logo Essonne

Des molécules à double facette

  • Posté le : Mardi 1 Février 2005
  • |
  • par : S. Belaud
  • |
  • Expert : H. Kagan
  • Actualisé le : Lundi 4 Août 2008
  • |

Certaines molécules se présentent sous deux formes voisines. L'une peut avoir, par exemple, un effet thérapeutique et l'autre un effet toxique. En Essonne, un saut décisif a eu lieu il y a trente-cinq ans, permettant de produire par une approche nouvelle ces molécules très utiles, notamment en pharmacie.

molecules facette intro© SXC

En 1848, Louis Pasteur découvre qu'une molécule peut exister sous deux formes différentes qui n'ont pas les mêmes propriétés. Ces deux formes appelées énantiomères ont pourtant les mêmes enchaînements d'atomes et la même géométrie. Elles sont images l'une de l'autre dans un miroir mais elles ont une particularité : elles ne sont pas superposables. On peut les comparer à deux escargots, dont la spirale de l'un se déroule vers la droite et celle de l'autre vers la gauche. Les coquilles de ces deux escargots sont chirales. Dans les organismes vivants, on trouve beaucoup de molécules chirales, mais la plupart du temps, une seule des deux formes énantiomères est présente. Les chimistes ont cherché à reproduire ces molécules naturelles bien particulières, mais obtenaient toujours un mélange des deux formes de la molécule en quantité égale.

Les deux énantiomères d’un composé chiral n'ont pas le même effet biologique. Parfois, ils sont même complètement différents ! Le menthol, par exemple, peut être obtenu sous deux formes énantiomères qui n'ont pas la même odeur. Un seul des deux est d'ailleurs utilisé dans la fabrication industrielle des bonbons et des dentifrices. De même, l'aspartame qu'on utilise pour remplacer le sucre correspond en fait à un seul énantiomère de ce composé, car l'autre n'a aucun pouvoir sucrant.

Des applications multiples

Ainsi, qu'il s'agisse de fabriquer des additifs alimentaires ou des médicaments, il est très intéressant de connaître les propriétés des deux énantiomères et de pouvoir les obtenir séparément.
Louis Pasteur dans son laboratoireLouis Pasteur a découvert en 1848 cette étrange propriété qu’ont certaines molécules se présentant sous deux formes différentes.
© Musée Pasteur Paris

Les chimistes ont d'abord mis au point une méthode : le dédoublement qui consiste à séparer les deux formes du mélange obtenu lors de la synthèse de la molécule. Une technique couramment utilisée dans l'industrie de la pharmacie, de l'agrochimie, de la parfumerie... Inconvénient : la moitié seulement du mélange produit peut être récupérée. Les chercheurs ont donc imaginé produire directement l'énantiomère désiré. Comment ? Par synthèse asymétrique. On utilise un auxiliaire chiral, une sorte de chef d'orchestre qui va orienter la réaction pour que ce soit majoritairement la forme souhaitée qui soit produite. Et ils ont tenté d'aller plus loin en utilisant les propriétés d'un catalyseur. Celui-ci amplifie la réaction, de sorte qu'on obtient la forme souhaitée en plus grande quantité. Henri Kagan, professeur de chimie à l'université-Paris Sud a été l'un des premiers à réussir à catalyser en 1971 une réaction asymétrique avec succès.

Synthèse et catalyse asymétrique sont des outils précieux pour produire sélectivement une seule des deux formes d'une molécule chirale. Résultat : des molécules dotées uniquement de l'effet biologique souhaité. Un enjeu fondamental pour les industriels de la pharmacie et de l'agrochimie, en particulier.

01.Des molécules dites "chirales"

La chiralité illustrée par les coquilles d'escargotsLa notion de chiralité est comparable à deux coquilles d’escargots. L’une se déroule dans le sens des aiguilles d’une montre, l’autre en sens inverse. Elles ne sont pas superposables.
© Laboratoire de synthèse asymétrique d’Orsay
Les bactéries lactiques, par exemple, utilisent, pour se développer, des sucres qu'elles transforment en acide lactique.
Les chimistes savent aussi produire cet acide, synthétiquement. Mais en les étudiant de près, ils ont constaté que ces acides lactiques apparemment identiques ne le sont pas. Ils n'ont pas la même activité optique. Celui produit par la bactérie est capable de dévier le plan de polarisation de la lumière alors que le second est inactif sur la lumière. C'est en faisant ce type d'observations sur l'acide tartrique que Louis Pasteur a démontré en 1848 que certaines molécules ont la propriété d'exister sous deux formes qui possèdent chacune une activité optique différente, plus exactement de même valeur mais de signe opposé, de sorte que, lorsqu'elles sont mélangées en quantité égale, cette activité s'annule. C'est le mélange des deux formes d'acide lactique en quantité égale que les chimistes obtiennent par synthèse.
Dessin illustrant l'asymétrieVoici un dessin de deux mains et un dessin de deux carbones asymétriques.
© Laboratoire de synthèse asymétrique d’Orsay


Un composé ainsi capable d'exister sous deux formes dotées d'une activité optique différente est dit chiral. Et les deux formes sont appelées énantiomères. Il s'agit bien du même composé car les deux énantiomères possèdent les mêmes enchaînements d'atomes, la même géométrie, les mêmes angles de liaisons et sont l'image l'une de l'autre dans un miroir. Cependant, une chose les distingue : ils ne sont pas superposables. On a l'habitude de les comparer à une main gauche et une main droite. Images l'une de l'autre, elles ne sont pas superposables. C'est dans leur structure tridimensionnelle que se trouve l'origine de cette différence. Les molécules dotées de chiralité possèdent souvent un atome de carbone particulier : il est dit asymétrique. En d'autres termes, chacune de ses quatre liaisons porte un groupe d'atomes différent.

02.Des propriétés différentes et parfois opposées !

Les chimistes s'intéressent à ces molécules chirales car non seulement, les énantiomères n'ont pas les mêmes propriétés physiques mais ils peuvent ne pas avoir non plus les mêmes propriétés biologiques. Ainsi, les deux énantiomères du menthol, un composé présent dans la menthe, n'ont pas la même odeur.

Des feuilles de mentheLe menthol, cette molécule qui donne son goût si caractéristique à la menthe, existe sous deux forme énantiomères. Seule l’une a le goût de la menthe
© Benjamin Turquier

Autre exemple : seul un des deux énantiomères de l'aspartame a un pouvoir sucrant qui est utilisé comme remplaçant du sucre. Et si parfois, l'un des énantiomères a un effet biologique et l'autre non, il arrive aussi que les deux effets soient complètement différents. C'est pour cette raison que dans les années soixante-dix, l'alarme a été donnée quant à l'utilisation médicale de ce type de molécules qui, par synthèse traditionnelle, sont obtenues sous la forme d'un mélange - dit racémique - de leurs deux énantiomères en quantité égale. En effet, à cette époque, la thalidomide, un sédatif doux, était prescrite aux femmes enceintes. Quelques années plus tard, on s'est aperçu que ce médicament provoquait de graves malformations chez les nouveau-nés. Les études ont montré que si l'un des énantiomères était effectivement un sédatif, l'autre était lui responsable des malformations de l'embryon. Dès lors, la législation a progressivement imposé un contrôle rigoureux de l'emploi des mélanges racémiques, désormais considéré comme mélanges de deux composés différents dont les propriétés biologiques doivent être rigoureusement étudiées. Actuellement, la majorité des médicaments est commercialisée sous forme d'un énantiomère à moins que le mélange racémique ne présente des avantages thérapeutiques supplémentaires. Il est donc devenu indispensable d'étudier les effets des deux formes de ces molécules chirales mais aussi de pouvoir les obtenir séparément.

03.Recréer un phénomène naturel

La plupart du temps dans la nature, comme c'est le cas de l'acide lactique produit par la bactérie, un seul des deux énantiomères est présent. Mais lorsqu'on fabrique ces molécules chirales synthétiquement, on obtient toujours, dans des conditions classiques, un mélange racémique qui contient les deux énantiomères en quantité égale. Pourquoi ?

Pour obtenir une molécule C chirale, on fait réagir une molécule A avec un réactif B. La molécule A, par exemple, doit être susceptible par sa structure de donnerMolécule chiraleReprésentation d’une molécule chirale à l’état cristallin.
© J-C. Marchon/CNRS Photothèque
une molécule chirale. Cette molécule précurseur est plane, à l'image d'une feuille de papier. Ainsi, le réactif B a deux possibilités pour attaquer la molécule A ; par la face du dessus (par le recto de la feuille de papier) ou bien par la face du dessous (le verso de la feuille). Selon la face sur laquelle il se fixe, on obtient l'un ou l'autre des deux énantiomères. Or, la probabilité pour que la molécule B attaque par le dessus ou par le dessous est la même, on obtient donc les deux énantiomères de la molécule en quantité égale. Alors comment s'y prendre pour obtenir uniquement l'énantiomère souhaité ?

Le dédoublement a été la première méthode mise au point par les chimistes. Elle consiste à trier pour les séparer les deux formes du mélange racémique obtenu par synthèse classique. Elle est couramment utilisée puisqu'on considère que près de la moitié des molécules chirales utilisées dans l'industrie pharmaceutique sont obtenues de cette façon. Mais en procédant ainsi, seule la moitié du mélange est utilisée. Les chimistes ont alors pensé qu'une solution plus efficace serait d'obliger la molécule B à attaquer toujours la même face, celle qui permettrait d'obtenir le bon énantiomère. Cette synthèse dite asymétrique permet, sinon d'obtenir uniquement le bon énantiomère, du moins de le produire en proportion majoritaire. Pour cela, un élément est ajouté à la réaction : un auxiliaire chiral qui oriente la réaction vers l'énantiomère souhaité. Par exemple, il peut agir en encombrant une face de la molécule A. De cette manière la molécule B n'a d'autre choix que celui d'attaquer l'autre face.

04.Un saut décisif avec la catalyse asymétrique

Les chimistes ont ensuite cherché à améliorer les performances de la synthèse asymétrique. Ils ont tenté de lui associer les avantages d'un catalyseur. Celui-ci a pour effet d'augmenter la vitesse d'une réaction. Si un auxiliaire chiral est lié à un catalyseur, celui-ci permet de synthétiser majoritairement un énantiomère. Si la différence de vitesse est suffisante, on obtient un excès d'un énantiomère par rapport à l'autre qui peut aller jusqu'à ne donner qu'un seul des énantiomères. Ainsi la catalyse asymétrique qui consiste à conjuguer auxiliaire chiral et catalyseur permet d'optimiser la réaction de synthèse, et de produire une plus grande quantité d'énantiomères en utilisant moins d'auxiliaire chiral. Un meilleur rendement, une réaction moins consommatrice de réactifs, deux avantages qui pourraient classer la catalyse asymétrique parmi les procédés de "chimie verte". C'est le chimiste Henri Kagan, professeur à l'université Paris-Sud, qui a réussi pour la première fois en 1971 à catalyser une réaction asymétrique avec succès, c'est-à-dire qui a conduit à la formation d'un large excès d'un énantiomère par rapport à l'autre. Les précédentes tentatives d'hydrogénation asymétrique de doubles liaisons carbone-carbone conduisaient à des excès énantiomériques relativement faibles.
molecule insecticideLe metolachlor est un insecticide produit par catalyse asymétrique.
© SXC

La catalyse asymétrique a maintenant trouvé sa place parmi les procédés industriels et sa plus importante application concerne la préparation d'un herbicide, le métolachlor, produit à 10 000 tonnes par an par la société Novartis. Elle intervient souvent à une étape de synthèse d’un fragment chiral d’une molécule complexe. Elle pourrait intéresser les secteurs très demandeurs de composés énantiomères purs, comme ceux de la pharmacie, de l'agrochimie, de la parfumerie, des additifs alimentaires ou encore des arômes.

Ainsi, si l'analyse et la séparation des énantiomères sont capitales pour l'avancée des recherches dans de nombreux domaines scientifiques, elles le sont aussi pour leurs applications industrielles et commerciales. Les perspectives qu'ouvrent les méthodes d'obtention des énantiomères purs sont donc prometteuses. L'attribution simultanée en 2001 du prix Nobel de chimie à William Knowles, Ryoji Noyori et Barry Sharpless et du prix Wolf de chimie à Henri Kagan, Ryoji Noyori et Barry Sharpless pour leurs travaux sur le développement de la catalyse asymétrique en est d'ailleurs la preuve.

Restez connecté

Suivez-nous : Page Facebook Page Twitter

Lettre d'information :

Vidéo

Cette vidéo nécessite le plug-in gratuit Flash 8.
Il semble que vous ne l'avez pas.
Cliquer ici pour le télécharger

Interview de Xavier Raepsaet - La propulsion nucléaire spatiale

Portraits d'experts

  • Romina Aron Badin, les primates au coeur
  • Jacques-Marie Bardintzeff, une vie consacrée aux volcans
  • Catherine Charlot-Valdieu :  Home sweet home
  • Didier Labille, l’astronomie en amateur professionnel
Free download porn in high qualityRGPorn.com - Free Porn Downloads