupa OH legată de un carbon alchenic). Gruparea carboxil este esterificată intramolecular cu un hidroxil din poziţia 4 formând astfel o γ lactonă. Acidul ascorbic are proprietăţi oxido-reducătoare. Prin cedarea a 2 atomi de hidrogen se transformă, reversibil, în acidul dehidroascorbic, o dicetolactonă. Pe această reacţie se bazează caracterul antioxidant al vitaminei C. HO H HOH2C C OH
OH 3
2
O
O
-2H -2e+2H +e-
H
O
O
HOH2C C OH
O
O
Metoda tehnică de obţinere a acidului ascorbic porneşte de la D-glucoză care dă prin reducere catalitică (catalizator Ni) sau electrolitică D-sorbitol. Acesta se oxidează (oxidare regiospecifică) pe cale biochimică în prezenţa unor bacterii de tipul Gluconobacter suboxidans, care atacă numai hidroxilul de 54
O C HO C O 3 HO C 4 H C 5 HO C H 6CH OH 2 1 2
Vitamina C
Medicamente
la atomul C5 cu formarea L-sorbozei Operaţia se realizează prin procedeul fermentativ, în autoclave prevăzute cu manta (pentru răcire –încălzire) şi sistem de agitare. Mediul de cultură este format dintr-o soluţie apoasă de sorbitol şi extract de porumb, sterilizată în prealabil, la care se adaugă drojdie de bere şi cultura de bacterii. Oxidarea se face prin introducerea de aer sterilizat. Procesul durează 24 de ore, pHul soluţiei se menţine 4-6 la o temperatură în jur de 30-350C. Soluţia apoasă rezultată după îndepărtarea culturii de bacterii se concentrează la presiune redusă şi se precipită L-sorboza cu metanol. Etapa următoare constă în oxidarea grupei CH2OH din poziţia 1 a sorbozei (fostă 6 din sorbitol). Pentru aceasta se protejează grupele hidroxil prin acetalizare cu acetonă în prezenţă de acid sulfuric. Diacetonsorboza obţinută se oxidează cu soluţie de permenganat de potasiu şi hidroxid de sodiu. După neutralizare, se concentrează la vid şi se tratează cu acid clorhidric în soluţie de etanol-cloroform când are loc îndepărtarea grupelor protejante (acidoliza acetalului) iar acidul 2-cetogulonic obţinut suferă, în mediu acid, enolizare şi lactonizare obţinându-se astfel acidul ascorbic.
H HO H H
CH=O CH2OH CH2OH OH H OH H OH O2 H H2/Ni HO H HO H Gluconobacter OH H2O H OH suboxidans H OH OH H OH C O CH2OH CH2OH CH2OH D-glucoza
D-sorbitol
HO H HO
CH2OH
CH2OH
C=O H OH H CH2OH
HO C O HO C H H C OH C H CH2OH
L-guloza
L-guloza structura semiacetalica
CH2OH (CH3)2C=O H2SO4 conc
Me O Me
C
COONa
O C H
O C
Me
KMnO4 NaOH dil
H C O C H
C
H2C O
O Me
C
O C O C
H
H C O
Me
C H
Me
H2C O
C
Me Me
diacetonsorboza COOH HCl+ EtOH CHCl3
HO C
CO +
O HO C H
H
H C OH C H H2C
OH
acidul 2-ceto-L-gulonic
HO C HO C
O
H C OH C H H2C OH acid ascorbic
55
Medicamente
Din cauza tendinţei pronunţate de a se oxida o parte din operaţii se efectuează la întuneric şi în absenţa aerului. Soluţiile apoase de acid ascorbic se descompun repede în prezenţa aerului şi pentru stabilizare se adaugă baze (carbonat de sodiu, amoniac, hidroxid de potasiu). Acidul ascorbic funcţionează ca un sistem redox biologic, facilitând reacţiile de hidrogenare-dehidrogenare în reacţiile enzimatice din organism (de exemplu formarea noradrenalinei). El este implicat şi în formarea colagenului, oseinei şi dentinei şi în sinteza hemoglobinei Scorbutul, boala deficienţei de vitamină C se vindeca prin administrarea acidului ascorbic (1g pe zi în doze fracţionate). Se recomandă un aport suplimentar de vitamină C în timpul sarcinii, alăptării, în cazul unor boli (cancer, intoxicaţii, iradiere cu raze X, stări gripale). Este dovedit că acidul ascorbic are o influenţă pozitivă asupra sănătăţii generale mărind rezistenţa organismului faţă de infecţii şi prevenind formarea substanţelor cancerigene. Acidul ascorbic nu este toxic; organismul asimilează cantitatea necesară, excesul fiind eliminat prin urină. Prin conservarea şi pregătirea alimentelor vitamina C poate fi distrusă. Test de autoevaluare 2. 10. Cunoscând structura vitaminei C : a)explicaţi caracterul antioxidant al acesteia; b) câţi stereoizomeri sunt posibil ?; c)ce reacţie are loc la tratarea acesteia cu hidroxid de sodiu.
Răspuns la pag. 59
Lucrarea de verificare nr. 2 Indicaţie: După studierea atentă a materialului vă recomand să prezentaţi rezolvările la sarcinile primite folosind scheme de reacţii, inclusiv condiţiile de lucru şi explicaţii, formulate cât mai clar referitore la subiectele tratate. Extinderea lucrării este apreciată la 5-6 pagini. Evaluarea lucrării se face prin acordarea unei ponderi de 10% pentru subiectul nr.1 şi câte 30% pentru celelalte subiecte. Instrucţiuni Lucrarea de verificare ale cărei sarcini sunt enunţate 56
Medicamente
mai jos se bazează pe cunoştinţele şi competenţele dobândite în urma studierii unităţii de învăţare nr. 2 (Medicamente). Lucrarea va fi expediată prin poştă tutorelui având grijă să menţionaţi pe prima pagină următoarele: denumirea modulului (Obţinerea şi utilizarea substanţelor organice), numărul lucrării de verificare (lucrarea nr. 2), numele şi adresa dumneavoastră .Sarcinile lucrării Trataţi cât mai complect, conform celor studiate, următoarele subiecte: 1. Identificaţi între substanţele a-f compuşi cu acţiune antibacteriană şi justificaţi alegerea făcută. HOOC NH2
SO2NH2
N(CH3)2
NH2
NH2
NH-CON
COOH
a
NH2
COOH
b
c
SO2NH2
d
SO2NH
S
e
N SO2NH
S
f
2. Metode de sinteză ale sulfamidelor. 3. Derivaţi ai acizilor fenilacetic şi fenilpropionic cu acţiune antiinflamatoare, antipiretică şi analgezică. Structuri şi metode de sinteză. 4. Vitamina C - structură, preparare şi importanţă biologică . Bibliografia pentru unitatea de învăţare nr. 2. C.D.Neniţescu, “Chimie organică”, ediţia VIII, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1994, vol.1, pag. 684, 879-881, 785, 850. Sânziana Roşca, “Drug Synthesis” , Ed. Fast Print, Bucureşti,1999, pag. 8-10, 24-33, 34-36, 46, 63-65, 71-73,9698. Ecaterina Ciorănescu Neniţescu, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1965, pag. 39-45, 88, 98-99, 115-120, 122-123, 128, 367-369, 379-383, 402, 420-422,450-455, 596-598, 654665.
57
Medicamente
Răspunsuri la testele de autoevaluare 2.1.
+
NH3Cl -
NH2
NH2
NH2 HO-(NaOH)
H+(HCl)
+ - Na
solubilitate minima in apa pH = 7
sare de amoniu solubila in apa
2.2.
CH2OH H C NHCOCHCl2 HO C H
CH2OH Cl2CHCOHN C H H C OH
sare de sodiu solubila in apa
CH2OH Cl2CHCOHN C H HO C H
NO2
NO2 (-) S,R
SO2N R
SO2NH R
SO2NH R
SO2NH R
(+) R,S forma treo
CH2OH H C NHCOCHCl2 H C OH
NO2
NO2
(-)S.S) forma eritro
(+) R,R
Izomerul cu acţiune bactericidă este (-) S,R cloramfenicolul, sau (-) D-treo-cloramfenicolul. 2.3.
O C C2H5
Mai activ decât veronalul
NH
C
C C
O
NH
O
2.4. CH3COOH H2C
HC
Cl2 hν
COOH C
Cl-CH2COOH
+ 2H5OH/H
COOH COOC2H5
H2C
C2H5O-Na+
Na2CO3
COOC2H5 C2H5O-Na+ COOC2H5 C2H5
COOC2H5 C2H5
2.5.
OH
OH
ClCH2COONa
Na+ HC
Na+ COOC2H5 C COOC2H5
NC-CH2COONa
COOC2H5
C2H5Cl
C2H5
C2H5Cl
C
C2H5
COOC2H5 COOC2H5
OH
OH Fe / HCl
CH3CO2H
separare
NO2
H2O/H+
COOC2H5
OH
OH NO2
HNO3
KCN
C6H6
NO2
NH2
NHCOCH3
Dezavantajul constă în obţinerea a doi izomeri în reacţia de nitrare a fenolului. In reacţia de nitrozare, se obţine numai p-nitrozofenol (reactant electrofil slab, are selectivitate de poziţie).
58
Medicamente
2.6. Se obţine preponderent izomer para, poziţia orto este împiedicată steric
CH3COCl
+
CH3CO+AlCl4
AlCl3
iBu
iBu -H +
CH3CO+ H
2.7.
CH2OH CHOH CH2OH
HNO3 H2SO4
iBu
COCH3
COCH3
CH2ONO2 CHONO2 CH2ONO2
2.8. CH3COOH + CH3OH
H+
CH3COOCH3 C2H5O-Na+
CH3COOCH3 + H-CH2COOCH3
2.9.
-CH3OH
CH3COCH2COOCH3 acetilacetat de metil
CH CH3 8 17
CH CH3 8 17 CH3
CH3
Br2 /R2O2
HO
CH3
NaOH -NaBr
sau NBr-succinimida
HO
CH CH3 8 17
Br
HO
colesterol
7-dehidrocolesterol +
2.10. a) Vitamina C funcţionează ca un sistem redox acceptând 2H şi 2e- trecând în acid dehidroascorbic. b) Are 2 atomi de carbon asimetrici (at. C4 şi C5) şi deci poate avea 4 stereoizomeri. c) Se obţine o sare la grupa OH enolică (poz. 2 sau 3).
59
Coloranţi organici
Unitatea de învăţare Nr. 3 Coloranţi organici Cuprins ................................................................................................. Pagina Obiectivele unităţilor de învăţare nr. 3 ........................................................................... 61 3.1 Coloranţi naturali si sintetici ..................................................................................... 61 3.1.1. Cromofori ai unor coloranţi sintetici..................................................................... 62 3.1.2. Clasificarea tinctorială a coloranţilor ................................................................... 64 3.1.3. Clasificarea coloranţilor după provenienţă .......................................................... 65 3.1.4. Concluzii .............................................................................................................66 3.2. Coloranţi azoici ......................................................................................................... 67 3.2.1 Modalităţi de obţinere a grupei azo ...................................................................... 67 3.2.2 Reacţia de diazotare ............................................................................................ 69 3.2.3 Cuplarea azoică ................................................................................................... 72 3.2.4 Clase importante de coloranţi azoici .................................................................... 77 3.3 Coloranţi antrachinonici ........................................................................................... 81 3.3.1 Coloranţi antrachinonici cu mordant .................................................................... 82 3.3.2 Coloranţi antrachinonici acizi ............................................................................... 84 3.3.3 Coloranţi antrachinonici de dispersie ................................................................... 87 3.3.4 Coloranţi antrachinonici de cadă.......................................................................... 89 3.4 Coloranţi hetero-poli-ciclo-cetonici ......................................................................... 90 3.5 Coloranţi indigoizi ...................................................................................................... 95 3.6 Coloranţi reactivi ........................................................................................................ 99 3.6.1 Coloranţi reactivi triazinici .................................................................................. 102 3.6.2 Coloranţi reactivi pirimidinici .............................................................................. 104 3.6. 3 Coloranţi reactivi chinoxalinici ........................................................................... 104 3.6.4 Coloranţi reactivi conţinând un ciclu tensionat în moleculã ............................... 105 Bibliografie pentru unitatea de învăţare nr. 3 .............................................................. 106 Lucrare de verificare nr. 3 ............................................................................................. 107 Răspunsuri la testele de autoevaluare ......................................................................... 109
60
Coloranţi organici
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 3 În urma studierii unităţii de învăţare “Coloranţi organici” veţi dobândi competenţe legate de : • cunoaşterea structurii coloranţilor organici naturali şi sintetici cu detaşarea parametrilor structurali responsabili de apariţia culorii (cromofori, auxocromi) şi de manifestare a afinităţii faţă de diverse substraturi (grupe hidrofile de tip anionic, cationic şi neionic). • alegerea partenerilor structurali compatibili colorant –substrat într-un proces de vopsire. • alegerea tipului de reacţie şi a materiilor prime pentru a obţine un colorant cu o structură dorită. • prevederea structurii unor coloranţi azoici sintetizaţi din parteneri de reacţie unici, funcţie de condiţiile de sinteză. • folosirea compuşilor aromatici ca materii prime pentru obţinerea unor coloranţi organici.
Diagrama CIE a culorilor
3.1 Coloranţi naturali şi sintetici Culoarea este o proprietate a materialelor, reprezentând o parte constitutivă a experienţei umane în evoluţia civilizaţiei. Fenomenele cromatice naturale, determinate de reflexia, refracţia şi dispersia luminii (curcubeul, răsăritul şi apusul soarelui etc.) au influenţat pregnant existenţa omului, generând credinţe, legende şi dorinţa de cunoaştere. Strălucirea mineralelor şi gemelor colorate, policromia lumii vegetale şi animale au fascinat omul, i-au generat setea de frumos, l-au investit cu capacitatea de a crea valori artistice şi materiale, utilizând culoarea ca mijloc de exprimare. Materiale naturale albe (cretă, marnă, var), negre (cărbune) sau galbene, oranj, roşii amestecate cu lianţi (cleiuri, răşini, ceruri, uleiuri, grăsimi), utilizate de maeştri anonimi ai artei rupestre, au produs imagini impresionante în peşterile de la Altamira, Lascaux sau Tassili.
Discul lui Newton utilizat pentru studiul amestecului culorilor
61
Coloranţi organici
Mărturii despre culori şi materiale colorate se găsesc în tăbliţele de lut ale asirienilor, papirusurile egiptene, scrierile lui Herodot, Dioscoride şi Plinius cel Bătrân. Mărturii nu mai puţin convingătoare pentru fascinaţia culorii oferă ceramica, ornamentaţia templelor, bisericilor şi palatelor, mozaicurile etc. În sculptură, vitralii, tapiţerii, gravuri şi miniaturi, în heraldică, manifestările ludice şi massmedia, simbolurile de imagine şi culoare sunt frecvente şi inevitabile. Lumea modernă este inseparabilă de culoare. Noţiunea de colorant este indispensabil legată de culoare. Un colorant în ultimă instanţă este un material utilizat la conferirea culorii unor substraturi (textile, ceramică, piele, etc.). În acest context molecula unui colorant trebuie să îndeplinească o serie de caracteristici şi anume: • să posede culoare proprie; • să fie capabil să confere această culoare unui substrat printr-un procedeu de fixare (colorare, vopsire). Pentru ca o moleculă organică să posede o culoare proprie bine definită ea trebuie să includă în structură un sistem conjugat extins, denumit sistem cromofor. Acesta poate fi un lanţ aciclic liniar conţinând duble legături conjugate ca în cazul carotenoidelor (coloranţi din plante) sau un sistem conjugat incluzând resturi aromatice, de cele mai multe ori în prezenţa unor heteroatomi (cazul majorităţii coloranţilor sintetici).
COOR
ROOC unde R este un rest de monozaharid
Crocina (colorant carotenoid extras din şofran)
N N
3.1.1 Cromofori ai unor coloranţi sintetici
Azobenzen
De cele mai multe ori intensitatea culorii conferite de un cromofor este mică. În vederea accentuării culorii, pe structura unui cromofor sunt grefate o serie de grupări funcţionale denumite auxocromi. Acestea pot fi grupări OH, OAlchil, NH2, NHAlchil, N(Alchil)2, etc. Coloranţii organici se pot clasifica după următoarele criterii: • după constituţia chimică, ţinând seama de tipul de cromofor; • după proprietăţile tinctoriale, adică după comportarea faţă de materialul textil),
CH CH
62
1,2-Difeniletena (Stilben)
Coloranţi organici
Exemple de tipuri structurale de coloranţi Clasa de Sistem Exemple coloranţi cromofor Coloranţi CH CH Crocina n polietilenici N N Coloranţi HO3S N N azoici Metil orange O O OH Coloranţi OH antrachinonici O
Clorofila este colorantul verde din plante. Ea este un complex de magneziu al unui ligand heterociclic, fiind şi un colorant alimentar verde smarald de mare intensitate. Dacă la prepararea produselor alimentare verzi (murături, dulceaţă de caise verzi, nuci verzi, etc.) se adaugă un cristal de CuSO4, acesta induce o culoare verde strălucitoare, datorată formării clorofilei de cupru.
N(CH3)2
O
Alizarina Coloranţi indigoizi
O
O
H N
C C
C C N H
H N
N H
O
O
Indigo Coloranţi trifenil metanici
N(CH3)2]Cl-
(CH3)2N C
NR2
Ar
N(CH3)2
C Ar
Cristal violet
Test de autoevaluare 3.1 Precizaţi cromoforii şi auxocromii în cazul coloranţilor de mai jos: O OH
S S
HO
N(CH3)2]X-
(CH3)2N
O C H 2N
N N
OH
Răspunsul la pag. 109
63
Coloranţi organici
3.1.2 Clasificarea tinctorială a coloranţilor Coloranţii organici de sinteză pot fi grupaţi în următoarele categorii, în funcţie de modul general de fixare al acestora pe suport textil: • Coloranţi uşor solubili în apă, având caracter ionic (cationic sau anionic) care sunt adsorbiţi ca atare din soluţia apoasă de către materialul textil sau de piele; în unele cazuri sunt supuşi ulterior, după fixarea pe material, la o complexare cu un ion de metal tranziţional (Cr3+, Cu2+) ceea ce face ca rezistenţa vopsirilor să crească. În această categorie se cuprind coloranţii acizi (vopsesc poliamidele), direcţi sau substantivi (vopsesc celuloza) şi bazici sau cationici (care vopsesc fibrele PNA). • Coloranţi uşor solubili în apă, având caracter anionic care sunt adsorbiţi ca atare din soluţie apoasă pe materialul textil dar care ulterior, în condiţii adecvate, reacţionează covalent cu suportul. Din această categorie fac parte coloranţii reactivi pentru fibrele celulozice şi poliamidice. • Coloranţi greu solubili în apă, neionici, care sunt adsorbiţi din suspensii apoase fin dispersate de către materialul textil. Din această categorie fac parte coloranţii de dispersie pentru fibrele acetat şi triacetat de celuloză şi pentru fibrele sintetice (poliesterice, poliamidice şi mai mică măsură pentru cele poliacrilonitrilice). Astfel de fibre acţionează ca un solvent hidrofob care extrage colorantul greu solubil în apă. • Coloranţi insolubili în apă, neionici, care nu pot fi preluaţi ca atare de materialul textil, ci trebuie transformaţi provizoriu într-o formă solubilă în apă, adsorbită de către materialul textil, care reface ulterior colorantul iniţial printr-un tratament adecvat, acesta rămânând fixat în suport. Din această categorie fac parte coloranţii de cadă şi coloranţii de sulf. Majoritatea acestor coloranţi se utilizează pentru vopsirea fibrelor celulozice şi numai o parte pentru vopsirea lânii. • Coloranţi insolubili în apă, care se sintetizează chiar pe suprafaţa materialului textil (pe fibră) prin impregnarea acestuia cu unele substanţe necolorate, acestea fiind puse apoi să reacţioneze în condiţii adecvate, generând colorant sub formă de particule fine, care rămân înglobate în zonele amorfe ale suportului. În această categorie sunt incluşi coloranţii de developare azoici.
64
Mostre de pigmenţi şi materiale plastice colorate cu aceştia
Mătase naturală vopsită cu coloranţi acizi
Bumbac vopsit cu coloranţi direcţi
Coloranţi organici
• Coloranţi insolubili în apă şi solvenţi, numiţi pigmenţi, care se utilizează sub formă de particule mici în lichide peliculogene (amestecuri numite vopsele) pentru colorarea superficială, opacă a diverselor obiecte; lichidele peliculogene pot fi uleiuri sicative (ulei de in, etc) sau substanţe macro– moleculare dizolvate în solvenţi volatili (după evaporare lasă pelicula solidă în care este înglobat colorantul). O altă posibilitate de utilizare a pigmenţilor este colorarea în masă a unor materiale plastice, fibre sintetice şi a cauciucului, operaţia având loc într-un malaxor în care se află materialul ce trebuie colorat în stare topită sau sub formă de monomer. Test de autoevaluare 3.2 Care din afirmaţiile următoare sunt corecte: 1. Coloranţii acizi vopsesc bumbacul. 2. Coloranţii de dispersie vopsesc fibrele poliesterice. 3. Coloranţii reactivi vopsesc fibrele poliesterice. 4. Coloranţii direcţi vopsesc lâna. 5. Coloranţii direcţi sunt solubili în apă. 6. Coloranţii de dispersie sunt solubili în apă. 7. Coloranţii de cadă sunt produşi ionici vopsind fibrele sintetice sub formă redusă. Răspunsul la pag. 109
3.1.3 Clasificarea coloranţilor după provenienţă După provenienţă, coloranţii organici pot fi clasificaţi în coloranţi naturali şi coloranţi de sinteză. Primii coloranţi organici utilizaţi au fost produse naturale de origine vegetală şi numai în mică măsură de origine animală. Coloranţii de origine vegetală provin din anumite plante, ca de exemplu garanţa (roiba) obţinută din rădăcina plantelor din familia Rubiaceelor (Rubia tinctorum, Rubia peregrina, etc.), indigoul extras din plante din familia Indigofera (Indigofera tinctoria, Isatis tinctoria, etc.), colorantul albastru extras din lemnul de Campêche (lemnul de băcan, etc.). Garanţa şi extractele de băcan vopsesc materialele textile numai în prezenţa mordanţilor (oxizi şi hidroxizi de aluminiu, fier, crom, etc).
65
Coloranţi organici
Dintre coloranţii de origine animală cei mai reprezentativi erau purpura, extrasă din unele varietăţi de melci răspândiţi pe coastele Mării Mediterane (speciile Murex brandaris, Murex trunculus, etc.) şi carminul (kermesul sau cârmâzul) extras din insecta femelă a unui gândac parazit (Coccus ilicis) care se dezvoltă pe diverse specii de stejar pitic răspândit în Asia şi sudul Europei. Înrudit cu carminul, dar cunoscut mai târziu, este colorantul cochenille, extras din insecta femelă (Coccus cacti) care trăieşte parazită pe anumite specii de cactus (Nopalea coccifera) răspândite mai ales în America Centrală. Numărul compuşilor naturali utilizaţi în decursul timpului drept coloranţi a fost foarte mare, însă numai puţini dintre aceştia erau valoroşi din punct de vedere al rezistenţei coloraţiei pe suportul pe care erau aplicaţi. Marea majoritate a coloranţilor utilizaţi astăzi în practica vopsirii sunt compuşi de sinteză performanţi atât sub aspectul paletei coloristice cât şi al rezistenţelor la agenţii exteriori: lumină, umiditate, gaze industriale, spălare, etc.
3.1.4 Concluzii • Coloranţii sunt substanţe ce posedă culoare proprie fiind capabili să confere culoare unor substraturi printr-un proces de fixare. Ei pot fi naturali sau de sinteză. • Orice colorant conţine în moleculă un cromofor (sistem conjugat) şi auxocromi (substituenţi pe nucleele de bază). • După modul de fixare, coloranţii pot fi: acizi (vopsesc lâna şi poliamidele), direcţi (vopsesc celuloza), de cadă (vopsesc bumbacul) sau pigmenţi care incluşi în produse peliculogene conduc la vopsele. Test de autoevaluare 3.3. Precizaţi sursele naturale din care se obţin: • Garanţa; • Indigoul; • Purpura antică; • Carminul. Răspunsul la pag. 109 66
Articole textile vopsite cu indigo natural extras din Indigofera tinctoria
Melcul de purpură (Murex brandaris) din care se extrage purpura
Coloranţi organici
3.2. Coloranţi azoici Clasa coloranţilor azoici cuprinde circa 6070% din coloranţii existenţi. Sistemul cromofor caracteristic îl reprezintă grupa azo (-N=N-) care leagă doi atomi de carbon hibridizaţi sp. În cele mai multe cazuri aceşti atomi de carbon fac parte dintr-un sistem aromatic dar există şi excepţii. Cei mai mulţi coloranţi azoici conţin o singură grupă azo dar există şi coloranţi care conţin două (disazo), trei (trisazo) sau chiar mai multe. Coloranţii azoici se caracterizează prin culori strălucitoare, de mare intensitate, având bune proprietăţi tinctoriale. Cel mai mare avantaj al lor îl reprezintă costul datorită modului simplu de obţinere. Sinteza unui colorant azoic implică existenţa a două componente organice: o componentă de diazotare şi una de cuplare. Datorită multiplelor variante de combinare precum şi accesibilităţii şi costului redus al materiilor prime există un număr enorm de coloranţi posibili de obţinut.
Nomenclatura coloranţilor azoici Denumirea coloranţilor azoici se poate realiza după următorul sistem având ca element central azobenzenul sau azonaftalina: 5 6 2' 3' 1' 4' N N 4 1 6' 5' 3 2 Azobenzen (CH3)2N
N N
NO2
4-Dimetilamino-4'-nitro azobenzen
N N
1,1'-Azonanftalina 1 (1-naftilazo)-naftalina
3.2.1 Modalităţi de obţinere a grupei azo a) Diazotarea aminelor aromatice urmată de cuplare (D→C) Aceasta este metoda generală de obţinere a grupei azo. Componenta de cuplare trebuie să fie un substrat puternic îmbogăţit în electroni (un compus fenolic sau aminic). Când această metodă nu este aplicabilă sau se impun nişte condiţii speciale, se pot folosi următoarele metode: b) Reducerea alcalină blândă a nitroderivaţilor aromatici Prin reducerea nitroderivaţilor în mediu alcalin pot rezulta următorii compuşi: Ar
NO2
Ar
N N Ar
Ar
N N Ar
O (Zn/H2O/solvent/HO-) temperaturi mai mari concentratii mari HO-
Ar
NH
NH
Ar
(Zn/H2O/solvent/HO-) temperaturi mai mici concentratii mici HO-
67
Coloranţi organici
Trebuie găsite condiţiile ca din acest proces să rezulte azoderivat; pentru aceasta se lucrează în sistemul H2O/CH3OH/NH4Cl/Zn la o temperatură de 40-60oC. Rolul metanolului este de a dizolva nitrobenzenul pentru a forma un sistem omogen. Pe parcursul desfăşurării reacţiei azobenzenul care se formează precipită. c) Condensarea unui nitrozoderivat aromatic cu o amină aromatică Ar - NO
+H
2N
-
- Ar`
H2O
Ar - N = N - Ar`
Această metodă se aplică atunci când regioselectivitatea reacţiei de cuplare nu convine sau când amina nu poate fi diazotată. Reacţia are loc în prezenţa acidului acetic, eventual în prezenţa unui solvent (hidrocarbura). Apa rezultată din reacţie se elimină ca azeotrop cu solventul pe măsură ce se formează. De exemplu α-naftolul nu dă reacţii de cuplare regioselectivă şi deoarece nitrozarea este una dintre cele mai regioselective reacţii cunoscute, se efectuează mai întâi nitrozarea α-naftolului şi apoi condensarea cu o amină. OH
OH
OH
+ ArNH2
HONO
N N Ar
NO
d) Condensarea unui nitroderivat aromatic cu o amină aromatică, în mediu alcalin ArNO2 + Ar'NH2 ArNO2 + Ar'NH2
HO400C
Ar N=N Ar'
+
Ar' N=N Ar'
Ar N=N Ar'
+
Ar' N=N Ar'
O Ar'NH2 Ar N=N Ar'
Uneori aceasta reacţie decurge foarte uşor ca de exemplu: obţinerea colorantului Galben solar (pentru hârtie). .
68
Date istorice privind coloranţii azoici • În 1858 Johann Peter Griess descoperă reacţiile de diazotare şi cuplare. • În 1862 Martius şi Lightfoot sintetizează primul colorant azoic solubil (Brunul lui Bismarck) prin diazotarea 1, 3-fenilendiaminei şi cuplarea cu ea însăşi. • În 1875-76 Caro şi Witt prepară Crisoidina, primul colorant azoic important prin cuplarea acidului 4,4’diamino stilben 2, 2’-disulfonic cu fenol urmată de O-alchilare cu dietilsulfat. • În 1880 Thomas şi Holliday, în Anglia, sintetizează primii coloranţi azoici în sistem industrial prin cuplarea diverselor săruri de diazoniu cu β-naftol. • În 1884 Bottiger obţine colorantul Roşu Congo prin diazotarea benzidinei şi cuplare cu acid naftionic, primul colorant direct pentru vopsirea bumbacului. • În 1885 von Gallois şi Ullrich sintetizează colorantul Roşu Para din 4-nitroanilină şi β-naftol, utilizat mai ales drept pigment. • În 1891 se obţine primul colorant azoic verde, Diamine Green B
Coloranţi organici H2N
• Producţia mondială de coloranţi organici este estimată la circa 960.000 t/an din care 54% sunt coloranţi pentru materiale textile, 15% pentru alte substraturi (piele, hârtie, etc.), 25% pigmenţi organici, 6% agenţi optici de albire şi coloranţi cu utilizări speciale.
SO3H
+
O2 N
CH SO3H
HC
CH 3
NO 2
Amestecuri de coloranti azoici (Galben solar)
HO 3S
HO 3S
SO3H
H3C
N
N
CH SO3H
H3C
N
HC
N
N
CH 3
HO 3S
N
CH 3
HO 3S
SO3H
3.2.2 Reacţia de diazotare Diazotarea reprezintă procesul de transformare a unei grupe amino primare aromatice în grupă diazo: Ar
NH 2
+
NaNO 2
+
2HA
Ar
+
N
N]A-
+
NaA
+
H2O
În general diazotările au loc prin tratarea aminelor primare aromatice cu acid azotos, în mediu apos, la rece (0-10oC) în prezenţa unui acid mineral puternic (HCl, H2SO4, etc.). Sursa de HNO2 (instabil) o constituie de obicei NaNO2, care cu acidul mineral produce acidul azotos chiar în mediul de reacţie Mecanismul reacţiei Diazotarea implică în prealabil nitrozarea aminei aceasta fiind etapa lentă, determinantă de viteză. Nitrozamina primară formată trece rapid prin izomerizare în diazoacid, care în mediu acid se transformă repede în ion de diazoniu. NaA + HNO2
NaNO2 + HA
H2+NO2 + A-
HNO2 + HA
NO+ + H2O Ar
NH2
NO+
H Ar
N H
+ A- HA
Ar
Ar
NH NO
N N OH
NO
Ar
N
+H+
N
Ar
N
N
-H2O
Ar
N
N O
H
H
69
Coloranţi organici
Agenţi de diazotare Pentru generarea agentului electrofil se pot utiliza: • azotiţi alcalini: NaNO2, KNO2 (mai rar), Ba(NO2)2 (se utilizează atunci când acidul mineral este H2SO4 deoarece in soluţie precipita sulfatul de bariu iar sarea de diazoniu este impurificata cu cantităţi minime de acid mineral); • oxizi de azot: N2O3, gazele nitroase rezultate la oxidarea amoniacului; • esterii acidului azotos: i–amil–O–NO2 (generator de oxizi de azot). Acizii minerali Dintre acizii minerali utilizaţi la diazotare se pot aminti: HA – HCl, HBr, HCOOH, CH3COOH; H2A – H2SO4; H3A – H3PO4. Solvenţi Reacţia de diazotare se realizează în diverşi solvenţi, dintre care cei mai utilizaţi sunt: apa – frecvent, alcool etilic– când se doreşte izolarea sării de diazoniu, N, N-dimetilformamida, N-metilpiro– lidona, dimetilsulfoxidul. În cazul utilizării unor solvenţi organici, deoarece azotitul este total insolubil in aceştia, agentul de diazotare trebuie să fie un ester al acidului azotos, de obicei azotitul de etil). Raportul reactanţilor Practic se lucrează cu un exces de acid mineral; raportul: amina / azotit / acid mineral este de 1 / 1 / 3. Daca amina are grefate pe nucleul aromatic grupări acide, atunci cantitatea de acid mineral va scădea corespunzător. Stabilizarea sărurilor de diazoniu Obţinerea sărurilor de diazoniu stabilizate prezintă importanţă pentru industria textilă, vopsitorie şi imprimerie. Dintre metodele de stabilizare menţionăm: • alcalinizare şi tratare termică. Prin tratarea sării de diazoniu cu hidroxid alcalin în exces la rece se formează sin-diazotat de sodiu (ce îşi păstrează capacitatea de cuplare) care prin încălzire cu soluţii concentrate de NaOH se izomerizează în anti-diazotat, care îşi pierd capacitatea de cuplare. Ulterior, prin tratare cu acizi minerali acesta se transformă din nou în sin-diazotat care cuplează. 70
Sfârşitul reacţiei de diazotare Se determină utilizând hârtia iod amidonată preparată prin îmbibarea hârtiei cu soluţie de KI şi amidon. În prezenţa acidului azotos în exces rezultă iod molecular care formează un aduct cu amidonul, rezultând o coloraţie albastră.
2KJ + 2HNO2 + 2HCl J2 + 2NO + 2KCl + 2H2O
Distrugerea excesului de acid azotos Întrucât excesul de acid azotos poate influenţa mai departe reacţia de cuplare este necesară distrugerea acestuia. Pentru aceasta se utilizează uree sau acid sulfamic (H2N-SO3H). 2HNO2 + CO(NH2)2 CO2 + 2N2 + 3H2O HNO2 + H2N-SO3H H2SO4 + N2 + H2O
Coloranţi organici
Ar
OH
Ar N
N
N
N
OH anti (nu cupleaza)
sin (cupleaza) H+
• formarea de azoamine Prin tratarea diazoderivaţilor cu anumite amine având proprietatea de a cupla numai la azot se obţin diazoaminoderivaţi stabili, care prin acidulare (tratare cu vapori de acid acetic) se scindează formând din nou săruri de diazoniu, cu capacitate normală de cuplare. Agenţii de stabilizare de acest tip sunt amine alifatice sau aromatice, primare sau secundare care conţin în moleculă o grupă acidă (SO3H, COOH) pentru formare de sare alcalină solubilă şi care cuplează uşor la azotul aminic iar diazoaminoderivaţii rezultaţi se scindează uşor prin acidulare (sarcosina, metiltaurina, acidul 4-sulfoantranilic, acidul N-etil 5sulfoantranilic).
Comportarea specială a unor amine la diazotare • Orto-diaminele se diazotează la o singură grupă aminică, sarea de diazoniu formată cuplând la cealaltă grupare amino rezultând diazoaminoderivaţi ciclici. NH2 NaNO2 HCl NH2
N
NH2
N
N
H • Metadiaminele se diazotează uşor la ambele grupe aminice, iar diazoderivaţii formaţi cuplează imediat cu amina nediazotată rezultând amestecuri de produse:
N H 2N
+
N N]Cl-
N N
H3O+
N
NH 2 H 2N +
+
N N] A instabil
Ar
-
HO +H N 2
Ar R
N N stabil
carboxiamine doua categorii
N
NH 2 N
R
H 2N
N H 2N
• H2N CH
COOH
R ac. aminosulfonici alifatici
H2N CH
SO3H
R
• separarea sărurilor de diazoniu ca săruri duble cu anioni simpli. Sărurile duble se obţin prin amestecarea sărurilor de diazoniu cu cloruri metalice (ZnCl2, FeCl3, SnCl4, CdCl2, SbCl3, HgCl2, BiCl3) sau sulfaţi (ZnSO4, Al2(SO4)3). Aceste produse sunt greu solubile, se separă prin filtrare, se amestecă cu săruri deshidratante cu rol de stabilizare (Na2SO4, MgSO4, ZnSO4, Al2(SO4)3) şi se usucă în vid la 4050oC.
NH 2
:
• Para–diaminele se diazotează la o singură grupă amino datorită scăderii apreciabile a bazicităţii celeilalte grupe. În paralel au loc reacţii secundare de oxidare cu formare de chinon-imine şi chinone. H2N
H2N NaNO2 HCl
N N]Cl-
NH2 [O]
O
HN + O
O
71
Coloranţi organici
Test de autoevaluare 3.4 a. Câţi moli de HCl sunt necesari teoretic pentru diazotarea unui mol de anilină?
b. Dar pentru diazotarea unui mol de acid sulfanilic? Răspunsul la pag. 109
3.2.3 Cuplarea azoică Procesele la care participă sărurile de diazoniu pot fi grupate în două categorii • reacţii ale substratului aromatic (SE, SN); • reacţii ale grupei diazo; La rândul lor, acestea din urmă pot fi clasificate în: • reacţii cu eliminare de azot [SN, SR(criptoradicalică)]; • reacţii cu păstrarea secvenţei −N=N− din care cea mai importantă este reacţia de cuplare. Dintre reacţiile grupei diazo cu eliminare de azot pot fi amintite: • înlocuirea grupei diazo cu hidrogen, prin tratarea sărurilor de diazoniu cu SnCl2, HCOOH sau alcooli (CH3OH, C2H5OH):
Ar
N N]Cl- + [H]
Ar
H + N2 + HCl
• înlocuirea grupei diazo cu grupă hidroxi, prin încălzirea sărurilor de diazoniu în soluţie apoasă de H2SO4 la fierbere. Se evită lucrul în mediu alcalin, deoarece se formează concomitent şi colorant azoic prin cuplarea sării de diazoniu fenolul format Ar
+ N N]Cl- + H2O H Ar
OH + N2 + HCl
• înlocuirea grupei diazo cu halogen (reacţie Sandmeyer) prin tratare cu acid halogenat şi halogenură cuproasă;
Ar
N N]Cl-
CuCl HCl
Ar
Cl + N2
• înlocuirea grupei diazo cu grupă cian sau sulfocian prin tratare cu cianură sau sulfocianură cuproasă;
72
Coloranţi organici
Reacţiile de înlocuire a grupei diazo reprezintă o alternativă preparativă extrem de comodă care Mecanismul reacţiei de cuplare azoică permite obţinerea unei multitudini de produse Cuplarea este o reacţie de substituţie inaccesibile prin alte procedee de sinteză. electrofilă în care agentul electrofil Cuplarea azoică reprezintă reacţia unui este ionul sării de diazoniu iar diazoderivat la un atom de carbon cu densitate de reactantul nucleofil este componenta electroni mărită al unei componente de cuplare, în de cuplare, care posedă o poziţie reactivă cu densitate de electroni urma căruia se substituie un atom de hidrogen (din mărită la nucleul arilic. Prin urmare acea poziţie) cu formarea unei legături noi −N=N− forma activă în care reacţionează un (grupă azo) rezultând un colorant azoic. fenol este cea de fenoxid iar o amină Ar N N]X- + H Ar' Y Ar N N Ar' Y + HX ca bază liberă: Ar
N
Ar
N
N
N
+
Componente de cuplare a) de tip fenolic Fenolii şi naftolii reacţionează cu sărurile de diazoniu în mediu slab bazic după o prealabilă neutralizare a excesului de aciditate al soluţiilor acestora cu acetat de sodiu. Fenolul, în mod obişnuit cuplează o singură dată în para, iar în condiţii energice (tratare cu diazoderivaţi reactivi, concentraţie alcalină mărită) poate cupla de două ori (în 2,4) şi chiar de trei ori (în 2,4,6). Orto-crezolul şi para-crezolul pot cupla o singură dată sau de două ori iar rezorcina este o azocomponenta foarte energică, având capacitatea de a cupla în condiţii potrivite chiar de trei ori. Acidul salicilic cuplează încet, în poziţia para faţă de grupa hidroxi, datorită acţiunii dezactivante a grupării carboxilice asupra nucleului aromatic. OH
OH
(1)
(3)
OH CH 3
(2)
(2)
OH (1)
CH 3
(1)
Ar
N
N
O H
Ar
N
N
O H
Colorant hidroxiazoic sau Ar
N
Ar
N
N
N
+ NR2
NR2
Ar
N
N
NR2 H
OH
(2)
COOH
(3) OH
(2)
O
O
Ar
N
N
NR2 + H+
Colorant aminoazoic
(1)
Pirocatechina si hidrochinona nu cuplează, se oxidează la chinonele corespunzătoare pe seama reducerii diazoderivatului cu care sunt tratate: OH
OH
O OH
O
O -
2H
-
OH
2H O
73
Coloranţi organici
Cuplarea cu naftoli depinde de poziţia grupei hidroxi precum şi de o serie de alţi factori: prezenţa şi poziţia unor alţi substituenţi în moleculă, natura solventului, tipul diazoderivatului utilizat, temperatura de lucru, adaosurile catalitice etc.1-Naftolul cuplează de obicei în poziţia 4, iar daca aceasta este ocupată, atunci orientarea se face în poziţia 2. Dihidroxinaftalina (1,5) are o comportare asemănătoare, formând în funcţie de condiţiile de lucru cu preponderenţă izomer 4 sau 2 de monocuplare precum şi produs 2,4 de bicuplare. Acizii sulfonici ai 1-naftolului cuplează exclusiv în poziţia 4 cu diazocomponente energice (clorură de 2,4-dinitrofenil diazoniu) şi numai în poziţia 2 cu diazocomponente mai puţin reactive (clorura de 4clorofenildiazoniu): OH
Componente de cuplare derivate de 2-naftol* OH HO3S
Acid Schaffer OH
HO3S
OH
Acid R
SO3H
HO3S
(2)
OH
(1) in mediu apos (in solventi organici este invers)
R
HO3S
Acid G
*structurile nu se memorează OH
OH
OH
OH
SO3H
SO3H
2-Naftolul, precum şi derivaţii lui sulfonaţi, cuplează o singura dată, în poziţia 1. Prezenţa unei grupe sulfonice în 8 îngreuiază cuplarea. Dacă în poziţia 1 există o grupă sulfonică, aceasta poate fi expulzată de către diazoderivaţi energici: OH
OH
OH
COOH
CONHAr
b) compuşi enolizabili: Din categoria acestor substanţe fac parte compuşii care posedă în moleculă o grupare metilenică “activă” situată într-o catenă alifatică deschisă, într-un ciclu sau heterociclu: arilide ale acizilor β-cetonici, derivaţi ai 5-pirazolonei etc. Datorita posibilităţii tautomeriei ceto-enolice, aceste combinaţii cuplează în mediu slab alcalin la grupa metilenică activă, cu diverse săruri de diazoniu.
74
Coloranţi organici
CH3
C CH2
CONHAr
CH3
O
C CH
CONHAr
OH
H 2C O
C
C CH3 N
H2C
N HO
C
C CH3 N
N
c) de tip aminic Anilina, 2- si 4-toluidina, cuplează la azot, formând diazoaminoderivaţi. Pentru prevenirea acestui lucru şi orientarea cuplării la nucleul aromatic, grupa amino se protejează temporar În aceste condiţii anilina şi 2-toluidina cuplează în para, iar 4-toluidina în orto faţă de grupa amino (protejată):
Acizii aminonaftolsulfonici (H, I, γ, sulfo-γ, Chicago S, K) cuplează în mediu acid într-o poziţie dirijată de grupa amino, iar în mediu alcalin întro poziţie dirijată de grupa hidroxi. Cu excepţia acizilor γ si sulfo-γ, toţi ceilalţi derivaţi au posibilitatea de a cupla şi de două ori, prima dată în mediu acid şi a doua oară în mediu alcalin, niciodată invers, deoarece: • dacă s-ar lucra mai întâi în mediu alcalin, întrucât vO- ≅ 5vNH2 atunci se obţine majoritar cuplare orientată de OH şi mai puţin (conform vitezelor de reacţie) orientată de grupa NH2; • daca se lucrează mai întâi în mediu acid, atunci vNH2 ≅ 55vO- şi în consecinţă se obţine preponderent compusul de cuplare orientată de gruparea amino. HO2
HO
NH2
HO3S
NH 2
NH 2
NH 2
H+ 1
H+ 1 NH2
HO3S
SO3H
HO2
OH
Acid H
CH 3
HO2
HO
NH2
Acid I
H+ 1
HO2
OH
NH2
H+ 1
HO3S
CH 3
SO3H
meta-Toluidina, para-xilidina, cresidina şi 2,5dimetoxi anilina cuplează direct la nucleul aromatic, în poziţia para faţă de gruparea amino, fără protejarea acesteia: NH 2
NH 2
NH 2 H3C
H 3C CH 3
NH 2 H3OC CH 3
CH 3
SO3H
Acid Chicago S
OCH 3
HO-
Acid K
OH
OH NH2
HO3S
H+ NH2
HO3S Acid γ
vO- - viteza reacţiei de cuplare orientate de grupa OH vNH2 - viteza reacţiei de cuplare orientate de grupa NH2
* structurile nu se memorează
Aminele secundare şi terţiare cuplează tot în para: NHR
NHCH 2CH 2OH
N(CH 2CH 2OH) 2
NHCH 2CH 2CN
CH 2CH 2OH N CH CH CN 2 2
75
Coloranţi organici
Orto- şi para-fenilendiaminele nu cuplează (se comportă ca şi fenolii corespunzători) ci se transformă prin oxidare în chinonele corespunzătoare: NH 2
NH 2
O NH 2 -
O
O 2H
-
2H
NH 2
O
Difenilamina cuplează greu, în para, datorită acţiunii slab activante a grupei aminice şi solubilităţii mici în apă; de aceea cuplarea acesteia se face în mediu alcoolic-apos sau în emulsie. 1,3Fenilendiamina este ca şi rezorcina o cuplantă energică, cuplând până la de trei ori: NH 2 (3)
(2) NH
NH 2 (1)
Naftilaminele şi acizii amino-naftalinsulfonici cuplează în aceleaşi poziţii ca şi omologii lor fenolici.
Test de autoevaluare 3.5 Care din următoarele afirmaţii sunt corecte: 1. Fenolii cuplează în mediu slab bazic. 2. Aminele cuplează sub formă de săruri cuaternare de amoniu. 3. Para-fenilendiamina prin tratare cu NaNO2 în mediu acid conduce la pbenzochinonă. 4. Difenilamina cuplează în poziţiile 3.3’.
Răspunsul la pag. 109
76
Coloranţi organici
3.2.4 Clase importante de coloranţi azoici După proprietăţile tinctoriale se disting următoarele categorii de coloranţi azoici: acizi, acizi cu mordant, bazici, direcţi, de dispersie, cationici, pigmenţi, de developare, pentru uleiuri şi grăsimi. În continuare se vor detalia clasele mai importante de coloranţi azoici. Coloranţi azoici pentru uleiuri şi grăsimi Au fost sintetizaţi pentru prima dată la începutul secolului XX, şi sunt cunoscuţi mai ales sub denumirea de coloranţi Sudan. Astăzi sunt folosiţi mai ales pentru colorarea transparentă a maselor plastice (se dizolvă în substrat) rezultând o coloraţie perfect omogenă (acoperirea conductorilor scumpi pentru a putea vizualiza integritatea acestora). Cel mai vechi şi cunoscut reprezentant este Galbenul de anilină. N
N
Colour Index International, realizat de Society of Dyers and Colourists şi American Association of Textile Chemists and Colorists este o publicaţie ce prezintă date privind nomenclatura, structura, metoda uzuală de obţinere, proprietăţi fizice, diversele aplicaţii şi producătorii de coloranţi. Fiecare colorant este indexat prin numele generic şi un număr (C. I.) ce are în vedere structura acestuia.
NH 2
Obţinerea lui se poate realiza astfel: NHCH2SO3Na
NH2
N
N N]Cl-
+
CH2O NaHSO3
N
NH2
HO-
N
N
NHCH2SO3Na
Pentru sinteza coloranţilor de acest tip se utilizează drept componente de cuplare: CH 3
H3C C NH 2
NH 2
NHR
NR 2
H2N
NH 2
HN
NH
+ CH 3-CO-CH 3
cat. H3O+
NH 2
OH
OH
OH
CH 3
OH O
OH
N N C6H5
CH 3COCH 2NHAr
Iar ca amine diazotante: NH 2
NH 2
R (R = alchil, hlg.)
77
Coloranţi organici
Coloranţi azoici de developare (de gheaţă) Sunt coloranţi utilizaţi la vopsirea celulozei. Prima componentă de cuplare utilizată la obţinerea unor astfel de coloranţi a fost 2-naftolul, care, impregnat pe materialul celulozic sub forma sării sale de sodiu, era cuplat ulterior cu diverşi diazoderivaţi. Datorită însă lipsei de substantivitate a 2-naftolului pentru materialul textil, precum şi a rezistenţei slabe la lumină şi sublimare a coloraţiilor rezultate, utilizarea lui a fost abandonată. În prezent, impregnarea fibrelor textile celulozice se face cu diferite arilide ale acidului BON sau ale altor acizi orto-hidroxicarbixilici, cunoscuţi sub numele de naftoli, azotoli sau azonaftoli, precum şi cu diferite acetoacetarilide. Gama aminelor utilizate sub formă diazotată pentru developare este deosebit de largă. Acestea poartă numele de baze rezistente şi se folosesc de obicei sub formă de săruri de diazoniu stabilizate. În general culoarea rezultată prin developare azoică depinde de natura aminei diazotate şi mai puţin de tipul naftolului derivat de la acidul BON. Se cunosc însă şi naftoli specifici pentru vopsirea prin developare în anumite nuanţe cum ar fi: - pentru nuanţe închise (violete, albastre si verzi) OH X
OH
C6H5NH
CONHAr
CONHAr
Etapele vopsirii cu coloranţi de developare sunt: 1. Impregnare cu naftol; 2. Uscare; 3. Tratare cu o soluţie tamponată de sare de diazoniu; 4. Spălarea substratului vopsit.
Naftolii sau azonaftolii sunt arilide ale acidului 2-hidroxi 3-naftoic. Ei se obţin prin reacţia acidului 2-hidroxi 3naftoic (BON) cu amine aromatice în prezenţă de PCl3. Dintre naftolii comerciali se pot aminti: OH CONH Naftol AS OH CONH
NO2
Naftol AS-BS OH H C 3 CONH Naftol AS-D
unde X = NH2, OCH3, NHC6H5).
OH
- pentru nuanţe verzi
CONH OH
Naftol AS-PH
O
CONH
OH
H3C
- pentru nuanţe brune si negre CONH N H
OH
OCH3
CONH
Cl
Cl
CH3O Naftol AS-LC
* structurile nu se memorează
78
Coloranţi organici
Coloranţii de gheaţă permit în general, vopsirea uniformă a substratului textil. Daca nu conţin grupări solubilizante coloranţii rămân pe suprafaţa exterioară a fibrei şi de aceea tehnologia poate fi utilizată în imprimeria textilă. Se impregnează pânza cu naftol şi se tratează pe zone cu diferite săruri de diazoniu aplicate cu diferiţi tamburi. Coloranţi azoici de dispersie Din punct de vedere structural sunt compuşi insolubili în apă care vopsesc substraturile hidrofobe (poliester, mai rar fibre poliacrilonitrilice si mai rar fibre polietilenice) din dispersii apoase. Global, procesul de vopsire poate fi considerat o dizolvare a colorantului în substratul textil. El are loc frecvent in soluţii apoase, în prezenţa unui agent tensioactiv (pentru stabilizarea suspensiei) şi a unui agent de gonflare (esteri sau fenoli sulfonaţi) care măresc spaţiul interstiţial al substratului. Procesul de fixare se realizează doar în zonele amorfe ale fibrei şi din acest motiv temperatura de vopsire se situează în vecinătatea punctului de vitrifiere al acesteia (130-140oC) la presiuni de până la 17atm când zonele cristaline dispar iar fibra (amorfă) poare fi asimilată cu o soluţie de mare vâscozitate. Temperatura de lucru nu depinde de natura colorantului ci de substrat. Compuşii de acest tip sunt în majoritate produse monoazoice caracterizate în general prin prezenţa în componenţa de cuplare a unor grupe hidrofile (NH2, OH, NHCH2CH2OH, N(CH2CH2CN)2, OCH3, etc.) care le favorizează dispersabilitatea în apă şi afinitatea pentru fibre textile hidrofobe în procesul de vopsire.
Pentru uz alimentar sunt selectaţi putini coloranţi sintetici, dintre cei mai puţin periculoşi, folosiţi ocazional. Legislaţia noastră acceptă următorii coloranţi (primii cinci fiind coloranţi azoici acizi): • • • • • • • • • •
Tartrazina (galben) E102 Orange S (portocaliu) E 110 Azorubina (roşu) E122 Ponceau 4R (roşu) E124 Ponceau 6R (roşu) E126 Indigotina (albastru) E132 Eritrozina (roşu) E127 Verde acid briliant (verde) E142 Negru briliant BN (negru) E151 Albastru patentat (albastru) E131
Coloranţi azoici acizi Produsele din această categorie conţin în moleculă grupe cu caracter acid (SO3H, COOH) care sub formă de sare de sodiu sau potasiu le conferă solubilitate în apă. Majoritatea compuşilor de acest tip sunt coloranţi mono şi disazoici, fiind utilizaţi la vopsirea fibrelor proteice (lână, mătase naturală) şi poliamidice, iar unii dintre ei drept coloranţi alimentari.
79
Coloranţi organici
Coloranţi azoici direcţi Produsele din această categorie, utilizate în special la vopsirea materialelor celulozice, trebuie să aibă o anumită configuraţie moleculară pentru a avea afinitate (substantivitate) faţă de suport în cursul procesului de vopsire. Coloranţii azoici direcţi au nuclee aromatice coplanare, posedă minim două grupe azo, au grupe sulfonice care le conferă solubilitate în apă sub formă de săruri de sodiu şi un sistem electronic mobil. Structurile care favorizează substantivitatea sunt combinaţii cu catenă poliazoică având două sau mai multe grupe azo în moleculă. Dintre coloranţii direcţi cei mai cunoscuţi se pot aminti: NH2
Structuri caracteristice coloranţilor azoici direcţi • combinaţii provenind de la benzidină şi derivaţii acesteia substituiţi: N N
N N
N N X
X
X=CH3, OCH3, Cl
• combinaţii stilbenice derivate de la acidul 4,4’-diamino stilben 2,2’disulfonic:
NH2 N N
N N
N N
N N
CH SO3H
SO3H
CH
N N
HO3S
• combinaţii conţinând un rest ureic în moleculă
SO3H
Roşu Congo, Roşu direct 28
NHCONH
H5C2O
CH
N N
SO3H
CH
OC2H5
N N
N N
HO3S
Crisofenina , Galben direct 12 Test de autoevaluare 3.6 Scrieţi formulele următorilor coloranţi: p-Nitroanilina OHdiazotata p-Nitroanilina diazotata
H+
Acid H
Acid H
Acid sulfanilic diazotat Anilina diazotata
H+
OH- Anilina diazotata
Acid 2-hidroxi 3-naftoic (BON)
N,N-dimetilanilina
Acid 1-amino 2-naftol 4-sulfonic diazotat
Răspunsul la pag. 110
80
Anilina diazotata
1-N-fenil 3-metil 5-pirazolona
N N
Coloranţi organici
3.3 Coloranţi antrachinonici Molecula 9,10-antrachinonei constituie un sistem cromofor important, în care cele două nuclee benzenice sunt conjugate cu grupele carbonilice şi în mare parte separate de către acestea, ceea ce explică culoarea slab gălbuie a compusului. O .. :
C
.. _ O .. :
+
C
H OH
O
O
OH
O
:O:
:O: H
_
H O
_O
H
+
O:
:O:
O:
:O:
+
O
O
Fiecare grupă carbonilică posedă un dipol moment electric apreciabil, iar prin introducerea unor grupe auxocrome în poziţiile α ale sistemului antrachinonic se accentuează polarizarea grupelor carbonilice iar dipol-momentul acestora devine mai mare. Această polarizare accentuată este favorizată de legăturile de hidrogen care se stabilesc (atunci când este posibil) între grupele carbonilice ca donoare si cele auxocrome ca acceptoare de electroni şi permite conjugarea parţială a nucleelor benzenice prin intermediul unor structuri intramoleculare ionice, cea ce determină deplasarea absorbţiei luminii spre lungimi de undă mai mari, şi implicit, prin aceasta, închiderea culorii compusului respectiv. Ca exemplu sugestiv se poate menţiona 1,4-dihidroxi antrachinona (chinizarina), de culoare roşie: O
Antrachinona
se obţine prin oxidarea antracenului cu aer în prezenţă de V2O5 sau prin condensarea anhidridei ftalice cu benzen în prezenţa AlCl3.
H O
O H
Cu cât efectul de polarizare provocat de grupa auxocromă este mai pronunţat, cu atât se măreşte şi efectul batocrom. Aceleaşi grupe auxocrome situate în poziţiile β ale antrachinonei nu determină nişte efecte optice importante, iar derivaţii 1,4-disubstituiţi sunt mai intens coloraţi decât cei 1,5-disubstituiţi corespunzători, datorită posibilităţii mai mari de interacţiune reciprocă a substituenţilor în primul caz faţă de cel de-al doilea. Din punct de vedere tinctorial coloranţii antrachinonici pot fi clasificaţi în patru categorii: 1. coloranţi cu mordant; 2. coloranţi acizi; 3. coloranţi de dispersie. 4. coloranţi de cadă. 81
Coloranţi organici
3.3.1 Coloranţi antrachinonici cu mordant Aceşti coloranţi vopsesc fibrele textile pe care au fost depuşi ioni metalici. Ionii metalici cei mai utilizaţi sunt cei de aluminiu şi mai rar de crom. Cel mai vechi şi poate cel mai important compus din această categorie este alizarina (1,2-dihidroxi antrachinona). Analog alizarinei se comporta toate hidroxiantrachinonele cu secvenţe 1,2-dihidroxi: O
OH
O
OH
OH
OH HO
O Alizarina (Al, Cr, Sn, Fe, Cu) O OH
O Rosu mordant 4 (Cr) O OH OH
OH
O OH Purpurina (Al, Cr)
OH
Rubia tinctorum care conţine in rădăcinile sale 1-2% alizarină
OH O Rosu mordant (Al, Cr)
O
OH OH
Cristale de alizarină
OH O Violet mordant (Al, Cr)
* structurile marcate nu se memorează
Lână vopsită cu alizarină mordantată cu crom
82
Coloranţi organici
Metode de obţinere 1. Topire alcalină oxidativă: O
O
OH OH
SO3H NaOH/KOH KClO 3 O
O
2. Oxidare cu oleum sau dioxid de mangan: O
OH
O OH
O
OH
O OH
SO3/H2SO4
OH
O
OH OH
MnO 2/H+ HO
O
intra preponderent unde se afla grupele OH
3. Obţinerea colorantului Verde de chinolină* O
OH OH
O
OH OH
HNO3, H2SO4, H3BO3, 00C
NO2 O O
OH
O
OH HNO3, H2SO4, 00C O
NO2
* nu se memorează
Prin nitrarea alizarinei cu amestec sulfonitric, la 0 C, in prezenta de acid boric (acidul boric formează cu 1-hidroxiantrachinonele un ester care hidrolizeaza uşor; prin formarea esterului se asigură orientarea substituţiei şi stabilitatea compusului în reacţia de hidroxilare, protejându-l faţă de o oxidare mai înaintată) sau cu acid azotic 62% in nitrobenzen, la 40oC, rezultă 3-nitroalizarina (Oranj Alizarin A). Dacă nitrarea alizarinei cu amestec sulfonitric se face in absenta acidului boric rezulta 4-nitroalizarina (Brun mordant 44). o
83
Coloranţi organici
Test de autoevaluare 3.7 Să se scrie produşii următoarelor reacţii: O SO3H NaOH/KOH KClO3
HO3S O O
OH SO3/H2SO4
O
OH
O
OH MnO2/H+
O
OH
Răspunsul la pag. 110
3.3.2 Coloranţi antrachinonici acizi Compuşii din aceasta serie sunt de obicei săruri de sodiu ale acizilor sulfonici ai diverselor αhidroxi şi α-aminoantrachinone, care vopsesc fibrele proteice şi cele poliamidice în culori vii, în special albastre, violete şi verzi, majoritatea având rezistenţe bune şi foarte bune la lumină şi bune la tratamente umede, însuşiri care nu sunt întâlnite la alţi coloranţi acizi. Grupele sulfonice pe care le conţin provin fie prin sulfonarea unor intermediari antrachinonici la nucleul antrachinonic sau la diverse resturi arilaminice grefate pe acesta, fie de la un intermediar antrachinon-sulfonic pe baza căruia se face sinteza colorantului respectiv, cum este cazul acidului bromaminic. a) Coloranţi aminoantrachinonici acizi Se obţin prin sulfonare cu oleum 20-60% a derivaţilor aminici corespunzători. O
NH 2
O
NH 2
O
SO3H
violet
84
H2 N
NH 2
O oranj-rosu
SO3H
Coloranţi organici H2N
O
NH 2
HO 3S
SO3H
O oranj-rosu
H2N
O
NH 2
H2N
O
NH 2
SO3H
violet-albastru
* structurile nu se memorează
b) Coloranţi hidroxiantrachinonici acizi Dintre reprezentanţii cei mai importanţi ai clasei pot fi amintiţi derivaţii sulfonaţi ai alizarinei, chinizarinei şi purpurinei: O
OH
O
OH
O
NH2
O
NH2 SO3H
HClSO3 nitrobenzen O
SO3H
OH
Un intermediar deosebit de important în sinteza coloranţilor antrachinonici este acidul 1-amino 4-bromo antrachinon 2-sulfonic (acid bromaminic). Obţinerea industrială a acestuia constă în sulfonarea 1-amino antrachinonei cu acid clorsulfonic la 00C în nitrobenzen urmată de turnarea peste gheaţă şi bromurare cu brom lichid, separarea realizându-se prin salifiere cu NaCl:
O + Br2 O
NH2 SO3H
SO3H O
O
O
OH
OH
O OH
O
OH OH
oleum 60% SO3H
O
Br
O
OH
Pentru obţinerea colorantului 1,2,4-trihidroxi antrachinon sulfonic se introduce alizarina în oleum 60% SO3, la o temperatură de 105-110oC (pentru a avea loc mai întâi -oxidarea) şi apoi se ridică temperatura la 140-160oC pentru a avea loc reacţia de sulfonare. Este de preferat să fie grefată o singură grupare sulfonică, deoarece la două grupări solubilitatea colorantului este foarte mare şi tendinţa lui de a trece din baia de vopsire pe fibră este mică. c) Coloranţi aminohidroxiantrachinonici acizi Coloranţii importanţi din această clasă sunt derivaţii sulfonaţi ai diamino dihidroxi antrachinonei: NH2
O
OH
NH2
O
OH
SO3H
SO3H
HO3S OH
O
NH2
OH
O
NH2
Alizarin safirol B Albastru acid 45
* structurile nu se memorează
85
Coloranţi organici
Test de autoevaluare 3.8 Scrieţi reacţiile de obţinere a acidului 4,8-diamino-1,5-dihidroxi antrachinon-2sulfonic
Răspunsul la pagina 111
3.3.3 Coloranţi antrachinonici de dispersie Aceşti coloranţi vopsesc fibrele hidrofobe poliesterice la temperaturi mari (120-140oC), in vecinătatea temperaturii de vitrifiere. Ei trebuie să aibă o structură care să asigure un caracter de agent tensioactiv. Vopsirea poate fi asimilată cu o extracţie, deci colorantul trebuie să aibă molecula mică. În general, colorantii de dispersie antrachinonici sunt diverse 1-amino si 1hidroxiantrachinone simple sau cu grupele respective modificate (de obicei prin alchilare, acilare sau arilare), care favorizează dispersabilitatea produselor în apă şi afinitatea faţă de fibră. a) Coloranţi antrachinonici de dispersie cu grupe amino si hidroxi simple: Cele mai uzuale produse de acest sunt 1amino 2-metil antrachinona (Celliton Oranj R), 1amino 4-hidroxi antrachinona (Celliton Roz rezistent R), 1,4-diamino antrachinona (Celliton violet rezistent RN), 1, 4, 5, 8-tetramino antrachinona (Celliton albastru extra).
86
Coloranţi antrachinonici de dispersie cu grupe amino si hidroxi simple O
NH2 CH3
O O
NH2
O
NH2
O
NH2
O
OH
NH2
O
NH2
NH2
O
NH2
Coloranţi organici
Modificarea grupelor aminice prin acilare sau alchilare conduce la obţinerea unor coloranţi cu randamente de vopsire şi rezistenţe mai bune: O
NH2
H 2C
O
CH2
Coloranţi antrachinonici de dispersie derivaţi ai acidului bromaminic O
NH2 SO3H
NHCH2CH2OH
O
Br
O O
NH2
O
NHCH2CH2OH
+Y
Celliton albastru rezistent FB
O O
O
NH2 CH2
X
NHCH2CH2CN
CH CN
O NH2
O
NH2
NCH2CH2CHN
O
b Coloranţi antrachinonici de dispersie derivaţi ai acidului bromaminic O serie importantă de coloranţi de dispersie se obţin prin înlocuirea grupei sulfonice din coloranţii acizi corespunzători obţinuţi din acid bromaminic cu grupe (H, OCH3, CONH2, CN, etc.) care să sigure dispersabilitatea în apă şi afinitatea faţă de fibra textilă.
Br
Y= Na2S2O4 sau glucoză/HO- → X = H Y= CH3OH/KOH → X = OCH3 Y= CuCN → X = CN → X = CONH2 Y= CuSCN → X = SCN
Test de autoevaluare 3.9 Scrieţi câte o reacţie de obţinere pentru următorii coloranţi antrachinonici de dispersie: O
NH2
O
NH2
O
O
OH
O
CH3
O
Răspunsul la pag. 111
87
Coloranţi organici
3.3.4 Coloranţi antrachinonici de cadă Din categoria coloranţilor de cadă cu structură antrachinonică fac parte: a) Coloranţii antrimidici Sunt derivaţi antrachinonici formaţi din cel puţin două resturi de antrachinonă legate printr-o grupă NH. Obţinerea lor are loc prin condensarea halogeno antrachinonelor cu amino antrachinone, într-un solvent organic cu punct de fierbere ridicat în prezenţă de praf de cupru (sau o sare a acestuia) şi a unui agent alcalin (Na2CO3, CH3COONa) pentru neutralizarea acidului halogenat care se formează. În funcţie de modul de legare dinatimidele pot fi de tip α, α’, α, β’ şi β, β’. Dintre acestea numai α, β’ antrimidele sunt coloranţi de cadă (Oranj Indantren 6RTK). b) Coloranţi acilaminoantrachinonici: Produsele din această clasă sunt derivaţi ai αamino antrachinonelor acilate cu resturi de la acizi carboxilici aromatici. Datorită sensibilităţii grupei amidice la hidroliză aplicarea lor se face numai la rece. Coloraţiile sunt în general de nuanţe galbene, roşii şi numai câteva violete.
Coloranţi antrachinonici de cadă O NH O
O O
Oranj Indantren 6RTK
O
NHCOC6H5
O
NHCOC6H5
Roşu Indantren 5GK O
NHOC COHN
O
O O
Galben Indantren 5GK * structurile nu se memorează
Test de autoevaluare 3.10 Scrieţi formulele: • colorantului rezultat prin acilarea 2-amino antrachinonei cu clorura acidului benzoic.
• colorantului rezultat prin acilarea 2-amino antrachinonei cu acid tereftalic.
Răspunsul la pag. 111
88
Coloranţi organici
3.4 Coloranţi hetero-poli-ciclo-cetonici În această categorie de coloranţi sunt incluse produsele cu structură condensată mixtă, reunind în aceeaşi moleculă cel puţin două tipuri structurale de combinaţii care pot exista independent: resturi antrachinonice şi resturi heterociclice, în majoritatea cazurilor cu azot şi mai rar cu oxigen sau sulf. Utilizarea majoră a acestora este sub formă de coloranţi de cadă. Se vor prezenta succint principalele clase de coloranţi cu structura heteropoliciclocetonică: a) Coloranţi antrachinon-carbazolici Produsele din această serie se obţin prin ciclizarea dehidrogenată intramoleculară a unor α, α -di, -tri sau –tetra antrimide. Intermediar se formează o dihidrocombinaţie, care ulterior se transformă prin oxidare în colorantul final.
O
1)AlCl 3/KClO3 (MnO 2) sau 2)KOH/NaOH/(KClO 3, MnO2, NaNO 2) tip topire alcalina O O sau
N H O
3)H 2SO4/MnO2 sau 4)HClSO 3/MnO2
O
H
H H O
N H O
O
N H Carbazol (dibenzopirol)
O
O
N H O
O
oxidare blanda Mn+4
Mn+2
Acumularea de resturi carbazolice prin ciclizarea di-, tri- şi tetraantrimidelor conduce la coloranţi de cadă cu rezistenţe de excepţie pe materialele celulozice vopsite.
89
Coloranţi organici
b) Coloranţi antrachinon-acridonici Din punct de vedere structural, aceşti coloranţi pot fi clasificaţi în compuşi angulari, mai valoroşi (sunt mai ales coloranţi de cadă) şi compuşi liniari (sunt în marea lor majoritate pigmenţi). O
O
N H
O
Antrachinonacridona liniara
N
O
Acridina (dibenzopiridina)
O O
HN
Antrachinonacridona angulara
Varianta tehnologică cea mai utilizată de formare a antrachinon-acridonei, aplicabilă ca metodă şi la obţinerea derivaţilor acesteia, constă în ciclizarea acizilor 1-fenilaminoantrachinon-2`carboxilic (obţinut prin condensarea 1-amino sau 1cloro antrachinonei cu acid 2-cloro benzoic respectiv acid antranilic. Arilaminările respective se realizează după metoda cunoscută (Ullmann) iar ciclizările acizilor carboxilici corespunzători decurg de obicei în acid sulfuric concentrat, oleum de mică concentraţie sau acid clorsulfonic, la temperaturi corespunzătoare, pentru evitarea reacţiei secundare de sulfonare în poziţia 5` a nucleului antrachinonacridonic. O
NH 2
O SO3H
O
Br
NH 2
r. Ullmann
COOH O
NH
O
NH 2
NH 2
O SO3H
SO3H
ciclizare HClSO 3
O O
X
HN
S.N. sau S.E. O
O
HN X = H, OCH 3, SH, CN...
90
Coloranţi organici
Antrachinon-acridona, de culoare roşie, nu se utilizează drept colorant în schimb derivaţii ei cu mase moleculare mai mari sunt produse industriale consacrate, vopsirile cu aceştia caracterizându-se printr-o bună afinitate din cadă faţă de fibrele celulozice şi rezistenţe foarte bune la lumină şi clor, însă sunt sensibile la acţiunea sluţiilor alcaline fierbinţi. c) Coloranţi indantronici Reprezentantul de bazã al acestei clase este Indantrona numitã şi Albastru Indantren RS (Vat Blue 4). Pe lângă utilizările drept colorant de cadă este şi un colorant alimentar, fiind însã mult utilizatã şi în preparate cosmetice alături de derivatul sãu clorurat cunoscut sub numele de D & C Blue 9, (Vat Blue 6). O
NH O
O
HN
O O Cl NH O
O
HN Cl O
R. Bohn a obţinut pentru prima datã indantrona prin topire alcalinã a 2aminoantrachinonei cu KOH/H2O la 220-235°C. Se cunosc multe variante de realizare a topirii alcaline oxidative: utilizarea amestecului NaOH/KOH/H2O, folosirea fenolatului de sodiu, a unui amestec de dimetilsulfoxid sau tetrametiluree şi KOH/H2O în prezenţa MnO2 sau FeCl3 drept oxidanţi etc. Industrial topirea alcalinã oxidativã se efectuează cu amestec de KOH şi NaOH în prezenţa acetatului de sodiu şi a fenolatului de sodiu anhidru care asigurã fluiditatea topiturii şi a unui agent oxidant (NaNO3, KClO3, barbotare de aer).
91
Coloranţi organici O
NH2 O
+
O
H2N
O
O
NH O
O
HN
O
Randamentele procesului nu depăşesc 60%. Ca produse secundare se formează alizarina şi doi coloranţi albaştri cenuşii Separarea impurităţilor se bazează pe faptul cã dihidroderivatul indantronei (reducere cu Na2S2O4) este greu solubil în timp ce leucoderivaţii coloranţilor paraziţi sunt foarte uşor solubili. Indantrona se regenerează din dihidroderivat prin oxidare cu aer. Indantrona este un colorant de cada care vopseşte uşor fibrele celulozice în forma redusă (leucoderivat). De regulă forma redusă are culoarea complementară. O
ONa Na 2S2O4/HONH O
O
HN
ox.
NH O NaO
HN
O albastra
O galbena
Daca la reducere se obţine tetrahidroxiderivatul, solubilitatea compusului este atât de mare încât indantrona nu mai prezintă afinitate pentru suportul textil. Oxidarea leucoderivatului se face pe fibră, cu aer sau cu o soluţie diluata de clorat de sodiu sau de potasiu.
92
Coloranţi organici
d) Coloranţi flavantronici La topirea alcalinã oxidantã a 2aminoantrachinonei se formează şi cantităţi mici dintr-un colorant galben, care la temperaturi de peste 300°-350°C devine produsul principal al reacţiei; acesta este flavantrona. O
N N
O
Flavantrona se obţine pornind de la 2-amino1-cloroantrachinona (obţinută prin clorurarea 2aminoantrachinonei cu clorură de sulfuri în triclorobenzen, la 30oC) care se acilează cu anhidridă ftalică prin încălzire în nitrobenzen, la 230oC, in prezenţa unei mici cantităţi de FeCl3 (1%).
Bumbac vopsit cu flavantronă
O O
O
O
O
O O
SO2Cl2/C6H5NO2 NH2
HN
NH2
O
O
Cl
O
Cl
O
O
O
O O
2
Cu HN O
HN
O O
Cl
O
NH
O
NaOH dil. 1000C
O
O O
O O
O H 2N
NH2 O
-H2O NH N
O O
Prin adaos de praf de cupru în exces şi încălzire la reflux se realizează în continuare condensarea derivatului acilat, cu formarea produsului 1,1`diantrachinonilic diacilat (asemănător cu sinteza Wurtz).
93
Coloranţi organici
Reducerea Flavantronei la leucoderivat (dihidro– derivat albastru) se face uşor, în soluţie de NaOH cu Na2S2O4, iar aplicarea pe fibră are loc prin metoda de vopsire la cald (600C). Refacerea colorantului iniţial se realizează prin tratare cu o soluţie diluată, slab acidulată, de dicromat alcalin, rezultând vopsiri galbene strălucitoare. Test de autoevaluare 3.11 Pornind de la antrachinonă scrieţi reacţiile de obţinere a: indantronei
flavantronei
Răspunsul la pag. 111
3.5 Coloranţi indigoizi Produsele indigoide constituie o clasă importantă de coloranţi vechi de cadă, mai nou unii dintre aceştia utilizându-se şi ca pigmenţi, cu bune rezistenţe tinctoriale. Fiind insolubili în apă, pentru aplicarea lor sub forma de coloranţi de cadă se reduc cu ditionit de sodiu în mediu alcalin, leucoderivaţii (solubili) având afinitate pentru fibrele celulozice; ulterior, prin oxidare, se regenerează colorantul insolubil iniţial, fixat pe materialul textil vopsit. O 4 5 6 7
C3 X1 1
2`
C 2
1`
X2 C 3` C O
Indigo
94
OH(Na) 7` 4`
6` 5`
Na 2S2O4/HOoxidare KClO sau NaClO sau O2/aer
C X1
C
C
X2 C OH(Na)
Leucoindigo
Coloranţi organici
Indigoul este cunoscut din cele mai vechi timpuri ca produs natural, numeroase plante din genul Indigofera folosite pentru obţinerea acestuia fiind cultivate in India, China, Japonia, America Centrală, Brazilia, Egipt, Madagascar, Jawa şi Insulele Filipine. În Europa s-a cultivat în secolul al XVIII-lea Isatis Tinctoria şi alte plante producătoare de indigo. Agentul colorant existent în aceste plante este glucozida indoxilului (indican). Prin sfărâmarea şi macerarea plantelor cu apă se produce hidroliza indicanului la indoxil (sub acţiunea unei enzime existente în plantă) iar acesta se oxidează cu oxigenul din aer formând indigoul. OH
O
C
C
CH
NH Aglicon
NH
Prin degradarea indigoului natural au fost obţinute pentru prima dată anilina (O. Unverdorben, 1826; prin distilarea uscată a indigoului) şi isatina (Laurent si Erdmann, 1841; prin oxidarea indigoului cu HNO3 şi acid cromic), substanţe care au jucat un rol important in stabilirea structurii colorantului (Baeyer, 1883).
O CH 2
C
ox. aer
C=C
NH
HN C
Indigo O
Indoxil
Indigoul natural conţine în cantităţi variabile, pe lângă indigoul propriu-zis, un izomer roşu al acestuia, indirubin şi alte impurităţi colorate. Aceşti compuşi uşurează reducerea colorantului la prepararea căzii de vopsire, dar influenţează nuanţa coloraţiilor rezultate, ceea ce constituie un inconvenient în utilizarea produsului natural. Primele metode de obţinere a indigoului sintetic aparţin lui A. Baeyer (1880), K. Heumann (1890) şi T. Sandmeyer (1899), până în prezent fiind cunoscute zeci de alte sinteze. Sinteze ale indigoului: • Sinteza Baeyer:
NH2 ClCH2COOH -HCl COOH
H N
CH2
COOH COOH
H N
t>2300 KOH -H2O
CH2 O [O] Indigo
Sinteza Heumann În procedeul original, fenilglicina (preparată din anilina şi acid monocloracetic) era transformată cu randament destul de mic, prin fuziune cu KOH, la temperaturi mai mari de 250oC, în indoxil , care prin oxidare cu aer în mediu apos, la 70-75oC, trece în indigo. 95
Coloranţi organici H N
NH2 ClCH2COOH -HCl
CH2 COOH
H N
t>2300 KOH -H2O
CH2 O [O] Indigo
Randamentul a fost considerabil ameliorat (~90%) prin introducerea procedeului “Sodamid” (Pfleger, 1901) după care fuziunea fenilglicinei pentru obţinerea indoxilului se face cu un amestec format din amidura de sodiu, hidroxid de sodiu si de potasiu, la temperaturi mai coborate (~200oC). • Sinteza din fenilizocianat este cea mai ieftină şi se aplică în special în Japonia NH 2
N
N=C=O
H N
COCl 2
C C
C
C6H5 H3O+/H2O
Indigo
N H
C C6H5 N
Indigoul este o pulbere cristalină albastră cu reflexe metalice, având p.t.=390oC (în absenţa aerului) cu tendinţă de sublimare, iar in stare topită şi de vapori este roşu. Nu se dizolvă în apă şi alcool la rece şi nici în soluţii apoase acide sau alcaline, este greu solubil în alcool la cald, în eter şi cloroform, dar solubil în acetonă, acid acetic glacial şi anilina fierbinte, din care cristalizează la răcire. Tioindigoul, reprezentantul de bază al clasei coloranţilor tioindigoizi, a fost descoperit de P. Friedlander in 1905. S
S C
C
O O Tioindigo
Cromoforul coloranţilor tioindigoizi este, ca şi la indigo, un sistem conjugat dublu încrucişat.
96
Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer (1835-1917). Dintre descoperirile sale merită amintite sinteza şi formularea structurii indigoului, sinteza coloranţilor ftaleinici şi a derivaţilor acidului uric
Coloranţi organici grupa electronodonoare
O C S
S C
C C
grupa electronoacceptoare
O
Culorile acestor compuşi se situează, în general, între roşu şi brun, în acest caz culoarea datorânduse strict cromoforului în timp ce la indigo culoarea se datorează atât cromoforului de bază cât şi unor legături de hidrogen care pot fi inter sau intramoleculare. Totuşi, daca ţinem seama că atomii de sulf au electroni neparticipanţi, polarizarea legăturilor se poate realiza de forţe van der Waals de inducţie între structuri mezomere polare. O
O
C S
S C
C C O
C S +
S C
C C O-
Deosebirea dintre compuşi constă în faptul că moleculele de indigo se pot lega la infinit, pe când moleculele de tioindigo se pot lega doar câte două. Tioindigoul vopseşte fibrele celulozice, lâna şi mătasea naturală dintr-o cadă galbenă (reducerea are loc la 40oC, pH 7,5-8), care după oxidare trece într-o nuanţă roşie-albăstruie, cu rezistenţe tinctoriale în general bune. Coloranţii indigoizi pot suferi reacţii de substituţie elctrofila (sulfonare, halogenare, nitrare) in pozitiile 5,5` (mai reactive) sau 5,5` si 7,7` (mai puţin accesibile din considerenta sterică). Pentru obţinerea derivaţilor de indigo cu substituenţi aflaţi in celelalte poziţii (4,4` si 6,6`), trebuie ca la sinteza acestora sa se pornească de la materii prime substituite corespunzător. Prin sulfonarea indigoului cu acid clorosulfonic sau cu acid sulfuric monohidrat, la temperatură moderată (40oC), se obţin după gradul de sulfonare diverşi acizi sulfonici, cu solubilităţi diferite in apa, dintre care derivatul 5,5` disulfonic (Indigocarminul) se utilizează sub formă de sare disodică drept colorant acid albastru-verzui pentru lână, cu rezistenţe mediocre la lumină şi spălat. Produsul poate fi folosit si sub forma de colorant alimentar (puţin toxic, nu suferă metabolizare în organism), ca indicator de H sau ca dezinfectant renal. 97
Coloranţi organici
La bromurarea indigoului cu brom, în prezenţă de acid acetic sau acid sulfuric, la 40-80oC, se obţine 5,5`,7,7`-tetrabromoindigoul, un colorant albastru pentru blugi. 6,6`-Dibromoindigoul, purpura antică, colorant celebru în antichitate, se obţine şi sintetic pornind de la intermediarul bromurat: acidul 1-amino-3-brom-6benzoic.
Test de autoevaluare 3.12 Completaţi schemele de reacţie: a. o-xilen→ Indigo
b. anilină → Indigo
Răspunsul la pag. 112
3. 6 Coloranţi reactivi Coloranţii reactivi acoperă la ora actualã circa 16% din producţia mondialã de coloranţi, cu circa 4% mai mult decât în urmã cu 10 ani, posedând cea mai înaltã ratã de creştere dintre toate clasele de coloranţi utilizaţi la vopsirea celulozei Una din caracteristicile care îi face extrem de ceruţi este varietatea mare de culori intense şi atractive. Spre deosebire de coloranţii direcţi volumul mult mai mic al moleculei absorbite în fibrã permite obţinerea unor nuanţe strălucitoare şi a unei palete de culori ce acoperă toate domeniile, inclusiv albastru, brun şi negru, lucru aproape inexistent la alte clase de coloranţi.
98
Coloranţi organici
Nu în ultimul rând trebuie remarcate rezistenţele ridicate ale vopsirilor datoritã fixării covalenţe pe fibrã. Întrucât peste 80% din clasa coloranţilor reactivi sunt coloranţi azoici, tehnologia de obţinere este relativ simplã. Pe lângă aceasta ei trebuie sã posede o putere mare de acoperire, o bunã solubilitate, posibilitatea de egalizare a vitezei de vopsire, precum şi de reproducere a culorii dorite. Existã desigur şi câteva dezavantaje. Păstrarea nuanţei culorii la cei mai mulţi dintre coloranţi nu este totdeauna suficientã, în special în prezenţa agenţilor oxidanţi, a clorului din apã sau a peroxizilor existenţi în detergenţi. Însă acestea sunt probleme care afectează majoritatea coloranţilor utilizaţi la vopsirea fibrelor textile. Cel mai mare dezavantaj este însă necesitatea utilizării unui electrolit de concentraţie ridicatã (50-80 g/l) în procesul de vopsire, ceea ce conduce la costuri ridicate generate mai ales de necesitatea epurării apelor uzate rezultate. Utilizarea unui electrolit mai puţin concentrat conduce la o fixare insuficientã, iar colorantul nefixat hidrolizează şi de asemenea rămâne în apele reziduale. în cazul vopsirii cu coloranţi reactivi, costurile necesare epurării apelor depăşesc de circa 5 ori costurile de producţie. Coloranţii reactivi sunt constituiţi dintr-un cromofor care are în componenţã una sau mai multe grupe solubilizante şi una sau mai multe grupe reactive legate direct sau prin intermediul unei punţi. S
D
B
RG
X
unde S-grupã solubilizată, D- cromofor, B – punte de legătura, RG - grupã reactivã, X-grupare nucleofilă deplasabilă Dacã în molecula colorantului reactiv existã douã sau mai multe grupe reactive, ele pot sã fie izolate de o parte şi de alta a cromoforului sau conjugate de aceeaşi parte a cromoforului. D
RG
RG
a. conjugat RG
D
RG
b. izolat
99
Coloranţi organici
În principiu toţi cromoforii curenţi pot fi utilizaţi pentru sinteza coloranţilor reactivi. Aproximativ 80% din coloranţii reactivi sunt azoici. Nuanţele acestora variază, corespunzător clasei azoice, de la galben verzui până la negru. În special pentru galben, oranj şi roşu se utilizeazã coloranţi monoazoici necomplexaţi cu metale, ce conţin resturi de aril 5pirazolone (pentru galben) sau acid I sau H drept componente de cuplare. Coloranţii pirazolonici complexaţi cu cupru se utilizează pentru nuanţe de brun. Pentru paleta de violet, rubiniu şi bleumarin cei mai folosiţi sunt complecşii de cupru ai coloranţilor mono şi disazoici. Albastrul strălucitor şi verdele solid cu bune rezistenţe la luminã aparţin domeniului coloranţilor antrachinonici bazaţi pe acid bromaminic, în timp ce ftalocianinele de cupru sau nichel sulfonate sunt utilizate pentru nuanţe turcoaz. În aria de negru cei mai importanţi reprezentanţi sunt coloranţi disazoici pe bazã de acid H. Cele mai importante grupe reactive utilizate la vopsirea celulozei se pot clasifica în funcţie de modul de reacţie în douã grupe distincte: sisteme heterociclice cu azot, cu conţinut de atomi de halogen uşor deplasabili, care reacţionează cu substratul prin mecanism de substituţie nucleofilă de tip SN2. Atomul de azot cu efect electronoatrâgător are rolul de a labiliza atomul de halogen, mărind mult labilitatea acestuia. +Nu-
D N
Nu -X-
D
X
N
X
D N
unde D-rest de cromofor, Nu-substratul textil (nucleofil), X-Cl, F Cele mai des întâlnite sisteme reactive de acest tip, denumirea comercială precum şi temperatura la care se realizează procesul de vopsire sunt: • monoclorotriazina (temperaturã de vopsire 70800); D
NH
N N
Cl N
NH
R
• diclorotriazina (temperaturã de vopsire 3060 ); 0
100
Nu
Coloranţi organici NH
D
N N
Cl N
Cl
• tricloropirimidinã (temperaturã de vopsire 8595 ); 0
D
NH
N
Cl N
Cl Cl
•
Diclorochinoxalina (temperaturã de vopsire
50-800);
D
NH
N
Cl
N
Cl
.6.1 Coloranţi reactivi triazinici Primele lucrări despre coloranţii reactivi triazinici au avut la bază constatarea cã în condiţii blânde, chiar la temperatura camerei, unii coloranţi cu grupe diclortriazinice reacţionează cu fibrele celulozice în mediu alcalin, producând vopsiri cu rezistenţe mari la tratamente umede, fără o degradare semnificativã a acestora. În condiţii adecvate pot fi înlocuiţi ambii atomi de halogen, cel de al doilea reacţionând mai greu decât primul (la temperaturã mai înaltã şi alcalinitate mai puternicã). Reactivitatea mare a coloranţilor triazinici fiind dezavantajoasã pentru imprimerie au fost creaţi în acest scop şi coloranţi monoclortriazinici, care sunt mult mai stabili în condiţii alcaline la rece. Pentru fixarea acestora pe fibra textilã este nevoie de o temperaturã de circa 600, imprimarea realizându-se prin aburire la 1000. Dintre posibilităţile de sintezã ale coloranţilor triazinici cea mai des întâlnitã este cea de legare a unui aminocolorant solubil în apã (antrachinonic, azoic, ftalocianinic) cu o cantitate echimolară de clorurã de cianuril, în prealabil dizolvatã în acetonã şi reprecipitată fin prin turnare pe apã cu gheaţã. Reacţia are loc în mediu apos, la 0-50, şi un pH~6, menţinut prin neutralizarea acidităţii formate cu o soluţie de carbonat de sodiu sau de hidroxid de sodiu. Terminarea reacţiei se decelează prin creşterea pH-ului datoritã încetării consumului de alcalii. 101
Coloranţi organici
HO3S
HO3S
NaNO2 HCl
NH2
-
O3S
N
N
NH2
SO3H
OH HO
SO3H
Exemple de coloranţi clortriazinici
-
N
SO3H Cl N Cl
OH
Cl
N N
N
HO3S Cl
HO3S
N SO3H
NH2
N OH
N
HO3S
N
N H
Cl
N
Reactiv orange 1 Cl
HO3S HO3S
N SO3H
NH
OH
SO3H
N
N
N
N
N
Cl
N
Cl
N
OH HN
N
N HO3S
SO3H
Reactiv Red 1
* structurile nu se memorează
Test de autoevaluare 3.13 Să se ilustreze prin reacţii chimice: • principalele alternative de legare a unui colorant reactiv de substrat;
•
sinteza unui colorant reactiv triazinic;
Răspunsul la pag. 112
102
Cl
Coloranţi organici
3.6.2 Coloranţi reactivi pirimidinici Cunoscuţi sub denumirea de Reacton (Geigy) şi Drimaren (Sandoz) coloranţii de acest tip au în moleculã un rest tricloropoirimidinic şi se obţin după acelaşi principiu ca şi cei triazinici, utilizând în locul clorurii de cianuril 2,4,5,6–tetracloropirimidina. Obţinerea acesteia porneşte de la esterul malonic: OEt
OEt O O
EtO
O
+ Cl2 - HCl
Cl H EtO
O O
H2N
OH
O NH2
N O Cl
N H
O SO3H NH
N HO
N Cl
O
N
Cl
N
Cl
SO3H
OH
H2N
PCl5
O
NH O
Cl N Cl
N Cl
Cl
Proprietãţile electronoatrãgãtoare ale atomilor de azot labilizeazã atomii de halogen din poziţiile 2, 4 şi 6, cel din poziţia 5 fiind nereactiv. La condensarea cu aminocoloranţi se înlocuieşte atomul de clor din poziţia 6. Legarea de fibrã se realizează prin înlocuirea atomilor de halogen din poziţiile 2 şi 4. prezintă avantajul faţã de cei triazinici cã sunt mai puţin sensibili la hidrolizã în procesul de vopsire.
Colorant reactiv chinoxalinic (albastru)
* structura nu se memorează
3.6. 3 Coloranţi reactivi chinoxalinici Acest tip de coloranţi este reprezentat în general de sortimentul comercial Levafix E (introdus de firma Bayer în 1962), ce conţine în moleculã un rest de 2, 3-diclorochinoxalinã legat de cromofor printr-o punte carbonilamidicã în poziţia 6. Obţinerea lor se face după aceleaşi principii ca şi în cazul coloranţilor clorotriazinici, materia primã de bazã fiind clorura acidului 2,3-diclorochinoxalin-6-carboxilic. Coloranţii reactivi chinoxalinici au o reactivitate medie, fiind destul de puţin sensibili la hidrolizã. Aplicarea lor se face prin vopsire la 400 din soluţie apoasã, la un pH 6.5-7 menţinut prin tamponare cu soluţii alcaline, când reacţionează numai unul dintre atomi de halogen, sau prin imprimare prin aburire la 1030, în aceste condiţii fiind înlocuiţi ambii atomi de clor.
103
Coloranţi organici
3.6.4 Coloranţi reactivi conţinând un ciclu tensionat în moleculã În aceastã categorie intrã toţi acei coloranţi ce conţin un ciclu puternic tensionat în sistemul reactiv din moleculã (ciclu epoxidic) sau care se poate forma în cursul procesului de aplicare pe fibra textilã sub acţiunea agentului alcalin existent în flota de vopsire (ciclu etileniminic). Reacţiile care au loc prin desfacerea unor cicluri de acest tip sunt tot substituţii nucleofile, şi nu adiţii, în aceastã ultimã categorie intrând acele procese în care produsul format ia naştere prin modificarea unei legãturi π. Obţinerea acestor coloranţi are loc de obicei prin tratarea unui aminocolorant cu epiclorhidrinã în mediu acid când rezultã derivaţi clorhidrinici, sau în mediu alcalin având loc formarea de compuşi epoxi. Col
NH2 + H2C
CH
CH2Cl
[H+]
reactivi NH
O
H 2C
cu
grupe
CH2Cl
CH OH
O
NH
H 2C
CH2Cl
CH OH
Albastru Procinil 11 OH N
Col
NH
O Epiclorhidrina
H2C
CH
CH2Cl
[HO-] NH
CH2
N H3C
SO2
H2C
CH
CH2Cl
OH
en Procinil 3
OH
Col
* structurile nu se memorează CH2
CH O
Uneori sinteza coloranţilor se poate face de la intermediari care conţin deja grupa epoxidicã sau clorhidrinicã în moleculã, dacã condiţiile de lucru nu le afectează, de exemplu prin diazotarea unei amine conţinând o astfel de grupã şi cuplarea cu o componentã de cuplare. În procesul de vopsire intervin totdeauna grupe de tipul clorhidrinic datoritã instabilităţii ciclului epoxidic în mediul bazic al flotei de vopsire. Coloranţii din aceastã grupã fac parte din sortimentul comercial Procinil (ICI), nu au grupe solublizante şi se aplicã în special la vopsirea fibrelor poliamidice, îmbinând cu succes calităţile coloranţilor de dispersie cu cele ale coloranţilor reactivi. Aplicarea pe nylon a unor astfel de coloranţi se face întâi ca dispersie într-o baie apoasã slab acidã, apoi prin modificarea pH-ului în alcalin se realizează fixarea cu rezistenţe foarte bune ale vopsirilor la tratamente umede. În toate cazurile o parte din colorant devine inactiv prin hidrolizã, rămânând vopsit sub formã de colorant de dispersie.
104
Coloranţi epoxidice
Galb
Coloranţi organici
Test de autoevaluare 3.14 Scrieţi câte un colorant reactiv cu cromofor antrachinonic conţinând drept grupă reactivă: • un rest pirimidinic;
•
un rest chinoxalinic;
•
o grupare epoxidică;
Răspunsul la pag. 113
Bibliografie pentru unitatea de învăţare nr. 3 1. C. D. Neniţescu “Chimie organică”, ediţia a VIII-a, Ed. Didactică şi Pedagogică,. Bucureşti, 1980, vol. 2, pag. 444-462, 504-554. 2. M. Iovu, “Chimie organică”, Ed. V-a, Bucureşti, 2005, pag. 917-941. 3. L.Floru, F.Urseanu, C.Tărăbăşanu-Mihăilă, R.Palea ”Chimia si tehnologia coloranţilor organici “,Ed. Didactica si Pedagogica,Bucuresti, 1980, pag. 289-360, 374-403, 462-469, 494-501.
105
Coloranţi organici
Lucrare de verificare nr. 3 Instrucţiuni Lucrarea de verificare ale cărei sarcini sunt enunţate mai jos se bazează pe cunoştinţele şi competenţele dobândite în urma studierii unităţii de învăţare nr. 3 (Coloranţi organici). Lucrarea va fi expediată prin poştă tutorelui având grijă să menţionaţi, pe prima pagină, următoarele: denumirea modulului (Obţinerea şi utilizarea substanţelor organice) numărul lucrării de verificare (lucrarea de verificare nr. 3), numele şi adresa dumneavoastră. Sarcinile lucrării A. Coloranţii azoici reprezintă o clasă uzuală de coloranţi pentru cele mai diverse substraturi textile. 1. Găsiţi cât mai multe alternative de sinteză (pornind de la parteneri organici adecvaţi pentru fiecare din coloranţii azoici de mai jos, formulaţi ecuaţiile reacţiilor, specificând condiţiile în care acestea au loc. a.
N N
NO2
b.
N N
OH
CH3CH2OH c. O2N
N N
N CH3CH2OH OH
NH2
N N
d.
HO3S
SO3H
OH e. O2N
NH2
N N
N N
HO3S
SO3H
CH3
N N N
f. CH3O
106
S
N CH3
SO3H
Coloranţi organici
CH3 g.
N N
N
N CH3
2. Stabiliţi raportul molar al reactanţilor în cazul diazotărilor de mai jos: NaNO2 HCl
NH2
a.
b. HO3S
NH2
N N]Cl-
NaNO2 HCl
-
O3S
N N
SO3-
SO3H c. HO3S
NH2
NaNO2 HCl
HO3S
N N
N N+
NH2
O-
OH NaNO2 HCl
d. SO3H
SO3H
3. Precizaţi ce produşi rezultă la tratarea cu azotit de sodiu în mediu acid a următoarelor amine: NH2
NH2
NH2
NH2
NH2
OH
NH2
NH2
4. Pornind de la aminele şi componentele de cuplare de mai jos imaginaţi alternative de obţinere a unor coloranţi pentru uleiuri şi grăsimi, cloraţi de gheaţă (coloranţi azoici de developare), coloranţi de dispersie, coloranţi acizi, coloranţi direcţi utilizând ca alternativă de preparare diazotarea şi cuplarea; NH2
NH2
NH2 NO2
NO2 OH
HO3S
OCH3
OH
OH
SO3H
H3C
OH
N
CH3
NH2
HO3S
107
Coloranţi organici
Extinderea lucrării este apreciată la circa 8-10 pagini. Evaluarea lucrării se face atribuind o pondere de câte 25% fiecărui subiect. Tratarea completă a unui subiect presupune formularea reacţiilor şi comentarii pertinente privind desfăşurarea acestora.
Răspunsuri la testele de autoevaluare Test de autoevaluare 3.1 Cromoforii şi auxocromii în cazul coloranţilor de mai jos sunt: O OH
S S
HO
Auxocrom
O Auxocrom Cromofor
H2N
N N
OH Auxocrom
Auxocrom
Cromofor Cromofor
N(CH3)2]X-
(CH3)2N
Auxocrom
C Auxocrom
Test de autoevaluare 3.2 Afirmaţiile corecte sunt: 2. Coloranţii de dispersie vopsesc fibrele poliesterice. 5. Coloranţii direcţi sunt solubili în apă. 7. Coloranţii de cadă sunt produşi ionici vopsind fibrele sintetice sub formă redusă. Test de autoevaluare 3.3 Sursele naturale din care se obţin sunt: • Garanţa-plante din familia Rubiacee; • Indigoul -plante din familia Indigofera; • Purpura antică-varietăţi de melci; • Carminul – din gândacul Coccus ilicis. • Test de autoevaluare 3.4 1. R. 2 moli 2. R. 1 mol
108
Coloranţi organici
Test de autoevaluare 3.5 Afirmaţiile corecte sunt: 1. Fenolii cuplează în mediu slab bazic. 3. Para-fenilendiamina prin tratare cu NaNO2 în mediu acid conduce la p-benzochinonă. Test de autoevaluare 3.6 O2N
OH N
NH2
OH
N
N
HO3S
N
SO3H
p-Nitroanilina
OH-
Acid H
HO HO3S
N
H+
N
N
HO3S Anilina
N
SO3H H+
p-Nitroanilina
Acid H
OH-
COOH
Anilina
CH3
N
N
N
Acid sulfanilic
NO2
NH2
N
N
Acid 2-hidroxi 3-naftoic (BON)
Anilina
CH3
N,N-dimetilanilina
HO OH
N
N HO3S
N
N H3C
Acid 1-amino 2-naftol 4-sulfonic
1-N-fenil 3-metil 5-pirazolona
Test de autoevaluare 3.7 O
O SO3H NaOH/KOH KClO3
HO3S
OH HO OH
O O
OH
OH
O
O
OH OH
SO3/H2SO4
O O
OH
O
OH
O
OH OH
O
OH
HO MnO2/H+
O
OH
109
Coloranţi organici
Test de autoevaluare 3.8 O
NO2
O
NO2
NO2
HNO3/H2SO4
O
+
O
O
O
NO2
insolubil in masa de reactie NO2
O
HOHN
O
S2O3/H2SO4
O
Transpozitie
NO2
O
NH2
O
NHOH
OH
NH2
O
OH
OH
O
NH2
SO3H SO3/H2SO4 OH
O
NH2
Test de autoevaluare 3.9 O
O
NO2
O
CH3
CH3 HNO3 H2SO4
CH3
Na2S O
O O
NH2
O
O NH2
SO3 H2SO4
O
NH2
O
OH
Ca(OH)2
O
O
O
NH2
SO3H
OH
O
NH2
O
NH2
NH3
O
•
OH
Test de autoevaluare 3.10 colorantul rezultat prin acilarea 2-amino antrachinonei cu clorura acidului benzoic. O NHOC
O
• colorantul rezultat prin acilarea 2-amino antrachinonei cu acid tereftalic.
110
Coloranţi organici O
O CONH
NHOC
O
O
Test de autoevaluare 3.11 •
obţinerea indantronei O
O
SO3H
SO3 H2SO4
NH2
NH3
Hg2+
O
O
O
Topire alcalina t<2700
O
Indantrona
•
obţinerea flavantronei O
O
SO3H
SO3 H2SO4 O
O
NH2
NH3
Hg2+
O
Topire alcalina t>2700
O
Flavantrona
Test de autoevaluare 3.12 a. O
O
CH3 O
COOH
NH3
Degradare Hoffmann
NH
CH3 O
NH2
O +ClCH2COOH COOH Indigo
Topire alcalina
NHCH2COOH
b. NH2 ClCH2COOH -HCl
H N
CH2 COOH
t>2300 KOH -H2O
H N CH2 O [O] Indigo
Test de autoevaluare 3.13 • legare a unui colorant reactiv de substrat; a. substituţie nucleofilă Crom X + HO Celuloza Crom O Celuloza
Crom X +H2N
Proteina
Crom
NH
Proteina 111
Coloranţi organici
b. adiţie nucleofilă Crom CH CH2 + HO
•
Crom CH2 CH2 O
Celuloza
Celuloza
sinteza unui colorant reactiv triazinic; Cl
Crom1
NH2 + Cl
N
HN N
N Cl
N
Cl
Crom1
HN + Crom2
N
NH2
Cl
N
N Cl
Colorant bireactiv
Crom1 N
N
NH
Crom2
Colorant monoreactiv
Test de autoevaluare 3.14 Coloranţi reactivi cu cromofor antrachinonic ce conţin drept grupă reactivă: Cl N O
HN
N
Cl N
Cl
N O
HN
Cl O
HN CH2
CH
CH2 O
O
O
rest pirimidinic
rest chinoxalinic
112
O grupare epoxidica
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Unitatea de învăţare Nr. 4 Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Cuprins .................................................................................................. Pagina Obiectivele unităţilor de învăţare nr. 4 ......................................................................... 115 4.1 Detergenţi ................................................................................................................. 115 4.1.1 Clasificarea detergenţilor .......................................................................... 117 4.1.2. Surfactanţi ................................................................................................ 118 4.2. Cosmetice .............................................................................................................. 126 4.2.1. Creme ...................................................................................................... 126 4.2.2. Parfumuri ................................................................................................ 128 4.2.3. Arome şi aromatizanţi alimentari ............................................................. 130 Lucrare de verificare nr. 4 ............................................................................................ 133 Bibliografia pentru unitatea de învăţare nr. 4 ............................................................. 134 Răspunsuri la testele de autoevaluare ....................................................................... 135
113
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 4 În urma studierii unităţii de învăţare “Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare” veţi dobândi competenţe legate de : • • • • • •
relaţia structură – efect tensioactiv în cazul detergenţilor, produselor cosmetice şi aromelor alimentare comportarea agenţilor tensioactivi în sisteme ternare. structura substanţelor tensioactive în corelare cu domeniul de utilizare al acestora. sinteza agenţilor tensioactivi anionici, cationici şi neionici şi a unor arome alimentare conceperea unor noi tipuri structurale de agenţi tensioactivi cu grupe active consacrate. obţinerea materiilor prime necesare fabricării detergenţilor, produselor cosmetice şi aromelor alimentare
4.1. Detergenţi Introducere Pentru îngrijirea corpului şi spălarea ţesăturilor oamenii au folosit încă din cele mai vechi timpuri săpunul sau preparate pe baza acestuia. Astfel utilizarea săpunului este menţionată în tabelele de la Teilo-Sumerian, Lagos, fiind cunoscută de sumerieni încă din anul 2500 î.Hr. Primul detergent - Bleichsoda (amestec de săpun praf şi silicat de sodiu) a apărut în anul 1878 în Germania. De atunci conceperea de noi produşi şi găsirea de noi domenii de utilizare a cunoscut o dezvoltare continuă. Orice detergent este un compozit/ amestec, ce conţine substanţe tensioactive / surfactanţi (săpun de exemplu) şi agenţi de condiţionare. Dintre aceştia menţionăm: agenţi de dedurizare a apei, agenţi pentru suspendarea murdăriei, agenţi de albire chimică, de reglare a spumei, inhibitori de coroziune, conservanţi, dezinfectanţi, parfumuri etc. S-a urmărit mai ales îmbunătăţirea proprietăţilor de spălare a detergenţilor prin extinderea gamei produselor de condiţionare.
114
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Utilizarea fosfaţilor (PERSIL - Germania 1907) a constituit un pas important în îmbunătăţirea proprietăţilor de spălare ale detergenţilor pe bază de săpunuri.
Molecula unui agent activ de suprafaţă este caracterizată prin existenţa unor porţiuni polare (ionice) sau hidrofile (cu afinitate pentru apă) şi a unora nepolare lipofile (hidrofobe) cu afinitate pentru substanţele nepolare. Aceasta structură este denumită amfifilă, surfactanţi prezentând în acelaşi timp atât afinitate (filie) pentru apă cât şi repulsie (fobie) faţă de cei mai mulţi solvenţi polari, în special faţă de apă.
Componenţii de bază ai detergenţilor sunt agenţi activi de suprafaţă (surfactanţi). Aceştia sunt substanţe organice care au proprietatea de a se distribui la interfaţă în prezenta unor faze nemiscibile (ulei-apă, murdărie-apă, etc.). În figura 4.1 sunt prezentate o parte din interacţiunile surfactanţilor în soluţii apoase.
rest hidrobob (de obicei rest de hidrocarbura)
rest hidrofil grupa polara/ionica
2
3
1 5
Fig. 4.1 Interacţiuni ale surfactanţilor în soluţii apoase: 1. Soluţii izotrope de surfactant monomer 2. Adsorbţii de suprafaţa solid-lichid 3. Adsorbţii de interfaţa lichid-lichid 4. Adsorbţii de interfaţa lichid-vapori 5. Faze lamelare (cristale lichide)
4
115
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
4.1.1. Clasificarea detergenţilor O clasificare succintă a detergenţilor este prezentată în tabelul 4.1. Tabelul 4.1 Clasificarea detergenţilor Nr. CRITERIU DE TIPURI DE DETERGENŢI crt. CLASIFICARE 1. După forma de - detergenţi pudră (granulaţi) prezentare - detergenţi bară - detergenţi tablete - detergenţi lichizi - detergenţi gel - detergenţi pentru utilizare După tipul 2. menajeră utilizatorului - detergenţi pentru utilizare industrială După tipul de - produse pentru spălări 3. curăţare grele (pentru îmbrăcăminte sau veselă) - produse pentru spălări uşoare (pentru îmbrăcăminte) - produse pentru curăţare (produse pentru veselă sau alte suprafeţe tari) După tipul de - detergenţi pentru rufe 4. articole (spălare în maşini curăţate automate, spălare manuală, produse speciale – aditivi pentru spălare) - detergenţi pentru veselă (spălare în maşini automate, spălare manuală) - detergenţi pentru curăţarea suprafeţelor (produse pentru frecare, produse pentru igienizare) După natura - detergenţi ce conţin 5. surfactantului surfactanţi ionici (cationici, anionici, amfionici) - detergenţi ce conţin surfactanţi neionici
116
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Clasificarea detergenţilor are ca scop facilitarea alegerii celui mai potrivit produs pentru un utilizator cu cerinţe specifice. Un detergent ideal ar trebui să aibă următoarele calităţi: • sa spele cu uşurinţă, fără a manifesta o afinitate foarte mare pentru fibrele textile; • să fie eficient indiferent de duritatea apei; • să fie eficient la concentraţii mici de utilizare; • să aibă costuri mici şi performanţe ridicate; • să conţină agenţi pentru tuşeu şi antistatizanţi; • să aibă spumare controlată; • să fie biodegradabil şi să nu afecteze mediul; • să fie bine tolerat de piele.
4.1.2 Surfactanţi Aşa cum s-a arătat, surfactanţii reprezintă grupul cel mai important de componente dintr-un detergent. După criteriul disociaţiei electrolitici surfactanţii pot fi: Surfactanti anionici
Surfactanti
Surfactanti ionici (genereaza ioni in solutie apoasa)
Surfactanti cationici Surfactanti amfoteri
Surfactanti neionici
Surfactanţi anionici Moleculele surfactanţilor anionici prin ionizare în soluţie apoasă formează anioni organici şi cationi. Aceştia se pot formula astfel: R─A-Me+ unde R este un rest hidrofob de hidrocarbură cu 1216 atomi de carbon, A- grupare hidrofilă ionizată care poate fi: carboxilat (− COO-), sulfonat ( − SO 3− ), sulfat
( − OSO 3− ) sau fosfat ( − OPO(OH)O − ), iar Me+ ionul unui metal alcalin, amoniu sau tetraalchilamoniu. Frecvent pentru fabricarea detergenţilor se utilizează următorii surfactanţi anionici: săpunuri, alchilbenzen-sulfonaţi, alcooli graşi sulfataţi şi alchiletersulfaţi.
117
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Săpunurile sunt săruri ale acizilor graşi. Acizii graşi sunt compuşi de provenienţă naturală (hidroliza grăsimilor). Ei sunt acizi monocarboxilici liniari cu număr par de atomi de carbon. În tabelul 4.2 sunt prezentaţi principalii acizi graşi. Tabelul 4.2 Principalii acizi graşi Acizi cu catena liniara p.t. (0C)
Acid butiric CH3(CH2)2COOH Acid capronic CH3(CH2)4COOH Acid caprilic CH3(CH2)6COOH Acid caprinic CH3(CH2)8COOH Acid lauric CH3(CH2)10COOH Acid miristic CH3(CH2)12COOH Acid palmitic CH3(CH2)14COOH Acid stearic CH3(CH2)16COOH Acid arahic CH3(CH2)18COOH Acid behenic CH3(CH2)20COOH
- 7.9 - 3.9 + 16.3 31.3 44.0 54.4 62.8 69.6 75.3 80
p.f. la 760 mm (0C) 163.5
0.964/200
205.8
0.922/200
239.7
0.910/200
270
0.853/800
299
0.848/800
122/1 mm
0.844/800
139/1 mm
0.841/800
160/1 mm
0.839/800
205/1 mm 306/60 mm
Deoarece grăsimile nu sunt compuşi unitari şi acizii graşi rezultaţi prin hidroliza acestora sunt amestecuri complexe de compuşi. Astfel, de exemplu acizii graşi rezultaţi prin hidroliza seului conţin 4045% acid oleic, 25-30% acid palmitic, 15-20% acid stearic. Fabricarea săpunurilor de la grăsimi se poate realiza prin două metode distincte, funcţie de modul de hidroliză a grăsimii: • hidroliză bazică a grăsimii în prezenţă de hidroxizi alcalini (NaOH, KOH) în mediul apos când din reacţii rezultă direct săpunuri (săruri ale acizilor graşi); • hidroliza în cataliză acidă cu vapori de apă sub presiune a grăsimilor când din reacţii rezultă acizi graşi liberi. Neutralizarea acestora poate conduce la săpunuri de amoniu, litiu, sodiu, potasiu. 118
d4
-
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Săpunurile metalelor grele CaII, BeII, AlIII etc., utilizate ca lubrifianţi se obţin prin reacţii de schimb cu participarea sărurilor alcaline ale acizilor graşi: 3 C17H35COONa + CaCl2 stearat de sodiu
H 2O / t
(C17H35COO)Ca + 2 NaCl stearat de calciu
Uneori săpunurile se obţin direct în procesul de condiţionare a detergenţilor prin neutralizare cu carbonat de sodiu a acizilor graşi. Utilizarea amestecurilor de acizi carboxilici rezultaţi prin oxidarea alcanilor superiori la fabricarea săpunurilor este rară, deoarece acestea conţin şi acizi cu număr impar de atomi de carbon care sunt nebiodegradabili. Alcoolii graşi sulfonaţi (alchil sulfaţi) conţin în moleculă un rest monoesteric al acidului sulfuric ca sare de sodiu: CnH2n+1− O − SO3-Na, unde 12≤n≤35. Aceştia se prepară prin următoarea succesiune de reacţii: CnH2n+1
OH
+ H2SO4 sau HClSO3
CnH2n+1
O
SO3H
+ NaOH CnH2n+1
O
SO3Na
În compoziţiile detergente frecvent se folosesc amestecuri de alcooli graşi C12 – C18 fie de provenienţă naturală fie sintetici. Alcoolii graşi de provenienţă naturală se obţin prin hidrogenarea grăsimilor: O CH2
O
C O
CnH2n+1
CH
O
C O
CmH 2m+1
CH2
O
C
CpH2p+1
triglicerida ( grasime )
CH2 + H2 Ni / Pd
CH CH2
OH OH OH
glicerina
CnH2n+1OH + CmH 2m+1OH CpH2p+1OH alcooli superiori
O altă sursă de alcooli graşi o constituie oxidarea alcanilor superiori, frecvent în cataliză omogenă în prezenţa naftenatului de cobalt drept catalizator:
119
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
CnH2n+2
+ O2 naftenat de Co
CnH2n+1OH +1/2 H 2O
Etersulfaţii –sau eteralchilsulfaţii sunt compuşi anionici rezultaţi prin sulfatarea alcoolilor graşi polietoxilaţi. Obţinerea lor implică următoarea secvenţă de reacţii: CnH2n+1OH n = 12 14 + H2SO4 sau HClSO3
O CH CH2 + 2 sau CH2 OH
CH2
CnH2n+1(-O-CH2-CH2)m OH m=2 5
Cl
+ NaOH CnH2n+1(-O-CH2-CH2)m -O-SO3Na CnH2n+1(-O-CH2-CH2)m -O-SO3H
Dacă alcoolii graşi provin din grăsimi n este par. Daca aceştia provin din oxidarea alcanilor n poate fi par sau impar. Alchilbenzensulfonaţii –sunt agenţii tensioactivi cei mai utilizaţi în compoziţiile detergenţilor lichizi şi a celor granulaţi. Obţinerea acestor compuşi implică următoarea secvenţă de reacţii: CnH2n+1
CnH2n+1
+ H2SO4
+CnH2n AlCl3 umed , sau H2SO4,sau H3PO4 etc
+ NaOH
rar HCl
alchilbenzen
SO3H
SO3Na
acid alchil benzensulfonic
alchilbenzensulfonat de sodiu
Aceşti agenţi tensioactivi sunt biodegradabili în proporţie de 90 - 98%. Surfactanţi cationici Moleculele surfactanţilor cationici în soluţie generează cationi organici şi anioni. Aceştia se pot formula astfel:
CnH2n+1
+ N
R1 R2 X R3
unde CnH2n+1 este un rest de hidrocarbură cu 12 – 18 atomi de carbon iar R1, R2 şi R3 pot fi hidrogen sau resturi alchil cu masă moleculară mică (metil, etil). 120
CnH2n+1
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Anionul de compensare X – este de obicei un halogen, frecvent Cl –. Obţinerea acestor compuşi pornind de la acizi graşi naturali implică următoarea secvenţă de reacţii: CnH2n+1
COOH
+ NH3
CnH2n+1
COONH4
n = 12 17 CnH2n+1
CnH2n+1
CH2
t0 - H2O
NH2
CnH2n+1
CONH2 t0 - H2O
+ H2
CnH2n+1 cataliz.
C
N
CmH 2m+1 H2SO4 , HCl sau H3PO4 , m=1 2 + CH2 N(CmH 2m+1)3 Cl -
Agenţii tensioactivi de acest tip pot fi produse unitare (amine cuaternare) sau amestecuri de amine secundare, terţiare şi cuaternare protonate. Surfactanţii amfoteri conţin în moleculă atât grupări donoare de protoni (acide) cât şi grupări acceptoare de protoni (bazice). În soluţii apoase ei pot genera ioni bipolari (amfioni). În funcţie de caracterul solventului sau de pHul mediului soluţiile obţinute pot avea fie un caracter slab acid sau unul slab bazic. Menţionăm principalele tipuri structurale de surfactanţi amfoteri precum şi alternative de obţinere a acestora:
- betaine
CnH2n+1
NH2
ClCH2COOH
CnH2n+1
NH
n = 12 18
CH3OH HCl
CH3OH HCl CnH2n+1
N(CH3)2
CH 2COOH
ClCH2COOH
CnH2n+1
+ N(CH3)2
CH2COO betaina
121
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
- sulfobetaine CnH2n+1
NH2
n = 12 18 + CH3OH HCl
+ HOCH2SO3Na (CHO + NaHSO3)
CnH2n+1
CnH2n+1
NHCH 2SO3Na
+ N(CH3)2
CH2 SO3sulfobetaina
Surfactanţii amfoteri sunt utilizaţi mai ales în compoziţiile detergenţilor destinaţi ţesăturilor fine şi amestecurilor lână - bumbac. Surfactanţi neionici Aceşti compuşi, aşa cum sugerează şi numele, la dizolvare în apă nu generează ioni. În acest caz gruparea hidrofilă interacţionează cu apa prin legături de hidrogen:
R
OH + H2O
R
O
H
H
O
H
Menţionăm principalele tipuri structurale de surfactanţi neionici precum şi alternative de obţinere a acestora:
• esteri ai acizilor graşi cu polialcooli (glicol esteri, gliceril eteri, esteri ai sucrozei, etc.) de exemplu: OH
CnH2n+1 COOH Acid gras CnH2n+1
•
CH2
CH2
O
CH2
CH2
OH
H3O+ COOCH2 CH2 O CH2 ester al dietilenglicolului
CH2
OH
etanolamide ale acizilor graşi, cum sunt de exemplu:
122
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
CnH2n+1
COOH
H2N CH2 CH2 OH
Acid gras CnH2n+1
COO- H3N
CH2
CH2
OH
0
t CnH2n+1
CONH
CH2
CH2
OH
β-hidroxietilamida acidului gras
•
produse polietoxilate: În toate cazurile acestea se obţin prin tratarea cu etilenclorhidrină sau etilenoxid a unui molecule organice ce conţine o grupare donoare de protoni (alcool, fenol, acid etc.):
R H donor de protoni
O + CH2 CH2 sau CH2 OH
CH2
R (OCH2CH2)n OH produs polietoxilat
Cl
Din aceasta categorie fac parte: • alcooli graşi polietoxilaţi
CnH2n+1 (OCH2CH2)m OH , n = 12 ÷ 18, m = 3 ÷ 50 •
acizi graşi polietoxilaţi:
CnH2n+1
CO (OCH2CH2)m OH , n = 12 ÷ 18, m
= 8 ÷ 16 • alchilfenolipolietoxilaţi (cel mai cunoscut fiind nonilfenolul). n = 8 ÷ 12, CnH2n+1 (OCH2CH2)m OH m = 8 ÷ 16 •
amine grase polietoxilate:
CnH2n+1
N
(CH2CH2O) x H (CH2CH2O) y H
n = 12 ÷ 18, x,y = 7 ÷ 12
123
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
•
amide grase polietoxilate: CnH2n+1 CON
(CH2CH2O) x H (CH2CH2O) y H
Agenţii tensioactivi neionici sunt activi la concentraţii mai mici decât cei anionici şi cationici şi au proprietăţi spumante mai reduse. Importanţă deosebită pentru producerea detergenţilor o au alchil fenolii polietoxilati şi alcoolii graşi polietoxilaţi. Pentru ca un agent tensioactiv indiferent de tipul său structural să poată fi utilizat cu succes într-o compoziţie detergentă trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: - să aibă proprietăţi de absorbţie, udare, îndepărtare, dispensare şi antiredepunere a murdăriei; - să fie uşor solubil şi puţin sensibil la duritatea apei; - să fie stabil la stocare; - să fie bine tolerat de om şi mediul înconjurător; - să aibă un preţ acceptabil; - sa fie cât mai uşor biodegradabil.
Test de autoevaluare 4.1. Ilustraţi pentru detergentul din figură interacţiunile cu apa în soluţie apoasă SO3Na
Răspuns la pag. 134
124
C12H25
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
4.2. Cosmetice Introducere Am văzut în secţiunea 2 importanţa medicamentelor pentru menţinerea şi restabilirea sănătăţii organismului. Dar natura umană nu se mulţumeşte doar cu atât, este preocupată şi de aspectul fizic , exterior al corpului şi nu de acum ci din cele mai vechi timpuri: prima reţetă cosmetica datează de acum 6000 de ani. Cosmeticele sunt preparate destinate a fi aplicate pe suprafaţa externă a corpului (sau pe mucoase) cu scopul exclusiv de îngrijire, curăţire, modificarea mirosului corporal, păstrarea prospeţimii pielii şi aspectului plăcut al acesteia. Cosmetica este în acelaşi timp şi o artă care corectează imperfecţiunile, le estompează iar prin tehnicile ei îşi aduce aportul la menţinerea organismului în bune condiţii de igienă şi sănătate. Ea este strâns legată de terapeutica medicală, nu există dereglare în starea de sănătate care să nu afecteze pielea şi tenul. Aşa dar, îngrijirea sănătăţii şi a frumuseţii se întrepătrund, cosmetica şi dermatologia merg mână în mână. Produsele cosmetice cuprind o largă varietate de preparate în funcţie de partea corpului pe care se aplică: - pe faţă: loţuni, măşti, creme, emulsii, farduri; - pe pielea corpului: emulsii, creme, geluri de duş, deodorante, loţuni de corp, săpunuri; - pe păr: şampoane, fixative, vopsele, balsamuri; - în cavitatea bucală : pastă de dinţi, ape de gură; - parfumuri
4.2.1. Creme Cremele sunt preparatele cosmetice principale de îngrijire a pilii. Pielea este organul care înveleşte întreaga suprafaţă a corpului omenesc, reprezentând cca. 6% din greutatea acestuia. Grosimea medie a pilii este de 2mm, variind cu sexul (la bărbaţi este mai groasă), vârsta şi regiunea corpului. In organism pielea îndeplineşte o serie de funcţii importante: protecţie, contribuie la menţinerea temperaturii constante a corpului şi eliminarea substanţelor inutile şi toxice din organism prin transpiraţie, respiraţie (schimb de substanţe nutritive), barieră in calea pătrunderii unor materiale dăunătoare sănătăţii.
125
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Pielea conţine aproape 12% din cantitatea totală de apă din organism şi elimină zilnic aproximativ 19% din apa totală eliminată. Ea se mai caracterizează printr-o mare elasticitate, 1cm2 poate suporta o greutate de 1Kg. Formula cadru a unei creme este alcătuită din 3 componente: • faza grasă • faza apoasă • agent de parfumare Faza grasă cuprinde compuşi cu acţiune hidratantă, emolientă şi conservanţi liposolubili.
Ca agenţi hidratanţi se folosesc în general hidroxiacizi (de ex. acid lactic, acid malic) şi ceramide. Ceramidele sunt fosfolipide (fosfogliceride) formate din molecule de grăsimi în care unul dintre acizii graşi este înlocuit cu acid fosforic. Ele sunt extrase din coaja unor fructe tropicale (portocală) şi au rolul de a împiedica pierderea apei din piele. Glicerina ca atare, este un hidratant local absorbind apa din straturile interioare ale pielii şi aducând-o la suprafaţă. Emolienţii naturali se procură din diferite surse animale sau vegetale sub formă de amestecuri alcătuite din compuşi chimici cu structuri foarte diferite. Câteva exemple mai des utilizate sunt următoarele compozite: • Uleiul de avogado, extras din fructe proaspete,conţine acizi nesaturaţi din grăsimi (acid oleic, linolic), acizi graşi saturaţi (palmitic, stearic) şi cantităţi mici din vitaminele A, B, E. • Untul de cacao se izolează din boabele arbustului de Cacao. Untul de cacao este compus din gliceride ale acizilor oleic, palmitic şi stearic alături de aceiaşi acizi liberi. El mai conţine şi acid arahidonic, un acid cu 20 de atomi de carbon în moleculă şi 4 duble legături. Ceara de albine este un amestec de esteri, alcooli şi acizi liberi cu număr mare de atomi de carbon (cuprins între 25-31), saturaţi şi cu catenă neramificată • Uleiul de măsline conţine aproape 80% acid oleic.
126
CH2 OPO3H2 CH
OCOR1
CH2 OCOR2 fosfolipidă
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH acid oleic CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH acid linolic CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH acid arahidonic
CH3(CH2)14CH2OH alcool cetilic CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CH2OH alcool oleic
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
• Cetceum. Acesta este produs de un mamifer marin, caşalot, fiind alcătuit din esterul acidului palmitic cu alcoolul cetilic (cu 16 atomi de carbon) alături de esteri ai acizilor stearic şi lauric cu alcoolul oleic. • Lanolina ocupă un loc aparte având proprietăţi atât hidratante cât şi emoliente bucurându-se de o absorbţie maximă în piele. Lanolina este grăsimea blănii de oaie din care se izolează prin spălarea lânei (se adună la suprafaţa apelor de spălare). Din punct de vedere chimic lanolina este un amestec complex format din esterii acizilor graşi cu un număr de atomi de carbon între 10 şi 28 cu alcooli saturaţi (cu 18-20 atomi de carbon), acizii şi alcoolii corespunzători liberi, compuşi steroidici şi ceruri. Faza apoasă reprezintă aproximativ 70% din compoziţia unei creme. Este formată din apa distilată, conservanţi, principii active (lecitină) hidrosolubile şi emulgatori. Conservanţii se utilizează pentru a împiedica degradarea componentelor cremelor. Conservanţii cei mai utilizaţi sunt esterii acidului p-hidroxibenzoic cu alcooli inferiori (metanol, etanol, propanol) denumiţi parabani, în amestec cu imidazolidinuree. Aceşti compuşi sunt activi la un pH apropiat de cel al pielii care este cuprins între 5,5 şi 6,5. In acelaşi timp aceste substanţe folosite drept conservanţi posedă şi proprietăţi antifungice şi antibacteriene slabe.
4.2.2. Parfumuri Mirosul plăcut, miresmele sunt mesageri chimici, receptorii lor fiind celulele olfactive localizate în nas. Acestea se datorează unor compuşi organici puternic mirositori, de obicei cu un miros plăcut. Informaţia senzorială obţinută prin interacţia moleculelor unor substanţe mirositoare sau arome cu receptorii olfactivi este transmisă la creier care trimite răspunsul tradus prin miros. Percepţia fină a mirosurilor, foarte diferite, este vitală pentru organismele animale care folosesc chemoreceptorii olfactivi pentru orientare, procurarea hranei, depistarea inamicului sau pentru găsirea partenerului de sex opus (feromoni). Deşi pentru om mirosul nu are aceiaşi importanţă, nu este vital, este sigur că acesta afectează comportamentul uman.
127
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Produsele cosmetice –parfumuri- sunt amestecuri complexe alcătuite din numeroşi compuşi mirositori cu structuri chimice diferite din a căror combinare rezultă mirosul specific fiecărui parfum. Substanţa odorantă trebuie să fie volatilă şi să aibă o masa moleculară mai mică de 200, rareori se întâlnesc compuşi mai grei. Mirosul unui parfum se schimbă în timpul evaporării şi este împărţit in 3 note:
o notă de vârf dată de substanţe cu volatilitate mare, ce dau prima impresie olfactivă - o nota de mijloc (sau de corp) dată de substanţe cu volatilitate medie, ce rămâne pe piele un timp mai îndelungat şi care reprezintă nota de miros
COOCH3
OH metil paraban
- o notă de bază conferită de substanţe greu volatile, cu molecule mari care îndeplinesc uneori şi rolul de fixatori. Percepţia mirosului depinde şi de intensitatea acestuia şi de aceea nota tipică este dată de volatilitate. După nota generală de miros se disting mai multe tipuri de miros: nota florală caracteristica florilor naturale de violete, liliac, trandafiri zambile; nota natural proaspăt o notă florală cu uşoară tentă picantă; nota orientală, caldă cu miros de ambră şi esenţe lemnoase (santal); nota cu elemente florale grele (tuberoză); nota florală fructată rezultată din combinarea florilor cu fructele parfumate. Materiile prime necesare preparării parfumurilor –substanţe odorante- pot fi obţinute din surse naturale sau pot fi compuşi de sinteză. Principiile odorante naturale provin în majoritatea lor din surse vegetale : flori, fructe, frunze sau rădăcini. Ele se obţin din plante prin extracţie cu solvenţi organici, antrenare cu vapori de apă, prin presare la rece sau prin extragere cu grăsimi. Din punct de vedere structural substanţele odorante vegetale fac parte din clasa terpenilor. Terpenii sunt hidrocrburi, de origine vegetala, cu formula generală C10H16. Derivaţii oxigenaţi ai terpenilor se numesc terpenoide. Formal, ei pot fi construiţi prin legarea a două resturi de izopren”cap la coadă”. In afară de terpeni în natură există compuşi alcătuiţi dintr-un număr mai mare de unităţi izoprenice, ca de exemplu diterpeni (C20H36 ) sau tetraterpeni (C40) denumite carotinoide. (vezi vitamina A).
128
CH2OH
geraniol
OH mentol*
limonen*
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Geraniolul este componenta principală a uleiului obţinut din florile de trandafir şi de muşcată; din coaja de lămâie se obţin limonenul şi citralul; mirosul florilor de levănţică este datorat izomerului levogir al linaloolului în timp ce izomerul dextrogir dă mirosul florilor de portocal; din florile de micşunele (toporaşi) se izolează β-ionona; mentolul este principiul odorant al plantei cunoscută sub denumirea de izmă. Ca surse animale, cele mai utilizate în parfumerie pot fi menţionate moscul şi ambra. Moscul sau mai corect muscona este o substanţa cu miros caracteristic, foarte puternic, secretată de o glandă ce se găseşte pe abdomenul masculului unui animal denumit mosc ce trăieşte in Asia. Structural, muscona este o cetonă ciclică având 16 atomi de carbon în moleculă Ambra (spermaceti) este o substanţă ceroasă izolată din intestinul caşalotului.
CHO
citral*
OH
linalool*
CH3 CH (CH)12 mosc*
CH2 C O
Principiile odorante de sinteză sunt în general esteri, ca de exemplu: acetatul şi propionatul de benzil au miros de iasomie, esterii acidului izovalerianic au miros de mere. etc. Există şi alte clase de compuşi, cu funcţiuni diferite de cea esterică ce pot fi utilizate ca esenţe parfumante. O notă de proaspăt asociată cu miros de mere verzi o prezintă şi dietil acetalul acetaldehidei.
Produsele odorante naturale şi sintetice se folosesc prin combinare în diferite proporţii, de către persoane specializate, înzestrate cu un deosebit simţ al mirosului pentru alcătuirea uleiului de parfum. Se combină în jur de 50 de substanţe odorante rezultând cca. 3000 de combinaţii care formează o paletă imensă de parfumuri cu caracteristici de miros diferite. Intr-o asemenea combinaţie fiecare substanţă are un rol specific, bine determinat. Parfumurile conţin 15-20% ulei de parfum dizolvat în alcooletilic rafinat alături de conservanţi, fixatori de parfum şi substanţe cu rol de protecţie faţă de radiaţii UV. Apa de colonie conţine 3-12% ulei de parfum şi spre deosebire de parfum are şi un procent ridicat de apă distilată.
129
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
4.2.3. Arome şi aromaţizanţi alimentari Aroma unui produs alimentar este un ansamblu de senzaţii olfactive, gustative şi tactile percepută in momentul consumării acestuia. Aromatizaţii alimentari sunt substanţe chimice naturale sau sintetice care participă la elaborarea unui aliment pentru a-i conferi o anumită aromă sau a-i modifica aroma existentă. Aromatizaţii naturali sunt obţinuţi din surse naturale de origine vegetală şi animală. Primele aromatizante cunoscute şi utilizate ca atare, au fost plantele şi condimentele de tipul pătrunjelului, mărarului, cimbrului, tarhonului, piperului, muştarului, scorţişoarei etc. Utilizarea directa a acestora în industria alimentară prezintă avantajul unei prelucrări simple ce constă numai în uscare şi măcinare şi dezavantajul unei difuzii lente şi inegale în toata masa de aliment; în plus lipsa sterilizării poate aduce o încărcătură microbiana de loc de neglijat. Principala sursă de arome naturale folosite în industria alimentară o constituie însă extractele şi uleiurile esenţiale obţinute din plante prin diferite procedee: antrenare cu vapori de apă, extracţie cu solvenţi organici (hexan, diclorometan, metanol, etanol, butanoli, acetaţi de alchil), presare la rece sau distilare uscată. O metodă mai nouă foloseşte în locul solvenţilor amintiţi bioxidul de carbon în stare subcritică (50-80mmHg şi t=0-100C).
Sunt redate mai jos câteva exemple: Extractele de fructe aromate proaspete (căpşuni, zmeură, ananas) obţinute prin extracţie cu etanol-apă se utilizează pentru alimente ce nu necesită prelucrare termica îndelungată (iaurt, băuturi răcoritoare) deoarece se degradează la temperaturi ridicate. Extractul de carne se prepară prin extracţia cu apă de 900C a cărnii tocate, urmată de filtrare şi concentrarea soluţiei la presiune redusă. O clasă aparte de aromatizanţi naturali o constituie hidrolizatele proteice şi aromele de fermentaţie. Acestea se obţin prin procedee enzimatice (proteaze) pornind de la materii prime naturale ca: drojdie de bere, lapte, zer, grăsimi sau terciuri de fructe. Se obţin astfel arome de unt, brânză tip Roquefort, pâine sau arome de fructe.
130
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Aromatizanţii sintetici sunt substanţe chimice de sinteză. Ei pot avea structuri chimice identice cu cele ale compuşilor naturali care conferă mirosul caracteristic al acestora sau pot fi substanţe fără corespondent în natură. Avantajul utilizării aromatizanţilor sintetici rezidă din calitatea şi cantitatea lor constantă disponibilă, indiferent de anotimp sau recoltă. Pe de altă parte compoziţia constantă permite o standardizare a aromelor iar prin combinarea lor este posibilă creearea unor aromatizanţi noi, fără corespondenţi naturali. Aroma fructată este caracterizată de mirosul dulce al fructelor coapte de tip banane, pepene galben, pere, piersici, etc. Aromele de fructe nu sunt numai caracteristice esterilor acizilor carboxilici, acestea pot fi întâlnite şi la alţi compuşi aparţinând altor clase structurale. Astfel cetonele, lactonele aldehide sub formă acetalică pot prezenta arome fructate. Acetatul de izoamil sau esterul acidului acetic cu 3-metilbutanolul (alcool izoamilic) este cel care dă nota dulceagă a tuturor aromelor fructate. 4-(p-Hidroxifenil)-2-butanona este cunoscută sub numele de cetona zmeurei. Se obţine industrial din fenol şi metilvinilcetona, printr-o reacţie Friedel – Crafts, în prezenţa acidului fosforic drept catalizator. Citralul unul dintre cei mai importanţi aromatizanţi, se prepară in cantităţi industriale din izobutenă şi formaldehidă. Aldehida cinamică constituie principalul component odorant al uleiului extras din coaja arborelui de scorţişoară. Industrial se prepară prin condensarea acetaldehidei cu benzaldehidă în exces, pentru a micşora ponderea reacţiei de condensare a acetaldehidei cu ea însăşi.
+ CH2=CH-CH- C- CH3 O
OH fenol
metil-vinil-cetona H3PO4
CH2-CH2-CH- C- CH3 O
OH cetona zmeurei
CH3-CH=O HO-
CH=O benzaldehida
CH=CH-CH=O aldehida cinamica
Vanilina este substanţa frumos mirositoare nelipsită din toate produsele de cofetărie. Ea se poate extrage din fructele fermentate ale arborelui de vanilie (Vanilla fragrans) sau se poate obţine prin sinteză. Sursa industrială de vanilină o constituie apele reziduale sulfitice obţinute la fabricarea celulozei din lemn. Prin tratarea acestor ape reziduale cu baze (NaOH) şi oxidare cu aer la
OH
OH
OC 2H 5
OCH 3
CH=O vanilina
CH=O etilvanilina
131
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
temperatură şi presiune ridicată, vanilina este separată prin extracţie cu butanol (sau benzen). Etilvanilina este un analog de sinteză, nenatural, al vanilinei, ce prezintă o putere de aromatizare de 3 ori mai mare decât aceasta. Se obţine prin condensarea monoeterului etilic al pirocatehinei cu acid glioxilic.
Problemă rezolvată Sintetizaţi etilvanilina pornind de la materiile prime menţionate mai sus. Rezolvare: Gruparea aldehidică din acidul glioxilic se condensează cu pirocatehina monoeterificată, în poziţia para şi mai puţin în orto, mai împiedicată steric; reacţia este cunoscuta de la condensarea fenolului cu formaldehidă.(vezi modulul Chimie organică) Alcoolul (de tip benzilic ) rezultat se oxidează cu aer la cetona corespunzătoare care prin încălzire se decarboxilează, astfel obţinându-se etilvanilina. OH
OH
OC2H5
OC2H5
+ O=CH-COOH monoetileterul pirocatehinei
acid glioxilic
aer / cat.
H+
CH COOH OH
OH
OH
O
OC2H5
OC2H5
H+ -CO2
C COOH
CH=O etilvanilina
Test de autoevaluare 4.2. Preparaţi acidul glioxilic prin reacţiile cunoscute din chimia organică, pornind de la acidul acetic. Răspuns la pag. 134
132
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Diacetilul şi acetona sunt arome cu miros caracteristic de unt proaspăt ce se utilizează la aromatizarea margarinei. Potenţatorii de aromă sunt compuşi chimici care nu au aromă proprie dar care interacţionează cu aromatizanţii intensificându-le puterea de aromatizare. Glutamatul monosodic , codificat E 621, este cel mai utilizat potenţator de aromă, produs industrial încă din anul 1909. Acidul glutamic se obţine prin hidroliza acidă a proteinelor. Ca materii prime se utilizează glutenul, o proteină din grâu, fulgi de soia sau alge marine. Aceste materiale sunt hidrolizate prin încălzire cu HCl; filtrarea masei de reacţie urmată de concentrarea soluţiei la presiune redusă duce la precipitarea acidului glutamic sub formă de clorhidrat. Sarea monosodică se obţine prin tratarea clorhidratului cu NaOH, decolorarea soluţiei cu cărbune şi concentrare în vid. Metoda modernă de obţinere a acidului glutamic constă într-o sinteză biochimică realizată de bacteriile Micrococcus glutamicus , prin procedeul fermentativ. (vezi antibiotice). Mediul de cultură este format din melase sau hidrolizate de amidon, săruri de amoniu şi uree ca surse de azot şi biotină care ajută la dezvoltarea bacteriilor. După terminarea fermentării, din soluţia rezultată in urma filtrării acidul glutamic se precipită prin acidulare (HCl) până la punctul izoelectric (pH=3) şi se transformă în sare de sodiu prin tratare cu NaOH. Glutamatul de sodiu se găseşte în cantităţi mici şi în unele alimente cum ar fi :lapte, ouă, carne, roşii, spanac, mazăre.
CH3 C
CH CH3
O OH acetoina CH3 C
C CH3
O O diacetil
HOOC CH2 CH2
CH COONa NH2
glutamat monosodic E 621
Alţi potenţatori de aromă, derivaţi de la acidul glutamic sunt sărurile acestuia cu baze diferite. De exemplu : glutamatul monopotasic (E622), glutamatul de calciu (E623), gluatamatul de amoniu (E624)sau glutamatul de magneziu (E625).
133
Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare
Lucrare de verificare nr. 4 Instrucţiuni Lucrarea de verificare ale cărei sarcini sunt enunţate mai jos se bazează pe cunoştinţele şi competenţele dobândite în urma studierii unităţii de învăţare nr. 4 (Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare). Lucrarea va fi expediată prin poştă tutorelui având grijă să menţionaţi, pe prima pagină următoarele: denumirea modulului (Detergenţi, cosmetice şi arome alimentare), numărul lucrării de verificare, numele şi adresa dumneavoastră. Sarcinile lucrării 1. Enumeraţi criteriile de clasificare ale detergenţilor. 2. Daţi câte un exemplu de surfactant anionic, surfactant cationic şi surfactant amfoter. Găsiţi o cale de sinteză pentru fiecare din exemplele date pornind de la C12H25COOH 3. Enumeraţi agenţii cu acţiune hidratantă şi emolientă utilizaţi în formula cadru a unei creme specificând provenienţa lor. 4. Daţi 2 exemple de aromatizanţi sintetici şi indicaţi reacţiile prin care se pot obţine. Extinderea lucrării se recomandă să fie de cca. 4-5 pagini. Evaluarea lucrării se face ţinând seama de corectitudinea soluţiilor date şi explicaţiile referitoare la alegerea lor. Fiecare subiect are o pondere de 25%.
Bibliografia pentru unitatea de învăţare nr. 4 C.D.Neniţescu, “Chimie organică”, ediţia VIII-a, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980, vol. 2, pag. 787-789; vol. I pag. 803-805 Stela Florescu, Minodora Leca, “Detergenţi şi detergenţă”, Ed. Academiei, Bucureşti, 2003. K.Bauer, D.Grabe, H.Surburg “Common Fragrance and Flavor Materials”, Ed. Wiley-VCH, New-York, 2001 Raluca Stan “Produşi de sinteza de uz alimentar”, Ed. Printech, Bucureşti, 2002, pag. 80101. L.Cosmovici, L.Zisu “Caleidoscop cosmetic”, Ed. Medicala, Bucureşti, 1988, pag.42-46.
Răspunsuri la testele de autoevaluare Test de autoevaluare 4.1. Detergent anionic, vezi Figura 4.1. Test de autoevaluare 4.2. Acidul glioxilic se găseşte in natură în fructele necoapte.Se obţine prin hidroliza acidului dicloroacetic prin încălzire cu apă la 1400C. CH3COOH
134
Cl2 hν
Cl2CH-COOH
H2O
O=CH-COOH
Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Investeşte în oameni!
Formarea profesională a cadrelor didactice din învăţământul preuniversitar pentru noi oportunităţi de dezvoltare în carieră
Unitatea de Management al Proiectelor cu Finanţare Externă Str. Spiru Haret nr. 12, Etaj 2, Sector 1, Cod poºtal 010176, Bucureºti Tel: 021 305 59 99 Fax: 021 305 59 89 http://conversii.pmu.ro e-mail:
[email protected]
IS
BN
97
8-
60
6-
51
5-
20
0-
7