STEREOCHIMICA
La stereoisomeria è una forma di isomeria in virtù della quale composti dotati di formule di
struttura identiche differiscono, però, per la disposizione tridimensionale dei propri gruppi
funzionali. Una classificazione di tali isomeri può essere fatta seguendo lo schema sotto
rappresentato. La prima suddivisione che deve essere fatta è tra gli isomeri
conformazionali (es. cicloesano) e gli isomeri configurazionali (es. isomeri cis e trans degli
alcheni) a seconda che si possano o no interconvertire l'uno nell'altro.
A questo punto è necessario fare una ulteriore divisione degli stereoisomeri
configurazionali in isomeri ottici (enantiomeri) ed isomeri geometrici (diastereoisomeri). Gli
isomeri ottici o enantiomeri sono quegli isomeri che sono uno l'immagine speculare
dell'altro mentre tra gli isomeri geometrici o stereoisomeri non vi è alcuna relazione
speculare. Tra questi ultimi troviamo gli isomeri cis e trans degli alcheni o dei composti
ciclici.
ISOMERIA OTTICA
L'isomeria ottica trae origine dal fatto che una certa struttura tridimensionale può risultare
non sovrapponibile alla propria immagine speculare. Strutture del genere si dicono
«chirali» (e «chiralità» si dice tale proprietà) e sono caratterizzate dall'assenza di un piano
di simmetria (quest'affermazione va riferita ovviamente all'effettiva struttura tridimensionale
e non alla sua rappresentazione grafica sul piano).
Il caso più semplice di struttura chirale è costituito da un «atomo di carbonio asimmetrico»,
(0405)
Chimica Organica-Pag.1
cioè da un atomo di carbonio che reca quattro diversi sostituenti legati ad esso in modo
covalente. Una simile struttura può esistere in due isomeri non sovrapponibili, detti
antipodi ottici o enantiomeri, fra i quali intercorre la medesima relazione che passa fra un
oggetto qualsiasi e la sua immagine speculare, come ad esempio le strutture (a) e (b).
3 davanti
4 dietro
a)
4
a)
4
1
C
3
2
s
p
e
c
c
h
i
o
1
C
3
s
p
e
c
c
h
i
o
2
b)
2
b)
2
1
C
3
1
C
3
rotazione
3
4
rotazione
b)
3
4
b)
1
C
4
1
C
4
4 davanti
3 dietro
2
a)
2
1
C
4
3
2
Un esempio di strutture chirali riconducibili alla realtà giornaliera sono ad esempio i guanti,
o le mani o i piedi. Questi oggetti non sono sovrapponibili (mano destra e mano sinistra)
ma è possibile sovrapporre l'uno (la mano destra) con l'immagine speculare dell'altro
(l'immagine speculare della mano sinistra).
Se invece anche due soli fra i quattro sostituenti fossero identici, la struttura suddetta
acquisterebbe un piano di simmetria, cosa che permetterebbe di sovrapporla alla propria
immagine speculare. Nelle strutture (a) e (b), se sono uguali i sostituenti 3 e 4, le strutture
possiedono un piano di simmetria che passa per 1, C e 2.
1
a) c
C
3
3
2
s
p
e
c
c
h
i
o
b)
2
1
C
3
rotazione
3
b)
3
1
C
3
a)
2
3
1
C
3
2
I chimici conoscono numerosi altri tipi di strutture chirali, però nei composti esaminati, la
stragrande maggioranza dei casi di isomeria ottica riguarda strutture la cui chiralità
discende direttamente dalla asimmetria dei sostituenti legati ad un atomo di carbonio
tetracovalente.
LE FORMULE DI PROIEZIONE DI FISCHER
Mentre è possibile disegnare diagrammi bidimensionali atti a rappresentare in modo
soddisfacente strutture tridimensionali aventi uno o due atomi asimmetrici, il compito
diviene ben più arduo quando le molecole sono più complesse. In questo caso si fa
ricorso ad una rappresentazione schematica escogitata da Fischer, secondo la quale i due
(0405)
Chimica Organica-Pag.2
enantiomeri della specie C, 1, 2, 3, 4 sono rappresentati da:
1
4
2
C
3
1
C
3
1
2
4
4
C
1
3
formule di proiezione
4
2
1
3
C
2
C
3
2
1
4
formule di proiezione
3
C
4
2
Per convenzione si assume che nella formula di proiezione i legami che appaiono disposti
orizzontalmente rappresentino in realtà legami diretti verso il lettore e quelli che appaiono
disposti verticalmente si dirigano invece dietro, al di sotto del piano della pagina (nessun
legame quindi giace sopra questo piano).
Nel far uso delle formule di proiezione di Fischer bisognerà stare bene attenti alle
conseguenze che può avere la rotazione delle formule disegnate; infatti, mentre la
rotazione di 180° (equivalente a due scambi tra i sostituenti) riproduce la proiezione di una
configurazione identica a quella di partenza, la rotazione di soli 90° (equivalente ad un
solo scambio tra i sostituenti) riproduce invece la proiezione dell'enantiomero di segno
opposto. Ciò dipende dal fatto che la sostituzione di legami verticali con legami orizzontali
nella proiezione corrisponde nello spazio alla sostituzione di una certa struttura
tridimensionale con la corrispondente immagine speculare. D'altra parte è conveniente
usare gli scambi per dirigere i sostituenti nelle direzioni volute conservando lo stesso
enantiomero (sempre un numero pari di scambi !!!).
INDICAZIONE DELLA CHIRALITA MEDIANTE I SIMBOLI R ED S (REGOLE DI CAHNINGOLD-PRELOG)
Una volta stabilito come rappresentare graficamente le strutture chirali è necessario
trovare un metodo per poterle identificare e riconoscere.
È stato recentemente proposto un metodo sistematico per designare la configurazione
assoluta. Si ammetta che un atomo di carbonio asimmetrico sia legato a quattro gruppi
differenti (1, 2, 3 e 4), ai quali viene assegnato un ordine arbitrario di priorità: 1 = 1°, 2 =
2°, 3 = 3° e 4 = 4°. Se si suppone fare un numero pari in modo da portare il gruppo
"ultimo" in ordine di priorità (cioè il 4) in basso (e quindi dietro) e di osservare la
configurazione dell'atomo di carbonio asimmetrico guardando il tetraedro da davanti, allora
gli altri tre gruppi risulteranno disposti, nell'ordine di priorità assegnato, in senso orario (a)
o in senso antiorario (b). Nel primo caso avremo una configurazione R (= rectus), nel
secondo una configurazione S (= sinister).
(0405)
Chimica Organica-Pag.3
1
4
2
C
3
1
C
3
1
2
4
4
C
3
scambi
2
2
1
3
C
2
4
scambi
1
3
a)
C
1
4
3
b)
C
2
R
S
4
La convenzione sulla priorità stabilisce che ha la precedenza il gruppo sostituente (intorno
al carbonio asimmetrico) il cui atomo centrale è contraddistinto dal numero atomico più
elevato. Sarà dunque, ovviamente, l'idrogeno ad occupare l'ultimo posto. Se due gruppi
sono legati al centro chirale attraverso atomi uguali, allora si tiene conto del numero e
della priorità degli atomi di un posto più distanti. Inoltre, gli atomi doppiamente legati
contano il doppio (ad esempio, la priorità decresce nella serie I, Br, CI, SH, F, OH, NH2,
CH3, mentre COOH precede CHO, poiché tre legami dal carbonio all'ossigeno valgono più
di due legami dal carbonio all'ossigeno insieme con un legame dal carbonio all'idrogeno).
Se occorre, si prende in considerazione il gruppo ancora più distante.
LUCE POLARIZZATA
La luce è una radiazione elettromagnetica, costituita da un campo magnetico ed uno
elettrico oscillanti su piani ortogonali l'uno rispetto all'altro ed entrambi rispetto alla
direzione di propagazione del raggio.
La luce ordinaria consiste di molteplici raggi, i cui vettori sono reciprocamente orientati in
tutte le possibili direzioni, mentre nella luce polarizzata linearmente (detta semplicemente
«luce polarizzata») i campi elettrici di tutti i raggi sono disposti parallelamente e i rispettivi
campi magnetici oscillano sul piano ortogonale. La direzione della luce così polarizzata
non viene modificata dalle soluzioni di quei composti la cui simmetria strutturale esclude
ogni possibilità di enantiomeria. Se, al contrario, si fa passare un raggio di luce
polarizzata attraverso la soluzione di uno degli enantiomeri di un composto a struttura
chirale, si constata che il piano della luce polarizzata emergente ha subito una rotazione in
senso orario o antiorario. Se la medesima luce polarizzata attraversa una soluzione
dell'altro enantiomero di pari concentrazione molare, essa subirà invece una rotazione
uguale quantitativamente, ma nel verso opposto. Queste determinazioni si effettuano con
uno strumento detto polarimetro.
(0405)
Chimica Organica-Pag.4
Si definisce «destrogiro» l'isomero la cui soluzione ruota il piano della luce polarizzata in
senso orario quando l'osservatore si ponga di fronte alla sorgente di luce, «Ievogiro»
quello la cui soluzione ruota il piano di polarizzazione in senso antiorario.
Se le soluzioni di due enantiomeri che isolatamente sono l'uno destro-, l'altro levo-giro,
vengono mescolate in uguale concentrazione, la soluzione risultante si manifesta
otticamente inattiva. Una miscela siffatta si dice «miscela racemica».
Si definisce potere rotatorio specifico (α) di una sostanza l'angolo, misurato in gradi, del
quale risulta ruotato il piano della luce polarizzata linearmente, dopo avere attraversato
una soluzione dello spessore di 1 dm e contenente 1 g/ml di soluto. Come la temperatura
di fusione, questa grandezza costituisce una proprietà caratteristica dei composti chirali, i
quali vengono rappresentati con rotazione specifica positiva se destrogiri, e negativa se
levogiri. Se, ad esempio, uno dei due isomeri della coppia enantiomera possiede
rotazione specifica +150°, l'altro sarà levogiro, con rotazione specifica - 150°. Nella
nomenclatura si fa uso dei simboli (+) e (-) per distinguere i due enantiomeri; così, ad
esempio, i due isomeri del 2-bromobutano, CH3CH,CHBrCH3, si possono rappresentare
come (+)2-bromobutano (cioè destrogiro) e (-)2-bromobutano (levogiro). La miscela
racemica o, più brevemente, il «racemo» sarà (±)2-bromobutano.
Nonostante il comportamento così nettamente diverso nei confronti della luce polarizzata,
gli enantiomeri, presi separatamente, manifestano identiche tutte le altre proprietà fisiche,
ed anche quelle proprietà chimiche che non coinvolgano altre molecole chirali. Due acidi
carbossilici enantiomeri, ad esempio, come il (+) e il (-)C6H5CH(C2H5)COOH, avranno il
medesimo punto di fusione e di ebollizione, il medesimo indice di rifrazione, uguale
densità, solubilità, viscosità. Saranno identici anche il loro pK e gli esteri che formeranno, i
quali avranno le stesse proprietà, eccezion fatta, ovviamente, per la rotazione ottica.
Reagiranno, invece, a velocità differenti con un composto otticamente attivo, come, ad
esempio, il (+)butan-2-olo, fornendo esteri che questa volta non saranno identici (vedi
DIASTEREOISOMERIA).
Nonostante che la differenza più importante che si possa osservare fra due enantiomeri
consiste nella diversa azione sulla luce polarizzata non sussiste alcuna relazione semplice
che leghi il senso di rotazione della luce polarizzata alla configurazione molecolare.
INDICAZIONE DELLA CHIRALITA MEDIANTE I SIMBOLI D E L
In passato era in uso un tipo di nomenclatura che permetteva di identificare gli enantiomeri
di un composto chirale e che viene ancor oggi usato in biochimica. Tale nomenclatura è
basata sulla struttura della (+)gliceraldeide. A questo composto venne data del tutto
arbitrariamente la struttura spaziale sotto riportata e poiché tale composto ruotava il piano
(0405)
Chimica Organica-Pag.5
della luce polarizzata in senso orario venne identificata con la lettera D (D-gliceraldeide).
L'altro enantiomero fu denominato L-gliceraldeide.
CHO
CHO
H
C
CH2OH
OH
D-(+)gliceraldeide
HOH2C
C
H
OH
L-(-)gliceraldeide
Basandosi su questo composto venne data la denominazione D a tutte quelle strutture che
potevano in qualche modo essere correlate alla D-gliceraldeide e la denominazione L a
quelle correlabili alla L-gliceraldeide. Ad esempio al (-)acido lattico e al (+)lattato di metile
si diedero le denominazioni seguenti:
H
CO2H
CO2CH3
C
C
CH2OH
OH
H
acido D-(-)lattico
CH2OH
OH
D-(+)lattato di metile
Si noti che in queste denominazioni i simboli D ed L si riferiscono esclusivamente alla
configurazione e non hanno alcuna relazione con il potere rotatorio. Infatti mentre la
D-gliceraldeide ruota in senso orario il piano della luce polarizzata l'acido D-lattico fa
esattamente il contrario, mentre il D-lattato di metile fa lo stesso.
Quando, con un metodo basato sulla diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli e
realizzato in modo da consentire l'individuazione della disposizione spaziale assoluta degli
atomi, è stato finalmente possibile determinare la configurazione assoluta degli
enantiomeri della gliceraldeide, si è constatato che, per puro caso, le configurazioni
attribuitele arbitrariamente erano quelle giuste. Le formule di proiezione su indicate
rappresentano dunque le configurazioni assolute vere degli enantiomeri.
La proiezione dell'aldeide D-glicerica secondo Fischer vede l'ossidrile disposto a sinistra
della catena carboniosa, quando questa sia orientata in modo che il gruppo funzionale
aldeidico risulti in cima e l’idrogeno in basso. Viceversa per l'aldeide L-glicerica.
H
C
D
CH2OH
OH
HO
C
HOH2C
(0405)
C
OH
H
CHO
1
CH2OH formule di proiezione HO
H
CHO
L
2
CHO
CHO
CH2OH
H
R
2
CHO
HOH2C
C
H
3
C
CHO
3
OH formule di proiezione HOH2C
C
1
OH
H S
Chimica Organica-Pag.6
COMPOSTI CONTENENTI PIÙ DI UN CENTRO CHIRALE
Dato che per ogni atomo di carbonio asimmetrico esistono due configurazioni alternative,
una struttura contenente n centri di asimmetria dovrà presentare 2n stereoisomeri. È
questo, ovviamente, un limite massimo, perché in taluni casi il numero effettivo degli
stereoisomeri possibili è inferiore.
Se si considera un composto dotato di due centri chirali recanti ciascuno gruppi sostituenti
completamente diversi, allora si ottengono tutti e quattro gli stereoisomeri prevedibili,
corrispondenti alle strutture da (a) a (d). Fra queste quattro strutture, le combinazioni (a)(b) e (c)-(d) costituiscono coppie enantiomere. In generale, dunque, per n centri di
asimmetria, esistono 2n-1 coppie enantiomere. Se confrontiamo invece l'isomero (a) con
l'isomero (c) o l'isomero (b) con l'isomero (d) essi sono fra di loro stereoisomeri ma non
enantiomeri; non sono cioè l'uno l'immagine speculare dell'altro.
a)
1
3
6
C
C
2
5
b)
1
2
5
C
4
C
3
6
c)
1
3
5
C
4
C
2
6
d)
1
2
6
C
4
C
3
5
4
In un caso di questo tipo siamo in presenza di due diastereoisomeri cioè di due
stereoisomeri non enantiomeri fra di loro (l'immagine speculare del primo non è
sovrapponibile con il secondo).
Se, al contrario, si considera un composto ancora contenente due atomi asimmetrici ma
recanti, questa volta, sostituenti identici, allora il numero degli stereoisomeri possibili si
riduce a tre. Ci si rende conto di ciò supponendo che nelle strutture dalla (a) alla (d) il
gruppo 1 sia identico al 4, il 2 al 5 e il 3 al 6, nel qual caso i quattro stereoisomeri
saranno rappresentati dalle figure (e), (f), (g) ed (h). Di queste ultime la (e) e la (f)
descrivono strutture identiche e sovrapponibili, poiché entrambe possiedono un piano di
simmetria ortogonale al legame C-C.
e)
1
3
3
C
C
1
2
2
f)
1
2
2
C
piano di simmetria
C
1
3
3
g)
1
3
2
C
C
1
2
3
h)
1
2
3
C
C
3
2
1
In questo caso, dunque, gli stereoisomeri possibili sono soltanto tre, due dei quali, (g) ed
(h) sono enantiomeri, e quindi otticamente attivi, mentre il terzo, rappresentabile da (e) o
da (f) risulta inattivo, per essere sovrapponibile alla propria immagine speculare. Un tale
stereoisomero, otticamente inattivo, come si dice, per compensazione interna, viene
indicato con il prefisso «meso». L'isomero meso è diastereoisomerico rispetto ai due
enantiomeri (g) ed (h).
L'acido tartarico, HO2CCH(OH)CH(OH)CO2H, costituisce un esempio assai noto di questo
fenomeno. Si conoscono i tre stereoisomeri, dei quali sono qui sotto raffigurati struttura e
(0405)
Chimica Organica-Pag.7
formule di proiezione. Vale la pena di notare che gli acidi (+) e (-)tartarico, essendo
enantiomeri, possiedono le medesime proprietà fisiche, mentre non è così per l'acido
mesotartarico, il quale presenta proprietà fisiche differenti.
CO2H
HO
C
HO
C
CO2H
CO2H
CO2H
H
H
C
OH
H
C
OH
H
H
C
OH
HO
C
H
pi ano di si m m etria
CO2H
HO
C
H
H
C
OH
CO2H
CO2H
Acido meso-tartarico
CO2H
Acido (+)-tartarico
Acido (-)-tartarico
Anche a questi composti è possibile assegnare la nomenclatura R e S.
CO2H
H
HO
C
C
OH
3
HO2CCHOH
H
Acido (+)-tartarico
OH
HO
C
H
3
HO2CCHOH
C
C
Acido (-)-tartarico
2
CO2H
HO
C
H
H
C
OH
H
R
2
Acido S,S-tartarico
1
OH
2
HO2C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CO2H
CO2H
3
C
CHOHCO2H
H
S
CO2H
C
CHOHCO2H
H
S
CO2H
H
3
C
CO2H
CO2H
CO2H
2
HO2C
CO2H
H
R
1
OH
C
1
OH
3
H
1
OH
H
C
OH
CO2H
HO2CCHOH
CO2H
Acido R,R-tartarico
CO2H
C
C
HO
2
H
R
CO2H
H
CO2H
1
OH
1
OH
2
HO2C
C
3
CHOHCO2H
H
S
Acido meso-tartarico
Acido R,S-tartarico
(0405)
Chimica Organica-Pag.8