RAPPRESENTAZIONE DEGLI ENANTIOMERI E ASSEGNAZIONE DELLA CONFIGURAZIONE

La rappresentazione di una struttura tridimensionale, quale il tetraedro del carbonio sp³, su un piano come quello del foglio prevede necessariamente una proiezione (un appiattimento). Affinché essa sia utilizzabile, si deve specificare in che modo si sta effettuando la proiezione. Uno dei modi più utilizzati è quello della  proiezione a cuneo e tratteggio (formule prospettiche).

Nelle formule prospettiche due dei quattro sostituenti del carbonio sono rappresentati sul piano mediante l’utilizzo di un segmento, un terzo sostituente è proiettato in avanti verso l’osservatore mediante un cuneo pieno, mentre l’ultimo sostituente è proiettato all’indietro, cioè lontano dall’osservatore mediante un tratteggio:

Con l’aiuto di modellini molecolari si può facilmente vedere come questa rappresentazione riproduca fedelmente la geometria tetraedrica del carbonio sp³. Un’importante conseguenza è che i gruppi non possono essere disposti in maniera diversa. Ad esempio, le due rappresentazioni che seguono sono errate:

Bisogna, quindi, far attenzione a che i due sostituenti fuori dal piano siano sistemati dalla stessa parte e nell’angolo più grande descritto dai segmenti che giacciono sul piano:

Regole di priorità

Se rappresentiamo una molecola chirale, utilizzando la proiezione a cuneo e tratteggio, dobbiamo rappresentare entrambi i possibili enantiomeri, che differiscono tra loro proprio per la disposizione nello spazio dei quattro sostituenti intorno all’atomo di carbonio stereogenico. Ma come si fa a identificare l’enantiomero rappresentato? Il metodo più utilizzato (anche se non è l’unico, come si vedrà studiando molecole biologiche come zuccheri ed amminoacidi) è quello di Cahn-Ingold-Prelog. Esso consiste nell’assegnare la lettera R (dal latino rectus = destra) ad un enantiomero e la lettera S (dal latino sinister = sinistra) all’altro enantiomero. Queste due lettere non hanno nulla a che vedere con la direzione di rotazione della luce polarizzata, anche se è ovvio che uno dei due enantiomeri sarà destrogiro e l’altro sarà levogiro, ma non è detto che l’enantiomero destrogiro sia quello R e quello levogiro sia quello S. Pertanto, queste lettere vengono attribuite secondo delle regole di seguito riassunte e non tengono in alcun conto del verso di rotazione della luce polarizzata, che richiede una misurazione di laboratorio.

Si consideri la seguente molecola:

 1) Stabilire l’ordine di priorità: si stabilisce un ordine di priorità per i sostituenti in base al numero atomico dell’atomo direttamente legato al carbonio. Si noti che in questo caso ci si riferisce solo all’atomo direttamente legato al carbonio e non all’intero sostituente. L’atomo con numero atomico più alto avrà la priorità. Quindi, nell’esempio, l’ossigeno e quindi il gruppo OH sarà al primo posto (avrà la priorità) e l’idrogeno sarà all’ultimo posto. Ma come comportarsi nel caso degli altri due sostituenti, in cui l’atomo direttamente legato è sempre il carbonio? Se due atomi legati al carbonio sono uguali si prosegue lungo le rispettive catene di atomi fin quando si incontra un punto di differenza. Al primo punto di differenza, l’ordine di priorità si assegna sempre tenendo conto del numero atomico. Quindi, nel caso della molecola dell’esempio, si osserva che i due sostituenti hanno un CH₂ in comune, ma andando avanti nel metile si incontra un idrogeno e nell’etile un carbonio:

 Ciò è sufficiente a stabilire le priorità tra i gruppi: O > C (dell’etile) > C (del metile) > H

È interessante notare che, quando è presente tra i sostituenti, l’idrogeno è sempre quello a priorità più bassa. Inoltre, tra tutti i gruppi che iniziano con un carbonio, il metile è sempre quello a priorità più bassa.

2) Orientamento della molecola: la molecola si orienta in modo tale che il gruppo a priorità più bassa (4) si trovi dalla parte opposta rispetto a quella dell’osservatore. Per semplicità, si può dire che il gruppo a priorità più bassa deve trovarsi sulla linea tratteggiata.
Nel nostro esempio la molecola è orientata nel modo giusto.

3) Attribuzione della configurazione: se per fare il percorso 1→2→3 si procede in senso orario, allora assegniamo al carbonio chirale la configurazione R. Se per fare il percorso 1→2→3 si procede in senso antiorario, allora assegniamo la configurazione S. Nell’esempio precedente, è rappresentato lo stereoisomero R.

4) Cambio configurazione: a queste tre regole fondamentali se ne può aggiungere una quarta: per passare da uno stereoisomero ad un altro basta scambiare tra di loro due gruppi qualsiasi legati al carbonio stereogenico. Ad esempio, scambiando tra di loro il metile e l’etile si ottiene chiaramente lo stereoisomero S, enantiomero di quello R rappresentato sopra.

Come detto, questo è solo un esempio ed anche altri scambi portano sempre allo stereoisomero S. Vediamo altri due possibili scambi:

Queste due proiezioni, unite a quella di sopra, sono tre rappresentazioni della stessa molecola. Ne consegue una considerazione importante: una determinata configurazione non può essere rappresentata in maniera univoca. In pratica, queste tre rappresentazioni, ed altre che ancora si potrebbero scrivere, differiscono per una rotazione della molecola nello spazio, ma la stereochimica della molecola rimane invariata.

Ma come si deve procedere quando si deve assegnare la configurazione a molecole descritte in maniera tale che il gruppo a priorità più bassa non si trovi dalla parte opposta rispetto all’osservatore?

Ovviamente possono presentarsi due casi: (a) il gruppo a priorità più bassa si trova rivolto verso l’osservatore (sul cuneo pieno); (b) il gruppo a priorità più bassa si trova sul piano.

a) Se, dopo aver stabilito le priorità, ci si rende conto che il gruppo a priorità più bassa si trova rivolto verso l’osservatore, allora vuol dire che si sta osservando la molecola esattamente dal lato opposto rispetto a quanto prescritto dalla regola di Cahn-Ingold-Prelog. Per ottenere la configurazione esatta della molecola bisogna semplicemente invertire il risultato ottenuto tracciando il verso 1∀2∀3 sulla molecola così come è rappresentata. Per convincersi che questo modo di procedere è corretto, si potrebbe chiedere ad un amico di mettersi di fronte a noi: se noi tracciamo un arco in senso orario, per lui, che ci sta di fronte, il senso sarà antiorario.

b) Se, dopo aver stabilito le priorità, ci si rende conto che il gruppo a priorità più bassa si trova sul piano, vuol dire che non si sta osservando la molecola né dal lato giusto né da quello opposto. Abbiamo già visto che, effettuando uno scambio di sostituente, si ottiene l’enantiomero della molecola scritta. Ciò implica che, se si effettua un secondo scambio, si riscrive la molecola di partenza. Se si effettuano questi due scambi con l’obiettivo di lasciare il gruppo a priorità più bassa dalla parte opposta rispetto all’osservatore, allora vuol dire che abbiamo semplicemente descritto la molecola di partenza in un altro modo (vedi sopra). Ciò consente, però, di avere il gruppo a priorità più bassa dalla parte prescritta da Cahn-Ingold-Prelog. Riassumendo, quando il gruppo a priorità più bassa si trova sul piano, si effettuano due scambi, disponendo il gruppo a priorità più bassa dalla parte opposta rispetto all’osservatore, e poi si assegna la configurazione.