Stereoisomeria

Gli isomeri sono composti differenti che hanno la stessa formula molecolare. Quando il gruppo di atomi che costituiscono le molecole di differenti isomeri sono legati insieme in modi fondamentalmente diversi, ci riferiamo a tali composti con il nome di isomeri costituzionali. Per esempio, nel caso degli idrocarburi C₄H₈, la maggior parte degli isomeri sono costituzionali. Le strutture stenografiche di quattro di questi isomeri sono mostrate sotto con i loro nomi IUPAC. Notare che i dodici atomi che costituiscono questi isomeri sono connessi o legati in modi molto differenti. Così come è vero per tutti gli isomeri costituzionali, ogni composto differente ha un differente nome IUPAC. Inoltre, la formula molecolare fornisce informazioni circa qualcuna delle proprietà strutturali che può essere presente negli isomeri. Dal momento che la formula C₄H₈ ha due idrogeni in meno dell'alcano butano a quattro atomi d'idrogeno (C₄H₁₀), tutti gli isomeri che hanno questa composizione possono incorporare sia un anello che un doppio legame. Un quinto isomero possibile di formula C₄H₈ è CH₃CH=CHCH₃. Questo dovrebbe essere denominato 2-butene in accordo con le regole IUPAC; tuttavia, un'ispezione ravvicinata di questa molecola indica che ha due strutture possibili. Questi isomeri possono essere isolati come composti distinti, aventi caratteristiche e proprietà diverse. Essi sono qui mostrati con le designazioni cis e trans.

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La tipologia di legame degli atomi i questi due isomeri è essenzialmente equivalente, con la sola differenza dovuta alla relativa orientazione o configurazione dei due gruppi metile (e degli atomi d'idrogeno associati) nei confronti del doppio legame. Nell'isomero cis i gruppi metile sono sullo stesso lato, mentre sono sui lati opposti nell'isomero trans. Gli isomeri che differiscono solo nell'orientazione spaziale dei loro atomi componenti sono chiamati stereoisomeri. Gli stereoisomeri richiedono sempre che un prefisso di nomenclatura addizionale sia aggiunto al nome IUPAC allo scopo di indicarne l'orientazione spaziale, per esempio cis (dal latino, che significa: sullo stesso lato) e trans (dal latino, che significa: da una parte all'altra), nel caso del 2-butene. Il doppio legame carbonio-carbonio è formato da due atomi di carbonio sp² ibridizzati, e consiste di due orbitali molecolari occupati, un orbitale sigma ed un orbitale p-greco. La rotazione dei due gruppi all'estremità di un doppio legame relativamente a tutti gli altri distrugge la sovrapposizione dell'orbitale p creata dall'orbitale o dal legame p-greco. Poiché il legame p-greco possiede una energia di legame pari approssimativamente a 60 kcal/mole, questa resistenza alla rotazione stabilizza la configurazione planare di questo gruppo funzionale. Come risultato si ha che certi alcheni bi-sostituiti possono esistere come una coppia di stereoisomeri configurazionali, spesso designati con cis e trans. Il requisito essenziale per avere questo stereoisomerismo è che ogni carbonio del doppio legame debba avere due differenti gruppi sostituenti (uno dei quali può essere l'idrogeno). Alcuni esempi di questo stereoisomerismo configurazionale (a volte chiamato isomerismo geometrico) sono mostrati appresso. Notare che i cicloalcheni con meno di otto atomi di carbonio non esistono in una configurazione stabile trans, a causa delle tensioni sull'anello. Una simile restrizione riguarda anche i cicloalchini con meno di dieci atomi di carbonio. Dal momento che gli alchini sono lineari, non esiste stereoisomerismo accociato con il triplo legame carbonio-carbonio. Gli stereoisomeri configurazionali del tipo mostrato prima necessitano di un prefisso di nomenclatura addizionale da aggiungere al nome IUPAC, allo scopo di specificare le orientazioni spaziali dei gruppi uniti al doppio legame. Sin qui, i prefissi cis- e trans- sono serviti a distinguere gli stereoisomeri; tuttavia, non è sempre chiaro quale isomero dovrebbe essere chiamato cis e quale trans. Per esempio, consideriamo i due composti sotto. Sia il composto A (1-bromo-1cloropropene) e sia il composto B (1-ciclobutil-2-etil-3-metil-1-butene) possono esistere come una coppia di stereoisomeri configurazionali (è mostrata un solo composto). Come possiamo denominare questi stereoisomeri in modo da specificare la configurazione di ognuno di essi senza ambiguità? L'assegnazione dei prefissi cis e trans ad alcuni di questi stereoisomeri può essere assegnata solo in modo arbitrario, per cui è necessario un metodo più rigoroso. Un sistema completamente privo di ambiguità, basato su di un insieme di regole di priorità dei gruppi, assegna una Z (dal tedesco, zusammen che significa: insieme) o una E (dal tedesco, entgegen che significa: opposto) per designare gli stereoisomeri. Negli isomeri mostrati prima, dove le notazioni cis e trans erano adeguate, Z equivale a cis ed E equivale a trans. Regola di successione per l'assegnazione delle configurazioni degli alcheni Stabilire le priorità dei sostituenti sul doppio legame dall'osservazione degli atomi uniti direttamente agli atomi di carbonio del doppio legame. 1. Più è alto il numero atomico dell'atomo diretto sostituente, più è alta la priorità. Per esempio, H– < C– < N– < O– < Cl– (la priorità aumenta da sinistra a destra). (A differenti isotopi dello stesso elemento vanno assegnate priorità in accordo con la loro massa atomica.) 2. Se due sostituenti hanno lo stesso atomo diretto sostituente, spostarsi verso l'atomo successivo (allontanandosi dal doppio legame) fino a che si incontri una differenza. Per esempio, CH₃– < C₂H₅– < ClCH₂– < BrCH₂– < CH₃O–.

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Una volta che le priorità relative dei due sostituenti su ognuno degli atomi di carbonio del doppio legame è stata determinata, si designa con Z l'orientazione cis della coppia a più alta priorità, e con E l'orientazione trans. Applicando queste regole agli isomeri dei composti A e B mostrati sopra, designamo con E la configurazione dell'isomero 1-bromo-1-cloropropene (Br ha priorità più alta di Cl e CH₃ più alta di H). La configurazione dell'isomero 1-ciclobutil-2-etil-3-metil-1-butene sarà designata con Z (C₄H₇ ha piorità più alta di H ed il gruppo isopropile ha priorità più alta di un gruppo etile). L'esempio seguente elabora la determinazione della priorità per un caso più complesso. La formula a linee è sviluppata per fornire la formula di struttura osservabile al centro. Il nome di radice è eptene (la catena più lunga che che incorpora entrambi gli atomi di carbonio del doppio legame), ed i sostituenti ad ogni carbonio del doppio legame (in rosso) sono aggiunti per determinare il nome IUPAC. Allo scopo di assegnare un prefisso di configurazione, deve essere determinato l'ordine di priorità dei sostituenti di ogni carbonio del doppi legame. Per il carbonio 3 gli atomi direttamente sostituenti sono un cloro ed un carbonio. Il cloro ha un numero atomico più elevato e quindi ha più alta priorità (colorato in verde e numerato con 1). Il più lontano atomo di bromo non figura in questa scelta. Per il carbonio 4 gli atomi diretti sostituenti sono entrambi atomi di carbonio (colorati in arancione). Come risultato, dobbiamo osservare i successivi atomi con numero atomico più alto nella catena sostituente. Anche questi sono atomi di carbonio, ma il gruppo isopropile ha due atomi di carbonio (anch'essi in arancione) mentre il gruppo propile ne ha solo uno. L'ordine di priorità è quindi: isoprople (verde) > propile (magenta). Dal momento che i due gruppi a più alta priorità (1) sono sullo stesso lato, questa configurazione è Z. Gli stereoisomeri sono stati osservati anche in certi composti ciclici disostituiti (e multisostituiti). A differenza delle molecole degli alcheni relativamente piatte, le configurazioni dei cicloalcani sostituiti possono essere osservate in tre dimensioni allo scopo di valutare le orientazioni spaziali dei sostituenti. Per convenzione, i chimici utilizzano linee spesse e cuneiformi, per indicare i legami di un sostituente localizzato sopra il piano su cui giace l'anello (notare che i cicloacani costituiti da più di tre atomi di carbonio non sono planari), ed una linea tratteggiata formata da piccoli segmenti paralleli, per indicare i legami di atomi o gruppi localizzati sotto il piano di giacenza dell'anello. Come nel caso degli stereoisomeri del 2-butene, i cicloalcani stereoisomeri disostituiti possono essere designati da prefissi di nomenclatura quali cis e trans. Gli stereoisomeri dell'1,2-dibromociclopentano mostrati sotto ne sono un esempio.

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In generale, se in un anello due atomi di carbonio sp³ hanno due differenti gruppi sostituenti (senza tener conto di altri atomi dell'anello), lo stereoisomerismo è possibile. Questo è simile all'esempio di sostituzione che causa la stereoisomeria negli alcheni; invero, si potrebbe guardare ad un doppio legame come ad un anello a due membri. Altri quattro esempi di questo genere di stereoisomerismo nei composti ciclici sono mostrati sotto. Se più di due atomi di carbonio dell'anello hanno sostituenti differenti (senza tenere in conto altri atomi dell'anello) la notazione stereochimica che distingue i vari isomeri diventa più complessa. Le formule di struttura mostrano il modo in cui gli atomi della molecola sono legati insieme (la sua costituzione), ma generalmente non descrivono la forma tridimensionale di una molecola, a meno che non siano utilizzate speciali notazioni per i legami (ad es. linee cuneiformi o tratteggiate). L'importanza che tali formule possano descrivere la struttura tridimensiomnale diventa chiara studiando lo stereoisomerismo configurazionale, dove l'orientazione relativa degli atomi nello spazio è fissata dalla costituzione dei legami di una molecola (ad es. doppi legami ed anelli). E' stato anche sottolineato che i prefissi di nomenclatura possono essere utilizzati nella denominazione di stereoisomeri specifici. In questo capitolo estenderemo la nostra visione tridimensionale della struttura molecolare per includere composti che normalmente assumono un insieme di orientazioni spaziali tridimensionali che caratterizzano lo stesso composto isolabile. Noi chiamiamo queste differenti orientazioni spaziali degli atomi di una molecola che risultano da rotazioni o da torsioni di singoli legami, conformazioni.

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Nel caso dell'esano, abbiamo una catena non ramificata di sei atomi di carbonio che è scritta molto spesso con una formula lineare: CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃. Noi sappiamo che ciò non è strettamente vero, dal momento che gli atomi di carbonio hanno tutti una configurazione tetraedrica. La reale forma della catena estesa è quindi in natura a zig-zag. Tuttavia, avviene un'agevole rotazione intorno ai legami carbonio-carbonio, e la catena a sei atomi di carbonio si avvolge facilmente per dare una forma abbastanza differente. Molte conformazioni dell'esano sono possibili. Il semplice alcano etano è adatto per una buona introduzione all'analisi conformazionale. Qui vi è un solo legame carbonio - carbonio, e la strutture rotazionali (rotameri) che esso può assumere cadono tra due estremi, sfalsata ed eclissata. Nella seguente descrizione di questi conformeri, sono usate diverse notazioni strutturali. La prima vede la molecola dell'etano lateralmente, con il legame carbonio-carbonio in posizione orizzontale rispetto all'osservatore. Gli atomi d'idrogeno vengono allora localizzati nello spazio circostante da legami cuneiformi (frontalmente al piano) e tratteggiati (posteriormente al piano). Se si ruota questa struttura in modo che il carbonio 1 sia inclinato verso il basso e portato più vicino all'osservatore, si presenta la proiezione a "cavalletto da falegname". Infine, se l'osservatore guarda dall'alto in basso il legame carbonio - carbonio con il carbonio 1 di fronte al carbonio 2, vede la proiezione di Newman. Come risultato delle repulsioni legame-elettrone, illustrate sopra a destra, la conformazione eclissata è meno stabile di quella sfalsata di circa 3 kcal/mole (tensione di eclissamento). Le più intense repulsioni nella conformazione eclissata sono rappresentate da frecce rosse. Vi sono altre sei repulsioni meno forti che non sono mostrate. Nella conformazione sfalsata ci sono sei repulsioni uguali di legame, quattro delle quali sono rappresentate da frecce blu, e queste sono tutte sostanzialmente meno intense delle tre repulsioni più forti della conformazione eclissata. Di conseguenza, l'energia potenziale associata con le diverse conformazioni dell'etano varia con l'angolo diedro dei legami, come mostrato sotto. Sebbene i conformeri dell'etano siano in rapido equilibrio l'un con l'altro, la differenza di energia di 3 kcal/mole porta ad una sostanziale preponderanza dei conformeri sfalsati (> 99,9 %) in ogni dato momento. L'idrocarburo butano ha un insieme di conformazioni associate con la sua costituzione più grande e complesso dell'etano. Particolarmente interessanti ed importanti sono le conformazioni prodotte per rotazione intorno al legame centrale carbonio - carbonio. Tra queste, focalizzeremo la nostra attenzione su due conformeri sfalsati (A e C) e due conformeri eclissati (B e D), mostrate sotto in diverse rappresentazioni stereoscopiche. Come nel caso dell'etano, i conformeri sfalsati sono più stabili di quelli eclissati tra 2,8 e 4,5 kcal/mole. Dal momento che i conformeri sfalsati rappresentano i componenti principali di un campione di butano essi sono designati dai prefissi anti per A e gauche per C. A questo punto risulta utile riassumere alcuni aspetti importanti dello stereoisomerismo conformazionale. (i) La maggior parte delle interconversioni conformazionali in molecole semplici avvengono rapidamente a temperatura ambiente. Di conseguenza, l'isolamento di conformeri puri non è normalmente possibile. (ii) Conformeri specifici richiedono una speciale terminologia di nomenclatura con termini quali sfalsato, eclissato, gauche e anti, quando devono essere designati. (iii) Conformeri specifici possono anche essere designati dagli angoli diedri. Nei conformari del butano mostrati sopra, gli angoli diedri formati dai due gruppi metilici intorno al doppio legame centrale sono: A 180º, B 120º, C 60º e D 0º. (iv) Le conformazioni sfalsate intorno ai legame singoli carbonio-carbonio sono più stabili (hanno una più bassa energia potenziale) delle corrispondenti conformazioni eclissate. La più alta energia dei legami eclissati è conosciuta come tensione di eclissamento. (v) Nel butano, il conformero gauche è meno stabile del conformero anti di circa 0,9 kcal/mole. Ciò è dovuto ad un affolamento dei due gruppi metilici nella struttura gauche, ed è chiamata tensione sterica o intralcio sterico. (vi) I conformeri B e C del butano non hanno strutture identiche per riflessione in quanto gli angoli diedri, misurati in senso orario, sono rispettivamente di 240º e 300º. Queste coppie sono uguali dal punto di vista energetico, e non sono state distinte nel diagramma di energia qui mostrato.

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Sebbene la rappresentazione abituale con l'uso di linee per i semplici cicloalcani diano poligoni geometrici, la reale forma di questi composti è molto diversa nella maggioranza dei casi. Il ciclopropano è necessariamente planare (piatto), con gli atomi di carbonio posti agli angoli di un triangolo equilatero. Gli angoli di legame di 60º sono molto più piccoli degli angoli ottimali a 109,5º di un normale atomo di carbonio tetraedrico, ed la risultante tensione angolare influenza drammaticamente il comportamento chimico di questo cicloalcano. Il ciclopropano soffre anche della tensione di eclissamento, dal momento che tutti i legami carbonio-carbonio sono completamente eclissati. Il ciclobutano riduce una certa parte della tensione di eclissamento sui legami mediante ripiegamento (l'angolo diedro formato con il piano è di circa 25º), ma l'eclissamento totale e la tensione angolare resta alta. Il ciclopentano ha una tensione angolare molto ridotta (gli angoli di un pentagono sono di 108º), ma la sua tensione di eclissamento sarebbe elevata (circa 10 kcal/mole) se esso rimanesse planare. Di conseguenza, l'anello a cinque membri adotta una conformazione non planare ripiegata ogni volta che sia possibile. Anelli più grandi di quello del ciclopentano avrebbero tensioni angolari se fossero planari. Tuttavia, questa questa tensione, insieme con la tensione di eclissamento intrinseca in un struttura planare, può essere mitigata dal ripiegamento dell'anello. Il cicloesano è un buon esempio di un sistema ciclico del carbonio che elimina virtualmente tensione angolare e di eclissamento dall'adozione di conformazioni non planari, tali come quelle mostrati sotto. Il cicloeptano ed il cicloottano hanno tensioni più elevate del cicloesano, in larga parte dovute ad affollamento transanulare (impedimento sterico dovuto a gruppi posti sui lati opposti dell'anello). Alcune conformazioni degli anelli del cicloesano Una struttura planare del cicloesano è chiaramente improbabile. Gli angoli di legame sarebbero necessariamente di 120º, cioè di 10,5º più grandi dell'angolo tetraedrico ideale. Ancora, ogni legame carbonio-carbonio in una tale struttura sarebbe eclissato. L'angolo risultante e le tensioni di eclissamento destabilizzerebbero severamente questa struttura. Se due atomi di carbonio sui lati opposti dell'anello a sei membri si sollevano rispetto al piano dell'anello, molta della tensione angolare può essere eliminata. Questa struttura a barca possiede ancora due legami eclissati (di colore magenta nel disegno) ed un intenso affollamento sterico dei due atomi d'idrogeno sulla "prua" e sulla "poppa" della barca. L'affollamento sterico è spesso chiamato impedimento sterico. Mediante torsione della conformazione a barca, l'impedimento sterico può essere parzialmente ridotto, ma questa conformazione a barca ritorta conserva ancora una certa parte delle tensioni caratteristiche della conformazione a barca. Infine, sollevando un atomo di carbonio al di sopra del piano dell'anello e l'altro abbassandolo sotto il piano, si ottiene una conformazione a sedia relativamente libera da tensioni. Questa è la struttura predominante adottata dalla molecola del cicloesano. Un diagramma di energia di interconversione tra queste conformazioni è riportato sotto. L'energia di attivazione per la conversione barca-barca è dovuta principalmente alla più alta energia della forma a sedia ritorta (TC, Twist-Chair), in cui sono presenti tensioni angolari e di eclissamento significative. Un agevole equilibrio tra barca ritorta (TB, Twist Boat) e barca (B, Boat) ha luogo così come un conformero a sedia (C, Chair) si trasforma nell'altro. Gli studi riguardanti le conformazioni dell'esano furono iniziati da H. Sachse (1890) e E. Mohr (1918), ma essi non furono, fino al 1950, che un completo trattamento delle conseguenze del ripiegamento di interconversione tra i conformeri a sedia e le differenti orientazioni dei legami sospesi furono delucidate da D. H. R. Barton (Premio Nobel 1969 insieme a O. Hassel). La seguente discussione presenta alcune delle caratteristiche essenziali dell'analisi conformazionale. Dopo un accurato esame di una conformazione a sedia del cicloesano, troviamo che i dodici atomi di idrogeno non sono strutturalmente equivalenti. Sei atomi sono localizzati intorno alla periferia dell'anello di carbonio, e sono chiamati equatoriali. Gli altri sei sono orientati sopra e sotto l'approssimativo piano dell'anello (tre per ognuna delle posizioni), e sono chiamati assiali poiché essi sono allineati parallelamente all'asse di simmetria dell'anello. Nel modello ad aste mostrato in basso a sinistra, gli idrogeni equatoriali sono colorati in blu, e quelli assiali in rosso. Poiché vi sono due conformazioni a sedia equivalenti del cicloesano in rapido equilibrio, tutti i dodici atomi d'idrogeno hanno un carattere del 50% equatoriale e del 50% assiale.

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Poiché i legami assiali sono paralleli tra di loro, i sostituenti più grandi dell'idrogeno generalmente soffrono di un affollamento sterico più elevato quando essi sono orientati in modo assiale piuttosto che equatoriale. Di conseguenza, i cicloesani adotteranno preferenzialmente conformazioni in cui i sostituenti più grandi assumono orientazione equatoriale. Nei due conformeri del metilcicloesano mostrati sopra, il carbonio del metile è colorato in blu. Quando il gruppo metile occupa una posizione assiale esso soffre di affollamento sterico dovuto ai due atomi d'idrogeno assiali localizzati sullo stesso lato dell'anello. Questo affollamento o impedimento sterico è associato con gli atomi d'idrogeno della struttura colorati in rosso. Un attento esame del conformero assiale mostra che questo impedimento sterico a due orientazioni gauche-simili del gruppo metile con gli atomi di carbonio 3 e 5 dell'anello. L'uso di modelli, incluso Chime, risulta particolarmente utile nella individuazione e nella valutazione di queste associazioni. Il relativo impedimento sterico provato da differenti gruppi sostituenti orientati in una posizione assiale rispetto ad una equatoriale può essere determinata dall'equilibrio conformazionale del composto. La corrispondente costante di equilibrio è in relazione con la differenza di energia tra i conformeri, e la raccolta di tali dati ci permette di valutare la relativa tendenza dei sostituenti ad esistere in una posizione equatoriale o assiale. È chiaro che la "dimensione" apparente di un sostituente è influenzata dall'ampiezza e dalla lunghezza del suo legame con il cicloesano, come si evidenzia dal fatto che un gruppo vinilico assiale è meno impedito dell'etile e lo iodio leggermente meno del cloro.

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Dal momento che il cicloesano è così comune tra i composti naturali e sintetici, e poichè le sue proprietà conformazionali sono conosciute abbastanza bene, in questa discussione focalizzeremo la nostra attenzione sull'anello a sei membri del cicloesano. In un campione di cicloesano, i due identici conformeri a sedia sono presenti in eguale concentrazione e gli atomi d'idrogeno sono tutti equivalenti (50% equatoriali e 50% assiali), fatto dovuto alla rapida interconversione dei conformeri. Quando l'anello del cicloesano reca con sé un sostituente, i due conformeri a sedia non sono gli stessi. In un conformero il sostituente è assiale, nell'altro è equatoriale. A causa dell'impedimento sterico nella posizione assiale, i gruppi sostituenti preferiscono assumere posizioni equatoriali diventando predominati nell'equilibrio. Abbiamo prima notato che i cicloalcani aventi due o più sostituenti su atomi di carbonio differenti dell'anello, essi esistono come coppie (qualche volta più di due) di stereoisomeri configurazionali. Dobbiamo ora esaminare il modo con cui conformazioni favorite dell'anello influenzano le proprietà degli isomeri configurazionali. Ricordare che gli stereoisomeri configurazionali sono stabili e non facilmente interconvertibili, mentre gli isomeri conformazionali normalmente s'interconvertono rapidamente. Nello studiare possibili strutture dei cicloesani sostituiti, risulta utile seguire due principi. (i) Le conformazioni a sedia sono generalmente più stabili delle altre possibili. (ii) I sostituenti sui conformeri a sedia preferiscono occupare posizioni equatoriali in quanto le posizioni assiali aumentano l'impedimento sterico. Le seguenti equazioni e formule illustrano come la presenza di due o più sostituenti su di un anello di cicloesano perturba l'interconversione dei due conformeri a sedia in modalità che possono essere del tutto previste. Strutture conformazionali di cicloesani disostituiti 1,1-dimetilcicloesano 1-t-butil-1-metilcicloesano cis-1,2-dimetilcicloesano trans-1,2-dimetilcicloesano cis-1,3-dimetilcicloesano trans-1,3-dimetilcicloesano cis-1,4-dimetilcicloesano trans-1,4-dimetilcicloesano Nel caso dei cicloesani 1,1-disostituiti, uno dei sostituenti deve essere necessariamente assiale e l'altro equatoriale, senza tener conto di quale conformero a sedia si stia considerando. Dal momento che i sostituenti nel 1,1-dimetilcicloesano sono gli stessi, i due conformeri sono identici e presenti in egual concentrazione, Nell' 1-t-butil-1-metilcicloesano il gruppo t-butile è molto più grande del metile, e quel conformero a sedia in cui il gruppo più grande è equatoriale sarà favorito nell'equilibrio (> 99%). Conseguentemente, il gruppo metile in questo composto è quasi esclusivamente assiale nella sua orientazione. Nei casi dei composti disostituiti 1,2-, 1,3- e 1,4-, l'analisi è un po' più complessa. È sempre possibile avere entrambi i gruppi equatoriali, ma se ciò richiede una relazione cis o trans, allora dipende dalla posizione relativa dei sostituenti. Se noi contiamo attorno all'anello dal carbonio1 al carbonio 6, il legame con numero più elevato su ogni carbonio cambia la sua orientazione da equatoriale (o assiale) ad assiale (o equatoriale) e viceversa. È importante ricordare che i legami in una data posizione di un conformero anulare a sedia si alternano sempre in questa maniera. Quindi, dovrebbe essere chiaro per per i composti cis-1,2 disostituiti, uno dei sostituenti deve essere equatoriale e l'altro assiale; nell'isomero trans entrambi possono essere equatoriali. A causa della natura alternante dei legami equatoriali ed assiali, la relazione opposta è vera per i composti 1,3-disostituiti (cis è completamente equatoriale e trans è sia equatoriale che assiale). Infine, i composti 1,4-disostituiti si comportano come i composti 1,2-disostituiti.

Mentre i chimici studiavano i composti isolati dalle piante e dagli animali, fu scoperto un nuovo ed elusivo tipo di stereoisomerismo configurazionale.

Per esempio, l'acido lattico (l'acido carbossilico C₃H₆O₃) fu trovato nel latte acido così come nel sangue e nei fluidi dei muscoli degli animali. Le propietà fisiche di questo semplice composto erano identiche, indipendentemente dall'origine (p.f. 53 ºC e pKa 3,80), ma fu evidente che il comportamento fisiologico del composto non era lo stesso nelle due fonti. Un altro prodotto naturale, il fragrante carvone, un chetone C₁₀H₁₄O, fu isolato dalla menta verde e dal cumino. Di nuovo, tutte le proprietà fisiche del carvone da queste due fonti sembravano essere identiche (p.eb. 230 ºC), ma l'odore dei due carvoni era diverso e rifletteva la loro origine. S'incontrarono altri esempi di questo genere, ed i sospetti di un oscuro tipo di stereoisomerismo furono confermati dalla differente interazione che questi composti mostravano con il piano della luce polarizzata. Oggi sappiamo che questo stereoisomerismo configurazionale è dovuto a forme destrorse e sinistrorse che certe strutture possono adottare, in gran parte allo stesso modo con cui una vite può avere una filettatura destrorsa o sinistrorsa pur avendo globalmente la stessa dimensione e forma. Coppie isomeriche di questo genere sono chiamate enantiomeri (dal greco enantion che significa: opposto).

Tutti gli oggetti possono essere classificati rispetto ad una proprietà che noi chiamiamo chiralità (dal greco cheir che significa: mano). Un oggetto chirale non è identico (per es. per sovrapposizione) alla sua immagine speculare. Un oggetto achirale è identico (è sovrapponibile) alla sua immagine speculare. Gli oggetti chirali hanno una "mano prevalente"; per esempio, le mazze da golf, le forbici, le scarpe ed i cavatappi. Quindi, una persona può acquistare mazze da golf e forbici adatte per la mano destra o per la sinistra. In modo simile, guanti e scarpe si trovano in coppie, una destra ed una sinistra. Gli oggetti achirali non hanno una mano prevalente; per esempio, una mazza da baseball (senza scritte o stemmi su di essa), una palla con superficie tonda, un pennello, una T-shirt ed un chiodo. La chiralità di un oggetto è in relazione alla sua simmetria, e a questo punto è utile individuare certi elementi di simmetria che possono essere associati con una dato oggetto. Un elemento di simmetria è un piano, una linea o un punto in o attraverso un oggetto, intorno a cui una rotazione o una riflessione lascia l'oggetto in una orientazione indistinguibile da quella iniziale. Alcuni esempi di elementi di simmetria sono mostrati appresso.

La faccia di una carta da gioco fornisce un esempio di centro o punto di simmetria. A partire da questo punto, una linea disegnata in qualunque direzione incontra le stesse proprietà strutturali della linea opposta (a 180º). Quattro linee casuali di questo tipo sono mostrate in verde. Un esempio di configurazione molecolare avente un punto di simmetria è l'(E)-1,2-dicloroetene. Un altro modo per descrivere un punto di simmetria è il considerare che ogni punto è riprodotto per riflessione, attraverso il centro, sull'altro lato. In questi due casi il punto di simmetria è di colore magenta.

La conformazione a barca del cicloesano mostra un asse di simmetria (contrassegnato qui con C2) e due piani di simmetria intersecantesi (contrassegnati con s). La notazione di un asse di simmetria è C_n, dove n è un intero scelto in modo che la rotazione intorno all'asse di 360/n gradi, riporta l'oggetto in una posizione indistinguibile da quella di partenza. In questo esempio, la rotazione è di 180º, sicché n = 2. Un piano di simmetria divide l'oggetto in un modo tale che i punti su di un lato del piano siano equivalenti a quelli sull'altro lato per riflessione attraverso il piano. In aggiunta al punti di simmetria considerato prima, l' (E)-1,2-dicloroetene ha anche un piano di simmetria per riflessione attraverso il piano definito dai sei atomi, e un asse C₂ passante per il centro e perpendicolare al piano.

L'esistenza di un elemento di simmetria di riflessione (un punto o un piano di simmetria) è sufficiente per assicurare che l'oggetto avente tale elemento sia achirale. Gli oggetti chirali, quindi, non hanno alcun elemento di simmetria di riflessione, ma possono avere assi di simmetria rotazionale, dal momento che questi elementi non richiedono riflessione per avere effetto. In aggiunta alla distinzione tra chirale ed achirale, ci sono altri due termini spesso utilizzati per riferirsi alla simmetria di un oggetto. Questi sono:

(i) Dissimetria: L'assenza di elementi di simmetria per riflessione. Tutti gli oggetti dissimetrici sono chirali.

(ii) Asimmetria: L'assenza di tutti gli elementi di simmetria. Tutti gli oggetti asimmetrici sono chirali.

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Un esame della chiralità di configurazioni molecolari spiega il curioso stereoisomerismo osservato nell'acido lattico, nel carvone e in una moltitudine di altri composti organici. Gli atomi di carbonio tetravalente hanno una configurazione tetraedrica. Se tutti e quattro i gruppi sostituenti sono gli stessi, come nel metano o nel tetraclorometano, la configurazione è quella di un "tetraedro regolare" altamente simmetrico. Un tetreaedro regolare ha sei piani e sette assi di simmetria (di cui quattro C₃ e tre C₂) ed è, naturalmente, achirale.

Se uno dei sostituenti del carbonio è differente dagli altri tre, il grado di simmetria si riduce a un asse C₃ e tre piani di simmetria, ma la configurazione resta achirale. La configurazione tetraedrica in tali composti non è più regolare, poiché la lunghezza e gli angoli dei legami cambiano al variare degli atomi o gruppi legati. Ulteriori sostituzioni possono ridurre la simmetria ancora di più, ma finché due dei quattro sostituenti sono uguali c'è sempre un piano di simmetria che divide in due parti l'angolo che collega quei sostituenti, sicché anche queste configurazioni sono achirali.

Un atomo di carbonio che è legato a quattro atomi o gruppi differenti perde completamente la simmetria, e spesso ad esso ci si riferisce come ad un carbonio asimmetrico. La configurazione di una tale unità è chirale, e la struttura può esistere in entrambe le configurazioni sinistrorsa e destrorsa. Questo tipo di stereoisomerismo è denominato enantiomorfismo, e le coppie con immagini speculari non identiche che ne risultano sono chiamate enantiomeri. Le formule di struttura dell'acido lattico e del carvone sono riportate sotto con il carbonio asimmetrico colorato in rosso.

Di conseguenza, ci attenderemo che questi composti esistano come coppie di enantiomeri. La presenza di un singolo atomo di carbonio asimmetricamente sostituito sia sufficiente a rendere l'intera configurazione chirale, e la moderna terminologia si riferisce a tali raggruppamenti asimmetrici (o dissimetrici) come centri chirali. La maggior parte dei centri chirali che studieremo sono atomi di carbonio asimmetrici, ma si dovrebbe riconoscere che altri atomi tetraedrici o piramidali possono diventare centri chirali se sostituiti appropriatamente. Inoltre. le regioni lineari e planari di chiralità possono esistere sono presenti appropriate configurazioni specifiche, come nel caso degli alleni. Quando più di un centro chirale è presente in una struttura molecolare, si devono prendere maggiori cautele nell'analizzare queste relazioni prima di concludere che una specifica configurazione molecolare sia chirale o achirale.

Un utile primo passo nello studio delle formule di struttura per determinare se possono esistere stereoisomeri, è l'identificazione di tutti i centri stereogenici. Un centro stereogenico è un centro di stereoisomeria, tale che uno scambio di due gruppi agli atomi costituenti il centro dà luogo ad uno stereoisomero. Un centro chirale, come un carbonio asimmetrico, è un centro stereogenico, dal momento che lo scambio di due gruppi sostituenti converte un enantiomero nell'altro. I centri stereogenici non devono essere necessariamente chirali. Gli atomi di carbonio del doppio legame di un alchene recanti due gruppi diversi su ogni carbonio (ad es. abC=Cab) sono centri stereogenici achirali (scambiando i sostituenti ad uno degli atomi di carbonio cambia la configurazione cis/trans del doppio legame). Altri elementi stereogenici, come assi e piani, possono essere presenti in una configurazione molecolare, ma questi sono meno comuni come centri stereogenici e non saranno qui esaminati.

Nel riquadro sottostante sono mostrate le formule di struttura di otto composti organici. Alcune di queste strutture sono chirali, altre achirali. Per prima cosa provare ad identificare tutti i centri chirali stereogenici. Le formule che non presentano centri chirali sono necessariamente achirali. Le formule aventi un centro chirale sono sempre chirali; se due o più centri chirali sono presenti in una data struttura, è facile che la molecola sia chirale, ma in casi speciali, da essere esaminati più avanti, essa può essere achirale.

Le strutture F e G sono achirali. La prima ha un piano di simmetria passante attraverso l'atomo di cloro e bisecando il legame opposto carbonio-carbonio. La struttura simile del composto E non ha un tale piano di simmetria, ed il carbonio legato al cloro è un centro stereogenico chirale (la due porzioni di anello che connettono questo carbonio non sono identiche). La struttura G è essenzialmente piatta. Tutti gli atomi di carbonio, eccetto quello del gruppo metile, hanno ibridizzazione sp², e quindi in configurazione trigonale-planare. I composti C, D e H hanno più di un centro chirale, e sono anche chirali. Ricorda che tutte le strutture chirali possono esistere come coppie di enantiomeri. Sono possibili altri stereoisomeri configurazionali se nella struttura è presente più di un centro stereogenico.

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L'identificazione e la distinzione degli enantiomeri è intrinsecamente difficile, dal momento che le loro proprietà fisiche e chimiche sono in larga parte identiche. Fortunatamente, circa duecento anni fa, la scoperta del fisico francese Jean-Baptiste Biot ha reso questo compito molto più facile. La scoperta svelò che gli enantiomeri destrorsi e sinistrorsi di un composto chirale perturbano il piano della luce polarizzata in modi opposti. Questa perturbazione è peculiare delle molecole chirali, ed è stata denominata attività ottica.

Un piano di luce polarizzata viene creato facendo attraversare la luce ordinaria attraverso un apparato polarizzatore, che può essere semplice come una lente prelevata da un paio di occhiali da sole polarizzanti. Tali dispositivi trasmettono selettivamente solo quella componente di un fascio di luce avente i vettori del campo elettrico e magnetico oscillanti nella direzione di un singolo piano. Il piano di polarizzazione può essere determinato da uno strumento chiamato polarimetro, mostrato nel disegno sottostante.

Luce monocromatica (di una singola lunghezza d'onda), viene polarizzata da un polarizzatore fisso, prossimo alla sorgente di luce. Una cella contenente il campione è localizzata in posizione allineata al fascio di luce, seguita da un polarizzatore mobile (l'analizzatore) e da un oculare attraverso il quale può essere osservata l'intensità della luce. Nei moderni strumenti, un rivelatore di luce elettronico prende il posto dell'occhio umano. In assenza di un campione, l'intensità della luce al rivelatore è massima quando il secondo polarizzatore (mobile) è regolato parallelamente al primo polarizzatore (α = 0º). Se l'analizzatore viene ruotato di 90º rispetto al piano di polarizzazione iniziale, tutta la luce sarà bloccata dal raggiungere il rivelatore.

I chimici utilizzano i polarimetri per studiare l'influenza esercitata dai composti (nella cella del campione) sul piano di luce polarizzata. I campioni costituiti solo da molecole achirali (ad es. acqua o esano), non hanno alcun effetto sul fascio di luce polarizzata. Però, se si esamina un singolo enantiomero (campione con tutte molecole che sono destrorse, o con tutte sinistrorse), la direzione del piano di polarizzazione risulta ruotato in senso orario (positivo) o in senso antiorario (negativo), e l'analizzatore può essere ruotato di un appropriato angolo, α, tale che la massima intensità di luce raggiunga il rivelatore. Nell'illustrazione precedente, il campione ha ruotato il piano di polarizzazione di +90º in senso orario e l'analizzatore è stato ruotato di un pari angolo per ottenere la massima trasmissione della luce.

Le rotazioni osservate (α) degli enantiomeri sono di opposte direzioni. Un enantiomero ruoterà la luce polarizzata in senso orario è si chiamerà destrogiro o (+), ed il suo partner con immagine speculare ruoterà la luce in modo antiorario, e si chiamerà levogiro o (–). I prefissi destro e levo derivano dal latino dexter, che significa destra, e laevus, che sta per sinistra, e sono abbreviati in d e l rispettivamente. Se si esaminano uguali quantità di ogni enetiomero, utilizzando la stessa cella per il campione, allora l'ampiezza delle rotazioni sarà la stessa, di cui una positiva e l'altra negativa. Per essere assolutamente certi che un rotazione osservata sia positiva o negativa è spesso necessario effettuare una seconda misurazione utilizzando una diversa quantità o concentrazione del campione. Nella precedente illustrazione, per esempio, α potrebbe essere –90º o +270º piuttosto che +90º. Se la concentrazione del campione viene ridotta del 10%, allora la rotazione positiva cambierebbe a +81º (o +243º) mentre la rotazione negativa cambierebbe a –81º, ed il valore corretto di α sarebbe identificato senza ambiguità.

Dal momento che non è sempre possibile ottenere od utilizzare campioni esattamente uguali in quantità, la rotazione osservata viene usualmente corretta per compensare le variazioni di quantità del campione e della lunghezza di cella. Quindi, è pratica comune convertire la rotazione osservata, α, in rotazione specifica, [α], con la seguente formula:

ove l = lunghezza di cella in dm, c = concentrazione in g/ml e D è la luce a 589 nm da una lampada al sodio

I composti che ruotano il piano di luce polarizzata sono definiti otticamente attivi. Ogni enantiomero di una coppia steroisomerica è otticamente attiva ed ha un uguale rotazione specifica ma di segno opposto. Le rotazioni specifiche sono utili in quanto esse sono costanti determinate sperimentalmente che caratterizzano ed identificano enantiomeri puri.

Una miscela 50:50 di enantiomeri non ha alcuna attività ottica osservabile. Tali miscele sono indicate con il termine di racemati o modifiche racemiche, è vengono designate con (±). Quando composti chirali vengono creati a partire da composti achirali, i prodotti sono racemici a meno che non sia coinvolto nella reazione un singolo enantiomero di un co-reagente oppure un catalizzatore chirale. L'aggiunta di HBr al cis- o al trans-2-butene rppresenta un esempio di formazione di un prodotto racemico (il centro stereogenico è colorato in rosso nella seguente equazione).

CH₃CH=CHCH₃ + HBr (±) CH₃CH₂CHBrCH₃

I composti organici chirali isolati da organismi viventi sono in genere otticamente attivi, indicando che uno degli enantiomeri è predominante (spesso esso è l'unico isomero presente). Questo è un risultato dell'azione di catalizzatori chirali che noi chiamiamo enzimi, e riflette l'intrinseca chiralità della natura della vita stessa. I composti chirali sintetici, d'altra parte, sono generalmente racemati, a meno che non siano preparati a partire da materiali enantiomericamente puri.

Vi sono due modi con cui può essere cambiata la condizione di una sostanza chirale:

1. Un racemato può essere separato nei suoi enantiomeri componenti. Questo processo è chiamato risoluzione.

2. Un enantiomero puro può essere trasformato nel suo racemato. Questo processo è chiamato racemizzazione.

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Sebbene gli enantiomeri possano essere identificati dalle loro rotazioni caratteristiche, l'assegnazione di una configurazione univoca ad ognuno di essi non è stata ancora discussa. Abbiamo fatto riferimento alle configurazioni speculari degli enantiomeri con i termini "mano destra" e "mano sinistra", ma decidere qual è l'una e quale è l'altra non è un compito banale. Un primo modo assegnava il prefisso D agli enantiomeri chimicamente connessi ad un composto di riferimento di "mano destra" ed il prefisso L agli enantiomeri connessi in maniera simile ad un gruppo di "mano sinistra". Sebbene questa notazione sia ancora applicata ai carboidrati e agli amminoacidi, essa richiedeva trasformazioni chimiche per stabilire relazioni di gruppo, e dimostrava di essere ambigua applicandola in modo generico. Una soluzione al pressante problema di assegnazione della configurazione fu escogitato da tre chimici europei: R. S. Cahn, C. K. Ingold e V. Prelog. Il sistema di nomenclatura risultante è qualche volta chiamato sistema CIP o R-S.

Nel sistema di nomenclatura CIP, ad ogni centro stereogenico in una molecola è assegnato un prefisso (R o S), in accordo con la sua configurazione di mano destra o sinistra. Non sono richieste reazioni o interrelazioni chimiche per questa assegnazione. Il simbolo R deriva dal latino rectus che sta per destro e S da sinister che sta per sinistro. L'assegnazione di questi prefissi dipende dall'applicazione di due regole: la regola della successione e la regola del punto di osservazione.

La regola della sequenza è la stessa che è stata applicata per assegnare i prefissi E e Z agli stereoisomeri con doppio legame. Dal momento che la maggior parte dei centri stereogenici chirali che noi incontreremo sono atomi di carbonio asimmetrici, tutti i quattro differenti sostituenti possono essere ordinati in questo modo:

Regola di successione per l'assegnazione delle configurazioni degli atomi di carbonio stereogenici

Stabilire le priorità dei sostituenti sul doppio legame dall'osservazione degli atomi uniti direttamente agli atomi di carbonio del doppio legame.

1. Più è alto il numero atomico dell'atomo diretto sostituente, più è alta la priorità.

Per esempio, H– < C– < N– < O– < Cl– (la priorità aumenta da sinistra a destra).

(A differenti isotopi dello stesso elemento vanno assegnate priorità in accordo con la loro massa atomica.)

2. Se due sostituenti hanno lo stesso atomo diretto sostituente, spostarsi verso l'atomo successivo (allontanandosi dal doppio legame) fino a che si incontri una differenza.

Per esempio, CH₃– < C₂H₅– < ClCH₂– < BrCH₂– < CH₃O–.

3. Se s'incontrano gruppi sostituenti legati con doppio o triplo legame, essi vanno trattati come un insieme di atomi legati con legame semplice.

Per esempio, C₂H5– < CH₂=CH– < HC≡C–.

Una volta determinate le priorità relative dei quattro sostituenti, il centro chirale può essere esaminato dal lato opposto al gruppo a più bassa priorità. Se abbiamo numerato i gruppi sostituenti da 1 a 4, con 1 essente il più elevato e 4 il più basso nella successione delle priorità, le due configurazioni enantiomeriche sono mostrate nell'illustrazione seguente in linea con un occhio, che osserva dal lato opposto al sostituente 4.

Ricordando le implicazioni geometriche della rappresentazione dei legami a cuneo e tratteggiati, un osservatore (l'occhio) nota se una freccia curvata tesa dalla posizione 1, passando per la 2, raggiunge la 3, è in senso orario o antiorario. Se la rotazione avviene in senso orario, come nell'esempio a destra, la configurazione è classificata con R. Se essa è in senso antiorario, come illustrato a sinistra, la configurazione è S.

E' importante ricordare non c'è una semplice ed ovvia relazione tra le designazioni R ed S di una configurazione molecolare e la rotazione specifica misurata sperimentalmente dei composti che essa rappresenta. Allo scopo di determinare la vera o "assoluta" configurazione di un enantiomero, come nei casi dell'acido lattico e del carvone, è necesssario confrontare il composto con una molecola strutturalmente nota oppure condurre un'analisi alquanto complessa con i raggi X su un singolo cristallo del campione.

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L'arboscello cinese Ma Huang (Ephedra vulgaris) contiene i due composti efedrina e pseudoefedrina con attività fisiologica. Entrambi i composti sono stereoisomeri del 2-metilammino-1-fenil-1-propanolo, ed entrambi sono otticamente attivi, di cui uno è levogiro e l'altro destrogiro. Dal momento che le proprietà di questi composti (vedi sotto) sono significativamente diverse, essi non possono essere enantiomeri. Come possimo, allora, classificare questi isomeri ed altri simili ad essi?

Poiché questi due composti sono otticamente attivi, ognuno di essi può avere un enantiomero. Sebbene questi stereoisomeri mancanti non fossero presenti nella fonte naturale, essi sono stati preparati sinteticamente ed hanno le attese identiche proprietà fisiche e rotazioni specifiche di segno opposto di quelli elencati prima. La formula di struttura del 2-metilammino-1-fenilpropanolo ha due atomi di carbonio stereogenici (1 e 2). Ognuno può assumere una configurazione R o S, così ci sono quattro possibili combinazioni stereisomeriche. Queste sono mostrate nell'illustrazione sopra, insieme con le assegnazioni che sono state eseguite sulla base delle interconversioni chimiche.

Come regola generale, una struttura avente n centri stereogenici avrà 2n possibili combinazioni di questi centri.

A seconda della simmetria complessiva della struttura molecolare, alcune di queste combinazioni possono essere identiche, ma in assenza di tali identità, dovremmo attenderci di trovare 2n stereoisomeri. Alcuni di questi stereoisomeri avranno relazioni enantiomeriche, ma gli enantiomeri vengono in coppie, per cui saranno comuni stereoisomeri non enantiomerici. Ci riferiamo a tali stereoisomeri con il termine di diastereoisomeri. Nell'esempio precedente, ciascuno degli enantiomeri dell'efedrina ha una relazione diastereoisomerica con ciascuno degli enantiomeri della pseudoefedrina.

ERRATA CORRIGE: non è 2n ma 2ⁿ. Svista mia nel postare. Chiedo venia. Un esame ravvicinato degli isomeri dell'efedrina e della pseudoefedrina suggerisce che un altro centro stereogenico, l'azoto, è presente. Come precedentemente notato, l'azoto legato con legami singoli ha una forma piramidale, con la coppia di elettroni di non-legame che punta in direzione dell'angolo non occupato di una zona del tetraedro. Dal momento che l'azoto in questi composti è legato a tre gruppi diversi, la sua configurazione è chirale. Le configurazioni non identiche sul piano speculare sono illustrate nel diagramma seguente (il resto della molecola è rappresentato da una R, e la coppia di elettroni è colorata in giallo). Se queste configurazioni fossero stabili, ci dovrebbero essere quattro stereoisomeri addizionali di efedrina e pseudoefedrina. Tuttavia, l'azoto piramidale non è di norma configurazionalmente stabile. Esso converte rapidamente la sua configurazione (frecce d'equilibrio) passando attraverso uno stato di transizione ibridizzato sp² planare, producendo una miscela di configurazioni R e S interconvertibili tra di esse. Se l'atomo di azoto è l'unico centro stereogenico nella molecola, esisterà all'equilibrio una miscela (racemica) 50:50 di configurazioni R ed S. Se sono presenti altri centri stereogenici, come negli isomeri dell'efedrina, ne risulterà una miscela di diastereoisomeri. In ogni caso, i gruppi azotati come questo, se presenti in un composto, non contribuiscono alla formazione di stereoisomeri isolabili.

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Il problema della rappresentazione tridimensionale delle configurazioni su di un piano bidimensionale, come un pezzo di carta, è stato a lungo oggetto di studio dei chimici. Le notazioni con cunei e tratteggi che abbiamo utilizzato sono efficaci, ma possono essere scomode quando applicate a composti aventi molti centri stereogenici. Come parte della sua ricerca sui carboidrati che gli valsero il premio Nobel, Emil Fischer, escogitò una semplice notazione che è ancora largamente utilizzata. In un diagramma di proiezione di Fischer, i quattro legami di un carbonio strerogenico creano una croce con l'atomo di carbonio posto all'intersezione delle linee orizzontali e verticali. I due legami orizzontali sono diretti verso l'osservatore (davanti al carbonio stereogenico). I due legami verticali sono diretti posteriormente al carbonio centrale (lontano dall'ossevatore). Poiché questo non è il modo usuale in cui abbiamo osservato tali strutture, il diagramma seguente mostra come un carbonio stereogenico, posizionato in una comune orientazione a due legami nel piano (x-C-y definiscono il piano di riferimento), viene ruotato per ottenere l'orientazione della proiezione di Fischer (la formula più a destra). Quando si scrivono le formule di proiezione di Fischer è importante è importante ricordare queste convenzioni. Dal momento che i legami verticali si estendono lontano dall'osservatore ed i legami orizzontali verso l'osservatore, una struttura di Fischer può essere ruotata solo di 180º restando nel piano, affinché conservi questa relazione. La struttura non può essere voltata o ruotata di 90º.

Nel diagramma mostrato sopra, se x = CO₂H, y = CH₃, a = H e b = OH, la formula risultante descrive l'acido (R)-(–)-lattico. L'immagine speculare della formula, dove x = CO₂H, y = CH₃, a = OH e b = H, rappresenterebbe, naturalmente, l'acido (S)-(–)-lattico.

Utilizzando la notazione della proiezione di Fischer, gli stereoisomeri del 2-metilammino-1-fenilpropanolo sono disegnato nel modo seguente. Notare che è di uso comune scegliere la catena carboniosa più lunga come assieme rappresentato dal legame verticale.

Il vantaggio avuto da Fischer, nei suoi studi sui carboidrati, è evidente dal diagramma seguente. Abbiamo otto stereoisomeri del 2,3,4,5-tetraidrossipentanale, un gruppo di composti a cui ci si riferisce come aldopentosi. Dal momento che in questa struttura vi sono tre centri stereogenici, ci aspetteremo un massimo di 2³ stereoisomeri. Questi otto stereoisomeri consistono di quattro insiemi di enantiomeri. Se la configurazione a C-4 è mantenuta costante (R nell'esempio mostrato qui), i quattro stereoisomeri che ne risultano saranno diastereoisomeri. Le formule di Fischer di questi quattro isomeri, che Fiscer designò come la famiglia "D", sono mostrati nel diagramma. Ognuno di questi composti ha un enantiomero, che è un membro della famiglia "L", così, come atteso, vi sono otto stereoisomeri in totale. Determinare se un carbonio stereogenico è R o S può sembrare difficile utilizzando le proiezioni di Fischer, ma in realtà è abbastanza semplice. Se il gruppo con priorità più bassa (spesso un idrogeno) è sul legame verticale, la configurazione è data direttamente dalle posizioni relative dei tre sostituenti meglio allineati. Se il gruppo con priorità più bassa è su di un legame orizzontale, le posizioni dei restanti gruppi forniscono una risposta errata (stai guardando la configurazione dal lato sbagliato), per cui basta semplicemente ribaltarla.

Le strutture dell'aldopentoso disegnate sopra sono tutte diastereoisomeri. Un termine più selettivo, epimero, viene usato per denotare i diastereoisomeri che differiscono in configurazione solo su un centro chirale. Quindi, ribosio ed arabinosio sono epimeri a C-2, e arabinosio e lisoso sono epimeri a C-3. Tuttavia, arabinosio e xilosio non sono epimeri, dal momento che le loro configurazioni differiscono in entrambi C-2 e C-3.

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I centri chirali nei precedenti esempi erano tutti differenti tra di essi. Nel caso dell'acido 2,3-diidrossibutandioico, conosciuto come acido tartarico, i due centri chirali hanno gli stessi quattro sostituenti equivalenti tra di essi. Come risultato, due dei quattro possibili stereoisomeri di questo composto sono identici a causa di un piano di simmetria, per cui vi sono solo tre stereoisomeri dell'acido tartarico. Due di questi stereoisomeri sono enatiomeri ed il terzo è un diastereoisomero achirale, chiamato meso composto. I meso composti sono diastereoisomeri achirali (otticamente inattivi) di stereoisomeri chirali. Studi sui sali degli isomeri dell'acido tartarico, effettuati da Louis Pasteur nella metà del XIX secolo, furono utili nel delucidare alcune sottigliezze della stereochimica.

(+)-acido tartarico: [α]D = +13º - p.f. 172 ºC

(–)-acido tartarico: [α]D = –13º - p.f. 172 ºC

acido meso-tartarico: [α]D = 0º - p.f. 140 ºC

Le formule di proiezione di Fischer fornisce una visione utile delle relazioni configurazionali all'interno della strutture di questi isomeri. Nella seguente illustrazione una linea speculare è disegnata tra formule che presentano un relazione con l'immagine speculare. Nel dimostrare l'identità delle formule dei due meso composti, ricordare che la formula di proiezione di Fischer può essere ruotata di 180º nel piano.

Le formule di proiezione di Fischer sono particolarmente utili per confrontare isomeri configurazionali all'interno di una famiglia di composti chirali correlati, come i carboidrati. Tuttavia, le conformazioni eclissate soggiacenti a queste rappresentazioni non sono realistiche. Quando si descrivono composti aciclici comprendenti due o più centri stereogenici, molti chimici preferiscono le formule della catena carboniosa principale con linee a zig-zag. Qui, la catena di carbonio a zig-zag giace in un piano e le configurazioni assolute o relative dei centri stereogenici sono allora rappresentate da legami a forma di cunei e linee tratteggiate verso i gruppi sostituenti. Questo è illustrato nel diagramma seguente per il D-(-)-ribosio e l'eritrosio e treoso, diastereoisomeri dei D-tetrosi.

Questi composti sono tutti chirali ed è disegnato solo un enantiomero (il membro della famiglia D). Molte volte, tuttavia, dobbiamo fare riferimento e denominare diastereoisomeri che sono racemi o achirali. Per esempio, l'addizione del cloro al cis-2-butene produce uno stereoisomero del 2,3-diclorobutano diverso da quello che si ottiene addizionando cloro al trans-2-butene. Nei casi in cui si hanno due centri stereogenici adiacenti, come questo, si possono usare i prefissi eritro e treo per designare la configurazione relativa dei centri. Questi prefissi, presi dai nomi dei tetrosi eritroso e treoso (in alto), possono essere applicati ai composti racemici, così come agli enantiomeri ed ai meso composti puri, come mostrato nel diagramma successivo. Nel disegnare la strutture utilizzando le comuni linee a zig-zag, i sostituenti possono giacere sullo stesso lato dalla catena del carbonio, una orientazione sin, o sul lato opposto, una orientazione anti. Per i sostituenti adiacenti (vicinali) questo è l'opposto della loro localizzazione in una formula di Fischer. Quindi, i sostituenti in un eritro-isomero hanno orientazione anti, mentre sono sin nei treo-isomeri.

La nomenclatura sin-anti può essere applicata ai composti aciclici aventi più di un centro stereogenico, come illustrato dall'esempio nella finestra colorata. Il centro stereogenico più vicino al carbonio 1 serve da riferimento. Ai siti aventi due sostituenti, come per il carbonio 5, i termini si riferiscono all'orientazione relativa del sostituente di ordine più elevato, come determinato dalle regole C.I.P. di successione.

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Come notato prima, i composti chirali sintetizzati a partire da sostanza e reagenti achirali sono generalmente racemi (ad es. una miscela 50:50 di enantiomeri). La separazione di racemati negli enantiomeri che li compongono è un processo chiamato risoluzione. Dal momento che gli enantiomeri hanno proprietà fisiche identiche, come solubilità e punto di fusione, la risoluzione è estremamente difficile. I diastereoisomeri, d'altro canto, hanno differenti proprietà fisiche, e questa circostanza viene sfruttata per la risoluzione dei racemati. La reazione di un racemato con un reagente chirale enantiomericamente puro fornisce una miscela di diastereoisomeri, che può essere separata nei suoi componenti. Rovesciando la prima reazione si ottengono gli enantiomeri separati assieme al reagente recuperato.

Molti tipi di reazioni chimiche e fisiche, incluso la formazione di sali, possono essere usate per ottenere intermedi necessari alla separazione. Il diagramma seguente illustra questo principio generale mostrando come un dado che ha una filettatura destrorsa (R) potrebbe servire come "reagente" per distinguere e separare una miscela di bulloni destrorsi e sinistrorsi identici per peso e dimensioni. Solo due partners destrorsi possono interagire per dare un intermedio completo destrorso, così la separazione risulta abbastanza semplice. Il mezzo risolutivo, ad es. il dado, viene quindi rimosso, lasciando i bulloni nelle loro forme separate destrorsa e sinistrorsa. Le reazioni chimiche degli enantiomeri non sono normalmente così tanto differenti, ma una distinzione pratica è tuttavia possibile.

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La formula di proiezione di Fischer dell'acido meso-tartarico ha un piano di simmetria che divide a metà il legame C2-C3, come mostrato a sinistra nel diagramma seguente, da cui si deduce che questa struttura è chiaramente achirale. L'orientazione eclissata dei legami che è supposta nel diagramma di Fischer è, tuttavia, una conformazione instabile, e dovremmo esaminare i conformeri sfalsati che indubbiamente costituiscono la maggior parte delle molecole di un campione. Le quattro strutture a destra della proiezione di Fischer corrispondono alla conformazione achirale di Fischer (A) e a tre conformeri sfalsati, tutti mostrati in entrambe la rappresentazioni a cavalletto e delle proiezioni di Newman. La seconda e la quarta conformazione (B e D) sono dissimetriche, e sono infatti strutture enantiomeriche. Il terzo conformero (C) ha un centro di simmetria ed è achirale.

Proiezione di Fischer A è eclissata, achirale - B è sfalsata, chirale - C è sfalsata, achirale - D è sfalsata, chirale.

Dal momento che una porzione significativa delle molecole in un campione di acido mesotartarico avranno conformazioni chirali, le proprietà achirali del campione (ad es. inattività ottica) non devono essere attribuite alla simmetria della formula di Fischer. Gli equilibri tra le varie conformazioni si stabiliscono rapidamente, e la porzione di ogni conformero presente all'equilibrio dipende dalla sua relativa energia potenziale (predominano i conformeri più stabili). Dal momento che gli enantiomeri hanno uguali energie potenziali, essi saranno presenti in uguale concentrazione, cancellando quindi la loro attività ottica in senso macroscopico e altri comportamenti tipicamente chirali. Detta semplicemente, le specie chirali presenti sono racemi.

È interessante notare che le conformazioni chirali sono presente nella maggior parte dei composti con variabilità conformazionale, anche in assenza di alcun centro stereogenico. I conformeri gauche del butano, per esempio, sono chirali e sono presenti in tutti i campioni di questo idrocarburo. La seguente illustrazione mostra la relazione enantiomerica di questi cconformeri, che sono un esempio di un asse chirale piuttosto di un centro chirale.

Un'altra classe di composti che mostra enantiomorfismo conformazionale sono i bifenili sostituiti. Come mostrato nel diagramma seguente, il bifenile stesso non è planare, con un anello benzenico che è leggermente ritorto o inclinato rispetto all'altro come conseguenza di affollamento serico. La conformazione chirale risultante, avente un angolo diedro di circa 45º, entra rapidamente in equilibrio con il suo enantiomero per rotazione attorno al singolo legame che connette i due anelli. Notare che la conformazione avente un angolo diedro di 90º risulta achirale, come conseguenza di un piano di simmetria.

Se ognuno degli anelli fenilici di un bifenile ha due differenti sostituenti in posizione orto e meta (uno può essere idrogeno), anche il conformero ritorto con angolo diedro di 90º diventa chirale. Allo scopo di interconvertire tali conformeri con le loro strutture speculari, può essere attuata una rotazione attraverso la forma coplanare, di più alta energia. La facilità con cui avviene questa interconversione dipenderà dalla dimensione degli orto sostituenti, dal momento che questi gruppi possono scorrere vicino l'un l'altro. L'acido 2,2'-dicarbossilico sulla sinistra in basso non può essere risolto a temperatura ambiente, in quanto l'energia termica (cinetica) è sufficiente a fornire la necessaria energia di attivazione per la racemizzazione. I due diacidi sostituti aggiunti alla sua destra hanno un'energia di attivazione per la racemizzazione più elevata, e possono essere risolti se si prende cura di evitarne il riscaldamento. Come regola, è richiesta una barriera tra 16 e 19 kcal/mole di energia di attivazione per prevenire la racemizzazione spontanea dei bifenili sostituiti a temperatura ambiente. Poiché il fluoro è più piccolo di un nitrogruppo, il composto mostrato al centro rcemizza più rapidamente per riscaldamento del nitrocomposto alla sua destra. Gli isomeri conformazionali che sono isolabili a causa di alte energie di barriera vengono denominati atropoisomeri.

La distinzione che si può assumere tra stereoisomeri configurazionali ed i conformeri è ben spiegata dai cicloacani disostituiti. La seguente discussione fa uso di vari isomeri del diclorocicloesano quali esempi. L'isomero 1,1-diclorocicloesano è stato omesso poiché esso rappresenta un ordinario isomero costituzionale degli altri, e non ha centri di chiralità (atomi di carbonio asimmetrici). L' 1,2- e l' 1,3-diclorocicloesano hanno ognuno due centri di chiralità, recando lo stesso insieme di sostituenti. Il cis- ed il trans-1,4-diclorocicloesano non ahnno alcun centro di chiralità, dal momento che i due gruppi di anelli sugli atomi di carbonio sostituiti sono identici. Esistono tre isomeri configurazionali dell' 1,2-diclorocicloesano e tre isomeri configurazionali dell' 1,3-diclorocicloesano.

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Tutti gli isomeri 1,2-dicloro sono isomeri costituzionali degli isomeri 1,3-dicloro. In ognuna delle categorie (1,2- e 1,3-), l'isomero (R,R)-trans e l'isomero (S,S)-trans sono enantiomeri. L'isomero cis- è un diastereoisomero degli isomeri trans-. Infine, tutti questi isomeri possono esistere come miscela di due (o più) isomeri conformazionali, come illustrato nella tavola. Il conformero a sedia dell'isomero cis 1,2-dicloro è chirale. Esso esiste come miscela 50:50 di conformazioni enantiomeriche, che s'interconvertono così rapidamente da non poter essere risolti (cioè, separati). Dal momento che l'isomero cis ha due centri di chiralità (atomi di carbonio asimmetrici) ed è inattivo otticamente, esso è un meso composto. I corrispondenti isomeri trans possono anche esistere sotto forma di conformazioni chirali rapidamente interconvertenti. Il conformero diequatoriale predomina in ogni caso, con le conformazioni (R,R) che sono immagini speculari di quelle (S,S). Tutte queste conformazioni sono diastereoisomeriche con conformazioni cis. Il conformero diequatoriale a sedia dell'isomero cis-1,3-dicloro è chirale. Esso è il maggior componente di un veloce equilibrio con il conformero diassiale, anch'esso chirale. Anche questo isomero è un meso composto. Pure il corrispondente isomero trans è sottoposto ad una rapida interconversione, per cui ogni enantiomero (R,R) e (S,S) ha predominantemente una singola conformazione chirale. Queste conformazioni enantiomeriche sono diastereomeriche con le conformazioni cis. L' 1,4-diclorocicloesano può esistere come stereoisomero trans o cis. Entrambi sono chirali, poiché gli anelli a sei membri disostituiti hanno un piano di simmetria. Questi isomeri sono diastereoisomeri l'un dell'altro, e sono isomeri costituzionali degli isomeri 1,2- e 1,3-. Tutti i conformeri a sedia di questi isomeri sono chirali, ed il conformero equatoriale dell'isomero trans è la specie predomeinante all'equilibrio.

Non ho fatto in tempo a prepararla che mi hai anticipato...Aggiungerò magari (appena avrò un attimo di pace) qualche definizione e magari operazione stereochimica che mi rimarrà utile per la spiegazioni di alcuni argomenti futuri...comunque bel lavoro...dovrei capire come fai a copiare queste pagine con le immagini da libri o articoli o siti web, io purtroppo le scrivo "a mano" soffermandomi sui concetti base e fondamentali che l'argomento offre ma è un lavorone assurdo che porta via sempre un sacco di tempo :p

Posso iniziare nel definire due parole molto importanti in stereochimica: Isomero Configurazionale e Conformero. Classificazione energetica degli stereoisomeri: Questa distinzione deriva dalla classificazione degli isomeri in funzione dell'energia necessaria per convertire uno stereisomero in un altro. Detto questo il valore da ricordare è 20 Kcal che corrisponde all'incirca all'energia massima che una molecola può usufruire per la conversione a una temperatura di 25°C (temperatura ambiente). Cacolo effettuato attraverso la seguente formula termodinamica: deltaG= -2,3 RTlogK Tutti gli isomeri con una energia di conversione superiore ai 20Kcal/mol si definiscono Isomeri Configurazionali. Fanno parte di questo gruppo ad esempio anelli bifenilici aventi sostituenti ingombranti in posizione orto rispetto al legame che li tiene uniti o molecole più semplici come una fosfina trisostituita (naturlmente con gruppi R differenti fra loro). Queste molecole hanno un energia di conversione maggiore di 25Kcal quindi a temperatura ambiente è possibile isolare i differenti isomeri della molecola (in pratica però si raffredda sempre per migliorare la separazione). Isomeri con una energia di conversione minore di 20Kcal/mol si definiscono invece Conformeri. Fanno parte di questo gruppo ad esempio le ammine trisostituite, infatti non è semplice (ma credo sia più opportuno dire non è saggio) a temperatura ambiente cercare di separare i vari isomeri di una ammina trisostituita in quanto questi interconvertiranno continuamente tra loro. In questo gruppo fa parte anche il butano, che interconverte molto facilmente, non a caso per una separazione discreta degli isomeri del butano bisogna lavorare a temperature vicine allo zero assoluto (-240°C). Morale della storia??? Quando vogliamo apportare una stereoselezione ad una molecola (ottenendo un isomero in quantità maggiori), teniamo a mente questo tipo di classificazione in quanto la nostra stereo-induzione potrebbe funzionare ma non ne vediamo gli effetti proprio per la facilità dell'isomero prodotto a interconvertire in un altro. In questo caso basta lavorare a una temperatura di esercizio minore per ottenere (non sempre accade) il risultato voluto. Questo concetto però non si applica molto all'isomero ottenuto come prodotto, in quanto la maggior parte delle volte il prodotto ottenuto ha una energia di conversione maggiore dei 20Kcal/mol, ma rimane importante nella scelta di un reagente come agente risolvente o come agente che deve indurre chiralità al mio sistema. Esempio molto pratico che vi aiuterà a capire, se io voglio dare un'induzione chirale alla mia reazione e posso scegliere su una fosfina chirale e un'ammina chirale come reagente, cosa scegliereste???? Naturalmente la scelta deve ricadere sulla fosfina, in quanto non interconverte (energia di conversione maggiore di 20Kcal/mol) quindi la sua stereochimica rimane intatta per tutta la durata della prova. Al contrario se avessimo scelto l'ammina, che interconverte molto facilmente, l'induzione stereoselettiva che voglio apportare, risulterebbe vana in quanto la stereochimica dell'ammina non rimane fissa per la durata della prova ma tenderà a mutare fino al raggiungimento di una composizione isomerica stabile (spesso si ottiene un racemo). Quindi occhio Ci aggiorneremo per ampliare questa pagina, per il momento buona lettura