Stereochimica. Molecole nello spazio

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1 Stereochimica Molecole nello spazio

2 Stereoisomeri: definizioni Stereoisomeri: isomeri che hanno la medesima connettività tra gli atomi ma differente orientazione 3D degli atomi nello spazio. Stereoisomeri conformazionali: si interconvertono per rotazione attorno a un legame. Stereoisomeri configurazionali: non possono interconvertirsi senza rompere legami: Enantiomeri: stereoisomeri che sono immagini speculari non sovrapponibili. Diastereomeri: stereoisomeri che non sono immagini speculari.

3 Sì A vs B Stessa formula molecolare? No I modelli di A e B sono sovrapponibili? Sì No Non c è relazione tra A e B A e B sono identici Sì A e B sono isomeri No E TIPO DI ISOMERI? A e B differiscono per la rotazione attorno a un legame? A e B sono isomeri conformazionali Sì A e B hanno la stessa formula condensata? No A e B sono stereoisomeri A e B sono isomeri strutturali A e B sono immagini speculari? Sì A e B sono enantiomeri No A e B sono diastereoisomeri

4 Isomeri conformazionali Sono strutture che risultano dalla libera rotazione attorno a un legame singolo. Possono differire in energia. Prevale il conformero a energia più bassa. Le molecole ruotano costantemente attraverso tutte le conformazioni possibili.

5 onformazioni limite dell etano 3-3 staggered sfalsata eclissata Proiezioni di Newman

6 Etano torsional strain Torsional strain: la forza che si oppone alla rotazione di una parte della molecola per portarla in eclissamento. L eccesso di energia presente nella conformazione eclissata.

7 Propano Strain torsionale: 3.3 kcal/mole per il maggior ingombro del metile (rispetto all idrogeno nell etano)

8 Butano

9 Energie relative E 5 5 sin Kcal/mol eclissato sin 3 2 gauche gauche 0 anti anti

10 Stereoisomeria onfigurazionale

11 hiralità Oggetti che non sono sovrapponibili alla loro immagine speculare sono detti chirali. Oggetti che sono sovrapponibili alla loro immagine speculare sono detti achirali. Un oggetto achirale ha almeno un elemento di simmetria.

12 hiralità La molecola non è sovrapponibile alla sua immagine speculare: èchirale La mano destra non è sovrapponibile alla mano sinistra, che è la sua immagine speculare

13 Piano di simmetria Piano di simmetria Nessun piano di simmetria Acido propanoico (achirale) Acido lattico (chirale)

14 Enantiomeri Acido lattico O O O 3 O 3 O O

15 Enantiomeri 3-clorocicloesene l l l

16 Enantiomeri 2-butanolo

17 arbonio stereogenico o stereocentro Un carbonio stereogenico è tetraedrico (sp 3 ) ed ha quattro sostituenti diversi: l l F Br F Br Una molecola chirale ha uno stereocentro, è dissimmetrica. Esiste in due forme, immagini speculari non sovrapponibili, che formano una coppia di enantiomeri (isomero destro e sinistro).

18 Attività ottica Leproprietà fisiche degli enantiomeri sono identiche (punto di ebollizione, punto di fusione, densità, indice di rifrazione, etc.) tranne che per la direzione in cui ruotano il piano della luce piano polarizzata. Gli enantiomeri sono isomeri ottici.

19 Tipi di luce Luceordinariaconsiste di onde che vibrano in tutti i piani perpendicolari alla direzione di propagazione. Luce piano polarizzata consiste di onde che vibrano in un solo piano. pianopolarizzata

20 Polarimetro È lo strumento che misura il grado di rotazione del piano della luce piano polarizzata. destrorotatorio (+) otticamente attivo levorotatorio ( ) otticamente attivo otticamente inattivo

21 Attività ottica omposto otticamente inattivo: a. molecola achirale b. miscela racema, (±), miscela 50/50 dei due enantiomeri omposto otticamente puro: 100% di un enantiomero Purezza ottica (eccesso enantiomerico, e.e.) = percento di un enantiomero percento dell altro es. 80% di un enantiomero e 20% dell altro = 60% e.e. o purezza ottica

22 Attività ottica Rotazione specifica [ α] T D temperatura rotazione osservata (º) [α] T D = α cl cammino ottico (dm) riga D del sodio concentrazione (g/ml soluzione) 27 es. (+)-2-butanolo [α] = º D ( )-2-butanolo 13.5º La rotazione specifica calcolata in questo modo è una proprietà fisica caratteristica di ogni composto otticamente attivo.

23 Rotazioni specifiche di composti bioattivi OMPOSTO [α] D T colesterolo 31.5 cocaina 16 morfina 132 codeina 136 eroina 107 epinefrina 5.0 progesterone testosterone saccarosio β-d-glucosio α-d-glucosio + 112

24 onfigurazioni R e S R e S sono due descrittori che definiscono la configurazione di uno stereocentro attraverso un set di regole. 2-butanolo 3 O O Tale assegnazione non dice quale enantiomero è destrogiro e quale levogiro. Non c è relazione tra la configurazione assoluta di una molecola e il segno della sua rotazione ottica. R ( ) (+) S

25 onvenzione R,S Regole di Priorità (ahn, Ingold, Prelog) Ad ogni atomo legato direttamente allo stereocentro viene assegnata una priorità, sulla base del numero atomico. Più alto è il numero atomico, più alta la priorità N 2 O S l Br I Priorità crescente

26 onvenzione R,S Se non si può assegnare una priorità sulla base del numero atomico dell atomo legato allo stereocentro, si va al set di atomi successivi. La priorità viene assegnata alla prima differenza N 2 2 O Priorità crescente

27 onvenzione R,S Gli atomi che possiedono doppi o tripli legami sono considerati legati ad un numero equivalente di atomi simili con legami singoli. O = O O

28 onvenzione R,S Assegnare la priorità ai quattro sostituenti secondo le Regole di Priorità. Orientare la molecola in modo che il gruppo a priorità più bassa sia lontano dall osservatore. Determinare la direzione di precessione degli altri tre gruppi cominciando da quello con la massima priorità: senso orario = R (rectus) senso antiorario = S (sinister)

29 onvenzione R,S senso orario senso antiorario il sostituente a minor priorità viene posto dietro 3 R (rectus) 3 S (sinister)

30 onvenzione R,S O Et 3 O (R)-2-butanolo O 1 Et O 3 (S)-2-butanolo

31 onvenzione R,S O OO acido (R)-( )-lattico OO O 1 3 acido (S)-(+)-lattico

32 Proiezioni di Fischer A A A D B = D B = D B

33 Proiezioni di Fischer Determinare R e S nelle proiezioni di Fischer 3 O O 2 3 (R)-2-butanolo quando il gruppo a priorità minore è sulla verticale (legame dietro): leggere normalmente (S)-2-butanolo quando il gruppo a priorità minore è orizzontale (legame davanti): leggere all indietro (o leggere normalmente e invertire R con S)

34 Proiezioni di Fischer l Br catena principale in rosso 3 l 3 3 ruotare di 90 o orientare la catena principale verticalmente Br 3 l 3 l 3 Br convertire nella proiezione di Fischer Br 3

35 Proiezione di Fischer orientazione della catena principale e dei sostituenti nella proiezione di Fischer 3 O O 3 O O O 3 3 O

36 Regole di Fischer La catena carboniosa sta sulla linea verticale. Il carbonio più ossidato sta in alto. O 3 < 2 O < < O < OO =O Una rotazione di 180 nel piano non cambia la molecola. Non ruotare di 90! Non ruotare fuori dal piano!

37 omposti con due o più stereocentri Diastereomeri o diastereoisomeri: stereoisomeri che non sono immagini speculari. I diastereomeri hanno differenti proprietà fisiche. n carboni chirali 2 n possibili stereoisomeri

38 omposti con due stereocentri es. 3 3 O Br 2 2 = 4 possibili stereoisomeri 3 3 Br Br 3 Br Br 3 O O O O enantiomeri enantiomeri diastereomeri

39 omposti con due stereocentri Diastereomeri: coppie di enantiomeri eritro e treo A A A A B B B B ' B' B' ' B' ' ' B' A' A' A' A' diastereomero eritro diastereomero treo

40 omposti con più stereocentri 3 carboni chirali 2 3 = 8 possibili stereoisomeri R, R, R : S, S, S R, R, S : S, S, R R, S, R : S, R, S S, R, R : R, S, S diastereomeri enantiomeri

41 omposti con due o più stereocentri uguali: composti meso ontengono carboni chirali ma sono achirali 3 3 Br Br 2 2 = 4 possibili stereoisomeri 3 3 Br Br 3 treo Br 3 3 Br 3 Br Br eritro Br Br 3 3 piano di simmetria enantiomeri stesso composto meso diastereomeri 3 stereoisomeri

42 Acido tartarico OO OO O O 2 2 = 4 possibili stereoisomeri R R, S S, R S, S R O OO R R O OO treo O enantiomeri otticamente attivi OO S S O OO OO R OO O O S O O R OO OO eritro meso otticamente inattivo S piano di simmetria diastereomeri 3 stereoisomeri

43 Acido tartarico acido ( )-tartarico [α] D = 12.0 pf o solubilità di 1 g 0.75 ml 2 O 1.7 ml metanolo 250 ml etere insolubile in l 3 d = g/ml acido (+)-tartarico [α] D = pf o solubilità di 1 g 0.75 ml 2 O 1.7 ml metanolo 250 ml etere insolubile in l 3 d = g/ml acido meso-tartarico [α] D = 0 pf 140 o solubilità di 1 g 0.94 ml 2 O insolubile in l 3 d = g/ml

44 Stereoisomeria geometrica negli alcheni Notazione cis and trans negli alcheni isomeri geometrici diastereomeri cis-2-butene trans-2-butene la rotazione non è possibile

45 Esempi cis O trans cis O cis trans

46 Stereoisomeri geometrici Notazione E-Z per gli alcheni 1. Determinare la priorità più alta fra i due gruppi di sostituenti sui carboni olefinici, secondo le regole.i.p. 2. Se i gruppi a maggior priorità sono: su lati opposti: E (entgegen = opposto) sullo stesso lato: Z (zusammen = insieme) 3 > l > l l (E)-3-cloro-2-pentene (Z)-3-cloro-2-pentene

47 Notazione E-Z per gli alcheni Regole di Priorità: 1. guardare al primo atomo legato al carbonio del doppio legame 2. maggior numero atomico = maggior priorità 3. se gli atomi sono identici, esaminare l atomo successivo fino alla prima differenza. 4. i legami multipli vanno trattati come 2 o 3 legami singoli < 2 3 < < 3 < 2 l 3 3 (,,) (,,) (,,) (,,) (l,,) 3 > 3 O O = 3 = O 3 (,,;,,) (,,;,,)

48 Esempio Z 1 2 l l l E l (2Z,5E)-3,7-dicloro-2,5-ottadiene

49 Stereoisomeria geometrica Anelli disostituiti negli anelli R R entrambi i sostituenti dalla stessa parte del piano medio dell anello: cis R R sostituenti da parti opposte del piano medio dell anello: trans

50 Esempi 3 3 cis trans

51 Risoluzione di Enantiomeri Enantiomeri: identiche proprietà fisiche; non possono essere separati. Diastereomeri: differenti proprietà fisiche, p.f., p.e., solubilità, etc.; possono essere separati per distillazione, ricristallizzazione, cromatografia, etc.

52 Risoluzione di Enantiomeri A miscela racema R + S + B (R) enantiomero puro (agente risolvente) A B (R,R) + A B (S,R) diastereomeri separazione A B (R,R) A (R) si rimuove B A B (S,R) A (S)

53 Risoluzione di Enantiomeri O O + 2 N l racemo (S) O O l O O 3 N + + (R,S) 1) separazione 2) l l (R) O O l O 3 N + (S,S) l (S) O

54 Risoluzione di Enantiomeri

55 Presenza di molti stereocentri Enantiomeri? Diastereomeri? Meso? Assegnare (R) o (S) a ciascuno stereocentro. Gli enantiomeri hanno configurazione opposta in tutti gli stereocentri corrispondenti. I diastereomeri hanno qualche stereocentro della stessa configurazione, qualche altro di configurazione opposta. I composti meso hanno un piano di simmetria interno che riduce il numero di stereoisomeri. Il numero massimo di stereoisomeri è 2 n, con n = numero di stereocentri.

56 E S O S I allo O manno altro O O O O O O O 2 O O O O O 2 O O O O 2 O glucosio O ido O O O O O O O 2 O O O O O O O 2 O O O 2 O gulo galatto O O O O O O 2 O O O O 2 O ENANTIOMERI tutti gli stereocentri sono stati invertiti DIASTEREOMERI O O O solo alcuni stereocentri sono stati invertiti talo O O 2 O

57 onvenzione di Fischer-Rosanoff Prima del 1951, solo le configurazioni relative potevano essere conosciute. Gli zuccheri e gli ammino acidi con la stessa configurazione relativa della (+)-gliceraldeide furono chiamati D e quelli con la stessa configurazione relativa della ( )-gliceraldeide furono chiamati L (con assegnazione arbitraria). Grazie alla cristallografia a raggi X, ora si conoscono le configurazioni assolute della (+)- e della ( )- gliceraldeide: D è (R) e L è (S). Non c è relazione con il segno della rotazione.

58 Assegnazioni D e L O * O 2 O O a destra D-(+)-gliceraldeide (R)-(+)-gliceraldeide OO 2 N 2 2 OO acido L-(+)-glutammico O O 2 O L-( )-gliceraldeide (S)-( )-gliceraldeide carbonio stereocentro più vicino al meno ossidato O O O O O 2 O D-(+)-glucosio O a sinistra più ossidato in alto meno ossidato in basso