CHIMIE ORGANIQUE(Stage de pré-rentrée UE1)

Stéréochimiedes molécules organiques

• Révision ou découverte des différents moyens de représenterles molécules.

• Définir la notion d’isomérie, et comprendre comment deuxmolécules de même formule brute peuvent finalement êtredifférentes.

• Vous faire faire un peu de gymnastique mentale ! Lastéréochimie nécessitant une bonne vision dans l’espace, quipeut s’entrainer.

Objectifs

I – Représentations

1.1 - Formules brute, semi-développée, développée

1.2 - Formule topologique

1.3 - Représentation de Cram

1.4 - Représentation de Fischer

1.5 - Représentation de Newman

II – Isomérie

2.1 – Isomérie plane

2.2 - Stéréoisomérie

Ce petit bonhomme sexy

sera « vous » pendant

toute la durée de l’exposé.

Plan:

1. Formule bruteTrès peu informative, elle indique le nombre et lanature des atomes constituants la molécule.

C3H8

CH3 CH2 CH3

C C C

H

H

H H

H

H

H

H

2. Semi-développéePrécise comment les atomes sont agencés entre eux.Elle ne donne AUCUNE information concernant leuragencement dans l’espace !

3. Développée

Fait apparaitre les atomes d’hydrogène. Finalementassez peu utilisée puisqu’elle peut amener assezrapidement à des écritures très lourdes.

I- Représentations

• Les atomes d’hydrogènes ne sont pas représentés, les carbones étant supposés tétravalents.

• Les atomes de carbone ne sont représentés que par des points et les liaisons par des lignes brisées entre ces points.

• Les fonctions chimiques (COOH, OH…) sont explicitées.

4. Formule topologique

CH3 CH2 CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3 CH C CH2

CH3OHOH

5. Représentation de Cram

Simple trait : Dans le plan

Triangle rempli : en avant, « vers vous »

Triangle haché : en arrière du plan

R représente un groupement quelconque R

4

R3

R2

R1

Cette représentation tientcompte de la stéréoisomériedes molécules !

6. Représentation de FischerA partir de la représentation de Cram.

On se place entre R3 et R4

Et on regarde le carbone du centre.

R4

R3

R2

R1

On voit ceci :

On projette dans leplan intermédiaire

R3

R2

R1

R4

R3

R2

R1

R4

Avec 2 carbones :

R3

R2

R5R

6

R1

R4

R1

R4

R2

R3

R6

R5

Si on est un peu poète…

Cette image pour que vous n’oubliez jamais que les substituants latéraux sont en avant du plan !

A l’origine, cette représentation était prévue pour l’écriture de séries particulières, la série des oses et la série des acide α-aminés.

Par convention, on représentera le carbone le plus oxygéné en haut.

• Un exemple d’ose: l’érythrose

• Un exemple d’acide α-aminé: la L-alanine

H

CH2OH

O

H OH

H OH

HOH2C CHO

OHH H

OH

COOH

NH2 H

CH3

COOH

H

NH2 CH3

NB: Pour les acides aminés, H et NH2 seront toujours les substituants latéraux (en avant)

Sur Fischer il est possible de :

-Permuter les substituants 2 à 2

-Permutation circulaire de 3 substituants

R2

R1

R3

R4

R3

R4

R2

R1

R1

R4

R3

R2

R2

R1

R3

R4

=

=

Application: Jusqu’à présent nous vous avons représenté les molécules « toutes propres », prêtes à être projetées selon les conventions de Fischer !

• Prenons cette fois un autre acide α-aminé, la D-Valine

Représentation de Fischer?

NH2

H

HOOC

CH3

CH3

7. Représentation de Newman

R3

R2

R5R

6

R1

R4

R1

R2

R3

R4

R6

R5

Le carbone en avant est représenté par un point. Le deuxième carbone est représenté par un cercle.

Encore un petit exercice ! Comment représenteriez-vous la molécule suivante selon les conventions de Newman?

(2 possibilités)

OH

H

CH3CH3

C2H5

H

OH

H

CH3CH3

C2H5

H

Diastéréoisomérie

1. « Plane » 2. Stéréoisomérie

Tautomérie

Fonction

Position

Conformation ConfigurationComposés identiques(non dédoublables)

Composés différents(dédoublables)

Composés ayant même formule brute mais des formules semi-dev. différentes

Composés ayant même formule brute et même formule semi-dev.

Enantiomérie

Enantiomérie et diastéréoisomérie impliquent souvent des « carbones asymétriques » (Stéréoisomérie R/S, D/L…). La diastéréoisomérie interesse également la configuration de doubles liaisons (Z/E…)

II- Isomérie

Constitution

1.Isomérie Plane

• Isomérie de constitution-de position : ex. C3H8O

Propan-2-ol Propan-1-ol = Propanol

-de fonction : ex. C3H6O3

Acide lactique Aldéhyde glycérique

CH3 CH CH3

OH

CH3 CH2 CH2

OH

CH3 CH COOH

OH

CH2 CH CHO

OHOH

• Tautomérie

Exemple d’équilibre tautomérique: la céto-énolisation (Ou aldo-énolisation)

Il y a une perte d’un atome d’hydrogène et mouvement de la double

liaison: on passe d’un énol (alcool + double liaison) à une cétone ou un aldéhyde.

Sauf cas particulier, cet équilibre est en faveur de la forme cétone ou aldéhyde.

CH3 C CH3

O

CH3 C CH2

OH

Mécanisme: C’est le moment de réutiliser ce que nous avons vu tout à l’heure concernant les effets électroniques !

• Les hydrogènes en position α d’un groupement carbonyle sont dits « labiles »

• Labilité = Fragilité particulière de la liaison C-H, ces carbones en α sont plus acides.

• Une base faible (qu’on notera B-) parfois arracher un proton à l’un de ces carbones: réaction acido-basique, que nous étudierons la prochaine fois.

CH3 C CH2

O

H

B-

CH3 C CH2

-

O

BH

Formation d’un carbanion

CH3 C CH2

O

H

B-

CH3 C CH2

-

O

CH3 C CH2

O-

Ecriture + correcte de ce qu’on a vu précédemment.Flèche = déplacement de 2 e- On peut écrire deux formes limites de résonnance:

Ion énolate

Cette fois: BH joue le rôle de l’acide, et l’ion énolate le rôle de la base.

CH3 C CH2

O-

B H

CH3 C CH2

OH

Remarque : la base B- est régénérée etcorrespond à la définition d’uncatalyseur -> accélère la réaction sansrentrer en compte dans le bilan final.

2.Stéréoisomérie• Isomérie conformationnelle

Même molécule (non dédoublable).

Passage d’un conformère à un autre par simple rotation autour d’une liaison σ. Demande peu d’énergie.

Conformation Eclipsée Conformation décalée

La conformation décalé est plus stable car il y a moins d’interactions entre les substituants. (phénomène de décompression stérique)

R3

R5R

6R

2

R1

R4

R3

R5

R6

R2

R1

R4

- Conformation éclipsée

- Conformation décalée

R3

R5R

6R

2

R1

R4

R4

R1

R5

R3

R6R

2

R3

R5

R6

R2

R1

R4

R1

R6

R3

R4

R2

R5

• Cas du Cyclohexane

Conformère Chaise Conformère bateau Conformère chaise

Intermédiaire

Conformère chaise plus stable que bateau car moins d’interactions entre les

substituants. (décompression stérique)

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

H H

H H HH

H HH H

H

HH

H

H

H

H

H

H

H

H

H

• Le cyclohexane correspond à un enchaînement cyclique de 6 atomes sp3. Conséquence: Ils adoptent tous une géométrie tétraèdrique.

• Représentation spatiale d’un conformère chaise:

• Changement de conformère chaise: - tout ce qui est vers le bas reste vers le bas, tout ce qui est vers le haut reste vers le haut (Conservation de config absolue)

- tout ce qui est eq passe ax, et inversement

Liaison axiale vers le haut

Liaison axiale vers le haut

Liaison équatoriale vers le haut

Liaison équatoriale vers le haut

Liaison équatoriale vers le bas

Liaison équatoriale vers le bas

Liaison axiale vers le bas

H

H

H

H

H

HH

H

CH3

H

H

H

H

H

H

H

H

H H

H

CH3

H

H

H

Le « bec bleu » passe en bas

Conformère chaise 1 Méthyle axial vers le haut

Méthyle équatorial vers le haut

H

H

H

H

H

HH

H

CH3

H

H

H

Le conformère pour lequel lessubstituants volumineux sont placés enéquatorial est favorisé. (Ici leconformère 2, dans une faible mesure)

Conformère chaise 2

Le « bec rouge » passe en haut

• Isomérie configurationnelleCe sont 2 composés différents (dédoublables)

2 types :

a) Enantiomérie

b) Diastéréoisomérie

Ces deux notions reposent assez largement sur le concept de « carboneasymétrique C* »: carbone ayant ses 4 substituants différents.

Dans un premier temps nous étudierons les règles de nomenclatureassociées à ces carbones asymétriques.

- Nomenclature D/LElle détermine la configuration absolue

d’un C* particulier

Toujours à partir de la projection de Fischer.

Défini par référence au glycéraldéhyde

En Fischer: - l’énantiomère D du glycéraldéhyde a son groupement OH à droite

- l’énantiomère L a son groupement OH à gauche

Attention ! Aucune relation entre D/L et le pouvoir rotatoire (d/l)

Un composé D peut dévier la lumière polarisée: A droite, il est dextrogyre (+)A gauche, il est lévogyre (-)

Cette nomenclature ne s’applique que pour les

oses et acides aminés.

Pour les oses, en représentation de fischer.

Ex : Glucose CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO

La fonction la plus oxygénée en haut (CHO)

On détermine un ose de la série D

si son dernier OH est à droite

La plupart des Oses naturels sont D D-Glucose L-Glucose (image de D)

CHO

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H OH

CHO

CH2OH

OH H

H OH

OH H

OH H

Pour les Acides aminés : même principe

D-alanine L-alanine

N’oubliez pas de bien représenter COOH en haut et CH3 en bas. (Erreur fréquente)

COOH

CH3

NH2 H

COOH

CH3

H NH2

Exercice : Déterminez la série des oses suivants

CH2OH

OH H

H OH

H OH

O

CH2OH

CHO

CH2OH

H OH

OH H

OH H

H OH

CHO

CH2OH

HOH

OHH

OHH

HOH

-Nomenclature R/S

On détermine la configuration absolue d’un C* à partir d’un classement de ses substituants.

Classement basé sur les numéros atomiques (Z) des atomes liés au C*

(Convention de Cahn, Ingold et Prelog)

ZO = 8 > ZN = 7 > Zc = 6 > ZH = 1

NB: Dans le cas d’isotopes (de l’hydrogène souvent: deutérium D…), on classe par masse atomique décroissante.

Pour commencer, on détermine l’ordre des constituants (analyse séquentielle),on « éclate » les groupements.

• Analyse séquentielle de 1er ordre:

Le Z le plus fort est celui de O (Z=8), il est classé n°1.

Le Z le plus faible est celui de H (Z=1), il est classé n°4.

À partir du premier atome lié au C*, on ne peut rien dire concernant l’ordre de priorité de CH3 et de C2H5 : passage à l’analyse séquentielle de 2ème ordre.

C2H5

HOH

CH3

H

C

HO

C

CH3

H

H

HH

H

H

C

HO

C

CH3

H

H

HH

H

Maintenant, il faut déterminer qui de CH3 ou de C2H5 est prioritaire.

• Analyse séquentielle de 2ème ordre:

Il y a 3H contre 1C et 2H

Le Z de C est plus fort que celui de H

C2H5

HOH

CH3

H

C

HO

C

CH3

H

H

HH

H

C2H5 est classé 2, CH3 est classé 3

1 4

3

2

Ensuite, on regarde du coté opposé au 4

On trace un cercle partant du 1, allant vers le 2 puis vers le 3

Si dans le sens des aiguilles d’une montre = R (Rectus)

Si dans le sens inverse des aiguilles d’une montre = S (Sinister)

S

C2H5

HOH

CH31 4

3

21

3

2

Règle d’Or : Le substituant 4 doit TOUJOURS être en arrière

On peut aussi passer en Fischer (selon les goûts) :

Exercice: déterminez la série (D/L) et la configuration absolue de cet acide aminé.

1

43

2

1

23

4

Ne pas tenir

compte du 4 lors

de la rotation

R

COOH

HCH2OH

NH2

!!! Attention !!!

Si en Fischer, le 4 est sur l’horizontale on lit R

mais le C* est S (et inversément)

Cette erreur vient du fait qu’en Fischer les substituant

latéraux vont vers l’avant (souvenez-vous!), alors que le

groupement 4 doit toujours aller vers l’arrière !

Mais on sait qu’on fait une erreur, et donc on répond l’inverse de ce qu’on trouve !

1

2

3

4

Pour l’anecdote…Les propriétés chimiques de deux stéréoisomères ne sont pas toujours les mêmes !

En biochimie: Affinité des enzymes et des récepteurs différente +++ selon les stéréoisomères.Ainsi, au niveau de la muqueuse nasale, le limonène peut avoir…

Une odeur de citronUne odeur d’orange

Ces deux molécules sont reconnues par deux récepteurs différents dits stéréospécifiques, dont les voies de signalisation sont associées à une perception différente au niveau du SNC.

a) Enantiomérie

-Isomérie optique, spécifique des molécules chirales

Une molécules chirale n’a ni plan, ni centre de symétrie, elle n’est passuperposable à son image dans un miroir (ex de la main droite et de la maingauche). Sinon, on parle de molécule achirale.

Une molécule chirale possède au moins 1 carbone asymétrique (noté C*).

Attention néanmoins: Si la molécule contient + d’un carbone asymétrique,alors il faut rechercher un éventuel plan de symétrie.

Si plan de symétrie → molécule achirale !

Une molécule chirale dévie le plan de la lumière polarisé. On parle de pouvoir rotatoire.

Déviation vers la Droite, la molécule est Dextrogyre (d+)

Déviation vers la gauche , la molécule est lévogyre(l-)

Si une molécule Chirale dévie la lumière polarisé d’un angle +a (dextrogyre), son image la déviera d’un angle -a (levogyre). Détermination toujours expérimentale.

Une molécule chirale n’est pas superposable à son image dans le miroir

Molécule 1 chirale Molécule 2 chirale (Image de 1)

Ces 2 molécules sont dites énantiomères. (Un carbone R contre un carbone S).

Pour une molécule à 3 atomes de carbone asymétriques (R S S)

L’énantiomère sera (S R R).

Br

Cl

H

CH3

Br

Cl

H

CH3

S R

b) Diastéréoisomérie

Tout couple de stéréoisomères n’étant pas liés par une relation d’énantiomèriesont des diastéréoisomères.

Si on reprend notre exemple de la molécule à 3 carbones asymétriques:

Si les configurations absolues de ses C* sont: R S S

S R R sera le seul énantiomère, tout le reste (S S S ou S S R ou R R S…) seradiastéréoisomère.

Pour une molécule sans double liaison et sauf exception: n2 stéréoisomères.

n étant égal au nombre de carbones asymétriques.

Exercice récapitulatifSoit le tétrose suivant:

1) Proposer une représentation de Fischer correcte pour cet ose.

2) En déduire sa série dans la nomenclature D/L.

3) Donner la configuration absolue R/S de ses deux carbones asymétriques C2 et C3. Combien existe-t-il de stéréoisomère possibles pour cette molécule?

4) Connaissant le pouvoir rotatoire spécifique de son stéréoisomère [2S; 3R], est-il possible de déduire son pouvoir rotatoire?

5) La réduction de la fonction aldéhyde en fonction alcool (CHO → CH2OH) mène à l’érythritol. A votre avis, est-il dextrogyre, lévogyre ou sans activité optique? Justifier.

OHC

H

OH HOH

CH2OH

-Nomenclature CIS/TRANS (en biochimie +++)

Pour les doubles liaison disubstitueés. (Avec 2 hydrogènes donc)

Remarque: Elle peut être utilisée également dans le cas de cycles (isomérie cyclanique)

OH CH3

OH

CH3

Groupements en cis

(même face moléculaire)Groupements en trans (face

moléculaire opposée)

-Nomenclature Z/E (en chimie organique +++)

On commence par déterminer la priorité des substituants d’après le n°

atomique de l’élément lié au C de la double liaison. (comme pour R/S)

Si les substituants de même priorité sont du meme côté = Z (Zusammen)

Si les substituants de même priorité sont du coté opposé = E (Entgegen)

R1

R3

R4

R2

Nb: Zusammen et Entgegen = « Ensemble » et « Séparé » respectivement en allemand

Exemple :

Les deux 1 sont du même coté de la double liaison. Ce composé est Z.

CH3

C

H

C

CH2OH

CH2 CH3

CH

H

O

1

2C

H

H

C

1

2