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ESTEREOQUÍMICA I
META
Entender o arranjo dos átomos no espaço.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá: estabelecer os conceitos envolvidos na estereoquímica; compreender a diferença entre isômeros estruturais e estereoisômeros; distinguir enantiômeros e diastereoisômeros; utilizar as projeções de Fischer para determinar a configuração absoluta de um átomo de carbono tetraédrico; definir atividade ótica; e resolver problemas relacionados ao assunto apresentado.
PRÉ-REQUISITOS
Ter conhecimento sobre análise conformacional e entender isomeria.
Aula
(Fonte: http://www.dq.fct.unl.pt).
Química orgânica I
INTRODUÇÃO
Hoje nós vamos começar a estudar a estereoquímica. Esta é talvez a parte mais importante do estudo da química uma vez que o seu entendi- mento levará a uma melhor compreensão de tudo o que está relacionado às reações químicas. A estereoquímica é a parte da química que estuda a estrutura das moléculas em três dimensões. Sua importância está refleti- da nas propriedades físicas das moléculas, no curso e nos mecanismos das reações, na espectroscopia e, principalmente, no funcionamento dos sistemas vivos. A estereoquímica teve a sua origem em 1874 quando dois jovens químicos, J.H. Van’t Hoffman (Utrech ) e J.A. Le Bel (Sorbonne ) deduzi- ram, trabalhando independentemente, que o arranjo de quatro átomos em torno de um átomo de carbono central é tetraédrico. Esta descoberta causou um grande impacto naquela ocasião porque afirmava que os qua- tro hidrogênios do metano eram equivalentes, o que de fato só foi aceito pela comunidade científica dez anos mais tarde. Entretanto, para que vocês tenham um bom aproveitamento desta aula é necessário que vocês tenham entendido bem o conceito de isome- ria estrutural e, neste caso, faremos então uma rápida revisão sobre este tipo de isomeria. Por definição, a isomeria estrutural (ou de constituição) refere-se aos compostos que possuem a mesma fórmula molecular e diferente co- nectividade de seus átomos, como mostram os exemplos abaixo.
Pois muito bem. Atentem para o fato de que neste tipo de isomeria os compostos possuem a mesma fórmula molecular, porém possuem dife- rentes conectividades de seus átomos. Bom, agora que revisamos este conceito, passaremos então a definir a estereoisomeria. Estereoisômeros são isômeros que possuem a mesma fórmula mo- lecular e a mesma conectividade entre os átomos, porém, como podemos ver a seguir, eles possuem arranjos espaciais diferentes. Como exemplo de estereoisômeros, podemos citar os isômeros cis-trans, que são relati- vamente estáveis, e os isômeros conformacionais, que mudam de confor- mação muito rapidamente.
Isômeros constitucionais
Isômeros que dife- rem porque seus átomos são conec- tados em ordem diferentes.
Estereoisômeros
Compostos que diferem unicamen- te no arranjo de seus átomos no espaço.
Química orgânica I
te a diferença entre os isômeros estruturais (constitucionais) e os es- tereoisômeros.
Figura 2. Relações entre diferentes tipos de isômeros.
ENANTIÔMEROS
Os enantiômeros compõem uma classe de compostos caracterizada por moléculas que não se superpõem com suas imagens no espelho. Um bom exemplo disto é a relação existente entre as mãos esquerda e direita, que embora uma seja a imagem da outra no espelho, elas não são super- poníveis, Figura 3.
Figura 3. Relação enantiomérica ilustrada pelas mãos direita e esquerda.
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MOLÉCULAS QUIRAIS 4
Muito bem, a partir do entendimento desta relação das mãos e sua imagem no espelho foi introduzido na química o termo QUIRAL, relaci- onado ao fato de que a palavra quiral é derivada do grego cheir, que signi- fica mão. Portanto, MOLÉCULAS QUIRAIS devem guardar entre si a mesma relação existente entre a mão direita e a mão esquerda, ou seja, estas moléculas não são superponíveis em suas imagens no espelho, Figu- ra 4. Por outro lado, moléculas que são superponíveis em suas imagens no espelho são ditas AQUIRAIS.
Figura 4. (a) Enantiômeros do 2-butanol (estruturas I e II vistas em três dimensões). (b) Modelos dos enantiômeros do 2-butanol. (c) Uma tentativa sem sucesso de superpor as estruturas I e II. Atente para os grupos H e OH e vejam que estes grupos não se superpõem.
Para que fique bem claro a relação moléculas quirais e enantiôme- ros trabalharemos novamente alguns conceitos:
- Objetos (e moléculas) que são superponíveis as suas imagens no espe- lho são aquirais. Vejamos o exemplo abaixo no qual temos duas situa- ções: (a) 2-popanol e sua imagem no espelho; (b) Dando um giro de 180º em qualquer uma das moléculas, veremos que as estruturas são superpo- níveis e não representam enantiômeros. Portanto, elas representam duas moléculas do mesmo composto. O 2-propanol não possui centro estereo- gênico ou estereocentro, é uma molécula aquiral.
(a) (b)
Enantiômeros
Dois estereoisô- meros que se rela- cionam como ob- jeto e imagem no espelho e não se superpõem.
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logia e bioquímica, mas principalmente para o entendimento dos siste- 4 mas biológicos os quais são especialmente seletivos. Por exemplo, o estereocentro tetraédrico de um aminoácido de três pontos ligantes pode ocorrer com um alinhamento adequado para apenas um dos dois enan- tiômeros, Figura 6.
Figura 6. Somente um dos dois enantiômeros do aminoácido mostra três pontos de ligação com o sítio ligante hipotético (ex. em uma enzima).
Esta seletividade pode ser melhor ilustrada na Figura 7.
Figura 7. Seletividade dos sistemas biológicos.
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De fato, muitas plantas mostram quiralidade em suas estruturas, o que pode ser evidenciado pelo fato dos enantiômeros de um composto não possuírem o mesmo cheiro. Isto sugere que os sítios receptores no nariz para estes compostos sejam quirais, e só se adequam ao seu enantiômero particular (como uma mão requer uma luva do par para um bom ajuste).
Vejamos alguns exemplos: − Carvona: R-carvona aroma de tutti-friti S-carvona aroma de hortelã − Limoneno: S -limoneno aroma de limão R -limoneno aroma de laranja.
Interessante é que muitas das moléculas produzidas pelas plantas superiores e animais são quirais e usualmente somente um dos enantiô- meros ocorre em uma dada espécie. Uma conseqüência disto é que: − Todos os 20 aminoácidos que compõem as proteínas são quirais e ocor- rem naturalmente com configuração S. − As moléculas de açúcares naturais são quase todos de configuração R , incluindo o açúcar que ocorre no DNA. − DNA tem uma estrutura helicoidal, e no sentido da direita.
Curiosidade! Um exemplo bem conhecido foi o caso da Talidomida, um medicamento muito utilizado como sedativo na Europa e Canadá por volta de 1956. Este medicamento não foi aprovado nos Estados Unidos devido a alguns efeitos colaterais de ordem neurológica observados. O isômero R tinha fortes propriedades sedativas, mas a droga comercial era na verdade a mistura racêmica, cujos enantiômeros se interconvertiam sob condições fisiológicas. O problema maior foi que posteriormente descobriu-se que o S-enantiômero tinha propriedades altamente teratogênicas. Naquela ocasião as mulheres que tomaram este medicamento nos três primeiros meses de gravidez tiveram seus bebês com uma grande variedade de deformidades.
Nas palavras de Louis Paster: “ não pode haver a menor dúvida de que a causa única e exclusiva da diferença de fermentação dos ácidos tartáricos é o oposto arranjo molecular dos dois ácidos tartáricos. Deste modo, a idéia da influência da assimetria dos compostos orgânicos naturais é introduzida nos estudos fisiológicos, sendo esta importante característica, talvez a única linha de demarcação distinta entre matéria viva e matéria morta.”
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dade óptica, e por isto, os enantiômeros são frequentemente chamados de isômeros ópticos. A rotação óptica é medida por um polarímetro, Figura 8.
Figura 8: Polarímetro para medida da rotação óptica.
ROTAÇÃO ESPECÍFICA
O número de graus que o plano é girado à medida que a luz passa através de uma solução de um enantiômero depende do número de molé- culas quirais encontrado. Isso naturalmente depende do comprimento do tubo e da concentração do enantiômero. Para que se coloque as rotações medidas em uma base padrão, os químicos calculam uma quantidade cha- mada de rotação específica, [±], através da seguinte equação:
Onde, = rotação específica; t = temperatura em graus Celsius; = comprimento de onda da luz incidente. Normalmente se usa uma lâmpada de vapor de sódio e a linha de emissão ama- rala, chamada raia D, indicada simplesmente pelo símbolo D, cujo comprimento de onda, , é 589 nm; = rotação óptica observada em graus; l = caminho óptico da célula. O valor frequentemente é igual a 1 dm (= 10 cm); c = concentração (g/mL)
A rotação específica de uma molécula opticamente ativa é uma cons- tante física característica, como o ponto de fusão, o de ebulição ou a densidade e depende também da temperatura e do comprimento de onda da luz empregada.
Isômeros
São diferentes compostos que tem a mesma fór- mula molecular.
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Exemplo 1: 4 Uma solução com 0,1 g.mL-1^ de açúcar comum (a sacarose natural) em água, colocada em uma célula de 10 cm, tem rotação óptica de 6,65º.
Calcule o valor de. Esta informação dá o valor do enantiômero da
sacarose natural.
MISTURA RACÊMICA
Uma mistura constituída de quantidades iguais (1:1) dos dois enanti- ômeros é denominada mistura racêmica. Esta mistura não desvia o pla- no da luz polarizada sendo, portanto, opticamente inativa. Entretanto, a atividade óptica pode ser observada nas misturas de enantiômeros, desde que eles estejam em concentrações diferentes, ou seja, apresente um ex- cesso enantiomérico.
EXCESSO ENANTIOMÉRICO = % PUREZA ÓPTICA
Uma amostra de uma substância opticamente ativa que consiste em um único enantiômero é dita ser enantiomericamente pura ou ter um ex- cesso enantiomérico de 100%.
EXERCÍCIO COMENTADO 2
Uma amostra enantiomericamente pura de ( S )-(+)-2-butanol mostra uma rotação específica de +13,52º ( ). Qual é o excesso enantiomérico de uma mistura dos enantiômeros deste álcool quando a mesma apresenta uma rotação específica de +6,76°.
Mistura racêmica
Mistura constituí- da de quantidades iguais (1:1) dos dois enantiômeros.
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2º passo: Posicionar a molécula (na imaginação, no papel ou com o auxí- 4 lio de modelos moleculares) de modo que o substituinte de menor priori- dade esteja o mais distante possível do observador, isto é, atrás do plano do papel, Figura 9. Este processo faz com que só existam apenas dois arranjos dos substituintes restantes: quando a progressão dos substituin- tes 1, 2 e 3 faz-se no sentido horário, o centro será chamado de R ( rectus , do latim, direita) e quando esta progressão faz-se no sentido anti-horário, o centro será chamado de S ( sinister , do latim, esquerda). Os símbolos R e S são colocados entre parênteses antes do nome completo do composto quiral, como em ( R )-2-bromo-butano e ( S )-2,3-di-hidróxi-propanal. Uma mistura racêmica é chamada de R , S , como em ( R , S )-bromo-cloro-fluoro- metano. Caso o sinal da rotação do plano da luz polarizada seja conheci- do, este pode também ser adicionado ao nome, como em ( S )-(+)-2-bro- mo-butano e ( R )-(+)-2,3-di-hidróxi-propanal. Entretanto, é importante que fique claro que os símbolos R e S não correspondem de maneira algu- ma aos sinais de ± (atividade ótica).
Figura 9: Determinação da configuração R ou S de um centro quiral tetraédrico. O grupo de menor prioridade é posicionado o mais longe possível do observador.
Importante! Não confunda (+) e (-) com R e S. Os símbolos (+) e (-) indicam a direção na qual uma substância oticamente ativa gira o plano de polarização, enquanto que R e S indicam o arranjo dos grupos em torno de um carbono assimétrico. Portanto, substâncias com configuração R podem ser (+) ou (-), assim como aquelas com configuração S também podem ser (+) ou (-).
REGRAS DE SEQÜÊNCIA
Estas regras determinam a prioridade dos substituintes e, portanto, deve- rão ser aplicadas antes da atribuição da nomenclatura R , S.
Regra 1. Inicialmente, devemos olhar os átomos ligados diretamente ao centro quiral. O átomo com maior número atômico terá prioridade sobre
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aqueles de menor número atômico. É por isso que o hidrogênio sempre será o de menor prioridade.
Obs! Neste livro adotaremos a seguinte ordem de prioridade: 1 > 2 > 3 > 4. Entretan- to, levem em consideração que alguns livros adotam a seguinte ordem: a > b > c >d e, neste caso, as letras a e d representam a primeira e última prioridades, respectivamente.
Regra 2. Se dois ou mais substituintes tiverem o mesmo tipo de átomo ligado ao centro quiral, observar na seqüência de cada cadeia de substitu- intes uma diferença que permita fazer a distinção. Uma vez encontrado este ponto de distinção o resto da cadeia será irrelevante.
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Resolução: Comecemos por analisar os seguintes itens:
- Inicialmente, devemos verificar a ordem de prioridade dos substituin- tes no carbono quiral; Br, prioridade 1; Etil (CH 3 CH 2 %), prioridade 2; Metil (CH 3 %), prioridade 3 e; H, prioridade 4.
- Em seguida, colocar o grupo de última prioridade o mais afastado pos- sível;
- Olhar se a sequência de prioridade está no sentido horário ( R ) ou anti-horário ( S ).
Portanto, como está no sentido horário, este centro quiral tem confi- guração R e o composto é o ( R )-(-)-2-bromo-butano. Agora, siga o mesmo raciocínio e resolva os outros ítens.
PROJEÇÕES DE FISCHER
Para um entendimento completo de estereoquímica é útil examinar modelos moleculares. Contudo, não é praticável quando estamos escre- vendo no papel ou no quadro. Em 1891 Emil Fischer serviu grande- mente os interesses da química inventando a Projeção de Fischer, um método simples de representar os átomos de carbono tetraédricos e seus substituintes em duas dimensões. Este método consiste no desenho da molécula em forma de cruz, com o carbono quiral no ponto de interse- ção. As linhas horizontais representam as ligações que estão na direção do observador (na frente do plano da página, linhas em cunho) e as linhas verticais, as ligações que se afastam do observador (por trás do
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plano da página, linhas tracejadas). As fórmulas em linhas tracejadas e 4 cunhas devem ser arranjadas desta forma para facilitar sua conversão em projeções de Fischer.
Conversão das fórmulas em Linhas Tracejadas e Cunhas do (R)-Ácido láctico em Projeções de Fischer
Rotações de uma projeção de Fischer que podem ou não mudar a confi- guração absoluta Rotações permitidas para uma projeção de Fischer: a) Rotação de 180º: permanece a mesma configuração.
- Os grupos −COOH e −CH 3 estão abaixo do plano do papel em ambas projeções;
- −H e −OH estão acima do plano em ambas as projeções.
b) Rotação de 90º: inverte a configuração.
- Observe que os grupos −COOH e −CH 3 estão abaixo do plano do papel em uma projeção e acima do plano do papel em outra projeção. Neste caso, mudou a configuração de ( R ) para ( S ).
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COMO DETERMINAR A CONFIGURAÇÃO 4
ABSOLUTA UTILIZANDO A PROJEÇÃO
DE FISCHER
As projeções de Fischer também permitem determinar a configuração absoluta sem a necessidade de visualizar os átomos em três dimensões. Entretanto, alguns cuidados são necessário:
- Estabelecer a ordem de prioridade dos substituintes de acordo com as regras de sequência.
- Quando necessário for, colocar o grupo 4 (última prioridade) na verti- cal e no alto por uma dupla troca (para não mudar a configuração). Quando os três grupos restantes, com prioridades 1, 2 e 3 estiverem no sentido horário, a configuração será R ; se no sentido anti-horário a configuração será S.
EXERCÍCIO COMENTADO 4
Determine a configuração absoluta das seguintes moléculas:
Comentário: Vamos resolver o primeiro exemplo, o 1-bromo-1-deutero-etano.
- A primeira coisa que devemos fazer é definir a ordem de prioridades dos substituintes com base nas regras de sequência: Br, 1 ; CH 3 , 2 ; D, 3 ; H, 4; Em seguida, trocar os substituintes pelos números correspondentes na ordem de prioridade estereoquímica e fazer duas trocas para posicionar 4 na vertical e no alto. Assim teremos os outros substituintes em um arran- jo no sentido dos ponteiros do relógio, R.
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EXERCÍCIO COMENTADO 5
Considere o seguinte par de estruturas e diga se elas representam enantiô- meros ou duas moléculas do mesmo composto em diferentes orientações:
Resposta: Uma maneira de abordar esse tipo de problema é tomar uma estrutura e, em nossa mente, segurá-la através de um grupo e girar os outros grupos até que, no mínimo, um grupo esteja no mesmo lugar que na outra estrutura. (Pratique com modelos até que você esteja apto a fazer isso facilmente em sua mente). Através de uma séie de rotações como essa você será capaz de converter a estrutura que está manipulando em uma que seja idêntica à outra, ou seja, a sua imagem especular. Por exemplo, pegue B, segure-a pelo átomo Cl e então gire os outros grupos em torno da ligação C%Cl até que o bromo esteja embaixo (como em A). Agora segure-a pelo Br e gire os outros grupos em torno da ligação C%Br. Isso tornará B idêntica a A.
Outra abordagem é reconhecer que a troca de dois grupos no átomo de carbono estereogênico inverte a configuração daquele átomo de carbono e converte uma estrutura com apenas um carbono estereogênico em seu enan- tiômero; uma segunda mudança recria a molécula original. Assim prosse- guimos dessa maneira, mantendo a pista de quantas trocas são necessárias para converter B em A. Dessa maneira, descobrimos que são necessárias duas trocas e, de novo, concluímos que A e B são as mesmas estruturas.
Uma conferência útil é dar nome a cada composto incluindo suas designa- ções R, S. Se os nomes são os mesmos, então as estruturas são as mesmas.
