Prof. Hugo Braibante Química - UFSM

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1 Prof. Hugo Braibante Química - UFSM

2 Conceitos Forma tridimensional das moléculas Moléculas como objeto-imagens Moléculas com simetria Separação de Enantiômeros Diastereoisômeros Atividade biológica Como representar Estereoquímica Estereoquímica Estereoquímica Arranjo dos átomos no espaço 2

3 5.1 Quiralidade e Estereoquímica, 5.2 Isomerismo: Isômeros Constitucionais e Estereoisômeros 5.3 Enantiômeros e Moléculas Quirais A QUÍMICA DE... Lateralidade Molecular da Vida, 5.5 Mais sobre a Importância Biológica da Quiralidade 5.6 Como Testar a Quiralidade: Planos de Simetria, 5.7 Nomenclatura de Enantiômeros: Sistema R,S, 5.8 Propriedades dos Enantiômeros: Atividade Óptica, 5.9 Origem da Atividade Óptica, 5.10 Síntese de Moléculas Quirais, 5.11 Fármacos Quirais, A QUÍMICA DE... Ligação Seletiva de Enantiômeros de Fármacos às Formas do DNA em Espiral Direita e Esquerda 5.12 Moléculas com Mais de Um Centro de Quiralidade, 5.13 Fórmulas de Projeção de Fischer, 5.14 Estereoisomerismo de Compostos Cíclicos 5.15 Relacionando Configurações através de Reações nas Quais Nenhuma Ligação com o Centro de Quiralidade É Quebrada, 5.16 Separação de Enantiômeros: Resolução, 5.17 Compostos com Centros de Quiralidade Diferentes do Carbono 5.18 Moléculas Quirais que Não Possuem Centro de Quiralidade 3

4 Isômeros Mapa Conceitual Energia critério critério simetria Equilíbrio Giro ligações simples Confôrmeros tem Diferentes relações entre grupos vicinais 4

5 Confôrmeros Mapa Conceitual 5

6 Isomeria 6

7 Isômeros sem plano sem eixo assimétrica ISÔMEROS Estéreo isômeros sem simetria de reflexão com simetria de reflexão sem plano e com eixo com plano e com eixo Quiral dissimétrica Simétrica Plano de simetria Sem Plano de simetria 7

8 Isômeros Substâncias não idênticas que possuem a mesma fórmula molecular. FM = fórmula molecular FM = Conectividade Isômeros Constitucionais Isômeros Isômeros Conformacionais Me Me Energia Me Sem plano com eixo Me Enantiômeros Dissimétricos FM = Conectividade = Sem Simetria de Reflexão Critério simetria Simetria Estereoisômeros tem plano tem eixo Sem plano sem eixo Enantiômeros Assimétricos Com Simetria de Reflexão Simétricos 8

9 Estereoisômeros Substâncias não idênticas que possuem a mesma fórmula molecular. Critério Simetria Sem plano Sem eixo Sem Simetria de Reflexão simetria Estereoisômeros tem plano tem eixo Sem plano com eixo Com Simetria de Reflexão Simétricos Isômeros que não são imagens Diastereoisômeros Enantiômeros Assimétricos Enantiômeros Dissimétricos Moléculas Quirais 9

10 Isômeros Constitucionais Tem a mesma fórmula molecular mas diferente fórmula estrutural Ambos isômeros são C 4 H 10 Tem a mesma fórmula molecular mas propriedades físicas diferentes H 3 C CH 2 CH 2 CH 3 butano P.E. = -0.5 C H 3 C CH 3 CH CH 3 isobutano P.E. = C 10

11 Isômeros Geométricos Isômeros Geométricos Diastereoisômeros Z-2-penteno E-2-penteno Z-2-penteno E-2-penteno cis trans 11

12 Estereoisômeros óticos Substâncias aquirais têm imagem especular sobreponível. Substâncias quirais têm imagem especular não sobreponível. enantiômeros Moléculas idênticas 12

13 Estereoisômeros Um estereocentro (centro estereogênico) é um átomo no qual a troca de dois grupos produz um estereoisômeros. 13

14 O sistema de nomenclatura CIP ou R,S Cahn-Ingold-Prelog Classificação dos grupos (átomos) ligados ao centro quiral Nomenclatura de Enantiômeros Robert Sidney Cahn (9 /06/1899), Christopher Kelk Ingold, (28 /10/ 1893 ) Vladimir Prelog (23/07/1906) Alguns autores consideram o 4 grupo com maior prioridade e o 1 com menor (sequencia de valoração) 14

15 REGRA CIP para nomenclatura de enantiômeros (R,S) Cahn, Ingold e Prelog (CIP) 1956

16 Nomeando Enantiômeros Oriente o grupo (átomo) de menor prioridade (4) para trás do plano Sentido horário (maior para o menor)= configuração R Sentido anti-horário = configuração S 16

17 R,S usando a Fórmula em perspectiva 1. Classifique os grupos ligados ao carbono assimétrico Se o grupo (ou átomo) de menor prioridade está ligado com uma cunha tracejada, 17

18 Nomeando Enantiômeros 3. Se necessário, gire a molécula para que o grupo (ou átomo) de menor prioridade esteja ligado com uma cunha tracejada 4. Pode-se desenhar a seta do grupo 1 para o grupo 2, passando pelo grupo de menor prioridade (4), mas nunca passando pelo grupo de menor prioridade (3). 18

19 R,S usando a Projeção de Fischer 1. Classifique o grupo (ou átomo) que está ligado ao carbono assimétrico e desenhe uma seta do grupo com maior prioridade obedecendo a ordem de prioridade (R)-3-cloro-hexano 2. Se o grupo com menor prioridade estiver na ligação horizontal, a nomeação será oposta à direção da seta (S)-2-butanol 19

20 R,S usando a Projeção de Fischer 3. A seta pode ir do grupo 1 ao 2, passando pelo grupo 4, mas nunca pelo grupo 3 CO 2 H H CH 3 OH (S)-ácido lático Uma projeção de Fischer pode somente ser rodada 180 no plano do papel, obtendo-se a mesma molécula 20

21 Desenhando Enantiômeros Fórmula em perspectiva Projeção de Fischer 3-cloro-2-butanol Enantiômero eritro Enantiômero treo 21

22 INVERSÃO DE WALDEN SIN E ANTI A cadeia principal da molécula é desenhada pelo zig-zag tradicional. Se os dois substituintes estiverem do mesmo lado do plano definido pela cadeia principal, a designação é sin. Se estiverem em lados opostos será anti. 22

23 Polarimetria Atividade ótica Substâncias quirais são opticamente ativas; elas giram o plano de polarização. Sentido horário (+) Sentido anti-horário (-) Diferença de configuração R,S Substâncias aquirais não giram o plano de polarização. Elas são opticamente inativas. 23

24 Polarimetria Um polarímetro mede o grau de rotação óptica de uma substância [α] T λ = α c. l T é a temperatura em C é o comprimento de onda é a rotação observada em graus l é o comprimento do tubo em decímetros; c é a concentração em gramas por ml Cada substância opticamente ativa tem uma rotação específica característica 24

25 Polarimetria Uma mistura racêmica, a qual contém a mesma quantidade dos dois enantiômeros, é opticamente inativa. medido = zero pureza óptica = Excesso enantiomérico = rotação específica observada rotação específica do enantiômero puro excesso de um único enantiômero mistura inteira Acessar o site POLARÍMETRO VIRTUAL 25

26 Diastereoisômeros Isômeros com mais de um carbono quiral: um máximo de 2 n estereoisômeros poderá ser obtido * * CH 3 CHCHCH 3 Cl OH Diastereoisômeros são estereoisômeros que não são enantiômeros 26

27 Carbonos Assimétricos Esses dois grupos são diferentes H * Br H * CH 3 H H H H H H CH 3 CH 3 Br Br Br Br CH 3 CH 3 H H cis-1-bromo-3-metil-ciclo-exano trans-1-bromo-3-metil-ciclo-exano 27

28 Centros Quirais Carbono ligado a 4 grupos substituintes diferentes Mesmo se os dois grupos substituintes sejam C, eles ainda podem estar diferentes H 3 CH 2 C Grupo C=O, Aquiral (C ligado a 3 centros) Grupos CH 3, CH 2, não são quiral porque são simétricos: H OH CH 3 HO H H 3 C CH 2 CH 3 28

29 Termos Estereoisômeros tem centro(s) quiral(is). O átomo de Carbono pode ser quiral ou aquiral Assimétrico ou simétrico Se duas moléculas são estereoisômeros, eles são chamados de enantiômeros Moléculas Quirais são opticamente ativas. Enantiômeros são isômeros ópticos 29

30 Conceitos Enantiômeros e Quiralidade enantiômeros são estruturas (FM = e conexão =) mas não são idênticas, são imagens especulares um do outro estruturas são quirais se eles não podem ser sobreponíveis a sua imagem. Estereoisômeros tem centro(s) quiral(is). O átomo de Carbono pode ser Centro quiral ou Centro aquiral Centro Assimétrico ou centro simétrico Se duas moléculas são estereoisômeros, eles são chamados de enantiômeros Molécula Quiral são opticamente ativas. Enantiômeros são isômeros ópticos 30

31 Propriedades dos isômeros ópticos. Mesmas propriedades físicas e químicas Gira o plano da luz polarizada Cada isômero gira o plano em direções opostas Que é Plano da Luz Polarizada? (atividade ótica) 31

32 Atividade ótica Estereoisômero são considerados oticamente ativo se girar o plano da luz polarizada. cada tipo de enantiômero gira luz em um determinado ângulo e um sentido característico. O valor absoluto do ângulo e a direção devem ser determinados experimentalmente usando um polarímetro 32

33 Atividade ótica A rotação depende: Comprimento do tubo de amostra Concentração do enantiômero. Se Ambos os isômeros estiverem presentes, em concentração igual, a rotação se anula: mistura racêmica 33

34 i) Em um par de enantiômeros: Sentido horário: dextrorotatória (d); (+)-enantiômero. Sentido anti-horário: levorotatória ( l ) ; (-)-enantiômero. ii) Devido ao seu efeito sobre a luz plano-polarizada, enantiômeros separados são ditos compostos opticamente ativos. 34

35 Ácido tartárico Meso isômeros Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico) dois estereocentros; 2 2 = 4, mas esta molécula só tem três estereoisômeros (+)- ou (-)-Ácido tartárico: pf = 170 ºC; solubilidade: 1390 g/l (±)-Ácido tartárico: pf = ºC; solubilidade: 206 g/l 35

36 Ácido tartárico Meso isômeros Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico) dois estereocentros; 2 2 = 4, mas esta molécula só tem três estereoisômeros Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico) (2R,3R)Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico) (2R,3R)-(+)- Ácido 2,3-diidroxibutanodióico (ácido tartárico) (d) treo L 36

37 Propriedades físicas dos estereoisômeros do Ácido Tartárico p.f. ºC [a] 25º Solubilidade g/100 g água 15º (2R,3R)-(+)-ácido tartárico , (2S,3S)-(+)-ácido tartárico , (2R,3S)-(+)-ácido tartárico ºC 125 (±)-ácido tartárico ºC 20,6 O uso de blocos quirais para formar a carcaça dos caracóis comestíveis (Helix pomatia) resulta em 99,995% destes caracóis tendo a espiral da carcaça na mesma direção (sentido horário) e a camada dos outros 0,005 % na direção oposta. 37

38 Isômeros E ou Z Regras de Cahn-Ingold-Prelog em Alquenos Os dois grupos de cada carbono são classificados de acordo com as regras de prioridade. Quando os dois grupos de maior prioridade estiverem do mesmo lado, a ligação dupla é chamada de Z. E quando os grupos estiverem em lados opostos de E. As duplas a seguir são Z ou E? 38

39 A importância Biológica da Quiralidade 39

40 Substâncias Quirais: Todos os carboidratos são quirais; Tos os aminoácidos proteinogênicos são quirais, com exceção do mais simples, a glicina; Têm propriedades semelhantes as das mãos (ou seja, são quirais): as proteínas, as enzimas, o RNA, o DNA, um número significativo dos princípios ativos de fármacos, de substâncias naturais, etc. O O R S R S (+)-limoneno odor laranja Ph H 3 CO 2 C H H N (+)-limoneno odor limão H NH 2 CO 2 H S Ph O H 3 CO 2 C aspartamo 100x mais doce que o açúcar (-)-carvona cominho (alcarávia) H H N aspartamo amargo O (+)-carvona hortelã H NH 2 CO 2 H R 40

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42 Estereoquimica - evolução Prêmio Nobel em química, Reações assimétricas Barry Sharpless, William Standish Knowles, Ryōji Noyori 42

43 O D-galactitol é um dos compostos tóxicos produzidos na doença galactosemia. A acumulação de níveis elevados de D- galactitol causa a formação de cataratas. A projeção de Fischer para o D-galactitol é mostrado a seguir: (a) Desenhe uma fórmula Estereoquímica para o D-galactitol usando cunhas sólidas e tracejadas. (b) Desenhe a imagem especular do D-galactitol e a respectiva fórmula de projeção de Fischer. (c) Qual é a relação Estereoquímica entre o D-galactitol e a sua imagem especular? 43