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1 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 2 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 3 H CH3 CH3 OH CH3 OH H OH O CH3 Cl HCH3 * * * Centros Estereogênicos enantiômerosenantiômerosenantiômerosenantiômeros mesmo 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 4 R e S são usados para descrever a configuração de um carbono quiral Nomenclatura de Enantiômeros - O sistema R e S �O sistema de regras de Cahn-Ingold-Prelog, também conhecido por sistema (R-S), permite uma designação inequívoca dos enantiômeros. � 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). �A designação (R) e (S) é feita do seguinte modo: H H5C2 OH CH3 H C2H5HO H3C H H5C2 OH CH3 H C2H5HO H3C �Cada 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) 5 (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) � Então comparamos os átomos seguintes. � e fica �Orientar a molécula de forma a que o grupo de menor prioridade esteja em oposição ao orientador; (1) (2) (3) (4) �Em 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). 6 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. �Um 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. � algumas rodavam o plano no sentido dos ponteiros do relógio � outras rodavam o plano no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio � outras não tinham capacidade de rodarem o plano � 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). 7 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 � composto aquiral, não roda o plano da luz polarizada plano da luz polarizada alterado � 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). 8 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. 9 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. 10 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 estereogênicoConvertendo 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; 11 Configuração relativa e atividade biológica Compostos acíclicos também podem existir como diasteroisômeros 12 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 13 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. 14 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. 15 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. 16 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. 17 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. 18 Análise Conformacional A rotação de ligações permite que as cadeias adotem diferentes conformações Conformação e Configuração Três compostos, cada um mostrado em duas conformações 19 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 20 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 21 *estima-se que fatores estéricos representem 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. 22 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. 23 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 tetraédrico. 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. 24 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) 25 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 26 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 hidrogêniosdeve ser assim: 27 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 importante e 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. 28 O que acontece quando temos mais de um substituinte no anel ? 29 Conformação e atividade biológica
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