STEREOCHIMICA Isomeria catena costituzionale posizione isomeria geometrica funzione Isomeria CONFORMAZIONALE Diastereoisomeria CONFIGURAZIONALE stereoisomeria Enantiomeria CONFORMAZIONALE CONFIGURAZIONALE isomeria ottica catena posizione funzione Stereoisomeria Gli stereoisomeri sono molecole che hanno la stessa formula molecolare e identica connettività, ma presentano una diversa orientazione degli atomi nello spazio. Possono essere distinti in due grandi sottocategorie: enantiomeri diastereoisomeri Sono l’uno l’immagine speculare dell’altro Non sono l’uno l’immagine speculare dell’altro Stereoisomeri conformazionali Si interconvertono per rotazione intorno a legami semplici (non sono isolabili a temperatura ambiente) diastereoisomeri (conformeri o rotameri) enantiomeri Stereoisomeri configurazionali Si interconvertono previa rottura e successiva formazione di un legame (sono isolabili a temperatura ambiente) diastereoisomeri diastereoisomeri ROTAZIONE IMPEDITA PER PERMETTERE LA ROTAZIONE INTORNO AL DOPPIO LEGAME SAREBBE NECESSARIO ROMPERE IL LEGAME π E QUESTO RICHIEDEREBBE UNA QUANTITÀ DI ENERGIA PIUTTOSTO ELEVATA Struttura del doppio legame Isomeria geometrica E’ un tipo di diastereoisomeria configurazionale che deriva dalla presenza di un doppio legame carbonio-carbonio o di un ciclo. Il 2-butene può presentare i due gruppi metilici in posizione diverse rispetto al doppio legame: dalla stessa parte (isomero cis), oppure da parti opposte (isomero trans). cis-2-butene trans-2-butene Gli isomeri geometrici non possono interconvertirsi tra loro spontaneamente e sono perciò due composti con proprietà chimico-fisiche diverse. Isomeria cis/trans nei cicloalcani disostituiti La presenza di due sostituenti sull’anello di un cicloalcano determina l’esistenza di stereoisomeri cis/trans. 1,2-dimetilciclopentano 1,4-dimetilcicloesano H H H H H H H H CH3 H 3C CH3 CH3 cis: assiale, equatoriale equatoriale, assiale cis H H H CH3 H H H H H CH3 trans H3C CH3 trans: equatoriale, equatoriale assiale, assiale Nomenclatura E/Z degli alcheni Caso limite della nomenclatura cis-trans: Quando i due atomi di carbonio impegnati nel doppio legame sono legati a 3 o 4 sostituenti diversi dall’idrogeno, la notazione cis/trans non è adeguata e va sostituita con la notazione E/Z. ? Quale dei due alogeni, il bromo o il cloro, deve essere considerato in posizione trans rispetto al metile e quale in posizione cis? Assegnazione nomenclatura E/Z Individuare il gruppo sostituente a maggior priorità tra quelli legati al carbonio sp2 di destra e il gruppo a maggior priorità tra quelli legati al carbonio sp2 di sinistra utilizzando le regole di Cahn-Ingold-Prelog. Il prefisso E (entgegen = opposto) viene assegnato se i due gruppi a maggior priorità si trovano da parti opposte rispetto al doppio legame Il prefisso Z (zusammen = insieme) viene assegnato se i due gruppi a maggior priorità si trovano dalla stessa parte rispetto al doppio legame Regole di priorità (Cahn-Ingold-Prelog, CIP) Regola 1 Mettere in ordine di numero atomico tutti i sostituenti dei due carboni del doppio legame Regole di priorità (Cahn-Ingold-Prelog, CIP) Regola 2 Se i due atomi confrontati sono uguali è necessario esaminare e confrontare progressivamente gli altri atomi a cui questi sono legati. Si procede pertanto fino al punto in cui si individua la prima differenza di priorità. Regole di priorità (Cahn-Ingold-Prelog, CIP) Regola 3 Gli atomi che sono legati mediante un doppio o triplo legame si considerano duplicati o triplicati attraverso legami semplici. Altri esempi Altri esempi Regole di priorità (Cahn-Ingold-Prelog, CIP) Regola 4 O Nel caso di strutture cicliche, è necessario riscrivere il ciclo immaginando di aprirlo. CH2 CH2 CH2 O CH2 O CH3 CH2 CH3 O CH2 CH2 CH2 O CH2 Br CH2 CH2 C C H O = CH3 CH2 CH3 O CH2 CH2 CH2 O CH2 Br H CH2 CH2 CH2 O O CH2 CH2 C CH2 C maggiore priorità Esercizio di nomenclatura E/Z Isomeria ottica L’isomeria ottica si verifica quando in una molecola sono presenti degli elementi di chiralità che possono essere centri, assi e piani di chiralità. Centri di chiralità Assi di chiralità Piani di chiralità Il termine chirale deriva dalla parola greca “cheir”, che significa “mano”. La relazione che sussiste tra due enantiomeri è la stessa che esiste tra la mano destra e la mano sinistra. Si definisce chirale un atomo privo di elementi di simmetria e che viene quindi anche chiamato asimmetrico. Centro di chiralità o stereocentro Un centro di chiralità o stereocentro è un atomo ibridato sp3 al quale sono legati quattro sostituenti diversi tra loro, collocati ai vertici di un tetraedro. Solitamente, si tratta di un atomo di carbonio. Tutte le molecole che contengono un centro di chiralità o stereocentro sono chirali, chirali ed esisteranno sotto forma di due enantiomeri, enantiomeri chiamati anche isomeri ottici. ottici Molecole achirali Se in una molecola due o più gruppi legati a un atomo di carbonio ibridizzato sp3 sono uguali, la molecola è sovrapponibile con la propria immagine speculare ed è pertanto achirale. achirale Molecole achirali Esistono molecole che, pur contenendo più centri di chiralità, risultano nell’insieme achirali. Esempio: (cis)-1,2-dibromociclopropano (due centri di chiralità) Br Br achirale (geometrie identiche) chirale Ciclopentani 1,3-disostituiti H B r * asimmetrica * C l H H C l * C l H H dissimmetrica (asse di simmetria C2) 2 C l C l * (Nessun elemento di simmetria) chirale * C chirale achirale mesoforma (piano di simmetria) * H Nomenclatura degli enantiomeri Il sistema IUPAC non è in grado di distinguere un enantiomero dall’altro, poiché entrambi rispondono allo stesso nome. E’ stato pertanto necessario trovare il modo di dare a ciascuno un proprio nome. Definiamo configurazione assoluta la particolare disposizione spaziale assunta da gruppi sostituenti legati a un centro di chiralità. Per caratterizzare la configurazione assoluta, la IUPAC utilizza i descrittori di chiralità R/S o notazione R/S. Notazione R/S Questa procedura utilizza le stesse regole di priorità di CahnIngold-Prelog (CIP) che ci sono servite per la nomenclatura E/Z degli alcheni. Regola 1 Assegnare la priorità ai sostituenti del centro chirale secondo le regole di Cahn-IngoldPrelog (CIP). 2 Cl 1 Br 4 H CH3 3 Notazione R/S Regola 2 Orientare la molecola in modo che il gruppo a priorità più bassa si allontani dall’osservatore; in tal modo gli altri tre sostituenti saranno diretti verso l’osservatore. Notazione R/S Regola 3 Se per passare dal gruppo a priorità più alta a quello a priorità più bassa si procede in senso orario, il descrittore assegnato al centro di chiralità sarà R (configurazione assoluta R). (dal latino rectus) Notazione R/S Se per passare dal gruppo a priorità più alta a quello a priorità più bassa si procede in senso antiorario, il descrittore assegnato al centro di chiralità sarà S (configurazione assoluta S). (dal latino sinister) Assegnazione configurazione R/S Esempio: acido lattico (o 2-idrossipropanoico) Acido (R)-lattico Acido (S)-lattico Nome IUPAC completo I descrittori di chiralità devono essere riportati tra parentesi tonda preceduti dal numero identificativo dell’atomo chirale a cui si riferiscono, davanti al nome IUPAC della molecola. Cl Br H CH3 (1R)-1-bromo-1-cloroetano Se i centri di chiralità sono più di uno, devono essere riportati separati da virgole, sempre all’interno della parentesi tonda. Proiezioni di Fischer Le proiezioni di Fischer sono delle rappresentazioni bidimensionali di molecole chirali. Si ottengono proiettando su un piano i legami che si dipartono dall’atomo di carbonio che costituisce il centro di chiralità. Si presentano, pertanto, come una croce avente al centro l’atomo di carbonio che costituisce il centro di chiralità e i quattro legami orientati in senso verticale e orizzontale. Proiezioni di Fischer Nel proiettare una molecola, la catena più lunga di atomi di carbonio deve essere riportata verticalmente, collocando in alto il carbonio al quale spetta il più basso numero di posizione derivante dalla nomenclatura IUPAC. I legami verticali corrispondono ai gruppi che si allontanano dall’osservatore (cuneo tratteggiato), e quelli orizzontali corrispondono ai gruppi che si avvicinano all’osservatore (cuneo pieno). Limitazioni all’uso delle proiezioni di Fischer Nelle proiezioni di Fischer non sono consentiti spostamenti arbitrari di atomi o gruppi, in quanto lo scambio di due qualsiasi sostituenti comporta l’inversione della configurazione dello stereocentro. Le proiezioni di Fischer non devono mai essere ribaltate dal piano del foglio, in quanto questa operazione equivale alla conversione nell’altro enantiomero. Possono essere girate senza mai essere staccate dal piano del foglio. (R)-gliceraldeide (S)-gliceraldeide Assegnazione del descrittore di chiralità attraverso le proiezioni di Fischer Per assegnare il descrittore di chiralità in una proiezione di Fischer, il gruppo a priorità più bassa si deve trovare in verticale. verticale Possiamo quindi fare un certo numero di scambi, ricordando che: Numero di scambi dispari: inversione di configurazione Numero di scambi pari: la configurazione resta inalterata 1° scambio 2° scambio R Assegnazione del descrittore di chiralità attraverso le proiezioni di Fischer 1° scambio 2-butanolo (R) oppure (S)? 2° scambio (2R)-2-butanolo Quando si ha a che fare con molecole che contengono più centri di chiralità le proiezioni di Fischer avranno il seguente aspetto: Assegnazione del descrittore di chiralità COOH - HO H S R H + H H H OH (R) oppure (S)? (S) OH S S OH OH COOH Regole: un sostituente con configurazione assoluta (R) è prioritario su di un sostituente con configurazione assoluta (S) un sostituente con configurazione assoluta (R,R) è prioritario su di un sostituente con configurazione assoluta (S,S) i sostituenti con configurazione assoluta (R,R) e (S,S) sono prioritari sui sostituenti con configurazione (R,S) e (S,R) Assegnazione del descrittore di chiralità: casi particolari (S) 1 H C cis H 2 C OH 3 C C C H CH3 4 H 3 1 H H3C trans CH3 CH2 C Cl C Z CH3 C H Cl Cl CH3 E C CH2 C Cl 2 4 Regola: un sostituente con configurazione (Z) è prioritario su di un sostituente con configurazione (E) un sostituente con configurazione cis è prioritario su di un sostituente con configurazione trans. Attività ottica La luce ordinaria è costituita da raggi di luce che vibrano in tutti i piani perpendicolari alla direzione di propagazione. La luce polarizzata è invece un raggio di luce che vibra lungo un solo piano (luce piano-polarizzata). La si ottiene facendo passare la luce ordinaria attraverso un polarizzatore. Si definisce attività ottica la capacità di una molecola di ruotare il piano della luce piano-polarizzata. Attività ottica degli enantiomeri Quando una luce piano-polarizzata attraversa una soluzione contenente una specie chirale, il suo piano di vibrazione viene ruotato di un certo angolo, espresso in gradi e indicato con la lettera greca alfa. Le molecole dotate di questa proprietà si dicono otticamente attive. attive Rappresentazione schematica di un polarimetro Attività ottica degli enantiomeri Due enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata del medesimo angolo, ma da parti opposte. Si chiamerà pertanto levogiro l’enantiomero che ruota a sinistra il piano della luce polarizzata e destrogiro quello che la ruota, dello stesso angolo, a destra. I simboli (+) e (-) vanno riportati dopo i descrittori di configurazione e prima del nome IUPAC NB: non esiste alcuna relazione tra il segno del potere ottico rotatorio (+ e -) e la configurazione R/S. Miscela racemica o racemato Si definisce racemato una miscela equimolecolare di due enantiomeri. Viene contraddistinto dal simbolo (±) posto davanti al nome del composto. Un racemato non presenta attività ottica, poiché i contributi dati dai singoli enantiomeri si annullano. (R,S)-(±)-2-butanolo = (R)-(+)-2-butanolo (50%)+ (S)-(-)-2-butanolo (50%) Una miscela che contiene quantità diseguali dei due enantiomeri si chiama scalemica. Essa è otticamente attiva, e il segno e l’intensità della rotazione del piano della luce polarizzata saranno determinati dall’enantiomero presente in eccesso. Molecole con due o più centri di chiralità La maggior parte delle molecole naturali e diverse molecole biologicamente attive presentano più di un centro di chiralità; in questo caso, è importante stabilire il numero massimo di possibili stereoisomeri della molecola in esame. Se una molecola contiene n centri di chiralità, possono esistere al massimo 2n stereoisomeri per quella molecola. Due centri di chiralità: diastereoisomeri La presenza di due centri di chiralità all’interno di una molecola implica l’esistenza di quattro possibili stereoisomeri, che sono due coppie di enantiomeri. Diastereoisomeri Diastereoisomeri Esempio: treonina [acido 2-ammino-3-idrossibutanoico] Proprietà dei diastereoisomeri I diastereoisomeri hanno proprietà fisiche e chimiche diverse, ossia si comportano come fossero composti diversi. Pertanto, possono essere facilmente separati tra di loro. NB: gli enantiomeri hanno configurazione opposta in tutti i centri chirali, mentre i diastereoisomeri hanno configurazioni uguali in alcuni centri e opposte in altri. Stessa configurazione Configurazione opposta Composti meso I composti meso (detti anche mesoforme) mesoforme sono stereoisomeri achirali. Come esempio, si prenda il caso dell’acido tartarico. enantiomeri identici per rotazione di 180° Poiché ci sono due stereocentri, ci dovrebbero essere quattro stereoisomeri dell’acido tartarico; in realtà ne esistono solo tre: due enantiomeri e una mesoforma. Acido tartarico piano di simmetria Poiché esiste un piano di simmetria, il composto meso è achirale e pertanto non è otticamente attivo. Centri pseudoasimmetrici Sono atomi di carbonio legati a quattro sostituenti diversi, due dei quali, però, differiscono solo per la loro configurazione, che è dunque opposta. Sono rappresentati dagli atomi di carbonio centrali nelle mesoforme di molecole che contengono un numero dispari di centri di chiralità. (R) centro pseudoasimmetrico con configurazione (r) (S) La configurazione di un atomo pseudoasimmetrico è assegnata con la stessa procedura utilizzata per gli atomi asimmetrici, ma i descrittori (R) e (S) sono sostituiti con le lettere “r” e “s” minuscole. Centri pseudoasimmetrici L’inversione di configurazione dell’atomo pseudoasimmetrico (scambio di due suoi ligandi) genera una nuova mesoforma. Per riflessione della molecola, la configurazione degli atomi pseudoasimmetrici non si inverte (R) (S) (r) (r) (S) (R) Epimeri Si definiscono epimeri due diastereoisomeri che, avendo due o più centri di chiralità, differiscono per la configurazione di uno solo di essi. I carboidrati ne sono un tipico esempio. Asse di chiralità Un asse di chiralità è presente in molecole che hanno la seguente formula generale: asse di chiralità Appartengono alla categoria dei composti con asse di chiralità, tra gli altri, gli alleni, gli alchilidencicloalcani, i bifenili. La chiralità è assicurata dalla diversità dei sostituenti nell’ambito della stessa coppia. chirale Molecole con chiralità assiale alleni alchilidencicloalcani bifenili Piano di chiralità (cenni) La chiralità planare si genera quando un gruppo di atomi disposti su un piano (piano chirale) sono connessi a una struttura rigida (spesso a ponte) che si estende sopra o sotto il piano. Presentano chiralità planare gli composti ad ansa, i cicloalcheni trans e i paraciclofani. Configurazione relativa: notazione D/L Abbiamo definito configurazione assoluta la particolare disposizione spaziale assunta da gruppi sostituenti legati ad un centro chirale. Per caratterizzare la configurazione assoluta, la IUPAC utilizza la notazione R/S. Definiamo qui il termine di configurazione relativa intendendo per relativa una configurazione che si ricava per confronto con strutture affini usate come riferimento. Per caratterizzare la configurazione relativa si utilizza la notazione D/L, che di solito si applica ai carboidrati e agli amminoacidi, anche se non è IUPAC. D e L sono i descrittori che vennero usati per la prima volta per assegnare la configurazione ai due enantiomeri della gliceraldeide. Gliceraldeide (2,3-diidrossipropanale) La gliceraldeide (nome IUPAC: 2,3-diidrossipropanale) viene presa come riferimento per l’assegnazione della configurazione relativa. D-gliceraldeide (ossidrile a destra) L-gliceraldeide (ossidrile a sinistra) NB: i descrittori D/L non hanno alcuna relazione con il senso di rotazione del piano della luce polarizzata Notazione eritro/treo La notazione eritro/treo deve il suo nome a due zuccheri, l’eritrosio e il treosio, le cui strutture sono le seguenti: Gruppi OH dalla stessa parte nella proiezione di Fischer Gruppi OH da parti opposte nella proiezione di Fischer Si definisce isomero eritro quello che ha i gruppi a maggiore priorità dalla stessa parte nella proiezione di Fischer, e isomero treo quello che li ha da parti opposte. Notazione sin/anti La notazione sin/anti si può usare per indicare la posizione relativa dei sostituenti dei vari centri di chiralità. Dalla proiezione di Fischer si deve passare alla struttura segmentata e usare il cuneo pieno e il cuneo tratteggiato. Notazione eso/endo La notazione eso/endo si usa con i sistemi biciclici, biciclici cioè costituiti da due cicli fusi insieme. Il termine “eso” indica il sostituente che punta verso l’atomo di carbonio a più alta numerazione, mentre “endo” indica il sostituente orientato dalla parte opposta. eso endo Centri di chiralità diversi dal carbonio Il carbonio non è l’unico elemento della tavola periodica a fornire un centro di chiralità, se opportunamente sostituito. Altri elementi che possono rappresentare un centro di chiralità sono l’azoto (N), il fosforo (P), lo zolfo (S), il silicio (Si). Il denominatore comune a tutti questi atomi è l’ibridazione sp3. Il doppietto elettronico viene considerato come il quarto sostituente, a cui viene assegnata la priorità CIP più bassa. Separazione di una miscela racemica Enantiomero-(R) Risolvente-(R) enantiomero-( ) Enantiomero-(S) (R) (R) (S) (R) Miscela di diastereomeri (R,R) e (S,R) ottenuti dalla reazione dei due enantiomeri con l'agente risolvente (R) Miscela racemica R/S Separazione dei diastereomeri (R,R) e (S,R) (S) Liberazione degli enantiomeri (R) e (S) puri Recupero dell'agente risolvente (R) (R) (R) (R) Enantiomero-(S) enantiomero-( ) Enantiomero-(R) Risolvente-(R) Risolvente-(R)
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