Aula 3 - Estereoquímica

Estereoquímica

Química orgânica I

O significado da quiralidade

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A quiralidade é um fenômeno que permeia o universo

• Um objeto quiral é um objeto que possui a propriedade de “lateralidade”

• Um objeto quiral é um objeto que não pode ser colocado sobre a sua imagem especular de forma que todas as partes coincidam – não superponível

A natureza apresenta muitas situações de quiralidade

• O corpo humano é estruturalmente quiral

• As conchas em hélices são quirais

• Algumas plantas são quirais: trepadeiras

• A molécula do DNA é quiral

O significado da quiralidade

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Objetos quirais

Objetos quirais ou aquirais??

Estereoisômeros

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Os isômeros são diferentes compostos que têm a mesma fórmula molecular

• Isômeros constitucionais têm a mesma fórmula molecular, mas diferentes conectividades

• Estereoisômeros não são isômeros constitucionais, pois têm seus átomos ligados na mesma sequência (a mesma constituição), mas diferem no arranjo de seus átomos no espaço

Os estereoisômeros podem ser subdivididos em duas categorias gerais:

• Enantiômeros – estereoisômeros cujas moléculas são imagens especulares não-superponíveis

• Diasteroisômeros – estereoisômeros cujas moléculas não são imagens especulares uma da outra

Estereoisômeros

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Subdivisão de isômeros

Enantiômeros e moléculas quirais

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Os enantiômers ocorrem apenas em compostos cujas moléculas são quirais

• Uma molécula quiral é definida como aquela que nãoé superponível com a sua imagem

Uma molécula quiral e sua imagem especular são chamadas de um par de enantiômeros

• A sua relação é definida como enantiomérica

Moléculas (e objetos) que são superponíveis com suas imagens especulares são aquirais (não-quirais)


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Exemplo: 2-butanol

(a) Desenhos tridimensionais I e II do 2-butanol

(b) Os modelos dos enantiômeros(c) A tentativa da superposição


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Como saber quando esperar a possibilidade de enantiômeros?

• Uma maneira é aceitar que um par de enantiômerosé sempre possível para moléculas que contêm um único átomo tetraédrico com quatro grupos diferentes ligados a ele – átomos assimétricos, estereogênicos ou estereocentros

• Em 1996, a IUPAC recomendou que tais átomos fossem chamados de centros de quiralidade

• Os centros de quiralidade são frequentemente designados com um asterisco (*)

• A presença de um único centro de quiralidade em uma molécula garante que a molécula seja quiral e que são possíveis formas enantioméricas


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Uma propriedade importante dos enantiômeros com um único centro de quiralidade, tal qual o 2-butanol, é que se interconvertendo quaisquer dois grupos no centro de quiralidade converte-se em um enantiômero no outro

• Qualquer átomo no qual uma interconversão de grupos produza um estereoisômero é chamado de centro estereogênico

• O centro de quiralidade do 2-butanol é um exemplo de um centro estereogênico

• Existem centros estereogênicos que não são centros de quiralidade: isômeros cis e trans em alcenos (por exemplo)

• Atenção! Interconversão de grupos é um modelo! Enantiômeros não se interconvertemespontaneamente


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Se todos os átomos tetraédricos em uma molécula têm dois ou mais grupos ligados que são iguais, a molécula não tem um centro de quiralidade

• A molécula é superponível com a sua imagem especular

Importância da quiralidade

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Importância biológica

Aminoácidos e seus sítios de ligação no organismo

Testes para quiralidade

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Planos de simetria

A maneira insuperável de se testar a quiralidademolecular é construir modelos da molécula e de sua imagem especular e determinar se eles são superponíveis

• Se dois modelos são superponíveis, a molécula é aquiral

• Se não são superponíveis, as moléculas são quirais

Existem outras ajudas que auxiliam no reconhecimento de moléculas quirais

• Um único centro de quiralidade

• A ausência de um plano de simetria


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(a) 2-cloropropano = aquiral = tem plano de simetria

(b) 2-clorbutano = quiral = não tem plano de simetria


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Um plano de simetria (plano especular) é definido como um plano imaginário que divide uma molécula de tal forma que as duas metades da molécula são imagens especulares uma da outra

• O plano pode passar pelos átomos, entre átomos ou por ambos

• Todas as moléculas com um plano de simetria são aquirais

Nomenclatura de enantiômeros

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O sistema R, S

Os dois enantiômeros do 2-butanol são:

• Como dar nomes a esses compostos? Se são diferentes, tem que ter nomes diferentes!

Três químicos – Cahn, Ingold e Prelog – desenvolveram um sistema de nomenclatura que, quando adicionado ao sistema IUPAC, identifica cada enantiômero

• É chamado sistema R, S


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As configurações (R), de rectus, e (S), de sinister, são assinaladas com base no seguinte procedimento:

1) Em cada um dos quatro grupos ligados ao centro de quiralidade é assinalada uma prioridade ou preferência, a, b, c e d (ou 1, 2, 3 e 4)

• A prioridade é primeiramente atribuída com base no número atômico do átomo que está diretamente ligado ao centro de quiralidade

• Ao grupo com o menor número atômico e dada a menor prioridade (d ou 4)


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2) Quando uma prioridade não pode ser atribuída com base no número atômico dos átomos que estão diretamente ligados ao centro de quiralidade, então o próximo conjunto de átomos nos grupos não atribuídos é examinado

• Esse processo continua até que uma decisão possa ser tomada


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3) Agora giramos a fórmula (ou o modelo) de tal forma que o grupo com a menor prioridade (d ou 4) esteja apontando para longe de nós


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Traçamos um caminho a partir de a para b para c para a

• Se o sentido for horário, o enantiômero é denominado (R)

• Se o sentido for anti-horário, o enantiômero é denominado (S)


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Aos grupos que contêm ligações duplas ou triplas são atribuídas prioridades como se ambos os átomos fossem duplicados ou triplicados

• Assim, o grupo vinila, –CH=CH2, é de prioridade mais alta do que o grupo isopropila, –CH(CH3)3

Propriedades dos enantiômeros

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Atividade Ótica

As moléculas de enantiômeros não são superponíveisuma na outra, por isso são compostos diferentes

• Enantiômeros são isômeros que têm propriedades físicas e químicas iguais

• Os enantiômeros mostram comportamento diferentes apenas quando interagem com outras substâncias quirais

Uma maneira facilmente observável na qual os enantiômeros diferem é no comportamento deles frente à luz polarizada no plano

• Quando um feixe de luz polarizada no plano passa através de um enantiômero, o plano de polarização da luz gira

Propriedades dos enantiômeros

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Enantiômeros separados giram o plano de luz polarizada no plano em quantidades iguais, mas em sentidos opostos

• São chamados, por isso, de compostos oticamenteativos

A luz polarizada no plano

Um feixe de luz consiste em dois campos oscilantes mutuamente perpendiculares

• Campo elétrico oscilante e campo magnético oscilante

Quando a luz ordinária (todas as direções perpendiculares) passa através de um polarizador, este interage com o campo de tal forma que o campo elétrico da luz que emerge está oscilando em apenas um plano –luz polarizada no plano

Atividade ótica

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polarizador

Luz polarizada no plano

Atividade ótica

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Polarímetro

O dispositivo que é utilizado para medir o efeito de compostos oticamente ativos na luz polarizada no plano é um polarímetro

Atividade ótica

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Rotação específica

O número de graus no qual o plano é girado à medida que a luz passa através de uma solução de um enantiômerodepende do número de moléculas quirais que é encontrado

• Para que se coloque as rotações medidas em uma base padrão, os químicos calculam uma quantidade chamada de rotação específica []

𝛼 =𝛼

𝑐 ∙ 𝑙

• [] = rotação específica

• = rotação observada

• c = concentração da solução (em g/mL)

• l = comprimento do tubo em dm

Atividade ótica

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A rotação específica depende também da temperatura e do comprimento de onda da luz que é empregada

• As rotações específicas são relatadas de forma a incorporarem essas grandezas também

• Ex: [𝛼]𝐷25= +3,12°

• A notação significa que a linha D de uma lâmpada de sódio ( = 589,6 nm) foi utilizada para a luz, que uma temperatura de 25°C foi mantida e que uma amostra contendo 1,00 g/mL da substância oticamente ativa, em um tubo de 1 dm, produziu uma rotação de 3,12° no sentido horário

Atividade ótica

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Exemplos:

Atividade ótica

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Não existe correlação óbvia entre as configurações (R) e (S) dos enantiômeros e o sentido [(+) ou (–)] no qual eles giram a luz polarizada no plano

Também não existe nenhuma correlação necessária entre a designação (R) e (S) e o sentido de rotação da luz polarizada no plano

A origem da atividade ótica

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A atividade ótica é medida pelo grau de rotação da luz polarizada no plano quando ela passa através de um meio quiral

• Contudo, a explicação teórica para a origem da atividade ótica necessita de considerações sobre a luz polarizada circularmente e sua interação com as moléculas quirais

A atividade ótica de moléculas quirais resulta do fato de que os dois feixes polarizados circularmente com sentidos contrários se propagam com velocidades diferentes através do meio quiral

• À medida que a diferença entre os dois feixes polarizados circularmente se propaga através da amostra, a soma de seus vetores descreve um plano que é progressivamente girado


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Formas racêmicas

Uma amostra que consiste exclusivamente ou predominantemente em um enantiômero provoca uma rotação líquida da luz polarizada no plano

Uma mistura equimolar de dois enantiômeros como do exemplo anterior é chamada de mistura racêmica (ou racemato ou forma racêmica)

Uma mistura racêmica não provoca rotação líquida da luz polarizada no plano

• Em uma mistura racêmica, o efeito de cada molécula de um enantiômero no feixe polarizado circularmente cancela o efeito das moléculas do outro enantiômero


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Formas racêmicas e excesso enantiomérico

Uma amostra de uma substância oticamente ativa que consiste em um único enantiômero é dita ser enantiomericamente pura ou ter um excessoenantiomérico de 100%

O excesso enantiomérico (ee), ou pureza ótica, é definido

% 𝑑𝑒 𝑒. 𝑒. =(𝑞𝑡𝑑. 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑚 𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡. ) − (𝑞𝑡𝑑. 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡. )

𝑞𝑡𝑑. 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑏𝑜𝑠 𝑜𝑠 𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡𝑖ô𝑚𝑒𝑟𝑜𝑠× 100

%𝑑𝑒 𝑒. 𝑒. =𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑑𝑎

𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑎𝑛𝑡𝑖ô𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑝𝑢𝑟𝑜× 100


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Exemplo:

• Suponha que uma mistura dos enantiômeros 2-butanol, []= +13,52° (isômero S), mostrou uma rotação específica de +6,76°. Qual o excesso enantiomérico?

• 50%

Exercício:

• Uma amostra de 2-metil-1-butanol tem uma rotação específica, [𝛼]𝐷

25 = +1,151°, (a) Qual é a porcentagem do excesso enantiomérico da amostra? (b) Qual enantiômero está em excesso, o (R) ou o (S)?

Moléculas com mais de um centro de quiralidade

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Muitas moléculas, especialmente as de natureza biológica, contêm mais de um centro de quiralidade

• O colesterol, por exemplo, contém 8 centros de quiralidade

Mas devemos começar de moléculas mais simples

• Quantos centros de quiralidade existem no 2,3-dibromepentano?

• Qual é o número máximo de estereoisômeros dessa molécula?


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Regra – O número total de estereoisômeros não excederá a 2n, onde n é igual ao número de centros de quiralidade

• Para o 2,3-dibromopentano = 4 estereoisômeros

Enantiômeros:

Diasteroisômeros:

1 e 2

3 e 4

1 e 3, 1 e 4

2 e 3, 2 e 4


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Compostos Meso

Uma estrutura com dois centros de quiralidade nem sempre tem quatro estereoisômeros possíveis

• Algumas vezes apenas três

Isso acontece porque algumas moléculas são aquiraismesmo contendo centros de quiralidade

Uma molécula que, contendo dois ou mais centros de quiralidade, não apresenta atividade ótica (sua imagem especular é superponível) é chamada de composto meso

• Exemplo: um dos estereoisômeros do 2,3-dibromobutano é um composto meso


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Representam o mesmo composto –composto meso Plano de

simetria


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Dando nomes aos compostos com mais de um centro de quiralidade

Se um composto tem mais de um centro de quiralidade, analisamos cada centro separadamente e decidimos se ele é (R) ou (S)

• Depois utilizando números, dizemos qual designação se refere a qual átomo de carbono

• Exemplo: qual o nome do seguinte estereoisômero?


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Analisando o carbono C-2: configuração (R)

Analisando o carbono C-3: configuração (R)

(2R, 3R)-2,3-dibromobutano

Fórmulas de projeção de Fischer

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Até o momento, vimos fórmulas estruturais que representava as três dimensões com cunhas sólidas e tracejadas

Existem outras formas de representação, úteis para compostos com muitos centros de quiralidade

• São as fórmulas de projeção de Fischer

Fórmulas de projeção de Fischer

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Estereoisômeros de compostos cíclicos

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Derivados do cicloexano

Os 1,4-dimetilcicloexanos não apresentam centro de quiralidade

1,3-dimetilcicloexanos e 1,2-dimetilcicloexanos apresentam 2 centros de quiralidade permitindo a existência de até 4 estereoisômeros

Estereoisômeros de compostos cíclicos

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Separação de enantiômeros

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Como os enantiômeros podem ser separados?

Método de Pasteur

Métodos atuais para a resolução de enantiômeros

Um dos procedimentos mais úteis para separar enantiômeros é baseado em permitir que uma forma racêmica reaja com um único enantiômero de algum outro composto – derivatização

• Formação de uma mistura de diateroisômeros

Outro método é a resolução por enzimas

Cromatografia em meio quiral

Compostos com outros centros

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Qualquer átomo tetraédrico com quatro grupos diferentes ligados a ele é um centro de quiralidade

Moléculas quirais que não possuem um centro de quiralidade

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Uma molécula é quiral se ela não é superponível com a sua imagem especular

• A presença de um átomo tetraédrico com quatro grupos diferentes é apenas um tipo de centro de quiralidade

Isômeros conformacionais que são compostos isoláveis (altas barreiras rotacionais) são chamados de atropisômeros

• Exemplos: BINAP

Alenos são compostos que também exibem estereoisomerismo

Moléculas quirais que não possuem um centro de quiralidade

51um aleno

Síntese de moléculas quirais

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Formas racêmicas

As reações realizadas com reagentes aquirais podem frequentemente levar a produtos aquirais

• Na ausência de qualquer influência quiral de um catalisador, reagente ou solvente, o resultado de tal reação é uma mistura racêmica


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Sínteses estereosseletivas

As reações estereosseletivas são reações que levam a uma predominância de um estereoisômero sobre outro estereoisômero que possivelmente seria formado

• Se uma reação produz um enantiômero em predominância sobre sua imagem especular, a reação é dita ser enantiosseletiva

• Se uma reação leva predominantimente a um diateroisômero sobre outros que são possíveis, a reação é dita ser diasterosseletiva

• Para uma reação ser enantiosseletiva ou diasterosseleletiva, um reagente, catalisador ou solvente quiral deve exercer influência no curso da reação


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