Le carbone asymétrique

Le « International Union of Pure and Applied Chemistry » (15) définit le carbone asymétrique comme étant un carbone tétraédrique qui se lie à quatre substituants différents (Cabcd). Le carbone asymétrique est repéré par une étoile C*, et l’arrangement spatial de ses substituants est représenté par des tirets et des coins, cette représentation tridimensionnelle a été proposée par CRAM et HAMMOND en 1956 (16) (fig 1).

Figure 1: Le carbone asymétrique selon la convention de CRAM et HAMMOND

Le carbone asymétrique est appelé également centre stéréogène ou centre chiral ; ses quatre liaisons ont subi une libre rotation qui permet de donner deux stéréoisomères non superposables, de ce fait la molécule est chirale. Le nombre de stéréoisomères augmente de façon exponentielle avec le nombre de C*. Pour n carbones une molécule donnera 2ⁿ stéréoisomères.

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Figure 2: Exemple de molécule chirale

Le carbone asymétrique n’est pas toujours le centre chiral. En effet, La chiralité peut être dûe d’une part aux autres atomes tels que le silinium, le plomb, le phosphore, l’azote…etc, et d’autre part à la présence d’un axe ou plan stéréogène, on parle de chiralité axiale ou planaire. (Fig 3)

Figure 3: Exemple des molécules avec différents centres d’asymétrie

Dans la figure ci-dessus, le méthaqualone qui appartient à la famille des psycholeptiques (hypnotique et sédatif), possède dans sa structure un axe chiral entre l’azote N₁ et le carbone C₁. La chiralité de méthaqualone revient à l’encombrement stérique des atomes ce qui bloque la rotation autour de la simple liaison (18).

Un autre exemple, c’était celui de la base de Tröger dont le centre chiral est l’azote. Généralement, L’azote tertiaire est très facilement inversé à température ambiante, cela est dû à l’existence du doublet libre non liée, rendant les énantiomères indétectables et inséparables. Or, la base de Tröger possède une structure très rigide, dont l’azote est engagé dans un cycle. Cette structure rend l’inversion impossible, la molécule est donc chirale (4).

2.3 Stéréoisomère

On dit que les molécules sont stéréoisomères lorsqu’ayant la même formule brute, la même formule développée plane, tandis qu’elles différent par la disposition spatiale de leurs atomes. On distingue deux types d’isomères : énantiomère et diastéreoisomère.

2.3.1 Enantiomère

L’énantiomère est la forme chirale la plus répandue, il est l’ image l’un à l’autre dans un miroir et non superposables. Le terme énantiomère vient du mot grec enantiomorph qui signifie forme opposite (enantio = opposite, morph= forme) (19). D’ailleurs, ils sont identiques par leurs propriétés chimiques et propriétés physiques, hormis leurs rotations optiques qui sont différentes. L’énantiomère qui dévie le plan de polarisation de la lumière polarisée vers la gauche d’un observateur est appelé lévogyre (du latin laevus= gauche,

gyrar= tourne) et est indiqué par (-), alors que celui qui la tourne vers la droite est dénommé

dextrogyre (dexter= droit), et il est noté (+) (20,21). Si on prend en compte la disposition géométrique de la molécule, les énantiomères sont dénommés R et S, qui signifie respectivement droit (restus en latin), et gauche (sinister en latin) (22).

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(R,R) provoque une névrite optique. De même, la lévodopa est un isomère lévogyre du dopa, elle est prévue pour traiter la maladie de Parkinson. La forme dextrogyre de dopa provoque des effets indésirables graves tel que la granulocytopénie (23).

2.3.2 Diastéreoisomère

Les diastéréoisomères sont deux molécules stéréogènes, qui ne sont pas image l’un de l’autre et non superposable. A l’opposé des énantiomères, les diastéréoisomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes.

Lorsqu’une molécule possède deux carbones asymétriques génère quatre stéréoisomères : (R, R), (S, R), (R, S), et (S, S). Le couple (R, R) ; (S, S) et le couple (R, S) ; (S, R) sont des énantiomères, tandis que (R, R) et (R, S) ainsi que (S, S) et (S, R) constituent des diastéréoisomères. C’est le cas de l’éphédrine et pseudoéphédrine (24).

Figure 4: Diastéréoisomère et énantiomères de l’éphédrine.

Une molécule à deux carbones asymétriques, qui portent chaqu’un d’eux les mêmes substituants, et qui forment un plan de symétrie, est dénommée méso diastéréoisomères, c’est le cas de l’acides tartrique. Les deux carbones asymétriques de l’acide tartriques sont liés aux mêmes groupes : H, OH, et COOH, donnant deux énantiomères (R, R et S, S), mais le troisième isomère est achiral en raison qu’il possède un plan de symétrie interne et que R est l’image de S.

Figure 5: Exemple de l’acide méso-tartrique

Les diastéréoisomères peuvent se présenter également sous forme d’isomère cis-trans quand la molécule porte une double liaison. Ce type d’isomère est dépourvu d’activité optique, donc il n’est pas chiral, comme le cas de l’acide butènedioïque.

Figure 6: Exemple de l’isomère cis-trans (24).

2.3.3 Mélange racémique

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Le mélange racémique peut être sous forme gazeuse, liquide ou solide, et ces énantiomères sont arrangés soit en ordre soit en désordre (26). A l’état solide ou cristallin, le mélange racémique existe sous quatre formes, à savoir : composé racémique (ou véritable racémique), conglomérat, domaine énantiopur et/ou solution solide (ou pseudoracémique) (27) (Fig 7). Chaque cristal du véritable racémique contient les mêmes quantités en énantiomères lévogyres et dextrogyres liés entre eux avec forte affinité en formant un arrangement régulier. Comme le véritable racémique, le conglomérat est un mélange équimolaire des deux énantiomères opposés, mais qui s’organisent de telle façon à avoir un seul énantiomère pour chaque cristal (R) ou(S).Cet arrangement moléculaire facilite la séparation physique du mélange racémique (résolution chiral). Le domaine énantiopur est caractérisé par un cristal divisé en zones, chaque zone renferme un énantiomère unique dont l’affinité entre eux est très importante (R¨¨R) ou (S¨¨S). Si l’auto-résolution de cette forme est effectuée, un conglomérat se forme. Le pseudoracémique est constitué des deux énantiomères R et S formant un arrangement aléatoire au sein d’un cristal. Les énergies d’attractions entre les énantiomères identiques (R¨¨R, ou S¨¨S) du pseudoracémique, sont les mêmes que celle des énantiomères opposés (R¨¨S) ce qui rend la discrimination énantiomérique difficile. Les véritables racémiques sont les plus stables parmi les formes cristallines du mélange racémique. Statiquement 90% à 95% des mélanges racémiques sont sous forme de véritable racémique, 5% à 10% sont des conglomérats, tandis que moins de 1% existe en tant que pseudoracémiques (28).

Figure 7: Représentation schématique des différentes formes cristallines d’un mélange racémique contenant un nombre égal d’énantiomères opposés : A=R, et A*=S.

3. La nomenclature

Nous avons vu que les molécules possédant un centre stéréogène produisant deux énantiomères dont l’activité optique est opposées en direction. Avant, la dénomination des énantiomères était basée sur le signe de leurs activités optiques. Ceci néanmoins ne décrits pas l’arrangement spatiale des atomes autour du centre stéréogène, c'est-à-dire la configuration absolue. Plusieurs stéréodescripteurs sont utilisés actuellement selon le type du centre chiral. La projection Fischer (D/L) et Cahn-Ingold-Prelog (R/S) sont attribués au carbone asymétrique. Les isomères cis-trans (E/Z) sont utilisés pour les molécules pourvues d’une double liaison. Alors que la chiralité axiale et planaire dont le centre chiral est un axe ou un plan d’asymétrie respectivement sont décrites par le descripteur M/P.