Química - UFSMcoral.ufsm.br/quimica_organica/images/Estereoquimica_HTSB18.pdf · A QUÍMICA DE......

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Química -UFSM

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Estereoquímica

• Conceitos• Forma tridimensional das moléculas

• Moléculas como objeto-imagens • Moléculas com simetria

• Separação de Enantiômeros• Diastereoisômeros • Atividade biológica • Como representar Estereoquímica

EstereoquímicaArranjo dos átomos no espaço

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5.1 Quiralidade e Estereoquímica, 5.2 Isomerismo: Isômeros Constitucionais e Estereoisômeros5.3 Enantiômeros e Moléculas QuiraisA QUÍMICA DE... Lateralidade Molecular da Vida,5.5 Mais sobre a Importância Biológica da Quiralidade5.6 Como Testar a Quiralidade: Planos de Simetria, 5.7 Nomenclatura de Enantiômeros: Sistema R,S,5.8 Propriedades dos Enantiômeros: Atividade Óptica, 5.9 Origem da Atividade Óptica,5.10 Síntese de Moléculas Quirais,5.11 Fármacos Quirais, A QUÍMICA DE... Ligação Seletiva de Enantiômeros de Fármacos às Formas do DNA

em Espiral Direita e Esquerda5.12 Moléculas com Mais de Um Centro de Quiralidade, 5.13 Fórmulas de Projeção de Fischer, 5.14 Estereoisomerismo de Compostos Cíclicos5.15 Relacionando Configurações através de Reações nas Quais Nenhuma Ligação com

o Centro de Quiralidade É Quebrada, 5.16 Separação de Enantiômeros: Resolução, 5.17 Compostos com Centros de Quiralidade Diferentes do Carbono5.18 Moléculas Quirais que Não Possuem Centro de Quiralidade

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Giro ligações simples

Equilíbrio

tem

Isômeros – Mapa Conceitual

simetriaEnergia

Confôrmeros

critério

critério

Diferentes relações entre grupos vicinais

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Confôrmeros – Mapa Conceitual

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Isomeria

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ISÔMEROSEstéreo

isômeros

sem simetria

de reflexão

sem planosem eixo

assimétrica

sem planoe com eixo dissimétrica

com simetria

de reflexão

com plano

e com eixoSimétrica

Quiral

Isômeros

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Plano desimetria

Sem Plano desimetria

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Substâncias não idênticas que possuem a mesma fórmula molecular.

Isômeros

IsômerosConstitucionais

IsômerosConformacionais

Estereoisômeros

FM =Conectividade =

FM = Conectividade ≠

CritérioEnergia Simetria

Sem Simetria de Reflexão

Com Simetria de Reflexão

EnantiômerosAssimétricos

Simétricos

EnantiômerosDissimétricos

simetria

Sem planocom eixo

tem planotem eixo

Sem planosem eixo

Me

Me

Me

Me

FM = fórmula molecular

Isômeros

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Substâncias não idênticas que possuem a mesma fórmula molecular.

Estereoisômeros

CritérioSimetria

Sem Simetria de Reflexão

Com Simetria de Reflexão

EnantiômerosAssimétricos

Simétricos

EnantiômerosDissimétricos

simetria

Sem planoSem eixo

tem planotem eixo

Sem planocom eixo

Estereoisômeros

Moléculas Quirais

Isômeros que não são imagens

Diastereoisômeros

trans cis

R S

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ISOMERIA

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Isomeria Conformacional

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Isômeros Constitucionais

• Tem a mesma fórmula molecular mas diferente fórmula estrutural

• Ambos isômeros são C4H10

• Tem a mesma fórmula molecular mas propriedades físicas

diferentes

P.E. = - 0.5C

P.E. = - 11.7 C

isobutano

butano

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Isômeros Geométricos

Z-2-penteno E-2-penteno

E-2-pentenoZ-2-penteno

Isômeros Geométricos

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Diastereoisômeros

cis trans

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Substâncias aquirais têm imagem especular sobreponível.

Substâncias quirais têm imagem especular não sobreponível.

Enantiômeros Moléculas idênticas

Estereoisômeros óticos

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Molécula Quiral Imagem especularNão sobreponível

Molécula aquiral Imagem especularsobreponível

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Um estereocentro (centro estereogênico) é um átomo no qual a troca

de dois grupos produz um estereoisômeros.

Estereoisômeros

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Configuração ZConfiguração R Configuração trans

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Classificação dos grupos (átomos)

ligados ao centro quiral

O sistema de nomenclatura CIP ou R,S

Cahn-Ingold-Prelog

Alguns autores consideram o 4 grupo com maior prioridade e o 1 com menor (sequencia de valoração)

Nomenclatura de Enantiômeros

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Robert Sidney Cahn (9 /06/1899),Christopher Kelk Ingold, (28 /10/ 1893 )Vladimir Prelog (23/07/1906)

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REGRA CIP para nomenclatura de enantiômeros (R,S)

Cahn, Ingold e Prelog (CIP) 1956

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Oriente o grupo (átomo) de menor prioridade (4) para trás do plano

Sentido horário (maior para o menor)= configuração R

Sentido anti-horário = configuração S

Nomeando Enantiômeros

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1

23

4

1. Classifique os grupos ligados ao carbono assimétrico

2. Se o grupo (ou átomo) de menor prioridade está

ligado com uma cunha tracejada,

R,S usando a Fórmula

em perspectiva

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3. Se necessário, gire a molécula para que o grupo (ou átomo) de menor

prioridade esteja ligado com uma cunha tracejada

4. Pode-se desenhar a seta do grupo 1 para o grupo 2, passando pelo

grupo de menor prioridade (4), mas nunca passando pelo grupo de

menor prioridade (3).

Nomeando Enantiômeros

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1. Classifique o grupo (ou átomo) que está ligado ao carbono

assimétrico e desenhe uma seta do grupo com maior

prioridade obedecendo a ordem de prioridade

(R)-3-cloro-hexano

2. Se o grupo com menor prioridade estiver na ligação horizontal,

a nomeação será oposta à direção da seta

(S)-2-butanol

R,S usando a Projeção

de Fischer

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Uma projeção de Fischer pode somente ser rodada 180°

no plano do papel, obtendo-se a mesma molécula

3. A seta pode ir do grupo 1 ao 2, passando pelo grupo 4, mas

nunca pelo grupo 3

CO2H

OH

CH3H (S)-ácido lático

R,S usando a Projeção

de Fischer

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Fórmula em perspectiva

Projeção de Fischer

3-cloro-2-butanol

Enantiômero eritro Enantiômero treo

Desenhando Enantiômeros

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A cadeia principal da molécula é desenhada pelo zig-zag tradicional. Se os dois substituintes estiverem do mesmo lado do plano definido pela cadeia principal, a designação é sin. Se estiverem em lados opostos será anti.

SIN E ANTI

INVERSÃO DE WALDEN

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Substâncias quirais são opticamente ativas;

elas giram o plano de polarização.

Sentido horário (+) Sentido anti-horário (-)

Diferença de configuração R,S

Substâncias aquirais não giram o plano de polarização.

Elas são opticamente inativas.

Polarimetria

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Atividade ótica

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Um polarímetro mede o grau de rotação óptica de uma substância

T é a temperatura em °C

é o comprimento de onda

é a rotação observada em graus

𝑙 é o comprimento do tubo em decímetros;

c é a concentração em gramas por mL

Cada substância opticamente ativa tem uma rotação específica

característica

[𝛼] λ𝑇=

α

𝑐. 𝑙

Polarimetria

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Uma mistura racêmica, a qual contém a mesma quantidade dos dois

enantiômeros, é opticamente inativa

rotação específica observada

rotação específica do enantiômero puro

Excesso enantiomérico = excesso de um único enantiômero

mistura inteira

Polarimetria

Uma mistura racêmica, a qual contém a mesma quantidade dos dois

enantiômeros, é opticamente inativa. medido = zero

pureza óptica =

Acessar o site POLARÍMETRO VIRTUAL

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Diastereoisômeros são estereoisômeros que não são enantiômeros

Isômeros com mais de um carbono quiral:

um máximo de 2n estereoisômeros poderá ser obtido

CH3CHCHCH3

Cl OH

* *

Diastereoisômeros

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Um estereocentro (centro estereogênico) é um átomo no qual a troca

de dois grupos produz um estereoisômeros.

Estereoisômeros

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Configuração ZConfiguração R Configuração trans

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Carbonos Assimétricos

Esses dois

grupos

são diferentes

H

CH3

H

Br

H

Br

CH3

H

H

CH3

H

Br

CH3

H

H

Br

trans-1-bromo-3-metil-ciclo-exanocis-1-bromo-3-metil-ciclo-exano

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Centros Quirais

• Carbono ligado a 4 grupos substituintes diferentes– Mesmo se os dois grupos substituintes sejam C, eles ainda podem

estar diferentes

• Grupo C=O, Aquiral (C ligado a 3 centros)

• Grupos CH3, CH2, não são quiral porque são simétricos:

OH

H

CH2CH3

H3C

OH

H

H3CH2C

CH3

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Termos

• Estereoisômeros tem centro(s) quiral(is).

• O átomo de Carbono pode ser

– quiral ou aquiral

– Assimétrico ou simétrico

• Se duas moléculas são estereoisômeros, eles são chamados de enantiômeros

• Moléculas Quirais são opticamente ativas.

• Enantiômeros são isômeros ópticos

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Conceitos

• Estereoisômeros tem centro(s) quiral(is).

• O átomo de Carbono pode ser

– Centro quiral ou Centro aquiral

– Centro Assimétrico ou centro simétrico

• Se duas moléculas são estereoisômeros, eles são chamados de enantiômeros

• Molécula Quiral são opticamente ativas.

• Enantiômeros são isômeros ópticos

• Enantiômeros e Quiralidade

• enantiômeros são estruturas

(FM = e conexão =) mas não são idênticas, são imagens especulares um do outro

• estruturas são quirais se eles não podem ser sobreponíveis a sua imagem.

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Propriedades dos isômeros ópticos.

• Mesmas propriedades físicas e químicas

• Gira o plano da luz polarizada

• Cada isômero gira o plano em direções opostas

– Que é Plano da Luz Polarizada?

• (atividade ótica)

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Atividade ótica

• Estereoisômero são considerados oticamente ativo se girar o plano da luz polarizada.

• cada tipo de enantiômero gira luz em um determinado ângulo e um sentido característico.

• O valor absoluto do ângulo e a direção devem ser determinados experimentalmente usando um polarímetro

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Atividade ótica

• A rotação depende:

– Comprimento do tubo de amostra

– Concentração do enantiômero.

• Se Ambos os isômeros estiverem presentes, em concentração igual, a rotação se anula: mistura racêmica

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i) Em um par de enantiômeros: Sentido horário: dextrorotatória (d); (+)-enantiômero. Sentido anti-horário: levorotatória ( l ); (-)-enantiômero.

ii) Devido ao seu efeito sobre a luz plano-polarizada, enantiômeros separados são ditos compostos opticamente ativos.

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Meso isômeros

Ácido tartárico

Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico)– dois estereocentros; 22 = 4, mas esta molécula só tem três estereoisômeros

(+)- ou (-)-Ácido tartárico: p.f. = 170 ºC; solubilidade: 1390 g/L

(±)-Ácido tartárico: p.f. = 204-206 ºC; solubilidade: 206 g/L

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Meso isômeros

Ácido tartárico

Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico)– dois estereocentros; 22 = 4, mas esta molécula só tem três estereoisômeros

Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico)

(2R,3R)Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico)

(2R,3R)-(+)- Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico)(d)treoL

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Propriedades físicas dos estereoisômeros do Ácido Tartárico

p.f. ºC [a]25º Solubilidade g/100 g água 15º

(2R,3R)-(+)-ácido tartárico 170 + 11,98 139

(2S,3S)-(-)-ácido tartárico 170 - 11,98 139

(2R,3S)-ácido tartárico 140 0 ºC 125

(±)-ácido tartárico 206 0 ºC 20,6

O uso de blocos quirais para formar acarcaça dos caracóis comestíveis (Helixpomatia) resulta em 99,995% destes

caracóis tendo a espiral da carcaça na

mesma direção (sentido horário) e a camada

dos outros 0,005 % na direção oposta.

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Os dois grupos de cada carbono são classificados de acordo comas regras de prioridade.

Quando os dois grupos de maior prioridade estiverem do mesmo lado, a ligação dupla é chamada de Z.

Quando os grupos estiverem em lados opostos, a configuração é E.As duplas a seguir são Z ou E?

Regras (CIP) de Cahn-Ingold-Prelog em Alcenos

Isômeros E ou Z

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(R,S)-2-Hidroxi-2-fenilaácido acético(R,S)-Ácido Mandélico

Cinconina

Sais diastereoméricos

Separa por cristalização fracionada

Diatereoisômero Menos solúvel Diatereoisômero Mas solúvel

Adição de HCl e separaçãoda Cinconina

(S)-(-)-Ácido Mandélico (R)-(+)-Ácido Mandélico

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A importância Biológica da Quiralidade

Teoria Chave-Fechadura

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Substâncias Quirais:

Todos os carboidratos são quirais;

Tos os aminoácidos proteinogênicos são quirais, com exceção do mais simples, a glicina;

Têm propriedades semelhantes as das mãos (ou seja, sãoquirais): as proteínas, as enzimas, o RNA, o DNA, um númerosignificativo dos princípios ativos de fármacos, de substânciasnaturais, etc.

RS

aspartamoamargo

aspartamo100x mais doce que o açúcar

PhN

H3CO2C H

H

O

CO2H

NH2H

PhN

H3CO2C H

H

O

CO2H

NH2H

SRSR

(+)-carvonahortelã

(-)-carvonacominho(alcarávia)

OO

(+)-limonenoodor limão

(+)-limonenoodor laranja

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(S)- LimonenoOdor Limão

(R)- LimonenoOdor Laranja

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Prêmio Nobel em química, Reações assimétricasBarry Sharpless, William Standish Knowles, Ryōji Noyori

Estereoquímica - evolução

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O D-galactitol é um dos compostos tóxicos produzidos na doença

galactosemia. A acumulação de níveis elevados de D- galactitol causa a

formação de cataratas. A projeção de Fischer para o D- galactitol é

mostrado a seguir:

(a) Desenhe uma fórmula Estereoquímica para o D- galactitol usando

cunhas sólidas e tracejadas.

(b) Desenhe a imagem especular do D- galactitol na respectiva fórmula de

projeção de Fischer.

(c) Qual é a relação Estereoquímica entre o D- galactitol e a sua imagem

especular?

(d) Qual é o obtido de uma amostra do D- galactitol em água 10 mL em

célula d 10 cm?

Estereoquímica - aplicação

D - Galactitol