Estereoisómeros e Quiralidade

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Carlos Corrêa Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Centro de Investigação em Química (U.P.)
Introdução ao
Indice
 Estereoisómeros .................................................................. 4
 Objectos quirais ................................................................... 6
 Que se entende por sobreponibilidade? ........................... 8
 Sobreponibilidade de moléculas – CH3Cl ........................ 11
 CH2Cl2 ................................................................................... 12 
 CHBrCl2 ................................................................................ 13
 CHBrCl I ............................................................................... 14
 Como verificar, à priori, a sobreponibilidade .................. 17
 Configurações. Regras de sequência .............................. 18
 Com a ajuda das mãos ....................................................... 20
 Isomeros cis/trans .............................................................. 21
 Molécula quiral ................................................................... 22
 Átomo de carbono quiral .................................................. 23
 Luz normal .......................................................................... 24
 Luz polarizada linearmente ............................................... 26
 Substâncias com actividade óptica ................................. 27
 Placas polaróide ................................................................ 28
 Polarímetro ......................................................................... 31
 Substâncias levógiras e destrógiras ............................... 32
 De que depende a rotação,  .............................................. 33
 Estereoquímica das substâncias opticamente activas..... 34
 Moléculas com 1 carbono quiral ......................................... 34 
 Moléculas com 2 carbonos quirais ..................................... 36
 Moléculas com 2 carbonos quirais e plano de simetria ... 41
 Ácido tartárico ....................................................................... 46 
 Como verificar a quiralidade de uma molécula sem desenhar a sua imagem ........................................................ 49 
 Moléculas com plano de simetria. ..................................... 50
 Derivados do ciclo-hexano .................................................. 51
 Moléculas com centro de simetria ...................................... 53
 Carbonos pseudo quirais ..................................................... 57
Isómeros – compostos com a mesma fórmula molecular
Isómeros constitucionais
Isómeros estereoquímicos ou estereoisómeros
Enantiómeros
Diastereómeros ou diasteroisómeros
De grupo funcional,
De cadeia,
De posição
fórmula de estrutura
Mesma fórmula de estrutura, fórmula estereoquímica
(1) Objecto | Imagem
Não são (1)
Estereoisómeros ou isómeros estereoquímicos
São isómeros (mesma fórmula molecular) que só diferem na fórmula estereoquímica.
Objecto
Imagem 
I – C – Br
Cl
H
Cl-CH=CH-Cl
C
B
A
D
A e B – diastereoisómeros ou diasterómeros
C e D – enantiómeros
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Quinto nível
Mão esquerda
Mão direita
Não sobreponíveis
São objectos quirais
Espelho plano
Não sobreponíveis com a sua imagem num espelho plano.
Mola esquerda
Mola direita
-A
A
B
A
B
-A
-B
A = - B
B = - A 
A = B
A = - A
B = - B
- B
Que se entende por sobreponibilidade?
Duas esferas com o mesmo raio são sobreponíveis.
Duas esferas com raios diferentes não são sobreponíveis.
Dois cubos com igual aresta são sobreponíveis.
Dois cubos com diferentes arestas não são sobreponíveis.
Sobreponíveis
Objecto
Imagem
Espelho plano
Não sobreponíveis
CH3Cl
Não-quiral
As fórmulas estereoquímicas são sobreponíveis:
Objecto
Imagem
Sobreponibilidade de moléculas
CH2Cl2
Não-quiral
Fórmulas sobreponíveis
Objecto
Imagem
Rodar a molécula de 180º
CHBrCl2
Não-quiral
Fórmulas sobreponíveis
Objecto
Imagem
Rodar a molécula de 60º
Rodar novamente de 60º
I – C – Br
Quiral
Objecto
Imagem 
Cl
H
Rodar de 180º
Br e H trocados. 
A e B não-sobreponíveis
A
B
B
Par de enantiómeros
Não sobreponíveis
O carbono apresenta duas configurações diferentes.
Espelho
Clica
Objecto
Imagem
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Como verificar, à priori, a sobreponibilidade de duas fórmulas estereoquímicas, A e B?
A
B
Basta olhar A e B segundo uma qualquer ligação e verificar se a ordem dos substituintes é a mesma:
Diferentes sequências, diferentes fórmulas.
Configurações do carbono. Como as distinguir?
1 - Definir a prioridade dos substituintes do carbono 
quiral: nº atómico (Z) do átomo ligado ao carbono
Br > Cl > F > H
H
Br
F
Cl
2 – Olhar os substituintes pelo lado oposto ao de menor prioridade
 Br > Cl > F > H
Regras de sequência de 
Cahn, Ingold e Prelog.
H
Br
F
Cl
Br
Cl
F
Br > Cl > F
R
Rectus
(direita)
Br
Cl
F
S
Sinister 
(esquerda)
H
Br
F
Cl
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Quinto nível
Mão direita - R
Mão esquerda - S
Médio > Indicador > Polegar
M
P
I
P
I
M
I
M
P
P
I
M
R
S
Com a ajuda das mãos
Extensão das regras de sequência a isómeros cis/trans 
-OH > -COOH
-Cl > H
Grupos de maior prioridade 
Do mesmo lado: Z 
De lados opostos: E
Z de Zuzammen, juntos (alemão)
E de Entgegen, opostos (alemão)
Em português: 
Zuntos 
Nome do composto: 
Ácido (Z)-2-hidroxi-3-cloroprop-2-enóico
Z
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Molécula quiral: 
não-sobreponível com a sua imagem num espelho plano
Carbono quiral: centro estereogénico
Carbono ligado a 4 átomos ou grupos diferentes.
A – C – C
B
D
Objecto
Imagem 
Par de enantiómeros
Mesmas propriedades químicas e físicas; só diferem numa propriedade óptica denominada poder rotatório específico.
Vamos analisar esta propriedade óptica:
Por cada carbono quiral há duas configurações.
Carbono quiral
A luz consiste na propagação no espaço de vibrações electromagnéticas.
E
E
B
Campo eléctrico, E
Campo magnético, B
B
Na luz normal as vibrações dos campos eléctrico (E) e magnético (B) dão-se em todas as direcções normais à direcção de propagação da luz.
E ou B
E
Se todas as vibrações (do campo eléctrico, E, ou do campo magnético, B) se passarem a dar num só plano a luz diz-se polarizada linearmente.
E 
Luz normal
Luz polarizada linearmente
A luz pode ser polarizada por reflexão e por passagem através de certos materiais (prismas de Nicol, placas polaróide, etc.).
Há substâncias com actividade óptica, isto é, que fazem rodar o plano de polarização da luz polarizada linearmente.
À entrada
À saída
Rotação, 
Substância opticamente activa
Luz polarizada
O plano de polarização rodou
Observador
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Duas placas cruzadas não deixam passar a luz.
Pode obter-se facilmente luz polarizada utilizando
 placas polaróide. 
A primeira placa polariza a luz que não passa na segunda placa por estar cruzada.
Placas polaróide paralelas
Luz polarizada
Passa
Passa
Luz polarizada
Placas polaróide cruzadas
Analogia
Passa
Não passa
NOTA – Estes desenhos foram parcialmente retirados de: http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/CLASS/light/u12l1e.html 
e de http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lc/light/light.htmO poder rotatório das substâncias é medido pelo polarímetro.
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Terceiro nível
Quarto nível
Quinto nível
Rotação negativa
Rotação positiva
Rotação, 
Substâncias levógiras, l
Substâncias dextrógiras, d
De que depende a rotação,  ?
Depende:
Natureza da substância
Percurso da luz através da substância (l)
Concentração (caso de soluções) (c) 
 = [a] l c
[a] - Poder rotatório específico (característico da substância; depende da temperatura e do comprimento de onda da radiação).
[a] = 13,5
25º
D
Luz amarela do sódio, l = 589,3 nm, risca D
Representa-se:
Substâncias opticamente activas. Como serão?
São todas as substâncias cujas moléculas são quirais.
Ácido láctico: CH3-CHOH-COOH
Carbono quiral (assinalado com *) 
*
[a]D= +13,5 º
[a]D= -13,5 º
Ácido láctico 
d ou (+)
Ácido láctico 
l ou (-)
Apresenta dois isómeros ópticos
Não sobreponíveis: quirais. Um par de enantiómeros
Vamos estabelecer as configurações de cada um dos estereoisómeros. 
Prioridade dos substituintes: -OH > -COOH > CH3 > H 
 O
= OH
C
 H 
- H
- H
C
3
2
1
2
1
3
S
R
S
Moléculas com dois carbonos quirais
Quantos estereoisómeros existirão?
*
*
Duas configurações
possíveis
Duas configurações
possíveis
2 x 2 = 4 configurações possíveis
4 estereoisómeros possíveis
Comecemos por um dos isómeros, por exemplo
Verifiquemos se é quiral:
A
B
Conclusão: não são sobreponíveis. Dois estereoisómeros (par de enantiómeros).
Trocados
Serão sobreponíveis?
Vamos procurar os outros dois isómeros.
A
B
B
B
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Quarto nível
Quinto nível
Trocando o H com o F 
F
H
A
C
D
Segundo par de enantiómeros
C
C
D
Verificar que não são sobreponíveis:
1
3
4
2
1
4
2
3
D C
Dois carbonos quirais e plano de simetria
Quantos estereoisómeros existirão?
Duas configurações
possíveis
Duas configurações
possíveis
2 x 2 = 4 configurações possíveis
4 estereoisómeros possíveis
*
*
Comecemos por um dos isómeros, por exemplo
Será quiral ?
Trocados
Trocados
Conclusão: não sobreponíveis. Dois estereoisómeros (par de enantiómeros).
A
B
B
Como obter os restantes estereoisómeros?
Invertendo a configuração de um dos carbonos:
A
C
Será este 3º isómero opticamente activo?
C
Estas duas fórmulas estereoquímicas são sobreponíveis por uma simples translação: C = D
Em vez de dois isómeros temos somente um estereoisómero, opticamente inactivo.
É o isómero meso.
Plano de simetria
D
Ácido tartárico 
Par de enantiómeros 
Meso
Centro de simetria (nesta conformação)
[a] = +12 º
[a] = -12 º
Meso
C
B
A
A e B : Objecto e imagem. 
São enantiómeros.
A e C ou B e C : Não são objecto e imagem.
São diasteroisómeros.
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Segundo nível
Terceiro nível
Quarto nível
Quinto nível
R
R
S
S
R
S
Em resumo
1 C* - 1 par de enantiómeros
2 C* - s/ plano de simetria: 2 pares de enantiómeros
2 C* - c/ plano de simetria: 1 par de enantiómeros
 1 isómero meso
n C* - número máximo de estereoisómeros: 2n
Meso
Dada uma determinada molécula, será possível saber à priori se ela é quiral, sem ter desenhar a sua imagem num espelho plano?
É possível. Nos casos mais comuns, uma molécula não será quiral se tiver:
			a) Plano de simetria ou
		b) Centro de simetria
CH2Cl2
CHBrCl2
Cl
Cl
Cl
Cl
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Cl
Cl
H
H
H
H
H
H
Cl
Cl
H
H
H
H
H
Cl
Cl
Cl
Br
Br
Br
Eclipsadas
Alternadas
Ciclo-hexano
Cadeira
Barco
Cadeira empenada
Barco empenado
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Terceiro nível
Quarto nível
Quinto nível
Br
Br
Não é quiral
Plano de simetria
Plano de simetria
Cl
Br
Para a tornar quiral basta introduzir assimetria: ligação dupla.
Cl
Br
Carbono quiral
Cl
Br
Cl
Br
Par de enantiómeros
Cl
Cl
Moléculas com centro de simetria
Br
Cl
Cl
H
Br
H
H
H
O mesmo sucede com os Hs
Br
Cl
Br
Cl
Cl
Br
Cl
Br
Para não sobrecarregar a imagem
Vejamos que são sobreponíveis:
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
90º
Sobreponíveis
180º
Br
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
Br
Cl
90º
180º
Clica
1º - Rotação de 90º
Clica
2º - Rotação diagonal
CH3-CHOH-CHOH-CHOH-CH3
*
*
*
Meso
Meso
2 mesos + 1 par de enantiómeros
Carbono pseudo quiral
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Segundo nível
Terceiro nível
Quarto nível
Quinto nível
F I M
.
.
.
C
l
H
O
H
C
O
O
H
C
C
D
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O
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C
H
H
O