La chiralità è una proprietà geometrica che un oggetto può avere due immagini: una destra e una sinistra, che non sono intercambiabili; cioè sono spazialmente differenti, anche se il resto delle loro proprietà sono identiche. Un oggetto che mostra chiralità viene semplicemente definito "chirale".
La mano destra e quella sinistra sono chirali: una è il riflesso (immagine speculare) dell'altra, ma non sono la stessa cosa, poiché quando si posizionano l'una sopra l'altra, i loro pollici non coincidono.
Fonte: Gabriel Bolívar
Più che uno specchio, per sapere se un oggetto è chirale, bisogna porsi la seguente domanda: ha “versioni” sia per il lato sinistro che per quello destro?
Ad esempio, una scrivania per mancini e una per destrimani sono oggetti chirali; due veicoli dello stesso modello ma con il volante a destra oa sinistra; un paio di scarpe, oltre ai piedi; scale a chiocciola nella direzione sinistra e nella direzione giusta, ecc.
E in chimica le molecole non fanno eccezione: possono anche essere chirali. L'immagine mostra una coppia di molecole con geometria tetraedrica. Anche se quella a sinistra viene capovolta e le sfere blu e viola vengono fatte toccare, le sfere marrone e verde “guarderanno” fuori dal piano.
Cos'è la chiralità?
Con le molecole non è così facile definire quale sia la "versione" sinistra o destra solo guardandole. Per questo i chimici organici ricorrono alle configurazioni Cahn-Ingold-Prelog (R) o (S), o alla proprietà ottica di queste sostanze chirali di ruotare la luce polarizzata (che è anche un elemento chirale).
Tuttavia, non è difficile determinare se una molecola o un composto è chirale semplicemente osservandone la struttura. Qual è la caratteristica sorprendente della coppia di molecole nell'immagine sopra?
Ha quattro diversi sostituenti, ciascuno con il proprio colore caratteristico, e anche la geometria attorno all'atomo centrale è tetraedrica.
Se in una struttura c'è un atomo con quattro differenti sostituenti, si può affermare (nella maggior parte dei casi) che la molecola è chirale.
Quindi si dice che nella struttura ci sia un centro di chiralità o centro stereogenico. Dove ce n'è uno, ci saranno una coppia di stereoisomeri noti come enantiomeri.
Le due molecole nell'immagine sono enantiomeri. Maggiore è il numero di centri chirali di un composto, maggiore è la sua diversità spaziale.
L'atomo centrale è generalmente un atomo di carbonio in tutte le biomolecole e composti con attività farmacologica; tuttavia può anche essere fosforo, azoto o un metallo.
Esempi di chiralità
Il centro della chiralità è forse uno degli elementi più importanti nel determinare se un composto è chirale o meno.
Tuttavia, ci sono altri fattori che possono passare inosservati, ma nei modelli 3D rivelano un'immagine speculare che non può essere sovrapposta.
Per queste strutture si dice poi che al posto del centro hanno altri elementi di chiralità. In quest'ottica non è più sufficiente la presenza di un centro asimmetrico con quattro sostituenti, ma occorre analizzare attentamente anche il resto della struttura; e quindi essere in grado di differenziare uno stereoisomero da un altro.
Assiale
Fonte: Jü, da Wikimedia Commons
I composti mostrati nell'immagine sopra possono apparire piatti ad occhio nudo, ma in realtà non lo sono. A sinistra è la struttura generale di un allene, dove R indica i quattro diversi sostituenti; ea destra, la struttura generale di un composto bifenile.
L'estremità dove R 3 e R 4 si incontrano potrebbe essere visualizzata come una "pinna" perpendicolare al piano in cui si trovano R 1 e R 2 .
Se un osservatore analizza tali molecole posizionando l'occhio di fronte al primo carbonio attaccato a R 1 e R 2 (per l'allene), vedrà R 1 e R 2 sui lati sinistro e destro, e R 4 e R 3 in alto e in basso.
Se R 3 e R 4 rimangono fissi, ma R 1 viene spostato a destra e R 2 a sinistra, avremo un'altra "versione spaziale".
È qui che l'osservatore può quindi concludere di aver trovato un asse di chiralità per l'allene; lo stesso vale per il bifenile, ma con gli anelli aromatici coinvolti nella visione.
Viti ad anello o elicità
Fonte: Sponk, da Wikimedia Commons
Si noti che nell'esempio precedente l'asse della chiralità si trovava nello scheletro C = C = C, per l'allene, e nel legame Ar-Ar, per il bifenile.
Per i composti sopra chiamati eptaelceni (perché hanno sette anelli), qual è il loro asse di chiralità? La risposta è data nella stessa immagine sopra: l'asse Z, quello dell'elica.
Pertanto, per distinguere un enantiomero da un altro, devi guardare queste molecole dall'alto (preferibilmente).
In questo modo, è possibile specificare in dettaglio che un eptaelicene ruota in senso orario (lato sinistro dell'immagine) o antiorario (lato destro dell'immagine).
Planare
Supponiamo di non avere più un elicottero, ma una molecola con anelli non complanari; cioè, uno si trova sopra o sotto l'altro (o non sono sullo stesso piano).
Qui il carattere chirale non poggia tanto sull'anello, ma sui suoi sostituenti; sono questi che definiscono ciascuno dei due enantiomeri.
Fonte: Anypodetos, autore del file PNG originale: EdChem, da Wikimedia Commons
Ad esempio, nel ferrocene nell'immagine in alto, gli anelli che "fanno da sandwich" all'atomo di Fe non cambiano; ma l'orientamento spaziale dell'anello con l'atomo di azoto e il gruppo -N (CH 3 ) 2 sì .
Nell'immagine il gruppo -N (CH 3 ) 2 punta a sinistra, ma nel suo enantiomero punterà a destra.
Altri
Per le macromolecole o quelle con strutture singolari, il quadro comincia a semplificarsi. Perché? Perché dai loro modelli 3D si può vedere a volo d'uccello se sono chirali o meno, come accade con gli oggetti negli esempi iniziali.
Ad esempio, un nanotubo di carbonio può mostrare schemi di curve a sinistra, e quindi è chirale se ce n'è uno identico ma con curve a destra.
Lo stesso accade con altre strutture dove, pur non avendo centri di chiralità, la disposizione spaziale di tutti i loro atomi può assumere forme chirali.
Si parla quindi di una chiralità intrinseca, che non dipende da un atomo ma dall'insieme.
Un modo chimicamente potente per differenziare l '"immagine di sinistra" da quella di destra è attraverso una reazione stereoselettiva; cioè, uno in cui può verificarsi solo con un enantiomero, mentre non l'altro.
Riferimenti
- Carey F. (2008). Chimica organica. (Sesta edizione). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2018). Chiralità (chimica). Estratto da: en.wikipedia.org
- Advameg, Inc. (2018). Chiralità. Estratto da: chemistryexplained.com
- Steven A. Hardinger e Harcourt Brace & Company. (2000). Stereochimica: determinazione della chiralità molecolare. Estratto da: chem.ucla.edu
- Università di Harvard. (2018). Chiralità molecolare. Estratto da: rowland.harvard.edu
- Oregon State University. (14 luglio 2009). Chiralità: oggetti chirali e achirali. Estratto da: science.oregonstate.edu