| Chimie | ||
| Structure de l'atome | Liaison chimique | Liaisons intermoléculaires |
| Géométrie des édifices moléculaires | Liaison dans le modèle ondulatoire | Nomenclature |
| Stéréoisomérie | Intéraction moléculaire | |
Stéréoisomérie
La stéréoisomérie étudie les
problèmes d’isomérie qui relèvent de la représentation de la
molécule dans l’espace.
La réactivité d’une molécule est
étroitement liée à sa géométrie, notamment dans le cas
d’interactions avec le milieu vivant.
I.
La relation d’énantiomérie
Lorsqu’une molécule n’est pas
superposable à son image dans un plan, on dit qu’elle est
chirale.
La
chiralité d’une molécule est liée à l’absence de certains
éléments de symétrie. Les
molécules chirales sont des molécules qui ne possèdent ni
plan ni axe de symétrie (ni axe de symétrie alternant
d’ordre n). Dans
le premier cas, il existe un plan de symétrie. Dans
le deuxième, il n’y a ni plan ni centre de symétrie. Les
deux molécules ne sont pas superposables, elles sont
chirales. Un carbone qui porte 4
substituants différents est dit asymétrique.
Représentation de Newman :
Pour la représentation de Newman, on regarde
dans l’axe de la liaison C¾ H. Ces 2 isomères sont appelés :
2 énantiomères ont des pouvoirs rotatoires
identiques mais de signe opposé. La relation d’énantiomèrie
définit la configuration relative de ces 2 énantiomères, dont
l’un est (+) et l’autre (-) mais il est impossible de dire à
l’examen des 2 représentations laquelle représente la forme
dextrogyre et laquelle représente la forme lévogyre.
L’expérience montre que l’un des composés est
dextrogyre et l’autre lévogyre.
II.
Configuration absolue - Règle de Cahn, Ingold, Prelog Cahn, Ingold et Prelog ont proposé une
nomenclature pour caractériser et définir de manière univoque
chacune des 2 configuration d’un carbone asymétrique. On établit d’abord un classement séquentiel
des 4 substituants. L’ordre du classement correspond aux valeurs
décroissantes du numéro atomique Z. Si les 2 substituants sont liés au carbone
asymétrique par un atome du même élément, on les départage en
considérant les substituants en 2° position. Par exemple :
Le
groupe éthyle l’emporte sur le groupe méthyle. Classer par ordre décroissant de priorité les
substituants Br - OH - C(CH3)3 - CH2OH
- NH2 - CH3. Br : Z = 35 Br OH NH2 CH2OH C(CH3)3 CH3 1 2 3 4 5 6
Une double ou triple liaison
est considérée comme l’équivalent de 2 (ou 3) liaisons simples.
Ce classement étant établi, on
regarde la molécule du côté opposé au substituant qui est classé
en 4° position et on examine les 3 autres substituants pris dans
l’ordre décroissant de priorité (1 à 3). Si le déroulement s’effectue
dans le sens des aiguilles d’une montre : configuration absolue
R (Rectus) Dans le sens inverse :
configuration absolue S (Sinister).
est vu ainsi
en Newman :
Configuration S
est vu ainsi :
Configuration R
Si un énantiomère a une configuration absolue
R, l’autre est S.
Autre exemple d’énantiomères :
Attention : H est
en arrière quand on regarde du côté opposé à 4.
Dans le cas contraire on dit qu’elle est achirale.
Représentation selon le procédé « du coin volant » :
La conséquence de cette chiralité est que la molécule peut
exister sous 2 formes.
Ex : Acide lactique CH3-CHOH-COOH
(acide 2-hydroxy propanoïque)
Représentation du coin volant :
- énantiomères
- inverses optiques
- antipodes optiques
Dans la plupart des cas, les 2 énantiomères ont les mêmes
propriétés physiques et chimiques (sauf vis à vis d’une autre
molécule chirale). Il existe un seul point sur lequel les 2
énantiomères se différencient toujours et même s’opposent :
c’est le pouvoir rotatoire.
Si on interpose un énantiomère dans un faisceau de lumière
polarisée, on remarque un rotation du plan de polarisation.
L’un va faire tourner le plan de polarisation vers la droite, il
est dextrogyre on lui affecte le signe (+).
ex : (+) acide lactique.
L’autre fera tourner le plan de polarisation vers la gauche, il
est lévogyre, on le nomme avec le signe (-).
ex : (-) acide lactique.
Les mélanges équimoléculaires de ces 2 énantiomères est appelé
mélange racémique.
Ce mélange n’est pas optiquement actif : il n’a aucune action
sur la lumière polarisée. On le désigne par .
Comme les énantiomères ont les mêmes propriétés physiques et
chimiques, il est difficile a priori de séparer les 2
constituants du racémique.
2 corps peuvent avoir la même chiralité sans pour autant avoir
le même signe du pouvoir rotatoire.
Le signe du pouvoir rotatoire n’est qu’une donnée expérimentale
et ne peut donc être prévue.
On va donc définir la configuration absolue.
CH3--C*--CH2--CH3
O : Z = 8
N : Z = 7
C : Z = 4
Exemples :
Enantiomères :
Noter une nouvelle fois qu’il n’y a pas de relation systématique entre le signe du pouvoir rotatoire (lévogyre, dextrogyre) et la configuration absolue (R,S).
Le fait d’estérifier la fonction de l’acide lactique provoque un changement de signe du pouvoir rotatoire sans modifier la configuration absolue
III. Nomenclature D - L
On indique parfois avec quelle forme dextrogyre ou lévogyre du glycéraldéhyde le composé peut être mis en corrélation.
La structure par diffractométrie (Rayons X) du (+) Glycéraldéhyde a été établie en 1951 :
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(+) Glycéraldéhyde Selon Cahn, Ingold, Prelog. Configuration absolue R |
L’acide (-) R lactique (lévogyre) dont la configuration est directement reliée à celle du (+) Glycéraldéhyde est souvent désigné comme acide D Lactique. Sa forme dextrogyre sera alors désignée (+) L Lactique.
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Acide (-) lactique : forme R = acide D lactique |
la forme dextrogyre sera alors désignée (+) L lactique.
Cette nomenclature est souvent utilisée pour certaines familles de composés (glucides, acides aminés). Elle se justifie si on utilise la convention de FISCHER :
C’est une représentation plane. Les 4 liaisons sont représentées par des traits pleins.
un trait vertical correspond à une liaison située dans le plan de la feuille ou en arrière du plan.
un trait horizontal correspond à une liaison en avant du plan.
Par convention, on place la fonction la plus oxydée en haut.
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(-) |
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Par exemple, dans le cas du glucose, par convention, si l’hydroxyle le plus éloigné du carbonyle est placé à droite, c’est la configuration D.
Si il est à gauche : configuration L
D glucose
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Les aminoacides qui jouent un rôle important dans les processus biologiques ont tous la même configuration absolue et appartiennent à la série L par référence au (-) L glycéraldéhyde |
L aminoacide |
(-) L glycéraldéhyde |
Cette identité de configuration absolue ne permet pas de préjuger du signe du pouvoir rotatoire. Les symboles D et L n’ont pas de rapport avec le signe du pouvoir rotatoire.
IV. Diastéréoisomérie
Lorsque 2 molécules sont stéréoisomères mais ne sont pas énantiomères, elles sont diastéréoisomères. Il y a plusieurs cas :
A. Composés comportant 2 atomes de carbone asymétriques
Ex :
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4 combinaisons sont possibles (RR, RS, SR, SS) |
Les molécules RR et SS sont images l’une de l’autre puisque les configurations absolues sont inversées.
RR et SS sont 2 énantiomères
Il en est de même pour RS et SR qui constituent un couple d’énantiomères :
-
Les énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques et physiques mais pas la même action sur la lumière polarisée.
-
Les diastéréoisomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes.
Tableau des différentes combinaisons :
Exemple :
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Pour la représentation selon Newman, on regarde dans l’axe C¾ C
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Conformation éclipsée pas stable |
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Les 2 composés sont en équilibre |
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Conformation décalée beaucoup plus stable |
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Cas particulier : composé MESO
Si on substitue Br par Cl :
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Le composé RS contient un plan de symétrie donc la molécule n’est plus chirale (elle est achirale) :
RS = SR.
Il n’y a plus d’action sur la lumière polarisée car il y a un plan de symétrie.
Un composé méso a 2 carbones asymétriques et un plan de symétrie. Il est inactif sur la lumière polarisée.
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On a 3 stéréoisomères :
le composé méso |
B.
Cas des molécules cycliquesB.1. Cyclobutane : 1 bromo 2 chloro cyclobutane
Présence de 2 C*
4 stéréoisomères correspondants
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C’est une configuration CIS car les 2 atomes d’halogènes sont du même côté du plan. |
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C’est une configuration TRANS car les 2 atomes d’hydrogènes sont de par et d’autre du plan |
Si on substitue Br par Cl, on a un plan de
symétrie et toujours 2 carbones asymétriques.
RS est équivalent à SR : c’est un composé méso
B.2. Cyclohexane
Il présente un intérêt particulier du fait qu’il est présent dans de nombreux composés naturels (stéroïdes, terpènes). La substitution va donner la même chose.
Mais le cycle n’est pas plan et on va envisager pour le cyclohexane 2 conformations principales.
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forme chaise |
forme bateau |
Les 2 formes sont en équilibre, cependant la
forme bateau est moins stable car elle comporte 8 liaisons
éclipsées.
Dans la forme chaise, on envisage 2 positions pour les
substituants : position axiale
et équatoriale.
forme chaise
Au dessus du plan moyen de la molécule, l’ordre des substituants
est a - e - a - e...
forme bateau
Si on passe d’une forme chaise à l’autre forme chaise, un
substituant en position axiale passe en position équatoriale.
Soit un dérivé substitué 1,2 en configuration CIS.
Les 2 substituants seront en situation axiale et
équatoriale (ou inversement).
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Pour un dérivé disubstitué TRANS, on aura les halogènes en situation axiale - axiale ou équatoriale -équatoriale.
En représentation de Newman, on regarde dans l’axe de la liaison C¾ C.
Par exemple : forme chaise du cyclohexane selon Newman :
si l’on passe à l’autre forme chaise, le substituant en position axiale vient en position équatoriale.
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Si l’on passe à l’autre forme chaise, le substituant en position axiale vient en position équatoriale.
C. Composés chiraux sans carbone asymétrique
C.1. Série des allènes
Ce sont des composés organiques avec 2 doubles liaisons l’une à côté de l’autre.
Le carbone central est lié aux carbones 1 et 3 par des liaisons p (orbitales p) et des liaisons s par hybridation sp1.
Les carbones 1 et 3 présentent à ce carbone des orbitales sp2 pour les liaisons s et des orbitales p pour les liaisons p.
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On est obligé de faire tourner une des orbitales p du carbone central pour qu’elle soit dans un plan perpendiculaire. On peut alors envisager un recouvrement latéral
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Cette rotation de 90° entraîne que les 2 substituants portés par le C vont se situer dans un plan perpendiculaire à la feuille.
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La molécule est chirale ; elle n’a ni plan ni centre de symétrie. On peut donc envisager l’étude de son énantiomère.
Tous les composés alléniques ne sont pas chiraux :
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Il existe un plan de symétrie : molécule achirale |
Il existe un axe de symétrie : molécule achirale |
C.2.
Série spiranne
Þ
2 cycles successifs sont dans des plans perpendiculaires|
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Il n’y a ni plan ni centre de symétrie : molécule chirale. Donc on a 2 énantiomères.
Mais :
Le plan représenté est un plan de symétrie : un Br au dessus et un Br au dessous du plan.
C.3. Composés encombrés
Il s’agit de l’isomérie atropique pour les composés présentant des empêchements à la rotation (dérivés du biphényle).
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La rotation est possible |
pas de rotation possible du fait de l’encombrement |
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Il n’y a pas de centre ni de plan de symétrie : la molécule est chirale. |
composés organométalliques (?) voir cours Ra
fD. Composés comportant une double liaison
L’hybridation sp2 empêche toute rotation autour de la liaison C = C. Si chacun des atomes de carbone porte 2 atomes ou groupes d’atomes différents, il peut exister 2 stéréoisomères. Ils ne sont pas images l’un de l’autre et sont donc des diastéréoisomères.
Ex : 1,2 dichloroéthylène ClCH = CHCl
Nomenclature : on établit un classement sur chacun des carbones doublement liés en utilisant la règle de Cahn, Inlog Prelog. On examine ensuite dans quelle position relative se trouvent les groupes prioritaires.
S’ils sont du même côté, en position CIS, il s’agit de l’isomère Z (de l’allemand Zuzamen = ensemble)
Dans le cas contraire : position TRANS, c’est l’isomère E (entgagen = opposé).
V.
Méthode de dédoublementLes énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques donc a priori il est difficile de les séparer.
Au laboratoire, ce dédoublement est réalisé en faisant réagir sur le racémique un composé chiral par exemple (+)B :
(± )A + (+)B ----> (+)A(+)B + (-)A(+)B
Ce sont des diastéréoisomères ; leurs propriétés sont différentes.
Par un traitement convenable, on régénère à partir des composés (+)A(+)B et (-)A(+)B les 2 énantiomères . (+)A et (-)A.
Pour dédoubler un acide chiral, on utilisera une base active (morphine, quinine...)
Pour dédoubler une base chirale, on utilisera un acide (acide malique, acide tartrique...)
Autres méthodes de dédoublement :
-
cristallisation
-
photochimie
-
méthode cinétique
VI. Conclusion : la chiralité et le vivant
Deux énantiomères ont mêmes propriétés chimiques et physiques (sauf si le réactif est chiral).
Au laboratoire, si une réaction conduit à un produit chiral, les 2 énantiomères de forment en quantité égale et on obtient donc le racémique.
Ex :
Pour les composés naturels présents dans les organismes vivants, c’est souvent différent.
Lorsqu’un composé est chiral, il est très fréquent qu’un seul des énantiomères existe dans la nature (camphre, menthol, glucose, cholestérol, acides aminés...)
Dans le cas des réactions « naturelles » on n’obtient en général qu’un seul énantiomère. Ainsi, l’hydratation au laboratoire de l’acide fumarique donne le mélange racémique de l’acide malique.
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Mais la même réaction effectuée biologiquement au cours du cycle de Krebs produit spécifiquement l’acide S malique
Le comportement chimique de l’énantiomère vis à vis d’un récepteur biologique peut être très différent.
La forme dextrogyre de
l’asparagine a un goût sucré alors que sa forme lévogyre a un
goût amer
la forme lévogyre de l’adrénaline est 12 fois plus active que sa forme dextrogyre.
Adrénaline
L’interaction chimique entre une molécule et un substrat
biologique (par exemple la surface d’une protéine) est
conditionnée par une reconnaissance de forme mutuelle.
Envisageons le schéma suivant :
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énantiomère actif |
énantiomère inactif : pas d’interaction possible |
Dans le 1er cas, il y a interaction entre les groupes actifs de la molécule et les groupes récepteurs du substrat.
--> La géométrie de la molécule a une grande importance
REPRODUCTION COMPLETE OU PARTIELLE INTERDITE