Chiralité (chimie) - Définition

Aspects historiques

Une solution faisant tourner le plan de polarisation d'un faisceau de lumière polarisée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre contient un isomère optique (−) (c'est le contraire pour un isomère optique (+)). L'effet magnéto-optique est à l'origine de ce phénomène. Cette propriété a été observée pour la première fois par Jean-Baptiste Biot en 1815 et a acquis une importance considérable dans l'industrie des sucres, la chimie analytique et l'industrie pharmaceutique. Louis Pasteur a montré en 1848 que l'activité optique est liée à la chiralité(Critère de Pasteur).

En chimie de coordination

Si la chiralité est un propriété très présente dans l'histoire et le présent de la chimie organique qui a pour objet les molécules à base de carbone, il faut souligner l'importance de la chiralité dans l'histoire de la chimie de coordination qui s'interesse aux complexes métallique. C'est sur la base d'arguments basés sur la chiralité qu'Alfred Werner a postulé l'importance de la géométrie octaédrique pour les complexes très communs des métaux de transition qui possèdent 6 ligands. Pour prouver leurs théories, Werner et ses collaborateurs ont dû isoler les formes énantiomériquement pures de complexes métalliques. Par ailleurs, ils ont aussi prouvé que la chiralité en chimie n'était pas seulement associée au carbone en isolant le premier complexe énantiomériquement pur qui ne contenait aucun atome de carbone. Pour ces travaux, il a reçu le prix Nobel de chimie en 1913.

Quel énantiomère en biologie ?

Une molécule chirale, un seul énantiomère « naturel » (biologique)

Où est le problème pour la vie ?

Aujourd'hui, les acides aminés « naturels » qui constituent les êtres vivants sont tous alors que, lorsqu'on les synthétise dans des conditions symétriques (expérience de Miller par exemple), on obtient un mélange 50/50 des formes et  : c'est un mélange racémique. C'est semblable pour les sucres : tous les glucides « naturels » (biologiques) sont de la série De manière générale, dans le vivant, un seul énantiomère a été sélectionné à chaque fois que le problème s'est posé. Par exemple, seule la forme de la vitamine C est assimilée par l'organisme.

Pourquoi et comment la vie a-t-elle systématiquement privilégié une des deux formes ? Comment, c'est un mystère. Mais on peut facilement comprendre pourquoi : c'est une économie de moyens. La vie de tous les jours nous en offre des exemples réussis et d'autres ratés. Ainsi, sauf cas très spéciaux, c'est une grosse économie de moyens que, de par le monde, toutes les vis et tous les écrous soient de pas droit (donc des objets chiraux) ; imaginons la pagaille si les vis et les écrous étaient vendus en mélange racémique (50/50)... Pour la même raison d'économie les deux moteurs d'un avion bimoteur tournent dans le même sens. Par contre la marine militaire s'offre le luxe d'équiper ses bâtiments de paires d'hélices tournant en sens inverse.
On peut « voir » dans certains cadres une « compétition » entre 2 formes asymétriques, comme par exemple le sens de circulation sur route, ou sur rails adjacents. Ainsi dans le monde certains états font rouler à droite et d'autres à gauche. Par exemple, dans les deux pays les plus peuplés au monde, l'Inde et la Chine, on ne conduit pas du même côté : à gauche en Inde et à droite en Chine. Pour un constructeur étranger, il faudra donc prévoir deux chaines de montage pour exporter un même modèle d'automobile. Ce qui constitue un gaspillage énorme que la nature a su éviter. En France, les trains se croisent sur leur droite, ils roulent à gauche sur les rails adjacents ; sauf en Alsace où c'est l'inverse.

Pour un début d'explication sur la façon dont l'excès d'un type d'énantiomères des molécules biologiques a été généré, des chercheurs se sont tournés vers l'espace où les phénomènes de radiation peuvent opérer à grande échelle, et c'est l'hypothèse des chercheurs du Argonne National Laboratory aux États-Unis. La traversée de corps à forte orientation chirale produit une lumière polarisée. De fortes sources de lumière polarisée ayant été détectées dans la nébuleuse d'Orion, on suppose qu'il s'y trouve de grandes quantités de molécules énantiomériquement pures.

Propriétés biologiques différentes des énantiomères

Deux énantiomères possèdent des propriétés identiques dans un environnement symétrique. Ainsi un gant de cuisine plat et symétrique conviendra de la même façon à une main droite ou gauche. Par contre un gant droit ne convient pas à une main gauche. En biochimie, un récepteur lui-même chiral peut donc discriminer entre deux molécules énantiomères. Or, nous sommes construits avec des briques élémentaires chirales (acides aminés, sucres, etc.) et, pour ce qui est du vivant, les conséquences de cette situation sont multiples, tout dépendant de la molécule et de son récepteur biologique :

• Un énantiomère peut être doué d'une propriété biologique intéressante, insecticide par exemple, alors que l'autre demeure totalement inactif. C'est le cas de la deltaméthrine.
• Deux énantiomères peuvent avoir des propriétés différentes. Citons comme exemple l'odeur caractéristique du fenouil et de l'aneth, qui est due à l'un des énantiomères de la carvone, tandis que l'arôme de menthe verte est dû à l'autre. De même façon, les deux énantiomères du citronellal donnent les arômes de citron et d'orange.

Ces propriétés peuvent parfois différer de manière beaucoup plus dramatique : par exemple, l'un peut être un médicament efficace et l'autre un poison. Ce danger n'avait pas été compris jusque dans les années 1970. Auparavant, pour des raisons de coût, il était naturel et courant de synthétiser des médicaments sous forme racémique, en postulant qu'un énantiomère était actif et que l'autre n'avait aucune activité biologique. La thalidomide est un exemple classique d'une faillite dramatique de cette hypothèse : l'analgésique a été commercialisée sous forme racémique, mais l'énantiomère censé être inactif s'est avéré provoquer des malformations fœtales (activité tératogène). Néanmoins, les deux formes pouvant se convertir l'une en l'autre in vivo, l'effet tératogène n'aurait pas été évité en n'administrant qu'une forme.