Chimica Organica-DiSTABiF

TUTORIAL STEREOISOMERIA

ISOMERI OTTICI

• Una molecola chirale non è sovrapponibile alla sua immagine speculare; una molecola achirale è sovrapponibile alla sua immagine speculare

• Un centro asimmetrico è un atomo legato a quattro atomi o gruppi diversi

• Uno stereocentro è un atomo per il quale lo scambio di due gruppi produce uno stereoisomero

• Un’unità stereogenica (o elemento stereogenico) è un raggruppamento di atomi che può essere considerato un focus di stereoisomeria
  • (a) Un raggruppamento di atomi costituito da un atomo centrale e ligandi differenti, in modo tale che l’interscambio di due qualsiasi dei sostituenti porti a uno stereoisomero (centro chirale)
  • (b) Un raggruppamento di atomi costituito da un doppio legame con sostituenti che danno origine ad isomeria cis-trans.
  • (c) Un ciclo con due sostituenti che non possiede carboni chirali ma che dà origine ad isomeria cis-trans.
  • (d) Una catena di quattro atomi (o gruppi) non complanari in una conformazione stabile, tale che una rotazione immaginaria o reale (ristretta) attorno al legame centrale porta a uno stereoisomero (chiralità assiale).

• Gli enantiomeri sono immagini speculari non sovrapponibili
• Le lettere R e S indicano la configurazione di un centro asimmetrico.

• Se un composto in una coppia di stereoisomeri ha configurazione R e l’altro ha configurazione S, essi sono enantiomeri; se entrambi hanno la stessa configurazione, sono identici.

• La chiralità assiale si genera quando due coppie di sostituenti, ciascuno diverso dall’altro all’interno di una medesima coppia, si trovano legate alle due estremità di una struttura molecolare rigida allungata (asse stereogenico o, impropriamente, asse chirale), in modo da presentarsi sfalsati, se osservati lungo l’asse stereogenico.

• Gli atropisomeri sono isomeri in cui la rotazione che permette di interconvertire i diversi conformeri è ostacolata, generalmente per impedimento sterico. In tal caso gli isomeri possono essere separati l’uno dall’altro

• I composti chirali sono otticamente attivi; i composti achirali sono otticamente inattivi.
• Se in enantiomero ruota il piano della luce polarizzata in senso orario (+), la sua immagine speculare lo ruoterà della stessa quantità in senso antiorario (-).
• Una miscela racemica è una miscela di quantità uguali di due enantiomeri.
• Ogni composto otticamente attivo ha una rotazione specifica caratteristica.
• Una miscela racemica, indicata con (±), è otticamente inattiva.
• I diastereoisomeri sono stereoisomeri che non sono enantiomeri

• Gli enantiomeri hanno proprietà fisiche e chimiche identiche; i diastereoisomeri hanno proprietà fisiche e chimiche differenti.
• Nel caso di composti con due centri asimmetrici, gli enantiomeri hanno configurazione opposta ain entrambi i centri asimmetrici; i diastereoisomeri hanno la stessa configurazione ad un centro asimmetrico e configurazione opposta all’altro centro asimmetrico

• Un composto meso ha due o più centri asimmetrici e un piano di simmetria; è otticamente inattivo

• Un composto con gli stessi quattro gruppi legati a due diversi centri asimmetrici ha tre stereoisomeri

• Il massimo numero di stereoisomeri possibili per una molecola che contiene più unità stereogeniche (o elementi stereogenici) si può calcolare dalla regola generale 2ⁿ, dove n = al numero di unità stereogeniche (centri chirali, doppi legami o cicli che posseggono isomeria geometrica, asse stereogenico, ecc).

Esercizio n. 1

Indicare la relazione esistente tra le seguenti coppie di composti (identici, enantiomeri o diastereoisomeri)

Esercizio n. 2

Qual è il numero massimo di stereoisomeri che è possibile scrivere per i seguent composti?

Esercizio n. 3

Di seguito è riportata la struttura della pravastatina, principio attivo dei farmaci utilizzati per abbassare il livello di colesterolo nel sangue

• Indicare il numero di stereocentri
• Indicare il numero di elementi stereogenici
• Indicare il numero di stereoisomeri possibili per questo composto
• Indicare la configurazione assoluta del carbonio indicato dalla freccia 1
• Indicare la configurazione al doppio legame indicato dalla freccia 2
• Indicare la prochiralità dell’idrogeno indicato dalla freccia 3

Esercizio n. 4

Indicare se le seguenti coppie di strutture sono enantiomeri, diastereoisomeri, isomeri strutturali o composti identici.

Esercizio n. 5

Quale delle seguenti strutture corrisponde al (2R,3S)-2-bromo-3-metilesano?

Esercizio n. 6

Quale tra le strutture a-d rappresenta l’enantiomero del seguente composto ?

Esercizio n. 7

Quali dei seguenti composti è otticamente attivo? (è possibile scegliere più opzioni)

a) (2R,3S)-2,3-dibromobutano

b) (2R,3S)-2,3-dibromoesano

c) (2R,3R)-2,3-dibromobutano

d) (1S,2S)-1,2-dibromocicloesano

Esercizio n. 8

A quale delle strutture a “cavaletto” A-D corrisponde la struttura prospettica del (2R,3S)-3-bromo-2-butanolo

Esercizio n. 9

Trasformare le seguenti molecole in strutture a cavalletto. Individuare quale di esse è un composto meso

Esercizio n.10

Attribuire le configurazioni R o S a ciascuno dei seguenti composti. Trasformare le strutture tridimensionali in proiezioni di Fisher

Esercizio n. 11

Quali tra i seguenti derivati del cicloesano sono chirali? (Per la determinazione della chiralità, l’anello può essere trattato come se fosse planare).

Esercizio n. 12

Data la proiezione di Fischer scritta a destra, dire se è di serie R o S.

Determinare se le strutture scritte sotto con una simbologia diversa, corrispondono di volta in volta alla struttura inizialmente scritta o al suo enantiomero.

Esercizio n. 13

Identificare le unità stereogeniche dei seguenti composti ed assegnare ad ognuna di esse la configurazione (R/S, E/Z o cis/trans). individuare, inoltre, i composti otticamente inattivi.

TUTORIAL STEREOISOMERIA

ISOMERIA E STEREOISOMERIA:

1. Isomeri di struttura (o isomeri costituzionali): composti che presentano la stessa formula molecolare ma diverso ordine di connessione fra gli atomi.
2. Stereoisomeri: isomeri i cui atomi sono collegati nello stesso ordine, ma presentano diversa disposizione spaziale. Si dividono in:
   • Isomeri conformazionali: diverse conformazioni dello stesso composto in equilibrio tra loro grazie alla veloce convertibilità (rotazione intorno ad un legame singolo). Non possono essere saparati l’uno dall’altro.
   • Isomeri configurazionali: sono stereoisomeri che, pur mantenendo la medesima connettività (i collegamenti tra i singoli atomi rimangono i medesimi), possono essere trasformati l’uno nell’altro solo rompendo legami chimici. Sono composti diversi e possono essere separati l’uno dall’altro. Gli isomeri configurazionali si dividono in:
     • Isomeri geometrici (isomeri cis-trans): composti che non presentano libera rotazione attorno al legame tra i due atomi di carbonio, ognuno dei quali è legato a due gruppi diversi
     • Isomeri ottici: composti in cui sono presenti degli elementi stereogenici, cioè elementi a causa dei quali la molecola ammette due isomeri che sono uno la forma speculare non sovrapponibile dell’altro.

ISOMERI CONFORMAZIONALI:

• Un conformero sperimenta una tensione quando la sua struttura chimica subisce un qualche sforzo che innalza la sua energia interna rispetto a un conformero privo di tensione o con una minore tensione.
  • La tensione torsionale è la resistenza opposta alla rotazione dei legami.
  • La tensione angolare si manifesta quando gli angoli di legame deviano dal valore ideale
  • La tensione sterica è il risultato della repulsione tra le nuvole elettroniche di atomi o gruppi

• Il conformero sfalsato è più stabile del conformero eclissato a causa dell’iperconiugazione

• Il conformero anti è più stabile del conformero gauche a causa della tensione sterica

• Il cicloesano interconverte rapidamente tra le due conformazioni a sedia ugualmente stabili. Questo processo è chiamato inversione di anello
• I legami che sono assiali in un conformero sono equatoriali nell’altro e viceversa

• Il conformero a sedia con un sostituente in posizione equatoriale ha meno tensione sterica ed è perciò più stabile del conformero con il sostituente assiale
• Un sostituente in posizione assiale ha interazioni 1,3-diassiali sfavorevoli

ISOMERI GEOMETRICI

• Poiché la rotazione attorno ai legami di un composto ciclico è impedita, i composti ciclici disostituiti possono presentare gli isomeri cis-trans.
• L’isomero cis ha due sostituenti dallo stesso lato dell’anello; l’isomero trans ha i sostituenti su lati opposti.

• Se in un cicloesano disostituito un conformero a sedia ha entrambi i gruppi in posizione equatoriale e l’altro entrambi i gruppi in posizione assiale, il conformero più stabile è quello con entrambi i gruppi in posizione equatoriale
• Se in un cicloesano disostituito i due conformeri a sedia hanno entrambi un gruppo in posizione equatoriale e l’altro in posizione assiale, il conformero più stabile è quello con il gruppo più ingombrante in posizione equatoriale.

• Poiché la rotazione intorno ad un doppio legame è impedita, un alchene può presentare gli isomeri cis-trans.
• L’isomero cis ha gli idrogeni sullo stesso lato del doppio legame; l’isomero trans ha gli idrogeni su lati opposti del doppio legame.

• Le lettere Z ed E indicano la configurazione di un doppio legame
• L’isomero Z ha i sostituenti ad alta priorità (regole CIP) sullo stesso lato del doppio legame; l’isomero E ha i sostituenti ad alta priorità sui lati opposti del doppio legame.

Esercizio n. 1

Per ciascuno dei seguenti composti, relativamente al legame indicato, rappresentare le proiezioni di Newman dei confomeri a più alta e a più bassa energia:

1. esano (C2-C3)
2. 1-clorobutano (C1-C2)
3. 2-metilbutano (C2-C3)
4. 2,2-dimetilpentano (C2-C3)
5. 2-cloro-2-metilpentano (C2-C3)

Esercizio n. 2

Per le seguenti coppie di composti, indicare se sono: stesso composto, isomeri di struttura o stereoisomeri

Esercizio n. 2

Disegnare un diagramma di energia qualitativo per il 2,3-dimetilpentano, relativo al legame C-3-C4 tra il gruppo metilenico (CH₂) e quello metinico (CH). Le proiezioni di Newman sono riportate di seguito; etichettare con S le conformazioni sfalsate e con E quelle eclissate

Esercizio n. 3

Rappresentare le due conformazioni a sedia dei seguenti cicloesani disostituiti indicando il conformero a più bassa energia:

1. cis-2-bromo-1-metilcicloesano
2. cis-3.isopropil-1-metilcicloesano
3. cis-4-etilcicloesanolo
4. trans-2-butil-2-isopropilcicloesano
5. trans-3-t-butil-1-metilcicloesano
6. trans-4-cloro-1-propilcicloesano
7. cis-1-ciclopropil-3-isopropilcicloesano

Esercizio n. 4

Scrivere l’1,2-cicloesandiolo nella conformazione a sedia a più bassa energia e in proiezione di Newman (relativa ai legami C1-C2 e C5-C4).

Esercizio n. 5

Assegnare la configurazione E,Z ai seguenti composti:

Esercizio n. 6

Scrivere gli isomeri geometrici del 2,4-esadiene e dare loro i nomi, secondo le notazioni E,Z e cis,trans

Esercizio n. 7

Scrivere le due conformazioni del butadiene: indicare i loro nomi e spiegare perché non si possono chiamare semplicemente cis e trans.

Esercizio n. 8

Individuare gli isomeri geometrici (se ce ne sono) dei seguenti composti e scriverne le formule

Esercizio n. 9

Scrivere le configurazioni cis e trans del biciclo[4.4.0]decano, servendosi delle formule sia proiettive che conformazionali (a sedia)

Esercizio n. 10

Indicare, per ciascuna delle seguenti molecole, la relazione esistente (stesso composto, isomeri di struttura, strutture di risonanza, stereoisomeri)

N.B. Lo svolgimento degli esercizi proposti richiede una conoscenza APPROFONDITA della struttura elettronica e dei legami (vedi capitolo 1 Bruice)

TUTORIAL: USO DELLE FRECCE

FRECCE CURVE:

1. Le frecce rappresentano il movimento simultaneo di due elettroni
2. La coda della freccia è posizionata in corrispondenza degli elettroni nel reagente. Ci sono due fonti di elettroni: (a) un atomo che possiede una coppia solitaria; (b) una coppia di elettroni di legame.
3. Gli ioni spettatori vanno ignorati (ioni metallici)
4. Disegnare gli idrogeni sugli atomi coinvolti nei legami che cambiano
5. Disegnare le coppie solitarie sugli atomi coinvolti nei legami che cambiano

CARICA FORMALE

1. Se la carica di un atomo diventa più positiva, l’atomo ha donato/perduto una coppia di elettroni: la freccia deve da questo atomo o da un legame in cui esso è coinvolto. Questo si verifica in due diverse condizioni:
   1. Quando un anione diventa neutro; la freccia parte dall’atomo: l’atomo dona una coppia solitaria che diventa coppia di legame
   1. Quando un atomo neutro diventa cationico; l’atomo perde una coppia di legame. La freccia deve partire dal legame e non dall’atomo.

2. Se la carica di un atomo diventa più negativa, l’atomo accetta una coppia di elettroni: la freccia deve arrivare su questo atomo. La freccia partirà da un legame e arriverà sull’atomo.

3. Se cambiano i legami ma non la carica formale, è avvenuta una reazione di sostituzione.

Esercizio n. 1

Disegna le frecce per ogni passaggio delle seguenti reazioni:

Esercizio n. 2

Disegna le frecce per ciascuno dei seguenti stadi

TUTORIAL: ACIDI E BASI

ACIDI E BASI:

• Un acido è una specie che può perdere un protone (Bronsted-Lowry) trasformandosi così nella sua base coniugata. Quando il protone si allontana dall’acido, la base coniiugata trattiene la coppia di elettroni che legava il protone: la freccia deve partire dal legame tra l’atomo e il protone e deve arrivare sull’atomo.

• Una base è una specie che può ricevere un protone formando così il suo acido coniugato

• Un acido non può perdere un protone senza la presenza di una base che lo accetta: un acido reagisce sempre con una base

• Spesso le due specie (acido e base) che reagiscono possiedono entrambe degli idrogeni acidi e delle coppie solitarie: questo significa che entrambe le specie possono comportarsi sia da acido che da base. Per capire chi perde il protone e chi lo acquista, bisogna confrontare i valori di pK_a: L’acido che ha il valore di pK_a più basso (acido più forte) è la specie che agisce da acido, perdendo un protone.

• L’equilibrio favorisca la formazione dell’acido più debole da quello più forte

Esercizio n. 3

Identificare gli acidi e le basi (compresi quelli coniugati) nelle seguenti reazioni:

Esercizio n. 4

Individuare la base più forte nelle seguenti coppie. (La base più stabile è quella più debole)

Esercizio n. 5

Ordina ciascuno dei seguenti insiemi di basi in ordine crescente di basicità

Esercizio n. 6

Individuare l’acido più forte nelle seguenti serie di specie chimiche.

Esercizio n. 7

Ordina ciascuno dei seguenti insiemi di acidi in ordine crescente di acidità

Esercizio n. 8

Scriverere le frecce nelle seguenti reazioni acido-base, indicando se l’equilibrio favorisce i reagenti o i prodotti