ISOMERIA Sono chiamati isomeri composti diversi aventi ugual formula molecolare (dal greco so, uguale; mero, parte).

Si definiscono isomeri diverse caratteristiche chimico-fisiche composti con identica formula molecolare, ma diversa struttura (concatenazione degli atomi) o diversa configurazione // conformazione (disposizione degli atomi nello spazio) N.B. formula bruta: quali e quanti atomi sono presenti nella molecola formula di struttura: in che modo questi atomi sono reciprocamente disposti Gli isomeri hanno quindi stesso peso molecolare, ma diverse caratteristiche chimico-fisiche

Possiamo avere due tipi fondamentalmente di isomerie ISOMERIA Le molecole organiche sono formate da pochi tipi di atomi, che si possono legare tra loro in modi diversi. Per questo motivo una stessa formula bruta può rappresentare composti differenti Molecole differenti che hanno la stessa formula bruta si dicono isomeri Possiamo avere due tipi fondamentalmente di isomerie ISOMERIA COSTITUZIONALE STEREOISOMERIA

Ricordiamo!! Definizione di isomero Si definiscono isomeri due o più molecole aventi stessa formula molecolare ma differente formula di struttura. Esistono vari tipi di isomeria: Costituzionale o Strutturale: gli atomi di carbonio sono legati tra di loro in maniera differente (per esempio isobutano e normalbutano).(cambia l’ordine) Stereoisomeria: gli stereoisomeri presentano gli stessi legami ma differiscono per il modo in cui gli atomi sono orientati nello spazio. Esistonoi due tipi di stereoisomeria :Isomeria Conformazionale e Configurazionale Abbiamo. isomeri conformazionali gli isomeri che possono trasformarsi l’uno nell’altro senza la rottura di legami (per esempio le diverse conformazioni anti e gauche del n-butano). Isomeria Configurazionale si divide in Si chiamano isomeri geometrici i diastereoisomeri che debbono la loro esistenza alla mancanza di libera rotazione intorno ai doppi legami (isomeria cis/trans nel 2-butene). Si chiamano isomeri ottici ( legata all’atomo di C asimmetrico)gli isomeri che non sono sovrapponibili alla loro immagine speculare.( enantiomeri) Per trasformare uno stereoisomero nell’altro è necessario rompere e riformare almeno un legame. Si chiamano diastereoisomeri gli stereoisomeri che non sono uno l’immagine speculare dell’altro

Atomi legati allo stesso modo (ma =disposizione spaziale) STRUTTURALE o Costituzionale di catena di posizione di gruppo funzionale STEREOISOMERIA Atomi legati allo stesso modo (ma =disposizione spaziale) Conformazionale Sfalsata Eclissata Ottica GEOMETRICA cis trans stessa formula molecolare ma diversa distribuzione di atomi enantiomeri —C—C—C—C—O—H —C—C—O—C—C—H ISOMERIA Atomi legati tra loro in successione differente Configurazionale

Di catena Es. CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CHCH3 I CH3 COSTITUZIONALE: Se gli isomeri differiscono per l’ordine con cui sono legati i loro atomi Di catena Es. CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CHCH3 I CH3 Di posizione Es. CH3CH2CH2-OH CH3CHCH3 OH Di funzione Es. CH3CH2CH2-OH CH3CH2-OCH3 ISOMERIA: è il fenomeno per cui composti che hanno la stessa formula molecolare sono diversi CONFORMAZIONALE: gli isomeri sono convertibili l’uno nell’altro per semplice rotazione attorno a un legame STEREOISOMERIA: gli isomeri hanno la stessa costituzione ma differiscono per la disposizione degli atomi nello spazio CONFIGURAZIONALE: gli isomeri sono convertibili l’uno nell’altro per rottura e ricostruzione di un legame GEOMETRICA OTTICA

Isomeria COSTITUZIONALE o STRUTTURALE Gli isomeri differiscono per l’ordine con cui sono legati i loro atomi Cioè consiste in una diversa disposizione dei legami chimici all’interno della molecola: gli atomi costituenti sono gli stessi, ma risultano legati in modo diverso gli uni con gli altri. Ci sono tre tipi di isomerie strutturale: Isomeria di catena :stesso numero di atomi di C disposti in modo diverso Isomeria di posizione: stessa catena ma diversa posizione di atomi sostituenti o gruppi funzionali Isomeria di gruppo funzionale: diversa disposizione degli atomi determina gruppi funzionali diversi

ISOMERIA STRUTTURALE o costituzionale Esistono centinaia di composti diversi che hanno la stessa formula molecolare.

Isomeri costituzionali identica formula molecolare ma diversa struttura Isomeri di catena C5H12

Isomeria di catena Si parla di isomeria di catena se le differenze tra le molecole dei composti riguardano lo scheletro della molecola, vale a dire i legami tra gli atomi di carbonio; ad esempio, tali atomi possono formare una catena lineare oppure ramificata Gli idrocarburi sono formati da catene di soli atomi di carbonio Gli atomi possono però essere legati in modo diverso Tutti questi composti hanno formula C5H12, ma sono diversi tra loro (proprietà però molto simili) C H 3 2 butano 2-metilpropano C4H10

Isomeria di posizione 1-propanolo 2-propanolo Due isomeri possono differire solo per la posizione del gruppo funzionale Negli isomeri di posizione, invece, non cambiano i legami tra gli atomi di carbonio, ma solo la disposizione dei sostituenti– gli atomi o i gruppi funzionali a essi legati. Se poi la ridistribuzione dei legami interessa i gruppi funzionali, si parla più propriamente di isomeria funzionale. 1-propanolo 2-propanolo Isomeria di posizione

Isomeri di posizione C4H9Cl Isomeri di posizione C4H9Cl CH2Cl-CH2-CH2-CH3 1-clorobutano CH3-CHCl-CH2-CH3 2-clorobutano Isomeri di funzione

In alcuni casi la stessa formula bruta corrisponde a gruppi funzionali diversi: Isomeria di gruppo funzionale La formula C2H6O può essere un etere un alcol Ma….sono composti differenti perché..

Proprietà fisiche di due isomeri: etanolo e dimetil etere Isomeri di funzione Proprietà fisiche di due isomeri: etanolo e dimetil etere Proprietà Etil alcol Etil etere Formula molecolare C2H6O C2H6O Punto di ebollizione 78.5°C -24°C Punto di fusione -117°C -138°C Densità 0.789 g/cc 2 g/cc Solubilità in acqua completa leggera Struttura molecolare

Gruppi funzionali Alcuni gruppi di atomi conferiscono ai composti organici caratteristiche e reattività particolari, e sono detti gruppi funzionali chetone alcol carbossile etere aldeide ammina

Atomi legati allo stesso modo (ma =disposizione spaziale) STRUTTURALE o Costituzionale di catena di posizione di gruppo funzionale STEREOISOMERIA Atomi legati allo stesso modo (ma =disposizione spaziale) Conformazionale Sfalsata Eclissata Ottica GEOMETRICA cis trans stessa formula molecolare ma diversa distribuzione di atomi enantiomeri —C—C—C—C—O—H —C—C—O—C—C—H ISOMERIA Atomi legati tra loro in successione differente Configurazionale

STEREOCHIMICA La stereochimica è quella parte della chimica organica che studia la struttura molecolare nelle tre dimensioni (stereo= solido). STEREOISOMERIA Gli stereoisomeri sono quei particolari isomeri che differiscono soltanto per il modo in cui gli atomi sono disposti nello spazio

Anche la stereoisomeria può essere di diversi tipi: conformazionale Stereoisomeria: gli atomi rimangono gli stessi, ma è uguale anche il tipo di legami che li unisce; quello che cambia è l’orientazione nello spazio di tali legami Anche la stereoisomeria può essere di diversi tipi: conformazionale geometrica ottica.

Stereoisomeri conformazionali derivano dalla diversa disposizione degli atomi nello spazio correlata alla possibilità di rotazione intorno al legame semplice C-C si possono interconvertire senza rottura di legami (con poca energia; temperatura ambiente); non sono fisicamente separabili (poiché si trasformano rapidamente uno nell’altro)

ISOMERIA CONFORMAZIONALE L’isomeria conformazionale è tipica di quei composti che differiscono gli uni dagli altri per la diversa posizione degli atomi intorno a un legame singolo tra due atomi di carbonio. Più precisamente, nei diversi isomeri tali atomi risultano ruotati rispetto all’asse centrale C-C Uguali proprietà chimiche ma diverse proprietà biologiche

ISOMERIA CONFORMAZIONALE es butano H CH3 H CH3 H CH3 H3C H CH3 H CH3 CH3 H

CH3 H H H H CH3 Il conformero anti è quello a minore energia perché presenta il minimo ingombro sterico CH3 H H H H CH3

Altro es di isomeria conformazionale H ? a = 109° cicloesano

conformazione a sedia

109° Tutti i carboni del cicloesano hanno gli orbitali di valenza ibridati sp3. Questo implica che, nella conformazione a sedia, ciascuno degli angoli di legame è 109°5’. H H H H H H 109° H H H H H H

conformazione a barca

6. Queste tre forme del cicloesano sono 2 4 3 1 3 4 2 2 3 1 1 6 5 4 6 5 5 6 a b c Stereoisomeri conformazionali

1 2 3 4 5 6 a b c Sono sufficienti semplici rotazioni intorno ai legami s C-C per passare dal conformero a al conformero b, al conformero c. Il conformero b, a causa del maggiore ingombro sterico (frecce blu) e della conformazione eclissata dei quattro atomi di carbonio posti in basso (frecce rosse) è il meno stabile

a b c a, b e c sono stereoisomeri conformazionali del metilcicloesano. Il conformero più stabile è c, in quanto il gruppo metile, che è il più ingombrante, occupa una posizione equatoriale. H C 3 a b c CH3

IMPORTANZA BIOLOGICA DELLA Isomeria conformazionale L’isomeria conformazionale è legata alla possibilità che hanno le molecole di ruotare attorno ai legami s gli isomeri conformazionali sono la stessa molecola in forme diverse IMPORTANTE!! Nelle molecole piccole gli isomeri conformazionali possono convertirsi l’uno nell’altro con grande facilità, ma nelle molecole grandi, le macromolecole, le interazioni deboli tra le diverse parti rende stabile le diverse conformazioni I prioni sono isomeri conformazionali di costituenti proteici normali (detti PrP, abbreviazione di prion protein) delle cellule

La proteina Prionica esiste in due isoforme, che hanno peso molecolare e sequenza aminoacidica identiche ma differiscono nella struttura terziaria e quaternaria Una proteina può assumere + conformazioni resterà in quella più stabile a minor energia

Struttura di un α-elica, i residui aminoacidici che sporgono all'esterno mentre all'interno la struttura è stabilizzata da legami H

Isomeria conformazionale es biologici L’isomeria conformazionale del farmaco è uno dei fattori che influenza l’interazione farmaco-recettore. Gli isomeri conformazionali originano da rotazioni rispetto a legami semplici non ostacolate da barriere energetiche elevate. Le disposizioni sin, gauche e anti del n-butano e quelle “a sedia”, “a semisedia”, “a barca-distorta” e “a barca” del cicloesano sono tipici esempi di conformazioni. L’adozione da parte del farmaco della conformazione legata al recettore (nota anche come conformazione bioattiva) è un evento tanto più probabile quanto minore è il numero delle conformazioni che può assumere lo stesso farmaco. Di conseguenza, a parità di altre condizioni, i farmaci rigidi sono dotati di maggiore potenza rispetto ai loro analoghi flessibili.

La conformazione del farmaco riconosciuta dal recettore non è necessariamente quella energeticamente più stabile Evidentemente, una conformazione meno stabile del farmaco può possedere una geometria più adatta a stabilire una serie di interazioni attrattive con il recettore. In tal caso, il “guadagno” energetico associato a tali interazioni utili può compensare la “spesa” energetica richiesta al farmaco per assumere una conformazione caratterizzata da una maggiore tensione sterica. In figura: il farmaco può adottare una conformazione energeticamente instabile per legarsi al recettore. http://www.federica.unina.it/farmacia/chimica-farmaceutica-tossicologia-1/proprieta-strutturali-farmaci-stereoisomeria/

ISOMERIA CONFIGURAZIONALE Gli isomeri sono convertibili l’uno nell’altro per rottura e ricostruzione di un legame Possiamo avere: ISOMERIA GEOMETRICA o cis-trans Isomeria geometrica interessa quei composti in cui siano presenti doppi legami tra atomi di carbonio, e consiste in una diversa disposizione degli atomi o dei gruppi a essi legati; a seconda che gruppi uguali si trovino dalla stessa parte o da parti opposte rispetto all’asse individuato dagli atomi di carbonio, si parla di composto cis- o trans-; nella nomenclatura più recente, a questi due prefissi si preferiscono le etichette E e Z. In genere, due isomeri di questo tipo presentano proprietà chimiche anche molto diverse l’uno rispetto all’altro ISOMERIA OTTICA L’isomeria ottica riguarda quei composti che risultano l’uno l’immagine speculare dell’altro. Una coppia di stereoisomeri ottici (enantiomeri), quindi, sono asimmetrici, in quanto non sovrapponibili; l’atomo di carbonio su cui fa perno la molecola si dice asimmetrico o “chirale” e, per estensione, l’isomeria ottica stessa si indica anche con il termine chiralità

Isomeria geometrica La rotazione di una molecola attorno al doppio legame non è possibile, perché causerebbe la rottura del legame p quindi questi due composti sono diversi CIS il composto con i gruppi ingombranti dallo stesso lato TRANS il composto con i gruppi ingombranti dallo lato opposto L’isomeria geometrica è detta anche isomeria cis-trans

H C C C C H3C CH3 H3C ISOMERIA GEOMETRICA H H H CH3 cis-2-butene trans-2-butene

esempio ACIDO FUMARICO ACIDO MALEICO Presente nel nostro organismo Importante intermedio di molte reazioni biochimiche ACIDO MALEICO TOssico Irritante per gli occhi, le vie respiratorie e la pelle]

Il carbonio 1 ha due sostituenti uguali e perciò non può aversi stereoisomeria geometrica

C H 3 2 C H 3 2 cis -2- pentene trans -2- pentene

o asimmetrici ma solo in parte

Isomeria ottica Un atomo di carbonio ibridato sp3 è asimmetrico quando è legato a quattro atomi o gruppi di atomi differenti Se una molecola c’è un carbonio asimmetrico, deve esistere una seconda molecola simmetrica alla prima Le due molecole, apparentemente identiche, sono due isomeri configurazionali

Isomeria ottica 2 isomeri specularmente uguali - non sovrapponibili- enantiomeri C* asimmetrico legato a quattro atomi o gruppi diversi La sintesi artificiale produce entrambi gli enantiomeri Miscela racemica Distinti per il verso di deviazione della luce polarizzata destrogiro levogiro I sistemi biologici sintetizzano solo

Questo è un carbonio asimmetrico L’atomo di Carbonio centrale è ibridato sp3 ed è legato a quattro sostituenti diversi d b c Questo è un carbonio asimmetrico

L’atomo centrale ha ibridazione sp3 ed è legato a quattro sostituenti diversi. Esiste, di conseguenza, un’altra molecola nella quale gli stessi atomi sono legati all’atomo centrale in maniera speculare. Le due molecole, l’una immagine speculare dell’altra, sono definite enantiomeri. specchio a b c d a b c d

Due sostituenti legati all'atomo centrale sono uguali. La molecola ha quindi un piano di simmetria e non è chirale c a b c

immagine speculare di a 1 2 3 4

a b immagine speculare di a 1 1 4 3 4 3 2 2 1 La molecola b è sovrapponibile alla immagine speculare della molecola a. Quando si verifica questa condizione, le molecole a e b sono definite enantiomere.

H Cl H CH3 H3C Cl R S enantiomeri S R H H Br CH3 CH3 Br H Cl H CH3 H3C diastereoisomeri diastereoisomeri diastereoisomeri diastereoisomeri H Cl H CH3 H3C Cl R S enantiomeri R S H H CH3 Br Br CH3

-3 -1 0 +1 +3

+ ossidato - ossidato

Nomenclatura stereoisomeri ottici E’ importante, in riferimento ad un particolare enantiomero o diastereoisomero ottico poterne indicare la configurazione senza doverne ogni volta scrivere la struttura. Esistono convenzioni che lo consentono Sistema R-S o di Cahn-Ingold-Prelog (CIP) È una nomenclatura razionale che prende in esame tutti i centri chirali della molecola Sistema D,L o di Fisher Si utilizza per alcune molecole di importanza biologica

Es biologico La stabilità del legame tra farmaco e recettore dipende dal bilancio delle forze attrattive e di quelle repulsive che intercorrono tra le due specie interagenti. L’intensità di queste forze dipende in gran parte dalla struttura tridimensionale del farmaco. Uno degli aspetti più importanti che riguarda la struttura dei farmaci è la stereoisomeria. La formula di struttura della meticillina metilestere riportata in basso non fornisce sufficienti informazioni per ricavare la sua struttura tridimensionale poiché in essa non è specificata la configurazione dei centri chirali. La formula di struttura della stessa molecola riportata al centro fornisce, invece, sufficienti informazioni per costruire un suo modello tridimensionale.

Noi abbiamo il D glucosio e gli L amminoacidi

ANALISI DELL’ATTIVITÀ OTTICA DI UNA SOSTANZA Luce polarizzata A) Polarizzatore e analizzatore sono paralleli Non è presente alcuna sostanza otticamente attiva La luce polarizzata passa attraverso l’analizzatore B) Polarizzatore e analizzatore sono ortogonali La luce polarizzata non emerge dall’analizzatore C) Una sostanza otticamente attiva è presente tra polarizzatore e analizzatore L’analizzatoreè stato ruotato 40° a sinistra per permettere l’emissione di luce polarizzata. LA sostanza è LEVOGIRA,

Attività ottica degli enantiomeri Quando un raggio di luce polarizzata attraversa un enantiomero, il piano della luce ruota . L’enantiomero opposto ruota il piano della luce polarizzata di un identico valore, ma in senso opposto. Soluzioni equimolari di enantiomeri hanno POTERE ROTATORIO SPECIFICO uguale, ma di senso opposto (uno sarà levogiro, l’altro destrogiro)   c = concentrazione soluzione g/ml l = lunghezza del tubo (dm) t = temperatura l = lunghezza d’onda

Riassunto