Isomeria

Introdução

Até o presente momento se tem estudado boa parte das funções orgânicas da Química, de modo que se pode distinguir, através da representação estrutural planificada, a natureza do composto – éter, cetona, aldeído, ácido, etc.

Todavia, a fórmula molecular tão-somente não é uma informação bastante para se compreender efetivamente do que se trata certo produto: dependendo da organização dos elementos das moléculas obtêm-se distintos compostos, como é o caso do C2H4O2 que pode originar um ácido, um éster e substância de função mista.

É justamente esta particularidade de determinados compostos de apresentarem fórmula molecular, plana, centesimal ou empírica iguais e divergirem, em maioria dos casos, quanto à natureza físico-química a que se denomina Isomeria.

No presente objeto de estudos falar-se-á acerca dos distintos tipos de isomeria, a saber: 1.ª Plana: (a) de cadeia ou núcleo; (b) de posição; (c) de compensação ou metameria; (d) de grupo funcional ou função; (e) tautomeria. 2ª. Espacial ou estereoisomeria: (a) geométrica; (b) óptica.

Isomeria Plana

As representações planificadas das estruturas atômicas são um grosso modo de representar moléculas, pois estas se formam sempre no espaço, ou seja, são complexas organizações tridimensionais de elementos químicos. Não obstante, esta pouco elaborada forma de demonstração sobre como os átomos organizam-se em uma molécula é suficientemente clara para que se possam analisar todos os isômeros possíveis à determinada fórmula.

Destarde, conforme o tipo de cadeia, a posição dos elementos ou a relativa localização de um hetero-átomo ou insaturação, o fato de isômeros obtidos pertencerem ou não à mesma função, ter-se-á uma classificação específica de isomeria plana.

v Isomeria de cadeia ou de núcleo: dá-se quando, pertencendo à mesma função orgânica, os isômeros diferem apenas quanto à disposição e/ou presença de (in)saturação da cadeia carbônica. Tome-se, por exemplo, o C₃H_6:

v Isomeria de posição: apresenta o mesmo tipo de cadeia e classe funcional diferindo apenas quanto à posição relativa de uma insaturação ou radical funcional (OH; NH; O; Cl; CH₃). Por exemplo, tem-se: C₁₈H₃₀O₂ eC₃H₈O:

v Isomeria de compensação ou Metameria: trata-se de um caso particular de isomeria que se baseia na posição relativa de um heteroátomo. É assim denominada porque a quantidade de átomos de carbono que aumenta ou diminui em cada lado do heteroátomo é proporcional à quantidade de carbonos que aumenta ou diminui do outro lado correspondente. Por exemplo, C₄H₁₀O:

v Isomeria funcional ou de função: compreende esta classificação aos casos em que, dependendo da posição relativa de heteroátomos e/ou insaturações, ocorre a mudança de uma função química para outra; ou seja, são os casos em que uma mesma fórmula molecular origina compostos de diferentes funções. Por exemplo, C₂H₄O₂:

v Tautomeria ou isomeria dinâmica: trata-se de um caso muito particular de isomeria funcional que ocorre em soluções. Dá-se quando dois isômeros – chamados tautômeros – coexistem em equilíbrio dinâmico, transformando-se um no outro por meio da migração de um átomo de hidrogênio na molécula.

Os dois casos de tautomeria mais utilizados no estudo da Química orgânica em nível de Ensino Médio são:

ü Tautomeria aldo-enólica: dá-se entra aldeído e enol, que possuam no mínimo dois átomos de carbono. Por exemplo, tem-se C₂H₄O:

ü Tautomeria ceto-enólica: ocorre entre cetonas e enóis que possuam no mínimo três átomos de carbono. Por exemplo, C₃H₆O:

Isomeria espacial ou estereoisomeria

A isomeria geométrica abrange os casos de isômeros que somente podem ser esclarecidos através de fórmulas estruturais espaciais, sendo insuficientes as fórmulas planas até então vistas. Subdivide-se em:

v Isomeria geométrica ou cis-trans: somente ocorre em compostos de cadeia aberta que possuem dupla ligação entre átomos de carbono ou em cadeias cíclicas.

v Cis-trans de cadeia aberta: para que ocorra é necessário que o composto apresente ao menos uma dupla ligação entre átomos de carbono e que cada um dos carbonos da dupla contenha grupos ligantes diferentes. Tome-se, por exemplo, C₂H₂Cl₂:

A fim de facilitar a análise das cadeias geométricas usa-se traçar uma linha imaginária ao longo da dupla ligação, conforme exemplificado acima. Sempre que os grupos ligantes (em nosso caso o Cl) estiverem de um mesmo lado da linha considerada, então a cadeia será “cis”; se os grupos ligantes estiverem em lados opostos da linha, então a cadeia será “trans”, conforme demonstram os exemplos supracitados.

Quando as cadeias são um tanto mais complexas e apresentam diversos ligantes todos diferentes entre si, usa-se considerar o de maior número atômico para determinar se se trata de cadeia “cis” ou “tans”. Por exemplo:

v Cis-trans em cadeias cíclicas: neste particular não é imperiosa a existência de dupla ligação, conquanto que em ao menos dois carbonos da cadeia existam dois ou mais grupos de ligantes diferentes. Não obstante, neste tipo de isômero os ligantes de cada átomo considerado, por mais diversos que sejam, devem ser os mesmos do outro átomo analisado. Por exemplo:

Note-se que foram consideradas, na análise acima, as ramificações da cadeia e que ambos os carbonos ramificados possuíam ligações com CH₃ e H. Ou seja, individualmente possuíam grupos ligantes diferentes, porém, os mesmos do outro átomo, logo, permitindo que a cadeia apresente isomeria geométrica.

Para simplificar, alguns dos autores pesquisados consideram que basta verificar se existem no ciclo dois carbonos, não necessariamente próximos, com dois ligantes diferentes.

Quando a cadeia cíclica possui apenas um ligante fora do ciclo, a pesar de conter dupla ligação, ela não é um isômero cis-trans. Veja-se a exemplificação:

v Isomeria óptica: trata-se de um caso muito particular de isomeria em que as moléculas, sendo assimétricas, quando atingidas por um feixe de luz polarizada, tendem a desviá-lo ou em sentido horário (dextrorrotatório ou dextrogiro, representado pela letra d) ou em sentido anti-horário (levorrotatório ou levogiro, representado pela letra l). Assim, alguns autores, a fim de explicarem tal comportamento, comparam o fenômeno como que se colocando a molécula assimétrica frente a um espelho, cuja imagem refletida será o isômero conhecido por óptico ou enantiomorfo ou, ainda, enantiômero.

Consideremos, para efeito de ilustração, o elemento de fórmula molecular CHBrClF:

Todavia, como o nível de estudos atual descarta a possibilidade de experiências laboratoriais complexas e mesmo porque a título de estudos, em termos gerais, interessa a análise da fórmula estrutural representada sobre um plano é que se deverá considerar como referencial determinante à presença ou ausência de moléculas assimétricas a existência ou não de carbono quiral, também conhecido por centro quiral ou carbono assimétrico.

“A assimetria molecular estará presente se houver um carbono que faça quatro ligações simples e que esteja ligado a quatro grupos diferentes. [...] A presença de um carbono quiral é condição suficiente para a isomeria óptica.” (MIRAGAIA & CANTO, 2006).

Ou seja, o carbono quiral será aquele que estiver ligado a quatro grupos distintos. Utilizemos como exemplo a representação planificada do elemento CHBrClF, acima representado tridimensionalmente.

Perceba que o carbono – destacado com um asterisco (*), conforme as convenções da Química Orgânica – é o carbono assimétrico, pois está ligado a quatro distintos grupos: Cloro (Cl); Oxigênio (O); Bromo (Br); Hidrogênio (H).

Quando o carbono possuir uma ligação dupla, tripla ou duas duplas, ele não será o carbono quiral, pois a configuração geométrica da estrutura será simétrica.

v Isomeria óptica em compostos cíclicos: para que tal exista a estrutura não poderá ter forma simétrica, devendo cada carbono conter ligantes fora do ciclo; quando analisada no sentido horário, a cadeia deverá apresentar percurso diferente de quando analisada em sentido anti-horário. Vejamos as exemplificações:

A fim de que se determine qual dos carbonos assinalados (A,B,C,D,E) é o carbono central, devemos analisar, primeiro, as ligações que eles tecem. Assim, notaremos que A, B e C possuem duas ligações iguais e nenhuma fora da cadeia, logo, acatando a regra já vista, não podem sê-lo. Restam dois carbonos, D e E, que possuem duas das quatro ligações diferenciadas, sendo as outras duas ligadas à cadeia. Para que se determine qual deles é quiral dever-se-á analisar a cadeia concomitantemente em sentido horário e anti-horário.

Considerações Finais

Embora não seja uma situação comum ao quotidiano, avaliar certos produtos cujas informações vêm transcritas em fórmula molecular pode ser um perigoso engano, haja vista que diversos compostos podem surgir em função do arranjo das partículas. Contudo, verdade seja dita, é algo muito raro alguém analisar as informações técnicas/químicas do que seja no supermercado ou qualquer outro local; a miúde tais observações cabem a agricultores e funcionários de laboratórios de química ou hospitalar, onde o manejo de substâncias requer extremo cuidado.

É fácil imaginar o porquê de em um laboratório esse conhecimento ser imprescindível, mas um tanto mais difícil em relação aos agricultores. Pois bem, fazendas de grande porte – e mesmo algumas de médio porte – necessitam afastar pragas de suas plantações ou rebanhos. Os produtos utilizados para isso possuem concentrações bastante elevadas de venenos e outros tóxicos, de modo que a aplicação de um produto inadequado ou de procedência duvidosa pode acarretar imensos prejuízos tanto financeiros quanto legais ou de saúde do ecossistema e dos manejadores.

Os isômeros, de um ponto de vista estritamente técnico, são importantíssimos para o estudo amplo e aprofundado da química orgânica, pois permitem uma melhor compreensão de como se comportam os átomos dentro da molécula e, por sua vez, como agem as soluções ou como se dão as reações químicas.

Particularmente, a isomeria óptica parece ser a mais interessante de todas, embora a mais difícil de estudar, também. As primeiras substâncias opticamente ativas (SOA) conhecidas eram compostos minerais na forma cristalina, como o quartzo (SiO₂) e o clorato de potássio (KClO₃), por exemplo.

Pasteur foi o primeiro químico de que se tem notícia a separar os cristais responsáveis pela isomeria óptica, no caso cristais de ácido tartárico, que ele dividiu manualmente, utilizando-se de uma lupa. Ele, primeiramente, e mais tarde alguns outros cientistas, percebeu que esses cristais tinham em comum a forma assimétrica e que, quando dissolvidos ou fundidos, a substância tornava-se opticamente inativa (SOI). Assim, inferiu-se que tal fenômeno dava-se em função exclusiva da assimetria cristalina, não havendo relação com a natureza química da substância.

Nos primórdios do século XX, um cientista chamado Biot descobriu que, dentre outras, as soluções de ácido tartárico, cana-de-açúcar e cânfora apresentavam poder rotatório. Ele afirmou, portanto, que a assimetria deveria ocorrer dentro da própria molécula da substância. Posteriormente, Kekulé conseguiu desenvolver ainda mais as fórmulas estruturais fazendo surgir o conceito de carbono assimétrico como sendo o átomo Tetracovalente (Teoria da Tetracovalência do carbono), ou seja, o átomo de carbono que troca suas quatro valências com radicais distintos.

O conhecimento da função rotatória das moléculas foi também muito importante para a compreensão da isomeria geométrica: uma molécula somente será isômero cis-trans se não houver movimento giratório da molécula; quando alifática este movimento é impedido pela dupla; quando cíclica analisa-se a impossibilidade de movimento para determinar se ela pode ou não ser isômero – lembrem-se dos exemplos acima: a cadeia cíclica cuja rotação era permitida, apesar da dupla (1,2-dimetil-ciclopropano) não servia para isômero geométrico.

Um ponto importante a se considerar: na isomeria geométrica de compostos cíclicos a dupla ligação não impede a rotação, mas sim o arranjo dos elementos: a presença no ciclo de dois carbonos com dois ligantes diferentes.

Por fim, cabe mencionar que a química orgânica é também empregada na Biologia para, por exemplo, estudar o comportamento dos aminoácidos no organismo humano, como também as reações físico-químicas ocasionadas pela ingestão de medicamentos, alimentos e/ou bebidas.

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Referências:

http://answers.yahoo.com/question/index?qid=20090112144416AAGU0eb

http://en.wikibooks.org/wiki/Organic_Chemistry/Print_version

http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%94mega_3

http://pt.wikipedia.org/wiki/August_Kekul%C3%A9

http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula_emp%C3%ADrica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Geometria_molecular

http://pt.wikipedia.org/wiki/Isomeria_nuclear

http://quimicaorganicacursinho.blogspot.com.br/2012_07_01_archive.html

http://quimicasemsegredos.com/documents/Loja/Isomeria-PPT.pdf

http://quimicasemsegredos.com/isomeria-optica.php

http://www.alunosonline.com.br/quimica/formula-minima-ou-empirica.html

http://www.brasilescola.com/curiosidades/omega-3.htm

http://www.brasilescola.com/quimica/formula-percentual-ou-centesimal.htm

http://www.brasilescola.com/quimica/isomeria-compensacao-ou-metameria.htm

http://www.brasilescola.com/quimica/isomeria-Optica.htm

http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/quimica/isomeria/isomeria-de-cadeia.html

http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/quimica/isomeria/isomeria-de-posicao.html

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http://www.ebah.com.br/content/ABAAABRMIAK/radioatividade

http://www.infoescola.com/quimica/isomeria/

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http://www.supplementquality.com/news/fatty_acid_structure.html

http://www.ufjf.br/cursinho/files/2012/05/Apostila-de-Qu%C3%ADmica-4-108.136.pdf

ISOMERIA: In: BENTON, William. Enciclopédia Barsa. Rio de Janeiro, São Paulo: Encyclopedia Britannica Editores LTDA. 1964 – 1969; p.: 73b -75b. Tomo 08.

Peruzzo, Francisco Miragaia. Química na abordagem do cotidiano. 3º v. 4ª ed. São Paulo: Moderna, 2006.

ANEXOS¹

v Fórmula Percentual ou Centesimal: é possível fazer essa determinação centesimal porque, como mostra a Lei das Proporções Constantes de Proust, as substâncias puras sempre apresentam os mesmos elementos combinados na mesma proporção em massa. Além disso, essa é uma propriedade intensiva, isto é, não depende da quantidade da amostra. A fórmula percentual é importante, pois ela é o ponto de partida para se determinar as outras fórmulas químicas dos compostos, como a fórmula mínima ou empírica e a fórmula molecular.

A fórmula matemática usada para calcular essa porcentagem é dada por:

Por exemplo: “Determine a fórmula percentual de um sal inorgânico, sendo que a análise de sua amostra indicou que em 50 g dessa substância existem 20 g de cálcio, 6 g de carbono e 24 g de oxigênio”:

Porcentagem de massa do cálcio = 40%

Porcentagem de massa do carbono = 12%

Porcentagem de massa do oxigênio = 48%

Ca_40%C_12%O_48%

_***

v Fórmula Mínima ou Empírica: A fórmula mínima ou empírica indica a menor proporção, em números inteiros de mol, dos átomos dos elementos que constituem uma substância. Podemos determinar a fórmula empírica a partir da Fórmula Percentual, dividindo cada percentual pela massa atômica de cada elemento.

Por exemplo:

“Considerando uma amostra de 100g, as porcentagens em massa nos permitem

concluir que a substância contém 75 g de carbono e 25 g de hidrogênio. Dividindo

esses valores pelas respectivas massas molares, temos:”

Esses valores indicam a proporção entre os elementos, porém, não são a menor proporção e nem estão em números inteiros. Para conseguirmos isso, basta dividir os dois valores pelo menor deles, que no caso é o 6,25. Isso pode ser feito porque quando dividimos ou multiplicamos uma série de números por um mesmo valor, a proporção que existe entre eles não é alterada.

Portanto, a fórmula mínima/empírica desse composto é: CH₄.

[1] Anexos extraídos diretamente dos sites.

Farias, M.S.: "Isomeria". Dezembro de 2013.

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