Stereoisomeria
...specchio, specchio delle mie brame...
Chiralità
Qualunque oggetto ha un'immagine speculare (con l'eccezione dei vampiri...).
Alcuni oggetti sono però identici (sovrapponibili) alla propria immagine speculare, altri no.
Alcuni oggetti sono identici (sovrapponibili) alla propria
immagine speculare.
Tali oggetti vengono detti ACHIRALI
Altri oggetti invece non sono identici (sovrapponibili) alla propria immagine speculare.
Tali oggetti vengono detti CHIRALI
La natura è chirale...
La natura è chirale... La natura è chirale...
La natura è chirale... ... ma anche achirale...
simmetria bilaterale
... ma anche achirale...
simmetria bilaterale
... ma anche achirale...
simmetria bilaterale
... ma anche achirale...
simmetria raggiata
... ma anche achirale...
simmetria raggiata
Ma quando una molecola è chirale?
Anche le molecole, come tutti gli oggetti possono o non possono essere chirali.
Molecole non sovrapponibili alla propria immagine speculare sono dette chirali.
L’immagine speculare di una molecola chirale si chiama enantiomero.
La chiralità è condizione necessaria e sufficiente per l’esistenza di due enantiomeri
Enantiomeri
• 2-butanolo
Enantiomeri
• 3-clorocicloesene
Cl
Cl
Cl
La più comune causa di chiralità è la presenza di un centro stereogenico (o stereocentro).
Uno stereocentro è di solito un atomo di carbonio tetraderico portante quattro sostituenti diversi.
La molecola e la sua immagine speculare non
sovrapponibile sono enantiomeri.
• La presenza di atomi di carbonio
asimmetrici suggerisce la possibilità che la molecola sia chirale.
• Molte, ma non tutte, le molecole che contengono atomi di C asimmetrici sono chirali.
Si noti che basta che 2 dei 4 sostituenti ad un carbonio tetraedrico siano uguali per avere un piano di simmetria
(un piano che taglia in due metà identiche la molecola)
Ad es. nel
clorobromometano vi è un piano di simmetria che passa per i due carboni, per l'ossigeno e che biseca i due idrogeni.
Il clorobromometano ha un piano di simmetria ed è perciò achirale
Molecole che possiedono piani di simmetria e/o centri di simmetria sono sovrapponibili alla propria immagine speculare.
Sono quindi achirali.
A proposito di isomeria...
ISOMERI
Composti con la stessa formula bruta
diversa formula
di costituzione uguale formula
di costituzione
ISOMERI DI COSTITUZIONE
Isomeri con un ordine diverso con cui sono legati gli atomi nelle
molecole
STEREOISOMERI
Isomeri con uguale formula di costituzione, ma con una differente disposizione spaziale degli atomi o
gruppi che li compongono
ENANTIOMERI
isomeri collegati da due immagini speculari non sovrapponibili
DIASTEROISOMERI
stereoisomeri non enantiomeri
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.
Stereoisomeria: la chimica in 3D
STEREOISOMERI
Due stereoisomeri sono sostanze diverse che hanno in comune sia la formula bruta che la formula di costituzione (sequenza degli atomi).
Cosa li rende diversi allora?
Una differente orientazione tridimensionale dei loro atomi nello spazio
ENANTIOMERI E DIASTEREOISOMERI
Se due stereoisomeri sono l'uno l'immagine speculare non sovrapponibile dell'altro sono detti enantiomeri.
Altrimenti sono detti diastereoisomeri.
Gli enantiomeri sono molecole con identiche proprietà chimiche, tranne la capacità di far ruotare la luce polarizzata.
I diastereoisomeri sono molecole con proprietà fisiche completamente diverse.
Un composto può avere un solo enantiomero, ma più di un diasteroisomero.
enantiomeri
diastereoisomero
Le immagini speculari sono sovrapponibili, quindi sono la stessa molecola: il Cis-1,2-dibromociclopropano e il Trans-1,2- dibromociclopropano sono tra loro diastereoisomeri
Stereoisomeri con formula bruta
C3H4Br2 Trans-1,2-dibromociclopropano Trans-1,2-dibromociclopropano
Cis-1,2-dibromociclopropano Cis-1,2-dibromociclopropano
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.
Risoluzione di Enantiomeri
Le Regole di Cahn Ingold Prelog:
Il Sistema di Notazione R-S
Regola 1. ordinare i sostituenti del C stereogeno in base alla PRIORITA’.
La priorità si determina in base:
Si guarda il primo atomo legato allo stereocentro.
Ha maggiore priorità:
a. il gruppo con l'atomo con il più alto numero atomico
b. in caso di parità, si guardano gli atomi legati al primo atomo; si confrontano fino al primo punto di differenza.
c. Un caso speciale è rappresentato dai carboni coinvolti in un doppio o triplo legame. Per convenzione si considerano i legami multipli come più legami semplici.
Questo ha la maggiore priorità
Questo ha la minore priorità
Le Regole di Cahn Ingold Prelog:
Il Sistema di Notazione R-S
Regola 2. Si dispone la molecola in modo che il gruppo con priorità più bassa sia diretto lontano
dall'osservatore. I rimanenti tre verranno tutti verso l'osservatore.
Le Regole di Cahn Ingold Prelog:
Il Sistema di Notazione R-S
Regola 3. Si esegue una rotazione per passare dal gruppo 1 al 2 e poi al 3.
• Se la rotazione è oraria, la notazione sarà R (rectus, destra).
• Se antioraria la notazione sarà S (sinister, sinistra)
Senso orario: configurazione R
4 1
2
4
3 1
2
Convenzione di Cahn-Ingold-Prelog.
Sistema di nomenclatura R,S
3
Rectus
R S Sinister
Le Regole di Cahn Ingold Prelog:
Il Sistema di Notazione R-S
CONFIGURAZIONE
Con il termine configurazione si intende la disposizione spaziali dei sostituenti intorno allo stereocentro. Per ogni stereocentro esistono solo 2 configurazioni (2 enantiomeri).
IMPORTANTE
- Se si scambiano di posto due sostituenti, la configurazione si inverte (R S e S R).
- Se si eseguono due scambi la configurazione rimane la stessa
Importanza biologica degli enantiomeri
I siti dei recettori biologici sono in grado di discriminare tra configurazione R ed S
di un enentiomero
Attività ottica
Esiste una proprietà fisica che consente di distinguere due enantiomeri: la
rotazione del piano della luce polarizzata.
Ciascun enantiomero, preso separatamente dall'altro, ha questa proprietà ed è perciò detto
otticamente attivo.
Attività ottica
Luce polarizzata linearmente
Luce non polarizzata
Affinchè una sostanza esibisca attività ottica, deve essere chirale
un enantiomero deve essere in eccesso rispetto all’altro.
Funzionamento di un polarimetro
•
Due enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata di un angolo identico, ma in direzioni opposte.Polarimetro
Attività ottica
Attività ottica
La rotazione che viene determinata sperimentalmente al polarimetro è detta
rotazione osservata (espressa in gradi).
Per una maggiore uniformità è utile:
Indicare le variabili non proporzionali (λ, T, solvente) Trasformare la rotazione osservata in una grandezza indipendente dalla concentrazione e dalla lunghezza della cella:
ROTAZIONE SPECIFICA
Attività ottica
Attività ottica Attività ottica
La rotazione che viene determinata sperimentalmente al polarimetro è detta
rotazione osservata (espressa in gradi).
Importante differenza
La notazione R/S necessita di conoscere la struttura, ma può essere stabilita semplicemente guardando la
rappresentazione spaziale della molecola (senza condurre esperimenti).
La notazione (+)/(–) non necessita di conoscere la struttura e viene stabilita sperimentalmente
Attenzione!
Non esiste alcuna relazione tra i due tipi di notazione: non è possibile dedurre la configurazione R/S dal segno del potere ottico rotatorio
Convenzione di Fischer
Lo scopo delle proiezioni di Fischer è di mostrare la configurazione del centro
stereogenico senza la necessità di disegnare linee
spesse o tratteggiate o di costruire modelli.
Proiezioni di Fischer
A
D B
C
=
A
C B
D = C
A
D C
B 1 2
3 4
R
Il sostituente a minore priorità deve sempre
trovarsi in posizione verticale: se non lo è, si opera un numero pari di scambi tra sostituenti fino
a fargli raggiungere tale posizione.
• Determinare R e S nelle proiezioni di Fischer
Proiezioni di Fischer
H
CH3 OH
CH2CH3
CH3
H OH
CH2CH3
(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)
(E)-3-cloro-2-pentene (Z)-3-cloro-2-pentene 1. Determinare la priorità più alta fra i due gruppi di
sostituenti sui carboni olefinici, secondo le regole C.I.P.
2. Se i gruppi a maggior priorità sono:
su lati opposti: E(entgegen = opposto) sullo stesso lato: Z(zusammen = insieme)
CH3> H Cl > CH2CH3
H C H3C
C Cl
CH2CH3
H C H3C
C
CH2CH3 Cl
Stereoisomeri geometrici
• Notazione E-Z per gli alcheni
Convenzione 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.
Assegnazioni D e L
D-(+)-gliceraldeide
OH a destra
L-(–)-gliceraldeide
OH a sinistra
(R)-(+)-gliceraldeide (S)-(–)-gliceraldeide
CHO CH2OH HO H
* CHO CH2OH
H OH
acido L-(+)-glutammico D-(+)-glucosio C H O
H OH
HO H
CH2OH OH OH H
H COOH
CH2CH2COOH H2N H
C più ossidato in alto
C meno ossidato in basso carbonio
stereocentro più vicino al C meno ossidato
