Cap 04 - Estereoquímica

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Capítulo 4	Estereoquímica
Valdir Mano	Notas em Química Orgânica
4 Estereoquímica
N
o começo do século XIX, o físico francês Biot descobriu que inúmeras substâncias orgânicas naturais (por exemplo açúcar, cânfora) desviavam o plano da luz polarizada. Esse é um fenômeno conhecido como rotação óptica e ocorre mesmo quando os compostos estão em fase líquida, ou seja, é um fenômeno que ocorre em nível molecular.
No final do século XIX, descobriu-se que existem pares de compostos com estruturas e propriedades físicas semelhantes, porém diferenciados pelo fato de que, em solução desviam o plano da luz polarizada em sentidos opostos e de um mesmo ângulo. Esses pares de compostos receberam o nome de isômeros ópticos.
Antes de discutir a origem molecular dessa atividade óptica, vamos ver um pouco da luz polarizada e do polarímetro.
1. Luz polarizada e Polarímetro
Um raio de luz consiste em ondas eletromagnéticas que oscilam perpendicularmente a sua direção de propagação. Quando essa luz oscila em todas as direções, ela é não polarizada. Por outro lado, quando ela vibra em apenas um plano bem definido, ela é polarizada. Uma das maneiras de se obter luz polarizada é fazendo passar a luz normal por um polarizador chamado prisma de Nicol (CaCO3 em determinada forma cristalina).
Para verificar se uma dada substância em solução tem atividade óptica, ou seja, se desvia o plano da luz polarizada, usamos o polarímetro, aparelho que mede o ângulo de desvio da luz polarizada.
Se a substância em análise desvia o plano da luz polarizada ela é opticamente ativa, se não, é opticamente inativa. Se o desvio é para a direita, a substância é denominada dextrógira (do latim dexter, direito) e, neste caso usa-se o símbolo (+) antes do nome do composto. Se o desvio for para a esquerda, a substância é denominada levógira (do latim laevus, esquerdo), e usa-se o símbolo (-) antes do nome do composto.
O número de graus medido no polarímetro, quando se usa tubo de 1 dm de comprimento e concentração de 1 g mL1, é denominado rotação específica, [], e é uma propriedade característica do composto, assim como ponto de fusão, ebulição, densidade etc. A rotação específica pode ser calculada a partir da medida de uma rotação observada, fora das condições- padrão, usando a seguinte fórmula:
sendo: [] a rotação específica; T a temperatura em graus Celsius; o comprimento da luz incidente (quando se usa a linha D do sódio, é indicado como D); a rotação observada; l o comprimento do tubo de amostra em decímetros; c a concentração da amostra em g mL1.
Exercício: 
A rotação observada para 2,0 g de uma substância em 25 mL de solução em tubo de 25 cm de comprimento é + 12,6. Qual a rotação específica dessa substância?
2. Quiralidade e Carbonos Assimétricos
Por que não se pode calçar o sapato esquerdo no pé direito ou a luva direita na mão esquerda? A resposta é: sapatos, luvas, pés e mãos têm formas direita e esquerda. Objeto assim é dito quiral, que vem da palavra grega “cheiral”, ou seja, mão.
Objetos quirais têm imagem especular não superponível. Por exemplo, a mão esquerda quando olhada no espelho é vista como se fosse a direita. Em outras palavras, a mão esquerda e a sua imagem no espelho (imagem especular) não são superponíveis. Já uma cadeira, de formas simétricas, tem imagem especular superponível. Objetos que não são quirais são conhecidos como aquirais. Como outros exemplos de objetos aquirais temos: mesa, copo, garfo etc.
Assim como objetos, moléculas também podem ser quirais. Neste caso, a característica que com frequência é responsável pela quiralidade é a presença de carbono assimétrico, ou seja, um carbono ligado a quatro diferentes ligantes. Note que apenas os carbonos hibridados em sp3 podem ser assimétricos, pois carbonos sp2 e sp não podem se ligar a quatro grupos. Um carbono assimétrico é também conhecido como centro quiral. Além do carbono, outros átomos, como nitrogênio e fósforo, podem ser centros quirais quando estão ligados a quatro diferentes grupos. Um centro quiral pertence ainda a um vasto grupo chamado estereocentro.
3. Atividade Óptica, Enanciômeros e Mistura Racêmica
A interpretação correta da atividade óptica foi feita independentemente em 1874 por Jacobus Hendricus Van’t Hoff (químico holandês) e Achille Le Bel (químico francês). Segundo eles, os fatos experimentais exigiam que o átomo de carbono tivesse a geometria de um tetraedro regular. Com essa geometria, se houvesse quatro diferentes substituintes ligados ao carbono, a molécula não conteria plano de simetria, acarretando na existência de dois arranjos geométricos diferentes para esses ligantes. A diferença entre esses dois arranjos (configurações) é que as duas estruturas não são superponíveis. Na verdade, as duas estruturas são imagens especulares não superponíveis.
Usando como exemplo o ácido lático, C3H6O3, vemos que é possível desenhar duas estruturas, I e II:
À primeira vista, as estruturas I e II parecem idênticas, mas um exame mais detalhado mostra que uma é a imagem especular não superponível da outra. Tais moléculas resultam da ligação de quatro grupos diferentes ao carbono e são chamadas de assimétricas, ou então, de moléculas que contêm carbono assimétrico.
Dois compostos, como os ácidos láticos I e II, que são imagens especulares não superponíveis, são chamados enanciômeros e são isômeros ópticos. Eles têm propriedades físicas idênticas, diferindo apenas na direção de rotação da luz polarizada.
Por exemplo, experimentos mostraram que o isômero I do ácido lático, o qual é produzido nos músculos após exercícios prolongados e que provoca dores, desvia o plano da luz polarizada para a esquerda ([] =  2,6°). O composto II, encontrado no leite azedo, desvia o plano para a direita com [] = + 2,6°.
Se dois enanciômeros são misturados em quantidades iguais, o resultado é chamado mistura racêmica, que não muda o plano da luz, pois o desvio de cada enanciômero cancela o do outro.
Qualquer objeto ou molécula que não seja superponível à sua imagem especular é chamado quiral (do grego “cheiral”, mão). Todas as moléculas quirais têm enanciômero e todas as moléculas ou objetos opticamente ativos são quirais.
4. Estereoisômeros
A palavra isômero é um termo geral e designa compostos cujas estruturas se relacionam como isômeros estruturais ou como estereoisômeros. Isômeros estruturais têm a mesma forma molecular, diferindo por terem átomos ligados em diferentes sequências. Por exemplo, etanol e dimetil éter são isômeros estruturais. 
Os estereoisômeros também têm fórmulas moleculares idênticas, entretanto seus átomos estão ligados na mesma sequência, diferindo entre si pelo arranjo espacial desses átomos. Por exemplo, há dois arranjos espaciais possíveis para o ácido lático, que são o par de enanciômeros desse composto (estruturas I e II). Esses enanciômeros são estereoisômeros. Da mesma forma, a isomeria cis e trans é um tipo de estereoisomeria.
5. Desenhando Estereoisômeros - Projeções de Fischer
É difícil fazer a representação tridimensional de carbonos tetraédricos com desenhos em duas dimensões. Para se fazer isso são usadas as fórmulas em perspectiva e em projeção.
As projeções de Fischer são muito usadas devido a sua simplicidade. Por convenção, as linhas horizontais são imaginadas para cima do plano da página; as verticais, para baixo.
As projeções de Fischer são muito úteis para se descobrir se duas projeções correspondem à mesma molécula ou a enanciômeros. A troca entre dois grupos quaisquer na projeção de Fischer converte a molécula no seu enanciômero. É o que ocorre com a estrutura A mostrada abaixo. Ao se fazer a troca do ligante a pelo d obtém-se a estrutura B, que é o enanciômero de A.
Pegando-se agora a estrutura B, vamos fazer outra troca qualquer, por exemplo, a por b. O que se obtém é o enanciômero de B, ou seja, estamos de volta à estrutura A.
A regra acima é sempre verdadeira porque cada molécula quiral só pode ter um enanciômero; e isso simplifica muito o uso de fórmulas estruturais. Ampliando
essa ideia, podemos dizer que número ímpar de trocas leva ao enanciômero e número par de trocas leva à estrutura inicial.
Exercício resolvido: 
As duas projeções a seguir correspondem à mesma molécula ou representam um par de enanciômeros?
Resposta: são duas representações da mesma molécula, pois foram feitas duas trocas. Inicialmente, foram trocados a por b e, depois, c por d. Veja que foram necessárias duas trocas para sair da primeira estrutura e chegar à segunda, assim, as duas estruturas correspondem à mesma molécula.
6. Isômeros com mais de um Carbono Assimétrico e Diastereoisômeros
Muitas substâncias orgânicas têm mais de um carbono assimétrico, resultando num maior número de estereoisômeros. Sabendo-se o número de carbonos quirais podemos calcular o número máximo de estereoisômeros: uma substância pode apresentar o máximo de 2n estereoisômeros, sendo “n” o número de carbonos assimétricos. Por exemplo, o 2bromo3clorobutano tem dois carbonos quirais (marcados com asterisco). Por essa razão, ele pode ter quatro estereoisômeros (2n = 4), cujas fórmulas em projeções de Fischer são mostradas a seguir.
Os quatro estereoisômeros do 2bromo3clorobutano constituem-se de dois pares de enanciômeros (dois pares d,l). Os estereoisômeros 1 e 2 são imagens especulares não superponíveis, portanto, formam um par de enanciômeros. O mesmo vale para os estereoisômeros 3 e 4, os quais formam também um par de enanciômeros. Cada par de enanciômeros é chamado par d,l, em alusão à antiga nomenclatura dos estereoisômeros. 
Os estereoisômeros 1 e 3 não são idênticos e não formam um par d,l, ou seja, não são imagens especulares não superponíveis. Tais isômeros são chamados diastereoisômeros, ou seja, são os estereoisômeros que não são enanciômeros. Os isômeros 1 e 4, 2 e 3, 2 e 4 também são diastereoisômeros. Isômeros cis e trans são considerados diastereoisômeros, pois são estereoisômeros que não são enanciômeros.
Enanciômeros têm propriedades físicas idênticas (exceto pela forma com que interagem com a luz polarizada) e propriedades químicas idênticas (reagem na mesma razão com reagente aquiral). Diastereoisômeros têm diferentes propriedades físicas (diferentes pontos de fusão e de ebulição, diferentes solubilidades, diferentes rotações específicas etc.) e diferentes propriedades químicas, por exemplo, reagem em proporções diferentes com o mesmo reagente aquiral.
Quando projeções de Fischer são esboçadas para estereoisômeros com dois carbonos assimétricos adjacentes, como o 2bromo3clorobutano, podemos separar os enanciômeros em eritro e treo. Aqueles com grupos similares do mesmo lado da cadeia, no caso os hidrogênios, são chamados enanciômeros eritro. Se de lados opostos, enanciômeros treo.
Para substâncias cíclicas, os substituintes podem estar na configuração cis ou na trans, como mostrado abaixo para o 1bromo2metilciclopentano.
7. Compostos Meso
Embora uma substância com dois carbonos assimétricos possa ter o máximo de quatro estereoisômeros, algumas substâncias apresentam somente três estereoisômeros. É o caso do ácido tartárico.
Fórmulas em projeções de Fischer para o ácido tartárico são mostradas a seguir.
As estruturas 1 e 2, apesar de serem imagens especulares, correspondem à mesma molécula, basta girar 1 de 180° para se obter a estrutura 2 (lembre-se, nas projeções de Fischer, o único movimento permitido é a rotação de 180o no plano do papel). Como essas duas estruturas têm um plano de simetria, elas são imagens especulares superponíveis, não têm atividade óptica e são chamadas meso (mesos, em grego, significa “meio”) - compostos meso não têm atividade óptica.
Os compostos 3 e 4 são imagens especulares não superponíveis, não têm plano de simetria, têm atividade óptica e são um par de enanciômeros (par d,l). Veja ainda que 1 (ou 2) é também diastereoisômero de 3 e 4, já que ele não é imagem especular nem de 3 nem de 4.
O ácido tartárico poderia ter até quatro estereoisômeros, mas na verdade tem apenas três. Isso ocorre porque um dos estereoisômeros é uma substância meso, ou seja, apesar de ter dois carbonos assimétricos, ela apresenta um plano de simetria. Como regra, pode-se afirmar: se uma substância tem um plano de simetria, ela não será opticamente ativa mesmo que tenha carbonos assimétricos. 
Se o fato de possuir carbono assimétrico (quiral) não implica necessariamente em atividade óptica, como saber se a molécula será quiral? A maneira inequívoca de determinar se a molécula é quiral ou aquiral é analisar a existência ou não de plano de simetria. Se há carbono assimétrico, a molécula pode ser quiral, mas só o será se não existir nenhum plano de simetria nessa molécula. Isso pode ser resumido da seguinte forma: para que a molécula seja quiral, ela não pode ter nenhum plano de simetria.
Isso é fácil de ser visto quando a molécula contém dois ligantes iguais, como no 2cloropropano. Essa molécula tem um plano de simetria (que compreende cloro e hidrogênio) e por isso é superponível a sua imagem especular.
Vamos agora considerar e 1,2-dibromociclopropano. Há três isômeros possíveis: A, B e C.
Os estereoisômeros A e B são enanciômeros, pois são imagens especulares não superponíveis. Já o estereoisômero C, apesar de ter dois carbonos assimétricos, não é quiral. Isso se deve ao plano de simetria, observado sobre o grupo CH2 e que divide a molécula em duas partes iguais. Assim, o estereoisômero C é um composto meso, além de ser diastereoisômero em relação a A e B.
Exercício: 
Para o isômero A do 1,2dibromociclopropano existe algum plano de simetria? E para o isômero B? 
8. Nomenclatura de Estereoisômeros
Os estereoisômeros se diferenciam pela configuração absoluta do seu átomo de carbono assimétrico. Por isso, é preciso poder assinalar essa configuração sem ambiguidade. O método original baseava-se nos estereoisômeros de um composto padrão: o gliceraldeído.
Um dos enanciômeros do gliceraldeído gira o plano da luz polarizada para a direita e é chamado (+)gliceraldeído, o outro gira para a esquerda e é chamado ()gliceraldeído. Os dois enanciômeros podem ser representados por projeções de Fischer, como mostrado a seguir.
As letras D e L significam direita e esquerda, respectivamente (do latim, dexter e laevus), e levam em conta a direção da hidroxila do carbono quiral. Essa designação é aleatória, já que os químicos antes de 1951 não tinham condições de saber qual configuração pertencia a qual enanciômero. Ficou decidido que a configuração D corresponderia ao (+)gliceraldeído e a configuração L ao ()gliceraldeído. A partir dessa regra, as configurações de outras moléculas foram relacionadas aos enanciômeros do gliceraldeído e tínhamos as configurações relativas.
Note bem, os sinais (+) e () referem-se à direção de desvio do plano da luz polarizada; já as letras D e L referem-se à configuração, assim, podemos ter composto D desviando para a esquerda ou direita e L também. Por exemplo:
Em 1951, as configurações absolutas dos gliceraldeídos foram determinadas no laboratório Van’t Hoff da Universidade de Utrecht na Holanda e, por uma feliz coincidência, a escolha arbitrária coincidia com a configuração real, ou seja, o Dgliceraldeído corresponde ao (+) e o Lgliceraldeído corresponde ao (). A partir de então pode-se obter a nomenclatura completa dos gliceraldeídos: (D)(+)gliceraldeído e (L)()gliceraldeído. Dessa forma, os compostos que tinham configurações já relacionadas aos gliceraldeídos tiveram essas configurações confirmadas. 
Os maiores problemas surgiram com compostos que não se relacionavam aos gliceraldeídos. Por exemplo, o composto a seguir é D ou L?
Esse tipo de dificuldade mostrou que a nomenclatura D/L, baseada no gliceraldeído, não era satisfatória e um novo sistema teve que ser criado. Esse sistema surgiu em 1960 e rapidamente superou o D/L, devendo-se ao trabalho de R.S. Cahn (inglês), C.K. Ingold (inglês) e V. Prelog (suíço), os quais adotaram os símbolos R e S, sendo R, do latim, rectus, direita, e S, também do latim, sinister, esquerda.
As definições adotadas nesse sistema R/S são bastante precisas e sem equívocos. A principal vantagem é poder nomear sem ambiguidade todos os casos, simples ou complicados.
O método proposto por Cahn, Ingold e Prelog pode ser aplicado nas estruturas em projeção de Fischer ou em perspectiva, e deve obedecer às seguintes regras:
i) atribuir as prioridades 1, 2, 3 e 4 aos grupos ligados ao carbono quiral (1 é a prioridade máxima);
ii) desenhar a molécula em projeção de Fischer ou perspectiva, de modo que o grupo de menor prioridade (4) fique para trás do plano;
iii) traçar uma seta, partindo de 1, passando por 2 até chegar em 3. Se a direção da seta for horária, o carbono recebe o símbolo R, se for anti-horária, o símbolo S.
Exemplo:
Para atribuição das prioridades, são utilizadas as seguintes regras:
1- átomos de maior número atômico têm maior prioridade; por exemplo: 
Br (1) > Cl (2) > F (3) > H (4);
2- quando dois ou mais átomos ligados ao carbono quiral têm a mesma prioridade, comparam-se os elementos ligados a esses átomos usando o critério do número atômico. Como exemplo, vejamos a configuração absoluta do 1bromopropan2ol, mostrado a seguir. 
O elemento de maior prioridade é o oxigênio e o de menor, o hidrogênio. Para obter as prioridades dos grupos –CH3 e –CH2Br, já que os átomos de carbono empatam em prioridade, verificamos os elementos ligados a esses carbonos:
Como o átomo de bromo é o de maior massa atômica, o grupo –CH2Br tem maior prioridade que o –CH3 e ficamos com:
3- quando a comparação ficar apenas entre átomos de carbono, a prioridade é terciário > secundário > primário. Exemplo:
Há outras regras para casos mais complicados, mas que não são motivo de discussão nesse texto.
Exercício: 
Desenhe as projeções de Fischer e dê os nomes completos para os estereoisômeros do 2bromobutano.
Se uma substância tem mais de um carbono assimétrico, as etapas para determinar a configuração R ou S devem ser aplicadas para cada carbono individualmente. Como exemplo, vamos nomear um dos estereoisômeros do 3bromobutan2ol. Para facilitar, vamos desenhar o estereoisômero colocando os hidrogênios (grupos de menor prioridade) atrás do plano do papel. Para C2, a configuração absoluta é R, já que, após determinar as prioridades, a seta apontará no sentido horário.
Para o carbono C3, usando a mesma avaliação para C2, chega-se à configuração S.
Assim, o nome completo desse enanciômero fica (2R,3S) 3bromobutan2ol.
Exercício: 
Desenhe as estruturas, determine as configurações absolutas de cada carbono quiral e dê os nomes completos dos estereoisômeros do 1,2dibromociclopentano.
9. Excesso Enanciomérico e Pureza Óptica
Nem sempre os enanciômeros aparecem puros em solução ou como mistura racêmica. Muitas vezes um enanciômero está em excesso em relação ao seu isômero. Por exemplo, uma amostra enanciomericamente pura do (S)(+)2bromobutano apresenta rotação específica observada de + 23,1°. Se uma amostra de 2bromobutano tiver rotação específica observada de 0°, saberemos que a amostra é uma mistura racêmica. Caso a rotação específica observada seja positiva, porém menor que 23,1°, pode-se dizer que temos uma mistura de enanciômeros em que a concentração do isômero S é maior que a do R. Pela rotação específica observada pode-se calcular a pureza óptica (p.o.) da mistura:
Pureza Óptica = rotação específica observada / rotação específica do enanciômero
Por exemplo, se uma amostra de 2bromobutano tem rotação específica observada de + 9,2°, sabemos que a solução contém excesso do (S)(+)2bromobutano, cuja rotação específica é de 23,1°. Assim, a pureza óptica dessa mistura é:
 = 0,40 ou 40%
Em outras palavras, essa mistura é 40% opticamente pura, ou ainda, a mistura contém excesso de 40% do enanciômero S. Ou outros 60% dessa solução correspondem a uma mistura racêmica, ou seja, 30% de isômero S e 30% de isômero R. Portanto, a composição dessa mistura é 70% do enanciômero S e 30% do R.
10. Algumas Moléculas Quirais
Enanciômeros compartilham muitas das mesmas propriedades, eles têm mesmos pontos de ebulição, de fusão e solubilidade. Todas as propriedades físicas dos enanciômeros são iguais, exceto as que se originam de como os grupos ligados ao carbono assimétrico estão organizados no espaço, por exemplo, a interação com a luz polarizada. Em relação às propriedades químicas, condições reacionais específicas podem levar prioritariamente à reação de um enanciômero em relação ao outro. 
Apesar de muito parecidos e de apresentarem muitas propriedades semelhantes, outras propriedades dos enanciômeros são completamente diferentes, como cheiro e sabor, além de diversas propriedades biológicas, por exemplo:
11. Exercícios
1 Uma amostra contendo os dois enanciômeros do 2metilbutan1ol apresenta rotação óptica de 2,9°. Considerando que o (R)2metilbutan1ol puro apresenta rotação específica de +5,8°, qual a porcentagem de cada enanciômero nessa amostra?
2 Desenhe todos os estereoisômeros (em projeções de Fischer ou perspectiva), dê a configuração R ou S de cada carbono quiral e indique os pares de enanciômeros e os compostos meso (quando existirem), para:
a) 2,3dibromopentano;
b) 1,2dibromociclopentano.
3 Explique a diferença entre mesoisômero e diastereoisômero.
4 Para as substâncias mostradas abaixo, quais são quirais e por quê?
5 Em cada par abaixo, diga se estruturas representam enanciômeros ou duas moléculas de mesmo composto em orientações diferentes. EXPLIQUE.
6 Para o 3clorobutan2ol, pede-se:
a) quantos estereoisômeros são possíveis?
b) desenhe as projeções de Fischer de todos os estereoisômeros;
c) indique a configuração absoluta de cada carbono quiral;
d) indique os pares d,l e os compostos meso (quando for o caso).
7 Para o butano2,3diol, pede-se:
a) quantos estereoisômeros são possíveis?
b) desenhe as projeções de Fischer de todos os estereoisômeros;
c) indique a configuração absoluta de cada carbono quiral;
d) indique os pares d,l e os compostos meso (quando for o caso).
8 Oito moléculas de álcool têm a fórmula C5H12O. Represente-as. Quais são quirais?
9 Dê o nome das seguintes substâncias:
10 Desenhe em projeção de Fischer e em perspectiva tetraédrica as seguintes moléculas:
a- (S)butan-2-ol;
b- (R)3cloropent1eno;
c- a forma meso do 3,5dicloroeptano.
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