Pour de nombreux étudiants en chimie qui étudient la stéréochimie, la difficulté réside dans la distinction entre les énantiomères et les diastéréoisomères. Il s’agit de composés moléculaires courants présentant des caractéristiques différentes bien qu’ils soient des stéréoisomères, c’est-à-dire des composés ayant la même formule moléculaire et structurelle, mais dont les atomes sont orientés différemment. Cet article vous éclairera sur la différence entre ces deux composés courants.
Tout d’abord, qu’est-ce que la stéréochimie ? Il s’agit de l’étude de la disposition spatiale des atomes dans un composé. Les énantiomères et les diastéréoisomères font partie des stéréoisomères – même formule structurelle et moléculaire avec une disposition différente des atomes dans chacun d’eux. Il convient de noter que les stéréoisomères peuvent inclure de nombreux composés autres que les énantiomères et les diastéréoisomères. Il peut s’agir de conformères et d’atropisomères. Nous nous concentrons, entre autres, sur les diastéréoisomères et les énantiomères.
Que sont les énantiomères ?
Il s’agit de molécules chirales qui sont des images miroir l’une de l’autre et qui ne sont pas superposables. Une molécule chirale a une image qui n’est pas la même que son image miroir et elle est typiquement caractérisée par un centre de carbone auquel sont liés quatre atomes différents. Ces atomes doivent être chimiquement distincts pour qu’une molécule soit qualifiée de chirale et donc d’énantiomère. Le carbone tétraédrique auquel sont attachés les différents atomes est appelé stéréocentre. Voir ci-dessous la différence entre un carbone considéré comme chiral et celui qui ne l’est pas.
Fig 1 : Illustration d’une molécule chirale et non chirale
Étant donné qu’il existe une légère différence dans la disposition spatiale des atomes des molécules énantiomères, le système de dénomination Cahn-Ingold-Prelog a été établi. Les deux molécules ont la même formule et la même structure d’atomes, de sorte que pour les identifier, nous devons étiqueter l’une S et l’autre R, en fonction de la configuration des atomes dans le sens des aiguilles d’une montre, de la masse atomique la plus faible à la masse atomique la plus élevée. Par exemple, un carbone stéréocentrique avec du brome, du chlore, du fluor et de l’hydrogène attachés respectivement dans le sens des aiguilles d’une montre, la molécule se verra attribuer un R, et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, la molécule se verra attribuer un S parce que le brome a la masse atomique la plus élevée et l’hydrogène la plus faible.
La disposition de ces atomes contribue en fait à déterminer les propriétés de la molécule. Considérons les structures de bromochloroflurométhane ci-dessous :
Il est évident que l’orientation de l’hydrogène et du fluor est différente, mais qu’il s’agit du même composé moléculaire. Vous aurez beau faire tourner la molécule de droite, elle n’aura jamais la même orientation que la molécule de gauche. Si, par exemple, vous essayez d’intervertir le fluor et l’hydrogène, le brome et le chlore changeront également de position. Cela explique clairement les concepts d’énantiomères non superposables et d’images miroir.
Pour nommer les molécules, la lettre S ou R est attribuée au chiral (stéréocentre). Les constituants, c’est-à-dire le fluor, le chlore et le brome, sont étiquetés de la masse atomique la plus élevée à la masse atomique la plus faible (1, 2, 3). Le brome, qui a la masse la plus élevée, se voit attribuer la lettre 1, le chlore la lettre 2 et le fluor la lettre 3. Si la rotation est de 1 à 3 dans le sens des aiguilles d’une montre, le centre chiral est désigné par R, si elle est dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, par S. C’est ainsi que le système Cahn-Ingold-Prelog fonctionne pour distinguer les énantiomères les uns des autres. Cela devient simple lorsque nous travaillons avec un centre chiral auquel sont attachés quatre substituants uniques. Un énantiomère peut avoir plus de deux centres chiraux.
Les molécules des énantiomères sont distinctes en termes de disposition spatiale des atomes, mais elles ont les mêmes propriétés chimiques et physiques. Cela dit, elles ont les mêmes points de fusion et d’ébullition, ainsi que de nombreuses autres propriétés. Leurs forces intermoléculaires sont identiques, ce qui explique les mêmes propriétés. Mais leurs propriétés optiques sont différentes parce qu’ils font tourner la lumière polarisée dans des directions opposées, bien qu’en quantités égales. Cette différence de propriétés optiques permet de distinguer les molécules énantiomères.
Que sont les diastéréoisomères ?
Il s’agit de composés stéréoisomères dont les molécules ne sont pas des images miroir l’une de l’autre et ne sont pas superposables. L’exemple parfait de diastéréoisomères est la structure des isomères cis et trans. Voir les structures du cis-2-butène et du trans-2-butène ci-dessous :
Les composés sont identiques mais l’arrangement est différent, et ils ne sont pas des images miroir l’un de l’autre. Lorsque les CH3 sont du même côté, le composé est cis et lorsque l’autre est échangé avec l’atome d’hydrogène, nous appelons le composé trans. Mais les structures cis et trans ne sont pas les seuls exemples de diastéréoisomères. Il existe une multitude de molécules de ce type, pour autant qu’elles présentent des arrangements spatiaux d’atomes qui ne sont pas des images miroir les uns des autres et qui ne sont pas superposables.
Contrairement aux énantiomères, les diastéréoisomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes. Les diastéréoisomères ont deux stéréocentres, l’autre structure moléculaire pouvant imiter les configurations des énantiomères tandis que l’autre a la même configuration. C’est ce qui les distingue des énantiomères, car il est impossible que ces structures soient des images miroir l’une de l’autre.
Le tableau ci-dessous met en évidence les principales différences entre les énantiomères et les diastéréoisomères :
Récapitulons !
Les énantiomères et les diastéréoisomères sont des stéréoisomères ayant la même formule moléculaire et structurelle, mais une disposition/configuration différente des atomes qui composent leurs structures. Nous avons vu que les molécules énantiomères sont des images miroir l’une de l’autre et que les diastéréoisomères ne sont pas des images miroir. Les deux molécules ne sont pas superposables.
Les énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques et physiques mais diffèrent au niveau des propriétés optiques car certains font tourner la lumière polarisée dans des directions opposées. Par ailleurs, tous les diastéréoisomères n’ont pas la même activité optique.
Nous avons également vu comment la dénomination des structures des énantiomères se déroule avec le système de dénomination R et S attribué sur la base de la masse atomique des substituants attachés au centre chiral. Dans les diastéréoisomères, une seule structure présente les configurations R et S, tandis que l’autre présente les mêmes configurations. C’est ce qui les distingue des images miroir des énantiomères.