• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Isomérie : stéréoisomérie de configuration
Énantiomères et diastéroisomères

Sommaire
définition

Les stéréoisomères sont des isomères à même formule développée, mais qui ne diffèrent que par leur géométrie spatiale.

Il existe deux types de stéréoisomérie :

Définition de la chiralité

Une molécule est dite chirale (du grec kheir, " main "), si et seulement si elle n’est pas superposable à son image dans un miroir plan.

Une définition beaucoup plus mathématique (Marine Peuchmaur) est qu'une molécule est chirale si elle ne possède pas d’élément de symétrie Sn, i.e. elle n’est pas identique à elle-même après rotation de $\ce{2π/n}$ autour d’un axe, suivie d’une symétrie plane par rapport à un plan orthogonal à cet axe (condition nécessaire et suffisante).

  • La condition nécessaire, mais non suffisante est qu'une molécule chirale ne possède ni plan ni centre de symétrie (si une molécule possède un plan ou un centre de symétrie alors elle n’est pas chirale).
  • La condition suffisante de chiralité (mais non nécessaire) est qu'une une molécule possédant un seul carbone asymétrique (noté C*) est une molécule chirale.
Molécules chirales et achirales
Molécules chirales et achirales
(Figure : vetopsy.fr)

Presque toutes les molécules biologiques sont chirales et quelques remarques s'imposent.

  • 1. Une molécule chirale ne contient donc pas obligatoirement de C*.
  • 2. Une molécule dont le carbone, par exemple lors de liaison double, ne sont pas dans le même plan, peut être chirale même si elle ne possède pas de C*.
  • 3. Si une molécule possède plusieurs C*, on trouve un plan de symétrie, i.e., la molécule ne peut être chirale.

La chiralité peut donc être due :

1. à un centre stéréogène, centre de chiralité ou centre asymétrique,

  • i.e. atome (comme C*) ou groupe d'atomes sur lequel la permutation de deux de ses substituants, génère deux stéréoisomères (énantiomères ou diastéréomères) ;
  • tout atome présentant une structure tétraédrique induit une chiralité ; cependant, les énantiomères ne sont pas toujours séparables notamment quand la barrière d’inversion entre les deux formes est faible comme dans le cas de l’azote.

2. à un axe de chiralité,

  • i.e. axe autour duquel des substituants sont dans une disposition spatiale fixe qui n'est pas superposable à son image dans un miroir comme les allènes, les biphényles ou les spiranes ;
  • en outre, pour les biphényles, l'encombrement stérique entre en jeu pour induire la torsion et favoriser la stabilité des deux formes énantiomères ;

3. à un plan de chiralité, i.e. la molécule doit avoir une partie de ses atomes dans un plan et une autre partie en dehors du plan comme les cyclophanes.

Polarimètre et énantiomère
Polarimètre et énantiomère
(Figure : vetopsy.fr d'après Kaidor)

4. à l'hélicité, i.e. on définit une hélice gauche (sens anti-horaire) et une hélice droite (sens horaire), énantiomère l’une de l’autre (loupechiralité en physique) : on parle d'hélicité hélicoïdale (Chiralité hélicoïdale (supra)moléculaire dans les tetrathiafulualènes 2016).

Énantiomères

définition

Deux énantiomères sont deux molécules qui sont images l’une de l’autre dans un miroir plan, mais qui ne sont pas superposables : ces molécules sont donc chirales.

1. Les énantiomères ont les mêmes propriétés physiques, mais leur pouvoir rotatoire diffère.

Quand une molécule est capable de modifier la direction de polarisation d’une onde plane polarisée linéairement, on la dit optiquement active.

Thalidomide
Thalidomide
(Figure : vetopsy.fr)

La molécule est forcément chirale et on parle de :

  • composé dextrogyre (ou +) si la lumière est déviée vers la droite d'un angle α,
  • composé lévogyre (ou -) si la lumière est déviée vers la gauche d'un angle -α

Si la déviation est nulle (α=0), deux cas de figures se présentent :

  • soit la molécule est achirale,
  • soit le mélange est dit racémique, mélange composé des deux énantiomères à part égale ; la racémisation est la conversion d'une solution contenant un seul énantiomère en une solution où les deux sont présents.
attention

Une nomenclature D/L est utilisé pour les sucres, mais à part pour le glycéraldéhyde, elle n'a rien à voir avec le pouvoir rotatoire.

2. Leur propriétés chimiques, donc biologiques ou pharmacologiques, sont souvent, en général, différentes.

  • On peut citer l'exemple tristement célèbre de la thalidomide qui est racémique : tandis que la S-thalidomide est la forme bioactive de la molécule, aux effets sédatifs et anti-nauséeux, les énantiomères individuels peuvent se racémiser entre eux (grâce à l'hydrogène proche du centre chiral, carbone du cycle glutarimide lié au substituant phtalimide) en R-thamidomide à effets tératogènes.
  • La L-dopa entre dans le traitement de la maladie de Parkinson et des dystonies dépendantes de la dopamine : c'est un précurseur de la dopamine qui traverse la barrière hémato-encéphalique et est captée par les neurones dopaminergiques pour y être transformé en dopamine. La D-dopa est biologiquement inactive.
Énantiomères et diastéroisomères
Énantiomères et diastéroisomères
(Figure : vetopsy.fr)

Diastéréoisomères

définition

Deux diastéréoisomères sont deux molécules stéréoisomères qui ne sont pas des énantiomères, i.e. molécules à même enchaînement d'atomes, mais qui ne sont ni superposables, ni image l'une de l'autre dans un miroir.

Les diastéréoisomères ont donc des propriétés physiques différentes.

On les classe en :

  • 1. isomères cis et trans pour les composés alicycliques, i.e. à la fois aliphatique et cyclique ;
  • 2. isomères Z/E pour les chaînes carbonées avec liaison double, mais qui peuvent comportés aussi d'autres double-liaisons ;
  • 3. anomères et épimères, i.e. diastéréoisomères essentiellement des glucides ;
  • 4. invertomères, dans le cas d'atomes trivalents, comme les trialkyl amines.

Diastéréoisomérie Z/E

Pent-2-ènes
Pent-2-ènes
(Figure : vetopsy.fr)

La diastéréoisomérie Z/E traduit les relations stériques par rapport à une ou plusieurs doubles liaisons., qu'elles soient entre deux carbones ou entre d'autres atomes.

  • Les règles de la notation Z/E sont décrites avec la notation CIP.
  • L'exemple sur la figure ci-contre est celui du 3-chloro-pent-2-ène.

Diastéréoisomérie cis/trans

La diastéréoisomérie cis/trans est rencontrée pour les substituants des cycles (ou les jonctions de composés polycycliques).

attention

Dans les cycles, on ne peut pas trouver de carbone asymétrique, i.e. la molécule est forcément achirale !

Notation cis-trans
Notation cis-trans
(Figure : vetopsy.fr)

Toutefois, on trouve deux représentation spatiales qui sont dues à la présence du cycle.

  • Le composé est dit " cis ", si, par rapport à la chaine principale de la molécule décrite, les principaux groupes fonctionnels sont situés du même côté, i.e. cis-, " ensemble " en latin ;
  • Le composé est dit " trans ", s'ils sont situés de part et d'autre, i.e. trans-, " à travers " en latin.

Cette notation est quelquefois utilisée pour les doubles liaisons : la différence avec la notation Z/E plus générale est la fait que les substituants doivent être identiques.

Épimères et anomères

définition

Un épimère est un stéréoisomère dont la configuration diffère d'un centre stéréogène unique.

On peut citer le cas des aldohexoses, glucose, galactose et mannose.

  • Le mannose est l'épimère du glucose en C2 (jaune).
  • Le galactose est l'épimère du glucose en C4 (jaune).
  • Épimères et anomères
    Épimères et anomères
    (Figure : vetopsy.fr)
    Par contre, le mannose et le galactose sont des diastéroroisomères, mais pas des épimères, car ils diffèrent de plus d'un carbone (jaune et vert).
définition

Un anomère est un épimère du carbone hémiacétal dans un saccharide cyclique, un atome appelé carbone anomérique.

Le carbone anomère est le carbone dérivé du carbone carbonyle (la fonction aldéhyde C1 ou cétone C2) de la forme à chaîne ouverte de la molécule glucidique.

  • Dans les aldohexoses, comme le glucose ou le galactose, c'est le carbone C1 qui est le centre anomérique, le plus éloigne du carbone D ou L qui est le C5.
  • Dans le D-fructose par exemple, c'est le carbone C2 dérivé du carbonyle de la cétone.

Les anomères sont distingués par les lettres α et β.

  • La forme est dite α si le groupe hydroxyle ($\ce{-OH}$) anomérique et le groupe $\ce{CH2OH}$ terminal sont de part et d’autre du cycle.
  • La forme est dite β s’ils sont du même côté.
Bibliographie
  • Marieb E. N. - Anatomie et physiologie humaines - De Boeck Université, Saint-Laurent, 1054 p., 1993
  • Maillet M. - Biologie cellulaire - Abrégés de Masson, 512 p, 2002
  • Lodish et coll - Biologie moléculaire de la cellule - De Boeck Supérieur, Saint-Laurent, 1207 p., 2014