Chimica organica - la stereochimica

Isomeria

Riepilogo dei tipi di visti finora

1. Stessa formula molecolare, ma diversa sequenza degli atomi o delle insaturazioni.

Isomeri strutturali

CH₃ CH₂ CH₂ CH₃ e CH(OH)CH₂CH₂CH₂CH₃ CH₂ OH

Isomeri posizionali

CH₃ CH₂ CH=CH e CH₃ CH=CHCH₃

2. Data una definita sequenza, si possono avere isomeri dovuti a diverse relazioni dei gruppi nello spazio.

Isomeri conformazionali (interconvertibili)

H H H CH₃ H H H H H CH C CH₃ H₃ CH₃ H H 3

Isomeri configurazionali (non interconvertibili)

H H CH₃ CH₃ H C H C CH₃ H₃ H H H CH₃ H CH H C H₃ 11

Isomeria ottica

Qualunque oggetto, messo davanti ad uno specchio, riflette la propria immagine. L'immagine riflessa mantiene l'alto ed il basso, ma scambia sinistra e destra. Alcuni oggetti risultano sovrapponibili alla propria immagine speculare, altri no.

Oggetti privi di elementi di simmetria non sono sovrapponibili alla propria immagine speculare. Oggetti con elementi di simmetria sono sovrapponibili (e quindi identici) alla propria immagine speculare. Non ha un piano di simmetria, né altri elementi di simmetria.

Oggetti con elementi di simmetria

Oggetti con elementi di simmetria (piani, assi, centro) si dicono simmetrici: piano di simmetria, piani di simmetria, centro di simmetria, assi di simmetria.

Oggetti senza elementi di simmetria si dicono asimmetrici o chirali.

Anche le molecole, quando non hanno elementi di simmetria, sono non sovrapponibili alla propria immagine speculare.

2-butanolo

Il 2-butanolo può essere scritto con due diverse distribuzioni dei gruppi nello spazio. Le due strutture non sono sovrapponibili e quindi sono due isomeri distinti. Si tratta perciò di stereoisomeri.

2-butanolo: CH CH CH CH₂ CH₃ OH H C H O

Stereoisomeri che sono immagini speculari non sovrapponibili si chiamano enantiomeri.

CH₃ CH₂ CH₃ I CH₃ CH₂ H OH CH₃ H O I I CH CH₃ I 33 specchio

Enantiomeri con un solo carbonio

Anche con un solo C si possono avere enantiomeri. Ad esempio, il bromocloroiodometano I ClCl IIIII C C HH II III Br I Br

Se si sovrappongono i gruppi verticali, non sono sovrapposti quelli orizzontali. Se si prova a ruotare, solo i C si sovrappongono.

Se in una molecola c'è un C sp² legato a diversi, esistono due stereoisomeri che sono immagini speculari non sovrapponibili (enantioneri). Ciascun enantiomero è sovrapponibile all'immagine speculare dell'altro.

Stereoisomeria ottica

La stereoisomeria ottica non c'è se al C sp sono legati almeno due gruppi uguali.

CH₃ CH₃ Cl HH Cl H Cl Cl H CH (B) CH ₃ CH ₃ (A)(A) (B) specchio

Con due gruppi uguali c'è un piano di simmetria. Se il C sp è legato a quattro gruppi (o atomi) uguali, il piano che passa per il C e due gruppi (o atomi) è un piano di simmetria.

Se il C sp è legato a tre gruppi (o atomi) uguali ed uno diverso, il piano che passa per il C, il gruppo (o atomo) diverso ed uno dei gruppi (o atomi) uguali è un piano di simmetria.

Se il C sp è legato a due gruppi (o atomi) uguali, c’è un piano di simmetria se gli altri due gruppi sono diversi tra loro; se gli altri due gruppi tra loro sono diversi, i piani di simmetria sono due.

Se il C sp è legato a quattro gruppi (o atomi) diversi, non c’è nessun piano di simmetria.

La stereoisomeria ottica non c'è se il C è ibridato sp²: c'è sempre almeno un piano di simmetria (quello che passa per il piano individuato dai legami sp).

Qualunque atomo tetraedrico legato a quattro gruppi diversi è un atomo asimmetrico (chirale) e rende asimmetrica la molecola.

R R₁ 11 +R R R R R R₄ 4 2 4 Si 22 Ge N -X R R R₃ 3 3

Enantiomeri di sali di ammonio

In alcuni casi sono stati isolati gli enantiomeri di sali di ammonio quaternari o di N-ossidi CHlCH₃ ⁺l+ CHCH₂ l N₂N l -- CllCl CHCH₂ l CHCH₃ l₃ specchio lCH CH₃ 3l- -+ +O OlN NllCH CHl₂ 2CH l CH_{3 3}

Le ammine terziarie enantiomere si interconvertono facilmente e non si possono considerare stereoisomeri, ma conformazioni (nel passaggio da una forma all'altra non si rompono legami chimici).

RR 11 :: NN RR 33 RR 22

Certi sali di solfonio, invece, richiedono più energia per l'interconversione e sono isolabili come enantiomeri stabili CO H CO Hl₂ 2CH l₂ CH- 2l: -BrS :Br S+ l CH CHCH₃ CH_{3 2} lH C CH_{3 3} specchio

Simmetria molecolare

Una molecola può essere priva di elementi di simmetria anche in assenza di atomi chirali.

ALLENI sostituiti HH l HH l CC CC C C l Cll ClClCl l specchio Cl non sovrapponibile alla H CC C immagine speculare Cl H

Bifenili 2,2',6,6'-tetrasostituiti

O OH Ol OH-OC -+ l O C+N NO l OllO C Ol CN O OH +Nl+ OHO- -O O specchio Acido 6,6'-dinitrobifenil-2,2'-dicarbossilico (acido 6,6'-dinitrodifenico) O OH O OHlC Cll- -O l OOvisti di lato O +l+NC N ClO OOH OHll+ l +N N- l -O O O Ospecchio

Molecole asimmetriche e dissimmetriche

Una molecola con un solo C (o altro atomo) chirale si dice asimmetrica. Una molecola priva di elementi di simmetria ma senza atomi chirali si dice dissimmetrica. Le molecole asimmetriche e quelle dissimmetriche esistono come enantiomeri, cioè come immagini speculari non sovrapponibili.

Isomeria ottica

Perché si chiama "Isomeria Ottica"? Quando la luce polarizzata attraversa un composto chirale, il piano di polarizzazione viene deviato. Luce polarizzata HCBr CH₃ Cll'asimmetria allo stereocentro provoca la rotazione.

Luce non polarizzata

Quando la luce non polarizzata attraversa un filtro polarizzatore, le onde luminose che vibrano in tutte le direzioni vengono filtrate e la luce che passa vibra in una sola direzione.

Quando l'asse di un secondo polarizzatore è parallela a quella del primo, la luce passa anche attraverso il secondo polarizzatore e l'osservatore vede il massimo della luce.

Quando i due filtri polarizzatori hanno assi che formano angoli tra 0° e 90°, passa una quantità di luce intermedia tra il massimo e zero.

Attività ottica

Quando la luce polarizzata attraversa una soluzione contenente il composto chirale, questo provoca la rotazione del piano della luce polarizzata.

La rotazione del piano della luce polarizzata venne chiamata attività ottica e le sostanze capaci di ruotare il piano della luce polarizzata si chiamarono "otticamente attive".

Gli enantiomeri hanno tutte le proprietà fisiche identiche, tranne la direzione in cui ruotano il piano della luce polarizzata. L’enantiomero che ruota verso destra il piano della luce polarizzata si dice “destrogiro” e si indica con (+) (una volta con d), quello che lo ruota verso sinistra si dice “levogiro” e si indica con (-) (una volta con l).

Gli enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata esattamente della stessa quantità, ma in direzione opposta. Una miscela in parti uguali di due enantiomeri (miscela racemica) ha potere rotatorio zero. Non è possibile prevedere in che direzione un dato enantiomero ruoterà il piano della luce polarizzata: direzione e grandezza della rotazione sono proprietà fisiche che devono essere misurate.

Misurazione della rotazione

Lo strumento che misura la rotazione della luce polarizzata si chiama polarimetro. La rotazione (α) misurata dipende dalla concentrazione della soluzione, dalla lunghezza del cammino ottico (lunghezza della cella) e dall'attività del composto.

αoC

Per un dato composto si definisce il potere rotatorio specifico, [α] = λ lc xα dove: = rotazione osservata l = lunghezza del cammino ottico (in dm) c = concentrazione (in g/ml)

Problema: identificazione degli enantiomeri

Notazione di Fischer

Si basa sul lavoro di Fischer con l'Aldeide Glicerica (2,3-diidrossipropanale).

H OC* CHOHCH₂OH (+) (-) destrogiro levogiro (+) (-)(d) (l)

Quale struttura assegnare all'enantiomero destrogiro? Quale a levogiro?

Si usano delle formule proiettive Fischer.

Scrivere le formule proiettive

• Si orienta la molecola in modo che solo il C chirale appartenga al piano di scrittura.
• I legami del C chirale si proiettano a croce sul piano di scrittura, con la convenzione che i segmenti orizzontali indicano legami al di qua del piano di scrittura (verso l'osservatore) ed i segmenti verticali indicano legami al di là del piano di scrittura (lontano dall'osservatore).
• La catena più lunga di atomi di carbonio si mette verticale.

Attribuire la notazione D,L

1. Si scrive la molecola secondo la proiezione di Fischer, con la catena più lunga di atomi di C in verticale e con l'estremità più ossidata in alto. Nell'aldeide glicerica, al C chirale sono legati: -CHO, -H, -OH, -CH₂OH.

2. Si guardano i legami orizzontali. Se il gruppo diverso da H si trova a sinistra, si assegna la notazione L e si dice che l'enantiomero è "di serie L". Se il gruppo diverso da H si trova a destra, si assegna la notazione D e si dice che l'enantiomero è "di serie D".

CHO CHO L D H O HH OH CH₂OH

Fischer ha assegnato (in modo arbitrario) la configurazione D all'enantiomero destrogiro dell'aldeide glicerica. A partire dall'aldeide glicerica è stata assegnata la struttura agli altri composti, partendo da quelli che sono in relazione strutturale con l'aldeide glicerica.

CHO CO₂H H HOH OH CH₂OH CH₂ D D- )((+) aldeide D-glicerica acido D-2-idrossipropanoico D-2,3-diidrossipropanale acido D-lattico

Convenzione di Fischer

La convenzione di Fischer permette di assegnare una configurazione relativa. Non c'è nessuna relazione tra il segno del potere rotatorio (dato sperimentale) di un enantiomero e la sua configurazione. Dobbiamo essere in grado di scrivere le strutture D e L degli enantiomeri di un composto, ma non possiamo dire quale enantiomero è destrogiro e quale levogiro, se non misurando sperimentalmente il potere rotatorio. Con le formule proiettive si perdono (apparentemente) le informazioni sulla tridimensionalità. In realtà le informazioni si conservano, se si ricorda la convenzione con cui si proiettano i legami. Una volta che i legami del C chirale sono stati proiettati a croce, le sole operazioni lecite sono quelle che mantengono i legami nella stessa situazione rispetto al piano di scrittura.

slittamento sul piano Operazioni LECITE rotazione di 180°

CHO CHO rotazione di 180° CH₂OH CH₂OH =H OH H OH HO HHO H =CH₂OH CH₂OH CHOCHO_{2 2}

Operazioni proibite

• rotazione di 90°
• rotazione di 270°

RIBALTAMENTO

H H CHO CHO rotazione di 90°= =/ HO CHOCH H O CH CHOH H O HOH_{2 2}

CH₂OH CH₂OH OH OH₂ 2 HH O CH CHO₂ O HO H CHO CHO OH rotazione di 270°=H /H O HOH C O HOH CH=OH CH OHC₂2CH₂OH CH₂OH HH₂2 O HO H C CH OH₂ HCHO CHO CHO CHOCHO H O HHH O HH H OH OOHH CH₂OH CH₂OH CH₂OH ribaltamento CH₂OH _{2 2} CH₂OH non sovrapponibili 2 enantiomero

Esempio di applicazione

Esempio BrCHCOHCH acido 2-bromopropanoico 23 *si scrive la catena di C verticale, con il gruppo più ossidato in alto.

COH₂CCH₃ ai due enantiomeri si assegna la notazione guardando dove si trova il gruppo diverso da H (in questo caso, Br) H COH CO₂2H BrC Br HCLDCH CH_{3 3}

La notazione D,L non si può applicare: 1. Se non c'è una funzione più ossidata da mettere in alto Clesempio 3-cloroesano CH CH CHCH CHCH_{3 2 2 3} *si può sempre scrivere la forma proiettiva CH CH rotazione di 180° CH CHCH₂3 _{2 3} 2 ?Cl C H H C Cl CH CH CH_{2 3 2 3} lo stesso enantiomero ha il Cl a sinistra e a destra, perché non c'è un'estremità più ossidata da mettere in alto.

Altri casi di impossibilità

2. Se non c’è un atomo di H legato al C chirale esempio Br*acido 2-bromo-2-metilbutanoico C COHCHCH₂3 ₃ si può sempre scrivere la forma proiettiva l COH COH₂ ?2lBr C CH BrH C Cl_{3 3} CH CH l CHCH_{2 3} Quando non è possibile assegnare la notazione D,L si ricorre ad una notazione più generale, sempre applicabile: Notazione R,S

Attribuzione della notazione R,S

Regole:

• Si elencano i quattro gruppi (o atomi) legati allo stereocentro (C chirale), in ordine di priorità decrescente.
• Si orienta la molecola, in modo da guardarla dalla parte opposta, rispetto al gruppo a priorità più bassa.
• Partendo dal gruppo a priorità più alta, si disegna una freccia curva in direzione del gruppo successivo in ordine di priorità.
• Se la freccia è in senso orario (cioè se si va dal primo gruppo al secondo ed al terzo in senso orario), la configurazione è R (= recte), se la freccia è in senso antiorario, la configurazione è S (= sinister).

Esempio di assegnazione R,S

Esempio: * 1) -OH 2-butanolo CH CHCH CH_{3 2 3} 2) -CH CH_{2 3} OH 3) -CH ₃ 4) -H CH ₃ H OH R CH ₂ CH₃

Attenzione! Quando la molecola è rappresentata in modo tridimensionale, può essere orientata in modo qualsiasi. Per assegnare la notazione, bisogna guardare la molecola dalla parte opposta rispetto all'ultimo gruppo in ordine di priorità.

Esempio: H₁ Br₁ C₂ CH₃ Br CH CHCH_{2 3} H C₃ CH CH_{2 3} Br₁ C₂ H₃ CH CH_{2 3} va guardato da dietro H₃ HHC₁ Br CH₃ C HCH CH C CH C CH _{2 5 3 2} CH CH_{3 2 2 3} Br Br sono tutte rappresentazioni dell' (S)-2-bromobutano

È molto importante guardare la molecola nella giusta direzione CHCHCH CH_{2 3} Br_{2 3} H₃ Br H CHCH_{3 3} l'enantiomero è lo stesso (la mano è la stessa), ma può non sembrarlo, se si guarda dalla parte sbagliata CHCHCH CH_{2 3 2 3} Br H Br H CHCH_{3 3} 2 111/04/2011

Formule proiettive e priorità

Br CHCH_{2 3} (R)-2-bromobutano CH₃ H Br Br Cl Cl CHCH_{3 3}

Usando le formule proiettive, l'ultimo gruppo in ordine di priorità (per esempio, l'H) va messo su uno dei segmenti verticali (per esempio, in basso): in tal modo è dalla parte opposta rispetto al punto di osservazione.

=H H 1 2 3 3 2 1 3 2 1 H H 2 3 1 3 2 1 2 3 H H 2211/04/2011

Esempio: acido (S)-2-bromo-2-metilbutanoico

Esempio: Scrivere l'acido (S)-2-bromo-2-metilbutanoico

• Si scrive la formula (individuando il C chirale) Br OH * C C CH CH_{3 2} O CH ₃
• Si elencano i gruppi, in ordine di priorità decrescente 1) -Br OH 2) -CO C O ₂ O H C C CH ₃ 3) -CH ₂ 3 H H C H 4) -CH ₃ H
• Si scrive la formula proiettiva (legami a croce) con (ad esempio, l'ultimo gruppo in ordine di priorità dietro in basso) CH ₃
• Il 1° gruppo in ordine di priorità si mette dove si vuole; il 2° gruppo va messo in modo da essere raggiunto al primo gruppo seguendo il senso orario