Come rappresentare gli stereoisomeri di Fischer

In chimica organica ed in particolare quando si sta lavorando in una branca particolare detta stereochimica, si devono spesso rappresentare molecole le cui caratteristiche dipendono fortemente anche dalla conformazione geometrica dei legami e dalla loro distribuzione spaziale. Queste molecole si dicono stereoisomeri e sono estremamente diffuse in applicazioni pratiche e processi biologici. Quando una molecola non sia pienamente rappresentabile su di un piano, ma non si possa farne un modellino nello spazio ci di avvale della così detta proiezione o formula proiettiva di Fischer-Tollens dai nomi degli ideatori. In pratica si tratta di un sistema convenzionale, quasi universalmente accettato in ambito accademico, per la rappresentazione in forma grafica di una molecola chirale che contenga almeno un atomo di carbonio o comunque uno stereocentro con caratteristiche di asimmetria. In chimica organica si tratta di atomi di carbonio che hanno legami con gruppi di atomi che siano differenti fra loro e dal cui orientamento dipendano le caratteristiche della molecola. Questa rappresentazione deve il proprio nome al chimico tedesco, premio nobel nel 1909 Hermann Emil Fischer. Il suo campo di impiego principale è la rappresentazione dei carboidrati in chimica organica. In questa guida vederemo quindi come rappresentare gli stereoisomeri con la regola di Fischer che sono molecole con forma bruta identica, formula uguale ma che dipendono dalla configurazione spaziale attorno ai loro elementi chirali o sterogenici.

• Manuale di stereochimica

Per costruire correttamente una rappresentazione attendibile di Fischer si deve partire nei casi della chimica organica dall'atomo di carbonio che risulta essere fonte dell'asimmetria. Per avere il senso della tridimensionalità con un metodo alternativo a quello dei cunei, inadatto a molecole di grandi dimensioni e con molte diramazioni, si rappresenta una croce con al centro il carbonio o un altro atomo chirale. C'è da dire che in alcuni casi si impiegano anche forme ibride con cunei e Fischer per molecole particolari. Nella rappresentazione canonica di Fischer bracci verticali della figura si usano per la parte della molecola che è diretta verso il lettore e che di conseguenza dovrebbe essere uscente dal foglio, mentre i bracci orizzontali sono quelli deputati alla rappresentazione delle parti entranti nel piano, cioè che si allontanano nello spazio tridimensionale. Con questa tipologia di rappresentazione è possibile effettuare una rotazione di 180° mantenendo invariate le proprietà della molecola rappresentata, mentre se la rotazione dovesse essere di 90°, si otterrebbe la proiezione di un enantiomero opposto della molecola. Se nella molecola organica che stiamo rappresentando ci dovessero essere più atomi di carbonio con proprietà di asimmetria, nel disegno ognuno di essi è rappresentato come un'intersezione.

Le proiezioni di Fischer eliminano quindi la necessità di disegnare legami per mezzo di cunei come si usa spesso in chimica per le molecole più semplici, ma senza queste rappresentazioni di composti con distribuzione spaziale occorre prestare molta attenzione a come si riorientano le proiezioni sulla carta. Il passaggio dalla rappresentazione tridimensionale e quella bidimensionale di Fischer può infatti riservare brutte sorprese se non eseguito correttamente. Un problema ci si presenta quando riorientiamo una rappresentazione di Fischer. Se semplicemente ruotiamo la proiezione di (R)- CHBrClF sul piano del foglio di 90°, otteniamo (S)-CHBrClF. Possiamo averne la verifica convertendo la proiezione di Fischer ruotata nella struttura cuneiforme ed assegnando una configurazione al centro chirale, impiegando i criteri R, S. Questa inversione, in cui R diviene S nel centro chirale a seguito di una rotazione di 90°, è il risultato di un significato diverso attribuito ai legami orizzontali e verticali. Se poi andiamo a ruotare tale proiezione di ulteriori 90° possiamo vedere, convertendola con un po' di fatica in una struttura cuneiforme, che è divenuta ancora una volta (R)- CHBrClF. Ciò dimostra quindi che una rotazione della proiezione di Fischer di 180° sul piano (risultato di 2 separate rotazioni di 90°), non cambia la configurazione del carbonio chirale che resta lo stereocentro.

Se prendiamo la rappresentazione di Fischer di una molecola inorganica complessa come uno stereoisomero di 2-bromo-3-clorobutano e di 2,3- dibromobutano. Per ciascun composto disegniamo arbitrariamente la prima proiezione di Fischer in maniera che i centri chirali ed i gruppi CH3 siano sulla linea verticale immaginaria. Le seconde proiezioni di Fischer sono immagini speculari delle prime. Dato che esse sono anche non-sovrapponibili sulle prime strutture, esse sono enantiomeri di dette prime strutture. Possiamo anche verificarlo ruotando la seconda struttura per ogni composto di 180° sul piano del foglio e notare che gli atomi non corrispondono con quelli delle prime strutture. Dobbiamo sempre ricordare che una rotazione di 180° di una proiezione di Fischer non cambia la configurazione in qualsiasi centro chirale della molecola. Dobbiamo anche ricordare però che il concetto di "centro chirale" è soltanto una definizione di comodo, impropria ma di uso comune nella pratica.

Disegniamo le terze proiezioni di Fischer, modificando la configurazione solo in 1C rispetto alla seconda struttura. Come risultato, ciascuna è un diastereomero della prima e seconda struttura di ciascun composto. Le quarte proiezioni di Fischer sono immagini speculari delle terze proiezioni. Per 2-bromo-3-clorobutano, questa quarta proiezione non può essere sovrapposta sulla sua immagine speculare (la terza proiezione), quindi si tratta proprio di un enantiomero della terza struttura. La situazione è differente per il 2,3-dibromobutano. Se ruotiamo la sua quarta proiezione di Fischer di 180° sul piano, possiamo sovrapporla esattamente sulla terza proiezione, che è la sua immagine speculare. Poiché queste terza e quarta proiezione di 2,3-dibromobutano sono immagini speculari identiche, sono ciascuna una rappresentazione della singola forma meso di 2,3-dibromobutano. Criteri R, S. Per attribuire i criteri R o S ai centri chirali, possiamo convertire ciascuna proiezione di Fischer in una struttura cuneiforme, poi analizzare ciascun centro chirale, ma possiamo anche assegnare R o S ai centri chirali nelle proiezioni di Fischer senza convertirle.

Se il gruppo priorità "4" di ogni centro chirale si trova in una posizione in cima o alla base della proiezione di Fischer, tutto quello che dobbiamo fare è collegare i restanti numeri priorità con le frecce arcuate, perché un gruppo in cima o alla base di una proiezione di Fischer deve sempre puntare lontano dall?osservatore. Qualora invece il centro chirale cui vogliamo assegnare R, S non avesse il gruppo priorità minore in posizione alta o bassa, possiamo spostare il gruppo priorità "4" ad una posizione in cima o alla base, scambiandolo con uno degli altri gruppi legati al centro chirale, usando un'apposita regola di scambio.

La base per la rappresentazione di Fischer è la proprietà di chiralità di un atomo di carbonio, nel caso della chimica organica ma la definizione può essere estesa anche ad altri atomi, purché rispettino una serie di caratteristiche. Chiralità deriva dal nome della mano in greco, perché la destra e la sinistra sono speculari e non sovrapponibili tramite rotazioni. Un atomo si dice chirale, se, ipotizzando di poter tenere in mano la rappresentazione della molecola che lo contiene, non sia possibile sovrapporre la struttura alla sua immagine speculare. L'atomo centrale è a volte detto impropriamente centro chirale, ma la proprietà geometrica in questione non è puntuale quindi è meglio evitarla. L'elemento chirale è anche detto stereogenico perché determina la struttura solida. La verifica è quindi abbastanza immediata quando si rappresenti in una forma tridimensionale la molecola e si cerchi di sovrapporla alla versione speculare.

• Verificate sempre la non sovrapponibilià dopo aver effettuato la rappresentazione

• Elementi stereogenici
• Chiralità

• Appunti di chimica: l'esterificazione di Fischer
• Come attribuire la configurazione assoluta a un centro chirale