Chimica organica
Reazioni, gruppi funzionali e meccanismi spiegati in modo pratico.
In sintesi
- Gli enantiomeri sono coppie di stereoisomeri che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro e non sovrapponibili; hanno proprrietà fisiche identiche.
- Con la regola 2n, dove n è il numero di centri stereogenici.
- È una molecola che contiene centri stereogenici ma è achirale, cioè sovrapponibile alla propria immagine speculare, perché possiede un piano di simmetria interno.
- Perché i suoi due stereocentri sono identici.
Quando una molecola ha più di un centro stereogenico, gli enantiomeri non bastano più a descrivere tutte le forme possibili. Compaiono i diastereoisomeri: stereoisomeri che non sono l’uno l’immagine speculare dell’altro. E in certi casi un curioso effetto di simmetria fa sì che il conto 2n non torni: nascono i composti meso, achirali pur avendo centri stereogenici.
Vediamo la differenza tra enantiomeri e diastereoisomeri, come si conta il numero di stereoisomeri con la regola del 2n, e che cosa rende speciale un composto meso.
Enantiomeri e diastereoisomeri: la differenza
Tutti gli stereoisomeri hanno la stessa connettività degli atomi: differiscono solo per come questi sono disposti nello spazio. All’interno di questa famiglia si distinguono due tipi. Gli enantiomeri sono coppie speculari non sovrapponibili. I diastereoisomeri sono tutti gli altri: stereoisomeri che non sono immagini speculari l’uno dell’altro. La distinzione è netta e non ha eccezioni: due stereoisomeri o sono enantiomeri (riflessi) o sono diastereoisomeri (non riflessi).
La conseguenza pratica è importante. Mentre due enantiomeri hanno proprrietà fisiche identiche, i diastereoisomeri hanno proprrietà diverse: punti di fusione, solubilità, densità e reattività differenti. Per questo i diastereoisomeri si separano con tecniche ordinarie come la cristallizzazione o la cromatografia, mentre gli enantiomeri richiedono metodi chirali appositi.
Più centri stereogenici: la regola del 2n
Il numero massimo di stereoisomeri di una molecola cresce con il numero n di centri stereogenici secondo la regola:
stereoisomeri = 2n · n = 2 → 22 = 4 (salvo composti meso)
Con due centri stereogenici ci si aspettano dunque quattro stereoisomeri. Prendiamo una molecola con due stereocentri, che chiamiamo 1 e 2, ciascuno dei quali può essere R o S. Le combinazioni sono quattro: (R,R), (S,S), (R,S) e (S,R). La coppia (R,R) e (S,S) sono tra loro enantiomeri (tutto invertito); così pure (R,S) e (S,R). Ma (R,R) confrontato con (R,S) non è un’immagine speculare: sono diastereoisomeri. In totale, due coppie di enantiomeri che tra loro sono diastereoisomeri.
I composti meso
Un composto meso è una molecola che contiene centri stereogenici ma, nel complesso, è achirale: è sovrapponibile alla propria immagine speculare. Il motivo è la presenza di un piano di simmetria interno che divide la molecola in due metà speculari. Il caso tipico è una molecola con due stereocentri identici di configurazione opposta, per esempio (R,S): un centro è l’immagine speculare dell’altro dentro la stessa molecola, e le due attività ottiche si compensano internamente. Il risultato è una molecola otticamente inattiva pur avendo stereocentri.
L’acido tartarico è l’esempio storico: ha due stereocentri identici, quindi ci si attenderebbero quattro stereoisomeri. In realtà ne esistono tre: la coppia di enantiomeri (R,R) e (S,S), più un’unica forma meso (R,S), perché (R,S) e (S,R) sono la stessa molecola. La forma meso è un diastereoisomero della coppia di enantiomeri.
Riconoscere un composto meso è semplice se si cerca il piano di simmetria interno: se la molecola, in una qualche conformazione, può essere divisa in due metà che sono l’una il riflesso dell’altra, allora è meso e quindi achirale, qualunque sia il numero di stereocentri.
Riepilogo: due centri stereogenici identici
La tabella mostra che cosa succede con due stereocentri, distinguendo il caso generale da quello con sostituenti uguali ai due capi:
| Combinazione | Centri diversi | Centri identici (es. ac. tartarico) |
|---|---|---|
| (R,R) e (S,S) | coppia di enantiomeri | coppia di enantiomeri |
| (R,S) e (S,R) | coppia di enantiomeri | un’unica forma meso (achirale) |
| Totale stereoisomeri | 4 | 3 |
Il caso con centri identici mostra plasticamente perché la regola del 2n vada sempre verificata: la simmetria interna riduce il conteggio e introduce la forma meso, achirale nonostante i due stereocentri.
Anche cis e trans sono diastereoisomeri
Un caso di diastereoisomeria che spesso non si riconosce come tale è l’isomeria geometrica cis-trans (o E-Z) degli alcheni e degli anelli. Gli isomeri cis e trans non sono immagini speculari l’uno dell’altro e hanno proprietà fisiche diverse: rientrano quindi a pieno titolo tra i diastereoisomeri, pur senza coinvolgere un classico centro stereogenico tetraedrico. È un buon promemoria del fatto che la categoria «diastereoisomeri» è più ampia di quanto sembri, perché comprende tutti gli stereoisomeri che non sono enantiomeri, qualunque ne sia l’origine strutturale.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra enantiomeri e diastereoisomeri?
Gli enantiomeri sono coppie di stereoisomeri che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro e non sovrapponibili; hanno proprrietà fisiche identiche. I diastereoisomeri sono stereoisomeri che non sono immagini speculari: hanno proprrietà fisiche diverse (punto di fusione, solubilità, reattività) e per questo si separano con tecniche convenzionali.
Come si calcola il numero di stereoisomeri?
Con la regola 2n, dove n è il numero di centri stereogenici. Con due centri ci si aspettano quattro stereoisomeri, con tre centri otto, e così via. È però un numero massimo: se la molecola ha simmetria interna (composti meso) gli stereoisomeri reali sono meno, quindi conviene sempre verificare scrivendo le combinazioni.
Che cos’è un composto meso?
È una molecola che contiene centri stereogenici ma è achirale, cioè sovrapponibile alla propria immagine speculare, perché possiede un piano di simmetria interno. Le attività ottiche dei suoi stereocentri si compensano dentro la molecola stessa, rendendola otticamente inattiva nonostante la presenza di stereocentri.
Perché l’acido tartarico ha tre stereoisomeri e non quattro?
Perché i suoi due stereocentri sono identici. Le combinazioni (R,R) e (S,S) formano una coppia di enantiomeri, ma (R,S) e (S,R) coincidono nella stessa molecola, che è un composto meso achirale. Quindi gli stereoisomeri reali sono tre: due enantiomeri più una forma meso, anziché i quattro previsti dalla regola 2n.
I diastereoisomeri si possono separare facilmente?
Sì. Avendo proprrietà fisiche diverse — diverse solubilità, punti di fusione e affinità cromatografiche — i diastereoisomeri si separano con tecniche ordinarie come la cristallizzazione frazionata e la cromatografia. È il motivo per cui, in laboratorio, gli enantiomeri si separano spesso trasformandoli temporaneamente in diastereoisomeri con un reagente chirale.
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Avvertenza. Questo articolo ha finalità informative e divulgative e riflette la normativa vigente alla data di pubblicazione; le scadenze indicate possono essere modificate da provvedimenti successivi. Non sostituisce la verifica tecnica del singolo prodotto e del caso specifico. A cura della Redazione di ChimicaConforme.