La stéréoisomérie, de Pasteur à nos jours

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Inédit
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
La stéréoisomérie, de Pasteur à nos jours

Structure et transformation de la matière

Corrigé

22

Comprendre

pchT_1200_00_22C

Sujet inédit

Exercice • 3,5 points

1. Les énantiomères

Historiquement, c’est à Jean-Baptiste Biot que l’on doit la découverte dès 1815 de l’aptitude que possède une substance à dévier la lumière polarisée et à Louis Pasteur, dès 1848, celle de l’existence de structures images en miroir l’une de l’autre et non superposables, dénommées énantiomères ou antipodes optiques. Cette découverte fut possible grâce à la séparation des cristaux énantiomères du tartrate double de sodium et d’ammonium (issu de l’acide tartrique) dont les uns sont dextrogyres et les autres lévogyres.

La découverte des relations entre les énantiomères et leur comportement biologique est également l’œuvre de Pasteur. Il a montré que seul le stéréoisomère dextrogyre du tartrate de sodium et d’ammonium était dégradé par une souche de Penicillium. Les travaux de Pasteur ont permis de caractériser une autre structure de l’acide tartrique, inactive sur la lumière polarisée en raison de sa symétrie interne, et différent des deux stéréoisomères cités précédemment.

1 L’acide tartrique est le nom usuel de l’acide 2,3-dihydroxybutanedioïque, qui a pour formule brute C4H6O6 et pour représentation :


Entourer et nommer les groupements caractéristiques présents dans l’acide tartrique. (0,5 point)

2 Expliquer l’existence de plusieurs isomères pour l’acide tartrique. (0,25 point)

3 Dessiner les trois stéréoisomères de l’acide tartrique en représentation de Cram. (0,5 point)

4 Après avoir donné la définition d’un énantiomère, indiquer quelles molécules correspondent aux deux énantiomères séparés par Pasteur. Ces deux molécules sont-elles chirales ? (0,5 point)

5 Qu’est-ce qui distingue ces deux énantiomères ? (0,25 point)

6 Il existe donc un troisième stéréoisomère de l’acide tartrique. Justifier le fait qu’il n’a pas d’action sur la lumière polarisée. (0,25 point)

2. Activité biologique des énantiomères
présents dans les médicaments

Par la suite, l’importance des rapports entre isomères optique et activité biologique a fortement progressé avec la théorie de Esson et Stedman, qui proposèrent, en 1933, un modèle comportant, pour une molécule chirale, trois points de contact avec son récepteur.

C’est à partir de 1984 qu’est soulignée l’importance de la stéréoisomérie en pharmacologie. En effet, lorsque l’activité est présente chez un seul énantiomère, l’autre énantiomère peut être dépourvu d’activité mais aussi donner lieu à des effets indésirables dans un médicament racémique, où sa présence peut représenter 50 % d’impuretés.

Les protéines, les enzymes et les récepteurs biologiques ont une topologie spatiale tridimensionnelle bien définie et asymétrique. Il est évident que des interactions de médicaments chiraux avec les systèmes biologiques peuvent se dérouler plus favorablement lorsque seul l’un des deux énantiomères est présent et non les deux.

La synthèse organique conduit en général à des mélanges racémiques, dépourvus d’activité optique, c’est pourquoi la synthèse asymétrique a été largement développée ces dernières années.

Dans le domaine de la chimie thérapeutique, les séparations des molécules chirales sont très importantes. Il est indispensable de les isoler en vue d’étudier les propriétés biologiques propres à chacune d’elles.

On rencontre plusieurs cas :

  • Des énantiomères présentant la même activité, c’est le cas des cocaïnes (+) et (–) employées comme anesthésiques locaux.
  • Des énantiomères possédant la même activité biologique mais d’intensité différente, le composé le plus actif correspond à celui dont l’affinité de fixation au site actif, ou au récepteur, est la plus forte et implique une interaction stéréosélective. Ainsi l’énantiomère (R)(–) de l’adrénaline est plus vasoconstricteur que son énantiomère (S)(+).

1 Dans le texte, on parle d’un médicament racémique avec 50 % d’impuretés. Expliquer la présence de ces impuretés, à quoi sont-elles dues ? (0,25 point)

2 Quel est l’intérêt de développer la synthèse asymétrique ? (0,25 point)

3 Y a-t-il un intérêt à séparer les deux énantiomères de la cocaïne ? (0,25 point)

4 En appliquant la théorie de Esson et Stedman, expliquer pourquoi l’adrénaline (R)(–) est plus efficace que son énantiomère. (0,25 point)

5 Donner un exemple de fixation qui se fait entre la molécule et son récepteur. (0,25 point)

Partie 1

1 Appliquez les règles de nomenclature pour retrouver les groupes caractéristiques présents sur la molécule.

4 Les informations fournies dans le texte mettent l’accent sur le fait qu’il s’agit d’énantiomères, sachez la définition d’un énantiomère et interprétez cette énantiomérie par la présence de carbone(s) asymétrique(s) sur la molécule.

Lorsque deux carbones asymétriques sont présents, on peut avoir une molécule achirale. Repérez les informations données dans le texte.

Partie 2

1 Appliquez la définition d’un mélange racémique et sachez exploiter les informations données dans le texte.

3 Sachez trier l’information, ici, celle qui est en rapport avec la théorie de Esson et Stedman, pour répondre à la question.

4 Utilisez les notions d’interaction entre les liaisons polarisées et les espèces chargées.

Corrigé

1. Les énantiomères

Attention

Si une molécule a deux carbones asymétriques, vérifiez si elle n’a pas de plan de symétrie.

1 Reconnaître les fonctions organiques

Dans cette molécule, il y a deux groupes hydroxyle –OH et deux groupes carboxyle –COOH :


2 Stéréoisomérie et carbone asymétrique

On constate que les carbones 2 et 3 sont asymétriques puisqu’ils portent quatre atomes ou groupements d’atomes différents. Il va donc forcément exister plusieurs stéréoisomères de l’acide tartrique.

3 Stéréoisomérie et énantiomérie


À retenir

Lorsqu’une molécule contient un seul carbone asymétrique, il y aura 2 stéréoisomères possibles (2 énantiomères). Lorsqu’une molécule possède deux carbones asymétriques, il y aura au maximum 4 stéréo­isomères.

Les deux premiers sont images l’un de l’autre dans un miroir et non superposables, c’est donc un couple d’énantiomères.

En revanche, le composé 3 est superposable à son image 4, il s’agit de la même molécule. On peut remarquer un plan de symétrie dans la molécule. Il existe donc trois stéréoisomères de l’acide tartrique.

4 Énantiomérie

Deux énantiomères sont images l’un de l’autre dans un miroir et non superposables, donc les composés 1 et 2 sont les deux énantiomères séparés par Pasteur. Ce sont deux molécules chirales.

5 Propriété des molécules chirales

Ces deux énantiomères 1 et 2 ont des comportements biologiques différents. L’un permet de dégrader des souches de Pénicillium alors que l’autre non.

6 Stéréoisomérie et plan de symétrie

Le troisième stéréoisomère possède un plan de symétrie, il est donc superposable à son image, c’est une molécule achirale.

2. Activité biologique des énantiomères présents
dans les médicaments

Attention

Bien lire le texte et les documents pour répondre à la partie 2.

1 Un médicament racémique est un médicament contenant un couple d’énantiomères dans les mêmes proportions. Or les deux énantiomères n’ayant pas les mêmes propriétés biologiques ou pharmacologiques, seul l’un des deux est le principe actif. Le second, inactif ou toxique, constitue alors une impureté.

2 L’intérêt de développer la synthèse asymétrique est justement de préparer le seul énantiomère ayant une activité thérapeutique à l’état pur.

3 Il n’est pas nécessaire de séparer les énantiomères de la cocaïne par synthèse asymétrique puisque la deuxième forme est simplement moins active et non nocive. Le coût de production est alors moindre.

4 La différence d’activité entre les deux énantiomères de l’adrénaline peut s’interpréter par la théorie de Esson et Stedman. En effet, l’activité biologique est liée au fait que la molécule doit entrer en contact avec son récepteur. Il est nécessaire que « la molécule ait au moins trois points d’ancrage avec son récepteur ». La plus forte activité de (R)(–) adrénaline s’explique par une meilleure fixation sur son récepteur. En effet, elle possède trois sites de fixation alors que son énantiomère n’en a que deux.

À retenir

Il faut bien faire la différence entre les liaisons covalentes (mise en commun d’électrons), les liaisons hydrogène (entre un hydrogène et un atome O, N ou F), les interactions de Van der Walls (dues à la déformation des nuages électroniques) et l’interaction entre deux charges électriques (on parle aussi de liaisons ioniques).

5 Liaisons hydrogène et ioniques

On peut observer la formation de liaisons hydrogène entre le récepteur et l’énantiomère mais aussi des liaisons entre sites chargés et .