Modes de représentation des molécules

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 :

Voici quelques exemples.

• molécule de (2R)-butan-2-ol

  Le (2R)-butan-2-ol est représentée ci-contre. O(OH) > C3 > C1 > H

• (2S)-1-phényl-2-aminopropane

  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.

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.

• 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.

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.

• dans le composé syn, les substituants -OH et -R sont situés du même côté du plan ;
• dans le composé anti, les substituants -OH et -R sont situés de part et d'autre du plan.

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.

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.

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.

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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 :

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.

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.

Atomes prochiraux
Commençons par étudier l'exemple de la molécule d'éthanol (1). Un observateur est capable de distinguer les atomes d'hydrogène H_A et H_B 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 H_A et H_B sont énantiotopiques.

Considérons à présent une molécule dans laquelle le groupe méthyle est remplacé par un groupe asymétrique noté R*. Le remplacement des atomes H_A et H_B par un atome de deutérium conduit cette fois à deux molécules (2) et (2') diastéréo-isomères. Les atomes H_A et H_B sont dits diastéréotopiques.

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 C_n autour d'un axe. Ils sont stéréohétérotopiques dans le cas contraire.

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 S_n. 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.

• 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 :

• on obtient un groupe de configuration absolue R, le groupe est pro-R ;
• on obtient un groupe de configuration absolue S, le groupe est pro-S.

Exemple : les atomes d'hydrogène de la molécule de NADH sont prochiraux.

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 : 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

Exemple 1 : benzaldéhyde

Exemple 2 : acide fumarique