Quais das seguintes substâncias são capazes de existir sob forma opticamente ativa?
(d) Trans-1,2-dimetilciclobutano
(d) Trans-1,2-dimetilciclobutano
Passo 1
O que o enunciado pede: decidir se a substância trans-1,2-dimetilciclobutano é capaz de existir sob forma opticamente ativa (isto é, se pode ser quiral e portanto apresentar formas enantioméricas).
Informações dadas (implícitas no nome): a molécula é um ciclo de quatro carbonos (ciclobutano) com dois grupos metil nas posições e
, e esses dois metils estão em disposição trans (um apontando “para cima” da face do anel e o outro “para baixo”).
Informações dadas (implícitas no nome): a molécula é um ciclo de quatro carbonos (ciclobutano) com dois grupos metil nas posições
Passo 2
O que significa “opticamente ativo” e como identificar quiralidade — uma mini-aula prática.
- Uma molécula é quiral se a sua imagem no espelho não é sobreponível com ela mesma; moléculas quimicamente quiralizadas podem girar o plano da luz polarizada e, então, serem opticamente ativas.
- Fatores que indicam quiralidade: presença de centros estereogênicos (carbonos ligados a quatro substituintes diferentes) ou ausência de elementos de simetria que façam a molécula ser sobreponível com a sua imagem (por exemplo, plano de simetria
ou centro de inversão ). - Um átomo de carbono é um centro estereogênico se os quatro substituintes ligados a ele são diferentes. Porém, mesmo sem centros clássicos, a molécula pode ser quiral por sua conformação (ex.: moléculas helicais).
No problema vamos verificar ambos: (i) se há centros estereogênicos eme ; (ii) se a molécula possui algum elemento de simetria que tornaria ela achiral (por exemplo, um plano de simetria).
Passo 3
Identificação dos potenciais centros estereogênicos em
e
.
- Cada um dos carbonos
e é ligado a: (a) um hidrogênio, (b) um metil, (c) a vizinhança do anel no sentido de e (d) a vizinhança do anel no sentido de . - As duas “vizinhanças do anel” não são idênticas porque uma delas inclui o carbono substituído por metil (o vizinho que tem o metil) e a outra não — ou seja, os caminhos ao redor do anel a partir de
para os dois lados são diferentes por causa da presença do outro metil em . - Portanto tanto
quanto têm quatro grupos diferentes e são centros estereogênicos (cada um é um centro assimétrico).
Passo 4
Análise da relação entre os centros em função da configuração trans e da simetria do anel.
- Temos dois centros estereogênicos adjacentes (
e ). Em princípio, dois centros podem dar quatro estereoisômeros (RR, SS, RS, SR), mas em moléculas cíclicas algumas combinações podem ser equivalentes por simetria ou dar um composto meso (internamente simétrico e, portanto, achiral). - Para o caso trans-1,2-dimetilciclobutano: os metils estão em faces opostas do anel. O ciclobutano não é perfeitamente plano; ele adota uma conformação “puckered” (como uma asa de borboleta) onde dois carbonos ficam um pouco acima e dois um pouco abaixo do plano médio. Essa deformação é importante: ela rompe a planaridade e pode remover planos de simetria que existiriam numa representação plana.
- Existem duas conformações-puckered que são imagens uma da outra no espelho (puckering para “direita” ou para “esquerda”). Essas duas são enantiômeras: não existe um plano de simetria que transforme uma na outra sem sair da molécula. Assim, a conformação real do anel com os dois metils trans não possui um plano de simetria global que torne a molécula sobreponível com sua imagem no espelho.
Passo 5
Conclusão sobre quiralidade (motivo direto).
- Como
e são centros estereogênicos e a disposição trans combinada com o puckering do anel remove um plano de simetria, a molécula na sua conformação estática é quiral: existe um par de enantiômeros (uma conformação “para a direita” e a outra “para a esquerda”). Portanto, em princípio, trans-1,2-dimetilciclobutano pode ser opticamente ativo. - Observação prática: em alguns casos enantiômeros conformacionais interconvertam rapidamente por vibrações/conversões do anel, levando a uma mistura racêmica observada experimentalmente; isso afeta a observação de atividade óptica em condições reais. Mesmo assim, estruturalmente a molécula é inerentemente quiral (há formas enantioméricas).
Passo 6
Comparação curta com a isomeria cis para fixar a ideia.
- Para contraste, cis-1,2-dimetilciclobutano tem uma conformação que possui um plano de simetria (os dois metils do mesmo lado do anel permitem esse plano), sendo portanto achiral (forma meso). Isso ajuda a ver por que a orientação trans produz quiralidade enquanto a cis não.
Resposta
Sim — trans-1,2-dimetilciclobutano pode existir como um par de enantiômeros e, portanto, é capaz de ser opticamente ativo.