Isomeria e chiralità in chimica organica: esercizi svolti

In quinta, all’indirizzo tecnico di chimica, materiali e biotecnologie, l’isomeria si fa in classe tra ottobre e novembre, subito dopo l’ibridazione del carbonio. La verifica su organica cade di solito fra metà novembre e dicembre, cioè tra sei e dieci settimane da oggi. L’argomento è identico nei licei scientifici e nelle scienze applicate: cambiano al massimo la profondità dei meccanismi di reazione e la richiesta di nomenclatura, ma il ragionamento sugli isomeri è lo stesso.

Nel post sugli idrocarburi in quinta l’isomeria compare in una sezione sola. Qui la prendo per intero, perché è l’argomento in cui vedo perdere più punti: la metà delle verifiche chiede di contare, disegnare e nominare isomeri, e chi non ha un metodo va a tentativi.

L’albero degli isomeri

Due composti sono isomeri se hanno la stessa formula molecolare ma formule diverse nello spazio o nella connessione degli atomi. Conviene disegnarsi un albero, perché ogni domanda si risolve scegliendo il ramo giusto.

Isomeri costituzionali (o di struttura): gli atomi sono legati in ordine diverso.

• di catena: scheletro carbonioso diverso (butano e 2-metilpropano);
• di posizione: stesso scheletro, stesso gruppo funzionale in posizione diversa (1-propanolo e 2-propanolo);
• di gruppo funzionale: gruppi funzionali diversi (etanolo ${\text{CH}}_3{\text{CH}}_2\text{OH}$ e dimetiletere ${\text{CH}}_3{\text{OCH}}_3$, entrambi ${\text{C}}_2{\text{H}}_6\text{O}$). Il post sui gruppi funzionali serve da ripasso per questo ramo.

Stereoisomeri: stessa connessione degli atomi, ma disposizione diversa nello spazio.

• geometrici (cis/trans, E/Z), dovuti al doppio legame che impedisce la rotazione (o a un anello);
• ottici, dovuti alla chiralità: enantiomeri (immagini speculari non sovrapponibili) e diastereoisomeri (stereoisomeri che non sono immagini speculari).

Il secondo livello, quello degli stereoisomeri, è dove si perdono i punti. Gli isomeri costituzionali hanno proprietà fisiche e chimiche diverse. Gli enantiomeri hanno proprietà fisiche identiche (punto di fusione, solubilità) e si distinguono soltanto per il modo in cui ruotano la luce polarizzata e per come reagiscono con altre molecole chirali.

Isomeria geometrica: cis/trans ed E/Z

Su un doppio legame $\text{C=C}$ la rotazione è bloccata. Se ciascun carbonio del doppio legame ha due sostituenti diversi, esistono due isomeri. Nel 2-butene ${\text{CH}}_3{\text{CH=CHCH}}_3$ i due metili possono stare dalla stessa parte (cis) o da parti opposte (trans). Se un carbonio del doppio legame ha due sostituenti uguali (come in 1-butene, ${\text{CH}}_2{\text{=CHCH}}_2{\text{CH}}_3$, dove un estremo è ${\text{CH}}_2$), l’isomeria geometrica non esiste.

La nomenclatura E/Z è più generale perché funziona anche con tre o quattro sostituenti diversi. Su ciascun carbonio del doppio legame si dà la priorità ai due sostituenti con le regole CIP (le descrivo qui sotto). Se i due a priorità maggiore stanno dalla stessa parte il composto è Z (da zusammen, insieme), se stanno da parti opposte è E (da entgegen, opposto).

L’errore classico è credere che cis sia sempre Z e trans sempre E. Non è così: cis e trans si riferiscono a due sostituenti scelti per somiglianza, E e Z ai due a priorità maggiore. Esempio: nel 2-bromo-2-butene ${\text{CH}}_3{\text{CBr=CHCH}}_3$, sul carbonio 2 la priorità è Br > ${\text{CH}}_3$, sul carbonio 3 è ${\text{CH}}_3$ > H. L’isomero che ha i due metili dalla stessa parte (cis) ha quindi il bromo dalla parte opposta al metile del carbonio 3: è l’isomero E.

Chiralità e carbonio asimmetrico

Una molecola è chirale quando non è sovrapponibile alla sua immagine speculare, come la mano destra e la sinistra. Nella maggior parte dei casi che incontri a scuola la chiralità nasce da un carbonio asimmetrico (detto anche stereocentro): un carbonio ibridato $s{p}^3$ legato a quattro sostituenti tutti diversi.

Per riconoscerlo, procedi così: un carbonio ${\text{CH}}_2$ non è mai asimmetrico (ha due H uguali), un ${\text{CH}}_3$ nemmeno, un carbonio con un doppio legame o nell’ibridazione $s{p}^2$ nemmeno. Poi, per ciascun carbonio candidato, guarda i quattro gruppi fino a dove servono per distinguerli: due catene che sembrano uguali al primo atomo possono differire più avanti. Se i gruppi sono tutti diversi, hai un centro stereogenico.

Esempio: nel 2-butanolo ${\text{CH}}_3{\text{CH(OH)CH}}_2{\text{CH}}_3$ il carbonio 2 ha OH, H, ${\text{CH}}_3$ e ${\text{CH}}_2{\text{CH}}_3$: quattro diversi, quindi asimmetrico. Il carbonio 3 (${\text{CH}}_2$) e gli estremi no.

Come si disegnano i due enantiomeri

Con cunei e tratteggi: il carbonio centrale sta sul piano del foglio, due legami restano sul piano, uno va in avanti (cuneo pieno) e uno va indietro (tratteggio). Per ottenere l’enantiomero basta scambiare di posto due sostituenti, per esempio quelli sul cuneo e sul tratteggio. Scambiarne due converte una molecola nella sua immagine speculare, scambiarne quattro (due scambi) la riporta uguale.

La proiezione di Fischer è una scorciatoia in cinque righe: il carbonio sta al centro di una croce, i legami verticali vanno dietro il foglio, quelli orizzontali vengono davanti. Due regole bastano: ruotare la proiezione di 180 gradi nel piano non cambia la molecola, mentre scambiare due sostituenti la trasforma nell’enantiomero.

Le regole CIP per assegnare R e S

Per distinguere i due enantiomeri si usa la nomenclatura R/S. Il metodo operativo ha tre mosse.

1. Assegna la priorità ai quattro sostituenti in base al numero atomico dell’atomo direttamente legato al centro: numero atomico più alto, priorità più alta. Esempio: Br > Cl > F > C > H.
2. Se due atomi sono uguali, passa agli atomi successivi. Si confrontano gli atomi legati a quelli, un livello alla volta: ${\text{CH}}_2{\text{CH}}_3$ è un carbonio legato a (C, H, H), mentre ${\text{CH}}_3$ è un carbonio legato a (H, H, H), quindi l’etile ha priorità sul metile. Un doppio legame conta come due legami semplici (si duplica l’atomo).
3. Guarda la molecola con il sostituente a priorità più bassa (di solito H) dietro, cioè dalla parte opposta all’occhio. Segui 1 → 2 → 3: se il giro è orario il centro è R (rectus), se è antiorario è S (sinister).

Se il sostituente a priorità minima non è dietro, puoi anche guardarlo da dove capita e poi invertire la risposta, perché guardare dalla parte opposta inverte il verso di rotazione. Nella proiezione di Fischer, se il sostituente a priorità minima sta su un legame orizzontale (davanti al foglio) inverti il risultato che leggi.

Attività ottica, racemi e composti meso

Gli enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata di un angolo uguale ma di verso opposto. Il potere rotatorio si indica con $\alpha$ e un enantiomero si dice destrogiro (+) se ruota in senso orario, levogiro (−) se ruota in senso antiorario. Una miscela al 50% dei due enantiomeri è un racemo (o miscela racemica) e non mostra attività ottica, perché le due rotazioni si compensano.

Una confusione che vedo spesso: R/S non ha alcuna relazione con +/−. R/S è una convenzione geometrica sulla priorità dei sostituenti, (+)/(−) è un dato sperimentale misurato con il polarimetro. Una molecola R può essere destrogira o levogira, e lo si scopre solo misurando.

Con $n$ centri stereogenici il numero massimo di stereoisomeri è

Il massimo diventa un’esatta uguaglianza solo se non ci sono simmetrie. Se la molecola ha un piano di simmetria interno pur avendo centri stereogenici, è un composto meso: è achirale, non attivo otticamente, e fa scendere il numero di stereoisomeri sotto $2^n$ perché due delle strutture “teoriche” coincidono.

Gli errori che vedo più spesso

• Contare come asimmetrico un ${\text{CH}}_2$ o un carbonio con due sostituenti uguali. Se due gruppi sono uguali, il centro non è stereogenico.
• Confondere E/Z con cis/trans: non sono sinonimi (vedi l’esempio del 2-bromo-2-butene).
• Dire che R significa destrogiro. Non c’è nessun nesso.
• Dimenticare di spingere il confronto oltre il primo atomo quando due sostituenti iniziano con lo stesso atomo.
• Applicare $2^n$ senza controllare se esiste un piano di simmetria (composti meso).
• Disegnare l’immagine speculare e non verificare che sia davvero non sovrapponibile.

Esercizi svolti

Esercizio 1: quanti isomeri hanno ${\text{C}}_5{\text{H}}_{12}$ e ${\text{C}}_4{\text{H}}_8$?

${\text{C}}_5{\text{H}}_{12}$ è un alcano: la formula ${\text{C}}_n{\text{H}}_{2n+2}$ con $n=5$ dà 12, quindi non ci sono né doppi legami né anelli, e gli isomeri sono solo di catena. Si parte dalla catena più lunga e si accorcia:

1. pentano: ${\text{CH}}_3{\text{CH}}_2{\text{CH}}_2{\text{CH}}_2{\text{CH}}_3$;
2. 2-metilbutano: catena di 4 con un metile sul carbonio 2;
3. 2,2-dimetilpropano: catena di 3 con due metili sul carbonio centrale.

Gli isomeri sono 3. Non esiste un “3-metilbutano”: numerando dall’altro lato diventa 2-metilbutano, perché si numera in modo da dare il numero più basso ai sostituenti.

${\text{C}}_4{\text{H}}_8$ ha un grado di insaturazione (meno due idrogeni rispetto all’alcano ${\text{C}}_4{\text{H}}_{10}$): può essere un alchene oppure un cicloalcano. Gli isomeri sono:

1. 1-butene: ${\text{CH}}_2{\text{=CHCH}}_2{\text{CH}}_3$;
2. cis-2-butene;
3. trans-2-butene;
4. 2-metilpropene: ${\text{CH}}_2{\text{=C(CH}}_3{\text{)}}_2$;
5. ciclobutano;
6. metilciclopropano.

Gli isomeri sono 6 in totale: 5 costituzionali, e uno di questi (il 2-butene) esiste in due forme geometriche. L’errore da evitare è fermarsi agli alcheni e dimenticare i cicloalcani, che hanno la stessa formula ${\text{C}}_n{\text{H}}_{2n}$.

Esercizio 2: carboni asimmetrici e numero di stereoisomeri

Trovare i centri stereogenici e il numero di stereoisomeri di a) 2-butanolo, b) 2,3-diclorobutano.

a) 2-butanolo, ${\text{CH}}_3{\text{CH(OH)CH}}_2{\text{CH}}_3$. Il carbonio 2 è legato a OH, H, ${\text{CH}}_3$, ${\text{CH}}_2{\text{CH}}_3$: quattro sostituenti diversi. Gli altri carboni hanno gruppi ripetuti (due H o tre H). Un solo centro: $2^1=2$ stereoisomeri, che sono una coppia di enantiomeri, (R)-2-butanolo e (S)-2-butanolo.

b) 2,3-diclorobutano, ${\text{CH}}_3{\text{CHClCHClCH}}_3$. I carboni 2 e 3 sono entrambi legati a Cl, H, ${\text{CH}}_3$ e all’altro carbonio asimmetrico: due centri. Il massimo è $2^2=4$, ma la molecola è simmetrica: le due metà sono uguali. Le combinazioni sono (R,R), (S,S), (R,S) e (S,R). Le prime due sono enantiomeri tra loro. Le ultime due sono la stessa molecola, perché esiste un piano di simmetria che passa a metà del legame C2–C3: è la forma meso, achirale.

Gli stereoisomeri reali sono quindi 3: la coppia (R,R) e (S,S) e il meso (R,S). Il meso è un diastereoisomero di ciascuno dei due enantiomeri. Se applicavi $2^n$ senza pensare, risultava 4: è la risposta sbagliata che il testo si aspetta.

Esercizio 3: assegnare R/S

Il bromoclorofluorometano $\text{CHFClBr}$ ha un carbonio con quattro sostituenti diversi. Disegnato con H su tratteggio (dietro il foglio), Br in alto, Cl in basso a destra e F in basso a sinistra, assegnare la configurazione.

Priorità. Si confrontano i numeri atomici: Br (35) > Cl (17) > F (9) > H (1). Quindi 1 = Br, 2 = Cl, 3 = F, 4 = H.

Verso. L’H è già dietro, quindi si legge direttamente. Dal Br (alto) al Cl (basso a destra) al F (basso a sinistra): è un giro orario.

Risultato. Configurazione R. L’enantiomero, ottenuto scambiando per esempio F e Cl, ha il giro antiorario ed è S. Non possiamo dire se sia destrogiro o levogiro senza misurarlo.

Controllo veloce, caso del 2-butanolo: le priorità sono OH > ${\text{CH}}_2{\text{CH}}_3$ > ${\text{CH}}_3$ > H. L’etile vince sul metile perché il suo primo carbonio è legato a (C, H, H) contro (H, H, H) del metile.

Dove allenarsi

Su chimica organica non c’è ancora un simulatore specifico: per allenarti sui ragionamenti di scienze puoi usare le simulazioni del liceo, e per il quadro della disciplina c’è la pagina scienze. Il consiglio pratico è fare a mano ogni giorno uno o due isomeri: parti da una formula molecolare, disegna tutte le catene, poi cerca i centri stereogenici. Per quello che viene dopo, le reazioni tipiche di alcheni e alcani sono in addizione e sostituzione, mentre chi ha dubbi sulla struttura elettronica può riguardare configurazione elettronica e numeri quantici.

Se un passaggio dell’albero degli isomeri o delle regole CIP non ti torna, porta un tuo esercizio svolto e guardiamolo insieme: dalla pagina contatti puoi chiedere una diagnosi gratuita.