La mutarotation désigne le changement de configuration des sucres autour du carbone anomérique. Ce phénomène traduit ainsi la modification du pouvoir rotatoire. En général, l’exemple le plus proche pour le comprendre est l’épimérisation du carbone hémiacétal. Celle-ci consiste en une réaction chimique provoquant l’interconversion de la configuration des molécules d’oses.

Description 

La mutarotation correspond à une réaction chimique. Ce phénomène produit l’interconversion de la configuration des anomères ou la modification du pouvoir rotatoire qui se manifeste par un déplacement d’équilibre des anomères. L’anomère représente une configuration particulière, notamment dans la chimie des sucres et celle des hémiacétals. Quant à l’hémiacétal ou hémicétal, le terme renvoie à un groupe fonctionnel qui résulte de la réaction de condensation. En principe, il est formé par la réaction d’un alcool et d’un aldéhyde. Il se produit également avec un autre composé chimique qui renferme ce type de groupe fonctionnel. Par conséquent, la mutarotation n’est pas réservée aux molécules d’ose ou aux sucres, bien que ceux-ci constituent l’exemple le plus couramment utilisé pour l’illustrer. Tous les composés cycliques constitués d’un groupe hémicétal permettent d’observer une modification du pouvoir rotatoire.

Dans la chimie des sucres, la mutarotation équivaut à l’épimérisation du carbone hémiacétal. Le fructose, le lactose et le glucose comptent parmi les sucres cycliques, et ils peuvent ainsi changer de configuration. Ces composés révèlent cette réaction chimique de modification de la rotation, également appelée anomérisation.

En revanche, tous les sucres ne sont pas susceptibles de manifester une mutarotation. Les sucres non réducteurs ne renferment pas un groupe libre, que ce soit une fonction aldéhyde ou cétone. Ces propriétés les empêchent ainsi de subir une interconversion des anomères. Le saccharose, le glycogène, le tréhalose et l’amidon sont des sucres non réducteurs ou des sucres complexes. La modification du pouvoir rotatoire concerne uniquement les sucres réducteurs, dont les anomères sont libres et peuvent ainsi s’interconvertir. 

Explication du phénomène 

La compréhension de l’anomérisation ou de la mutarotation nécessite celle des termes fréquemment utilisés dans le concept.

Précisions terminologiques

La structure chimique d’une substance ou d’un composé est indiquée par sa rotation optique. Les éléments déterminants de cette propriété de rotation optique sont notamment la longueur du trajet optique, la longueur d’onde de la lumière et l’angle de rotation. Ces données sont exprimées en degré, avec une rotation pouvant tourner dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens contraire.

La rotation optique est intrinsèque à la notion de polarisation. La lumière montre des propriétés spécifiques qui lui permettent de traverser une substance liquide ou certains types de matériaux. Cette capacité est appelée polarisation, et les ondes lumineuses ou la lumière polarisée vibrent dans un seul plan. La rotation optique survient quand ce plan tourne d’un angle ou subit une rotation. Par ailleurs, l’activité optique est définie comme étant une propriété commune aux composés chiraux ayant une structure asymétrique. Lorsque ces molécules interagissent avec la lumière polarisée, l’activité optique se produit, car le plan de polarisation change.

Notion d’équilibre entre anomères

L’équilibre entre les anomères révèle de nombreuses informations sur les composés. Par exemple, il détermine la réactivité chimique, la rotation optique, la dynamique ainsi que les activités biologiques. Pour atteindre l’équilibre, les anomères passent obligatoirement par l’interconversion de leurs formes et de leur disposition spatiale. 

Importance de la mutarotation

La mutarotation constitue un élément essentiel pour les scientifiques, notamment ceux qui font des recherches en biochimie, en produit pharmaceutique et en science alimentaire. Ces chercheurs utilisent des techniques spécifiques pour mesurer le processus. Parmi les plus connues figure la polarimétrie, qui consiste à surveiller la modification de la rotation optique avec un appareil appelé polarimètre. L’objet de ces études a permis de soulever l’impact de ce phénomène sur les propriétés des sucres. Cette réaction chimique n’affecte pas le goût de ces molécules, mais intervient au niveau des interactions possibles avec d’autres solutions ou d’autres substances. Ces études sur le comportement dynamique des sucres servent également dans la fonction Recherche et Développement des industries. Elles permettent de développer des produits adaptés selon un contrôle qualité plus précis. Bien que plusieurs facteurs influent sur le taux de mutarotation, celui-ci demeure difficilement inhibé. Cette difficulté s’explique par les propriétés associées aux anomères et à leur équilibre. 

Histoire 

La notion de mutarotation a été développée vers la moitié du XIX^e siècle, notamment depuis la première description du phénomène apportée par Augustin-Pierre Dubrunfaut. 

En 1846, ce chimiste français a mené des recherches sur les sucres. Ses études ont abouti à deux conclusions importantes. D’une part, il a observé la rotation des composés de sucre dans des solutions aqueuses. D’autre part, il a également relevé l’origine de cette diminution de l’activité optique de ces composés. Dubrunfaut a nommé le processus « birotation ». En effet, les valeurs de rotation des anomères vont de 110° à 52°. 

En 1855, Otto Linné Erdmann a observé les deux formes cristallines du lactose. Ses recherches ont également permis de découvrir la rotation finale de 52° de la solution. Ces découvertes s’inscrivent dans la compréhension de la mutarotation. D’autres travaux convergent vers des recherches similaires. Par exemple, les expériences menées par Charles Tarnet en 1895 ont conduit à la découverte de l’immuabilité de la rotation finale d’une solution de glucose. 

En 1899, Thomas Lowry a également fait des recherches similaires. Ce chimiste britannique a utilisé le terme « mutarotation » pour désigner le phénomène. Ces travaux ont éveillé la curiosité d’autres scientifiques contemporains, qui ont approfondi les recherches sur le sujet. Parmi les objets d’études figurent l’origine du phénomène, son apparition dans les milieux composés ainsi que son rapport avec d’autres sucres.

Illustrations de la mutarotation avec les sucres cycliques

La chimie des sucres permet d’illustrer concrètement le mécanisme de mutarotation ou d’anomérisation.

Mutarotation de glucose

Le glucose est un sucre cyclique, dont la mutarotation s’explique par les formes diverses du glucose en solution. Néanmoins, ce changement du pouvoir rotatoire exige une certaine stabilité au niveau de la structure. La forme de glucose permettant d’illustrer ce phénomène est donc celui à structure cyclique à six chaînons. Les cristaux de glucose montrent chacun une activité et une forme spécifiques. À la dissolution dans l’eau, ils libèrent une quantité importante de composants individuels de glucose. L’activité optique tend ensuite vers l’équilibre à mesure que le temps passe. Autrement dit, les formes de glucose passent d’un état initial à un équilibre dynamique. L’interconversion se produit et s’interrompt uniquement quand l’équilibre s’établit.

Mutarotation de fructose

Le fructose est un monosaccharide disponible sous plusieurs formes. Il se distingue du glucose par son groupement cétone carbonyle. Cette propriété lui permet de montrer une mutarotation spécifique, car la molécule change de forme à cause de différents facteurs. Ceux-ci peuvent être un changement de température ou la présence de protons acides. Les différences structurelles de la chaîne ouverte expliquent également la diversité des activités optiques qui se produisent. Les formes bêta-fructopyranose et bêta-fructofuranose influent largement sur la mutarotation générée. 

Mutarotation de lactose

Le sucre de lait ou le lactose est un disaccharide avec une liaison glycosidique bêta qui relie la molécule de glucose à la molécule de galactose. La particularité du phénomène avec ce type de sucre cyclique est la lenteur de la vitesse de la mutarotation. En effet, parmi ses propriétés, le lactose révèle une solubilité élevée. Par ailleurs, divers facteurs impactent sur le phénomène, dont la concentration de la solution, la température ou la présence d’autres substances (sucrées ou salées).