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ISOMERIA, CONFORMAÇÕES E ESTEREOQUÍMICA Complementos de Química II Prof. Pedro Batalha 02/2017 Referências bibliográficas • J. McMurry, Química Orgânica, LTC Livros Técnicos e Científicos, 2006 • (Volume 1 - Capítulo 9) • T.W.G. Solomons, C. B. Fryhle, Química Orgânica, LTC Livros Técnicos e Científicos 2006. • (Volume 1 - Capítulo 5) Isômeros • Substâncias que apresentam a mesma fórmula molecular • Mesmos átomos em elementos e em número • Porém apresentam estruturas diferentes • Átomos em diferentes posições ou diferentes espaços na molécula. • ISOMERIA ESTRUTURAL: os átomos estão ligados em seqüência diferente • ISOMERIA ESPACIAL: os átomos estão ligados na mesma seqüência, mas em arranjos espaciais diferentes Isomeria Estrutural • Isômeros estruturais apresentam propriedades físicas e químicas diferentes • Exemplos: O OH OH O OH O O O Fórmula Molecular: C5H12 Fórmula Molecular: C3H6O Fórmula Molecular: C4H8O2 Fórmula Molecular: C2H6O Isomeria Espacial OU Estereoisomeria • Estereoisômeros possuem mesma fórmula molecular e mesma formula estrutural plana, mas são diferentes na disposição espacial de seus átomos. • Dois tipos de estereoisomeria: • Isomeria Geométrica • Isomeria Ótica Isomeria Espacial Geométrica • Estereoisômeros geométricos possuem propriedades físicas e químicas diferentes. • Isomeria cis-trans ou Z-E • O sítio de variação na molécula ocorre em carbonos diferentes devido à insaturações na estrutura como: • Ligações duplas: usualmente notação Z-E • Alcanos cíclicos: usualmente notação cis-trans Isomeria Espacial Geométrica • Isômero cis ou Z: ligantes de maior massa estão voltados para o “mesmo lado” da molécula, a partir de carbonos diferentes • Isômero trans ou E: ligantes de maior massa estão voltados para o “lados opostos” da molécula, a partir de carbonos diferentes Br Br isômero E isômero trans Br Br isômero Z isômero cis Isomeria Espacial Ótica • É preciso entender o conceito de luz não polarizada e luz polarizada. Luz Polarizada • Ondas do mar. • Um objeto flutuando na água se movimenta para cima e para baixo, através das ondas. • O movimento ocorre numa direção perpendicular àquela em que a onda se movimenta. Visão frontal do movimento do objeto Luz Polarizada • Luz como uma onda eletromagnética: • Oscila em direção perpendicular ao eixo em que está se movendo • Ao contrário das ondas do mar, a luz não polarizada (como a luz do Sol e de uma lâmpada incandescente) oscila em todas as direções perpendiculares ao eixo em que se movimenta. Visão frontal do movimento das ondas eletromagnéticas Luz Polarizada • Polarizador: • Consegue selecionar apenas um plano perpendicular ao eixo do movimento da luz (todos os outros são anulados). • A luz passa a se mover apenas no plano selecionado. • A luz torna-se POLARIZADA Visão frontal do movimento das ondas eletromagnéticas Isomeria Espacial Ótica • Quando um feixe de luz polarizada passa através de um solução contendo uma SUBSTÂNCIA QUIRAL, o plano da luz polarizada sofre um desvio angular (α). Isomeria Espacial Ótica • Este desvio α é notado sob a forma de ROTAÇÃO ESPECÍFICA, [α]. O valor de [α] depende: • Da natureza da substância • Da concentração da solução • Do comprimento do tubo de amostra • Da temperatura • Do comprimento de onda da luz utilizada • Do solvente onde a amostra está solubilizada Isomeria Espacial Ótica • O valor de [α] pode ser utilizado para caracterizar substâncias quirais, no entanto todas as variáveis utilizadas na medida de [α] devem ser especificadas. • De modo a que este valor seja reprodutível e comparável. [α] = desvio observado (em o; + se for para a direita e − se for para a esquerda) comprimento percorrido pela luz dm x concentração (g/mL) Exemplo: 300 mg de uma substância quiral são dissolvidos em clorofórmio a um volume total de 10 mL. Quando esta solução é colocada em um tubo de 20 cm de comprimento, observa-se uma rotação ótica de 6,00 o para a direita, na linha D do sódio (589 nm) a 25 oC. Qual é a rotação específica? [α]D 25 = + 100 o CHCl3 (c = 0,03) Centro Estereogênico • Centro estereogênico ou centro quiral • Sítio na molécula onde duas possibilidades de arranjo atômico podem ocorrer. • Carbono assimétrico: carbono ligado à QUATRO LIGANTES DIFERENTES • Outros átomos podem também ser centros estereogênicos, mas o carbono é o mais importante neste caso. • Exemplo: Br Cl Br Cl Cl Br 2 possibilidades Centro Estereogênico • Exemplos: Identificar os centros estereogênicos nas moléculas abaixo: Br OH OH Centro Estereogênico • Exemplos: Identificar os centros estereogênicos nas moléculas abaixo: Lembrar que: LIGAÇÕES SIMPLES possuem livre rotação OH OO OH OO OO OHO Centro Estereogênico • Os centros estereogênicos, são classificados de acordo com sua CONFIGURAÇÃO ESTEREOQUÍMICA ABSOLUTA. • A configuração estereoquímica pode ser prevista pela análise da estrutura. • Podem ser classificados como R ou S. OH HH HO Br CO2H NH2 H 12 3 4 12 3 4 1 2 3 4 Configuração Estereoquímica Absoluta • Três passos para determinação da configuração estereoquímica absoluta: • 1) Enumerar os ligantes em ordem de prioridade (de 1 a 4) • Átomos de maior número atômico terão maior prioridade • Quando o carbono assimétrico estiver ligado a dois átomos iguais, deve-se definir a prioridade com base no próximo átomo do ligante. • Se os átomos em ordem do grupo ligante forem iguais, mais os tipos de ligações forem diferentes, a prioridade segue a seguinte ordem: ligação tripla > dupla > simples Configuração Estereoquímica Absoluta • Três passos para determinação da configuração estereoquímica absoluta: • 2) Colocar o ligante de menor prioridade (4) para trás do plano do „papel‟ OH HH HO Br CO2H NH2 H 12 3 4 12 3 4 1 2 3 4 OHHOH Br H CO2H NH2 H 1 23 4 1 2 3 4 1 2 3 4 É o mesmo que: • Três passos para determinação da configuração estereoquímica absoluta: • 3) Observar a ordem de rotação de prioridade para os ligantes 1, 2 e 3 • Sentido HORÁRIO: Configuração R • Sentiddo ANTI-HORÁRIO: Configurãção S Configuração Estereoquímica Absoluta 1 4 3 2 CONFIGURAÇÃO R 4 1 2 3 CONFIGURAÇÃO S Configuração Estereoquímica Absoluta • Exercício: Com base na ordem de prioridade previamente definida nos sistemas abaixo, diga qual a configuração estereoquímica absoluta dos respectivos carbonos assimétricos: 1 3 24 2 4 13 4 3 12 2 3 4 1 4 1 3 2 2 3 4 1 14 3 2 41 2 3 23 4 1 Configuração Estereoquímica Absoluta • Exercício: Encontrar os centros estereogênicos e determinar a configuração estereoquímica absoluta: O Cl Br Br OH OH Quiralidade • Moléculas quirais ou moléculas assimétricas: • Moléculas não sobreponíveis à sua própria imagem especular. • Possuem ao menos um carbono quiral ou assimétrico • Uma molécula simétrica será AQUIRAL, mesmo se tiver carbonos quirais (assimétricos). • Existem vários elementos de simetria, mas vamos considerar apenas o PLANO DE REFLEXÂO: • Plano que divide a molécula em duaspartes iguais, sendo uma parte a imagem especular da outra • Se a molécula apresentar um plano de reflexão, ela será AQUIRAL O Quiralidade • Substâncias MESO: possuem centros estereogênicos, porém apresentam plano de simetria (são aquirais) • Diga quais moléculas a seguir quirais e quais são aquirais e quais são meso: Plano de simetria Nenhuma dessas moléculas apresenta carbono assimétrico: Quiralidade • Diga quais moléculas a seguir são quirais, quais são aquirais e quais são meso: O OO O O Plano do slide é o plano de simetria Plano do slide é um dos plano de simetria Plano de simetria Quiralidade • Diga quais moléculas a seguir quirais, quais são aquirais e quais são meso: CNHO CNHO CO2H OHO OH Quiralidade • Diga quais moléculas a seguir quirais, quais são aquirais e quais são meso: • Lembrar que ligações simples possuem livre rotação! O O OH Quiralidade • Classificação de acordo com o desvio da luz polarizada: • Dextrógiros (d ou +): desviam para a direita • Levógiros (l ou -): desviam para a esquerda • Classificação empírica (com base em experimentos): • não é possível prever se uma molécula quiral será d (+) ou l (-) apenas pela análise de sua estrutura espacial. • Mistura racêmica: • mistura contendo as mesmas quantidades molares dos isômeros d e l. Por isso estas misturas não desviam a luz polarizada. H3C CO2H H OH l-ácido lático HO2C CH3 H OH d-ácido lático [α]546 21.5 = - 2,6o [α]546 21.5 = + 2,6o Quiralidade • A configuração estereoquímica absoluta (R/S) não apresenta qualquer relação direta com a classificação d-l • A classificação d-l depende de observação experimental e não pode ser prevista com base apenas na estrutura • Estereoisômeros óticos podem ser classificados de acordo com a relação entre seus respectivos carbonos assimétricos. • Enantiômeros • Diastereoisômeros Estereoisômeros óticos • Enantiômeros: Um isômero é a imagem especular do outro • Possuem as mesmas propriedades físico-químicas • Exceto a rotação específica da luz polarizada, que apresenta o mesmo valor, porém em direção oposta. • Mistura racêmica: mistura contendo as mesmas quantidades molares de enantiômeros (em outras palavras isômeros d e l ou + e -) H3C CO2H H OH (R)-ácido lático HO2C CH3 H OH (S)-ácido lático PF = 53 oC pKa = 3,8 Solúvel em água [α]546 21.5 = - 2,6o PF = 53 oC pKa = 3,8 Solúvel em água [α]546 21.5 = + 2,6o Estereoisômeros óticos • Enantiômeros: Um isômero é a imagem especular do outro • Todos os carbonos assimétricos de um isômero possuem configuração absoluta oposta a dos respectivos carbonos assimétricos do outro isômero • Se uma substância quiral for dextrógira (d ou +), então o seu enantiômero será levógiro (l ou -), e vice-versa. HO (R) (R) (R) (R) OH OH OHOH OH HO (S) (S) (S) (S) OH OH OHOH OH Estereoisômeros óticos • Exercícios: Desenhe os respectivos enantiômeros CH3 CH3 OH CH3 HO H3C CH3 OH CH3 CH3 OH CH3 HO H3C CH3 OH CH3 CH3 OH H3C OH CH3H3C HO É o mesmo que: É o mesmo que: É o mesmo que: Estereoisômeros óticos • Diastereoisômeros: Um isômero não é a imagem especular do outro • Possuem mais de 1 carbono assimétrico • Ao menos 1 carbono assimétrico de um isômero possui configuração absoluta igual a do respectivo carbono assimétrico do outro isômero • Ao menos 1 carbono assimétrico de um isômero possui configuração absoluta oposta a do respectivo carbono assimétrico do outro isômero (S) (S) CH3 OH NHCH3 (R)(R) H3C OH NHCH3 (S)(R) H3C OH NHCH3 (R) (S) CH3 OH NHCH3 Estereoisômeros óticos • Diastereoisômeros: apresentam propriedades físicas e químicas diferentes! Das substâncias abaixo, quais são enantiômeros e quais são diastereoisômeros? (1R, 2S)-(-)-efedrina PF = 40o C [α]D 20 = - 6,3o (1S, 2R)-(+)-efedrina PF = 40o C [α]D 20 = + 6,3o (1S, 2S)-(+)-pseudoefedrina PF = 117o C [α]D 20 = + 52o (1R, 2R)-(-)-pseudoefedrina PF = 117o C [α]D 20 = -52o (R) (S) OH NHCH3 (R) (S) NHCH3 HO (S) (R) HO H3CHN Estereoisômeros óticos • CONFÔRMEROS: não são estereoisômeros! • São exatamente a mesma substância, porém em conformações diferentes (e representações diferentes) • Para saber se duas representações correspondem a confôrmeros diferentes da mesma substância, basta definir a configuração absoluta de todos os carbonos assimétricos e observar se são as mesmas nas duas representações. Estereoisômeros óticos • Como comparar as representações dos estereoisômeros? Basta definir a configuração absoluta de todos os RESPECTIVOS CARBONOS ASSIMÉTRICOS e comparar: • Se todos os respectivos carbonos assimétricos tiverem configuração oposta: ENANTIÔMEROS • Se todos os respectivos carbonos assimétricos tiverem mesma configuração: CONFÔRMEROS • Se dois estereoisômeros óticos não se encaixarem nos dois casos acima, serão DIASTEREOISÔMEROS • Ao menos 1 respectivo carbono assimétrico (pode ser mais que 1), tiver configuração igual e ao menos 1 respectivo carbono assimétrico (pode ser mais que 1), tiver configuração diferente HO (R) (R) (R) CHO OH OH OH (D)-ribose HO (S) (S) (S) CHO OH OH OH (L)-ribose HO (R) (R) (S) CHO OH OH OH (D)-arabinose HO (S) (S) (R) CHO OH OH OH HO (R) (S) (R) CHO OH OH OH HO (S) (R) (S) CHO OH OH OH (L)-arabinose (D)-xilose (L)-xilose Estereoisômeros óticos • Exercício: Dizer em cada caso se as estruturas relacionadas correspondem à enantiômeros, diastereoisômeros ou confôrmeros. R CHO R O H = Observação: Projeção de Fischer • Muito utilizado para representar substâncias que apresentam muitos carbonos assimétricos em sequência • Muito utilizada para CARBOIDRATOS • As ligações que estão para frente e para trás do plano estão implícitas (não se representa o tracejado para trás e a linha cheia para frente). COOH CH2OH OHH HHO COOH CH2OH OHH HHO OHH COOH HHO HHO OHH CH2OH HHO Projeção de Fischer • O carbono central ou a ligação central estão no plano do papel • Todas as ligações na horizontal estão para frente do plano do papel • Todas as ligações na vertical estão para trás do plano do papel CO2H CH3 OHH CO2H CH3 OHH H3C CO2H OHH ≡ ≡ COOH (R) (S) CH2OH OHH HHO (S) (R) CO2HHOH2C OHH HO H COOH (R) CH2OH OHH HHO (S) Projeção de Fischer • Exemplos: Como passar da projeção de Fischer para a conformação em zig-zag: 1) A partir da projeção de Fischer, redesenhar mostrando quais ligações estão para frente e quais estão para trás. 2) Redesenhar a estrutura olhando por uma das vistas laterais. Assim as ligações que estavam na vertical, estarão no plano do papel e estarão dispostas em „cunha‟. (S) (R) CO2HHOH2C OHH HO H HOH2C (S) (R) CO2H H H OH OH 3) Para desenhar a conformação em zig-zag, os carbonos que estavam no plano na conformação em „cunha‟, continuarão no plano, porém em posições alternadas (paracima e para baixo). - Os carbonos que ficarem para cima, permanecerão iguais. - Os carbonos que ficarem para baixo, deverão ter a posição dos seus ligantes ‘invertida’ (o que estava para frente na conformação „cunha‟, fica pra trás e o que estava pra trás na conformação „cunha‟ fica pra frente), de modo a manter a configuração absoluta. Projeção de Fischer • Exemplos: Como passar da projeção de Fischer para a conformação em zig-zag: COOH CH2OH OHH HHO Ao final, recomenda- se confirmar a configuração absoluta de todos os carbonos assimétricos (deve ser igual à da representação original) COOH (R) CH2OH OHH HHO (S) Projeção de Fischer • Exemplos: Desenhar as seguintes moléculas em conformação zig-zag: COOH CH2OH OHH HHO OHH CH2OH COOH HO H HO H HO H HOH2C COOH HO H OH H HO H HOH2C COOH OH OH OHH H H COOH CH2OH OHH HHO OHH Projeção de Fischer • Exemplos: Desenhar as seguintes moléculas em conformação zig-zag: COOH HHO HHO OHH CH2OH HHO COOH HHO HHO OHH CH2OH HHO COOH CH2OH H HO H H HO H HO HO COOHHOH2C H OH H HHO H OH OH HOH2C COOH H H H OH HO HO HO H Projeção de Fischer • Exemplos: Desenhar as seguintes moléculas em Projeção de Fischer: HO CHO OH OH OH (D)-ribose HO CHO OH OH OH (L)-ribose HO CHO OH OH OH (D)-arabinose HO CHO OH OH OH HO CHO OH OH OH HO CHO OH OH OH (L)-arabinose (D)-xilose (L)-xilose OH NHCH3 H3C CO2H H OH HO2C CH3 H OH Projeção de Fischer • Enantiômeros: classificação D/L • Nomenclatura referente à configuração do gliceraldeído • Na cadeia vertical, o carbono mais oxidado (CHO, por exemplo) deve estar no topo. • Na parte inferior da representação, observar a hidroxila ligada ao último carbono assimétrico: • Se ela estiver para a direita: enantiômero D • Se ela estiver para a esquerda: enantiômero L CHO OHH OH CHO HHO OH D-(+)-gliceraldeído L-(-)-gliceraldeído R CHO R O H = Observação: CHO OHH OHH OHH OHH CH2OH CHO OHH HHO OHH OHH CH2OH Alose Glicose CHO HO H H OH HO H HO H CH2OH CHO HO H HO H HO H HO H CH2OH D-alose L-alose D-glicose L-glicose Projeção de Fischer • Enantiômeros: classificação D/L • Exemplos: CHO HHO OHH OHH OHH CH2OH CHO HHO HHO OHH OHH CH2OH Altrose Manose CHO H OH H OH HO H HO H CH2OH CHO H OH HO H HO H HO H CH2OH D-altrose L-altrose D-manose L-manose Projeção de Fischer • Enantiômeros: classificação D/L • Exemplos: Projeção de Fischer • Exercícios: Diga se nos conjuntos abaixo, as substâncias são confôrmeros, enantiômeros ou diastereoisômeros e classifique-os em D ou L. CH2OH CHO OHH CH2OH OH CHOH CN Br OHH Br OH CNH CO2H CO2H OHH OH H CO2HHO2C CHO OHH HHO OHH OHH CH2OH CHO H OH H OH HO H HO H CH2OH CHO HHO OHH HHO OHH CH2OH CHO H OH HO H H OH HO H CH2OH H HO CHO HO H H OH HO H CH2OH H HH H H H Projeção de Newman • Representação de uma molécula „olhando‟ através de uma ligação específica. • O carbono da frente é visível • O carbono de trás é implícito • Permite avaliar diferentes conformações • Observar as posições relativas dos ligantes dos dois carbonos em questão • Prever a conformação menos energética, mais estável • Conformação mais favorável em relação às outras. É o mesmo que: HH H H HH Projeção de Newman • Exemplos: Colocar em projeções de Newman, as seguintes estruturas, „olhando‟ através das ligações destacadas em vermelho H Et H Pr Análise conformacional • O caso do Etano (CH3CH3): 6 conformações possíveis • 3 conformações em estrela • 3 conformações em eclipse Menos energéticas Mais energéticas Menor repulsão espacial entre os H de cada carbono Maior repulsão espacial entre os H de cada carbono 60 o 60 o 60 o HH H H HH H H H HH H HH H H HH H H H HH H 60 o 60 o HH H H HH H H H HH H 60 o H H H HH H HH H H HH H H H HH H HH H H HH H H H HH H HH H H HH Análise conformacional • O caso do Etano (CH3CH3) • Em termos gráficos de energia 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 50 100 150 200 250 300 350 E N E R G IA Ângulo de rotação (o) HH H H HH Análise conformacional • Em casos onde os carbonos analisados estejam ligados à substituintes alquil, como no BUTANO • Conformações em estrela continuarão sempre menos energéticas que as em eclipse • Mas é possível prever, individualmente, qual(is) conformação(ões) será(ão) menos energética(s) • Quanto menor a repulsão entre os grupos alquil mais volumosos dos dois carbonos, menor a energia, maior a estabilidade Me Me H H H H É o mesmo que: HH Me Me HH Me = metil Análise conformacional • Em casos onde os carbonos analisados estejam ligados à substituintes alquil, como no BUTANO • Observando todas as conformações possíveis, esta seria a ordem crescente de energia: A < C ≈ E < B ≈ F < D 60 o 60 o 60 o HH Me Me HH A Me H H MeH H B HH Me H MeH C Me H H HH Me D 60 o 60 o HH Me H HMe E Me H H HMe H F 60 o Me H H MeH H B HH Me H MeH C Me H H HH Me D HH Me H HMe E Me H H HMe H F HH Me Me HH A HH Me Me HH A Análise conformacional • Butano • Em termos gráficos de energia E N E R G IA Ângulo de rotação (o) 4 5 6 7 8 9 50 150 250 350 450 Análise conformacional • Exercício: Preveja as conformações mais estáveis para as seguintes estruturas: H Et H Pr Cicloexanos • Cicloexanos: cadeias cíclicas com 6 carbonos sp3 (tetraédricos) ligados em seqüência. • Podem existir sob diferentes conformações, sendo a principal a conformação em CADEIRA. • Em geral é a menos energética. • Nesta representação as ligações que estão pra frente e pra trás do plano estão implícitas (deve-se entender o arranjo 3D) C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H Vista de „cima‟ Vista „lateral‟ em 3D Cicloexanos • Os substituintes voltados para „cima‟ ou para „baixo‟ são chamados AXIAIS • Os substituintes voltados para „fora‟ do ciclo são chamados EQUATORIAIS H H H H H H H H H H H H 3 4 5 6 1 2 Cicloexanos • Cicloexanos substituídos apresentam uma forte correlação entre a conformação em cadeira possível e o efeito estéreo dos substituintes alquílicos ligados ao ciclo. • A conformação onde O(S) SUBSTITUINTE(S) MAIS VOLUMOSO(S) FIQUE(M) EM POSIÇÃO EQUATORIAL, será a mais estável • Menor repulsão com os demais substituintes presentes no ciclo • Exemplo: Duas conformações possíveis, neste caso de mesma energia (uma metila em axial e outra em equatorial nas duasconformações): 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 3 4 5 6 1 2 Cicloexanos • Exemplo Me 1 23 4 5 6 Me 1 23 4 5 6 Et Et conformação mais estável (etil é o mais volumoso e está em equatorial) Cicloexanos • Exercícios: Mostre a conformação em cadeira menos energética em cada caso. Estereoquímica e Bioatividade N H O Cl N H OCl N O O N O O H CO2H O N O ONH2 H N O O N O O H CO2HO N O O NH2H (S)-Ketamina: anestésico (R)-Ketamina: alucinógeno (S)-Talidomida: teratogênico (R)-Talidomida: sedativo (S,S)-Aspartame: sabor doce (R,R)-Aspartame: sabor amargo
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