Aula_6_-_Estereoquimica

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Estereoquímica
Estudo da química em três dimensões, arranjo 
espacial dos átomos
As estruturas não são sobreponíveis — então elas não são idênticas.
De fato, elas são imagens especulares uma da outra: se nós refletíssemos uma
das duas estruturas, A, em um espelho, teríamos uma estrutura que seria idêntica
a B.
Estruturas que não são idênticas, mas são imagens especulares uma da outra, são
chamadas de enantiômeros. Estruturas que não são sobreponíveis a sua imagem
especular, e podem existir como dois enantiômeros, são chamadas de quiral.
Enantiômeros e quiralidade
*Enantiômeros são estruturas que não são idênticas, mas são imagens
especulares uma da outra
*Estruturas são quirais se elas não podem ser sobrepostas a suas imagens
especulares
Estruturas aquirais são sobreponíveis a suas imagens especulares
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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
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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).
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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).
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Enantiômeros podem ser descritos como (+) ou (–)
(+)-enantiômero (ou enantiômero destrorotatótio) é o enantiômero que desvia o
plano da luz polarizada para a direita (rotação positiva); o (–)-enantiômero (ou
enantiômero levrorotatório) desvia o plano da luz polarizada para a esquerda
(rotação negativa);
direção de propagação da luz
luz polarizada
tubo contendo 
a amostra
plano da luz 
polarizada 
inalterado
� 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).
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Moléculas com mais de um centro estereogênico - Diasteroisômeros 
são estereoisômeros que não são enantiômeros
Dois enantiômeros são quimicamente idênticos porque são imagens especulares
um do outro. Outros tipos de estereoisômeros podem ser quimicamente bem
diferentes. Estes dois alcenos, por exemplo, são isômeros geométricos (ou
isômeros cis-trans; E-Z)
Um tipo parecido de estereoisomeria pode existir em compostos cíclicos.
As propriedades químicas e físicas dos enantiômeros são idênticas;
As propriedades químicas e físicas de diasteroisômeros são diferentes
Diasteroisômeros podem ser quirais ou aquirais
Os dois primeiros pares de diasteroisômeros são aquirais — cada um
tem um plano de simetria através da molécula.
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O par de diasteroisômeros abaixo é quiral. Sabemos isso porque eles não tem
plano de simetria podemos verificar desenhando a imagem especular de cada um:
não são sobreponíveis a primeira estrutura.
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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;
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Configuração relativa e atividade biológica
Compostos acíclicos também podem existir como diasteroisômeros
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Em teoria, podemos saber quantos estereoisômeros de um composto existem com
três centros estereogênicos simplesmente notando que existem 8 (=23) maneiras
de combinar Rs e Ss. O número de estereoisômeros não excederá 2n, onde n é
igual ao número de centros estereogênicos tetraédricos.
Compostos Meso
Uma estrutura com dois carbonos estereogênicos nem sempre tem quatro
estereoisômeros possíveis. Algumas vezes existem apenas três. Isto acontece
porque algumas moléculas são aquirais mesmo tendo carbonos estereogênicos.
A estrutura D quando
girada em 180º no plano do
quadro (ou papel) pode ser
superposta em C.
A
B
C
D
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R,S-Ácido tartárico e S,R-ácido tartárico não são enantiômeros, eles são
idênticos porque, mesmo contendo centros quirais, eles são aquirais. Desenhando
R,S-ácido tartárico após a rotação de 180° na ligação central, podemos notar que
ele tem um plano de simetria, então ele é aquiral.
* Compostos que contem centros estereogênicos mas são aquirais são chamados de
compostos meso. Isto significa que existe um plano de simetria com a
estereoquímica R em um lado e S no outro.
Compostos Meso
Ex: O 1,2-dimetilciclopentano tem dois centros estereogênicos e existe em três
formas estereoisoméricas (A, B e C). O composto trans existe como um par de
enantiômeros (A e B).
BA C
Compostos Quirais sem Átomo Tetraédrico com Quatro Grupos 
diferentes 
1- Alenos – os planos de ligações π dos alenos são perpendiculares entre si. Isto
faz com que os grupos ligados aos átomos de carbono das pontas encontrem-se
em planos perpendiculares, e, por causa disso, os alenos com substituintes
diferentes nos átomos das pontas são quirais.
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Compostos Quirais sem Átomo Tetraédrico com Quatro Grupos 
diferentes - Atropisomerismo
Existem compostos que tem uma barreira rotacional tão grande entre
confôrmeros que os isômeros conformacionais individuais podem ser separados e
purificados, e alguns desses isômeros conformacionais são estereoisômeros. E
são chamados de atropisômeros.
A Separação de Enantiômeros é Chamada de resolução
1- O produto contem dois centros quirais, então esperamos ter dois
diastereoisômeros, cada um uma mistura racêmica de dois enantiômeros.
Diastereoisômeros tem diferentes propriedades físicas, então podem ser
facilmente separados, por cromatografia por exemplo.
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2- Podemos reverter a esterificação, e hidrolisar ambos diasteroisômeros,
regenerando o álcool racêmico e e o ácido racêmico.
3- Se repetirmos a reação, desta vez usando o ácido enantiomericamente puro,
teremos novamente dois produtos distereoisoméricos, mas desta vez cada um
estará enantiomericamente puro.
4- Se agora nós hidrolisarmos cada diaseroisômero separadamente: Teremos
separado os dois enantiômeros do álcool de partida.
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Resolução usando sais diastereoisoméricos
Resolução por Cromatografia com Material Quiral
Se a fase estacionária é quiral, ligando um material enantiomericamente puro,
a cromatografia pode ser usada para separar enantiômeros.
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1. Assinale a configuração, R ou S, para cada composto.
Exercícios
2. Estes compostos são quirais? Desenhe diagramas que justifiquem suas 
respostas.
3. Quanto distereoisômeros do composto 1 existem? Quais são quirais ou não?
Se vc tivesse uma mistura racêmica, por quais métodos vc poderia separá-la?
Quais isômeros seriam esperados pela hidrogenação do composto 2?
4. Discuta a estereoquímica dos compostos abaixo.
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Análise Conformacional
A rotação de ligações permite que as cadeias adotem diferentes conformações
Conformação e Configuração
Três compostos, cada um mostrado em duas conformações
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Três pares de estereoisômeros: cada membro de um par tem uma configuração 
diferente
Rotação ou Quebra de Ligação?
• Estruturas que podem ser interconvertidas simplesmente por rotação de
ligações simples são conformações da mesma molécula.
• Estruturas que podem ser interconvertidas somente pela quebra de uma ou
mais ligações tem diferentes configurações, e são estereoisômeros.
Barreiras de Rotação
Conformações do Etano
O etano tem duas conformações extremas chamadas de
conformação estrelada e eclipsada. Três diferentes visões
são mostradas abaixo:
estrelada
eclipsada
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Projeções de Newman
A conformação estrelada possui menor energia do que a eclipsada de
aproximadamente 12 kJmol–1, o valor da barreira rotacional.
estrelada eclipsada
Barreiras de Rotação
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*estima-se que fatores estéricos 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.
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Tensão de Anel
• A tensão de anel é maior para anéis de três membros, mas diminui para anéis 
de quatro membros e é mínima para anéis de cinco membros.
• Um anel planar de seis membros tem o menor nível de tensão.
Tensão angular
Te
ns
ão
 a
ng
ul
ar
Tamanho do anel
Anéis menores (três, quatro e cinco membros)
No ciclopropano os ângulos internos devem ser de 60º e consequentemente eles
devem desviar de seu valor ideal de uma quantidade muito grande – de 49,5º.
A tensão angular existe em um anel de ciclopropano porque os orbitais sp3 dos
átomos de carbono não podem se superpor efetivamente, como eles se
superpõem nos alcanos. As ligações carbono-carbono no ciclopropano são mais
fracas.
Uma vez que o anel é plano, as ligações C-H do anel são todas eclipsadas e a
molécula tem tensão torsional também.
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No ciclobutano, o anel distorce de uma conformação planar para reduzir a tensão
torsional devido aos hidrgênios eclipsados. O anel é ligeiramente dobrado.
No ciclopentano os ângulos internos são muito próximos do 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.
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Ciclohexano
Mesmo livre de tensão angular, as interações eclipsadas na conformação de
bote faz ele aproximadamente 25 kJ mol–1 maior em energia do que a
conformação de cadeira.
Conformação de barco torsido (twist-boat)
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As energias relativas das várias conformações do ciclohexano. As posições de
energia máximas são chamadas de conformações de meia cadeira, nas quais os
átomos de carbono de uma ponta do anel tornam-se coplanares.
Desenhando o ciclohexano
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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:
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A inversão de anel (flipping) no ciclohexano
Quando o anel oscila todas as ligações que eram equatoriais se tornam axiais e 
vice-versa.
Ciclohexanos Substituídos
Em quase todos os casos, o confôrmero com o
substituinte em axial tem maior energia, o que
significa que haverá menos desta conformação
no equilíbrio.
-O confôrmero axial é desestabilizado pela repulsão entre o grupo
axial X e os dois hidrogênios axiais no mesmo lado do anel. Esta
interação é chamada de interação 1,3-diaxial. Quanto maior o grupo
X, esta interação se torna mais 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.
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O que acontece quando temos mais de um substituinte no anel ?
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Conformação e atividade biológica