Aula_6_-_Estereoquimica_e_Analise_Conformacional

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Estereoquímica
Estudo da química em três dimensões, arranjo 
espacial dos átomos
As estruturas não são sobreponíveis — então elas não são idênticas.
De fato, elas são imagens especulares uma da outra: se nós refletíssemos uma 
das duas estruturas, A, em um espelho, teríamos uma estrutura que seria idêntica 
a B.
Estruturas que não são idênticas, mas são imagens especulares uma da outra, são 
chamadas de enantiômeros. Estruturas que não são sobreponíveis a sua imagem 
especular, e podem existir como dois enantiômeros, são chamadas de quiral.
Enantiômeros e quiralidade
*Enantiômeros são estruturas que não são idênticas, mas são imagens 
especulares uma da outra
*Estruturas são quirais se elas não podem ser sobrepostas a suas imagens 
especulares
Estruturas aquirais são sobreponíveis a suas imagens especulares
Moléculas quirais não tem plano de simetria
Não tem plano de simetria
Plano de simetria e quiralidade
*Qualquer estrutura que não tem plano de simetria pode existir como dois 
enantiômeros
*Qualquer estrutura com plano de simetria não pode existir como 
enantiômeros
*Uma estrutura com um plano de simetria é aquiral e sobreponível a sua 
imagem especular, e não pode existir como dois enantiômeros
*Uma estrutura sem plano de simetria é quiral e não é sobreponível a sua 
imagem especular e pode existir como dois enantiômeros
Plano de simetria: É definido como um plano imaginário que divide uma molécula 
de tal forma que as duas metades da molécula são imagens especulares uma da 
outra. O plano pode passar pelos átomos ou entre os átomos.
Centros Estereogênicos
Enantiômeros são um tipo de isômero chamados de estereoisômeros, porque os isômeros se 
diferenciam não pela conectividade dos átomos, mas somente pela forma tridimensional da 
molécula.
Configuração e Conformação
*Mudar a configuração de uma molécula sempre significa quebra de ligações
*Uma configuração diferente é uma molécula diferente
*Mudar a conformação de uma molécula significa rotação de ligações, mas sem 
quebrá-las
*Conformações de uma molécula são facilmente interconversíveis, e todas 
correspondem à mesma molécula
Um átomo de carbono tetraédrico com quatro grupos diferentes: OH, 
CN, RCH2, e H. Tal carbono é chamado de centro quiral ou centro 
estereogênico. Centro estereogênico
ou centro quiral
Quatro grupos diferentes
2
H
CH3
CH3
OH
CH3
OH
H
OH
O
CH3
Cl
HCH3
*
*
*
Centros Estereogênicos
enantiômerosenantiômerosenantiômerosenantiômerosenantiômerosenantiômerosenantiômerosenantiômeros mesmo compostomesmo compostomesmo compostomesmo compostomesmo compostomesmo compostomesmo compostomesmo composto
**
Uma mistura de quantidades iguais de dois enantiômeros é chamada de mistura 
racêmica.
Se uma molécula contem um átomo de carbono com quatro substituintes 
diferentes ela não tem plano de simetria e deve ser quiral. Um átomo de carbono 
com quatro substituintes diferentes é um centro estereogênico ou centro quiral
R e S são usados para descrever a configuração de um carbono quiral
Nomenclatura de Enantiômeros - O sistema R e S
vO sistema de regras de Cahn-Ingold-Prelog, também conhecido por sistema (R-S), 
permite uma designação inequívoca dos enantiômeros.
v Temos, por isso, o (S)-2-butanol e o (R)-2-butanol (R e S surgem das palavras latinas 
rectus e sinister, cujo significado é direita e esquerda).
vA designação (R) e (S) é feita do seguinte modo:
H
H5C2 OH
CH3
H
C2H5HO
H3C
ÄCada um dos quatro grupos ligados ao carbono quiral são designados pela 
sua prioridade 1, 2, 3 e 4. A prioridade é dada de acordo com o número 
atômico do átomo diretamente ligado ao carbono quiral. Assim, temos:
(1)
(4)
H
H5C2 OH
CH3
H
C2H5HO
H3C
(4)
(1)
3
(1)
(4)
H
H5C2 OH
CH3
H
C2H5HO
H3C
(4)
(1)
No caso do grupo metila e do grupo etila, o 
número atômico é igual?
(1)
(4)
H
H5C2 OH
CH3
H
C2H5HO
H3C
(4)
(1) (2)(2)
(3)(3)
C
H
H
H
(H, H, H) C
H
CH3
H
(C, H, H)
u Então comparamos os átomos seguintes.
u e fica
uOrientar a molécula de forma a que o grupo de menor prioridade esteja em 
oposição ao orientador;
(1)
(2)
(3)
(4)
uEm seguida traçar o caminho por ordem, se seguir o movimento dos 
ponteiros do relógio temos a designação (R), se for contrária temos a 
designação (S).
Emil Fischer (1852-1919):
Professor de Química nas Universidades de Erlangen, Würzburg e Berlin. Recebeu, em 
1902 o Prémio Nobel da Química, pelo seu trabalho no estudo dos açúcares.
vUm simples exercício mental:
Fórmulas de Projeção de Fischer – Fórmulas bidimensionais
Existe alguma diferença química entre dois enantiômeros ?
A rotação do plano da luz polarizada é chamada de atividade óptica
As moléculas que diferem no arranjo espacial em torno de um átomo de 
carbono quiral tem uma propriedade física que as distingue, a atividade óptica
Jean-Baptiste Biot (1774-1862):
Professor da Universidade de Beauvais, descobriu que algumas substâncias 
orgânicas tinham a capacidade de rodarem o plano da luz polarizada.
v algumas rodavam o plano no sentido dos ponteiros do relógio
v outras rodavam o plano no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio
v outras não tinham capacidade de rodarem o plano
v e considerou que isso se devia ao fato de existir assimetria na molécula
Jacobus H. Van’t Hoff (1852-1911) e Joseph A. Le Bel (1847-1930):
Descobriram que essa assimetria resultava de existirem quatro grupos 
diferentes ligados a um átomo de carbono (um centro quiral).
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Enantiômeros podem ser descritos como (+) ou (–)
(+)-enantiômero (ou enantiômero destrorotatótio) é o enantiômero que desvia o 
plano da luz polarizada para a direita (rotação positiva); o (–)-enantiômero (ou 
enantiômero levrorotatório) desvia o plano da luz polarizada para a esquerda 
(rotação negativa);
direção de propagação da luz
luz polarizada
tubo contendo 
a amostra
plano da luz 
polarizada 
inalterado
Ä composto aquiral, não roda o plano 
da luz polarizada
plano da luz 
polarizada 
alterado
Ä composto 
quiral, roda o 
plano da luz 
polarizada
A rotação observada é medida em graus e através de um polarímetro
Primeiro exemplo real relacionando a estereoquímica a um efeito biológico 
indesejado.
Apenas uma das formas enantioméricas(S) é responsável pela malformação dos 
fetos (focomelia).
Moléculas com mais de um centro estereogênico - Diasteroisômeros
são estereoisômeros que não são enantiômeros
Dois enantiômeros são quimicamente idênticos porque são imagens especulares 
um do outro. Outros tipos de estereoisômeros podem ser quimicamente bem 
diferentes. Estes dois alcenos, por exemplo, são isômeros geométricos (ou 
isômeros cis- trans; E- Z)
Um tipo parecido de estereoisomeria pode existir em compostos cíclicos.
As propriedades químicas e físicas dos enantiômeros são idênticas; 
As propriedades químicas e físicas de diasteroisômeros são diferentes
Diasteroisômeros podem ser quirais ou aquirais
Os dois primeiros pares de diasteroisômeros são aquirais — cada um 
tem um plano de simetria através da molécula.
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O par de diasteroisômeros abaixo é quiral. Sabemos isso porque eles não tem 
plano de simetria podemos verificar desenhando a imagem especular de cada um: 
não são sobreponíveis a primeira estrutura.
Estereoquímica Absoluta e Estereoquímica Relativa
Enantiômeros e Diasteroisômeros
*Enantiômeros são estereoisômeros que são imagens especulares. Um par de 
enantiômeros são imagens especulares do mesmo composto e tem estereoquímica
absoluta (ou configuração absoluta) oposta.
*Diasteroisômeros são estereoisômeros que não são imagens especulares. Dois 
diastereoisômeros são compostos diferentes, tendo diferentes estereoquímica
relativa (ou configuração relativa)
Diasteroisômeros existem quando a estrutura tem mais de um 
centro estereogênico
Convertendo enantiômeros e diasteroisômeros
*Para mudarmos de um enantiômero para outro ambos os centros quirais
devem ser invertidos;
*Para mudarmos de um diastereoisômero para outro somente um dos 
centros quirais deve ser invertido;
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Configuração relativae atividade biológica
Compostos acíclicos também podem existir como diasteroisômeros
Em teoria, podemos saber quantos estereoisômeros de um composto existem com 
três centros estereogênicos simplesmente notando que existem 8 (=23) maneiras 
de combinar Rs e Ss. O número de estereoisômeros não excederá 2n, onde n é
igual ao número de centros estereogênicos tetraédricos.
Compostos Meso
Uma estrutura com dois carbonos estereogênicos nem sempre tem quatro 
estereoisômeros possíveis. Algumas vezes existem apenas três. Isto acontece 
porque algumas moléculas são aquirais mesmo tendo carbonos estereogênicos.
A estrutura D quando 
girada em 180º no plano do 
quadro (ou papel) pode ser 
superposta em C.
A
B
C
D
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R,S-Ácido tartárico e S,R-ácido tartárico não são enantiômeros, eles são 
idênticos porque, mesmo contendo centros quirais, eles são aquirais. Desenhando 
R,S-ácido tartárico após a rotação de 180° na ligação central, podemos notar que 
ele tem um plano de simetria, então ele é aquiral.
* Compostos que contem centros estereogênicos mas são aquirais são chamados de 
compostos meso. Isto significa que existe um plano de simetria com a 
estereoquímica R em um lado e S no outro.
Compostos Meso
Ex: O 1,2-dimetilciclopentano tem dois centros estereogênicos e existe em três 
formas estereoisoméricas (A, B e C). O composto trans existe como um par de 
enantiômeros (A e B).
BA C
Compostos Quirais sem Átomo Tetraédrico com Quatro Grupos 
diferentes 
1- Alenos – os planos de ligações π dos alenos são perpendiculares entre si. Isto 
faz com que os grupos ligados aos átomos de carbono das pontas encontrem-se 
em planos perpendiculares, e, por causa disso, os alenos com substituintes 
diferentes nos átomos das pontas são quirais.
Compostos Quirais sem Átomo Tetraédrico com Quatro Grupos 
diferentes - Atropisomerismo
Existem compostos que tem uma barreira rotacional tão grande entre 
confôrmeros que os isômeros conformacionais individuais podem ser separados e 
purificados, e alguns desses isômeros conformacionais são estereoisômeros. E 
são chamados de atropisômeros.
A Separação de Enantiômeros é Chamada de resolução
1- O produto contem dois centros quirais, então esperamos ter dois 
diastereoisômeros, cada um uma mistura racêmica de dois enantiômeros. 
Diastereoisômeros tem diferentes propriedades físicas, então podem ser 
facilmente separados, por cromatografia por exemplo.
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2- Podemos reverter a esterificação, e hidrolisar ambos diasteroisômeros, 
regenerando o álcool racêmico e e o ácido racêmico.
3- Se repetirmos a reação, desta vez usando o ácido enantiomericamente puro, 
teremos novamente dois produtos distereoisoméricos, mas desta vez cada um 
estará enantiomericamente puro.
4- Se agora nós hidrolisarmos cada diaseroisômero separadamente: Teremos 
separado os dois enantiômeros do álcool de partida.
Resolução usando sais diastereoisoméricos Resolução por Cromatografia com Material Quiral
Se a fase estacionária é quiral, ligando um material enantiomericamente puro, 
a cromatografia pode ser usada para separar enantiômeros.
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1. Assinale a configuração, R ou S, para cada composto.
Exercícios
2. Estes compostos são quirais? Desenhe diagramas que justifiquem suas 
respostas.
3. Quanto distereoisômeros do composto 1 existem? Quais são quirais ou não? 
Se vc tivesse uma mistura racêmica, por quais métodos vc poderia separá-la? 
Quais isômeros seriam esperados pela hidrogenação do composto 2?
4. Discuta a estereoquímica dos compostos abaixo.
Análise Conformacional
A rotação de ligações permite que as cadeias adotem diferentes conformações
Conformação e Configuração
Três compostos, cada um mostrado em duas conformações
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Três pares de estereoisômeros: cada membro de um par tem uma configuração 
diferente
Rotação ou Quebra de Ligação?
• Estruturas que podem ser interconvertidas simplesmente por rotação de 
ligações simples são conformações da mesma molécula
• Estruturas que podem ser interconvertidas somente pela quebra de uma ou 
mais ligações tem diferentes configurações, e são estereoisômeros
Barreiras de Rotação
Conformações do Etano
O etano tem duas conformações extremas chamadas de 
conformação estrelada e eclipsada. Três diferentes visões 
são mostradas abaixo:
estrelada
eclipsada
Projeções de Newman
A conformação estrelada possui menor energia do que a eclipsada de 
aproximadamente 12 kJmol–1, o valor da barreira rotacional.
estrelada eclipsada
Barreiras de Rotação
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*estima-se que fatores estéricos representam cerca de 10% da barreira de 
rotação no etano;
* Os elétrons das ligações se repelem e esta repulsão é máxima na conformação 
eclipsada;
•Devem existir interações estabilizadoras entre o orbital ligante em um carbono 
e o orbital C–H s* antiligante do outro carbono, que é maior quando os dois 
orbitais estão exatamente paralelos: isto só acontece na conformação estrelada.
estrelada
eclipsada
Conformações do propano
A barreira rotacional é agora um pouco maior do que no etano: 14 kJ mol–1 comparado a 
12 kJ mol–1 .
Tensão de Anel
• A tensão de anel é maior para anéis de três membros, mas diminui para anéis 
de quatro membros e é mínima para anéis de cinco membros.
• Um anel planar de seis membros tem o menor nível de tensão.
Tensão angular
Te
ns
ão
 a
ng
ul
ar
Tamanho do anel
Anéis menores (três, quatro e cinco membros)
No ciclopropano os ângulos internos devem ser de 60º e consequentemente eles 
devem desviar de seu valor ideal de uma quantidade muito grande – de 49,5º. 
A tensão angular existe em um anel de ciclopropano porque os orbitais sp3 dos 
átomos de carbono não podem se superpor efetivamente, como eles se 
superpõem nos alcanos. As ligações carbono-carbono no ciclopropano são mais 
fracas.
Uma vez que o anel é plano, as ligações C-H do anel são todas eclipsadas e a 
molécula tem tensão torsional também.
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No ciclobutano, o anel distorce de uma conformação planar para reduzir a tensão
torsional devido aos hidrgênios eclipsados. O anel é ligeiramente dobrado.
No ciclopentano os ângulos internos são muito próximos do tetrédrico. Devido
a tensão torsional, o ciclopentano assume uma conformação ligeiramente
dobrada.
Anéis de seis membros – conformações do ciclohexano
A conformação mais estável do anel do ciclohexano é a conformação de 
“cadeira”. Nessa estrutura não-plana os ângulos de ligação carbono-carbono 
são todos de 109,5º e, portanto, livres de tensão angular. A conformação 
cadeira é livre de tensão torsional também.
A conformação de barco não é livre de tensão 
torsional.
Ciclohexano
Mesmo livre de tensão angular, as interações eclipsadas na conformação de bote faz ele 
aproximadamente 25 kJ mol–1 maior em energia do que a conformação de cadeira.
Conformação de barco torsido (twist-boat)
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As energias relativas das várias conformações do ciclohexano. As posições de 
energia máximas são chamadas de conformações de meia cadeira, nas quais os 
átomos de carbono de uma ponta do anel tornam-se coplanares.
Desenhando o ciclohexano
Desenhando o ciclohexano
Adicionando os átomos 
de hidrogênio
As ligações axiais são relativamente fáceis de desenhar. Elas
devem estar todas verticalmente alinhadas e alternadas para
cima e para baixo ao longo do anel.
As ligações equatoriais necessitam um pouco mais de cuidado ao desenhar. Cada ligação
equatorial deve estar paralela a duas ligações C–C.
O diagrama completo com todos os hidrogênios deve ser assim:
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A inversão de anel (flipping) no ciclohexano
Quando o anel oscila todas as ligações que eram equatoriais se tornam axiais e 
vice-versa.
Ciclohexanos Substituídos
Em quase todos os casos, o confôrmero com o 
substituinte em axial tem maior energia, o que significa
que haverá menos desta conformação no equilíbrio.
-O confôrmero axial é desestabilizado pela repulsão entre o grupo
axial X e os dois hidrogênios axiais no mesmo lado do anel. Esta
interação é chamada de interação 1,3-diaxial. Quanto maior o grupo
X, esta interação se torna mais importantee haverá menos do 
confôrmero com o grupo em axial.
-No confôrmero equatorial a ligação C–X está antiperiplanar às duas
ligações C–C, enquanto no confôrmero axial, a ligação C–X está
sinclinal (gauche) às duas ligações C–C.
O que acontece quando temos mais de um substituinte no anel ?
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Conformação e atividade biológica