STEREOISOMERIA trans-1,4-dimetilcicloesano sono stereoisomeri cis-1,4-dimetilcicloesano Hanno la stessa formula molecolare, gli atomi legati con lo stesso ordine, ma con diversa orientazione nello spazio ISOMERI Composti differenti con la stessa formula molecolare ISOMERI COSTITUZIONALI (STRUTTURALI) gli atomi della molecola sono legati con un ordine diverso STEREOISOMERI Hanno la stessa formula molecolare, gli atomi legati con lo stesso ordine, ma con diversa orientazione nello spazio STEREOISOMERI STEREOISOMERI CONFIGURAZIONALI ENANTIOMERI Stereoisomeri le cui molecole sono l’una l’immagine speculare dell’altra (non sovrapponibili) CONFORMAZIONALI DIASTEREOISOMERI Stereoisomeri le cui molecole non sono l’una l’immagine speculare dell’altra ISOMERI Composti differenti con la stessa formula molecolare ISOMERI COSTITUZIONALI gli atomi della molecola sono legati con un ordine diverso O Formula Molecolare: STEREOISOMERI gli atomi legati con lo stesso ordine, ma con diversa orientazione nello spazio OH C3H8O ISOMERI Isomeri Costituzionali Stereoisomeri Isomeri Configurazionali Formalmente Formalmente possono possono esser esser interconvertiti interconvertiti solo solo attraverso attraverso la la rottura rottura ee la la riformazione riformazione di di legami legami Isomeri Conformazionali Possono Possono esser esser interconvertiti interconvertiti attraverso attraverso la la rotazione rotazione attorno attorno ad ad un un legame legame CH3 CH3 ISOMERI Isomeri Costituzionali Stereoisomeri Isomeri Configurazionali Isomeri Ottici Differiscono Differiscono nella nella relazione relazione tridimensionale tridimensionale relativa relativa dei dei sostituenti sostituenti su su uno uno oo più più atomi atomi Isomeri Conformazionali Isomeri Geometrici L’impedita L’impedita rotazione rotazione aa livello livello di di un un ciclo ciclo oo di di un un legame legame multiplo multiplo determina determina la la disposizione disposizione spaziale spaziale relativa relativa degli degli atomi atomi ISOMERI Isomeri Costituzionali Stereoisomeri Isomeri Configurazionali Isomeri Geometrici Isomeri Ottici Enantiomeri Diastereoisomeri HO H HO H H OH HO Isomeri Conformazionali H Stereoisomeri Stereoisomeri le le cui cui molecole molecole sono sono l’una l’una l’immagine l’immagine speculare speculare dell’altra dell’altra (non (non sovrapponibili) sovrapponibili) HO H H Stereoisomeri Stereoisomeri le le cui cui molecole molecole non non sono sono l’una l’una l’immagine l’immagine speculare speculare dell’altra dell’altra OH Enantiomeri e Chiralità Un qualsiasi oggetto si definisce CHIRALE quando non è sovrapponibile alla propria immagine speculare Esempi: la mano, una vite, un guanto, ecc. ACHIRALE è un oggetto privo di chiralità Esempi: un cubo, una sfera, un cucchiaio, ecc. In genere un oggetto achirale possiede uno o più elementi di simmetria (generalmente, un piano di simmetria) Oggetti achirali Piano di simmetria Piani di simmetria Piano di simmetria Oggetti chirali Non presentano piani di simmetria Conchiglia Il caso più tipico di chiralità nei composti organici è dato da un carbonio tetraedrico con quattro sostituenti diversi Molecole Chirali La più comune (ma non l’unica) causa di chiralità nelle molecole è la presenza di uno STEREOCENTRO (carbonio chirale o asimmetrico) STEREOCENTRO: (carbonio chirale o asimmetrico) Un atomo tetraedrico (carbonio) che ha legati quattro atomi (o gruppi) diversi Carbonio chirale (stereocentro) Il 2-clorobutano e’ una molecola chirale Il 2-clorobutano è una molecola chirale: non è sovrapponibile alla propria immagine speculare I specchio II Le due molecole I e II sono due ENANTIOMERI Enantiomeria e Chiralità Molecole Chirali A A D C B D B C asse di rotazione specchio rotazione di 180° A A sovrapposizione B D C B A C B D A C D B D C Il 2-clorobutano esiste in due forme enantiomeriche (due stereoisomeri) come distinguerli e attribuire loro nomi diversi? Il sistema di nomenclatura R, S designa la configurazione di uno stereocentro (carbonio chirale) Carbonio con configurazione R (R)-2-clorobutano Carbonio con configurazione S (S)-2-clorobutano Il sistema R, S fu ideato alla fine degli anni 50 da Cahn, Ingold e Prelog Come si attribuisce la configurazione R o S ad un carbonio chirale? 1. Identificare lo stereocentro e i gruppi ad esso legati 2. Assegnare una priorità ai gruppi da 1 (più alta) a 4 (più bassa) 1 4 3 2 La priorità si assegna in base al numero atomico dell’atomo legato allo stereocentro 1 4 3 Perché l’etile ha priorità maggiore rispetto al metile? 2 -CH3 Il C ha legati 3 H -CH2-CH3 Il C ha legati 2 H e un C (prevale nella scala di priorità) 3. Orientare la molecola nello spazio in modo che il gruppo a priorità minore (4) sia diretto lontano dall’osservatore, (come può esserlo la canna dello sterzo di una automobile) Senso 1 orario 1 R 4 3 2 3 2 4. Partendo dal gruppo a priorità maggiore (1) leggere i tre gruppi. Si individua così un senso di rotazione. Se il senso è orario il carbonio chirale sarà R Se il senso di rotazione è antiorario il carbonio chirale sarà S Assegniamo la configurazione Assegniamo la priorità ai gruppi Orientiamo la molecola in modo che il gruppo 4 sia il più lontano dall’osservatore e individuiamo il senso di rotazione per procedere da 1 a 3 Senso antiorario: la configurazione è S Cl Enantiomeria e Chiralità Proiezioni di Fischer H H CH3 OH Cl I legami verticali sono lontani dall’osservatore Cl OH CH3 Proiezione di Fischer H Cl OH CH3 I legami orizzontali si dirigono verso l’osservatore Assegniamo la configurazione 3-clorocicloesene equivale a Molecole acicliche con più di due stereocentri Numero di stereoisomeri (massimo possibile) = 2n (n = numero di stereocentri) Una molecola con due carboni chirali esisterà in quattro (22) forme stereoisomeriche Esempio: 2,3,4-triidrossibutanale Una coppia di enantiomeri eritrosio Una coppia di enantiomeri treosio Due elementi di coppie diverse sono tra loro DIASTEREOISOMERI Esempio: stereoisomeri del 1,2,3-butantriolo (1) e (4) sono enantiomeri (2) e (3) sono enantiomeri Isomeri Ottici Enantiomeri Diastereoisomeri Stereoisomeri le cui molecole sono l’una l’immagine speculare dell’altra (non sovrapponibili) Stereoisomeri le cui molecole non sono l’una l’immagine speculare dell’altra Composto meso Molecola achirale che possiede due o più stereocentri L’acido tartarico dovrebbe esistere in quattro forme stereoisomeriche in realtà ne esistono solo tre Coppia di enantiomeri Composto meso (achirale) Esempio : quali composti sono enantiomeri e qual è il composto meso? Molecole cicliche con due o più stereocentri Derivati del ciclopentano cis trans enantiomeri enantiomeri trans cis Composto meso enantiomeri Derivati del cicloesano trans cis enantiomeri enantiomeri trans cis composto meso enantiomeri Proprietà degli stereoisomeri Gli enantiomeri hanno identiche proprietà chimiche e fisiche I diastereoisomeri hanno diverse proprietà chimiche e fisiche Come è possibile distinguere e separare gli enantiomeri? Gli enantiomeri interagiscono in maniera diversa in ambiente chirale, ad esempio con la luce polarizzata e con altre molecole chirali Cosa è la luce polarizzata? Luce polarizzata Filtro polarizzatore Luce polarizzata: Luce che vibra in un solo piano Sorgente luminosa luce non polarizzata Piano della luce polarizzata Polarimetro Filtro polarizzatore Tubo contenente la sostanza Filtro ruotante Sorgente luminosa Compos to otticam ente a ttivo Piano della luce polarizzata Consente di stabilire la rotazione del piano della luce polarizzata Un enantiomero è un composto otticamente attivo Rotazione specifica = []d []d = rotazione osservata (gradi) Lunghezza (dm) x Concentrazione (g/ml) (S)-(+)-2-butanolo []d = +13.52 (R)-(-)-2-butanolo []d = -13.52 Miscela racemica Una miscela equimolecolare di due enantiomeri 50% (S)-(+)-2-butanolo 50% (R)-(-)-2-butanolo Una miscela racemica, analizzata al polarimetro, non farà ruotare il piano della luce polarizzata: []d = 0 Separazione di enantiomeri Risoluzione di miscele racemiche Si può trasformare la coppia di enantiomeri in una coppia di diastereoisomeri mediante la reazione con un reagente di risoluzione Una reazione utile alla risoluzione chimica di una miscela racemica è la formazione di sali RCOOH + :B RCOO-HB+ Acido Base carbossilico Sale (+)-cinconina cinconina Acido (R,S) mandelico meno solubile Coppia di diastereoisomeri più solubile Separazione per cristallizzazione Addizione di HCl e separazione dalla cinconina Enzimi quali agenti risolventi gli enzimi sono capaci di distinguere gli enantiomeri Estere etilico dell’(S)-Naprossene Enzima esterasi Estere etilico dell’(R)-Naprossene (non è attacato dalle esterasi) Il sale sodico del Naprossene è il principio attivo di numerose preparazioni di farmaci anti-infiammatori non steroidei Perché gli enzimi hanno la capacità di distinguere gli enantiomeri e quindi di reagire con uno solo di questi? Substrato Superficie dell’enzima Tre interazioni corrette Superficie dell’enzima Due interazioni corrette Gli enzimi sono essi stessi specie chirali quindi producono o reagiscono solo con sostanze che hanno una ben determinata chiralità per ogni stereocentro Tutte le biomolecole (molecole prodotte dal metabolismo degli esseri viventi) sono sostanze chirali La maggior parte dei farmaci noti sono composti chirali Captopril Enzima L-DOPA Dopamina (S)-Ibuprofen