La stéréochimie

« peut décrire deux molécules : Éthanol Éther diméthylique CH 3-0-CH3 À retenir : deux isomère s de constitution ont même formule brute mais des formule s semi-développées différentes .

LES STÉRÉOISOMÈRES SrtRtOISOMÈIES OE CONF"URATION Les formules semi-déve loppée s ne permette n t malheureusement pas de lever toute s les ambigunés ! En effet, lorsqu 'on consid ère une molécule dans l'espace à trois dimen sions, d e nouveau x cas d 'isomérie peuvent apparaître.

On parle alors d'isomérie spatiale ou de stéréoisomérie (du grec stereos , « solide, volume ») Configuration Z 1 E But-1- ène But-2 -ène CH 3"' / H c==c H/ "-cH 3 • a) et b) sont identiques.

Il suffit en effet d e retourner a) pour obtenir b).

• Par contre c) et d) ne sont pas s uperposables.

Il faudrait pouvoir faire pivoter c ) autour d e l'axe C=C pour obtenir d), ce qui est impo ssible : les doubles liaison s sont rigides .

• c) et d) sont appel ées stéré o isomères de configuration d u but-2-è ne.

• c) est désigné par la lettre Z , qui vient de l'allemand zusammen signifiant « ensemble ».

• d) est dési gné par la lettre E qui vient de l'allemand entgegen signifiant «opposé ».

On entend parler parfois de configuration s cis et trans , héritage d'une ancienne nomenclature .

En général.

il est plus confortable pour une molécule d'éloigner u n maximum les groupements encombrants , et donc d 'adopter une configuration E plutôt qu'une Z.

Nou s faisons la même chose en revenant du supermarc hé en prenant un sac dans chaque main ! Cette différence d 'organi sation à l'échelle de la molécule (échelle nanoscopique ), aura des conséquences sur le comportement physique du composé (échelle macro scopique ).

La meilleure preuve : la température d'ébullition normale du ( Z )-b ut-2-èn e est de 3,7 oc alors que celle de l'isomère (E)-but-2-ène est de 0 ,9 oc.

Les énantiomères H H OH H 1 1 1 1 H-C-C-C-C-H 1 1 1 1 H H H H Le butan-2-ol (dessiné ci-dessus ) pose lui aussi un problème d'isomérie , mais d'un autre genre.

Le carbone n°2 est dit « asymétrique » car il est relié à quatre groupes d'atome s différen ts.

Il est possible d'assembler tous ces éléments de man ière à composer deux molécules non superposables.

Ces deux molécul es sont d'ailleur s images l'une de l'autre dans le miroir.

On les appelle én11ntiomères.

On dit que la molécule butan -2-o l est chira le.

Une chaussure l 'e st tout autant.

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La droite et la gauche sont en effet images l'une de l'autre dans un miroir et ne sont pas superposables .

Pouvoir rotatoire Tout comme les stéréoisomère s Z et E ont des propriétés physiques différentes (point d'ébullition par exemple), les énantiomère s auront des propr iétés optique s différente s : ils ne modifient pas la polarisation de la lumière de la m ême mani ère ...

On parle de pouvoir rotatoire .

Un m élange de deux énantiomères en quantité égale est appelé « racémique ».

La solution dans laqu elle ils baignent a un pouvoir rotatoire nul.

Le pouvoir positif de l'un des énantio­ mères s'annule en effet avec le Représentation de Newman pouvoir négatif ~-----------'""'T'-------------1 de l'autre .

C'est Louis Pasteur qui a mis ce phéno­ mène en évidence , 35 ans avant la découverte du vaccin antirabique, qui le fera passer à la post érité .

En 1849, ce jeune chimist e de 27 ans, synt hétise de l'acide tartriqu e .

Il observe que le pouvoir rotatoire de sa solu tion est nul, a lo rs que l'acide tartrique produit naturellement par des bactérie s modifie la polarisation de la lumière.

En y regardant de plus près, Pasteur remarque que deux formes de cristaux , images l'une d e l' autre dans un miroir , coexistent dans sa solution.

Il sép are l es cristaux m anuelleme nt et observe qu'ils ont des pouvoirs rotatoir es oppo sés, qui se sont annulés dans sa solution.

Quant aux bact éries, elles ne produisent qu'une seule forme de l'énantiom ère, d 'où l'activité optique de la solution produite naturellement.

Heureu sement pour nous, Loui s Pasteur a préfé ré concentrer ses rech erche s sur les bact éries.

Ses travau x s ur la chiralit é sont complétés que lques a nnées plus tard par ceux d e Va n 't Hoff.

Ce chimist e néerlandais introduit la notion d'asymé trie du carbone .

mécanismes avec le sym étr ique de la dé, tout comm e il est difficile de rentrer un pied gauche dans une chaussure droite ! Cette propriét é est très importante dans la mise au point des méd ic aments par exemple .

Un cas est malheureusement tristement célèbre : la thalidomide , un sédati f utilisé dans les années 60.

À cette époq ue, un laboratoire avait commer ciali sé une formul atio n où figura it un m élange des deux énantiomères du principe actif (pour des question s de coût) .

Or si un des é nant iomères était effectivement un sédati f , l'autre était un t ératogène , c'est­ à-dire susce ptible de prov oquer des malformation s.

De nomb reuses femmes enceintes ont fait les frais de cette découverte , e t l es indu stries pharmaceutiques prennent désormais de sérieuses précaution s pour éviter de reno uveler cette erreur, en cherc hant systéma tiquement à comparer l 'activité b iolog ique de deux énantiomères , et à mettre au point des synthèses stéréosélectives , c'est-à-dire des réact ions qui aboutissent à la formati o n d ' un stéréoisomèr e majoritaire.

SrtR tOISOMÈIES DE CONFORMATION Continuon s à décrire la géométri e des ~------------1 molécules .

LE BEL n VAN'T HOFF, PÈRES Passe r d'une configuration à l'autre est FONDATEURS DE LA t rès difficile car il faut romp re et STÉRÉOCHIMIE reforme r des liaison s, ce qui dem ande La même année, en 1874, Le Bel et Van't Hoff publient des résultats très similaires sur la relation entre l'activit é é n ormé m ent d'énerg ie .

process us certaines géométri es d e molé cules sont formées , tandis que d'autres n e le sont pas? Quand d eux moléc ules réagi ssent, elles se rappr ochent en des points précis (sites réacti onnels ) pour échanger des électr ons et form er de nouvelles liaison s pendant que d'autres se romp ent.

On parle d 'intermé diaire s réacti onnels.

Plus ces molécu les sont encombrées plus c'est comp liqué, comme pour embrasser un ami qui a les bras chargés! La géométri e des produ its formé s sera donc conditionnée par celle des réactifs et s urtout par le méca nisme réactionnel , que l'on ne peut pas observer d irectemen t ! La stéréochim ie dynam ique p ropos e des interm édiaire s réact ionnels et des états de transitions coh ére n ts avec les faits exp érimenta ux.

C'est le rêve des scient ifiques ! Pendant toute s ces années ils ont été convaincus de l'existence des moléc ules, ils ont décrit leur architecture et le u r comportement sans pouvoir les voir.

Aujourd 'hui les techn iques de micro scopie (le microscope tl effet tunnel surtout) permettent d'observer .

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-' ·~,··· ~·.- ~-----------""""...._-----------~ optique et la structure chimique des Les énantiomères composés organ iques en solution En revanche les chocs dus à l' agitat ion thermiq ue à tempé rature ambian te suffisent pour fair e to u rner les lia isons .

On d it a lors qu'une molécule passe d 'une conformation à une autre.

Il est impossible de séparer des isomè res de conforma tion car la même molécule se présente successivement sous une infinité de conformation s.

Les formules semi-développées planes sont les mêmes : L es deux molécules ne sont pas superposables : capables de dévier le plan de polarisation de la lumière.

Cette coïncidence est-elle la conséquence de la rencontre de ces deux chimistes qui accomplirent en même temps , durant le premier semestre 1874, un stage à Paris dans le laboratoire du professeur Adolph e Wunz ? Conséquences L'énant iomérie a d es conséquences très remarquabl es sur l'activit é biochimiqu e de certaines mol écules .

D ans le corps humain le s enzymes et les protéines jouent souvent le rôle de dés devant s'emboîter dans des serrures (l es substrats ).

Il est impossible d'active r ces À reten ir : d e ux stéréoisomères ont la même formul e semi -développée plane mais des formul es différente s da ns l'espace à trois dimension s.

STÉRÉOCHIMIE DYNAMIQUE La stéréochim ie statique décrit les molécules dans l'espace.

L a stéréochi mie dynam iqu e étudie les cons équences de cette géométrie sur la réactivité des molécule s et le déroul e m e nt des réactions .

Par quel la mat ière à l'échelle atomique.

Mais ne nous leurron s pas , photographier une moléc ule n 'est pas encore d'actualité .

Le microscope à effet tunne l permet de représ enter uniq uement des surfaces métalliques et sem i-cond uctrices .

Chaque « boule » correspond à la perturbation e ngendr ée par le nuage électronique d 'un atome .

O n « phot ographie » donc l a présence d 'un atome , et non pas l'atome lui-même.

Par ailleurs modéliser les molécule s en 3D est de plus en plus facile .

Les observer sous diff é rents angles, explor er des struct ures, réaliser des zooms, marquer , colorer , mes urer , schémat iser, permet d e comp rendr e et prédir e de nouvelles proprié tés du vivant.... »