Il più importante elemento di simmetria è il piano di simmetria : un oggetto si dice simmetrico se un piano passante per il centro dell’oggetto divide quest’ultimo in parti specularmente uguali.
Un oggetto privo di piano di simmetria è asimmetrico : un atomo di carbonio tetraedrico con tutti e quattro gruppi diversi è asimmetrico e tale atomo viene detto carbonio asimmetrico.
Le mani destra e sinistra sono un tipico esempio del fatto che due oggetti possono essere identici sotto ogni aspetto ad eccezione di uno: che le immagini speculari sono reciproche. Infatti la prova decisiva per dimostrare la asimmetria di un qualunque oggetto, incluse le molecole, è che esso non sia sovrapponibile alla sua immagine speculare.
Immagini speculari
Una specie molecolare asimmetrica può esistere in due forme speculari che non sono identiche. Una coppia siffatta, di molecole non identiche, specularmente uguali è detta coppia di enantiomeri come si può vedere in figura:
In natura i composti asimmetrici esistono sotto forma di uno solo dei due enantiomeri, ma in laboratorio il prodotto di una reazione può essere costituito da una miscela in parti esattamente uguali dei due enantiomeri: tale miscela viene detta racemica.
Due enantiomeri presentano stessi punti di fusione, di ebollizione ecc. ed hanno la stessa reattività rispetto a reagenti simmetrici mentre risponderanno diversamente a sollecitazioni fisiche asimmetriche ed esibiranno reattività diversa rispetto a reagenti asimmetrici.
Il fenomeno fisico asimmetrico più comune è la luce polarizzata. Se un fascio di luce ordinaria viene fatto passare attraverso un prisma di Nicol, solo una parte della luce emerge. Il vettore elettrico del fascio uscente è orientato in un piano e il fascio viene detto polarizzato.
Se un fascio polarizzato viene fatto passare attraverso un materiale asimmetrico, si può osservare che il piano di polarizzazione viene ruotato. Per questo si dice che il materiale è otticamente attivo. L’angolo tra il piano di polarizzazione del fascio incidente e il piano del fascio emergente viene detto rotazione ottica.
La misura della rotazione ottica di composti asimmetrici in condizioni strettamente controllate fornisce un’utile costante fisica che può essere utilizzata alla caratterizzazione del prodotto.
Piano di polarizzazione
Enantiomeri puri hanno rotazione ottica uguale ma di segno opposto. Quando il piano di polarizzazione è ruotato in senso orario il l segno di rotazione viene considerato positivo e il composto si dice destrogiro. Al contrario un composto che devia il piano della luce polarizzata in senso antiorario viene detto levogiro. Le lettere d- e l- che stanno rispettivamente per destro e levo si riferiscono esclusivamente al senso della rotazione.
Misure quantitative vengono effettuate tramite polarimetri.
In essi la luce ordinaria ( di solito radiazione monocromatica del sodio) entra nel polarizzatore e viene convertita in luce polarizzata che passa attraverso il campione per arrivare a un altro prisma di Nicol detto analizzatore.
Quando il tubo porta campioni è vuoto o contiene sostanze non otticamente attive la quantità di luce che passa è massima quando l’angolo dell’analizzatore è di 0°.
Se invece nel porta campioni viene posta una sostanza otticamente attiva è necessario ruotare di un certo angolo dallo 0° per ottenere il massimo della luce trasmessa. L’entità della rotazione dipende da molti fattori quali il volume del campione, la sua concentrazione, la lunghezza del tubo,la temperatura, la lunghezza d’onda della luce e il solvente.
Per ottenere risultati confrontabili si definisce il potere ottico rotatorio specifico [α] ovvero la rotazione espressa in gradi causata da un grammo di sostanza sciolto in 1 mL di soluzione in un tubo polarimetrico lungo un decimetro.
Il valore della rotazione, che può essere oraria (+) o antioraria (-) così determinato, costituisce una caratteristica del composto esaminato, sempre che tutte le altre variabili siano tenute costanti.
[α] = rotazione osservata/ lunghezza del tubo (dm) · concentrazione (g/mL)
Il tipo più comune di asimmetria in molecole organiche è quello dovuto alla presenza di uno o più atomi di carbonio asimmetrici come ad esempio nel 2-butanolo.
