Chiralità
Chiralità di una molecola e dell'atomo di carbonio
In questa lezione affronteremo il discorso sulla chiralità delle molecole, e cosa comporta per una molecola essere chirale. Accenneremo infine alla definizione di diastereoisomeri, stereoisomeri e miscele racemiche.
Quando un atomo di carbonio è chirale?
Un atomo di carbonio è chirale quando è legato a quattro sostituenti diversi. La molecola corrispondente non è sovrapponibile alla sua immagine speculare:
Viceversa, se all'atomo di carbonio centrale sono legati solo tre sostituenti diversi, la molecola non è chirale e ruotandola, questa si sovrappone all'immagine speculare della molecola originale:
L'atomo di carbonio centrale al quale sono legati i quattro sostituenti diversi è detto centro stereogenico o stereocentro.
Lo stereocentro più comune è l'atomo di carbonio asimmetrico, ma esistono stereocentri non carboniosi come l'azoto, lo zolfo, il fosforo, ed altri.
La presenza di un carbonio asimmetrico (un carbonio legato a quattro sostituenti diversi) è di solito indicativo di una molecola chirale e a sua volta l'assenza di carboni asimmetrici usualmente indica che la molecola è achirale.
Quindi, condizione necessaria e sufficiente perché una sostanza sia chirale è che le sue molecole non siano sovrapponibili alle loro immagini speculari. Molecole con tale caratteristica sono otticamente attive.
Occorre ricordare però che il criterio assoluto per giudicare se una molecola può esistere in due forme enantiomere è esclusivamente la chiralità molecolare.
La presenza di atomi di carbonio asimmetrici suggerisce che la molecola possa essere chirale; molte, ma non tutte, le molecole che contengono atomi asimmetrici sono però chirali.
Per valutare la chiralità di una molecola è pertanto necessario considerare la molecola nella sua interezza: una molecola che possiede un piano di simmetria non è chirale; viceversa, nessuna molecola chirale possiede un piano di simmetria.
Questo è dovuto al fatto che una molecola che possiede un piano di simmetria sarà sovrapponibile alla sua immagine speculare.
Il ciclopropilbromuro ha un piano di simmetria ed pertanto è una molecola achirale.
In altre parole, la presenza di un atomo di carbonio asimmetrico (cioè sostituito con 4 gruppi differenti) è sufficiente a rendere la molecola chirale, ma se gli atomi di carbonio asimmetrici sono più di uno, può anche mancare tale proprietà.
Ad esempio, l'immagine speculare Ia è sovrapponibile a I per semplice traslazione e anche Ib è sovrapponibile a I per rotazione di 180° attorno a un asse perpendicolare al piano del foglio e successiva traslazione; perciò il composto I, pur possedendo 2 atomi di carbonio asimmetrici, è achirale e quindi non otticamente attivo; esso infatti possiede un piano di simmetria perpendicolare al legame σ che unisce i due C.
Molecola achirale contenente due atomi di carbonio asimmetrici.
Il composto II invece è chirale e quindi otticamente attivo perché non è in alcun modo sovrapponibile alla sua immagine speculare IIIa (o IIIb) (si noti che IIIb è identico a IIIa perché può essere a questo sovrapposto per semplice rotazione attorno a un asse perpendicolare al piano del foglio.
Molecola chirale.
Stereoisomeri che sono immagini speculari (colme II e III) si chiamano enantiomeri, o antipodi ottici: essi hanno uguali proprietà fisiche eccettuato il segno (ma non il valore assoluto) del potere rotatorio [α] e la forma cristallina in quanto danno cristalli enantiomorfi. Gli enantiomeri hanno anche uguali proprietà chimiche salvo che verso i reattivi otticamente attivi.
Stereoisomeri che non sono immagini speculari (come I e II oppure I e III) si dicono diastereoisomeri: hanno proprietà chimiche e fisiche differenti (compreso [α]).
Un composto come quello illustrato nella forma I contenente 2 atomi di carbonio otticamente attivi equivalenti (cioè ugualmente sostituiti) ma con configurazione opposta è privo di attività ottica e si designa facendo precedere il nome del composto dal prefisso meso-.
Miscele che contengono in rapporti equimolecolari due enantiomeri hanno ovviamente [α] = 0 e si chiamano racemi.
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