STEREOISOMERIA

STEREOISOMERIA (da στερεός "solido", ἴσος "uguale" e μέρος "parte")

Alla voce isomeria è indicato come per rendersi ragione di certi casi d'isomeria "non sia più sufficiente la formula di struttura nel piano, ma bisogni ricorrere alla disposizione degli atomi nello spazio". Questo concetto che è la base, anzi la definizione stessa, della stereoisomeria fu il coronamento dell'edificio della strutturistica chimica. Da quando, infatti, in base alla teoria della valenza formulata da E. Frankland (v. chimica: Chimica inorganica), sorgeva nei chimici il concetto della concatenazione degli atomi nella molecola, era aperto il capitolo della strutturistica molecolare, cioè di uno studio della disposizione degli atomi nella molecola, capitolo che ebbe subito poderosi sviluppi nelle mani di Kekulé e di A. S. Couper e che mise l'interpretazione del fenomeno dell'isomeria, già affermato dal Berzelius verso il 1830, sulla via della soluzione definitiva. Ma una volta affermato il concetto di una disposizione degli atomi nella molecola, inevitabilmente si doveva essere portati a pensare questi atomi distribuiti non nel piano, ma tridimensionalmente; e di ciò si trovano espliciti accenni fino dal 1860-61 nei lavori del Pasteur Recherches sur la dissymétrie moléculaire des produits organiques naturels, a proposito dei quali egli si domanda: "Sono questi atomi ordinati secondo le spirali di una scala a chiocciola, o secondo i vertici di un tetraedro irregolare o in qualche altra disposizione asimmetrica?"; e altri accenni ancora si trovano nel Lehrbuch der organischen Chemie del Kekulé (Erlangen, 1861-1864), dove si dice che è assurdo pensare che gli atomi di una molecola giacciano in un piano, come li rappresentiamo graficamente con le formule sulla carta. Questo concetto fu da lui confermato nel 1867, quando, nella Zeitschrift für Chemie osservava che per spiegare il comportamento di alcuni composti organici sarebbe vantaggioso scrivere le quattro valenze del carbonio non ai vertici di un quadrato, come fino allora si era fatto, ma ai vertici di un tetraedro regolare. D'altra parte, nel 1869, Emanuele Paternò, di Palermo, in un lavoro pubblicato nel Giornale di scienze naturali ed economiche (1869, p. 117), mostrò come, a spiegare l'esistenza di tre composti della formula greggia C₂H₄Br₂, senza venir meno al principio fondamentale che le quattro valenze del carbonio sono equivalenti, bastasse ammettere che esse fossero "disposte nel senso dei quattro vertici del tetraedro regolare".

Evidentemente dunque la strutturistica tendeva verso il suo corollario ultimo che un'interpretazione geometrica della distribuzione degli atomi nelle molecole dovesse essere tridimensionale; e di mano in mano che si trovavano composti che non si potevano rappresentare nel piano con le regole acquisite, andava delineandosi con insistenza l'idea di una disposizione tetraedrica delle quattro valenze e quindi degli elementi o gruppi legati all'atomo del carbonio.

La genialità dell'idea rifulse però in pieno soltanto nell'opera di J.-A: Le Bel, chimico francese, e specialmente in quella del van't Hoff, chimico fisico olandese, i quali, indipendentemente l'uno dall'altro, la formularono nel 1874, additandone tutta la portata e le conseguenze generali per la chimica del carbonio.

Da qui poi la stereochimica si estese almeno potenzialmente a tutte le altre branche della chimica, poiché oggi è concetto fondamentale che: 1. la disposizione tridimensionale degli atomi nella molecola sussiste presumibilmente in tutti i composti sia organici sia inorganici, ma è impossibile o arrischiato indagarne i particolari quando non sono disponibili criterî e metodi adeguati; 2. tutte le raffigurazioni che ci facciamo della disposizione degli atomi nella molecola sono soltanto l'espressione geometrica, e schematica, di un fatto fisico profondo, connesso con la struttura elettronica degli atomi e quindi della molecola stessa. È da aggiungere tuttavia che questo schema geometrico, là dove è stato possibile formularlo in modo geniale come per i composti organici, con l'ipotesi del carbonio tetraedrico, non può non rispondere in qualche modo alla realtà fisica suddetta, visto che tale schema è stato il filo conduttore che ha guidato con una sicurezza imperturbata i chimici attraverso la preparazione e lo studio di centinaia di migliaia di composti organici.

Il punto di partenza dell'opera di J.-A. Le Bel e di Y. H. van't Hoff fu la considerazione di composti del tipo dell'acido α-lattico CH₃•CHOH•COOH che, come risultava dalle ricerche di F. Wislicenus del 1873, esiste in due forme isomere, distinguibili l'una dall'altra per la diversità di una proprietà fisica, mentre tutte le altre proprietà sono identiche, e cioè per il fatto che un acido α-lattico ruota a destra, un altro acido α-lattico ruota in ugual misura, ma a sinistra, il piano della luce polarizzata. Fatti consimili erano stati messi in evidenza, nel 1860 dal Pasteur per l'acido tartarico, che compariva anch'esso in due forme otticamente attive in ugual misura ma l'una destrogira e l'altra sinistrogira, dette anche antipodi ottici, o forme enantiomorfe. Si era constatato altresì che una miscela a parti uguali dei due antipodi ottici dà luogo a un miscuglio o composto racemico, che è inattivo sulla luce polarizzata, evidentemente perché l'attività ottica dei due enantiomorfi mescolati in parti uguali si compensa. Per l'acido tartarico infine, si sapeva, che esiste anche una forma inattiva non racemica. Questi fatti d'isomeria ottica, cioè l'esistenza di composti identici sotto ogni rispetto e per tutte le proprietà chimiche e fisiche tranne una: il potere rotatorio ottico, uguale ma di segno contrario nelle due forme enantiomorfe, furono, una volta noti i casi precedenti, riscontrati ben presto in molte altre sostanze. Di più, in tutte queste si stabilì ehe il potere rotatorio sussiste quando esse si trovino allo stato di soluzione, di fusione e anche di vapore (per es., nella canfora).

Ora, che esistessero sostanze solide capaci di rotare il piano della luce polarizzata era stato scoperto da Arago per il quarzo fino dal 1811, e si era poi visto che la caratteristica dei cristalli destieiri e sinistrogiri di quarzo è quella che gli uni sono l'immagine speculare non sovrapponibile degli altri, cioè che stanno tra loro nel rapporto geometrico in cui la mano destra sta alla mano sinistra, le dita delle quali possono combaciare, ma non sovrapporsi. Ma per il quarzo, come per altri cristalli otticamente attivi, si ha che fondendo o sciogliendo queste sostanze, l'attività ottica scompare: e l'insieme di. questi fatti aveva portato all'idea che l'attività ottica risiedesse nelle disposizioni enantiomorfe delle molecole (o gruppi di molecole) nel reticolo cristallino. Perciò, quando si scoprì che le sostanze di cui si è detto prima, conservano il loro potere rotatorio anche dopo fusione o soluzione e perfino dopo vaporizzazione, nelle menti più antiveggenti sorse il pensiero che qui l'attività ottica fosse da riportarsi a disposizioni asimmetriche degli atomi, o di gruppi di atomi, nella molecola. Questa fu la base di quella intuizione contenuta nelle parole che il Pasteur aveva formulato, nel 1860, dopo i suoi studî sulle isomerie degli acidi tartarici, e che abbiamo riportato in principio. Doveva passare ancora circa un quindicennio - e in questo affermarsi il concetto della tetravalenza del carbonio, e della equipollenza delle quattro valenze di esso - perché si arrivasse all'ipotesi che là dove, come nei composti otticamente attivi si dovesse cercare un'asimmetria nella molecola, questa fosse da riportarsi al fatto che le quattro valenze, pur equipollenti e simmetricamente disposte, fossero asimmetricamente saturate, cioè saturate da quattro radicali diversi l'uno dell'altro, posti ai vertici di un tetraedro regolare di cui l'atomo di carbonio occupi il centro: e tale carbonio saturato con quattro radicali diversi fu detto appunto asimmetrico.

Quest'ipotesi dell'atomo di carbonio tetraedrico è quella che rende conto completamente di tutti i fatti sperimentali noti. Infatti a render conto della tetravalenza e dell'equipollenza delle quattro valenze potrebbe anche bastare il supporre i quattro radicali ai vertici di un quadrato (disposizione piano-simmetrica: fig. 1); ma allora, ove i quattro radicali fossero a due a due diversi, cioè per un composto di formula bruta CR′R′RR, si avrebbe la possibilità geometrica di due isomeri

che l'esperienza invece mostra che non esistono. Per converso, ammettendo la struttura tetraedrica (fig. 2) questa soddisfa come la piano-simmetrica alla tetravalenza e alla equipollenza delle quattro valenze (rappresentate da segmenti di ugual lunghezza che formano tra loro angoli uguali), ma in più è in accordo col fatto sperimentale che esiste un solo composto CR′R′RR; infatti comunque si permutino i radicali R′, R′, R, R nei vertici del tetraedro, si arriva sempre a una stessa disposizione. Lo stesso potrebbe dirsi per il composto della formula bruta CRR′R′R″.

Per quattro sostituenti diversi (carbonio asimmetrico) cioè per un composto della formula bruta CR′R″R‴R″″, la struttura nel piano porterebbe a tre isomeri

Al contrario la formula tetraedrica porta in questo caso alla sola possibilità di due isomeri combaciabili, ma non sovrapponibili comunque si ruotino, che sono dunque immagine speculare l'uno dell'altro (fig. 3) e ciò interpreta univocamente l'esperienza, la quale mostra appunto che nel caso dell'atomo di carbonio con 4 sostituenti diversi si hanno sempre due isomeri ottici, come mostra altresì che l'attività ottica scompare non appena due o più dei quattro sostituenti divengono uguali.

Sarebbe facile dimostrare anche che altre ipotesi geometriche, per es., quella della disposizione piramidale (atomo del carbonio nel vertice di una piramide a base quadrata e 4 valenze nei vertici di questa base) non rispondono, per varî sostituenti uguali o diversi, ai fatti sperimentali, come fa la teoria del tetraedro regolare sopra svolta. A illustrare didatticamente tutti gli aspetti di questa teoria sarebbe utile servirsi di piccoli modelli schematici del carbonio tetraedrico regolare, formati da una sferetta centrale (fig. 4) in cui siano infilate quattro asticelle di ugual lunghezza, facenti tra loro angoli di 109° 28′, e perciò volti verso i vertici del tetraedro, nei quali si pongono gli atomi o i gruppi saturanti. Ma può riuscire ugualmente evidente considerare la proiezione, nel piano, del tetraedro regolare orientato in modo da avere gli spigoli paralleli al piano del foglio, sopprimendo poi gli spigoli esterni (fig. 5).

Si deve tener sempre presente che l'immagine precedente non vuol rappresentare la molecola intesa come bidimensionale, ma la proiezione della molecola effettivamente tridimensionale. Dei varî modi proposti per rappresentare nel piano l'atomo tetraedrico, questo, dovuto al Fischer, si è dimostrato il più pratico ed evidente, particolarmente per il caso che si abbiano legati tra loro più atomi di carbonio. Allora si può anche sopprimere il simbolo C (posto nel centro del tetraedro) e al di qua e al di là della retta congiungente le proiezioni dei tetraedri collegati si pongono i radicali saturanti. Così, per esempio:

I due COOH che nella figura tridimensionale si trovano su un piano retrostante a quello degli altri sostituenti, si scrivono al disopra e al disotto della retta congiungente. Quando i carbonî collegati sono più di due, in realtà nello spazio essi si trovano disposti (dato che le valenze sono orientate verso i vertici dei tetraedri) non lungo una stessa retta, ma o a zig-zag o a spirale (fig. 7): nella proiezione schematica però si prescinde da questo e si suppongono i varî carbonî collegati lungo una retta al di qua e al di là della quale si scrivono i radicali saturanti le valenze libere, quali essi risultano disposti nella proiezione.

Si possono indicare anche tutti i carbonî (cioè non sopprimere i simboli C).

Nel composto sopra raffigurato in proiezione, che è un aldoesoso e precisamente il d.-glucosio, si hanno 4 atomi di carbonio asimmetrici quelli mediani: questi sono disuguali in asimmetria, o, come si dice non equivalenti, perché, come si vede, i 4 gruppi diversi saturanti ciascuno carbonio asimmetrico sono poi diversi da carbonio a carbonio. Così il 1° carbonio asimmetrico (dall'alto) è saturato dai quattro gruppi

il 2° carbonio è saturato dai quattro gruppi

e via di seguito.

Si può avere invece il caso che i carbonî asimmetrici contenuti nella molecola siano equivalenti tra di loro, cioè che i quattro gruppi di versi saturanti ciascun carbonio siano uguali da carbonio a carbonio ciò si può avere negli acidi bibasici, negli alcoli polivalenti, ecc. Così nell'acido tartarico

i due carbonî segnati con asterisco sono asimmetrici equivalenti, perché ciascuno saturato dai quattro gruppi COOH, H, OH, CHOH − COOH.

Ciascun atomo di carbonio asimmetrico porta nella molecola il suo contributo di potere rotatorio, che sarà diverso in grandezza a seconda dei 4 gruppi saturanti diversi, e per il segno dipenderà dalla disposizione dei 4 gruppi. Il potere rotatorio totale della molecola dipenderà dalla somma algebrica di questi contributi singoli. La rappresentazione grafica di tale disposizione, sia tridimensionale sia in proiezione, non può dirci in modo assoluto quale sarà il segno del potere rotatorio di un atomo di carbonio, ma una volta stabilito che una disposizione spetta, per es. al carbonio destrogiro, la disposizione immagine speculare di questa in dica necessariamente un carbonio di potere sinistrogiro uguale in grandezza a quello del destrogiro.

Dalle figure di proiezioni si potrà ora facilmente dedurre se si tratti realmente d'immagini speculari non sovrapponibili oppure no. Così se si considerano le quattro seguenti proiezioni della molecola dell'eritrite

si vede subito che la IV differisce solo in apparenza dalla III, perché basta ruotare di 180° nel piano della carta (piano di proiezione) una delle due formule, per portarla a coincidere con l'altra, mentre per portare a coincidere la I con la II occorrerebbe ruotare di 180° in un piano perpendicolare a quello di proiezione, ciò che non si deve fare, perché per stabilire l'identità di due figure proiettate, la rotazione si deve fare nel piano d proiezione. Quindi soltanto le forme I e II sono immagini speculari l'una dall'altra non sovrapponibili e perciò rappresentano le due forme enantiomorfe.

Per confrontare il senso della rotazione che esercitano sulla luce polarizzata varî atomi di carbonio asimmetrici si può stabilire convenzionalmente una sequenza di gruppi (fig. 8). Così nel secondo carbonio (dall'alto) della formula I dell'eritrite, se si considera la sequenza OH, CHHOH, H, CHOH−CHHOH, si ha una rotazione nel senso contrario a quello degl'indici di un orologio: lo stesso si ha per l'altro carbonio asimmetrico della formula I: il potere rotatorio dei due carbonî asimmetrici è dunque dello stesso segno, ed essendo i due carbonî equivalenti è anche identico in valore. Nella II per la stessa sequenza di gruppi si ha invece rotazione nel senso degl'indici di un orologio per tutti e due i carbonî: quindi se la molecola I è, per esempio, destrogira, la II sarà sinistrogira e di uguale quantità (antipodi ottici). Nella formula III invece (o nella IV) la rotazione per l'un carbonio asimmetrico, considerando la solita sequenza di gruppi, è contraria alla rotazione dell'altro carbonio asimmetrico: quindi l'uno è destro, l'altro sinistrogiro, e poiché essi sono anche equivalenti, il potere rotatorio dell'uno annulla quello dell'altro, e quindi la molecola è - come si dice - otticamente inattiva per compensazione interna. Un altro modo di esprimere geometricamente questo fatto si ha osservando che una retta orizzontale passante tra i due carbonî asimmetrici, mentre divide I e II in due metà non immagine speculare l'una dell'altra, divide invece la III in due immagini (di proiezione) speculari non sovrapponibili per rotazione (nel piano della carta), che è la condizione dell'enantioamorfismo: pertanto in questo caso, come per la molecola dell'acido tartarico, si hanno quattro possibilità: la forma destrogira, la forma sinistrogira, il racemo, la forma inattiva per compensazione interna.

Possiamo ora considerare in modo generale i seguenti casi di molecole con carbonî asimmetrici: molecole con n atomi di carbonio asimmetrici non equivalenti; molecole con n atomi di carbonio asimmetrici equivalenti con n numero pari e con n numero dispari. Abbiamo visto esempî del 1° e del 2° caso: il 3° caso si ha, p. es., in una pentrite:

Dei tre carbonî mediani, i due laterali sono sempre asimmetrici: quello centrale può essere non asimmetrico, se la parte della molecola posta a destra di esso (scrivendo orizzontalmente, come qui si è fatto) è uguale alla parte posta a sinistra: altrimenti esso può variamente influire sulle altre asimmetrie della molecola (carbonio pseudoasimmetrico). Si dimostra ora che per n atomi di carbonio asimmetrici disuguali si hanno 2ⁿ antipodi ottici e quindi 2^n-1 racemi; per n carbonî asimmetrici equivalenti, in formule simmetriehe come quelle prima viste per l'eritrite, ecc., per n pari, si hanno 2^n-1 + 2^n/2-1 stereoisomeri totali, di cui 2^n/2-1 inattivi per compensazione interna e il resto antipodi ottici: racemi 2^n-2; se n è dispari, si hanno 2^n-1 stereoisomeri totali di cui 2^(n-1)/2 inattivi per compensazione interna e il resto antipodi ottici: racemi 2^n-2 − 2^(n-1)/2-1. Se le formule non sono simmetriche, la questione va esaminata caso per caso. Quando poi si abbiano composti ciclici, possono intervenire asimmetrie della molecola presa come un tutto che complicano ancora il problema di stabilire formule generali per il numero degli stereoisomeri.

A proposito degli stereoisomeri attivi è opportuno notare che si indica il loro potere rotatorio col numero dei gradi di cui essi -ruotano il piano della luce polarizzata, e col segno + e − secondoché sono destrogiri o sinistrogiri. Le notazioni d. (destro) e l. (levo) indicano rapporti genetici con composti di tal segno, senza che necessariamente essi lo conservino. Così il d.-fruttosio è levogiro (−91°4′).

È evidente che un composto inattivo per compensazione interna non può essere sdoppiato nelle due parti enantiomorfe della molecola, perché ciò porterebbe allo spezzamento della molecola stessa: perciò gl'inattivi per compensazione interna si dicono anche inattivi non sdoppiabili, per distinguerli dai racemi che sono inattivi sdoppiabili, dato che i racemi sono formati dal 50% di composto destrogiro e del 50% di sinistrogiro, uniti tra loro a dare o veri e proprî composti, detti composti racemici (o semplicemente racemi), o cristalli misti che taluno chiama anche pseudoracemi, o miscugli meccanici (conglomerati). Con i dettami della regola delle fasi si può stabilire in quali dei tre casi suddetti ci si trovi.

Comunque ha somma importanza il fatto che tutte le volte che si prepara in laboratorio un composto di struttura asimmetrica, si ottiene sempre il racemo e non uno dei due antipodi ottici; solo la natura produce, e non se ne conosce né il meccanismo né la ragione, la forma attiva isolata. Tuttavia, dal Pasteur in poi, si è imparato a scindere il racemo negli antipodi ottici: i metodi sono varî, come ora vedremo, ma in tutti c'è l'intervento di una forza naturale dissimmetrica. Un riflesso di questo si ha nel fatto che talvolta gli antipodi ottici presentano qualche proprietà distintiva biologicamente sensibile: per es., l'asparagina destrogira è dolce, la sinistrogira è insipida.

Così si può scindere il racemo facendolo, in certi casi, cristallizzare in zone di temperatura in cui si hanno miscugli meccanici di parti uguali dei cristalli dei due antipodi: ora questi presentano faccette emiedriche destrorse e sinistrorse rispettivamente, e quindi si può farne la cernita. È questa la celebre esperienza del Pasteur sul tartrato sodico ammonico, che al disotto di 28° dà le due forme cristalline enantiomorfe. Un secondo metodo di separazione consiste nel far combinare il racemato, per es., con acidi o basi naturali otticamente attivi. Allora se il racemo (+ A) (− A) si combina, per es., con una sostanza destrogira (+ B), si avranno i due composti (+ A) (+ B) e (− A) (+ B), che, non avendo più lo stesso valore assoluto di attività ottica, cioè non essendo più antipodi ottici, hanno alcune proprietà diverse, per es., la solubilità, e si possono separare. In modo analogo (3° metodo) si può esterificare un acido racemico con alcoli otticamente attivi: la velocità di esterificazione essendo diversa, si può operare la separazione. Quarto metodo è quello di sottoporre il racemo all'azione di certi microrganismi (es., Penicillium glaucum) o di enzimi, i quali sono strutturati asimmetricamente: questi distruggono una forma a preferenza di un'altra. Tutte queste sono analisi asimmetriche. Si possono compiere anche sintesi asimmetriche, cioè preparare, sempre però per mezzo di un composto otticamente attivo preesistente, un nuovo composto attivo da un inattivo. Infine si ha la cosiddetta inversione di Walden, per la quale da un composto attivo, con appropriate reazioni, si passa all'antipodo ottico: ciò è basato sul fatto che sostituendo un radicale con un altro in un carbonio asimmetrico non sempre si ottiene un derivato di ugual segno, ma si può ottenere quello di segno opposto: allora con un ciclo di trasposizioni consimili si può arrivare all'enantiomorfo del composto primitivo: il meccanismo intimo dell'inversione non è di facile interpretazione.

Quando si ha nella molecola più di un carbonio asimmetrico (o in generale più di un centro di asimmetria) può anche darsi il caso che in due composti, pur con gruppi sostituenti uguali, si abbiano disposizioni che non sono totalmente immagini speculari l'una dell'altra: allora i due composti potranno anche avere attività ottiche di segno contrario, ma queste non potranno essere di uguale entità, date le diverse distanze dei gruppi dai centri di asimmetria: i due composti si chiamano allora diastereoisomeri, e differiscono per varie proprietà fisiche e chimiche.

La teoria dell'atomo di carbonio tetraedrico non si ferma al solo campo dell'isomeria ottica fin qui illustrata: essa rende conto anche della cosiddetta (stereo)isomeria geometrica, che apparisce nei composti a doppio legame. Con le formule piano-simmetriche ci si rende conto, per questi composti, delle varie isomerie finché i gruppi legati alle valenze libere del carbonio non oltrepassano un certo numero di diversità, ma crescendo queste, tali formule non bastano più a rappresentare i diversi isomeri conosciuti, tanto che questi una volta furono raggruppati in una categoria oscura col nome di alloisomeri: con lo schema tetraedrico regolare essi trovano, come mostrarono già van't Hoff e J. Wislicenus, perfetta interpretazione: in tale schema il doppio legame è rappresentato dall'unione di uno spigolo di ciascuno dei due tetraedri (fig. 9): come proiezione schematica si può adoprare quella della fig. 9, a destra. Analogamente il triplo legame sarebbe rappresentato dall'unione di due tetraedri per una faccia. È da osservare che le due coppie di H si trovano in due piani, uno antistante, l'altro retrostante allo spigolo di riunione dei due tetraedri. I due schemi rappresentano la molecola dell'etilene: perciò la isomeria geometrica si chiama anche isomeria etilenica. Il doppio legame blocca i due atomi di carbonio collegati, mentre per un legame solo si ammette generalmente che si abbia possibilità di rotazione, per cui le posizioni fisse di cui abbiamo parlato nel caso dei legami semplici si debbono intendere solo come posizioni di equilibrio. Se si ammette che le valenze collegate nel doppio legame si distendano, si ha la tensione ammessa dalla teoria di Baeyer. A proposito della quale è anche da notare che la teoria del tetraedro regolare permette di calcolare il grado di tensione, dalla differenza tra gli angoli che le valenze fanno nel tetraedro e quelli che esse fanno in una disposizione, per es., ad anelli, di varî atomi di carbonio: si vede così che gli anelli col minimo di tensione sono quelli polimetilenici a 5 0 6 atomi di carbonio, secondo che si ammetta la disposizione dei carbonî tutti in un piano o una disposizione sghemba.

Tornando al doppio legame, essendo, come si è detto, bloccati i due carbonî metilenici, sorge, quando si abbiano due sostituenti diversi, la possibilità di due isomeri geometrici come i seguenti:

cioè in due forme dette: trans la prima, dove i sostituenti uguali sono in posizioni alterne rispetto ai due carbonî, e cis la seconda, dove i sostituenti uguali sono dalla stessa parte. Si conoscono molti composti di questo genere, dove compaiono anche varî doppî legami con disposizioni trans e cis. Esempio:

Estendendosi poi il significato della figura 9, può darsi che questa isomeria geometrica comparisca comunque siano collegati i due gruppi metilenici aventi sostituenti diversi, e perciò anche nel caso che tra i due intercedano uno o più anelli (fig. 10).

Se nella molecola, oltre alle disposizioni trans e cis, si hanno anche carbonî asimmetrici, all'isomeria geometrica può aggiungersi l'isomeria ottica. Ma interviene anche un'altra possibilità che mostra il significato più profondo della teoria dell'asimmetria. Infatti negli anelli polimetilenici i gruppi legati ai carbonî metilenici sono su due piani diversi, come può dedursi dalla fig. 9: perciò se i gruppi legati a varî carbonî metilenici sono diversi, si possono avere varie forme trans e cis per una stessa formula bruta. Ora le forme trans e cis non sono di per sé asimmetriche, come mostrano le due formule dell'acido maleico e dell'acido fumarico per ognuna delle quali esiste un piano di simmetria, orizzontale per il primo, diagonale per il secondo; ne deriva che le forme trans e cis non dànno di per sé isomeria ottica. Se però l'insieme della molecola assume una forma che ammetta un'immagine speculare non sovrapponibile, allora tale molecola è otticamente attiva e la sua forma enantiomorfa è il suo antipodo ottico. Esempio di questo è l'alcool esavalente ciclico inosite (CHOH)₆ di cui esistono otto isomeri geometrici, due dei quali sono antipodi ottici per asimmetria complessiva della molecola (fig. 11).

Ciò mostra che perché esista attività ottica, l'esistenza di centri di asimmetria è condizione sufficiente ma non necessaria. Necessario e sufficiente è invece che la molecola sia asimmetrica, tale cioè da dare un'immagine speculare non sovrapponibile. Perché questo accada, là dove non ci sono centri di asimmetria, è necessario che la molecola sia bloccata almeno in certe parti, come accade nei doppî legami, ed è per questo che, per esempio, nei derivati del difenile l'isomeria ottica non apparisce fintantoché nelle posizioni 2, 6 e 2′, 6′ (fig. 12) non si abbiano gruppi sostituenti che costituiscano un impedimento sterico alla rotazione, o almeno alla completa rotazione, dei due esagoni l'uno rispetto all'altro: allora comparisce la possibilità dell'asimmetria della molecola come un tutto, e quindi delle due forme enantiomorfe come quella della fig. 12, che sono state effettivamente ottenute dal racemo.

L'asimmetria complessiva della molecola non costituisce però un caso frequente (benché taluni pensino che certi composti inattivi possano essere racemi fin qui non scissi): i casi più frequenti di asimmetria sono dovuti a centri asimmetrici e più di tutto a carbonî asimmetrici: ma non soltanto a questi, ché, fondandosi sulla teoria del carbonio asimmetrico si è cercata e si è constatata l'asimmetria di molti altri elementi in composti organici e anche in composti inorganici.

Tra gli elementi capaci di funzionare da centri asimmetrici prima di tutto è l'azoto: varie furono le ipotesi geometriche per raffigurare l'azoto, per esempio, degli ammonî quaternarî: ormai, ammettendosi la teoria di Werner della valenza coordinativa 4, si accetta anche per l'azoto il tetraedro e quindi si hanno le stesse relazioni che per il carbonio, con la differenza che qui si ha una carica elettrica positiva rispondente a quella negativa dell'anione che è esterno al tetraedro. Oltre che negli ammonî quaternarî, l'azoto tetraedrico rende conto delle stereoisomerie degli spirani azoto-sostituiti, ecc. A conferma dell'azoto tetraedrico si hanno le isomerie geometriche con derivati trans e cis paragonabili a quelle viste prima per il carbonio (fig. 13).

Per l'azoto trivalente (per es., in NH₃, nelle ammine, ecc.) sono state considerate le possibilità di una configurazione nel piano (triangolare) e di una configurazione piramidale con l'atomo di azoto al vertice di una piramide triangolare e le tre valenze volte verso i vertici del triangolo di base. Qui è da segnalare come, mentre per la stereochimica del carbonio sono state fondamentali e decisive le considerazioni chimiche, cioè i fatti d'isomeria di cui si è tanto parlato in tutto quello che precede; e i metodi fisici (momento dipolare, ricerche interferometriche, spettro di bande, effetto Kerr, spettroscopia nell'ultrarosso, effetto Raman, calori specifici) hanno servito nella massima parte dei casi come conferme di ciò che derivava dalle considerazioni chimiche - per molti degli altri elementi, i moderni metodi fisici hanno servito (o coadiuvato) alla risoluzione di questioni stereochimiche altrimenti malamente risolvibili. Così, per il problema della configurazione dell'azoto trivalente, lo studio del momento dipolare dell'ammoniaca, ecc., ha portato ad accettare la configurazione piramidale; e lo studio dello spettro a bande ha precisato che l'angolo al vertice deve essere circa di 105°, cioè molto vicino a quello del tetraedro, ciò che spiega tante unioni tra carbonio e azoto. Ammessa tale configurazione si avrebbe la possibilità di forme otticamente attive delle ammine del tipo Nabc e d'isomeri trans e cis (dette anche sin e anti) per atomi di azoto legati con doppio legame. Questa seconda conclusione si riscontra infatti nelle ossime, negl'idrazoni, nei diazocomposti, mentre la prima conclusione dell'attività ottica delle ammine terziarie "asimmetriche" non si è mai realizzata sperimentalmente per quanti tentativi si siano fatti, ciò che fa sorgere l'ipotesi di un'oscillazione della configurazione dell'azoto trivalente da piramidale a triangolare (piana). La fig. 14 dà l'unione per doppio legame tra il carbonio tetraedrico e l'azoto trivalente piramidale in un composto sin e anti.

A composti otticamente attivi nell'azoto piramidale si può arrivare quando, essendo questo legato per doppio legame al carbonio, il gruppo legato alla terza valenza non è nel piano del doppio legame.

Anche per gli altri elementi le moderne indagini fisico-chimiche, integranti quelle direttamente chimiche, hanno portato molto avanti i problemi strutturistici. Così, da determinazioni di momento dipolare si conclude che le valenze dell'ossigeno fanno tra loro un angolo assai vicino a quello del tetraedro regolare, che però varia col variare dei gruppi legati all'ossigeno, come del resto col variare dei gruppi si ammette che anche il tetraedro del carbonio subisca spostamenti. È interessante che, dato l'angolo delle valenze dell'ossigeno, negli eteri dell'idrochinone si può avere una rotazione, per es., del radicale metilico (fig. 15).

Anche per i derivati bivalenti dello zolfo, del selenio e del tellurio si hanno valenze ad angolo. Per i derivati di valenza coordinativa 3, sia per quelli del tipo rR' S−R...r+ Xh, sia per quelli del tipo

sia per quelli del tipo

si deve ammettere una configurazione piramidale a base triangolare come per l'azoto trivalente, e qui si conoscono i composti otticamente attivi che mancano per le ammine asimmetriche (W. J. Pope e S. J. Peachy, 1900): quando poi lo zolfo (selenio e tellurio) piramidale è legato per doppio legame, si hanno composti cis e trans.

Per gli elementi tetravalenti, silicio, germanio, stagno, si hanno forme tetraedriche e atomi asimmetrici come per il carbonio, e quindi le forme otticamente attive enantiomorfe, i racemi, ecc. La stessa struttura tetraedrica si ha per elementi del V gruppo e di altri gruppi, aventi valenza coordinativa 4: così per l'arsenico, il fosforo, il boro, il berillio, il rame, lo zinco, ecc.: però per i primi due si conoscono i composti attivi, dove l'elemento è centro di asimmetria: per gli altri, si hanno piuttosto complessi che costituiscono una molecola asimmetrica come un tutto.

In altri elementi (platino, palladio, cobalto) la valenza coordinativa 4 si esplica in forme piano-simmetriche. Qui si è già nella zona dei composti inorganici di coordinazione del Werner (1893), dove si hanno poi gl'interessanti casi d'isomeria e di stereoisomeria dei composti degli elementi esacoordinativi (principalmente cobalto, nichelio, platino, ecc. Per questi composti potevano essere discusse le configurazioni esagonale, piramidale a base esagona, prismatica, ottaedrica. Col metodo generale del confronto tra gl'isomeri derivanti da questi 4 schemi nel caso di varî gruppi coordinati, e gli isomeri realmente esistenti, il Werner concluse con perfetta sicurezza per lo schema ottaedrico. In base a questo sono prevedibili, e si conoscono, per i composti della formula Me a₃b₃ le due forme, e solo le due forme cis e trans della fig. 16, e le seguenti forme di antipodi ottici (Werner 1911) per i composti della formula (I) Me en a₂b₂, (II) Me en₂ a₂ e Me en₂ ab, (III) Me en₃, (IV) Me en₂ A (dove en significa etilendiammina), i quali, come mostra la fig. 17, dànno molecole asimmetriche.

La conferma di queste stereoisomerie ottaedriche dei composti di coordinazione si ha anche nel fatto che le ricerche rontgenografiche hanno mostrato che nello stato cristallino i complessi hanno reticoli elementari ottaedrici. Inoltre sulla base dello schema ottaedrico si sono potute seguire in questi complessi altre più complicate stereoisomerie a centri sterici multipli.

Bibl.: Y. H. van't Hoff, Voorstel tot uitbreiding der structuur formules in de ruimte, 1874; Bulletin de la Société chimique de Paris, XXII (1874), p. 337; Werner, Lehrbuch der Stereochemie, 1904; St. Goldschmidt, Stereochemie, Lipsia 1933.