Carvone

Il carvone è un chetone monoterpenico monociclico  presente in grandi quantità negli oli essenziali di cumino, aneto e menta verde dotato di proprietà antisettiche e utilizzato come repellente per zanzare e nell’industria alimentare come agente aromatizzante.

Dalle piante aromatiche il carvone è secreto a diverse concentrazioni a seconda della specie, delle parti utilizzate e dei metodi di estrazione. Ha formula C₁₀H₁₄O e il suo nome I.U.P.A.C. è 2-metil-5-(1-metilenil)-2-cicloesen-1-one.

Presentando un carbonio asimmetrico il carvone esiste in due forme enatiomeriche con le stesse proprietà chimiche e fisiche che differiscono tra loro solo per il potere ottico rotatorio che è pari a + 61° per l’enantiomero S e – 61° per l’enantiomero R oltre che per l’odore. I singoli enantiomeri producono infatti diverse risposte biologiche, specialmente verso i recettori olfattivi nel naso che, grazie alla presenza di gruppi chirali, rispondono alle due forme speculari in modo diverso: l’enantiomero S odora di semi di cumino mentre quello R ha un profumo di menta.

Il carvone è si presenta come un liquido limpido e incolore con una temperatura di ebollizione pari a 231 °C, una temperatura di fusione di 25.2 °C, scarsamente solubile in acqua fredda ma solubile in composti organici come etanolo, etere etilico e cloroformio.

Sintesi del carvone

Può essere ottenuto da fonti naturali in cui è contenuto. La forma destrogira, si ottiene mediante distillazione frazionata dell’olio di cumino mentre la forma levogira richiede un trattamento aggiuntivo che consiste nella formazione di un composto di addizione con solfuro di idrogeno, da cui il carvone può essere rigenerato mediante reazione con idrossido di potassio seguito da distillazione a vapore.

Tuttavia, a causa dell’elevata domanda, la maggior parte del carvone è prodotto dal limonene. Un metodo sintetico consiste nella reazione del limonene con un sale di palladio (II) come catalizzatore e benzochinone o un sale di rame come agente ossidante in acido acetico o metanolo.

Un altro metodo sintetico che porta a una resa migliore utilizza il limonene e il palladio o un suo sale in presenza di un agente riossidante come un sale di rame e un sale di un metallo non di transizione, ad esempio carbonato di sodio, in un solvente organico.

La biosintesi del carvone nel frutto del cumino inizia dal geranil difosfato e procede tramite un percorso in tre stadi. Nel primo stadio il geranil difosfato viene ciclizzato a (+)-limonene dalla monoterpene sintasi. Nel secondo stadio, questo intermedio viene convertito dalla limonene-6-idrossilasi in (+)- trans -carveolo e nel terzo stadio, il (+)- trans -carveolo viene ossidato da una deidrogenasi in (+)-carvone.

Reazioni

A causa della presenza di 3 doppi legami di cui uno di tipo carbonilico, uno nell’anello del cicloesene e uno esterno, il carvone, a seconda dei reagenti e delle condizioni di reazione può dare diversi tipi di reazioni di riduzione.

L’idrogenazione catalitica condotta a 120 atm e alla temperatura di 280°C in presenza di ossido di nichel porta alla rottura di entrambi i doppi legami carbonio-carbonio e alla trasformazione del gruppo carbonilico in gruppo alcolico con formazione del carvomentolo.

L’idrogenazione catalitica condotta in presenza di palladio porta alla rottura di entrambi i doppi legami carbonio-carbonio con formazione del carvomentone. Il carveolo, alcol monoterpenoide monociclico insaturo può essere ottenuto dal carvone e ottenuto da una riduzione di Meerwein–Ponndorf–Verley del carvone in presenza di isopropossido di alluminio e 2-propanolo in cui viene ridotto il solo gruppo carbonilico a gruppo alcolico.

Tramite la riduzione di Luche, riduzione selettiva dei chetoni α,β-insaturi ad alcoli allilici, che avviene in presenza di sodio boroidruro e cloruro di cerio (III)  CeCl₃, si ottiene il limonene.

Il diidrocarvone è ottenuto per rottura del doppio legame endociclico del carvone in presenza di zinco e acido acetico. La trasformazione chimica mediante biocatalizzatori rappresenta un’alternativa efficace e talvolta preferibile alla sintesi standard di prodotti chimici e composti otticamente attivi.

Il lievito di birra (BY) disponibile in commercio è come biocatalizzatore nella riduzione del carvone in sistemi monofasici acquosi o bifasici acquosi/organici per ottenere diidrocarvone come diastereoisomero puro.

Gli epossidi sono elementi costitutivi ampiamente utilizzati per produrre composti con elevata rilevanza commerciale e tradizionalmente ottenuti tramite l’epossidazione di olefine catalizzata da catalizzatori a base di metalli di transizione. Sebbene questi catalizzatori siano efficienti in molti casi, la maggior parte di essi non è adatta per processi su larga scala a causa degli elevati costi e della necessità di progettare il catalizzatore.

Sono stati pertanto studiati vari percorsi sintetici come l’epossidazione catalitica del (R)-carvone da parte del sistema nitrato di gallio/perossido di idrogeno e la cooperatività metallo-ligando. È stato osservato che i ligandi acidi come l’acido acetico favoriscono principalmente l’epossidazione del doppio legame endociclico del (R)-carvone , mentre gli eterocicli contenenti azoto come la pirazina portano alll’ epossidazione del doppio legame esociclico.

Gli epossidi di carvone sono utilizzati come materie prime per produrre prodotti farmaceutici.

Usi in campo medico

Studi condotti in vitro e in vivo hanno dimostrato che il carvone ha molteplici proprietà farmacologiche come attività antibatterica, antimicotica, antiparassitaria, antiossidante, antinfiammatoria, antitumorale e agisce da inibitore della neuraminidasi contro il virus dell’influenza e pertanto può essere considerato un composto naturale per sviluppare farmaci terapeutici.

Molti studi hanno dimostrato gli effetti neuroprotettivi e può quindi essere sviluppato come farmaco contro alcuni disturbi come depressione, sedazione, nocicezione e convulsioni. Il carvone ha anche dimostrato un effetto antidiabetico, attraverso il suo ruolo nella prevenzione dell’obesità e dei problemi metabolici associati a diete ricche di grassi, ottenuto migliorando le anomalie dei componenti glicoproteici e controllando il metabolismo del glucosio.

I suoi effetti antibatterici sono spesso correlati alla sua capacità di penetrare nelle cellule batteriche, inducendo così un aumento della permeabilità cellulare e una diminuzione dell’integrità della membrana cellulare.

Queste proprietà hanno consentito l’uso del carvone in altri campi, come la disinfezione degli imballaggi alimentari e dei dispositivi medici. Inoltre, per migliorare la sua azione ed estenderne l’uso industriale, il carvone è in film di acido polilattico, rivestimenti antibatterici e nanoparticelle di poli(acido lattico-co-glicolico). Il  carvone ha alcune importanti applicazioni in agricoltura, sia per la protezione delle colture che come agente antigermogliante durante la conservazione dei tuberi.

Altre applicazioni

Oltre ai suoi effetti farmacologici, il carvone trova applicazioni pratiche in diversi settori. In campo alimentare, gli studi hanno mostrato che può preservare la freschezza dei prodotti, ritardare la crescita microbica e prolungare la shelf-life degli alimenti confezionati. Nell’industria cosmetica e dei profumi, il carvone entra come componente aromatizzante e come agente antimicrobico nei prodotti per la cura della pelle e dei capelli. In agricoltura, gli agricoltori impiegano il carvone per proteggere le colture da funghi e insetti, oltre a usarlo come agente antigermogliante per mantenere i tuberi durante lo stoccaggio.

Gli ingegneri dei materiali lo incorporano nei rivestimenti antibatterici, nei film di acido polilattico e nelle nanoparticelle di poli(acido lattico-co-glicolico) per migliorare la resistenza microbica di imballaggi alimentari e dispositivi medici. Inoltre, la ricerca recente suggerisce che il carvone può agire come repellente naturale contro alcuni insetti, offrendo un’alternativa sostenibile ai pesticidi chimici. Alcuni studi hanno anche esplorato il suo uso nella formulazione di oli essenziali e composti aromaterapici, dove contribuisce a ridurre lo stress e favorire il benessere psicofisico.

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