PROBLEMA 5.17
Quais das seguintes substâncias apresentam a forma meso? (Lembre-se de que o sufixo -ol refere-se a um álcool, ROH ).
2,3-butanodiol

Passo 1

O enunciado pergunta quais das substâncias listadas apresentam a forma meso e dá um exemplo: \text{2,3-butanodiol}. Informações relevantes fornecidas pelo enunciado e que eu preciso usar:

\text{1.} A molécula é \text{2,3-butanodiol}, cuja fórmula de esqueleto é \text{CH}_3\!-\!\text{CH(OH)}\!-\!\text{CH(OH)}\!-\!\text{CH}_3.

\text{2.} O sufixo «-ol» indica grupos \text{OH} (álcool) nos carbonos 2 e 3.

\text{3.} A tarefa é decidir se essa substância possui uma forma meso (ou seja, se existe entre seus isômeros um que é internamente simétrico e, portanto, aquiral apesar de ter centros estereogênicos).

Observação: nesta etapa eu apenas listei o que o problema pede e os dados que temos; ainda não resolvi nada.

Passo 2

O que é um centro estereogênico e como identificar em \text{2,3-butanodiol}.

Definição curta e prática: um átomo de carbono é um centro estereogênico (ou centro quiral) se estiver ligado a quatro substituintes diferentes. Para decidir isso usamos a fórmula da molécula.

Escrevendo a molécula de forma explícita:
\text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{CH(OH)}-\text{CH}_3
  • O carbono do meio à esquerda (vou chamar de C_2) está ligado a: \text{OH}, \text{H}, \text{CH}_3 e ao grupo \text{CH(OH)-CH}_3. Esses quatro substituintes são diferentes, logo C_2 é centro estereogênico.
  • O carbono do meio à direita (vou chamar de C_3) tem análoga situação: ligado a \text{OH}, \text{H}, \text{CH}_3 e ao grupo \text{CH(OH)-CH}_3. Logo C_3 também é centro estereogênico.

    Conclusão deste passo: \text{2,3-butanodiol} tem exatamente dois centros estereogênicos ( C_2 e C_3).

Passo 3

O que significa “forma meso” (explicação didática).

Definição: uma molécula é meso quando possui centros estereogênicos (ou seja, potencial para isômeros ópticos) mas é internamente simétrica de modo que a própria molécula é superponível à sua imagem no espelho. Resultado: é aquiral e não desvia a luz polarizada.

Requisitos práticos para haver isômero meso:

\text{(i)} A molécula deve ter pelo menos dois centros estereogênicos.

\text{(ii)} Deve haver uma simetria interna (normalmente um plano de simetria) que torna a imagem no espelho superponível com a própria molécula.

Uma consequência útil: quando há dois centros estereogênicos equivalentes ligados simetricamente, o isômero onde as configurações desses centros são opostas (por exemplo (R,S)) frequentemente é meso, porque o arranjo oposto permite um plano de simetria que troca os dois centros.

Passo 4

Contagem simples de estereoisômeros esperados e o que isso sugere.

Regra rápida: com n centros estereogênicos independentes, o número máximo de estereoisômeros é 2^n. Aqui n=2, então máximo seria 2^2=4.

Porém, quando existe simetria interna, dois desses podem colapsar em um único isômero meso. Para muitos compostos com dois centros equivalentes e simétricos (como é o caso típico de 2,3-disubstituídos do butano) o número real de estereoisômeros é 3: um par de enantiômeros (R,R) e (S,S) mais um isômero achiral meso (R,S) (que é igual a (S,R) por simetria).

Isto já dá uma pista forte: \text{2,3-butanodiol} é do tipo que costuma ter um isômero meso.

Passo 5

Mostrando a simetria com uma projeção de Fischer (método prático e visual).

Uma forma útil de visualizar cadeias com dois centros adjacentes é usar a projeção de Fischer. Para \text{2,3-butanodiol} podemos desenhar a cadeia vertical \text{CH}_3\!-\!C_2\!-\!C_3\!-\!\text{CH}_3 e colocar os substituintes horizontais (que saem para frente) e verticais (que vão para trás). Uma configuração que evidencia a simetria é:
\begin{matrix} & \text{CH}_3 & \\\ & | & \\\ \text{H} - C_2 - \text{OH} & & \text{OH} - C_3 - \text{H} \\\ & | & \\\ & \text{CH}_3 & \end{matrix}

Neste esquema:
  • No C_2 o grupo à esquerda é \text{H} e à direita é \text{OH}.
  • No C_3 o grupo à esquerda é \text{OH} e à direita é \text{H}.

    Se você imaginar um espelho vertical que corta a molécula no meio (passando entre C_2 e C_3), a metade esquerda reflete na metade direita: a \text{OH} de C_2 reflete na \text{OH} de C_3, e o \text{H} de C_2 reflete no \text{H} de C_3. Os \text{CH}_3 superior e inferior também são imagens um do outro. Logo existe um plano de simetria vertical.

    Portanto essa conformação é internamente simétrica — característica típica do isômero meso.

Passo 6

Ligando a simetria à notação (R,S) e explicando por que o isômero é aquiral.

Conseqüência estereoquímica: se os dois centros têm configurações opostas (um R e o outro S), a reflexão em um espelho troca R\leftrightarrow S e a molécula reflete em si mesma devido ao plano de simetria. Assim o isômero (R,S) (que é equivalente a (S,R) por essa troca) é o isômero meso.

Os outros dois isômeros possíveis, (R,R) e (S,S), são imagem um do outro no espelho (formam um par de enantiômeros) e portanto são quirais (cada um gira a luz polarizada em sentidos opostos).

Resumo da ideia: a presença do plano de simetria transforma o (R,S) em sua própria imagem espelhada, por isso ele é achiral — é exatamente isso que chamamos de isômero meso.

Passo 7

Exemplificação rápida e reforço (para você aplicar na prova).
  • Passo prático para identificar meso em provas: identifique centros estereogênicos; desenhe uma projeção (Fischer ou uma projeção simples 3D); verifique se há um plano de simetria que troca os dois centros. Se sim, o caso com configurações opostas é meso.
  • Exemplo rápido além deste: o ácido tartárico 2,3-diidroxibutanodioico também tem isômero meso por motivo análogo (dois centros e simetria interna).

    Dica de prova: muitas vezes basta desenhar a versão onde os grupos idênticos (aqui os \text{CH}_3) ficam nas extremidades opostas e os \text{OH} em lados opostos — se isso gerar um plano de simetria, então existe isômero meso.

Resposta

\text{2,3-butanodiol}: apresenta forma meso — o isômero meso corresponde à configuração (R,S) (igual a (S,R) por simetria); além dele existem os enantiômeros (R,R) e (S,S).

Exercícios relacionados