7.1 Introdução
Para determinar as fórmulas moleculares das substâncias, os químicos fazem uso da análise elementar, que consiste da determinação da proporção de massa de
cada elemento químico nas substâncias. A partir da proporção da massa de cada elemento, determina-se a fórmula molecular. O interessante é que, com esse método, os químicos perceberam que diversas substâncias orgânicas (e também inorgânicas) apresentam a mesma fórmula molecular, embora tenham propriedades físicas diferentes.
Por exemplo, foi identificado que o etanol tem a mesma fórmula molecular do
éter dimetílico, apesar de serem substâncias com propriedades bem distintas e possuírem odores e sabores característicos, além de terem suas propriedades físicas diferentes. Para a fórmula C5H12O, por exemplo, hoje sabemos que existem 14 substâncias com propriedades físicas e químicas diferentes:
Os compostos representados abaixo são diferentes. Possuem diferentes nomes, diferentes fórmulas estruturais, diferentes pontos de fusão e ebulição e também
diferentes densidades. No entanto, eles possuem, coincidentemente, a mesma fórmula molecular: C4H10O. Dizemos que ambos são isômeros.
Isômeros são compostos de mesma fórmula molecular que apresentam propriedades diferentes devido a fórmulas estruturais diferentes. De um modo amplo, a isomeria pode ser dividida em:
Isomeria plana, que depende da
localização dos átomos na molécula e
que pode ser explicada por fórmulas estruturais planas;
Isomeria espacial ou
estereoisomeria (do grego stereos,
espacial), que depende da orientação dos átomos no espaço e só pode ser explicada por fórmulas estruturais espaciais.
7.2 Isomeria Plana ou Constitucional
Isomeria plana ocorre quando a diferença entre os isômeros pode ser explicada por fórmulas estruturais planas. Os casos mais comuns de isomeria plana são:
Isomeria de cadeia (ou de núcleo);
Isomeria de posição;
Isomeria de compensação (ou
metameria);
Isomeria de função (ou funcional);
Classificar isômeros é dizer qual a principal diferença entre eles. O quadro acima ilustra a classificação dos isômeros constitucionais em cinco grupos
7.3 Isomeria Espacial
Isomeria espacial (ou estereoisomeria) é aquela que somente pode ser explicada por meio de fórmulas estruturais espaciais.
Em outras palavras, isso significa que só iremos “enxergar” a diferença existente entre dois isômeros espaciais se fizermos uso de modelos moleculares espaciais. A isomeria espacial divide-se em:
Isomeria cis-trans (ou geométrica);
Isomeria óptica.
7.3.1 Isomeria cis-trans (ou geométrica) Pode ocorrer em dois casos principais: em compostos com duplas ligações ou em compostos cíclicos. Seja o composto ClCH=CHCl. Usando-se o modelo de bolas, podemos ter as seguintes arrumações espaciais:
Repare na seguinte diferença:
Na foto da esquerda, os dois átomos de cloro estão do mesmo lado do plano que divide a molécula ao meio; essa é a chamada forma cis (do latim cis, aquém de);
Na foto da direita, os dois átomos de cloro estão em lados opostos do plano que divide a molécula ao meio; essa é
a chamada forma trans (do latim trans, para além de).
Em decorrência de suas diferentes estruturas, os isômeros cis e trans têm propriedades físicas (densidade, ponto de fusão, ponto de ebulição etc.) e propriedades químicas diferentes. Os dois compostos dados também podem ser representados abreviadamente do seguinte modo:
Generalizando, podemos dizer que ocorre isomeria cis-trans em compostos contendo ligação dupla que apresentam a estrutura:
Os compostos cíclicos apresentam um anel ou núcleo que é um polígono plano ou reverso. Conforme as ramificações (ou os substituintes) estejam acima ou abaixo desse
polígono, podem surgir casos de isomeria cis-trans. Por exemplo, o composto 1,2-dicloro-ciclo-propano. Ele poderá apresentar as seguintes estruturas:
Na foto da esquerda, os dois átomos de cloro estão acima do plano do anel; na foto da direita, um átomo de cloro está acima e o outro está abaixo do plano do anel. As duas
estruturas não podem ser superpostas, de modo que temos isômeros diferentes — o primeiro é o cis, e o segundo, o trans.
7.3.2 Isomeria óptica
Isômeros ópticos são substâncias
que possuem mesma fórmula molecular e diferentes arranjos espaciais. Esses arranjos diferenciados tornam os compostos diferentes durante as reações com reagentes assimétricos, produzindo principalmente diferentes efeitos fisiológicos. Existem vários casos de isomeria óptica:
Composto com apenas um carbono quiral
Composto com carbonos quirais diferentes
Composto com carbonos quirais iguais Compostos alênicos
Compostos cíclicos Compostos com um carbono assimétrico
O exemplo clássico é o ácido lático (ou ácido α-hidróxi-propanoico ou ácido-2-hidróxi-propanóico), que é proveniente do leite:
O carbono central é assimétrico (costuma-se indicar os carbonos assimétricos
com um asterisco), pois a ele estão ligados quatro radicais diferentes: H, CH3, OH e
Sua mistura em quantidades equimolares (partes iguais) resulta numa mistura opticamente inativa, denominada
mistura racêmica, conhecida também como
isômero racêmico [ (dl) ou (r) ]. Essa
mistura não é opticamente ativa, ou seja, não desvia o plano da luz polarizada. Dizemos que o racêmico é inativo por compensação externa, já que o efeito produzido por uma
molécula é compensado externamente, por outra molécula.
A assimetria molecular estará presente se houver na estrutura um carbono que faça quatro ligações simples e que esteja ligado a quatro grupos diferentes. O carbono em questão é chamado de carbono assimétrico, carbono quiral ou centro quiral. A presença de um carbono quiral é condição suficiente para a isomeria óptica.
Em uma estrutura, a presença de um carbono quiral permite que a substância possua isômeros ópticos. Costuma-se usar
um asterisco (*) para destacar esse carbono. Alguns exemplos de moléculas contendo carbono quiral aparecem a seguir.
Composto com carbonos quirais diferentes
Consideremos o exemplo do ácido α-hidróxi-β-metil-succínico. Temos nessa substância dois carbonos assimétricos considerados diferentes entre si porque os grupos ligados ao carbono 2 não são todos iguais aos grupos ligados ao carbono 3. Veja que no carbono 2, além do grupo COOH, temos o grupo OH. Enquanto no carbono 3, além do grupo COOH, temos o CH3.
Esse composto tem quatro isômeros opticamente ativos e distintos entre si, que podem ser representados esquematicamente do seguinte modo:
A e B: enantiomorfos entre si C e D: enantiomorfos entre si
A + B (50% de cada): mistura racêmica C + D (50% de cada): mistura racêmica
A e C, A e D, B e C e B e D: diastereoisômeros Diastereoisômeros
são isômeros ópticos que desviam a luz polarizada em ângulos diferentes e
não são imagens
especulares um do outro. Em outras palavras,
pode-se dizer que
diastereoisômeros são compostos que possuem a mesma constituição (átomos ligados na mesma ordem), mas um não é a imagem não sobreponível do outro no espelho.
Composto com carbonos quirais iguais
Consideremos agora o exemplo do ácido tartárico (ácido di-hidróxi-succínico). Nesse exemplo, ao contrário do que se verifica nos compostos com vários carbonos assimétricos diferentes, os carbonos assimétricos 2 e 3 são iguais ou equivalentes entre si, pois ambos estão ligados aos mesmos grupos. Existem dois isômeros com atividade óptica e enantiomorfos entre si: o
ácido d-tartárico e o ácido l-tartárico. Misturados em partes iguais, eles formarão o racêmico, o qual, como sempre, é opticamente inativo (inativo por compensação externa).
No entanto, existe agora um isômero que, por si só, não tem atividade óptica (é inativo por compensação interna): o ácido mesotartárico, que possui um plano de simetria na molécula.
Composto MESO é uma molécula que, apesar de conter centros quirais, não apresenta
atividade óptica.
Compostos alênicos
O aleno é o mais simples dos alcadienos. Seus derivados apresentarão atividade óptica desde que:
Essa molécula é assimétrica e não-superponível em relação à imagem que ela teria no espelho plano. Consequentemente, teremos os isômeros dextrogiro, levogiro e o racêmico, que podemos representar abreviadamente da seguinte maneira:
Compostos cíclicos
A isomeria óptica ocorre também em compostos cíclicos, em função da assimetria molecular. Embora nessas moléculas não existam carbonos assimétricos (C*), para determinar o número de isômeros, deve-se
considerar sua existência. Para isso, devemos levar em conta os ligantes fora do anel e considerar como ligantes as sequências no sentido horário e anti-horário no anel. Exemplo:
O carbono (C3) não pode ser considerado um carbono assimétrico, pois apresenta ligantes iguais. Os outros são quirais.
Cálculos para determinação de isômeros ópticos Isômeros opticamente ativos: 2n
Isômeros opticamente inativos: 2n -1
7.4 Exercícios
01 - Em relação aos compostos propanal e propanol, pode-se afirmar que:
a) são isômeros de função b) são isômeros de cadeia
c) são isômeros de compensação d) são isômeros ópticos
e) não são isômeros
02 - Os hidrocarbonetos n-octano e 2,2,3-trimetil-pentano, componentes da gasolina, apresentam qual tipo de isomeria?
a) função b) cadeia c) compensação d) posição e) cis-trans
03 - O éter sulfúrico (etóxi-etano), também chamado éter etílico, foi muito empregado como anestésico. Entretanto, em virtude da sua toxidade, ele não é mais utilizado para esse fim. Marque a opção que apresenta um isômero plano de função do éter sulfúrico.
a) etanoato de etila. b) butan-1-ol. c) ácido butanoico. d) butan-2-ona. e) butanal. 04 - O composto
3,4-metilenodioximetanfetamina (MDMA), mais conhecido ecstasy. O Ecstasy é uma droga sintética, fabricada em laboratório. Os usuários dessa droga sentem aumento do estado de alerta, maior interesse sexual, sensação de bem-estar, grande capacidade física e mental, euforia e aumento da sociabilização e extroversão. O uso a longo prazo do ecstasy causa muitos prejuízos à saúde. O excesso de serotonina na fenda sináptica provocado pelo uso da droga causa lesões nas células nervosas irreversíveis. Além disso, pode causar lesão no fígado, que
fica amolecido, além de aumentar de tamanho, com tendência a sangramentos. Dependendo do grau de toxicidade, o quadro evolui para hepatite fulminante, podendo causar a morte caso não haja um transplante de fígado. Qual o número de carbonos assimétricos (quirais) presente nessa droga?
05 - A morfina, extraída da flor da papoula, é usada há séculos como medicamento, tanto para induzir o sono (seu nome é derivado de Morfeu, deus grego do sono) como para aliviar
dores intensas, como a dos pacientes com câncer em estágio terminal. Quantos isômeros opticamente ativos possui essa droga?
a) 2 b) 4 c) 8 d) 16 e) 32
06 - Na Química Orgânica é muito comum que os mesmos átomos se agrupem de formas diferentes, produzindo estruturas moleculares distintas e, consequentemente, substâncias também distintas. Esse fenômeno, denominado isomeria, é muito frequente e importante na Química Orgânica e, mais ainda, na Bioquímica, uma vez que enzimas e hormônios vegetais e animais, em geral, somente têm atividade biológica quando seus átomos estão arrumados em uma estrutura bem definida. Qual dos
O
N CH
3O
H
O
H
compostos abaixo não apresenta isomeria geométrica cis-trans? a) OH CH3 b) C H3 CH3 c) C H3 CH3 d) CH3 C H3 e) Cl Cl
07 - A isomeria geométrica cis-trans ocorre quando um par de isômeros apresenta a mesma fórmula
molecular, mas são diferentes em suas fórmulas
estruturais. Os isômeros deverão ter carbonos unidos por uma dupla ligação e ligantes diferentes presos a cada carbono da dupla ligação. Desta forma, para que haja isomeria geométrica no composto abaixo, o radical R deve ser diferente do
a) hidrogênio b) hidroxila c) metil d) etil e) fenil REFERÊNCIAS
FELTRE, Ricardo. Química. 6. ed. Vol. 3. São Paulo: Moderna, 2004.
FONSECA, Martha Reis Marques da.
Química. 1. ed. Vol.3. São Paulo: Ática,
2013.
PERUZZO, Francisco Miragaia. CANTO, Eduardo Leite do. Química na abordagem
do cotidiano. 4. ed. Vol. 3. São Paulo:
Moderna, 2006.
SANTOS, Wildson Luiz Pereira dos. MÓL, Gerson de Souza. Química cidadã. 2. ed. Vol. 3. São Paulo: AJS, 2013.
C H3
CH3 R