Isomeria Isomeria é a ocorrência de dois ou mais compostos diferentes que apresentam a mesma fórmula molecular.

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1 Introdução ao estudo dos isômeros O carbono apresenta uma propriedade que o destaca dos outros elementos químicos: seus átomos podem unir-se em longas sequências estáveis, as cadeias carbônicas. Dessa propriedade decorre a existência dos compostos orgânicos, cuja quantidade conhecida é significativamente maior do que a dos compostos inorgânicos. É fato comum na Química Orgânica que uma mesma fórmula molecular represente dois ou mais compostos diferentes. Esse fato é conhecido como isomeria ou isomerismo e os diferentes compostos que têm em comum uma mesma fórmula molecular são denominados isômeros. Se os isômeros possuem a mesma fórmula molecular, em que eles são diferentes? Essa resposta depende diretamente da comparação entre as moléculas dos isômeros. Se as diferenças entre elas puderem ser percebidas na fórmula estrutural plana, isso significa que as diferenças entre os isômeros estão na sequência em que os átomos se unem. Nesse caso, temos isômeros constitucionais, que alguns autores denominam isômeros planos. Há casos em que as diferenças entre as moléculas dos isômeros só podem ser percebidas ao analisarmos a estrutura espacial das moléculas. Nesse caso, temos estereoisômeros ou isômeros espaciais. Isomeria Isomeria é a ocorrência de dois ou mais compostos diferentes que apresentam a mesma fórmula molecular. Observe os compostos representados abaixo:

2 Os compostos acima possuem diferentes nomes, diferentes fórmulas estruturais, diferentes pontos de fusão e ebulição e também diferentes densidades. No entanto, eles possuem, coincidentemente, a mesma fórmula molecular: C4H10O. São exemplos de isômeros. Existem dois tipos de isomeria: a plana e a espacial (estereoisomeria). Isomeria plana Nesse tipo de isomeria, verifica-se a diferença entre os isômeros através do estudo de suas fórmulas estruturais planas. Existem cinco casos de isomeria plana: 1 caso: Isomeria de função os isômeros pertencem a funções diferentes. Exemplos: 2 caso: Isomeria de cadeia ou núcleo os isômeros pertencem à mesma função, mas apresentam diferentes tipos de cadeia.

3 3 caso: Isomeria de posição os isômeros pertencem à mesma função e têm o mesmo tipo de cadeia, mas apresentam diferença na posição de um grupo funcional, de uma ramificação ou insaturação. 4 caso: Isomeria de compensação ou metameria: os isômeros pertencem à mesma função e apresentam o mesmo tipo de cadeia, mas apresentam diferença na posição de um heteroátomo.

4 5 caso: Isomeria dinâmica ou tautomeria: esse é um caso particular de isomeria de função, no qual os isômeros coexistem em equilíbrio dinâmico em solução. Os principais casos de tautomeria (tautos = dois de si mesmo) envolvem compostos carbonílicos. Ao preparar uma solução de aldeído acético, uma pequena parte se transforma em etenol, o qual, por sua vez, regenera o aldeído, estabelecendo um equilíbrio químico em que o aldeído, por ser mais estável, está presente em maior concentração. Veja os exemplos: A solução que contém os dois tautômeros é denominada alelotrópica, e ambos os equilíbrios são genericamente denominados cetoenólicos. Isomeria espacial (estereoisomeria) A isomeria espacial, também conhecida por estereoisomeria, é a ocorrência de diferentes compostos que, embora apresentem a mesma fórmula molecular, possuem fórmulas estruturais espaciais diferentes. Existem dois tipos de isomeria espacial: geométrica (cis-trans ou Z- E) e óptica. Isomeria geométrica Quando dois hidrogênios, um de cada carbono do etileno, são substituídos por dois átomos de cloro, formam-se duas estruturas diferentes com a mesma fórmula molecular: C2H2Cl2. Veja:

5 As fórmulas estruturais podem ser feitas da seguinte forma: A diferença entre esses dois compostos está na disposição geométrica dos grupos liga dos aos carbonos da dupla. A isso chamamos de isomeria geométrica, e esses isômeros são diferenciados por meio dos prefixos cis e trans. As diferentes disposições espaciais dos átomos provocam alterações nas propriedades físicas desses compostos, como, por exemplo, na temperatura de ebulição. Veja: CIS=TE=60,3 C TRANS=TE= 47,5 C

6 Ocorrência de isomeria geométrica Compostos acíclicos Os compostos acíclicos devem apresentar pelo menos uma dupla ligação entre carbonos, e cada um dos carbonos da dupla deve apresentar grupos ligantes diferentes. Considerando o esquema abaixo: Veja alguns exemplos: a) 2-penteno A imagem à direita indica a representação simplificada da diferença na estrutura dos isômeros geométricos. b) 2-bromo-1-cloropropeno Neste caso, os dois isômeros geométricos não podem ser identificados pelos prefixos cis e trans, pois não apresentam nenhum ligante

7 igual nos dois carbonos da dupla ligação. Em tais casos, devemos utilizar as designações E e Z. O isômero Z é aquele que apresenta dois ligantes de cada C da com os maiores números atômicos; o outro isômero será o E. Veja: Compostos cíclicos Os compostos cíclicos devem apresentar grupos ligantes diferentes em pelo menos dois carbonos do ciclo. Considerando o esquema abaixo: Veja um exemplo: Visão envolve conversão entre isômeros geométricos Na retina camada que fica na parte posterior do olho existem células fotorreceptoras (isto é, receptoras da luz), que contêm uma substância chamada cis-retinal. A incidência de luz provoca a sua transformação em transretinal, reação que gera um impulso elétrico, que é enviado ao cérebro. Lá os impulsos são interpretados, compondo as imagens que vemos.

8 O olho dispõe de mecanismos capazes de reconverter o trans retinal em cis-retinal, estando, dessa maneira, pronto para receber mais luz. Em cada segundo, esses eventos se repetem milhões de vezes em nossos olhos. O retinal é produzido pelo organismo a partir da vitamina A. A ausência dessa vitamina na dieta alimentar provoca uma doença conhecida como cegueira noturna, caracterizada pela incapacidade de enxergar em ambientes pouco iluminados. Na cenoura existe uma substância denominada b-caroteno (betacaroteno), que, no organismo, é convertida em vitamina A. Assim, comer cenouras evita certos tipos de distúrbios visuais. Isso, é claro, não assegura que quem as coma em quantidade vá possuir uma visão acima do normal (como acreditam algumas pessoas), pois a presença de retinal garante o funcionamento de parte do processo visual, apenas. Isomeria óptica A isomeria óptica está associada ao comportamento das substâncias submetidas a um feixe de luz polarizada (um só plano de vibração) obtida quando a luz natural, não polarizada (infinitos planos de vibração), atravessa um polarizador.

9 Algumas substâncias têm a propriedade de desviar o plano de vibração da luz polarizada e são denominadas opticamente ativas. Essa propriedade caracteriza os compostos que apresentam isomeria óptica. O desvio do plano de vibração pode ocorrer em dois sentidos: a) desvio para o lado direito = isômero dextrogiro (d); b) desvio para o lado esquerdo = isômero levogiro (l). Esse desvio é determinado experimentalmente por um aparelho denominado polarímetro, esquematizado a seguir: A condição necessária para a ocorrência de isomeria óptica é que a substância apresente assimetria. Primeiramente, vamos estudar o conceito de simetria. Dizemos que uma estrutura é simétrica quando ela apresenta pelo menos um plano de simetria, isto é, quando pode ser dividida em duas metades idênticas. Uma estrutura simétrica, quando colocada diante de um espelho plano, produz uma imagem idêntica a ela. Observe a imagem abaixo:

10 Quando colocamos uma esfera na frente de um espelho plano, percebemos que a imagem é uma esfera idêntica a ela. Dizemos que a esfera é simétrica. Agora observe esta outra imagem: Colocando uma de nossas mãos na frente do espelho, a imagem será diferente: será igual à outra mão. O mesmo acontece com um pé de sapato e uma cadeira com braço para escrever. O que faz certos objetos produzirem uma imagem igual a eles e outros uma imagem diferente? A resposta está associada à presença de um plano de simetria, ou seja, um plano que divide o objeto em duas metades simétricas. Imagem especular é o termo usado para nos referirmos à imagem de um objeto no espelho. Assim, objetos contendo pelo menos um plano de simetria produzem uma imagem especular igual a eles, e o mesmo não acontece com objetos que não possuem plano de simetria. Dizemos que esses objetos são assimétricos. O caso mais importante de assimetria molecular ocorre quando existir, na estrutura da molécula, pelo menos um carbono assimétrico ou quiral (do grego cheir = mão). Para que um átomo de carbono seja assimétrico, deve apresentar quatro grupos ligantes diferentes entre si. Na fórmula estrutural, o carbono quiral é indicado por um asterisco (*). Genericamente, temos:

11 O ácido láctico, encontrado tanto no leite azedo quanto nos músculos, apresenta a seguinte fórmula estrutural. A presença de 1 carbono assimétrico (1 C*) determina a existência de dois isômeros opticamente ativos: o ácido d-láctico e o l-láctico, que são química e fisicamente iguais e fisiologicamente diferentes, provocando o mesmo desvio angular, porém em sentidos opostos. Moléculas cíclicas A isomeria óptica ocorre também em compostos cíclicos, em função da assimetria molecular. Embora nessas moléculas não existam carbonos assimétricos (C*), para determinar o número de isômeros, deve-se considerar sua existência. Para isso, devemos levar em conta os ligantes fora do anel e considerar como ligantes as sequências no sentido horário e anti-horário no anel. Veja este exemplo:

12 O carbono (C3) não pode ser considerado um carbono assimétrico, pois apresenta ligantes iguais. Moléculas assimétricas Na maioria dos processos biológicos, somente um dos isômeros ópticos é ativo. Por exemplo, o isômero dextrogiro do LSD causa alucinações, ao passo que o isômero levogiro não produz nenhum efeito. Isomeria óptica Prêmio Nobel O composto limoneno, por exemplo, dá origem a dois aroma diversos: Uma Química de aplicações práticas, com papel fundamental na criação de novos remédios, foi premiada com o Nobel de Os vencedores são o japonês Ryoji Noyori e os americanos William Knowles e K. Barry Sharpless. Os cientistas criaram métodos que permitem, numa reação química, obter um produto puro e específico. E esse produto pode ser, por exemplo, um medicamento contra o mal de Parkinson ou um remédio para o coração. A maioria das moléculas da vida existe, na verdade, em duas formas: uma é como se fosse a imagem da outra no espelho. São as moléculas quirais.

13 Apesar de as duas formas serem quase idênticas, a diferença sutil muda inteiramente o efeito da substância. No caso do adoçante aspartame, por exemplo, uma das imagens é doce; a outra, amarga. Numa reação química normal, as duas imagens de uma molécula são produzidas. Uma vez prontas, é difícil separá-las. Os ganhadores do Nobel criaram catalisadores substâncias que apressam as reações químicas que levam especificamente à imagem desejada. Segundo a Sociedade Química Americana, o mercado mundial para remédios desenvolvidos a partir dessa pesquisa básica chega hoje a R$ 370 bilhões. Aplicações Ao inventar maneiras seletivas de sintetizar compostos químicos, eliminando a versão quiral indesejada, Knowles, Noyori e Sharpless permitiram a produção de: l-dopa, medicamento usado para tratar mal de Parkinson; beta-bloqueadores, drogas usadas contra problemas cardíacos; antibióticos; adoçantes e flavorizantes artificiais; inseticidas. Referências Bibliográficas HARTWIG, Dácio Rodney; SOUZA, Edson; MOTA, Renato Nascimento. Química Orgânica. Ed. Scipione,v.3, São Paulo, NÓBREGA, Olívio Salgado; SILVA, Eduardo Roberto; SILVA, Ruth Hashimoto. Química - Volume único. Ed. Ética, São Paulo, PERUZZO, Francisco Miragaia; CANTO, Eduardo Leite. Química na abordagem do cotidiano. Ed. Moderna, v.3, São Paulo, USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Química Volume único. Ed. Saraiva, São Paulo, 2013.