Lezione 5 - Stereochimica

Rotazione ottica eccesso enantiomerico

Se i 2 enantiomeri non sono presenti in rapporto 50:50 avrò una parziale rotazione che dipende dall'eccesso enantiomerico, il quale non viene compensato dall'altro enantiomero in soluzione.

ECCESSO ENANTIOMERICO = quantità di enantiomero in eccesso rispetto al racemo.

Esempio: se un enantiomero levogiro in una miscela è puro al 75% significa:

• il 25% della miscela è costituito dal 50% di enantiomero levogiro + 50% destrogiro
• Il 75% della miscela è costituito da SOLO enantiomero levogiro

Le concentrazioni sono quindi:

• Destrogiro = 25/2 = 12,5%
• Levogiro = 75 + 25/2 = 87,5%

Non c'è alcuna relazione semplice o ovvia tra la configurazione assoluta (descrittori R/S) di una molecola e il suo potere ottico rotatorio specifico misurato sperimentalmente.

MOLECOLE CON Più DI 1 STEREOCENTRO

DIASTEREOISOMERI = molecole con la stessa connettività ma non sono speculari

Il massimo numero di stereoisomeri è pari a 2^n (n=numero di stereocentri)

carboni asimmetrici non equivalenti)

Proiezioni di Fischer:

Regole di scambi:

a. Una rotazione della formula di 180° nel piano non comporta variazioni della configurazione.

b. Scambiando la posizione reciproca di due sostituenti collegati allo stesso atomo di carbonio si ottiene inversione di configurazione del centro stesso (ottengo il diastereoisomero).

c. Ribaltando la formula rispetto dal piano del disegno (rotazione di 180° sull'asse verticale) si ottiene l'enantiomero.

N.B.: normalmente la catena principale degli atomi di carbonio viene rappresentata verticale.

Configurazione R/S:

Assegnare la configurazione assoluta si guarda 1 carbonio alla volta e si applicano le stesse regole delle molecole con 1 stereocentro.

MESOFORME

Certe molecole sono dotate di particolari proprietà di simmetria che riducono il numero di stereoisomeri ad uno inferiore rispetto a quello previsto dalla regola 2^n.

Mesoforme=molecole con atomi di carboni asimmetrici ma con lo stesso set di

sostituenti (la molecola ha un piano di simmetria). Le forme meso hanno un potere ottico rotatorio = 0°. Esempio: acido triidrossipentandioico (5 atomi di carbonio -> 3 atomi C stereocentri 2^3 = 9 isomeri).

STEREOCHIMICA DEI COMPOSTI CICLICI

ANELLI MONOSOSTITUITI

Se abbiamo anelli monosostituiti, questi presentano sempre un piano di simmetria interno e non hanno stereocentri (sono achirali).

ANELLI BISOSTITUITI

CICLOPROPANO

• Sostituenti diversi -> se si trovano dalla stessa parte abbiamo la forma cis; se si trovano da parti opposte abbiamo la forma trans. (Le 2 forme possono esistere come enantiomeri)
• Stessi sostituenti -> se i sostituenti si trovano dalla stessa parte, abbiamo una mesoforma; se i sostituenti si trovano da parti opposte, ho una coppia di enantiomeri (R,R-S,S).

CICLOBUTANO

• Sostituenti diversi 1,2 -> se si trovano dalla stessa parte abbiamo la forma cis; se si trovano da parti opposte abbiamo la forma trans. (Le 2 forme possono esistere come enantiomeri)

se si trovano da parti opposte abbiamo la forma trans. (Le 2 forme possono esistere come enantiomeri)- Stessi sostituenti 1,2 o 1,3 —> se i sostituenti si trovano dalla stessa parte, abbiamo una mesoforma, se i sostituenti si trovano da parti opposte ho una coppia di enantiomeri (R,R-S,S)si notare che il testo fornito è già formattato correttamente utilizzando tag html.

re-> i sostituenti sono disposti in senso orario (corrisponde alla R dei carboni sp3)

Faccia si-> i sostituenti sono disposti in senso antiorario (corrisponde alla S dei carboni sp3)

Prochiralità sui carboni sp2

Se un carbonio sp3 non è chirale significa che non ha 4 sostituenti tutti diversi tra loro; può essere trasformato in un carbonio chirale immaginando di cambiare uno dei gruppi ad esso legato (molecola prochirale).

Esempio: CH3-CH2-OH in questa molecola il C ha legato a se 2 idrogeni, di conseguenza non è un centro chirale. Questo C può essere trasformato in un centro chirale se uno dei 2 idrogeni viene immaginato/trasformato in un sostituente che aumenti la sua priorità (priorità > H) ma che al tempo stesso non vada ad influenzare la priorità degli altri gruppo (priorità < CH3 <OH); un esempio potrebbe essere il deuterio. Inoltre i 2 idrogeni devono essere scritti con cunei e linee.

tratteggiate:

• Se l'H trasformato si trova sui cunei prende il nome di pro-R
• Se l'H trasformato si trova sui tratteggi prende il nome di pro-S

RACEMI E RISOLUZIONE

• COMPOSTO RACEMICO - la miscela è formata da cristalli otticamente inattivi, in ogni cristallo sono presenti entrambi gli enantiomeri.
• RISOLUZIONE - separazione degli enantiomeri

RISOLUZIONE MECCANICA - separazione di cristalli enantiomorfi (Pasteur 1848 - tartrato di sodio e ammonio). Solo per miscele racemiche.

RISOLUZIONE BIOLOGICA - viene effettuata utilizzando gli enzimi. L'enzima è in grado di legarsi selettivamente a un enantiomero oppure è in grado di reagire con esso o convertirlo.

CRISTALLIZZAZIONE PREFERENZIALE - preparo una soluzione racemica sovrassatura e aggiungo un cristallo enantiomorfo (= cristallo)

enantiomericamente puro). Questo cristallo fa da germe di inseminazione per favorire la cristallizzazione di altri cristalli sempre dello stesso enantiomero.

TRASFORMAZIONE IN DIASTEREOISOMERI—> ho una miscela di enantiomeri. Trasformo gli enantiomeri nei corrispondenti diastereoisomeri attraverso la reazione con una molecola enantiomericamente pura. La reattività è identica. Ovviamente i due diastereoisomeri che ottengono hanno caratteristiche diverse, per esempio cristallizzano in modo diverso e proprio grazie alle loro differenti proprietà li posso separare in maniere semplice.

Io non ho più la molecola di partenza perché l'ho modificata, però posso ritornare alla molecola di partenza perché sto operando con reazioni reversibili (es. reazioni di acidi racemici con basi otticamente attive).

RISOLUZIONE CINETICA—>sfrutto il fatto che la velocità con cui reagiscono gli enantiomeri con una sostanza otticamente

attiva può essere molto diversa.- ADSORBIMENTO SELETTIVO—> separazione attraverso cromatografia utilizzando una colonna chirale, cioè una colonna che contiene qualcosa di chirale che interagisce in maniera diversa con i due enantiomeri.

Risoluzione biologica

Es. gliceraldeide

La (R)-(+)-gliceraldeide interagisce con i 3 siti specifici di legame sulla superficie dell’enzima, mentre la (S)-(-)-gliceraldeide interagisce solo con 2 siti di legame, quindi non reagisce.

La (R)-(+)-gliceraldeide reagisce e il gruppo aldeidico viene ossidato dall’enzima ossidasi.

Trasformazione in diastereoisomeri

Se ho una miscela di enantiomeri inseparabile, trasformo gli enantiomeri nei corrispondenti diastereoisomeri (attraverso la reazione con un reagente chirale) a questo punto ottengo una miscela di diastereoisomeri. I diastereoisomeri hanno caratteristiche diverse, quindi è possibile separarli e purificarli.

Infine si esegue una reazione che mi permette di separare il

reagente chirale dall'enantiomero desiderato. Il reagente chirale viene chiamato anche induttore chirale ed è riutilizzabile.

Esempio: trasformazione in sali diastereoisomerici

Ho una miscela racemica di un acido. Faccio reagire l'acido con un' ammina chirale e otticamente attiva. Si formano 2 sali diastereoisomeri tra di loro.

Il carbonio non è l'unica molecola tetraedrica... Una delle caratteristiche più importanti per l'insorgenza di un centro chirale e quindi di attività ottica è che il carbonio sia tetraedrico e sia legato a 4 gruppi diversi, però l'ibridazione sp3 non è esclusiva del carbonio: ci sono altri atomi che hanno ibridazione sp3.

Tra le altre molecole tetraedriche che possono esistere come enantiomeri abbiamo:

• Silani
• Sali di ammonio
• Sali di fosfonio

Ovviamente i 4 gruppi devono essere diversi.

LE AMMINE

Le ammine come tali, teoricamente, se hanno 3 sostituenti diversi, un vertice

del tetraedro è occupato da un doppio elettronico che ha priorità inferiore e potremmo avere la separazione dei due enantiomeri. In realtà nelle ammine semplici questa cosa non succede perché pur essendo che l'azoto è ibridato sp3 e ha un doppio elettrico libero, l'interconversione nella forma ibridata sp2 dove abbiamo un orbitale p in cui il doppio elettronico può stare alternativamente sopra o sotto è molto veloce e avviene facilmente. Abbiamo la separazione dei due enantiomeri se l'ammina ha requisiti sterici particolari, un esempio è il caso delle aziridine (=derivate delle ammine in cui l'ammina è parte di un ciclo a 3 atomi) in cui l'interconversione nella forma ibridata sp2 è difficile. Per ottenere la forma sp2 gli angoli dovrebbero passare da 107° a 120° e quindi dovrei avere un allungamento estremo del legame. In questo caso posso separare i