La stereochimica studia la disposizione tridimensionale degli atomi. Molecole con la stessa formula e connettività possono differire nello spazio: sono stereoisomeri. La chiralità — l’esistenza di una molecola e della sua immagine speculare non sovrapponibile — è cruciale in biologia e farmacologia. Questa scheda allena l’individuazione dei centri stereogenici e l’assegnazione R/S.
1. Individuare un centro stereogenico
Esercizio. Il 2-bromobutano \text{CH}_3\text{-CHBr-CH}_2\text{-CH}_3 ha un centro chirale?
Un carbonio è stereogenico (chirale) se porta quattro sostituenti diversi. Il C2 porta:
-\text{CH}_3,\quad -\text{Br},\quad -\text{H},\quad -\text{CH}_2\text{CH}_3.
Quattro gruppi distinti → C2 è un centro stereogenico. La molecola è chirale ed esiste in due enantiomeri.
2. Regole di priorità CIP
Esercizio. Ordinare per priorità i sostituenti del C2 del 2-bromobutano (regole di Cahn-Ingold-Prelog).
La priorità segue il numero atomico decrescente del primo atomo:
\text{Br}\ (Z=35)>\text{C}>\text{H}\ (Z=1).
Tra i due carboni (-\text{CH}_2\text{CH}_3 e -\text{CH}_3) si guarda il secondo livello: l’etile ha (C,H,H), il metile (H,H,H), quindi l’etile vince. Ordine finale:
\text{Br}>\text{CH}_2\text{CH}_3>\text{CH}_3>\text{H}.
3. Assegnazione R/S
Esercizio. Descrivere come si assegna la configurazione R o S una volta note le priorità.
Passo 1 — orientare la molecola con il sostituente a priorità minima (qui H) lontano dall’osservatore.
Passo 2 — tracciare il senso di rotazione dal sostituente a priorità 1 → 2 → 3:
- senso orario → configurazione R (rectus);
- senso antiorario → configurazione S (sinister).
Se il gruppo a priorità minima è verso l’osservatore, si inverte il risultato. È la procedura universale per nominare uno stereocentro.
4. Enantiomeri e proprietà
Esercizio. Due enantiomeri di una molecola chirale differiscono in quali proprietà?
Gli enantiomeri (immagini speculari non sovrapponibili) hanno proprietà fisiche identiche (punto di fusione, solubilità, ecc.) tranne:
- la rotazione del piano della luce polarizzata (uguale in modulo, opposta in segno);
- il comportamento in ambiente chirale (es. interazione con enzimi, recettori).
Per questo in farmacologia i due enantiomeri di un principio attivo possono avere effetti diversi: uno terapeutico, l’altro inattivo o dannoso.
5. Numero di stereoisomeri
Esercizio. Quanti stereoisomeri ha una molecola con n=2 centri stereogenici distinti?
Il numero massimo di stereoisomeri è:
2^n=2^2=4.
Quattro stereoisomeri: due coppie di enantiomeri. I membri di coppie diverse sono diastereoisomeri (stereoisomeri non speculari), con proprietà fisiche diverse.
6. Composto meso
Esercizio. Spiegare perché l’acido tartarico ha solo 3 stereoisomeri invece di 4, pur avendo 2 centri chirali.
L’acido tartarico ha due centri chirali ma una simmetria interna: una delle quattro combinazioni possiede un piano di simmetria che rende la molecola sovrapponibile alla sua immagine speculare. È un composto meso: achirale nonostante i centri stereogenici.
\text{stereoisomeri reali}=2^2-1=3\quad(\text{coppia di enantiomeri}+1\ \text{meso}).
Il meso non è otticamente attivo: le rotazioni dei due centri si annullano internamente. La regola 2^n è un massimo, ridotto dalla simmetria.
7. Eccesso enantiomerico
Esercizio. Una miscela contiene 70\% dell’enantiomero R e 30\% dell’enantiomero S. Calcolare l’eccesso enantiomerico.
L’eccesso enantiomerico è la differenza assoluta tra le percentuali:
La miscela contiene un 40\% di enantiomero R in eccesso e un 60\% racemico implicito. L’ee misura la purezza chirale, non la resa della reazione.
8. Rotazione ottica di una miscela
Esercizio. Un enantiomero puro ha rotazione specifica [\alpha]=+20^\circ. Quale rotazione osservata ci si aspetta per una miscela con ee=40\% a favore dell’enantiomero destrorotatorio, a parità di tubo e concentrazione?
La rotazione osservata è proporzionale all’eccesso enantiomerico:
La parte racemica non contribuisce perché le rotazioni dei due enantiomeri si annullano. Il segno positivo indica prevalenza dell’enantiomero destrorotatorio; non coincide necessariamente con R.
9. Enantiomeri o diastereoisomeri?
Esercizio. Due stereoisomeri hanno configurazioni (2R,3R) e (2R,3S). Che relazione hanno?
Per essere enantiomeri, tutti i centri stereogenici devono essere invertiti:
Qui cambia solo il centro 3, mentre il centro 2 resta R. Dunque le due molecole sono diastereoisomeri.
I diastereoisomeri non sono immagini speculari e, a differenza degli enantiomeri, possono avere proprietà fisiche diverse: punto di fusione, solubilità, reattività e separabilità cromatografica.
10. Isomeria E/Z negli alcheni
Esercizio. Il 2-butene esiste come due stereoisomeri geometrici. Come si distinguono?
Nel 2-butene ogni carbonio del doppio legame porta un \text{CH}_3 e un H. Il doppio legame impedisce la rotazione libera:
- gruppi \text{CH}_3 dallo stesso lato → cis o Z;
- gruppi \text{CH}_3 da lati opposti → trans o E.
L’isomeria E/Z non richiede centri chirali: nasce dalla rigidità del doppio legame. È comunque stereochimica, perché cambia la disposizione spaziale a parità di connettività.
Errori comuni
- Cercare il centro chirale senza i 4 gruppi diversi. Un carbonio con due sostituenti uguali non è stereogenico.
- Dimenticare di guardare il secondo livello CIP. Se i primi atomi pari, si confrontano gli atomi legati successivi (-\text{CH}_2\text{CH}_3 batte -\text{CH}_3).
- Non invertire R/S quando H è verso l’osservatore. Se il gruppo a priorità minima punta verso di noi, il senso letto va invertito.
- Applicare 2^n ignorando i meso. La simmetria interna riduce il numero reale di stereoisomeri sotto 2^n.
- Confondere R/S con il segno ottico. R non significa necessariamente destrorotatorio e S non significa necessariamente levorotatorio.
- Chiamare enantiomeri tutti gli stereoisomeri. Se non sono immagini speculari complete, sono diastereoisomeri.