4.5: Propriétés des énantiomères et activité optique

Il est essentiel de comprendre la différence entre les interactions chirales et achirales et leurs implications dans l'activité optique et leurs applications. Tout comme nos pieds, qui sont chiraux, interagissent uniquement avec des objets chiraux, comme une paire de chaussures, mais de manière identique avec des chaussettes achirales, les énantiomères d'une molécule présentent des propriétés différentes uniquement lorsqu'ils interagissent avec d'autres milieux chiraux. Un exemple d’implication significative de cette facette est le phénomène connu sous le nom d’activité optique, dans lequel les énantiomères interagissent différemment avec la lumière polarisée dans le plan, entraînant la rotation de la lumière polarisée dans une direction spécifique.

La lumière polarisée est constituée de vecteurs de champ électrique oscillant dans un seul plan. Ceux-ci subissent une rotation définie, caractéristique de la solution moléculaire à travers laquelle passe la lumière polarisée. Un énantiomère fera tourner le plan dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et est appelé lévogyre, tandis que l'autre énantiomère fera tourner le plan dans le sens des aiguilles d'une montre et est appelé dextrogyre. La rotation observée est fonction de la rotation spécifique de la solution, de la concentration du soluté et de la longueur du trajet cellulaire à une température spécifique. Les énantiomères (+)- et (-)- possèdent la même ampleur de rotation spécifique, bien qu'avec des signes opposés. La rotation observée à partir d’une solution permet d’estimer l’abondance relative d’un énantiomère, définie comme l’excès énantiomérique ou « ee ».

La rotation optique spécifique [α] d'une substance liquide est l'angle de rotation mesuré à l'aide de la technique de polarimétrie de la manière suivante :

Ici, « α » est la rotation observée, « l » est la longueur de la couche observée en mm et « c » est la concentration. Dans la Pharmacopée Internationale, la rotation optique spécifique est exprimée par :

Ici, l’exposant « T » est la température et l’indice « λ » est la longueur d’onde de la lumière.

Un objet chiral et son image miroir, comme nos pieds, interagissent différemment avec d’autres objets chiraux, comme une paire de chaussures.

Par exemple, nos pieds gauche et droit ne peuvent s’adapter que dans les chaussures gauche et droite, respectivement, et non l’inverse. En revanche, un objet achiral tel qu’une chaussette peut être porté aussi bien sur les deux pieds.

De même, les énantiomères d’une molécule ne présentent des propriétés différentes que lorsqu’ils interagissent avec d’autres milieux chiraux.

Par exemple, les énantiomères interagissent différemment avec la lumière polarisée dans un plan, un phénomène connu sous le nom d’activité optique.

La lumière polarisée a des vecteurs de champ électrique oscillant dans un seul plan, qui est tourné d’une certaine quantité lorsque la lumière polarisée passe à travers une solution d’un énantiomère.

Ici, la lumière polarisée peut être interprétée comme une superposition de polarisations circulaires chirales gauches et droites de la lumière. Lorsque la lumière polarisée traverse la solution, les molécules d’énantiomère interagissent davantage avec une polarisation circulaire. Cela se traduit par la rotation de la lumière polarisée dans une direction spécifique.

Par exemple, le (R)-2-butanol fait pivoter le plan dans le sens inverse des aiguilles d’une montre et est appelé lévogyre. L’autre énantiomère, le (S)-2-butanol, tourne le plan dans le sens des aiguilles d’une montre et est appelé dextrogyre.

À une température donnée, le degré de rotation observé d’une solution d’un énantiomère dépend de la rotation spécifique de l’énantiomère, de la concentration de l’énantiomère et de la longueur du trajet de la cellule.

Les énantiomères, tels que le (R)-2-butanol et le (S)-2-butanol, ont la même amplitude de rotation spécifique mais avec des signes opposés. En tant que tel, un mélange équimolaire d’énantiomères ne présente aucune rotation nette de la lumière polarisée. Un tel mélange est appelé mélange racémique.

La rotation observée à partir d’un échantillon peut être utilisée pour calculer l’abondance relative d’un énantiomère par rapport à l’autre, définie comme un excès énantiomérique ou ee. Alors qu’une solution pure d’un énantiomère a un ee de 100 %, les mélanges racémiques ont un ee de 0 %.