STEREOISOMERIA carbonio ibridizzato sp3 è legato a quattro atomi o gruppi tutti diversi fra loro

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1 STEREOISOMERIA i sono oggetti che sono sovrapponibili alla loro immagine speculare: tutti gli oggetti di forma piana, ad esempio. osì, se prendo un alchene e lo confronto con la sua immagine allo specchio: 3 3 F F vedo che si tratta della stessa molecola, perché basta girarla sull altro lato per ottenere la sua immagine. iò non è sempre vero per oggetti tridimensionali; un caso tipico è quello delle mani: la destra e la sinistra sono speculari fra loro, ma non sono uguali, tant è vero che il guanto destro e il sinistro non sono intercambiabili. Questo è perché sono oggetti privi di elementi di simmetria: il palmo della mano e il dorso non sono uguali, mentre le due facce dell alchene sopra rappresentato lo sono. Fra le molecole organiche non sovrapponibili alla loro immagine speculare ci sono quelle in cui un atomo di carbonio, ibridizzato sp 3, è legato a quattro atomi o gruppi tutti diversi fra loro.

2 Ma quali sono le caratteristiche chimiche e fisiche di una sostanza di questo genere? Una molecola non sovrapponibile alla propria immagine speculare si dice IRALE, un termine che deriva dalla parola greca che significa mano. Un atomo di carbonio legato a 4 sostituenti diversi è un carbonio asimmetrico; non tutte le molecole chirali hanno un atomo di asimmetrico (alcune sono intrinsecamente asimmetriche per la loro forma complessiva, come si vedrà in seguito), ma tutte le molecole con un atomo di asimmetrico sono chirali (non è detto che lo siano se ne hanno più di uno: vedremo anche questo). Per quanto riguarda le caratteristiche chimiche e fisiche bisogna distinguere se la sostanza che abbiamo è una miscela delle due immagini speculari (dette enantiomeri) in uguale quantità, o se si tratta di un solo enantiomero puro. I due enantiomeri puri, separati, hanno le stesse caratteristiche fisiche e chimiche, tranne nel caso che debbano interagire con qualcosa che sia a propria volta asimmetrico (un guanto destro e uno sinistro di uno stesso paio hanno lo stesso colore, la stessa massa, la stessa lunghezza, ma non si infilano allo stesso modo su una mano destra). La miscela dei due enantiomeri in quantità uguali si chiama RAEMO o miscela racema, e non ha le stesse proprietà fisiche di ciascuno dei due enantiomeri da solo (in genere ha comunque proprietà fisiche molto simili). La reattività chimica con sostanze non chirali è uguale sia per ciascun enantiomero che per il racemo. L unico modo per distinguere due enantiomeri è quello di farli interagire con un mezzo chirale. Un modo molto usato prevede l utilizzo di luce polarizzata. Normalmente la luce è composta di onde elettromagnetiche che si propagano lungo tutti i piani; nella luce polarizzata l onda elettromagnetica si propaga lungo un solo piano (vedi figura): il filtro polarizzatore 1 elimina tutte le onde che vibrano su piani non paralleli alle sue fenditure; il secondo filtro 2, se ha le fenditure parallele al primo, lascia passare il raggio polarizzato, altrimenti lo blocca.

3 Se un raggio di luce polarizzata viene fatto passare attraverso un cristallo trasparente di una sostanza chirale (un solo enantiomero) oppure attraverso una soluzione contenente un solo enantiomero, l effetto è quello di far ruotare di un certo numero di gradi il piano in cui vibra la luce: un filtro 2 con le fenditure parallele a quelle del filtro 1 a questo punto non lascerebbe più passare la luce. Il motivo di questo è che in una molecola, gli elettroni non sono liberi di oscillare ugualmente in tutte le direzioni (la polarizzabilità delle molecole è anisotropa). Interagendo con gli elettroni oscillanti, le radiazioni elettromagnetiche polarizzate ruotano sempre lievemente il proprio piano di oscillazione; in un grande insieme di molecole achirali, però, per ogni molecola che incontra la luce ce n è una identica, orientata come la sua immagine speculare, che annulla esattamente il suo effetto. In un campione puro di un solo enantiomero nessuna molecola può servire da immagine speculare di un altra, non c è annullamento delle rotazioni e si ha attività ottica. sorgente luminosa cella portacampione filtro polarizzatore filtro analizzatore In uno strumento in grado di analizzare questo effetto, detto polarimetro, il raggio di luce viene ruotato di un angolo che dipende dalle caratteristiche intrinseche della sostanza analizzata (potere rotatorio), dalla concentrazione della soluzione e dalla lunghezza della cella. Se all inizio i due filtri sono paralleli, si deve ruotare il filtro analizzatore finché si vede emergere il raggio di luce: l angolo così osservato, α, per i due enantiomeri di una stessa sostanza ha valore uguale e segno contrario (uno ruota la luce a destra, l altro a sinistra di un angolo uguale). La miscela racema non ruota la luce: i due effetti si annullano. Una miscela dei due enantiomeri in quantità disuguali non è un racemo, ma ruota la luce di un angolo che dipende dall eccesso enantiomerico, cioè dalla differenza tra le due quantità. Ogni sostanza chirale è caratterizzata da una proprietà detta rotazione specifica [α] = α / L c in cui L = lunghezza della cella (dm) e c = concentrazione della soluzione (g cm -3 ). La rotazione specifica dipende dal solvente, da T e dalla

4 λ della luce polarizzata( indica la lunghezza d onda della linea del sodio, pari a 5893 Å). Per liquidi puri, c corrisponde alla densità. Se una sostanza è presente in due enantiomeri, occorre un modo per denominarli distinguendone la ONFIGURAZIONE ASSOLUTA, cioè la disposizione degli atomi intorno al carbonio asimmetrico; la correlazione fra verso di rotazione (per convenzione il segno + indica rotazione verso destra e verso sinistra) e configurazione assoluta non è ne ovvia ne immediata, ma si determina solo sperimentalmente. La configurazione assoluta dell enantiomero viene specificata attraverso la nomenclatura R-S. Si procede come segue: si identificano i quattro diversi gruppi legati al carbonio chirale si numerano in ordine decrescente di priorità in base alla massa dell atomo direttamente legato e, se uguale, man mano di quelli successivi si orienta la molecola in modo da guardarla lungo la direzione che va dal asimmetrico al sostituente con priorità minore. stabilire se gli altri tre sostituenti sono disposti in ordine decrescente in senso orario (enantiomero R, rectus) oppure antiorario (enantiomero S, sinister). A In questo esempio, l enantiomero è R perché la sequenza A,, si determina in senso orario. L altro enantiomero si chiama S. Un modo schematico per rappresentare queste molecole è costituito dalle PROIEZIONI I FISER, molto usate per gli zuccheri. In esse le linee orizzontali rappresentano legami diretti verso l osservatore e quelle verticali legami diretti lontano dall osservatore. A A A In questa proiezione il sostituente a minor priorità sarebbe : disponendolo come nella figura sopra, la sequenza A,, sarebbe antioraria, cioè sinistra, S.

5 Per trasformare una proiezione di Fischer in un altra equivalente dello stesso enantiomero si possono scambiare fra loro due coppie di sostituenti a piacere. Scambiandone una sola si ottiene l enantiomero opposto. Una molecola può avere più di un atomo asimmetrico. Nel caso in cui ne abbia due, i due carboni asimmetrici possono essere entrambi speculari fra loro, oppure uno uguale e uno speculare: 3 r r 3 r r 2S, 3R 2R, 3S enantiomeri 2R, 3R 2S, 3S enantiomeri Il 2-cloro-3-bromobutano qui illustrato, nella sua forma 2S, 3R è enantiomero della forma 2R, 3S mentre non è ne enantiomero ne uguale rispetto alla 2R, 3R, in quanto il che porta il bromo è uguale mentre quello col cloro è speculare. Queste due forme quindi si dicono fra loro IASTEREOISOMERE: si tratta di molecole chimicamente e fisicamente diverse, e si possono quindi separare fra loro con normali metodi fisici o chimici, senza l aiuto di mezzi chirali. In generale, il massimo numero di stereoisomeri possibili per un composto che ha n atomi asimmetrici è 2 n. Vi può essere anche un numero di stereoisomeri minore del massimo possibile, qualora alcuni siano uguali fra loro queste due molecole sono identiche, grazie alla presenza di un piano di simmetria piano di simmetria

6 Il composto qui indicato è detto forma MESO, non è otticamente attiva perché non è chirale, in quanto le due metà della molecola sono immagini speculari l una dell altra. O OO O OO Acido (+)-tartarico, (R,R) T.Fus. 170 α = + 13,5 in acqua O OO O OO Acido (-)-tartarico, (S,S) T.Fus. 170 α = - 13,5 in acqua Acido (±)-tartarico racemo T.Fus. 210 (dec) OO O O OO O O OO OO Acido meso-tartarico, (R,S) T.Fus α = 0 Quindi l'acido tartarico esiste sotto forma di due coppie di enantiomeri, diastereoisomere fra loro, una delle quali otticamente inattiva perché le due immagini speculari sono uguali fra loro (ovvero perché la struttura possiede un piano di simmetria). Allo scopo di separare fra loro gli enantiomeri che compongono una miscela racema, uno dei metodi è quello di farli reagire con un altra sostanza chirale (un solo enantiomero) in modo da trasformare i due enantiomeri in diastereoisomeri. Se gli enantiomeri da separare hanno proprietà acide o basiche, si possono salificare con una base o un acido chirale: O SO 3 3 N 2 acido (+)-10-canforsolfonico S-(-)-α-(1-naftil)-etilammina

7 R-talidomide sonnifero S-talidomide teratogeno S-carvone cumino R-carvone menta Vi sono anche molecole inerentemente chirali, anche senza avere un carbonio asimmetrico: sono le molecole prive di elementi di simmetria perché, ad esempio, elicoidali, come gli eliceni: enantiomeri dell esaelicene

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