Forums de Reggae Tabs

Stéréodescripteurs
Règles séquentielles de R. S. Cahn, C. Ingold, V. Prelog


Définitions


La constitution d'une entité moléculaire précise la nature et les modes d'union des atomes formant cette entité, en incluant la multiplicité des liaisons sans tenir compte de leur disposition dans l'espace.


La configuration d'une entité moléculaire est la disposition spatiale des atomes ou des groupes d'atomes de cette entité. Ce terme est propre aux stéréo-isomères dont l'isomérie n'est pas due à des différences de conformations.
Les stéréo-isomères de configuration peuvent être classés en fonction de critères de symétrie. On distingue alors :

les énantiomères ;
les diastéréo-isomères.

Un atome ou un groupe d'atomes qui, dans une entité moléculaire, peut être considéré comme à l'origine d'une stéréo-isomérie est appelé groupe stéréogène. Deux exemples de groupes stéréogènes sont particulièrement importants :
un atome asymétrique, centre chiral, avec les groupes qui lui sont liés ;
un groupe d'atomes constitué d'une double liaison avec ses substituants qui peut donner naissance à une isomérie cis-trans.
Modes de représentation des molécules

Représentation en perspective & représentation de Cram
La représentation de Cram (1953) utilise les conventions résumées ci-dessous pour le dessin des liaisons.


dans le plan
en avant du plan
en arrière du plan
stéréochimie non définie

trait simple
trait gras
trait pointillé.
trait ondulé



Le dessin suivant représente l'un des stéréoisomères du 2, 3-diméthylbutane en utilisant la représentation perspective (A) et la représentation de Cram (B).



Exemple : une molécule de 5-méthyl-2-isopropylcyclohexanol est représentée sur le dessin (I) sans référence à la stéréochimie des groupes liés au cycle cyclohexanique. Le menthol est l'un des huit stéréoisomères possibles correspondant à cette formule. Ce composé est représenté en utilisant les conventions de Cram (II) et en perspective (III).


Représentation de Haworth
Ce mode de représentation, introduit par le chimiste britannique Sir N. Haworth, est fréquemment utilisé dans la chimie des sucres et de leurs dérivés. Il est beaucoup plus commode que la représentation de Fischer dans le cas des structures cycliques. Les exemples ci-dessous, qui concernent les hémiacétals cycliques du glucose, montrent la filiation entre cette représentation et celle utilsant un cycle cyclohexanique en perspective qu'on utilise de plus en plus fréquemment à l'heure actuelle. On a représenté successivement :

le a-glucopyranose (A) et (A') ;
le b-glucopyranose (B) et (B').



La structure de l'ATP offre un exemple d'utilisation de ce mode de représentation. Le cycle central est celui d'un ribofurannose.


Projection de Newman
La molécule est dessinée en projection selon une liaison C-C perpendiculaire au plan du papier. L'exemple suivant est celui de la molécule de butane en projection selon C2-C3.



La molécule d'éthanal est représentée selon la même méthode.

La projection de Newman est intéressante dans le cas de molécules cycliques comme le cyclohexane car elle permet de mettre clairement en évidence les différents angles dièdres.

Un exemple un peu plus compliqué est celui des décalines. La projection de Newman peut également être mise à profit dans le cas de structures plus complexes comme les allènes, ou les spirannes.


Projection de Fischer
Le chimiste allemand E. Fischer (prix Nobel 1902) à qui l'on doit notamment la détermination de la stéréochimie complète du glucose, est le créateur d'un mode de représentation très utilisé dans la chimie des sucres. Les conventions sont les suivantes :

la chaîne carbonée est dessinée verticalement ;
l'atome de carbone qui porte le numéro le plus petit (porteur de la fonction aldéhyde dans le cas d'un sucre) est placé en haut ;
les groupes sur l'horizontale pointent vers l'avant de la feuille de papier.



Les oses les plus simples sont le (2R)-2-hydroxypropanal (I) et son énantiomère le (2S)-2-hydroxypropanal (II). Ils sont représentés ci-dessous en utilisant la représentation de Cram et la projection de Fischer. Ces sucres sont encore appelés glycéraldéhydes.



La nomenclature D, L de Fischer peut être reliée à ce système de projection.

Configuration absolue


Définition
On appelle configuration absolue, la disposition spatiale des atomes ou des groupes d'atomes d'une entité moléculaire chirale ou d'un groupe chiral qui distingue cette entité ou ce groupe de son image dans un miroir. La configuration absolue est décrite par des stéréodescripteurs conventionnels.

Règles de R. S. Cahn, C. Ingold, V. Prelog
La nécessité de disposer d'une nomenclature systématique des énantiomères et des diastéréo-isomères, pose le problème de la recherche de descripteurs stéréochimiques. Les règles séquentielles proposées par R. S. Cahn, C. Ingold et V. Prelog établissent un ordre conventionnel des atomes ou des groupes d'atomes, dans le but de dénommer sans ambiguïté les configurations absolues ou relatives des stéréo-isomères [15].


Règle 1 : un atome de numéro atomique plus élevé a la priorité sur un atome de numéro atomique plus faible.

Dans la molécule de bromochlorofluorométhane CHBrClF, les atomes entourant le carbone central sont classés dans l'ordre suivant : Br ) Cl ) F ) H.




Règle 2 : lorsque deux atomes, directement liés à l'atome central (atomes dits de premier rang) ont même priorité, on passe aux atomes qui leurs sont liés (atomes dits de second rang) et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne une différence.

Si l'on on veut comparer les priorités des atomes de carbone des groupes éthyle (I) et méthyle (II) :




Groupe
I
II

rang 1
(C, H, H)
(H, H, H)



Le groupe I est prioritaire sur le groupe II.

Soit à comparer les atomes de carbone du groupe 2-méthylpropyle et du groupe butyle :




Groupe
I
II

rang 1
(C, H, H)
(C, H, H)

rang 2
(C, C, H)
(C, H, H)



le groupe I est prioritaire sur le groupe II.


Règle 3 : si le long d'une chaîne on atteint un endroit ou il y a une bifurcation sans pouvoir conclure, on choisit un chemin prioritaire correspondant à l'atome prioritaire des deux séries identiques.

Si l'on veut comparer les atomes de carbone des groupes I et II :



au premier rang, on a deux séries (O, C, H) identiques et on ne peut conclure.

On compare alors les branches prioritaires correspondant à la bifurcation de l'atome d'oxygène. Le premier groupement est prioritaire sur le deuxième car l'atome de carbone l'emporte sur l'atome d'hydrogène.


Règle 4 : les liaisons multiples sont ouvertes en liaisons simples. On attache à chaque atome une réplique de l'atome qui lui est lié jusqu'à saturer sa valence.

Exemple : groupe phényle.

.

On donne ci-dessous quelques exemples classiques (les répliques sont notées entre [ ]).








Groupe
I
II
III

rang 1
C (O, O, H)
C(C, C, C)
C(N, N, N)



On aboutit à l'ordre des priorités suivant :

I ) III ) II


Règle 5 : quand deux atomes sont isotopes celui dont la masse est la plus élevée est prioritaire sur l'autre.

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 :

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 s'accompagne d'une inversion de configuration du centre chiral (inversion de Walden) mais la configuration absolue de la molécule n'est pas modifiée.




Composé
substrat
produit

Ordres de priorité
Br ) C(CO2-) ) C(CH3) ) H
C(CO2-) ) C(CCH) ) C(CH3) ) H



Molécules possèdant 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. 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.

Nomenclature de la chiralité axiale
La molécule est observée selon l'axe de chiralité. On adopte les règles suivantes :

les substituants en avant ont priorité sur ceux qui sont situés en arrière quelles que soient leurs natures respectives ;
sur un même atome de carbone, les substituants sont classés selon les règles de priorité habituelles ;
selon le sens de rotation dans lequel défilent les substituants on note aR ou aS.
Le résultat est indépendant de la façon dont est placée la molécule.





Cette nomenclature s'applique aux allènes, spirannes et atropisomères.



Configurations relatives

Définitions
On appelle configuration relative la configuration de tout groupe stéréogène par rapport à tout autre groupe stéréogène contenu dans la même entité moléculaire.
À la différence de la configuration absolue elle est inchangée par réflexion.

Configuration relative autour d'une double liaison
Les atomes de carbone et les atomes qui leurs sont liés, engagés dans une double liaison constituent des groupes stéréogènes. Considérons le plan passant par les atomes de carbone de la double liaison et perpendiculaire au plan passant par les groupes qui lui sont liés. Ces groupes sont situés au dessus et au dessous de ce plan.

les groupes portés par des atomes de carbone différents situés du même côté du plan sont en relation cis ;
les groupes portés par des atomes de carbone différents situés de part et d'autre de ce plan sont en relation trans.



Relation
cis
trans

Groupes
a et c ; b et d
b et c ; a et d



Les termes cis et trans sont relatifs et peuvent être ambigus lorsqu'on les utilise pour nommer une entité moléculaire.

Stéréodescripteurs Z et E
Les groupes portés par chaque carbone sont classés par priorité décroissante en utilisant les règles séquentielles de Cahn, Ingold et Prelog. Supposons qu'on ait :

a ) b et c ) d

Deux situations se présentent selon que les groupes prioritaires sont situés du même côté du plan passant par les atomes de carbone ou de part et d'autre de ce plan :

La première configuration est appelée Z (zusammen) la deuxième est appelée E (entgegen) ;



il existe deux stéréoisomères du but-2-ène :



le dessin suivant représente la molécule de (10E, 12Z)-hexadécadiène-1-ol.

Stéréodescripteurs érythro et thréo