Estereoquímica e Isômeros

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Estereoquímica
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”
Estereoquímica
Química em 3 dimensões
Arranjo espacial das moléculas
Isômeros
Isômeros
Isômeros constitucionais
Fórmula molecular C2H6O
CH3CH2OH e CH3OCH3
etanol éter dimetílico
Fórmula molecular C5H12
CH3CH2CH2CH2CH3 e
pentano
isopentano
CH3 CHCH2CH3
CH3
Isômeros
Estereoisômeros
Me
H H
Me
Me
H Me
H
Possui a mesma fórmula molecular C7H14, a mesma sequencia
de ligações com os seus átomos, mas diferentes arranjos se
seus átomos no espaço.
cis-1,2-dimetilciclopentano trans-1,2-dimetilciclopentano
Quiralidade
Um objeto quiral é aquele que não é superponível à sua imagem
especular
Quiral: palavra grega (cheir) = “mão”
Quiralidade
Objetos aquirais: não tem propriedade de assimetria
Objetos aquirais
Quiralidade
Moléculas - enantiômeros
Enantiômeros: substâncias cujas moléculas são quirais (moléculas que
são imagens especulares uma da outra, mas que não se sobrepõem.
Grego (enantio): “oposto”
Enantiômeros
Um átomo que contém quatro
substituintes diferentes ligados
a ele é chamado de centro
estereogênico (ou
estereocentro ou centro quiral
ou centro assimétrico)
C
H
H
H
H
Molécula aquiral
metano
Enantiômeros
Importância da quiralidade
“L’univers est dissymmétrique” - Louis Pasteur
Importância da quiralidade
O corpo humano é quiral
A forma de hélice dupla do DNA 
gira para o lado direito
Importância da quiralidade
Importância biológica
Apenas um dos dois aminoácidos enantioméricos mostrados pode atingir três pontos
de ligação com o sítio de ligação hipotético (ou seja, em uma enzima)
Importância da quiralidade
A natureza é quiral
A madressilva enrosca-se como 
uma hélice canhota; uma 
trepadeira enrosca-se para a 
direita
O
H
O
H
(+)-carvona (-)-carvona
cominho hortelã
Importância da quiralidade
A natureza é quiral
As conchas em hélice são quirais e 
muitas são espirais, como um parafuso 
direito.
Os chifres dessa gazela 
africana mostram quiralidade e 
são imagens especulares um do 
outro
Importância da quiralidade
Fármacos com centro assimétricos
(R)-talidomida
Efeito sedativo e 
contra enjôo
matinal
(S)-talidomida
Efeito teratogênico
Testes para quiralidade
Planos de simetria
• Presença de um único estereocentro tetraédrico
• ausência de elementos de simetria: plano de simetria (plano imaginário
que corta uma molécula de maneira que duas metades da molécula seja
uma imagem especular da outra)
Testes para quiralidade
Planos de simetria
Testes para quiralidade
Para dois enantiômeros (2-butanol):
C
CH3
CH2
CH3
HOH
C
CH3
CH2
CH3
OHH
C
CH3
CH2
CH3
OHH
C
CH3
CH2
CH3
HOHtroque
OH e H
A troca de dois grupos no átomo de C estereogênico inverte a configuração daquele 
átomo de C e converte uma estrutura em seu enantiômero
Portanto, quando apenas 1 troca converte uma molécula na outra, elas são
enantioméricas
Testes para quiralidade
C
ClH
CH3
Br
C
CH3Br
Cl
H
A B
C
CH3Br
Cl
H
C
ClH
CH3
Br
C
ClBr
CH3
H
troque
Cl e CH3
troque
Br e H
A troca de dois grupos no átomo de C estereogênico inverte a configuração daquele
átomo de C e converte uma estrutura em seu enantiômero; uma segunda mudança
recria a molécula original. Portanto, trata-se da mesma molécula
Essas duas moléculas representam enantiômeros?
Pode ser usado apenas para moléculas com um centro estereogênico
O método consiste em atribuir uma ordem de prioridade a cada
substituinte em torno do carbono estereogênico.
Sistema Cahn – Ingold - Prelog
Nomenclatura de estereoisômeros
C
CH3
CH2
CH3
HOH
C
CH3
CH2
CH3
OHH
2-butanol
Regras de sequência
Sistema Cahn-Ingold-Prelog
Regra 1: Classifica-se primeiro os átomos diretamente ligados o centro
estereogênico. O átomo que tem o maior número atômico tem prioridade
sobre outro que tenha um menor.
C
CH3
CH2
CH3
HOH
(a)
(b ou c)
(b ou c)
(d)
Regras de sequência
Sistema Cahn-Ingold-Prelog
Regra 2: Se dois os mais substituintes tiverem o mesmo tipo de átomo
ligado ao centro estereogênico, use sucessivamente os grupos de
átomos mais afastados até encontrar a primeira diferença.
C
CH3
CH2
CH3
HOH
(a)
(c)
(b )
(d)
Regras de sequência
Sistema Cahn-Ingold-Prelog
Regra 3: As ligações duplas e triplas são tratadas como se fossem
ligações simples, mas os átomos nelas envolvidos são duplicados ou
triplicados nos dois átomos das insaturações.
−CH=CH2 C C
H
(C)
H
H
(C)
−C≡CH
C C
(C)
(C)
(C)
H
(C)
−CH=CH2
ou
−CH(CH3)2
Nomenclatura de estereoisômeros
Sistema (R)- e (S)-
• A cada um dos quatro átomos ligados ao centro estereogênico é
atribuída uma prioridade (1, 2, 3 ou 4)
• Gira-se a molécula de modo que o grupo de prioridade mais baixa fique
afastado do observador
Nomenclatura de estereoisômeros
Sistema (R)- e (S)-
• Então traça-se um caminho de 1 para 2 para 3:
Se a direção é no sentido horário, o enantiômero é chamado de (R)
Se a direção é no sentido anti-horário, o enantiômero é chamado de (S)
Nomenclatura de estereoisômeros
Sistema (R)- e (S)-
C
CH3
CH2
CH3
HOH
C
CH3
CH2
CH3
OHH
(R)-2-butanol (S)-2-butanol
Exercícios
1) Diga se as estruturas em cada par representam enantiômeros ou duas
moléculas do mesmo composto em diferentes orientações:
2) Atribua designações (R) ou (S) para cada um dos seguintes compostos:
C F
Br
H
Cl
C Cl
Br
H
F
C CH3
F
H
Cl
C Cl
H
F
CH3
C Cl
CH
CH3
CH2CH3
CH2
C OH
CH
H
C(CH3)3
CH2 C C(CH3)3
C
CH3
H
CH
Um par de enantiômeros apresenta mesmo p.f., p.e., solubilidade em
solventes comuns, índice de refração, espectro de infravermelho, etc.
Mesmas propriedades físicas
As propriedades físicas são dependentes das forças intermoleculares atuando
entre as moléculas e, para as moléculas que são imagens especulares uma da
outra, as forças serão idênticas
Propriedades dos enantiômeros
Propriedades dos enantiômeros
Atividade óptica
• Enantiômeros são substâncias opticamente ativas
• Para um par de enantiômeros separados, a rotação da luz plano-
polarizada apresenta o mesmo ângulo α, só que em direções opostas
Luz
natural
Luz
polarizada
Fonte de luz
Feixe de luz
Polarizador
Luz polarizada
A luz consiste de dois campos oscilantes (elétrico e magnético).
A luz natural oscila em todas as direções, entretanto, quando
passa por um polarizador, ele interage com a luz de tal forma que
a luz passa a oscilar em apenas um plano.
Propriedades dos enantiômeros
Atividade óptica
• Uma substância que gira a luz plano-polarizada na direção horária
(apresenta sinal positivo) é chamada de dextrógira (ou dextrorrotatória), e
aquela substância que gira a luz plano-polarizada na direção anti-horária
(apresenta sinal negativo) é chamada de levógira (ou levorrotatória)
Polarímetro
Fonte de 
luz
Polarizador
Tubo de 
amostra
Analisador
Detector
• molécula desvia a luz para a direita
(sentido horário): dextrorrotatória (+)
ou d;
• molécula desvia a luz para a
esquerda (sentido anti-horário):
levorrotatória (-) ou l.
Propriedades dos enantiômeros
Atividade óptica
• α depende do número de moléculas que se encontra dentro do tubo, que
depende do comprimento do tubo e da concentração do enantiômero
• a rotação específicatambém depende da temperatura e do comprimento
de onda da luz utilizada (linha D de uma lâmpada de sódio, λ = 589,6 nm)
Rotação específica (α)
Propriedades dos enantiômeros
Atividade óptica
Rotação específica
Não existe correlação direta
entre o sinal de rotação da
luz plano-polarizada (+)- ou
(-)- e a estrutura de um 
determinado enantiômero
(R)- ou (S)-
Mistura racêmica
Uma mistura equimolar (50:50) dos dois enantiômeros é chamada de
mistura racêmica ou racemato
A mistura racêmica é opticamente inativa ([α]25D = 0)
Excesso enantiomérico
Uma mistura de enantiômeros pode ser enriquecida em um dos
enantiômeros
Para medir o excesso enantiomérico (ee):
Excesso enantiomérico
Exemplo:
(S)-2-butanol tem rotação específica de +13,52o e (R)-2-butanol tem
rotação específica de -13,52o.
Se uma mistura desses enantiômeros apresenta rotação específica de
+6,76o:
Ou seja, 50% da mistura consiste no enantiômero (+) (o excesso) e os
outros 50% consiste na forma racêmica. Consequentemente, a mistura é
de 75% do enantiômero (+) e 25% do enantiômero (-).
Moléculas com mais de um centro
estereogênico
Diastereoisômeros: estereoisômeros cujas moléculas não são imagens
especulares uma da outra.
•o número total de estereoisômeros possíveis não irá exceder 2n, onde n é
igual ao número de centros estereogênicos
• se o composto tem mais de um centro estereogênico analisamos cada
centro separadamente e decidimos se é (R)- ou (S)-
Enantiômeros X Diastereoisômeros
Enantiômeros: possuem configurações opostas em todos os centros de 
quiralidade.
Diastereoisômeros: possuem configurações opostas em um ou mais centros
de quiralidade, mas apresentam a mesma configuração no restante da
molécula.
Enantiômeros X Diastereoisômeros
Propriedades
Enantiômeros possuem as mesmas propriedades físicas: mesmo p.f., p.e., 
solubilidade em solventes comuns, índice de refração, espectro de 
infravermelho, etc.
Diastereoisômeros tem diferentes propriedades físicas: pontos de fusão e 
ebulição, solubilidade, etc.
Compostos meso
• Molécula que, apesar de conter centros estereogênicos, não é quiral
uma vez que ela é sobreponível (e, portanto, idêntica) à sua imagem
especular.
• Compostos meso são opticamente inativos
Possuem um plano de simetria
Compostos cíclicos
Me
H H
Me
Me H
H Me
H Me
Me H
Enantiômeros
Composto meso
Possui plano de simetria
Existem 3 formas estereoisoméricas
Cicloexanos substituídos
Cicloexanos 1,4-dissubstituídos
• existem 2 estereoisômeros possíveis: cis e trans
• cis e trans-1,4-dimetilcicloexano são diastereoisômeros
• não são opticamente ativos (não são quirais, possuem plano de
simetria)
Cicloexanos substituídos
Cicloexanos 1,3-dissubstituídos
• existem 3 estereoisômeros possíveis: cis, (+)- e (-)-trans
• (+)- e (-)-trans-1,3-dimetilcicloexano são enantiômeros
• cis e trans-1,3-dimetilcicloexano são diastereoisômeros
Cicloexanos substituídos
Cicloexanos 1,2-dissubstituídos
Fórmulas de projeção de Fischer
• Projeção de Fischer: fórmula simplificada de representar em duas
dimensões os átomos de carbono tetraédrico e seus substituintes
• Molécula é representada na forma de cruz, com o átomo central no
ponto de intersecção
• Linhas verticais: ligações para trás do plano
• Linhas horizontais: ligações para frente do plano
Obs.: usada de maneira descuidada, essas fórmulas de projeçao podem levar a conclusões
incorretas
Fórmulas de projeção de Fischer
Somente é permitido girar as projeções de Fischer de 180o no plano do
papel; mas não pode-se girá-las de nenhum outro ângulo
Separação de enantiômeros
Resolução
Louis Pasteur (1848)
ácido tartárico
O ácido tartárico é um dos 
produtos secundários da
fabricação do vinho
A solução inicial não possuia atividade ótica (mistura racêmica)
Separação de enantiômeros
Resolução
Separação de enantiômeros
Resolução
Resolução: separação de enantiômeros de uma mistura racêmica
Separação de enantiômeros
Resolução
Mais alguns exemplos de drogas quirais
Ibuprofeno
(S) – ação antiinflamatória
(R) - inativo
Metildopa
(S) – ação antihipertensiva
(R) - inativo
Penicilanima
(S) – ação contra artrite crônica
(R) – inativo e altamente tóxico
Drogas quirais
U.S. Food and Drug Administration
Requer a avaliação da eficácia e toxicidade individual de cada um dos
enantiômeros, caso a droga possua centros assimétricos.
Compostos com centros estereogênicos
diferentes de carbono
Qualquer átomo tetraédrico com quatro grupos diferentes ligados a ele é um
centro estereogênico.
Si
R1
R3
R2
R4 Ge
R1
R3
R2
R4 N
+
R1
R3
R2
R4
Compostos com centros estereogênicos
diferentes de carbono
Os sulfóxidos, da mesma forma que determinados exemplos de outros
grupos funcionais onde um dos quatro grupos é um par de elétrons,
também são quirais.
Exceção: Aminas – barreira de interconversão muito baixa (ocorre a T
ambiente)
S
O
R2
R1
..
N
R3
R2
R1
: N
R1
R2
R3
:
Interconversão de enantiômeros de amina
Configurações relativas
No início, as configurações das moléculas era estabelecida por comparação com
outras moléculas
Importância na Bioquímica – servem como padrões para todos os
monossacarídeos
C
C
CH2OH
OHH
O
H
C
C
CH2OH
HOH
O
H
D-gliceraldeído L-gliceraldeído
C
C
CH2OH
OHH
O
H
C
C
CH2OH
HOH
O
H
Configurações relativas
D-gliceraldeído L-gliceraldeído
CH
C
C
C
CH2
OH
O
OH H
H OH
H OH
CH
C
C
C
CH2
OH
O
OH H
H OH
OH H
Uma D-aldopentose Uma L-aldopentose
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Compara-se o estereocentro de número de ordem mais elevada com o C
estereogênico do gliceraldeído
Importante: a designação D e L não está
relacionada com a rotação óptica
1) Escreva as fórmulas tridimensionais para os isomeros (S) de:
a) Ibuprofeno (agente antiinflamatório e analgésico, Alivium®, Advil®, Motrin®,
Nuprin®)
b) Metildopa (anti-hipertensivo, Aldomet®, Cardin®, Etildopanan®)
c) Penicilamina (anti-reumático e antiurolítico, Cuprimine®)
Exercícios
Exercícios
2) Escreva fórmulas tridimensionais para todos os estereoisômeros de cada um
dos seguintes compostos. Dê os nomes das substâncias incluindo as
designações (R) e (S). Rotule os pares de enantiômeros, os pares de
diastereoisômeros e os compostos meso (se houver).
(a)CH3CHClCHClCH3
(b)CH3CHBrCHFCH3
3) Uma amostra do 2-metil-1-butanol tem uma rotação específica, [α]D
25, igual a
+1,151o. (a) Qual a percentagem do excesso enantiomérico da amostra? (b)
Qual enantiômero está em excesso, o (R) ou o (S)?