Chimica organica - stereoisomeria

CONFIGURAZIONE ASSOLUTA

In un composto chirale l'orientazione nello spazio dei gruppi legati allo stereocentro è definita come configurazione assoluta. L'esatta struttura tridimensionale, e quindi la stereochimica di molte molecole organiche viene spesso determinata mediante tecniche di diffrazione ai raggi x.

E' importante conoscere che la configurazione di un composto chirale resta inalterata a meno che non venga rotto almeno uno dei legami dello stereocentro. Da ciò si evince che per molecole non cristalline in cui non è possibile utilizzare la tecnica ai raggi x la configurazione assoluta può essere accertata per correlazione con composti noti.

Per assegnare univocamente il nome e la configurazione degli stereoisomeri si ricorre alle regole di Cahn-Ingold-Prelog che permettono di descrivere la configurazione di uno stereocentro definendola rispettivamente R (dal latino rectus, quindi "destrorsa") o S (dal latino sinister, quindi "sinistrorsa").

“sinistrorsa”) in baseall’ordine con cui i differenti sostituenti sono disposti intorno allo stereocentro.

Le regole sono le seguenti:

1. Si attribuisce a ciascun gruppo legato allo stereocentro una priorità. La priorità viene attribuita sulla basedel numero atomico dell’atomo legato direttamente allo stereocentro: più alto è il numero atomico più alta è

35 16 14 12 1Cl > O > N > C > Hla priorità del sostituente. Per esempio:

2. Tra gli isotopi, la priorità spetta all’isotopo con massa atomica maggiore. Così il trizio, l’isotopodell’idrogeno con massa di 3 uma, ha priorità più alta del deuterio che ha massa atomica di 2 uma.

L’idrogeno, che ha numero atomico 1 e massa atomica di 1 uma, ha la più bassa priorità non soltanto rispettoai suoi isotopi, ma anche rispetto a tutti gli altri elementi della tavola periodica.

3. Se allo stereocentro

Sono legati due atomi uguali, ad esempio due catene di atomi di carbonio, allora si controllano gli atomi successivi in entrambe le catene, a partire dallo stereocentro fino al punto in cui si individua una differenza di priorità.

Si noti che all'estremità di una delle catene di atomi di carbonio, è presente un atomo di bromo che, avendo il più alto numero atomico, dovrebbe avere priorità su tutti gli altri atomi presenti. Tuttavia, l'atomo di bromo non influenza l'attribuzione delle priorità in quanto si trova oltre il punto che determina la differenza tra le catene.

4. Un doppio legame viene considerato come due legami semplici per ciascuno degli atomi coinvolti; un triplo legame per tre legami semplici.

5. Dopo che la priorità è stata assegnata agli atomi e ai gruppi presenti sullo stereocentro, si orienta la molecola in modo tale che il legame tra lo stereocentro ed il sostituente a più bassa priorità.

sia diretto lontano dall'osservatore. A questo punto, se per andare dal gruppo a priorità più alta (priorità 4) a quello a priorità intermedia (priorità 3) e quindi a quello a priorità più bassa (priorità 2) si procede in senso orario, allo stereocentro si assegna la configurazione R. Se, invece, si procede in senso antiorario, allo stereocentro si assegna la configurazione S. ³Br ³Br H H Cl ¹Cl ¹ I₂ I₂ 4(S)-bromocloroiodometano (R)-bromocloroiodometano Dalla priorità 4 alla 2 si procede in senso antiorario Dalla priorità 4 alla 2 si procede in senso orario È importante mettere in risalto che la designazione della configurazione di un composto come R o S non ha niente a che vedere con il segno della rotazione. Per stabilirlo occorre invece una misura sperimentale di α. Configurazione relativa. L'attività ottica di molti prodotti naturali, in particolare quella degli zuccheri, era nota ai

Chimici già nel XIX secolo ma per oltre cent'anni la determinazione della configurazione assoluta risultò un problema di non semplice soluzione. Per esempio, lo zucchero otticamente attivo più semplice, il 2,3-diidrossipropanale, comunemente chiamato gliceraldeide, ha un solo stereocentro ed esiste come coppia di enantiomeri, la (+)-gliceraldeide e la (–)-gliceraldeide. Non esiste alcun modo diretto per distinguere se la (+)-gliceraldeide corrisponda all'enantiomero R oppure all'enantiomero S. In altre parole, la reale disposizione degli atomi legati allo stereocentro, che corrisponde alla configurazione assoluta di un composto, non può essere assegnata sulla base del segno del potere rotatorio. Mediante processi di conversione chimica, è possibile stabilire il rapporto di configurazione tra due composti otticamente attivi, trasformando un composto nell'altro tramite reazioni che non implicano la rottura di un legame di un centro chirale.

anche senza conoscerne la configurazione assoluta, applicandol'assioma che la configurazione di un composto chirale resta inalterata a meno che non venga rottoalmeno uno dei legami dello stereocentro.Così per es. assegnando arbitrariamente alla D(+) gliceraldeide la configurazione riportata nello schema èpossibile partendo da essa ottenere mediante sintesi chimica, l'acido (-)-tartarico che è l'acido tartarico menoabbondante in natura. Così facendo si è assegnata la configurazione all'atomo di carbonio C e di2conseguenza si è assegnata la configurazione relativa all'intera molecola.Correlazione della D(+) gliceraldeide con l'acido (-)-tartarico ^CN _CN ^{COOH 1H} _2CH ^{OH CHO} _HO ^C _H ^HO _C ^{H HCN} _Ox ^{3CH OH H} _C ^{OH H} _C ^{OH CH} _OH ^CH _OH ^CH _OH ^{COOH 422} _{2D(+)-gliceraldeide} ^{Acido D(-)-tartarico HOx} _COOH ^CH _OH ^H _C ^{OH COOH Acido meso-tartarico} In questo modo sono state stabilite le configurazioni relative di un grande numero di composti.riflessioni per le riflessioni, ecc.) presenti nel sistema. Se una molecola possiede almeno un elemento di simmetria, allora non è chirale, altrimenti è chirale. La chiraltà di una molecola è molto importante in chimica organica, poiché molecole chirali possono esistere in due forme enantiomeriche, che sono immagini speculari l'una dell'altra e non sovrapponibili. Queste due forme enantiomeriche possono avere proprietà chimiche e biologiche molto diverse. La determinazione della configurazione assoluta di una molecola chirale è fondamentale per comprendere le sue proprietà e il suo comportamento. La tecnica di diffrazione dei raggi x, utilizzata da Bijvoet per determinare la configurazione dell'acido (+)-tartarico, è uno dei metodi più potenti per ottenere informazioni sulla struttura tridimensionale delle molecole. In conclusione, la chiraltà è una caratteristica fondamentale delle molecole organiche e la sua determinazione è di grande importanza per la comprensione delle proprietà e del comportamento di queste molecole.

I piani per le riflessioni (e le loro combinazioni) sono classificati come primari e secondari. Sono elementi di simmetria primari il piano di simmetria (o piano di riflessione), il centro di inversione (o centro di simmetria), e l'asse alternante σ.

Il primo (che si indica con σ) è un piano ideale che divide una molecola in due parti uguali, l'una immagine speculare dell'altra: alcuni esempi sono mostrati in Figura 3, utilizzando la molecola del butano.

Una molecola possiede un centro di inversione (che si indica con i) quando ad ogni atomo ne corrisponde un altro uguale ed opposto e ad uguale distanza dal centro (figura 4). Esso è quindi un punto ideale per il quale in una molecola passano le congiungenti di tutti gli atomi uguali ed opposti. Es. meso 2,3-diclorobutano.

Asse alternante prodotto da una rotazione più una riflessione. Si indicano con la sigla S, dove n indica il numero di volte in cui, in una rotazione di 360°, si.

ripetono le operazioni di simmetria. Es. di assealternante S .
Figura 5.4
Figura 5
Gli elementi di simmetria secondari sono gli assi semplici di rotazione (o assi di simmetria), assi ideali, perrotazione intorno ai quali di 360°, una molecola si trova n volte in una posizione indistinguibile da quella dipartenza. Si indicano con la sigla C ed a seconda del valore di n si chiamano binari (C ), ternari (C ),n 2 3) e così via. Un esempio è mostrato in Figura 6.quaternari (C4 Figura 6
È abbastanza comune che una molecola achirale mostri più di un elemento di simmetria: La presenza di unelemento di simmetria primario è condizione sufficiente per l’assenza di chiralità, mentre la presenza disoli elementi di simmetria secondari, quali gli assi semplici di rotazione, C , non è sufficiente a rendere lanmolecola achirale.Per esempio, come si può vedere dalla Figura 3, il butano nella conformazione anti non è chirale in

Il butano presenta un piano di simmetria che passa per i quattro atomi di carbonio e per due degli atomi di idrogeno primari legati ai due atomi di carbonio 1 e 4 e che biseca gli angoli tra le coppie di atomi di idrogeno secondari. Nella conformazione eclissata si possono individuare, così come è mostrato in figura, addirittura due piani di simmetria. Come conseguenza della sua simmetria, una molecola di butano nella conformazione anti è sovrapponibile alla sua immagine speculare. Essa è quindi achirale.

Il 2-clorobutano (Figura 1), al contrario, non ha elementi di simmetria primari. Nessuna conformazione del 2-clorobutano presenta un centro di simmetria o un piano di simmetria e pertanto la molecola è chirale. A volte non è immediata l'individuazione di un elemento di simmetria primario: ad esempio, le due forme gauche del butano non hanno elementi di simmetria ed infatti rappresentano una coppia di enantiomeri (figura 7).

H H MeH H H HH HMeMe HH HH

Figura 7

Non si può però parlare di forme otticamente attive del butano in quanto le due forme gauche sono anche conformeri e sono quindi in equilibrio con altri conformeri, invece simmetrici. In generale, è sufficiente che una sola conformazione sia achirale perché la molecola sia achirale: ovviamente, tale conformazione achirale deve essere raggiungibile e la barriera energetica che la separa dalle conformazioni enantiomere non deve essere così elevata da impedire la libera rotazione.

Nel caso del butano le due forme gauche enantiomere si convertono l'una nell'altra attraverso la forma sin, conformazione eclissata che è simmetrica (Figura 7). La barriera energetica è piuttosto bassa (3.8