Esterioquimica - Organica 1

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Prof. Nunes
Estereoquímica
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Química Orgânica I
Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
nunes.ufc@gmail.com
1
Atualizado Mar/2017
Prof. Nunes
Estereoquímica
2
Por que estudar estereoquímica?
Qual a importância de entendermos que átomos ou grupo de átomos
� podem ocupar posições espaciais diferentes em um mesmo
composto?
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3
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
hortelã cominho
HS
COOH
NH2
HS
COOH
NH2
anti-artrite mutagênico
mutagênicosedativo
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4
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
Mosca
(KT50)*
seg
Barata
(LD50)
µg/inseto
Rato
LD50 (oral)
mg/Kg
KT50 Tempo de 50% queda
LD50 Dose letal – 50%
Piretróide (inseticida/repelente)
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5
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
Cl
OH
O
Cl
OH
O
Herbicida – Mecoprop-P
(Basf – 1974)
Pouca atividade
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Isomeria : Isômeros Constitucionais
6
isômeros
isômeros constitucionais estereoisômeros
isômeros cis/trans isômeros que 
contêm centros 
quirais
O termo isômero vem das palavras gregas isos e meros, que significam
"feito das mesmas partes".
Isto é, os isômeros são compostos que são construídos a partir dos
mesmos átomos (mesmas fórmulas moleculares), mas que ainda diferem
uns dos outros.
Isômeros constitucionais diferem na ligação dos seus átomos; por exemplo:
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Isomeria : Isômeros Constitucionais
7
Os estereoisomeros, por sua vez, são sub-divididos em duas classes, de
acordo com:
� a presença de ligações duplas ou
� centros estereogênicos.
isômeros
isômeros constitucionais estereoisômeros
isômeros com 
duplas ligações
isômeros com 
centros de 
quiralidade
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Isomeria : Isômeros Constitucionais
8
Os dois alcenos acima representam 2 diferentes compostos com diferentes
propriedades físicas,
� porque a ligação dupla não experimentam a rotação livre como
ligações simples fazer.
A rotação em torno da ligação dupla C=C seria destruiria a sobreposição
entre os orbitais p. Portanto, a ligação dupla C=C não experimenta a livre
rotação à temperatura ambiente.
cis-2-buteno trans-2-buteno
estereoisômeros
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Isomeria : cis/trans
9
Para que seja possível utilizar a terminologia cis-trans para diferenciar
estereoisômeros,
� tem de haver dois grupos idênticos, para comparar,
ligados a dois carbonos diferentes da dupla ligação.
Os átomos de hidrogênio também pode ser utilizado para atribuir
terminologia cis-trans; por exemplo:
é trans por causa dos Hs
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10
Quando dois grupos idênticos estão ligados na mesma posição (mesmo
carbono), não pode haver isomeria cis-trans.
Por exemplo, considere o seguinte composto:
é o mesmo que
Isomeria : cis/trans
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11
Determine se o estereoisômero mostrado abaixo apresenta configuração cis
ou trans?
Isomeria : cis/trans
Solução:
Nomear os quatro grupos ajuda a identificar os grupos idênticos. Há
sempre quatro grupos em qualquer ligação dupla (mesmo que alguns
desses grupos sejam apenas átomos de hidrogênio). Nesse caso,
nomear os grupos que tornam evidente que há dois grupos isopropila
que são cis para entre si.
isopropila
isopropila
metila
etila
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12
Para cada um dos seguintes compostos, determine se o mesmo apresenta
uma configuração cis ou trans ou se não é simplesmente estereoisomérica.
Isomeria - Exercício
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Estereoisomerismo – Centros de Quiralidade
isômeros
isômeros constitucionais estereoisômeros
isômeros com 
duplas ligações
isômeros com 
centros de 
quiralidade
Anteriormente, vimos que os estereoisomeros são sub-divididos em duas
classes, de acordo com a presença de duplas ou centros de quiralidade.
Como já analisamos a estereoisomeria baseada em duplas, vamos estudar
agora os centros de quiralidade.
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14
Qualquer objeto pode ser visto em um espelho, revelando sua imagem no
espelho. Tomemos, por exemplo, um par de óculos de sol.
Para muitos objetos, como os óculos de sol,
� a imagem do espelho é idêntico ao objeto real.
� a sua imagem no espelho e o objeto são sobreponíveis
Estereoisomerismo – Centros de Quiralidade
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15
No caso se removermos uma das lentes, a sua imagem no espelho e objeto
passam a ser diferentes.
�Um par está faltando a lente direita, enquanto o outro par
está faltando a lente esquerda.
�Nesse caso, a sua imagem no espelho e o objeto não são
sobreponíveis.
Estereoisomerismo – Centros de Quiralidade
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16
Uma mão esquerda não se encaixa em na mão direita de uma luva,
� e uma mão direita não se encaixa na mão esquerda da luva.
Objetos, como mãos, que não são sobreponíveis com suas imagens
especulares
� são chamados de objetos quirais
Moléculas são objetos tridimensionais e também podem ser classificadas
em uma de duas categorias.
As moléculas quirais são como mãos: não são sobreponíveis com suas
imagens especulares.
Moléculas aquirais não são como as mãos: são sobreponíveis com suas
imagens especulares.
O que faz uma molécula ser quiral?
Estereoisomerismo - Centros de Quiralidade
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17
A fonte mais comum de quiralidade molecular é a presença de um átomo de
carbono que carrega quatro grupos diferentes.
� Há duas maneiras diferentes de organizar quatro grupos em
torno de um carbono central átomo.
� estes dois arranjos são imagens especulares não sobreponíveis.
que diferem um do outro apenas no arranjo espacial dos seus
átomos, e, portanto, eles são estereoisômeros.
espelho
Estereoisomerismo – Centros de Quiralidade
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18
Em 1996, a IUPAC recomendou que um átomo de carbono tetraédrico tendo
quatro grupos diferentes seja chamado de um centro de quiralidade.
Muitos outros nomes de uso comum incluem:
� centro quiral,
� estereocentro,
� centro estereogênico e
� centro assimétrico.
Para o restante de nossa discussão, vamos usar o termo recomendado pela
IUPAC.
Abaixo estão alguns exemplos de centros de quiralidade:
Centros de Quiralidade
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Cada um dos átomos de carbono destacado carrega quatro grupos
diferentes.
No último composto, o átomo de carbono é um centro de quiralidade,
porque um caminho em torno do anel diferente do que é o outro caminho.
Em contraste, o seguinte composto não apresenta um centro de quiralidade.
Neste caso, os sentidos horário e anti-horário são idênticos.
Centros de Quiralidade
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20
Identifique todos os centros de quiralidade.
Centros de Quiralidade
Ácido ascórbico
(Vitamina C)
Vitamina D3
Captoptil
usado no tratamento
de pressão alta
Mestranol
Contraceptivo oral
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Enantiômeros e Diastereoisômeros
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Os estereoisomeros, por sua vez, são sub-divididos em duas classes:
� enantiômeros
� diastereoisômeros
isômeros
isômeros constitucionais estereoisômeros
isômeros com 
duplas ligações
isômeros com 
centros de 
quiralidade
enantiômeros diastereoisômeros
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Enantiômeros
22
Quando um composto é quiral, ele terá uma imagem especular não-
sobreponível, denomidada seu enantiômero.
O composto e sua imagem especular não sobreponível constituem um par
de enantiômeros.
espelho
par de enantiômeros
o
par de 
enantiômeros
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Desenhando Enantiômeros
23
Os enantiômeros são normalmente desenhados utilizando-se fórmulas em
perspectiva (cavalete) ou projeções de Fischer.
A fórmulas em perspectiva mostram:
� duas das ligações ao carbono assimétrico no plano do papel
(linhas cheias),
� uma ligação para trás do plano (cunha pontilhada) e
� uma ligação para afrente do plano (cunha cheia).
fórmulas em perspectiva dos enantiômeros do 2-bromobutano
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Nomeando Enantiômeros
24
O sistema R,S foi desenvolvido por Cahn, Ingold e Prelog
� para definir a configuração absoluta (arranjo espacial) dos
átomos ou grupos ao redor do carbono assimétrico.
As letras R e S são utilizadas para indicar as duas configurações possíveis.
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Sugestão de Leitura
25
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Sistema de Nomenclatura R/S
26
Vamos primeiro olhar como podemos determinar a configuração de um
composto se nós temos um modelo tridimensional do composto.
1) Classifique os grupos (ou átomos) ligados ao carbono estereogênico
segundo a ordem de prioridade. Os números atômicos dos átomos
diretamente ligados ao carbono assimétrico determinam as prioridades
relativas. Quanto maior o número atômico, maior a prioridade.
maior prioridade
menor prioridade
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Sistema de Nomenclatura R/S
27
Se a prioridade não puder atribuída com base nos átomos diretamente
ligados ao carbono assimétrico,
� os próximos átomos deverão ser examinados.
*
(4)(1)
(2)
(3)
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Sistema de Nomenclatura R/S
28
Para grupos com ligações duplas ou triplas são atribuídas prioridades,
como se seus átomos estivessem duplicados ou triplicados.
como se ele fosse
como se ele fosse
é tratado 
como se se 
fosse
com 
prioridade 
maior que
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Sistema de Nomenclatura R/S
29
2) Oriente a molécula para que o grupo (ou átomo), com a prioridade mais
baixa (4) seja dirigido para longe de você. Em seguida, desenhe uma
seta imaginária partido do grupo (ou átomo) com o prioridade mais alta
(1) para o grupo (ou átomo) com a próxima prioridade (2).
� Se a setapontos no sentido horário, o carbono assimétrico possui
a configuração R (R de rectus, palavra latina que significa "direito").
� Se a seta aponta para a esquerda, o carbono assimétrico tem
a configuração S (S de sinister, palavra latina que significa
"esquerda").
(4)
(1)
(2)
(3)
R
observador
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Sistema de Nomenclatura R/S
30
Se você tem problemas para visualizar relações espaciais e não tiver acesso a
um modelo molecular, a metodologia abaixo permitirá que você determine a
configuração assimétrica de um carbono sem ter de girar mentalmente a
molécula.
1) Ranqueie os átomos (ou grupos) segundo suas prioridades.
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Sistema de Nomenclatura R/S
31
Se o grupo (ou átomo) com a prioridade mais baixa está ligado por uma
cunha tracejada,
� desenhe uma seta a partir do grupo (ou átomo), com a
prioridade mais alta (1) para o grupo (ou átomo) com a
segunda maior prioridade (2).
Se a seta aponta no sentido horário, o composto tem a configuração R, e se
aponta para a esquerda, o composto tem a configuração S.
(S)-2-bromobutano (R)-2-bromobutano
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Sistema de Nomenclatura R/S
32
Se o grupo (ou átomo) com a prioridade mais baixa não está ligado por uma
cunha tracejada,
� redesenhe a projeção em perspectiva de modo a colocar o
grupo de mais baixa prioridade voltado para trás do plano.
Ao fazer a troca de posição entre dois átomos (ou grupos) duas vezes, a
configuração do centro quiral não se altera.
Ao fazer a troca de posição entre dois átomos (ou grupos) uma vez, a
configuração do centro quiral se altera.
1 troca
2 trocas
(R)
(S)
(R)
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Sistema de Nomenclatura R/S
33
qual a configuração? a molécula tem configuração R. Portanto, 
ela tinha configuração S antes dos 
grupos serem trocados.
1 troca
Projeção em perspectiva
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Sistema de Nomenclatura R/S
34
H para trás - mantém-se a configuração determinada 
Projeção de Fischer
H para frente - inverte-se a configuração determinada 
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Exercitando
35
Indique a configuração absoluta dos centros quirais.
(R)
(R) (R)
(R)
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Exercitando
36
Classifique cada par de moléculas como enantiômeros ou idênticas.
(R)(S)
enantiômeros
enantiômeros
enantiômeros
enantiômeros
(R)(S)
(S) (R)
(S)(R)
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Exercitando
37
Indique a ordem de prioridade de cada conjunto de substituintes.
3
2
4
31
2
4
1
3
2
4
3 1
2
4
1
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Isômeros com mais de 1 Centro Quiral
38
Diastereoisômeros são estereoisômeros que não mantêm uma relação
objeto-imagem.
De acordo com esta definição, podemos entender por isômeros cis-trans
são diastereoisômeros.
isômeros
isômeros constitucionais estereoisômeros
isômeros com 
duplas ligações
isômeros com 
centros de 
quiralidade
enantiômeros diastereoisômeros
cis-2-buteno trans-2-buteno
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Isômeros com mais de 1 Centro Quiral
39
Considere o seguinte estrutura:
Este composto tem dois centros de quiralidade. Cada um pode ter quer a
configuração R ou S,
� dando origem a quatro possíveis estereoisômeros
(dois pares de enantiômeros):
um par de enantiômerosum par de enantiômeros
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Isômeros com mais de 1 Centro Quiral
40
Para descrever a relação entre estes quatro estereoisômeros,
� vamos olhar para um deles (1R,2S por exemplo) e
� descrever sua relação com os outros três estereoisômeros.
Quanto todos os centros de quiralidades são invertidos no objeto e em sua
imagem especular, temos um par de enantiômeros. Qualquer outra
possibilidade, define um par de diastereoisômeros.
Enantiômero Diastereoisômeros
1S,2R 1R,2R
1S,2S
um par de enantiômerosum par de enantiômeros
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Isômeros com mais de 1 Centro Quiral
41
Outro exemplo:
Referência: 1R, 2R, 3S
Enantiômero Diastereoisômeros
1S,2S,3R 1R,2R,3R
1S,2S,3S
1R,2S,3S
1S,2R,3R
1R,2S,3R
1S,2R,3S
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Isômeros com mais de 1 Centro Quiral
42
Outro exemplo:
enantiômeros
diastereoisômeros
enantiômeros
d
i
a
s
t
e
r
e
o
i
s
ô
m
e
r
o
s
d
i
a
s
t
e
r
e
o
i
s
ô
m
e
r
o
s
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Número de Estereoisômeros
43
Note que a presença de três centros de quiralidade produz uma família de
quatro pares de enantiômeros (8 estereoisômeros).
Um composto com quatro centros de quiralidade irá gerar uma família de
oito pares de enantiómeros (16 estereoisômeros).
Isso levanta a questão óbvia: Qual é a relação entre o número de centros de
quiralidade e o número de estereoisômeros na família?
Número máximo de estereoisômeros = 2n
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Número de Estereoisômeros
44
O colesterol tem oito centros de quiralidade, dando origem a uma família de
28 estereoisômeros (256 estereoisômeros).
O estereoisômero mostrado tem:
� 1 enantiômero e
� 254 diastereômeros.
A estrutura mostrada é o único estereoisômero produzido pela natureza.
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Estereoisômeros
45
Identifique se cada um dos seguintes pares de compostos são
enantiômeros ou diastereoisômeros.
enantiômeros diastereoisômeros
enantiômeros
diastereoisômeros diastereoisômeros
diastereoisômeros
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Simetria e Quiralidade
46
Simetria Rotacional versus Simetria Reflexional
Vamos aprender como determinar se um composto é quiral ou aquiral.
É verdade que qualquer composto com um único centro de quiralidade tem
de ser quiral,
� mas a mesma afirmação não é necessariamente verdade
para compostos com dois centros de quiralidade. Considere
os cis e trans do 1,2-dimetilcicloexano:
Cada um destes compostos tem dois centros de quiralidade, mas o isômero
trans é quiral, enquanto o isômero cis é aquiral. Para entender o porquê,
devemos explorar a relação entre a simetria e quiralidade.
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Simetria e Quiralidade
47
Em termos gerais,existem apenas dois tipos de simetria:
�simetria rotacional e
�simetria reflexional.
O isômero trans exibe uma simetria de rotação. Para visualizar isso,
imagine que o anel cicloexano é perfurada com uma vara do imaginária.
Então, enquanto seus olhos estão fechados, a vara é rodada:
Se, depois de abrir os olhos, é impossível determinar se a rotação ocorreu
ou não, quando a molécula possui simetria rotacional. A “vara imaginária” é
chamado um eixo de simetria.
Prof. Nunes
Simetria e Quiralidade
48
Este composto não tem o mesmo eixo de simetria que isômero trans exibe.
Se nós “perfurarmos” a molécula com um “bastão imaginário”, teríamos de
girar 360°, a fim de regenerar a mesma imagem.
� Portanto, este composto não apresenta simetria de rotação.
No entanto, o composto exibe simetria reflexional. Imagine fechar os olhos
enquanto a molécula é refletida sobre o plano mostrado na figura abaixo.
Todo o lado direito é refletido para o lado esquerdo. Ao abrir os olhos, você
não vai ser capaz de determinar se a reflexão teve lugar ou não. Esta
molécula possui um plano de simetria.
Prof. Nunes
Simetria e Quiralidade
49
Para resumir, uma molécula
� com um eixo de simetria possui simetria rotacional,
� com um plano de simetria possui simetria reflexional.
Com uma compreensão destes dois tipos de simetria, podemos agora
explorar a relação entre a simetria e quiralidade.
� Em particular, a quiralidade não é dependente de qualquer forma
com simetria de rotação. A presença ou ausência de um eixo de
simetria é totalmente irrelevante para a determinação se um
composto é quiral ou aquiral. Vimos que trans-1,2-
dimetilcicloexano possui simetria rotacional. No entanto, o
composto é ainda quiral e existe como um par de enantiômeros.
enantiômeros
Prof. Nunes
Simetria e Quiralidade
50
Mesmo a presença de vários eixos de simetria diferentes não indica se o
composto é quiral ou aquiral.
� A quiralidade é unicamente dependente da presença ou ausência de
simetria reflexional.
� Qualquer composto que possui um plano de simetria, será aquiral.
�O isômero cis de 1,2-dimetilcicloexano apresenta um plano de
simetria, e, por conseguinte, o composto é aquiral. Ele não tem um
enantiômero.
Prof. Nunes
Simetria e Quiralidade
51
Embora a presença de um plano de simetria torna um composto aquiral,
� o inverso nem sempre é verdade,
� ou seja, a ausência de um plano de simetria, não
significa necessariamente que o composto é quiral.
Este composto não tem um plano de simetria, mas tem um outro tipo de
simetria reflexional. Em vez de refletir sobre um plano, imagine refletir sobre
um ponto no centro do composto (ponto de inversão).
. ponto de inversão
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Simetria e Quiralidade
52
Durante o processo de inversão, o grupo metila na parte superior do
desenho (em uma cunha cheia) é refletida para o inferior do desenho (em
uma cunha hachurada).
Do mesmo modo, o grupo metila na parte inferior do desenho (cunha
hachurada) é refletida para o topo do desenho (em uma cunha cheia).
�Todos os outros grupos são também refletidas sobre o centro do
composto.
� O composto é dito exibir um centro de inversão, o que lhe
confere com simetria reflexional.
�Como resultado, o composto é aquiral, embora ele não
tenha um plano de simetria.
. ponto de inversão
Prof. Nunes
Simetria e Quiralidade
53
Também existem outros tipos de simetria reflexional, mas eles estão fora do
escopo nossa discussão (graduação).
Para os nossos propósitos, será suficiente procurar um plano de simetria.
Pode-se resumir a relação entre simetria e quiralidade com as três
seguintes declarações:
� a presença ou a ausência de simetria de rotação é irrelevante para
quiralidade.
� um composto que tem um plano de simetria será aquiral.
� um composto que não tenha um plano de simetria provavelmente
será quiral (embora haja raras exceções, o que pode, na maior parte ds
vezes, ser ignorado para os nossos propósitos).
Prof. Nunes
Simetria e Quiralidade
54
Para cada um dos seguintes objetos, determine se possuem ou não um
plano de simetria:
sim
não
sim
sim
sim não
Prof. Nunes
Simetria e Quiralidade
55
Cada uma das seguintes moléculas tem um plano de simetria. Encontre o
plano de simetria em cada caso: (Dica: Um plano de simetria pode cortar
átomos ao meio.)
Prof. Nunes
Compostos Meso
56
Temos visto que a presença de centros de quiralidade não necessariamente
torna um composto quiral.
Especificamente, um composto que exibe uma simetria reflexional será
aquiral, embora ele tenha centros de quiralidade.
Tais compostos são chamados compostos meso.
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Compostos Meso
57
Uma família de estereoisômeros contendo um composto meso terá menos
de 2n estereoisômeros. Como um exemplo, considere o composto seguinte:
Este composto tem dois centros de quiralidade e, portanto, seria de esperar
22 (= 4) estereoisômeros. Em outras palavras, espera-se dois pares de
enantiômeros:
um par de
enantiômeros
estas duas representações representam 
o mesmo composto
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Compostos Meso
58
O primeiro par de enantiômeros atende às suas expectativas. Mas o
segundo par é, realmente, apenas um composto. O composto apresenta
simetria reflexional e é, portanto, um composto meso:
O composto meso não é quiral, e não tem um enantiômero.
um par de
enantiômeros
estas duas representações representam 
o mesmo composto
plano de simetria
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Compostos Meso
59
Quantos estereoisômeros você espera para o seguinte
composto? Desenhe todos os estereoisômeros.
Há apenas 4 estereoisômeros
não é um 
centro de quiralidade
não é um 
centro de quiralidade
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60
Compostos Meso
É fácil reconhecer quando um composto com dois carbonos assimétricos
têm um estereoisômero que é um composto meso.
Ele possui os dois carbonos assimétricos com quatro átomos ou grupos
idênticos ligados a cada um dos carbonos estereogênicos.
composto meso par de enantiômeros
composto meso par de enantiômeros
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61
Compostos Meso
No caso de compostos cíclicos, o isômero cis será o composto meso
� e o isômero trans vai existir como um par de enantiômeros.
composto meso
cis-1,3-dibromociclopentano
par de enantiômeros
trans-1,3-dibromociclopentano
composto meso
cis-1,2-dibromocicloexano
par de enantiômeros
trans-1,2-dibromocicloexano
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62
Compostos Meso
plano de 
simetria
nenhum plano de simetria
conformação cadeira conformação barco
meso
cis-1,2-dibromocicloexano
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Projeção de Fischer
63
Uma representação simplificada, chamada de Projeção de Fischer,
� mostra o arranjo tridimensional dos grupos ligados ao carbono
assimétrico em duas dimensões.
A projeção de Fischer representa um carbono assimétrico com o ponto de
intersecção entre as duas linhas perpendiculares:
� linhas horizontais: ligações para frente do plano
� linhas verticais: ligações para trás do plano.
carbono estereogênico
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64
Propriedades 
dos 
Estereoisômeros
Prof. Nunes
65
Propriedades dos Estereoisômeros
Os estereoisômeros podem apresentar diferentes atividades
� Físicas
� Químicas
� Óticas (um tipo de Física)
� Biológicas
O entendimento destas atividades em enantiômeros e diastereoisômeros é de
suma importância.
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66
Propriedades Físicas dos Estereoisômeros
Propriedades Físicas
enantiômeros =
diastereoisômeros ≠
Os dados mostram que:
Propriedades físicas dos estereoisômeros do ácido tartárico
Ponto de
Fusão (oC)
Solubilidade,
g/100 g H2O a 15oC
(2R,3R) 170139
(2S,3S) 170 139
(2R,3S) 140 125
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67
Os estereoisômeros, por terem a mesma composição e conectividade, têm
os mesmos grupos funcionais.
� Portanto, reagirão “igualmente (mesmo tipo de reação)” frente ao
mesmo reagente.
OH
OH
SOCl2
SOCl2
Cl
Cl
Propriedades Químicas dos Estereoisômeros
Propriedades Químicas
enantiômeros =
diastereoisômeros =
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68
Todavia, enantiômeros poderão reagir de formas disitintas em termos
cinéticos em reações que utilizem ambientes quirais.
Nas moléculas quirais da natureza, como aminoácidos, enzimas, proteínas e
o próprio DNA, uma dessas formas espelhadas é mais usada e abundante
que a outra.
Isso ocorre porque a estrutura espacial de cada enantiômero determinará a
forma como reage com os receptores, sendo alguns se encaixam
perfeitamente e outros não.
Portanto, podemos considerar que os enantiômeros podem apresentar
propriedades químicas diferentes.
Propriedades Químicas dos Estereoisômeros
Propriedades Químicas
enantiômeros ≠
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69
Um exemplo de reações em abientes quirais é o que ocorre em reações
enzimáticas, as quais podem ser estereosseletivas.
Neste tipo de reação
� somente um dos enantiômeros reagirá, ou
� um dos enantiômeros reagirá muito mais rapidamente que o outro,
�levando a um produto enantiomericamente puro ou a um
excesso enantiomérico, respectivamente.
Propriedades Químicas dos Estereoisômeros
Prof. Nunes
70
Propriedades Óticas dos Estereoisômeros
Embora a atividade ótica (habilidade de um composto de desviar o plano da luz
polarizada) seja uma propriedade física dos compostos, devido à sua
importância na Estereoquímica, merece
� um destaque especial, e
� ser estudada separadamente.
Antes de estudarmos a habilidade de um composto em desviar o plano da
luz polarizada,
� demos entender melhor o que é um plano da luz
polarizada.
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Luz Polarizada
71
A luz é uma energia radiante que impressiona os olhos e é chamada, de
forma mais técnica, de onda eletromagnéticas.
Chamamos de onda eletromagnéticas o tipo de onda formada por um
elétrico e outro magnético que são perpendiculares entre si e que se
deslocam em uma direção perpendicular às duas primeiras.
Prof. Nunes
Luz Polarizada
72
A luz normal, após passar através de um polarizador, como uma lente
polarizada ou um Prisma Nicol, se torna uma luz plano-polarizada (ou
simplesmente luz polarizada), a qual oscila apenas em um único plano
através do caminho de propagação
Prof. Nunes
Luz Polarizada
73
Em 1815, o físico Jean-Baptiste Biot descobriu que algumas substâncias
orgânicas naturais eram
� capazes de girar o plano da luz polarizada.
Sendo que algumas giravam o plano de polarização
� no sentido horário, outras
� no sentido anti-horário, e outras
� não giravam o plano de polarização.
(1774 -1862)
observador
analisadorcela contendo
moléculas orgânicas
polarizadorfonte de
luz
luz
polarizada
Prof. Nunes
Luz Polarizada
74
� Jean-Baptiste Biot previu que a capacidade de girar o
plano de polarização era atribuída a alguma assimetria
nas moléculas.
� Jacobus Hendricus Van't Hoff e Joseph Achille Le Bel,
depois, determinaram que a assimetria molecular estava
associada aos compostos que apresentavam um ou mais
carbonos estereogênicos.
(1852-1911) (1847-1930)
(1774 -1862)
Prof. Nunes
75
Portanto, um composto aquiral
� não gira o plano de polarização.
� é opticamente inativo.
Quando a luz polarizada passa através de uma solução de moléculas
aquirais,
� a luz emerge a partir da solução
� com o seu plano de polarização inalterado.
Atividade Ótica – Compostos Aquirais
O plano de polarização
não foi giradodireção da propagação da luz
cela contendo
moléculas aquirais
polarizadorFonte de
luz
luz
normal
luz
polarizada
luz
polarizada
Prof. Nunes
Atividade Ótica – Compostos Quirais
76
Portanto, um composto quiral
� gira o plano de polarização.
� é opticamente ativo.
Quando a luz polarizada passa através de uma solução de moléculas quirais,
� a luz emerge a partir da solução
� com o seu plano de polarização alterado.
O plano de polarização 
foi giradodireção da propagação da luz
polarizadorFonte de
luz
luz
normal
luz
polarizada
luz
polarizada
cela contendo
moléculas quirais
Prof. Nunes
77
Propriedades Óticas dos Estereoisômeros
Enquanto os enantiômeros desviam a luz polarizada
� em sentidos opostos
� na mesma magnitude
Os diastereosômeros desviam a luz polarizada
� em sentidos opostos ou não
� em diferentes magnitudes
Propriedades Óticas
enantiômeros = magnitudes
≠ senCdos
diastereoisômeros ≠ magnitudes
= ou ≠ senCdos
Prof. Nunes
78
Portanto, se um composto oticamente ativo gira o plano de polarização no
sentido horário, é chamado dextrógiro, indicado pelo sinal (+).
Se um composto oticamente ativo gira o plano de polarização no sentido
anti-horário, é chamado de levógiro, indicado pelo sinal (-).
Às vezes, as letras minúsculas d e l são usadas em vez de (+) e (-).
(R)-(+)-2-butanol
Atividade Ótica – Compostos Quirais
(S)-(-)-ácido málico
Prof. Nunes
79
É imporante reassaltar que não devemos associar (+) e (-) com R e S,
respectivamente.
Os símbolos (+) e (-)
� indicam a direção em que um composto oticamente ativo gira o
plano de polarização.
Os símbolos R e S
� indicam a disposição dos grupos sobre um carbono assimétrico.
Alguns compostos com a configuração de R são (-) e alguns S são (+).
Atividade Ótica – Compostos Quirais
Prof. Nunes
Rotação Ótica
80
O grau em que um composto oticamente ativo gira o plano de polarização
pode ser medida com um instrumento chamado polarímetro.
O grau em que o analisador é girado pode ser lido e representa a diferença
entre amostras oticamente
� ativas (quirais)
� inativas (aquirais)
Isso é chamado de rotação observada (α) e é medida em graus.
direção da propagação da luz
polarizadorFonte de
luz
luz
normal
luz
polarizada
luz
polarizada
cela contendo
moléculas quirais
analisador
observador
Prof. Nunes
81
A rotação observada (α) é proporcional
� à concentração da substância (C), e
� ao comprimento da cela (l)
Logo α proporcional a C.l
Para transformar uma proporcionalidade em igualdade, devemos inserir uma
constante de proporcionalidade. Neste caso, chamaremos esta constante de
rotação específica: [α]D
α = [α]D c.l ou
Rotação Ótica
Unidades
C (g/mL)
l (dm)
Prof. Nunes
82
A rotação observada de 2,0 g de um composto em 50 mL de solução em um
tubo de polarímetro de 50 centímetros de comprimento foi de +13,4o. Qual é
a rotação específica do composto?
Exercitando
[α]D = α
c.l
[α]D = 13,4
0,04 . 5
[α]D = 13,4
0,04 . 5
[α]D = 67º.mL.g-1.dm-1
Prof. Nunes
83
Quando sintetizamos um composto quiral com apenas um centro
estereogênico (por exemplo), podemos obtê-lo como:
� um único enantiômero (R ou S) ou
� uma mistura de enantiômeros (R + S).
� Quado a síntese leva à formação de um único enantiômero, dizemos que a
reação foi estereoespecífica, e o produto é enantiometicamente puro.
Substância Enantiomericamente Pura
Prof. Nunes
84
� Quado a síntese leva à formação de uma mistura de enantiômeros,
podemos ter duas situações.
1. mistura racêmica ou racemato [R] = [S]
2. excesso enantiomérico (e.e.) [R] ≠ [S]
Quando [R] > [S] temos um e.e. de (R)
Quando [S] > [R] temos um e.e. de (S)
Mistura de EnantiômerosProf. Nunes
85
Podemos determinar se uma amostra é constituída de um único enantiômero
ou uma mistura de enantiômeros através da medida de sua rotação
específica [α]D.
Pureza Ótica
%R
%S
%R
%S
100
0 100
0
50
50
rotação específica [α]D
+ 5,75 - 5,750,005,75 > [α]D > 0 -5,75 < [α]D < 0
e.e. de R e.e. de S
S.E.P. S.E.P.racemato
(R)-2-metil-1-butanol (S)-2-metil-1-butanol
Prof. Nunes
86
A partir da rotação específica [α]D podemos calcular a pureza ótica (p.o.)
de uma mistura.
p.o. = [α]D observada
[α]Ddo enantiômero puro
Por exemplo: se uma amostra de 2-metil-1-butanol tem uma rotação específica de
2,3º, sua pureza ótica é de 0,40. Em outras palavras, é 40%
opticamente pura - 40% da mistura consiste de um excesso de
um único enantiômero.
p.o. = 2,3 = 0,4 ou 40% logo....
5,75
% R + %S =100 2 %R = 140
% R - %S = e.e (40%) %R = 140 = 70% %S = 30%
2
Pureza Ótica
Prof. Nunes
Com o intuito de melhorar o entendimento dos estudantes sobre rotação
ótica de compostos orgânicos, desenvoli um software educacional livre
nomeado Polarímetro Virtual.
87
Polarímetro Virtual
(http://www.quimica.ufc.br/polarímetro)
Prof. Nunes
88
Propriedades Biológicas dos Estereoisômeros
Como diferentes estereoisômeros se comportam no sistema biológico?
Após termos estudado as propriedades físicas, químicas e óticas de
estereoisômeros, estudaremos como se apresentam as propriedades
biológicas de estereoisômeros.
Prof. Nunes
89
Propriedades Biológicas dos Estereoisômeros
Quase todas as macromoléculas biológicas, tais como DNA, RNA, proteína,
polinucleótidos e mesmo os aminoácidos, as unidades estruturais básicas
da vida, são quirais.
Apesar de enantiômeros de substâncias quirais terem as mesmas
propriedades físico-químicas,
� atividades bioquímicas, ao contrário das transformações abióticas,
podem ser bastante diferentes porque
� os processos bioquímicos geralmente mostram elevada estereo-
ou enantioselectividade.
Prof. Nunes
90
Propriedades Biológicas dos Estereoisômeros
Por exemplo, reações enantiosseletivas ocorrem em
� enriquecimento biológico,
� degradação e
� outras ações fisiológicas.
Para organismos, enantiômeros, muitas vezes, exibem:
� efeitos diferentes
� ou toxicidades diferentes.
O enantiômero ativo (eutômero) de um composto quiral
� pode ter o efeito desejado sobre uma espécie-alvo,
� enquanto que o outro enantiômero pode não ter.
É aconselhável utilizar apenas os enantiômeros biologicamente ativos,
reduzindo a quantidade total de poluentes químicos liberados para o
ambiente e/ou organismo.
Prof. Nunes
91
Em 1894, Emil Fisher propôs o modelo chave-fechadura
para a interação fármaco-receptor, onde o fármaco agiria
como uma chave e o receptor (proteína) atuaria como uma
fechadura.
Devido ao fato do receptor ser quiral, enantiômeros poderão
se ligar de formas distintas com os sítios receptores,
levando a diferentes efeitos ou a nenhum efeito.
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
Emil Fisher
efeito biológico
sem efeito
Prof. Nunes
92
Os dois enantiômeros da efedrina, por exemplo, apresentam atividades bem
distintas.
Neste caso, na (-)-Efedrina, ocorre uma formação adicional de uma ligação
de hidrogênio entre a hidroxila e um sítio da proteína.
OH
OH
H
OH
N+
H3C
H H
OH
OH
OH
H
N+
H3C
H H **
X
sítio
aniônico
área
plana
não ocorre interação
X
sítio
aniônico
área
plana
ocorre interação
(+)-Efedrina – menos ativa (-)-Efedrina – mais ativa
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
Prof. Nunes
93
Os receptores localizados no exterior do células nervosas no nariz são
capazes de perceber e diferenciar aproximadamente 10.000 odores
diferentes.
Os enantiômeros da carvona apresentam diferentes odores
� devido à simples troca de dois substituintes no carbono
estereogênico.
� (R)-(-)-carvona - hortelã
� (S)-(+)-carvona - cominho.
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
(R)-(-)-carvona (S)-(+)-carvona
Prof. Nunes
94
O aspartame é muito utilizado como um adoçante.
Todavia, somente o isômero (S,S) apresenta saber doce.
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
Prof. Nunes
95
Além de diferenças de sabores ou odores, enantiômeros podem diferir
seriamente quanto às suas propriedades biológicas.
Por exemplo, a Talidomida foi administrada, nos anos 60, como racemato para
o tratamento de enjôo matutino de grávidas nos Estados Unidos.
N
N
H
O
O
O
O
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
Prof. Nunes
96
(R)-Talidomida
sedativo
(S)-Talidomida
mutagênico
eutômero distômero
ativo menos ativo
N
N
H
O
O
O
O
N
N
H
O
O
O
O
N
N
H
O
O
O
O
Propriedades Biológicas de Estereoisômeros
Todavia, os enantiômeros que constituíam o racemato apresentavam
atividades bem distintas.
Prof. Nunes
97
A administração de droga como uma mistura racêmica pode levar a duas
situações diferentes, dependo da ação do distômero, o qual pode:
� não apresentar nenhum efeito colateral mais sério;
� exibir um efeito colateral indesejável;
� exibir efeito terapêuticas independente, mas não prejudicial.
Drogas Quirais
Prof. Nunes
98
Drogas Quirais
Alguns exemplos de drogas onde o distômero não apresenta nenhum
efeito colateral mais sério.
Os enantiômeros R são inativos e não apresentam efeitos colaterais.
O N
OH
H
O N
OH
H
N
S
N
N
O
O N
OH
H
O
(S)-Propanolol
(S)-Timolol
(S)-Metaprolol
Prof. Nunes
99
Drogas Quirais
Alguns exemplos de drogas onde o distômero exibe um efeito colateral
indesejável.
HS
COOH
NH2
HS
COOH
NH2
N
N
HO
H
H
OH
N
N
HO
H
H
OH
(R)-Penicilamina
anti-artrite
(S)-Penicilamina
mutagênico
(R,R)-Etambutol
tuberculóstico
(S,S)-Etambutol
causa cegueira
Prof. Nunes
100
Drogas Quirais
Ambos os isômeros apresentam valores terapêuticos independentes.
Darvon
analgésico
Novrad
anti-tussígeno
N
O
O
R
S N
O
O
R
S
(S)-Ketamina
anestésico
(R)-Ketamina
alucinógeno
O
N
CH3
H
Cl
R
O
N
H3C
H
Cl
S
Prof. Nunes
101
Drogas Quirais
Neste e nos próximos dois slides, serão apresentados mais exemplos de
drogas quirais e as atividades farmacológicas de seus enantiômeros.
Prof. Nunes
102
Indústria Farmacêutica
A relevância do tema quiralidade e atividade biológica é confirmada na
análise da evolução do licenciamento de enantiômeros.
� Crescimento da produção de enantiômeros simples
� Diminuição da produção de racematos.
Agranat, I.; Carner, H.; Caldwell, J. Putting Chirality to work: The strategy of chiral switches, Nature Rev. Drugs
Discovery 2002, 1, 753-768.
Prof. Nunes
103
Mercado Mundial
64,6%
25,4%
10%
enantiômero puro
aquiral
racemato
� Percentuais dos tipos de fármacos comercializados no mundo (2004).
� US$ 48 bilhões
Fonte: Chem. Eng. News 2004, 82(24), 47-62.
Prof. Nunes
104
Drogas Quirais
As produções do eutômero ou da mistura racêmica são determinadas por
motivos distintos.
Eutômeros
Ser o único enantiômero ativo
Baixo índice terapêutico da mistura
Maior toxicidade do distômero
Não haver bioinversão de quiralidade
Acessbilidade econômica
Misturas Racêmicas
Ação sinérgica dos isômeros
Alto índice terapêutico da mistura
Pouca ou nula toxicidade do distômero
Ocorrência de bioinversão de quiralidade
Inovação terapêutica
Uso em quadros crônicos
Baixo custo de produção em relação ao
eutômero
Prof. Nunes
105
Mercado dos Fármacos - Custos
Cl
NN
H OH
OH
O
OH
N
N
O
H
Cl
OH
Cl
Prof. Nunes
106
Drogas Quirais
Sugestão de leitura: Super remédios para quem?
Revista Época
Edição 363 - 20/04/2005
Acesse: http://revistaepoca.globo.com/Revista/Epoca/0,,EDG69991-6014-363,00.html
Embora seja um reportagem antiga, sua leitura é recomendável.
Prof. Nunes
107
Agroquímicos
Muitos agroquímicos comerciais têm estruturas quirais.
Por exemplo, cerca de 30% dos ingredientes ativos de pesticidas
registados
� contêm um ou mais centros quirais.
Os herbicidas são utilizados para controlar o crescimento de
vegetação indesejada e representam a maioria dos agroquímicos em
uso hoje.
� Alguns herbicidas quirais são vendidos como isômeros
oticamente ativos,
� mas por razões econômicas, muitos outros ainda são usados
como racematos.
Prof. Nunes
108
Agroquímicos
Fonte: Chiral Pesticides: Identification, Description, and Environmental Implications Elin M. Ulrich1, Candice N. 
Morrison, Michael R. Goldsmith, and William T. Foreman Manuscript in preparation for Reviews of Environmental 
Contamination and Toxicology
Prof. Nunes
109
Resolução
Quiral
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Química Orgânica I
Prof. Nunes
110
Resolução Quiral
A maioria das moléculas na natureza são quirais, e a natureza geralmente
produz estas moléculas como enantiômeros simples.
Aminoácidos, açúcares, efedrina, pseudoefedrina, e ácido tartárico podem ser
isolados a partir de fontes naturais na forma de enantiômeros simples.
Por outro lado, no laboratório, se fizermos compostos quirais a partir de
materiais de partida aquirais, estamos “condenados” a obter misturas
racêmicas.
Assim, como é que podemos obter compostos enantiomericamente puros,
sem que sejam de fontes naturais?
Prof. Nunes
111
Resolução Quiral
Os enantiômeros não podem ser separadas por técnicas de separação
habituais, tais como:
� destilação fracionada ou
� cristalização
porque os seus pontos de ebulição e solubilidade são idênticos, levando-os a
destilar ou cristalizar simultaneamente.
Louis Pasteur foi o primeiro a separar um par de enantiômeros com sucesso.
Ao trabalhar com cristais de tartarato de amônio de sódio,
� ele observou que os cristais não eram idênticos!
� ele meticulosamente separou os dois tipos de cristais com pinças.
Prof. Nunes
112
Resolução Quiral
Imagine uma reação entre um álcool racêmico quiral e um ácido carboxílico
racêmico quiral para se obter um éster, em uma esterificação catalisada por
ácido.
O produto contém dois centros estereogênicos, por isso, esperamos obter
dois diastereoisômeros, cada um como uma mistura de dois enantiômeros.
Prof. Nunes
113
Resolução Quiral
Os diastereômeros têm propriedades físicas diferentes, de modo que deve ser
fácil de separar, por exemplo, por cromatografia.
Poderíamos, então, reverter a etapa de esterificação, e hidrolisar qualquer um
destes diastereoisômeros, e regenerar o álcool e ácido racêmicos.
Prof. Nunes
114
Resolução Quiral
Se repetirmos esta reação, desta vez usando uma amostra
enantiomericamente pura de (R)-ácido mandélico voltaríamos a obter dois
produtos diastereoméricos mas, desta vez, cada um será enantiomericamente
puro.
Prof. Nunes
115
Resolução Quiral
Se hidrolisarmos cada diastereoisômero separadamente, faremos algo
bastante notável: conseguiremos separar a dois enantiômeros do álcool de
partida.
A separação dos dois enantiômeros é chamada de resolução.
Prof. Nunes
116
Resolução Quiral
Prof. Nunes
117
StereogameStereogame
Exercite teus conhecimentos com este divertido jogo computacional.
http://www.quimica.ufc.br/stereogame