Stereochimica in 3D: R/S e cis/trans

Come si usa

Trascina sulla molecola per ruotarla e usa la rotella del mouse o pizzica con due dita per ingrandire. Con lo strumento Atomo, tocca un idrogeno per sostituirlo con l’elemento scelto: il programma aggiunge gli idrogeni mancanti e riorganizza la geometria. Legame trasforma un legame semplice in doppio o triplo, oppure unisce due atomi per chiudere un anello. Inverti scambia due sostituenti di un centro chirale (R diventa S) o ruota un’estremità di un doppio legame (E diventa Z) senza toccare il resto della molecola.

Con Analizza, tocca un centro chirale o un doppio legame: compaiono le priorità da 1 a 4 dei suoi sostituenti e il pulsante per orientare la molecola con il gruppo a priorità più bassa verso il retro, che è proprio la vista necessaria per assegnare R o S. Se togli la spunta a «Mostra la soluzione», le lettere si nascondono e puoi esercitarti prima di guardare la risposta.

Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog

Per nominare la configurazione di uno stereocentro bisogna ordinare i suoi quattro sostituenti. Le regole CIP lo fanno così:

• Numero atomico. Ha priorità maggiore l’atomo legato direttamente al centro con il numero atomico più alto: Br > Cl > O > N > C > H.
• Spareggio per sfere. Se due atomi sono uguali, si confrontano gli insiemi di atomi legati a ciascuno, ordinati dal maggiore al minore. Vince il primo che ha un atomo maggiore; se c’è ancora parità, si passa alla sfera successiva, esplorando sempre prima il ramo a priorità più alta.
• Legami multipli. Un doppio legame conta come due legami semplici: C=O equivale a un carbonio legato a due ossigeni. Per questo –CHO ha priorità su –CH₂OH.

R o S

Assegnate le priorità, si guarda la molecola con il sostituente 4 (quasi sempre l’idrogeno) rivolto all’indietro, lontano dall’osservatore. Se il percorso 1 → 2 → 3 va in senso orario, il centro è R (rectus); se va in senso antiorario, è S (sinister). La lettera non dice in che verso ruota la luce polarizzata: quello è il segno (+) o (−), che si può solo misurare.

Una molecola con n centri chirali ha al massimo 2ⁿ stereoisomeri. Possono essere meno se uno di essi è un composto meso, come l’acido meso-tartarico: ha due centri, R e S, ma un piano di simmetria interno lo rende identico alla sua immagine speculare. Verificalo con il pulsante «Immagine speculare»: le lettere si scambiano e la molecola è la stessa.

E/Z e cis/trans a confronto

Un doppio legame C=C non ruota, quindi i suoi sostituenti restano fissi da una parte o dall’altra. La nomenclatura cis/trans confronta due gruppi uguali o equivalenti: cis se sono dalla stessa parte, trans se sono da parti opposte. Funziona bene con il but-2-ene, ma non quando ogni carbonio ha sostituenti diversi. In quei casi si usa E/Z: su ogni carbonio del doppio legame si sceglie il sostituente con la priorità CIP più alta; se stanno dalla stessa parte è Z (zusammen, insieme) e se stanno da parti opposte è E (entgegen, opposti).

Cis e Z non coincidono sempre. Nell’1-bromo-2-cloropropene non si può parlare di cis o trans, perché il secondo carbonio non ha idrogeno, ma si può parlare di E e Z: bromo e cloro sono i sostituenti prioritari di ciascun lato. Negli anelli succede qualcosa di simile: nell’1,2-dimetilcicloesano i due metili stanno sulla stessa faccia dell’anello (cis) o su facce opposte (trans), e ogni isomero corrisponde a una combinazione precisa di R e S.

Il programma applica le regole CIP del numero atomico e degli atomi duplicati (legami multipli e anelli), sufficienti per le molecole di un corso di chimica organica. Non tiene conto degli isotopi né delle regole che distinguono rami diversi solo per la propria stereochimica, come i centri pseudoasimmetrici (r/s). La geometria si calcola con un semplice modello a molle: angoli e configurazioni sono fedeli, ma non è un’ottimizzazione quantistica.