Resolução de Mistura Racêmica

Mistura racêmica é uma mistura entre partes iguais de dois enantiômeros.
Como os dois estão em partes iguais e têm as mesmas características físicas do que o outro, essa mistura não possui atividade óptica, pois as moléculas dextrógiras da mistura desviam a luz na mesma proporção que as moléculas levógiras do enantiômero.

(Giram a luz polarizada na mesma proporção, mas para sentidos opostos.)

Também por possuírem as mesmas propriedades físicas esses compostos não podem ser separados por técnicas comuns de separação de misturas como destilação e cristalização fracionada.

Enantiômeros têm:

- Mesmo ponto de fusão.

- Mesmo ponto de ebulição.

- Solubilidade igual nos mesmos solventes.


Então para separá-los (fazer a resolução da mistura) é necessário o uso de uma técnica elaborada primeiramente por Pasteur que utiliza uma reação com reagente opticamente ativo, gerando dois diastereisômeros, que poderão então ser separados por técnicas de cristalização por possuírem propriedades diferentes, principalmente diferença de solubilidade.

(depois de Pasteur ter descoberto a atividade óptica de certas partículas e a existência de enantiômeros, além dessa resolução através da criação de diastereoisômeros que será descrita, outros métodos foram inventados (inclusive cromatográficos), mas baseados nesses princípios de reação com reagentes quirais)

Reação com Reagente Opticamente Inativo

Quando um reagente opticamente inativo reage com outra substância opticamente inativa (podendo ser uma mistura racêmica) o resultado sempre será opticamente inativo.

Mesmo se houver a criação de um centro quiral no produto, se os reagentes tiverem sido opticamente inativos, o produto quando colocado em um polarímetro não terá atividade óptica.
Isso ocorre porque será produzido moléculas quirais, mas na mesma quantidade de enantiômeros, formando uma mistura racêmica.


Então a regra geral é: Reagentes opticamente inativos geram resultantes opticamente inativos, sempre.

Reagente Opticamente Ativo

Substâncias opticamente ativas podem ser obtidas inicialmente da natureza.

Os organismos vivos utilizam em sua grande maioria substâncias opticamente ativas e produzem em grande parte das vezes somente um dos enantiômeros do par.

Conseguindo o reagente opticamente ativo, pode-se utilizá-lo para fazer a Resolução de uma mistura racêmica e conseguir assim mais compostos opticamente ativos.


Normalmente os reagentes utilizados são retirados de plantas e são os chamados alcaloides. 
Substâncias orgânicas básicas que podem ser isoladas de várias plantas.

São muito usados os alcaloides na Resolução, por ela ser uma reação entre uma base orgânica (no caso o alcaloide) com um ácido orgânico, formando sais.
(é uma reação entre ácido-base.)

Exemplos de alcaloides comuns extraídos de plantas são a cocaína, morfina e a (-)quinina (extraída da casca da cinchona).

Reação de Resolução da Mistura Racêmica

A reação entre a base orgânica extraída e isolada de plantas que é opticamente ativa (sendo que a planta só produzirá uma de suas formas enantiômeras).

Então essa base orgânica, por exemplo levógira como a (-)quinina, reagirá com uma mistura racêmica formada por dois enantiômeros ácidos orgânicos (ácidos como haletos de alquila).


Será formado como produto dois tipos de sais diferentes, a base reagirá com os dois ácidos do enantiômero e dois produtos da união da base com o ácido serão formados, mas não serão a imagem um do outro no espelho e nem sobreponíveis.

Isso ocorre porque junta no sal o ácido e a base formando por exemplo:

Base = (-)B
Ácido = (±)A


Primeiro sal: (-)BH+ (-)A-
Segundo sal: (-)BH+ (+)A-

Então o sal não será sobreponível ao outro visto que a metade aniônica que o forma não ser sobreponível um a outro.
Também não será a imagem do outro no espelho pela parte catiônica não ser a imagem uma da outra num espelho (a imagem dela seria (+)BH+).

Sendo assim o sal será um diastereisômero um do outro.

Por técnica de cristalização fracionada pode-se remover totalmente um dos diastereoisômeros conseguindo depois recuperar o enantiômero na sua forma original e como um composto opticamente puro.


Para recuperar do diastereoisomero para a forma enantiômera original é facilmente conseguido pela adição de um ácido mineral mais forte à solução, que irá reagir com a base e liberar o enantiômero (-)A- ou (+)A-, dependendo de qual tiver sido isolado.

Mistura Racêmica de Bases ou Álcoois

Com uma mistura racêmica entre bases a separação ocorrerá da mesma forma, mas com reagente ácido isolado também de um organismo, normalmente de uma planta.

O ácido (-)málico é muito usado para Resoluções.


Mas em mistura de enantiômeros que são álcoois, portanto não apresentam nem basicidade nem acididade suficiente para produzirem uma reação de ácido-base gerando sais, pode-se recorrer a uma adaptação onde anteriormente a resolução, faz-se os enantiômeros reagirem com um composto que adicionará a eles uma "asa" ácida.

Podendo assim reagirem com bases agindo como ácidos. 
E ao fim do processo essa parte ácida adicionada a eles pode ser removida retornando a estrutura do enantiômero original. 

Replicação, Transcrição e Tradução

Estrutura do DNA

A molécula hereditária em todo ser vivo é o DNA.

Os cromossomos são o que antigamente foi chamado de fatores por Mendel.
Foi descoberto em 1953 a estrutura da molécula de DNA por Watson e Crick.

O DNA é um polímero de nucleotídeos, que junta duas fitas desse polímero e se ligam (cada fita em um sentido oposto a outra -uma 5'3' e a outra 3'5'-) formando uma estrutura helicoidal, que forma uma molécula de DNA.

A molécula de DNA estruturada dessa forma é o cromossomo.

Cromossomos estão sempre em pares, pois um é descendente do pai e outro da mãe.


Quando vai ocorrer divisão celular os cromossomos têm que se duplicar, o que ocorre durante a fase S. 

Então eles passam por um processo chamado de replicação.

Cada cromossomo se duplica e permanece ligado a sua cópia pelo centro das duas moléculas, por uma estrutura chamada de centrômero.

Essas duas moléculas de DNA idênticas ligadas passam a ser chamadas de cromátides-irmãs (ou simplesmente cromátides).

E o par de cromossomos quando está duplicado então passa a possuir 4 moléculas de DNA.


* Resumo Estrutura:  


 
Os nucleotídeos que formam a fita de DNA são formados por 3 componentes:





- Grupo fosfato: PO4-.


- Carboidrato: que é uma pentose (5 carbonos), a pentose presente no DNA é a desoxirribose e a presente no RNA é a ribose.

- Base nitrogenada: Pode ser pirimídica com um anel simples e púricas com um duplo anel.

Essas bases dos nucleotídeos da fita, se ligam a sua base correspondente na fita paralela a ela, por ligações de hidrogênio.

A guanina se liga a citosina e a adenina se liga timina, na formação molécula de DNA.

Então os nucleotídeos se ligam uns aos outros da mesma fita por ligações entre o fosfato do nucleotídeo de baixo ao carbono 3 do carboidrato do nucleotídeo posterior.

Na fita, formada por um polímero de nucleotídeos, a base nitrogenada sempre está ligada ao carbono 1 da pentose.
O grupo fosfato faz um ligação ao carbono 5.

Molécula de DNA é formada pela suas duas fitas pareadas em sentidos opostos.

Como o fosfato é que une esses nucleotídeos, a ligação formada é chamada de ligação fosfodiéster, que é a ligação de dois grupos hidroxilas do fosfato com duas hidroxilas de outras moléculas. 

Formando dois ésteres.

Pode-se perceber também que as fitas se ligam uma a outra por bases púricas ligando à pirimídicas.

Citosina é pirimídica e liga-se a guanina que é púrica (anel duplo) por 3 ligações de hidrogênio.

Como a Uracila é uma base nitrogenada pirimídica (anel simples), ela substitui a base pirimídica do par timina e adenina.
Que no caso é a timina, durante a formação de fitas de RNA.

Moléculas de RNA possuem somente uma fita.

Replicação

 

Uma célula replica o DNA quando vai se dividir, para dar uma cópia da molécula de DNA (cromossomo) do pai e da mãe para a célula filha.


Durante a replicação abre-se pedaços da molécula (separa-se as fitas) formando o que se chama de origens de replicação.
Que se parecem bolhas ao longo da estrutura do DNA, replicando várias partes da molécula simultaneamente.
Nessas bolhas (nas Origens de Replicação) a cópia das fitas de DNA avançam para os dois lados.
Sendo assim faz do processo mais rápido do que uma replicação que começasse na ponta e só pudesse avançar para frente.

Ocorre replicação tanto da fita de cima quanto da fita de baixo, mas como as enzimas que pareiam os nucleotídeos e montam a cópia da fita, só conseguem criar uma fita no sentido 5'3' (só conseguem ligar nucleotídeos um no outro a partir do nucleotídeo já pronto, com o fósforo já ligado no carbono 5 e criando uma ligação de uma hidroxila dele na hidroxila do carbono 3 do carboidrato do  próximo nucleotídeo), então somente na fita da bolha que for no sentido 3'5' poderá ser pareada com uma fita nova construída continuamente, formando uma nova molécula de DNA (com duas fitas opostas).

Depois do fim da cópia de uma molécula de DNA resulta em duas moléculas de DNA, cada uma com suas duas fitas, sendo que uma dessas fitas é nova (acabou de ser copiada) nas duas moléculas e uma antiga (que se conserva sempre uma fita antiga na nova molécula de DNA).

A fita que se forma, junta-se a uma que já existia anteriormente, formando a nova molécula de DNA.
Então cada uma das duas moléculas de DNA que resultaram possuem apenas uma fita nova, mantendo uma fita antiga.

(Replicação Semi-conservativa).

Porém essas moléculas de DNA ficam todas juntas, tendo então 4 fitas de DNA, duas resultantes da replicação.
Formando cada duas fitas (uma molécula) as cromátides.




- A enzima que faz a cópia do DNA (a replicação) é a DNA polimerase III.
Ela coleta nucleotídeos soltos no meio e os pareia à fita de DNA.

O nucleotídeo chega para se ligar a nova fita com 3 fosfatos, mas libera dois fosfatos resultando energia suficiente para unir-se ao outro nucleotídeo da fita, com ajuda da DNA polimerase.


A DNA polimerase verifica se fez o pareamento correto a cada fim de ligação, antes de acrescentar o próximo.
Então ela sempre tem que conferir o par de bases do nucleotídeo atrás.
Porém como ela precisa necessariamente conferir o par anterior isso é um problema para quando ela vai começar a replicação em uma nova forquilha, mas primeiramente precisa-se abrir a bolha. Para isso:

A enzima chamada helicase quebra as ligações de hidrogênio separando as fitas.

Então a replicação ocorre no sentido 5'3' porque o nucleotídeo da fita já tem seu fosfato ligado no carbono 5 (como todos os nulceotídeos inicialmente já tem) e esse mesmo fosfato fará uma ligação no carbono 3 do carboidrato do nucleotídeo que for vir ser adicionado a fita.


Como as fitas pareadas na molécula de DNA vão uma para o sentido oposto da outra, durante a replicação uma das fitas terá que ser copiada indo na direção oposta do seguimento da forquilha.
Sendo assim uma enzima chamada de RNA primase produz pequenos pedaços de RNA pareados à fita que está sendo aberta com o sentido contrário (a fita 5'3' que seguindo a helicase a DNA polimerase teria que construir uma fita no sentido 3'5', o que não é possível).

São chamados de primers e são deixados ao longo da fita, pela RNA primase.
Então uma DNA polimerase para em cima dele, consegue fazer a verificação inicial dos pares de base e faz a replicação a partir desse primer indo para trás (sentido contrário da helicase, formando um fita 5'3').

Vai até o primer que tinha sido deixado anteriormente (agora quando está cercado de DNA replicado é chamado de fragmento de Okazaki).


A substituição dos fragmentos de Okazaki por DNA é feito depois.
Por uma enzima chamada de DNA polimerase I.





Essa fita do sentido oposto é chamada de fita retardada, a fita que pode ser formada no sentido da abertura da estrutura de DNA é chamada de fita líder.




Transcrição do DNA


É a formação das fitas de RNA a partir do DNA.

Os nucleotídeos com base pirimídica timina são substituídos por nucleotídeos com base uracila (também pirimídica -anel simples-) na formação do RNA.




Só é transcrito em RNA os trechos do DNA que são chamados de genes.

Genes são trechos de DNA que codificam uma proteína.

Também pode-se dizer que na maioria das vezes codificam uma proteína.

Pois pode ser transcrito DNA que dê origem à RNA ribossômico e RNA transportador que não são proteínas e nem se descodificarão em uma.


* Existem três tipos de RNA: RNA mensageiro, RNA ribossômico e RNA transportador.

E somente o RNA mensageiro poderá ser descodificado para uma proteína.


- Mecanismo de Transcrição:

É feito pela enzima RNA polimerase, transcrevendo somente os trechos que são genes (os trechos que podem ser transcritos em RNA).

Antes dos genes fica uma sequência de bases chamadas de promotor, quando a RNA polimerase reconhece esse promotor na fita de DNA, ela se liga nele e abre a dupla hélice.

Logo que a molécula é aberta (fitas se separam) a RNA polimerase percorre o gene e sintetiza a molécula de RNA (fita única).

A síntese é feita pela junção de nucleotídeos soltos no meio que a RNA polimerase os pareia a fita de DNA ligando-os na sequencia 5'3'.
Então a RNA polimerase terá que percorrer a fita de DNA que estiver no sentido de 3'5'.





Cada promotor (pedaço do DNA que fica antes dos genes) controla a transcrição de um só RNA.
Transcrição de um único gene (gene também pode ser definido como parte do DNA que é transcrito em RNA).


Em seres procariontes os promotores podem delimitar o início da transcrição do RNA, transcrevendo mais de um gene. Normalmente esses genes estão encarregados da transcrição de RNA que gerarão proteínas encarregadas da mesma função.


- Então RNA mensageiro de eucariontes foram transcritos de um único gene e dão, quando são traduzidos, origem somente uma proteína.

Porém, o mesmo RNA mensageiro nem sempre é traduzido dando origem a mesma proteína.
Pois nos genes de eucariotos existem porções chamadas de éxons e outras de íntrons.
Os íntrons não têm informações para traduzir em proteínas (intrometidos).
Quando um RNA mensageiro então é transcrito, ele vem de um gene que possui essas porções de éxons e íntrons misturadas, então fica um RNA com as partes que irão definir o aminoácido (cada trio de bases traduzem-se em aminoácidos) misturadas e as partes que só estão intrometidas na fita, mas não se traduzem em nada.

No entanto esse RNA contendo éxons e íntrons misturados pela sua fita é chamado de RNA mensageiro primário. Ele passa por uma maturação onde os íntrons são retirados. Isso é chamado de spliccing.
A retirada dos íntrons e religação dos éxons formando um novo RNA mensageiro que aí sim poderá ir para a tradução.


Essa possibilidade de religação das partes que podem ser traduzidas, possibilita a um mesmo RNA traduzir proteínas diferentes, dependendo da sequência em que seus éxons forem recolocados na nova fita de RNA mensageiro.

- Até aqui todos esses processos (tanto de replicação do DNA quanto de transcrição do DNA em RNA) ocorrem dentro do núcleo.
Então quando o RNAm é formado ele tem tempo de passar pelo spliccing antes de iniciar a tradução que ocorre com os ribossomos do lado de fora do núcleo (no citoplasma).





Percebe-se nesse vídeo o início da transcrição pelo promotor "TATA box" uma sequência de bases de nucleotídeos que determinam o local onde a RNA polimerase irá se ligar.

Assim a enzima percorre a dupla hélice abrindo-a e transcrevendo esse pedaço do DNA em RNA.

Tradução do RNAm

RNAm é usado como molde para fazer a proteína.
Ele é descodificado no citoplasma por ribossomos.
A cada 3 bases do RNA um aminoácido é acrescentado na proteína.


* Cada um desses trios de bases que decodificam um certo aminoácido é chamado de códon.


No RNA transportador existe os anti-códons, que ele pareia ao RNAm e se combinam com o seu devido códon, o RNA transportador deixa assim então o aminoácido específico daquele códon.


Começa a tradução pela ligação da subunidade menor do ribossomo ao RNA mensageiro.

Logo depois o RNAt chega e pareia com seu anti-códon ao códon iniciador (códon AUG). Então a subunidade maior do ribossomo se liga também a estrutura e o ribossomo fica plenamente montado.

Os aminoácidos que vão sendo deixados pelos RNAt fazem ligações peptídicas com o último aminoácido deixado.

Forma-se uma cadeia peptídica até o códon de parada no RNAm chegar e entrar no ribossomo.

Quem pareia o códon de parada é o anti-códon do fator de liberação, e não de um RNA transportador.

Logo que isso acontece as estruturas se separam e a proteína está pronta.

 Veja Também:

Resumo da Bioquímica do Genoma

Percebe-se nesse vídeo que ao contrário da DNA polimerase III e da RNA polimerase, quando passam pelo DNA seja para fazer a replicação ou a transcrição em RNA, elas irão da extremidade 3 para a 5, pois sintetizarão uma fita no sentido 5'3'.

Mas nesse caso como é a tradução a subunidade pequena do ribossomo se junta a parte 5' do RNAm para seguir no sentido certo dela 5'3', só descodificando suas trincas de bases em seu devido aminoácido.

Na ponta 5' do RNAm maduro existe um capacete metilado (cap 5') indicando o local de início do processo.

Na outra ponta, a ponta 3', o final do RNAm maduro, tem uma sequência de bases que é chamada de poli A.

Cinéticas da Substituição

Fatores que Determinam a Ordem da Substituição


Existem alguns conceitos que explicam a ordem de reatividade dos substratos alifáticos para cada tipo de substituição.

Fatores que podem ser observados nas moléculas que informam porque os compostos terciários ocorrem preferencialmente por SN1 e porque os compostos primários ocorrem por SN2.

* Na SN2 a ordem de reatividade é a seguinte:

Metila > Alquila primário > secundário > terciário.


* Na SN1 a ordem de reatividade é a seguinte:

Alquila terciário > secundário > primário > metila.


Para justificar essas reatividades que levam a eles sofrerem a substituição por mecanismos diferentes, existem alguns conceitos que devem ser levados em consideração.




Fator de Impedimento Estéreo

A aglomeração ao redor do carbono onde está ocorrendo a substituição dificulta o ataque de moléculas nesse carbono.

Então um carbono terciário, que está ligado em 3 grupos metilo possui ao seu redor uma aglomeração muito maior que um carbono primário que possui ligado a ele durante a substituição 2 hidrogênios (que são pequenos). (Ou ainda mais fácil no caso do metilo que possui 3 hidrogênios ligados, facilitando a aproximação e o ataque de ocorrer.)
 
Essa aglomeração dificulta o ataque.
É difícil para o nucleófilo conseguir chegar a esse carbono, se aproximando de todos esses metilos e do grupo que se despede atrás.

Assim se chegasse a conseguir se aproximar do carbono, a energia do estado de transição seria muito alta, o que o tornaria difícil de se formar, então essa reação demoraria para ocorrer.
Seria lenta.

É o que ocorre no ataque nucleófilo à substratos terciários.
O ataque é difícil de ocorrer (carbono quase inacessível) então a reação por esse mecanismo é lenta nesses substratos.




Estabilidade do Carbocátion
Carbocátions terciários precisam de menos energia para se formarem (para romper uma ligação do carbono terciário) do que os carbocátions primários.
Sendo assim além de se formarem mais rápidos, são mais estáveis.

Um tipo de efeito polar é a capacidade que um composto tem de estabilizar as cargas que surgirem nele.

Ele acomodará bem as cargas por ter lugares para dispersá-la.

Por exemplo na Substituição Nucleofílica de Primeira Ordem (que só depende da concentração do substrato alifático para determinar a velocidade), um composto terciário perde o grupo que se despede com relativa facilidade, por ter capacidade maior do que um composto primário em estabilizar a carga positiva do carbocátion que se forma.

Forma-se no estado de transição um carbocátion rapidamente (mais rapidamente do que o ataque consegue se proceder eficazmente), por ser um composto relativamente estável.

Teoria da Substituição Nucleofílica

Substituição Nucleófila

É uma substituição característica dos haletos de alquilo.

É chamada de substituição nucleofílica porque utiliza reagentes chamados de nucleófilos.

Nucleófilo é uma palavra que vem do grego que significa "que gosta de núcleos".

Sendo assim utiliza-se para essa reação compostos (bases) que possuem par de elétron não compartilhado e que busca um local onde possa estabilizar esses elétrons livres.
No caso busca um local relativamente mais positivo, portanto busca um núcleo que aceite compartilha esse par de elétrons (ácido).

Essa reação ocorre com frequência nos compostos da classe haletos de alquila, porque halogênios são muito eletronegativos.
Mais eletronegativos do que o carbono no qual ele está ligado.

Essa grande diferença de eletronegatividade que existe entre ligações H-X (halogênio) no grupo alquila faz com que o átomo X mantenha as cargas negativas da ligação próximas a ele.
Deixando o outro átomo da ligação mais positivo.

Com essa ligação altamente polarizada é mais fácil para se romper. 
Pois o halogênio se estabiliza facilmente com as cargas negativas, podendo perder o próton para outro composto.

Sendo assim o ânion halogênio é considerado uma base extremamente fraca. 
Por mais que tenha par de elétrons para compartilhar, ele compartilha em uma ligação altamente polarizada que não se mantém por muito tempo.
Muito fácil de romper.

Exatamente como os haletos de hidrogênio cedem facilmente seu hidrão (H+), ácidos fortes que viram ânions que são bases muito fracas.
 
Então quando os haletos de alquilo são misturados com reagentes básicos (que possuem pares de elétrons livres), eles são atacados por esses compostos básicos (ataque nucleófilo) e a reação que se resulta é uma substituição.


O que ocorrer é: O nucleófilo se liga ao carbono (parte mais positiva) deslocando o halogênio que estava ligado ao carbono para fora da molécula.

Um exemplo de nucleófilo seria por exemplo o OH-, que é uma base muito mais forte que os halogênios.

Que se ligaria ao carbono onde o halogênio estava, deslocando-o. 

A hidroxila se ligaria ao carbono muito mais fortemente do que a ligação com o halogênio.

* Outros exemplos de reagentes nucleófilos incluem íons negativos além do hidróxido, também é comumente utilizado o cianeto (C≡N^–), que provém do ácido fraco: o ácido cianídrico.

* Bases neutras (sem carga) também podem ser usadas, como a água e o amoníaco (solução aquosa da amônia NH3).
Que são bases como o grupo que se despede também é (por terem pares de elétrons livres), mas são bases mais fortes.






Quando ocorre substituição em um grupo alquila pela água, forma-se um álcool, mas inicialmente forma-se seu ácido conjugado, ou seja, o álcool protonado com OH3+, que libera o H+ com extrema facilidade e forma-se então o álcool.


Normalmente esse H+ é passado a outra molécula de água, formando H3O+ (hidrônio). Pois prótons (H+) não ficam soltos sem se ligarem a nada. A água aceita o próton com a mesma afinidade que o álcool protonado (o ácido conjugado do álcool) aceitaria, porém o álcool o perde para a água depois de formado pela água estar em quantidade bem maior.

Substituição Alifática Nucleófila

Ocorre em substratos alifáticos que são cadeias de carbonos abertas ou cíclicas porém sem anéis aromáticos, como os anéis de benzeno.



* Revisão de reatividade em reações:

Ao se modificar a reatividade de qualquer reação aumentando a concentração de certo reagente, não irá modificar a quantidade de choques que produzirão energia suficiente, também não irá modificar o número de choques na orientação correta, irá somente modificar (aumentar) o número de colisões.
Deixando a reação mais rápida.

Se antes de 10 moléculas que se colidiam 5 resultavam na reação, por terem energia e estarem na orientação certa. Com o dobro da concentração, esses 10 choques que aconteciam e as 5 reações que se formavam, em um certo tempo, passarão a acontecer em metade desse tempo.


Os artifícios usados para modificar a reatividade em reações podem ser diferentes dependendo de cada caso (cada reação).
Pois em cada tipo de reação há certos fatores que determinarão a reatividade (a velocidade com que as moléculas reagem entre si).

Então o estudo que leva à como o substrato e o reagente interagem entre si, nos permite construir o mecanismo da reação.
E o estudo de como os fatores que podem ser modificados em um meio influenciam na geração de produto, nos leva a cinética da reação.



Sendo assim sabe-se que a substituição nucleófila ocorre por mecanismos diferentes dependendo do substrato.


Dependendo do carbono do composto alifático onde for ocorrer a reação se for primário, secundário ou terciário, mudará a forma com que ele reagirá com o nucleófilo.


A sequência de processos do mecanismo será diferente dependendo do substrato, porém o produto final será o grupo alifático substituído igual esperado inicialmente.

Substituição Alifática Nucleofílica 

de Segunda Ordem

São reações de substituição em substratos alifáticos por reagentes nucleofílicos que seguem uma cinética de segunda ordem.

Cinéticas de segunda ordem indicam que quando houver o aumento dos dois reagentes participantes da reação, a velocidade da formação de produto irá aumentar.
Mesmo que só se aumente um deles.

No caso da substituição, aumentando a concentração tanto do substrato quanto do nucleófilo a velocidade da reação irá aumentar.

* Na substituição os substratos alifáticos como o metilo e substratos primários (como os haletos de alquila primários) reagirão pela cinética de segunda ordem.

(Tendo a sua velocidade influenciada pelos dois reagentes)


Então tendo um haleto de alquila, por exemplo o cloreto de etila onde o carbono com o halogênio é um carbono primário, o mecanismo que se sucederá será:

O nucleófilo atacará do lado oposto ao que o halogênio está, resultando em uma inversão da configuração (R e S) se houvesse uma (pois nesse caso não há, porque não é um centro quiral por não ter 4 ligantes diferentes no carbono - pois é um carbono primário).

Nesse ataque formará um estado de transição onde o carbono estará fazendo ligação com 5 átomos, uma do grupo que está se despedindo, é a ligação se romperá, e uma que está se formando com o nucleófilo.
No entanto nenhuma dessas duas ligações estão completamente formadas, podendo ser consideradas como se fossem uma.

Ameniza assim a carga positiva do carbono que seria formada na ruptura e a carga negativa que o nucleófilo trazia.

Exatamente pelas cargas negativas dos dois grupos (o que se despede -já se apoderou quase que totalmente dos elétrons da ligação que faz com o carbono- e o nucleófilo) estarem presentes durante o estado de transição (os dois estão parcialmente negativos), eles se mantêm o mais distantes um do outro possível.

Portanto a reação só ocorre com o ataque nucleófilo feito pela retaguarda (no lado oposto ao grupo que se despede), invertendo-se assim a configuração do carbono.


Esse mecanismo de SN2 ainda pode acontecer em alguns substratos secundários. 
Onde haverá compostos com carbonos quirais que irão então se transformar em seu enantiômero.


Sendo assim na SN2 produzirá sempre compostos com a mesma configuração como produto de determinada reação.
Não haverá produtos com configurações diferentes misturados no final.

A SN2 se procede em um único passo.

* Na descrição do mecanismo de reações é comum usar setas curvas que indicam o movimento dos elétrons.
Para onde eles estão indo.

Então por exemplo na ruptura da ligação do cloro com o carbono na figura acima, os elétrons dessa ligação estariam indo para o cloro, então se colocaria uma seta saindo da ligação e apontando para o átomo de Cl.

Substituição Alifática Nucleófila 

de Primeira Ordem

Substratos terciários como o tert-butilo (primeira figura do post tem um exemplo de substrato terciário, um haleto de tert-butilo), ocorrerá substituição pela cinética de primeira ordem.

Onde sua velocidade é influenciada somente pela concentração do substrato.

Só a concentração de um dos reagentes que interfere na velocidade.

Pode-se nesse caso modificar à vontade a concentração do nucleófilo (uma hidroxila por exemplo), que não irá aumentar a velocidade da criação de produtos.


Isso ocorre porque o nucleófilo não participa do passo limitante da velocidade.

É o passo do mecanismo que mais demora para acontecer e independente da quantidade de nucleófilo, ele levará o mesmo tempo.
Mesmo que se aumente muito o número de nucleófilos na reação, ele só poderá reagir depois desse passo se proceder, levando o tempo que ele levaria.

Esse passo limitante é a saída do grupo que se despede do substrato.

O tempo desse passo é demorado por ser a ruptura por heterólise de uma ligação. 
Coisa que necessita de muita energia.


Na substituição de primeira ordem, o nucleófilo não consegue atacar o carbono para apressar a reação à ocorrer.
Pois o impedimento estéreo em volta do carbono que seria atacado (carbono terciário ligado a 3 grupos metila), o deixa inacessível.

Sendo assim, o substrato forma um carbocátion, que é um composto alquilo que perde um substituinte e que leva os elétrons da ligação que fazia com o carbono com ele.
Deixando o carbono positivo (protonado).

Com a formação do carbocátion que é um composto altamente reativo, o nucleófilo consegue colidir e formar a ligação no carbono.
Pois é uma ligação sem nenhuma ruptura para acontecer, portanto um processo só de liberação de energia.


A reação de ligação do carbocátion ao nucleófilo é sempre muito rápida, independente da quantidade de nucleófilo.
Logo que o carbocátion se forma já se liga. 

Esse passo assim não influenciando a velocidade da reação global.

A formação de maior quantidade do produto de configuração invertida se dá pela saída do grupo que se despede ser uma quebra heterolítica, onde os dois terão cargas opostas e se atraíram ainda por um tempo, mesmo depois de terem rompido a ligação.
Até que as camadas do solvente disperse o grupo que se despede para longe e o nucleófilo possa agir daquele lado igual faz no outro.


"Pela formação do carbocátion nesse tipo de reação, a SN1 somente é onde poderá ocorrer rearranjo do carbocátion para um mais estável.
Esse rearranjo não pode ocorrer na SN2, pois ela passa por um passo único que não forma carbocátions".

Substratos Secundários

Para saber se um haleto de alquila ou um outro composto alifático que sofrerá substituição por um composto alifático ocorrerá por SN2 ou SN1, na prática pode-se simplesmente analisar seus produtos.

Se ocorrer formação de somente um composto alifático substituído, com só uma configuração.
Indicando que houve inversão total. Todos os substratos que sofreram a reação inverteram sua configuração.

Formando só um tipo de produto e não formando nenhuma parte do enantiômero do produto junto, ou seja, uma mistura racêmica, pode-se ter certeza que esse composto passou por uma SN2.

Também se pode fazer um aumento da concentração do nucleófilo e observar se há modificação na velocidade de formação dos produtos.


Mas se a intenção for prever por qual ordem cinética a reação com o substrato secundário irá acontecer ou até mesmo manipular para que ela ocorra por um dos mecanismos em especial é necessário analisar alguns fatores:



- Solvente: Apróticos ou Próticos.



 

Solventes polares próticos (que possuem grupo F,O ou N ligados a hidrogênio, são solventes que reagem com suas moléculas e com o nucleófilo formando ligações de H) têm que romper suas ligações de hidrogênio com o nucleófilo, antes desse nucleófilo poder atacar o substrato, não favorecendo assim a SN2.
Exemplos:
Água, etanol.

Solventes polares apróticos, não formam ligações de hidrogênio com o nucleófilo.
Deixando os nucleófilos livres para atacar a todo o tempo, favorecendo a SN2.
Exemplos (não possuem F, O ou N ligado a H):
DMF: dimetilformamida, acetonitrila (CH3-CN), acetona (CH3-CO-CH3).



- Força do Nucleófilo: A força do nucleófilo não tem haver só com a basicidade dela (a capacidade dele se ligar a compostos oferecendo seu par de elétrons), tem haver com a rapidez com que um composto ataca o outro e não por ele atacar (estar ligado) a muitas moléculas ao final de uma reação.

Como o nucleófilo só influencia em fatores da SN2, então um nucleófilo mais forte e em maior quantidade fará com que a reação tenda a ser por esse mecanismo.

Nucleófilos fortes são formados normalmente por bases fortes (com metais das famílias 1A e 2A) como NaOH, ou etóxido de sódio (CH3CH2O- Na+), etc.

Raio atômicos maiores consequentemente menor eletronegatividade são nucleófilos mais fortes.

* Obviamente todos os substratos poderiam sofrer substituição por todos os dois processos, porém quando se diz que substratos primários sofrem necessariamente o processo de substituição SN2, passando por aquele mecanismo.
Quer dizer que é o mecanismo que ocorre muito mais rápido nesse substrato, sendo que se ele fosse sofrer o processo da SN1 demoraria muito para começar e até conseguir desprender o grupo, o nucleófilo já o teria atacado, forçando-o a ir por SN2.


Mesma coisa um composto terciário que passará por SN1, se ele fosse esperar até o nucleófilo conseguir atacá-lo demoraria muito para a substituição ocorrer, então antes que o ataque ocorra o grupo que se despede já se soltaria e formaria o carbocátion.
Passando por SN1.




Então essa ordem de reatividade indica somente que é mais rápido para tais classes de compostos fazer mecanismo de certa cinética.
Tão mais rápido que a possibilidade do outro mecanismo ocorrer acaba sendo nula, pois o primeiro mecanismo a forçaria a ocorrer antes de mais nada.

Estereoisômeros

Tipos de Estereoisômeros

• Enantiômeros:

São isômeros que diferem unicamente por serem a imagem um do outro no espelho.

Não sendo sobreponíveis, mostram ser moléculas diferentes, de compostos diferentes.

Que são então isômeros um do outro.


O 2-metil-butanol, o cloreto de sec-butilo (2-cloro-butano) são também exemplos de compostos que possuem quiralidade (suas moléculas não se sobrepõem a sua imagem no espelho).
Portanto possuem um isômero com molécula muito parecida.


* Esses isômeros possuem o mesmo ponto de fusão, de ebulição e todas as demais propriedades físicas (com exceção o sentido do ângulo para qual faz girar a luz polarizada).

* Quanto a propriedades químicas também são todas iguais com exceção de quando estão reagindo com outros compostos opticamente ativos.
É inclusive colocando-os para reagir em um meio quiral (com reagentes opticamente ativos, pois tudo que apresentar atividade óptica será necessariamente quiral) que se pode separá-los.

Esse método de separação, resolução de misturas racêmicas, através de reagentes foi inventado por Pasteur.



Então se esses isômeros (os enantiômeros) forem isolados um do outro e colocados em um Polarímetro, poderá se medir a atividade óptica deles.

Perceberá que eles possuirão a mesma atividade óptica desviando a luz na mesma quantidade, no entanto será para lados opostos.

Um será dextrógiro e o outro levógiro.


Se fizer uma mistura desses dois isômeros na mesma quantidade e colocá-la no Polarímetro, essa será uma solução opticamente inativa.
Pois a atividade de um isômero desviando a luz cancelará o desvio provocado pelas moléculas do outro isômero da solução.

Essa mistura formada por enantiômeros em proporções iguais que é opticamente inativa é chamada de Mistura Racêmica.


* Isômeros ópticos: Os enantiômeros são considerados assim por apresentarem individualmente atividade óptica.



* Quiralidade: Todo enantiômero é quiral, porém nem toda a molécula que possui quiralidade é um enantiômero.

Pois todo carbono que forma ligação sp3, tendo geometria portanto tetraédrica, quando tiver 4 ligantes diferentes será considerado um centro quiral na molécula (o carbono além de quiral também pode ser chamado de assimétrico).

Com isso moléculas com só um centro quiral serão sempre enantiômeros, pois não se sobreporão a sua imagem no espelho.


- Para dar nome à esses isômeros pela configuração R e S, deve-se primeiro atribuir uma ordem aos quatro átomos ligados diretamente ao centro quiral.

Ordem que é definida em ordem crescente do número atômico dos átomos.

- Imagina-se então a molécula orientada de forma que o último átomo da ordem esteja na saindo para trás do plano do papel, em oposição a o observador.

Então é como se uma face do tetraedro esteja voltada para nós, sendo assim se os três átomos nos vértices aumentam o número atômico seguindo o sentido horário, utiliza-se R.

*R vem da palavra rectus, uma palavra do Latim que significa direito*


Caso a ordem dos átomos que aumente o número atômico gire no sentido anti-horário, utiliza-se em frente ao nome do composto a letra S.

*S vem da palavra sinister, que em Latim significa esquerdo*

Mesógiros

Quando houver mais de um centro quiral na molécula (em quantidade par) ela poderá ser simétrica, sendo assim poderá se sobrepor e acabará não apresentando isomeria com sua imagem no espelho.
Não sendo um enantiômero.

Seria o caso de compostos como esse da figura abaixo e são chamados de Mesógiros (compostos com centros quirais, no entanto simétricos não apresentando isomeria com sua imagem no espelho):

(mesmo tendo centros quirais são sobreponíveis a imagem do espelho, por terem 2 centros quirais que os deixou simétricos)

Essa representação de centros quirais (só pode ser usada para representar centros quirais) é do tipo mais simplificado de todas as representações que se pode utilizar e pode confundir iniciantes do tema.

Nela desenha-se somente duas retas formando uma cruz e considera-se que no centro da cruz está o carbono quiral.

Convenciona-se para essa representação que as linhas horizontais representam ligações dirigidas ao observador a partir do plano do papel e a linha vertical representam ligações que se afastam do observador, para trás do plano do papel.




*Esses compostos mesógiros (são diastereoisômeros) são considerado como um terceiro estereoisômero dos enantiômeros abaixo:

Há muitos compostos ainda que podem ter outros isômeros espaciais que surgem por apresentarem mais de um centro quiral.

Esses compostos com mais de um centro quiral dão origem aos diastereoisômeros.

• Diastereisômeros:

Compostos que não forem mesógiros (não forem simétricos), se possuírem dois centros quirais terão isomeria entre 4 estruturas diferentes:

São diasteroisômeros os estereoisômeros que não forem a imagem um do outro no espelho.


As propriedades químicas e físicas deles são diferentes o que os fazem poderem ser separados uns dos outros por métodos comuns de separação como destilação, cristalização, cromatografia, etc.


Existe uma fórmula para determinar, a partir do número de centros quirais que existe na molécula, a quantidade máxima de estereoisômeros que ela poderá originar:

2^n, onde n é o número de centros quirais.

Porém nessa fórmula se chega ao número máximo, mas caso haja possibilidade de criação de compostos mesógiros, onde sua imagem no espelho será a mesma molécula, a quantidade de estereoisômeros da molécula será menor do que o número dado na fórmula.

Estereoquímica

É o ramo da química que estuda a relação tridimensional das estruturas.
 
 

Quiralidade

A não capacidade de uma estrutura se sobrepor a sua imagem no espelho se chama quiralidade.

E a estrutura é então chamada de Quiral.

Quiral é uma palavra que deriva da palavra grega cheir que significa mão.
Por essa ser uma característica básica de nossas mãos.

Tetraedros

A estrutura tetraédrica de moléculas como o metano estabelece que as quatro ligações que o carbono central fizer são iguais.
Sendo assim qualquer átomo de hidrogênio que for substituído por um outro grupo, formará o mesmo composto.
Resultando sempre só um composto, sem isômero para a fórmula CH3X.

Pois se substituir um átomo de hidrogênio de cima do metano ou um outro da ponta do tetraedro, ainda se poderá sobrepor essas duas estruturas simplesmente girando-as (sem deformar ou romper suas ligações), mostrando serem duas moléculas iguais.

Portanto moléculas que formam um mesmo composto.


Se substituir mais um átomo de hidrogênio, resultando em um composto de fórmula CH2XY ou CH2X2, também se poderá sobrepor as moléculas independente de qual hidrogênio que for substituído.
Resultando sempre em moléculas de um mesmo composto.

Sempre dando origem a uma única substância dessas substituições.

 
Pode-se perceber também nessas moléculas que sempre se encontra um ou mais planos de simetria.

O metano que é a figura A, tem seis planos de simetria diferentes, por mais que nessa imagem acima só mostre um.

Estruturas que se sobrepões são simétricas.




- Porém se essa técnica de sobrepor uma molécula à outra não der certo, indica que não são a mesma molécula e que dariam então origem a compostos diferentes.

Isso aconteceria se houvesse a substituição de 3 átomos de hidrogênio do metano, cada um por um grupo diferente, tendo fórmula CHXYZ.

Uma molécula com essa fórmula não se sobrepõe a uma molécula da mesma fórmula que seja sua imagem no espelho.

 

Então nessa substituição, dependendo dos átomos de hidrogênio que forem substituídos, resultará em uma estrutura que poderá não se sobrepor a outra molécula resultante dessa substituição que tiver substituído outros hidrogênios.

Indicando que são isômeros, pois possuem a mesma fórmula molecular, mas não são a mesma molécula.
Forma-se moléculas diferentes e nessa substituição formariam então duas substâncias diferentes.



*Observação Importante: (A diferença entre esses compostos quirais -de moléculas não sobreponíveis-, mas de mesma formula molecular, muitas vezes pode não conseguir ser observada macroscopicamente, mas se essas duas substancias originadas dessa substituição forem isoladas e colocadas em solução aquosa em um polarímetro, apresentarão atividade óptica desviando a luz polarizada em quantidades iguais, porem para lados opostos).


E essa diferença que os torna moléculas diferentes é somente na distribuição espacial de sua estrutura.

Percebe-se que na figura E não existe plano de simetria.
Sendo ela então uma molécula quiral.

Estereoisômeros

Estereoisômeros são isômeros (compostos diferentes que têm a mesma fórmula molecular) que diferem entre si somente pela posição de seus átomos no espaço.


Os estereoisômeros têm quase todas as propriedades físicas idênticas e propriedades químicas muito semelhantes, tendo maior variação unicamente a nível biológico.


Sendo assim compostos estereoisômeros que são muito parecidos, a única medida física que irá expressar diferença e então se poderá distingui-los será a atividade óptica.


* Atividade Óptica é encontrada através de um instrumento especial (Polarímetro) que emitirá sobre o composto luz polarizada (diferente da luz comum, essa luz não são ondas indo em todos os planos de vibrações) e medirá a atividade óptica da substância pelo quanto e em que direção a luz será desviada quando atingir esse material.


Luz polarizada então é diferente da luz comum.

Luz são ondas que vibram perpendicularmente à direção que estão propagando.

Exemplos de luzes polarizadas:

(A primeira na figura chamada de Luz polarizada linear, também chamada de luz polarizada plana). 

 

 * Linhas perpendiculares são duas retas que fazem um ângulo de 90 graus entre elas:

Podemos imaginar que as ondas luminosas comuns poderiam estar vibrando então para diversos lados.
Assim continuariam sendo vibrações perpendiculares à direção, porém levando em consideração planos diferentes como referência.

Para a luz ficar polarizada e ter somente um plano de vibração nas suas ondas, ela precisa passar por dois blocos de calcita (CaCO3 em forma cristalina) que são chamados de Prisma de Nicol.

Então algumas substâncias quando tem esse tipo de luz, polarizada plana, emitida sobre elas, têm a capacidade de desviar o plano de vibração.

E isso é chamado de Atividade Óptica.

Dextrógiros e Levógiros

 

Pode haver substâncias que não modifiquem o plano de polarização da luz e essas são chamadas de substâncias opticamente inativas.


Substâncias que sejam opticamente ativas e girem o plano de polarização, fazendo com que a onda passe a vibrar em outro plano, girando do original até o local do desvio, no sentido horário.

Ou seja, tendo girado o plano para a direita essa substância passa a ser chamada de Dextrógira.

*No Latim dexter significa direita*


Caso a rotação seja para a esquerda - sentido anti-horário - a substância é chamada de Levógira.

*No Latim laevus significa esquerda*


Para se observar esses desvios utiliza-se o Polarímetro:

O Polarímetro por dentro:

 

1) Entrada de Luz. 2) Lente de iluminação. 3) Filtro de Luz. 4) Polarizador.

6) Cilindro contendo a solução a ser medida.

7) Analisador. 8) Objetiva para a focalização.

9) Ocular para visualização.

Versão simplificada:

1) Fonte luminosa.
2) Polaroide.
3 e 4) Local contendo a solução com a substância.
5) Luz desviada.
6) Analisador.


Na utilização primeiro se observa a intensidade da luz sem a substância e quando a colocamos se verificar que a transmissão da luz não é mais a mesma, gira-se a lente para a direita ou para a esquerda procurando o ângulo onde ela voltará a intensidade inicial.
Então se saberá para qual lado foi desviada.


Quando houver um símbolo + em frente ao nome de uma substância química, está indicando que ela é uma substância com atividade óptica que gira a luz polarizada para a direito, portanto é uma substância dextrógira.

Em substâncias levógiras utiliza-se o sinal de menos.






História

Toda essa história de Atividade Óptica foi descoberta em 1815.
Pelo físico Jean-Baptist Biot.


Porém foi alguns anos depois, em 1848, que Pasteur, além de todos os seus outros feitos, associou a atividade óptica à isomeria.

Fez observações sobre uma classe de isômeros que seriam tão idênticos que só poderiam ser identificados levando em consideração a atividade óptica.

Descobrindo assim um novo tipo de isômero, os Estereoisômeros.

Essas observações serviram de base para posteriormente a criação da Estereoquímica, que estuda e classifica esses isômeros.

Verifica a diferença na funcionalidade deles, podendo um tipo do isômero ser biologicamente ativo e o outro não.

Também são muito estudados pela sua grande semelhança estrutural ajudar a entender mecanismos de reações químicas.