Introdução ao E s t e r e o i s o m e r i s m o Carlos Corrêa Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Centro de Investigação em Química (U.P.)

Indice Estereoisómeros .................................................................. 4 Objectos quirais ................................................................... 6 Que se entende por sobreponibilidade? ........................... 8 Sobreponibilidade de moléculas – CH3Cl ........................ 11 CH2Cl2 ................................................................................... 12 CHBrCl2 ................................................................................ 13 CHBrCl I ............................................................................... 14 Como verificar, à priori, a sobreponibilidade .................. 17 Configurações. Regras de sequência .............................. 18 Com a ajuda das mãos ....................................................... 20 Isomeros cis/trans .............................................................. 21 Molécula quiral ................................................................... 22 Átomo de carbono quiral .................................................. 23 Luz normal .......................................................................... 24 Luz polarizada linearmente ............................................... 26 Substâncias com actividade óptica ................................. 27 Placas polaróide ................................................................ 28 Polarímetro ......................................................................... 31 Substâncias levógiras e destrógiras ............................... 32

De que depende a rotação,  .............................................. 33 Estereoquímica das substâncias opticamente activas..... 34 Moléculas com 1 carbono quiral ......................................... 34 Moléculas com 2 carbonos quirais ..................................... 36 Moléculas com 2 carbonos quirais e plano de simetria ... 41 Ácido tartárico ....................................................................... 46 Como verificar a quiralidade de uma molécula sem desenhar a sua imagem ........................................................ 49 Moléculas com plano de simetria. ..................................... 50 Derivados do ciclo-hexano .................................................. 51 Moléculas com centro de simetria ...................................... 53 Carbonos pseudo quirais ..................................................... 57

Isómeros – compostos com a mesma fórmula molecular Isómeros estereoquímicos ou estereoisómeros Isómeros constitucionais Mesma fórmula de estrutura, fórmula estereoquímica fórmula de estrutura De grupo funcional, De cadeia, De posição Enantiómeros Diastereómeros ou diasteroisómeros (1) Objecto | Imagem Não são (1)

Estereoisómeros ou isómeros estereoquímicos São isómeros (mesma fórmula molecular) que só diferem na fórmula estereoquímica. Cl-CH=CH-Cl B A Cl H C D I – C – Br Objecto Imagem A e B – diastereoisómeros ou diasterómeros C e D – enantiómeros

Não sobreponíveis com a sua imagem num espelho plano. Mola direita Mola esquerda Mão esquerda Mão direita Espelho plano São objectos quirais Não sobreponíveis com a sua imagem num espelho plano. Não sobreponíveis

A = - A -A A - B B = - B B B = - A A = - B -A -B A = B B A

Que se entende por sobreponibilidade? Duas esferas com o mesmo raio são sobreponíveis. Duas esferas com raios diferentes não são sobreponíveis. Dois cubos com igual aresta são sobreponíveis. Dois cubos com diferentes arestas não são sobreponíveis.

Sobreponíveis Espelho plano Objecto Imagem Não sobreponíveis

CH3Cl Sobreponibilidade de moléculas Não-quiral Objecto Imagem As fórmulas estereoquímicas são sobreponíveis:

Fórmulas sobreponíveis CH2Cl2 Rodar a molécula de 180º Não-quiral Objecto Imagem Fórmulas sobreponíveis

Fórmulas sobreponíveis CHBrCl2 Rodar a molécula de 60º Não-quiral Objecto Imagem Fórmulas sobreponíveis Rodar novamente de 60º

A e B não-sobreponíveis Cl H A B I – C – Br Objecto Imagem Br e H trocados. A e B não-sobreponíveis Quiral Rodar de 180º B

O carbono apresenta duas configurações diferentes. Espelho O carbono apresenta duas configurações diferentes. Par de enantiómeros Não sobreponíveis

Clica Imagem Objecto

Diferentes sequências, diferentes fórmulas. Como verificar, à priori, a sobreponibilidade de duas fórmulas estereoquímicas, A e B? Basta olhar A e B segundo uma qualquer ligação e verificar se a ordem dos substituintes é a mesma: Diferentes sequências, diferentes fórmulas. A B

Configurações do carbono. Como as distinguir? H Regras de sequência de Cahn, Ingold e Prelog. Br F Cl 1 - Definir a prioridade dos substituintes do carbono quiral: nº atómico (Z) do átomo ligado ao carbono Br > Cl > F > H 2 – Olhar os substituintes pelo lado oposto ao de menor prioridade Br > Cl > F > H

R Rectus S Sinister Br Cl Br Cl H F F Br > Cl > F F F H Cl Br Br (direita) F F H S Cl Br Br Cl Sinister (esquerda)

R S Com a ajuda das mãos I I P P M M I I P P M M Mão direita - R Médio > Indicador > Polegar I I P S P M M Mão esquerda - S

Grupos de maior prioridade Ácido (Z)-2-hidroxi-3-cloroprop-2-enóico Extensão das regras de sequência a isómeros cis/trans Z -Cl > H -OH > -COOH Em português: Zuntos Do mesmo lado: Z Grupos de maior prioridade De lados opostos: E Z de Zuzammen, juntos (alemão) E de Entgegen, opostos (alemão) Nome do composto: Ácido (Z)-2-hidroxi-3-cloroprop-2-enóico

B A – C – C D Molécula quiral: não-sobreponível com a sua imagem num espelho plano Carbono ligado a 4 átomos ou grupos diferentes. Carbono quiral: centro estereogénico A – C – C B D

Por cada carbono quiral há duas configurações. Objecto Imagem Por cada carbono quiral há duas configurações. Par de enantiómeros Mesmas propriedades químicas e físicas; só diferem numa propriedade óptica denominada poder rotatório específico. Vamos analisar esta propriedade óptica:

A luz consiste na propagação no espaço de vibrações electromagnéticas. Campo eléctrico, E Campo magnético, B

Na luz normal as vibrações dos campos eléctrico (E) e magnético (B) dão-se em todas as direcções normais à direcção de propagação da luz. E ou B

Luz polarizada linearmente Se todas as vibrações (do campo eléctrico, E, ou do campo magnético, B) se passarem a dar num só plano a luz diz-se polarizada linearmente. E E Luz polarizada linearmente Luz normal A luz pode ser polarizada por reflexão e por passagem através de certos materiais (prismas de Nicol, placas polaróide, etc.).

O plano de polarização rodou Substância opticamente activa Há substâncias com actividade óptica, isto é, que fazem rodar o plano de polarização da luz polarizada linearmente. Observador O plano de polarização rodou Substância opticamente activa Luz polarizada Rotação,  À entrada À saída

Duas placas cruzadas não deixam passar a luz. Pode obter-se facilmente luz polarizada utilizando placas polaróide. Duas placas cruzadas não deixam passar a luz.

A primeira placa polariza a luz que não passa na segunda placa por estar cruzada.

Placas polaróide paralelas Analogia Luz polarizada Passa Passa Placas polaróide cruzadas Não passa Luz polarizada Passa NOTA – Estes desenhos foram parcialmente retirados de: http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/CLASS/light/u12l1e.html e de http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lc/light/light.htm

O poder rotatório das substâncias é medido pelo polarímetro.

Substâncias levógiras, l Substâncias dextrógiras, d Rotação,  Rotação negativa Rotação positiva Substâncias levógiras, l Substâncias dextrógiras, d

[a] = 13,5  = [a] l c De que depende a rotação,  ? Depende: Natureza da substância Percurso da luz através da substância (l) Concentração (caso de soluções) (c)  = [a] l c [a] - Poder rotatório específico (característico da substância; depende da temperatura e do comprimento de onda da radiação). 25º [a] = 13,5 Representa-se: D Luz amarela do sódio, l = 589,3 nm, risca D

Substâncias opticamente activas. Como serão? São todas as substâncias cujas moléculas são quirais. * Ácido láctico: CH3-CHOH-COOH Apresenta dois isómeros ópticos Carbono quiral (assinalado com *) Ácido láctico l ou (-) Ácido láctico d ou (+) [a]D= -13,5 º [a]D= +13,5 º Não sobreponíveis: quirais. Um par de enantiómeros

Vamos estabelecer as configurações de cada um dos estereoisómeros. Prioridade dos substituintes: -OH > -COOH > CH3 > H H - H O = OH C C S R 2 2 S 1 3 1 3

2 x 2 = 4 configurações possíveis 4 estereoisómeros possíveis Moléculas com dois carbonos quirais Quantos estereoisómeros existirão? * * Duas configurações possíveis Duas configurações possíveis 2 x 2 = 4 configurações possíveis 4 estereoisómeros possíveis

A B Comecemos por um dos isómeros, por exemplo Verifiquemos se é quiral: A B

Vamos procurar os outros dois isómeros. B B B Trocados Serão sobreponíveis? Conclusão: não são sobreponíveis. Dois estereoisómeros (par de enantiómeros). Vamos procurar os outros dois isómeros.

C A F H Trocando o H com o F D C Segundo par de enantiómeros

Verificar que não são sobreponíveis: D C 1 2 3 4 4 1 D C 3 2

2 x 2 = 4 configurações possíveis 4 estereoisómeros possíveis Dois carbonos quirais e plano de simetria Quantos estereoisómeros existirão? * Duas configurações possíveis Duas configurações possíveis 2 x 2 = 4 configurações possíveis 4 estereoisómeros possíveis

Comecemos por um dos isómeros, por exemplo Será quiral ?

A B Trocados Trocados B Conclusão: não sobreponíveis. Dois estereoisómeros (par de enantiómeros).

A C Como obter os restantes estereoisómeros? Invertendo a configuração de um dos carbonos: A C Será este 3º isómero opticamente activo?

Estas duas fórmulas estereoquímicas são sobreponíveis por uma simples translação: C = D Plano de simetria Em vez de dois isómeros temos somente um estereoisómero, opticamente inactivo. É o isómero meso.

Centro de simetria (nesta conformação) Par de enantiómeros Meso Ácido tartárico A B [a] = -12 º [a] = +12 º Meso A e B : Objecto e imagem. São enantiómeros. A e C ou B e C : Não são objecto e imagem. São diasteroisómeros. C Centro de simetria (nesta conformação)

S S R S R R

Meso Em resumo 1 C* - 1 par de enantiómeros 2 C* - s/ plano de simetria: 2 pares de enantiómeros 2 C* - c/ plano de simetria: 1 par de enantiómeros 1 isómero meso n C* - número máximo de estereoisómeros: 2n

Dada uma determinada molécula, será possível saber à priori se ela é quiral, sem ter desenhar a sua imagem num espelho plano? É possível. Nos casos mais comuns, uma molécula não será quiral se tiver: a) Plano de simetria ou b) Centro de simetria CHBrCl2 CH2Cl2

Cl Cl H H H H H H H Cl H Cl H

Ciclo-hexano Cl Cl Br Cl Br Br Barco Cadeira Eclipsadas Alternadas Cadeira empenada Barco empenado

Para a tornar quiral basta introduzir assimetria: ligação dupla. Cl Cl Plano de simetria Plano de simetria Br Br Não é quiral Para a tornar quiral basta introduzir assimetria: ligação dupla. Cl Cl Br Br Carbono quiral Cl Br Cl Br Par de enantiómeros

Para não sobrecarregar a imagem Vejamos que são sobreponíveis: Moléculas com centro de simetria Para não sobrecarregar a imagem Br Cl H Vejamos que são sobreponíveis: H O mesmo sucede com os Hs H H Cl Br Cl Br Br Cl

90º Br Cl Br Cl Sobreponíveis Br 180º Br Cl Br Cl

Br Cl Br Cl 90º 180º Clica Clica 1º - Rotação de 90º 2º - Rotação diagonal

* * * CH3-CHOH-CHOH-CHOH-CH3 2 mesos + 1 par de enantiómeros Meso Meso Carbono pseudo quiral Meso Meso 2 mesos + 1 par de enantiómeros

F I M