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FARMÁCIA ISOMERIA Prof. Dra. Silvia Carla Haither Goós ISOMERIA Quando se substitui um átomo de hidrogênio do etano por um átomo de cloro, pode-se obter somente uma substância, pois, qualquer que seja o hidrogênio substituído, a estrutura obtida será sempre a mesma: Porém, quando se substituem dois átomos de hidrogênio por dois átomos de cloro, obtêm-se duas substâncias diferentes, pois podem ocorrer duas possibilidades: Os dois compostos diferentes possuem os mesmos átomos, na mesma quantidade, mas apresentam estruturas diferentes. Esse é um exemplo do fenômeno denominado isomeria. O estudo da isomeria será dividido em duas partes: plana e espacial (estereoisomeria). ISOMERIA PLANA Nesse tipo de isomeria, verifica-se a diferença entre os isômeros através do estudo de suas fórmulas estruturais planas. A seguir, vamos estudar os cinco casos de isomeria plana. Os principais casos de tautomeria (tautos = dois de si mesmo) envolvem compostos carbonílicos. Ao preparar uma solução de aldeído acético, uma pequena parte se transforma em etenol, o qual, por sua vez, regenera o aldeído, estabelecendo um equilíbrio químico em que o aldeído, por ser mais estável, está presente em maior concentração. Observe os exemplos: Lista de Exercícios – ISOMERIA PLANA 1. Construa as fórmulas estruturais de: I — dois alcanos de fórmula molecular C4H10. II — dois alquinos e dois dienos de fórmula molecular C4H6. III — três diclorobenzenos. IV — dois aldeídos e uma cetona de fórmula molecular C4H8O. V — dois álcoois e um éter de fórmula molecular C3H8O. 2. A fórmula molecular C2H6O pode representar compostos pertencentes às funções: a) hidrocarboneto, álcool e aldeído. b) álcool e éter. c) aldeído e cetona. d) ácido carboxílico, aldeído e álcool. e) éter, cetona e éster. 3.Na tentativa de conter o tráfico de drogas, a Polícia Federal passou a controlar a aquisição de solventes com elevado grau de pureza, como o éter (etóxi-etano) e a acetona (propanona). Hoje, mesmo as universidades só adquirem esses produtos com a devida autorização daquele órgão. A alternativa que apresenta, respectivamente, isômeros funcionais dessas substâncias é: a) butanal e propanal. b) 1-butanol e propanal. c) butanal e 1-propanol. d) 1-butanol e 1-propanol. 4. A respeito dos seguintes compostos, pode-se afirmar que: a) são isômeros de posição. b) são metâmeros. c) são isômeros funcionais. d) ambos são ácidos carboxílicos. e) o composto I é um ácido carboxílico, e o composto II é um éter. 5. As formigas, principalmente as cortadeiras, apresentam uma sofisticada rede de comunicações, entre as quais a química, baseada na transmissão de sinais por meio de substâncias voláteis, chamadas feromônios, variáveis em composição, de acordo com a espécie. O feromônio de alarme é empregado, primeiramente, na orientação de ataque ao inimigo, sendo constituído, em maior proporção, pela 4-metil-3-heptanona, além de outros componentes secundários já identificados, tais como: 2-heptanona, 3-octanona, 3-octanol e 4-metil-3-heptanol. (Ciência Hoje. n. 35. v. 6.) a) Qual o nome dos grupos funcionais presentes na estrutura da 2-heptanona e do 3- octanol, respectivamente? b) Quais as funções orgânicas representadas pelos compostos 4-metil-3-heptanona e 4- metil-3-heptanol, respectivamente? c) Identifique um par de isômeros de cadeia, relacionados no texto. 6. As cetonas se caracterizam por apresentar o grupo funcional carbonila em carbono secundário e são largamente utilizadas como solventes orgânicos. a) Apresente a fórmula estrutural do isômero de cadeia da 3-pentanona. b) As cetonas apresentam isomeria de função com os aldeídos. Escreva a fórmula estrutural da única cetona que apresenta apenas um aldeído isômero. GABARITO ISOMERIA ESPACIAL 1. ISOMERIA ESPACIAL Nesse tipo de isomeria, a diferença entre os isômeros só é perceptível pela análise da fórmula estrutural espacial. Existem dois tipos de isomeria espacial: geométrica (cis-trans ou Z-E) e óptica. 1.1. ISOMERIA GEOMÉTRICA Quando dois hidrogênios, um de cada carbono do etileno, são substituídos por dois átomos de cloro, formam-se duas estruturas diferentes com a mesma fórmula molecular: C2H2Cl2. As fórmulas estruturais podem ser feitas da seguinte forma: As diferentes disposições espaciais dos átomos provocam alterações nas propriedades físicas desses compostos, como, por exemplo, na temperatura de ebulição, isso porque tais mudanças acarretam diferença de polaridade das moléculas. Examinando os exemplos acima vemos que eles têm seus átomos conectados na mesma seqüência (não sendo isômeros constitucionais). Dizemos neste caso, que são estereoisômeros, pois diferem apenas no arranjo de seus átomos no espaço. O cis-1,2- dicloroeteno e o trans-1,2-dicloroeteno são isômeros porque ambos os compostos têm a mesma fórmula molecular (C2H2Cl2), mas são diferentes em sua orientação espacial. Eles não podem ser facilmente interconvertidos devido à grande barreira de rotação da ligação C = C. Estereoisômeros podem ser subdivididos em dua categorias gerais: enantiômeros e diastereoisômeros. Enantiômeros são estereoisômeros cujas moléculas são imagens especulares uma da outra, que não se superpõem. Diastereoisômeors são estereoisômeors cujas moléculoas não são imagens especulares umas das outras. Moléculas de cis-1,2-dicloroetano e trans-1,2-dicloroetano não são imagens especulares uma da outra, e como não se relacionam com um objeto e sua imagem especular, são diastereoisômeros. 1.1.1. Ocorrência de isomeria geométrica A) Compostos acíclicos De acordo com o esquema: Vejamos alguns exemplos: • 2-penteno • 2-bromo-1-cloropropeno Neste caso, os dois isômeros geométricos não podem ser identificados pelos prefixos cis e trans, pois não apresentam nenhum ligante igual nos dois carbonos da dupla ligação. Em tais casos, devemos utilizar as designações E e Z. O isômero Z é aquele que apresenta dois ligantes de cada C da com os maiores números atômicos; o outro isômero será o E. No exemplo dado, temos: B) Compostos cíclicos De acordo com o esquema: Vejamos um exemplo: Lista de Exercícios – Isomeria Espacial 1. Considere as fórmulas planas dos seguintes compostos: Resolva: a) Quais compostos apresentam isomeria geométrica? b) Faça a representação espacial dos isômeros de cada composto que apresenta isomeria geométrica. 2. Considere os hidrocarbonetos a seguir: a) 1-penteno; b) 2-penteno c) 3-hexeno; d) 2-metil-1-penteno; e) 2-metil-2-penteno; f)2-metil-3-hexeno; g) 1, 1-dimetil-ciclopentano; h) 1, 2-dimetil-ciclopentano. Resolva: a) Quais apresentam isomeria geométrica? b) Escreva as fórmulas espaciais dos compostos que apresentam isomeria geométrica. 3. Quantos isômeros estruturais e geométricos, considerando também os cíclicos, são previstos com a fórmula molecular C3H5Cl? a) 2. b) 3. c) 4. d) 5. e) 7. GABARITO 3. ISOMERIA ÓPTICA A isomeria óptica está associada ao comportamento das substâncias submetidas a um feixe de luz polarizada (um só plano de vibração) obtida quandoa luz natural, não polarizada (infinitos planos de vibração), atravessa um polarizador. Algumas substâncias têm a propriedade de desviar o plano de vibração da luz polarizada e são denominadas opticamente ativas. Essa propriedade caracteriza os compostos que apresentam isomeria óptica. O desvio do plano de vibração pode ocorrer em dois sentidos: a) desvio para o lado direito = isômero dextrogiro (d); b) desvio para o lado esquerdo = isômero levogiro (l). Esse desvio é determinado experimentalmente por um aparelho denominado polarímetro, esquematizado a seguir: Isomeria óptica e assimetria molecular A atividade óptica pode ser causada por: assimetria cristalina ou assimetria molecular. Em Química Orgânica só interessa a atividade óptica causada pela assimetria molecular. A condição necessária para a ocorrência de isomeria óptica é que a substância apresente assimetria. O caso mais importante de assimetria molecular ocorre quando existir, na estrutura da molécula, pelo menos um carbono assimétrico ou quiral (do grego cheir = mão). Para que um átomo de carbono seja assimétrico, deve apresentar quatro grupos ligantes diferentes entre si. Na fórmula estrutural, o carbono quiral é indicado por um asterisco (*). Genericamente, temos: Existem duas classes de isômeros ópticos: Enantiômeros = estereoisômeros que são imagens especulares um do outro, que não se superpõem. Somente moléculas quirais podem apresentar enatiômeros. Diastereômeros = estereoisômeros que não são imagens especulares um do outro e que não se superpõem. O termo enantiômeros às vezes é substituído por antípodas ópticos ou enantiomorfos e diastereômeros por diastereoisômeros. O ácido láctico, encontrado tanto no leite azedo quanto nos músculos, apresenta a seguinte fórmula estrutural. A presença de 1 carbono assimétrico (1 C*) determina a existência de dois isômeros opticamente ativos: o ácido d-láctico e o l-láctico, que são química e fisicamente iguais e fisiologicamente diferentes, provocando o mesmo desvio angular, porém em sentidos opostos. Para facilitar a representação dos isômeros ópticos é comum a utilização das projeções de Fischer. Nas projeções de Fischer linhas verticais representam ligações que são projetadas para trás do plano do papel e linhas horizontais representam ligações que são projetadas para fora do papel. Outro exemplo da quiralidade de moléculas pode ser demonstrada com o 2- butanol. Até agora, apresentamos a fórmula apenas escrita como se representasse somente um composto e não mencionamos que moléculas de 2-butanol são quirais. Como elas são, existem realmente dois 2-butanóis diferentes e eles são enantiômeros. Podemos entender isso es examinarmos os desenhos e modelos da figura abaixo. Desenhos tridimensionais dos enantiômeros I e II do 2-butanol. Modelos dos enantiômeros do 2-butanol. Uma tentativa fracassada de superpor os modelos I e II. Se o modelo I é colocado em frente a um espelho, o modelo II é visto no espelho e vice-versa. Os modelos I e II não se superpõem um no outro; portanto eles representam moléculas diferentes, mas isoméricas. Uma vez que os modelos I e II são imagens especulares um do outro, que não se superpõem, as moléculas que representam são enantiômeros. As moléculas dos enantiômeros não se superpõem uma à outra e, apenas com esta constatação, concluímos que enantiômeros são compostos diferentes. Como eles são diferentes? Os enantiômeros se parecem com isômeros constitucionais e diastereômeros, e têm pontos de fusão e ebulição diferentes? A resposta é não. Enantiômeros têm pontos de fusão e ebulição idênticos. Os enantiômeros têm índices de refração diferentes, solubilidades diferentes em solventes comuns, espectros de infravermelho diferentes e diferentes velocidades de reação com reagentes aquirais? A resposta de cada um dessas questões também é não. Muitas dessas propriedades (por exemplo, pontos de fusão, pontos de ebulição, solubilidades) são dependentes da magnitude das forças intermoleculares que agem entre as moléculas, e para moléculas que são imagens especulares uma da outra essas forças serão idênticas. Podemos ver um exemplo se examinarmos a Tabela 1, onde algumas propriedades físicas dos enantiômeros do 2-butanol estão listadas. Os enantiômeros apresentam diferentes comportamentos apenas quando interagem com outras moléculas quirais – ou seja, com reagentes que consistem em um único enantiômero ou um excesso de um único enantiômero. Enantiômeros também apresentam solubilidades diferentes em solventes que consistem em um único enantiômero ou um excesso de um único enantiômero. Uma maneira de se observar facilmente a diferença entre os enantiômeros é o seu comportamento em relação à luz plano-polarizada. Quando um feixe de luz plano- polarizada passa através de um enantiômero, o plano de polarização gira. Além disso, enantiômeros separados provocam a rotação do plano de luz planopolarizada em quantidades iguais, mas em direções opostas. Devido ao seu efeito sobre a luz plano- polarizada, enantiômeros separados são ditos compostos opticamente ativos. O uso da letra d em vez de (+) e de l em vez de (-) deve ser abandonado de acordo com a IUPAC. Três químicos, R.S. Cahn (Inglaterra), C.K. Ingold (Inglaterra) e V. Prelog (Suíça) desenvolveram um sistema de nomenclatura que, quando adicionado ao sistema IUPAC, resolve estes dois problemas. Este sistema, chamado de sistema (R-S), ou sistema Cahn- Ingold-Prelog.é atualmente amplamente utilizado e faz parte das regras da IUPAC. De acordo com este sistema, um enantiômero do 2-butanol deve ser designado (R)-2-butanol e o outro enantiômero deve ser designado (S)-2-butanol. [(R) e (S) vêm das palavras latinas rectus e sinister, significando direito e esquerdo, respectivamente.] Diz-se que essas moléculas têm configurações opostas em C2. Configurações (R) e (S) são atribuídas com base no seguinte procedimento. 1. A cada um dos quatro grupos ligados ao estereocentro é atribuída uma prioridade ou preferência a, b,c ou d. A prioridade é, primeiro, atribuída com base no número atômico do átomo que está diretamente ligado ao estereocentro. Ao grupo com menor número atômico é atribuída a menor prioridade, d; ao grupo com número atômico imediatamente superior é atribuída a prioridade seguinte, c; e assim por diante. (No caso de isótopos, o isótopo de maior massa atômico tem a prioridade mais elevada.) Podemos ilustrar a aplicação da regra com o enantiômero I do 2-butanol. O oxigênio tem o número atômico mais elevado dos quatro átomos ligados ao estereocentro e recebe a prioridade mais elevada, a. Uma prioridade não pode ser atribuída ao grupo metila e etila, por esta regra, porque o átomo que está diretamente ligado ao estereocentro é um átomo de carbono em ambos os grupos. 2. Quando uma prioridade não pode ser atribuída com base no número atômico dos átomos que estão diretamente ligados ao estereocentro, então o próximo conjunto de átomos presentes nos grupos não designados é examinado. Este processo continua até que uma decisão possa ser tomada. Atribuímos uma prioridade no primeiro ponto de diferença*. Quando examinamos o grupo metila do enantiômero I, encontramos que o próximo conjunto de átomos consiste em três átomos de hidrogênio (H, H, H). No grupo etila de I o próximo conjunto de átomos consiste em um átomo de carbono e dois átomos de hidrogênio (C, H, H). O carbono tem um número atômico maior do que o do hidrogênio, assim atribuímos ao grupo etila a prioridade mais elevada, b, e ao grupo metila a prioridade mais baixa, c (C, H, H) > (H, H, H).3. Agora, giramos a fórmula (ou modelo), de modo que o grupo de prioridade mais baixa (d) fique afastado do observador. Então traçamos um caminho de a para b para c. Se, quando fazemos isso, a direção de nossos dedos (ou lápis) está no sentido horário, o enantiômero é chamado de (R). Se a direção está no sentido anti-horário, o enantiômero é chamado de (S). Com base nisto, o enantiômero I do 2-butanol é (R)-2-butanol. A mistura em quantidades eqüimolares dos enantiômeros resulta numa mistura opticamente inativa, denominada mistura racêmica, conhecida também como isômero racêmico (r). Cálculo do número de isômeros ópticos e racêmicos O cálculo do número de isômeros ópticos e racêmicos pode ser feito utilizando-se as seguintes equações: n = Número de carbonos assimétricos 2 n = Número de isômeros opticamente ativos(IOA) 2 n -1 = Número de racêmicos e número de pares de enantiômeros Assim temos, por exemplo: Substâncias com carbonos assimétricos com ligantes iguais A generalização de Vant’Hoff não vale no caso de composto apresentar, na molécula, pelo menos 2C* iguais. Quando um composto possui carbonos assimétricos com ligantes iguais, as relações matemáticas citadas no tópico anterior não podem ser aplicadas. Nesse caso o composto irá apresentar um estereoisômero inativo denominado de meso. O isômero meso é um caso particular no qual a molécula possui carbonos assimétricos e plano de simetria(aquiral).Composto meso = composto opticamente inativo cuja molécula é aquiral mesmo quando contêm átomos tetraédricos ligados a quatro grupos diferentes (carbonos assimétricos). O ácido tartárico é o principal exemplo de composto orgânico que possui isômero meso. Em compostos como o ácido tartárico com dois carbonos quirais com ligantes iguais, o número máximo de estereoisômeros é três: um par de enantiômeros e um composto meso. Como só temos um par de enantiômeros só é possível a existência de uma mistura racêmica. O composto meso é inativo por compensação interna. O isômero meso só existe em moléculas que possuem números pares de carbonos assimétricos. Moléculas cíclicas A isomeria óptica ocorre também em compostos cíclicos, em função da assimetria molecular. Embora nessas moléculas não existam carbonos assimétricos (C*), para determinar o número de isômeros, deve-se considerar sua existência. Para isso, devemos levar em conta os ligantes fora do anel e considerar como ligantes as seqüências no sentido horário e anti-horário no anel. Vejamos um exemplo: O carbono (C3) não pode ser considerado um carbono assimétrico, pois apresenta ligantes iguais. Estereoisomeria e Atividade Biológica de Fármacos No preparo de um medicamento, dentre diversos fatores relevantes a serem considerados para obtenção de um produto eficaz e seguro, incluem-se aqueles relacionados à natureza estereoquímica do fármaco. Compostos químicos que apresentam a mesma fórmula molecular, mas que possuem diferentes estruturas (isômeros), podem apresentar atividades biológicas completamente diferentes entre si. Compostos que apresentam atividade óptica, cujas moléculas não são sobreponíveis a sua imagem especular (no espelho), são designados como estereoisômeros ou enantiômeros, visto que estas moléculas se distinguem apenas por suas configurações (nas ligações químicas). As substâncias são opticamente ativas devido à presença de um ou mais carbono quiral ou assimétrico na molécula (Carbono quiral ou assimétrico = átomo de carbono central, que apresenta quatro grupos diferentes ligados a ele). Os enantiômeros apresentam as mesmas propriedades físicas e químicas, com as seguintes exceções: a) Rodam o plano da luz polarizada (no polarímetro) em ângulos iguais, mas em direções opostas. O estereoisômero que roda o plano de luz polarizada para direita é chamado de dextrógiro (d) e o que roda para a esquerda levógiro ( l ). b) Reagem com velocidades diferentes com outras moléculas opticamente ativas. Contudo, um estereoisômero de um determinado fármaco pode ser parcialmente ou totalmente destituído de atividade biológica ou, então, apresentar uma maior toxicidade do que o outro enantiômero (estereoisômero óptico). Há diversos relatos na literatura que indicam a relevância da estereoquímica, mais particularmente da configuração absoluta na atividade biológica de um fármaco (Barreiro & Fraga, 2001). A tragédia da talidomida, decorrente do uso de sua forma racêmica (mistura de dois enantiômeros, em quantidades equimoleculares e que não apresenta atividade óptica), resultou no nascimento de milhares de crianças com deformações congênitas na década de 60, quando este fármaco era prescrito para desconforto matinal em gestantes (Knoche & Blaschke, 1994). Posteriormente, foi evidenciado que o enantiômero (S) induzia a teratogenicidade, enquanto o enantiômero (R) era responsável pelas propriedades sedativas e analgésicas da talidomida. Enantiômeros da talidomida. Diferenças de atividade biológica ocorre entre estereoisômeros de diversos fármacos, como por exemplo a adrenalina, cujo l-isômero é cerca de 15 vezes mais ativo do que o d-isômero. Enantiômeros da adrenalina A mistura racêmica de carnitina (DL-carnitina) é contraindicada para pacientes urêmicos. Há relato de desenvolvimento de miastenia nestes pacientes. Com a utilização de L-carnitina não foi observado este efeito. O enantiômero (R) do propranolol é destituído de propriedades betabloqueadoras, apresentando, por sua vez, propriedades indesejáveis relacionadas à inibição da conversão do hormônio da tireóide tiroxina à triiodotironina. O enantiômero S do propranolol seria, por sua vez, reconhecido pelos receptores, promovendo assim sua ação betabloqueadora (Barreiro & Fraga, 2001). As formas levógiras da quinina, isoprenalina, cloranfenicol e do ácido ascórbico são mais ativas que as formas dextrógiras correspondentes. Sabe-se que o isômero dextrógiro do LSD causa alucinações, ao passo que o isômero levógiro não produz nenhum efeito. Atualmente, cerca de 40% das moléculas de fármacos são quirais e, consequentemente, apresentam estereoisômeros que podem apresentar atividades biológicas diferentes entre si. Portanto, deve-se minimizar os riscos inerentes à utilização de enantiômeros terapeuticamente inativos ou potencialmente tóxicos. A avaliação da atividade óptica destes fármacos através da análise polarimétrica da matéria-prima é uma das formas de assegurar o emprego do estereoisômero adequado para promover o efeito terapêutico desejado e também de se evitar possíveis efeitos adversos decorrentes da presença do estereoisômero indesejável presente em misturas racêmicas. FIGURAÇÃO ABSOLUTA (R/S) DE UM CENTRO QUIRAL HO H N H OH OHHO OH HO N CH3 CH3CH3 O O N N OO H N H OO N O O H H CO2H NH2 OH HO OH OH NH2 HO2C H2N CO2H O NH2 H NH2 H O HO2C NH2 H2CCH2 CH3 O O CH3CH3 H H CH3 CH2 H2CCH3 CH3 CH3 HH hormone caraway seed odorspearmint fragrance Carvone RS Toxic Epinephrine RS S R S RLimonene lemon odor orange odor teratogenic activity causes NO deformities Anti-Parkinson's disease S RDopa (3,4-dihydroxyphenylalanine) bitter taste Asparagine sweet taste RS Toxic Thalidomide sedative, hypnotic H H H H Fonte: Solomons. LEITURAS COMPLEMENTARES
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