L'atome de carbone peut donc, lorsqu'il est hybridé sp3, se lier à 4 voisins. Lorsque ses quatre voisins sont différents on parle de carbone asymétrique, c'est-à-dire que ce carbone ne présente pas de plan de symétrie.

Carbone non asymétrique, ses quatre substituants ne sont pas différents.

Carbone asymétrique, ses quatre substituants sont différents.

 

1. Quelques définitions

  • Chimiosélectivité : une réaction est dite chimiosélective si elle conduit à l'attaque d'un groupe fonctionnel parmi d'autres groupes. (Ex : hydrogénation chimiosélective de la double liaison carbone-carbone dans une énone). Cela revient à se poser la question "quel groupe fonctionnel va réagir?".

Exemple de réduction chimiosélective de la fonction acide carboxylique ou de la fonction ester.

  • Régiosélectivité : une réaction est dite régiosélective lorsque l'on a réactivité d'une partie d'un groupe fonctionnel, qui possède plusieurs parties réactives. (Ex : addition en 1,2 ou en 1,4 sur une énone conjuguée, suivant la nature de l'organométallique). Cela revient à se poser la question "Ou cela va réagir?".

Exemple d'attaque nucléophile sur une cétone a,b-insaturée : attaque 1,2 vs. 1,4.

  • Diastéréosélectivité : conduit à plusieurs diastéréoisomères, on en forme un de façon préférentielle. Des diastéréoisomères sont des composés qui ne sont pas superposables à leur image dans un mirroir.

Exemple d'alkylation diastéréosélective sur une copule chirale d'Evans

 Lorsqu'une molécule possède n carbones asymétriques, alors il existe 2n diastéréoisomères possible pour cette molécule.Exemple d'une molécule possédant 2 carbones asymétriques, il y a alors 22 = 4 diastéréoisomères pour cette molécule.

Bien souvent, les molécules optiquement active possèdent une activité biologique. Ainsi, un diastéréoisomère peu avoir une activité précise alors qu'un autre dia possèdera une toute autre activité. On devine alors aisément les problèmes rencontrés par les chimistes organiciens de synthèses qui doivent faire la synthèse de tous ces dias, surtout lorsque la molécule en question possède un très grand nombre de centres asymétrique.

Exemple de la (+)-plicamine : C'est une molécule qui contient 4 centres asymétriques, elle admet donc 24 = 16 diastéréoisomères.

  • Enantiosélectivité : c'est une réaction qui conduit à la formation d'un énantiomère plutôt qu'à l'autre.

Exemple de réduction énantiosélective de cétones en utilisant les oxazaborolidines de Corey

  • Induction de chiralité : influence d'un centre stéréogène de configuration donnée sur la formation d'un autre centre.

  • Chirale : qui n'est pas superposable à son image dans un miroir (c'est-à-dire toute molécule qui ne possède ni plan, ni centre de symétrie). Lorsque qu'une molécule possède un et un seul carbone asymétrique, elle est toujours chirale. En revanche, si elle possède plusieurs centres asymétriques, il faut alors vérifier que la molécule ne soit pas méso. Une molécule peut être chirale et optiquement inactive, se sont deux propriétés différentes. En effet, une molécule chirale peut exister sous forme d'un mélange racémique.
  • Achiral : molécule dans laquelle il existe un ou plusieurs plans de symétrie, une molécule achirale est superposable à son image dans un miroir.
  • Stéréoisomères : isomères qui diffèrent par la disposition spatiale des atomes.
  • Mélange racémique : mélange contenant chacun des deux énantiomères d'une même molécule a raison de 50% pour l'énantiomère S et 50% pour l'énantiomère R.
  • Dédoublement ou résolution racémique : séparation des deux énantiomères.

Une réaction stéréosélective est dite stéréospécifique, si sa stéréosélectivité est une conséquence directe du mécanisme, indépendamment d'autres contraintes possibles telles que les gênes stériques.

Ne pas confondre chiralité (propriété globale d'une molécule) et carbone asymétrique (propriété particulière d'un atome de la molécule) : la présence d'un carbone asymétrique n'est ni nécessaire, ni suffisante pour rendre la molécule chirale, ce dernier point est détaillé plus loin dans le cas des allènes et de l’atropoisomérisme.

1.1 Activité optique

1.1.a Définition

Une molécule contenant un carbone asymétrique, peut présenter une activité optique c'est-à-dire faire tourner la lumière polarisée. Pour observer cette déviation de la lumière polarisée, on utilise un polarimètre qui donne une mesure de l'angle de déviation de la lumière polarisée. Ensuite, on calcul [a]D (c'est-à-dire le pouvoir rotatoire) par rapport à la concentration en substrat dans la cellule. La valeur [a]D est caractéristique d'une molécule en fonction de la concentration, du solvant et de la température.

Une substance dite lévogyre fait tourner la lumière polarisée à gauche, alors qu'une substance dextrogyre fait tourner le plan de polarisation à droite.

[a]D est aussi appelé pouvoir rotatoire spécifique. En règle générale on ne lui met pas d'unité. Néanmoins ce pouvoir rotatoire en possède une (°.dm-1.g-1.mL) issu de la relation suivante :

ATTENTION : Il n'existe pas de relation entre le signe de [a]D et la configuration absolue d'un centre asymétrique. Les deux composés ci-dessous illustre ce point. En effet, ils possèdent tous les deux un et un seul centre asymétrique. De plus, dans les deux cas, se sont des centres de configuration S et, pourtant dans un des cas la valeur du pouvoir rotatoire est positive alors que dans l'autre elle est négative.

Dernier point, si une molécule chirale a une valeur [a]D = + 2,1 alors son énantiomère à la valeur [a]D = ‑2,1. Le mélange racémique a quant à lui une valeur [a]D = 0,0.

1.1.b Polarimètre

 Toutes les molécules chirales ont une action sur la lumière polarisée, lorsqu'elle ne sont pas ou forme d'un mélange racémique. Cependant, il existe quelques cas rares pour lesquels une molécule énantiopure (c'est-à-dire qui existe sous forme d'un seul énantiomère) possède un [a]D = 0. Dans ce cas, on étudie l'action de la lumière polarisée à d'autres longueurs d'ondes que celle de la raie D du sodium.

Dans le cas ci-dessus, la raie D du sodium donne [a]D = 0 alors qu'en changeant de lampe et en prenant notamment une lampe au mercure, on observe une valeur de pouvoir rotatoire différente de 0.

1.2 Configuration absolue

Indépendamment de l'activité optique, pour chaque carbone asymétrique, on attribue une lettre R ou S qui donne la configuration du carbone. R vient de Rectus qui signifie dans le sens des aiguilles d'une montre, S vient de Sinister qui signifie dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Pour établir la configuration absolue d'un carbone asymétrique, il faut utiliser les règles de Cahn-Ingold-Prelog.

Les règles de Cahn-Ingold-Prelog , nous disent qu'il faut numéroter les quatre substituants d'un carbone selon des règles de priorité : le substituant 1 est celui dont le numéro atomique est le plus important. Si deux substituants ont deux numéros atomiques identiques, alors on regarde les substituants liés à ces atomes et ainsi de suite. Attention pour établir les priorités, on s'arrête à la première différence rencontrée. Exemple : Si on à un groupe CH3 et un groupe CH2CH3 alors le groupe 1 est le groupe CH2CH3.

Exemple de classement de quelques groupes (du plus prioritaire ou moins prioritaire) :

Les substituants sont ensuite placés de façon à ce que le substituant 4 soit en arrière du plan. Puis on regarde dans quel sens on tourne pour aller du substituant 1 au substituant 3. Si on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre alors le carbone est R si on tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, alors le carbone est S.

Quelques exemples de détermination de configuration :

Ici on regarde par dessous, et on constate que l'on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, donc le centre est de configuration R.

On fait la différence entre une triple et une double liaison en admettant que le carbone qui porte ces liaisons est lié respectivement à 3 carbones (pour la triple) et à 2 carbones (pour la double). La triple liaison est alors prioritaire sur le double.

1.3 Chiralité et symétrie

Si une molécule possède un centre de symétrie, elle n'est pas chirale, même si elle possède des centres asymétriques.

 Les énantiomères sont des composés image l'un de l'autre dans un miroir. Leurs propriétés physiques et chimiques sont identiques, à l'exception de leur action sur la lumière polarisée. Un des énantiomères va faire tourner la lumière dans un sens, alors que l'autre la fera tourner dans le sens inverse.

De même, les propriétés biologiques de deux énantiomères sont différentes. L'histoire suivante est vraie, et elle montre bien cette différence de propriétés.

 De 1959 à 1962, la thalidomide est administrée aux femmes enceintes pour réguler leurs nausées en début de grossesses. La thalidomide est une molécule chirale dont l'énantiomère S est un calmant doux, alors que l'énantiomère R n'a aucun effet comme calmant, mais est tératogène (qui conduit à des malformations sur le fœtus). Il semblerait que le médicament soit administré sous forme d'un mélange racémique et à cette époque on ne connaît pas les effets secondaires irréversibles de ce tranquillisant. Les premiers cas de malformation apparaissent en 1962 en Allemagne puis en Grande-Bretagne. Il a fallu beaucoup de temps pour répertorier tous les cas, les analyser et comprendre d'ou venait le problème avant d'enlever la Thalidomide du marché.

D'autres molécules chirales ont aussi leur deux énantiomères qui possèdent des propriétés différentes.

1.4 Faces Ré et Si

 Pour les centres asymétriques, pour lesquels on attribue une configuration R ou S, pour les carbonyles (aldéhydes et cétones) on attribue des faces et Si. A nouveau les règles de Cahn-Ingold-Prelog sont utilisées et l'atome d'oxygène du carbonyle est numéroté en 1.

 On dit alors que les deux faces du carbonyles sont prochirales, c'est-à-dire que lorsque l'on va faire l'addition d'un nucléophile sur le carbonyle, cette addition ça conduire à la formation d'un carbone asymétrique, donc d'un centre chirale, d’où le terme de prochirale.

 Tout carbonyle qui a un des groupements R1 et R2 différents, à une face et une face Si. Si le réactif est chiral, alors il distingue la face de la face Si, et il choisira l'une par rapport à l'autre pour faire son addition.

 

2. Représentation de Fischer

2.1 Généralités

Certaines molécules possèdent plusieurs centres asymétriques. C'est le cas notamment pour les glucides (sucres ou carbohydrate en anglais). Pour ces composés, il existe plusieurs méthodes afin de les représenter et notamment la méthodologie de Fisher. On parle alors de projection de Fischer ou de représentation de Fischer.

Dans cette représentation, la fonction la plus oxydée est placée en haut alors que la moins oxydée est placée en bas. Les autres substituants (en général H et OH) sont placés sur le côté. En fait, dans cette méthodologie, la chaîne verticale est en arrière du plan et les chaînes horizontales sont en avant, ce qui donne :

Pour les sucres, on parle souvent de composés D et L. Pour déterminer cette configuration on regarde le groupe hydroxyle (-OH) le plus en bas de la chaîne dans la représentation de Fischer. Si ce groupe est à droite alors le composé est D (D comme droite), si il est à gauche le composé est L (L comme Left qui signifie gauche en anglais). Pour les amino-acides, le problème est quasiment identique. Cette fois, on regarde le groupement amino (-NH2) le plus en haut de la chaîne, si il est à droite alors on a un composé D, si il est à gauche alors on a un composé L.

2.2 Passage de la représentation de Cram à la projection de Fischer

Le plus dur est de passer d’une représentation à l’autre et notamment de la représentation de Cram (chaîne en zig-zag) à une projection de Fischer. Pour cela, chacun possède ça technique personnelle. Cependant, il existe une méthode infaillible qui permet de passer d’un modèle à l’autre sans se tromper. Il suffit, dans la représentation de Cram, de déterminer la configuration absolue des différents carbones asymétrique et, de reporter cette configuration dans la projection de Fischer.

Ci-dessous, sont représentés deux exemples concret celui du D-talose, et celui du D-glucose :

Bien sur, cette technique qui consiste à étudier la configuration de tous les carbones asymétrique sur les deux modèles, peut vite devenir fastidieuse. Il existe donc une méthode plus simple, que nous allons maintenant détaillée et qui permet de passer de la représentation Cram à la projection de Fischer. Une fois la technique comprise dans un sens, elle peut facilement s’adapter au passage de la projection de Fischer à la représentation de Cram.

Notre exemple consiste à représenter le D-Talose en projection de Fischer depuis une représentation de Cram. Pour cela, il suffit de s’imaginer un petit bonhomme qui, au dessus de la molécule, regarde celle-ci. Sa main droite est représentée en vert. La tête de notre bonhomme doit toujours être orienté vers la fonction la plus oxydée (ici l’aldéhyde).

Si l’on regarde le carbone 1, on constate que le groupement hydroxyle (en représentation de Cram) est vers l’arrière, c'est-à-dire du coté la main gauche de notre bonhomme. Donc en projection de Fischer, ce groupement hydroxyle sera du coté gauche.

Dés lors, il apparaît clairement que, le groupement hydroxyle en position 3 est dans le même cas de figure que celui en position 1. On peut donc placer cet hydroxyle lui aussi à gauche sur la projection de Fischer.

Concernant la position 2, la situation est inverse. En effet, pour notre bonhomme, ce carbone est plus loin que les carbones 1 et 3. On applique donc une règle complètement différente. Tous ce qui, en représentation de Cram, se trouve du coté de la main droite de notre bonhomme, sera à gauche en projection de Fischer. Ainsi le groupement hydroxyle en C2 est en avant du plan et donc du coté de la main droite de notre bonhomme (en représentation de Cram), il sera donc à gauche sur la projection de Fischer.

Exactement la même situation se produit concernant le carbone C4. Dans ce cas l’hydroxyle est vers l’arrière, donc du coté de la main gauche, d’où on le retrouve à droite en projection de Fischer, ce qui va parfaitement avec la notation D du D-Talose.

2.3 Méso, érythro, thréo

Le gros problème de la chimie organique ce sont les vielles notations qui ne devraient plus avoir cours mais qui sont encore largement utilisées. C'est le cas notamment de la notation thréo, méso et érythro. Un exemple est donné pour chacune de ces notations. Notons que le composé méso est un cas particulier du composé érythro.

méso
érythro
thréo

 

Les composés méso sont donc des composés qui possèdent un plan de symétrie. Les exemples suivants montrent d’autres composés méso :

 Les composés méso, même s’ils possèdent des carbones asymétriques, non pas d’action sur la lumière polarisée. Il est alors nécessaire de les désymétriser si l’on désire les utiliser en synthèse asymétrique. L’exemple suivant illustre le cas de cette étape de désymétrisation.

 

3. Représentation de Newman

La représentation de Fisher est particulière aux sucres. Il existe une autre représentation, largement utilisée, celle de Newman. Pour illustrer cette méthodologie, prenons l'exemple de la molécule suivante PhCHBr–CDCl–CH=CH2.

Pour représenter les molécules, il faut d'abord dessiner la molécule en projection cavalière. Puis on regarde dans le plan de deux atomes de carbone (un devant et l'autre en arrière). Il suffit ensuite de placer les substituants en fonction de la stéréochimie de la molécule de départ.

Les substituants peuvent être en position éclipsée (c'est-à-dire l'un derrière l'autre) mais c'est une position peu stable à cause de l'encombrement stérique. Ou bien en position décalée, c'est la position la plus stable.

Comme on vient de le voir, dans une projection de Newman, il existe plusieurs façon de positionner les différents substituants les uns par rapport aux autres. Certaines positions (notamment les positions décalées) sont des positions préférées. Le diagramme énergique de la molécule d’éthane représente ces positions préférées, se sont celles qui sont d’énergie plus basses, donc plus stable.

D’après ce diagramme d’énergie, il apparaît qu’il existe deux formes possibles pour les conformères en projection de Newman. Sur ces deux conformères, la position éclipsée n’est pas stable, tout au moins elle est moins stable que la position décalée ou dite "gauche". Donc, dans le cas simple de l'éthane, on à deux niveaux d'énergie possible. Etudions maintenant le cas du 1-bromopropane.

Dans le cas du 1-bromopropane, on remarque que l'on n'a plus globalement deux niveaux d'énergies, mais trois, avec un niveau très bas, tout au moins plus bas que les autres, c'est lorsque le brome et le méthyle sont éclipsée à 180°. C'est donc une conformation privilégiée.

D'autres molécules présentent elles aussi une activité optique (c'est-à-dire qu’elles sont chirales) sans pour autant posséder de carbone asymétrique. C'est le cas par exemple des allènes ainsi que des biphényles. Dans ce cas on parle d'axe de chiralité.

 

4. Cas des allènes

Les allènes sont des composés qui possèdent deux doubles liaisons l'une à côté de l'autre (C=C=C). Les orbitales p de ces doubles liaisons ne sont pas dans le même plan, mais dans des plans perpendiculaires.

Ainsi, si l'on regarde dans le sens 1 ou dans le sens 2, voici ce que l'on observe :

Sens 1

Sens 2

On remarque bien que les deux doubles liaisons sont dans des plans perpendiculaires. Donc pour les allènes, comme pour les carbones asymétriques, il existe des configurations absolues. Pour cela on utilise toujours les règles de priorités de Cahn-Ingold-Prelog, en ajoutant une nouvelle règle : "Les groupes les plus près sont prioritaires par rapport aux groupes les plus éloignés".

Prenons l'exemple de l'allène suivant :

Sens 1

Sens 2

Pour les allènes, la nomenclature utilisée est M ou P. M lorsque l'on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (équivalent à R pour les carbones asymétriques) et P quand on tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (équivalent à S pour les carbones asymétriques).

On remarque de plus d'après notre exemple, que si l'on regarde dans le sens 1 ou dans le sens 2, on tombe toujours sur la même configuration M ce qui nous montre que cette configuration s'applique à la fonction allène (C=C=C) et non plus à un seul atome de carbone.

 D'autres composés possèdent une chiralité semblable aux allènes. Comme pour ces derniers ils ne possèdent pas de carbones asymétriques, et pourtant ils ne sont pas superposable à leur image dans un mirroir :

 


5. Atropoisomérisme

D'autres composés, possèdent eux aussi un axe de chiralité. Ce sont les biphényles. Dans ce cas on parle d'atropoisomérisme (a qui signifie privé de, et tropos qui signifie tourner). Donc en fait les biphényles en question n'ont pas la possibilité de tourner autour de l'axe de chiralité, ce qui induit l'atropoisomérisme. La rotation n'est pas possible à cause de l'encombrement des groupes présent sur les phényles.

La notion d'atropoisomérisme est très importante, car elle est la base de l'hydrogénation asymétrique. En effet, pour faire de l'hydrogénation asymétrique, on utilise un métal de transition (rhodium, ruthénium, etc.) ainsi que des ligands chiraux.

Exemple du BIPHEMP (ce genre de composé possède toujours des acronymes exotiques)

Dans le cas des biphényles, il existe aussi une notation R ou S permettant de différencier les deux énantiomères.

 

6. Tableau récapitulatif des isoméries

  • Degré d’insaturation : Le degré d’insaturation d’une molécule représente le nombre d’insaturations présentent dans une molécule en fonction de sa formule brute. Une insaturation est une double liaison carbone-carbone, une double liaison carbone-oxygène, un cycle (peu importe la taille de ce dernier). Ainsi le benzène admet, selon notre définition, 4 insaturations, 3 vraies insaturations dues aux doubles liaisons carbone-carbone, plus une insaturation liée au cycle. Ce degré est obtenu par la relation suivante :

Atomes tétravalents

Atomes trivalents

Atomes monovalents

C , Si, Ge, Sn, Pb B, Al, Ga, In, Tl
N , P, As, Sb, Bi
H
Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
F, Cl, Br, I, At

On remarquera que dans la formule suivante on ne tient pas compte des atomes divalents, tels que les atomes d’oxygène, ou de soufre… Un atome tétravalent est un atome tel que le carbone, ou le silicium. Un atome trivalent est l’azote par exemple, quand aux atomes monovalent ils sont plutôt nombreux, on y retrouve, l’hydrogène, les halogènes…

En conclusion, à partir d’une formule brute donnée, il est possible de déterminer tous les isomères de constitution pour cette formule. Bien sûr, plus le nombre d’atomes de carbone est élevé et plus le nombre d’isomères est important (dans le tableau ci-dessous, seuls certains isomères sont représentés). Pour certains de ces isomères, il existe des stéréoisomères, c'est-à-dire des isomères ou les substituants ne bougent pas de place, mais varient simplement de part leur position dans l’espace. Il y a les isoméries cis, trans, se sont de isoméries qui ne s’appliquent qu’aux cycles. Lorsque deux substituants sont tous les deux en avant du plan ou en arrière on parle alors d’isomère cis, et lorsqu’ils sont dans les plans différents on parle alors d’isomère trans. L’isomérie syn, trans représente la même chose, mais dans le cas de composé acyclique. Enfin, ces composés peuvent être des diastéréoisomères (dans le langage courant on parle de dia, ou diastéréomères), ou des énantiomères. Les diastéréoisomères sont des composés qui ne se différencient l’un de l’autre que par la configuration absolue d’un seul centre stéréogène, alors que des énantiomères on tous leurs centres stéréogènes qui ont une configuration inversée.

(R, R, R, R), (R, R, R, S), (R, R, S, R), (R, R, S, S), (R, S, S, S), (R, S, R, R), (R, S, S, R) sont des exemples de diastéréoisomères.

(R, S) et (S, R) sont des énantiomères, ainsi que (R, R) et (S, S).

Le tableau ci-dessous regroupe toutes ces notions :

 

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