4.6: Molécules avec plusieurs centres chiraux

Les molécules possédant plusieurs centres chiraux peuvent produire un grand nombre de stéréoisomères. Par exemple, alors que certaines molécules comme le 2-butanol ont un centre chiral, défini comme un atome de carbone tétraédrique auquel sont attachés quatre substituants différents, plusieurs molécules comme le butane-2,3-diol ont plusieurs centres chiraux. Une formule simple pour prédire le nombre de stéréoisomères possibles pour une molécule avec n centres chiraux est 2ⁿ. Cependant, il peut y avoir un nombre inférieur lorsque certains des stéréoisomères sont des images miroir superposables les uns des autres et, par conséquent, représentent la même molécule. Par exemple, le butane-2,3-diol avec ses deux centres chiraux peut en avoir 2², soit quatre configurations possibles. Bien que RR et SS soient des images miroir l’un de l’autre, ils ne sont pas superposables et sont donc chiraux. Cependant, RS et SR sont également des images miroir l’une de l’autre mais sont superposables et constituent la même molécule. Par conséquent, le butane-2,3-diol ne possède que trois stéréoisomères distincts sur les quatre potentiels.

Dans ce contexte, la compréhension d'un centre chiral vis-à-vis d'une molécule chirale est vitale. Cela dépend fondamentalement de la symétrie moléculaire – qu’il s’agisse d’un plan ou d’un centre de symétrie ou d’un axe incorrect de symétrie de rotation. Les molécules avec un plan de symétrie ou un centre de symétrie possèdent des images miroir superposables et sont donc achirales. Cependant, lorsque les deux sont absents, la molécule est toujours achirale si la rotation de l'objet autour d'un axe crée une image miroir de la molécule dans un plan perpendiculaire à l'axe. Un tel axe est appelé axe de rotation impropre.

Un seul centre chiral exclut la possibilité de toute symétrie dans la molécule, et donc les molécules avec un seul centre chiral sont toujours chirales. L'affirmation de la chiralité d'une molécule comportant plusieurs centres chiraux ne peut se faire qu'après avoir évalué la symétrie de la structure moléculaire. Les molécules avec plusieurs centres chiraux et une configuration achirale sont appelées composés méso. Un exemple célèbre est l’acide méso-tartrique illustré à la figure 1 (c).

Figure 1 : Structures squelettiques en projection Fischer des énantiomères de l'acide tartrique - (a) acide ʟ-tartrique, (b) acide ᴅ-tartrique et (c) acide méso-tartrique

Rappelons qu’un centre chiral dans une molécule, comme dans le (R)-2-butanol, est un atome tétraédrique avec quatre substituants différents. Certaines molécules, comme le butane-2,3-diol, ont plusieurs centres chiraux.

Alors que les molécules avec un seul centre chiral sont toujours chirales, les molécules avec plusieurs centres chiraux peuvent avoir des configurations achirales.

Une molécule avec n centres chiraux a 2ⁿ configurations possibles. Si une configuration peut être superposée à une autre, ces deux configurations représentent la même molécule. Ainsi, il peut y avoir moins de stéréoisomères distincts que de configurations possibles.

Par exemple, le butane-2,3-diol a deux centres chiraux et quatre configurations possibles. Les configurations RR et SS sont des images miroir l’une de l’autre, car la configuration de chaque centre chiral est inversée.

Bien que leurs conformations de plus basse énergie ne semblent pas être des images miroir dans l’ensemble, chaque centre chiral est toujours l’image miroir de son partenaire.

Ici, il n’y a aucun moyen de faire pivoter les configurations RR et SS pour les rendre superposables, même dans leurs conformations moins favorables énergétiquement mais exactement en miroir. Ainsi, ils forment une paire énantiomérique.

L’autre paire de configurations, RS et SR, est superposable après une rotation de 180°, c’est-à-dire qu’il s’agit de la même molécule. Par conséquent, le butane-2,3-diol n’a que trois stéréoisomères distincts, dont l’un est achiral. Ce stéréoisomère achiral est appelé composé méso.

Presque tous les composés méso ont un plan de symétrie ou un centre de symétrie. Ces molécules sont transformées en leurs images miroir par une rotation de 180°.

Cependant, une molécule avec plusieurs centres chiraux qui n’a pas ces éléments peut encore être superposable sur son image miroir par une rotation de moins de 180°. S’il existe une telle rotation, les deux configurations représentent le même composé méso.