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samedi 18 août 2012

Représentation des molécules Stéréodescripteurs


Cours de chimie Organique -



Représentation des molécules
Stéréodescripteurs
Règles séquentielles de R. S. Cahn, C. Ingold, V. Prelog





Définitions

La constitution d'une entité moléculaire précise la nature et les modes d'union des atomes formant cette entité, en incluant la multiplicité des liaisons sans tenir compte de leur disposition dans l'espace.

La configuration d'une entité moléculaire est la disposition spatiale des atomes ou des groupes d'atomes de cette entité. Ce terme est propre aux stéréo-isomères dont l'isomérie n'est pas due à des différences de conformations.
Les stéréo-isomères de configuration peuvent être classés en fonction de critère de symétrie. On distingue alors :

Un atome ou un groupe d'atomes qui, dans une entité moléculaire, peut être considéré comme à l'origine d'une stéréo-isomérie est appelé groupe stéréogène. Deux exemples de groupes stéréogènes sont particulièrement importants :
  • un atome asymétrique, centre chiral, avec les groupes qui lui sont liés ;
  • un groupe d'atomes constitué d'une double liaison avec ses substituants qui peut donner naissance à une isomérie cis-trans.
Modes de représentation des molécules
Représentation en perspective & représentation de Cram
La représentation de Cram introduite par le chimiste américain D. J. Cram (UCLA) en 1953, utilise les conventions résumées ci-dessous pour le dessin des liaisons.
dans le plan
en avant du plan
en arrière du plan
stéréochimie non définie
trait simple
trait gras
trait pointillé.
trait ondulé
Le dessin suivant représente l'un des stéréoisomères du 2, 3-diméthylbutane en utilisant la représentation perspective cavalière (en anglais : sawhorse) (A) et la représentation de Cram (B).
Exemple : une molécule de 5-méthyl-2-isopropylcyclohexanol est représentée sur le dessin (I) sans référence à la stéréochimie des groupes liés au cycle cyclohexanique. Le (-) menthol est l'un des huit stéréoisomères possibles correspondant à cette formule. Ce composé est représenté en utilisant les conventions de Cram (II) et en perspective (III).
Menthol Le (-)-menthol ou menthol lévogyre, est le :
(1R, 2S, 5R)-5-méthyl-2-isopropylcyclohexanol.
Ce composé existe à l'état naturel dans l'essence de menthe. Le (-)-menthol est un composé important de l'industrie des arômes et des parfums. Sa synthèse industrielle à partir du myrcène peut être réalisée selon un procédé très élégant mis au point par la société Takasago dans lequel l'étape clé est une isomérisation énantiosélective mettant en jeu un catalyseur de Noyori.
Des exemples un peu plus compliqués sont fournis par les cis et trans décalines et le cholestérol.
Donald J. Cram a été lauréat du prix Nobel de chimie en 1987 (conjointement avec J. M. Lehn et J. C. Pedersen) pour ses travaux concernant les complexes moléculaires de type "host-guest" tels que les éthers-couronnes et les cryptands [36].

Représentation de Haworth
Ce mode de représentation, introduit par le chimiste britannique Sir N. Haworth, est fréquemment utilisé dans la chimie des sucres et de leurs dérivés. Il est beaucoup plus commode que la
représentation de Fischer dans le cas des structures cycliques. Les exemples ci-dessous, qui concernent les hémiacétals cycliques du glucose, montrent la filiation entre cette représentation et celle utilsant un cycle cyclohexanique en perspective qu'on utilise de plus en plus fréquemment à l'heure actuelle. On a représenté successivement :
  • le a-glucopyranose (A) et (A') ;
  • le b-glucopyranose (B) et (B').

La structure de l'ATP offre un exemple d'utilisation de ce mode de représentation. Le cycle central est celui d'un ribofurannose.

Projection de Newman
Cette technique de projection porte le nom du chimiste américain Melvin Spencer Newman (Ohio University) qui l'a introduite en 1952. La molécule est dessinée en projection selon une liaison C-C perpendiculaire au plan du papier
[18].
L'exemple suivant est celui de la molécule de butane en projection selon C2-C3.

La molécule d'éthanal est représentée selon la même méthode.
La projection de Newman est intéressante dans le cas de molécules cycliques comme le cyclohexane car elle permet de mettre clairement en évidence les différents angles dièdres.
Un exemple un peu plus compliqué est celui des décalines. La projection de Newman peut également être mise à profit dans le cas de structures plus complexes comme les allènes, ou les spirannes.
Projection de Fischer
Le chimiste allemand E. Fischer (prix Nobel 1902) à qui l'on doit notamment la détermination de la stéréochimie complète du
glucose, ainsi que le modèle "clé-serrure" (en anglais : lock-key) est le créateur d'un mode de représentation très utilisé dans la chimie des sucres [32]. Les conventions sont les suivantes :
  • la chaîne carbonée est dessinée verticalement ;
  • l'atome de carbone qui porte le numéro le plus petit (porteur de la fonction aldéhyde dans le cas d'un sucre) est placé en haut ;
  • les groupes sur l'horizontale pointent vers l'avant de la feuille de papier.
Les oses les plus simples sont le (2R)-2-hydroxypropanal (I) et son énantiomère le (2S)-2-hydroxypropanal (II). Ils sont représentés ci-dessous en utilisant la représentation de Cram et la projection de Fischer. Ces sucres sont encore appelés glycéraldéhydes.
La
nomenclature D, L de Fischer peut être reliée à ce système de projection. Configuration absolue

Définition
On appelle configuration absolue, la disposition spatiale des atomes ou des groupes d'atomes d'une
entité moléculaire chirale ou d'un groupe chiral qui distingue cette entité ou ce groupe de son image dans un miroir. La configuration absolue est décrite par des stéréodescripteurs conventionnels.
Règles de R. S. Cahn, C. Ingold, V. Prelog
La nécessité de disposer d'une nomenclature systématique des énantiomères et des diastéréo-isomères, pose le problème de la recherche de descripteurs stéréochimiques. Les règles séquentielles proposées par R. S. Cahn, C. Ingold et V. Prelog établissent un ordre conventionnel des atomes ou des groupes d'atomes, dans le but de dénommer sans ambiguïté les configurations absolues ou relatives des stéréo-isomères [15] et [35].

C'est en 1966, lors de la conférence de Buerguenstock en Suisse, que Cahn, Ingold et Prelog s'engagèrent à utiliser les règles qui portent leurs noms dans tous les articles scientifiques traitant de stéréochimie [30].
  • Règle 1 : un atome de numéro atomique plus élevé a la priorité sur un atome de numéro atomique plus faible. Dans la molécule de bromochlorofluorométhane CHBrClF, les atomes entourant le carbone central sont classés dans l'ordre suivant : Br > Cl > F > H.
  • Règle 2 : lorsque deux atomes, directement liés à l'atome central (atomes dits de premier rang) ont même priorité, on passe aux atomes qui leurs sont liés (atomes dits de second rang) et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne une différence. Si l'on on veut comparer les priorités des atomes de carbone des groupes éthyle (I) et méthyle (II) :
    Groupe
    I
    II
    rang 1
    (C, H, H)
    (H, H, H)
    Le groupe I est prioritaire sur le groupe II.
    Soit à comparer les atomes de carbone du groupe 2-méthylpropyle et du groupe butyle :
    Groupe
    I
    II
    rang 1
    (C, H, H)
    (C, H, H)
    rang 2
    (C, C, H)
    (C, H, H)
    le groupe I est prioritaire sur le groupe II.
  • Règle 3 : si le long d'une chaîne on atteint un endroit ou il y a une bifurcation sans pouvoir conclure, on choisit un chemin prioritaire correspondant à l'atome prioritaire des deux séries identiques. Si l'on veut comparer les atomes de carbone des groupes I et II :
    au premier rang, on a deux séries (O, C, H) identiques et on ne peut conclure.
    On compare alors les branches prioritaires correspondant à la bifurcation de l'atome d'oxygène. Le premier groupement est prioritaire sur le deuxième car l'atome de carbone l'emporte sur l'atome d'hydrogène.
  • Règle 4 : les liaisons multiples sont ouvertes en liaisons simples. On attache à chaque atome une réplique de l'atome qui lui est lié jusqu'à saturer sa valence (les répliques sont notées entre [ ]). Exemples :
    .
      
    Groupe
    I
    II
    III
    rang 1
    C (O, O, H)
    C(C, C, C)
    C(N, N, N)
    On aboutit à l'ordre des priorités suivant :
    I > III > II
  • Règle 5 : quand deux atomes sont isotopes celui dont la masse est la plus élevée est prioritaire sur l'autre.
Stéréodescripteurs R et S d'un centre chiral
Un
centre chiral est un atome maintenant un ensemble d'atomes ou de groupes d'atomes dans une disposition non superposable à son image dans un miroir. L'exemple le plus simple de centre chiral est l'atome de carbone lié à 4 groupes différents encore appelé depuis Van't Hoff, atome de carbone asymétrique. Le terme centre chiral s'applique aussi à des structures octaédriques ou ayant la forme d'une bipyramide trigonale qui ne sont pas forcément asymétriques.
Classons les groupes liés à un atome de carbone asymétrique par ordre de priorité en utilisant les règles séquentielles de Cahn, Ingold et Prelog et supposons qu'après classement on ait :
1 > 2 > 3 > 4
(le signe > signifie : est prioritaire devant).
Un observateur dont l'œil est du côté de l'atome de carbone, regarde dans la direction de la liaison C-4 entre cet atome de carbone et le groupe classé dernier dans l'ordre des priorités. Deux situations peuvent alors se présenter :
Les substituants défilent par priorité décroissante dans le sens des aiguilles d'une montre. La configuration absolue est R (rectus).
Les substituants défilent par priorité décroissante dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La configuration absolue est S (sinister).
Voici quelques exemples.

  • molécule de (2R)-butan-2-ol
    Butan-2-ol

    Le (2R)-butan-2-ol est représentée ci-contre.

    O(OH) > C3 > C1 > H
  • (2S)-1-phényl-2-aminopropane
    Amphétamine
    Le (2S)-1-phényl-2-aminopropane (l'un des deux énantiomères de l'amphétamine) est un composé qui possède une action stimulante sur le système nerveux central.

    N(NH2) > C1 > C3 > H
  • le (-) menthol est le (1R, 2S, 5R)-5-méthyl-2-isopropylcyclohexanol. Les configurations absolues des atomes asymétriques sont les suivantes :
    Atome
    C1
    C2
    C5
    R : OH > C2 > C6 > H
    S : C1 > C(iPr) > C3 > H
    R : C6 > C4 > C(CH3) > H
Configuration et configuration absolue
Le mot configuration désigne la disposition des atomes d'une entité moléculaire dans l'espace sans tenir compte des rotations autour des liaisons simples. La configuration absolue d’une structure dépend de sa configuration et des ordres de priorité des groupements selon les règles séquentielles de Cahn, Ingold et Prelog.
La réaction de substitution bimoléculaire suivante entre un ion alcynure et un dérivé halogéné, s'accompagne d'une inversion de configuration du centre chiral appelée inversion de Walden. En revanche la configuration absolue de la molécule n'est pas modifiée.
Composé
substrat
produit
Ordres de priorité
Br > C(CO2-) > C(CH3) > H
C(CO2-) > C(CCH) > C(CH3) > H
Molécules possédant plusieurs centres chiraux
Lorsqu'une molécule possède plusieurs atomes de carbone asymétriques, on donne la configuration absolue de chacun d’eux. Les formules suivantes sont celles des acides tartriques ou (2R, 3R)-2,3-dihydroxybutane-1, 4-dioïque et (2S, 3S)-2,3-dihydroxybutane-1,4-dioïque énantiomères.
On peut déterminer les configurations absolues rapidement à partir projections de Fischer en utilisant la méthode suivante. Les groupements sont classés suivant les règles séquentielles de Cahn, Ingold et Prelog. Deux cas peuvent se présenter :
  • si le substituant de plus petite priorité est situé sur la verticale, on regarde le sens dans lequel défilent les trois autres substituants par priorité décroissante. Si ce sens est celui des aiguilles d'une montre, la configuration absolue est R. Dans le cas inverse, elle est S (on peut se rappeler que lorsque le substituant de plus petite priorité est sur la verticale la configuration lue est la véritable configuration) ;
  • si le substituant de plus petite priorité est situé sur l'horizontale, on effectue une permutation avec un substituant sur la verticale, on applique la règle précédente et on inverse la configuration absolue.
La projection de Fischer se prête bien à la représentation et à la classification des stéréoisomères dans la chimie des sucres. Le 2, 3, 4-trihydroxybutanal possède 2 atomes de carbone asymétriques. Il existe deux paires d'énantiomères représentés ci-dessous. Le premier couple est appelé érythrose. Le second est appelé thréose.
Le glucose naturel est le (2R, 3S, 4R, 5R)- 2, 3, 4, 5, 6-pentahydroxyhexanal. On l'appelle aussi D-glucose en utilisant la nomenclature de Fischer.
Il est représenté ci-dessous en utilisant successivement la représentation de Cram (I) et (II) et la projection de Fischer (III).
Remarque : en solution aqueuse, le glucose existe principalement sous forme d'hémiacétals cycliques, glucopyranose b et glucopyranose a essentiellement.
On pourra aussi examiner le cas des acides (2R)-2-hydroxypropanoïques et (2S)-2-hydroxypropanoïques (acides lactiques) ainsi que celui du menthol c'est à dire le (1R, 2S, 5R)-5-méthyl-2-isopropylcyclohexanol.
Pseudo-asymétrie
Il existe quatre stéréoisomères de la molécule de trihydroxy-2, 3, 4-pentanedioïque. Ces stéréoisomères peuvent être classés en un couple d'énantiomères et deux formes méso. Dans les stéréoisomères III et IV, l'atome C3 est substitué par deux atomes de constitution identique mais de configuration absolue différente. Il est dit pseudo-asymétrique. Sa configuration absolue est notée en minuscule.

On utilise les règles supplémentaires suivantes :
Dans l'exemple proposé, l'application de la première de ces règles conduit aux résultats suivants :
Molécule
I
II
III
IV
Configuration absolue
(2S, 4S)
(2R, 4R)
(2R, 3r, 4S)
(2R, 3s, 4S)
Dans les molécules I et II, l'interversion des groupes C2 et C4 ne modifie par la configuration de l'atome C3. Cet atome n'est donc pas asymétrique. En revanche, dans les molécules III et IV, l'interversion des groupes C2 et C4 inverse la configuration absolue de l'atome C3 et fait passer d'une forme méso à l'autre. Nomenclature de la chiralité axiale
La molécule est observée selon l'axe de chiralité. On adopte les règles suivantes :

Le résultat est indépendant de la façon dont est placée la molécule.
Cette nomenclature s'applique aux
allènes, spirannes et atropisomères.
Configurations relatives
Définitions
On appelle configuration relative la configuration de tout groupe stéréogène par rapport à tout autre
groupe stéréogène contenu dans la même entité moléculaire.
À la différence de la configuration absolue elle est inchangée par réflexion.
Configuration relative autour d'une double liaison
Les atomes de carbone et les atomes qui leurs sont liés, engagés dans une double liaison constituent des groupes stéréogènes. Considérons le plan passant par les atomes de carbone de la double liaison et perpendiculaire au plan passant par les groupes qui lui sont liés. Ces groupes sont situés au dessus et au dessous de ce plan.
  • les groupes portés par des atomes de carbone différents situés du même côté du plan sont en relation cis ;
  • les groupes portés par des atomes de carbone différents situés de part et d'autre de ce plan sont en relation trans.
Relation
cis
trans
Groupes
a et c ; b et d
b et c ; a et d
Les termes cis et trans sont relatifs et peuvent être ambigus lorsqu'on les utilise pour nommer une entité moléculaire.
Stéréodescripteurs Z et E
Les groupes portés par chaque carbone sont classés par priorité décroissante en utilisant les
règles séquentielles de Cahn, Ingold et Prelog. Supposons qu'on ait :
a > b et c > d
Deux situations se présentent selon que les groupes prioritaires sont situés du même côté du plan passant par les atomes de carbone ou de part et d'autre de ce plan :
La première configuration est appelée Z (zusammen) la deuxième est appelée E (entgegen) ;
il existe deux stéréoisomères du but-2-ène :
le dessin suivant représente la molécule de (10E, 12Z)-hexadéca-10,12-diène-1-ol.
Bombykol
Le bombykol est une phéromone sexuelle du Bombyx du mûrier. A. F. J. Butenandt et coll. (Allemagne) en ont obtenu 12 mg à partir d'un demi-million d'insectes. L'identification de ce composé (1959) a demandé plus de 20 années de recherches. La stéréochimie a été prouvée en comparant l'activité biologique des différents isomères, obtenus par synthèse avec celle du bombykol naturel.
Il s'agit du (10E, 12Z)-Hexadécadiène-1-ol. Sa synthèse par H. J. Bestmann en 1977, illustre les possibilités synthétiques de la réaction de Wittig dans le contrôle de la stéréochimie.
Une synthèse plus récente utilise le couplage de Suzuki comme étape clé.
Un autre exemple de phéromone est donné par le disparlure premier composé de ce type à avoir été identifié.
Configurations relatives de molécules possédant deux centres chiraux
Il s'agit de préciser la
configuration relative d'un centre chiral par rapport à un autre centre chiral. Les stéréodescripteurs utilisés sont like et unlike, [16], [17].
Couples
(R, R) et (S, S)
(R, S) et (S, R)
Notation
R*R* ou like
R*S* ou unlike
L'exemple ci-dessous concerne les isomères du 2, 3, 4-trihydroxybutanal.
Couples
Notations
like
unlike
Un autre exemple est celui des acides (2R, 3R) et (2S, 3S) tartriques qui forment un couple like. Il n'y a pas de couple unlike ici du fait de l'existence d'un composé méso. Ces notations sont destinées à remplacer les notations érythro, thréo plus anciennes et dont l'utilisation n'est pas recommandée par l'UICPA. Stéréodescripteurs érythro et thréo
Lorsqu'une molécule possède deux atomes de carbone asymétriques, il existe au maximum 4 stéréoisomères qu'on peut grouper en deux couples d'énantiomères, sauf dans le cas où il existe un composé
méso achiral.
On distingue ces couples par les notations érythro et thréo. Cet ancienne nomenclature trouve son origine dans l'étude des stéréoisomères du 2, 3, 4-trihydroxybutanal. Ces sucres peuvent être regroupés en deux couples d'énantiomères appelés respectivement érythrose et thréose.
On s'intéresse aux groupes portés par les atomes asymétriques C2 et C3. Les groupes sont classés selon les règles de priorité de Cahn, Ingold et Prelog. La molécule est observée en projection de Newman :
  • les groupes défilent dans le même sens la configuration relative est érythro ;
  • les groupes défilent dans des sens opposés la configuration relative est thréo.
L'exemple suivant concerne les stéréoisomères du 2-bromo-3-fluorobutane.
Couples
Notations
érythro
thréo
Stéréodescripteurs syn et anti
La chaîne carbonée principale dessinée en zig-zag est inscrite dans un plan. Les substituants sont en dessous ou au dessus de ce plan.

syn
syn
anti
anti
La nomenclature recommandée par l'UICPA pour la description des configurations relatives fait intervenir les stéréodescripteurs like et unlike. Cependant l'utilisation des stéréodescripteurs syn et anti est très employée du fait de sa simplicité pour décrire la stéréochimie des adduits dans de nombreuses réactions classiques comme la condensation aldol.
Nomenclature D, L de Fischer
Cas des sucres
La molécule est représentée en utilisant la
projection de Fischer. On s'intéresse au groupe -OH situé sur le dernier atome asymétrique. Cet atome est donc différent selon le nombre d'atomes de la chaîne carbonée.
Projection du groupement -OH
à droite
à gauche
Série
D
L
Le (2R)-2-hydroxypropanal (2R-glycéraldéhyde) et son énantiomère le (2S)-2-hydroxypropanal (2S-glycéraldéhyde) sont représentés ci dessous. Le seul atome de carbone asymétrique est l'atome 2. Le composé 2R appartient à la série D, tandis que le composé 2S appartient à la série L.
.
Pour les 2, 3, 4-trihydroxybutanals stéréoisomères (éryhtrose et thréose), il faut s'intéresser à la configuration du carbone 3. On a les résultats suivants :
Configuration absolue
(2R, 3R)
(2S, 3S)
(2R, 3S)
(2S, 3R)
Série
D
L
L
D
La stéréochimie de l'atome de carbone 5 montre que le glucose naturel appartient à la série D.
Origine de la nomenclature D, L
Deux composés énantiomères ont des pouvoirs rotatoires opposés. Faute de pouvoir déterminer la géométrie des deux glycéraldéhydes énantiomères, Fischer décida arbitrairement (il avait une chance sur de deux de trouver le bon résultat) que le composé dextrogyre était celui représenté à gauche sur le dessin précédent et il lui attribua la configuration D. Du même coup, l'énantiomère lévogyre devait être le composé L.
Quand en 1951 J. M. Bijvoet détermina expérimentalement, par une méthode spéciale de diffraction des rayons X, la structure d'un dérivé de l'acide (+)-tartrique, on pu connaître par corrélation de configuration celle du (+)-glycéraldéhyde. On constata que l'hypothèse qu'avait faite Fischer était la bonne.
Il n'existe cependant aucune relation générale entre la configuration D ou L d'une molécule et le signe (+) ou (-) du pouvoir rotatoire du composé. Certains composés appartenant à la série D sont lévogyres, d'autres de la série L sont dextrogyres (l'alanine naturelle par exemple).
On peut se rappeler qu'un composé de configuration D possède un groupe OH qui se projette à Droite en projection de Fischer.
Cas des aminoacides
La molécule est représentée en projection de Fischer. On s'intéresse au groupe amino porté par le premier atome de carbone asymétrique.
Projection du groupement -NH2
à droite
à gauche
Série
D
L
L'alanine naturelle est l'acide (2S)-2-aminopropanoïque. C'est un aminoacide appartenant à la série L.
Il est préférable d'utiliser les règles de Cahn, Ingold et Prelog plus systématiques mais il faut connaître cette nomenclature en raison de l'abondante littérature existante.
Prochiralité
Atomes prochiraux
Commençons par étudier l'exemple de la molécule d'éthanol (1). Un observateur est capable de distinguer les atomes d'hydrogène HA et HB en repérant leur position par rapport aux autres atomes de la molécule c'est à dire en utilisant une référence interne. Cette observation peut être généralisée. Dans ce but, K. Mislow et M. Raban ont introduit un nouveau concept, celui de prochiralité (voir [19] et [35].)
Remplaçons chaque atome d'hydrogène successivement par un atome de deutérium. Nous obtenons respectivement les molécules (2) et (2') énantiomères. Nous dirons que les atomes HA et HB sont énantiotopiques.
Ethanol
Atomes d'hydrogène énantiotopiques de la molécule d'éthanol.
Notons que ces protons énantiotopiques peuvent être discernés par un réactif chiral tel que l'alcool déshydrogénase.
Considérons à présent une molécule dans laquelle le groupe méthyle est remplacé par un groupe asymétrique noté R*. Le remplacement des atomes HA et HB par un atome de deutérium conduit cette fois à deux molécules (2) et (2') diastéréo-isomères. Les atomes HA et HB sont dits diastéréotopiques.
Bromofluoroéthanol
Atomes d'hydrogène diastéréotopiques de la molécule de bromofluoroéthanol.
Groupes prochiraux et symétrie
On peut classer les groupes prochiraux en utilisant des critères de symétrie. Deux groupes homotopiques ou équivalents sont échangeables par une opération de rotation Cn autour d'un axe. Ils sont stéréohétérotopiques dans le cas contraire.
Effet d'une rotation Cn
superposables
non superposables
Nature des groupements
homotopiques
stéréohétérotopiques
Dans l'exemple suivant la molécule possède un axe de symétrie C2. La rotation de 180° autour de l'axe D échange les groupes G homotopiques :
Les groupes stéréohétérotopiques sont classés en deux sous-catégories : les groupes énantiotopiques sont échangeables par une opération de symétrie Sn. Autrement dit, ils sont échangeables par une opération de symétrieimpliquant les éléments suivants :
  • un plan de symétrie ;
  • un centre d’inversion ;
  • un axe de rotation-réflexion.
Des groupes diastéréotopiques ne sont pas échangeables par une opération de symétrie.
Effet d'une symétrie Sn
superposables
non superposables
Nature des groupements
énantiotopiques
diastéréotopiques
  • Groupes énantiotopiques
    Deux groupes énantiotopiques appartiennent à des environnements énantiomères. Autrement dit, ils sont identiques du point de vue de la constitution et situés dans des régions symétriques d’une entité moléculaire, apparentées l’une à l’autre par des éléments de symétrie qui peuvent être un plan de symétrie, un centre d’inversion ou un axe inverse de symétrie. Ils possèdent des déplacements chimiques égaux en spectroscopie de RMN (ils sont isochrones). Cependant un réactif chiral peut les distinguer et ils peuvent être distingués en RMN en présence d'un solvant chiral.
    Exemple : la molécule suivante possède un plan de symétrie. Les groupes G sont échangeables par une opération de symétrie S1.
  • Groupes diastéréotopiques
    Des groupes diastéréotopiques sont identiques du point de vue de la constitution et situés dans des environnements diastéréo-isomères. Un réactif achiral peut les distinguer et leurs déplacements chimiques sont différents en RMN.
    Exemple : un cas fréquent en pratique est celui dans lequel un groupe chiral interdit l'échange par symétrie des groupes G du fait de la présence d'un groupe chiral R1.
Nomenclature des groupes prochiraux
Rendons arbitrairement prioritaire l'un des groupes par rapport à l'autre et classons les groupes en utilisant les règles de Cahn, Ingold et Prelog. S'il s'agit de deux atomes d'hydrogène on peut remplacer l'un d'eux par un atome de deutérium (méthode de Hirschmann.) Deux cas peuvent alors se présenter :
Le résultat est le même si l'on choisit l'autre groupe comme étant prioritaire. Exemple : les atomes d'hydrogène de la molécule de NADH sont prochiraux.
Atome
Ha
Hb
Stéréodescripteur
pro-S
pro-R
Faces prochirales
Le concept de prochiralité peut être étendu aux atomes trigonaux dont l'environnement est localement plan. On peut alors distinguer deux faces.
Raisonnons sur l'exemple du groupe carbonyle du benzaldéhyde. L'addition de l'ion cyanure (groupe achiral) sur cette molécule, suivie d'une acidification, peut s'effectuer avec une égale probabilité sur l'une ou l'autre des deux faces du
groupe carbonyle. Cela conduit aux hydroxynitriles I et II énantiomères. On dit que les faces du groupe carbonyle sont énantiotopiques.
Remarque : on obtient les deux énantiomères du mandélonitrile. Considérons à présent la molécule suivante. Le substituant en a du groupe carbonyle est un centre chiral.
L'addition d'ion cyanure suivie d'acidification, conduit cette fois à des produits I et II diastéréo-isomères. On dit que les faces du carbonyle sont diastéréotopiques. Remarque : l'existence d'un centre chiral en a du groupe carbonyle pose un problème d'induction asymétrique. La règle de Cram ainsi que les modèles plus élaborés de Felkin et de Felkin-Anh sont examinés dans le chapitre consacré à la stéréochimie dynamique.
Faces prochirales et symétrie
Considérons à présent un atome de carbone impliqué dans une double liaison. Les liaisons qu'il développe appartiennent à un même plan. Ce dernier partage l'espace en deux parties. On distingue trois cas :
  • Faces homotopiques
    Une opération de symétrie C2 permet de passer de l'une à l'autre. Un observateur ne peut pas les distinguer. Elles sont parfaitement équivalentes.
  • Faces énantiotopiques
    Elles se transforment dans une opération de symétrie plane. Un réactif achiral ne peut pas les distinguer. En revanche, un réactif chiral ou un observateur peuvent le faire.
  • Faces diastéréotopiques
    Aucune opération de symétrie ne permet de passer de l'une à l'autre. Dans l'exemple ci-dessous un seul des groupes est chiral. Un réactif achiral peut les distinguer.

Nomenclature des faces prochirales
Une nomenclature des faces prochirales a été proposée K. R. Hanson
[20] ; [35] et [37]. Elle est basée sur une généralisation des conventions de Cahn Ingold et Prelog. Les groupes sont classés dans l'ordre des priorités décroissantes :
1 > 2 > 3

Pour un observateur situé devant la face étudiée, les substituants défilent par priorité décroissante dans le sens des aiguilles d'une montre. La face est re (rectus).

Pour un observateur situé devant la face étudiée, les substituants défilent par priorité décroissante dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La face est si (sinister).
Exemple 1 : benzaldéhyde

Exemple 2 : acide fumarique
Exemple 3 : acide shikimique
Acide shikimique
Anis étoilé
L'acide (-)-shikimique ou acide (3R,4S,5R)-3,4,5-trihydroxycyclohex-1-ène-1-carboxylique) est extrait de la badiane de chine ou anis étoilé. Il peut aussi naturellement être obtenu de façon synthétique [39]. Ce composé d'origine naturelle sert de point de départ à l'hémisynthèse stéréosélective du Tamiflu, un antiviral [40].
Bibliographie
Ouvrages théoriques
[1] J. March - Advanced organic chemistry, Wiley Interscience.
[2] F. A. Carey, R.J. Sundberg - Advanced organic chemistry, 3d edition (Plenum Press, 1990).
[3] André Collet, Jeanne Crassous, Jean-Pierre Dutasta, Laure Guy. Molécules chirales : stéréochimie et propriétés. EDP Sciences, CNRS Editions.
[4] Enantiomers, racemates, and resolutions, Jean Jacques, André Collet, Samuel H Wilen 1981.
[5] H. Kagan - La stéréochimie organique (PUF, 1975).
[6] E. L. Eliel, S. H. Wilen, Stéréochimie des composés organiques (Tec et Doc).
[7] J. L Pierre - Principes de stéréochimie organique statique (A. Colin, 1971).
[8] A. Kirmann, J. Cantacuzène, P. Duhamel - Chimie organique T 1 (A. Colin, 1971).
[9] K. Mislow - Introduction to stereochemistry (W. A Benjamin, New York, 1966).
[10] J. Jacques - La molécule et son double (Hachette, 1992).


Articles
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[16] V. Prelog and G. Helmchen, Angew. Chem. 94, 614-631 (1982), Angew. Chem. Internat. Ed. Eng. 21, 567-583 (1982).
[17] V. Prelog, D. Seebach, L'actualité chimique, juin-juillet (1983).
[18] Newman, M. S. A notation for the study of certain stereochemical problems. J. Chem. Educ. 1955, 32, 344-347.
[19] K. Mislow, M. Raban, "Stereoisomeric Relationships of Groups in Molecules", Top. Stereochem. 1967, 1, 1.
[20] Kenneth R. Hanson, Applications of the Sequence Rule. I. Naming the Paired Ligands g,g at a Tetrahedral Atom Xggij. II. Naming the Two Faces of a Trigonal Atom Yghi, J. Am. Chem. Soc., 1966, 88 (12), pp 2731–2742.
[21] V. Pellegrin - Les représentations graphiques bidimensionnelles des molécules en chimie organique (Bulletin de l'Union des Physiciens, février 1999).
Liens
[30] Systematic Stereochemical Nomenclature & Vladimir Prelog
[31] Glossary of terms used in physical organic chemistry IUPAC recommendations 1994.
[32] E. Fischer, The Nobel Prize in Chemistry 1901
[33] Sir N. Haworth, The Nobel Prize in Chemistry 1937
[34] A. Butenandt, The Nobel Prize in Chemistry 1939
[34] Chemtube 3D (University of Liverpool)
[35] Stereochemistry Articles Une sélection d'articles de référence en stéréochimie (Jay Siegel Research Group.)
[36] Nobel prize in chemistry 1987
[37] Prochirality Ernest L. Eliel, Department of Chemistry, University of North Carolina, Chapel Hill, NC 27514, USA.
[38] On the Classification of Pairwaise relations between isomeric structures Kurt Mislow, Dept of Chemistry, Princeton, University.
[39] Chemical Synthesis of Shikimic Acid and its Analogues by Shende Jiang and Gurdial Singh
[40] Chemical Synthesis of Tamiflu by Emily Campbell


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