4.6
Moléculas com Múltiplos Centros Quirais
Moléculas que possuem múltiplos centros quirais podem produzir um grande número de estereoisômeros. Por exemplo, enquanto algumas moléculas como o 2-b…
Lembre-se de que um centro quiral em uma molécula, como em (R) -2-butanol, é um átomo tetraédrico com quatro substituintes diferentes. Algumas moléculas, como o butano-2,3-diol, têm vários centros quirais.
Enquanto moléculas com apenas um centro quiral são sempre quirais, moléculas com múltiplos centros quirais podem ter configurações aquirais.
Uma molécula com n centros quirais tem 2n configurações possíveis. Se alguma configuração pode ser sobreposta a outra, essas duas configurações representam a mesma molécula. Assim, pode haver menos estereoisômeros distintos do que configurações possíveis.
Por exemplo, o butano-2,3-diol tem dois centros quirais e quatro configurações possíveis. As configurações RR e SS são imagens espelhadas uma da outra, pois a configuração de cada centro quiral é invertida.
Embora suas conformações de energia mais baixa não pareçam ser imagens espelhadas em geral, cada centro quiral ainda é a imagem espelhada de seu parceiro.
Aqui, não há como girar as configurações RR e SS para torná-las sobreponíveis, mesmo em suas conformações menos favoráveis energeticamente, mas exatamente espelhadas. Assim, eles são um par enantiomérico.
O outro par de configurações, RS e SR, são sobreponíveis após uma rotação de 180 °; ou seja, eles são a mesma molécula. Portanto, o butano-2,3-diol tem apenas três estereoisômeros distintos, um dos quais é aquiral. Este estereoisômero aquiral é chamado de composto meso.
Quase todos os compostos meso têm um plano de simetria ou um centro de simetria. Essas moléculas são transformadas em suas imagens espelhadas por uma rotação de 180 °.
No entanto, uma molécula com múltiplos centros quirais que ainda não possui esses elementos pode ser sobreposta em sua imagem espelhada por uma rotação de menos de 180 °. Se tal rotação existir, ambas as configurações representam o mesmo composto meso.
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Q1: How many stereoisomers can a molecule with multiple chiral centers have?
A molecule with n chiral centers has 2n possible configurations. For example, butane-2,3-diol with two chiral centers can have 2² = 4 possible configurations. However, not all configurations represent distinct stereoisomers because some may be superposable mirror images. Butane-2,3-diol actually has only three distinct stereoisomers despite four possible configurations.
Q2: What is a meso compound and how does it relate to molecular symmetry?
A meso compound is an achiral stereoisomer with multiple chiral centers that possesses a plane of symmetry or center of symmetry. These molecules are transformed into their mirror images by a 180° rotation, making them superposable on their mirror images. Meso-tartaric acid is a famous example of a meso compound with two chiral centers.
Q3: Why are RR and SS configurations of butane-2,3-diol enantiomers?
The RR and SS configurations are mirror images of each other because each chiral center's configuration is inverted. They cannot be superposed through any rotation, even when considering less energetically favorable but exactly mirrored conformations. This non-superposability makes them an enantiomeric pair.
Q4: How do RS and SR configurations differ from RR and SS in butane-2,3-diol?
RS and SR configurations are superposable after a 180° rotation, meaning they represent the same molecule rather than distinct stereoisomers. In contrast, RR and SS configurations cannot be superposed by any rotation. This distinction explains why butane-2,3-diol has only three distinct stereoisomers instead of four.
Q5: Why are molecules with only one chiral center always chiral?
A single chiral center precludes any symmetry in the molecule, preventing the existence of a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation. Without these symmetry elements, the molecule cannot be superposed on its mirror image, making it inherently chiral. This contrasts with molecules having multiple chiral centers, which may be achiral.
Q6: How does an improper axis of rotation make a molecule achiral?
An improper axis of rotation is an axis about which rotation creates a mirror image of the molecule in a plane perpendicular to that axis. When a molecule with multiple chiral centers lacks a plane or center of symmetry but possesses an improper axis, it remains achiral because it is still superposable on its mirror image through this rotational mechanism.
Q7: What determines whether a molecule with multiple chiral centers is chiral or achiral?
Chirality of molecules with multiple chiral centers depends on molecular symmetry evaluation. If the molecule has a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation, it is achiral. Without these symmetry elements, the molecule is chiral. Understanding isomerism constitutional isomers and stereoisomers is essential for determining overall molecular chirality.