4.10 :  Chiralità di azoto, fosforo e zolfo

La chiralità è prevalente nei composti tetraedrici a base di carbonio, ma questo importante aspetto della simmetria molecolare si estende ai centri di azoto, fosforo e zolfo ibridati sp³, comprese le molecole trivalenti con coppie solitarie. Qui, la coppia solitaria si comporta come un gruppo funzionale in aggiunta agli altri tre sostituenti per formare un analogo centro tetraedrico che può essere chirale.

Una conseguenza della chiralità è la necessità di risoluzione enantiomerica. Sebbene ciò sia teoricamente possibile per tutte le ammine chirali, in pratica è difficile separare gli enantiomeri della maggior parte di esse. Ciò è dovuto all'inversione piramidale o dell’azoto, in cui gli enantiomeri sono facilmente convertibili da una forma all'altra a temperatura ambiente, poiché la barriera all'interconversione è di ~25 kJ/mol. Per riassumere brevemente il meccanismo di questa conversione, quando l'enantiomero passa attraverso lo stato di transizione per inversione, l'atomo di azoto centrale viene ibridato sp² con la sua coppia di elettroni non condivisa che occupa un orbitale p. Pertanto, i sali di ammonio che non hanno coppie solitarie non presentano questo fenomeno e tali sali chirali quaternari possono essere risolti in enantiomeri individuali (relativamente stabili). Inoltre, i composti sp³ di fosforo e zolfo, nonostante la loro coppia solitaria, possiedono un'elevata barriera per l'interconversione. Quindi, la loro risoluzione enantiomerica è possibile.

Ricordiamo che gli enantiomeri non sono sovrapponibili e sono, quindi, composti diversi con identità distinte. La nomenclatura dei centri chirali di azoto, fosforo e zolfo è simile a quella dei centri di carbonio chirali. Il processo di denominazione dei loro enantiomeri segue le regole Cahn-Ingold-Prelog o (sistema R-S), che prevede tre passaggi. I tre passaggi sono gli stessi dei centri di carbonio, ovvero l'assegnazione delle priorità ai gruppi sostituenti, l'orientamento del sostituente lontano dall'osservatore con la priorità più bassa e la determinazione del senso (orario o antiorario) della sequenza di priorità degli altri tre gruppi nel centro. Tuttavia, nei centri chirali con una coppia solitaria, ad essa viene sempre assegnata la priorità più bassa, rispetto all'idrogeno nei sistemi senza coppia solitaria. Di conseguenza, la molecola viene ruotata in modo tale che la coppia solitaria punti verso la direzione opposta. Come per il carbonio, il centro chirale è la configurazione R se la sequenza uno-due-tre è in senso orario e la configurazione S se la sequenza è in senso antiorario.