Structure spatiale et chiralité
La caractéristique la plus importante des acides hétérofonctionnels est l'énantiomérie, un type d'isomérie qui apparaît lorsqu'il y a un atome de carbone asymétrique (centre chiral) dans la molécule. Cet atome de carbone central doit être lié à quatre substituants différents.
Examinons le concept de chiralité à l'exemple du 3-méthylpent-1-ène. Les substituants suivants sont attachés à l'atome central (par ordre de complexité structurale) :
- Hydrogène (–H)
- Groupe vinyle (–CH=CH₂)
- Groupe méthyle (–CH₃)
- Groupe éthyle (–C₂H₅)
La présence de quatre substituants différents fait que la substance peut exister sous la forme de deux structures spatiales : les énantiomères droit et gauche. Pour représenter les isomères optiques sur un plan, on utilise des formules de projection. Le modèle tétraédrique de la molécule est disposé de telle sorte que les liaisons horizontales (par exemple H–OH) « regardent » l'observateur, tandis que les liaisons verticales du squelette carboné se trouvent à l'arrière-plan. Un exemple classique est l'acide lactique : si dans la projection le groupe hydroxyle (OH) est à droite, il s'agit de l'acide D-lactique ; s'il est à gauche, il s'agit de l'acide L-lactique.
Propriétés des énantiomères
Les énantiomères se rapportent l'un à l'autre comme un objet et son image dans un miroir qui ne peuvent pas être superposés dans l'espace.
Propriétés physiques des isomères optiques sont pratiquement identiques : leurs températures d'ébullition, de fusion et leur solubilité coïncident. La seule différence fondamentale réside dans leur capacité à faire tourner le plan de polarisation de la lumière : un isomère dévie le rayon vers la droite, et l'autre vers la gauche.
Propriétés chimiques coïncident également entièrement lors de réactions avec des réactifs usuels ( achiraux ). C'est pourquoi une synthèse de laboratoire classique donne toujours un racémate, un mélange d'énantiomères en quantités égales. La différence de réactivité ne se manifeste que lors de l'interaction avec d'autres substances chirales. On peut comparer cela à un gant droit et un gant gauche : ils ont l'air identiques, mais la différence ne devient évidente que lorsque vous essayez de les enfiler sur une main (qui est elle-même un objet chiral).
Importance biologique de la stéréosélectivité
Contrairement au ballon du chimiste, les organismes vivants font preuve d'une stéréosélectivité stricte. Les cellules sont capables de synthétiser et d'utiliser uniquement des énantiomères strictement déterminés de composés biologiquement importants, et les formes gauches ne sont jamais interchangeables avec les formes droites.
Par exemple, toutes les protéines naturelles sont composées uniquement d'énantiomères L d'acides aminés. En même temps, le glucose formé lors de la photosynthèse des plantes et qui nourrit les organismes animaux est représenté exclusivement par l'isomère droit — le D-glucose. Il convient de noter que le sens biologique profond et les conditions préalables à l'évolution de cette « pureté chirale » de la biosphère ne sont pas entièrement élucidés par la science.
Méthodes d'obtention
Les acides hétérofonctionnels peuvent être synthétisés de différentes manières. L'une des méthodes consiste à les obtenir via des aldols (conversion d'un aldéhyde en aldol suivie de l'oxydation du groupe aldéhyde en groupe carboxyle). Cependant, la plus courante est la synthèse par l'intermédiaire de dérivés halogénés.
Examinons cette méthode à l'exemple de l'obtention de l'acide α-hydroxypropionique (lactique) à partir de l'acide propionique. Le processus se déroule en trois étapes :
- Chloration. Substitution d'un atome d'hydrogène en position α. L'acide propionique réagit avec le chlore en présence de phosphore pour former de l'acide α-chloropropionique et du chlorure d'hydrogène.
- Hydrolyse. Substitution de l'atome d'halogène par un groupe hydroxyle à l'aide d'un excès d'hydroxyde de sodium (NaOH). En même temps, l'acide est neutralisé et il se forme le sel de sodium de l'acide α-hydroxypropionique, de l'eau et du chlorure de sodium.
- Acidification. Pour isoler l'acide organique libre du sel obtenu, on ajoute de l'acide sulfurique (H₂SO₄) au mélange. Il en résulte la formation de l'alcool-acide cible et du hydrogénosulfate de sodium.
Particularités des réactions chimiques
Le comportement chimique d'acides hétérofonctionnels spécifiques est déterminé par l'ensemble des groupes fonctionnels qu'ils contiennent. La présence à la fois des groupes hydroxyle et carboxyle ouvre des possibilités d'interactions intermoléculaires.
Par exemple, lors du chauffage de l'acide lactique en présence d'acide sulfurique, il se produit une réaction de dimérisation. Le groupe hydroxyle d'une molécule réagit avec le groupe carboxyle d'une autre molécule. En conséquence, une liaison ester se forme entre deux molécules d'acide lactique et de l'eau est libérée.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quel produit spécifique se forme lors de la dimérisation de l'acide lactique en présence d'acide sulfurique ?
Lors de la dimérisation de l'acide lactique en présence d'acide sulfurique, il se forme un ester composé de deux résidus de la molécule initiale. Le processus se déroule par chauffage et consiste en l'interaction de deux molécules d'acide avec la formation d'une liaison ester. À la suite de cette réaction, un composé chimique est synthétisé avec la formule développée suivante : $\text{CH}_3\text{CH}(\text{OH})-\text{COO}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{COOH}$.
Quels acides hétérofonctionnels sont des métabolites intermédiaires du cycle de Krebs ?
Les métabolites intermédiaires du cycle de Krebs sont l'acide oxaloacétique et l'acide citrique. Les composés suivants participent à ce processus :
- L'acide oxaloacétique — se combine à l'acétyl-CoA au début du cycle et est régénéré à sa fin.
- L'acide citrique — un acide tricarboxylique formé lors de la première étape et subissant ensuite sept réactions d'oxydation successives.
Pour ne pas confondre les formules de projection : l'isomère D signifie « Droit » (groupe hydroxyle à droite) — associé au mot Dexter (latin) ou à la main droite. L'isomère L signifie « Gauche » (OH à gauche), facile à retenir avec le mot anglais Left.
Questions des cours et des examens
En quoi consiste la seule différence de propriétés physiques entre énantiomères ?
La seule différence physique est le sens de rotation du plan de polarisation de la lumière : un isomère fait tourner le rayon vers la droite et l'autre vers la gauche d'un angle exactement identique.
Pourquoi les substances optiquement pures sont-elles rarement obtenues par synthèse en laboratoire ?
Dans les réactions chimiques ordinaires utilisant des réactifs achiraux, la probabilité de formation des deux isomères spatiaux est égale. Par conséquent, il se forme un racémate, un mélange d'énantiomères dans une proportion de 1:1.
Quel énantiomère d'acides aminés est utilisé par les cellules pour construire les protéines ?
Les organismes vivants possèdent une stricte stéréosélectivité et construisent leurs protéines exclusivement à partir d'isomères gauches — les énantiomères L des acides aminés.
À étudier également sur le sujet
- Mécanisme de la réaction de chloration en position α en présence de phosphore
- Spécificité de l'obtention des alcools-acides par la réaction de formation d'aldols
- Algorithme de classement des substituants lors de la détermination de la configuration du centre chiral
- Mécanisme de formation de la liaison ester lors de la dimérisation de l'acide lactique catalysée par un acide
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