LE SQUELETTE CARBONE

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1 1. LA CHAINE CARBONEE. Toutes ces molécules présentent un enchaînement d atomes de carbone liés par des liaisons simples, ou doubles, et formant éventuellement des cycles. On appelle chaîne carbonée ou squelette carboné l enchaînement des atomes de carbone constituant une molécule organique. LE SQUELETTE CARBONE 2. NOTION DE GROUPE CARACTERISTIQUE. Dans une molécule organique, on appelle groupe caractéristique tous les atomes autres que les atomes de carbone et hydrogène reliés par des liaisons simples. Exemple. La formule du butan-1-ol montre que cette molécule est composée d une chaîne carbonée et d un groupement OH. C est le groupe caractéristique de la famille des alcools. Le groupe caractéristique d une molécule donne à l espèce chimique correspondante des propriétés chimiques particulières qui sont les propriétés de la famille à laquelle l espèce chimique appartient. Pour reconnaître la famille à laquelle une espèce chimique appartient, il y a deux possibilités: - on identifie le groupe caractéristique à l aide de la formule correspondant à l espèce chimique; - on cherche à mettre en évidence, par un test chimique, une des propriétés chimiques caractéristiques de l espèce considérée. 3. REPRESENTATION DES MOLECULES LA FORMULE BRUTE. De type C x H y O z N l, elle renseigne sur la nature et le nombre des différents atomes constitutifs. Elle permet de déterminer la masse molaire, mais ne donne aucune indication sur la structure de la molécule, en aprticulier sur l enchaînement de ses atomes et la nature des groupes caractéristiques LA FORMULE DEVELOPPEE PLANE. Elle détaille l enchaînement des atomes dans la molécule et la nature des liaisons qui les unissent. Ele diffère de la représentation de Lewis, par l absence des doublets non liants LA FORMULE SEMI-DEVELOPPEE. Elle donne la constitution de la molécule sous forme concise. Elle dérive de la formule développée par suppression des liaisons C-H (ou O-H, N-H...). Les atomes d hydrogène sont regroupés avec l atome qui les porte (un indice indique leur nombre) LA REPRESENTATION TOPOLOGIQUE. On représente la chaîne carbonée sous forme d une ligne brisée symbolisant les liasons C-C. Chaque extrémité du segment représente alors un atome de C portant autant d atomes d hydrogène qu il est nécessaire pour respecter le règle de l octet. Les atomes autres que C sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes d hydrogène qu ils portent. Les liasons multiples sont matérialisés par un double ou triple trait représentation topologique OH

2 4. REPRESENTATION SPATIALE DES MOLECULES. Pour comprendre les propriétés biologiques des espèces chimiques, comme celles des principes actifs des médicaments, il faut s intéresser à l arrangement spatial des atomes composant les molécules Pour représenter dans un plan la géométrie spatiale des molécules, on utilise les conventions de Donald James Cram. 5. ATOME ASYMETRIQUE ET CHIRALITE 5.1. DEFINITIONS Un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes d atomes différents est dit asymétrique. Une molécule peut avoir plusieurs atomes de carbone asymétriques. On repère la présence d un carbone asymétrique par une étoile ou un astérisque. Un objet qui n est pas superposable à son image dans un miroir plan est chiral. Une molécule peut avoir plusieurs atomes de carbone asymétriques. En chimie, c est Louis Pasteur qui a observé que certaines espèces dissoutes existent sous deux formes ayant des caractéristiques optiques différentes. En les observant, il mit en évidence deux structures cristallines différentes, l une étant l image de l autre dans un miroir plan. Dans la vie de tous les jours, des objets sont chiraux: une coquile d escargot, une vis, une hélice, un dé, un cadran de montre... Une molécule possédant un seul carbone asymétrique est forcèment chirale. Par contre la présence de plusieurs carbones asymétriques n implique pas la notion de chiralité. Chiralité du grec kheir, qui signifie main. Deux mains sont des objets chiraux. Les pieds et les chaussures sont chiraux: à chaque pied sa bonne chaussure 5.2. CHIRALITE DES ACIDES AMINES Les acides aminés sont des constituants des protéines. Tous les acides aminés naturels présentent, sur le même atome de carbone, appelé carbone, le groupe caractéristique - COOH et - NH 2. Par conséquent, à l exception de la glycine, les acides aminésnaturels possèdent un atome de carbone asymétrique et sont donc chiraux. La plupart des acides aminés naturels existent sous la forme de deux énantiomères, traditionnellement appelés D et L, selon l agencement des groupes d atomes autour de l atome de carbone asymétrique. Les acides aminés L représentent la quasi totalité des acides aminés naturels présents dans les protéines. En effet, des enzymes dégradent les acides aminés D.

3 Or, lorsqu on synthétise en laboratoire des acides aminés ou des glucides, qui sont des molécules chirales, on obtient toujours les deux formes possibles. Malgré cette symétrie dans les éprouvettes, les organismes vivants de la planète Terre n utilisent qu une seule forme d acide aminé, celle dite L (lévogyre), et une seule forme de sucre, celle dite D (dextrogyre). Comment un telle sélection s est-elle produite entre deux types de molécules et surtout pourquoi? Les travaux du chimiste Richard Rosenberg et de ses collègues du Argonne National Laboratory ont produit une expérience ouvrant de nouvelles pistes intéressantes. Ils ont bombardé un matériau magnétique sur lequel était adsorbé un mélange de deux types de molécules de butan-2-ol avec un faisceau de rayons X ionisant. En modifiant la direction de l aimantation du matériau magnétique avec un champ magnétique, ils ont pu produire un excès notable de molécules d une chiralité donnée. Or, on sait que les champs magnétiques, le fer et des rayonnements ionisants sont très répandus l'univers. Il n est pas difficile d imaginer que des molécules organiques issues de la chimie complexe du milieu interstellaire et dont on détecte la présence dans le cosmos aient pu être influencées par le mécanisme découvert par les chercheurs. Ce pourrait être le cas lorsque ces molécules sont piégées dans la glace recouvrant une poussière interstellaire riche en fer, à la surface d'une météorite, dans une comète où à la surface d une planète par exemple. Bien sûr, rien n est encore prouvé mais cette découverte n en constitue pas moins une piste de recherche intéressante pour les exobiologistes. 6. ISOMERIE En chimie organique, on parle d isomérie lorsque deux molécules possèdent la même formule brute mais ont des formules semi-développées ou des formules développées différentes. Ces molécules, appelées isomères, ont des propriétés physiques, chimiques et biologiques différentes. Le terme isomérie vient du grec isos = identique et meros = partie. L isomérie a été remarquée la première fois en 1827, quand Friedrich Woehler a préparé l acide isocyanique (H-C=N=O) et a noté que, bien que sa composition élémentaire soit la même que celle de l acide fulminique (H-N=C=O, préparé par Justus von Liebig l année précédente), les propriétés chimiques de ces substances sont radicalement différentes. Cette découverte était en contraste avec les théories de l époque dans le cadre desquelles l on pensait que les propriétés d une substance étaient entièrement déterminées par sa formule brute. On distingue différentes isoméries, principalement les isoméries de constitution et de stéréoisomérie. 7. ISOMERIE DE CONSTITUTION. L isomérie de constitution correspond aux isoméries désignant différents enchaînements d atomes. Des isomères de constitution ont pour seul point commun leur formule brute; ils ne sont pas constitués des mêmes fonctions chimiques et n ont donc pas la même formule développée. On distingue 7.1. ISOMERIE DE CHAINE L isomérie de chaîne désigne les isomères qui diffèrent par leur chaîne carbonée (squelette). Ces isomères sont caractérisées par leurs propriétés chimiques identiques et propriétés physiques différentes. Exemple : C 4 H 10 butane CH 3 -CH 3 méthylpropane CH 3 -CH-CH 3 CH ISOMERIE DE POSITION DE FONCTION L isomérie de position de fonction qualifie les isomères dont un groupement fonctionnel est placé sur des carbones différents de la chaîne carbonée, qui veut dire que c est la fonction qui se déplace à l intérieur du squelette. Ces isomères sont caractérisés par leurs propriétés physiques différentes et chimiques légèrement différentes. On appelle ces isomères, des isomères de position. Exemple : C 3 H 8 O propan-1-ol CH 2 -CH 3 propan-2-ol CH 3 -CH-CH 3 OH OH Certaines réactions chimiques permettent de passer d un isomère de position à l autre, elles sont appelées réaction de réarrangement ISOMERIE DE NATURE DE FONCTION L isomérie de nature de fonction caractérise les isomères dont les groupes fonctionnels sont différents, donc de propriétés physiques et chimiques différentes. On appelle ces isomères, des isomères de fonction. Exemple : C 2 H 6 O éthanol CH 3 -OH méthoxyméthane CH 3 -O-CH 3

4 8. STEREOISOMERIE. La stéréoisomérie désigne les molécules de constitution identique mais dont l organisation spatiale des atomes est différente. On distingue les stéréoisomères de conformation et les stéréoisomères de configuration STEREOISOMERES DE CONFORMATION Au sein d une molécule, des mouvements de rotation ont lieu en permanence autour de chaque liaison simple et conduisent à des dispositions différentes des atomes les uns par rapport aux autres. Ces dispositions sont des conformations de la molécule. Plus une molécule comporte de liaisons simples, plus le nombre de conformations de cette molécule est élevé. On dira donc que deux structures sont des stéréoisomères de conformation si l on peut passer de l une à l autre par rotation autour d une ou plusieurs liaisons simples. On passe ainsi d une conformation à l autre sans rompre de liaisons. Nous nous intéresserons uniquement aux rotations autour de liaisons simples carbone - carbone. Toutes les conformations d une molécule n ont pas la même stabilité. La molécule adopte plus fréquemment une conformation dans laquelle les groupes d atomes les plus volumineux sont les plus éloignés les uns des autres: la conformation (a) est la plus stable car les gros groupes sont les plus éloignés les uns des autres. La conformation adoptée par une protéine est cruciale dans le cas de certaines protéines: les enzymes. L enzype PKF1 catalyse la transformation du fructose - - phosphate (noté F6P) en fructose - 1,6 - diphosphate. Comme toutes les protéines, elle est constituée d un enchaînement d acides aminés. Pour fonctionner, l enzyme doit reconnaître sélectivement le F6P. Cette reconnaissance est basée sur le système «clé-serrure», c est-à-dire que le F6P n est reconnu que s il présente une forme complémentaire au site de l enzyme PKF STEREOISOMERES DE CONFIGURATION Dans le cas contraire, si deux structure stéréoisomères ne sont pas des stéréoisomères de conformation, alors elles sont des stéréoisomères de configuration. Pour passer de l une à l autre des configurations, il ne suffit pas d effectuer une rotation autour d une ou plusieurs liaisons simples, mais rompre une liaison pour réarranger les atomes dans l espace. Ces deux molécules ont donc la même formule semi-développée mais ne diffèrent que par l arrangement spatial de leurs atomes. On classe les stéréoisomères de configuration en deux grands groupes : les énantiomères et les diastéréoisomères. Les énantiomères. Aussi appelés isomères optiques, les énantiomères sont deux molécules qui sont l image l une de l autre par un miroir et ne sont pas superposables : ils présentent en effet une chiralité (dextrogyre ou lévogyre). Elles sont symétriques (plan de symétrie), elles ne sont donc pas superposables à leurs images dans le miroir. L exemple le plus concret de chiralité est celui d une main droite non superposable sur une main gauche

5 Importance de la stéréochimie des molécules thérapeutiques La mise sur le marché d un médicament, requiert d effectuer un grand nombre de tests sur la molécule qui a un effet thérapeutique. Les propriétés biologiques de deux énantiomères peuvent être différentes, chaque énantiomère doit être étudié séparèment. Un mélange équimolaire de deux énantiomères (même quantité de matière des deux composés) est appelé mélange racémique. Sachant que l obtention d un énantiomère pur est souvent coûteuse, le médicament est souvent commercialisé sous forme de mélange racémique, dans le cas où l autre énantiomère est non actif et surtout non toxique. C est la cas de l Ibuprofène. Mais en 1962 l utilisation de la Thalidomide en mélange racémique a mené à un scandale sanitaire. Les diastéréoisomères. Les stéréoisomères de configuration qui ne sont pas des énantiomères sont appelés diastéréoisomères. La plus connue des diastéréoisomèrie est l isomérie Z et E d une molécule qui possède une double liaison carbone - carbone.

6 Chimie de la vision. Le mécanisme de la vision fait intervenir deux types de photorecepteurs: les cônes et les bâtonnets. Ces cellules tapissent la rétine. Les bâtonnets sont sensibles à la lumière: un signal nerveux y est émis sous l effet d un signal lumineux. Les bâtonnets contiennent de la rhodopsine, assemblage d une protéine, l opsine, et d une molécule, le rétinal, emboîté dans l opsine. A l onscurité, le rétinal est nommé rétinal Z à cause de la liaison entre les atomes de carbone 4 et 5. Il est lié par l atome de carbone 15 à l extrémité d un acide a-aminé de k opsine, et sa forme s ah=juste à celle de l opsine. Sous l effet de la lumière, les doubles liaisons C=C de rétinal se déplacent. La liaison entre les atomes de carbone 11 et 12 devient alors momentanèment une liaison simple. Le rétinal peut s isomériser en rétinal tout E, dont la forme n est plus adaptée à celle de l opsine; il s en détache donc. Cette isomérisation s accompagne de la création d un influx nerveux. Le rétinal tout E est ensuite transformé en rétinol, puis en rétinal Z, qui peut de nouveau se combiner à la molécule d opsine: la rhodopsine est régénérée en quelques millisecondes PROPRIETES DES STEREOISOMERES La forme des molécules biologiques dans l espace a une grande importance. En effet, pour accomplir leurs fonctions, les molécules doivent adopter des conformations leur permettant d optimiser les interactions avec les autres molécules. L ADN est composé de deux brins se faisant face et formant une double hélice. Cette conformation des chaînes carbonées en vis-à-vis est imposée par des interactions d origine électrostatique entre atomes. De nombreuses petites protéines se replient spontanément en une durée de l ordre d une milliseconde. Certaines protéines mal repliées, appelées prions, sont responsables de maladies comme la amladie de Creutzfeld-Jacob chez l homme. La conformation repliée est présente dans un cerveau sain; la conformation allongée est présente dans le cerveau malade. L asparagine est une molécule trouvée sous forme d énantiomère I dans les jeunes pousses d asperges: elle est responsable de leur goût amer. L énantimoère II a, quant à lui, un goût sucré. Cette différence de goût s explique par des interactions différentes de chacun des énantiomères avec des molécules chirales: les récepteurs du goût. Sur l exemple ci-dessous, l énantiomère de droite ne peut pas interagir avec le site récepteur.