Francisco das Chagas Rebouças da Costa

Apost i la de

II ss oo mm ee rr ii aa

Mossoró, RN

22000088

1

I S O M E R I A

Isômeros: compostos diferentes com a mesma fórmula molecular.

Conformação

Um mesmo composto orgânico pode apresentar diferentes arranjos espaciais (confôrmeros), que

podem ser convertidos um no outro alterando-se as posições relativas dos ligantes de átomos de

carbono, o que é conseguido pela rotação em torno da ligação simples entre átomos de carbono, a

qual só possui um orbital molecular (sigma), com simetria cilíndrica em torno do eixo imaginário

de união dos átomos ligados.

Configuração

Arranjos espaciais definidos e específicos que identificam moléculas individuais são conhecidos

como configurações. Diferentes configurações representam moléculas diferentes, podendo os

ligantes dos átomos de carbono nos diferentes arranjos serem iguais (estereoisômeros) ou

diferentes, como é o caso dos isômeros constitucionais, quando as configurações que diferem

possuem a mesma fórmula molecular.

Classificação :

I. Isomeria Plana, Estrutural ou Constitucional – os isômeros diferem na conectividade (maneira como os átomos se ligam uns aos outros para formar a molécula). É possível reconhecer as diferenças entre os isômeros através do exame direto das suas fórmulas estruturais.

1. Isomeria de Cadeia (Isomeria de Núcleo e Isomeria de Cadeia e Núcleo)

2. Isomeria de Posição

3. Isomeria de Compensação ou Metameria

4. Isomeria Funcional ou de Função

5. Tautômeros

II. Isomeria Espacial ou Estereoisomeria1 – os isômeros apresentam diferenças muito mais sutis do que as observadas nos isômeros constitucionais. Essas diferenças só podem ser percebidas recorrendo-se ao emprego de modelos espaciais ou de representações espaciais apropriadas a cada categoria de estereisômeros.

1. Isomeria geométrica ou cis-trans

2. Isomeria óptica

a. Enantiômeros

b. Diastereoisômeros

c. Compostos meso

1 Não trataremos da Isomeria Conformacional nesta apostila.

2

Isomeria Plana, Estrutural ou Constitucional

I. Os isômeros pertencem à mesma função orgânica:

Isomeria de Cadeia

Os isômeros pertencem à mesma função orgânica e diferem quanto ao número de membros2 da cadeia principal ou composto principal.

Exemplos:

CH2 CHCH2

CH2

CH2

OH

( I ) e

CH2 CHCH

CH2

CH3

OH

( II )

( III )CH3 CH

CHCH2

CH2

OH

e

CH3 CHC

CH2

CH3

OH

( IV )

Isomeria de Núcleo 3

Os isômeros são compostos de cadeia fechada (homocíclicos ou heterocíclicos) e diferem quanto ao número de átomos de carbono do anel.

Exemplos:

( V )

OHCH3

e ( VI )

OH

; ( VI )

OH

e ( VII )

OH

CH3

CH2

CH3

OH

( VIII ) e

( VI )

OH

; ( V )

OHCH3

e

CH2

CH3

OH

( VIII )

Isomeria de Cadeia e Núcleo4

Um dos isômeros possui cadeia carbônica aberta e o outro, cadeia fechada. Exemplos:

2 Os heteroátomos são considerados membros da cadeia principal da mesma maneira que os átomos de Carbono. 3 Caso particular de isomeria de cadeia. 4 Caso particular de isomeria de cadeia.

3

CH2 CHCH2

CH2

CH2

OH

( I ) e

CH2

CH3

OH

( VIII ) ;

( VII )

OH

CH3

e

CH3

CCH

CH3

CH2OH

( IX )

Isomeria de Posição

Os compostos possuem a mesma cadeia principal e diferem quanto às posições de grupos substituintes: radicais, insaturações ou grupos funcionais.

Exemplos:

CH3CH2

CCHCH3

OH

( X ) e

CH3CH

CHCHCH3

OH( XI )

( XII )

O CH3

CH3

e ( XIII )

CH3OCH3

;

CH2 CCH2

CH2

CH3

OH

( XIV ) e

CH3CH2

CHCCH3

OH( XV )

CH CHCH

CH3

OH

CH3

( XVI ) e

CH3 CC

CH3

CH3

OH( XVII )

Isomeria de Compensação ou Metameria5

Os isômeros diferem quanto à posição (às posições) do(s) heteroátomo(s).

Exemplos:

CH3CH2

CH2O

CH2CH3

( XVIII ) e

CH3CH2

CH2CH2

OCH3

( XIX )

CH3

CH2O

CHCH3

CH3

( XX ) e

CH3

OCH2

CHCH3

CH3

( XXI )

5 Existem autores que classificam como metâmeros isômeros que diferem quanto à posição de insaturações, além dos que diferem quanto à posição do heteroátomo. No nosso caso, preferimos restringir a definição de metameria apenas às diferenças de posições de heteroátomos.

4

II. Os isômeros pertencem a funções orgânicas diferentes:

Isomeria de Função ou Funcional

Os isômeros pertencem a funções orgânicas diferentes e não existe reação de equilíbrio entre eles. Exemplos:

OH

CH3( XXII )

e

OCH2

CH3

( XXIII ) ;

CH2

CH2

OH

( XXIV ) e

CH3CH2

CCH2

CH3

O

( XXV )

CH3

CHCH2

CH3

CO

H( XXVI )

e

CH3CH2

CH2C CH3

O( XXVII )

Tautomeria ou Tautomerismo 6

Os isômeros pertencem a funções orgânicas diferentes, mas existe uma reação de equilíbrio dinâmico entre eles (os isômeros são interconversíveis). Essa reação é denominada de tautomerização.

Exemplo:

( XXIX )

CH3

CH2

CH2C C

O

HH

HCH3

CH2

CH2C C

OH

HH

( XXVIII )

Isomeria Espacial ou Estereoisomeria

Isomeria geométrica ou cis-trans

Característica:

Diferenças de posições de ligantes do carbono com relação a um plano imaginário que passa

através de uma região de referência da própria molécula (ligação dupla ou plano do anel de uma cadeia

fechada) e divide o espaço em dois semi-espaços.

6 Caso particular de isomeria de função.

5

Compostos orgânicos em que ocorre:

Compostos de ligação dupla – a ligação π entre átomos de carbono é o fator de

impedimento da rotação de um carbono da dupla com relação ao outro, favorecendo assim a existência de

dois arranjos espaciais que não podem ser convertidos um no outro sem que haja quebra de uma ligação,

no caso, a ligação π. Assim, em torno de cada ligação dupla contendo átomos de carbono com ligantes

diferentes entre si existem duas configurações possíveis.

R1

C C

R4

R3

R2 Condição necessária: R1≠≠≠≠ R2 e R3 ≠≠≠≠R4

Compostos de cadeia fechada - consideram-se os carbonos do anel como centros de

referência. Neste caso, a estrutura cíclica é o fator de impedimento que origina duas configurações para

cada par de carbono do anel satisfazendo a condição de isomeria, que consiste na presença de ligantes

diferentes para cada carbono de referência.

Exemplos:

1

2

R1

R2

R3

R4

ocorre isomeria no composto (entre os carbonos 1 e 2 do anel), desde que seja

observada a condição: R1≠≠≠≠ R2 e R3 ≠≠≠≠R4, não importando quais os ligantes dos outros átomos de

carbono.

132

R4

R3

R1

R2

a isomeria é observada entre os carbonos 1 e 3 do anel, desde que seja observada a

condição: R1≠≠≠≠ R2 e R3 ≠≠≠≠R4.

4132

R4

R3

R1

R2 R5

R6 se R1≠≠≠≠ R2 , R3 ≠≠≠≠R4 e R5 ≠≠≠≠R6, então a isomeria geométrica é observada entre os

carbonos 1 e 3, 1 e 4 e 3 e 4.

6

Isomeria Óptica

Característica:

Diferenças de orientações no espaço de ligantes do carbono, em situações que dão origem a

estruturas caracterizadas pela condição de quiralidade (ausência de plano de simetria). Uma

consequência dessa condição é que as moléculas quirais (que não possuem nenhum plano de simetria),

como todos os objetos assimétricos, produzem no espelho plano imagens que são não-coincidentes

(diferentes) com as próprias moléculas, em contraste com os objetos que apresentam um ou mais planos

de simetria, cujas imagens especulares são coincidentes (iguais) com eles.

� Molécula quiral : não possui plano de simetria (assimétrica).

� Molécula aquiral : possui plano de simetria (simétrica).

R2

R4

R1

R3

R2

R4

R1

R3

Compostos orgânicos em que ocorre:

Compostos alênicos nos quais os ligantes de cada um dos carbonos sp2 do sistema de

duplas acumuladas são diferentes entre si.

Compostos de cadeia fechada que não apresentam nenhum plano de simetria.

Compostos que contêm um ou mais átomos de carbono assimétrico (C*).

Átomo de carbono assimétrico: átomo de carbono saturado de cadeia aberta que possui os quatro

ligantes diferentes entre si. (no exemplo a seguir, R1 ≠≠≠≠ R2 ≠≠≠≠ R3 ≠≠≠≠ R4).

R2

C

R4

R1 R3*

C* : Carbono assimétrico

7

R1 R3

R2

R4

R1 C R3

R2

R4

R1 R3

R2

R4

Relações Isoméricas

Enantiômeros – um isômero óptico corresponde à imagem do outro no espelho plano. Racêmico ou Mistura Racêmica – é a mistura de quantidades iguais de dois enantiômeros. Diastereoisômeros78 – são estereoisômeros que não são enantiômeros entre si. Composto Meso9 – é um isômero óptico que não possui atividade óptica. Como conseqüência, o composto de Forma Meso não possui enantiômero, ou seja, quando colocado diante de um espelho plano produz uma imagem igual a ele (a imagem é coincidente com o objeto).

R2

R4

R1 R3

R2

R4

R3 R1

Enantiômeros

Configurações dos estereoisômeros.

Critérios de prevalência de Cahn, Ingold e Prelog – são um conjunto convenções concebido com base

no número atômico, permitindo determinar sem ambiguidades as configurações dos estereoisômeros.

Para determinar a ordem de prevalência ou prioridade de grupos ligados a um carbono de referência em um estereoisômero, siga as seguintes instruções:

a) Atribua maior prioridade ao grupo que se liga ao carbono de referência através do átomo maior

número atômico.

b) No caso de mais de um grupo se ligar ao átomo de referência por átomos de mesmo número

atômico (átomos do mesmo elemento), então a decisão da prioridade deverá ser transferida para

os átomos seguintes do grupo, sendo que o átomo de referência agora pertence ao próprio

grupo.

c) Para efeito de decisão de prevalência de Cahn, Ingold e Prelog (e apenas nesse caso), a

presença de uma ligação dupla duplica o ligante (equivale a dois átomos do mesmo ligante) e a

presença de uma tripla ligação triplica o ligante (equivale a três átomos do mesmo ligante).

Obs: entenda por átomo de referência os átomos de carbono da dupla ligação nos estereoisômeros geométricos e átomos de carbono assimétrico, nos casos de isomeria óptica. 7 Aplica-se inclusive aos isômeros geométricos. 8 Não é observado em isômeros ópticos com um único átomo de C*. 9 Não é observado em isômeros ópticos com um único átomo de C*.

8

Configurações dos Estereisômeros de Ligação Dupla

1) Nomenclatura cis-trans Considera que os grupos de mesma natureza química ou de maior complexidade ligados aos

carbonos da dupla ligação podem ocupar diferentes posições com relação ao plano de divisão do espaço em torno dela em dois semi-espaços, podendo ser a molécula de configuração cis (do mesmo lado), quando os grupos mais complexos estão no mesmo semi-espaço, ou trans (em lados opostos), quando ocupam semi-espaços opostos. Essa sistemática, embora adequada para compostos simples, como os etilenos dissubstituídos, foi motivo de controvérsias quando se tratava de moléculas de estruturas mais complexas, em função do entendimento do que representava natureza química ou complexidade para diferentes estudiosos ou autores de livros-texto de química. Exemplos:

Nos exemplos apresentados a seguir considera-se o grupo substituinte destacado por um círculo como sendo diferentes de H, para que a condição necessária à ocorrência da isomeria geométrica seja observada. Note que cada carbono da dupla ligação possui apenas um grupo destacado e que os grupos destacados diferem nos diferentes exemplos.

R2

C1

C2

R4

H H configuração cis

H

C1

C2

H

R1 R3

R2

C1

C2

H

H R3 configuração trans

H

C1

C2

R4

R1 H

2) Nomenclatura E-Z

Baseia-se nos critérios de prioridade de Cahn-Ingold-Prelog, determinando-se para cada carbono da dupla o grupo substituinte que possui maior prevalência e definindo-se a configuração E ( do alemão entgegen – oposto) para compostos nos quais esses grupos se encontram em semi-espaços opostos, ou Z (do alemão zuzammen – deste lado), quando estão no mesmo semi-espaço Exemplos:

Nos exemplos apresentados a seguir considera-se o grupo substituinte destacado por um círculo como sendo o de maior prioridade de acordo com os critérios de Cahn-Ingold-Prelog. Observe que cada carbono da dupla ligação possui apenas um grupo destacado, não necessariamente iguais nos diferentes exemplos.

R2

C1

C2

R4

R1 R3 configuração Z

R2

C1

C2

R4

R1 R3

R2

C1

C2

R4

R1 R3 configuração E

R2

C1

C2

R4

R1 R3

9

Configurações dos Estereisômeros de Carbono Assimétrico

1) Nomenclatura D-L ou configuração relativa – compara a configuração do composto à do gliceraldeído, considerando as seguintes configurações para esse composto:

*

C

C

CH2OH

OHH

O H

D-Gliceraldeído

*

C

C

CH2OH

OH H

O H

L-Gliceraldeído

Obs.: Em estereoisomeria D (maiúsculo) tem um significado totalmente diferente de d (minúsculo) e L (maiúsculo) tem um significado totalmente diferente de l (minúsculo). Para não fazer confusão tenha sempre em mente as informações apresentadas no quadro abaixo.

Notação O que significa É equivalente a

D Configuração de estereoisômero que pode ser sintetizado a partir do D-Gliceraldeído.

Notação R da nomenclatura referente à configuração absoluta.

d Indicação da direção do desvio do plano de propagação da luz polarizada.

(+) indica rotação óptica para a direita (mesmo siginificado de d)

L Configuração de estereoisômero que pode ser sintetizado a partir do L-Gliceraldeído.

Notação S da nomenclatura referente à configuração absoluta.

l Indicação da direção do desvio do plano de propagação da luz polarizada.

(-) indica rotação óptica para a esquerda (mesmo siginificado de l)

2) Nomenclatura R-S ou configuração absoluta – utiliza os critérios de prioridade de Cahn–Ingold-Prelog associados à fórmula de Projeção de Fischer.

Construção da Fórmula de Projeção de Fischer – consiste em se projetar no plano uma estrutura tetraédrica - que corresponde ao carbono assimétrico juntamente com os seus ligantes – obedecendo à seguinte convenção:

� O átomo de carbono assimétrico deve ficar situado sobre o plano e corresponde à interseção dos segmentos que vão conter os seus ligantes;

� Os grupos que se dirigem do plano para mais próximo do observador devem ser representados na fórmula por uma linha horizontal;

� Os grupos que se projetam do plano para mais longe do observador (vão para além do plano) devem ser representados na fórmula por uma linha vertical;

No exemplo mostrado abaixo, uma representação em perspectiva é projetada para constituir uma fórmula de projeção de Fischer (da maneira mais comum, à direita, ou mostrando o átomo de C* em vez da simples interseção entre os segmentos que contêm os seus ligantes, ao centro). R2 e R4 representam os grupos que se distanciam do observador.

R1 R3

R2

R4

R1 C R3

R2

R4

R1 R3

R2

R4

O que diferencia D de L é a posição da hidroxila ligada ao C* na fórmula de projeção

10

Como determinar a Configuração Absoluta de estereoisômeros de C* i) Numere os grupos ligados ao C* na projeção de Fischer em ordem decrescente, de acordo com

os critérios de prioridade de Cahn–Ingold-Prelog;

ii) Verifique se o grupo de última prioridade (4) está numa posição que corresponde à orientação

espacial para além do plano, ou distanciando-se do observador (linha vertical). Caso não esteja,

providencie para que ele fique em uma dessas posições (acima ou abaixo), fazendo uma troca entre

grupos, nunca deixando de levar em conta que um número ímpar de trocas conduz a uma inversão de

configuração enquanto que um número par de trocas mantém a configuração.

iii) Estando o grupo de última prioridade em uma posição posterior ao plano, despreze esse grupo

e observe a sequência dos demais grupos em ordem decrescente de prioridade ((1),(2),(3)). Se essa

sequência tiver a orientação dos ponteiros do relógio (para a direita), então a fórmula que você está

observando tem a configuração R . Caso contrário, a configuração será S .

Importante : preste muita atenção na hora de manipular as fórmulas de projeção de Fischer para nunca se esquecer de que você só pode determinar a configuração quando o grupo de última prioridade estiver para depois do plano. Sempre que trabalhar com trocas de grupos, não se esqueça de considerar as inversões de configuração que foram praticadas. Exemplos:

R1(1)

R3(3)

R2(2)

R4(4)

R1(1)

R3(3)

R2(2)

R4 nenhuma troca é necessária, porque o grupo de última

prioridade já está orientado para depois do plano. A configuração é R.

R1(3)

R3(1)

R2(2)

R4(4)

R1(3)

R3(1)

R2(2)

R4 situação idêntica à do exemplo anterior. Configuração: S.

(R)

(R)

R1(4)

R3(3)

R2(2)

R4(1)

R2(2)

R3(3)

R1(4)

R4(1)

R4(1)

R3(3)

R2(2)

R1(4)

R2(2)

R3(3)

R14

R4(1)

R4(1)

R3(3)

R2(2)

R14

11

No exemplo acima, observe que o grupo de prioridade (4), R1, está se aproximando do observador (linha horizontal), o que justifica sua troca com um dos grupos da vertical (R2 ou R4). Qualquer uma dessas trocas leva a uma fórmula de Fischer de configuração R. Logo, a configuração da fórmula de partida é S. Observe que apenas uma troca foi necessária.

R1(2)

R3(4)

R2(1)

R4(3)

R1(2)

R3(1)

R2(4)

R4(3)

R1(2)

R3(3)

R2(1)

R4(4)

R1(2)

R3(1)

R24

R4(3)

R1(2)

R3(3)

R2(1)

R44

(R)

(R)

O exemplo acima admite a mesma interpretação usada no exemplo anterior.

Como você deve ter notado, nos dois últimos exemplos as fórmulas de projeção de Fischer analisadas tinham configuração S. Isso, no entanto, não significa que os dois compostos que tiveram as suas configurações determinadas são iguais. Na realidade, eles são diferentes. Por que? Observe que no exemplo anterior os grupos de prioridades (1), (2) , (3) e (4) eram, respectivamente, R4, R2 , R3 e R1, enquanto que no último exemplo, as prioridades (1), (2) , (3) e (4) foram atribuídas aos grupos R2, R1, R4 e R3, respectivamente. Conclusão: R1 no penúltimo exemplo não é igual ao R1 do último exemplo, R2 do penúltimo exemplo não é igual ao R2 do último exemplo, e assim por diante. Por isso, muita atenção quando tratar com fórmulas que adotam representações genéricas ou esquemáticas.