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Carlos Roberto Oliveira Souto Humberto Conrado Duarte Química da VidaD I S C I P L I N A Estereoisomeria - Parte II Autores aula 10 Governo Federal Presidente da República Luiz Inácio Lula da Silva Ministro da Educação Fernando Haddad Secretário de Educação a Distância – SEED Ronaldo Motta Universidade Federal do Rio Grande do Norte Reitor José Ivonildo do Rêgo Vice-Reitor Nilsen Carvalho Fernandes de Oliveira Filho Secretária de Educação a Distância Vera Lúcia do Amaral Secretaria de Educação a Distância- SEDIS Coordenadora da Produção dos Materiais Célia Maria de Araújo Coordenador de Edição Ary Sergio Braga Olinisky Projeto Gráfico Ivana Lima Revisores de Estrutura e Linguagem Eugenio Tavares Borges Marcos Aurélio Felipe Revisora das Normas da ABNT Verônica Pinheiro da Silva Revisoras de Língua Portuguesa Janaina Tomaz Capistrano Sandra Cristinne Xavier da Câmara Revisora Tipográfica Nouraide Queiroz Ilustradora Carolina Costa Editoração de Imagens Adauto Harley Carolina Costa Diagramadores Bruno de Souza Melo Ivana Lima Adaptação para Módulo Matemático Thaisa Maria Simplício Lemos Pedro Gustavo Dias Diógenes Imagens Utilizadas Banco de Imagens Sedis (Secretaria de Educação a Distância) - UFRN Fotografias - Adauto Harley Stock.XCHG - www.sxc.hu Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste material pode ser utilizada ou reproduzida sem a autorização expressa da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Divisão de Serviços Técnicos Catalogação da publicação na Fonte. UFRN/Biblioteca Central “Zila Mamede” Souto, Carlos Roberto Oliveira. Química da vida / Carlos Roberto Oliveira Souto, Humberto Conrado Duarte. – Natal, RN, : EDUFRN, 2006. 372p. : il 1. Química orgânica. 2. Química da vida. 3. Compostos de carbono. I. Duarte, Humberto Conrado. II. Título. ISBN 978-85-7273-332-8 CDU 547 RN/UF/BCZM 2006/84 CDD 661.8 6 5 4 3 2 1 Aula 10 Química da Vida 1 Apresentação Esta aula dá continuidade ao estudo da estereoisomeria, iniciada na aula 9 (Estereoisomeria – Parte I), que focalizou a quiralidade no átomo carbono e as propriedades decorrentes da mesma. Os conceitos fundamentais que você aprendeu e outros a serem introduzidos são aplicados ao estudo de estruturas no espaço tridimensional, para moléculas com dois e com três átomos de carbono quirais. Você conclui o estudo da estereoisomeria com a atividade óptica, uma propriedade exclusiva de moléculas quirais. Objetivos Compreender o arranjo espacial dos átomos nas moléculas orgânicas. Reconhecer e representar moléculas no espaço tridimensional. Nomear moléculas expressando a realidade tridimensional. Prever o número de isômeros relativos a arranjos espaciais. Prever se uma dada molécula apresentará ou não atividade óptica. Compreender os conceitos de polarimetria. H OH C H 3 CH3 NH2H HOH CH3 CH3 NH2 H HOH CH3 CH3 H NH2 H OH CH3 CH3 HNH2 (I) (II) (III) (IV) enantiômeros enantiômeros diastereoisômeros H O H C H 3 C H 3 NH 2H HOH C H 3 C H 3 NH 2 H H O H C H 3 C H 3 NH 2H (I) (II) giro180o (II) (I) HOH C H 3 C H 3 H NH 2 H O H C H 3 C H 3 HNH 2 H O H C H 3 C H 3 HNH 2 (III) (IV) giro180o (IV) (III) Aula 10 Química da Vida2 Moléculas com dois átomos de carbono quirais oléculas com apenas um carbono quiral apresentam dois estereoisômeros. Havendo dois ou mais centros quirais, esse número será igual a n, em que n refere-se ao total de carbonos com quiralidade na molécula. Por exemplo, para o -amino-butan--ol, com dois carbonos quirais, são possíveis os quatro estereoisômeros: Veja que o estereoisômero (II) corresponde à imagem especular de (I) e não se sobrepõe, mesmo com um giro de o. A mesma relação é observada entre (IV) e (III). Pela correspondência objeto-imagem e a não sobreposição, (I) e (II) formam um par de enantiômeros assim como (III) e (IV) formam o outro par. Observe que, ao relacionarmos o par de estruturas (I) e (II) com (III) e (IV), verificamos que não há uma relação de imagens especulares entre elas. Enquanto (I) e (II) apresentam os substituintes –OH e –NH em um mesmo lado, (III) e (IV) os têm em lados opostos. Por esse fato, (III) e (IV) são diastereoisômeros (do grego dia, através de) tanto de (I) como de (II). Outro exemplo importante para o estudo é a molécula butano-,-diol. Com dois carbono quirais, quatro estereoisômeros seriam esperados, como segue: M CH3 CH3 OHH HOH CH3 CH3 HOH OHH CH3 C H 3 HOH OHH C H 3 C H 3 HOH HOH C H 3 C H 3 O HH O HH C H 3 C H 3 O HH O HH giro 180o giro 180 o (V) (VI) (VI) =(V) (VII) (VIII) (VIII) (VII)= H OH CH3 CH3 OHH Plano de simetria (VII) 1 2 3 4 Aula 10 Química da Vida 3 Para essa molécula, embora com dois carbonos quirais, são apenas três os seus estereoisômeros. (V) e (VI) formam um par de enantiômeros e são diastereoisômeros de (VII). A estrutura (VII) é especial porque apresenta um plano de simetria. Veja na representação a seguir que, se a cadeia for numerada de cima para baixo, o carbono quiral apresenta o grupo hidroxila à direita, o átomo de hidrogênio à esquerda e o grupo metila para cima. De igual forma, o carbono quiral apresenta, como se fosse a imagem refletida, o grupo hidroxila à direita, o átomo de hidrogênio à esquerda e o grupo metila para baixo. Devido ao plano de simetria, a imagem especular (VIII) sobrepõe-se ao objeto (VII). O estereoisômero (VIII), portanto, não existe, já que é a própria (VII) com um giro o. Estereoisômero com plano de simetria é denominado composto meso ou mesocomposto – do grego mesos, meio. Um mesocomposto ocorre apenas em moléculas com carbonos quirais identicamente substituídos. Para essas moléculas, o número de estereoisômeros é menor que o definido por n. No composto meso, o plano de simetria mostra um carbono quiral como imagem do outro. Os substituintes acima do plano correspondem exatamente ao reflexo dos que estão abaixo, ou seja, os carbonos têm configurações opostas. Estereoisômero cuja projeção de Fischer apresenta grupos similares no mesmo lado da molécula é chamado de eritro. Se os grupos similares estão em lados opostos da projeção de Fischer, o estereoisômero é chamado de treo. A determinação das configurações dos carbonos quirais e na estrutura (VII) requer o procedimento baseado em trocas para que o substituinte de última prioridade, o átomo de hidrogênio, seja colocado na vertical (para trás) em ambos os carbonos. É necessário que sejam feitas duas trocas para cada um dos carbonos para que suas quiralidades originais sejam preservadas. Conforme a representação a seguir, a primeira troca é feita passando-se os átomos de hidrogênio para a vertical, topo e base, em trocas com os metilas, para ambos os carbonos e . Na segunda, trocam-se os grupos metila e hidroxila, restaurando as quiralidades originais. Atividade 1 R R R R Aula 10 Química da Vida4 Para ambos os carbonos e , o grupo hidroxila recebe prioridade em função do número atômico do oxigênio superior a do carbono. O metila recebe a prioridade , porque seu átomo de carbono se liga apenas a átomos de hidrogênio. O carbono é a prioridade para o carbono , porque está ligado a um átomo de oxigênio e um metila. Da mesma forma, o carbono é a prioridade para o carbono . Concluindo, o carbono apresenta configuração S e o configuração R. Essa demonstração das quiralidades opostas está de acordo com a relação objeto-imagem entre os carbonos quirais através do plano de simetria no mesocomposto. Determine as configurações para os outros estereoisômeros do butano-,-diol. Para determinar a configuração absoluta em moléculas com dois carbonos quirais e representadas em perspectiva, pode ser necessária a rotação em torno da ligação C-C entre esses dois centros assimétricos para que o substituinte de última prioridade fique para trás. As quiralidades não são modificadas com esse procedimento, já que os substituintesnão trocam de posição no carbono ao qual estão ligados. Veja que estamos nos referindo à isomeria conformacional! No exemplo a seguir, podemos imaginar que todo o conjunto do carbono foi rotacionado com nossa mão direita, como que estivesse sendo desrosqueado no eixo; o grupo hidroxila desceu e ficou no plano, o metila saiu de trás e veio para a frente e o hidrogênio saiu do plano e foi para trás. CH3NH2 H H CH3 O H H H 1 3 H H 2R,3R carbono 2 carbono 33 2 1 Aula 10 Química da Vida 5 No exemplo, são determinadas as configurações R, R. Como as quiralidades não são alteradas com a rotação da ligação C—C, as configurações podem ser determinadas independentemente da isomeria conformacional. A determinação das quiralidades auxilia a conversão de representações, como, por exemplo, da perspectiva anterior para a projeção de Fischer. Conhecendo as quiralidades (R,R), basta preenchermos a projeção respectiva com os substituintes de acordo com suas prioridades para ambos os carbonos e . Para o conjunto do carbono , podemos imaginar que a rotação foi com a mão esquerda, desrosqueando no eixo C—C. O grupo amino que estava embaixo e à frente subiu e foi para o plano, o metila que estava para trás veio para frente e o hidrogênio foi para trás. Definindo as prioridades: para o carbono 2: grupo OH, prioridade 1 pelo número atômico do oxigênio; carbono 3, prioridade 2 por estar ligado ao grupo amino e a outro carbono; prioridade 3 para o metila; para o carbono 3: prioridade para o grupo amino pelo número atômico do nitrogênio; prioridade 2 para o carbono 2 por estar ligado ao grupo hidroxila e a outro carbono; prioridade 3 para o metila. É fundamental destacar que a representação de Fischer para moléculas com dois ou mais carbonos quirais refere-se a uma conformação eclipsada. Atividade 2 1 2 C H 3 H O H O HH C H 3 O HH C H 3 OH H HOH C H 3 HOH C H 3 H O H HOH C H 3 O HH C H 3 OH H O HH C H 3 HOH C H 3 H O H O HH C H 3 HOH C H 3 OH H HOH C H 3 O HH C H 3 H O H HOH C H 3 HOH C H 3 OH H O HH C H 3 O HH 1 2 3 4 5 6 7 8 Aula 10 Química da Vida6 Represente em perspectiva a molécula (2R,3S)-3-bromo-butan-2-ol. Converta a perspectiva para a projeção de Fischer. Moléculas com três carbonos quirais Considere a molécula pentano-,,-triol. Observe que os átomos de carbono e são assimétricos, porém identicamente substituídos. O átomo de carbono é chamado pseudo-assimétrico porque ele pode ser um centro quiral ou não, sua quiralidade depende das quiralidades dos dois grupos a ele ligados. O número máximo de estereoisômeros seria oito, igual a , mas é menor, devido aos compostos meso. Compare entre si os oito possíveis arranjos espaciais, representados a seguir: A comparação das oito estruturas permite as seguintes conclusões: 1 e 2 têm relação especular mas se sobrepõem (após um giro de 1800, no plano, da estrutura 2); correspondem à mesma molécula; mesocomposto; plano de simetria; 3 e 4 também têm relação especular e se sobrepõem; outro mesocomposto; C H 3 H O H O HH C H 3 O HH C H 3 H O H HOH C H 3 O HH 1 3 C H 3 H O H O HH C H 3 HOH C H 3 OH H HOH C H 3 O HH 5 6 mesocompostos enantiômeros OH H CH3 H CH3 H OH H H OH CH3 H CH3 H H OH par de enantiômeros par de enantiômeros diastereoisômeros cis -2-Metilciclopentanol trans -2-Metilciclopentanol Aula 10 Química da Vida 7 a estrutura 7, após um giro de 1800 no plano, sobrepõe-se à estrutura 5, ambas referem-se a um mesmo estereoisômero; da mesma forma, a estrutura 8 sobrepõe-se à estrutura 6. Eliminadas as estruturas , , e , restaram apenas quatro estereoisômeros. Moléculas cíclicas com dois carbonos quirais Ao estudar os ciclo-alcanos você aprendeu que moléculas dissubstituídas apresentam dois arranjos espaciais como estereoisômeros, cis e trans. Mas, considerando a molécula do -metil-ciclopentanol como exemplo, pode-se observar que são dois os carbonos quirais, e pela regra n, podem ser previstos estereoisômeros, representados a seguir: Ambos os estereoisômeros cis, trans são quirais e existem como pares de enantiômeros. Entretanto, cis e trans não guardam relação objeto-imagem e são diastereoisômeros. Outra molécula que auxilia nosso estudo é o ciclopentano-,-diol. Como também apresenta dois carbonos quirais, pode-se prever um número máximo de estereoisômeros, como vemos a seguir. Atividade 3 OH OH H H OH OH H H OH OH HH OH OH HH par de enantiômeros mesma molécula diastereoisômeros cis -Ciclopentano-1,2-dioltrans-Ciclopentano-1,2-diol CH3 OH CH3 OH CH3 OH CH3 OH CH3 OH CH3OH CH3 OH CH3OH superponíveis superponíveis Plano de simetria trans -4-Metilcicloexanol cis-3-Metilcicloexanol Aula 10 Química da Vida8 Considere agora, os isômeros cis e trans do anel de seis membros, -metil-cicloexanol, representados a seguir. Observe que nenhum deles tem um estereocentro, seus carbonos são aquirais, devido à simetria do anel. Um plano de simetria passa através dos grupos —CH, —OH e os carbonos e . Um giro de o no eixo vertical sobre cada imagem demonstra que são superponíveis aos objetos. Nesse caso, são apenas dois diastereoisômeros aquirais. Entretanto, veja que o isômero cis, apesar de dois carbonos quirais, apresenta um plano de simetria, passando ente os dois carbonos quirais. Por essa razão, a molécula é aquiral, ou um mesocomposto, e sua imagem é superponível. Portanto, são apenas três estereoisômeros, um par de enantiômeros e um diastereoisômero. Quantos são os estereoisômeros do -metilciclopentanol? Represente-os. Atividade 4 1 2 O H CH 3 OH C H 3 O H C H 3 OH C H 3 não superponíveis não superponíveis enantiômeros enantiômeros diastereoisômeros cis -3-Metilcicloexanol trans -3-Metilcicloexanol OH OH OH OH OH OH OH OH enantiômeros enantiômeros diastereoisômeros I II III IV Aula 10 Química da Vida 9 Mas, o seu isômero constitucional -metilcicloexanol é diferente. Este não tem plano de simetria, tem dois carbonos quirais e existe como estereoisômeros representados a seguir. Outro exemplo a ser destacado é o ciclopentano-,-diol, com dois centros estereogênicos, um par de enantiômeros cis e outro par trans. Represente os estereoisômeros para o 2-metilcicloexanol e para o ciclopentano-1,3-diol. O 1-3-dimetilcicloexano apresenta um par de enantiômeros e um composto meso. Represente-os. OH OH OH OH I II interconversão C H3 Br Br C H 3 CH3CH3 C H3C H 3 conformação não eclipsada quiral conformação não eclipsada quiralconformação eclipsada simétrica aquiral restrição estérica Br Br Br Br Aula 10 Química da Vida10 Entretanto, devido à interconversão cadeira-cadeira extremamente rápida, os enantiômeros do isômero cis não podem ser separados porque o enantiômero I é convertido em II e vice-versa. Compostos quirais sem átomos de carbono quiral quiralidade é observada também em determinados compostos que não apresentam carbono quiral, devido ao enantiomerismo conformacional. Algumas moléculas são tão apinhadas ou tão altamente tencionadas que não podem converter-se de uma conformação quiral para sua conformação especular. Não podem alcançar a conformação simétrica por impedimento estérico ou tensão angular. A molécula ,’-dibromo-,’-dimetil- bifenil exemplifica a restrição estérica, conforme você pode observar a seguir. A Observe que a conformação central, simétrica e aquiral, é planar com todos os seus átomos neste que é seu próprio plano de simetria. Se a molécula pudesse alcançar essa conformação, ou mesmo passar por ela por um instante, ela não seria opticamente ativa. Entretanto, a conformação planar seria de muito alta energia, devido aos grupos metila serem muito grandes para serem forçados juntos. A molécula pode existir em uma das duas conformações não em coincidência, que são imagens especulares não superponíveis e não se interconvertem. São enantiômeros e podem serseparadas e isoladas. Cada uma delas é opticamente ativa e tem rotações específicas de mesma grandeza e com sinais opostos. C C H H CC H H Comprimento de onda Direção de propagação Ca m po el ét ri co Tempo para um comprimento de onda Resultante Aula 10 Química da Vida 11 Uma simples molécula tencionada pode apresentar enantiomerismo conformacional, como o trans-cicloocteno, o menor cicloalqueno estável. Se o trans-cicloocteno existisse como um anel planar, mesmo por um instante, não seria quiral. Na realidade, seu anel é dobrado no espaço tridimensional, em dois arranjos, conforme mostram as ilustrações seguintes. Os dois arranjos espaciais são quirais, não superponíveis, não se interconvertem, são separáveis, foram caracterizados e são opticamente ativos. A luz plano-polarizada Um feixe de luz comum é formado por ondas eletromagnéticas que oscilam em um número infinito de planos perpendiculares à direção de propagação da luz. Um destes planos é representado simplificadamente a seguir. Observe que o plano é o mesmo desta página. O movimento ondular de um raio de luz em função do tempo pode ser representado vetorialmente, supondo-se uma visão de frente para o eixo de direção de propagação, conforme a seqüência e a resultante desta, a seguir: Grade Passa pela grade Não passam pela grade Prisma de Nicol Luz da fonte Luz plano polarizado observador não visualiza a luz Primeiro filtro polarizador Segundo filtro polarizador, eixo paralelo ao primeiro observador visualiza luz máxima Luz plano-polarizado Fonte de luz Aula 10 Química da Vida12 Mas, a luz visível apresenta vibrações em todos os planos, conforme a representação a seguir. Quando um feixe de luz incide sobre um dispositivo denominado polarizador, somente as ondas luminosas que oscilam em um determinado plano conseguem atravessá-lo, disso decorre o nome luz plano-polarizada. As ondas luminosas que vibram em todos os outros planos são bloqueadas. A iluatração a seguir representa esse processo. O filtro polarizador realiza sua função através do prisma de Nicol, feito de carbonato de cálcio em forma cristalina desenvolvida pelo físico escocês Wiliam Nicol. O prisma retém as vibrações de luz, deixando passar apenas aquelas com o plano coincidente com o eixo de sua grade. A direção da vibração é denominada eixo do filtro. A passagem da luz plano-polarizada por um segundo filtro só é possível se o eixo deste estiver também alinhado com o plano da luz. Propriedades físicas (R,R)-tartárico (S,S)-tartárico meso-tartárico tartárico racêmico [ ] + , -, pf. (oC) – – – d (g/cm) , , , , sol. água (g/00ml) , pk , , , pk , , , imagem especular é superponível? Molécula com mais de um carbono quiral apresenta entantiômeros é quiral é opticamente ativa é aquiral com plano de simetriasem plano de simetria é composto meso não sim é opticamente inativa Aula 10 Química da Vida 13 A atividade óptica atividade óptica como propriedade de moléculas quirais foi o fato experimental que levou à proposta de estereoisômeros. Como moléculas com dois ou mais carbonos quirais podem ser quirais ou aquirais, o breve roteiro a seguir deve ser aplicado para prever a atividade óptica. A Moléculas com a relação de imagem especular não superponível têm propriedades físicas idênticas. Diferenças entre enantiômeros tornam-se aparentes em suas interações com outras moléculas quirais, tais como enzimas, e na aptidão dos mesmos em rotacionar o plano da luz polarizada em direções opostas. Compostos meso não apresentam atividade óptica. O quadro seguinte compara as propriedades físicas de estereoisômeros do ácido tartárico. O racêmico, uma mistura em concentrações idênticas do par de enantiômeros, é diferente dos outros três. Os dois enantiômeros juntos em quantidades equimolares se comportam como composto puro, diferente de cada um dos enantiômeros separadamente e do meso. Molécula Rotação Molécula Rotação Colesterol - , Progesterona + Cocaína - Testosterona + Morfina - Sacarose + , Codeína - -D-Glicose + , Heroína - -D-Glicose + Epinefrina - Oxacilina + As setas indicam a rotação do plano da luz polarizada pela substância opticamente ativa na solução + - Aula 10 Química da Vida14 Polarimetria atividade óptica é de grande utilidade analítica para fins de caracterização molecular e determinação de concentrações em soluções. Determinam-se o valor e o sinal de rotação óptica das soluções, com um equipamento denominado polarímetro, representado a seguir. A Você pode observar, no quadro a seguir, alguns exemplos de moléculas biológicas opticamente ativas, de grande importância e de forte influência para o nosso organismo. Aula 10 Química da Vida 15 A solução molecular é acondicionada em uma cela tubular entre o filtro polarizador e o filtro analisador no caminho da luz plano-polarizada. No polarímetro, a luz da fonte é filtrada de modo que a luz plano-polarizada emergente seja de apenas um comprimento de onda (uma cor, ou monocromática). Isso é necessário porque os compostos rotacionam em grandezas diferentes em função do comprimento de onda da luz. Uma luz com comprimentos de onda distintos não permite uma determinação exata e comparável entre moléculas diferentes. O mais comumente usado na polarimetria é uma das linhas de emissão amarela no espectro de sódio, chamada linha de sódio D, que designa a transição eletrônica que resulta na radiação com comprimento de onda = , nm de uma lâmpada de sódio. A luz monocromática emergente do filtro polarizador incide na cela tubular contendo a solução e alinhada longitudinalmente com o plano da luz. À medida que a luz atravessa o tubo, passando pelas moléculas quirais em seu caminho, seu plano vai sendo rotacionado. Ao completar seu percurso e sair da cela, a luz encontra o filtro analisador e não poderá passar por ele, porque este tem o alinhamento original do filtro polarizador. A luz não passa, visto que seu plano rotacionado não coincide mais com o eixo do filtro. Para que a luz passe, o filtro analisador tem que ser rotacionado até encontrar esse novo plano da luz, quando então o operador observa o máximo de luz. Uma escala no filtro analisador permite a leitura da diferença angular entre o plano original da luz no filtro polarizador e o plano na saída do tubo. Verifique a seguir a representação de uma leitura em um polarímetro. São possíveis diferentes situações quando da observação de luz no polarímetro. Na figura a seguir, você tem indicações para essas possibilidades. – Polarizador e analisador são paralelos. – Não há substância opticamente ativa presente. – A luz polarizada passa pelo analisador. – Polarizador e analisador em planos diferentes. – Não há substância opticamente ativa no tubo. – A luz polarizada não pode passar pelo analisador. – Substância opticamente ativa no tubo. – Analisador foi rotacionado para permitir a passagem da luz. c Aula 10 Química da Vida16 A rotação observada é simbolizada pela letra grega . Compostos que rotacionam a luz para a direita são denominados dextrorrotatórios ou dextrógiros, do grego dextros, para a direita. Os que rotacionam para a esquerda, levorrotatórios ou levógiros, do latim laevus, para a esquerda. Esses termos eram abreviados pelas letras minúsculas d, l. A notação IUPAC atual especifica com os sinais (+) e (-), respectivamente. Rotação específica rotação óptica é uma propriedade física característica de um composto quiral. Porém, o valor da rotação observada em um polarímetro é definido por um conjunto de parâmetros como concentração da solução, comprimento da cela, solvente, temperatura, fonte de luz e a própria atividade óptica molecular. Para a rotação óptica ser empregada como propriedade característica, é necessário que seja expressa de modo padronizado, como rotação específica [ ]. A rotaçãoespecífica [ ] é a rotação observada com uma cela tubular de dm de comprimento e a solução em concentração de g/mL, conforme a equação: A [ ] = l . c , onde [ ] = rotação específica; = rotação óptica observada em graus; l = caminho óptico da cela em decímetros; c = concentração da solução em gramas por mililitro Aula 10 Química da Vida 17 = + 1094,36 comprimento (dm) x concentração (g/mL) [ ] = rotação observada (graus) = r.o = l x c 1,00 x 0,04 A temperatura do procedimento é indicada como expoente no colchete, e a luz como índice. O solvente é indicado após o valor da rotação e entre parênteses. Por exemplo, para um enantiômero do butan--ol, [ ] = + , (água), em que é a temperatura, D refere-se à linha D do espectro de sódio e água é o solvente. Para o enântiomero, sua rotação pode ser predita sem determinação como [ ] = - , (água). Os compostos são oficialmente denominados (+)- butan--ol e (-)-butan--ol. Deve ser destacado o seguinte: o sinal da rotação óptica é resultado do modo de interação da molécula com a luz; a nomenclatura R,S é um procedimento convencional para descrição do arranjo espacial ou para a representação gráfica. não há relação entre a nomenclatura R,S e a rotação óptica. Um enantiômero R pode ser levorrotatório, assim como um S pode ser dextrorrotatório. Experimentalmente, determina-se o sinal e o valor da rotação. Na escrita, determina-se a configuração. Não há como prever a rotação em função da configuração nem a configuração em função da rotação. Exemplo Uma solução preparada pela dissolução de mg de testosterona, um hormônio sexual masculino, em , mL de etanol, foi colocada em um tubo de , cm de comprimento. A rotação observada a oC, usando a linha D do sódio, foi +,°. Qual a rotação específica, sendo c = ( mg / mL) e l = , cm = dm? D D As dimensões de [ ] são 10-1 graus.cm2.g-1, isto porque: 1 mL = 1 cm3 e 1 cm = 10-1 dm Para simplificar, normalmente se omitem as unidades de [ ]. A rotação observada, , é sempre expressa em graus. Atividade 5 Luz plano polarizada Solução de substância quiral de enantiômero puro ou em consentração superior ao seu par Plano polarizada sofre rotação Aula 10 Química da Vida18 A Atividade óptica em soluções de enantiômeros atividade óptica em uma solução contendo um par de enantiômeros é resultante da combinação das atividades ópticas individuais destes. Enquanto um enantiômero rotaciona o plano da luz par à direita, o outro o faz para a esquerda com o mesmo valor angular. Como a rotação é definida pelo número de moléculas no caminho da luz, as concentrações relativas dos enantiômeros são determinantes tanto sobre o valor combinado quanto sobre o seu sinal, prevalecendo o sentido de rotação relacionado àquele que estiver em maioria. Uma solução de (+)-gliceraldeído apresentou uma rotação de –,o em um polarímetro com tubo de 00 mm. Sendo [ ] = - ,, determine a concentração da solução. A rotação óptica é de grande utilidade na determinação de concentrações de soluções, quando a rotação específica é conhecida. Na indústria açucareira, o teor de sacarose é determinado por polarimetria, definindo o valor a ser pago pela cana. Luz plano polarizada Solução contendo substância aquiral ou quantidades iguais de enantiômero Nenhuma variação no plano da luz polarizada Aula 10 Química da Vida 19 Se as concentrações do par de enantiômeros são idênticas, a solução recebe o nome de mistura racêmica. Com essa composição, o plano da luz polarizada na saída do tubo é o mesmo da entrada, sem desvio, já que as rotações são mutuamente canceladas entre os enantiômeros pela igualdade numérica. O plano da luz original é preservado como se a solução não apresentasse nenhuma atividade, conforme representa a figura seguinte. Essas soluções também recebem os nomes de racemato ou par (±). Exemplo: (±)-Butan--ol. O termo par d, l foi abolido pela IUPAC. Por exemplo, se uma solução de butan--ol apresenta uma rotação de +,o e a rotação específica do enantiômero puro é +,. p.o. = (, / ,) * % = , %. Outro método para expressar as quantidades relativas dos enantiômeros é denominado excesso enantiomérico, o qual baseia-se no cálculo do excesso do enantiômero predominante como um percentual de toda a mistura. Para soluções de enantiômeros em concentrações diferentes, é necessário expressar as quantidades relativas dos mesmos. Uma das expressões é a pureza óptica da mistura, que relaciona a rotação da mistura com a rotação específica do enantiômero predominante. pureza óptica rotação da solução rotação específica do enantiômero predominante excesso enantiomérico excesso de um sobre o outro total da mistura Aula 10 Química da Vida20 Resolução Resolução é o nome dado à separação dos enantiômeros. Pasteur o fez por cristalização fracionada, mas esse método não se aplica à maioria das misturas racêmicas. Um esquema geral para separar enantiômeros requer a conversão química de um par de enantiômeros em dois diastereoisômeros com a ajuda de um agente de resolução enantiomericamente puro, comumente um produto natural. O método é eficaz porque os diastereoisômeros formados têm propriedades físicas diferentes, o que permite a separação por métodos físicos, mais comumente cristalização e cromatografia. Ao final, outra conversão química do diastereoisômero separado retoma o enantiômero correspondente e recupera o agente de resolução. Mistura racêmica Mistura racêmica (do latim racemus, cacho de uvas) é o nome dado a uma mistura equimolar de dois enantiômeros. Ácido racêmico foi o nome dado originalmente a uma mistura equimolar dos enantiômeros do ácido tartárico. Pelo fato da mistura racêmica conter moléculas dextrógiras em igual número ao de levógiras, não é possível observar a rotação óptica. Isso porque as rotações dos enantiômeros, com o mesmo valor porém com sinais opostos, se contrapõem mutuamente. Alternativamente, a mistura racêmica é dita como opticamente inativa. É indicada pelos prefixos ( ) no nome do composto, significando mistura em partes iguais de formas dextrógira e levógira. Para calcular o excesso enantiomérico e a rotação de uma mistura contendo g de (+)- butan--ol e g de (-)-butan--ol: e.e. = ( (g- g) / (g + g) ) * 00 % = 0 % rotação específica do enantiômero puro em excesso: [ ] = + , 0 rotação observada = ([ ] do enantiômero puro em excesso) x (pureza óptica) rotação observada = (+,) x (0 %) = + , o OHH HOH CO2H CO2H H OH CH2CO2H CO2H CO2H CO 2H (2R,3R)-(+)-tartárico (S)-(-)-málico (1R,3S)-(+)-canfórico N N OH H N N HOH OCH3 (+)-Cinconina (-)-Quinina Bases Bases Aula 10 Química da Vida 21 A resolução de ácidos racêmicos pode ser efetuada com várias bases quirais enantiomericamente puras e isoladas de plantas como agentes de resolução, tais como (+)- Cinconina e (-)-Quinina. E, por sua vez, a resolução de base racêmica tem sido efetuada com ácidos quirais enantiomericamente puros, como (+)-tartárico, (-)-málico e (+)-canfórico. RCO2H + NR3 RCO – 2 HN + R3 Ácido carboxílico Amina (base) Sal O esquema a seguir é apresentado como ilustração da resolução para o ácido láctico. As reações envolvidas são do tipo ácido-base entre um ácido e uma amina, formando um sal de amônio. A reação do par de enantiômeros do ácido láctico com a amina quiral forma dois sais diastereoisoméricos que podem ser separados com facilidade. Após a separação, a acidificação com ácido mineral libera o enantiômero puro do ácido láctico e permite a extração da amina agente de resolução, que pode ser reutilizada após neutralização. O princípio pode ser representado, conforme a equação: (R + S)-enantiômeros + (R)- agente (R,R) + (S,R) A reação ácido-base para a formação de sais é a mais empregada em resoluções por ser prontamente reversível. Dessas reações, a mais comumente empregada envolve um ácido carboxílico e umaamina (veja aula – Aminas), conforme a equação genérica: C H 3OH H C O 2H C H 3 OH H C O 2H NH 3 + H CH 3 NH 3 + H CH 3 C H 3OH H C O 2 C H 3 OH H C O 2 C H 3OH H C O 2H C H 3 OH H C O 2H NH 2 H CH 3 NH 3 + H CH 3 (R) (S) Ácido láctico racêmico (50%R , 50%S ) (R)-1-Fenil-etanamina Sal R,R Sal S,S Diastereoisômeros Separação e acidificação Separação e acidificação Aula 10 Química da Vida22 Os ésteres formados podem ser resolvidos por destilação, recristalização ou cromatografia. Após a resolução, o álcool enantiomérico é liberado do ácido por hidrólise. Outros métodos levam à formação de derivados como ésteres. Como exemplo, a resolução de álcool racêmico pode ser realizada empregando-se um ácido quiral. Éster (R)(S) + HO + Ácido (R) + Álcool (S) Éster (R)(R) + HO + Ácido (R) + Álcool (R) Ácido carboxílico (R) + álcool (R), (S) ésteres diastereoisoméricos (R)(S) + (R)(R) Outra metodologia emprega enzimas como agente quiral de resolução. Por sua especificidade, enzimas atuam de modo preferencial ou seletivo sobre uma determinada quiralidade. No modo preferencial, as enzimas podem catalisar reações convertendo um dos enantiômeros em um derivado com propriedades físicas bem distintas, mais rapidamente que o outro até consumo total do reagente. O outro enantiômero permanece inalterado e é separado. Já no modo seletivo, também denominado método de resolução por decomposição assimétrica, um dos enantiômeros é destruído seletivamente. Pasteur foi o pioneiro, descobrindo que o fungo Penicillium glaucum, ao crescer na presença de ácido tartárico racêmico, destruía seletivamente o enantiômero (+). O ácido (-)-tartárico era recuperado puro. Resumo 1 OH H C H 2O H C H 2O H H OH CH 3 C C H 3 O H H C C H 3 OH H CH 3 HCH 3 H C H 3 H C H 3HCH 3 Cl Cl C H 3 H H C H 3 CH 3 CH 3 H C H 3 H C H 3 CH 3 CH 3 (A) (B) (C) (D) (E) (F) Aula 10 Química da Vida 23 Esta aula concluiu o estudo da estereoisomeria iniciado na aula anterior. Moléculas com mais de um estereocentro apresentam enantiômeros e diastereoisômeros. O número máximo de estereoisômeros é igual a n, sendo n igual ao número de carbonos quirais. Os enantiômeros têm configurações opostas em todos os estereocentros. Diastereoisômeros, estereoisômeros, que não correspondem à imagem especular, têm a mesma configuração em pelo menos um dos centros. Compostos meso têm estereocentros, mas são aquirais porque têm um plano de simetria. Misturas racêmicas são misturas de enantiômeros em proporções idênticas. Misturas racêmicas e diastereoisômeros diferem em propriedades físicas. Atividade óptica é a denominação dada à propriedade de compostos quirais em rotacionar o plano da luz plano-polarizada. Enantiômeros rotacionam o plano em igual grandeza, porém em sentidos opostos. Mesocompostos são opticamente inativos. Misturas racêmicas não desviam o plano da luz, como conseqüência das atividades ópticas mutuamente compensatórias dos enantiômeros. Resolução é a separação de enantiômeros de uma mistura racêmica com um agente quiral de resolução, envolvendo a conversão de um ou de ambos em diastereoisômeros que podem ser separados com maior facilidade. Auto-avaliação Identifique a relação estrutural entre as moléculas em cada par de estruturas a seguir: 6 4 5 2 3 H Cl C H 3 Br Cl H Br C H 3 d) H C H 3 O H O HCH 3 H CH 3 O H H O HH C H 3 b) CH 3 H C H 2C H 3 C N C C H 3 C H 2 H C N CH 3 a) CH 3 Br H C H 2HC 3 Br H C H 3 C H 2HC 3 c) CH 3 Br H BrCH 3 H H Cl C H 3 HCl C H 3 e) C C H 3 C H 2 H C N CH 3 C H 3 H H C H 3 H NC f) CH 3 H Br C H 3C H 3C H 2 H Br C H 3 H C H 2C H 3H C H 3 g) C H 3H Br HC H 3C H 2 C H 3 H H C H 3F H HC H 3C H 2 C H 3 H H Projeção com o Flúor no carbono de cima. Projeção com o Bromo no carbono de cima. (A) (B) Aula 10 Química da Vida24 Um dos enantiômeros do butan--ol apresentou uma rotação de – ,o. A solução foi preparada com g do álcool e água até ao volume de mL, e a leitura foi efetuada em um polarímetro com tubo de 00 mm, luz na linha D do sódio e temperatura de oC . Determine a rotação específica. A rotação específica da progesterona, um hormônio sexual feminino, é de +. Calcule a rotação a ser observada para uma solução de mg do hormônio em , mL de dioxano (solvente) e em um tubo de , cm de comprimento. Defina o termo resolução e comente a conceituação em que se baseia o método. Identifique os relacionamentos entre cada par de moléculas a seguir: Complete as Projeções de Fischer para cada uma das moléculas a seguir: Aula 10 Química da Vida 25 Referências ALLINGER, Norman L. et al. Química orgânica. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1976. BARBOSA, Luiz Cláudio de Almeida. Introdução à química orgânica. São Paulo: Prentice Hall, 2004. MCMURRY, John. Química orgânica. 4. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1996. SOLOMONS, T. W. Graham. Química orgânica. 7. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2003. VOLLHARDT, K. P. C.; SCHORE, N. E. Química orgânica: estrutura e função. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2004. WADE JUNIOR, L. G. Organic chemistry. 4. ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 1999. Aula 10 Química da Vida26 Anotações Aula 10 Química da Vida 27 Anotações Aula 10 Química da Vida28 Anotações