Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agropecuária. FCAV/ UNESP Jaboticabal. Tópicos Especiais em Estruturas de Biomoléculas em 3D

“Tópicos Especiais em Estruturas de Biomoléculas em 3D”

Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agropecuária FCAV/ UNESP Jaboticabal

Profa_{. Dr}a_{. Luciana Maria Saran}

Departamento de Tecnologia

lm.saran@unesp.br

1

Estereoquímica , Propriedades Físicas e Atividade Biológica de Biomoléculas

2

• Programação



Primeiro dia:

. Composição química de moléculas orgânicas e fórmulas estruturais planas.

. Isomeria constitucional (plana ou estrutural). . Isomeria conformacional.

. Isomeria geométrica.

 Segundo dia:

. Estereoquímica e isomeria ótica.

. Interações envolvendo moléculas e sua influência em

Elementos Comuns em Compostos Orgânicos

• Fórmulas estruturais planas

Que maneiras podem ser usadas para representar as

fórmulas estruturais

planas

do octano (C

₈

H

₁₈

)?

ou

CH₃[CH₂]₆CH₃

4

• Fórmulas estruturais planas

 Ligações múltiplas: representadas por meio de duas ou três linhas. Outros átomos ou grupos de átomos são representados como nos exemplos a seguir.

5

• Desenhos em perspectiva

Como interpretá-los?



São usados para informar o caráter tridimensional de

uma molécula.



Ligações que se estendem para fora do plano do

papel: são desenhadas como cunhas sólidas.



Ligações que se estendem atrás do plano do papel:

representadas como cunhas tracejadas.

• Desenhos em perspectiva

Exemplo:

7

8 Permite a representação compostos orgânicos em duas

dimensões.

 Projeções de Fischer para os compostos (I) e (II) são:

• Projeção de Fischer

 Linhas na horizontal representam grupos que estão na frente do plano do papel e as linhas na vertical, os grupos que estão atrás do plano.

• ISÔMEROS: compostos que possuem os mesmos constituintes atômicos, porém suas disposições na molécula são diferentes.

• TIPOS DE ISOMERIA:

- Isomeria Constitucional (Plana ou Estrutural) - Isomeria Conformacional - Estereoisomeria Isomeria Geométrica Isomeria Ótica 9

• Isomeria Constitucional (Plana ou Estrutural)

Exemplo: isômeros constitucionais

com a fórmula molecular C₃H₈O. metoxietano (éter) propan-1-ol (álcool primário) 1 2 3 C1: carbono primário propan-2-ol (álcool secundário) 1 2 3 C2: carbono secundário 10

11

ATIVIDADE 1(a) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS

• Isômeros Constitucionais (Planos ou Estruturais)

Fórmula molecular: C₃H₈O

propan-1-ol

(álcool primário) _{(álcool secundário)} propan-2-ol

metoxietano

Nome do

Composto Molecular Fórmula Molecular Massa

(u) TE (o_C) TF (o_C) Solubilidade em H₂O a 25 o_C propan-1-ol C₃H₈O 60,09 97,0 - 126 miscível propan-2-ol C₃H₈O 60,09 82,3 - 89 miscível metoxietano C₃H₈O 60,09 7,4 -139,2 50 g L-1

TE: temperatura de ebulição. TF: temperatura de fusão.

• Isômeros Constitucionais (Planos ou Estruturais)

Fórmula molecular: C₄H₈

but-1-eno but-2-eno

15

ATIVIDADE 1(b) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isomeria Constitucional em Biomoléculas

Exemplo:

glicose e frutose (fórmula molecular: C₆H₈O₆).

glicose frutose

• Isomeria Conformacional

 Forma de estereoisomerismo na qual isômeros da mesma molécula podem ser interconvertidos a temperatura ambiente apenas por rotações em torno de ligações simples C – C.

 Tais isômeros (estereoisômeros) são geralmente denominados isômeros conformacionais ou

confórmeros.

 São compostos que, geralmente, não podem ser separados fisicamente, devido a sua facilidade de interconversão.

17

C

₂

H

₆

_C

₂

_H

₄

• Etano

• Eteno (etileno)

• Isômeros Conformacionais

Etano: C

₂

H

₆

20

• Isômeros Conformacionais

Etano: C

₂

H

₆

21

• Isômeros Conformacionais

Etano: C

₂

H

₆

23

ATIVIDADE 2(a) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isomeria Conformacional em Compostos Cíclicos

Cicloexano: C

₆

H

₁₂

• Isômeros Conformacionais

Cicloexano: C

₆

H

₁₂

25

• Isômeros Conformacionais

Cicloexano: C

₆

H

₁₂

27

ATIVIDADE 2(b) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

Conformação em cadeira da glicose

28

• Isomeria Conformacional em Biomoléculas

• Isomeria Geométrica em Moléculas Insaturadas

Exemplo: isômeros geométricos do but-2-eno

(C₄H₈)

cis-but-2-eno trans-but-2-eno

--- ---

30

ATIVIDADES 3(a) E 3(b) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isômeros Geométricos

Fórmula molecular: C₄H₈

• Isômeros Geométricos

Fórmula molecular: C₂H₂Cl₂

--- ---

cis-1,2-dicloroeteno trans-1,2-dicloroeteno

• Isomeria Geométrica em Biomoléculas

Exemplo: ácidos graxos insaturados

Ácido Esteárico (C₁₈H₃₆O₂)

Ácido Oléico (C₁₈H₃₄O₂)

36 • Principais ácidos graxos existentes na natureza:

C18:3(9,12,15)

• Isomeria Geométrica em Biomoléculas

Exemplo: ácidos graxos insaturados

• Isomeria Geométrica em Biomoléculas

Exemplo: triacilglicerídeos

Gordura cis

40

ATIVIDADE 3(c) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

ácido cis-butenodióico (ácido maleico)

ácido trans-butenodióico (ácido fumárico)

42

• Sobre o uso dos prefixos

cis

e

trans

para nomear

isômeros geométricos que têm dupla ligação C=C

 Prefixos cis e trans: usados apenas para isômeros

com C=C dissubstituídos.  Exemplos: ácido cis-butenodióico (ácido maleico) ácido trans-butenodióico (ácido fumárico) (Fonte: Barbosa, 2011)

43

• Sobre o uso dos prefixos

E

e

Z

para nomear

isômeros geométricos que têm dupla ligação C=C

 Prefixos E e Z: usados para designar isômeros com

C=C que sejam tri ou tetrassubstituídos .

 Sistema E-Z: examinam-se os grupos ligados a cada átomo de carbono da dupla ligação, colocando-os em ordem de prioridade.

 Átomos de maior número atômico têm maior prioridade.  Ordem decrescente de prioridade:

I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H

44

• Sobre o uso dos prefixos

E

e

Z

para nomear

isômeros geométricos que têm dupla ligação C=C

 Grupos de maior prioridade em cada carbono do mesmo lado de um plano imaginário passando por esses carbonos  geometria da dupla ligação será designada pela letra Z (do alemão Zusammen, “juntos”).

 Grupos de maior prioridade em cada carbono em lados opostos da dupla ligação  geometria da ligação será designada pela letra E (do alemão Entgegen,

“opostos”).

• Isômeros Geométricos e Prefixos

Z

e

E

Fórmula molecular: C₂BrClFH 2-bromo-1-cloro-1-fluoroeteno 1 2 (Z )-2-bromo-1-cloro-1-fluoroeteno 1 2









(E)-2-bromo-1-cloro-1-fluoroeteno --- --- 45 (Fonte: Barbosa, 2011)

46

ATIVIDADE 3(d) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

47

• Sobre o uso dos prefixos

E

e

Z

para nomear

isômeros geométricos que têm dupla ligação C=C



No caso de átomos de mesmo número atômico, o

isótopo de maior número de massa tem maior

prioridade: T > D > H

14

_{C >}

13

_{C >}

12

_C



Se os átomos ligados aos carbonos da ligação dupla

forem iguais, os números e as massas atômicas dos

elementos ligados a esses átomos são usados para

realizar o desempate.

• Isômeros Geométricos e Prefixos

Z

e

E

Fórmula molecular: C₆H₁₂ H₃C – C = C – CH₂ – CH₃ H CH₃ 1 2 3 4 5 C = C H H₃C CH₃ CH₂CH₃ C = C CH₃ CH₂CH₃ H₃C H --- --- 2 2 3 3

















(Z)-2-metilpent-2-eno (E)-2-metilpent-2-eno ₄₈ (Fonte: B arbosa, 2011)

49

ATIVIDADE 3(e) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isômeros Geométricos Cíclicos

cis-1,2-dimetilciclopentano trans-1,2-dimetilciclopentano

51

ATIVIDADE 3(f) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isômeros Geométricos Cíclicos

cis-1,2-dicloropropano trans-1,2-dicloropropano

53

ATIVIDADE 3(g) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isomeria geométrica e a química da visão

 A retina possui células fotorreceptoras (cones e bastonetes), que contêm proteínas chamadas opsinas, que possuem, em suas estruturas, moléculas denominadas cis-11-retinal.

55  Quando luz incide no olho e atinge os fotorreceptores, o

cis-11-retinal isomeriza-se, transformando-se em

trans-11-retinal. Essa transformação gera um impulso

elétrico, que é enviado ao cérebro. Dessa forma, as imagens são interpretadas pelo cérebro e compõem o que estamos vendo.

• Isomeria geométrica e a química da visão

56 • Isomeria geométrica e feromônios

 Feromônios: substâncias secretadas por um indivíduo e que permitem a sua comunicação com outros indivíduos da mesma espécie.

(9Z)-tricos-9-ene

 Feromônio sexual excretado pelas fêmeas da mosca doméstica: (9Z)-tricos-9-ene. Seu isômero na forma trans

57

• Isomeria Ótica

Quiralidade: é um atributo geométrico. Um objeto que não pode ser sobreposto à sua imagem especular é quiral.

Imagem Especular da Mão Humana

(Fonte:

Co

elho

,

58

• Isomeria Ótica

Exemplo: compostos de fórmula molecular CHBrClF.

Neste caso, quais os arranjos espaciais possíveis para os

átomos ligado ao carbono (C)?

* *

Centro quiral ou assimétrico

Moléculas 1 e 2

59

• Isomeria Ótica

60

• Isomeria Ótica

 Enantiômeros têm atividade ótica ou são oticamente

ativos. O que significa isso????

Origem do termo: latim laevu = esquerda Origem do termo: latim dextro = direita

Desvio do Plano da Luz Polarizada Ocasionado por

um Enantiômero

Polarização da Luz em um Polarímetro

61

• Representação Esquemática de um Polarímetro

62

• Como desenhar e reconhecer de forma correta a

maneira como os substituintes de um C

assimétrico orientam-se no espaço???

 Notação adotada: notação R e S (proposta por Cahn, Ingold e Prelog).

 Notação R e S: baseada em regra de prioridade entre os diferentes substituintes ligados ao C assimétrico.

 Regra de prioridade: baseia-se no número atômico dos átomos ligados ao C assimétrico.

63

• Princípios Básicos da Regra de Prioridade para a

Notação

R

e

S

:

 Heteroátomo (por exemplo, I>Br>Cl>S>O>N) tem maior prioridade do que o C.

 Uma ligação dupla (-CH=CH₂) tem maior prioridade do que uma ligação simples (-CH₂-CH₂-).

 Átomo de menor prioridade: átomo de hidrogênio

64

• O que deverá ser feito após estabelecer as

prioridades para os substituintes ligados ao C

assimétrico???

 Ir do grupo de maior prioridade para o de menor prioridade.

 Se o caminho for no sentido horário, tem-se o

enantiômero R (latim, rectus = direita).

 Se o caminho for no sentido anti-horário, tem-se o

enantiômero S (latim, sinistrus = esquerda).

 O grupo de menor prioridade deve ser mantido sempre para trás do plano.

65

• Aplicação da Notação R e S ao Par de

Enantiômeros do Aminoácido Fenilglicina,

C

₆

H

₅

CH(NH

₂

)CO

₂

H:

*

 Número de estereoisômeros = 2n

 n = número de centros (ou C) assimétricos.

 Se n = 1  21 _{= 2}

66

• Aplicação da Notação R e S ao Par de

Enantiômeros do Aminoácido Fenilglicina:

Espelho

* _*

(R)-fenilglicina (S)-fenilglicina

67

ATIVIDADE 4(a) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

1 2 3 4 * butan-2-ol 2n _{= 2}1 _{= 1 par de enantiômeros} (S)-(+)-butan-2-ol [] =+13,52o (R) -(-)-butan-2-ol [] =-13,52o D D 25 25 68

69

• Isomeria Ótica

Atividade 4(b) do roteiro de atividades.

*

1

2 3

Fórmula Estrutural Plana do ácido 2-hidroxipropanóico

70

• Isomeria Ótica

Par de enantiômeros do ácido lático:

*

*

Espelho         Sentido Horário Sentido Anti-Horário

71

• Quiralidade e Atividade Biológica

Par de enantiômeros do ácido lático:

 Composto (I): desvia o plano de vibração da luz polarizada para esquerda ou no sentido anti-horário, [α = -2,6o_].

Corresponde à forma do ácido lático produzido pelos músculos e responsável pela dor causada após exercícios físicos.

 Composto (II): encontrado em grande quantidade no leite azedo, desvia o plano da luz polarizada para a direita ou no sentido horário, [α = +2,6o_].

(Fonte: Barbosa, 2011)

* *

72 • Como podemos explicar e diferenciar os aromas

cítricos, próprios do limão e da laranja, visto que as substâncias que os caracterizam são formadas pelos mesmos elementos químicos, tanto em tipo quanto em quantidade????

Limoneno

Fórmula molecular: C₁₀H₁₆

73

Espelho

(R)-(+)-limoneno (S)-(-)-limoneno

• Par de enantiômeros do limoneno:

74

• Anfetamina (1-fenilpropan-2-amina)

*

75

Enantiômero S: produz mais efeitos

cardiovasculares adversos Enantiômero potente como estimulante R: 3 a 4 vezes mais

Espelho

76

• Ibuprofeno

77

• Quiralidade e Atividade Biológica

* * * * * * * * (Font e: Co elho , 2001)

78

(Fonte:

Lima,

79

• Como explicar o fato de enantiômeros

apresentarem efeitos biológicos distintos???

Modelo para Explicar a Interação Biológica

80

• Receptor

 É uma proteína que se liga a uma molécula em particular.  É quiral, ligando-se melhor a um enantiômero do que a

outro.

 Os enantiômeros a seguir, por exemplo, têm odores muito diferentes.

81

• Receptor

 Ilustração de como um enantiômero é ligado por um receptor. Um enantiômero (no caso, o R) se liga a um sítio e o outro enantiômero não.

82 • Aplicação do Modelo à Noradrenalina:

83

• Moléculas com mais de um carbono assimétrico

Exemplo 1: 2-bromo-3-clorobutano

 Número de estereoisômeros = 2

2

_{= 4}

84

• Moléculas com mais de um carbono assimétrico

* * * *

* * * *

 Estereoisômeros do 2-bromo-3-clorobutano:

 Pares de enantiômeros: (I) e (II); (III) e (IV).

 Diastereoisômeros: (I) e (III); (I) e (IV); (II) e (III); (II) e (IV)

85

• Moléculas com mais de um carbono assimétrico

Exemplo 2: 1-bromo-2-metilciclopentano (tb tem 2C*).

 Neste caso tb existirão 4 estereoisômeros.

 Como a substância é cíclica, os substituintes podem estar na nas configurações cis ou trans.

 O isômero cis existe como uma par de enantiômeros e o isômero trans ocorre como um par de enantiômeros.

cis-1-bromo-2-metilciclopentano trans-1-bromo-2-metilciclopentano (Fonte: Bruice, 2006)

86 • O 1-bromo-3-metilciclobutano não tem C*.

• C1: está liga a Br, H e a dois grupos idênticos (-CH₂CH(CH₃)CH₂-). • C2: está ligado a -CH₃, H e a dois grupos idênticos

(-CH₂CH(Br)CH₂-).

• A molécula só terá dois estereoisômeros, o cis e o trans, os quais não terão enantiômeros.

87 Par de enantiômeros

para o isômero cis para o isômero Par de enantiômeros trans

cis-1-bromo-3-metilcicloexano trans-1-bromo-3-metilcicloexano

88 • O 1-bromo-4-metilcicloexano não tem C*.

• A molécula só terá dois estereoisômeros, o cis e o trans, os quais não terão enantiômeros.

cis-1-bromo-4-metilcicloexano trans-1-bromo-4-metilcicloexano

89

• Substâncias meso



Tem 2 ou mais C* e um plano de simetria.

 É aquiral, ou seja: não é oticamente ativa.



Não tem imagem especular não sobreponível e tb não

tem um enantiômero.

90

• Substâncias meso



Uma substância com os mesmos 4 átomos ou grupos

ligados a 2C* diferentes terá 3 estereoisômeros: um

será uma substância meso e os outros dois serão

enantiômeros.

91  No caso das substâncias cíclicas, o isômero cis será a

substância meso e o trans existirá como enantiômeros.

cis-1,2-dibromocicloexano trans-1,2-dibromocicloexano

92

ATIVIDADE 4(c) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

93

• Moléculas com mais de um carbono assimétrico

Exemplo: ácido tartárico (ácido 2,3-dihidroxibutanodióico).

*

94

ATIVIDADE 4(d) DO ROTEIRO DE

ATIVIDADES PRÁTICAS.

95

• Moléculas com mais de um carbono assimétrico

Exemplo: ácido tartárico (ácido 2,3-dihidroxibutanodióico).

 Diferentes representações dos estereoisômeros do ácido tartárico:

96 • Representações dos estereoisômeros do ácido tartárico:

97

ATIVIDADE NÃO PREVISTA NO ROTEIRO

DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

98

• Sistema

R

,

S

para isômeros com mais de um C

*

,

aplicado a projeções em perspectiva:

 Determinação da configuração absoluta do C2:  Configuração absoluta do C2 * *  Determinação da configuração absoluta do C3:  Configuração absoluta do C3 * * (2S,3R)-3-bromobutan-2-ol * * (Fonte: Bruice, 2006)

99

• Sistema

R

,

S

para isômeros com mais de um C*,

aplicado a projeções de Fischer:

* * Configuração absoluta do C2 (2S,3R)-3-bromobutan-2-ol * * Configuração absoluta do C3 (Fonte: Bruice, 2006)

100 • Fórmulas em perspectiva dos estereoisômeros do

3-bromobutan-2-ol:

• Projeções de Fischer dos estereoisômeros do

3-bromobutan-2-ol: (2S,3R)-3-bromobutan-2-ol (2R,3S)-3-bromobutan-2-ol (2S,3S)-3-bromobutan-2-ol (2R,3R)-3-bromobutan-2-ol * * * * _{* *} * * (2S,3R)-3-bromobutan-2-ol (2R,3S)-3-bromobutan-2-ol (2S,3S)-3-bromobutan-2-ol (2R,3R)-3-bromobutan-2-ol * * * * * * * * (Fonte: Bruice, 2006)

101 • Fórmulas em perspectiva dos estereoisômeros do

ácido tartárico:

• Projeções de Fischer dos estereoisômeros do

ácido tartárico : Espelho

Espelho

102 • Centros de quiralidade de nitrogênio e fósforo:

Par de enantiômeros * _* Espelho Par de enantiômeros * _* Espelho (Fonte: Bruice, 2006)

103 • Interações Envolvendo Moléculas:

104

• Energia Típica Requerida para o Rompimento das Forças de

105 • Fluxograma para reconhecer os Principais Tipos de

106

• Escala de Eletronegatividade de Pauling

107

• Interações Dipolo-dipolo

108

• Interações

Dipolo

Instantâneo-Dipolo

109

• Ligação de hidrogênio

 Força de atração, não covalente, entre a carga parcial positiva de um átomo de H ligado a um átomo de elevada eletronegatividade (O ou N, no caso de moléculas orgânicas) e carga parcial negativa de um oxigênio ou nitrogênio próximos.

110

• Ligação de hidrogênio

111

• Ligação de hidrogênio

112

• Interações entre Moléculas: influência em

propriedades físicas de moléculas orgânicas

114

• Interações entre Moléculas: influência em

propriedades físicas de moléculas orgânicas

1. Hidrocarboneto (alcano): butano; 2. Éter: éter etílico e metílico

3. Cetona: propanona; 4. Álcool: propan-1-ol; 5. Ácido carboxílico: ácido etanóico

115

• Interações entre Moléculas: influência em

propriedades físicas de moléculas orgânicas

 Aldeídos e cetonas apresentam temperaturas de ebulição

superiores as dos alcanos de massa molar semelhante e inferiores as dos alcoóis de massa molar semelhante.

116  A polaridade de uma molécula dependerá da geometria da

mesma e do balanço entre a parte polar e a parte pouco polar (ou apolar).

 Exemplo 1:

• Interações entre Moléculas: influência em

propriedades físicas de moléculas orgânicas

S = 7,9 g/100 mL de H₂O

S = 2,3 g/100 mL de H₂O

Praticamente Insolúvel

117

• Interações entre Moléculas: influência em

propriedades físicas de moléculas orgânicas

 Com o aumento do número de átomos de carbono dos aldeídos e

cetonas, a influência do grupo carbonila sobre as propriedades físicas desses compostos diminui e eles passam a ter temperaturas de ebulição próximas às dos alcanos de massa molar semelhante.

 A polaridade de uma molécula dependerá da geometria da mesma e do balanço entre a parte polar e a parte pouco polar (ou apolar).

 Exemplo 2:

118 • Referências e material para leitura:

1. Barbosa, L.C.A. Introdução à química orgânica. 2. ed. São Paulo : Pearson Prentice Hall, 2011.

2. Bruice, P.Y. Química Orgânica. 4. ed. São Paulo : Pearson Prentice Hall, v. 1, 2006.

3. Coelho, F.A.S. Fármacos e quiralidade. Cadernos Temáticos de

Química Nova na Escola, n. 3, p. 23-32, 2001.

4. Lima, V.L.E. Os fármacos e a quiralidade: uma breve abordagem.

Química Nova, v. 20, n. 6, p. 657-662, 1997.

5. Marçon, F. O que é gordura trans? Química Nova na Escola, v. 32, n. 2, p. 78-83, 2010.

6. Rezende, G.A.A.; Amauro, N.Q.; Rodrigues-Filho, G. Desenhando isômeros ópticos, Química Nova na Escola, v. 38, n. 2, p. 133-140, 2016.