Un composto meso è una molecola che non è chirale nonostante la presenza di più carboni asimmetrici. Alcune molecole infatti, nonostante contengono più atomi di carbonio che sono centri stereogenici, non sono sono chirali perché è presente un piano di simmetria.
Se questa definizione vi sembra complessa, non preoccupatevi: è un argomento complesso, ma scorrete fino in fondo e diventerò semplicissimo!
Alla ricerca della simmetria
Partiamo dall’inizio con un esempio. La molecola sotto rappresentata è l’enantiomero S dell’1-bromo-1-cloroetano, ed è una molecola chirale.
Come facciamo a sapere che è una molecola chirale? La risposta più immediata è: perché c’è un carbonio legato a quattro sostituenti diversi (carbonio asimmetrico). Ma questo è in realtà solo un trucchetto: per definizione una molecola è chirale quando non può essere sovrapposta alla sua immagine speculare nonostante qualsiasi operazione di rotazione. Per semplificarci la vita, ed evitare di andare a cercare manualmente piani e assi di simmetria, comunemente utilizziamo il trucchetto del guardare la presenza di carboni asimmetrici. Ma questa tattica a volte fallisce: esistono molecole chirali senza carboni asimmetrici (per esempio gli eliceni o i cumuleni) e, soprattutto, esistono molecole NON CHIRALI nonostante la presenza di più carboni asimmetrici: i composti meso!
Prendiamo sempre come esempio la molecola di prima, ma questa volta aggiungiamo un cloro e un bromo anche al secondo atomo di carbonio.
L’isomero in figura… è chirale? A prima vista potrebbe sembrare di sì. Contiene infatti ben due carboni legati a quattro sostituenti diversi. Eppure non è chirale, perché contiene un piano di simmetria, in questo caso anche molto evidente!
La parte “sinistra” e “destra” della molecola sono infatti speculari tra di loro, ed esiste quindi un piano di simmetria che taglia la molecola in due passando per il legame carbonio-carbonio. Esistendo un piano di simmetria, la molecola non può essere chirale, ed è quindi un composto meso!
È importante fare attenzione al fatto che non sempre un composto meso è scritto in maniera “facile” come questa, ovvero con il piano di simmetria in bella mostra. Per esempio, la stessa identica molecola la posso scrivere in questo modo:
È esattamente la stessa molecola, ho solamente ruotato il legame per portare l’idrogeno sul piano. Ora però il piano di simmetria che prima era facilmente visibile è del tutto scomparso! È importante quindi non fermarsi mai alla prima occhiata, perché a volte può essere ingannatrice. Scopriremo dopo come identificare un composto meso a colpo sicuro!
Diastereoisomeri, enantiomeri e composti meso
Ma prima voglio farvi notare come avendo due carboni asimmetrici potremmo avere quattro “combinazioni” diverse a livello di configurazioni R e S: (1R, 2R), (1R, 2S), (1S, 2R), (1S, 2S). Noi abbiamo analizzato solamente l’isomero 1R,2S: cosa possiamo dire riguardo gli altri?
La prima cosa che salta subito all’occhio è che anche il composto (1S, 2R) ha un piano di simmetria, così come (1R,2S), ed è quindi un composto meso. Anzi, per precisione, sono entrambi lo stesso composto! Dato che il composto meso non è chirale, allora la sua immagine speculare sarà sovrapponibile e le due molecole sono quindi identiche, sono solo scritte in maniera diversa.
Al contrario, le forme (1R,2R) e (1S,2S) sono enantiomeri tra di loro, cioè sono immagini speculari non sovrapponibili. In questo caso non c’è infatti nessun piano di simmetria, e le molecole sono quindi chirali.
ESERCIZIO 1: provate a ruotare la molecola (1S,2R) per fare in modo che combaci con la (1R,2S), e verificare che è invece impossibile far combaciare la (1R,2R) con la (1S,2S). Suggerimento: sfruttate le proiezioni di Newman!
Ma che relazione c’è tra il composto meso e i due enantiomeri? Gli enantiomeri sono immagini speculari non sovrapponibili, ma il composto meso non è l’immagine speculare di nessuno dei due enantiomeri. La relazione tra il composto meso e i due enantiomeri è di diastereoisomeria. Sono cioè stereoisomeri, ma non sono immagini speculari! Questo implica che hanno proprietà chimico-fisiche diverse: diverso punto di fusione ed ebollizione, diversa solubilità e densità…
Ricapitoliamo: quando una molecola ha due carboni asimmetrici, possiamo scrivere in tutto quattro stereoisomeri diversi. A volte però due di questi stereoisomeri possono essere in realtà esattamente la stessa molecola, cioè un composto meso. Come fare a scoprirlo? Identificando un piano di simmetria! Se una molecola ha due (o più!) carboni asimmetrici ma è comunque simmetrica, allora è un composto meso.
Come identificare un composto meso?
Il modo migliore per identificare un composto meso è ricercare un piano di simmetria. Come abbiamo visto però questo non è sempre facile, ed a volte ci vuole un po’ di fantasia per “ruotare” mentalmente una molecola per trovare la giusta conformazione.
Il mio consiglio è di comprare un set di modelli molecolari ed iniziare a giocarci. È il modo migliore per capire davvero la stereochimica! Ma non sempre abbiamo un modellino a portata di mano…
Una prima via è quella di ricercare piani di simmetria che sono subito evidenti.
Queste molecole cicliche per esempio mostrano chiaramente la presenza di un piano di simmetria che taglia in due la molecola. Notate come le rispettive immagini speculari, quindi con i metili sotto il piano del foglio, sono esattamente la stessa molecola: basta ribaltarla!
In altri casi la presenza di un piano di simmetria è meno evidente, e in questo caso una strategia è quella di utilizzare le proiezioni di Newman. Per esempio, la molecola dell’Esercizio 1 può essere ruotata usando le proiezioni di Newman per rendere evidente il piano di simmetria.
ESERCIZIO 2: usate le proiezioni di Newman per capire che relazione esiste tra queste quattro molecole. Sono enantiomeri, composti meso, diastereoisomeri…? La soluzione è su Instagram
Composto meso e proiezioni di Fischer
Le proiezioni di Newman funzionano bene per piccole molecole, e con un po’ di esercizio ed esperienza potrete imparare addirittura farne a meno e a “ruotare” le molecole a mente. Questa strategia però funziona meno bene quando le molecole diventano decisamente più complesse. Esistono composti che contengono tre, quattro, cinque o sei carboni asimmetrici, se non di più: in questo caso trovare un piano di simmetria può essere ancora più complicato e le proiezioni di Newman non sono più facilmente applicabili.
Prendiamo come esempio il ribitolo, o (2R,3s,4S)-Pentane-1,2,3,4,5-pentol, la cui struttura è sotto riportata.
Questa molecola è chirale? O è un composto meso? Chiaramente rispondere a questa domanda basandosi solo sulla struttura sembra ora molto più difficile. A prima vista non ci sono piani di simmetria, ma come possiamo esserne sicuri? Non potrebbe essere che ruotando la molecola e disponendola in modo opportuno venga fuori una simmetria?
In effetti è proprio così: se usate la fantasia o un modello molecolare, scoprirete che la molecola è simmetrica, come si può vedere da queste due conformazioni:
Se non vi fidate, potete dimostrare che le due conformazioni sono equivalenti alla molecola in alto assegnando le configurazioni R-S a ciascun carbonio e verificando che non cambiano.
Ma in sede di esercizio magari non è banale riuscire a immaginare queste conformazioni. Possiamo allora utilizzare un metodo lungo molto più semplice e quasi infallibile: le proiezioni di Fischer. Dalle proiezioni di Fischer è infatti facilissimo identificare i piani di simmetria.
Se siete molto bravi potete direttamente disegnare le proiezioni di Fischer correttamente. Ma esiste un metodo molto veloce e a prova di errore!
- Iniziamo disegnando la nostra molecola e attribuiamo a ogni carbonio la sua configurazione
Disegniamo quindi una croce di Fischer senza preoccuparci della configurazione R/S ma solo della correttezza della struttura
- Assegniamo la configurazione R/S a ogni carbonio asimmetrico. Quello centrale è legato a due gruppi uguali tranne che per la stereochimica, dobbiamo quindi partire assegnando la configurazione ai due carboni esterni della croce
- Verifichiamo se la configurazione è quella attesa. Se non lo è, basta semplicemente scambiare tra di loro un idrogeno e un -OH, come è necessario fare in questo caso con il carbonio verde (ricordate che quando il gruppo a priorità minore è su una linea orizzontale la configurazione va invertita rispetto al senso di rotazione!). Possiamo ora assegnare la configurazione al carbonio centrale (blu),dando priorità al gruppo R (verde) rispetto al gruppo S (rosso)
- Il carbonio centrale in questa rappresentazione sarebbe R, effettuiamo allora uno scambio per ottenere la configurazione corretta (s)
Come vedete dalla Proiezione di Fischer è subito evidente la presenza di un piano di simmetria! Il ribitolo, o (2R,3s,4S)-Pentane-1,2,3,4,5-pentolo, non è quindi una molecola chirale, ma un composto meso. Analogamente, anche lo xilitolo, ovvero l’isomero (2R,3r,4S) della molecola rappresentata, è un composto meso ed è un diastereoisomero del ribitolo. L’isomero (2R,3s,4R) sarebbe invece un composto chirale, in quanto privo di piani di simmetria.
Esercizio 3. Rappresentate le proiezioni di Fischer di tutte le configurazioni R/S possibili del Pentan-1,2,3,4,5-pentolo. Quale di queste sono composti meso? Quali sono coppie di enantiomeri?
Le proiezioni di Fischer sono in effetti utilissime quando è necessario studiare la stereochimica delle molecole complesse. Sono un po’ complicate da utilizzare per chi è alle prime armi ma sono cruciali per studiare la chimica degli zuccheri e dei loro derivati, e in generale di molecole con più carboni asimmetrici.
Avete ancora dubbi sulla chimica dei composti meso? Fatemelo sapere lasciando un commento 🙂
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