Stereochimica

Stereochimica

di Jack D. Dunitz

SOMMARIO: 1. Introduzione: a) primi concetti sull'isomeria; b) isomeri conformazionali. □ 2. Aspetti teorici: a) considerazioni geometriche; b) configurazione relativa e assoluta; c) specificazione della chiralità; d) specificazione della conformazione. □ 3. Stereochimica e trasformazioni chimiche: a) decorso sterico delle reazioni chimiche; b) interconversione di isomeri. □ 4. Stereoisomeria di derivati inorganici: a) stereoisomeria di atomi tetraedrici diversi dal carbonio; b) stereochimica dei composti di coordinazione; c) forme di alcune semplici molecole inorganiche. □ 5. Stereochimica dei polimeri. □ 6. Considerazioni finali: a) possibile origine dell'omochiralità nei sistemi viventi; b) il futuro della stereochimica. □ Bibliografia.

1. Introduzione.

La stereochimica può essere definita come lo studio della disposizione spaziale degli atomi all'interno di molecole o di aggregati molecolari e dei fenomeni che dipendono dalle diversità fra le disposizioni stesse. Secondo questa definizione la stereochimica dovrebbe abbracciare l'intero campo della chimica, dal momento che i fenomeni chimici sono legati in definitiva a tali diversità e alle differenze di energia a esse associate. In questo senso la stereochimica non rappresenta tanto un ramo della chimica, quanto, piuttosto, un modo di affrontarla. Comunque, in senso più stretto, il termine ‛stereochimica' è spesso usato per definire lo studio e l'analisi della stereoisomeria, ossia di quel fenomeno a causa del quale a una data formula di struttura può corrispondere più di un composto. Attualmente questa definizione appare talvolta troppo limitativa, anche se essa risulta importante da un punto di vista storico, dato che molti dei concetti iniziali sulla disposizione spaziale degli atomi furono basati su fenomeni di isomeria.

a) Primi concetti sull'isomeria.

Composti differenti, seppur costituiti dagli stessi elementi combinati nelle stesse proporzioni, sono noti come ‛isomeri'. Il primo esempio noto risale al 1824, anno in cui venne osservato come il cianato d'argento (1) e il fulminato d'argento (2) avessero differenti proprietà pur fornendo gli stessi risultati all'analisi elementare. In una nota editoriale a piè di pagina in un lavoro di Fr. Wöhler (v., 1824), J.-L. Gay-Lussac suggerì l'ipotesi che i due composti contenessero gli stessi atomi, ma combinati differentemente. Pochi anni più tardi, nel 1828, Wöhler (v., 1828) osservò come il cianato d'ammonio (3) e l'urea (4) fossero isomeri e come il primo si trasformasse nel secondo per riscaldamento di una sua soluzione acquosa.

La formula di struttura di un composto definisce la costituzione, o meglio, i reciproci legami tra gli atomi di una molecola. Le formule di struttura di varie migliaia di composti vennero determinate, durante il XIX secolo, unicamente per mezzo di metodi chimici; solo molto più tardi furono disponibili metodi fisici per definire la configurazione spaziale delle molecole. Durante questo periodo vennero riconosciuti anche alcuni tipi di isomeria.

Gli ‛isomeri di struttura' corrispondono a differenti formule di struttura: essi sono spesso classificati in tre sottospecie. L'etere dimetilico (5) e l'etanolo (6) sono ‛isomeri funzionali', contengono, cioè, gruppi funzionali diversi;

l'1-cloropropano (7) e il 2-cloropropano (8) vengono definiti ‛isomeri di posizione', differendo nella posizione del sostituente cloro; anche l'n-butano (9) e l'isobutano (10) potrebbero esser considerati isomeri di posizione, ma sono più spesso definiti ‛isomeri di scheletro', presentando una diversa disposizione degli atomi di carbonio costituenti.

Comunque, casi di isomeria vennero osservati anche quando gli isomeri avevano la stessa formula di struttura.

Con lo sviluppo del concetto di valenza direzionale, ciò poté essere spiegato ammettendo che le formule di struttura dovessero tener conto non solo dei reciproci legami degli atomi nella molecola, ma anche della loro disposizione spaziale. Si può dire che questa spiegazione, cui giunsero indipendentemente e quasi contemporaneamente, nel 1874, J. H. van't Hoff (v., 1875) e J.-A. Le Bel (v., 1874), segni l'inizio della stereochimica.

Era stato osservato che alcune coppie di stereoisomeri ruotavano il piano della luce polarizzata in opposte direzioni, pur essendo altrimenti indistinguibili. L. Pasteur (v., 1848), con le sue ricerche sull'acido tartarico, concluse che le molecole di acido tartarico destrogiro e levogiro erano dissimmetriche, cioè immagini speculari non sovrapponibili l'una dell'altra. Altre coppie di isomeri ottici vennero trovate a partire dal 1874; sia van't Hoff sia Le Bel osservarono come tutti gli esempi noti avessero una caratteristica comune: la presenza di un atomo di carbonio con quattro sostituenti diversi, definito da van't Hoff stesso ‟atomo di carbonio asimmetrico". Infatti, ponendo ai vertici di un tetraedro, al cui centro si trovi un atomo di carbonio, quattro sostituenti diversi, si otterrebbero due e due sole strutture non sovrapponibili, tra loro correlate come un oggetto con la sua immagine speculare.

Secondo questa descrizione, i due isomeri ottici dell'acido lattico corrispondono alle due strutture mostrate nella fig. 1, immagini speculari non sovrapponibili l'una dell'altra. Si dice che le due strutture possiedono la stessa costituzione, ma configurazione opposta. Per l'acido tartarico, che contiene due atomi di carbonio asimmetrici, sono possibili tre forme (v. fig. 2) non interconvertibili per rotazione attorno al legame centrale. Due di queste forme corrispondono ai due acidi otticamente attivi, la terza a un acido otticamente inattivo, detto mesotartarico, avente proprietà chimiche e fisiche lievemente differenti. In ciascuna delle due forme otticamente attive i due atomi di carbonio asimmetrici presentano la stessa configurazione: sono correlati tra loro da un asse binario di rotazione. Nella forma meso i due atomi di carbonio sono correlati attraverso un centro di simmetria (asse improprio di rotazione) o, dopo rotazione attorno al legame centrale, da un piano di simmetria: la loro configurazione risulta opposta. Tale molecola può essere sovrapposta alla sua immagine speculare; ciò spiega la mancanza di attività ottica.

Questo tipo di stereoisomeria, in cui coppie di isomeri corrispondono a immagini speculari non sovrapponibili, non richiede necessariamente la presenza di un atomo di carbonio asimmetrico (né, addirittura, la presenza di atomi di carbonio nella molecola); queste coppie di isomeri sono ora denominate, di solito, ‛enantiomeri'. Stereoisomeri che non corrispondono a coppie di enantiomeri sono solitamente chiamati ‛diastereoisomeri', sebbene per distinguere i vari casi che possono verificarsi siano stati anche usati alcuni altri termini. Così gli acidi maleico (11) e fumarico (12) possono essere definiti ‛isomeri geometrici'. Anche in molecole cicliche possono aversi casi di isomeria geometrica o cis-trans: per esempio, nel cis- e trans-1,2-diclorocicloesano (13, 14), dove l'isomero trans (14) corrisponde effettivamente a una coppia di enantiomeri.

Pasteur, osservando come molti composti naturali prodotti da organismi viventi fossero otticamente attivi, concluse che gli organismi sono caratterizzati da una qualche intrinseca asimmetria, che conduce alla produzione di una sola delle due possibili molecole antipodi, laddove sintesi di laboratorio dello stesso composto conducono a un prodotto otticamente inattivo consistente in una miscela equimolecolare di entrambi gli antipodi, ossia a una miscela ‛racemica'. Egli osservò che, in presenza di microrganismi, l'acido tartarico otticamente inattivo diviene gradualmente levogiro: le molecole destrogire si trasformano in acido piruvico, mentre quelle levogire restano inalterate. Metodi chimici per risolvere miscele racemiche vennero sviluppati a partire dalla fine del XIX secolo. Per esempio, l'addizione di una base otticamente attiva a una miscela di acidi racemici fornisce due sali diastereoisomeri, che possono essere separati per cristallizzazione frazionata. Per acidificazione di una soluzione di uno dei prodotti così separati e successiva ricristallizzazione si recupera poi uno degli enantiomeri allo stato puro.

Verso la fine del secolo, concetti stereochimici furono introdotti in chimica inorganica da A. Werner (v., 1905), che studiò gli ioni complessi di metalli di transizione, in particolare del Cr³⁺ e del Co³⁺, per i quali non erano stati ancora sviluppati soddisfacenti modelli di struttura. Preparando e analizzando un'ampia serie di composti affini, Werner trovò molti casi di isomeria, alcuni dei quali riguardavano coppie di antipodi otticamente attivi. I risultati poterono essere spiegati solo pensando che questi ioni metallici formassero sei legami, diretti ai vertici di un ottaedro. Questo fu l'inizio di quella che ora è definita ‛chimica di coordinazione' (v. cap. 4; v. composti organometallici). Le possibilità di isomeria fra i composti inorganici sono anche maggiori di quelle esistenti per i composti organici, e la distinzione tra isomeri di struttura e spaziali non è sempre chiara.

A questo punto si deve anche accennare al fatto che, com'è noto, la maggior parte degli elementi si presenta in più di una forma (per es. il carbonio come diamante e come grafite); le varie forme di un elemento sono solitamente dette ‛forme allotropiche'.

b) Isomeri conformazionali.

All'incirca fino al 1935 si riteneva che la rotazione intorno a legami semplici fosse più o meno libera. Mentre erano state isolate molte coppie stabili di isomeri geometrici, corrispondenti a una disposizione cis o trans dei sostituenti intorno a doppi legami, per es. (11, 12), nessun esempio simile, che implicasse rotazione intorno a un legame semplice, era invece noto. Nel 1936 K. S. Pitzer mostrò che la rotazione attorno al legame semplice carbonio-carbonio dell'etano non era completamente libera, ma era associata a una barriera di energia di circa 3 kcal/mole. Il minimo di energia si presenta quando le due terne di atomi di idrogeno alle opposte estremità del legame assumono una posizione sfalsata, il massimo quando esse sono in posizione eclissata (v. fig. 3).

Per l'etano la barriera rotazionale ha una simmetria ternana, mentre, per le rotazioni intorno al legame centrale del butano, le posizioni corrispondenti a rotazioni di 120° non sono più equivalenti (v. fig. 4). È noto che la struttura con i gruppi metilici terminali ruotati di 180° l'uno rispetto all'altro ha un'energia potenziale di circa 0,7 kcal/mole minore rispetto a quella nella quale i gruppi metilici sono ruotati di 60°.

Le varie forme che una molecola può assumere per rotazione intorno ai legami sono dette ‛conformazioni'. Gli isomeri conformazionali, corrispondenti ai vari minimi di energia, possono essere rivelati con metodi spettroscopici, specialmente di risonanza magnetica nucleare e di assorbimento infrarosso, ma le barriere energetiche per le interconversioni di tali isomeri sono di solito cosi basse che già a temperatura ambiente si raggiunge rapidamente l'equilibrio. Anche nel caso degli isomeri conformazionali possiamo parlare di enantiomeri o di diastereoisomeri, proprio come nel caso degli stereoisomeri configurazionali, ma in verità la distinzione tra isomeri conformazionali e configurazionali non è ben definita. Talora questa distinzione è basata su criteri energetici, talaltra su modelli strutturali. Entrambe tali definizioni incontrano difficoltà o portano a descrizioni che vanno contro l'uso generalmente accettato. Sembra più opportuno considerare tutti i casi di isomeria formalmente derivabili per rotazione attorno a legami (inclusi i doppi legami, come nel caso dell'isomeria cis-trans) come esempi di isomeria conformazionale, qualunque possa essere il meccanismo di interconversione.

2. Aspetti teorici.

a) Considerazioni geometriche.

Un oggetto non sovrapponibile alla sua immagine speculare è detto ‛chirale' (un ovvio esempio è una mano). Gli oggetti sovrapponibili alle loro immagini speculari, per es. un cubo, sono allora ‛achirali'. Supponendo per un istante che le molecole siano rigidi ordinamenti di atomi puntiformi, possiamo distinguere le molecole chirali da quelle achirali in base a proprietà di simmetria. La condizione necessaria e sufficiente per la achiralità è la presenza di un elemento improprio di simmetria (elemento di simmetria di seconda specie), cioè un piano di riflessione, un centro d'inversione, assi alternanti n-ari di rotazione. La presenza di elementi di simmetria di prima specie (assi n-ari di rotazione) è del tutto compatibile con la chiralità, cosicché non è corretto identificare la chiralità con l'asimmetria. La parola ‛dissimmetrico' è spesso usata per indicare l'assenza di elementi impropri di simmetria; essa è perciò sinonimo di ‛chirale'.

Esaminiamo ora alcune relazioni intramolecolari. Consideriamo dapprima una molecola tetraedrica Caabb con simmetria C_2v. La rotazione intorno a un asse binario orienta la molecola in modo tale che risulta indistinguibile rispetto all'orientazione iniziale (v. fig. 5). Consideriamo ora una molecola tetraedrica Caabc con simmetria C_s: i due sostituenti a, a sono ora correlati per riflessione attraverso il piano di specularità, ma sono distinguibili con un mezzo di riconoscimento chirale, come suggerito nella fig. 5. Gli enzimi, responsabili dei processi chimici che avvengono in sistemi viventi, sono macromolecole chirali e perciò possono distinguere due siffatti sostituenti, detti ‛enantiotopici' e, talvolta, ‛prochirali'. Sono noti parecchi esempi di diverso destino biologico di gruppi enantiotopici: per es., nell'ossidazione enzimatica dell'etanolo ad acetaldeide, uno dei due atomi di idrogeno enantiotopici del gruppo metilenico è rimosso in maniera specifica.

Sostituenti che siano correlati da un asse puro di rotazione sono indistinguibili con ogni mezzo e sono spesso definiti ‛omotopici'. Se almeno uno dei due sostituenti b o c della molecola tetraedrica Caabc (v. fig. 5) è chirale, la figura non ha più simmetria C_s e i due sostituenti a, a non sono più correlati da operazioni di simmetria. Questi gruppi possono esser chiamati ‛diastereotopici'. Un esempio è fornito dai due protoni metilenici della fenilalanina (15).

I due sostituenti a, a sono pure diastereotopici se entrambi gli altri due sostituenti sono chirali ed enantiomorfi, come in CaaF???66???. Un esempio è fornito dai protoni metilenici della forma meso dell'acido 2,4-diidrossiglutarico (16).

Un atomo di carbonio del tipo CabF???66???, dove a, b siano sostituenti achirali e F, ???66??? chirali ed enantiomorfi, è spesso definito atomo di carbonio ‛pseudoasimmetrico', in analogia con l'atomo di carbonio asimmetrico avente quattro diversi sostituenti.

Un tetraedro i cui quattro vertici siano occupati da leganti diversi fornisce una coppia di enantiomeri. La bipiramide trigonale con cinque diversi leganti fornisce 20 stereoisomeri (10 coppie di enantiomeri), mentre l'ottaedro con sei leganti diversi ne fornisce 30 (15 coppie di enantiomeri). In generale, una figura con N siti leganti, occupati da N sostituenti diversi, fornisce N!/n stereoisomeri, con n numero di simmetria della figura con tutti i siti equivalenti.

L'aspetto algebrico della chiralità è stato studiato da Ruch (v., 1972). Classi di molecole vengono caratterizzate da un comune scheletro molecolare achirale, per es. un poliedro regolare con leganti ai suoi vertici. Quali sono le condizioni necessarie e sufficienti per separare tutte le molecole chirali di una data classe in due sottoclassi antipodi? Questo problema può essere trattato facendo ricorso a una funzione continua pseudoscalare χ(λ₁, λ₂, ..., λ_n) in cui i parametri λ_i esprimono alcune proprietà dell'i-esimo legante, leganti uguali avendo uguali λ. Se una funzione non si annulla salvo che per molecole achirali, allora può esser effettuata la separazione in sottoclassi antipodi. Ciò è possibile per il tetraedro e per la bipiramide trigonale, ma non, per es., per l'ottaedro. La funzione di chiralità per il tetraedro è

χ(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)=

=(λ₁−λ₂)(λ₂−λ₃)(λ₃−λ₄)(λ₁−λ₃)(λ₁−λ₄)(λ₂−λ₄)

e per la bipiramide trigonale è

χ(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, λ₅)=(λ₁−λ₂)(λ₂−λ₃)(λ₃−λ₁)(λ₄−λ₅),

dove i leganti 1, 2, 3 occupano posizioni equatoriali e i leganti 4, 5 posizioni assiali. Per il tetraedro è sufficiente l'uguaglianza di due leganti ad annullare la funzione; per la bipiramide trigonale la funzione si annulla quando due sostituenti assiali o equatoriali sono identici, mentre, se sono uguali un sostituente assiale e uno equatoriale, la funzione risulta diversa da zero. Ai parametri λ dei leganti possono essere assegnate varie interpretazioni fisiche, a seconda della natura della grandezza pseudoscalare adottata per distinguere molecole antipodi. Ruch (v., 1972) ha sviluppato una struttura algebrica in termini di reticoli di partizione, che chiarisce molti aspetti sistematici dei fenomeni di chiralità.

b) Configurazione relativa e assoluta.

Fino al 1950 non si sapeva con certezza quale delle due strutture enantiomorfe possibili per ogni molecola otticamente attiva corrispondesse all'isomero destrogiro e quale a quello levogiro. Fu comunque possibile correlare tra loro, con metodi chimici, le configurazioni di molti composti otticamente attivi, cioè stabilire le loro configurazioni relative a qualche composto di riferimento, di solito la (+) gliceraldeide, cui venne arbitrariamente assegnata la configurazione (17) rappresentata dalla formula di proiezione (17a) secondo la convenzione di Fischer (v. IUPAC, 1970). Era noto, per esempio, che tutti gli amminoacidi naturali presenti nelle molecole proteiche presentavano la stessa configurazione (L) all'atomo di carbonio a e potevano esser rappresentati secondo la (18) riferendosi alla formula arbitraria (17a) per la (+) gliceraldeide.

Un metodo generale per correlare la chiralità molecolare con quella macroscopica e basato su determinazioni di diffrazione di raggi X venne proposto intorno al 1950 da J. M. Bijvoet e fu inizialmente applicato per determinare la configurazione assoluta del (+) tartrato di rubidio e sodio (v. Bijvoet e altri, 1951). La disposizione spaziale degli atomi che ne risultò fu essenzialmente quella mostrata nella fig. 2 per l'acido destrogiro, disposizione che si accordava con le correlazioni chimiche basate sulla struttura (17) della (+) gliceraldeide. Risultò perciò corretta la convenzione di Fischer. Un'analisi simile sul bromidrato di isoleucina confermò, pochi anni dopo, che gli amminoacidi naturali hanno la configurazione (18). A partire da allora sono state determinate per diffrazione di raggi X le configurazioni assolute di alcune centinaia di composti otticamente attivi, organici e inorganici. Tale metodo è diventato più o meno di routine. Vale perciò la pena di accennare brevemente ai principi fisici sui quali esso si basa (v. anche molecole: Metodi d'indagine strutturale).

Se s₀ e s sono vettori unitari nelle direzioni rispettivamente di incidenza e di diffrazione, l'ampiezza F(h) dell'onda diffratta, caratterizzata dal vettore h=(s−s₀)/λ, è data da

dove f_i(h) è il fattore di diffrazione dell'i-esimo atomo a distanza vettoriale x_i da un'origine arbitraria. In prima approssimazione il cambio intrinseco di fase sull'onda diffratta è lo stesso per tutti gli atomi, cioè le quantità f_i(h) possono essere considerate quantità reali. Questa approssimazione può valere sino a che la radiazione incidente non è fortemente assorbita dagli atomi del cristallo. In queste condizioni l'inversione delle strutture (x_i→−x_i) o dello schema di diffrazione (h→−h) converte F(h) nella sua complessa coniugata F*(h). L'intensità dell'onda diffratta, che è proporzionale a F(h)F*(h), rimane immutata. In queste condizioni, gli effetti della diffrazione dei raggi X risultano centrosimmetrici sia che la struttura del cristallo sia centrosimmetrica sia che essa non lo sia (legge di Friedel); ne segue che le intensità della diffrazione dei raggi X da parte di una coppia di cristalli enantiomorfi sono identiche e che le configurazioni assolute non possono essere determinate. Tuttavia, se uno o più atomi nella struttura assorbono fortemente le radiazioni incidenti, non è più valida l'approssimazione secondo cui tutti gli atomi diffrangono con lo stesso intrinseco cambiamento di fase. Le onde diffratte da atomi che assorbono fortemente sono lievemente ritardate rispetto a quelle diffratte dagli altri atomi, che non assorbono. Il fattore di diffrazione fa(h) associato a un atomo assorbente è una grandezza complessa, la cui fase è lievemente avanzata, in corrispondenza di un ritardo dell'onda. In questo caso l'inversione della struttura o dello schema di diffrazione conduce a un cambiamento determinabile nella grandezza di F(h). Supponendo che la struttura sia nota, eccetto il verso di chiralità, questo può essere determinato una volta che sia possibile decidere se le posizioni atomiche corrispondano all'insieme dei vettori (x_i) o a quello dei vettori opposti (−x_i). Il confronto tra i valori di ∣F(h)∣ e di ∣F(−h)∣ osservati per alcune coppie di riflessioni affini (coppie di Bijvoet) e quelli calcolati per una data struttura chirale permette di risolvere il problema. È necessario, naturalmente, che tutti i calcoli siano fatti in un sistema di coordinate di data chiralità, in genere destrorso.

Sono stati fatti anche molti tentativi di derivare le configurazioni assolute di molecole otticamente attive dall'analisi di vari fenomeni chiroottici (rotazione ottica, dicroismo circolare, dispersione ottica rotatoria). Tutti questi tentativi si fondano sul calcolo delle differenze nell'indice di rifrazione per luce con polarizzazione circolare destrorsa o sinistrorsa, di solito in un determinato intervallo di frequenze. Tali calcoli possono essere basati su vari modelli quantomeccanici, ma sembra che, almeno in certi casi, piccole variazioni nei dettagli dei modelli possano portare a cambiamenti nel segno degli effetti calcolati.

c) Specificazione della chiralità.

La configurazione assoluta di una molecola chirale può essere sempre descritta fornendo le coordinate spaziali (x_i, y_i, z_i) degli atomi in un dato sistema di coordinate destrorso. Se per una qualsiasi ragione i vettori base X, Y, Z vengono sostituiti dai nuovi vettori X′, Y′, Z′, il sistema di nuove coordinate deve essere anch'esso destrorso; in questo caso il determinante della trasformazione lineare

è positivo. La configurazione assoluta può anche essere descritta attraverso una rappresentazione grafica, come nella convenzione di Fischer, ma nessuno di questi metodi è sempre praticabile. È naturalmente utile poter specificare la configurazione assoluta per mezzo di una notazione. Delle diverse che sono state proposte, la più usata è quella di Cahn, Ingold e Prelog (v., 1956). Nella sua formulazione più semplice (v. Cahn, 1964), essa specifica la configurazione assoluta di un tetraedro chirale (sistema tridimensionale) e di conseguenza quella di quattro gruppi diversi qualsiasi disposti attorno a un atomo o a più generici elementi di asimmetria (centro, asse, piano). I quattro gruppi vengono posti in un dato ordine, secondo un insieme di regole arbitrarie; a seconda che i primi tre gruppi si susseguano in senso orario o antiorario sul piano che li contiene (dal punto di vista di un osservatore posto dalla parte del quarto gruppo), si applica il simbolo R o S (rectus o sinister), oppure, per un centro pseudoasimmetrico, r o s, all'atomo o ad altro elemento di asimmetria, o a ognuno di essi se ve ne sono diversi. Le principali regole per ordinare i gruppi sono le seguenti: i gruppi sono ordinati dapprima secondo il numero atomico decrescente degli atomi legati all'elemento di asimmetria, oppure, se non vi è distinzione, secondo quello degli atomi immediatamente seguenti e così via, procedendo fino a trovare atomi aventi numeri atomici diversi. I doppietti elettronici vengono considerati come sostituenti e viene loro assegnata la più bassa priorità. Se due gruppi differiscono solo isotopicamente, vengono ordinati secondo massa isotopica decrescente e se differiscono solo stereochimicamente l'ordine è cis prima di trans e R prima di S.

Secondo queste regole, i gruppi attorno all'atomo di carbonio asimmetrico dell'amminoacido naturale L-alanina (19) vengono ordinati secondo la sequenza NH₂〈COOH〈CH₃〈H, cosicché la configurazione risulta S. Sebbene tutti gli α-amminoacidi delle proteine abbiano la configurazione mostrata in (18), a seconda della precedenza del gruppo R sul gruppo COOH, essi saranno R o S. In maggioranza risultano S, ma, per esempio, la L-cisteina (R=CH₂SH) è R. L'acido tartarico destrogiro (v. fig. 2) è R, R.

Le olefine del tipo abC=Ccd sono achirali, ma i due possibili stereoisomeri (20) e (21) possono essere designati come seqcis (o Z, zusammen) e seqtrans (o E, entgegen), a seconda che i gruppi di più alto ordine alle due estremità del doppio legame siano in cis o in trans fra loro.

d) Specificazione della conformazione.

Le posizioni relative di n atomi in una molecola sono definite da 3n−6 parametri. Questi possono essere coordinate spaziali, ma è spesso più utile fornire parametri interni molecolari, come distanze e angoli. Per una catena di n atomi abbiamo n−1 distanze di legame e n−2 angoli di legame; quali rimanenti n−3 parametri, richiesti per fissare la forma della molecola, conviene prendere gli n−3 angoli di torsione. L'angolo di torsione ω(ABCD) tra gli atomi A e D intorno al legame BC è l'angolo compreso tra le proiezioni di BA e CD lungo BC. Esso risulta positivo se il senso di rotazione è orario, negativo se antiorario.

Nella fig. 6 il sistema ABCD corrisponde a una vite sinistrorsa e l'angolo di torsione ω(ABCD) è negativo. Poiché il verso di avvitamento non dipende dalla direzione da cui si guarda, anche l'angolo di torsione ω(DCBA) è negativo; cosi, se ABCD è chirale, la sua conformazione assoluta è definita dalla grandezza e dal segno dell'angolo di torsione. Il segno di un angolo di torsione viene pertanto lasciato invariato da un'operazione di rotazione, mentre viene invertito da una riflessione o comunque da un'operazione di simmetria. Perciò gli elementi di simmetria di una struttura risultano immediatamente evidenti dall'insieme degli angoli di torsione e perfino elementi di simmetria approssimati possono essere facilmente riconosciuti, cosa che è particolarmente utile per molecole cicliche; così, se la sequenza degli angoli di torsione di una struttura ciclica a otto termini è ...45°, 75°, −48°, −71°, 43°, 72°, −46°, −74°, ..., l'anello ha approssimativamente simmetria S₄.

Sia le distanze sia gli angoli di legame di una molecola non differiscono molto dai valori standard caratteristici del tipo di atomi e di legami coinvolti, mentre gli angoli di torsione possono coprire l'intero intervallo di 360°. In questo modo l'intera forma di una molecola di costituzione e configurazione date risulta essenzialmente descritta dagli angoli di torsione.

Descrizioni qualitative degli angoli di torsione attorno a singoli legami (conformazioni parziali) vengono date dalle espressioni: sinperiplanare (sp, ~0°), antiperiplanare (ap, ~180°), sinclinale (±sc, ±60°), anticlinale (±ac, ±120°). Anche il termine gauche è spesso usato per descrivere conformazioni parziali sinclinali.

Comunque, è importante ricordare che in un anello a n termini le n distanze di legame, gli n angoli di legame e gli n angoli di torsione non sono indipendenti, ma sono correlati da sei equazioni di costrizione (condizioni di chiusura dell'anello). Un esempio ovvio è quello di un anello a tre termini (triangolo) completamente definito dalle sue tre distanze di legame. Per altri anelli le costrizioni geometriche non sono così ovvie. Un anello equilatero ed equiangolo a quattro termini può non essere planare (simmetria D_2d), ma un anello equilatero ed equiangolo a cinque termini deve essere planare (D_5h); questa proprietà è di notevole interesse. Per un anello a sei termini, in generale, gli angoli di torsione sono determinati quando sono fissate le distanze e gli angoli di legame, l'anello è cioè rigido. Comunque, se l'anello presenta un asse binario di rotazione non intersecante (asse che non passi nè attraverso un atomo nè attraverso un legame), esiste ancora un grado di libertà torsionale, cioè l'anello è flessibile.

3. Stereochimica e trasformazioni chimiche.

a) Decorso sterico delle reazioni chimiche.

Sinora abbiamo considerato principalmente l'analisi e la descrizione di vari tipi di stereoisomeria (compresa l'isomeria conformazionale). Le nostre descrizioni sono state essenzialmente statiche, abbiamo cioè tralasciato del tutto il fatto che la chimica riguarda fenomeni dinamici. Gli aspetti stereochimici della reattività chimica sono della massima importanza per un insieme di ragioni. Una prima ragione è puramente pratica: è spesso utile preparare un particolare stereoisomero di un composto di data costituzione. Ciò è particolarmente importante per composti di interesse biologico, quali per es. i farmaci, per i quali si è constatato che, in genere, solo uno dei molti possibili stereoisomeri mostra la voluta attività biologica. Un'altra ragione riguarda lo studio dei meccanismi di reazione, al quale hanno molto contribuito gli studi stereochimici.

Il miglior esempio è probabilmente la reazione di sostituzione nucleofila

X^-+CR₁R₂R₃Y→Y^-+CR₁R₂R₃X,

dove X^-1 e Y^- sono anioni elettrondonatori (nucleofili). Possono essere supposti per questa reazione due tipi limite di meccanismo.

A. Il nucleofilo X^- si avvicina al centro del triangolo R₁R₂R₃. Man mano che la distanza X....C diminuisce, il legame C−Y si allunga e la piramide CR₁R₂R₃ si appiattisce. Nello stadio intermedio le distanze X...C e C...Y sono all'incirca uguali e la piramide CR₁R₂R₃ diventa planare. La reazione ha fine quando si forma il legame X−C e si allontana Y^-1 (v. fig. 7).

B. Il sostituente Y è rimosso come Y^- fornendo uno ione carbonio planare [CR₁R₂R₃]⁺, che, dopo un certo tempo, o reagisce con X^-1 formando XCR₁R₂R₃, oppure con Y^-1 formando il composto di partenza.

I due meccanismi limite A e B mostrano una diversa cinetica, ma possono anche esser distinti, in linea di principio, attraverso considerazioni stereochimiche. Se il composto di partenza CR₁R₂R₃Y fosse otticamente attivo, il meccanismo A dovrebbe condurre a un prodotto otticamente attivo con inversione di configurazione assoluta, mentre il meccanismo B fornirebbe prodotti racemici. Inoltre, se la reazione venisse interrotta dopo un certo tempo e fosse recuperato il materiale di partenza, questo dovrebbe avere la sua originale attività ottica se il meccanismo fosse quello descritto in A, ma dovrebbe avere attività ottica molto minore se il meccanismo fosse quello descritto in B. Questi due tipi di meccanismo sono noti rispettivamente come SN₂ e SN₁; in realtà, le reazioni di sostituzione nucleofila seguono più o meno l'uno o l'altro meccanismo a seconda della natura del sostituente Y, di R₁, R₂, R₃ e del solvente usato nella reazione.

A partire dal 1965 R. B. Woodward e R. Hoffmann (v., 1970), in una serie di lavori classici, mostrarono come una ampia gamma di reazioni stereospecifiche potesse esser raggruppata sotto il nome di reazioni ‛pericicliche', interpretabili secondo la teoria degli orbitali molecolari. In tale gruppo rientrano le reazioni elettrocicliche, di cicloaddizione e sigmatropiche, di ciascuna delle quali è mostrato nella fig. 8 un esempio.

Ognuna delle reazioni mostrate nella fig. 8 potrebbe condurre, in linea di principio, a due stereoisomeri. Uno dei due possibili stereoisomeri si forma solo quando l'energia di attivazione necessaria è fornita per riscaldamento (reazione termica), mentre l'altro si forma se l'energia è fornita dalla luce (reazione fotochimica). La regola che decide il decorso stereochimico della reazione è basata sul numero, pari o dispari, di legami rotti e formati. Per esempio, la chiusura dell'anello del 2,5-dimetil-esa-2,4-diene (v. fig. 8) per via fotochimica potrebbe condurre ai due isomeri ottici del 3,4-dimetilciclobutene, il cis, che presenta i gruppi metilici dalla stessa parte del piano dell'anello, e il trans, con i gruppi metilici da parti opposte. Si forma però solo l'isomero cis. Se si suppone che il decorso della reazione sia concertato, ossia che la rottura e la formazione dei legami avvengano contemporaneamente, le rotazioni attorno ai doppi legami, richieste per porre entrambi i gruppi metilici dalla stessa parte del piano, devono avvenire in direzione opposta, l'una in senso orario, l'altra in senso antiorario. Questo tipo di rotazioni concertate viene detto ‛disrotatorio'. Evidentemente l'apertura termica del cis-dimetilciclobutene segue un andamento opposto: non appena i legami dell'anello si aprono, i due gruppi metilici ruotano nello stesso senso, si ha cioè un processo ‛conrotatorio'. Per le corrispondenti reazioni dei trieni coniugati e dei cicloesadieni le regole sono invertite, ossia la reazione termica è disrotatoria e quella fotochimica conrotatoria. Dicotomie stereochimiche simili esistono per le altre classi di reazioni mostrate nella fig. 8. Woodward e Hoffmann riconobbero le caratteristiche comuni di tali reazioni e mostrarono come potessero essere inquadrate secondo un principio, quello della conservazione della simmetria dell'orbitale, che è stato confermato come una delle più importanti generalizzazioni della chimica organica, un principio che ha stimolato una grande quantità di lavoro, sia sperimentale sia teorico.

b) Interconversione di isomeri.

A temperatura ambiente isomeri conformazionali aventi all'incirca la stessa energia si convertono tra loro rapidamente, dato che l'energia libera di attivazione (ΔF≠) di tali isomerizzazioni è in genere inferiore alle 10 kcal/mole. La costante specifica di velocità di una reazione monomolecolare è data da

k_r=(kT/h) exp(−ΔF≠/RT),

dove (kT/h) ha il valore 6,25×10¹² a T=300 °K. Per una reazione oltremodo lenta ΔF≠ a temperatura ambiente dovrebbe essere di circa 35 kcal/mole o poco più. L'energia richiesta per l'inversione al carbonio tetraedrico è molto più grande, e perciò i processi che implicano cambiamenti nella configurazione all'atomo di carbonio non avvengono che in speciali circostanze.

4. Stereoisomeria di derivati inorganici.

a) Stereoisomeria di atomi tetraedrici diversi dal carbonio.

È noto dalla spettroscopia a microonde che la barriera di inversione all'azoto nell'ammoniaca è solo di circa 6 kcal/mole. Le ammine del tipo Nabc non possono in genere essere separate nei loro enantiomeri, dato che la velocità di interconversione risulta troppo alta. Comunque, se l'atomo di azoto fa parte di un piccolo sistema ciclico oppure se i suoi sostituenti sono gruppi fortemente elettronegativi, la barriera di inversione cresce in modo tale che possono essere ottenuti, in alcuni casi, stereoisomeri più o meno stabili, per es. (22).

L'inversione all'azoto può essere annullata anche quando esistano vincoli geometrici abbastanza forti, come nel composto (23), noto come base di Tröger e risolto in antipodi ottici da V. Prelog nel 1944.

Barriere molto alte per l'inversione sono presentate dai sali di ammonio quaternario [Nabcd]⁺X^-1 che contengono un azoto asimmetrico: forme otticamente attive di questo tipo di composti vennero ottenute già prima del 1900.

Risoluzioni in antipodi ottici sono state effettuate anche per molecole tetraedriche Mabcd, con M=Si, Ge, P⁺, As⁺, e per molecole piramidali Mabc, con M=P, As, Sb, S, S⁺.

b) Stereochimica dei composti di coordinazione.

Una buona parte delle prove a sostegno della teoria della coordinazione di Werner (v., 1905) si basava sul numero di diastereoisomeri e di coppie di antipodi che potevano essere ottenuti per una classe di composti di data composizione. Così, per [Co(NH₃)₄Cl₂]X esistono due isomeri non separabili in antipodi ottici. Se coppie di molecole del legante NH₃ vengono sostituite da molecole di etilendiammina, NH₂−CR₂−CH₂−NH₂, possono essere ottenuti ancora due isomeri, uno dei quali è però separabile in enantiomeri. Questo dato sperimentale condusse Werner a formulare l'ipotesi che i sei gruppi coordinati fossero posti ai vertici di un ottaedro regolare (v. fig. 9).

La moderna chimica di coordinazione è particolarmente rivolta allo studio dei composti organometallici. Per questi composti sussistono numerose possibilità di isomeria, che sono tuttavia più difficili da definire in termini di isomeria di struttura e stereoisomeria, dato che le strutture stesse non possono sempre essere descritte in modo univoco secondo formule con le indicazioni dei legami. (Per ulteriori dettagli v. composti organometallici e catalisi omogenea).

c) Forme di alcune semplici molecole inorganiche.

La disposizione dei leganti intorno a un atomo centrale (non metallico) può essere ricavata nella maggior parte dei casi da un insieme di regole, basate sul modello VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion). Questo modello proviene da un'idea di G. N. Lewis (1912), che assimilò il legame chimico a una coppia di elettroni, tenuti assieme da forze allora sconosciute. Lewis sosteneva che è la mutua repulsione delle coppie elettroniche a determinare la disposizione spaziale degli atomi attorno a un atomo centrale, ma questo punto di vista fu largamente ignorato per molti anni nonostante vari tentativi di riprenderlo in considerazione. Recentemente, grazie principalmente a R. J. Gillespie, è divenuto sempre più evidente che il modello VSEPR fornisce una guida semplice e attendibile per l'interpretazione della stereochimica di atomi non metallici.

La prima e più importante regola è che i doppietti elettronici nel guscio di valenza di un atomo si respingono a vicenda e assumono una disposizione tale da rendere le loro mutue repulsioni le più basse possibili. Per due, tre, quattro e sei coppie elettroniche, le disposizioni più stabili sono ovviamente la colineare, la triangolare equilatera, la tetraedrica e l'ottaedrica, rispettivamente. Per cinque doppietti elettronici, la bipiramide trigonale risulta più favorita della piramide a base quadrata a causa di potenziali di interazione più ragionevoli da un punto di vista fisico. La seconda regola è che coppie elettroniche non leganti (doppietti spaiati) respingono le coppie vicine più fortemente di quanto non facciano coppie elettroniche di legame. Per molecole del tipo AX₄E, AX₃E₂, AX₂E₃ e AX₄E₂ sono possibili diverse posizioni per gli n doppietti spaiati (E_n). Questi si trovano sempre nelle posizioni equatoriali della bipiramide trigonale e nelle posizioni trans dell'ottaedro.

Così la molecola SF₄ con cinque coppie di elettroni può essere scritta SF₄E e si può prevedere che la sua struttura sia quella di un bisfenoide, come mostrato nella fig. 10. Analogamente ClF₃ diviene ClF₃E₂ e presumibilmente avrà una forma a T. Per i composti XeF₂ e XeF₄, derivati da un gas inerte e scoperti recentemente, si può prevedere rispettivamente una struttura lineare e una quadrata piana, in accordo con le osservazioni sperimentali. Le strutture preferite per vari tipi di molecole AX_mE_n sono riportate nella tabella.

La terza regola è che repulsioni esercitate da coppie elettroniche di legame aumentano con il diminuire dell'elettronegatività del legante (doppietti spaiati rappresentano un caso estremo di leganti aventi elettronegatività nulla). Così l'angolo di legame nell'F₂O (103°) è minore che nell'H₂O (105°), e nell'NF₃ (102°) minore che nell'NH₃ (107°).

Sebbene queste regole possano sembrare introdotte proprio ad hoc, esse possono essere completamente giustificate per via teorica (per ulteriori dettagli e applicazioni del modello VSEPR, v. Gillespie, 1972). Una serie alternativa di regole, basata sui diagrammi di correlazione degli orbitali molecolari, è stata proposta da A. D. Walsh, e conclusioni analoghe possono essere tratte in base alla teoria della perturbazione. Il modello VSEPR sembra il più semplice da applicare e non è meno attendibile degli altri.

5. Stereochimica dei polimeri.

I polimeri sono macromolecole costituite da una regolare ripetizione di unità più piccole. Così le proteine sono polimeri costituiti da α-amminoacidi, gli acidi nucleici polimeri di nucleotidi e la cellulosa è un polimero di unità di glucosio. In questi importanti tipi di polimeri biologici le subunità sono tutte omochirali. Così tutti gli αamminoacidi, unità strutturali delle proteine, appartengono alla serie L (come raffigurato in 19 per l'alanina); gli amminoacidi della serie D rappresentano una sorta di stranezza in biochimica, sebbene siano presenti in certi composti, aventi proprietà antibiotiche, prodotti da microrganismi. Se subunità identicamente chirali sono legate assieme in modo regolare, il tipo più generale di periodicità che ne risulta è una combinazione di una traslazione e di una rotazione, ossia, in altri termini, una disposizione a elica di subunità; invero, il tipo principale di regolarità osservato in natura nelle strutture di proteine, acidi nucleici e polisaccaridi è quello elicoidale.

Affinché una proteina esplichi la propria attività biologica, di solito come catalizzatore (enzima) di una determinata reazione chimica, la catena polipeptidica deve assumere una conformazione ben definita (v. enzimi). Il trattamento con agenti chimici o il riscaldamento può distruggere questa tipica conformazione e determinare la denaturazione e la perdita totale di attività enzimatica, che può tuttavia essere ripristinata, in qualche caso, con opportuni trattamenti. Molti enzimi mostrano una specificità stereochimica, ossia reagiscono solo con opportuni stereoisomeri oppure trasformano substrati non chirali in un solo enantiomero di un prodotto chirale. Altri enzimi (per es. le esterasi) possono reagire con diversi substrati stereoisomeri, ma a velocità diverse.

Mediante analisi con i raggi X è stata determinata la struttura tridimensionale di una trentina di proteine (v. proteine: Struttura tridimensionale). La catena polipeptidica è avvolta in maniera complessa, difficilmente prevedibile in base alla sequenza degli amminoacidi, sebbene di fatto il modo in cui si avvolge sia determinato da tale sequenza. Il problema del calcolo della conformazione stabile di una catena polipeptidica con una determinata sequenza di amminoacidi presenta difficoltà che attualmente appaiono pressoché insuperabili; si può però prevedere che, contemporaneamente allo sviluppo delle conoscenze semiempiriche sui campi di forza, progressi nella tecnica dei calcolatori permetteranno di effettuare tali calcoli in un tempo ragionevole.

I polimeri polinucleotidici, gli acidi desossiribonucleici (DNA) e gli acidi ribonucleici (RNA), rispettivamente deputati alla trasmissione dell' informazione nelle cellule viventi e alla sintesi delle proteine (v. acidi nucleici), presentano, in contrasto con le intricate conformazioni delle catene polipetidiche, una struttura a elica altamente regogolare, che venne comprovata da J. D. Watson e F. H. C. Crick (v., 1953) mediante combinazione di acute intuizioni, costruzione di modelli e analisi di diagrammi ai raggi X. Gli RNA transfer (tRNA) comprendono un'altra classe di importanti polimeri biologici, che sono connessi con processi per i quali singoli amminoacidi, in combinazione con enzimi attivanti, sono riconosciuti e inseriti in determinate sequenze della catena polipeptidica delle proteine. Sembra che tutti i tRNA abbiano grossolanamente la stessa forma, con regioni elicoidali e no; la struttura del tRNA relativo alla fenilalanina è stata recentemente chiarita da A. Rich e dai suoi collaboratori mediante analisi con raggi X (v. Kim e altri, 1973 e 1974).

Le due principali classi di polimeri polisaccaridici naturali, amido e cellulosa, sono costituite in prevalenza da subunità di D-glucosio, sebbene siano anche presenti piccole quantità di altri zuccheri (D-mannosio, De L-galattosio, D-xilosio, L-arabinosio), acidi uronici e amminozuccheri. La diversità tra amido e cellulosa è puramente stereochimica, in quanto riguarda una variazione di configurazione. Nell'amido le subunità sono unite (v. fig. 11) mediante un legame α-glucosidico, nella cellulosa mediante un legame β-glucosidico. L'amido è in realtà una miscela di due tipi di polimeri, l'α-amilosio, che contiene catene elicoidali non ramificate di lunghezza variabile (100-50.000 subunità), e l'amilopectina, che è un polimero altamente ramificato a peso molecolare molto alto. Queste diversità stereochimiche sono associate a differenze nelle proprietà fisiche e chimiche, ben conosciute e che non è qui il caso di menzionare.

Differenze stereochimiche possono anche influenzare in maniera sorprendente le proprietà di polimeri sintetici; ciò può avere importanza dal punto di vista commerciale (v. polimeri). Il polipropilene preparato mediante polimerizzazione catalizzata da acidi presenta una sequenza di configurazioni più o meno casuale (v. fig. 12) ed è un materiale cedevole, gommoso, di nessuna particolare utilità. Nel 1955 G. Natta e i suoi collaboratori scoprirono che polimeri preparati per mezzo di certi catalizzatori organometallici presentano strutture stereoregolari, illustrate nella fig. 12 (v. Natta e altri, 1955). Nel polipropilene ‛isotattico' tutti i gruppi metilici stanno dalla stessa parte del piano individuato dalla catena principale, mentre in quello ‛sindiotattico' i gruppi metilici si trovano alternativamente da una parte e dall'altra del piano. Nella struttura isotattica i gruppi successivi sono correlati da traslazione, in quella sindiotattica da un asse binario di rotazione. Si deve notare che gli atomi di idrogeno dei gruppi metilenici sono diastereotopici nella struttura isotattica e omotopici in quella sindiotattica. Il polipropilene isotattico è un materiale fibroso che può essere filato e tessuto, a differenza del polimero atattico, cioè non stereoregolare (v. polimeri).

6. Considerazioni finali.

a) Possibile origine dell'omochiralità nei sistemi viventi.

Pasteur per primo riconobbe che i microrganismi devono possedere qualche tipo di profonda asimmetria che permette loro di distinguere tra enantiomeri e si convinse che una proprietà dei sistemi viventi era appunto la capacità di produrre o metabolizzare uno degli enantiomeri. I polimeri naturali di tutti i sistemi viventi sono omochirali: le proteine sono costituite esclusivamente da L-amminoacidi, gli acidi nucleici da D-ribo(o -desossiribo-) -nucleotidi, ecc. Una volta che il processo di selettività sia stato instaurato, si capisce come possa essere perpetuato. Tuttavia, è molto difficile capire come tale selettività sia sorta in un mondo prebiotico. Come scrisse Pasteur: ‟Forze simmetriche non viventi non possono produrre asimmetria agendo su molecole o atomi simmetrici".

Sono stati suggeriti, quali possibili origini della stereoselettività in un mondo abiotico, vari tipi di fattori - superfici di quarzo otticamente attive, radiazioni solari polarizzate circolarmente, ecc. -, ma nessuno di questi sembra essere del tutto convincente. Il fatto che tutto ciò che vive sulla Terra sia omochirale suggerisce piuttosto l'idea che l'attuale omochiralità sia sorta attraverso un evento di piccolissima probabilità ma di grande efficacia nel favorire lo sviluppo preferenziale di un tipo di polimero omochirale rispetto al corrispondente polimero stereoirregolare. Tale evento può essersi verificato anche una sola volta durante il lungo periodo di storia prebiologica terrestre. Se le cose stanno così, cercare una spiegazione dell'origine dell'omochiralità nei sistemi viventi appare una perdita di tempo: più verosimile essa sembrerà, meno probabilità avrà di essere esatta!

Ciò nondimeno è possibile descrivere modelli generali per l'evoluzione graduale di sistemi autoduplicativi e chiedersi a qual punto di questo sviluppo potrebbe esser sorta l'omochiralità. Un tale modello è stato proposto da Kuhn (v., 1972). L'idea base di Kuhn è che periodici cambiamenti dell'ambiente (l'alternarsi del giorno e della notte, delle stagioni, delle maree, ecc.) determinino un'alternanza di fasi durante le quali polimeri vengano formati da precursori fosfonucleotidici o vengano scissi idroliticamente. Questi polimeri contengono D- e L-ribosio con la stessa probabilità, ma possiamo sempre immaginare l'occasionale formazione di una molecola di RNA composta, per es., da 21 subunità contenenti esclusivamente D-ribosio. Ammettendo che la condensazione di D- e L-fosfonucleotidi abbia la stessa probabilità, solo una molecola su 2²⁰≃10⁶ con questo grado di polimerizzazione conterrebbe subunità omochirali. Tale molecola dovrebbe avere le seguenti proprietà: 1) durante la fase di formazione potrebbe funzionare da stampo per la sintesi di una doppia elica incorporando monood oligonucleotidi di uguale chiralità; questa proprietà verrebbe distrutta dall'incorporazione anche di un solo nucleotide di chiralità sbagliata; 2) la compattezza della doppia elica renderebbe la molecola più resistente all'idrolisi e quindi più capace di sopravvivere durante la fase di decomposizione; 3) opportuni cambiamenti dell'ambiente potrebbero determinare la scissione della doppia elica nelle due eliche singole, ciascuna delle quali agirebbe singolarmente da stampo per la formazione di una nuova doppia elica durante la fase successiva.

Sebbene le probabilità di avere tale polimero, costituito da subunità omochirali, siano estremamente ridotte, è chiaro che, disponendo di un numero sufficiente di subunità e di un tempo sufficientemente lungo, questo evento prima o poi dovrà verificarsi.

L'avvenimento specifico che Kuhn usa come esempio può essere o anche non essere stato quello decisivo; l'attrattiva del modello proposto da Kuhn risiede piuttosto nel tipo di procedimento generale considerato: fasi alterne di formazione e decomposizione di polimeri, accompagnate da un improvviso aumento della capacità di autocatalisi e di sopravvivenza che può seguire l'intrinsecamente improbabile formazione per caso di un polimero stereoregolare (v. anche vita, origine della).

b) Il futuro della stereochimica.

La stereochimica ha un futuro? La stereochimica in senso stretto, come studio e analisi di stereoisomeri, ha avuto un passato importante, ma si può dire senza esagerazione che, con i metodi fisici moderni per la determinazione della struttura, i problemi che rimangono in piedi riguardino principalmente definizioni e classificazione. L'analisi degli aspetti algebrici della chiralità ha condotto ad alcuni interessanti risultati matematici e può produrne ancora.

Man mano che si conosceranno le strutture dettagliate di un numero crescente di molecole, grazie all'applicazione di metodi fisici di analisi (diffrazione di raggi X, di neutroni, di elettroni, spettroscopia a microonde), probabilmente verranno scoperti molti generi di correlazione tra i diversi tipi di parametri geometrici. Queste correlazioni forniscono informazioni su quelle caratteristiche della superficie energetica multidimensionale (superficie di Born-Oppenheimer) che possono essere trasferite tra classi di molecole strettamente affini. Informazioni dello stesso tipo si possono ottenere, in linea di principio, mediante calcoli quantomeccanici; sarà interessante vedere in quale misura i due tipi di approccio al problema risulteranno complementari e si completeranno tra loro. Con lo sviluppo di campi di forza semiempirici, è possibile calcolare, con tecniche di minimizzazione dell'energia, strutture di equilibrio e insieme proprietà termochimiche e vibrazionali per molti tipi di molecole. Questo può essere già fatto per gli idrocarburi con un'accuratezza paragonabile a quella dei migliori metodi sperimentali, ma con minor dispendio di energie e di tempo. Una sfida per il futuro può essere l'applicazione di questi metodi per il calcolo delle conformazioni stabili di una proteina a partire dalla conoscenza della sua sequenza di amminoacidi.

Attualmente si sa molto poco sui modi secondo i quali gli atomi si riassestano durante le reazioni chimiche. Non mancano modelli qualitativi che riflettono l'essenza di questi riassestamenti, ma i particolari rimangono oscuri a causa della loro inaccessibilità agli studi sperimentali e delle difficoltà di ordine pratico connesse con l'esecuzione di calcoli quantomeccanici su modelli di sistemi tanto complessi. Un possibile approccio a questo problema sta nella correlazione tra parametri strutturali osservati in una serie di molecole affini o tra altre subunità che si trovino congelate in un edificio cristallino e pertanto siano sperimentalmente accessibili. Per esempio, i dati strutturali che si riferiscono alle interazioni intramolecolari N ... C=O in alcune strutture cristalline mostrano come, man mano che la distanza N ... C diminuisce, la funzione carbonilica diventi sempre meno planare e la distanza C−O aumenti. Queste variazioni ricordano la sequenza di variazioni che si pensa avvengano in una reazione di addizione nucleofila al carbonile e i dati possono perciò essere presi come base sperimentale per tracciare il percorso della reazione. È troppo presto comunque per stabilire se questo tipo di approccio possa essere di applicazione generale.

Ci possiamo anche aspettare di imparare qualcosa sugli aspetti stereochimici degli stati intermedi di una reazione dall'analisi strutturale di enzimi cristallini interagenti con substrati non naturali che imitino alcune proprietà di quelli naturali. I risultati sperimentali finora ottenuti inducono a ritenere che negli enzimi proteolitici (quelli che catalizzano l'idrolisi dei legami peptidici) la disposizione degli atomi vicini al sito attivo (ma non altrove) sia molto simile per tutti gli enzimi. Si possono in tal modo riconoscere, e forse anche riprodurre in composti sintetici, i requisiti strutturali necessari per un'attività catalitica ottimale. Un ulteriore lavoro lungo queste direttive fornirà, senza dubbio, problemi stereochimici per il futuro.

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