Transcript: Izomerie optică – chiralitatea

Fiecare compus chimic este caracterizat printr-o anumită compoziție chimică
ce se referă la raportul elementelor constituente.
Acest raport poate fi determinat prin analiză elementală și poate fi exprimat prin diferite formule,
prin formulă procentuală, brută și formulă moleculară.
Să ne reamintim că izomerii sunt compuși organici cu aceeași formulă moleculară,
dar care au structuri chimice diferite și, din această cauză, au și proprietăți fizico-chimice diferite.
Izomeria e des întâlnită în chimia organică și e una din cauzele diversității foarte mari a substanților organice.
Existența izomerilor are mai multe cauze. Ei pot diferi între ei prin felul în care sunt aranjați atomii în moleculă,
prin tipul legăturilor covalente dintre atomi sau prin orientarea atomilor față de un blat sau față de un centru al moleculei.
Astfel, în funcție de toate aceste elemente, avem această clasificare a izomerilor.
Avem izomerii care am zis că sunt substanțe cu aceeași formulă moleculară, dar cu proprietăți diferite.
Aceștia se împart în două mari categorii.
Izomerii de constituție sunt izomerii în care atomii au conectivități sau vecinătăți diferite.
Aceștia se mai numesc și izomerii de structură.
Izomerii de constituție sau de structură se împart la rândul lor în izomerii de catenă, de poziție și de funcțiune.
Izomerii de catenă diferă prin aranjamentul atomilor de carbon în catenă. Este cazul pentanului și izopentanului.
Izomerii de poziție diferă prin poziția unei grupe funcționale în catenă.
De exemplu, unul cloropropanul și doi cloropropanul.
Izomerii de funcțiune conțin în moleculă grupări funcționale diferite și astfel aparțin unor clase de substanțe diferite.
De exemplu, etanolul și dimetileterul au aceeași formulă moleculară, însă atomii din fiecare compus sunt conectați diferit.
Oxigenul din etanol e legat de un atom de carbon și de un atom de hidrogen, în timp ce oxigenul din dimetileter e legat de doi atomi de carbon.
Pre diferență de izomerii de constituție, atomii din stereoizomerii au aceleași conectivități, însă diferă prin felul în care atomii sunt aranjați în spațiu.
Stereoizomerii sunt compuși diferiți, a căror interconversie nu are loc prea ușor.
Când vorbim de interconversie, ne referim la momentul în care un compus trece sau se convertește în izomerul său.
Deci e destul de dificil ca acest proces de interconversie să aibă loc.
Astfel, stereoizomerii pot fi separați.
Există foarte multe feluri de stereoizomeri.
Aceștia se împart în două categorii mari, și anume în izomerii de conformație și izomerii de configurație.
Izomerii de conformație sunt stereoizomeri care pot trece unul în celălalt prin rotire atomilor în jurul unei legături simple din moleculă.
Spre exemplu, aceasta este conformația eclipsată a etanului, iar aceasta este conformația intercalată.
Deci aceștia sunt izomerii de conformație sau conformei.
Izomerii de configurație sunt stereoizomerii care se diferențează între ei prin modul diferit de orientare a atomilor față de un element structural rigid,
cum ar fi un centru sau un plan.
Interconversia izomerilor de configurație presupune desfacerea și refacerea unor legături.
La rândul lor, izomerii de configurație se împart în enantiomeri și diastereoizomeri,
iar diastereoizomerii se împart în izomeri polichirali și izomeri geometrici.
Despre izomerii geometrici am discutat la începutul lecțiilor de chimie organică.
Aceștia sunt izomerii cis-tran.
Diastereoizomerii sunt izomerii în care distanțele dintre atomii nelegați direct între ei diferă de la un izomer la altul.
Nu se găsesc unul față de celălalt în relația obiect-imagine-înoglinză.
Și vom vedea imediat și ce înseamnă acest lucru.
Însă pentru asta trebuie mai întâi să vedem ce este chiralitatea.
Probabil că ați văzut pe stradă mașinile ambulanței și ați observat cum este scris cuvântul AMBULANȚĂ pe mașină.
Când ne uităm direct la acest cuvânt, nu prea are sens.
Însă privit din oglinda retrovizoară a unui mașin, cuvântul poate fi citit cu ușurință, iar șoferii știu că trebuie să-i acorde prioritate.
În continuare, haideți să ne gândim puțin la mănuși și la încălțăminte.
Cu toții știm că nu putem să punem piciorul stâng în pantoful drept sau invers, sau mâna dreaptă în mănușa pentru mâna stângă.
Sau mă rog, dacă vă chinuiți puțin, vă intră piciorul stâng în pantoful drept, dar vă garantesc că nu va fi prea confortabil.
De ce se întâmplă acest lucru?
Motivul este că mâinile și picioarele și multe alte obiecte din viața noastră de zi cu zi, cum sunt mănușile și încălțămintea,
au forme care respectă noțiunile de stânga și dreapta.
Spunem că aceste obiecte sunt CHIRALE.
Cuvântul chiral vină de la cuvântul care înseamnă mână în limba greacă.
De exemplu, mâinile noastre sunt sisteme asimetrice, sunt obiecte chirale.
Un obiect chiral are o imagine în oglindă nesuperpozabilă.
Nesuperpozabil pare un cuvânt foarte complicat.
De fapt, e doar o formă mai simplă de a spune că două imagini nu se suprapun exact.
Cu alte cuvinte, imaginea în oglindă a unui obiect chiral nu e aceeași cu imaginea obiectului.
Dacă ne uităm în oglindă la mâna noastră stângă, de fapt imaginea care se reflectă este mâna dreaptă.
Deci, mâinile noastre sunt chirale.
Ele nu sunt superpozabile și se află între ele în relația obiect-imagine în oglindă.
Sunt alcătuite din aceleași elemente.
La fiecare mână avem câte un deget mare, un deget arătător, mijlociu, inelar și un deget mic.
Însă acestea sunt dispuse în mod diferit în jurul palmei, care este centrul de chiralitate.
Prin contrast, un scaun sau o masă nu este un obiect chiral, arată exact la fel în oglindă.
Spunem că obiectele care nu sunt chirale sunt achirale.
Deci, imaginea în oglindă a unui obiect achiral este superpozabilă.
Se suprapune cu imaginea obiectului.
Bineînțeles, nu numai obiectele pot fi chirale.
Moleculele chimice pot fi și ele caracterizate de chiralitate.
În cazul moleculelor, de cele mai multe ori, elementul care cauzează chiralitatea este un atom de carbon asimetric.
Un atom de carbon asimetric este atomul de carbon legat de patru atomi sau grupuri de atom diferite.
De obicei, pentru a desemna carbonul asimetric dintr-o moleculă folosim un asterix.
Pe exemplu, avem aici molecula D1 cloroetanol.
Acest atom de carbon este legat de patru grupuri diferite de atom.
Hidrogen, clor, grupa hidroxil și grupa metil.
Un alt exemplu de carbon asimetric este acesta, din molecula D2 bromobutan.
Atomul de carbon asimetric este legat de un atom de hidrogen, un atom de brom, o grupă metil și o grupă etil.
Atomul de carbon asimetric se mai numește și centrul de chiralitate.
Și, după cum am văzut, este simbolizat cu un asterisc.
Nomenclatura IUPAC recomandă utilizarea termenului de centrul de chiralitate în locul denumirii de atom de carbon asimetric.
Atomii de carbon implicați în legături multiple nu sunt centră de chiralitate, deoarece nu pot conține patru substituenți diferite.
Așadar, pot fi centră de chiralitate numai atomii de carbon hibridizați SP3.
Moleculele cu un centrul de chiralitate, ca de exemplu 1-cloroetanolul sau 2-bromobutanul,
care se găsesc în relație a obiect-imaginei în oglindă, există sub forma a doi stereoizomeri diferit.
Observăm că structura izomerului A este imaginea în oglindă A-izomerului B și invers,
sau că structurile acestora sunt simetrice față de un plan, cum ar fi în acest caz oglinda.
Cei doi stereoizomeri sunt imagine în oglindă nesuperpozabile, adică structurile moleculelor A și B nu sunt identice pentru că nu se suprapun,
deci A și B sunt molecule diferite.
Moleculele care sunt nesuperpozabile cu imaginea lor în oglindă și care au un centrul de chiralitate se numesc enantiomeri.
Termenul de enantiomeri vină de la cuvântul enantion din greacă, care înseamnă opus.
Deci, la fel ca obiectele care nu se suprapun cu imaginea lor în oglindă, și moleculele care se prezintă ca obiect și imagine în oglindă nesuperpozabile, sunt chirale.
Fiecare dintre cei doi enantiomeri este chiral.
Moleculele care se suprapun imaginilor în oglindă se numesc molecule achirale.
De exemplu, 2-bromopropanul este o moleculă achirală având doi substituenți identici.