e Stereo Qui Mica

QUÍMICA ORGÂNICA AVANÇADA

UNIDADE 1: ESTEREOQUÍMICA 1.1. Isomerismo Molecular 1.2. Simetria em Compostos Orgânicos 1.3. Estereoisomerismo 1.4. Nomenclatura de Estereoisômeros 1.5. Estereoquímica com Heteroátomos 1.6. Estereoquímica sem Átomos Quirais 1.7. Topicidade e Prostereoisomerismo 1.8. Topicidade e Espectroscopia de RMN de 1H 1.9. Atividade Óptica e Quiralidade 1.10. A Projeção de Fischer 1.11. Configuração Absoluta 1.12. Métodos de Determinar a Configuração Absoluta 1.13. Síntese Assimétrica 1.14. Confôrmeros Acíclicos e Cíclicos Bibliografia Sugerida:

1. Eliel, E. L. and Wilen, S. H. Stereochemistry of Organic Compounds; John Wiley & Sons, Inc.: New York, 1994.

2. Buxton, S. R.; Roberts, S. M. A Guide to Organic Stereochemistry; Longman,

Edinburgh, Inglaterra, 1996.

3. Romero, J. R. Fundamentos de Estereoquímica dos Compostos Orgânicos. Editora Holos, Ribeirão Preto, SP, 1998.

* Os itens de 1.1 a 1.8 foram baseados totalmente no material didático desenvolvido pelo Prof. Sergio Pinheiro da Universidade Federal Fluminense.

2

1.1 - ISOMERISMO MOLECULAR

Estereoquímica → estuda a geometria espacial das moléculas

Importância: nas propriedades físicas das moléculas, no curso e no mecanismo de reações, na espectroscopia, etc.

Estereoisômeros: são isômeros espaciais

Geométricos (cis-trans)

(trans) (cis)(cis) (trans)

Confôrmeros interconvertíveis por rotação em torno de ligação simples .

Cl

Cl

HH

H

Cl

H

Cl

Moléculas iguais(em equilíbrio)Conformações

diferentes

Configuracionais (ópticos) átomos têm arranjos espaciais diferentes

b

acd

b

ad

ceConfigurações diferentesNão são a mesma molécula Se interconvertem por

quebra de ligações

Homômeros são a mesma molécula. Têm fórmulas moleculares iguaise mesmo arranjo dos átomos.

Isômeros são moléculas diferentes. Têm fórmulas moleculares iguaise diferentes arranjos dos átomos.

3

1.2 - SIMETRIA EM COMPOSTOS ORGÂNICOS

Quiralidade → é um fenômeno molecular. Está associada à presença de elementos de simetria nas estruturas dos compostos.

Elemento de simetria → é uma operação que interconverte certas partes deuma molécula em outras, de tal modo que a estrutura final seja idêntica aodesenho original.

1.2.1- Elementos de simetria

a) Eixo Próprio (Cn)

É o eixo de ordem n tal que quando uma molécula é rodada de 360o/ n aoredor desse eixo Cn faz com que a nova molécula seja idêntica à original.

ATENÇÃO ! Moléculas lineares têm eixo C∞

C1 → ocorre em todas as moléculas (não é eixo de simetria)

Br H

H Br180o

Br H

H Br

360o/ 180o = 2 (eixo C2)

NH

HH 120o N

HH

H

360o/ 120o = 3 (eixo C3)

C6

C2

C2

Eixo principal: é o eixo de maior ordem n

Exerc.: Identificar todos os eixosCn da molécula ao lado.

EtMe C oo

4

b) Plano de Simetria (σ)

É o plano que divide a molécula em duas porções idênticas.

c) Centro de Simetria (inversão) (Ci)

É um ponto Ci da molécula tal que as retas que passam por Ci cortam pontos equivalentes na mesma distância dos dois lados de Ci.

d) Eixo Impróprio ou Alternado (Sn)

Elemento consiste de rotação de n graus sobre um eixo e reflexão noplano perpendicular a esse eixo.

com reflexãocom rotação ou

Tanto faz começar

(elemento S 2)360o / 180o = 2

Ph

H H

Ph

180oH

Ph Ph

H

H

Ph Ph

H

180oPh

H H

Ph

Ci Ph

HH

Ph

H

HO2C

CO2H

H

Ci

C6

C2

C2

σ(h)

H

H

H

H

σ(v)C2

σ(h)

σ(v)

σ (v) (vertical) planoque contém o eixo principal.

σ (h) (horizontal) planoperpendicular ao eixo principal.

5

ATENÇÃO ! Qualquer molécula pode ser classificada através das

operações de simetria.

1.2.2- Simetria e quiralidade

A presença de pelo menos um dos elementos de simetria de reflexão(σ, Sn ou Ci) faz com que a molécula seja sobreponível, ponto a ponto, àsua imagem especular: molécula aquiral

a

bcc

a

b cc

180o(tem σ e C2)

b a a b

(tem σ e S2)

HH

σ, C2

2 planos σ1 eixo C2

NH

HH

σ

C3


Cl

Cl

C2

1 eixo C2

Moléculaquiral - não é sobreponível, ponto a ponto,

à sua imagem especular.

- não tem σ, Sn nem Ci

a

bCd

e b

a

Ce

d* *

(não sobreponíveis)

C* carbono assimétrico

[α]D 0o

6

PPh2

PPh2O

O

(R,R)-DIOP

C2CO2Et

CO2EtHO

HO

H

H

C2

(+)-DET

OHOH

(R)-BINAFTOL

C2

Moléculas quirais (tipos)

- assimétrica não tem elementos de simetria; geralmente tem C*

OD-(+)-cânfora

CNBr

Cl

H

- dissimétrica tem eixo de simetria Cn

Cl

Cl C2

Cl

Cl

180o

enantiômeros

C2 é o eixo Cn mais importante !

Cl

Cl

L-(-)-cânforaO

enantiômeros

NC ClBr

H

enantiômeros

CO2H

CO2H

H

HO

OH

H

ácido (-)-tartárico

C2

7

GRUPOS PONTUAIS

Grupo pontual de simetria → é o grupo de todas as moléculas que contêm o mesmos elementos de simetria.

H HO

C2

ClCl

HC

H

C2



Grupo pontual C2v

C2vC2 eixo de maior n

Cv plano σ contém o eixo de maior n

HNH

H

H

ClClCl

CGrupo pontual

σ, C3


σ, C3


3V

8

Exemplos: moléculas quirais

CH3

OHHPh

Grupo pontual C1

Não há elementos de simetria

OHOHC2

H

Cl

Cl

HH

Cl

ClH

C2

Grupo pontual Cn Moléculas com eixo próprio Cn (dissimétricas)

O

OH

NO2

Cl

NO2

Cl NO2

Cl

C2

alenos com padrão abC=C=Cab

NO2

Cl

Grupo pontual Dn Moléculas com n eixos C2 ao eixo principal Cn.O

O

bifenilas em pontenas posições α,α'

C2

(Grupo pontual C2)

(Grupo pontual D2)

Cn = C2

Cn = C2

C2

bifenilas com substituintes iguais em posições orto (Grupo pontual C2)

(Grupo pontual D2)

Moléculas assimétricas

9

Determinação do grupo pontual:

Grupos pontuais que contêm moléculas quirais: C1, Cn e Dn

Cn

não

S2n

sim

com Cn ?Há Sn colinear

não

Cnv

sim

eixo principal ?contendo o

Há n planos σ

não

Dn

Dnd

não

sim

ângulos entre C2 ?que biseccionamHá n planos σ

nãoDnh

sim

σ Cn ?Há plano

sim

Há n eixos C2 Cn ? Selecionar o maior Cn;

S2~~CiCl

simnão

Há centro Ci ?

não

Cssim Há plano σ ?

não sim

Há eixo Cn ?

não

Ohsimoctaedro ?Molécula énão

Td

sim

regular ?tetraedro

Molécula é

Moléculasassimétricas

Moléculasdissimétricas

Moléculas

dissimétricasassimétricas e

10

Exemplos: Moléculas aquirais

Grupo TdCl

ClCl

Clmoléculas

com alta simetria

Si

F

F

FF F

F

Grupo Oh moléculas com alta simetria

(octaedros e cubos)

Grupo Cs moléculas com plano de simetria e

Cl

Br H H

H Cl

O CHO

H

OHHH

CR2XY

RCHO

sem eixode simetria

Grupo Ci = S2

não têm eixo de simetria

CO2H

CO2H

HHOH OH

N

NH O

O H

não têm plano de simetria

têm centro de simetria

H CO2Me

O=C=O

Grupo Dooh compostos com simetria cilíndrica

11

Grupo Dnhtêm eixo Cn (principal)

têm plano de simetria

Cl

Cl

têm n eixos C2 perpendiculares ao eixo principal

perpendicular aoeixo principal

(D2h) (D2h)

(D3h) (D3h)

(D6h)

Grupo Dnd

(D2d) (D2d) (D3d)

têm eixo principal e n eixos C2 perpendiculares a ele

existem n planos que inter- ceptam o eixo principal

Grupo C2V

(C2V)

Br

H H

O

(C2V) (C2V)

moléculas com um eixo Cn e

n planos de simetria

12

1.3- ESTEREOISÔMEROS

Enantiômeros → estereoisômeros em que um é a imagem especular e não sobreponível, átomo por átomo, do outro.

ATENÇÃO ! Mistura racêmica (par d,l) é opticamente inativa.

= - 42,9oD27[α]= + 42,9oD

27[α]

CH3

HOPh

H

CH3

OHPhH +

(1 mol) (1 mol)

Ph

OH

= 0oD27[α]

Se um dos enantiômeros

for predominante na mistura, essaé opticamente

ativa.

CUIDADO !

CH3

OHHPh HO

CH3

PhH

[α]D = + 42,927 [α]D = - 42,9

27

Uma molécula só pode ter um enantiômero

Em meio aquiral, dois enantiômeros sódiferem pelo sinal do [α].

Cada enantiômero é quiral

C2

Em enantiômeros: todos os centros quirais são invertidos

CO2HCO2H

H

HO

OHH

ácido (-)-tartárico

CO2HCO2H

OH

H

HHO

Ph CO2MeOH

Ph CO2MeOH

Enantiômeros: podem ser assimétricos ou dissiméticos

CO2HCO2H

H

HO

OHH

CO2HCO2H

OH

H

HHO

OH OH

par (d,l) assimétricos

ácido (+)-tartárico (d, l) ou (R, S) ou +_

dissimétricospar (d,l)

13

Diastereoisômeros → estereoisômeros em que um não é a imagem especular do outro. Um ou ambos podem ser opticamente ativos.

Cl Me 2 C* 22 = 4 estereoisômeros possíveis22/2 = 2 pares (d,l) possíveis

Cl Me Cl Me Cl Me Cl Me

(d,l) (d,l)

diastereoisômeros(todos são quirais: não têm σ, Ci nem Sn)

H OHH OH

HO HH OH

σ

meso (aquiral)

H OHHO H

(d,l)

enantiômeros(quirais)

diastereoisômeros

diastereoisômeros(aquirais: têm plano σ)

14

Alguns termos importantes:

Meso → estereoisômero que tem um número igual de grupos identicamente ligados e enantioméricos e nenhum outro grupo quiral. É aquiral

Epímeros → diastereoisômeros que diferem entre si pela configuração de apenas um dos centros quirais.

Anômeros → são epímeros no carbono anomérico.

H OHHHOHH

σH

Ph

H

Phσ

Formas meso sempre têm plano de simetria

OOH

HOHO

HO

HOO

OHHO

HOHO

HO

(β-D-glicose) (α-D-glicose)

OCl

But

(anômero β)

O

Cl

But

(anômero α)

Et Et

15

1.4- NOMENCLATURA DE ESTEREOISÔMEROS

1.4.1- Para configuração relativa

2o modo: eritro-treo

Usada para sistemas acíclicos com 2 centros quirais onde dois dos substituintes são iguais e o terceiro é diferente.

Usar projeções de Fischer ou formas em cavalete eclipsadas!

YZ

WX

WX

YX WX W

Zeritro substituintes iguais

do mesmo lado(Atenção! Se Y = Z meso)

YZ

XW

WX

YX WW X

Ztreo substituintes iguais

em lados diferentes(Atenção! Se Y = Z d,l)

Ex: D,L; R,S; (+) / (-)da molécula. dá a geometria espacial- absoluta

Ex: cis-trans, eritro-treo, syn-anti(quirais ou não).diferentes centros

dá a relação entre átomos ligados a- relativa

Configuração

1o modo: cis-trans

Et Et

cis trans cis transEt Et

Z E

16

ficam no plano.Prioridade: maiores cadeias de carbonoem

zig-zag !

CO2Me

HMePh

HHO

syn

dos C

CO2Me

HMePh

HOH

Usar forma

3o modo: syn-anti

Mais usada para sistemas acíclicos com 2 ou mais centros quirais.

anti OH e Me em ladosdiferentes

YN

Z

XN

Z

X Y

(syn) (anti)

X Y Z

prioridadeCahn-Ingold-Prelog

17

1.4.2- Para configuração absoluta

prioridade

A B C D

S: sentido anti-horário

A

CB

D

R: sentido horário

A

BC

D

Nomenclatura atual: baseada no sistema Cahn-Ingold-Prelog .

2o modo: Nomenclatura R,S

H

i-Pr H

R

S

But Et

R R

N Ph

H

H R

Atualmente: só é usada para carboidratos e aminoácidos.

1o modo: Nomenclatura D,L

Nomenclatura antiga: baseada nos enantiômeros do gliceraldeído.

CHOOHH

CH2OH

CHOHHO

CH2OHD-(+) L(-)

gliceraldeído(açúcares naturais: série D )

CO2HNH2H

CH3

CO2HHH2N

CH3

L(-)D-(+)glicina

(aminoácidos naturais: série L )

18

ATENÇÃO! Carbono pseudo-assimétrico → é um carbono quiral contido em uma molécula aquiral.

Br

OH OH

Br

OH OH

Br

OH OH

Br

OH OH

Br

OH OHH OHH BrH OH

H OHBr HH OH

Br

OH OH

Br

OH OH

Ex.:

23

4C3 pseudo-assimétrico

assimetria depende dasconfigurações de C2 e de C4

2 4

1o caso σ

2 4

σ

C3: r C3: s(moléculas diferentes)

prioridade: R S

Br C2 C4

prioridade

molécula aquiralC2: R; C4: S

C3 pseudo-assimétrico

Cahn-Ingold-Prelog:

r s

2o caso

2 4moléculas quirais

C3 aquiral

C2: R; C4: R

não é σnem C2

2 4

C2: S; C4: S

não é σnem C2

Moléculas sãoassimétricas

enantiômeros

(moléculas diferentes)

19

1.5- ESTEREOQUÍMICA COM HETEROÁTOMOS

Estereoisomerismo → ocorre em átomos centrais diferentes do carbono.

a) Substâncias com átomos assimétricos trivalentes

b) Substâncias com outros átomos assimétricos tetravalentes

no P é muito lenta !Inversão do guarda-chuva

(d,l)

PPh Et

MePPhEt

Me opticamente ativos

Fosfinas, sais de sulfônio

e não enantiômeros.Moléculas são iguais,N

Ph EtMe

NPhEt

Me

(inversão do guarda-chuva)equilíbrio rápido leva à perda da quiralidade Aminas e NH3

e sulfóxidos são

(d,l)

SO Et

MeS

OEtMe

BrBrS

Ph EtMeS

PhEtMe

(d,l)

NEt Me

Pr

ON

EtMePr

O

(d,l)

BrBrN

Et MePr

HN

EtMePr

H

(d,l)

compostos de Si,

(d,l)

H

SiPh But

Me

H

SiPhBut

Me sais de amônio e N-óxidos

20

1.6- ESTEREOQUÍMICA SEM ÁTOMOS QUIRAIS

Certas substâncias podem ser opticamente ativas mesmo sem possuir centros quirais.

Principais casos: rotação restrita origina planos dissimétricos e perpendiculares. Pertencem ao grupo pontual Cn (dissimétricas).

diferentes em ortobifenilas com substituintes volumosos e

O2N

Et

Me

NO2 Et

NO2 Me

NO2

(d,l)

ATROPISÔMEROS sãoconfôrmeros que são separáveisdevido a rotação reatrita em C-C

Ex.:

Ex.: alenos dos tipos abC=C=Cab e abC=C=Cde

Me

Et

Et

Me

Et

Me

Me

Et

(d,l)

Ex.: certos alquilidenocicloalcanos

certos espiranos substituidos

Ex.:

HCO2H

HMe

(d,l)

HHO2C

HMe

Et Me

Me

Et

Me Et

Me

Et

HCl

H

Me

HCl

H

Me(d,l)

21

1.6.1. "MOLECULAR PROPELLERS" E "GEARS"

"Molecular Propellers"

São moléculas análogas às hélices de barcos e aviões e são um casoespecial de atropisomerismo. As "palhetas" da hélice são torcidas no mesmosentido, sendo constituidas de grupos planares (geralmente anéis aromáticoscom substituintes diferentes), que não são coplanares entre si. A nãocoplanaridade é devida a rotação impedida nas ligações simples.

Se os 3 anéis forem perpendiculares ao plano sp2 do boro há 4 pares (d, l): ossubstituintes X, Y e Z ficam acima e abaixo do plano trigonal do boro.

OBS: Se os anéis forem torcidos (e não perpendiculares ao plano sp2 do B),há helicidade. Anéis torcidos p/ a direita e p/ a esquerda dão 8 pares (d, l).

BY

ZX

B

X Z

Y

(d, l)

BY

Z

B

Z

Y

(d, l)

X X

BYX

B

X

Y

(d, l)

Z Z B

ZX

B

X Z

(d, l)

Y Y

BX

Z

YB

um "propeller" não é um "propeller"

quiral; grupo C1(assimétrica)

quiral; grupo DnX = Y = Z X = Y = Z

22

O átomo central da hélice do "propeller" pode ser assimétrico.

Ex.: carbono assimétrico

Os estereoisômeros dos "molecular propellers" podem ser interconvertidosatravés de mecanismos em "flip" envolvendo 0, 1, 2 ou os 3 anéis.

Conseqüência no espectro de 1H-RMN:

X

Z

YH

16 pares (d, l)

X

Z

YH

8 pares (d, l)

X

Y

Z

(há eixos C2)

Presença de eixos C2nos anéis diminui o

número de pares (d, l)

0 anéis

1 anel

2 anéis

3 anéis

flip

flip

flip

flip

NPh

XX = CO2CH3

1H-RMN (CD2Cl2) a -40oC: há duplicidade de sinais(há mistura de dois diastereoisômeros)

1H-RMN (CD2Cl2) a 25oC: sinais dos doisdiastereoisômeros coalescem

Barreira de energia para interconversão dosdiastereoisômeros é relativamente baixa a 25oC

(17,8 kcal/ mol)

23

Gears

São engrenagens ("gears") observadas em moléculas aquirais onde arotação impedida em torno de ligações simples é decorrente de tensões devan der Waals entre grupos não ligados.

H

H

HH

H

Grupo pontualC6h

HH3CH3C

HH3C CH3

HCH3H3C

HCH3CH3

Grupo pontualC2h

"Gears" estáticos

Há conformaçõespreferenciais em C-C

Rotação restritaem torno de C-C

H

Grupos isopropila são isócronos

24

1.7- TOPICIDADE E PROSTEREOISOMERISMO

Dá as relações entre átomos, grupos e faces em uma dada molécula.

1. Para átomos e grupos

As relações entre dois átomos (ou grupos) são dadas pela substituição de umdeles por um terceiro átomo (ou grupo). O conceito é usado principalmentepara distingüir dois átomos de hidrogênio presentes no mesmo carbono.

1o CASO Moléculas do tipo CH2X2

H1

H2 XX

H1 X D

H2 X D

D

H2 XX

H1

D XX

rotação

Produtos são iguais

H1 e H2 iguais

(HOMOTÓPICOS)

2o CASO Moléculas do tipo CH2XY

H1

H2 XY

H1 X D

H2 X D

D

H2 XY

H1

D XY

rotação

Produtos sãoenantiômeros

H1 e H2 são

ENANTIOTÓPICOS

Hidrogênios homotópicos e enantiotópicos não são diferenciadospor 1H-RMN sob condições de simetria (ex.: CDCl3 na ausência de

reagentes de deslocamento quirais).

25

ATENÇÃO! PRÓ-QUIRAL termo usado para grupo (ou molécula)que tem dois átomos (ou grupos) enantiotópicos. A substituiçãopor um terceiro átomo (ou grupo) produz uma molécula quiral!

PhCO2Me

H1 H2

centropró-quiral

1. LDA, THF

2. CH3IPh

CO2Me

H1 CH3

centro quiral

molécula quiralmolécula aquiral(pró-quiral)

H1 e H2: são pró-quirais(enantiotópicos)

Posição benzílicatambém é pró-quiral Ph

CO2MeH1 H2 centro

pró-quiral

OBS:

3o CASO Moléculas do tipo XH2C-C*

H1 X D

H2 X D

Produtos sãodiastereoisômeros

H1 e H2 são

DIASTEREOTÓPICOS

Hidrogênios diastereotópicos são diferenciados por 1H-RMNsob condições de simetria.

X

H1H2

R1

R2

R3

C* = centro quiral

C* X

DH2

R1

R2

R3

X

H1D

R1

R2

R3

26

Atenção!!! O centro quiral pode estar afastado, mas os hidrogênios continuam sendo diastereotópicos.

Nomenclatura de átomos e grupos pró-quirais: sistema Cahn-Ingold-Prelog (nomenclatura R, S)

O

H1 H2

Et But H1 e H2 são diastereotópicos

Os H em cada CH2 sãodiastereotópicos entre si.

O

H2 H1

(pró-quiral)

H1 x D

H2 x D

O

H2 D

O

D H1

R (quiral)

S (quiral)

R

S

H1 e H2: pró-quirais(enantiotópicos)

H1 pró-R (HR)

H2 pró-S (HS)

27

2. Para faces

Também existe topicidade em faces de moléculas trigonais.

1o CASO Moléculas do tipo

Produtos são iguais

(HOMOTÓPICAS)


rotação

Produtos sãoenantiômeros

ENANTIOTÓPICAS

R R

X

R R

O

Nu_

Nu_

ataquepor trás

ataquepela frente

R R

Nu OH

R R

Nu OH

H3O+

H3O+

R R

O

faces iguais

R R1

X

rotaçãoR R1

O

Nu_

Nu_

ataquepor trás

ataquepela frente

R R1

Nu OH

R R1

Nu OH

H3O+

H3O+

R R1

O

faces são

(PRÓ-QUIRAIS)

28


Produtos sãodiastereoisômeros

DIASTEREOTÓPICAS

R R*

X

Nu_

Nu_ ataque

por trás

ataquepela frente

H3O+

H3O+ R R*

O

faces são

R* = grupo contendocentro quiral

R

OR1

R2 R3

RR1

R2 R3

Nu OH

RR1

R2 R3

Nu OH

ATENÇÃO ! O estereocentro pode estar afastado da C=X.

Ph

O

H1 H2

H3 H4 Et

estereocentro

faces de C=O são diastereotópicas

H1 e H2 são diastereotópicosH3 e H4 são diastereotópicos

29

Nomenclatura de faces pró-quirais (enantiotópicas): usar o sistema Cahn-Ingold-Prelog (nomenclatura R, S)

Y Z

X

face Si

Z Y

X

face Re

Prioridade: X Y Z(na nomenclatura R, S)

Atenção! X é sempre o demaior prioridade

(X = O, S, NR, etc)

Exemplo:

Et Me

ONu

_

face Re

Nu_

Nu_ H3O+

H3O+

face Si

_Nu

Et Me

HO Nu

Et Me

HO Nu

30

1.8- TOPICIDADE E ESPECTROSCOPIA DE 1H-RMN

Hidrogênios homotópicos e enantiotópicos → não acoplam entre si e não são diferenciáveis (δ iguais) no espectro de 1H-RMN.

Ex.: hidrogênios homotópicos

Ex.: hidrogênios enantiotópicos

N N

Ha Hb

Ha e Hb: homotópicos

1H RMN (300 MHz, CDCl3)

Ha e Hb: 3,20 ppm (s, 2H)

N OCH3

Ha Hb

Ha e Hb: enantiotópicosHa e Hb: 3,44 ppm (s, 2H)

Ha e Hb


Ha e Hb

31

Hidrogênios diastereotópicos → acoplam entre si e são diferenciáveis (diferentes δ) no espectro de 1H-RMN.

Ex.:

Ex.:

O

O

CO2CH3

Ha Hb

carbonoquiral

+_

Ha: 2,98 ppm (d, 1H, JHaHb = 15 Hz)Hb: 2,66 ppm (d, 1H, JHbHa = 15 Hz)

Padrão AB:


Hb

N

O

Ha Hb

H3

Ha: 2,68 (dd, JHaHb = 12,6 Hz e JHaH3 = 3,0 Hz)Hb: 2,38 (dd, JHaHb = 12,6 Hz e JHaH3 = 7,2 Hz)


Ha

32

1.9- ATIVIDADE ÓPTICA E QUIRALIDADE Jean Baptiste Biot, físico francês - 1815: Ele descobriu que algumas substâncias naturais (glicose, nicotina, sucrose, ) giravam o plano da luz polarizada e outras não.

Qualquer molécula que gira o plano da luz polarizada é dito ser opticamente

ativa. Se uma substância pura é opticamente ativa, a molécula não é superponível

na sua imagem especular. Se a molécula é superponível na sua imagem especular a

substância não gira o plano da luz polarizada, e ela é então opticamente inativa.

Enantiômeros somente podem ser discriminados na presença de um agente

quiral. O plano da luz polarizada é um agente quiral. Se uma luz normal é passada

através de um filtro polarizador, tal como um polaróide, o vetor de campo elétrico,

associado com a propagação da luz, oscila num plano único perpendicular à direção

de propagação.

Fi lme Po la ro id

L u z

p o l a r i z a d a

Este plano de luz polarizada pode ser descrito como sendo composto de duas

ondas em hélice, enantioméricas, circulando em torno do eixo de propagação em

direções opostas. Cada hélice tem um vetor campo elétrico associado, e as duas

ondas estão em fase de tal forma que a qualquer tempo as contribuições dos dois

33

vetores campo elétrico para a propagação se cancelam exceto no plano de

propagação.

Os campos elétrico e magnético de um raio de luz ordinária em um plano. (T.W.G. Solomons “Organic Chemistry”, John Wiley & Sons, Inc. 1996, 6th Ed.)

Quando a luz plano polarizada é passada através de uma solução contendo

uma substância quiral há uma interação diastereoisomérica. As moléculas quirais

refratarão uma hélice mais que outra; cada componente terá um índice de refração

diferente num meio quiral. Se as moléculas quirais são todas de mesma

configuração, ou um enantiômero está em excesso, o plano da luz polarizada será

girado em relação ao plano original.

E

< α'EL

X

ER

Y

Este fenômeno forma a base da análise de enantiômeros pela suas rotações

óticas. Um aparelho chamado polarímetro é usado para estudar rotações óticas

34

passando luz plano-polarizada monocromática (usualmente a linha D do sódio a 589

nm) através de uma célula de comprimento fixo e medindo sua rotação. A rotação

numa direção horária, em relação ao observador, olhando através da solução em

direção a fonte de luz, é registrado como positiva (+) e uma rotação anti-horária é

negativa (-).

Um enantiômero com uma rotação positiva é algumas vezes descrito como d

(destro) (não confundir com D!) e um com uma rotação negativa como l (levo).

A quantidade de rotação α não é uma constante para um dado enantiômero,

ela depende do comprimento do vidro da amostra, da temperatura, do solvente e

concentração (para soluções), da pressão (para gases), e do comprimento de onda

da luz.

O O Po la r ímet roPo la r ímet ro

c h e m i s t r yn e r d

samp le ce l l

po la r i ze rpo la r i ze r

N a l a m p

p lane i sro ta ted

ana l yze rana l yze r

ααααααααp lane -po la r i zedl igh t

obse rvedro ta t ion

00000

00000

r o t a t e t o nu l l

35

Rotação específica (αα )

α [ ] =

α

lc ( para soluções ) e α [ ] =

α

ld ( para substâncias puras )

α- rotação observada

l- comprimento da célula (decímetros)

c- concentração (g/mL)

d- densidade

[α]D ∅ rotação foi medida com a luz D de sódio (λ= 589 nm).

Pureza Óptica

A pureza óptica é uma medida do excesso de um enantiômero sobre outro

em uma amostra opticamente ativa. Um composto opticamente puro é 100% de um

enantiômero. Uma mistura racêmica é 0% em pureza óptica (já que os 50% de um

enantiômero cancela a atividade óptica dos 50% do outro enantiômero).

Por outro lado, uma amostra opticamente ativa que contenha 75% de um

enantiômero dextrógiro (+) e 25% do levógiro (-) será somente 50% opticamente

pura. Isto é: 25% do enantiômero (+) cancelará a atividada óptica dos 25% de

enantiômero (-), sobrando 50% do enantiômero (+) responsável pela rotação do

plano de luz polarizada.

A porcentagem de pureza óptica se mede comparando a rotação específica

da amostra, com aquela do estereoisômero puro o [α]max e aplicando a seguinte

equação:

% Pureza Optica = [α] D muestrat0C

[α] D enantiómero purot0C

x 100

Por exemplo, para cada enantiômero de ácido láctico as rotações específicas

a 150C são respetivamente:

Acido-(-)-láctico

[α] D = 3.820150C

Acido-(+)-láctico

[α] D = 3.820150C

36

Então, uma amostra de ácido láctico com 50% de pureza óptica produz uma

rotação específica de +1.910 ou -1.910 (0.5 x 3.82) dependendo de qual enantiômero

se encontra em excesso.

Assumindo que há uma relação linear entre a rotação específica [α] e a

concentração dos enantiômeros (o qual é certo para a maioria dos casos), a pureza

óptica é também igual à porcentagem em excesso de um enantiômero sobre o outro:

% Pureza Optica = porcentagem em excesso =

[ ( ) ] [ ( ) ] x 100

[ ( ) ] [ ( ) ]

= % [ ( ) ] % [ ( ) ]

Obs: com o advento da cromatografia quiral a determinação da pureza óptica pelo

método acima ficou totalmente obsoleto, pois através da cromatografia quiral pode-

se obter rapidamente as proporções entre os enantiômeros e conseqüentemente a

pureza óptica de maneira incontestável.

37

Quais Tipos de Moléculas Mostram Atividade Ótica?

A descoberta de Pasteur (Louis Pasteur 1848, Sorbonne, Paris)

H O O C C H C H C O O H

O H O H

O O C C H C H C O O

O H O H

N H 4N a++

2-

Ácido tartárico Tartarato de amônio e sódio

(Obt ido índustr ia lmente) Pasteur cristalizou estasubstância num dia frio.

Pasteur encontrou dois diferentes cristais. Louis Pasteur separou esses

cristais e os encaminhou para Biot medir a atividade óptica de cada um deles.

(+) (-)Resultado de Biot :

Faces hemi-hedral

Pasteur decidiu que as moléculas que faziam os cristais, assim como os

cristais, deveriam também ser imagens especulares uma da outra. Cada cristal,

portanto, deveria conter um simples tipo de enantiômero.

38

A descoberta de Pasteur do enanciomerismo e sua demonstração de que a

atividade óptica das duas formas do ácido tartárico era uma propriedade das

moléculas levou, em 1874, à proposta da estrutura tetraédrica do carbono por van’t

Hoff e Le Bel.

Somente a geometria tetraédirca pode levar as Moléculas serem imagens especulares:

C

C C

Carbonotetraédrico

Van’t Hoff eLeBel (1874)

Moléculas possuindo um plano de simetria são sempre oticamente inativas,

mas existem uns poucos casos nos quais moléculas não têm um plano de simetria e

são contudo inativas. Tais moléculas possuem um centro de simetria, tal como o

ácido α-truxílico (exemplo c), ou um eixo alternado de simetria como no exemplo d

(subunidade 1.2, página 4). Um centro de simetria é um ponto dentro de um objeto

tal que uma linha reta desenhada de qualquer parte ou elemento do objeto para o

centro e estendida a uma distância igual no outro lado encontra uma parte igual. Um

eixo de simetria alternado de ordem n é um eixo tal que quando um objeto contendo

tal eixo é girado por 360o/n em torno do eixo e então uma reflexão é efetuada

transversalmente a um plano em ângulo reto ao eixo, um novo objeto é obtido que é

indistinguível daquele original (veja mais detalhadamente na subunidade 1.2).

Uma molécula que contém somente um carbono quiral (definida como um

átomo de carbono conectado à quatro grupos diferentes; também chamado de

átomo de carbono assimétrico) é sempre quiral e daí oticamente ativo. Contudo, a

presença de um carbono quiral não é uma condição nem necessária e nem

suficiente para atividade ótica, uma vez que atividade ótica pode estar presente em

39

moléculas sem átomo quiral (veja a subunidade 1.6) e uma vez que moléculas com

dois ou mais átomos de carbono quiral são superponíveis sobre suas imagens

especulares e daí inativas (subunidade 1.3).

Rotações Especí f i cas Para A lguns Compostos Rotações Especí f i cas Para A lguns Compostos Bio loBio lo --g i camen teg i camen te At ivosAt ivos

cholesterol -31.5cocaine -16morphine -132codeine -136heroin -107epinephrine -5.0progesterone +172testosterone +109sucrose +66.5ββ-D-glucose +18.7αα-D-glucose +112oxacillin +201

COMPOSTOSCOMPOSTOS [[αααα]]DD

Quadro Retirado do site: http://www.chem.wwu.edu/dept/facstaff/pavia/paviacourses.shtml

40

1.10- A PROJEÇÃO DE FISCHER

Para um entendimento completo de estereoquímica é útil examinar modelos

moleculares. Contudo, não é praticável quando estamos escrevendo no papel ou no

quadro. Em 1891 Emil Fischer serviu grandemente os interesses da química

inventando a projeção de Fischer, um método de representar carbonos tetraédricos

no papel. Por esta convenção, o modelo é mantido de tal forma que as duas

ligações na frente do papel é horizontal e aquelas atrás do papel são verticais.

CHOCHO

HOCH2HOCH2 HOH

OHH

CHOCHO

CH2OHCH2OHH

CH2OH

CHO

OH

P r o j e ç ã o d e F i s c h e r

P r o j e ç ã o “ c a v a l e t e ”

Veja com modelos moleculares:

41

O R I E N T A Ç Ã O D A

C A D E I A P R I N C I P A L

E D O S S U B S T I T U I N T E S

N A P R O J E Ç Ã O

D E F I S C H E R

con t inuação

da cade ia p r inc ipa l

CH3

OHH

OHH

OHH

CH3

OH

OH

OH

H

H

H

Como obter a projeção de Fischer a partir de outras projeções:

a)

H HCH3 CH3

Cl Br

H HCH3 CH3

Cl Br

CH3

CH3

H

H

Cl

BrCl

CH3

Br

CH3

Cade ia p r inc ipa l em ve rme lho

Colocar a cadeia principalverticalmente

ConverterPara aProjeção deFischer

rotate90o

Br

Cl

CH3

H

H

42

b)

H

OHCOH

CH2OH

HOH

CH2OH

CHO

HO

OHH

H

H

CHO

HO

CH2OHHO

H

CH2OH

CHO

H OH

HO H

CHO

CH2OH

HO H

H OH

180o

De forma a obter resultados adequados através destas fórmulas, deveria ser

relembrado que elas são projeções e devem ser tratadas diferentemente de modelos

quando testamos superponibilidade. Todo plano é superponível na sua imagem

especular; daí com estas fórmulas devemos fazer algumas restrições.

Restrições para as fórmulas de Fischer:

1. Não devem ser retiradas do plano do papel ou quadro;

2. Elas não podem ser giradas de 90o, embora 180o é permitido:

180o

CHO

OH

OH

CH2OH

CH2OH

HO

HO

CHO

.

3. É permitido manter qualquer grupo fixo e girar os outros três nos sentido

horário ou anti-horário:

CHO

H

HO H

HO CH2OH

CHO

CH2OH

HO H

H OH

43

C H 3 C H 2 O H C H

C

O H

O

C H O C O O H

CO

HC

O

O H

AUMENTANDO O ESTADO DE OXIDAÇÃOAUMENTANDO O ESTADO DE OXIDAÇÃO

Estado de oxidação cresce

N a p r o j e ç ã o d e F i s h e r a c a d e i a p r i n c i p a l é o r i e n t a d a d e m a n e i r a q u e o g r u p o

c o m o m a i o r e s t a d o d e o x i d a ç ã o f i q u e n o t o p o d o d e s e n h o .

C = O o n c a r b o n-2 i n c r e a s e s

t h e p r i o r i t y o f C -O H

Rotações podem ser usados para comparações...…..

3

A

A e A* são enantiômeros ?

C H 3

B r

B r

C H

C H

1) reflexo

A* 3

B r

B r

C H 3

C H

1) reflexo

A* 3

B r

B r

C H 3

H C

2) giro

3

B r

B r

C H 3

H C

2) giro

3

B r

B r

C H 3

3) comparação 3) comparação

44

CO O H

OH

OH

OH

OH

CO O H

F U R T H E R H O M E S T U D Y

F i n d a l l o f t h e s t e r e o i s o m e r s f o r t h i s c o m p o u n d . G r o u p a l l e n a n t i o m e r s in pa i rs . A r e the re any

m e s o s t e r e o i s o m e r s ?

W i l l y o u f i n d 1 6 ( 2 4 = 1 6 )

s t e r e o i s o m e r s ? W h y o r

w h y n o t ?

45

1.11- CONFIGURAÇÃO ABSOLUTA

Suponha que temos dois tubos de ensaio, um contendo (-)-ácido lático e o

enantiômero (+).

Um tubo contêm I e o outro II.

H

HO2COH

CH3

(-)-ácido lático

[α]25oCD = -3,8

H

HO2CCH3

OH

(+)-ácido lático

[α]25oCD = +3,8

Tubo I Tubo II

Como nós saberemos qual é qual? Químicos no início do século ponderaram

sobre este problema e decidiram que eles não podiam saber - para o ácido lático ou

qualquer outra substância. Portanto Rosanoff propôs que uma substância fosse

escolhida como padrão e uma configuração fosse arbitrariamente atribuída a ele. A

substância escolhida foi o gliceraldeído por causa de sua relação com açúcares. Ao

isômero (+) foi atribuída a configuração mostrada em III e dado o rótulo D (atualmente R pelo sistema R/S). O isômero (-), designado para ser IV, foi dado o

rótulo L (S).

Exemplo: CHO

CH2OH

H OH

(+)- Gliceraldeído D

III

CHO

CH2OH

HO H

(-)- Gliceraldeído L

IV

46

Por exemplo, (+)-gliceraldeído, oxidado com óxido de mercúrio, fornece (-)-

ácido glicérico: CHO

CH2OH

H OH

(+)- Gliceraldeído

CO2H

CH2OH

H OH

(-)- ácido glicérico

HgO

Uma vez que é altamente improvável que a configuração do átomo de

carbono central seja alterada, pode-se concluir que (-)-ácido glicérico tem a mesma

configuração que (+)-gliceraldeído e portanto (-)-ácido glicérico é também chamado

D. Este exemplo enfatiza que moléculas com a mesma configuração não precisam

girar o plano da luz polarizada na mesma direção.

Uma vez que a configuração dos ácidos glicéricos foi conhecida (em relação

aos gliceraldeídos), foi então possível relacionar outras substâncias a um ou outro

destes, e cada vez que uma nova substância foi relacionada, outras poderiam ser

relacionadas a ela. Desta maneira centenas de substâncias foram relacionadas,

indiretamente, ao D- ou L-gliceraldeído, e foi determinado que III, o qual tem a

configuração D, é o isômero que gira o plano da luz polarizada para a direita.

Mesmo substâncias sem átomos assimétricos, tais como bifenilas e alenos,

têm sido colocados nas séries D ou L. Quando uma substância era colocada nas

séries D ou L, sua configuração absoluta era dita ser conhecida.

Em 1951 tornou-se possível determinar se a suposição de Rosanoff estava

correta. Cristalografia de raios-X comum não pode distinguir entre um isômero D ou

L, mas pelo uso de uma técnica especial, Bijvoet foi capaz de examinar tartarato de

sódio e rubídio e descobriu que Rosanoff tinha feito a escolha correta. Foi

historicamente adequado que a primeira configuração absoluta tivesse sido

determinada num sal de ácido tartárico, uma vez que Pasteur fez suas grandes

descobertas num outro sal deste ácido.

47

Resumindo:

48

O Sistema Cahn-Ingold-Prelog

1) Especificação de Configuração: a mais comum origem da dissimetria

molecular em moléculas orgânicas é a presença de um ou mais centros quirais (ou

centros assimétricos), ou seja, átomos de carbono saturado sustentando quatro

diferentes substituintes.

A configuração de um centro quiral é atualmente especificada pelo sistema

Cahn-Ingold-Prelog.

Sistema Cahn-Ingold-Prelog: os ligantes do centro quiral são assinalados

numa ordem de prioridade:

1. Quanto maior o número atômico do átomo diretamente ligado, maior é a

prioridade;

2. Se dois átomos são isótopos, aquele com maior massa atômica tem maior

prioridade;

3. Um par de elétrons não compartilhados é tratado como um átomo ligante

de número atômico zero;

4. Se dois átomos ligados são os mesmos, os átomos ligados a eles são

comparados, e assim por diante, até a prioridade puder ser estabelecida;

5. Ligações múltiplas são trocadas por ligações simples, com ambos átomos

considerados para serem duplicados ou triplicados.

Visualiza-se a molécula ao longo da ligação do centro quiral para o grupo de

mais baixa prioridade, com o centro quiral na frente do grupo de baixa prioridade. Se

os grupos restantes, partindo da mais alta prioridade para a mais baixa, estão

arranjados no sentido horário, o centro é R; se são anti-horário, S.

2c l o c k w i s e c o u n t e r

c l o c k w i s e

( r ec tus ) (s i n i s t e r)

12

4

3

CC

1

4

3

R S

49

6. Grupos próximos tomam preferência sobre todos os distantes.

Usando a projeção de Fischer para denotar a configuração absoluta pelo sistema R/S:

Exemplo:

Coloque o grupo ou átomo com prioridade = 4 em uma das posições verticais

e olhe para os outros 3 restantes:

H

CH2OH

CHO

OH

H

OH

OHC CH2OH1

2

3

4

1

2 3

4

R

alternativamente:

H

CH2OH

CHO

OH1

2

3

4 HOCH2 CHO

OH2

1

4

3

H

R

#4 no topo#4 no topo

#4 em baixo#4 em baixo

A M B O S D Á

O M E S M O

R E S U L T A D O

e Stereo Qui Mica

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