Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration

Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration I. Chiralité et énantiomérie 1. Chiralité 2. Énantiomérie 3. Atome de carbone asymétrique II. Descripteurs stéréochimiques 1. Descripteurs de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S et règle CIP 2. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang 3. Cas de liaisons multiples 4. Cas particuliers des acides -aminés et des sucres : descripteurs D et L III. Diastéréoisomérie 1. Définition 2. Molécules possédant deux carbones asymétriques 3. Cas particulier : composé méso 4. Cas de atomes de carbones asymétriques 5. Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques 6. Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C Stéréodescripteurs et IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 1. Analyse documentaire 2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères 3. Activité optique des molécules chirales V. Rôle de la diastéréoisomérie lors de synthèses énantiosélectives et de séparations d énantiomères Extrait du programme TS Notions Chiralité : définition, approche historique. Carbone asymétrique. Chiralité des acides -aminés. Énantiomérie, mélange racémique, diastéréoisomérie (, deux atomes de carbone asymétriques). Capacités exigibles Reconnaître des espèces chirales à partir de leur représentation. Identifier les atomes de carbone asymétrique d une molécule donnée. A partir d un modèle moléculaire ou d une représentation reconnaître si des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères. Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence des propriétés différentes de diastéréoisomères. Extrait du programme de BCPST 1 Notions Carbone asymétrique, chiralité, énantiomérie, diastéréoisomérie. Descripteurs stéréochimiques Z/E, R/S, D/L. Activité optique, pouvoir rotatoire, loi de Biot. Mélange racémique. Glucopyranoses, anomérie, existence de la mutarotation du glucose. Déterminer si une molécule est chirale. Capacités exigibles Identifier les relations de stéréoisomérie entre deux composés. Comparer les propriétés de deux stéréoisomères de configuration, en milieu chiral et non chiral. Déterminer les descripteurs stéréochimiques dans les cas simples. Utiliser la loi de Biot pour discuter de la pureté énantiomérique d un mélange. Illustrer l importance de la structure spatiale par des exemples tirés du monde du vivant. Approche documentaire : illustrer et analyser le rôle de la diastéréoisomérie lors de synthèses énantiosélectives, de séparations d énantiomères et dans le monde du vivant. Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 1

Savoirs Définitions : configuration, chiralité, énantiomérie, énantiomère, carbone asymétrique, diastéréoisomérie, diastéréoisomère. Descripteurs stéréochimiques et, règles de CIP, descripteurs D et L. Diastéréoisomérie cis-trans : stéréodescripteurs et et dans le cas des molécules cycliques. Différences de propriétés physicochimiques des énantiomères et des diastéréoisomères. Activité optique, loi de Biot, pouvoir rotatoire spécifique, mélange racémique. Glucopyranoses, anomérie, mutarotation du glucose. Ce qu il faut retenir de ce chapitre Savoir-faire Repérer les atomes de carbone asymétriques. Reconnaître une molécule chirale avec ou sans carbone asymétrique et dessiner son énantiomère. Savoir repérer les molécules achirales à l aide d un plan de symétrie ou d un centre de symétrie. Savoir combien de stéréoisomères possède une molécule. Déterminer le stéréodescripteur d un carbone asymétrique (, D/L). Savoir dessiner la projection de Cram d une molécule connaissant ses stéréodescripteurs. Identifier les relations de stéréoisomérie. Représenter tous les stéréoisomères d une molécule. Reconnaître un composé méso. Nommer les diastéréoisomères cis-trans,. Utiliser la loi de Biot pour retrouver des concentrations d espèces connaissant le pouvoir rotatoire d une solution. Ordres de grandeur Ordre de grandeur des barrières de rotation autour des liaisons simple des molécules usuelles :. Ordre de grandeur des barrières de rotation autour des liaisons double des molécules usuelles :. Extraits de rapports de jury du concours AGRO-VETO - Tous les candidats n ont pas la même faculté à appréhender les structures spatiales et tous ne choisissent pas non plus la meilleure façon de représenter une molécule pour déterminer ou illustrer sa stéréochimie. Ce choix peut s avérer déterminant et mérite qu on y consacre un instant avant de se lancer, bille en tête, dans l application des règles de Robert CAHN, Christopher INGOLD et Vladimir PRELOG. Bien souvent, il s agit d utiliser la représentation de Donald CRAM en formule topologique, en plaçant la plus longue chaîne contenant les stéréocentres dans le plan du tableau. - La plupart des candidats connaissent les règles de détermination de la configuration des stéréocentres. En revanche, les représentations des molécules dans l espace laissent encore à désirer. - Notons que les sujets, de plus en plus fréquemment inspirés par des synthèses publiées au XXIème siècle, font souvent état de la configuration des réactifs et des produits, quand bien même elle n est pas impliquée ni touchée par les réactions envisagées. Il faut donc s entraîner à écrire les molécules en écriture topologique avec représentation de Donald CRAM. - Les ordres de priorité CIP son exigés pour justifier la configuration absolue de chaque carbone asymétrique. - La quasi-totalité des candidats oublie de vérifier que les molécules proposées ne possèdent aucun élément de symétrie et affirme à tort qu une molécule qui comporte deux carbones asymétriques possède forcément 4 stéréoisomères de configuration. - De nombreux candidats ont fait preuve de beaucoup d imagination et ont souvent utilisé un vocabulaire complètement hors-sujet dans leur tentative d expliquer le signe du pouvoir rotatoire de la molécule, ce qui montre que cette notion est manifestement mal comprise par une majorité de candidats. Le jury rappelle en particulier que ni la lumière, ni la molécule, ni même le polarimètre ne tournent : c est le plan de polarisation d une lumière polarisée rectilignement qui tourne. Nota bene : stéréocentre = atome de carbone asymétrique ou double liaison, configuration absolue = stéréodescripteur QCM de vérification des connaissances : Première partie du cours (vidéo) : Deuxième partie du cours : Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 2

Introduction Document de cours Lycée Hoche BCSPT1A A. Guillerand 2017-2018 Les origines de la stéréochimie de configuration remontent à la découverte par le physicien français Malus de la lumière polarisée plane en 1809. Biot en 1812, suivant une observation antérieure d'arago en 1811, découvre qu une lame de quartz, taillée perpendiculairement à l axe de son cristal, fait tourner le plan de la lumière polarisée, mettant pour la première fois en évidence la notion de pouvoir rotatoire. C est toutefois au génie de Pasteur que l on doit l extension de cette découverte des cristaux aux molécules elles-mêmes, par l analyse en 1848 des solutions du tartrate double de sodium et d ammonium (figure 1) issus de tonneaux de vins. En 1860, réalisant l analogie entre cristaux et molécules, Pasteur associe la propriété physique de faire tourner le plan de polarisation de la lumière à la structure moléculaire : la possibilité de faire tourner le plan de polarisation de la lumière est associée à une dissymétrie, c est-à-dire à une non identité du cristal ou d une molécule avec son image dans un miroir. Nous abordons dans ce chapitre la notion de molécule non superposable à son image dans un miroir, et développons les conséquences physiques et chimiques. Animation internet : http://www.nathan.fr/upload/doccpg/172376_c14_anim_pasteur.swf Définition : Figure 1 : Une des configurations du tartrate double de sodium et d ammonium Deux stéréoisomères de configuration diffèrent par la disposition de leurs atomes dans l espace sans tenir compte des possibilités de rotation autour des liaisons simples : pour changer de configuration, il faut casser des liaisons. La disposition spatiale des atomes d un de ces stéréoisomères est appelées configuration. Figure 2 : Différents stéréoisomères ayant la même formule plane Connaître la configuration d une molécule est capital pour comprendre ses propriétés physiques, chimiques et biologiques. Voici quelques exemples de relation entre l activité biologique de molécule et leur configuration. Figure 3 : exemples de différences de propriétés biologiques liés à la différence de configuration Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 3

I. Chiralité et énantiomérie 1. Chiralité Définition : Un objet non superposable à son image dans un miroir plan (appelée aussi image spéculaire) est dit chiral. 2. Énantiomérie Un objet et son image dans un miroir forment un couple, pour des molécules on parle d énantiomères. Définitions : On appelle énantiomère une des espèces moléculaire d une paire qui sont images l une de l autre dans un miroir et qui ne sont pas superposables. Les deux espèces énantiomères d un couple sont liées par une relation d isomérie appelée énantiomérie. 3. Atome de carbone asymétrique Théorème très important : En 1874, Van t Hoff identifie qu un atome de carbone dont la géométrie s inscrit dans un tétraèdre, liés à quatre atomes ou groupes différents d atomes n est pas superposable à son image dans un miroir. Chiral vient du grec «cheir» la main.la propriété d un objet de ne pas être superposable à son image spéculaire existe à l échelle macroscopique (une main droite, une chaussure gauche, etc. sont des objets chiraux), mais aussi à l échelle moléculaire. Des stéréoisomères de configuration non image l un de l autre dans un miroir plan sont des diastéréoisomères. Exercice d application 1 Ce théorème n est pas valable pour les axes de symétrie. Une molécule peut posséder un axe de symétrie et être chirale. Définition : On appelle atome de carbone asymétrique un atome de carbone tétraédrique lié à 4 atomes ou groupes différents d atomes. Il est noté. Théorème : Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique est chirale. Elle est un des deux énantiomères d un couple. Exercice d application 2, 3 Pour ceux qui auraient besoin de plus de rappels concernant la chiralité et les atomes de carbone asymétrique, voici une vidéo d un enseignant de TS : Figure 4 : Représentation de Cram d un bromochlorofluorométhane et d un butan-2-ol ainsi que leur image dans un miroir - Une molécule possédant plusieurs atomes de carbone asymétrique peut être achirale (si elle présente un plan ou un centre de symétrie), cf.iii.3. - Des molécules ne possédant pas d atomes asymétriques sont chirales, cf. ex. ci-après. Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 4

Le biphényle synthétisé pour la première fois en 1922 par Christie et Kenner. L origine de la chiralité est l absence de libre rotation de la liaison entre les deux cycles aromatiques en raison de l encombrement stérique des groupes substituant les cycles. L hexahélicène a été synthétisé en 1056 par Newman et Lednicer. Ici, l origine de la chiralité est le sens de rotation de la forme hélice de la molécule. En 1981, les cylclotrivératrylènes ont permis à A. Collet au collège de France de synthétiser pour la première fois les cryptophanes, molécules cages. Une représentation dans l espace d un cylclotrivératrylène, le cyclotriguaiacylène A est proposé figure suivante. En raison de sa rigidité relative, le «chapeau» que constitue la molécule ne peut pas s inverser et par conséquent, l image dans le miroir de est non superposable. Figure 5 : Les deux énantiomères du biphényle et de l hexahélicène Figure 6 : Structure du cyclotriguaiacylène Figure 7 : Les deux énantiomères du cyclotriguaiacylène Cette molécule est donc chirale bien qu elle possède un axe de symétrie de rotation d ordre 3 : cela signifie que la molécule est invariante par une rotation de autour de cet axe. Attention la non chiralité est imposée lors de la présence d un plan ou d un centre de symétrie, un axe de symétrie n impose pas de non chiralité. Lors d un léger chauffage, l inversion du «chapeau» devient possible (on fournit suffisamment d énergie pour franchir la barrière de rotation). Le composé obtenu est alors superposable à l énantiomère de. Par conséquent, en attendant suffisamment longtemps, on observe une racémisation du milieu, jusqu à disparition totale de l activité optique de la solution. Figure 8 : Inversion conformationnelle du cyclotriguaiacylène Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 5

II. Descripteurs stéréochimiques Document de cours Lycée Hoche BCSPT1A A. Guillerand 2017-2018 1. Descripteurs de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S et règle CIP Voici la méthode pour différencier les deux configurations possibles d un atome de carbone asymétrique. 1 : les 4 substituants du carbone asymétrique sont classés par ordre décroissant de priorité selon les règles CIP Règle CIP 1: La priorité d un atome augmente avec la valeur de son numéro atomique. 2 : on observe la molécule selon l axe : substituant le moins prioritaire 3 : - Si le sens de rotation 1-2-3 est celui des aiguilles d une montre : stéréodescripteur (rectus) - Si le sens de rotation 1-2-3 est inverse de celui des aiguilles d une montre : stéréodescripteur (sinister) 4 : on place devant le nom de la molécule ( ) ou ( ) avec le numéro du carbone asymétrique si nécessaire 2. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang On appelle rang (ou ordre) d un atome par rapport à un centre asymétrique le nombre de liaisons (simples ou multiples) qui les sépare. Règle CIP 2 : Lorsque deux atomes directement liés au carbone asymétrique ont même priorité, on classe, selon la règle précédente, les atomes qui leur sont liés (atomes dits de second rang), on les compare deux à deux et ainsi de suite jusqu à ce qu on atteigne une différence. Sur l exemple ci-contre, deux atomes attachés directement au carbone asymétrique sont identiques, pourtant le carbone est bien asymétrique. Il faut donc classer les atomes du rang supérieur et comparer deux à deux les substituants. Figure 9 : Un stéréoisomère du butanol Exercices d application 4, 5 Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 6

3. Cas de liaisons multiples Les règles de Cahn, Ingold et Prelog ne s adressent qu à des atomes liés à quatre autres atomes (comparaison de triplet d atomes). Afin de toujours pouvoir comparer des triplets d atomes, il est nécessaire d utiliser d autres conventions. Règle CIP 3 : Les liaisons multiples sont comptées comme autant de liaisons simples, et chaque atome engagé dans une liaison multiple est répété en tant qu atome «fictif», entre parenthèses. Nommer la molécule suivante en tenant compte de sa stéréochimie : Exercice d application 6 4. Cas particuliers des acides -aminés et des sucres : descripteurs D et L a. Cas des acides -aminés Cette nomenclature se base sur la projection de Fischer des acides -aminés. Conventions : Par convention, dans la représentation de Fischer, le carbone asymétrique est dit de configuration L (du latin laevus) si le groupe est à gauche. Sinon il est de configuration D (du latin dexter). A retenir : Retenez bien qu il n y a aucune relation entre la nomenclature L/D et S/R, tout dépend de la chaîne latérale. Tous les acides -aminés naturels sont L. Exercice d application 7 b. Cas des oses Il faut partir de la représentation de Fischer de l ose, en plaçant la chaîne carbonée verticale, et la fonction aldéhyde ou cétone en haut. Il faut alors analyser la configuration de l atome de carbone asymétrique le plus bas de la chaîne carbonée. Si le groupe hydroxyle de cet atome de carbone est à gauche, l ose est dit L, s il est à droite, il est dit D. Figure 10 : Les deux configurations du glucose Exercice d application 8 Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 7

III. Diastéréoisomérie 1. Définition Document de cours Lycée Hoche BCSPT1A A. Guillerand 2017-2018 Définitions : diastéréoisomères et diastéréoisomérie On appelle diastéréoisomères deux stéréoisomères de configuration qui ne sont pas image l un de l autre dans un miroir. Ils sont liés par une relation de diastéréoisomérie. 2. Molécules possédant deux carbones asymétriques Les molécules possédant deux atomes de carbone asymétriques constituent une première grande classe de composés pour lesquels il existe des couples de diastéréoisomères. Dans le cas général, chaque atome de carbone asymétrique peut présenter deux configurations, donc il existe au maximum stéréoisomères de configuration. Deux stéréoisomères de configuration sont soit des énantiomères soit des diastéréoisomères. Exemple d application : 2-bromo-3-chlorobutane 3. Cas particulier : composé méso Exemple d application : acide 2,3-dihydroxybutanedioïque. Définition : composé méso Propriété : Dans, le composé méso est le composé de stéréodescripteurs ( ) et les composés de descripteurs ( ) et ( ) sont énantiomères l un de l autre. Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 8

4. Cas de atomes de carbones asymétriques Règle : Pour une formule développée donnée avec atomes de carbone asymétriques, il y a au plus : Propriétés : À titre indicatif une molécule telle que l hémoglobine contient atomes de carbone asymétriques. Elle possède donc stéréoisomères de configuration. Ce nombre peut être comparé par exemple au nombre d atomes de la Voie Lactée, qui est d environ... 5. Diastéréoisomérie cis-trans des molécules cycliques Cette notion a déjà été vue dans le chapitre concernant la stéréochimie de conformation, lors de l analyse des cyclohexanes disubstitués. Elle peut se généraliser aux composés cycliques. Le concept de position cis ou trans de deux substituants désigne la position relative des substituants par rapport au plan moyen du cycle. Une représentation possible consiste alors à représenter le cycle dans le plan de la feuille (c est-à-dire d en faire la projection sur le plan moyen du cycle), puis de représenter par les symboles usuels de Cram la position des substituants du cycle. L exemple du 2- méthylcyclohexanol illustre que la présence de deux atomes de carbone asymétriques et l absence d un autre élément de symétrie permet d obtenir deux couples d énantiomères. Exemple d application : 2-méthylcyclohexanol Exercice d application 9 Mais attention, deux atomes de carbone asymétrique n entraîne pas toujours la présence d énantiomères. Un élément de symétrie particulier peut rendre la molécule achirale (cf. feuille d exercice d entrainement). Propriété : Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 9

6. Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C Stéréodescripteurs et La barrière de rotation autour de la liaison de la molécule de but-2-ène vaut, ceci est bien supérieur aux quelques kilojoules par mole nécessaires à la rotation autour d une liaison simple. Figure 11 : Les deux diastéréoisomères du but-2-ène Propriété : Il n existe pas de libre rotation autour d une liaison double. La rotation autour d une liaison double entraine sa rupture. Pour une molécule de type pour laquelle et, inverser la position des substituants d un carbone de la double liaison revient à représenter un stéréoisomère de la molécule, plus particulièrement un diastéréoisomère (puisque les deux stéréoisomères ne sont pas image d un de l autre dans un miroir). Ces molécules existant sous deux formes, il faut pouvoir les nommer différemment, ce qui nécessite à nouveau de donner un descripteur stéréochimique à l élément stéréogénique, ici la double liaison. Il faut d abord classer les groupes portés par chaque atome de carbone de la double liaison à l aide de la règle CIP. - si les groupes prioritaires sont du même côté de la double liaison (position cis), la double liaison est de descripteur stéréochimique ( ). - si les groupes prioritaires sont de part et d autre de la double liaison (position trans), la double liaison est de descripteur stéréochimique ( ). Exercice d application 10 Rôle de la diastéréoisomérie dans le mécanisme de la vision : Le passage d un diastéréoisomère à l autre ne peut se faire que par rupture de la double liaison et passage par simple liaison autour de laquelle la rotation est possible. Un apport d énergie est nécessaire. En particulier cet apport peut être fournit par la lumière : on parle d isomérisation photochimique. C est l isomérisation du rétinal qui est à l origine du mécanisme de la vision : Figure 12 : isomérisation du rétinal Le rétinal qui possède une stéréochimie E, peut être isomérisé en néorétinal de stéréochimie Z, sous l'action d'une enzyme de la famille des isomérases. Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 10

IV. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères 1. Analyse documentaire Document 1 : Quelques propriétés des stéréoisomères de l acide aspartique Document 2 : Quelques propriétés de l acide fumarique et de l acide maléïque Nom Acide (L)-(+)- aspartique Acide (D)-( )- aspartique Nom Acide ( )-but-2- ène-1,4-dioïque Acide (Z)-but-2- ène-1,4-dioïque Structure Structure Température de fusion ( C) Pouvoir rotatoire Nom courant Solubilité dans l eau à ) Acide fumarique Acide maléique Pouvoir rotatoire Document 3 : Différence de réactivité des deux diastéréoisomères acide maléique et acide fumarique Document 4 : Quelques propriétés des stéréoisomères de l éphédrine Nom (1S,2R)-éphédrine (1R,2S)-éphédrine Structure Température de fusion ( C) Pouvoir rotatoire Nom (1R,2R)-pseudoéphédrine (1S,2S)-pseudoéphédrine Structure Température de fusion ( C) Pouvoir rotatoire Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 11

Deux diastéréoisomères ont des propriétés physiques Deux diastéréoisomères ont des propriétés chimiques Deux énantiomères ont des propriétés physiques usuelles Propriétés : En l absence de tout autre composé chiral dans le milieu, deux énantiomères ont des propriétés chimiques Les pouvoirs rotatoires des molécules achirales sont Les pouvoirs rotatoires de deux énantiomères sont 2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères L analyse des réactions chimiques de deux molécules énantiomères dépend de la nature du réactif qui interagit avec elles. Pour illustrer ce propos, considérons un couple d énantiomères M et M*, de formule plane Cabde, réagissant avec une molécule P achirale, de type CBDDE. Imaginons que la réaction ne peut avoir lieu que si on place en vis-à-vis des groupes analogues (ici b avec B, d avec D et e avec E). On constate que la molécule P peut prendre deux positions possibles respectant l interaction favorable (figure 13). Par conséquent, les molécules M et M* réagissent en tout point de manière identique avec P. Le raisonnement fait à l échelle des molécules est le même à l échelle macroscopique : un pied gauche (chiral) entre dans n importe quelle chaussette (achirale) d une paire. Figure 13 : Interactions identiques des deux énantiomères M et M* chiraux avec une molécule P achirale Par contre, les interactions des deux énantiomères M et M* avec une molécule chirale N de type CABDE sont différentes : si la molécule N interagit avec M (les groupes étant en vis-à-vis) cette situation n est pas possible pour M* (figure 14). Le raisonnement fait à l échelle des molécules est le même à l échelle macroscopique : un pied gauche (chiral) entre dans une chaussure gauche (chirale), mais pas dans une chaussure droite. En revanche un pied gauche comme un pied droit entre dans n importe quelle chaussette (achirale) d une paire. Figure 14 : Interactions différentes des deux énantiomères M et M* chiraux avec une molécule N chirale Conclusion : En l absence de tout autre composé chiral dans le milieu, les deux énantiomères d une molécule chirale réagissent identiquement avec une molécule achirale. Par contre, si l on introduit une autre source de chiralité les deux énantiomères d une molécule chirale peuvent (ce n est pas une obligation) réagir différemment. Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 12

En biochimie, de nombreuses transformations (intervenant dans la perception des odeurs, l action thérapeutique d un principe actif d un médicament, etc.) font intervenir la fixation d un substrat sur un site actif spécifique d une protéine. Les sites actifs spécifiques ont une structure tridimensionnelle bien définie, car ils sont formés par l enchainement d acides aminés naturels, chiraux pour la plupart. L étude de l interaction substrat/site actif permet de comprendre pourquoi deux stéréoisomères n ont pas la même activité biologique. Les énantiomères d une molécule réagissent de Figure 15 : Analogie clef-serrure : un seul des façon différente dans un environnement biologique dont la structure deux énantiomères est reconnu par le site actif est définie et induisent des réponses biologiques différentes. Ceci d une protéine permet d expliquer les exemples de la figure 3 introduits au début de ce chapitre. 3. Activité optique des molécules chirales a. Pouvoir rotatoire expérimental Comme cela a été présenté au début de ce chapitre, Biot découvre en 1812 que des échantillons de matière pouvaient dévier le plan de polarisation d une lumière polarisée rectilignement. Ces échantillons sont qualifiés d optiquement actifs. Une lumière polarisée rectilignement est telle que son vecteur champ électrique est de la forme : et sont des constantes, est la direction de propagation de la lumière, et le plan est le plan de polarisation de la lumière. Lorsque cette onde lumineuse traverse un échantillon optiquement actif, le plan de polarisation subit une rotation d un angle autour du vecteur, appelé angle de déviation ou pouvoir rotatoire expérimental (figure 16). Figure 16 : Schéma de principe de la mesure du pouvoir rotatoire d un échantillon Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 13

b. Pouvoir rotatoire spécifique et loi de Biot Biot a découvert que pour une solution contenant une seule espèce optiquement active (une seule espèce chirale), le pouvoir rotatoire expérimental vérifie la loi suivante, appelée loi de Biot : Solution contenant un seul composé chiral : En l absence d interactions entre molécules, les pouvoirs rotatoires sont additifs : si la solution contient ayant une activité optique, alors : composés Solution contenant composés chiraux : c. Propriétés du pouvoir rotatoire spécifique Propriétés : - Les pouvoirs rotatoires expérimental et spécifique sont des grandeurs algébriques : - il n y a aucun lien entre le signe de et les stéréodescripteurs R, S, D et L - pour une molécule achirale : les pouvoirs rotatoires spécifiques de deux énantiomères d un couple sont opposés Définition : mélange racémique Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 14

Structure Nom (R)-( )-carvone (S)-(+)-carvone (.ml.g -1.dm -1 ) 61 + 61 Structure Nom (R)-( )-épiphédrine (adrénaline) (S)-(+)-alanine (.ml.g -1.dm -1 ) = 51 + 14,5 Structure Nom (R)-(+)-limonène (S)-( )-limonène (.ml.g -1.dm -1 ) Figure 17 : Exemples de valeurs de pouvoirs rotatoires spécifiques Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 15

d. Application à la mutarotation du glucose Le glucose est un sucre possédant une fonction aldéhyde, c est un aldose. Il existe sous forme linéaire, que l on peut représenter à l aide de la projection de Fischer. Mais en solution la forme majoritaire n est pas la forme linéaire : il se produit une cyclisation grâce à la formation d une fonction hémiacétal, permettant d obtenir un forme appelé pyranose. Cette cyclisation s effectue par la réaction entre le groupement carbonyle et le groupement hydroxyle en position 5. Ce qui permet de créer un cycle à 6 atomes, qui adoptera donc une conformation chaise. Sur la figure 19 vous pouvez voir un schéma résumant la transformation de l ose linéaire en pyranose. Les projections particulières du cycle à 6 que vous pouvez voir sont appelées projection de Haworth et sont souvent utilisées par les biologistes. Figure 18 : Projection de Fischer du D-glucose * * Figure 19 : Formation des deux D-glucopyranoses Analyse stéréochimique de la réaction : Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 16

Si on dissout une masse de cristaux d -D-glucopyrannose dans un litre d eau et qu on mesure immédiatement le pouvoir rotatoire de la solution, on relève un angle de rotation de. Cependant, cette valeur évolue dans le temps et d autant plus vite que la solution est additionnée d un acide ou d une base. Elle tend vers la valeur de. Une analyse plus approfondie permet d interpréter ce résultat : en solution, il y a épimérisation de l -D-glucopyranose en -D-glucopyranose (figure 20). Figure 20 : Équilibre de mutarotation Le phénomène s appelle mutarotation. On relève dans les tables de données les pouvoirs rotatoires spécifiques : - pour l -D-glucopyranose : - pour le -D-glucopyranose : Expliquer l évolution du pouvoir rotatoire expérimental et déduire de la valeur finale à l équilibre les proportions de stéréoisomères et. V. Rôle de la diastéréoisomérie lors de synthèses énantiosélectives et de séparations d énantiomères cf. analyse de documents ultérieure. Chimie organique Chapitre 3 : Stéréochimie de configuration Page 17