8. Estereoqumica
Leitura Recomendada:
1) Organic Chemistry Structure and Function, K. P. C. Vollhardt e N. E.
Schore, 3a ed., Freeman, New York, 2000, cap. 5.
2) Organic Chemistry, J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers,
Oxford, Oxford, 2001, cap. 16.
8.1. Estereoismeros e Molculas Quirais
8.2. Atividade ptica
8.3. Configurao Absoluta
8.4. Compostos Meso
8.5. Obteno de Molculas Enantiomericamente Puras
8.6. Quiralidade no Mundo Biolgico
Estereoismeros so ismeros que possuem a mesma
conectividade, mas diferem um do outro na disposio dos tomos no
espao. Estereoismeros podem ser enantimeros ou diastereoismeros.
Enantimeros: Imagens especulares no so sobreponveis.
Um par de imagens
especulares no idnticas
chamada de um par de
enantimeros.
8.1. Estereoismeros e Molculas Quirais
Molculas Quirais
Uma molcula que no
sobreponvel a sua imagem no
espelho chamada de quiral. Uma
molcula que sobreponvel
chamada de aquiral.
Um tomo ligado a quatro
grupos diferentes chamado de
centro estereognico. Molculas
contendo um n i co centro
estereognico so sempre
quirais.
Quiral:
Aquiral:
Como determinar se uma molcula quiral ou no?
i) construindo modelos moleculares.
ii) verificando a presena de planos de simetria na molcula: molculas
quirais no tem um plano de simetria. Exemplos:
Plano de simetria um plano imaginrio que corta uma molcula
de maneira que as duas metades da molcula sejam uma imagem
especular da outra.
Metano Clorometano Diclorometano Bromo clorometano
Bromoclorofluormetano
Lembrar sempre:
i) o nico critrio para quiralidade que a molcula e sua imagem
especular no so sobreponveis.
ii) Para transformar um enantimero em outro seria preciso a quebra de
ligaes.
A cadeia principal da molcula desenhada pelo zig-zag
tradicional. Se os dois substituintes estiverem do mesmo lado do plano
definido pela cadeia principal, a designao sin. Se estiverem em lados
opostos ser anti.
Sin e Anti
Qual a relao estereoqumica entre as estruturas abaixo? Seria
possvel isolar os dois composto acima?
O composto abaixo foi resolvido.
Metilamina
Para a amnia ocorrem 2.1011 inverses por segundo!
8.2. Atividade ptica
Enantimeros possuem propriedades fsicas idnticas, exceto sua
interao com a luz polarizada (atividade ptica). Atividade ptica foi
descoberta em 1815, tendo sido um aspecto importante na proposta do
modelo tetradrico para o carbono, divulgado no final do sculo XIX.
O aparelho utilizado para medir a atividade ptica o polarmetro:
Um composto aquiral no roda o plano de polarizao.
opticamente inativo:
Um composto quiral pode rodar o plano de polarizao, sendo
opticamente ativo:
i) Em um par de enantimeros:
Sentido horrio: dextrorrotatria; (+)-enantimero.
Sentido anti-horrio: levorrotatria; (-)-enantimero.
Mais alguns aspectos da atividade ptica:
Mais alguns aspectos da atividade ptica:
ii) Devido ao seu efeito sobre a luz plano-polarizada, enantimeros
separados so ditos compostos opticamente ativos.
Rotao Especfica
Rotao especfica uma constante fsica caracterstica de uma molcula.
25: temperatura em graus Celsius.
D: comprimento de onda de 589 nm. A linha D de
uma lmpada de sdio.
Fatores que afetam a rotao ptica observada:
a) concentrao
b) estrutura da molcula
c) comprimento da cela
d) comprimento de onda da luz
e) solvente
f) temperatura
Rotao especfica uma constante fsica possvel somente
para molculas quirais.
Rotao Especfica
A pureza ptica de um enantimero pode ser determinada atravs da
medida do , segundo a frmula mostrada a seguir. Contudo, neste caso deve-se
conhecer o de um dos enantimeros na forma pura. Uma limitao do mtodo
o fato de que o valor de sensvel a uma srie de parmetros, o que pode
tornar o erro bastante grande. Deste modo, mtodos analticos mais confiveis,
como CLAE e CG utilizando colunas quirais, tm sido mais utilizados.
Excesso Enantiomrico
Uma proporo de 98:2 significa um excesso enantiomrico (ee)
de 96%.
Exemplo:
Uma mistura 1:1 dos enantimeros chamada de mistura racmica.
Esta mistura opticamente inativa e muitas vezes designada como
().
Uma mistura racmica tem (quase sempre) propriedades fsicas
diferentes dos correspondentes enantimeros puros.
Se um enantimero equilibra com a sua imagem especular, dizemos
que ocorreu uma racemizao.
Mistura Racmica
As propriedades no estado lquido ou gasoso ou em soluo so
normalmente as mesmas, mas aquelas envolvendo estado slido, como
ponto de fuso e solubilidade so geralmente diferentes, como no clssico
exemplo do cido tartrico.
Mistura Racmica
()-cido tartrico: pf = 204-206 oC
solubilidade: 206 g/L
(+)- ou (-)-cido tartrico: pf = 170 oC
solubilidade: 1390 g/L
Fatos Importantes:
i) No existe correlao entre o sinal da rotao
ptica e o arranjo espacial dos grupos
substituintes.
ii) No possvel determinar a estrutura de um
enantimero medindo o valor de [].
iii) No existe correlao necessria entre a
designao (R) e (S) e a direo da rotao da
luz plano-polarizada.
8.3. Configurao Absoluta
Determinao da configurao absoluta:
i) Mtodo direto: anlise de raio-X. ii) Mtodo indireto: correlao com um composto cuja configurao absoluta j
foi determinada.
Exemplo:
Nomenclatura R e S (Nomenclatura Cahn-Ingold-Prelog)
Como designar a nomenclatura R e S:
i) Ordenar os substituintes segundo uma ordem de prioridade.
ii) Posicionar a molcula de modo que o substituinte com a menor prioridade seja
colocado o mais distante do observador.
iii) Ler os grupos em ordem decrescente de prioridade:
Anti-horrio: S
Horrio: R
Ordem de Prioridade:
a>b>c>d
i) Verificar o nmero atmico de cada tomo ligado ao centro
estereognico: quanto maior o nmero atmico, maior a prioridade;
ii) Se dois (ou mais) substituintes ligados diretamente ao centro
estereognico tm o mesmo nmero atmico, percorremos as cadeias
at encontrar o primeiro ponto de diferena;
iii) Ligaes duplas (e triplas) so tratadas como se fossem simples e os
tomos so duplicados (ou triplicados).
Como determinar a ordem de prioridade?
Como determinar a ordem de
prioridade:
i) Verificar o nmero atmico de cada tomo ligado ao estereocentro: quanto
maior o nmero atmico, maior a
prioridade.
ii) Se dois (ou mais) substituintes ligados diretamente ao estereocentro tm o
mesmo nmero atmico, percorremos
as cadeias at encontrar o primeiro
ponto de diferena.
iii) Ligaes duplas (e triplas) so tratadas como se fossem simples e os tomos
so duplicados (ou triplicados).
Os dois grupos de cada carbono so classificados de acordo com
as regras de prioridade. Quando os dois grupos de maior prioridade
estiverem do mesmo lado, a ligao dupla chamada de Z. E quando os
grupos estiverem em lados opostos de E.
As duplas a seguir so Z ou E?
Regras de Cahn-Ingold-Prelog em Alquenos
Projeo de Fischer
Projeo de Fischer um modo simplificado de representar um tomo de
carbono tetradrico e seus substituintes.
Linha horizontal significa ligaes direcionadas para fora do plano do papel.
Linha vertical significa ligaes direcionadas para trs do plano do papel.
Exemplo:
Rotao de Projees de Fischer
Rotao de 90: muda a configurao do centro estereognico.
Rotao de 180 (no plano do papel): no muda a configurao do
centro estereognico.
Exemplos:
Alterando os Grupos Substituintes de uma Projeo de Fischer
Nmero Par de Mudanas: Estruturas Idnticas
Nmero mpar de Mudanas: Enantimeros
Exemplo:
Exemplo:
Br
CH3H D
H
CH3Br D
H
CH3D Br
R
Determinao da Configurao Absoluta utilizando
Projees de Fischer
Procedimento:
i) Desenhar a projeo de Fischer da molcula.
ii) Aplicar as regras de prioridade para ordenar os substituintes.
iii) Troque dois grupos de modo que o de menor prioridade fique acima.
Molculas com mais de um Centro Estereognico
Uma molcula com n centros estereognicos pode ter at 2n
estereoismeros. Determinao da configurao absoluta de molculas com dois
centros estereognicos:
i) Tratar cada centro estereognico separadamente.
ii) O grupo contendo o outro centro estereognico considerado como um
substituinte.
Exemplo:
CC
H OH
CHO
OH
CH2OH
H
C
C
HHO
CHO
HO
CH2OH
H
C
C
H OH
CHO
H
CH2OH
HO
C
C
HHO
CHO
HO
CH2OH
H
A pair of enantiomers (Erythreose)
A pair of enantiomers (Threose)
2,3,4-Triidroxibutanal; 2 estereocentros; existem 22 = 4 estereoismeros
Diastereoismeros
Relaes entre ismeros
Ismeros
Estereoismeros Ismeros Constitucionais
Enantimeros (imagens especulares)
Diastereoismeros (no so imagens! especulares)
C
C
H OH
CO 2 H
H
CO 2 H
HO
C
C
H HO
CO 2 H
H
CO 2 H
OH
C
C
H OH
CO 2 H
OH
CO 2 H
H
C
C
H HO
CO 2 H
HO
CO 2 H
H
A pair of enantiomers A meso compound (plane of symmetry)
Par de enantimeros Composto Meso (plano de simetria)
cido 2,3-diidroxibutanodiico (cido tartrico) dois estereocentros; 2n = 4, mas esta molcula s tem trs estereoismeros
Um composto que contm mais de um centro estereognico, mas sobreponvel sua imagem especular chamado de composto meso.
Um composto meso possui propriedades fsicas diferentes dos enantimeros, bem como da mistura racmica
O cido meso-tartrico, por exemplo, tem propriedades fsicas e qumicas diferentes de seus enantimeros
Enantimeros tm propriedades fsicas e qumicas idnticas em ambientes aquirais
Diastereoismeros so compostos diferentes e, portanto, tm
propriedades fsicas e qumicas diferentes
Qual a relao isomrica entre os cidos tartricos?
Compostos meso podem ocorrer em molculas com mais de dois centros
estereognicos. Exemplo:
1) Resoluo
i) O processo de separao dos enantimeros de um racemato
chamado de resoluo;
ii) Estratgia: diferena de propriedades fsicas entre
diastereoismeros;
iii) Primeira resoluo: Pasteur, cido tartrico, 1848.
8.5. Obteno de Molculas Enantiomericamente Puras
Exemplo de Resoluo de um cido Carboxlico
Separao de Enantimeros utilizando Cromatografia:
2) Sntese Seletiva
Prmio Nobel de 2001:
William S. Knowles, Ryoji Noyori e K. Barry Sharpless
Desenvolvimento de catalisadores quirais que permitiram a sntese de
molculas oticamente ativas.
Knowles (Monsanto): produo de L-DOPA via hidrogenao:
http://nobelprize.org/
3) Diretamente da Natureza
R hortel S cuminho
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