Isomeria, chiralità e nomenclatura

📚 Isomeria stereochimica: isomeri geometrici e ottici; chiralià, attività ottica e implicazioni biologiche e nomenclatura degli alcani

🏛 Context & Background

La lezione tratta l’isomeria in chimica organica, con particolare attenzione all’isomeria stereochimica: distinzione tra isomeri strutturali (o costituzionali) e stereoisomeri (geometrici e ottici), il concetto di chiralità (molecole “non sovrapponibili” come le mani), la misura dell’attività ottica con luce polarizzata, le ricadute biologiche (es. farmaci teratogeni) e alcuni richiami pratici alla nomenclatura degli alcani e ai gruppi alchilici (R).

🔑 Key Concepts & Developments

✨ Tipologie di isomeria
- Isomeri strutturali (costituzionali): stessa formula molecolare ma diversa connettività degli atomi.
- Stereoisomeri: stesso ordine di legami ma diversa disposizione nello spazio. Si dividono in isomeri geometrici (es. cis/trans o E/Z in alcheni e composti ciclici) e isomeri ottici (enantiomeri), discussi principalmente qui.

👐 Chiralità e enantiomeri (isomeria ottica)
- Una molecola è chirale se la sua immagine speculare non è sovrapponibile all’originale (analogia: mani destra/sinistra).
- Il centro chirale più comune è un carbonio sp3 legato a quattro sostituenti tutti diversi. Questo carbonio è chiamato centro stereogenico o centro chirale. La geometria attorno a questo carbonio è tetraedrica.
- Le due forme speculari sono enantiomeri: hanno proprietà fisiche uguali tranne l’interazione con la luce polarizzata e con ambienti chirali (es. recettori biologici).

🔆 Attività ottica e polarimetria
- Una soluzione di una sostanza chirale ruota il piano della luce polarizzata: la misura è effettuata con un polarimetro.
- Enantiomeri ruotano il piano in senso uguale e opposto; si definisce dextrorotatorio (+) se devia il piano a destra e levorotatorio (-) se a sinistra.
- Una miscela racemica (50:50 di due enantiomeri) ha rotazione ottica netta nulla.
- Le denominazioni assolute (R/S) derivano dalle regole di Cahn–Ingold–Prelog e sono diverse dai simboli +/− (direzione di rotazione misurata sperimentalmente).

🔬 Conseguenze farmacologiche e biologiche
- Enantiomeri possono interagire differentemente con recettori biologici (meccanismo “chiave-serratura”): un enantiomero può avere l’effetto terapeutico voluto, l’altro può essere inattivo o dare effetti avversi.
- Esempio storico celebre: thalidomide (prodotto dalla casa tedesca Grünenthal, immesso sul mercato alla fine degli anni 1950, 1957–1958 in alcuni paesi) utilizzato come sedativo/antiemetico. Dalla fine degli anni 1950 e in particolare intorno al 1961 il farmaco fu ritirato per la correlazione con gravi malformazioni congenite (teratogenicità, es. focomelia) in neonati di madri che lo avevano assunto in gravidanza. Questo caso sottolinea l’importanza di conoscere la composizione enantiomerica (miscela racemica vs enantiomero puro) e la possibilità di conversione in vivo (racemizzazione) che può rendere inutile la separazione enantiomerica dal punto di vista della sicurezza.

🧬 Chiralià in natura e datazione
- Gli organismi viventi usano prevalentemente amminoacidi nella stessa configurazione (L); glicina è un’eccezione perché il suo carbonio α non è legato a quattro sostituenti diversi (ha due H) ed è quindi achirale. L’alanina invece è chirale (carbonio α legato a H, NH2, COOH, e alla catena laterale CH3).
- Dopo la morte, alcuni amminoacidi subiscono racemizzazione (passaggio da una configurazione all’altra) a velocità prevedibili in condizioni date: questo fenomeno è sfruttato nella datazione per racemizzazione degli amminoacidi (amino acid racemization dating), con limiti e incertezze legati al contesto ambientale e alla variabilità delle velocità di racemizzazione.

🔤 Gruppo alchilico e simbolo R
- In notazione strutturale, R rappresenta un generico gruppo alchilico/residuo organico. La formula generale di un gruppo alchilico lineare è CnH2n+1 (es.: metile CH3-, etile C2H5-).
- Importante non confondere il simbolo R (residuo o gruppo alchilico generico) con la designazione R/S della stereochimica (che indica la configurazione assoluta secondo Cahn–Ingold–Prelog).

🧾 Nomenclatura IUPAC di alcani e regole pratiche
- Regola base: identificare la catena principale (la sequenza continua di atomi di carbonio più lunga) che dà il nome base (es. pentano, esano...).
- Numerare la catena in modo da assegnare i numeri di posizione ai sostituenti con la somma minima dei locanti (cioè dando i numeri più bassi possibili ai sostituenti).
- I sostituenti identici si indicano con prefissi di-, tri-, tetra- e si elencano in ordine alfabetico (senza considerare prefissi multipli per l’ordine alfabetico). Esempi pratici:
- 2‑metilpentano: pentano con un gruppo metile in posizione 2.
- 2,3‑dimetilbutano: butano con metili in posizioni 2 e 3.
- 2,2‑dimetilpropano è un esempio di struttura ramificata (neopentano è un nome comune illustrativo: il sistema mostra come più gruppi metil possano essere attaccati a uno stesso carbonio, sempre nel rispetto della valenza del carbonio).
- Per nominare: trovare la catena più lunga continua; numerare per ottenere i numeri di sostituente più bassi; indicare poi il nome del sostituente e la posizione (es.: 4‑metilottano → metile in posizione 4 di ottano).

🖼️ Notable Works / Figures

Concetto: “Molecola chirale = mani”
Analogia frequentemente usata per spiegare la non sovrapponibilità tra enantiomeri: due oggetti speculari che non si sovrappongono.

Caso storico: Thalidomide (1957–1961)
Farmaco antinausea/sedativo promosso alla fine degli anni ’50 dalla ditta tedesca Grünenthal; correlato a gravissime malformazioni congenite (teratogenicità) e successivo ritiro dal mercato all’inizio degli anni ’60. Ha illustrato drammaticamente l’importanza dell’enantiomeria nella farmacologia.

📖 Supporting Details (tutti i termini, definizioni e esempi menzionati)

Termini chiave: isomeri strutturali, stereoisomeri, isomeri geometrici (cis/trans, E/Z), isomeri ottici / enantiomeri, chirale / achirale, centro chirale (carbonio stereogenico), tetraedro (geometria sp3), attività ottica, miscela racemica (racemato), dextrorotatorio (+), levorotatorio (−), polarimetro / polarimetria, gruppo alchilico (R), formula R = CnH2n+1, IUPAC - catena principale, numerazione, prefissi di-, tri-, racemizzazione, datazione per racemizzazione degli amminoacidi, teratogenicità, recettore biologico / meccanismo “chiave‑serratura”.
Concetto fondamentale del legame tra struttura spaziale e funzione biologica: lo stesso “scheletro” atomico in forme speculari può dare risposte farmacologiche differenti perché l’orientazione nello spazio determina il riconoscimento da parte dei recettori.
Esempi strutturali spiegati: glicina (achirale perché il carbonio α ha due H), alanina (chirale: carbonio α legato a H, NH2, COOH, CH3).
Regole di nomenclatura: individuare la catena più lunga, numerare per locanti minimi, indicare sostituenti con numeri e prefissi multipli, mettere i numeri delle posizioni davanti al nome del sostituente (es. 2‑metilpentano; 2,3‑dimetilbutano).
Osservazioni sperimentali: enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata in modo uguale e contrario; polarimetria è tecnica per misurarne la rotazione. Racemate non mostrano rotazione netta.
Importanza storica: molti composti sintetizzati industrialmente possono essere prodotti come miscela di enantiomeri e solo successivamente, a seguito di studi clinici e farmacologici, si è compreso il diverso profilo d’azione e di rischio (es. thalidomide).
Nota tecnica: R (residuo alchilico) ≠ R (configurazione assoluta R/S). Le regole assolute (R/S) richiedono assegnazione con regole Cahn–Ingold–Prelog.

🧩 Connections & Consequences

Come si inserisce nel quadro più ampio:
L’isomeria stereochimica è centrale in chimica organica, biochimica e farmacologia perché la disposizione tridimensionale degli atomi determina spesso attività biologica, metabolismo e interazioni con biomolecole. Capire la chiralità collega la chimica di base alla tossicologia, farmacologia e paleobiologia (es. datazione tramite racemizzazione).
Perché è importante per sviluppi successivi:
La consapevolezza dell’effetto enantiomerico ha portato a normative più stringenti in farmacologia, allo sviluppo di metodi per separare enantiomeri (cromatografia enantiomerica, sintesi stereoselettiva), e a tecniche analitiche standard (polarimetria, spettroscopia). La nomenclatura stereochimica (R/S) e la capacità di controllare la stereochimica sono fondamentali nelle sintesi organiche moderne.
Cross-references utili per approfondire:
Studi su polarimetria e su come si misura la rotazione specifica.
Regole Cahn–Ingold–Prelog per assegnare R/S.
Letteratura e casi clinici su thalidomide per comprendere le conseguenze medico‑sociali.
Metodi di separazione degli enantiomeri e sintesi stereoselettiva.
Applicazioni in biochimica: ruolo dell’enantioselettività negli enzimi e nella biosintesi (es. amminoacidi L vs D).