Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration Plan I.Chiralité et énantiomérie 1.Chiralité 2.Enantiomérie 3.Atome de carbone asymétrique II.Descripteurs stéréochimiques

Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration

Plan

I. Chiralité et énantiomérie1. Chiralité2. Enantiomérie3. Atome de carbone asymétrique

II. Descripteurs stéréochimiques1. Descripteurs de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S, règle CIP2. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang3. Cas de liaisons multiples4. Cas particuliers des acides α-aminés et des sucres : descripteurs

D et LIII. Diastéréoisomérie

1. Définition2. Molécules possédant deux carbones asymétriques3. Cas particulier : les composés méso4. Cas de n carbones asymétriques5. Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C6. Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques

IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères

Introduction

OO

O

O

OH

OH

Na

K

Figure 1 : Une des configurations du tartrate double de sodium et d’ammonium

BrCH3

H

H

CH3

H

H3CCH3

Br

H

H

H

H3CCH3

H

H

Br

H

conformations différentesmême conformation

pas superposables :deux configurations différentes

Figure 2 : Différents stéréoisomères ayant la même formule plane

Introduction

(R)-(+)-limonèneodeur d'orange

(S)-(-)-limonèneodeur de menthe

dans l'orange : presque 100 % de Rdans le citron : 80 % de R, 20 % de S

N

N

H

(S)-(-)-nicotinenicotine naturelle : plus toxique que

l'énontiomère R

HN

ON

H

O

O

O

NH

ON

H

O

O

O

(R)-thalidomide

médicament administré pour calmer les nausées

des femmes enceintes

(S)-thalidomide

scandale en 1962 : les deux énantiomères n'avaient pas été séparés dans le médicament, l'énantiomère (S)

était tératogène, il engendrait des malformation du foetus

C6H5

N

C6H5 OCOC2H5

(R, R)-propoxyphene

analgésique

C6H5

N

C6H5C2H5OH2CO

(S, S)-propoxyphene

anti-toux

Figure 3 : exemples de différences de propriétés

biologiques liés à la différence de configuration


Plan






I. Chiralité et énantiomérie

1. Chiralité

Définition : objet chiral

Un objet non superposable à son image dans un miroir est dit chiral. (cheir : main en grec)


2. Enantiomérie

Un objet et son image dans un miroir forment un couple, pour des molécules on parle d’énantiomères.

Définition : énantiomères

On appelle énantiomère une des espèces moléculaire d’une paire qui sont images l’une de l’autre dans un miroir et qui ne sont pas superposables.

Définition : énantiomérie

Les deux espèces énantiomères d’un couple sont liées par un relation d’isomérie appelée énantiomérie.

Théorème très important :

Les molécules qui possèdent un plan de symétrie ou un centre de symétrie sont achirales.


3. Atome de carbone asymétrique

En 1874, Van’t Hoff identifie qu’un atome de carbone dont la géométrie s’inscrit dans un tétraèdre, liés à quatre atomes ou groupes différents d’atomes n’est pas superposable à son image dans un miroir.

Définition : carbone asymétrique

On appelle atome de carbone asymétrique un atome de carbone tétraédrique lié à 4 atomes ou groupes différents d’atomes. Il est noté C*.

Figure 4 : Représentation de Cram d’un

bromochlorofluorométhane et d’un butan-2-ol ainsi que leur

image dans un miroir



Théorème :

Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique est chirale. Elle est un des deux énantiomères d’un couple .

Voici quelques exemples de molécules. Indiquer lesquelles sont chirales.

H

H2N COOH2N

OH

O

toluène(S)-limonène (R)-alanine glycine

Figure 5 : Chirale ou non ?



Coupe de pouce : pour dessiner l’énantiomère d’une molécule possédant un seul C*, il suffit de dessiner son symétrique ou d’inverser deux substituants du C*.


Plan






Cl

FBr

H

II. Descripteurs stéréochimiques (ou stéréodescripteurs)

1. Descripteurs stéréochimiques de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S, règle CIP

Voici la méthode pour différencier les deux configurations possible d’un atome de carbone asymétrique, que l’on appliquera sur la molécule suivante.

1 : les 4 substituants du carbone asymétrique sont classés par ordre décroissant de priorité selon la règle de CIP

Règle : Un atome est prioritaire devant un autre atome si son numéro atomique Z est le plus grand.

*

1

2

342 : on observe la molécule selon l’axe : C – substituant le moins prioritaire

3 : - Si le sens de rotation 1-2-3 est celui des aiguilles d’une montre : stéréodescripteur R- Si le sens de rotation 1-2-3 est inverse de celui des aiguilles d’une montre : stéréodescripteur S

4 : on place devant le nom de la molécule (R) ou (S) avec le numéro du carbone asymétrique si nécessaire


1. Descripteurs stéréochimiques de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S, règle CIP

Voici la méthode pour différencier les deux configurations possible d’un atome de carbone asymétrique, que l’on appliquera sur la molécule suivante.

Cl

FBr

H*

1

2

34 R

(R)-bromochloroflurométhane


2. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang

Définition : rang

On appelle rang (ou ordre) n d’un atome par rapport à un centre asymétrique le nombre de liaisons (simples ou multiples) qui les sépare.

Sur l’exemple du butan-2-ol deux atomes attachés directement au carbone asymétrique sont identiques, pourtant le carbone est bien asymétrique, il faut donc classer les atomes du rang supérieur et comparer deux à deux les substituants.

HO H

1 2 34


2. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang

Exercice d’application : nommer la molécule suivante

Cl OH

H OH


3. Cas de liaisons multiples

Les règles de Cahn, Ingold et Prelog ne s’adressent qu’à des atomes liés à quatre autres atomes (comparaison de triplet d’atomes). Afin de toujours pouvoir comparer des triplets d’atomes, il est nécessaire d’utiliser d’autres conventions.

Une liaison multiple entre A et B est considérée comme autant de liaisons entre A, B et des atomes B fictifs.

Il faut que toutes les liaisons apparaissent sur l’arbre.

Exercice d’application : nommer la molécule suivante

H

HO H


4. Cas particuliers des acides α-aminés et des sucres : descripteurs D et L

Cette nomenclature se base sur la projection de Fischer des acides α-aminés. Par convention, dans la représentation de Fischer, le carbone asymétrique α est dit de configuration L (du latin laevus) si le groupe est à gauche. Sinon il est de configuration D (du latin dexter). Retenez bien qu’il n’y a aucune relation entre la nomenclature L/D et S/R, tout dépend de la chaîne latérale . Tous les acides -aminés naturels sont L.

a) Cas des acides α-aminés

Figure 6 : Stéréodescripteurs L ou D des acides α-aminés


4. Cas particuliers des acides α-aminés et des sucres : descripteurs D et L

a) Cas des acides α-aminés

Exercice d’application : représenter la (L)-phénylalanine (chaîne latérale R = CH2 – Ph) en projection de Fischer. Le carbone asymétrique est-il de descripteur stéréochimique R ou S ?

b) Cas des oses

Il faut partir de la représentation de Fischer de l’ose, en plaçant la chaîne carbonée verticale, et la fonction aldéhyde ou cétone en haut. Il faut alors analyser la configuration de l’atome de carbone asymétrique le plus bas de la chaîne carbonée. Si le groupe hydroxyle – OH de cet atome de carbone est à gauche, l’ose est dit L, s’il est à droite, il est dit D.

Figure 7 : Les deux configurations du glucose

énantiomères


Plan






III. Diastéréoisomérie

1. Définitions

Définition : diastéréoisomères et diastéréoisomérie

On appelle diastéréoisomères deux stéréoisomères de configuration qui ne sont pas image l’un de l’autre dans un miroir. Ils sont liés par une relation de diastéréoisomérie.

Remarque : deux stéréoisomères de configuration sont soit des énantiomères soit des diastéréoisomères.

2. Molécules possédant deux atomes de carbones asymétriques

Exercice d’application : Représenter l’ensemble des stéréoisomères de configuration du 2-bromo-3-chlorobutane. Donner la relation de stéréochimie qui lie ses stéréoisomères. Préciser le stéréodescripteur de chacun des atomes de carbone asymétrique


2. Molécules possédant deux atomes de carbones asymétriques

Dans le cas général, chaque atome de carbone asymétrique peut présenter deux configurations, donc il existe au maximum 2 x 2 = 4 stéréoisomères de configuration.

3. Cas particulier : composé méso

Représenter l’ensemble des stéréoisomères de configuration de l’acide 2,3-dihydroxybutanedioïque. Donner la relation de stéréochimie qui lie ses stéréoisomères. Préciser le stéréodescripteur de chacun des atomes de carbone asymétrique

Définition : composé méso

On appelle composé méso une molécule achirale faisant partie d’un ensemble de diastéréoisomères qui contient des molécules chirales.

Propriété :

Dans le cas d’une molécule de type XYZC – CXYZ, le composé méso est le composé de stéréodescripteur (RS) et les composés de descripteurs (RR) et (SS) sont énantiomères l’un de l’autre.


4. Cas de n atomes de carbone asymétrique

Pour une formule développée donnée avec n atomes de carbone asymétriques, il y a au plus :

stéréoisomères de configuration

5. Diastéréoisomérie cis-trans de la liaison C = C

Ph Ph

Ph

Ph

Figure 8 : Les deux diastéréoisomères du stilbène

La rotation autour de la liaison C = C nécessite une énergie d’activation bien supérieure à celle nécessaire à la rotation autour d’une liaison simple.


5. Diastéréoisomérie cis-trans de la liaison C = C a) Stéréodescripteurs Z et E

Il faut d’abord classer les groupes portés par chaque atome de carbone de la double liaison à l’aide de la règle CIP.

- si les groupes prioritaires si les groupes prioritaires sont du même côté de la double liaison, la double liaison est de descripteur stéréochimique (Z)- si les groupes prioritaires sont de part et d’autre de la double liaison, la double liaison est de descripteur stéréochimique (E)

Ph Ph

Ph

Ph

Figure 8 : Les deux diastéréoisomères du stilbène

(Z) (E)


6. Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

énantiomères

diastéréoisomères

Figure 9 : Ensemble des stéréoisomères de configuration du 2-méthylcyclohexanol

Cas particulier : Représenter les stéréoisomères de configuration du 4-méthylcyclohexanol. Qu’ont-ils de particulier ?

Soit deux structures A et B

A et B sont-elles superposables ?

oui non

structures identiques structures différentes

A et B ont-elles le même enchaînement d'atomes ?

oui non

structures identiques structures différentes

Peut-on passer de A à B uniquement pardes rotations autour de liaisons simples ?

A et B ont-elles le même groupe caractéristique ?

oui non

isomères de chaîne ou de position isomères de fonction

oui non

stéréoisomères de conformation

stéréoisomères de conf iguration

A et B sont-elles imagesl'une de l'autre dans un miroir ?

oui non

énantiomères diastéréoisomères


Plan

I. Chiralité et énantiomérieII. Descripteurs stéréochimiquesIII. Diastéréoisomérie



1. Analyse documentaire2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux

énantiomères3. Activité optique des molécules chirales

IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des

diastéréoisomères1. Analyse documentaire

Document 1 : Quelques propriétés des stéréoisomères de l’acide aspartique

Nom Acide (L)-(+)-aspartique Acide (D)-(–)-aspartique

Structure

Température de fusion (°C)

270 270

Pouvoir rotatoire

OH

O

O

OH

NH2 OH

O

O

OH

NH2



Document 2 : Quelques propriétés de l’acide fumarique et de l’acide maléïque

Nom Acide (E)-but-2-ène-1,4-

dioïqueAcide (Z)-but-2-ène-1,4-

dioïque

Structure

Nom courant Acide fumarique Acide maléique

Solubilité dans l’eau à 25°C (g.L – 1)

6,3 780

Pouvoir rotatoire

HO

O

O

OH OO

OH HO



Document 3 : Différence de réactivité des deux diastéréoisomères acide maléique et acide fumarique

O

O

O

OO

O

O O

O

O

OH

H

H

H

140 °C

+ H2O fortchauffage

pas de réaction

acide maléïque acide fumarique



Document 4 : Quelques propriétés des stéréoisomères de l’éphédrine

Nom (1S,2R)-éphédrine (1R,2S)-éphédrine

Structure

Température de fusion (°C)

40 40

Pouvoir rotatoire

NH

OH

(1S)(2R)

OH

NH

(1R)(2S)

En analysant les documents précédents compléter les phrases suivantes :



Deux diastéréoisomères ont des propriétés physiques

Deux diastéréoisomères ont des propriétés chimiques

Deux énantiomères ont des propriétés physiques usuelles

Deux énantiomères ont des propriétés chimiques

Les pouvoirs rotatoires des molécules achirales sont

Les pouvoirs rotatoires de deux énantiomères sont

différentes

différentes

identiques

identiques

nuls

opposé

MAIS…..


diastéréoisomères2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères

Figure 11 : Interactions identiques des deux énantiomères M et M* chiraux avec une molécule P achirale



Figure 12 : Interactions identiques des deux énantiomères M et M* chiraux avec une molécule P achirale



En l’absence de tout autre composé chiral dans le milieu, les deux énantiomères d’une molécule chirale réagissent identiquement en tout point avec une molécule achirale.

Par contre, si l’on introduit une autre source de chiralité les deux énantiomères d’une molécule chirale peuvent réagir différemment.



Figure 13 : Analogie clef-serrure : un seul des deux

énantiomères est reconnu par le site actif d’une

protéine


diastéréoisomères3. Activité optique des molécules chirales

Figure 13 : Schéma de principe de la mesure du pouvoir rotatoire d’un échantillon

Documents

Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration Plan I.Chiralité et énantiomérie 1.Chiralité 2.Enantiomérie 3.Atome de carbone asymétrique II.Descripteurs stéréochimiques