chapitre 3 – stéréochimie de configuration plan i.chiralité et énantiomérie 1.chiralité...
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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
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
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)
I. Chiralité et énantiomérie
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.
I. Chiralité et énantiomérie
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
I. Chiralité et énantiomérie
3. Atome de carbone asymétrique
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 ?
I. Chiralité et énantiomérie
3. Atome de carbone asymétrique
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*.
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
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
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.
Cl
FBr
H*
1
2
34 R
(R)-bromochloroflurométhane
II. Descripteurs stéréochimiques (ou stéréodescripteurs)
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
II. Descripteurs stéréochimiques (ou stéréodescripteurs)
2. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang
Exercice d’application : nommer la molécule suivante
Cl OH
H OH
II. Descripteurs stéréochimiques (ou stéréodescripteurs)
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
II. Descripteurs stéréochimiques (ou stéréodescripteurs)
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
II. Descripteurs stéréochimiques (ou stéréodescripteurs)
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
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
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
III. Diastéréoisomérie
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.
III. Diastéréoisomérie
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.
III. Diastéréoisomérie
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)
III. Diastéréoisomérie
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
Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration
Plan
I. Chiralité et énantiomérieII. Descripteurs stéréochimiquesIII. 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
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
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères1. Analyse documentaire
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
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères1. Analyse documentaire
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
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères1. Analyse documentaire
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 :
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères1. Analyse documentaire
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…..
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
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
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères
Figure 12 : Interactions identiques des deux énantiomères M et M* chiraux avec une molécule P achirale
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères
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.
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères
Figure 13 : Analogie clef-serrure : un seul des deux
énantiomères est reconnu par le site actif d’une
protéine
IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des
diastéréoisomères3. Activité optique des molécules chirales
Figure 13 : Schéma de principe de la mesure du pouvoir rotatoire d’un échantillon