estereoquimica1
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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
3 planos σ1 eixo 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
2 planos σ1 eixo C2
2 planos σ1 eixo 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
3 planos σ1 eixo C3
σ, C3
3 planos σ1 eixo 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 perpendi- culares 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 perpendi- culares. 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)
2o CASO Moléculas do tipo
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
3o CASO Moléculas do tipo
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
1H RMN (300 MHz, CDCl3)
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:
1H RMN (100 MHz, CDCl3)
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)
1H RMN (300 MHz, CDCl3)
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
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