Studio della struttura tridimensionale delle molecole. Stereochimica Studio della struttura tridimensionale delle molecole.

Isomeri (isos: uguale, méros: parte): molecole aventi stessa formula molecolare, quindi stesso tipo e numero di atomi Due diversi tipi di isomeri: Isomeri Strutturali: differiscono nella loro sequenza di legami; i loro atomi sono connessi in modo diverso. Es: C2H6O CH3CH2OH CH3OCH3 Alcol etilico (liquido, Teb= 78 °C) etere dimetilico (gas) Abbiamo composti diversi, con diverse proprietà chimiche e fisiche. Stereoisomeri: hanno la stessa sequenza di legami, ma differiscono nell’orientazione dei loro atomi nello spazio.

Stereoisomeri isomeri conformazionali isomeri configurazionali Isomeri conformazionali: sono interconvertibili per rotazione intorno a un legame, senza la rottura di legami Sfalsata Eclissata Sfalsata Interconversione rapida dei conformeri a T ambiente. Si tratta comunque sempre della stessa molecola.

Perchè allora la stereochimica è importante? Isomeri configurazionali: non sono interconvertibili senza la rottura e la riformazione di legami. Si tratta quindi di molecole diverse. Si differenziano per aspetti più elusivi di quelli che differenziano gli isomeri di struttura Perchè allora la stereochimica è importante? Le proprietà di molti farmaci dipendono dalla loro stereochimica anestetico allucinogeno

Perchè allora la stereochimica è importante? La Talidomide, data dalla miscela dei due possibili isomeri configurazionali, è stata usata come anti-nausea per le donne in gravidanza nel periodo 1957 – 1961 Uno solo dei due stereoisomeri è però efficace in tal senso L’altro stereoisomero ha causato più di 10.000 nascite di bambini deformi

Perchè allora la stereochimica è importante? La biochimica è condizionata dalla naturale predominanza di determinati stereoisomeri per biomolecole quali carboidrati, amminoacidi e acidi nucleici. L-alanina

Isomeri configurazionali Consideriamo alcune semplici formule molecolari e proviamo a individuare quali possono corrispondere a isomeri configurazionali. Nel I e nel II caso, comunque si collochino i sostituenti intorno all’atomo di C centrale (ibridizzato sp3 e avente quindi geometria tetraedrica) otterremo sempre la stessa molecola. E nel III caso invece? Proviamo ad invertire la posizione di due sostituenti. L’isomero che ne deriva è identico alla molecola di partenza o è una nuova molecola?

Isomeri configurazionali In qualunque modo si cerchi di ruotare la seconda rispetto alla prima si riuscirà al massimo a far coincidere solo due sostituenti. I restanti due potrebbero coincidere con i corrispondenti nella prima struttura solo rompendo i legami e scambiandone la posizione. Provare per credere!!!! Si tratta, quindi, di due isomeri configurazionali, due molecole diverse che hanno come unica differenza struturale una diversa disposizione nello spazio dei sostituenti sull’atomo di C centrale. Si dice, quindi, che hanno una configurazione diversa.

Molecole chirali Guardiamole ancora meglio. Proviamo a ruotare nello spazio la seconda. In che relazione sono? specchio Se mettiamo la prima di fronte a uno specchio, la sua immagine riflessa sarà proprio la seconda. Sono quindi l’una l’immagine speculare dell’altra e, cosa più importante, non sono sovrapponibili. E’ quello che succede anche alle nostri mani. La sinistra dà riflessa la mano destra che non è sovrapponibile alla prima. Tutte le molecole che, come le mani, non sono sovrapponibili alla loro immagine speculare, si definiscono chirali (da greco cheir= mano). Achirali quelle per cui si verifica il contrario

Enantiomeri Due isomeri configurazionali che risultano l’uno immagine speculare dell’altro e non sono sovrapponibili si chiamano enantiomeri a b Non-sovrapponibili

Come stabilire a priori se una molecola è chirale Il più comune (anche se non l’unico) caso di chiralità in molecole organiche è un atomo di carbonio legato a quattro atomi o gruppi di atomi differenti. Tale atomo di carbonio è detto: stereocentro o carbonio asimmetrico o centro stereogenico o stereogeno

Achiralità e piani di simmetria Condizione necessaria affinché una molecola sia chirale è che non ci siano alcuni elementi di simmetria come ad es. un piano di simmetria. Un piano di simmetria (detto anche piano speculare) è un piano che taglia una molecola (o un oggetto qualunque) in due metà speculari. c a b c Tutte le molecole che hanno un piano di simmetria sono achirali.

Achiralità e piani di simmetria Piano di simmetria? Si !! Piano di simmetria? No !! molecola achirale molecola chirale Una molecola avente un unico atomo di C asimmetrico non ha piani di simmetria ed è pertanto chirale!!!! Una molecola avente più atomi di C asimmetrici è chirale solo se non ha piani di simmetria!!!! molecola achirale molecola chirale

Configurazione assoluta Gli enantiomeri vengono denominati correttamente dopo aver stabilito la configurazione assoluta del centro stereogenico. In tal modo è possibile discriminare i due isomeri della coppia. La configurazione assoluta viene stabilita adottando la convenzione di Cahn- Ingold-Prelog (CIP) detto sistema R-S. Tale sistema si basa sullo stabilire un ordine di priorità dei sostituenti sul centro stereogenico 2. Si guarda il tetraedro, disponendolo in modo tale che il gruppo a priorità più bassa sia il più lontano dall’osservatore. 2 2 4 4 3. Si osserva in quale direzione oraria o antioraria si procede per andare dal sostituente a priorità più alta a quello a priorità più bassa. 1 3 1 3 Rectus Sinister

Convenzione di Cahn-Ingold-Prelog: regole di priorità 1. La priorità maggiore spetta all’atomo direttamente legato al carbonio asimmetrico avente il numero atomico maggiore. Cl > O > C > H 2. Se gli atomi legati al carbonio sono uguali la priorità maggiore spetta all’atomo a sua volta legato ad atomi a maggiore numero atomico; si confronta in ciascun sostituente il numero atomico dell’atomo che occupa il secondo posto, continuando in questo modo fino a quando si raggiunge la prima diversità. 3. Un doppio legame C=C è considerato equivalente a due legami C-C, un doppio legame C=O a due legami C-O, etc.

3 4 H C 3 5 2 1 C3H7 C H 3 1 C 2 H7C3 C H 2 5 H 4 R Rectus Il gruppo a minor priorità deve essere posizionato lontano dall’osservatore

I gruppi sul segmento orizzontale sono davanti al piano del foglio Ma dobbiamo sempre disegnare la molecola in modo tridimensionale per stabilirne la configurazione? NO! Esiste un metodo più semplice!! Usare le PROIEZIONI DI FISCHER Il carbonio stereogeno è rappresentato dall’intersezione tra il segmento orizzontale e quello verticale e sta sul piano del foglio I gruppi sul segmento orizzontale sono davanti al piano del foglio I gruppi sul segmento verticale sono dietro al piano del foglio Scambiando due gruppi qualsiasi si ottiene l’altro enantiomero

Come rappresentare la geometria di una molecola Le righe rappresentano i legami che si trovano sul piano del foglio I cunei pieni rappresentano i legami che vengono in avanti sopra il piano del foglio I cunei tratteggiati rappresentano i legami che vanno in dentro sotto il piano del foglio

stabilire le priorità dei quattro gruppi Come applico le regole di CIP (convenzione R-S) quando utilizzo le proiezioni di Fischer? stabilire le priorità dei quattro gruppi assicurarsi che il gruppo a minore priorità sia posto in una delle due posizioni verticali della croce se il gruppo a minore priorità si trova su uno dei bracci orizzontali modificare la proiezione di Fischer e contare il numero di scambi collegare i tre gruppi rimasti con una freccia che va dal gruppo a priorità maggiore a quello a priorità minore senso di rotazione orario e scambi pari: configurazione R senso di rotazione antiorario e scambi pari: configurazione S

Perché questi isomeri sono stati definiti “ottici”? Nella prima metà del secolo XIX J. B. Biot scoprì che numerose sostanze organiche liquide sono in grado di ruotare il piano di polarizzazione di un raggio di luce polarizzata Nella seconda metà del secolo XIX si scoprì che esistevano delle sostanze che sembravano avere la stessa struttura, ma facevano ruotare in modo opposto il piano di polarizzazione di un raggio di luce polarizzata

Per studiare l’attività ottica delle molecole si utilizza un polarimetro

Composti con più di un centro stereogeno: Se in una stessa molecola sono presenti più di un atomo di C chirale si possono avere al massimo 2n=S stereoisomeri Bisogna considerare separatamente ciascun centro chirale ed assegnargli la configurazione R o S accompagnata da un numero che indichi a quale atomo della catena la configurazione si riferisce Nell’esempio saranno quindi possibili 4 isomeri (2R,3R) (2S,3S) (2S,3R) (2R,3S)

DIASTEREOISOMERI Si definiscono diastereoisomeri i composti che sono stereoisomeri, ma non sono enantiomeri, in quanto non sono l’uno l’immagine speculare dell’altro Sono sostanze chimiche completamente diverse tra di loro: cioè hanno proprietà chimiche e fisiche diverse

I COMPOSTI MESO: sono diastereoisomeri achirali Un composto meso è una molecola con 2 o più centri chirali, che presenta un’immagine speculare ad essa sovrapponibile (risulta pertanto achirale ed otticamente inattivo) Per riconoscere un composto meso in una proiezione di Fischer è sufficiente controllare che la metà superiore della molecola sia l’immagine speculare della metà inferiore.

RIEPILOGANDO Gli enantiomeri gli atomi sono reciprocamente legati nello stesso ordine sono speculari, ma non sono sovrapponibili differiscono solo per le proprietà speculari diversa reattività verso altri composti otticamente attivi ruotano in modo opposto il piano della luce polarizzata I diastereoisomeri contengono più di un centro stereogeno non sono speculari differiscono in tutte le proprietà I composti meso contengono due o più centri stereogeni contengono un piano ideale che taglia la molecola formando due immagini speculari sono otticamente inattivi per compensazione intramolecolare