isomeria

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QUÍMICA ORGÂNICA I

AULA V – ISOMERIA

Compostos que sofrem isomeria são chamados isômeros.

Isômeros: são compostos diferentes que apresentam a mesma fórmula molecular.

ISOMERIA PLANA

ISOMERIA ESPACIAL

a) De cadeia

GEOMÉTRICA

ÓPTICA

b) De posição

Cis

Enantiômeros

c) De compensação (ou metameria)

Trans

Diastereoisômeros

d) De função

Compostos meso

e) tautomeria

  1. Isomeria Plana ou Constitucional

É um tipo de isomeria onde os isômeros se diferenciam através de suas fórmulas estruturais planas.

Isômeros constitucionais: são moléculas que diferem em virtude dos seus átomos estarem ligados em ordens diferentes, ou seja, elas diferem na conectividade entre seus átomos. Isso ocorre devido à habilidade dos átomos de carbono de formar ligações simples e múltiplas com outros átomos, além de poder se ligar a outros átomos além do átomo de carbono.

Ex: C3H6 C3H7Cl

Propeno Ciclopropano Clororopano 2-cloropropano

C2H6O C3H9N

Propanol Éter dimetílico Propanamina 2-propanamina

O número de isômeros aumenta rapidamente quando o número de átomos na fórmula molecular aumenta.

Ex: C4H10 – 2 compostos

C6H14 – 5 compostos

O importante é: todos os átomos da fórmula molecular devem estar representados nas fórmulas estruturais planas dos isômeros (nada é perdido!).

Este tipo de isomeria pode ser dividida em cinco:

  1. Isomeria de cadeia: os isômeros pertencem à mesma função e se diferenciam pelo tipo de cadeia.

HOMOGÊNEA X HETEROGÊNEA

I. H3C – CH2 – CH2 – NH2

Propilamina

C3H9N Heteroátomo: todo átomo que separa pelo menos dois carbonos.

H = átomo dentro da cadeia carbônica diferente do carbono (N, O, P, S).

|

II. H3C – N – CH2 – CH3

Etilmetilamina

NORMAL X RAMIFICADA

I. H3C – CH2 – CH2 – CH3

Butano

II. H3C – CH – CH3 C4H10

|

CH3

Metilpropano

SATURADA X INSATURADA

I.

Ciclopropano C4H10 (ambos são hidrocarbonetos)

II. H2C = CH – CH3

Propeno

A isomeria de cadeia quando ocorre entre núcleos cíclicos pode ser denominada isomeria de núcleo.

Ciclopentano Metilciclobutano Etilciclopropano (Todos são hidrocarbonetos)

  1. Isomeria de posição: Neste caso, os isômeros pertencem à mesma função e se diferenciam pela posição de uma ramificação, insaturação ou grupo funcional. Os isômeros de posição possuem cadeias carbônicas homogêneas.

RAMIFICAÇÃO:

I. H3C – CH – CH2 – CH2 – CH3 2-metilpentano

|

CH3

II. H3C – CH2 – CH – CH2 – CH3 3-metilpentano

|

CH3

INSATURAÇÃO:

I. H3C – CH = CH – CH3 2-buteno

II. CH2 = CH – CH2 – CH3 Buteno

GRUPO FUNCIONAL:

I. H3C – CH2 – CH2 – OH Propanol

II. H3C – CH – CH3 2-propanol

|

OH

  1. Isomeria de Compensação ou Metameria: neste caso, os isômeros pertencem à mesma função e apresentam a mesma cadeia carbônica, porém, apresentam heteroátomo em posições diferentes (cadeias heterogêneas). A metameria pode ser considerada um caso de isomeria de posição.

I.H3C – O – CH2 – CH2 – CH3 1-Metoxipropano

II. H3C – CH2 – O – CH2 – CH3 Etoxietano

H

I. H3C – N – CH2 – CH2 – CH3 Etilpropilamina

H

II.H3C – CH2 – N – CH2 – CH3 Dietilamina

I. H3C – COO – CH2 – CH2 – CH3 Etanoato de propila

II. H3C – CH2 – COO – CH2 – CH3 Propanoato de etila

Os isômeros que apresentam isomeria de compensação são chamados de metâmeros.

  1. Isomeria de Função: são isômeros que pertencem a funções químicas diferentes.

I. H3C – CH2 – OH Etanol (álcool)

II. H3C – O – CH3 Metoximetano (éter)

0

//

I. H3C – CH2 – C Propanal (aldeído)

\

H

II. H3C – C – CH3 Propanona (cetona)

||

O

O

//

I. H3C – CH2 – CH2 – C Ácido Butanóico (ácido carboxílico)

\

OH

O

||

II. H3C – C – O – CH2 – CH3 Etanoato de etila (Éster)

  1. Tautomeria: este tipo de isomeria ocorre quando dois compostos de mesma fórmula molecular e grupos funcionais diferentes coexistem em equilíbrio dinâmico em soluções, no qual um deles está continuamente se transformando em outro e vice-versa. É um caso particular de isomeria de função, onde ocorre a transformação de aldeídos ou cetonas em enóis e vice-versa. Acontece somente em compostos cuja molécula possui um elemento muito eletronegativo, como o oxigênio, e um carbono com uma ligação π. O átomo muito eletronegativo atrai elétrons da ligação π do carbono. Para estabilizar a molécula, o hidrogênio sai do átomo muito eletronegativo e vai para o carbono.

O OH

|| |

H3C – C – CH3 ↔ H3C – C = CH2 EQUILÍBRIO CETO-ENÓLICO

CETONA ENOL

O HO

|| l

H3C – CH ↔ H2C = CH EQUILÍBRIO ALDO-ENÓLICO

ALDEÍDO ENOL

Um enol apresenta o grupo (OH) ligado em carbono sp2 (que apresenta uma dupla ligação) não aromático.

Tautomeria não é um caso de ressonância, pois ocorre a deslocalização de elétrons acompanhada da deslocalização de átomos de hidrogênio.

  1. Isomeria espacial ou Estereoisomeria (Estereoquímica)

É um tipo de isomeria onde os isômeros se diferenciam somente pela disposição dos átomos no espaço.

Isômeros espaciais ou estereoisômeros: possuem a mesma fórmula molecular, apresenta os mesmos átomos constitutivos ligados na mesma seqüência (mesma fórmula estrutural plana), diferenciando apenas nas fórmulas estruturais espaciais (arranjo espacial dos átomos).

A isomeria espacial pode ocorrer em dois casos:

a) Isomeria Geométrica ou cis-trans;

b) Isomeria Óptica.

ISOMERIA GEOMÉTRICA

Também conhecida como isomeria CIS-TRANS ou Z-E.

Isômeros geométricos: são aqueles que possuem a mesma fórmula molecular e a mesma seqüência de ligação dos átomos, mas diferem entre si devido a certas restrições geométricas na localização de átomos ou grupos de átomos. Tais isômeros possuem algum tipo de estrutura rígida que impede a livre rotação da molécula. Logo, não há a interconversão entre eles à temperatura ambiente, uma vez que somente ligações simples a permitam.

Isômeros cis-trans são estruturas estáveis e não-interconversíveis, o que permite sua separação em laboratório.

Pode ocorrer em duas condições:

  • Em compostos de cadeia acíclica com dupla ligação:

Uma ligação σ, por ser frontal (ao longo do eixo da ligação), possibilita a rotação da molécula em torno dela, uma vez que não é necessária grande quantidade de energia para tal.

Todavia, há uma grande barreira energética à rotação livre, associada aos grupos ligados por uma dupla ligação. A ligação π é realizada entre orbitais p de cada carbono, e ocorre quando estes são paralelos um ao outro (ligação paralela) e perpendiculares em relação ao eixo da ligação. Devido a isso, a rotação de uma dupla ligação envolve a ruptura da ligação π, o que é energeticamente desfavorável à temperatura ambiente, impossibilitando a rotação livre.

Energia de uma ligação simples: 83 kcal/mol

Energia de uma ligação dupla: 146 kcal/mol 63 kcal/mol

Em alcenos, se cada um dos carbonos ligados pela dupla ligação tiverem dois ligantes diferentes, haverá a possibilidade de existirem dois compostos em que esses dois grupos estão espacialmente em posições diferentes.

  • Em compostos de cadeia cíclica:

Em compostos cíclicos, os átomos de carbono jamais poderão fazer uma rotação completa em torno dos seus eixos sem romper o ciclo. Portanto a estrutura cíclica é rígida.

Logo, para que haja isomeria geométrica, basta que pelo menos dois carbonos do ciclo possuam dois ligantes diferentes cada um.

Portanto, surgem os isômeros (ou estereoisômeros) que podem ser classificados como cis e trans:

Isômero cis – aquele que possui dois grupos idênticos num mesmo lado da dupla ligação ou do anel.

Isômero trans – aquele que possui dois grupos idênticos em posição transversal (lados opostos) em relação à dupla ligação ou ao anel.

Nomenclatura: indicamos que são isômeros diferentes pelos prefixos cis ou trans antepostos ao respectivo nome.

Ex:

Cis-2-buteno Trans-2-buteno

(PE=4oC; PF=-139oC) (PE=1oC; PF=-106oC)

(momento dipolo = 0,33D) (momento dipolo = 0D)

Os isômeros geométricos possuem propriedades físicas diferentes, tais como PE, PF e densidade. Podem apresentar reatividades químicas diferentes.

Ácido cis-butenodióico Ácido trans-butenodióico Anidrido butenodióico

(140oC) (ciclo de Krebs) (290oC) (anidrido maleico)

Cis-1,2-dimetilciclopropano Trans-1,2-dimetilciclopropano

Cis- 1,2-dimetilciclopentano Trans-1,2-dimetilciclopentano

Número máximo de isômeros geométricos de uma molécula = 2n

Onde n = número de duplas ligações com substituintes diferentes em cada carbono.

Ex: 2,4-heptadieno 22 = 4 isômeros

cis-cis-2,4-heptadieno trans-trans-2,4-heptadieno cis-trans-2,4-heptadieno trans-cis-2,4-heptadieno

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