Izomerie optică

Un atom de carbon asimetric, notat ${\mathrm{C}}^{\ast }$, este legat de patru substituenți diferiți. O moleculă cu un singur ${\mathrm{C}}^{\ast }$ există în două forme imagine în oglindă, nesuperpozabile: enantiomeri. În aceleași condiții, ei rotesc planul luminii polarizate cu același unghi în sensuri opuse: dextrogir (+), spre dreapta, și levogir (−), spre stânga. Amestecul racemic, cu proporții egale ale enantiomerilor, este optic inactiv. Literele D/L indică înrudirea configurației cu glicerinaldehida de referință; nu indică sensul rotației.

Cum se caută atomii asimetrici. Se examinează pe rând fiecare atom de carbon saturat și se compară cei patru substituenți ai lui, pe întreaga lor lungime. Atomii din grupele $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ au cel puțin doi atomi de hidrogen identici, iar atomii din legături duble sau triple au mai puțin de patru substituenți; niciunul dintre ei nu este asimetric.

Cum se deosebesc enantiomerii. Doi enantiomeri au aceeași temperatură de topire, aceeași solubilitate în apă și aceleași reacții cu reactivi achirali; diferă sensul rotației planului luminii polarizate, măsurat cu polarimetrul. În organisme, enzimele deosebesc enantiomerii: aminoacizii din proteine aparțin seriei L, iar glucoza din natură aparține seriei D.

Seriile D și L. Seria D și seria L se definesc prin comparație cu glicerinaldehida, $\mathrm{HOC}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{CHO}$. Un compus aparține seriei D dacă atomul asimetric de referință are aceeași configurație ca D-glicerinaldehida: la glucide este atomul asimetric cel mai depărtat de grupa carbonil, iar la aminoacizi este carbonul $\alpha$, cel care poartă grupa $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$. Semnul (+) sau (−) nu rezultă din litera D sau L, ci se măsoară cu polarimetrul.

Amestecul racemic. Un amestec echimolar de enantiomeri nu rotește planul luminii polarizate, deoarece rotațiile se compensează. Sintezele din reactanți fără activitate optică dau amestecuri racemice.

Pentru $n$ atomi asimetrici distincți, numărul maxim de stereoizomeri este $2^n$.

Exemplu rezolvat 1: 3-metilhexanul, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{CH}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3)\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$.

1. Atomii C1, C2, C4, C5, C6 și grupa metil de la C3 nu au patru substituenți diferiți: grupele $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ au cel puțin doi H.
2. Atomul C3 poartă H, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ (etil) și $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ (propil): patru substituenți diferiți.
3. Există un singur ${\mathrm{C}}^{\ast }$, deci $2^1=2$ stereoizomeri, un enantiomer dextrogir și unul levogir.

Exemplu rezolvat 2: care dintre pentanolii cu catenă liniară are atom asimetric?

1. Pentan-1-ol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2{)}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$: atomul care poartă OH este $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, deci nu este asimetric.
2. Pentan-2-ol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$: C2 poartă H, OH, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și propil, patru substituenți diferiți.
3. Pentan-3-ol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$: C3 poartă doi radicali etil identici.
4. Singur pentan-2-olul prezintă izomerie optică.

Exemplu rezolvat 3: forma aciclică a glucozei, $\mathrm{CHO}-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$.

1. Carbonul aldehidic C1 și carbonul $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$ C6 nu au patru substituenți diferiți.
2. C2, C3, C4 și C5 au fiecare H, OH și două fragmente de catenă diferite: sunt patru atomi asimetrici.
3. Numărul maxim de aranjări este $2^4=16$.
4. Glucoza reprezintă una dintre aceste aranjări; enantiomerul ei este imaginea nesuperpozabilă în oglindă.

Exemplu rezolvat 4: rotația unui amestec. Admitem că o soluție de enantiomer (+) pur, cu concentrația 4 mol/L, rotește planul luminii polarizate cu $+20^{\circ }$, în condiții precizate. Amestecul B conține 3 mol (+) și 1 mol (−) la 1 L, în aceleași condiții.

1. Un mol (+) și un mol (−) formează o pereche racemică: rotația ei este $0^{\circ }$.
2. Din amestecul B rămâne neîmperecheat $3-1=2$ mol de enantiomer (+).
3. Rotația este proporțională cu concentrația netă: $\frac{2}{4}\cdot 20^{\circ }=+10^{\circ }$.

Exemple rezolvate

Exemplul 1: care molecule au carbon asimetric

Care dintre următorii compuși au atom de carbon asimetric: glicina, alanina, 2-propanolul, 2-butanolul, 3-metilhexanul?

1. Glicina, H₂N–CH₂–COOH: carbonul 2 are doi atomi de hidrogen; nu.
2. Alanina, CH₃–CH(NH₂)–COOH: carbonul 2 are –H, –NH₂, –CH₃ și –COOH; da.
3. 2-Propanolul, CH₃–CH(OH)–CH₃: carbonul 2 are două grupe –CH₃; nu.
4. 2-Butanolul: carbonul 2 are –H, –OH, –CH₃ și –CH₂–CH₃; da.
5. 3-Metilhexanul, CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₃: carbonul 3 are –H, –CH₃, –CH₂–CH₃ și –CH₂–CH₂–CH₃; da.

Exemplul 2: numărul de stereoizomeri

Câți stereoizomeri are 2,3-dihidroxibutanalul, CH₃–CH(OH)–CH(OH)–CHO? Dar 2,3-dibromobutanul, CH₃–CHBr–CHBr–CH₃?

1. La 2,3-dihidroxibutanal, atomii de carbon 2 și 3 sunt asimetrici și au substituenți diferiți (unul are –CHO, celălalt –CH₃): $2^2=4$ stereoizomeri, adică două perechi de enantiomeri.
2. La 2,3-dibromobutan, cei doi atomi asimetrici au aceiași substituenți (–H, –Br, –CH₃ și restul moleculei), deci una dintre combinații are un plan de simetrie: o mezoformă. Rămân 3 stereoizomeri: doi enantiomeri și forma mezo.

Înainte și după

• Înainte: izomeria de constituție și izomeria geometrică, din lecția despre izomerie; structura tetraedrică a atomului de carbon sp³.
• După: aminoacizii și glucoza, unde izomeria optică explică formele naturale.

Exemplu (complement grupat). Prezintă izomerie optică:

1. butan-2-olul, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$
2. butan-1-olul, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$
3. alanina, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2)\mathrm{COOH}$
4. glicina, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{N}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{COOH}$

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: la butan-2-ol, C2 are H, OH, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5$; la alanină, C2 are H, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și $\mathrm{COOH}$; deci afirmațiile 1 și 3 sunt adevărate. Butan-1-olul nu are atom asimetric, pentru că atomul care poartă OH este o grupă $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$. Glicina nu are atom asimetric, pentru că are doi atomi de H pe carbonul central; deci afirmațiile 2 și 4 sunt false. Răspuns corect: B.

Numărul de stereoizomeri. Acidul lactic $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{COOH}$, alanina și 2-clorobutanul au câte un ${\mathrm{C}}^{\ast }$ și câte doi enantiomeri. Glucoza are patru atomi de carbon asimetrici în forma aciclică, deci cel mult 16 stereoizomeri (8 din seria D și 8 din seria L). Fructoza, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}-\mathrm{CO}-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$, are trei atomi asimetrici (C3, C4, C5) și cel mult $2^3=8$ stereoizomeri. 2,3-Dibromopentanul, cu doi atomi asimetrici diferiți, are $2^2=4$ stereoizomeri, adică două perechi de enantiomeri. 2-Bromo-3-clorobutanul are tot patru stereoizomeri. În 2,3-dibromobutan, cei doi atomi asimetrici au aceiași substituenți, deci numărul stereoizomerilor scade la trei: o pereche de enantiomeri și o mezoformă. Mezoforma are plan de simetrie în moleculă, care compensează rotațiile celor doi atomi asimetrici, deci este optic inactivă.

Un compus cu trei atomi asimetrici diferiți are $2^3=8$ stereoizomeri, adică patru perechi de enantiomeri.

Dintre aminoacizii glicină ($\mathrm{R}=\mathrm{H}$), alanină ($\mathrm{R}=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$) și serină ($\mathrm{R}=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$), numai glicina nu are atom asimetric, deoarece carbonul ei central poartă doi atomi de hidrogen.

Polarimetrul măsoară unghiul și sensul rotației luminii polarizate. Notațiile D/L folosite pentru glucide și aminoacizi descriu configurația relativă, independent de semnul (+)/(−).

Unde apare la examen

• Admiterea la Medicină, UMFCD: tematica pentru 2026 cere capitolul „Izomerie optică” din manualul de clasa a XI-a de la LVS Crepuscul (paginile 130–138), iar izomeria optică revine la aminoacizi și la zaharide (tematica de admitere UMFCD 2026). Formatul testului este pe pagina Admitere Medicină UMFCD.
• Programa 1 de clasa a XI-a (profil real): la trunchiul comun, izomeria optică, cu atomul de carbon asimetric, enantiomerii și amestecul racemic; diastereoizomerii și mezoformele sunt la curriculumul diferențiat pentru specializarea științe ale naturii (programele de chimie, clasa a XI-a, OMECI 5099/2009).
• Bacalaureatul, chimie organică: programa de examen cere izomeria optică: atomul de carbon asimetric, enantiomerii și amestecul racemic (programa de bacalaureat, anexa 2 la OMENCS 5070/2016).

Greșeli frecvente

• Greșit: Carbonul din propan-2-ol este asimetric fiindcă poartă OH.
  Corect: Are două grupe metil identice.
• Greșit: Seria D înseamnă dextrogir.
  Corect: D/L arată configurația relativă; (+)/(−) arată sensul rotației măsurate.
• Greșit: Orice compus cu doi atomi ${\mathrm{C}}^{\ast }$ este optic activ.
  Corect: Mezoforma acidului tartric are doi astfel de atomi și este optic inactivă.
• Greșit: Un amestec racemic conține enantiomerii în proporții oarecare.
  Corect: Amestecul racemic conține enantiomerii în raport molar exact 1:1 și este optic inactiv.

Înainte și după

Întrebări frecvente