Enantiomeri e chiralità: cosa sono e come riconoscerli

Due molecole possono avere gli stessi atomi, gli stessi legami e la stessa formula, eppure essere diverse come la mano destra lo è dalla sinistra: identiche allo specchio, ma non sovrapponibili. Questa proprietà si chiama chiralità, ed è il cuore della stereochimica. Capirla spiega perché due forme della stessa sostanza possono avere odore, sapore e perfino effetto farmacologico completamente diversi.

Vediamo che cosa rende una molecola chirale, che cos’è un centro stereogenico, come si definiscono gli enantiomeri e come si misura la loro attività sulla luce polarizzata.

Che cos’è la chiralità

Un oggetto è chirale quando non è sovrapponibile alla propria immagine speculare. Le mani sono l’esempio classico: la mano destra riflessa in uno specchio diventa una sinistra, e per ququanto la giri non riuscirai mai a farla coincidere con la destra. Una molecola si comporta allo stesso modo. L’opposto della chiralità è l’achiralità: un oggetto achirale, come una sfera o un bicchiere liscio, coincide con la propria immagine riflessa. La condizione che rende achirale una molecola è la presenza di un piano di simmetria interno: se la molecola può essere divisa in due metà speculari, allora è sovrapponibile al suo riflesso e non è chirale.

Il carbonio stereogenico

La causa più comune di chiralità in chimica organica è il carbonio stereogenico (detto anche stereocentro o, storicamente, carbonio asimmetrico): un atomo di carbonio legato a quattro gruppi tutti diversi tra loro. Poiché il carbonio dispone i suoi quattro legami verso i vertici di un tetraedro, quando i quattro sostituenti sono diversi esistono due modi distinti di disporli nello spazio, e questi due modi sono l’uno l’immagine speculare dell’altro. Se anche solo due dei quattro gruppi sono uguali, la molecola possiede un piano di simmetria e non è più chirale.

Gli enantiomeri

Le due forme speculari non sovrapponibili di una molecola chirale si chiamano enantiomeri. Sono una coppia molto particolare: hanno proprprietà fisiche identiche — stesso punto di fusione, stessa solubilità, stessa densità — e reagiscono nello stesso modo con reagenti achirali. La differenza emerge solo in due situazioni: davanti alla luce polarizzata e davanti a un altro ambiente chirale. Quest’ultimo punto è cruciale in biologia: gli enzimi e i recettori del corpo sono chirali, quindi sanno distinguere i due enantiomeri. È per questo che un enantiomero di una sostanza può essere un farmaco utile e l’altro inerte o perfino dannoso.

Quante forme stereoisomere può avere una molecola? La regola generale lega il numero al numero di centri stereogenici n:

numero di stereoisomeri = 2ⁿ  ·  con un solo centro stereogenico: 2¹ = 2 enantiomeri

Con un solo centro stereogenico si hanno dunque due stereoisomeri, che formano una sola coppia di enantiomeri. Aumentando i centri il numero cresce rapidamente, e compaiono anche stereoisomeri che non sono speculari, ma questo è il tema dell’articolo sui diastereoisomeri.

L’attività ottica

Il modo storico, e tuttora usato, per riconoscere un campione chirale è misurare la sua attività ottica. La luce polarizzata su un piano, attraversando una soluzione di un solo enantiomero, esce con il piano di polarizzazione ruotato di un certo angolo. Un enantiomero ruota il piano in senso orario (lo si indica con + o d, destrogiro), l’altro lo ruota di un angolo uguale ma in senso opposto, antiorario (− o l, levogiro). Una miscela in parti uguali dei due, detta racemo, non ruota la luce perché le due rotazioni si annullano.

[α] = αc · l  (rotazione specifica)

La rotazione misurata dipende dalla concentrazione c e dal cammino ottico l (la lunghezza della cella); per ottenere un valore caratteristico della sostanza si normalizza, definendo la rotazione specifica riportata nella relazione qui sopra. È un dato tabulato come il punto di fusione e permette di identificare un enantiomero e di stimarne la purezza.

Riepilogo: chirale o achirale

La tabella riassume i casi tipici che si incontrano e come riconoscerli a colpo d’occhio:

Il filo conduttore è sempre lo stesso: la chiralità dipende dall’assenza di simmetria interna, e si manifesta nell’interazione con la luce polarizzata e con altri ambienti chirali.

Domande frequenti

Che cos’è la chiralità?

È la proprietà di una molecola di non essere sovrapponibile alla propria immagine speculare, esattamente come la mano destra non si sovrappone alla sinistra. Una molecola chirale non possiede un piano di simmetria interno. La causa più comune in chimica organica è la presenza di un atomo di carbonio legato a quattro gruppi tutti diversi.

Che cos’è un centro stereogenico?

È un atomo, di solito un carbonio, legato a quattro sostituenti diversi tra loro. Poiché i legami del carbonio puntano verso i vertici di un tetraedro, quei quattro gruppi possono essere disposti in due modi speculari e non sovrapponibili, generando una coppia di enantiomeri. Se due sostituenti sono uguali, il centro non è più stereogenico.

Che differenza c’è tra due enantiomeri?

Hanno proprrietà fisiche identiche (punto di fusione, solubilità, densità) e reagiscono allo stesso modo con reagenti achirali. Differiscono nel verso in cui ruotano la luce polarizzata — uno in senso orario, l’altro antiorario — e nel comportamento di fronte ad ambienti chirali come gli enzimi, da cui possono avere effetti biologici molto diversi.

Che cos’è una miscela racemica?

È una miscela in quantità uguali dei due enantiomeri di una sostanza. Poiché i due ruotano la luce polarizzata di angoli uguali ma opposti, la miscela non mostra alcuna rotazione netta: è otticamente inattiva. Molte sintesi non selettive producono direttamente un racemo, che poi va eventualmente separato nei due enantiomeri.

Come si misura l’attività ottica?

Con un polarimetro: si fa passare luce polarizzata su un piano attraverso una soluzione della sostanza e si misura l’angolo di cui ruota il piano di polarizzazione. Normalizzando rispetto alla concentrazione e al cammino ottico si ottiene la rotazione specifica, un valore caratteristico tabulato che identifica l’enantiomero e ne indica la purezza.