Analise conformacional - Organica 1

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Prof. Nunes
Análise Conformacional
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Química Orgânica I
Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
nunes.ufc@gmail.com
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À temperatura ambiente em solução, todas as ligações simples na molécula
estão constantemente rotacionando.
Feromômio da traça de ervilha: acetato de cis-10-dodecen-1-ila
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
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As possibilidades de que duas moléculas terem exatamente a mesma forma,
em qualquer momento são bastante pequenas.
No entanto, mesmo que não haja duas moléculas com exatamente a mesma
forma, em qualquer momento,
� elas são mesmo composto químico, pois têm todos os mesmos
átomos ligados da mesma maneira.
Chamamos as diferentes formas de moléculas do mesmo composto de
conformações.
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
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Para ir de um conformação a outra, podemos girar em torno das ligações
simples.
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
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Para ir de um conformação a outra, podemos girar em torno das ligações
simples.
Um coisa que não podemos fazer, porém, é para quebrar quaisquer ligações.
É por isso que não se pode rodar em torno de uma dupla ligação, pois
teríamos que quebrar a ligação π.
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
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x x
x
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Algumas conformações são mais estáveis que outras...
Conformação e ConfiguraçãoConformação e Configuração
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A barreira rotação em torno de ligações simples é muito baixa, à temperatura
ambiente, e a rotação se dá facilmente.
Já a barreira de rotação em torno de ligações duplas são significantemente
maiores.
Barreiras de RotaçãoBarreiras de Rotação
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Considere os dois átomos de hidrogênio do etano destacados em vermelho na
projeção de Newman. Estes dois átomos de hidrogênio parecem estar
separados por um ângulo de 60 °.
Este ângulo é o chamado ângulo diedro ou ângulo de torção.
Este ângulo diedro muda quando giramos a ligação C-C - por exemplo, se o
carbono da frente gira no sentido horário enquanto o carbono de trás é
mantido parado.
O valor para o ângulo diedro entre dois grupos podem ser de qualquer valor
entre 0° e 180°.
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
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Ângulo diedro = 60o
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Portanto, há um número infinito de possíveis conformações.
No entanto, existem duas conformações que requerem especial atenção:
� a de menor energia – conformação alternada
� a de maior energia – conformação eclipsada
Alternada Eclipsada
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
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A diferença de energia entre as conformações alternada e eclipsada do etano,
é de 12 kJ/mol, como mostrado no diagrama de energia.
Observe que todas as conformações alternadas do etano são degenerados; ou
seja, todas as conformações alternadas têm a mesma quantidade de energia.
Da mesma forma, todas as conformações eclipsadas do etano são
degeneradas.
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
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Ângulo diedro = 60o
Energia
Potencial
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A diferença de energia entre as conformações alternada e eclipsada do etano é
referida como tensão torsional, e a sua causa tem sido debatida por muitos
anos.
Com base em recentes cálculos de mecânica quântica, acredita-se agora que a
conformação alternada possui uma interação favorável entre um orbital
molecular ligante ocupado e outro orbital molecular anti-ligante desocupado.
Essa interação é favorável e só está presente na conformação alternada.
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
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OM ligante (σ) OM anti-ligante (σ∗)
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Quando a ligação C-C é rodada (passando de uma alternada para uma
eclipsada), a sobreposição favorável citada é temporariamente interrompida,
causando um aumento de energia.
No etano, este aumento de energia atinge 12 kJ/mol.
Uma vez que existem três interações eclipsada separadas, é razoável atribuir 4
kJ/mol para cada par de sobreposição H-H.
Esta diferença de energia é significativa. À temperatura ambiente, uma
amostra do gás etano terá cerca de 99% das suas moléculas em
conformações alternadas em qualquer dado instante.
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
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Custo total = 60o 
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O diagrama de energia de propano é muito semelhante ao de etano, com
exceção da a tensão torsional ser de 14 kJ/mol em vez de 12 kJ/mol.
Mais uma vez, observe que todas as conformações alternadas são
degeneradas, assim como são todas as conformações eclipsadas.
Análise Conformacional do PropanoAnálise Conformacional do Propano
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Ângulo diedro = 60o
Energia
Potencial
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Nós já atribuímos 4 kJ/mol para cada par de H eclipsados.
Se sabemos que a tensão torsional do propano é de 14 kJ/mol,
� é razoável atribuir 6 kJ/mol para a sobreposição de um H com um
grupo metila.
Análise Conformacional do PropanoAnálise Conformacional do Propano
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N e já sabemos que cada par 
de H eclipsando tem um 
custo de energia de 4 KJ/mol
Se o custo de energia
total é 14 KJ/mol
N então podemos concluir que
o custo total de energia de um H
eclipsando um grupo CH3
deve ser 6 KJ/mol
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A análise conformacional de butano é um pouco mais complexa do que as
análises conformacionais do etano ou do propano.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
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Ângulo diedro = 60o
Energia
Potencial
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� 3 conformações de maior energia - conformações alternadas.
� 3 conformações de menor energia - conformações eclipsadas.
�Mas, no caso de butano, note que uma conformação eclipsadas (ângulo
diedro = 0) é maior na energia do que as outras duas conformações
eclipsadas. Em outras palavras, as três conformações eclipsadas não são
degeneradas.
�Da mesma forma, uma conformação alternada (ângulo diedro = 180) é
inferior em energia do que as outras duas conformações alternadas.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
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Ângulo diedro = 60o
Energia
Potencial
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3 conformações alternadas.
A conformação com um ângulo diedro de 180° é chamada de conformação
anti, e representa a conformação de menor energia do butano.
As outras duas conformações também são alternadas, porém com 3,8 kJ/mol
a mais de energia do que a conformação anti - são chamadas de
conformações gauche. Por quê?
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
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Anti
metilas estão o
mais afastadas
possivel
Gauche
metilas experienciam
uma interação gauche
Gauche
metilas experienciam
uma interação gauche
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Na conformação anti, os grupos metila conseguem a separação máxima um
do outro.
Nas conformações gauche, os grupos metila estão mais próximos uns dos
outros.
As nuvens de elétrons se repelem (tentando ocupar a mesma região do
espaço), causando um aumento da energia de 3,8 kJ/mol. Esta interação
desfavorável, chamada de interação gauche, é uma forma de impedimento
estérico, e é diferente do conceito de tensão torsional.
As duas conformações gauche que mostram essa interação são degeneradas.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
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Uma conformação eclipsada é superior em energia do que as outras duas
� porque os grupos metila estão se sobrepondo.
As experiências sugerem que esta conformação tem um custo total de energia
de 19 kJ/mol. Uma vez que já foi atribuído 4 kJ/mol para cada interação H-H, é
razoável atribuir 11 kJ/mol para a interação entre dois grupos metilas vizinhos.
A conformação com os dois grupos metila se sobrepondo é o maior
conformaçãode energia.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
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N e já sabemos que cada par 
de H eclipsando tem um 
custo de energia de 4 KJ/mol
2 x 4 = 8 KJ/mol
Se o custo de energia
total é 19 KJ/mol
N então podemos concluir que
o custo total de energia de dois
grupos CH3 eclipsando
deve ser 11 KJ/mol
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As outras duas conformações eclipsadas são degeneradas.
Em cada caso, existe um par de H e dois pares H/CH3 eclipsados. Temos todas
as informações necessárias para calcular a energia dessas conformações.
Sabemos que eclipsando H de são 4 kJ/mol, e cada conjunto de H/CH3 eclipsado
é 6 kJ/mol. Portanto, calcula-se um custo total de energia de 16 kJ/mol.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
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Custo total =
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Análise Conformacional - ResumoAnálise Conformacional - Resumo
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Interação Tipo de Tensão Custo de Energia (KJ/mol)
torsional 4
torsional 6
torsional + estérica 11
torsional + estérica 3,8
eclipsada
eclipsada
eclipsada
gauche
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Um medicamento vai se ligar a um receptor biológico se possuir um arranjo
específico tridimensional de grupos funcionais, chamado um grupo
farmacóforo. Por exemplo, o farmacóforo de morfina é mostrado em vermelho:
A morfina é uma molécula muito rígida, uma vez que tem muito poucas ligações
que são submetidos a uma rotação livre. Como resultado, o farmacóforo é
bloqueado no seu lugar.
Em contraste, as moléculas flexíveis são capazes de adotar uma variedade de
conformações, e só algumas destas conformações podem se ligar ao receptor.
Por exemplo, a metadona tem muitas ligações simples, cada uma das quais
sofre uma rotação livre.
Medicamentos e suas ConformaçõesMedicamentos e suas Conformações
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morfina metadona
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A metadona é utilizada para o tratamento de viciados em heroína, que sofrem de
sintomas de abstinência.
A metadona se liga ao mesmo receptor que a heroína, e acredita-se que a
conformação ativa é aquela em que a posição dos grupos funcionais
corresponde ao farmacóforo da heroína (e da morfina):
Medicamentos e suas ConformaçõesMedicamentos e suas Conformações
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morfinametadona heroína
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O cicloexano pode adotar muitas conformações, como veremos em breve. Por
enquanto, vamos explorar duas conformações:
� conformação cadeira, e
� conformação barco.
Em ambas as conformações, os ângulos de ligação são bem próximos de 109,5°
e,
� portanto, ambas as conformações possuem muito pouca tensão
angular.
cadeira barco
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
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A diferença significativa entre elas pode ser visto ao se comparar a tensão
torsional.
A conformação cadeira não tem tensão torsional. Isto pode ser melhor visto
com uma projeção de Newman.
Observe que todas os H são alternados. Nenhum está eclipsado.
cadeira barco
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
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Olhe para baixo 
destas ligações
simultaneamente
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Na conformação de barco tem duas fontes de tensão torsional.
Muitos dos H estão eclipsados (Figura a), e os H de cada lado das interações
sentem efeitos estéricos no anel chamados de interações mastro, como
mostrado na Figura b.
cadeira barco
H eclipsados interação mastro
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
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O barco pode aliviar um pouco essa tensão torsional “torcendo” sua estrutura,
� resultando em uma conformação chamada de barco torcido.
barco interação mastro
barco torcido
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
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Existem duas conformações cadeira diferentes que se interconvertem
rapidamente através de uma via que passa por muitas conformações diferentes,
incluindo uma conformação meia-cadeira de alta energia, bem como
conformações de barco torcido e barco.
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
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Ao desenhar uma conformação cadeira, é importante desenhá-la com exatidão.
Certifique-se de evitar o desenho mal feitos de cadeiras, porque vai ser difícil
posicionar os substituintes corretamente se o esqueleto não for exato.
Desenhando o esqueleto de uma conformação cadeira
Desenhando as Conformações CadeiraDesenhando as Conformações Cadeira
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Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
Etapa 4
Etapa 5
Desenhe um V largo
Desenhe uma linha indo para baixo em um ângulo
de 60o, terminando antes do centro do V.
Desenhe uma linha paralela para o lado esquerdo do V, 
terminando antes da extremidade esquerda do V.
Desenhe uma linha paralela para a linha a partir da
Etapa 2, indo para baixo exatamente tão baixo quanto
aquela linha.
Conecte os pontos.
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Substituintes
Axiais 
Substituintes
Equatoriais
Desenhando as Conformações CadeiraDesenhando as Conformações Cadeira
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Considere-se um anel que contém apenas um substituinte.
� Duas possíveis conformações de cadeira podem ser feitas:
O substituinte pode estar numa posição axial ou numa posição equatorial.
Estas duas possibilidades representam duas conformações diferentes que
estão em equilíbrio uma com a outra:
axial equatorial
Cicloexano MonossubstituídoCicloexano Monossubstituído
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O termo “anel virado" é utilizado para descrever a transformação de uma
conformação cadeira em outra. Este processo não é feito simplesmente
movendo a molécula como uma panqueca.
Em vez disso, um “anel virado” possui uma alteração conformacional que é
realizada apenas por meio de uma rotação de todas as ligações C-C individuais.
Isto pode ser visto com uma projeção de Newman.
axial equatorial
Cicloexano MonossubstituídoCicloexano Monossubstituído
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Quando duas conformações cadeira estão em equilíbrio,
� a conformação de menor energia será favorecida.
Por exemplo, considere as duas conformações cadeira do metilcicloexano.
À temperatura ambiente, 95% das moléculas estarão na conformação cadeira
que tem o grupo metila na posição equatorial.
Esta deve, portanto, ser a conformação de menor energia, mas por quê?
axial equatorial
Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
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Quando o substituinte está na posição axial, existem interações estéricas com
os outros de H axiais no mesmo lado do anel.
As nuvens eletrônicas do substituinte estão tentando ocupar a mesma região do
espaço ocupada pelos hidrogênios, causando impedimento estérico.
Estas interações são chamados interações 1,3-diaxiais,
� onde os números de "1,3" descrevem a distância entre o substituinte
e cada um dos hidrogênios.
axial equatorial
Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
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Por esta razão, o equilíbrio entre as duas conformações cadeira geralmente
favorece a conformação com o substituinte equatorial.
As concentrações dos confôrmeros, no equilíbrio, dependerão do tamanho do
substituinte.
Grupos maiores terão maior impedimento estérico resultantes de interações
1,3-diaxiais, e o equilíbrio favorecerá mais fortemente do substituinte equatorial.
Por exemplo, o equilíbrio de terc-butilcicloexano favorece quase completamente
a conformação cadeira com um grupo terc-butila na posição equatorial:
axial equatorial
Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
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Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
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substituinte Impedimentoestérico a partir
de interações 1,3-diaxiais 
(KJ/mol)
Razão axial-equatorial
(no equilíbrio)
axial equatorial
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Ao desenhar conformações cadeira de um composto que tem dois ou mais
substituintes, há uma cuidado adicional. Especificamente, devemos também
considerar a orientação tridimensional, ou configuração, de cada substituinte.
Observe que o átomo de cloro está em uma cunha, o que significa que ele está
saindo da página: é para cima. O grupo metila está em ligação pontilhada, o que
significa que ele está abaixo do anel, ou para baixo.
As duas conformações cadeira para este composto são os seguintes:
Cicloexano DissubstituídoCicloexano Dissubstituído
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Cl está para acima
Me está para baixo
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Conformação da esquerda: dois grupos são axiais (menos favorável).
Conformação da direita: dois grupos são equatoriais (mais favorável).
Cicloexano 1,2-DissubstituídoCicloexano 1,2-Dissubstituído
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Cl está para acima
Me está para baixo
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Desenhe as conformações cadeira do seguinte composto.
Cicloexano trans-1,3-DissubstituídoCicloexano trans-1,3-Dissubstituído
39
etila está para cima
metila está para baixo
+ estável
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Desenhe as conformações cadeira do seguinte composto.
Cicloexano cis-1,3-DissubstituídoCicloexano cis-1,3-Dissubstituído
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etila está para baixo
metila está para baixo
+ estável
dois grupos equatoriais dois grupos axiais
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Desenhe as conformações cadeira do seguinte composto.
Cicloexano cis-1,3-DissubstituídoCicloexano cis-1,3-Dissubstituído
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etila está para cima
cloro está para baixo
+ estável
cloro axialetila axial
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Desenhe as duas conformações cadeiras para o cis- e trans-1,4-
dimetilcicloexano, e defina em cada par, qual a conformação mais estável.
ExercícioExercício
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Desenhe as conformações de menor energia para cada um dos seguintes
compostos.
ExercícioExercício
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