Composes 1 Seul c Asym

Pr Hatem BEN ROMDHANE Structures des Molécules Organiques Stéréoisomérie optique Faculté des Sciences de Tunis et Stéréochimie composés à 1 C*

Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées – CAHIER 2

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STÉRÉOISOMÉRIE CONFIGURATIONNELLE

STÉRÉOISOMÉRIE OPTIQUE

COMPOSÉS OPTIQUEMENT ACTIFS À UN SEUL CARBONE ASYMÉTRIQUE

Définitions On appelle atome de carbone asymétrique ou centre asymétrique (noté C*), un atome de carbone portant 4 atomes ou groupements d'atomes différents, donc un carbone dont l'état d'hybridation est nécessairement sp3 (tétraédrique). Toute molécule contenant un et un seul atome de carbone asymétrique est chirale. On pourra donc séparer ses 2 énantiomères dextrogyre (+) et lévogyre (-). Exemple 1 : 2-bromobutane

Exemple 2 : L'acide lactique :

COOH

OH

CHCH3*

qui possède un carbone asymétrique, existe sous 2 formes énantiomères (+) ou (-).

COOHH

CH3

HHO

HOOC

acide (-)-lactiqueacide (+)-lactique miroir

CH3

HO

Exercice d'application : Dire si les composés suivants sont chiraux ou achiraux

- le 2-bromopentane

- le 3-bromopentane

- le 1-bromo-2-méthylbutane

- le 2-bromo-2-méthylbutane

molécule chirale

son image dans un miroir plan qui ne lui est pas superposable



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Un carbone dans un cycle peut être un centre asymétrique à 2 conditions : - il faut qu'il porte 2 substituants différents - il faut que le chemin parcouru le long du cycle à partir de ce carbone dans un sens soit différent de celui parcouru dans l'autre sens. Exemples :

CH3 CH

O

CH2

CH3

H C CH2

CH3

6

5

4

3

21

*

*

méthyloxirane Limonène ou 1-méthyl-4-méthylvinylcyclohex-1-ène

Exercice d'application : Dans les composés suivants repérer les centres asymétriques s'il y en a : - cyclopent-2-ène-1-ol

- cyclopent-3-ène-1-ol

- 1,1,2-triméthylcyclobutane

- 1,1,3-triméthylcyclobutane

Le pouvoir rotatoire (+) ou (-) d'un énantiomère est déterminé expérimentalement. Par contre, sa configuration est attribuée à l'aide de conventions.

Les configurations absolues R et S : LES RÈGLES DE CAHN - INGOLD - PRELOG

• Règle 1 : Les 4 groupements portés par un atome de carbone asymétrique sont classés par ordre de priorité décroissante à l'aide de la règle séquentielle. Cette dernière comprend à son tour des sous-règles qui doivent être utilisées dans l'ordre. Sous-règle 1 : On classe les atomes ou groupements d'atomes directement liés au carbone asymétrique : 1) par ordre décroissant des numéros atomiques : Ex : — Cl (Z=17) > — OH (Z=8) > — NH2 (Z=7) > — CH3 (Z=6) > — H (Z=1) > : (doublet libre) le signe " > " veut dire : est prioritaire à

1

2

4

3



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2) en cas d'égalité pour l'atome directement lié, on applique la même règle avec les atomes adjacents (2ème rang), s'il y a encore une ambiguïté on passe aux atomes de 3ème rang: Ex : — OCH3 > — OH ou encore — CH2Cl > — CH2-CH3 > — CH3 3) une liaison multiple équivaut à plusieurs liaisons simples avec le même atome Sous-règle 2 : Les substituants isotopiques sont classés selon l'ordre décroissant de leur masse atomique. Ex : T > D > H Sous-règle 3 : Les groupements atomiques ayant une séquence Z précèdent les groupements ayant une séquence E. Exemple :

CH

CH

CH3 C

HC

CH3

H>

( Z ) ( E ) Sous-règle 4 : Cette sous-règle s'applique à certains composés qui ont plusieurs centres de chiralité: une paire R,R ou S,S précède une paire R,S ou S,R. Sous-règle 5 : Un substituant R précède un substituant S. • Règle 2 : La molécule est observée de telle façon que le groupement le moins prioritaire soit le plus éloigné possible de l'observateur. Les 3 autres groupements font alors face à ce dernier.

• Règle 3 : Si le sens de rotation dans l'ordre décroissant suit le sens des aiguilles d'une montre, la configuration de l'atome de carbone est dite R (du latin Rectus). Si c'est le contraire, la configuration est dite S (Sinister).

1

2

4

3

sens des aiguilles d'une montre : configuration R à droite sens "R" à gauche sens "S"



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• Règle 4 : Si la molécule considérée ne contient qu'un seul atome de carbone asymétrique, sa configuration est indiquée en faisant précéder son nom de nomenclature par (R)- ou (S)-. Dans le cas de plusieurs atomes de carbones asymétriques la configuration est indiquée en faisant précéder son nom de nomenclature par les indications de configurations appropriées précédées du numéro de chaque atome de carbone considéré. Exemples : a) Cherchons la configuration de l'acide (+)-lactique représenté selon Cram :

CH3

COOHHOH

3

21

( S )4

3

2

1

Pour un composé donné on peut avoir une appellation qui indique à la fois sa configuration absolue et le signe de son pouvoir rotatoire. Ainsi on aura l'acide (+)-(S)-lactique et son énantiomère l'acide (-)-(R)-lactique.

CH3

COOHHOH

CH3

HHOOCOH

acide (-)-(R)-lactiqueacide (+)-(S)-lactique

b) Cherchons la configuration absolue de l'isomère dextrogyre du 2,3-dihroxypropanal ( glycéraldéhyde ) :

CHO

CH2OHHOH

2

31

( R )4

3

2

1

CHO

CH2OHHOH

CHO

HHOCH2OH

(+)-(R)-glyceraldéhyde (-)-(S)-glyceraldéhyde Comme le montrent bien ces exemples, il n'existe aucune corrélation entre les configurations absolues (R) et (S) déterminées par convention et le pouvoir rotatoire (+) ou (-) qui est une donné expérimentale.



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Tout ce qu'on peut dire c'est quand l'isomère est (+), son énantiomère est (-) et indépendamment quand un isomère est (R) son énantiomère est (S). Exercice d'application :Donner les configurations (R ou S) pour chacun des composés suivants et

préciser la configuration ainsi que le pouvoir rotatoire de leurs énantiomères.

C CH2OH

CH3CH2

CH3 H

C CH2Br

CH3CH2

HCH3

C CH2F

CH3CH2

CH3 H

C CH

HO

CH3 H

CH2

a)

(+)-2-méthylbutan-1-ol (+)-1-bromo-2-méthylbutane

b)

d)

(+)-But-3-ène-2-ol(+)-1-Fluoro-2-méthylbutane

c)

Pour déterminer la configuration d'un carbone asymétrique faisant partie d'un cycle, il faut procéder comme en série aliphatique. Exemple : le 4-méthylcyclohexène Pour déterminer la configuration du C* du (+)-4-méthylcyclohexène, il faut considérer le côté droit et le côté gauche du cycle (en partant du C*) comme 2 groupements indépendants.

HCH3

*

(+)-4-méthycyclohexène

Commencer par numéroter le cycle (préférence numérotation internationale)

HCH3

12

34

5

6

déterminer l'ordre de priorité

H

C4*

CMe

C3

C5

HHHH

HH

H

C2

C6

C1(C1)HH

HC1

1er rang 3ème rang2ème rang

ordre de priorité : C3 > C5 > CMe > H

Avec H l'atome le moins prioritaire placé derrière, le sens C3 → C5→ CMe suit le sens des aiguilles

d'une montre : configuration du C* est "R"

HCH3

12

34

5

6



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Exercice d'application : Repérer le C* dans les molécules suivantes et donner sa configuration

Br CH3

OF

F

CH3

H

(b)(a)

Détermination des configurations absolues ( R - S ) à partir de la projection de Fischer La détermination des configurations absolues R et S peut se faire directement sur la projection de Fischer. Pour cela il faut suivre les règles suivantes : soit l'ordre de priorité des substituants a > b > c > d 1er cas : d se trouve en position verticale, le sens de rotation a → b → c donne directement la configuration absolue. 2ème cas : d se trouve en position horizontale, la séquence a → b → c indique l'inverse de la configuration absolue.

CO2H

CH3

NH2H

CO2H

CH3

H2N H

Exemple :

R

(S)

c

b

a dd

c

b

a

R-alanine

(R)

S

S-alanine

Discrimination des énantiomères par les sites biologiques Les sites biologiques arrivent à distinguer entre deux énantiomères d'une même molécule. Il se trouve que dans bien des cas l'un des deux énantiomères seulement puisse agir en tant que principe actif d'un médicament (par exemple) et non pas les deux.

Enantiomère R Enantiomère S

Site d'attache du récepteur biologique

Site d'attache du récepteur biologique

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