Aula Teorica 10 - Isomeria Optica

Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA
Estereoquímica
A estéreoquímica estuda os fenômenos químicos que ocorrem em
moléculas que apresentam esteroisomeria.
Estereoisomeria
Estereoisômeros não são isômeros constitucionais – eles têm seus
átomos constituintes conectados na mesma seqüência. Estereoisômeros
diferem apenas no arranjo de seus átomos no espaço.
Os isômeros cis e trans de alcenos são estereoisômeros; podemos ver
que isso é verdade ao examinarmos o cis- e trans-1,2-Dicloroeteno
Cl
Cl
H
Cl
H
C
C
C
C
H
cis-1,2-Dicloroeteno
(C2H2Cl 2)
H
Cl
trans-1,2-Dicloroeteno
(C2H2Cl 2)
Ambos os compostos apresentam a mesma fórmula molécular. A
ordem das conexões (ligações) são exatamente a mesma nas duas
moléculas. Os isômeros cis-1,2-Dicloroeteno e o trans-1,2-Dicloroeteno
diferem apenas no arranjo de seus átomos no espaço. No cis-1,2Dicloroeteno, os átomos de cloro estão no mesmo lado da molécula, e no
trans-1,2-Dicloroeteno os átmos de cloro estão em lados opostos. Então, o
cis-1,2-Dicloroeteno e o trans-1,2-Dicloroeteno são estereoisômeros.
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Os estereoisômeros podem ser classificados em:
a) Enantiômeros
b) Diastereômeros
Enantiômeros são estereoisômeros cujas moléculas são imagens
especulares uma da outra, que não se superpõe.
Diastereômeros são estereoisômeros cujas moléculas não são
imagens especulares umas das outras.
Se colocarmos a molécula de cis-1,2-dicloroeteno (Figura 1-a) a
imagem que se vê não é o do trans-1,2-dicloroeteno (Figura 1b). Mesmo
assim o cis e o trans 1,2-dicloroeteno são estereoisômeros e, como não se
relacionam como um objeto e sua imagem especular, são diastereômeros.
Cl
H
H
Cl
C
C
C
C
Cl
H
H
cis-1,2-Dicloroeteno
Cl
cis-1,2-Dicloroeteno
Figura 1-a
Cl
H
H
H
Cl
C
C
C
C
Cl
Cl
trans-1,2-Dicloroeteno
H
trans-1,2-Dicloroeteno
Figura 1-b
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Isômeros cis e trans de cicloalcanos nos fornecem outro exemplo de
estereoisômeros que são diastereômeros um do outro. Considere os dois
compostos seguintes.
CH 3
CH3
CH 3
H
H
H
H
CH3
cis-1,2-Dimetilciclopentano
trans-1,2-Dimetilciclopentano
C7H14
C7H14
Esses dois compostos são isômeros um do outro, porque são
compostos diferentes que não se convertem um no outro e porque tem a
mesma fórmula molecular. Eles não são isômeros constitucionais porque
seus átomos estão ligados na mesma seqüência. Por tanto, são
estereoisômeros. Eles diferem apenas no arranjo dos seus átomos no espaço.
Como não guardam uma relação objeto imagem especular são
diastereômeros.
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Enantiômeros e Moléculas Quirais
Enantiômeros ocorrem apenas com compostos cujas moléculas são
quirais. Uma molécula quiral é definida com uma que não é idêntica a sua
imagem no espelho. Uma molécula quiral e sua imagem especular são
enantiômero.
A palavra quiral vem da palavra grega, cheir, que significa “mão”.
Objetos quirais (incluindo moléculas) possuem um lado direito e um
esquerdo. O termo quiral é usado é utilizado para descrever moléculas de
enantiômeros porque estão relacionadas uma com a outra da mesma
maneira que a mão direita está relacionada com a mão esquerda. Assim,
significando moléculas assimétricas.
Quando você olha sua mão esquerda no espelho a imagem que você
vê no espelho é a da mão direita e vice-versa. Suas mãos esquerda e direita
não são idênticas, e isso pode ser mostrado pela observação que elas não
se superpõe. Veja figura abaixo:
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Obejtos (e moléculas) que superpõem a suas imagens especulares
são aquirais (simétricos).
Uma molécula quiral é definida como uma que não é idêntica a
sua imagem no espelho.
Fisicamente, a única diferença entre os isômeros ópticos está no
sentido para o qual desviam o plano de vibração de uma luz polarizada:
para a direita (sentido horário) ou para a esquerda (sentido anti-horário).
A luz natural (aquela que recebemos do sol ou de uma lâmpada
incandescente) é composta de ondas eletromagnéticas que vibram em
infinitos planos perpendiculares à direção da propagação da luz.
Se pudéssemos observar um único feixe de luz a partir de uma
extremidade, e se pudéssemos realmente ver os planos em que as
oscilações estavam ocorrendo, descobriríamos que as oscilações do campo
estavam ocorrendo em todos os planos possíveis, perpendicularmente.
Quando a luz passa através de um polarizador, a luz que antes
vibrava em todos os planos possíveis agora passa a vibra em um único
plano. Quando isso ocorre essa luz é chamada de luz plano-polarizada. Se
fizermos essa luz plano-polarizada passar por uma amostra contendo
alguma substância se o feixe de luz desviar para a direita (dextrogiro(D))
ou para esquerda (levogiro (L)) dissemos que essas substâncias são
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opticamente ativas. Entretanto, se a luz não sofrer nenhum desvio
dissemos que essa substância é opticamente inativa.
Compostos enantioméricos apresentam o mesmo ponto de ebulição,
mesmo ponto de fusão, mesma densidade, mesmos índices de refração,
mesmos espectros de infravermelho e etc. Então qual a diferença entre
dois enantiômeros? A diferença está no desvio da luz plano-polarizada. Um
dos enantiômeros desvia a luz pra direita e outro desvia para esquerda.
diastereisomeros não apresentam atividade óptica (opticamente inaticos)
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Moléculas com um Carbono Assimétrico
Um modo de verificarmos se a molécula de determinado composto
orgânico é assimétrico, e portanto, apresenta atividade óptica, é observar
se essa molécula possui átomo de carbono assimétrico. Carbono
assimétrico(C*) ou Estereocentro é aquele que sofre hibridização sp3 e
possui quatro grupos diferentes ligados a ele. Sempre que a molécula
apresenta um carbono assimétrico ela possui dois isômeros opticamente
ativos (um levogiro e outro destrogiro). Esses dois isômeros desviam a luz
polarizada em um mesmo ângulo, entretanto em sentidos contrários.
Se tivermos os dois isômeros em quantidades iguais um vai desviar o
feixe para esquerda e o outro para direita com a mesma intensidade. E no
final um anulará o outro. Assim, não será observado nenhum desvio da luz.
Essa situação é chama de mistura racêmica ou racemato. Veja o exemplo
abaixo:
Vamos estudar o exemplo do 2-butanol.
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Observamos primeiramente que esta molécula apresenta um carbono
assimétrico. Assim, vamos desenhá-la em sua forma tridimensional e
colocá-la diante de um espelho:
CH3
CH3
HO
C
H
H
C
CH2
CH2
CH3
CH3
OH
Dessa forma, observamos que os dois isômeros guardam uma
relação objeto e imagem especular. Mas ao tentarmos superpô-las
observamos que nem todos os átomos vão coincidir. Assim, dizemos que
essas moléculas são enantiomeros um do outro. Um vai desviar a luz plano
polarida para a direita e outro para esquerda.
Nomenclatura de Enantiômeros: o Sistema (R-S)
Para o exemplo do 2-butanol, de acordo com esse sistema, um
enantiômero do 2-butanol deve ser designado (R)-2-butanol e o outro
enantiômero deve ser designado (S)-2-butanol. [(R) e (S) vêm das palavras
latinas rectus e sinister, significando direito e esquerdo, respectivamente.]
Diz-se que essas moléculas têm configurações opostas em C-2.
Configurações (R) e (S) são atribuídas com base no seguinte
procedimento:
1. Primeiramente, torna-se eficaz passar a estrutura de uma projeção
tridimensional
para
uma
bidimensional
para
facilitar
seu
entendimento. Assim, utilizaremos as fórmulas de projeção de
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Fischer. Por convenção, projeções de Fischer são escritas com a
cadeia carbônica principal estendida do topo ao fundo e com todos
os grupos eclipsados. As linhas verticais representam ligações que
são projetadas para trás do plano do papel. As linhas horizontais
representam ligações que são projetadas para fora do plano do
papel. A interseção das linhas vertical e horizontal representa um
carbono, geralmente assimétrico.
CH3
CH3
HO
C
H
=
HO
H
C2 H5
C2 H5
2. A cada um dos quatro grupos ligados ao estereocentro (carbono
assimétrico) é atribuída uma prioridade de 1, 2, 3 e 4 (de acordo
com seus respectivos números atômicos) aos grupos que estão
diretamente ligados ao estereocentro. Quem tem maior prioridade
terá menor numeração. O oxigênio tem número atômico
mais
elevado dos quatro grupos ligados ao carbono assimétrico e recebe a
prioridade mais elevada (1). Ao grupo com menor prioridade
(geralmente o hidrogênio) será atribuída a menor prioridade (4).
Não se pode atribuir prioridades ao grupo metila e etila, por essa
regra, pois ambos apresentam átomos de carbono diretamente
ligados ao carbono assimétrico.
CH3
1
4
C 2H5
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3. Quando uma prioridade não pode ser atribuída com base no número
atômico dos átomos que estão diretamente ligados ao estereocentro,
então o próximo conjunto de átomos presentes nos grupos nãodesignados é examinado. Esse processo continua até que uma
decisão possa ser tomada. Atribuímos uma prioridade no primeiro
ponto de diferença.
H
H
C
H
1
4
H
C
H
H
C
H
H
4. Após atribuímos todas as prioridades, devemos observar se o grupo
de menor prioridade (4) já está para trás (indicado pelas linhas
verticais). Se este for o caso pode-se fazer o giro. No nosso exemplo,
o grupos de menor prioridade não está para trás. Assim, devemos
fazer a troca de dois grupos quaisquer duas vezes para podermos
colocar o grupo de menor prioridade para trás sem que haja a
inversão da configuração.
3
3
1
4/2
1
4
1
2
Primeira
troca
2
4
1/3
3
2
Segunda
troca
4
Desde que, o grupo de menor prioridade fique no plano de trás não
importa quais grupos participarem das trocas. No nosso caso,
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primeiramente ocorreu a primeira troca do grupo 4 pelo 2. Em seguida,
ocorreu a segunda troca do grupo 1 pelo3.
Agora, para achar a configuração do carbono assimétrico, omitimos
o grupos de menor prioridade e traçamos um caminho de 1 para 2 e para
3, sem nos importamos com o 4. Se, quando fazemos isso, a direção for no
sentido horário, o enantiômero é chamado (R). Se a direção está no
sentido antihorário, o enantiômero é chamado de (S). Com base nisso o 2butanol que estamos analisando é o (R)-2-butanol.
1
3
2
4
Assim, se colocarmos a molécula inicial diante de um espelho
obteremos o enantiômeros deste composto e sua configuração será (S). E o
nome do composto será (S)-2-butanol.
Método pra detecção se duas estruturas são
enantiômeras uma da outra ou se são duas
representações diferentes do mesmo composto.
CH3
H
C
Cl
Cl
Br
C
Br
H
A
B
CH 3
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Uma maneira de resolver este problema, mas não a única, é
reconhecer que trocar dois grupos no estereocentro inverte a configuração
do átomo de carbono e converte uma estrutura com apenas um
estereocentro em seu enantiômero; uma segunda troca recria a molécula
original. Então prosseguindo dessa forma, mantenha a contagem de
quantas trocas são necessárias para converter a molécula A na molécula B.
Neste caso, vemos que duas trocas são necessárias, e, novamente,
concluímos que A e B são os mesmos.
Cl
Cl/CH3
Br
C
CH3
CH 3
Br/H
Br
Primeira
troca
H
C
H
Cl
Segunda
troca
CH3
H
C
Cl
Br
Uma verificação muito útil é denominar cada composto incluindo
sua configuração (R-S). Se os nomes são os mesmos, então as estruturas
são as mesmas. Neste caso, ambas as estruturas são (R)-1-Bromo-1cloroetano.
Moléculas com Mais de um Estereocentro
(carbono assimétrico)
Muitas moléculas orgânicas, especialmente aquelas importantes em
biologia, contêm mais de um estereocentro. O colesterol é um exemplo de
molécula com oito estereocentros. Podemos começar, entretanto, com
moléculas mais simples. Vamos considerar o 2,3-Dibromopentano – uma
estrutura com dois estereocentros.
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* *
CH3CHCHCH2CH3
Br Br
Uma regra útil fornece o número máximo de estereocentros: em
compostos cujo isomerismo é devido a estereoisômeros tetraédricos, o
número total de estereoisômeros não irá exceder 2n, onde n é igual ao
número de estereocentros tetraédricos. Para 2,3-Dibromopentano não
devemos esperar mais do que quatro estereoisômeros (22 = 4).
Nossa próxima tarefa é escrever fórmulas tridimensionais para os
estereoisômeros do composto. Começamos escrevendo as fórmulas
tridimensionais para um estereoisômero e, então, escrevemos a fórmula
para a sua imagem no espelho.
CH3
CH 3
H
C
Br
Br
H
C
C
H
C
Br
C2 H5
A
Br
H
C2 H5
B
Agora devemos passa essa estrutura para a projeção de Fischer para
facilitar nosso entendimento.
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CH3
CH3
H
Br
Br
H
H
Br
Br
H
C 2H 5
C2 H5
A
B
Agora iremos determinar a configuração do enantiômero A. Para
isso deveremos atribuir prioridades, como visto anteriormente, para cada
estereocentro. Assim, vamos determinar a configuração do primeiro
carbono (estereocentro). Para isso, vamos chamar todo o grupo que está
ligado ao primeiro estereocentro de G. Fazemos isso somente para maior
praticidade.
CH3
H
Br
G
Agora vamos atribuir as prioridades. O bromo tem o maior número
atômico, então assume a maior prioridade (1). O hidrogênio assume a
menor prioridade (4). Em seguida o carbono assimétrico está ligado a dois
outros carbonos que têm o mesmo número atômico. Assim, devemos ver a
quem estes carbonos estão ligados. O carbono do grupo metil está ligado a
três hidrogênios que tem número atômico 1, já o carbono do grupo G está
liga a um bromo, um carbono e a um hidrogênio, números atômicos 35, 6,
1, respectivamente. Assim, a prioridade 2 será atribuída ao grupo G e a
prioridade 3 será atribuída ao grupo metil.
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3
4
1
2
Como o hidrogênio não está para trás devemos fazer duas
trocas:
3
4
4
4/3
4
1
2/1
3
Primeira
troca
1
3
2
Segunda
troca
2
2
1
Agora fazemos o giro indo do 1 para o 2 e depois para o 3, sem nos
importarmos com o 4.
4
3
2
1
O giro foi no sentido anti-horário então a configuração é (S). Agora
devemos encontrar a configuração do segundo estereocentro.
CH3
H
Br
H
Br
C 2H 5
Assim, vamos determinar a configuração do segundo carbono
assimétrico (estereocentro). Para isso, vamos chamar todo o grupo que
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está ligado ao primeiro estereocentro de D. Fazemos isso somente para
maior praticidade.
D
H
Br
C2 H5
Agora vamos atribuir as prioridades. O bromo tem o maior número
atômico, então assume a maior prioridade (1). O hidrogênio assume a
menor prioridade (4). Em seguida o carbono assimétrico está ligado a dois
outros carbonos que têm o mesmo número atômico. Assim, devemos ver a
quem estes carbonos estão ligados. O carbono do grupo etil está ligado a
um carbono e dois hidrogênios que tem número atômico 6, 1, 1,
respectivamente, já o carbono do grupo D está liga a um bromo, um
carbono e a um hidrogênio, números atômicos 35, 6, 1, respectivamente.
Assim, a prioridade 2 será atribuída ao grupo D e a prioridade 3 será
atribuída ao grupo etil.
2
4
1
3
Como o hidrogênio não está para trás devemos fazer duas
trocas:
2
4
4
4/2
4
1
Primeira
troca
2/3
2
3
1
3
1
Segunda
troca
3
2
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Agora fazemos o giro indo do 1 para o 2 e depois para o 3, sem nos
importarmos com o 4.
4
3
1
2
O giro foi no sentido horário então a configuração é (R). Com isso podemos
dizer o nome do enantiômero A que é (2S, 3R)-2,3-Dibromopentano. O
mesmo raciocínio deve ser adotado para identificar as configurações do
enantiômero B para poder determinar sua nomenclatura corretamente.
Existem ainda mais duas estruturas para este estereoisômero, que
estão representados abaixo:
CH3
CH3
CH3
CH 3
H
Br
Br
H
H
Br
Br
H
H
Br
Br
H
Br
H
H
Br
C2 H5
C 2H5
C2 H5
C 2H5
A
B
C
D
Compostos Meso
Uma estrutura com dois estereocentros nem sempre tem quatro
estereoisômeros possíveis. Às vezes, existem apenas três. Isto ocorre
porque algumas moléculas são aquirais embora contenham estereocentro.
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Para entender isso, vamos escrever as fórmulas estequiométricas
para o 2,3-Dibromobutano mostrado aqui.
CH3
*CHBr
*CHBr
CH3
2,3-Dibromobutano
Começamos da mesma maneira como fizemos anteriormente.
Escrevemos para um isômero e para sua imagem no espelho.
CH3
H
Br
CH 3
Br
H
Br
H
Br
H
CH3
CH 3
A
B
As estruturas A e B não se superpõem e representam um par de
enantiômeros.
Quando escrevemos a estrutura C e sua imagem especular D,
entretanto, a situação é diferente. As duas estruturas se superpõem. Isto
significa que C e D não representam um par de enantiômeros. As fórmulas
C e D representam duas orientações diferentes do mesmo composto.
CH3
CH 3
H
Br
Br
H
H
Br
Br
H
CH3
CH 3
C
D
Esta estrutura quando girada de
180o no plano da página pode se
superpor em C
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A molécula representada pela estrutura C (ou D) não é quiral
embora contenha átomos tetraédricos com quatro grupos diferentes
ligados. Estas moléculas são chamadas de compostos meso. Compostos
meso, por serem aquirais, são opticamente inativos.
Assim, para verificar a quiralidade molecular é construir um modelo
(ou escrever a estrutura) da molécula e então testar se o modelo (ou
estrutura) se superpõe ou não com sua imagem especular. Se sim, a
molécula é aquiral. Se não, a molécula é quiral.
Outro simples teste é observar se a molécula apresenta plano de
simetria. Plano de simetria é um plano, imaginário, que divide a molécula
em metades que são imagens especulares uma da outra, como mostra a
figura abaixo:
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