In chimica organica , si parla di isomeria quando due molecole hanno la stessa formula grezza ma hanno formule strutturali o stereochimiche diverse. Queste molecole, chiamate isomeri , possono avere proprietà fisiche, chimiche e biologiche differenti.
Il termine isomeria deriva dal greco ίσος ( isos = identico) e μερος ( meros = parte).
Esistono diversi tipi di isomeria, tra cui isomeria costituzionale (isomeria piana) e isomeria configurazionale ( stereoisomeria ).
L'isomerismo fu notato per la prima volta nel 1827 , quando Friedrich Woehler preparò l' acido isocianico (HN = C = O) e notò che sebbene la sua composizione elementare fosse la stessa dell'acido fulminico (H -CNO, preparato da Justus von Liebig l'anno precedente), le proprietà chimiche di queste sostanze sono radicalmente diverse. Questa scoperta era in contrasto con le teorie del tempo in cui si credeva che le proprietà di una sostanza fossero interamente determinate dalla sua formula grezza.
Il termine "isomero" (o più esattamente "corpi isomerici" ) fu proposto dal chimico svedese Jöns Jacob Berzelius nel 1830
Si parla di isomeria di costituzione (o isomeria planare o isomeria strutturale) quando le molecole hanno la stessa formula molecolare ma formule sviluppate e semi-sviluppate differenti. Pertanto differiscono nella sequenza degli atomi.
L'isomeria della catena (o spina dorsale) si riferisce agli isomeri che differiscono nella loro catena di carbonio .
Esempio: C 4 H 10
butane méthylpropane (isobutane) CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3 | CH3L'isomeria della posizione di funzione qualifica gli isomeri in cui un gruppo funzionale è posto su diversi atomi di carbonio della catena del carbonio, il che significa che è la funzione che si muove all'interno della spina dorsale. Esempio: C 3 H 8 O
propan-1-ol propan-2-ol CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3 | | OH OHAlcune reazioni chimiche consentono il passaggio da un isomero di posizione a un altro, queste sono chiamate reazioni di riarrangiamento . Ad esempio, i derivati antrachinonici sono noti per la loro trasformazione reversibile fotoindotta in para-ana-quinoide. Questo fenomeno comporta la migrazione di un atomo o gruppo di atomi durante il passaggio dalla forma trans alla forma ana .
L'isomeria funzionale caratterizza gli isomeri i cui gruppi funzionali sono differenti, e quindi con differenti proprietà fisiche e chimiche. Questi isomeri sono chiamati isomeri "funzionali".
Esempio: C 2 H 6 O
éthanol méthoxyméthane CH3-CH2-OH CH3-O-CH3L'isomeria dell'insaturazione caratterizza gli isomeri le cui insaturazioni sono diverse.
Esempio: C 3 H 6
propène cyclopropane CH2=CH-CH3 H2C——CH2 \ / CH2Lo stereoisomerismo designa gli isomeri di disposizione nello spazio, cioè le molecole di identica costituzione (hanno la stessa formula semisviluppata ) ma di cui è diversa l'organizzazione spaziale degli atomi. La rappresentazione di Cram , in particolare, permette di differenziare stereoisomeri (o stereomeri).
Viene fatta una distinzione tra stereoisomeri conformazionali, che differiscono solo per rotazioni attorno a singoli legami, e stereoisomeri configurazionali, separati in due grandi gruppi: enantiomeri e diastereomeri.
Questi isomeri hanno la stessa formula strutturale. Si differenziano solo ruotando attorno a un singolo legame (legame sigma), senza romperlo. Ad esempio butano (C 4 H 10) ha tre conformeri.
AtropoisomerismoQuesti isomeri hanno la stessa formula strutturale. Parliamo di atropoisomerismo quando la barriera di attivazione attorno a un singolo legame (legame sigma) è sufficiente per essere in grado di caratterizzare ciascuno dei due atropoisomeri che sono enantiomeri l' uno dell'altro. Comunemente utilizzata nella catalisi asimmetrica, la forma isomerica si osserva tipicamente su bifenili sostituiti in orto .
Chiamati anche isomeri ottici , enantiomeri sono due molecole speculari e non sovrapponibili: essi infatti presentano chiralità ( destrogira o levogira ). Sono quindi simmetrici l'uno rispetto all'altro, essendo il piano di simmetria lo specchio. L'esempio più concreto di chiralità è quello di una mano destra che non può essere sovrapposta alla mano sinistra.
I diversi enantiomeri sono denominati con le regole di Cahn-Ingold-Prelog ( UIPAC ) che specificano la configurazione assoluta dei centri stereogenici , utilizzando i descrittori R e S.
Esempi di enantiomeri con efficacia clinica in medicina:
I diastereomeri (che è scritto come diastereoisomeri ) sono la configurazione di stereoisomeri che non sono enantiomeri.
Caso interessante, un isomero meso è uno stereoisomero avente un numero pari di atomi di carbonio asimmetrici e un piano interno di simmetria (la sua immagine in uno specchio è sovrapposta ad esso), è achirale.
Diastereoisomeria geometrica delle configurazioni Z ed E.Quando, su entrambi i lati di un doppio legame , ci sono due gruppi differenti, ci sono due configurazioni: Z ed E . Infatti, la rotazione libera attorno al doppio legame non è possibile, a causa della presenza di un legame π : ciò si traduce in una molecola planare avente due possibili configurazioni.
Utilizzando l'ordine di priorità secondo la convenzione CIP (Cahn, Ingold, Prelog) definiamo i due isomerismi come segue:
Storicamente, questo tipo di isomeria non corrisponde esattamente all'isomeria cis-trans dove la priorità dei sostituenti è definita dal loro ostacolo sterico . Un tipico esempio di questa errata corrispondenza è quello di cis-2-clorobut-2-ene che è anche (E) -2-clorobut-2-ene.
Esempio: acido 3-amminobut-2-enoico, opposto. Le priorità sono COOH> H e NH 2> CH 3. Nel primo caso, quindi, abbiamo i gruppi prioritari sullo stesso lato del piano: si tratta quindi della rappresentazione dell'acido (Z) -3-amminobut-2-enoico. Viceversa, nella seconda rappresentazione, i gruppi prioritari sono opposti: la molecola rappresentata è quindi l'acido (E) -3-amminobut-2-enoico.
In generale, le configurazioni Z sono più rare perché i gruppi prioritari (spesso i più grandi) sono destabilizzati dal loro ostacolo sterico . Tuttavia, alcune configurazioni possono essere stabilizzate, in particolare mediante chelazione . È anche possibile convertire un isomero E in un isomero Z (o viceversa) tramite fotoisomerizzazione .
NB: Nel caso di diastereoisomerismo dovuto alla presenza di un doppio legame, vengono usati meno i termini cis e trans , che qualificano piuttosto le posizioni relative dei gruppi senza tener conto della loro priorità. Ad esempio, nell'illustrazione della configurazione E , diremo che H è in trans di CH 3e che H è in cis di NH 2.
InvertomerismoUn'altra diastereoisomeria geometrica, molto più rara, che compare quando l'inversione di atomi come l' azoto è sufficientemente bloccata da caratterizzare gli invertomeri.
Isomeria endo-esoMolto presente nei sistemi policiclici che possiedono sostituenti, questo tipo di diastereoisomerismo si verifica quando un sostituente può assumere due posizioni rispetto al ramo policiclico, più vicino o più lontano - vedi, ad esempio, tropanolo .
EpimeriaDue epimeri differiscono l'uno dall'altro solo per la configurazione assoluta di un singolo carbonio asimmetrico , come tra D- mannosio e D- glucosio o tra D-glucosio e D- galattosio .
AnomeriaQuesto è un caso speciale di epimetria per il carbonio 1 di oses. Permette di descrivere in particolare la convenzione α e β. Se la funzione idrossile del carbonio 1 è al di sotto del piano (rappresentazione di Haworth), la dose è detta α (alfa) mentre se l'idrossile del carbonio 1 è al di sopra del piano, la dose è detta β (beta).
Esempio: α-glucosio: nell'immagine il carbonio 1 è a destra e la funzione idrossile non è né in alto né in basso (sarebbe necessario scegliere di avere α o β).
Questa nomenclatura è molto importante per descrivere i legami chimici contratti nei disaccaridi e nei polisaccaridi.
Esempio: il saccarosio (α-D-glucopirannosile (1 → 2) β-D-fruttofurannoside) è un dissacaride formato da α-glucosio e β-fruttosio legato in α1-2.
Altri tipiEsiste una diastereoisometria tra due molecole isomeriche che possiedono la stessa catena di collegamento, che comprendono due o più centri di chiralità (atomi che portano quattro sostituenti diversi) e che non sono enantiomeri. Esempio: la (R) - (S) e (R) - (R) forme di acido tartarico sono diastereomeri ed hanno differenti proprietà fisiche.