molécules chirales - stéréochimie et propriétés - edp sciences

7/24/2019 Molcules Chirales - Strochimie Et Proprits - EDP Sciences

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Andr Collet, Jeanne Crassous,

Jean-Pierre Dutasta et Laure Guy

Molcules chirales

Strochimie et proprits

S A V O I R S A C T U E L S

EDP Sciences/CNRS DITIONS


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Illustration de couverture: Molcules C76(en haut) et octahlicne (en bas).

Publi avec le concours du ministre charg de lenseignement suprieur de la recherche.

c2006, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc dactivits de Courtabuf,91944 Les Ulis Cedex AetCNRS DITIONS, 15, rue Malebranche, 75005 Paris.

Tous droits de traduction, dadaptation et de reproduction par tous procds rservspour tous pays. Toute reproduction ou reprsentation intgrale ou partielle, par quelqueprocd que ce soit, des pages publies dans le prsent ouvrage, faite sans lautorisationde lditeur est illicite et constitue une contrefaon. Seules sont autorises, dune part, lesreproductions strictement rserves lusage priv du copiste et non destines une utili-sation collective, et dautre part, les courtes citations justifies par le caractre scientifiqueou dinformation de luvre dans laquelle elles sont incorpores (art. L. 122-4, L. 122-5et L. 335-2 du Code de la proprit intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent treralises avec laccord de lditeur. Sadresser au : Centre franais dexploitation du droitde copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tl. : 01 43 26 95 35.

ISBN EDP Sciences 2-86883-849-9

ISBN CNRS ditions2-271-06329-9


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`A la mmoire dAndrCOLLET

Andr Collet, dans son bureau lENS-Lyon


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Table des matires

Avant-propos ix

Prface xi

1 Introduction 1

2 Les origines 72.1 La lumire polarise et ses tranges proprits . . . . . . . . . . 7

2.2 Hmidrie, isomorphisme et nantiomorphisme . . . . . . . . . 92.3 Le mystre de lacide racmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 La chance de Pasteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5 Le carbone asymtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.6 18741914 : la gense de la strochimie moderne . . . . . . . . 182.7 Du ct des physiciens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.8 Lessor de la strochimie moderne . . . . . . . . . . . . . . . . 232.9 Le Collge de France et la strochimie . . . . . . . . . . . . . . 25

3 Langage et concepts de base 293.1 Composition et Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Conformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 lment strogne et configuration ; stroisomre . . . . . . . 323.4 Configuration absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Configuration relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.6 Substances racmiques, non racmiques, nantiopures . . . . . 42

4 Stroisomrie structurale 454.1 La symtrie des molcules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.1 Les oprations de symtrie . . . . . . . . . . . . . . . . 454.1.2 Les groupes ponctuels de symtrie . . . . . . . . . . . . 484.1.3 Dtermination du groupe ponctuel de symtrie

dune molcule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.2 Molcules centres strognes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2.1 Le carbone asymtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55


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vi Molcules chirales

4.2.2 Chiralit isotopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.2.3 Centres asymtriques ttradriques htroatomiques (T4) 56

4.3 Dnombrement des stroisomres (lments strognesbinaires) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.3.1 Rgle gnrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.3.2 Rduction du nombre de stroisomres par symtrie . . 624.3.3 Rduction du nombre de stroisomres par contraintes

striques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.4 Molcules possdant des axes ou des plans de chiralit . . . . . 63

4.4.1 Les allnes et la chiralit axiale . . . . . . . . . . . . . . 634.4.2 Spiranes, alkylidnecyclanes . . . . . . . . . . . . . . . . 664.4.3 Chiralit planaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.5 Molcules chirales non usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.5.1 Hlicnes et analogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.5.2 Fullernes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.5.3 Notions de chiralit topologique : rubans de Mbius

et nuds molculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.6 Atropisomrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5 Le systme de Cahn, Ingold et Prelog 795.1 lments strognes et leurs configurations . . . . . . . . . . . 795.2 Le systme de Cahn, Ingold, Prelog (CIP) . . . . . . . . . . . . 81

5.2.1 Hirarchie des substituants dans le systme CIPet application des rgles aux centres de chiralitttradriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.2.2 Les rgles CIP pour la chiralit axiale,planaire et torsionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2.3 Hlicit et chiralit des angles de torsion . . . . . . . . . 985.2.4 Application des rgles CIP lisomrie gomtrique . . 1015.2.5 Le systme CIP et le systme de Fischer . . . . . . . . . 103

6 Prostroisomrie 1096.1 Systmes unidimensionnels. Cristaux polaires . . . . . . . . . . 1096.2 Systmes bidimensionnels. Prostroisomrie faciale,

prochiralit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.2.1 Faces homotopique, nantiotopiques (prostroisomriefaciale) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.2.2 Nomenclature CIP pour la prostroisomrie faciale . . 1136.2.3 Consquence : synthse conventionnelle et synthse

asymtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.2.4 Faces diastrotopiques, diastroslectivit . . . . . . . 114

6.3 Systmes tridimensionnels. Prostroisomrie de groupe . . . . 1156.3.1 Groupes homotopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.3.2 Groupes nantiotopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.3.3 Groupes diastrotopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 117


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Table des matires vii

6.3.4 Nomenclature CIP dans le cas de la prostroisomriede groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.3.5 Consquence de la prostroisomrie de groupesur la ractivit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.3.6 Consquence de la prostroisomrie de groupeen spectroscopie RMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.4 Propseudoasymtrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.5 Prochiralit et synthse asymtrique . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.5.1 Stroslectivit et strospcificit . . . . . . . . . . . . 1216.5.2 Exemples classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.5.3 Exemples de dveloppements marquants de la synthse

asymtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247 Configurations absolues et relatives 131

7.1 Dfinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.1.1 Configuration absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.1.2 Configuration relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.2 Spcification de la configuration relative dans le systme CIP 1337.3 Mthodes de dtermination des configurations bases

sur les cristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1347.3.1 Diffraction anomale des rayons X (mthode de Bijvoet) 1347.3.2 Diffraction classique des rayons X . . . . . . . . . . 1397.3.3 Analyse des faces cristallines . . . . . . . . . . . . . . . 1397.3.4 Mthode des quasi-racmiques (mthode de Fredga) . . 140

7.4 Mthodes chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1427.4.1 Corrlations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.4.2 Ddoublement cintique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1447.4.3 Synthse asymtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.5 Mthodes physiques chiroptiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 1477.5.1 Pouvoir rotatoire ; dfinition, units, proprits . . . . . 1487.5.2 Puret nantiomrique et puret optique . . . . . . . . . 1537.5.3 Pouvoir rotatoire et configuration absolue . . . . . . . . 1557.5.4 Dispersion rotatoire optique et dichrosme circulaire . . 158

7.5.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1637.6 Utilisation de la RMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

8 Stroisomres : proprits physiques et mthodesde sparation 175

8.1 Proprits des nantiomres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.1.1 Non-Conservation de la Parit (NCP) . . . . . . . . . . 1768.1.2 Proprits biologiques des nantiomres . . . . . . . . . 179

8.2 Proprit des mlanges dnantiomres . . . . . . . . . . . . . . 1808.2.1 Observations visuelles Proprits de ltat solide . . . 182


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viii Molcules chirales

8.2.2 Diagrammes binaires de fusion dun mlangednantiomres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

8.2.3 Diagrammes ternaires de solubilit dun mlangednantiomres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

8.3 Application. Ddoublement par cristallisation . . . . . . . . . . 1958.3.1 Sparation de mlanges dnantiomres partiellement

enrichis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1958.3.2 Ddoublement par cristallisation directe des racmiques 1978.3.3 Ddoublement par formation de diastroisomres . . . 204

8.4 Autres voies daccs aux nantiomres purs . . . . . . . . . . . 216

9 Dtermination de la puret nantiomrique 219

9.1 Analyse directe du mlange des nantiomres . . . . . . . . . . 2199.1.1 Dtermination de lee par polarimtrie . . . . . . . . . . 2199.1.2 Dtermination de lee par calorimtrie . . . . . . . . . . 220

9.2 Analyse indirecte dun mlange dnantiomres Utilisationdassociations diastroisomres . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2219.2.1 Dtermination de leepar RMN . . . . . . . . . . . . . 2229.2.2 Dtermination de leepar HPLC (High Performance

Liquid Chromatography) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2269.2.3 Mesure de leepar chromatographie chirale en phase

gazeuse (CPG chirale) [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . 2319.2.4 Mesure de lexcs de diastroisomres par calorimtrie 233

Index 235


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Avant-propos

Cet ouvrage a une histoire. Nous le devons dabord Andr Collet,

Professeur lcole Normale Suprieure de Lyon et lUniversit ClaudeBernard o il professa de 1988 1999. Il nous laissa une partie du manuscritet un projet douvrage de strochimie. Cest partir de ses notes de courset des nombreuses confrences quil dispensa pendant ces annes que nousavons dcid de terminer la tche quil avait entreprise avec tant dardeur etde passion. Nous avons alors apport une orientation nouvelle au projet enddiant le prsent recueil certains aspects de la chiralit molculaire, thmetrs cher Andr Collet. Il nous a sembl en effet utile de pouvoir disposerdun ouvrage accessible, en langue franaise, et traitant sur le fond les aspectsde la chiralit molculaire dans un sens trs large. Nous ne souhaitions pasapporter un ouvrage de plus sur la strochimie classique pour laquelleexistent des ouvrages de rfrence trs bien faits. Le prsent ouvrage nest sansdoute pas exhaustif en matire de strochimie chirale, mais nous espronsquil apportera les bases et surtout quil saura introduire des notions pasforcment connues et comprises des chimistes ou physico-chimistes travaillant

sur les systmes molculaires chiraux.Les neuf chapitres du livre prsentent diffrentes facettes de la strochi-mie dans sa pratique moderne, et traitent plus particulirement de la chi-ralit molculaire et des mesures des proprits qui en dcoulent. Lanalyseconformationnelle ne sera pas traite ici de manire conventionnelle, dautresouvrages existent et seront signals en temps voulu. Par contre un rappel serafait de la terminologie et les dfinitions courantes concernant cet aspect dela strochimie. Nous avons, dans un souci de clart et de modernit, tenu

faire apparatre la fois les notions fondamentales et quelques applicationsdimportance comme la sparation des nantiomres et leurs proprits. Bienque lhistoire de la strochimie ait t maintes fois conte, il a sembl utile dyconsacrer un chapitre, qui aura au moins le mrite dillustrer la permanencedu caractre multidisciplinaire et multinational de la science, aussi bien quede ses rapports avec le monde socio-conomique. Au-del des aspects structu-raux (stroisomrie), louvrage aborde dautres questions o la strochimieet la chiralit jouent un rle important : les proprits et les mthodes deprparation des stroisomres ainsi que leur caractrisation ; leur interactionavec la lumire (proprits chiroptiques).


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x Molcules chirales

Louvrage vise au travers dexemples clairer les principes ou illustrerdes situations et des concepts parfois obscurcis par des usages contradictoires. ce titre, il sadresse aux enseignants, tudiants, chercheurs, qui, confronts des problmes mettant en jeu la strochimie et la chiralit, ou simplement

curieux den connatre les nombreux aspects, souhaitent obtenir une rponse leurs interrogations. Pour ces raisons, il nest pas limit la chimie organique,mais considre galement la strochimie despces organomtalliques voireinorganiques.

Pour traiter de la strochimie des espces chirales, nous avons d fairedes choix. La rdaction de ce livre correspond une demande pressentie de lapart des chimistes et physico-chimistes intresss par cette thmatique. Nouscomptons sur eux pour nous signaler les erreurs et dfauts qui apparatraientau long de ces pages et galement nous faire part des suggestions qui enamlioreraient le contenu. Nous les en remercions par avance.

Remerciements

Monsieur le Professeur Henri Kagan nous a fait le grand honneur de prfa-cer cet ouvrage, et nous len remercions infiniment. Nous lui savons gr pour

ses encouragements et sa relecture minutieuse. Monsieur Bruno Figadre aefficacement coordonn ce projet, quil en soit remerci.

Nous sommes particulirement reconnaissants Magali Alexandre et CyrilBarsu lENS-Lyon et Monsieur Jean-Pierre Sauvage, Directeur de Rechercheau CNRS Strasbourg, pour leur implication : relecture, don de figures.

Enfin nous voudrions remercier les proches dAndr Collet qui ont taussi prsents par leur soutien et leur dsir tellement lgitime de voir aboutir

ce projet. Nous leur ddions cet ouvrage.

J. Crassous, J.-P. Dutasta, L. GuyLyon, Avril 2005.


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Prface

En 1999 disparaissait prmaturment Andr Collet, une person-

nalit scientifique minente, issue comme moi-mme de lcole franaisede strochimie qui stait dveloppe au Collge de France autour dAlainHoreau et de Jean Jacques. Andr Collet animait lENS de Lyon un labora-toire et stait fait connatre par des recherches trs originales. Il tait parall-lement un enseignant hors pair qui aimait diffuser la connaissance scientifique.Il nhsitait pas aborder la strochimie, domaine important mais ardu de lachimie. Il avait t le co-auteur trs actif dun livre novateur qui est rest unouvrage de rfrence (Enantiomers, Racemates and Resolutions, J. Jacques,A. Collet, S. Wilen, J. Wiley & Sons, 1981).

A. Collet avait un projet dans les annes 1995, celui dentreprendre lardaction dun trait sur la Strochimie et la Chiralit. Au moment de sondcs, le projet avait pris corps. Il avait dj rdig un certain nombre dechapitres, avec la clart et la logique qui le caractrisaient. Il est heureux queplusieurs de ses collaborateurs aient dcid, en hommage sa mmoire, determiner louvrage. Louvrage a t restreint par rapport au projet initial, il

traite de la strochimie dans ses rapports avec la chiralit sans insister surlanalyse conformationnelle. Tous les thmes abords le sont dune faon trsrigoureuse et pdagogique. Par exemple le chapitre Stroisomrie structu-rale prsente les oprations de symtrie en les illustrant sur des structuresmolculaires varies. Les composs dont le centre de chiralit est un htroa-tome sont aussi considrs. Un paragraphe Molcules chirales non-usuelles mentionne les hlicnes, fullernes, rubans de Mbius et nuds molculaires.Le chapitre 6 Prostroisomrie runit des concepts importants discuts

la fois dans ltat cristallin ou pour la molcule isole, avec des applicationsdbouchant sur la synthse asymtrique. Un des thmes chers Andr Collettait celui du chapitre 8 : Stroisomres : proprits physiques et mthodesde sparation . Le livre est agrable lire, les schmas et figures sont trsclairs, la bibliographie est abondante.

Lobjectif tait de prsenter la strochimie de systmes molculaires chi-raux simples ou complexes en incluant les mthodes modernes dtude et desparation des stroisomres. Cet objectif a t atteint. Il faut fliciter M.J.-P. Dutasta, Mme J. Crassous et Mme L. Guy pour avoir achev le projet


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xii Molcules chirales

initial dAndr Collet. Ce livre de qualit a un contenu et une forme qui lediffrencie nettement des ouvrages dj existants, je lui souhaite un succsmrit tant en France, le pays de Pasteur, qu ltranger.

Henri KaganProfesseur mrite lUniversit Paris-Sud

Membre de lAcadmie des sciences


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Chapitre 1

Introduction

La strochimie tudieles proprits qui dpendent de la gomtrie desdifices molculaires. lacomposition, qui identifie et dnombre les diff-

rents atomes dune molcule, et laconstitution, qui tablit leur connectivit,diffrenciant ainsi les structuresisomres, la strochimie ajoute laconforma-tion et la configuration. Ces deux caractres permettent de parfaire la des-

cription en prcisant la disposition des atomes dans lespace et la faon dontcelle-ci peut varier au cours du temps. Lanalyse conformationnelle cherche connatre le degr de flexibilit ou de rigidit de ldifice, et tablir quellessont ses formes ou conformations les plus stables. La configurationpermet de distinguer les structures stroisomres et dtablir les relationsdnantiomrie et de diastroisomrie. Bien quils possdent des constitu-tions identiques, les stroisomres diffrent par leurs proprits physiques et

chimiques, ainsi que par leurs activits biologiques.Louis Pasteur [1], en rsolvant lnigme de lisomrie des acides tartriqueet racmique (1848), a lev le voile sur la structure tridimensionnelle de cer-taines molcules, dont laction sur la lumire polarise lui faisait penser quellesdevaient tre non superposables leur image dans un miroir. Le concept pas-torien de dissymtrie molculaire (ou dechiralit, comme on dit aujourdhui)a t matrialis un quart de sicle plus tard par le carbone asymtrique deLe Bel et vant Hoff; il a constitu lune des pices du puzzle qui a conduit

les savants du xixe sicle adopter dfinitivement la thorie atomique et tablir sur cette base les principes structuraux qui gouvernent la constructiondes molcules, selon une vision gure diffrente de celle que nous connaissonsaujourdhui. Cest ainsi quest ne la chimie dans lespace, alias strochimie,ainsi nomme par Victor Meyer en 1888 [2].

Lintrt de la strochimie semble avoir t bien peru jusquau dbut duxxe sicle, comme peut lattester un article de vulgarisation publi en 1904 parun professeur de lyce, et qui pourrait presque tre republi tel quel aujour-dhui [3]. Curieusement, cet aspect de la chimie semble avoir t dlaiss dansles dcennies suivantes, pour ntre redcouvert quaprs la seconde guerre


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2 Molcules chirales

mondiale, non plus comme une activit seulement acadmique, mais commela ncessaire volution dune discipline presse par lindustrie de dvelopper lesmthodes appropries la production de molcules de plus en plus complexes.

Les trente glorieuses de la strochimie moderne, entre 1950 et 1980,

ont ainsi vu lapprofondissement des anciens concepts, en mme temps quelmergence de dcouvertes et dides nouvelles, dont les plus importantes sontsans doute :

1. la dtermination des configurations absolues par diffraction des rayons X(Bijvoet 1951),

2. ltablissement dune nomenclature strochimique cohrente (Cahn,

Ingold, Prelog 1966),

3. lanalyse conformationnelle (Barton, Allinger, Eliel),

4. le concept de prostroisomrie (Hirshmann, Mislow),

5. le dveloppement de la synthse asymtrique (Cram, Mosher, Prelog,Horeau, Kagan ...).

Mme si ces progrs sont loin davoir puis le sujet, ils se sont dj concr-tiss par lexplosion des mthodes de prparation des stroisomres purs quiconstituent les composants actifs de nombreux mdicaments, insecticides, etherbicides, mais aussi de parfums, cosmtiques, additifs alimentaires, dulco-rants, sans oublier certains matriaux utiliss en optolectronique.

Produire grande chelle et dans des conditions conomiquement accep-tables des stroisomres purs reprsente en effet aujourdhui lun des dfis

majeurs des industries qui relvent de la chimie fine. La figure 1.1 prsentequelques-unes des russites les plus clatantes dans ce domaine.Les tonnages les plus considrables concernent les acides amins (acide glu-

tamique1, 350 000 tonnes par an) et leurs drivs immdiats tels laspartame 2(100 000 tonnes). La prparation de ces composs repose principalement surles mthodes de biotechnologies. Lacide L-ascorbique3 (30 000 tonnes), plusconnu sous le nom de vitamine C, est produit partir du glucose par unenchanement dtapes chimiques et enzymatiques. Il en est de mme des an-

tibiotiques ampicilline et amoxycilline (4, X = H et OH, respectivement), dontles productions se situent entre 1000 et 2000 tonnes.

Environ le quart de la consommation annuelle de ()-menthol 5(4000 tonnes) est obtenu par synthse. Le S-naproxne 6, lun des princi-paux anti-inflammatoires non strodiens est lui aussi prpar par synthse(1000 tonnes). En ce qui concerne les insecticides, la palme revient sans doute la deltamthrine 7 (Decis) dont les quelque 500 tonnes synthtises an-nuellement reprsentent en efficacit 75 000 tonnes de DDT. Toujours dans ledomaine de lagrochimie, on peut citer le mtolachlore8, herbicide issu de lasynthse asymtrique par la socit Novartis lchelle de 10 000 tonnes/an.


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4 Molcules chirales

En second lieu, limportance de la strochimie dans la construction et lesproprits des difices supramolculairesest dsormais reconnue. Au-del dela strochimie molculaire classique, il existe aujourdhui une strochimiesupramolculaire dont lessor ne peut que samplifier [4]. On peut galement

faire tat dune strophysique tudiant les phnomnes fondamentaux lis certaines manifestations de la chiralit en physique nuclaire, atomique etmolculaire, aussi bien quen optique.

Limpact sans cesse croissant de la strochimie au cours des derniresdcennies est attest par lexistence de priodiques consacrs aux diffrentsaspects de la discipline, dont trois ont fait leur apparition au cours des quinzedernires annes : au prcurseur Topics in Stereochemistry, cr en 1965,se sont en effet ajouts Chirality (1989), Tetrahedron Asymmetry (1990) etEnantiomer, a Journal of Stereochemistry (1996). Ajoutons ce tableau laConfrence du Brgenstock, et le congrs international ISCD (InternationalSymposium on Chiral Discrimination) qui runissent depuis des annes lesplus grands noms de la discipline.

Le langage de la strochimie a volu au cours des annes, de faon plus oumoins chaotique. Les dfinitions de certains concepts fondamentaux suscitentencore des dbats dont les livres les plus rcents font cho [5]. Afin dvi-

ter dintroduire un lment de confusion supplmentaire dans un domainequi a dj suscit de nombreuses controverses, le parti pris des auteurs a tdadopter le plus gnralement possible les recommandations de lUnion Inter-nationale de Chimie Pure et Applique, alias IUPAC [6]. Les seules exceptionsnotables cette rgle qui seront explicites concernent la configurationet la conformation, dont les dfinitions donnes par lIUPAC nous semblentreflter un compromis vide de sens. Une dernire prcision concerne lutili-sation des termes stromre et diastromre la place de stroisomre

et diastroisomre. Il ne semble pas y avoir de consensus sur lutilisationprfrentielle de lun ou de lautre, ces derniers seront donc utiliss dans cetouvrage. Le terme strogne sera aussi prfr au terme strognique. Onparlera de centre strogne.

Bibliographie

[1] Pour en savoir plus sur Louis Pasteur (1822-1895) et la naissance de lastrochimie, voir : (a) J. Jacques, La molcule et son double, Hachette,Paris, 1992 ; (b) L. Pasteur, J.H. vant Hoff, A. Werner,Sur la dissymtriemolculaire, d. Christian Bourgois, Paris, 1986 ; (c) Pasteur, Cahiersdun savant, CNRS ditions, Paris, 1995.

[2] K. Auwers et V. Meyer,Ber., 1888,21, 784 ; V. Meyer,Ber., 1890,23, 567.Victor Meyer (1848-1897) fut lun des plus brillants chimistes allemandsde sa gnration, lgal dAdolf Baeyer et dEmil Fischer. Voir une courtebiographie dans : A. Rocke,Chemistry in Britain, aot 1997, p. 27.


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1. Introduction 5

[3] A. Corvisy, La Strochimie, Revue Scientifique, 1904, Tome I, no 22,p. 684. A. Corvisy tait professeur agrg au lyce de Limoges.

[4] Le premier symposium de Strochimie supramolculaire a t organisen Islande en 1995. Voir : Supramolecular Stereochemistry, NATO ASI

Series, d. J.S. Siegel, Kluwer, 1995.[5] Voir notamment louvrage de E.L. Eliel et S.H. Wilen, Stereochemistry of

Organic Compounds, J. Wiley & Sons, New York, 1994, page 1191.[6] G.P. Moss, Pure and Applied Chemistry, 1996,68, 2193 [recommandations

disponibles sur Internet : http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/stereo/].


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Chapitre 2

Les origines

Comme la thorie atomique, la gense de laquelle elle fut troitementassocie, la strochimie est lun des fruits de la science du xixe sicle.

Loptique, la cristallographie, la chimie, y ont chacune apport leur pierre,dans un contexte o la culture de la vigne, la production du vin et la valori-sation de ses sous-produits ont jou un rle inattendu.

2.1 La lumire polarise et ses trangesproprits

La prhistoire de la discipline commence sans doute en 1669, lorsqueBartholin1 dcouvre le phnomne de double rfraction du spath dIslande(calcite). Si cet trange ddoublement des images transmises par le cristal(figure 2.1) permit Huygens2 dtayer sa thorie ondulatoire de la lumire,cest cependant Malus3, plus dun sicle plus tard (1808), qui compltera ladcouverte par une observation qui se rvlera capitale : la lumire rflchiepar une surface vitreuse possde unepolarisation, dont la direction peut tredtermine grce la double rfraction dun cristal de calcite.

On dit que cest en observant au travers dun cristal de spath dIslandelimage ddouble du soleil rflchi par les vitres du palais du Luxem-bourg que Malus est parvenu cette conclusion. Les deux imageslui sont apparues dintensits ingales, et pour certaines orientationsparticulires donnes au cristal, seule limage ordinaire, ou limage

1Il sagit du physicien danois Erasmus Bartholin (1625-1698), ne pas confondre avecson frre Thomas Bartholin (1616-1680), mdecin, professeur danatomie Copenhague.

2Christian Huygens (1629-1695), physicien, mathmaticien et astronome hollandais, s-journa Paris de 1665 1680, o il fit ses principaux travaux. SonTrait de la lumire oil adopte la thorie ondulatoire fut publi en 1678.

3

tienne-Louis Malus (1775-1812) a particip la campagne dgypte en compagnie deFranois Arago. Il fut admis lAcadmie des sciences en 1810, deux ans avant de disparatreprmaturment.


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8 Molcules chirales

Stro

Stro

Fig.2.1 Double rfraction du spath dIslande.

extraordinaire, restait visible. Si lhistoire est vraie, alors il faut sou-ligner lhabilet de lexprimentateur aussi bien que la chance qui apermis de satisfaire la condition de langle de Brewster, seule incidencepour laquelle le rayon rflchi est totalement polaris !

La lumire polarise dcouverte par Malus a rapidement t un objetdtude pour les physiciens. En 1811, Arago4 observe que des lames de quartzconvenablement tailles, disposes sur le parcours dun rayon de lumire pola-ris par rflexion, provoquent une rotation du plan de polarisation par rapport son orientation initiale. Les cristaux de quartz possdent un pouvoir rota-

toire. Rapidement (1812), le physicien Biot5

complte lobservation dAragoen montrant que certains quartz dvient vers la droite (sont dextrogyres)6,dautres vers la gauche (lvogyres).

Fait important, Biot montre en 1815 que le pouvoir rotatoire nest paslapanage des corps cristalliss, mais sobserve galement sur des solutions desubstances organiques naturelles, telles que le camphre, lessence de trben-thine, le glucose, et lacide tartrique. Il en est de mme ltat gazeux, comme

4Franois Arago (1786-1853) fut Directeur de lObservatoire de Paris, avant dtre ludput des Pyrnes-Orientales et nomm Ministre de la Marine et de la Guerre du gou-vernement provisoire de 1848. ce titre, il fut associ labolition de lesclavage dans lescolonies franaises.

5Jean-Baptiste Biot (1774-1862), lun des grands physiciens duxixe sicle, fut camaradedcole de Malus et effectua de nombreux travaux avec Arago. Inventeur du polarimtre, ilstonna du peu dintrt quil suscita ( lpoque) chez les chimistes : Les chimistes nesont que des cuisiniers, ils ne savent pas tirer parti de ladmirable instrument que je leur ai

mis entre les mains. 6Cest--dire dans le sens des aiguilles dune montre lorsque lon fait face au rayonmergeant. Pour plus de dtails sur le pouvoir rotatoire voir chapitre 7.5.


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2. Les origines 9

il la montr par une exprience mmorable7 (1817) mettant en vidence lepouvoir rotatoire de la vapeur dessence de trbenthine (figure 2.2).

Fig.2.2 Le polarimtre invent par Biot, utilis ici pour la mesure du pouvoirrotatoire de la vapeur dessence de trbenthine. gauche, la lumire dune lamperflchie sur un miroir fournit le rayon polaris, selon le principe dcouvert parMalus. droite, la rotation dun cristal de calcite permet de mettre en videncela dviation subie par la polarisation de la lumire aprs son passage au travers

de lchantillon vaporis dans un tube de 30 mtres de long. Reproduit avec lapremission de American Scientist.

Il a vite t vident pour Biot que le pouvoir rotatoire tait une actionmolculaire, propre aux dernires particules, dpendant de leur constitutionindividuelle , alors que dans le quartz ou dautres cristaux comme le chlo-rate de sodium le phnomne rsulte du mode dagrgation des particulescristallines .

2.2 Hmidrie, isomorphismeet nantiomorphisme

Au moment o Malus dcouvre la polarisation de la lumire, cest en-core une fois de ltude des cristaux, avec les travaux de Hay8, puis de

Mitscherlich9

, que viendront les observations les plus fcondes. La dcouverte7Lexprience a t ralise lOrangerie du Luxembourg, dont le plafond a t grave-

ment endommag par lincendie qui a suivi lexplosion de lappareil. Voir E. Picard, logeset Discours Acadmiques, Gauthiers-Villars, Paris, 1931, p. 255. Lexprience a t repriseavec succs par Gernez en 1864, deux ans aprs la mort de Biot.

8Labb Ren-Just Hay (1763-1822) a t llve de Louis Daubenton (1716-1800) avantde lui succder au Musum. Il est considr comme le fondateur de la cristallographiemoderne.

9Eilhard Mitscherlich (1794-1863) eut comme mentor Berzelius qui le tenait en haute

estime, et fit beaucoup pour imposer sa thorie de lisomorphisme. Voir : H.-W. Schtt,Eilhard Mitscherlich, Prince of Prussian Chemistry, English translation by W.E. Russey,d. J.L. Sturchio, American Chemical Society and the Chemical Heritage Foundation, 1997.


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10 Molcules chirales

de lhmidrie, sur laquelle nous reviendrons plus bas, et lide que la morpho-logie dun cristal devait reflter la forme de ses lments constitutifs (1809),reprsentent les lments essentiels de la contribution de Hay.

Paradoxalement, cette dernire ide sest trouve battue en brche par la

dcouverte de lisomorphisme, due Mitscherlich (1819). Lobservation quedes composs diffrents, tels que des phosphates et des arsniates, ou encoredes sulfates de diffrents mtaux, possdaient des cristaux de mme forme,conduit en effet celui-ci rfuter lhypothse dHay, tout en avanant quelescompositions lmentairesde ces mmes substances prsentaient des simi-larits10. De mme, le fait quune mme substance (comme le soufre) puissecristalliser sous plusieurs formes (polymorphisme) paraissait Mitscherlichcontradictoire avec lide de Hay. Il nen reste pas moins que lexistence dunepossible relation de forme entre dhypothtiques particules microscopiques etleur assemblage macroscopique tait ainsi suggre, en dpit dinterprtationsdivergentes11.

Mais revenons lhmidrie. Ds la fin du xviiie sicle, essayant de classerles minraux en fonction de la symtrie de leurs cristaux, Hay avait not quilnexistait quun petit nombre de formes primitives partir desquelles, par destroncatures respectant certaines rgles, on pouvait obtenir la varit des mor-

phologies observes dans la nature. Prenons pour commencer lexemple duneespce cristallisant dans le systme cubique. Le cube primitif comprend huitsommets et huit artes identiques. Supposons que, lors de la cristallogense,lun des sommets soit tronqu : la symtrie veut alors que les sept autres lesoient de la mme manire. On obtient de cette faon un cristal de morpho-logie diteholodre, qui conserve tous les lments de symtrie du cube initial(figure 2.3a). Les troncatures peuvent galement sappliquer aux artes. Ainsi,dans le systme monoclinique, les artes des basesaet csont diffrentes entre

elles, et diffrent des quatre artes verticales b. Si lune des artes des bases(par exemple, c) est tronque, les trois autres le seront de faon semblabledans le cristal holodre (figure 2.3b). Notons que sur un mme cristal diff-rents types de troncatures peuvent coexister, chacun respectant la rgle desymtrie qui correspond aux lments auxquels il sapplique.

Comme la remarqu Hay, il existe des cas o seul la moiti des lmentsidentiques sont modifis de la mme manire : on obtient alors un cristalde morphologie hmidre, dans lequel certains des lments de symtrie dusolide primitif ont disparu. Dans un cristal cubique, la troncature des quatresommetsabcd conduit un tel rsultat (figure 2.4), en supprimant les axes

10E. Mitscherlich, Abhandlung der Kniglich Preussischen Akademie der Wissenschaften,Berlin, 1819, 427.

11Cette incohrence entre les vues de Hay et celles de Mitscherlich rsulte en ralitdune profonde divergence : selon Hay, la relation entre la forme dun cristal et ses com-posants stablit au niveau de molcules intgrantes , ensembles datomes prarrangsdune certaine faon ; pour Mitscherlich, positiviste avant la lettre, seule la composition

lmentaire (le nombre et la nature des atomes) tait prendre en considration, tout apriori de structure associe la composition tant absente. Incidemment, on trouve ici lesprmices dune distinction entre cristaux molculaires et cristaux atomiques (ou ioniques).


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2. Les origines 11

Fig.2.3 Exemples dholodrie : (a) systme cubique; (b) systme monoclinique(= 90).

de symtrie quaternaires, tout en conservant les plans de symtrie passantpar les artes opposes. Notons quen augmentant la taille des troncatureson peut aller jusqu la disparition complte des faces du cube primitif pourconduire au ttradre rgulierabcd. Si, partant du mme cube, on permute lessommets tronqus et non tronqus, on obtient un nouveau cristal identiqueau prcdent, dont la forme limite serait le ttradre abcd, identique abcd.Cest lhmidrie superposable.

Fig.2.4 Hmidrie superposable pour un cube.

Dans un prisme monoclinique, au contraire, lhmidrie rsultant de latroncature de la moiti des artes a et cdes bases, effectue comme indiqu

figure 2.5, aboutit la disparition du centre de symtrie du solide primitif,dont seul laxe de symtrie C2est conserv. Il existe donc deux solides hmi-dres diffrents, image lun de lautre dans un miroir : cest lhmidrie nonsuperposable.

Ce type dhmidrie, comme la remarqu Hay, existe dans le quartz (fi-gure 2.6). Bien que la plupart des cristaux de ce minral soient holodres, etforment un prisme hexagonal coiff chaque extrmit dune pyramide hexa-gonale, il arrive que certains portent des facettes additionnelles qui entranentlhmidrie non superposable, en supprimant tous les plans de symtrie. En ob-servant la disposition de certaines de ces facettes, il est possible de distinguer


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Fig.2.5 Exemple dhmidrie non superposable dans le systme monoclinique.

les deux types de cristaux, dsigns par Hay plagidre droit et plagidre

gauche. Il sagit bien, avant la lettre, de la dcouverte de lnantiomorphisme.

Fig.2.6 Paire de quartz plagidres.

Il fallut cependant attendre 1820 pour que cette dcouverte prenne unesignification nouvelle. Herschel12, en rapprochant les observations dArago etde Biot, avec lhmidrie du quartz signale par Hay, montra que le sens dupouvoir rotatoire pouvait tre corrl la disposition des facettes hmidresqui permettent la distinction des deux formes de cristaux. La relation entrelnantiomorphie, caractre gomtrique macroscopique, et le phnomne dupouvoir rotatoire, tait ainsi pour la premire fois tablie (figure 2.7).

2.3 Le mystre de lacide racmique

Cest alors que la chimie intervient, dans des circonstances qui nont, audpart, rien voir avec la science. En 1820, un fabricant de produits chimiques

12Il sagit de Sir John Frederick William Herschel (1792-1871), dont le pre Sir William

Herschel (1738-1822) avait dcouvert la plante Uranus, et la tante Caroline LucreciaHerschel (1750-1848) avait elle-mme dcouvert huit comtes et trois nbuleuses. Voir ce sujet : V. Schurig, Enantiomer, 1997, 2, 135.


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2. Les origines 13

lvogyre dextrogyre

Fig.2.7 Relation entre lhmidrie des cristaux de quartz nantiomorphes et leuraction sur la lumire polarise, pour des lames tailles perpendiculairement laxeprincipal C3 (axe vertical sur la figure).

de la ville de Thann (en Alsace) fait tat de lapparition, au cours du raffi-nage du tartrate acide de potassium issu de la vinification, dun nouvel acidegnant la commercialisation13 du produit. Cet acideparatartrique, baptis en1828 acide racmiquepar Gay-Lussac14, prsentait quelques singularits in-explicables dans le cadre des doctrines existantes. Selon Berzelius15, lacideracmique avait la mme composition lmentaire en carbone, hydrogne etoxygne que lacide tartrique, mais les cristaux des deux composs taient

diffrents (figure 2.8). Il en tait de mme pour leurs sels respectifs, daprsles tudes de M. de la Provostaye, autre minralogiste de lpoque. Mais cestencore une fois le polarimtre de Biot qui, en 1838, apporte lindice essentiel :alors quen solution lacide tartrique et ses sels dvient la lumire polarise,lacide racmique ne possde aucun pouvoir rotatoire.

lpoque, lexistence de composs ayant la mme constitution lmen-taire et des proprits diffrentes ntait pas sans prcdent. Berzelius avaitdj invent le termeisomriepour rendre compte de cas de ce type (commeles acides cyanique et fulminique). Il devait donc sagir dun nouveau typedisomrie, associ la proprit de dvier, ou non, le plan de polarisation de lalumire, et dont la nature exacte restait dfinir. Pourtant, en 1844, lnigme

13Lacide tartrique et certains de ses sels avaient lpoque de nombreuses applications.Lacide lui mme pouvait tre utilis la place de lacide citrique pour faire de la limonade ;le tartrate acide de potassium (Crme de tartre), le tartrate de potassium (Sel vgtal), etle tartrate de sodium et de potassium (Sel de Seignette) taient utiliss en mdecine commepurgatifs lgers ; lusage du tartrate de potassium et dantimoine, ou mtique, dcrit par

Thnard comme lun des mdicaments les plus hroques , date de la premire moitidu xviie sicle. Voir L.J. Thnard, Trait de Chimie lmentaire, Thorique et Pratique,Tome 3, pp. 126 et suiv. (1815).

14Le terme racmique vient du latinracemus, signifiant grappe de raisin. Entre-temps, leproduit avait t nomm acide thanique pour rappeler son origine. Louis Joseph Gay-Lussac(1778-1850) tablit en 1802 la loi de dilatation des gaz, et en 1808 la loi volumtrique descombinaisons chimiques entre corps gazeux. Il montra en 1809 que le chlore tait un corpssimple, avant de dcouvrir en 1815 lacide cyanhydrique.

15J.J. Berzelius,Ann. Chim. Phys., 1831,46, 113. Le baron sudois Jns Jacob Berzelius(1779-1848) a t lun des savants europens les plus influents de la premire moiti du

xixe

sicle. Stockholm reprsentait alors la Mecque pour beaucoup de jeunes chimistes,parmi lesquels Mitscherlich. Berzelius a, entre autres, instaur la distinction entre chimieminrale et chimie organique, et introduit lusage de lettres comme symboles des lments.


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Fig.2.8 Cristaux des acides tartrique et racmique.

des tartrates et des racmates connut, entre les mains de Mitscherlich, un

rebondissement qui rendait laffaire encore plus mystrieuse. Contrairementaux autres sels des deux acides dont les diffrences avaient t soulignes, ilapparut Mitscherlich que le tartrate de sodium et dammonium et le rac-mate correspondant taient, non seulement isomorphes, maisidentiquesen cequi concernait la forme et les dimensions de leurs cristaux. Seul, le pouvoirrotatoire permettait de les diffrencier, le tartrate tant actif sur la lumirepolarise, le racmate inactif. Pour ce savant, la nature, le nombre, larran-gement et la distance des atomes sont les mmes dans les deux composs [1].

Comment deux composs peuvent-ils tre la fois identiques et diffrents ?Cest Pasteur (alors g de 25 ans) que reviendra en 1848 le mrite

dclaircir lnigme [2]. Jeune normalien form la cristallographie aussi bienqu la chimie par Laurent16, il remarque un fait qui avait chapp Mitscher-lich : lacide tartrique aussi bien que ses sels cristalliss, prsentent, commele quartz, des facettes hmidriques, dont Herschel avait reconnu la relationavec le pouvoir rotatoire. Au contraire, lacide racmique et les racmates ne

prsentent pas de tels caractres. Sauf dans un cas : le racmate de sodiumet dammonium que Mitscherlich avait trouv identique au tartrate corres-pondant. Mais celui-ci se trompait. Pasteur, en observant de prs ce fameuxsel, dcouvre quil est en ralit constitu de deux sortes de cristaux, dont lesfacettes hmidres sont disposes de faons inverses (figure 2.9). Les uns sontidentiques au tartrate naturel, et une fois mis en solution apparaissent dextro-gyres. Les autres, une fois dissous, sont lvogyres, et le mlange en quantitsgales des deux sortes de cristaux est, par compensation, inactif.

Sappuyant sur les ides de Hay et sur la remarque de Herschel cite plushaut, et constatant que les cristaux de tartrate dextrogyre et lvogyre taientnantiomorphes, Pasteur en induit que les molcules qui les constituent de-vaient elles mmes tre images non superposables. Qualifiant ces molculesde dissymtriques, il associe cette proprit celle de dvier, dans un sens

16Auguste Laurent (1807-1853), malgr sa marginalit, doit tre considr comme lundes pionniers de la chimie moderne, avec son ami Charles-Frdric Gerhardt (1816-1856).Voir une analyse logieuse et dtaille de luvre de Laurent et Gerhardt par A. Wurtz :

Histoire des Doctrines Chimiques, dans Dictionnaire de Chimie Pure et Applique (Dis-cours prliminaire), Hachette, Paris, 1868. Voir galement J. Jacques,Revue dHistoire desSciences, 1953, VI, 329.


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2. Les origines 15

Fig.2.9 Cristaux hmidres de tartrate double de sodium et dammonium selonPasteur.

ou dans lautre, le plan de polarisation de la lumire. Dmarche qui indiqueque, ds 1848, Pasteur est convaincu de lexistence de principes structuraux

qui gouvernent la construction des molcules des corps composs partir deleurs atomes17. Et a contrario, cest trs vraisemblablement parce quil nevoyait pas la ncessit dune telle thorie, que Mitscherlich est pass ct dela dcouverte : intress uniquement par la relation entre la composition l-mentaire et la forme cristalline, lnantiomorphisme des tartrates ( supposerquil lait mme remarqu) ne pouvait, ses yeux, qutre un piphnomne.

Restait encore donner lintuition de Pasteur les prcisions structurales

qui lui faisaient dfaut. Dautres y parviendront, un quart de sicle plus tard,en utilisant cette information pour parfaire la thorie de la structure molcu-laire. Mais Pasteur ne sest pas arrt ce coup dclat. Dmontrant que lefameux acide racmique tait un artefact, rsultant de laction de la chaleursur lacide tartrique naturel lors des recristallisations destines le purifier18,il se livre, en 1860, une gnralisation dont le caractre dogmatique et ap-proximatif ne doit pas faire oublier le contenu prophtique [3] :

Tous les produits artificiels des laboratoires et toutes les espces mi-nrales sont images superposables (...) Je regarde comme ncessaire(...) lexistence de forces dissymtriques au moment de llaborationdes produits organiques naturels, forces qui seraient absentes ou sanseffets dans les ractions de nos laboratoires (...) Ces actions dissym-triques, places peut-tre sous des influences cosmiques, rsident-ellesdans la lumire, dans llectricit, dans le magntisme, dans la chaleur ?Seraient-elles en relation avec les courants lectriques par lesquels lesphysiciens expliquent les ples magntiques terrestres ?

Au moment o il va quitter la chimie pour dautres horizons, Pasteurinvente lunivers dissymtrique, ouvrant ainsi un dbat qui a imprgn les

17Pasteur ne manque pas cette occasion de rappeler la dfinition de lespce chimiquepar Chevreul (1823) : Dans les corps composs, lespce est une collection dtres iden-tiques par la nature, la proportion et larrangement des lments .

18La concentration des liqueurs se faisait feu nu dans des bassines de plomb, et ilpouvait arriver que la temprature des couches infrieures dpasse 120 C, provoquant

ainsi la racmisation dune partie de lacide tartrique. la suite des travaux de Pasteur,les concentrations ont t effectues sous vide, supprimant ainsi la formation de lacideracmique. Voir la rfrence 2a.


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esprits de son temps19, et qui sous une forme il est vrai trs diffrente atrouv un regain dintrt avec les dcouvertes de la physique moderne (voirchapitre 8).

2.4 La chance de Pasteur

Convaincu lavance de la pertinence de lassociation entre hmidrie etpouvoir rotatoire, il est certain que Pasteur savait dj exactement ce quildevait trouver en examinant les cristaux de Mitscherlich. De fait, il reconnatlui-mme quel point il est difficile de mettre en vidence les fameuses fa-

cettes, peine visibles, ou mme absentes, dans la plupart des cristaux. Maisau-del de la part manifeste de prconception de la dcouverte, le caractreexceptionnel des circonstances qui lont rendue possible mrite dtre soulign.

Celle-ci repose en premier lieu sur le ddoublement spontandu racmatede sodium et dammonium, phnomne qui, nous le savons aujourdhui [4], nese produit que dans 5 10 % desracmiques, terme qui a t rapidement utilispour dsigner les mlanges en quantits gales de molcules droites et gauches.Dans cette ventualit, la cristallisation produit un mlange de cristaux droits

et gauches appelconglomrat. Le plus souvent, la cristallisation aboutit unracmique vrai, contenant les deux formes droite et gauche en quantits galesau sein du mme cristal.

La seconde circonstance dterminante na tenu, pour ainsi dire, qu lamtorologie : le racmate de sodium et dammonium nexiste en effet sousforme de conglomrat quau-dessous de 28 C, temprature assez rarementatteinte dans les laboratoires de la Montagne Sainte-Genevive. Au-dessus decette temprature, il cristallise sous la forme dun banal racmique vrai, toutcomme les autres racmates de la famille.

2.5 Le carbone asymtrique

Faute dune vritable explication, la dcouverte du jeune Pasteur ne semblepas avoir, lpoque, dpass le succs destime, du moins chez les chimistes20.

Curieusement, il na par la suite jamais vraiment cherch en savoir plus. Plusencore, il est rest trangement absent des dbats qui ont vu les chimistes, partir de la fin des anne 1850, saffronter sur les questions fondamentales

19Contentons nous de citer ici les travaux de Frdric Swarts tentant vainement deddoubler le bromochlorofluoromthane par exposition la lumire solaire, dans la droiteligne des ides de Pasteur. F. Swarts, Bull. Acad. R. Belg., Mmoires couronns, 1896, 54,1. Notons aussi quEmil Fischer, au cours de ses travaux sur la structure des sucres, nauraaucun mal rfuter lidologie pastorienne liant la dissymtrie molculaire la vie.

20

On connat cependant lapprciation logieuse de Biot sur cette dcouverte, rapportepar Pasteur lui-mme : Mon cher enfant, jai tant aim les sciences dans ma vie que celame fait battre le cur .


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2. Les origines 17

de la constitution de la matire. partir de 1857, Kekul21, Boutlerov22, etCouper23 tablissent la ttravalence du carbone et, en 1860, au congrs deKarlsruhe, la thorie atomique simpose face aux quivalentistes, mme si cesderniers (parmi lesquels Marcelin Berthelot24) livreront encore pendant des

annes un combat darrire-garde. Ds 1860, presque tous les lments permet-tant non seulement daffirmer lexistence des molcules, mais aussi dtablirla structure des enchanements datomes qui les constituent, sont dsormaisen place.

Manquait encore la cl de vote de la thorie structurale. Elle sera apporteen 1874 par Le Bel (alors g de 27 ans) et vant Hoff (22 ans)25 qui, de faonindpendante, et en dpit des railleries de certains anti-atomistes minents26,inventent lecarbone asymtrique(figure 2.10).

Sil est lgitime dattribuer ces deux jeunes savants le mrite de la d-couverte, il serait injuste doublier ceux de leurs devanciers qui furent surle point dy aboutir. Outre Pasteur dj cit, il convient de rappeler queKekul, dans le laboratoire duquel avait sjourn vant Hoff en 1873, avait ds1867 reconnu la ncessit de formules dans lespace, et un exemple de struc-ture ttradrique avait t dessin par Paterno en 1869, avec la caution de

21August Kekul von Stradonitz (1829-1896) doit sans doute tre considr comme lepersonnage cl dans ltablissement de la doctrine structurale, et dans le succs quelle arencontr en Allemagne grce son influence. Cest lui qui introduit lutilisation des formulesdveloppes en chimie organique et fit lhypothse des liaisons multiples. Il proposa en 1865la formule hexagonale du benzne.

22Alexandre Boutlerov (1829-1896) est linventeur de lexpression structure molcu-laire .

23Scott Couper (1831-1892) a dvelopp des ides analogues celles de Kekul, sans enavoir connaissance. Il convient dajouter cette liste des pionniers de la thorie structuraleles noms dErlenmeyer (1825-1909), de Cannizzaro (cf.note 27), et de Wurtz (cf.note 25).

24Chimiste influent, Marcelin Berthelot (1827-1907) fut professeur au Collge de France,membre de lInstitut, et Ministre de lInstruction publique et des Affaires trangres de laIIIe rpublique ; voir ce sujet J. Jacques, Berthelot, Autopsie dun Mythe, Belin, Paris,1987. Ses ides anti-atomistes ont fortement pes sur toute une gnration de chimistesfranais.

25Achille Le Bel (1847-1930) et Jacobus Henricus vant Hoff (1852-1911) se seraientcroiss, en 1869, dans le laboratoire dAdolphe Wurtz (1817-1884), la facult de mdecinede Paris, sanctuaire de latomisme militant. Voir J. Jacques,Bull. Soc. Chim. Fr., 1995,132,5, ainsi que la rf. 2a. Par la suite, avec ses travaux sur les quilibres, vant Hoff saffirmeracomme lun des fondateurs de la chimie physique, et cest ce titre quil recevra le prixNobel de Chimie en 1901.

26La violence des propos du chimiste allemand Hermann Kolbe, dans sa critique sansappel de larticle de vant Hoff, rvle la profondeur du clivage idologique entre les deuxcamps : Jai rcemment soulign que les dficiences dans la connaissance des principesfondamentaux de la chimie et le manque dducation de beaucoup de professeurs taientresponsables de lactuel dclin des recherches chimiques (...). Ceux qui trouveraient mescraintes exagres devraient lire, sils peuvent le supporter, la rcente monographie duncertain Mr. vant Hoff, intitule Larrangement des atomes dans lespace (...). Ce jeunecancre, employ de lcole vtrinaire dUtrecht, na videmment aucun got pour la rigueurdes recherches chimiques. Il prfre monter son cheval ail (Pgase), emprunt aux curies deson cole, et proclamer quaprs son ascension du Mont Parnasse il voit les atomes arrangs

dans lespace (...). Il est caractristique de cette poque (...) quun obscur chimiste dunecole vtrinaire aie le toupet de se prononcer sur les problmes les plus fondamentaux dela chimie (...) . H. Kolbe,J. Prakt. Chem., 1877, 15, 473.


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2. Les origines 19

que la strochimie ait t implique dans nombre de ces tudes. Les savantsallemands Baeyer, Meyer, Fischer, et Wallach reprsentent alors les figuresles plus prestigieuses dun domaine o la chimie franaise se montre dunegrande discrtion. Faut-il y voir linfluence de Marcelin Berthelot et des anti-

atomistes ? la mme poque, Werner tend aux composs de coordinationles concepts de la chimie dans lespace de vant Hoff, ouvrant ainsi le domainede la strochimie inorganique.

Adolf von Baeyer (1835-1917) fut dabord llve de Bunsen, puis deKekul, auprs duquel il a vcu la naissance des formules dveloppes, etest devenu trs vite convaincu de lintrt de la chimie structurale, lensei-gnant et lappliquant systmatiquement ses propres recherches. ct deses travaux sur les colorants naturels (indigo) et synthtiques (phtaline duphnol, fluorescine), il prit une part importante dans ltablissement de lastructure du noyau benznique. Sa thorie des tensions de cycles (1885) repr-sente sa contribution la doctrine strochimique. Laurat du prix Nobel dechimie en 1905, il dirigera son laboratoire de Munich jusquen 1915, lge de80 ans29.

Victor Meyer (1848-1897) fut un chimiste trs prcoce. Il obtint son doc-torat lge de 17 ans, luniversit dHeidelberg, o il devint assistant de

Robert Bunsen. Aprs un sjour post-doctoral chez Baeyer Berlin, suivi dunbref passage au Polytechnikum de Stuttgart comme enseignant de chimie or-ganique, il fut nomm professeur la dj renomme cole Polytechniquede Zrich (ETH) en 1871, lge de 24 ans. Il y resta 13 ans, consacrantses recherches de nombreux domaines de la chimie organique que la tho-rie structurale permettait de dfricher avec succs : substitution aromatique,chimie des oximes, etc. En 1884 il fut appel Gttingen pour occuper laprestigieuse chaire de Wlher. Il ny resta que quatre ans, pour finalement

rejoindre le laboratoire de ses dbuts Heidelberg, o il succda Bunsen.Sa fin tragique en 1897 affecta la communaut des chimistes [6].

La contribution de Victor Meyer la strochimie terme [7] quil alui-mme forg ds 1888 sera en particulier de montrer la possibilit duneisomrie due lempchement de rotation autour dune liaison simple. Afindexpliquer lexistence de deux formes isomres de la dioxime du benzile (iso-les par cristallisation), Meyer postula en effet les structures reprsentes fi-gure 2.12, premiers exemples explicites disomres conformationnels. Bien quedans ce cas les deux formes soient en quilibre rapide en solution, en raisondune barrire de rotation assez faible, lide tait juste ; il faudra cependantpatienter plusieurs dcennies pour que soient dcouverts des cas o la barrireest suffisamment leve pour que les isomres conformationnels soient stablesmme en solution (atropisomrie voir chapitre 4.5.4).

29Le successeur de Baeyer Munich sera Richard Martin Willsttter (1872-1942), luimme prix Nobel en 1915 pour ses travaux sur les pigments vgtaux, notamment la chlo-

rophylle. Docteur de lUniversit de Munich en 1894, Willsttter fut professeur de lcolepolytechnique de Zrich (1905-1911) avant de rejoindre Berlin en 1912, puis Munich. Il adtermin la structure et effectu la synthse dalcalodes tels que latropine et la cocane.


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Fig.2.12 Isomres de la dioxime du benzile selon V. Meyer.

Emil Fischer (1852-1919) a commenc sa formation scientifique auprs deKekul, Bonn, mais cest surtout Baeyer qui sera son matre, Strasbourgde 1872 1875, puis Munich de 1875 1881. Devenu professeur son tour,

il enseigne dabord Erlangen, puis Wrzburg, et surtout Berlin partirde 1892. Il recevra le prix Nobel de chimie en 1902, trois ans avant Baeyer.Fischer sest attaqu trois problmes majeurs de la chimie des molculeslies la vie : la structure des purines, des sucres, et enfin des protines.Au cours de ses remarquables travaux sur la structure et la stroisomriedes sucres (1884-1894), il dmontre, dans un cas compliqu, la validit dela thorie du carbone asymtrique. Dans le mme temps, contrairement aux

ides de Pasteur sur lexistence de forces vitales dissymtriques, il dmontreque les ractions chimiques effectues sur des stroisomres peuvent crerde nouveaux centres asymtriques en proportions ingales, ralisant ainsi lespremires synthses diastroslectives. Cest aussi Fischer que lon doitle premier systme cohrent de spcification de la configuration relative decentres asymtriques (chapitre 5.2.5). Cest galement lui qui a montr queles protines taient constitues dacides amins (1899-1908), et qui a tabliles principes de la synthse peptidique. Il est galement linventeur du principe

de la cl et de la serrure , expliquant le fonctionnement stroslectif desprotines enzymatiques, et qui deviendra plus tard le concept emblmatiquede la chimie supramolculaire.

Otto Wallach (1847-1931) ctoya Kekul Bonn de 1872 sa mort en 1896,puis fut nomm Gttingen la succession de V. Meyer (1897), dans la chairede Whler quil occupa jusquen 1915. Aprs divers travaux dans le cadre g-nral des recherches de lpoque (chimie du chloral, azoque et diazoques,

drivs sulfurs organiques) Wallach ouvre une voie originale qui fera sa re-nomme : la chimie des terpnes et des drivs cyclaniques. Autour des annes1880, les terpnes (nomms ainsi cause de la prsence de certains dentre euxdans lessence de trbenthine) taient des substances assez nigmatiques. Enparticulier, on avait dcrit un grand nombre de terpnes diffrents, dsignsdaprs leur origine vgtale. Ds 1884, Wallach fut en mesure de rvler quenombre dentre eux ntaient en ralit quune seule et mme substance. Ilmontra ainsi lidentit du pinne avec laustralne et le trbenthne, celle dulimonne avec le carvne et le citrne, et identifia le dipentne au limonneracmique. En 1891, il parvint ainsi une liste ne comprenant plus que neuf


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2. Les origines 21

terpnes compltement identifis et caractriss. Il sintressa galement auxphnomnes disomrisation (transposition) qui sont frquents dans ces com-poss. Il tudia galement de faon systmatique les composs oxygns deshuiles essentielles, tels que carvone, pulgone, menthone, etc. Au cours de ces

tudes portant sur des substances naturelles optiquement actives, il fut sansdoute le premier (aprs Pasteur) comparer les proprits physiques de corpscristalliss nantiomres et racmiques. La rgle de Wallach (1895) stipuleainsi que la formation dun racmique partir des nantiomres cristalli-ss seffectue avec contraction . Malgr sa fausset, cette rgle est reste unparadigme auprs des chimistes jusqu une poque rcente. Wallach reut leprix Nobel de chimie en 1910.

Alfred Werner (1866-1919), n Mulhouse, alla effectuer ses tudes Zrich, o il prpara sous la direction de Hantszch (1857-1935) une thserelative la strochimie des composs organiques azots. Nomm professeur lETH de Zrich lge de 27 ans, il demeura en Suisse jusqu sa mort. Engnralisant ds 1893 les concepts strochimiques de Le Bel et vant Hoff aucas des complexes de mtaux hexacoordins, Werner fut en mesure dtablirleur structure octadrique [8], et de prvoir [9] (en 1899) que certains dentreeux devaient exister sous des formes droites et gauches, doues de pouvoirs

rotatoires opposs. Cette prdiction fut vrifie quelques annes plus tard(1911) [10] par la sparation des deux formes du complexe [Co(en)2(NO)2]Br,puis par le ddoublement en ses formes droite et gauche du premier com-plexe compltement inorganique (1914) [11]. Il reut le prix Nobel en1913.

Il parat lgitime de complter cette liste par quelques noms qui, sils sontun peu moins connus que les prcdents, ont nanmoins contribu de faon

marquante lavancement de la strochimie. Citons dabord Marckwald30

etMcKenzie31, que lon doit considrer comme les vritables inventeurs de lasynthse asymtrique (ou synthse nantioslective, pour les diffrencier dessynthses diastroslectives de Fischer).

Il faudrait encore citer les contributions aux mthodes de sparationdnantiomres par cristallisation de Marckwald et Pope, qui restent encoredactualit, ainsi que les travaux de Roozeboom, qui a tabli ds 1900 les

diagrammes de phases fondamentaux des mlanges dnantiomres, qui sontaujourdhui la base des procds de sparation modernes.

30Sur la biographie de Wilhelm Marckwald disons simplement quil est n en Silsie en1864, quil fut nomm professeur lUniversit de Berlin en 1899, et fut prsident de lasocit chimique allemande de 1928 1931. larrive de Hitler au pouvoir il fut contraintde sexiler au Brsil o il est mort en 1950.

31Alexander McKenzie est n en cosse en 1864, o il est mort en 1951. la fin de ses

tudes, il se rendit Berlin pour travailler avec Marckwald. Il poursuivra sa carrire enAngleterre de 1902 1914 pour tre finalement nomm professeur dans sa ville natale deDundee de 1914 1938 (voir H. Wren, J. Chem. Soc., 1952, 270).


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2.7 Du ct des physiciens

Cest le physicien Lord Kelvin32 qui, en 1884, donnera un nom la dissy-mtrie pastorienne :

Jappelle chiraltoute figure gomtrique ou tout ensemble de pointsqui nest pas superposable son image dans un miroir. Je parle alorsde chiralit.

Ce terme, forg partir du grec (main), sapplique toutes leschelles, et permet de ranger les objets de notre univers en deux ensembles,celui des objets chiraux, et celui des objets achiraux. Il na lpoque rencon-tr aucun cho. Cest seulement en 1965, sous limpulsion de Mislow, que lachiralit fera sa vritable entre dans le langage de la strochimie33. Cetteproprit nest en fait correctement dcrite ni par le terme de dissymtrie dePasteur, ni par celui dasymtrie de Le Bel et vant Hoff, o le prfixe pri-vatif a suggre labsence dlment de symtrie. Lacide tartrique lui-mmeen fournit un bon exemple, puisque sa molcule prsente un axe de symtrie

dordre 2.La dernire dcennie du xixe sicle verra une avance thorique consi-

drable avec le mmoire de Pierre Curie (1894) sur la symtrie des phno-mnes physiques [12]. Dans ce travail, qui reste lun des piliers de la sciencecontemporaine, Pierre Curie voque au passage les conditions ncessaires laccomplissement de la synthse asymtrique, rve des chimistes aujourdhuiralis.

Dans le domaine de la physique exprimentale, une importante dcouvertesera faite en 1895 par le franais Aim Cotton, qui remarqua que des sels co-lors de lacide tartrique (contenant du cuivre ou du chrome) absorbent diff-remment la lumire polarise circulairement droite ou gauche dans la rgion deleur maximum dabsorption. L effet Cotton , exprimant le dichrosme cir-culairedes composs dous de pouvoir rotatoire (chapitre 7), sest par la suitervl tre un moyen prcieux dtude de ces substances [13], en permettantde dterminer leur configuration absolue.

32Lord Kelvin (1824-1907) est connu galement sous le nom de Sir William Thomson. Saspulture se trouve sur le bord de la rivire Kelvin, qui borde le campus de luniversit deGlasgow. Le terme chiralit aurait t employ pour la premire fois lors dune confrencedonne en 1884 : Lord Kelvin, Baltimore lectures, 1884, 436 et republie 20 ans plus tard :Baltimore Lecture on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light, C.J. Clay &Sons, London, 1904. Voici le texte exact de la citation : I call any geometrical figure, orany group of point, chiral, and I say it has chirality, if its image in a plane mirror, ideallyrealized, cannot be brought to coincide with itself.

33

Kurt Mislow (n en 1923) est lun des acteurs du renouveau de la strochimie aprsla Seconde Guerre mondiale. K. Mislow, Introduction to Stereochemistry, Benjamin, NewYork, 1965.


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2. Les origines 23

2.8 Lessor de la strochimie moderne

Aprs la premire guerre mondiale, la strochimie se dveloppe surtoutdans les domaines de lanalyse conformationnelle, des mthodes de prpara-

tions de stroisomres et de la strophysique.Cest probablement lessor de la synthse asymtrique qui ds le dbut des

annes 50, va prendre le pas sur les autres domaines de la strochimie. Unesynthse asymtrique est une raction qui produit un compos optiquementactif partir de ractifs non chiraux. Cette dfinition prsente un travers detaille puisquelle carterait les ractions crant un nouvel lment de chira-lit dans une substance possdant dj un centre chiral. On est maintenantbeaucoup plus prcis en parlant de synthse stroslective, nantioslective(cration de deux nantiomres en quantits ingales) ou diastroslective(cration dun centre strogne conduisant la formation de diastroiso-mres en quantits ingales).

La dfinition de la synthse asymtrique a quelque peu volu dans letemps. Aprs la synthse de lacide tartrique par Kkul en 1860 puis parPerkin et Dupa la mme anne, qui nest pas une synthse asymtrique(on obtient le mlange racmique), il faut attendre les premires synthses

diastroslectives dEmil Fischer qui transforme le d-mannose en acide d-mannoheptonique pour voir enfin la formation de diastroisomres en quan-tits ingales. Mais cest bien Marckwald qui en 1904 fera la premire syn-thse asymtrique en dcarboxylant lacide mthyl-thyl-malonique en pr-sence de brucine [14]. Il donnera une dfinition de la synthse asymtriquequi reste dactualit : Les synthses asymtriques sont celles qui partirde corps de structure symtrique et en utilisant intermdiairement des sub-stances optiquement actives, mais sans faire intervenir aucun processus ana-

lytique, conduisent des produits optiquement actifs. La littrature dansce domaine est encore aujourdhui extrmement prolifique et en ce dbut desicle, le Nobel 2001 a rcompens les pionniers de la catalyse asymtriquemoderne W.S. Knowles, R. Noyori et K.B. Sharpless.

Paralllement aux dveloppements de la synthse asymtrique, il faut sou-ligner limportance des techniques chromatographiques qui ne se dveloppe-ront quaprs 1945. Il sagit dun procd de sparation et de purificationextrmement efficace qui va devenir indispensable dans les laboratoires etdont lindustrie va trs vite bnficier. En particulier la sparation des nan-tiomres par chromatographie sur phase chirale va contribuer lessor desrecherches dans le domaine des substances nantio-pures.

la notable exception de la dcouverte de latropisomrie34 de certainsbiphnyles par les chimistes Christie et Kenners en 1922 [15], et des travaux de

34Le terme atropisomrie sera en fait invent par Kuhn en 1933 pour dsigner le ph-nomne dempchement de rotation dune liaison simple, pouvant aboutir lexistence

dnantiomres conformationnels stables. Richard Kuhn (1900-1967), chimiste autrichien, areu le prix Nobel en 1938 pour ses travaux sur les vitamines et les carotnodes. R. Kuhn,Molekulare Asymmetrie, inStereochemie, d. K. Freudenberg, Franz Deutike, Leipzig, 1933.


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Freudenberg sur la relation entre pouvoir rotatoire et configuration, concr-tiss par la publication du premier ouvrage dimportance sur la strochimie(1933) [16], les avances dans le domaine seront plutt luvre de spectro-scopistes ou de physiciens. Citons les thories de lactivit optique labores

simultanment par Max Born (Berlin) [17], Carl Wilhelm Oseen (Uppsala) [18]et Frank Gray (Wisconsin) [19] autour des annes 1915. Cest vraisemblable-ment aprs la deuxime guerre mondiale, avec lmergence extraordinaire destechniques spectroscopiques et limplantation de spectromtres commerciauxdans les laboratoires que la strochimie va reprendre toute sa vitalit etstendre de nombreux domaines des sciences contemporaines. Les nouvellestechniques vont se dvelopper : la spectroscopie infra-rouge (IR, 1950), la rso-nance magntique nuclaire (RMN, 1960), les mthodes chiroptiques commela dispersion rotatoire optique et le dichrosme circulaire, la diffraction desrayons-X qui donne la structure tridimensionnelle des molcules et a permisla dtermination de la configuration absolue de lacide tartrique par Bijvoet laide de la diffraction anomale des rayons-X [20].

Ces techniques vont ouvrir une voie royale la strochimie moderneet plus particulirement la strochimie des systmes chiraux. Sir DerekBarton35 montre en 1950 que les strodes, et plus gnralement les mol-

cules, peuvent adopter une conformation prfrentielle [21]. En 1934, le spec-troscopiste japonais Mizushima met en vidence les conformres gauche etanti du 1,2-dichlorothane [22]. Les retombes de cette dcouverte aurontune importance capitale. En montrant que, mme en labsence deffet den-combrement, la rotation autour dune liaison simple ntait pas compltementlibre, Mizushima ouvre vritablement un nouveau chapitre de la strochimie,celui de lanalyse conformationnelle dont Barton a fond les bases. On peutassocier ces travaux ceux de E. Eliel [23] et N.L. Allinger36.

Pour revenir la strochimie des systmes chiraux, le courant amorcpar Kurt Mislow ds les annes 1965 et lintroduction en 1966 dune nomen-clature strochimique par Cahn37, Ingold38 et Prelog39 (systme CIP), quidonnera le descripteur des molcules chirales et leur configuration, constituentles tapes cls du futur des sciences strochimiques. Il reste derrire cettescience en effervescence on sait limportance maintenant de la productionstroslective de substances hautes valeurs commerciales le problme

35

Sir Derek Harold Richard Barton (1918-1998). En 1969, il obtient, avec le chimistenorvgien Odd Hassel, le prix Nobel de Chimie pour ses travaux sur lanalyse de la confor-mation des molcules.

36Norman Lou Allinger (1928) a t un pionnier de lanalyse conformationnelle puislinventeur de la mcanique molculaire et des dbuts de la chimie thorique. Avec Eliel,il a co-fond la srie Topics in Stereochemistry et t lauteur de nombreux ouvrages derfrence en chimie.

37Robert S. Cahn (1899-1981).38Christopher Ingold (1893-1970). Voir sa biographie : K.T. Leffek, J. Chem. Ed., 1997,

74, 625.39

Vladimir Prelog (1906-1998). Pour son travail sur la strochimie des molcules orga-niques et des ractions, Prelog a partag le prix Nobel de chimie en 1975 avec sir John W.Cornforth.


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2. Les origines 25

non rsolu de la chiralit du monde vivant. Cette priode trs riche, va per-mettre en effet de poser des questions toujours dactualit sur les originesde la chiralit. Cette question fondamentale de lorigine de lhomochiralitdu monde vivant, va bien au-del des prrogatives des chimistes et des biolo-

gistes. Cest de la nature mme de lorigine de notre monde et de notre universquil est question. Plusieurs thories co-existent. Une origine extraterrestre at propose via certaines molcules organiques partiellement enrichies trou-ves dans les mtorites. La dcouverte de la non-conservation de la paritdans les interactions faibles, leffet de la lumire polarise circulairement oudu champ magntique en prsence de lumire peuvent aussi expliquer lori-gine de la biochiralit. Toutes ces thories ont nanmoins un point commun.Lexcs nantiomrique escompt reste extrmement faible et la ncessit dunprocessus damplification de la chiralit est imprative [24].

Un sicle et demi aprs la dcouverte de Pasteur, lactualit du mondechiral est toujours brlante et anime bon nombre de scientifiques aussi bienen sciences fondamentales quen sciences appliques o, on le comprend, desconsquences conomiques et sociales considrables en dpendent.

2.9 Le Collge de France et la strochimieNous ne pouvons terminer cet historique sans parler du Collge de France

qui a t un haut lieu de la strochimie. Alain Horeau [25] y fit une carrirebrillante au cours de laquelle il dveloppa la chimie des hormones naturelleset artificielles puis sintressa de plus prs la strochimie : la dtermi-nation de la configuration absolue des alcools secondaires par le ddou-blement partiel , mthode appele aujourdhui mthode de Horeau (voir

chapitre 7.4.2) et les processus damplification pour augmenter les excs nan-tiomriques constituent ses travaux les plus clbres.Alain Horeau fut lun des doctorants de Gustave Vavon (1895-1953). Ce

dernier, dabord professeur la Facult des sciences de Nancy, fut nomm Paris en 1935. Il dveloppa les premires rductions nantioslectives par unractif optiquement actif (le chlorure disobornyle) et fut galement lun desprcurseurs de lanalyse conformationnelle. Alain Horeau tait connu pourtre un excellent enseignant grce en particulier ses clbres cours dispenss

au Collge de France les samedis matins et suivis par de nombreux chimistesde lpoque. Il tait en troite collaboration avec un autre minent stro-chimiste, Jean Jacques (1917-2001), avec lequel il co-dirigea partir de 1956le Laboratoire de Chimie Organique des Hormones au Collge de France,suite la retraite de Marcel Delpine. La carrire de Jean Jacques est gale-ment remarquable, notamment dans le domaine de la synthse des hormoneset de ltude des ddoublements par cristallisation. Jean Jacques tait aussiun historien des sciences et un vulgarisateur hors pair ; il a t lauteur denombreux ouvrages [26]. Il a t le directeur de thse de chimistes franaisrputs, entre autres, dAndr Collet, avec lequel il a co-crit un livre qui


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fait rfrence dans le domaine des mthodes de ddoublement par cristallisa-tion [27] et dHenri Kagan dont la renomme notamment dans le domaine dela synthse asymtrique nest plus faire. Henri Kagan fut dabord nommen 1962 sous-directeur du Laboratoire de Chimie Organique des Hormones

du Collge de France suite la nomination de Jean Jacques comme directeurde recherches au CNRS, puis il prit son indpendance en crant son proprelaboratoire lUniversit dOrsay. Ses travaux dans le domaine de la catalyseasymtrique, la photochimie en lumire polarise circulairement, la synthseasymtrique, la chimie organomtallique et les lanthanides en chimie orga-nique se caractrisent par une grande rigueur et originalit. Il est galementlauteur dun ouvrage de strochimie paru en 1975 et traduit dans de nom-breuses langues [28].

Les travaux dAndr Collet, dont la rdaction du prsent livre, ont tinterrompus suite sa disparition brutale en 1999. Une biographie rsumantsa carrire lui a t consacre [29], et ses rsultats scientifiques seront citstout au long de cet ouvrage.

Bibliographie

[1] Communication dune Note de M. Mitscherlich par M. Biot,C. R. Acad.Sci., 1844,19, 720.

[2] L. Pasteur,C. R. Acad. Sci., 1848, 26, 535. Voir galement : a) L. Pasteur,J.H. vant Hoff, A. Werner,Sur la dissymtrie molculaire, d. ChristianBourgois, Paris, 1986 ; b) L. Pasteur, Cahiers dun savant, CNRS di-tions, Paris, 1995.

[3] L. Pasteur,Recherches sur la dissymtrie molculaire des produits orga-niques naturels, Leons professes la Socit Chimique de Paris le 2janvier et le 3 fvrier 1860.

[4] J. Jacques, A. Collet, S.H. Wilen, Enantiomers, Racemates and Resolu-tions, J. Wiley & Sons, New York, 1981.

[5] E. Paterno, Giornale di Scienze Naturali ed Economische, 1869. VoirD.A. Long,J. Mol. Struct., 1985,126, 9 ; G. Natta et M. Farina,Stereo-chemistry, Longman, London, 1972.

[6] Voir une courte biographie par A. Rocke, Chemistry in Britain, Aot1997, 24.

[7] K. Auwers, V. Meyer, Berichte, 1888, 21, 784. Le terme Stereoche-mische Constitution est utilis pour dfinir celui de Configuration utilis par Wunderlich et Wiscilenus.

[8] A. Werner,Z. Anorg. Chem., 1893,3, 267.[9] A. Werner, A. Vilmos,Z. Anorg. Allg. Chem., 1899,21, 145.

[10] A. Werner,Chem. Ber., 1911,44, 1887 ; V.L. King,J. Chem. Educ., 1942,19, 345.

[11] A. Werner,Chem. Ber., 1914,47, 3087.


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2. Les origines 27

[12] Pierre Curie (1859-1906), prix Nobel de Physique en 1903. P. Curie, J.Physique, 1894,3, 393.

[13] Aim Cotton (1869-1951). A. Cotton, C. R. Acad. Sci., 1895,120, 989.[14] Pour les dbuts de la synthse asymtrique voir J. Jacques, Bull. Soc.

Chim. Fr., 1995,132, 353.[15] G.H. Christie, J.H. Kenner,J. Chem. Soc., 1922,121, 614.[16] K. Freudenberg,Stereochemie, Franz Deuticke, Leipzig, 1933. Antrieure-

ment cet ouvrage, on trouve unPrcis de Strochimiepar A. Hantzsch(Carr, Paris 1896), et La Strochimie, par Freundler, Carr et Naud,Paris, 1899. Citons galementLehrbuch der Stereochemie, par A. Werner,Fischer, Jena 1904.

[17] M. Born,Zeitschrift fr Physik, 1915,16, 251 ;Proc. Royal Soc. A, 1935,150, 84.

[18] C.W. Oseen,Annalen der Physik, 1915,48, 1.[19] F. Gray,Phys. Rev., 1916,7, 472.[20] J.M. Bijvoet, A.F. Peerdeman, A.J. Van Bommel,Nature, 1951,168, 271.[21] D.H.R. Barton,Experientia, 1950,6, 316.[22] Mizushima (1899-1983). Voir : Y. Morino,J. Mol. Struct., 1985,126, 1.[23] Un hommage lhomme et au scientifique a t publi rcemment par

J.I. Seeman,Chirality, 2002, 14, 98. Ernest Eliel a fond Topics in Ste-reochemistry en 1966 ; il a t lauteur de nombreux articles et livres destrochimie : E. Eliel,Stereochemistry of Carbon Compounds, McGraw-Hill, New York, 1962 ; E.L. Eliel, S.H. Wilen,Stereochemistry of OrganicCompounds, J. Wiley & Sons, 1994, p. 18.

[24] Voir les revues concernant lorigine de la dissymtrie du monde vivant : a)S. Mason, dansChiral Separations by HPLC Applications to Pharma-ceutical Compounds. Ed. A.M. Krstulovic, Ellis Horwood Limited, 1989,

pp. 1330 ; b) B.L. Feringa, R.A. van Delden, Angew. Chem. Int. Ed.,1999,38, 34183438 ; c) W. Bonner,Topics in Stereochemistry, 1988,18,1 ; d) A.J. MacDermott, dansChirality in Natural and Applied Science,Ed. W.J. Lough and I.W. Wainer, Blackwell Science Ltd, 2002, pp. 2352.

[25] La vie et luvre dAlain Horeau (1909-1992) a t relate par H. Kagan,La vie des Sciences, C. R. Acad. Sci. Paris, 1993, 10, 517 et Bull. Soc.Chim. Fr., 1994,131, 492 et pages suivantes.

[26] (a) J. Jacques, La molcule et son double, Hachette, Paris, 1992; (b)J. Jacques, Les confessions dun chimiste ordinaire, Seuil, 1981; (c) J.Jacques,Un chimiste au pass simple, Odile Jacob, 2000.

[27] J. Jacques, A. Collet, S.H. Wilen, Enantiomers, racemates and resolu-tion, Wiley 1981.

[28] H.B. Kagan, La Strochimie Organique, Presses Universitaires deFrance, Collection Sup. 1975.

[29] B. Bigot,Lactualit Chimique, dcembre 1999, 44.


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Chapitre 3

Langage et concepts de base

Le langage de la strochimie a volu de faon souvent anarchiqueet parfois contradictoire, au fur et mesure de la dcouverte de nouvelles

structures dont la gomtrie ou les proprits dynamiques obligeaient re-mettre en question les anciennes dfinitions ou mme inventer de nouveauxconcepts. Laffaire est parfois dlicate, en particulier lorsque la flexibilit mo-

lculaire vient introduire une certaine confusion entre conformation et confi-guration, les deux concepts de base de la strochimie. Il existe cependant unconsensus en ce qui concerne les principes essentiels que nous allons brive-ment prsenter ici.

3.1 Composition et Constitution

Un difice molculaire est dabord caractris par sa composition, lenombre et la nature des atomes qui le constituent. Ainsi, la compositionlmentaire de leau est symbolise par la formule H2O, celle du mthanepar CH4, celle de lacide tartrique par C4H6O6. Cette notation exprime quelacide tartrique comprend quatre atomes de carbone, six dhydrogne et sixdoxygne, mais ne nous dit pas comment ces atomes sont connects, ni siplusieurs arrangements sont possibles. Pour leau comme pour le mthane ilnexiste quun seul arrangement (donc une seule espce chimique), mais laformule C4H6O6 peut reprsenter diffrents difices (parmi lesquels lacidetartrique)1.

Pour une mme composition lmentaire, il peut exister diffrentes struc-tures molculaires, appeles isomres de constitution, qui diffrent par la faondont les atomes sont connects. Le terme isomrie a t invent par Berzelius

1Dans certaines circonstances, il est utile de tenir compte de la prsence des diversisotopes des lments. Comme il existe 3 isotopes de lhydrogne (1H, 2H [ou D] et 3H [ou

T]) et autant de loxygne (16

O, 17

O, 18

O), la formule H2O peut reprsenter en ralitdix-huit espces diffrentes, parmi lesquelles, ltat naturel, leau ordinaire 1H16O1Hest trs largement majoritaire.


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en 1830 pour expliquer la diffrence entre les acides cyanique (HOCN) etfulminique (CNOH), qui malgr leurs compositions identiques possdent desproprits diffrentes [1]. titre dillustration, la figure 3.1 montre quelquesisomres de constitution correspondant la formule lmentaire C7H8O qui

vont nous permettre dillustrer les principes de base de la strochimie. Cesdiffrents isomres sont reprsents par des formules planes selon un symbo-lisme qui, pour lessentiel, tait dj en usage la fin du xixe sicle.

Fig.3.1 Quelques isomres de constitution de C7H8O.

La formule plane constitue un graphe de connectivit dont ltablissementsuppose connues les rgles permettant dtablir lexistence de liaisons chi-miques entre deux atomes. En rsum, disons simplement quune liaison r-sulte de la mise en commun dlectrons entre les couches externes de deuxatomes, en respectant leurs valences et les principes de la mcanique quan-tique. Ainsi, dans le mthane CH4, il existe quatre liaisons CH ; en revanche,

il nexiste pas de liaisons entre les atomes dhydrogne. En dfinitive, une liai-son chimique entre deux atomes est caractrise par une longueur et par unenergie, deux paramtres dpendants de la nature des atomes considrs, etdu type de la liaison, qui peut tre covalente simple, double ou triple (commeCC, C=O, ou CN), ou dative ( N+O).

3.2 Conformation

La conformation dcrit la disposition spatiale des atomes dune molculeen termes de gomtrie, figure par un ensemble de coordonnes (x,y,z). Cescoordonnes peuvent varier de faoncontinue, exprimant ainsi la flexibilit deldifice molculaire. Dans la figure 3.2, chacune des structures isomres1 5est unique, ce qui signifie quelle ne reprsente quune seule espce chimique.La strochimie se rduit ici ltude des conformations que peuvent adopterces molcules.

La conformation exprime la capacit dune molcule de se dformer, sansque la connectivit de ses atomes soit modifie. Ces dformations seffectuent


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3. Langage et concepts de base 31

Fig.3.2 Quelques isomres de constitution de composition C7H8O. La structure1 est rigide, tandis que les autres prsentent une infinit de conformations pos-

sibles rsultant de la rotation autour des liaisons indiques (24) ou de la rotationconcerte autour des liaisons simples du cycle (5).

plus ou moins facilement selon le type de structure, que lon pourra caract-riser par sa rigidit ou sa flexibilit. Lensemble des conformations accessibles une molcule donne peut tre prcis par les coordonnes de ses atomes,et leurs variations. Le caractre essentiel du concept de conformation, qui le

distingue de celui de configuration que nous verrons plus loin, est sa naturecontinue.

La structure bicyclique1peut ainsi tre considre comme rigide (en igno-rant ses vibrations) ; elle ne possde donc quune seule conformation. Toutesles autres molcules de cette figure prsentent des degrs divers une flexi-bilit conformationnelle. Pour 2, 3et 4, le squelette carbon est rigide, maisla rotation (ou torsion) autour des liaisons COH, ArOCH3et OCH3, Ar

CH3et ArOH, respectivement, est pratiquement libre (Ar reprsente le cyclearomatique). Dans le cas de 5, il existe autant de possibilits de torsion quede liaisons simples, ce qui confre au cycle lui-mme une certaine flexibilit.Pour ces molcules non rigides, il existe en ralit une infinit de confor-mations possibles. Toutefois, certaines sont plus stables que les autres ; cesconformations particulires sont appeles isomres conformationnels ou plussimplement conformres.

Lobjet de lanalyse conformationnelle est prcisment didentifier ces

conformres et dtablir la barrire dnergie qui les spare. La hauteur de cettebarrire caractrise en effet la dynamique de la molcule, cest--dire sa flexi-bilit. Ell

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