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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…
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.
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Q1: How many stereoisomers can a molecule with multiple chiral centers have?
A molecule with n chiral centers has 2n possible configurations. For example, butane-2,3-diol with two chiral centers can have 2² = 4 possible configurations. However, not all configurations represent distinct stereoisomers because some may be superposable mirror images. Butane-2,3-diol actually has only three distinct stereoisomers despite four possible configurations.
Q2: What is a meso compound and how does it relate to molecular symmetry?
A meso compound is an achiral stereoisomer with multiple chiral centers that possesses a plane of symmetry or center of symmetry. These molecules are transformed into their mirror images by a 180° rotation, making them superposable on their mirror images. Meso-tartaric acid is a famous example of a meso compound with two chiral centers.
Q3: Why are RR and SS configurations of butane-2,3-diol enantiomers?
The RR and SS configurations are mirror images of each other because each chiral center's configuration is inverted. They cannot be superposed through any rotation, even when considering less energetically favorable but exactly mirrored conformations. This non-superposability makes them an enantiomeric pair.
Q4: How do RS and SR configurations differ from RR and SS in butane-2,3-diol?
RS and SR configurations are superposable after a 180° rotation, meaning they represent the same molecule rather than distinct stereoisomers. In contrast, RR and SS configurations cannot be superposed by any rotation. This distinction explains why butane-2,3-diol has only three distinct stereoisomers instead of four.
Q5: Why are molecules with only one chiral center always chiral?
A single chiral center precludes any symmetry in the molecule, preventing the existence of a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation. Without these symmetry elements, the molecule cannot be superposed on its mirror image, making it inherently chiral. This contrasts with molecules having multiple chiral centers, which may be achiral.
Q6: How does an improper axis of rotation make a molecule achiral?
An improper axis of rotation is an axis about which rotation creates a mirror image of the molecule in a plane perpendicular to that axis. When a molecule with multiple chiral centers lacks a plane or center of symmetry but possesses an improper axis, it remains achiral because it is still superposable on its mirror image through this rotational mechanism.
Q7: What determines whether a molecule with multiple chiral centers is chiral or achiral?
Chirality of molecules with multiple chiral centers depends on molecular symmetry evaluation. If the molecule has a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation, it is achiral. Without these symmetry elements, the molecule is chiral. Understanding isomerism constitutional isomers and stereoisomers is essential for determining overall molecular chirality.