ILLUSTRARE IL FENOMENO DELL'ATTIVITA' OTTICA DEI
COMPOSTI CHIRALI
Il fenomeno dell'attività ottica risulta molto importante per i composti presenti nei
sistemi biologici. Questi composti si possono trovare in natura sotto forma di uno dei
due possibili stereoisomeri pur avendo uno o più centri chirali mentre le altre
configurazioni si possono ottenere solo in laboratorio.
Le molecole biologiche che presentano tale fenomeno sono gli zuccheri, gli ormoni,
le proteine e infine gli enzimi.
Gli enzimi sono considerati dei veri e propri catalizzatori naturali in grado di regolare
la velocità delle reazioni all'interno delle cellule.
I farmaci inoltre sono costituiti da molecole chirali per esempio l'adrenalina levogira,
è un ormone che agisce come stimolante cardiaco.
Quando l'atomo di carbonio è asimmetrico ci sono due, e solo due configurazioni
tetraedriche che sono l'immagine speculare l'una dell'altra e non sono sovrapponibili
in quanto risultano diverse tra di loro.
Queste due strutture corrispondono a due isomeri chiamati enantiomeri o antipodi
ottici. L'esistenza di tale isomeria dipende dalla mancanza di elementi di simmetria
nelle molecole.
In casi del genere le molecole sono dette chirali(dal greco Khéir, mano). Infatti la
mano destra riflessa sullo specchio diventa la mano sinistra.
Una molecola con un solo carbonio asimmetrico è sempre non sovrapponibile alla
sua immagine speculare e quindi otticamente attiva.
La presenza dell'atomo di carbonio asimmetrico non è una condizione sufficiente e
necessaria affinchè la molecola sia chirale e quindi otticamente attiva. Ci sono
molecole senza atomi asimmetrici che possiedono attività ottica e molecole con due o
più atomi asimmetrici che sono inattive.
La miscela composta da due enantiomeri in uguale concentrazione è otticamente
attiva e viene denominata miscela rameica o semplicemente racemo. Le sue proprietà
possono anche essere diverse da quelle degli antipodi ottici componenti.
Gli isomeri cis(stessa parte) e trans(parte opposta rispetto al doppio legame) non sono
l'unico tipo di stereoisomeri conosciuti.
Nella molecola dell'acido lattico i quattro diversi gruppi legati al carbonio
asimmetrico si possono disporre in due differenti modi, dando origine a due isomeri
che sono uno l'immagine speculare dell'altro, cioè chirali.
La chiralità è una proprietà legata alla tetraedricità dell'atomo di carbonio il quale
diventa chirale quando è legato a quattro atomo o gruppi di atomi diversi. Un
carbonio di questo tipo viene anche denominato stereocentro. Per scoprire la chiralità
delle molecole è opportuno ricorrere all'uso di modelli molecolari usando palline di
diverso colore per rappresentare atomi o gruppi atomici differenti.
A livello macroscopico la chiralità delle molecole è svelata da un fenomeno fisico, la
capacità di far ruotare il piano della luce polarizzata. La luce polarizzata viene
definita come: la luce visibile nota come onda elettromagnetica che si propaga alla
velocità di 3 · 108 m/s. Le onde elettromagnetiche sono rappresentabili come
oscillazioni trasversali, perpendicolari cioè alla direzione di propagazione dell'onda.
La luce visibile non è polarizzata e le sue onde vibrano in tutti i piani perpendicolari
alla direzione di propagazione. Ma se la luce attraversa uno strumento ottico, quale il
prisma di Nicol o un filtro polaroid ne fuoriesce polarizzata e possiede ora una sola
direzione di oscillazione. L'occhio umano non è in grado di distinguere la luce
polarizzata dalla luce normale. Pertanto, bisogna far ricorso a uno strumento, il
polarimetro, in grado di evidenziare tale fenomeno.
Le molecole chirali presentano attività ottica quando: il fascio di luce polarizzata
attraversa una sostanza chirale, il campo elettrico della luce interagisce in maniera
diversa con la metà «destra» della molecola e con la metà «sinistra» che hanno
strutture non uguali e perciò riemerge deviata.
Il polarimetro è uno strumento utilizzato per misurare l'angolo di rotazione della luce
polarizzata che passa attraverso una sostanza otticamente attiva.
Tale strumento è costituito da una sorgente luminosa, generalmente la luce gialla di
una lampada al sodio, due prismi di Nicol, la cella contenente il campione, disposta
fra il prisma polarizzatore e il prisma analizzatore, un cannocchiale e una scala, per
misurare l'angolo di rotazione causato dal campione.
Prima di iniziare le misure sulle sostanze otticamente attive, si azzera lo strumento.
Poi si procede alla determinazione dell'angolo di rotazione α della sostanza in esame.
Le molecole chirali manifestano attività ottica. Quindi la luce polarizzata è usata per
far distinguere sperimentalmente una coppia di enantiomeri. In base al senso in cui
viene ruotato dagli enantiomeri il piano della luce polarizzata, essi vengono indicati
con il segno (+), se questo viene ruotato verso destra (destrogiro), e con il segno (-) se
viene ruotato verso sinistra (levogiro).
L'angolo di rotazione α dipende dalla concentrazione della sostanza otticamente attiva
e dalla sua natura, dalla lunghezza del tubo polarimetro, dalla temperatura e, in
misura minore, dal solvente.
Per limitare l'incidenza di alcuni fattori, è consuetudine effettuare la misura a 20 °C
ed usare come sorgente luminosa la luce gialla (D) del sodio.
La rotazione specifica [α] è definita dalla seguente equazione:
[α]= a/c·l
Dove: a= angolo di rotazione osservato dallo strumento;
c= concentrazione della soluzione espressa in g/ml. Per i liquidi puri si può
usare il valore della densità d;
l= lunghezza del tubo polarimetro in decimetri, dm.
Un'applicazione recente della polimetria riguarda la determinazione del grado
saccarometrico, che indica i grammi di saccarosio contenuti in 100 ml di soluzione.
A tal fine il polarimetro viene adattato alla misura da effettuare e la sua
scale( solitamente sessagesimale) viene direttamente graduata in gradi saccarometrici
e divisa in 100 parti.
