Stéréoisomérie et Représentation Spatiale des Molécules

Fondamentaux de la Stéréoisomérie et de la Géométrie Moléculaire

• Isomères : Molécules qui partagent exactement la même formule brute (nombre et type d'atomes identiques) mais possèdent des structures chimiques différentes.

• Isomères plans (Isomères de structure) : Molécules différant par leur connectivité, la séquence des liaisons ou les groupements fonctionnels sur un plan bidimensionnel.

• Stéréoisomères (Isomères stériques) : Composés ayant une formule structurale plane bidimensionnelle et une connectivité atomique identiques, mais différant par l'arrangement spatial tridimensionnel de leurs atomes et groupements fonctionnels.

• Hybridation du carbone & disposition spatiale : La disposition tridimensionnelle des molécules organiques résulte directement des états d'hybridation des atomes de carbone :

  • Hybridation $sp^3$ : Le carbone est tétravalent et adopte une forme tétraédrique dans l'espace tridimensionnel, décrite comme une pyramide à base triangulaire.

  • Hybridation $sp^2$ : Le carbone forme des structures planes et rigides avec des angles de liaison d'environ $120^ ext{o}$.

  • Hybridation $sp$ : Le carbone forme des arrangements moléculaires linéaires avec des angles de liaison de $180^ ext{o}$.

Représentations Spatiales des Molécules Organiques

• Représentation de Cram ("Flying Wedge" / "Coin volant") :

  • Trait simple : Représente une liaison chimique située directement dans le plan du papier.

  • Liaison pleine (coin plein) : Représente une liaison pointant vers l'avant, sortant du plan du papier vers l'observateur.

  • Liaison hachurée (coin hachuré) : Représente une liaison pointant vers l'arrière, derrière le plan du papier en s'éloignant de l'observateur.

• Conformation des chaînes hydrocarbonées acycliques saturées : La conformation la plus stable est l'arrangement décalé, affiché selon un motif en zig-zag. Cet arrangement spatial minimise les interactions stériques et électroniques (répulsions entre nuages électroniques) attachées aux carbones adjacents.

• Conformation vs Configuration :

  • Conformation : Désigne l'infinité de formes spatiale qu'une molécule peut adopter simplement par rotation autour de liaisons simples, sans rompre de liaison covalente. La rotation ne modifie pas la connectivité atomique.

  • Configuration : Désigne l'arrangement spatial permanent d'un centre carboné asymétrique ou d'un système de liaisons rigides. Interconvertir des configurations nécessite de rompre et de reformer des liaisons covalentes (par exemple, convertir une configuration $R$ en une configuration $S$).

• Représentation en Perspective : Affiche la projection tridimensionnelle des liaisons s'étendant vers l'avant et vers l'arrière dans l'espace.

• Représentation de Newman : Projection vue directement le long d'un axe de liaison carbone-carbone spécifique, distinguant explicitement les conformations décalée et éclipsée.

• Projection de Fischer (Projection plane) :

  • Liaisons horizontales : Projettent vers l'avant, au-dessus du plan du papier (vers l'observateur).

  • Liaisons verticales : Projettent vers l'arrière, au-dessous du plan du papier (s'éloignant de l'observateur).

  • Chaîne carbonée principale : La chaîne hydrocarbonée continue la plus longue est placée le long de la ligne verticale.

  • Placement de l'état d'oxydation : L'atome de carbone le plus oxydé (contenant le nombre maximal d'atomes d'oxygène et le nombre minimal d'atomes d'hydrogène) est positionné en haut.

• Conventions de notation (Biochimie vs Chimie) :

  • En biochimie, un segment de ligne terminal nu ("barre") sur une représentation linéaire de sucre représente un groupement hydroxyle ($-OH$).

  • En chimie organique, un segment de ligne terminal nu sur une structure squelettique représente un groupement méthyle ($-CH_3$).

Chiralité et Carbones Asymétriques

• Définition de la chiralité :

  • La chiralité est la propriété géométrique d'un objet ou d'une molécule qui n'est pas superposable à son image dans un miroir (par exemple, une main droite et une main gauche).

  • Une molécule est définie comme chirale si elle ne peut pas être superposée à son image dans un miroir.

  • Une molécule est définie comme achirale si elle peut être superposée à son image dans un miroir.

• Critères d'identification des molécules chirales :

  • Une molécule chirale se caractérise par l'absence de certains éléments de symétrie.

  • Dans la presque totalité des cas, une molécule doit manquer à la fois d'un plan de symétrie et d'un centre de symétrie pour être chirale.

• Carbone asymétrique ($C^*$) :

  • Un carbone asymétrique est un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupements d'atomes structurellement différents.

  • Il est noté $C^*$ et agit comme un centre de chiralité ou stéréocentre.

  • Toute molécule possédant un seul carbone asymétrique est intrinsèquement chirale.

• Énantiomères (Énantiomorphes ou Antipodes optiques) :

  • Paires de molécules stéréoisomères qui sont des images miroir non superposables l'une de l'autre.

  • Les paires d'énantiomères diffèrent exclusivement par leur configuration spatiale tridimensionnelle.

• Activité optique des énantiomères :

  • Les énantiomères partagent des propriétés physiques et chimiques identiques dans des environnements achiraux, à l'exception de leur rotation optique (pouvoir rotatoire), qui est la capacité de faire dévier le plan de la lumière polarisée.

  • Lorsque la lumière polarisée traverse un énantiomère, elle fait pivoter le plan de polarisation d'un angle $<br>ull\alpha<br>ull$.

  • Dextrogyre : Fait tourner la lumière polarisée vers la droite (sens des aiguilles d'une montre) ; noté $(+)$.

  • Lévogyre : Fait tourner la lumière polarisée vers la gauche (sens inverse des aiguilles d'une montre) ; noté $(-)$.

• Mélange racémique :

  • Un mélange équimolaire contenant des proportions égales ($50\%$ dextrogyre + $50\%$ lévogyre) d'une paire d'énantiomères.

  • Noté $(\pm)$.

  • Un mélange racémique est optiquement inactif sur la lumière polarisée car les pouvoirs rotatoires égaux et opposés des deux énantiomères s'annulent exactement.

Configuration Absolue : Règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP)

• Aperçu du système : Le système séquentiel de priorité de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) permet la détermination univoque de la configuration absolue ($R$ ou $S$) d'un centre de chiralité. Il s'applique exclusivement aux carbones asymétriques ($C^*$).

• Méthode de détermination de la priorité des substituants :

  1. Classer les quatre substituants liés directement au $C^*$ par ordre décroissant de numéro atomique ($Z$).

  2. Séquence de priorité décroissante pour les atomes fréquemment rencontrés : $I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H$

  3. Moyen mnémotechnique : "Ibra Claque Ses Fesses Au Nouveau Centre Hospitalier" ($I, Br, Cl, S, F, O, N, C, H$).

  4. Si deux atomes ou plus directement liés au $C^*$ sont identiques, comparer les numéros atomiques des deuxièmes atomes des chaînes, puis des troisièmes, et ainsi de suite.

  • Exemple de comparaison 1 : Un groupement éthyle ($-C<em>2H</em>5$) l'emporte sur un groupement méthyle ($-CH_3$) car le deuxième atome de la chaîne est un carbone plutôt qu'un hydrogène.

  • Exemple de comparaison 2 : Un groupement aldéhyde ($-CHO$) l'emporte sur un groupement alcool primaire ($-CH_2OH$).

  1. Liaisons multiples : Une liaison double ou triple est fictivement décomposée en deux ou trois liaisons simples, respectivement. Les atomes liés sont comptés autant de fois que la multiplicité de la liaison.

  • Dans $-CHO$, le carbone est doublement lié à l'oxygène, traité comme étant lié à deux oxygènes $(O, O, H)$.

  • Dans $-CH_2OH$, le carbone est lié par une liaison simple à un oxygène, traité comme $(O, H, H)$.

• Attribution de la configuration $R$ ou $S$ :

  1. Orienter la molécule en représentation de Cram de façon à ce que le substituant de plus faible priorité (priorité 4, fréquemment l'hydrogène) pointe directement à l'opposé de l'observateur derrière le plan (représenté par un trait hachuré).

  2. Observer les trois autres substituants de priorité supérieure (priorité 1, priorité 2 et priorité 3) formant un plan à l'avant.

  3. Tracer un parcours curviligne allant de la priorité 1 ($a$) à la priorité 2 ($b$) puis à la priorité 3 ($d$) :

  • Si le parcours tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (vers la droite) : La configuration absolue est $R$ (du latin rectus, droit).

  • Si le parcours tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (vers la gauche) : La configuration absolue est $S$ (du latin sinister, gauche).

• Mises en garde importantes :

  • Le système CIP repose strictly sur le numéro atomique ($Z$) et NON sur l'électronégativité.

  • Il n'existe pas de relation systématique entre la configuration absolue ($R/S$) et le pouvoir rotatoire ($(+)/(-)$). Un composé de configuration $R$ peut être soit dextrogyre $(+)$, soit lévogyre $(-)$, et inversement.

Stéréoisomérie dans les Sucres et les Acides Aminés (Système D/L)

• Sucres (Oses) en projection de Fischer :

  • Le carbone le plus oxydé est placé en haut (le groupement aldéhyde $-CHO$ pour les aldoses, ou le carbone carbonylique $C=O$ en position 2 pour les cétoses).

  • La configuration ($D$ ou $L$) est déterminée en examinant l'avant-dernier carbone (le carbone asymétrique le plus éloigné du haut, précédant immédiatement le groupement alcool primaire terminal $-CH_2OH$) :

  • Série $D$ : Le groupement hydroxyle ($-OH$) sur l'avant-dernier carbone est à droite.

  • Série $L$ : Le groupement hydroxyle ($-OH$) sur l'avant-dernier carbone est à gauche.

  • Exemples : D-glycéraldéhyde versus L-glycéraldéhyde.

• Acides Aminés en projection de Fischer :

  • Le groupement acide carboxylique ($-COOH$) est positionné en haut.

  • La configuration ($D$ ou $L$) est déterminée en examinant la position du groupement amine ($-NH_2$) :

  • $D$--acide aminé : Le groupement amine ($-NH_2$) est à droite.

  • $L$--acide aminé : Le groupement amine ($-NH_2$) est à gauche.

Molécules avec Plusieurs Carbones Asymétriques et Diastéréoisomérie

• Règle générale pour le nombre d'isomères optiques :

  • Une molécule contenant $n$ centres carbonés asymétriques distincts ($C^*$) peut former un maximum de $2^n$ isomères optiques.

• Molécules avec deux carbones asymétriques ($n = 2$) :

  • Donne jusqu'à $2^2 = 4$ combinaisons stéréoisomériques possibles : $(R,R)$, $(S,S)$, $(S,R)$ et $(R,S)$.

  • Paires d'énantiomères : $(R,R)$ et $(S,S)$ forment une première paire d'énantiomères images miroir.

  • Paires d'énantiomères : $(S,R)$ et $(R,S)$ forment une seconde paire d'énantiomères images miroir.

• Définition des Énantiomères vs Diastéréoisomères :

  • Énantiomères : Diffèrent par leur configuration absolue au niveau de tous les centres carbonés asymétriques ($C^*$).

  • Diastéréoisomères : Stéréoisomères non énantiomériques qui diffèrent par leur configuration absolue au niveau d'un ou plusieurs, mais pas la totalité des centres carbonés asymétriques.

  • Exemple : Le 2,3,4-trihydroxybutanal possède plusieurs stéréoisomères (tels que $(2R,3R)$, $(2S,3S)$, $(2R,3S)$ et $(2S,3R)$). Le stéréoisomère $(2R,3R)$ est l'énantiomère de $(2S,3S)$, mais est un diastéréoisomère de $(2R,3S)$ et $(2S,3R)$.

Cas Particuliers : Composés Meso

• Distinction : La forme meso ne doit pas être confondue avec l'effet mésomère (effet de résonance).

• Critères pour un composé meso :

  1. La molécule contient deux carbones asymétriques adjacents ($C^*$).

  2. Les substituants sur les deux carbones asymétriques sont deux à deux identiques. C'est-à-dire qu'en excluant la liaison simple carbone-carbone centrale qui les relie, les deux atomes $C^*$ sont liés au même ensemble de trois groupements fonctionnels.

• Réduction du nombre de stéréoisomères :

  • Pour un système meso, au lieu de donner 4 isomères optiques, seuls 3 stéréoisomères existent :

  • 2 Énantiomères : $(2S,3S)$ et $(2R,3R)$. La rotation de ces molécules dans l'espace conserve leur configuration SS ou RR.

  • 1 Composé meso : Les formes $(2S,3R)$ et $(2R,3S)$ sont identiques.

• Propriétés structurales et optiques des formes meso :

  • Un composé meso contient un plan de symétrie interne situé entre les deux carbones asymétriques.

  • Effectuer une rotation de $180^\text{o}$ sur l'isomère $(2S,3R)$ le transforme spatialement en l'isomère $(2R,3S)$ sans rompre de liaison chimique.

  • Comme les deux carbones asymétriques portent des substituants identiques, la numérotation de la chaîne carbonée peut être inversée sans modifier le nom chimique de la molécule. Ainsi, $(2S,3R)$ et $(2R,3S)$ représentent la même molécule vue sous deux angles différents.

  • Les composés meso sont achiraux et ne possèdent aucune activité optique (ils sont optiquement inactifs).

• Exemple concret : 2,3-dibromobutane :

  • Structure chimique : $CH<em>3-CHBr-CHBr-CH</em>3$.

  • Substituants sur le carbone 2 ($C<em>2^*$) : $-H$, $-CH</em>3$, $-Br$.

  • Substituants sur le carbone 3 ($C<em>3^*$) : $-H$, $-CH</em>3$, $-Br$.

  • Les formes $(2S,3S)$ et $(2R,3R)$ sont des énantiomères chiraux.

  • Les formes $(2S,3R)$ et $(2R,3S)$ sont identiques en raison d'une symétrie planaire interne, constituant un composé meso achiral unique.

Diastéréoisomérie des Doubles Liaisons et Structures Cycliques

• Diastéréoisomérie des doubles liaisons ($C=C$) :

  • Les composés organiques insaturés présentent une diastéréoisomérie en raison d'une rotation restreinte autour de la double liaison.

  • L'unité double liaison ($C=C$) est plane et rigide car les deux atomes de carbone sont hybridés $sp^2$.

  • Lorsque chaque carbone $sp^2$ porte deux atomes ou groupements distincts, deux stéréoisomères distincts existent.

• Attribution des configurations $Z$ et $E$ :

  1. Appliquer les règles de priorité CIP indépendamment aux deux substituants du premier carbone $sp^2$, puis aux deux substituants du second carbone sp^2$.

  2. Tracer une ligne de référence horizontalement le long de l'axe de la double liaison.

  3. Configuration Z$</strong> (de l'allemand <em>zusammen</em>, ensemble ; historiquement <em>cis</em>) : Le substituant de plus haute priorité sur le premier carbone et le substituant de plus haute priorité sur le second carbone se trouvent du <strong>même côté</strong> de la double liaison.</p></li><li><p><strong>Configuration$E$</strong> (de l'allemand <em>entgegen</em>, opposé ; historiquement <em>trans</em>) : Les substituants de plus haute priorité se trouvent de <strong>côtés opposés</strong> de la double liaison.</p></li></ol><ul><li><p><em>Note d'usage</em> : Les termes <em>cis</em> et <em>trans</em> restent utilisés pour décrire des réactions stéréospécifiques (telles que l'addition <em>cis</em> se produisant sur la même face, ou l'addition <em>trans</em> se produisant sur des faces opposées).</p></li></ul></li><li><p><strong>Exemples de diastéréoisomères à double liaison</strong> :</p><ul><li><p><strong>1,2-dichloroéthène</strong> : Existe sous forme de$(Z)$-1,2-dichloroéthène et de$(E)$-1,2-dichloroéthène.</p></li><li><p><strong>Acide 2-méthylbut-2-énoïque</strong> : Existe sous forme d'acide$(E)$-2-méthylbut-2-énoïque et d'acide$(Z)$-2-méthylbut-2-énoïque.</p></li></ul></li><li><p><strong>Cas particulier : Oximes ($>C=N-OH$)</strong> :</p><ul><li><p>Dans une oxime, l'atome d'azote est lié par une double liaison au carbone et par une liaison simple à un groupement hydroxyle ($-OH$), tout en conservant un doublet non liant.</p></li><li><p>Le doublet non liant sur l'azote est traité comme un substituant auquel est attribuée la plus faible priorité possible.</p></li><li><p>Le groupement hydroxyle ($-OH$) se voit attribuer la plus haute priorité sur l'atome d'azote.</p></li><li><p>La configuration$E$ou$Z$est attribuée en comparant la position du groupement$-OH$sur l'azote par rapport au substituant$R$de plus haute priorité sur le carbone lié par la double liaison.</p></li></ul></li><li><p><strong>Diastéréoisomérie dans les composés cycliques</strong> :</p><ul><li><p>Les structures cycliques telles que le cyclohexane sont non planes dans l'espace tridimensionnel, adoptant des conformations chaise ou bateau.</p></li><li><p>Les substituants attachés aux carbones du cycle se projettent au-dessus ou au-dessous du plan moyen du cycle, donnant lieu à des configurations relatives diastéréoisomériques.</p></li></ul></li></ul><h4>Importance Biologique de la Chiralité</h4><ul><li><p><strong>Énantiosélectivité dans la biosynthèse biologique</strong> :</p><ul><li><p>Les réactions biologiques et les biosynthèses présentent une stéréosspécificité et une énantiosélectivité élevées.</p></li><li><p>Les enzymes servent de catalyseurs chiraux, créant des conditions optimales pour le déroulement des réactions.</p></li><li><p>Les interactions enzyme-substrat et récepteur-ligand sont strictly énantiosélectives, fonctionnant selon un modèle <strong>clé-serrure</strong>.</p></li><li><p>Si un énantiomère chiral spécifique s'ajuste dans un récepteur ou le site catalytique d'une enzyme, son énantiomère image miroir ne s'ajustera pas ou n'interagira pas correctement.</p></li></ul></li><li><p><strong>Acides aminés naturels</strong> :</p><ul><li><p>Tous les acides aminés naturels intégrés dans les protéines biologiques possèdent la <strong>configuration$L$</strong>.</p></li><li><p>En revanche, la synthèse chimique non enzymatique des acides aminés en laboratoire produit un mélange racémique ($50\%$$L$et$50\%$$D) en raison de l'absence d'énantiosélectivité.