Quimica-A16

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Instituto Universal Brasileiro Educação de Jovens e Adultos a Distância BRASILEIRO Curso a distância de: SUPLETIVO PREPARATÓRIO ENSINO MÉDIO Série QuímicaENSINO MÉDIO QUÍMICA SÉRIE AULA 16 ISOMERIA ESPACIAL (GEOMÉTRICA E ÓPTICA) ISOMERIA GEOMÉTRICA OU CIS-TRANS Ela pode ocorrer em dois casos: - em compostos com dupla ligação em compostos cíclicos Vamos começar este estudo analisando o composto de fórmula molecular: Inicialmente, com esta fórmula, podemos montar dois isômeros planos: CI-C=C-H CI H CI CI 1,1 Dicloro Eteno 1,2 Dicloro Eteno Portanto, segundo o que já aprendemos sobre isomeria plana, este composto possui dois isômeros de posição (diferente posição dos átomos de cloro). No entanto, a fórmula 1,2 Dicloro Eteno possui dois compostos com diferentes disposições espaciais de seus átomos. Estes dois compostos serão chamados de isômeros cis e isômero trans. Observe, com muita atenção, a figura abaixo que representa os modelos desses isômeros no espaço. H H CI H Cis Trans CI CI H CI Cis: significa do mesmo lado Veja que no composto (I) os dois átomos de cloro estão de um mesmo lado em relação a um plano imaginário que contém os dois carbonos da dupla ligação. E que é perpendicular a esta folha de papel. Trans: significa de lados opostos Veja que no composto (II) os átomos de cloro estão em semi-espaços opos- tos em relação ao plano imaginário que contém os dois carbonos da dupla ligação. Para simplificar a representação gráfica de tais compostos costuma-se escrevê-los da seguinte forma. H ( CI Este composto recebe o nome de CI H Este composto recebe o nome de \ cis 1,2 Dicloro eteno / trans 1,2 Dicloro eteno C (átomos de CI do mesmo lado) C (átomos de CI em lados opostos). C C / / H CI H CI Portanto, o composto C2 H2 Cl2 possui, na realidade, 3 isômeros: 1,1 Dicloro eteno, cis - 1,2 Dicloro eteno e trans 1,2 Dicloro eteno.Com base nas observações deste composto podemos agora definir uma regra básica para que ocorra isomeria geométrica em um composto com dupla ligação: A isomeria geométrica só ocorrerá quando houver dois ligantes diferentes em cada carbono da dupla. Exemplo R1 { R1 de ser diferente de R2 R3 de ser diferente de R4 R4 Vejamos outro exemplo de isomeria geométrica utilizando a fórmula do Buteno - 2 como exemplo: H3C-C=C-CH3 H H Veja que esta fórmula obedece a regra dada para a isomeria geométrica, ou seja, possui 2 ligantes diferentes liga- dos aos carbonos da dupla ligação. ligantes diferentes H H ligantes diferentes Utilizando um "modelo de bolas" para visualizar melhor esta molécula, temos: H H H H H C H C C H H C C C H H H C H C cis-buteno - 2 H H trans-buteno - 2 H H Representando graficamente no plano, podemos escrever este composto das seguintes formas: H (CH3) H ( CH3 Ligantes iguais no mesmo lado em relação \ Ligantes iguais em lados opostos em relação C aos carbonos da dupla. C aos carbonos da dupla. É o isômero cis, portanto este composto re- C C É o isômero trans, portanto este é o: cebe o nome de: / \ trans-Buteno - 2 H cis-Buteno 2 (H3C) H Um exemplo clássico de isomeria geométrica é o do ácido butenodióico, no qual as formas cis e trans são conhecidas por nomes bastante diferentes, ou seja: ácido maleico e ácido fumárico. Veja a estrutura plana dessas moléculas. H COOH H COOH / / C C C C Ácido maleicócis / / Ácido Fumárico cis-Butenodióico H ( COOH HOOC H trans-ButenodióicoObservação importante: Inicialmente você pode achar que possuir uma estrutura espacial diferente não repre- senta algo muito importante no estudo dos compostos orgânicos, no entanto, é fundamental que você saiba que isômeros geometricamente diferentes possuem propriedades diferentes. Observe, com atenção, o quadro abaixo que mostra algumas propriedades físicas dos Butenos. Ponto de Ponto de Densidade Nome Fórmula Plana Fusão Ebulição Buteno - 1 = =C-C-CH3 - 190 -6 0,641 H H2 cis- H3C - 139 + 4 H 0,667 Buteno - 2 trans- H3C - = - 106 Buteno - 2 H H 0,649 Os dados dessa tabela mostram, com bastante clareza, que dois compostos com a mesma fórmula estrutural plana podem possuir diferentes propriedades físicas se seus átomos tiverem disposições espaciais diferentes. ISOMERIA GEOMÉTRICA EM COMPOSTOS CÍCLICOS Nos compostos o anel divide o espaço em duas regiões, o que torna possível deixar, ou não, ligantes iguais ou de mesma complexidade de um mesmo lado (forma cis) ou em lados diferentes (forma trans). Vejamos alguns exemplos: H2 H2 C C / H CI H-C-C-H CI CI CI H cis - 1,2 trans 1,2 Costuma-se também representar esses compostos de uma forma mais simplificada, como: H H H CI CI cis CI CI trans H Podemos verificar que estes dois compostos possuem 2 carbonos com ligantes diferentes (semelhante ao que já vimos nos compostos com dupla ligação). Este tipo de isomeria é também chamada de isomeria Bayeriana. Um outro exemplo é o do composto 1,3 Dimetil ciclobutano. H H H H H - C - C - CH3 H - C - C - CH3 H-C-C-H - H3C-C-C- - H CH3 H H H cis - 1,3 Dimetil ciclobutano trans - 1,3 Dimetil ciclobutanoPodemos representar simplificadamente estas moléculas: H H H CH3 H3C CH3 CH3 H Resumindo podemos ter isomeria geométrica quando: Dupla Ciclo R1 R3 R1 / sendo C = C C sendo / R2 R4 R3 C R4 ISOMERIA ÓPTICA Finalizando nosso estudo sobre isomeria, devemos considerar um caso especial de isômeros que apresentam diferentes comportamentos na presença da luz. Esse tipo especial de isomeria recebe o nome de Isomeria Óptica. Para entendê-la bem devemos ter algumas noções sobre a Luz. Em física estudamos que a luz natural é uma energia que se propaga no ambiente através de ondas que vibram em todas as direções. Quando acendemos uma lâmpada em uma sala por exemplo, imediatamente a sala fica toda iluminada, isto porque as ondas emitidas pela luz se propagam em todas as direções. A luz de uma lâmpada se propaga em todas as direções. Podemos representar simplificadamente a projeção dessas "vibrações" da seguinte forma: Existem materiais capazes de fazer a luz natural vibrar em um só plano, obtendo-se assim a chamada luz polarizada. Vamos imaginar várias ondas de luz vibrando, a partir de um mesmo ponto, em diversos planos de direção, e tenhamos uma placa com uma abertura que coincida com um desses planos de vibração. ondas se propagando em onda se propagando em uma vários planos (luz natural) só direção (luz polarizada)Poderíamos esquematizar esse efeito da seguinte maneira simplificada: Luz não polarizada Luz polarizada vários planos de propagação um único plano de propagação Para conseguirmos esse efeito é necessário um instrumento especial chamado polarímetro. Neste instrumento existe um material denominado prisma de Nicol que é capaz de fazer as ondas de luz vibrarem em uma só direção, ou seja, transforma a luz natural em luz polarizada. Luz natural Luz polarizada Fonte de luz Prisma de Nicol Ondas que vibram Onda que vibra em vários planos em um só plano Existem compostos orgânicos que têm a capacidade de modificar o ângulo de vibração da luz polarizada. Isto quer dizer que quando a luz polarizada atravessa um desses compostos, chamados de substâncias opticamente ati- vas, a luz contínua sendo polarizada, porém possui um plano de propagação diferente no inicial. Recipiente contendo uma substância Houve um desvio no opticamente ativa. plano de vibração. A luz polarizada foi descoberta em 1 808. Em seguida, observações experimentais feitas por um cientista da época, constataram que certos cristais de Quartzo, desviam o plano de propagação da luz polarizada. Estes cristais pas- saram a ser chamados de substâncias opticamente ativas. Na época foi descoberto também que esses cristais, opticamente ativos, possuíam duas formas diferentes de arranjo de suas sendo que uma delas corresponde a imagem da outra no espelho (imagem especular). Como acontece, por exemplo, com nossa mão direita em relação à esquerda. Se colocarmos nossa mão direita em frente ao espelho veremos, no espelho, a imagem da nossa mão esquerda, e vice-versa. Dizemos portanto que nossas mãos não são simétricas, uma não pode se sobrepor perfeitamente sobre a outra. Esses cristais passaram a ser chamados de cristais assimétricos ou quiriais. Descobriram também que um desses cristais de Quartzo desvia a luz polarizada para a direita e o outro para a esquerda, com ângulos exatamente iguais. Surgiram daí os termos ópticos ou enantiomorfos (Do grego enantios = opostos; morfos = formas), portanto enantiomorfos significa formas opostas. A substância que desvia a luz polarizada para a direita passou a ser chamada substância dextrógira (do latim dexter = direita) e recebeu, por convenção, um sinal positivo (+), por desviar a luz no sentido horário. A substância que desvia a luz polarizada para a esquerda chama-se substância levógira (do latim, Laevus = esquerda) e recebeu, por convenção, um sinal negativo (-), pois desvia a luz no sentido anti-horárioa substância dextrógira substância levógira (d) (+) (-) = Ângulo de desvio da luz polarizada. Terá sempre o mesmo valor para cada substância, porém um sinal positivo (+) para a substância dextrógira e um valor negativo (-) para a substância levógira. As formas dextrógira (+) e levógira (-) que correspondem uma à imagem especular da outra são os chamados ópticos. A mistura em partes iguais dos antípodas ópticos fornece por compensação dos efeitos contrários um conjunto opticamente inativo, que foi chamado mistura racêmica, representada por Saiba que, se existe uma substância cujas moléculas são assimétricas, certamente existirá uma outra que é o seu antípoda óptico. Por outro lado, qualquer substância, cujas moléculas são simétricas, não tem atividade óptica e, portanto, não possui antípoda óptico. exemplo mais simples de substância opticamente ativa é o do ácido - 2 comercialmente chamado de ácido lático, cuja fórmula estrutural plana é: H H3C OH Repare que o carbono central deste composto (marcado com um asterisco) está ligado a quatro radicais diferentes (H, OH e COOH). Este carbono é chamado de carbono assimétrico e normalmente indicado com um asterisco. Toda substância opticamente ativa possui em sua molécula pelo menos um carbono assimétrico. Veja abaixo uma representação das duas formas dessa molécula, imaginando-se um espelho plano entre elas, de forma que uma das fórmulas seja a imagem especular da outra. H H COOH COOH OH OH OH OH Espelho Podemos escrever estas moléculas de maneira mais simplificada. Repare que a posição dos radicais é a mesma do modelo acima. H H H3C -COOH HOOC C CH3 OH OH ácido ácido lático-levógiro ácido d-lático ácido Pares de antípodas ópticos ou enantimorfosH Você poderá perceber, pela figura ao lado que se H tentarmos "encaixar" uma molécula na outra, nunca CH3 COOH haverá coincidência de todos os radicais. OH COOH CH3 OH Este composto possui portanto 3 isômeros ópticos: 2 opticamente ativos, o d-ácido lático e lático e 1 opticamente inativo que será a mistura dos dois, chamada d- lático. ácido lático obtido do suco da carne desvia o plano da luz polarizada para o sentido horário (+) é portanto d-ácido lático. ácido lático obtido do leite azedo, desvia plano da luz para o sentido anti-horário (-) é l láti- CO. Esses dois compostos apresentam as mesmas propriedades físicas e diferem apenas no sentido de rotação do plano da luz polarizada. Ao se sintetizar este composto em laboratório, obtém-se uma mistura de partes iguais dos dois ácidos, portanto o d- lático. Vamos analisar um outro exemplo: o 2 Butanol H H3C C* - C CH3 H2 OH Repare que carbono assimétrico (assinalado com um asterisco) está ligado a 4 grupos diferentes: H, OH e CH3. Podemos então ter os isômeros d-2 Butanol, Butanol e o Butanol (opticamente inativo). H H H3C C CH3 H3C OH H2 H2 OH Butanol 1-2 - Butanol Pares de antípodas ópticos A mistura em partes iguais destas duas moléculas formará o d - 2 - Butanol. Quando o composto possuir apenas um átomo de carbono assimétrico, o total de isômeros será 3, sendo dois opticamente ativos e um É claro que existem compostos com mais que um carbono assimétrico. Veja dois exemplos: OH OH CI OH 11 // C - C - / / HO H H OH HO H H OH ácido tartárico ácido cloro málico Para tais compostos encontramos o número de isômeros ativos pela fórmula: 2n sendo n o número de átomos de carbonos assimétricos e diferentes. o número de isômeros inativos é dado pela fórmula: 2n-1 Num composto com 3 átomos de carbonos assimétricos e diferentes, teremos 8 isômeros ativos e 4 inativos que são as misturas racêmicas dos isômeros dois a dois Veja os cálculos:isômeros 4 isômeros d opticamente sendo n = 3 ativos 4 isômeros l isômeros opticamente { 4 isômeros inativos Total: 12 isômeros Através dessa fórmula podemos facilmente calcular o número de isômeros de compostos que possuam carbonos assimétricos em suas moléculas. EXERCÍCIOS PARA VOCÊ ESTUDAR 1. Quantos isômeros ópticos existem com a fórmula: 3. Dadas as fórmulas abaixo, diga se os compostos apresentam ou não isomeria geométrica. Em caso afir- H H mativo escreva as fórmulas do par de isômeros: H3C-C-C-CH3 a) = OH CI Resposta: Não Resolução: Primeiro devemos observar com atenção e marcar todos os carbonos assimétricos. Repare que esta fórmula possui dois. CI CI H H dois carbonos assimétricos Resposta: Sim diferentes. Portanto: H-C=C-H - - C/-C=C-H - H3C - CH3 n=2 CI CI H CI OH CI cis trans Teremos então: isômeros ativos isômeros inativos c) H3C - C = C CH3 Br H Resposta: 6 isômeros ópticos. Resposta: Sim 2. Qual o número de isômeros ópticos com a fórmula: H3C CH3 CI CH3 H \ H CI H / \ / C=C C=C / \ H3C - C - C - C - H / CI H H3C H OH OH H CI cis trans Resolução: Podemos perceber que neste composto d) H3C-C=C- existem 4 carbonos assimétricos diferentes: H H H CI H Resposta: Não - - - - H Portanto n=4 OH OH H CI // e) - Teremos: isômeros ativos: H H H OH Resposta: 24 isômeros ópticos Resposta: SimH3C C = H 7. Identifique com um asterisco os carbonos assimétri- \ / \ \ cos, se existirem, nos compostos: C=C OH C C OH / / H H C H3C C-H cis trans = = OH OH OH 4. hidrocarboneto mais simples que apresenta isomeria cis-trans é o: não possui carbono assimétrico a) ( ) eteno H H H b) ( ) propeno c) ( ) buteno - 1 b) H3C - C* - C - C* - CH3 d) (X) buteno - 2 CI Br CI Comentário: eteno e o propeno possuem carbonos li- gados a ligantes iguais, portanto a fórmula mais simples, H que possui isomeria geométrica, dentre os compostos dados é o Buteno - 2 H3C c) - C* - CH3 H H OH 5. Indique qual dos seguintes compostos não apresenta H isomeria cis-trans: d) H3C-C-C-CH3 a) ( ) buteno - 2 b) ( ) 1,2 dicloro eteno CH3 H2 c) (X) 2 - metil-buteno 2 d) ( ) penteno não possui carbono assimétrico Comentário: composto do item possui a fórmula plana: H H H3C)- e) H3C - C* - C* - CH3 OH OH Veja que existem dois ligantes iguais ligados a um dos carbonos da dupla, portanto este composto não possui H H H isomeria cis-trans. f) H3C - C* - C* - C* CH3 6. Dê os nomes oficiais dos compostos abaixo: CI CI Br a) Comentário: Repare que no composto do item a o car- CI H bono central está ligado a dois grupos carbonila. No composto do item b o carbono central não é H CI porque possui dois radicais iguais, ou seja, trans - 1,2 dicloro ciclobutano H b) - C - CH3, portanto H H CI CI CI este carbono não pode ser considerado assimétrico. composto d também não possui carbono assimétrico, cis-1,2 - - dicloro ciclobutano pois sempre há dois radicais iguais.EXERCÍCIOS PARA VOCÊ RESOLVER 1. Dadas as fórmulas abaixo, diga se os compostos a) ( apresentam ou não isomeria geométrica. Em caso afir- b) ( mativo escreva as fórmulas do par de isômeros: c) ( 6 d) ( ) 8 a) = C Br2 3. composto 3 - cloro - 2 Butanol apresenta: Resposta: b) H C=C-H a) ( ) 2 isômeros opticamente ativos. b) ( ) 4 isômeros opticamente ativos. Br Br c) ( ) 8 isômeros opticamente ativos. d) ( ) não apresenta isomeria óptica. Resposta: c) H3C - C 4. Qual das substâncias abaixo apresenta isomeria óptica? CI H a) ( ) H3C - Resposta: H2 d) H3C H H CI b) ( ) H3C - C C CH3 Resposta: H2 Br // e) c) ( ) H3C - CH3 H H OH Resposta: 5. composto 2,4 dimetil - 3 hexanol apresenta, em sua 2. número de isômeros ópticos possíveis para o com- cadeia: posto abaixo sem contar as misturas racêmicas é: H H a) ( ) 1 carbono assimétrico. H b) ( ) 2 carbonos assimétricos. - = 0 c) ( ) 3 carbonos assimétricos. d) ( ) nenhum carbono assimétrico. OH CH3 OH CI OH CHAVE DE RESPOSTAS 1. Dadas as fórmulas abaixo, diga se os compostos Resposta: Sim apresentam ou não isomeria geométrica. Em caso afir- mativo escreva as fórmulas do par de isômeros: H - C=C-H Br-C=C-H a) Br Br H Br cis trans Resposta: Não b) H - c) H3C - Br Br CI HResposta: Sim c) ( ) 8 isômeros opticamente ativos. d) ( ) não apresenta isomeria óptica. H3C CH3 CI CH3 Comentário: Este composto já foi estudado como exem- plo, sua fórmula: C=C C=C / / CI H CH3 H H H cis trans OH CI d) H3C apresenta 2 carbonos assimétricos, portanto ele possui 4 H CI isômeros opticamente ativos e 2 (2') isômeros opti- camente inativos. Resposta: Não 4. Qual das substâncias abaixo apresenta isomeria // óptica? e) \ a) H3C H H OH H2 Resposta: Sim H3C C=0 H C=0 H C=C OH b) (X) H3C - C - C CH3 / / \ H2 H H H3C H Br cis trans Comentário: Repare que nos compostos dos itens a e d c) ( um mesmo carbono possui dois ligantes iguais, portanto não pode existir isomeria geométrica. As formas cis e Comentário: composto do item b é o único que apre- trans do composto do item e foram determinadas a partir senta um carbono assimétrico. da posição do hidrogênio. 5. composto 2,4 dimetil - 3 hexanol apresenta, em sua 2. o de isômeros ópticos possíveis para o com- cadeia: posto.abaixo, sem contar as misturas racêmicas é: H H H a) ( ) 1 carbono assimétrico. b) (X) 2 carbonos assimétricos. - 0 c) ( ) 3 carbonos assimétricos. d) ( ) nenhum carbono assimétrico. OH CH3 OH CI OH Comentário: A fórmula deste composto é: a) ( H H H b) ( 4 c) ( H3C -C-C* - C* CH3 d) (X) 8 H2 CH3 OH CH3 3. composto 3 - cloro - 2 butanol apresenta: carbono de número 2 não é assimétrico porque possui a) ( ) 2 isômeros opticamente ativos. dois grupos metil (CH3) ligados a ele. Portanto só exis- tem 2 carbonos assimétricos. b) (X) 4 isômeros opticamente ativos.