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