Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration

1. Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration • Plan • Chiralité et énantiomérie • Chiralité • Enantiomérie • Atome de carbone asymétrique • Descripteurs stéréochimiques • Descripteurs de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S, règle CIP • Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang • Cas de liaisons multiples • Cas particuliers des acides α-aminés et des sucres : descripteurs D et L • Diastéréoisomérie • Définition • Molécules possédant deux carbones asymétriques • Cas particulier : les composés méso • Cas de n carbones asymétriques • Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C • Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques • Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères

2. Introduction Figure 1 : Une des configurations du tartrate double de sodium et d’ammonium Figure 2 : Différents stéréoisomères ayant la même formule plane

3. Introduction Figure 3 : exemples de différences de propriétés biologiques liés à la différence de configuration

4. Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration • Plan • Chiralité et énantiomérie • Chiralité • Enantiomérie • Atome de carbone asymétrique • Descripteurs stéréochimiques • Descripteurs de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S, règle CIP • Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang • Cas de liaisons multiples • Cas particuliers des acides α-aminés et des sucres : descripteurs D et L • Diastéréoisomérie • Définition • Molécules possédant deux carbones asymétriques • Cas particulier : les composés méso • Cas de n carbones asymétriques • Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C • Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques • Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères

5. 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)

6. 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.

7. I. Chiralité et énantiomérie 3. Atome de carbone asymétrique En 1874, Van’tHoff 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

8. 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. Figure 5 : Chirale ou non ?

9. 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*.

10. Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration • Plan • Chiralité et énantiomérie • Chiralité • Enantiomérie • Atome de carbone asymétrique • Descripteurs stéréochimiques • Descripteurs de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S, règle CIP • Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang • Cas de liaisons multiples • Cas particuliers des acides α-aminés et des sucres : descripteurs D et L • Diastéréoisomérie • Définition • Molécules possédant deux carbones asymétriques • Cas particulier : les composés méso • Cas de n carbones asymétriques • Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C • Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques • Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères

11. 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 2 Règle : Un atome est prioritaire devant un autre atome si son numéro atomique Z est le plus grand. * 4 3 2 : 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 1 - 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

12. 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. 2 * 4 3 R 1 (R)-bromochloroflurométhane

13. 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.

14. II. Descripteurs stéréochimiques (ou stéréodescripteurs) 2. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang Exercice d’application : nommer la molécule suivante

15. 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 Best 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

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

17. 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. énantiomères Figure 7 : Les deux configurations du glucose

18. Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration • Plan • Chiralité et énantiomérie • Chiralité • Enantiomérie • Atome de carbone asymétrique • Descripteurs stéréochimiques • Descripteurs de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S, règle CIP • Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang • Cas de liaisons multiples • Cas particuliers des acides α-aminés et des sucres : descripteurs D et L • Diastéréoisomérie • Définition • Molécules possédant deux carbones asymétriques • Cas particulier : les composés méso • Cas de n carbones asymétriques • Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C • Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques • Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères

19. 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

20. 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.

21. 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 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.

22. III. Diastéréoisomérie 5. Diastéréoisomérie cis-trans de la liaison C = C a) StéréodescripteursZ 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) (Z) (E) Figure 8 : Les deux diastéréoisomères du stilbène

23. III. Diastéréoisomérie 6. Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques 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 ?

25. Chapitre 3 – Stéréochimie de configuration • Plan • Chiralité et énantiomérie • Descripteurs stéréochimiques • Diastéréoisomérie • Définition • Molécules possédant deux carbones asymétriques • Cas particulier : les composés méso • Cas de n carbones asymétriques • Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C • Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques • Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères • Analyse documentaire • Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères • Activité optique des molécules chirales

26. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 1. Analyse documentaire Document 1 : Quelques propriétés des stéréoisomères de l’acide aspartique

27. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 1. Analyse documentaire Document 2 : Quelques propriétés de l’acide fumarique et de l’acide maléïque

28. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 1. Analyse documentaire Document 3 : Différence de réactivité des deux diastéréoisomères acide maléique et acide fumarique

29. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 1. Analyse documentaire Document 4 : Quelques propriétés des stéréoisomères de l’éphédrine

30. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 1. Analyse documentaire 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 MAIS….. identiques nuls opposé

31. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 2. 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

32. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 2. 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

33. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 2. 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.

34. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères

35. IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 3. Activité optique des molécules chirales Figure 13 : Schéma de principe de la mesure du pouvoir rotatoire d’un échantillon