Prérequis: Avant d'aborder
cette page vous devez avoir aquis les notions de
carbone chiral, de centre chiral, d'énantiomère,
de diastéréoisomère,
les règles de représentation plane des molécules
selon Cram, Newmann, Fischer, Haworth,
les règles de nomenclature de Cahn, Ingold et Prelog (R et
S) relative aux centres chiraux,
les règles de nomenclatures des diastéréoisomères,
(Like/Unlike; Thréo/Erythro, seq-Thréo/seq-Erythréo,
Z et E, cis et trans),
enfin, les éléments de symétries des molécules,
centre, axes, plans et axes impropres.
Le role du carbone en chimie organique ne doit pas faire oublier l'existence d'autre atomes qui peuvent être centre de chiralité.
Les sulfoxydes ne sont pas plans et la vitesse d'inversion est lente à la température ambiante. Si le soufre est porteur de groupements différents, la molécule est chirale. Il en est de même pour les sels de sulfonium dotés de trois ligands différents, en raison de la forme pyramidale de la molécule.
R-sulfoxyde [
]D = +92.4°
R-Sulfonium [
]D = -15.8°
Deux types sont connus celles comportant des axes de chiralité et celles comportant de plans de chiralité.
C'est le cas des allènes, des alkylidènescycloalcanes, des spiranes, des biphényles
On classe d'un coté arbitraire de l'axe a et b, 1 et 2 selon C.I.P. , puis c et d, 1' et 2'
Pour un observateur situé selon l'axe, regardant vers la molécule, les groupes proches précèdent les groupes lointains. Ce qui veut dire que 2 est prioritaire devant 1' quel que soit 1'. La formule sera dénommée aR ou M, si la séquence 1,2,1',2' se déroule selon le sens des aiguilles d'une montre et aS ou P dans le cas contraire.
On constate que:
le sens de la séquence est le même quel que soit l'extrémité de l'axe où est placé l'observateur,
c'est uniquement la séquence 2, 1' qui détermine le sens observé.
Exemple soit le biphényle de la figure précédente:
vu du coté NO2 on voit:
|
|
|
aR ou M |
Dans le cas d'une observation dans l'autre sens de l'axe on inverse à la fois les "prime" puisque l'avant est échangé avec l'arrière et deux substituants sont permutés selon la rotation choisie pour retourner la molécule. Exemple vue de la même molécule retournée selon un axe vertical. NO 2 et COOH sont derrière, tandis que H et CH3O sont devant et permutés droite gauche
Du fait de l'empêchement à la rotation dans les doubles liaisons, la géométrie de la molécule d'allène est telle que les méthylènes terminaux sont situés chacun dans 2 plans perpendiculaires.
On remarquera que si les carbones terminaux sont à l'état d'hybridation sp2 le carbone central allènique est sp.
En conséquence, un allène du type XYC = C = C XY dans lequel X et Y sont différents peut exister sous 2 formes non superposables symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan : il est donc CHIRAL et pourra donc être DÉDOUBLÉ et avoir alors un pouvoir rotatoire ; (+) allènique ou (-) allènique.
On remarquera qu'un allène du type X2C=C=CY2
possède un plan de symétrie et est donc achiral.
Les composés de type XYC=C=C=CXY sont par contre plans
et ne sont pas chiraux, ceci peut être étendu chaque fois
que le nombre de double liaisons est impaire.
Lorsqu'il n'y a pas de substituants en ortho, afin d'avoir la meilleure conjugaison électronique, (stabilité) entre les deux noyaux benzéniques, ceux-ci sont situés dans un même plan. Par contre, lorsque les groupements substituant les positions ortho sont suffisamment volumineux, il y a distorsion autour de la liaison biphénylique pour des raisons d'encombrement stérique. On s'aperçoit alors que si les substituants X et Y portés par un même noyau sont différents, on aura une molécule CHIRALE donc douée d'un pouvoir rotatoire.
Exemple :
R-(-)2,2'-diamino-6,6'-dimétylbiphényle
Exemple
composé ansa ou le cycle saturé est trop petit pour permettre la libre rotation du phényle substitué, le plan considéré est le plan du cycle benzènique.
trans-cycloalcène, si le cycle est petit, trans cyclo-octène
par exemple, la double liaison ne peut tourner autour des liaisons 
, le plan de chiralité est le plan de la double liaison.
Dénomination. On recherche hors du plan, l'atome le plus proche de celui-ci, s'il y en a plusieurs on choisit le prioritaire selon C.I.P. (atome dit "pilote"), on considère ensuite les trois atomes adjacents dans le plan, s'ils sont plusieurs on prend les prioritaires. Si la séquence , vue du pilote est selon le sens des aiguilles d'une montre le composé est dit pR, sinon pS.
Pour le cyclo-octène il y a deux atome pilotes possibles de même priorité. Le carbone suivant dans le plan est noté a, il est lié à deux H, hors du plan donc exclus et au C éthylénique qui est donc b, ce dernier est lié à H et à un autre C éthylènique prioritaire par rapport au H. C'est donc ce second carbone qui est c. Vue du pilote, la séquence a,b,c dans le plan est dans le sens des aiguilles d'une montre. La formule est donc pR.
Pour le composé ansa, il n'y a qu'un pilote déterminé par la priorité créee par la proximité du COOH dans le cycle. O est a, b est le C du phényle lié à O, c est le suivant sur le cycle. Il y en a deux, celui porteur du COOH est prioritaire.
P signifie plus. Il dénomme une structure hélicoïdale qui se déroule dans le sens des aiguilles d'une montre, quand on progresse selon l'axe de l'hélice, (en s'éloignant de l'observateur). Si le pas est à gauche l'hélice est dite M (moins).
En prenant les mêmes atomes et les mêmes priorités on retrouve pR = P, mais pour l'axe de chiralité la séquence définie dans les conventions P/M est 1,1',2,2' et non 1,2,1',2' ce qui implique que aR = M.
Hélice droite Hélice gauche Hélicènes
Certaines molécules aromatiques comportant plusieurs noyaux peuvent être optiquement actives du fait d'une structure en hélice due à des raisons stériques. On a ainsi synthétisé des HELICENES (à 7,8,9 ou plus, noyaux aromatiques ).
Le 7ème noyau recouvre le l
er et on a alors une structure en hélice
qui peut-être droite ou gauche ce qui entraîne la CHIRALITÉ.
Le spirane le plus simple est le spiro-2,2-pentane, pour lequel le carbone spiranique est sp3.
On s'aperçoit qu'il présente une certaine analogie géométrique avec l'allène et est donc susceptible lorsqu'il est substitué de présenter une isomérie optique.
Ex : Spiro-4,4-nonane dione-2, 2'.
Mais selon la place des substituants différents types de chiralités sont rencontrés.
Type axial. Chaque cycle porte deux substituants différents dont les positions se correspondent dans une rotation axiale, il n'y a pas de carbone asymétrique.
Type central chaque cycle porte un ou des substituants hors de l'axe des cycles, pas de véritable carbone asymétrique, mais en fait une hélicité.
Type autre: substituants sur l'axe sur un cycle et hors de l'axe sur l'autre: Le carbone en haut à gauche est asymétrique.
Le premier cas est traité comme un allène, ici le composé représenté est aS. On a deux énantiomères
Le second cas relève, par convention, du centre de chiralité. Le centre est le carbone de jonction. On privilégie un cycle par rapport à l'autre, n'importe lequel, et on détermine selon un séquence 1,1',2,2'. Ici le composé représenté est R. La encore on a que deux énantiomères.
Le dernier cas présente quatre stéréoisomères.
On traite le carbone centre de chiralité, en R/S et le second
en cis/trans. Ici le composé est 1S,6 trans.
Les principales méthodes sont:
C'est ainsi que PASTEUR sépara pour la première fois 2 isomères optiques dans le cas du tartrate double de sodium et d'ammonium (dl).
Na-OOC-C*H(OH)-C*H(OH)-COONH4 (dl) -› (d) + (l)
Il s'agit là d'un exemple d'un grand intérêt historique
et épistémologique, mais rarissime car seul quelques composés
cristallisent sous des formes ainsi isolables. Il faut que les cristaux
formés présentent une hémièdrie observable.
Un cristal peut être holoèdrique, à chaque face
correspont une face parallèle, ou hémièdrique, où
les faces parallèles sont absentes.
Or tous les racémiques ne donnent pas de cristaux hémièdriques
seuls quelque rares classes cristallines autorisent ce phénomène.
La taille des cristaux peut rendre inobservable l'hémièdrie.
Une circonstance particulièrement exceptionelle a rendu possible
l'observation de Pasteur. Un racémique peut cristalliser sous
trois formes:
Le conglomérat de cristaux des deux énatiomères,
chaque cristal étant composé de molécules homochirales.
Le composé racémique, solide, est formé
de cristaux dans lesquels on retrouve un nombre égal de chaque
énantiomère.
Le pseudoracémique qui est une solution solide des
deux énantiomères,dans laquelle un mélange dans le
rapport 1:1 est présent sans ordre dans la phase solide..
Il se trouve que Pasteur a travaillé au
dessous de 28°C, mais au dessus de cette température la précipitation
se fait sous forme d'un monohydrate (et non d'un tétrahydrate)
qui est un composé racémique dont les cristaux ne présentent
pas d'hémièdrie.
Néanmoins ces quelques cas de dédoublement spontanés
ont permi de rechercher des composés dérivés
formés de façon reversible qui forment des conglomérats
séparables. Cette méthode élargit notablement le
champ d'application du triage manuel. Un exemple est celui des acides
aminés, alanine, leucine et triptophane qui cristallisent
sous forme de composés racémiques, tandis que leurs sels,
les benzènes sulfonates sont des conglomérats. On arrive
même à transformer parfois un composé racémique
en conglomérat par abaissement de la température.
-méthylbenzylamine. 
-CH=CH-COO-, +NH3 -CH(CH
3)-
-méthyl benzyamine et HCl aqueux. Toute tentative d'amélioration en augmentant le temps d'attente,
augmente les masses précipitées mais diminue les enrichissement
optique. Une recristallisation à partir des cristaux ainsi formés
donne des composés quasiment pur.
Le procédé est sous contrôle cinétique
et des mesures comme l'augmentation de la vitesse d'agitation ou l'irradiation
par ultra-son donnent des résultats favorables.
Des procédés industriels utilisent cette méthode avec des cycles successifs avec des quantités de l'ordre du kilogrammes et 30 à 40 cycles
A (dl) + B (d) -› AB (dd) + AB (ld)
Les 2 sels obtenus ne sont pas énantiomères, mais diastéréoisomères. En effet l'énantiomère de AB (dd) est AB (ll). Celui de AB (ld) est AB (dl). N'étant pas énantiomères, ils ont des propriétés physiques différentes: l'un peut être plus soluble dans un solvant que l'autre par exemple et ils pourront être séparés par les méthodes d'analyse chimique ordinaire (cristallisation, chromatographie, etc.).
A partir des 2 sels AB (dd) et AB (ld) on pourra alors régénérer les 2 acides A (d) et A (l) et on aura ainsi effectué la résolution ou le dédoublement de l'acide racémique de départ.
Exemple Séparation des énantiomères du 2-Phényl-3-méthylbutanoïque
D'après C. Aaron, D Dull, J. L. Schmiegel & al. j.Org.Chem. 32,2797 (1967)
Bien que la dernière étape de la méthode traditionnelle soit une séparation de diastéréoisomères par cristallisation fractionnée, les méthodes chromatographiques sont souvent plus pratiques. Les diastéréoisomères ont des cœfficients d'absorption différents sur les phases stationnaires achirales et sont séparables par la chromatographie classique et même mieux par la chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC).
énantiomères R + S
Réaction incomplète avec un réactif chiral A optiquement pur
Si vitesse avec R > vitesse avec S Si vitesse avec S > vitesse avec R
Substrat n'ayant pas réagit enrichi en S Substrat n'ayant pas réagit enrichi en R
Produit enrichi en R-A Produit enrichi en S-A
Puisque la séparation est fondée sur la différence de vitesse le degré d'enrichissement atteint dépend de l'importance de cette différence ainsi que du degré d'avancement de la réaction. Pus grande est la différence, plus grand est l'enrichissement optique. On peut repérer cet enrichissement en mesurant le pourcentage d'excès énantiomérique ou de pureté optique:
%ee = [(
mélange) / (
énantiopur à la même concentration )]x100
selon la loi de Biot % ee = ( [
]lc majeur + []lc mineur) .100 /( [
]l(c majeur + c mineur))
= ( c majeur + c mineur) .100 /( (c majeur + c mineur))
soit en mole % ee = 100x [ R]-[S]/ [ R]+[S] si par exemple, R est le majeur
or [ R]-[S]/ [ R]+[S] = [ R]/ [ R]+[S] - [S]/ [ R]+[S]
d'où encore % ee = (fraction molaire majeur- fraction molaire mineur).100
La relation entre la pureté optique du substrat restant et le degré d'avancement de la réaction est donnée dans le graphique suivant. Il faut quand même remarquer que pour les valeurs de 100% de pureté optique et de 100% de conversion (cas de petits rapport de vitesses) la masse de réactif restante est nulle ou tend vers zéro.
Exemple de séparations cinétiques.
Rapport R,S/S,S = 1.75 avec 0.25 % équivalent anhydride
taux de récupération 37% rendement effectif 95%
1 équivalent isomère S: 1 équivalent 92% ester R,S + 8% ester S,S 84% ee S
énantiosélectivité 6,5 :1
taux de récupération : 48%
rendement effectif : 96%
Les enzymes constituent un groupe particulièrement important de catalyseur chiraux. Les enzymes peuvent donner un grand nombre de réactions, ce sont des catalyseurs très efficaces et hautement sélectifs. Dérivant des L-aminoacides naturels, ce sont des composés optiquement purs et généralement un des énantiomères du substrat est nettement plus réactif que l'autre. La catalyse enzymatique est fondée sur une adaptation tridimensionnelle de la molécule sur un site actif, ainsi le degré de sélectivité entre deux isomères est souvent élevé. Les réactions par catalyse enzymatique peuvent donc être utilisées pour séparer deux énantiomères. Les enzymes disponibles les mieux connues sont celles qui catalysent l'hydrolyse des esters et des amines, (estérases, lipases, peptidases, acylases) et celles qui favorisent l'oxydation des alcools en cétones ou en aldéhydes, (déshydogénases). On utilise les enzymes purifiées, ou on fait la réaction dans un incubateur avec le micro-organisme, (levure par exemple), qui produit l'enzyme appropriée durant une fermentation . le tableau suivant donne quelques exemples de séparation enzymatiques.
Exemples de séparations enzymatiques.
Si un dérivé de composé chiral est obtenu avec la formation d'un nouveau centre asymétrique, les deux énantiomères donneront différents diastéréoisomères aux propriétés physiques distinctes. Les quantités de chacun sont mesurables, par exemple en RMN. L'énantiomère pur donne son spectre, le mélange de diastéréoisomères donne deux spectres superposés différents, dont les intensités sont proportionnelles aux quantités de chacun. En utilisant un réactif chiral on forme les diastéréoisomères. Le réactif de Moscher, un des plus employés, car son cycle aromatique provoque de grandes variations de déplacements chimiques entre les diastéréoisomères qu'il forme avec une molécule chirale.
Réactif de Moscher
acide 2-méthoxy-2-phényl-3,3,3-trifluoropropanoïque
noté aussi acide
-méthoxy--trifluorométhylphénylacétique
R ou S
Spectre RMN de la 1-phényléthylamine en présence de réactif décaleur montrant les différences de glissement chimique du méthine et du méthyle ainsi que les rapports des énantiomères R et S.
Les variations en RMN sont aussi provoquées par la formation de complexes non covalents entre molécules chirales et un réactif chiral. Plusieurs lanthanides ont la capacité de former des complexes solides avec les alcools, cétones et d'autres molécules ayant un caractère basique au sens de Lewis. Si le lanthanide est dans un environnement chiral du fait d'un ligand chiral optiquement pur, deux diastéréoisomères sont formés. Les lanthanides induisent de forts glissements chimiques, il en résulte alors deux spectres superposés nettement décalés.
La figure précédente donne le spectre obtenu pour le mélange d'énantiomères de la 1-phényléthylamine en présence d'un réactif chiral "décaleur"(NDT) (chiral shift reagent).
] 20D la valeur obtenue.
La mesure de la rotation en fonction de la longueur d'onde donne la courbe de dispersion rotatoire du composé. (en anglais ORD pour Optical Rotatory Dispersion.) . La forme de cette courbe est fonction de la configuration du composé et de son spectre d'absorption. Des corrélations ont été établie entre la forme de ces courbes et la configuration de composés similaires.
D'autre part, les molécules chirales absorbent différemment
la lumière polarisée circulairement, selon la longueur
d'onde. On appelle dichroïsme circulaire, (CD en anglais), la grandeur 
qui exprime l'ellipticité molaire.(Voir cours de physique).
= 3330 ( 
> l -
r )
l et
r sont les cœfficients d'extinction molaire
de la lumière polarisée circulairement à droite et
à gauche.
= f(
) est la courbe de dichroïsme circulaire. Deux énantiomères
ont des courbes opposées. Un composé peut avoir plusieurs bandes
d'absorption de signes différents.
Bien que ces courbes ORD et CD, sont historiquement les méthodes de détermination des structures et de pureté optique, d'autres techniques sont utilisées aujourd'hui. La Chromatographie liquide à haute pression (HPLC) sur phase chirale est utilisée tant en analyse qu'en préparation. Des phases stationnaires chirales sont aussi développées en chromatographie gaz-liquide. (GLC).