STEREOCHIMICA

La struttura molecolare

Fino a 100 anni fa la struttura di una sostanza organica veniva considerata nota se si era in grado di scriverne la formula di Kekulè. Bisogna arrivare agli anni '50 perché venga messa in evidenza l'importanza della molteplicità conformazionale nella definizione delle proprietà macroscopiche sia fisiche che chimiche dei sistemi molecolari.

Benché al termine "molecole" sia comunemente associato il concetto di "più piccole entità di una specie chimica", che sottintende entità identiche tra loro,è ben noto come questo non sia rigorosamente vero.Le singole molecole, infatti non possono essere assimilate a corpi rigidi a causa di rotazioni intorno a legami semplici e vibrazioni che rendono poco definiti gli angoli e le distanze di legame.

Le molecole di una data specie molecolare , pertanto, sono generalmente distribuite in una più o meno ampia tipologia di geometrie che, a seconda delle condizioni operative, possono o meno interconvertire le une nelle altre.

Queste geometrie possono essere osservate con opportune tecniche spettroscopiche (NMR, IR, Microonde ecc..) se i tempi dell' analisi sono più brevi dei tempi di interconversione.La barriera energetica di interconversione tra le due conformazioni del cicloesano ad esempio, consente di osservare uno spettro NMR-C13 che presenta 4 diversi segnali sopra i -l00 °c e 8 diversi segnali sotto questa temperatura.Nel primo caso, infatti, le singole molecole hanno energia sufficiente per superare agevolmente la barriera e, in tal modo, essere viste come una sola struttura dallo strumento.

E' stato suggerito che due specie che possono interconvertirsi siano da considerare come strutture distinte solo se la barriera energetica che le separa è superiore a KT.

Questa osservazione trae spunto dalla trattazione classica degli stati vibrazionali di una molecola.In questo ambito KT rappresenta l'energia del più basso livello vibrazionale.Se la barriera di interconversione è minore di KT una vibrazione molecolare porterà al suo superamento.Comunque questo suggerimento deve essere applicato senza rigidità e soprattutto occorre ricordare che la condizione di distinguibilità di più geometrie per una stessa specie molecolare è legata alla temperatura e alla scala dei tempi dell'osservazione.

Costituzione

Definisce il numero, tipo e connettività degli atomi in una molecola .Può essere rappresentata per mezzo delle classiche formule grafiche bidimensionali nelle quali gli atomi sono uniti da legami di ordine appropriato, oppure per mezzo di matrici nxn

con n numero degli atomi , nelle quali gli elementi sono costituiti dall'ordine di legame.

Molecole con uguale numero e tipo di atomi ma con diversa connettività sono dette isomeri costituzionali. Sperimentalmente possono essere distinte con semplici test chimico-fisici, metodi spettroscopici o con esperimenti di diffrazione.Mentre il numero e tipo di atomi può essere ricavato con le classiche tecniche di analisi quali- e quantitative, la definizione di connettività richiede la conoscenza della densità elettronica tra gli atomi, che implica non irrilevanti difficoltà sperimentali.

Stereoisomeria

Molecole caratterizzate dalla stessa costituzione possono essere diverse nella struttura tridimensionale e per questo indicate con il termine di stereoisomeri. Un'ulteriore classificazione prevede di distinguere gli stereoisomeri in:

• Isomeri conurazionali
• Isomeri conformazionali

La distinzione tra conurazione e conformazione è spesso sottile e può essere causa di ambiguità poiché non esiste un accordo generale ed univoco sulla loro definizione.

La differenza tra due stereoisomeri è conurazionale se:

• Definizione 1:riguarda la disposizione degli atomi nello spazio senza riguardo  a differenze che possono essere annullate per rotazione intorno a legami semplici.
• Definizione 2:riguarda le disposizioni degli atomi nello spazio che possono essere interconvertite solo per rottura e riformazione di legami.
• Definizione 3:possono essere isolati nelle condizioni dell'esperimento.

Definizione 1

Questa definizione presenta qualche ambiguità perché l'ordine di certi tipi di legame non è univoco, come ad esempio quello ammidico o quello dei bifenili.Inoltre la barriera che si frappone all'interconversione può essere superata con maggiore o minore facilità in funzione della temperatura operativa o può essere più o meno osservabile in base alla tecnica strumentale con cui gli stereoisomeri vengono analizzati.Nel primo caso , quindi gli isomeri geometrici degli alcheni, a temperatura sufficientemente elevata, potrebbero essere classificate come isomeri conformazionali. Nel secondo caso, utilizzando come tecnica analitica la spettroscopia vibrazionale, potrebbe essere possibile distinguere specie molecolari interconvertibili caratterizzate da barriere energetiche molto basse. Le singole geometrie dovrebbero pertanto essere classificate come isomeri conurazionali per la capacità della tecnica utilizzata di vedere come bloccate anche rotazioni intorno a legami semplici.

Definizione 2

Secondo questa definizione gli atropisomeri (gli stereoisomeri generati dalla rotazione impedita intorno a legami semplici, come per il caso dei bifenili sostituiti) sarebbero isomeri conformazionali.Tuttavia anche gli enantiomeri di fosfine trisostituite, interconvertibili per inversione intorno all'atomo di fosforo in seguito a riscaldamento, rientrerebbero nella categoria degli isomeri conformazionali e non conurazionali.

Definizione 3

Alla base di questa definizione è esclusivamente l'entità della barriera energetica che si frappone all'interconversione degli stereoisomeri. Cosi' a temperatura ambiente, dovrebbero essere considerati isomeri conurazionali:

• Le fosfine trisostituite
• Gli isomeri geometrici degli alcheni
• Gli atropisomeri con elevate barriere alla rotazione intorno all'asse stereogenico.

Dovrebbero essere considerati isomeri conformazionali gli enantiomeri delle ammine chinali all'azoto perché caratterizzati da barriere di interconversione molto basse.

Come equilibrato compromesso tra le diverse definizioni di conurazione e conformazione, si può assumere di considerare cambiamenti conurazionali tutte le variazioni della stereochimica non riconducibili a rotazioni intorno alegami di ordine certamente unitario, utilizzando invece in modo esplicito nei casi dubbi e ambigui una delle 3 definizioni prima riportate.

Nella sostanza, questa scelta equivale ad assumere che:

a)differenze conurazionali tra isomeri siano da ascrivere a differenze negli angoli di legame;

b)differenze conformazionali tra isomeri siano da attribuire a differenze negli angoli di torsione.

In base alle definizioni date, una molecola di cui sia nota la costituzione e la conurazione potrà ancora presentare un'ampia variabilità della geometria per rotazioni intorno a legami semplici, cioè per modificazione della conformazione.Per poter distinguere le singole conformazioni occorre indicare valore e segno degli angoli di torsione assunti dai legami rotabili o, in modo più approssimato l'intervallo angolare nel quale sono compresi tali torsionali, visto che difficilmente risultano noti i valori esatti per molecole che si trovano allo stato liquido o gassoso. Un sistema appropriato di classificazione di questi orientamenti è stato proposto da Kline e Prelog.

[TORSIONALE:quaterna di atomi connessi in successione su cui è possibile effettuare un'operazione di rotazione a carico del legame che unisce i 2 atomi centrali.Ad ogni torsionale è associabile un angolo dotato di segno.]

per rappresentare ogni singola conformazione è necessario il ricorso ad un preciso sistema di coordinate. Questo potrà essere di due tipi:

• Coordinate esterne o sectiunesiane:la posizione di un atomo è espressa mediante una terna di valori che sono le componenti x, y, z lungo i 3 assi sectiunesiani
• Coordinate interne:ogni atomo viene messo in relazione con gli altri mediante la definizione della lunghezza di legame,angolo di legame,e angolo di torsione.Utilizzando questo sistema vengono trascurate la posizione assoluta e l'orientazione della molecola che non hanno significato strutturale.

Tecniche per la determinazione della struttura e dell'energia delle molecole.

RAGGI X

• Applicabile a molecole di piccole e grandi dimensioni allo stato cristallino
• Lo scattering è a carico della nube elettronica
• Le posizioni atomiche sono mediate dal movimento termico
• Le posizioni di atomi leggeri sono determinate con grande incertezza

DIFFRAZIONE DI NEUTRONI

• Lo scattering è a carico dei nuclei :la posizione di atomi leggeri è determinata con accuratezza
• È necessario l'impiego di monocristalli di grandi dimensioni
• È necessario l'impiego di intensi flussi neutronici

DIFFRAZIONE ELETTRONICA

• È applicabile alla determinazione della struttura di molecole di piccole-medie dimensioni in fase vapore
• Lo scattering è a carico dei nuclei:la posizione degli atomi è determinata con elevata accuratezza

SPETTROSCOPIA A MICROONDE

• È applicabile alla determinazione di piccole molecole in fase vapore che possiedano momento di dipolo diverso da zero.
• Consente la determinazione del momento di dipolo e dei momenti di inerzia delle molecole studiate

SPETTROSCOPIA IR O RAMAN

Le informazioni ricavate generalmente non consentono la determinazione della struttura totale di piccole molecole ma solo parziale.

SPETTROSCOPIA NMR

Nelle sue varie tecniche permette di ottenere informazioni strutturali di molecole in soluzione.

a)metodo dello schift con lantanidi:fornisce informazioni sulle preferenze conformazionali e di conurazione delle specie studiate; richiede l'uso di un reagente formato da un lantanide chelato; il substrato studiato deve avere un sito per la coordinazione del lantanide.

b)tecniche bidimensionali COSY e NOESY:consentono di determinare la struttura totale in soluzione.

Enantiomeria e diastereoisomeria

Una suddivisione degli stereisomeri alternativa alla distinzione tra conurazione e conformazione, è quella tra enantiomeri e diastereoisomeri .In questo caso la definizione non presenta possibilità di equivoci ed in ogni caso le due classificazioni sono ortogonali: sia gli enatiomeri che i diastereoisomeri possono differire nella conurazione, nella conformazione o per entrambe le proprietà.

Il criterio che consente di distinguere tra specie enantiomere o diastereoisomere è il loro confronto in relazione alla proprietà di essere o meno immagini speculari non sovrapponibili l'una dell'altra.

Enantiomeri: stereisomeri che godono delle proprietà di essere immagini

speculari non sovrapponibili.

Diastereoisomeri: stereoisomeri che non sono immagini speculari

l'una dell'altra.

Sebbene nel confronto si faccia riferimento alle caratteristiche steriche globali delle molecole, può risultare molto comodo effettuare l'analisi delle caratteristiche di stereoisomerismo verificando la presenza o meno di particolari siti nella molecola interpretabili come focolai di chiralità . Tali focolai sono i cosiddetti centri, assi, e piani di chiralità.

La possibilità di enantiomerismo  è molto spesso (anche se non necessariamente) correlata alla presenza nella molecola di almeno un centro,asse, piano di chiralità, mentre la possibilità di diastereoisomerismo alla presenza di 2 o + centri, assi, piani di chiralità o una combinazione di questi.

CENTRI DI CHIRALITA'

Classicamente sono rappresentati da atomi tetracoordinati con ibridazione sp3 sostituiti da 4 gruppi disuguali;infatti l'immagine speculare di un tale sistema non è sovrapponibile con l'originale. La proprietà è estendibile al caso di atomo tricoordinati conLp non impegnati in legami e uno stato di ibridazione sp3 (Lp assimilabile ad un sostituente).

ASSI DI CHIRALITA'

È riscontrabile in strutture nelle quali i sostituenti A, B, C, D occupino i vertici di un tetraedro deformato per allungamento lungo un suo asse.

Questa condizione è osservabile negli alleni, negli alchilidencicloalcani , negli spirani e nei bifenili.Per l'esistenza di chiralità è sufficiente che A sia diverso da B, eo che C sia diverso da D.

PIANO DI CHIRALITA'

È un piano che contiene quanti più atomo della molecola è possibile, ma non tutti, in quanto è necessario che almeno un ligando (ma spesso più di uno) non sia contenuto su di esso.La riflessione della molecola rispetto a tale piano genera un'immagine speculare non sovrapponibile all'originale.E' presente in molecole come i ciclofani o i trans-cicloalcheni.

Proprietà scalari e pseudoscalari

La maggior parte delle proprietà della materia sono dette "scalari": solubilità, densità, indice di rifrazione, spettri IR, NMR, ecc..Alcune invece in seguito ad operazioni di riflessione subiscono una modifica,non nel valore assoluto della grandezza associata ma nel segno .Queste sono dette "proprietà pseudoscalari": rotazione ottica, dispersione ottica rotatoria (ORD), dicroismo circolare (CD).

ANALISI DELLE PROPRIETA' PSEUDOSCALARI

Una radiazione mono-cromatica polarizzata linearmente è caratterizzata da una variazione nel tempo del vettore campo elettrico E e magnetico H oscillanti in piano.

Una radiazione mono-cromatica polarizzata circolarmente è invece caratterizzata dalla rotazione dei vettori E ed H intorno all'asse di proazione del raggio, descrivendo nel tempo un'elica che potrà essere destrogira (raggio R) o levogira (raggio L).

In realtà luce polarizzata linearmente deriva dalla composizione di due raggi polarizzati circolarmente di pari intensità, uno destrorotatorio (R) e l'altro levorotatorio (L). Quando una radiazione mono-cromatica polarizzata linearmente, senza essere molto assorbita, attraversa una soluzione contenente molecole chinali, il piano di oscillazione dei vettori E e H viene ruotato, o in senso orario oppure antiorario (rotazione ottica).Questo in realtà è dovuto al fatto che, in mezzo chinale, l'indice di rifrazione della luce R è diverso da quello della luce L, differenza che si riflette direttamente in uno sfasamento della rotazione dei vettori E ed H dei due raggi.

Se i raggi di luce polarizzata circolarmente R ed L, inizialmente di pari intensità, vengono assorbiti diversamente dal mezzo che attraversano, cosa che effettivamente si verifica se esso è chirale, la radiazione uscente risulta polarizzata ellitticamente;

così l'asse maggiore dell'ellisse descritto dal vettore E (oppure H) risulta ruotato rispetto alla verticale (rotazione ottica).

Il diverso assorbimento dei raggi L ed R associato alla diversa velocità di trasmissione degli stessi in mezzo chirale è noto come EFFETTO COTTON.

ROTAZIONE OTTICA

L' angolo di rotazione osservato del piano della luce linearmente polarizzata fatta passare attraverso una soluzione contenente una specie chinale, è funzione della concentrazione del campione, del cammino ottico, della lunghezza d'onda della radiazione incidente e della temperatura.

DISPERSIONE OTTICA ROTATORIA

È il diagramma che esprime la variazione della rotazione ottica specifica in funzione della lunghezza d'onda della radiazione linearmente polarizzata utilizzata;tale diagramma può avere due tipi di andamento:

-curva piana : è priva di massimi e minimi nel vicino UV e nel visibile e cresce, in valore assoluto, al diminuire della lunghezza d'onda.

-curva anomala : presenta massimi e minimi con brusche variazioni dell'angolo di rotazione e attraversamenti dell'asse di rotazione zero.

Le curve anomale possono essere utili in alcuni casi per correlare il segno dell'effetto Cotton con la conurazione della specie studiata. Meno frequentemente anche l'uso di curve piane può consentire una correlazione tra conurazione e ORD.

DICROISMO CIRCOLARE

È il diagramma che esprime la variazione dell'ellitticità molecolare in funzione della lunghezza d'onda della radiazione polarizzata linearmente incidente;la curva CD può essere caratterizzata da valori positivi oppure negativi . Il segno del CD è legato a quello della  corrispondente curva ORD; come l'ORD anche lo studio delle curve CD può fornire indicazioni sulla conurazione delle specie in analisi.