Benzocaina - sintesi
grazie Max Fritz avevo capito male!!! :-)
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Buonasera
Dopo aver recuperato i reagenti, il refrigerante, dopo aver trovato del tempo, dopo aver pulito il laboratorio, sistemato gli appunti, lavato la vetreria, collegato metri e metri di gomma da irrigazione (il "budello", come mi insegna il buon Ohilà) per un riflusso decente, dopo essermi riposato perché lavare la vetreria stanca, dopo aver trovato la voglia, ho finalmente fatto sta sintesi che desideravo fare da tempo. 

Prima di tutto è opportuna qualche nota di farmacologia, in aggiunta e in integrazione a quello che scriveva Max nel post iniziale. Non avendo ancora fatto il corso di Farmacologia riporto i risultati di rapide ricerche sul web, senza troppe pretese di esaustività. Ho provato a riassumere al volo il meccanismo di propagazione del segnale nervoso per completezza, ma so già che l'ho spiegato talmente male che non si capirà niente. La procedura sperimentale invece l'ho presa dal sito del grande Al (qui), che ringrazio infinitamente, ma con qualche leggera modifica dettata dalle necessità e dal tempo.

Cenni farmacologici

La benzocaina è un anestetico locale, cioè un farmaco che attenua il funzionamento delle vie nocicettive (quindi le vie nervose -cellule e assoni- adibite alla ricezione e alla trasmissione sensoriale del dolore) a livello locale, cioè, di preferenza, solo nel sito in cui esso viene applicato. 
Può considerarsi un parente, un po' alla lontana, della cocaina: modificando quest'ultima (aprendone cioè il mega eterociclo e rimuovendone il gruppo metossicarbonilico) si ottiene un estere dell'acido benzoico linearizzato, un composto guida da cui si può partire per ottenere, senza troppe difficoltà, quella serie di anestetici locali fra i quali è compresa la benzocaina. Composti simili, con meccanismo d'azione identico, sono la lidocaina (Xilocaina ®) e la procaina (Novocaina ®). Si vede dalle strutture seguenti che mentre la benzocaina e la procaina sono esteri dell'acido p-amminobenzoico, la lidocaina è un ammide, e ha due gruppi metilici adiacenti al carbonio ammidico. Questa struttura particolare rende la lidocaina più efficace e durevole (la sua emivita è maggiore) delle sue due colleghe: ciò avviene perché il gruppo ammidico è difficilmente idrolizzabile (l'estereo viene invece facilmente idrolizzato dalle esterasi -->e una volta idrolizzato l'estere l'effetto anestetico si annulla) e perché la presenza dei metili in orto protegge, per ingombro sterico, il carbonile.  

   

Il meccanismo di azione farmacologica di questi anestetici, si è detto, è identico. 
In condizioni normali la propagazione di qualsiasi impulso nervoso (e tra questi ci sono gli stimoli dolorifici) è mediata dalla produzione di un potenziale di azione, cioè di una modificazione repentina del potenziale elettrochimico fra l'interno della cellula neuronale e l'esterno. Questo potenziale elettrochimico è, in un neurone a riposo, di -60 mV, ed è dato in maggior parte dall'alta presenza di ioni sodio all'esterno del neurone. Poiché la membrana cellulare non è permeabile agli ioni, e non ci sono canali di dispersione specifici che lascino passare di norma il sodio (ci sono invece, ad esempio, per il potassio, e hanno anche un ruolo importante nel seguito del processo), esso rimane confinato all'esterno del neurone. Abbiamo quindi un flusso potenziale di sodio dall'esterno all'interno del neurone, flusso che non può trasformarsi in atto per la mancanza di passaggi adeguati. In realtà i passaggi adeguati ci sono, ma nel neurone sono chiusi quando non è stimolato: sono i canali per il sodio voltaggio-dipendenti. Tali canali vengono aperti in seguito a una variazione locale di potenziale, cioè un suo innalzamento fino a -40 mV. Questo innalzamento è detto depolarizzazione al valore soglia. Questo valore soglia, cioè i -40 mV, è proprio il potenziale raggiunto il quale si aprono questi canali, con conseguente rientro massivo e rapidissimo di sodio secondo il proprio gradiente di concentrazione. Questo rientro innalza ancora di più il potenziale di membrana, addirittura positivizzandolo e portandolo a +40 mV. È la fase di depolarizzazione vera e propria. Raggiunto questo potenziale massimo, un insieme di canali e pompe che non sto qui a specificare lavora per ripristinare il potenziale al valore di riposo di -60 mV, e per farlo riporta il sodio fuori dal neurone. Quel che conta, però, è che c'è stata una depolarizzazione locale, ed è proprio questa ad indurre la depolarizzazione delle zone della membrana neuronale adiacenti, garantendo la propagazione a catena, rapida e capillare, del segnale nervoso.
Questo, proprio a grandissime linee, è il funzionamento fisiologico della segnalazione nervosa nel neurone e nell'assone (nelle sinapsi succedono altre cose ma qui non ci interessa). Che fanno la benzocaina e le sue compagne? Si legano ai canali voltaggio dipendenti del sodio (nello specifico alla subunità alpha della proteina canale del sodio di tipo 10), e ne impediscono il funzionamento. In pratica, ne bloccano l'apertura, impedendo al sodio di entrare anche se è giunto un segnale depolarizzante (segnale che in realtà non si origina proprio perché i canali della cellula son tutti chiusi). Va da sé che questo blocca del tutto la trasmissione dell'impulso. Ovviamente l'effetto è temporaneo e, come tutti i farmaci, la sua durata dipende dalla facilità con cui la molecola viene distrutta, neutralizzata o eliminata dall'organismo. Come detto sopra, le esterasi rimuovono la benzocaina in breve tempo, per cui dopo un poco la zona trattata torna ad essere capace di trasmettere stimoli e quindi ad essere sensibile al dolore. 

Le destinazioni terapeutiche di questa molecola sono molteplici, data la sua ampia utilizzabilità: viene usata come analgesico in pomate, come lubrificante e anestetico per le emorroidi, per le irritazioni cutanee, per alleviare il dolore e il fastidio di operazioni mediche come inserimenti di cateteri ed endoscopi. Era anche molto usata (ora rimpiazzata da farmaci omologhi più efficaci) dai dentisti per le loro macchinose trapanazioni. Può essere inoltre impiegata per sopprimere il riflesso faringeo, la contrazione dei muscoli della faringe che ci fa vomitare se abbiamo corpi estranei che toccano il palato molle. 
È stato dimostrato che l'assunzione eccessiva di benzocaina può indurre metaemoglobinemia. La metaemoglobinemia è essenzialmente un'alta ed anomala concentrazione ematica di metaemoglobina, cioè della forma di emoglobina in cui il ferro dei gruppi eme di trova ossidato da +2 a +3. Al Fe+3 è impedito il legame con l'ossigeno, per cui la metaemoglobina risulta inefficace come trasportatore di O2. Il motivo di questo effetto patologico è da ricercarsi nel destino metabolico della benzocaina: essa viene convertita in anilina, la quale viene ulteriormente metabolizzata in fenilidrossilammina e nitrobenzene. Questi ultimi sono in grado di ossidare, nel sangue, l'emoglobina a metaemoglobina. Le conseguenze sintomatiche più evidenti della metaemoglobinemia sono la cianosi e la dispnea, e i trattamenti possibili sono la trasfusione, l'ossigenoterapia e la somministrazione di blu di metilene (agisce da riducente).

Chimica, struttura e proprietà

La benzocaina è l'estere etilico dell'acido para-amminobenzoico. Di seguito alcune proprietà fisico-chimiche:

CAS: 94-09-7
PM: 165.192 g/mol
Aspetto fisico: solido cristallino da incolore a bianco, inodore 
p.eb.: 310°C
p.f.: 92°C
Solubilità in: - acqua: 1 g/ 2500 ml
                     - etanolo: 1 g/ 5 ml
                     - dietiletere: 1 g/ 4 ml

La reazione di sintesi è una classicissima esterificazione di Fischer, fra acido para-amminobenzoico (PABA) ed etanolo con catalizzatore acido (ac. solforico). È bene, chiaramente, che l'etanolo sia il più concentrato possibile per evitare grossi cali di resa. Io ho usato quello alimentare e funziona bene. Di seguito la reazione

   

Parte sperimentale

Materiali

- Vetreria di base, meglio se con qualcosa di molto capiente
- Pallone >250 ml
- Piastra riscaldante e (non indispensabile) agitatore
- Sistema per filtrazione a vuoto, ma per gravità funziona uguale
- Cartine pH
- Abbondante acqua distillata
- Bagno di ghiaccio

Reagenti

- 15 g acido para-amminobenzoico per analisi
- 230 ml etanolo alimentare 95% (110 per la reazione e il resto per ricristallizzare)
- 15 ml acido solforico 98% per analisi
- Abbondante quantità di una soluzione satura di NaHCO3

Procedura

1) Mescolare, nel pallone, 15 g di PABA (foto a sinistra) e 110 ml di etanolo 95%, agitando per bene;

   

2) Porre il pallone in bagno di ghiaccio, e aggiungere con molta pazienza, goccia a goccia, sotto agitazione costante o comunque dopo ogni aggiunta, 15 ml di acido solforico 98%. Precipita un solido bianco caseoso, che scomparirà nella fase successiva;

3) Porre il pallone a riflusso moderato per un'oretta e mezzo (nella foto a sx, il pallone col precipitato all'inizio del riflusso). Dopo poco la miscela torna limpida, con un colore al massimo marroncino chiaro (a dx, il pallone alla fine del rifllusso);

       

4) Lasciar raffreddare e trasferire il liquido in un becher grande (più è grande meglio è, io ho fatto nello stesso pallone e con molta calma) e aggiungere la soluzione satura di NaHCO3 fino a pH circa 8. In questa fase l'eccesso acido reagisce con il bicarbonato e dà una copiosa effervescenza, che tende a degenerare facilmente in eruzioni incontrollate di schiuma che sporcano in giro e fanno perdere prodotto. Per questo è bene aggiungerne anche qui molto gradatamente, agitando e lasciando scoppiare la schiuma che si forma di volta in volta. Nel frattempo si sarà riformato un precipitato biancastro identico al precedente (come in foto);

   

5) Versare la soluzione in circa un litro di acqua distillata (ma quella di rubinetto va bene uguale) e lasciar riposare. Dovranno precipitare abbondanti cristalli bianchi di benzocaina (a sx), o al massimo leggermente giallini. Filtrare su Buchner e lavare con abbondante acqua distillata (a dx i cristalli lavati);

        

6) Ricristallizzare il residuo sul filtro sciogliendolo in 120 ml di etanolo bollente. Appena lievemente raffreddata la soluzione, aggiungervi acqua distillata calda finché non inizia a diventare torbida. A questo punto lasciar riposare e attendere la cristallizzazione, poi filtrare e asciugare in essiccatore. Volendo si possono recuperare le acque madri, ma non ne vale proprio la pena. Se necessario ripetere la ricristallizzazione.

Risultati

Ho ottenuto, dopo la prima ricristallizzazione, 5.14 g di cristalli secchi, bianchissimi e inodori, quelli in foto:

        

Ho misurato tre volte il punto di fusione con capillare in bagno ad olio e corrisponde esattamente all'intervallo teorico della letteratura di 89-91 °C. La resa teorica è di 16,52 g, la resa percentuale effettiva è del 31% circa. L'analisi più importante, il saggio alla bocca (Ohilà, non ridere asd), ha dato risultati molto positivi: intorpidimento della punta della lingua per contatto con un pizzico di cristalli. Non ho assolutamente idea di cosa farci adesso :-D
"C'è uno spettacolo più grandioso del mare, ed è il cielo, c'è uno spettacolo più grandioso del cielo, ed è l'interno di un'anima." V. Hugo, I Miserabili.
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Ho sempre rimandato questa sintesi per mancanza di tempo ma a questo punto sono felice che tu l'abbia fatta e postata prima di me perchè io non sarei stato assolutamente in grado di descrivere gli effetti a livello farmacologico del composto come hai fatto tu.
Bravo!

Un saluto
Luigi
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ClaudioG.
Il Pavia, Laboratorio di Chimica Organica, consiglia di testare il prodotto ottenuto sul muscolo di una zampa di rana :-D

   
Ciao
Luisa

Dal laboratorio se ne usciva ogni sera, e più acutamente a fine corso, con la sensazione di avere “imparato a fare una cosa”;
il che, la vita lo insegna, è diverso dall’avere “imparato una cosa”.
(Primo Levi)


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ClaudioG.
(2017-03-08, 15:59)LuiCap Ha scritto: Il Pavia, Laboratorio di Chimica Organica, consiglia di testare il prodotto ottenuto sul muscolo di una zampa di rana :-D
 Luisa la cosa mi attira, ma provare in che senso?  *Si guarda intorno*
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Povera rana, non lo so proprio come si fa :-(
C'è scritto:
Assumere le informazioni necessarie e procurarsi il materiale necessario se si vuol eseguire il saggio della benzocaina sul muscolo della zampa di rana.
Ciao
Luisa

Dal laboratorio se ne usciva ogni sera, e più acutamente a fine corso, con la sensazione di avere “imparato a fare una cosa”;
il che, la vita lo insegna, è diverso dall’avere “imparato una cosa”.
(Primo Levi)


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ClaudioG.
I poveri batraci li lascerei stare.

Questi metodi potevano andare bene ai tempi di Galvani, ma da allora tanta acqua è  passata sotto i ponti.

Saluti
Mario

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Claudio, tra qualche mese saremo di nuovo pieni di zanzare tigre.... Potresti provare con loro, ottenendo un doppio scopo.... Testare il prodotto ed eliminare l'insetto più fastidioso ed inutile che ci sia... :-D
Un saluto
Luigi
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(2017-03-08, 20:34)luigi_67 Ha scritto: Claudio, tra qualche mese saremo di nuovo pieni di zanzare tigre.... Potresti provare con loro
No, quelle carogne vanno eliminate alla fonte, nelle pozze stagnanti  :-S 
Per la rana ho provato ad informarmi in giro ma non si capisce granché. Se trovassi qualche esperimento carino mi piacerebbe provare comunque   si si
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Complimenti. C'è un errore nella figura chr mostra la reazione, appare un para ammino acetofenone al posto dell'acido.
" Trasformare rifiuti in risorse "
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