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“Tópicos Especiais em Estruturas de Biomoléculas em 3D”

Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agropecuária

FCAV/ UNESP Jaboticabal

Profa. Dra. Luciana Maria Saran Departamento de Tecnologia

[email protected]

1

Estereoquímica , Propriedades Físicas e Atividade Biológica de Biomoléculas

mailto:[email protected]

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

propriedades físicas das moléculas.

Elementos Comuns em Compostos Orgânicos

3

• Fórmulas estruturais planas Que maneiras podem ser usadas para representar as fórmulas estruturais planas do octano (C8H18)?

ou CH3[CH2]6CH3

4 (Fonte: Barbosa, 2011)

• 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.


• 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.

6

• Desenhos em perspectiva

Exemplo:

7

(Fonte: Barbosa, 2011)

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)

propan-2-ol (álcool secundário)

metoxietano (éter)

12

Nome do Composto

Fórmula Molecular

Massa Molecular

(u)

TE (oC)

TF (oC)

Solubilidade em H2O a

25 oC

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.

13

• Isômeros Constitucionais (Planos ou Estruturais)

Fórmula molecular: C4H8

but-1-eno but-2-eno

metilpropeno 14

15

ATIVIDADE 1(b) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isomeria Constitucional em Biomoléculas

Exemplo: glicose e frutose (fórmula molecular: C6H8O6).

glicose frutose

16

• 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


C2H6 C2H4

• Etano • Eteno (etileno)

18

19

• Isômeros Conformacionais Etano: C2H6


• Isômeros Conformacionais

Etano: C2H6



Etano: C2H6

22

23

ATIVIDADE 2(a) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isomeria Conformacional em Compostos Cíclicos

Cicloexano: C6H12

24


Cicloexano: C6H12



Cicloexano: C6H12

26

27

ATIVIDADE 2(b) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

Conformação em cadeira da glicose

28

• Isomeria Conformacional em Biomoléculas

Exemplo: glicose

• Isomeria Geométrica em Moléculas Insaturadas

Exemplo: isômeros geométricos do but-2-eno (C4H8)

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

-------------------------------- --------------------------------

29

30

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

• Isômeros Geométricos


31

• Isômeros Geométricos

Fórmula molecular: C2H2Cl2

---------------------- ----------------------

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

32

• Isomeria Geométrica em Biomoléculas

Exemplo: ácidos graxos insaturados

33

Ácido Esteárico (C18H36O2)

34

Ácido Oléico (C18H34O2)

35

36

• Principais ácidos graxos existentes na natureza:

C18:3(9,12,15)

(Fonte: Marçon, 2010)


Exemplo: ácidos graxos insaturados

37

38


Exemplo: triacilglicerídeos

Gordura cis

39

40

ATIVIDADE 3(c) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

ácido cis-butenodióico (ácido maleico)

ácido trans-butenodióico (ácido fumárico)

41

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)


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


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

-------------------------------------

-------------------------------------


46

ATIVIDADE 3(d) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

47


No caso de átomos de mesmo número atômico, o isótopo de maior número de massa tem maior prioridade: T > D > H 14C > 13C > 12C

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


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

(Fo

nte

: Barb

osa

, 2011)

49

ATIVIDADE 3(e) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isômeros Geométricos Cíclicos

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

50

51

ATIVIDADE 3(f) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

• Isômeros Geométricos Cíclicos

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

52

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.

cis-11-retinal trans-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

Isomerização cis-trans com luz

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 (ou E) não apresenta a propriedade de agir como feromônio.

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

(Fo

nte

: Coelh

o, 2

001)

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

Estereoisômeros

59

• Isomeria Ótica

Par de Enantiômeros

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

(Fonte: Coelho, 2001)

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

(H).

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, C6H5CH(NH2)CO2H:

*

Número de estereoisômeros = 2n n = número de centros (ou C)

assimétricos. Se n = 1 21 = 2

estereoisômeros

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 = 21 = 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

(ácido lático)

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].


* *

Espelho

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:

https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi-3oK3xKjgAhU0C9QKHXDGBW8QjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Filpinterest.eu%2Fminicurso-b%25C3%25A1sico-de-librasvideo-online-carregar.html&psig=AOvVaw0h-0vHf8BXCjiz-UikGC5i&ust=1549591522448806

https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi-3oK3xKjgAhU0C9QKHXDGBW8QjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Filpinterest.eu%2Fminicurso-b%25C3%25A1sico-de-librasvideo-online-carregar.html&psig=AOvVaw0h-0vHf8BXCjiz-UikGC5i&ust=1549591522448806

74


• Anfetamina (1-fenilpropan-2-amina)

*

75

Enantiômero S: produz mais efeitos cardiovasculares adversos

Enantiômero R: 3 a 4 vezes mais potente como estimulante

Espelho

* *

76

• Ibuprofeno

* *

77


* *

*

*

* * *

*

(Fo

nte

: Coelh

o, 2

001)

78

(Fo

nte

: Lim

a, 1

997)

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.

(Fonte: Bruice, 2006)

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 = 22 = 4


84


* * * *

* * * *

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


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

Par de enantiômeros para o isômero 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


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

*

*

94

ATIVIDADE 4(d) DO ROTEIRO DE ATIVIDADES PRÁTICAS.

95


Exemplo: ácido tartárico (ácido 2,3-dihidroxibutanodióico). Diferentes representações dos estereoisômeros do ácido

tartárico:

(Fonte: Rezende, 2016)

96

• Representações dos estereoisômeros do ácido tartárico:

(Fonte: Rezende, 2016)

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

* *


99

• Sistema R,S para isômeros com mais de um C*, aplicado a projeções de Fischer:

*

*

Configuração

absoluta do C2


*

*

Configuração

absoluta do C3


100

• Fórmulas em perspectiva dos estereoisômeros do 3-bromobutan-2-ol:

• Projeções de Fischer dos estereoisômeros do 3-bromobutan-2-ol:


(2R,3S)-3-bromobutan-2-ol

(2S,3S)-3-bromobutan-2-ol

(2R,3R)-3-bromobutan-2-ol

* * *

* * * *

*


(2R,3S)-3-bromobutan-2-ol

(2S,3S)-3-bromobutan-2-ol

(2R,3R)-3-bromobutan-2-ol

* *

*

*

*

* *

*


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


103

• Interações Envolvendo Moléculas:


104

• Energia Típica Requerida para o Rompimento das Forças de Atração Responsáveis pela União de Átomos, Moléculas e Íons

105

• Fluxograma para reconhecer os Principais Tipos de Interações Envolvendo Moléculas:

106

• Escala de Eletronegatividade de Pauling

107

• Interações Dipolo-dipolo


108

• Interações Dipolo Instantâneo-Dipolo Induzido (Forças de London)

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



111



112

Glicose

• Interações entre Moléculas: influência em propriedades físicas de moléculas orgânicas


114


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

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


115


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:


S = 7,9 g/100 mL de H2O

S = 2,3 g/100 mL de H2O

Praticamente Insolúvel


117


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.

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