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Stéréochimie BCPST 1 Représentation spatiale d’une invertase Lycée Sainte Geneviève 2019-2020

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StéréochimieBCPST 1

Représentation spatiale d’une invertase

Lycée Sainte Geneviève2019-2020

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Table des matières

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Stéréochimie 1. Nommer et représenter

1 Les fondamentaux en chimie organique

1.1 Nomenclature

La chimie organique est la chimie des composés contenant du carbone. La nomenclature dé-signe un ensemble de règles permettant de nommer, de façon univoque, un composé donné enprécisant l’enchaînement de ses atomes de carbone, ainsi que la nature et la position des diffé-rentes fonctions qu’il renferme a. Nous indiquerons ci-après les règles (à maîtriser) permettantde nommer les différents composés que vous serez à rencontrer en chimie organique.

Premier aparté : notion d'insaturation Le terme insaturation désigne les liaisons multipleset les cycles. Ainsi, par exemple, une liaison C––C, une liaison C––O, une liaison C––N ou uncyclohexane comptent pour une insaturation, une liaison triple carbone-carbone pour deux insa-turations, un phényle pour 4 …Nous apprendrons à déterminer précisément cette caractéristiquedans le cours de spectroscopie.

1.1.1 Les hydrocarbures

Sont regroupés sous ce vocable tous les composés constitués exclusivement de carbone et d’hy-drogène.

Hydrocarbures linéaires Leur nom comporte est formé d’un préfixe correspondant au nombred’atomes de carbone et d’un suffixe indiquant le degré d’insaturation4 du carbone

1 2 3 4 5 6

méth- éth- prop- but- pent- hex-

Table 1 – Nomenclature des préfixes en fonction du nombre de carbones de la chaîne

liaison simple liaison double liaison triple

-ane -ène -yne

Table 2 – Nomenclature des suffixes en fonction du nombre d’insaturations

Le suffixe désignant une liaison multiple est précédé si nécessaire d’un nombre (écrit entre deuxtirets) précisant la position de celle-ci sur la chaîne :

• CH3 –CH––CH2 : propène (numéro inutile car aucune ambiguïté)

• CH3 –CH2 –C–––C–CH3 : pent-2-yne

Hydrocarbures cycliques Il convient ici de distinguer les composés aromatiques des com-posés non-aromatiques :

• non aromatiques : leur nom est constitué du préfixe ” cyclo ”, suivi du nom de l’hydro-carbure linéaire comportant le même nombre d’atomes de carbone et les mêmes doublesliaisons ;

a. cette nomenclature est élaborée par un organisme international : l’Union Internationale de Chimie Pure etAppliquée (UICPA ou UIPAC)

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Stéréochimie 1. Nommer et représenter

• aromatiques : ils possèdent, en général, des noms consacrés par l’usage, y compris certainsde leurs dérivés substitués.

Précisons enfin que les groupes dérivant des hydrocarbures (groupes alkyles) sont des morceauxde molécules (notés R) obtenus en enlevant un atome d’hydrogène à l’un des atomes d’un alcaneou d’un cyclane. Afin d’éviter une double numérotation, certains substituants ramifiés, ont reçuun nom unique, consacré par l’usage, qu’il faut connaître :

• isopropyle

• tertiobutyle

Terminons par deux cas particuliers à connaître :

• le groupe dérivant du benzène est le phényle (noté Ph) : –C6H5

• celui dérivant du toluène est le benzyle (noté Bn) –CH2 –C6H5

Point méthode : nomenclature des hydrocarbures ramifiés

La méthode à suivre pour nommer un hydrocarbure est proposée ci-dessous :

1. Définir la chaîne principale qui donne son nom à l’hydrocarbure.

2. Numéroter les différents atomes de carbone de la chaîne de sorte à obtenir la plus faiblesomme des indices de position des substituants.

3. Les ramifications sont placées en préfixe devant le nom de la chaîne principale, en indiçant,si nécessaire et avant le nom du substituant auquel il se réfère„ la position du substituantsur la chaîne principale.

4. Les substituants sont classés par ordre alphabétique devant le nom de la chaîne principale.

5. Lorsqu’une ramification est répétée plusieurs fois, son nom est précédé d’un préfixe in-diquant le nombre de répétitions (di, tri, tétra, penta, …) sans que ce préfixe n’entre encompte pour le classement alphabétique.

6. Si le substituant est lui-même ramifié, le même principe est appliqué à chaque chaîne laté-rale

Concernant les hydrocarbures insaturés : la chaîne principale est la plus longue contenant l’insa-turationn numéroté de sorte à minimiser l’indice de l’insaturation

Application 1 : Dénomination Nommer les molécules suivantes

Réponses : méthylbutane ; 4-éthyl-3,6-diméthylhept-1-yne ; 4,5-diméthyl-3-propylhex-1-ène ; 4-isopropylheptane ou 4-methyléthyleheptane ; 1,2,4-triméthylbenzène ; 5-phényl-

3-benzyl-hex-1-ène

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Stéréochimie 1. Nommer et représenter

1.1.2 Présence d'hétéroatomes

Les groupes fonctionnels comportant au moins un ” hétéroatome ” (atome autre que C ou H)constituent avec les éventuelles insaturations, le siège essentiel de la réactivité de la moléculeorganique. Les carbones liés aux hétéroatomes sont dits fonctionnels.

La nomenclature des composés alors obtenus dépend de divers règles dont nous présenteronsl’essentiel ci-dessous :

Point méthode : nomenclature des groupes fonctionnels

Le nom d’un composé fonctionnel est composé de quatre parties :

• préfixes fonctionnels, correspondants aux fonctions secondaires et aux ramifica-tions

• nom de l’hydrocarbure de même squelette

• suffixes d’insaturation

• suffixe de fonction, correspondant à la fonction principale

La détermination du suffixe de fonction nécessite de connaître l’ordre de priorité des fonc-tions organiques donné dans la table ??.Comme pour les hydrocarbures doit être déterminée la chaîne principale (base de la nu-mérotation) qui comprend, dans l’ordre de priorité :

• le (ou) les groupe(s) principaux,

• le nombre maximal de liaisons multiples,

• la chaîne hydrocarbonée de longueur maximale,

• les plus petits indices de position pour les groupes principaux,

• le nombre maximal de substituants désignés par des préfixes.

La numérotation de la chaîne doit affecter par priorité décroissante l’indice de positionle plus petit à la fonction principale, puis aux insaturations (s’il y a lieu), et enfin auxpréfixes.Bien qu’il existe de nombreux cas particuliers, le nom d’un composé se construit en gé-néral à partir de celui de l’hydrocarbure correspondant, c’est-à-dire celui qui possède lemême squelette carboné (y compris les insaturations), auquel on rajoute des préfixes et/oudes suffixes.

Le tableau reproduit ci-dessous précise l’ordre de priorité des fonctions chimiques que vous êtescensé connaître b. Il faut savoir nommer tous les types de composés présents dans ce tableau.

b. vous pourrez compléter ce tableau au fur et à mesure de l’avancement du cours de chimie organique en yajoutant les nouvelles fonctions rencontrées

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Stéréochimie 1. Nommer et représenter

Nom de la fonction Structure Suffixe Préfixe

Acide carboxylique acide Roïque

Ester Roate de R’yle

Aldéhyde Ral oxo

Cétone Rone oxo

Alcool Rol hydroxy

primaire Ramine amino

Amine secondaire N-RylR’amine N-Rylamino

tertiaire N-Ryl-N-R’ylR”amine

Étheroxyde RoxyR’

Halogénoalcane halogénoR

Table 3 – Quelques fonctions organiques classées par ordre décroissant de priorité

Il est très fréquent de qualifier la substitution des amines et alcools par les termes primaire,secondaire et tertiaire. Attention cependant à ne pas confondre les deux usages :

• pour les alcools, c’est la subsitution du carbone fonctionnel qui caractérise la classe del’alcool

• pour les amines, c’est l’azote lui-même dont la substitution est prise en compte

Application 2 : Nomenclature Nommer les molécules suivantes, et préciser, pour les alccols et lesamines, la classe des divers composés.

Réponses : acide éthanoïque, éthanoate de méthyle, butan-2-one, propanal, acide 3-oxo-butanoïque, éthanoate de 3-oxopropyle, méthanol (Iaire), butan-2-ol (IIaire), 2-hydroxy-

2-méthylpropanal (IIIaire), methanamine (Iaire), N-methylethanamine (IIaire), N-ethyl-N-methylpropan-1-amine (IIIaire), méthoxyéthane, 3-bromobutanone

1.2 Représentations spatiales des molécules

De nombreuses représentations spatiales des molécules ont été utilisées en chimie organique.Nous nous intéresserons particulièrement à trois d’entre elles.

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Stéréochimie 1. Nommer et représenter

La représentationperspective (ouperspective cavalière) adopte les conventions habituelle-ment utilisées par les dessinateurs. Cette représentation n’est utilisée que pour la représentationde certains cycles non plans. Nous apprendrons dans la suite du cours à en représenter certaines.

La représentation de Cram est le mode préférentiel de représentation des molécules orga-niques. La prise en compte de la géométrie spatiale de la molécule se fait sur la base de la repré-sentation de Lewis en ajoutant les conventions suivantes :

• une liaison du plan (de la feuille) est figurée par un trait plein :

• une liaison venant en avant du plan est figurée par un triangle plein :

• une liaison allant vers l’arrière du plan est figurée par un triangle de hachures :

Il est possible d’indiquer que la stéréochimie d’une liaison n’est pas définie à l’aide la liaison « enzig-zag » suivante :Un carbone tétravalent adopte une géométrie tétraédrique, il est donc primordial de respectercette disposition lors de la représentation de molécules :

La projection de Newman est très utilisée pour représenter la disposition des substituantsautour de 2 atomes successifs. La molécule est projetée dans l’axe de la liaison entre les 2 atomesconsidérés. L’atome le plus éloigné de l’observateur est représenté par un disque d’où partent lesliaisons ; l’atome le plus proche est représenté par un point (au centre du cercle), d’où partentégalement les liaisons.

Application 3 : Représentations spatiales Donner une représentation de Cram et une représen-tation de Newman des molécules suivantes :

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Stéréochimie 1. Nommer et représenter

Complément : la représentation de Fischer Nous présenterons dans cette partie les principesde cette représentation couramment utilisée en biologie, mais peu en chimie, du fait de sa relativecomplexité.La représentation de la géométrie spatiale d’un atome tétravalent se fait ainsi : la chaîne verticaleest placée verticalement et vers l’arrière, l’atome le plus oxydé en haut. La projection sur le plande la feuille donne la représentation.

Pour des chaînes carbonées plus longues, on procède de même au niveau de chaque atome decarbone, comme présenté sur l’exemple du glucose :

1.3 Notion d'isomérie

Des isomères sont des composés différents possédant la même formule brute, la relation quiles lie est dite d’isomérie. Des isomères de constitution sont des composés possédant la mêmeformule brute, mais n’ayant pas la même formule semi-développée. Trois types sont à distinguer :

• isomérie de chaîne ou de squelette : les squelettes carbonés diffèrent ;

• isomérie de position : seule la position de la fonction diffère ;

• isomérie de fonction : les fonctions chimiques diffèrent ;

Ces relations d’isomérie s’opposent à la stéréoisomérie. Des stéréoisomères sont des moléculesde même formule semi-développée où seule la disposition spatiale des atomes varie. L’étude deces relations nous occupera pour le reste de ce chapitre.

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

2 Stéréoisomérie de configuration

Les stéréoisomères de configuration diffèrent par leur géométrie c. Nous nous intéresserons dansce qui va suivre à deux grands types de stéréoisomères.

2.1 Énantiomérie

2.1.1 Définitions

Chiralité

------------------------------Définition

------------------------------

Un objet non superposable à son image dans un miroir plan est dit chiral.

De par la définition d’un objet chiral, existe un couple formé par l’objet et son image plane. Celaamène les nouvelles définitions suivantes :

Énantiomérie

------------------------------Définition

------------------------------

Deux molécules différentes et images l’une de l’autre dans un miroir plan sont nomméesénantiomères.L’énantiomérie est la relation qui lie ces deux molécules.

Conséquence : dans les cas relativement simples, une molécule chirale ne possède ni plan desymétrie interne, ni centre de symétrie. En revanche, elle peut tout à fait posséder des axes desymétrie.

Application 4 :Chiralité Dessiner l’image dans un miroir plan des molécules suivantes et discuterde leur chiralité :

2.1.2 Carbone asymétrique

Carbone asymétrique

------------------------------Définition

------------------------------

Un carbone tétraédrique relié à quatre substituants différents est dit asymétrique. Il estgénéralement repéré sur la molécule par une étoile ?.

Application 5 : Carbone asymétrique Désigner les atomes de carbone asymétrique de la molé-cule ci-dessous.

c. contrairement aux conformères que nous verrons ensuite, il faut casser et reformer en la déplaçant au moinsune liaison pour passer d’un stéréoisomère à l’autre

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

Remarque importante

Une molécule possédant un unique atome de carbone asymétrique est chirale.

Nomenclature des carbones asymétrique : les règles deCIP Un carbone asymétrique pos-sède deux uniques configurations : il serait efficace, pour définir sans la représenter unemolécule,de pouvoir nommer de façon univoque chacune de ses configurations.

Les règles de Cahn, Ingold et Prélog apportent une réponse à ce problème. La première étape estde classer par ordre de priorité ces substituants.

Point méthode : les règles de préséance

Le rang n d’un atome désigne le nombre de liaisons qui le sépare du centre d’asymétrie.Les règles de préséance sont séquentielles, c’est à dire qu’elles s’appliquent à chaque rang.

1. L’atome de plus grand numéro atomique Z est prioritaire.

2. Dans le cas où deux même rangs n sont identiques, on recherche l’atome priori-taire de rang n+1. L’atome prioritaire de rang n est alors celui qui est lié à l’atomeprioritaire de rang n+1.

3. Lors de la comparaison d’atomes à un rangn > 1, la comparaison se fait elle-mêmeséquentiellement : les atomes les plus lourds de chaque branche sont comparés, encas d’égalité, on passe au second etc. La première différence arrête les recherches

C

O

C1

OHH

C2

CCC

H

priorité : O>C1>C2>H

C

O

C1

OCC

C2

OCH

H

priorité : O>C1>C2>H

4. cas des liaisonsmultiples : la valence de chaque atome doit être respectée sur l’arbrede priorité. Ainsi chaque atome d’une liaison multiple est considéré comme lié à unatome réel ainsi qu’à autant de répliques que nécessaires. Chaque réplique est liéeà autant d’atomes fantômes (de masse atomique nulle et notés •) que nécessaire,sachant qu’on omet généralement de les représenter). Les répliques sont prioritaires

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

devant tout atome de Z inférieur mais pas devant des atomes réels de même Z .

−HC−−O ⇔C

O (C)•••(O) •

H

et −C1−−−C2−C3 ⇔ C1

(C2)(C2)C2

(C1)(C1)C3

5. enfin, dans le cas des cycles, il convient d’ajouter une réplique de l’atome à répéteraprès complétion d’un tour

Des règles supplémentaires existent (priorité liée à la stéréochimie, …) mais leur connaissancen’est pas exigible. La détermination de l’ordre de priorité des groupements permet l’attributiond’un stéréodescripteur.

Point méthode : attribution d'un descripteur R ou S

L’ordre de priorité des quatre atomes entourant le carbone asymétrique ayant été précisé,il faut :

1. placer l’atome 4 vers l’arrière du plan

2. étudier le sens de la rotation 1 → 2 → 3

• sens horaire : le carbone est R (de rectus)• sens antihoraire : le carbone est S (de sinister)

Voyons les différents cas pouvant se présenter sur une molécule simple :

• l’atome 4 est déjà positionné vers l’arrière

• l’atome 4 est positionné vers l’avant

• l’atome 4 est dans le plan

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

Techniques utiles

Retenons que :

• lorsque l’atome 4 est situé vers l’avant, aucunemanipulation n’est à réaliser, il suffitd’inverser le descripteur obtenu par l’ordre 1 → 2 → 3

• lorsque l’atome 4 est dans le plan, il faut réaliser des rotations selon l’axe d’uneliaison de façon à amener le groupement 4 vers l’arrière

Application 6 : Stéréodescripteurs Pour chaque carbone ci-dessous, dessiner l’arbre de prioritéet dire si le carbone asymétrique est R ou S.

2.1.3 Lien avec les propriétés macroscopiques

Propriétésphysiquesusuelles Les distances inter-atomiques étant lesmêmes dans deux énan-tiomères, toutes les propriétés physiques usuelles se conservent (masse, température de change-ment d’état, solubilité, etc.). Ce n’est pas le cas pour les propriétés vectorielles. Il s’ensuit queles méthodes courantes de séparation s’appuyant sur les différences des propriétés physiques(distillation fractionnée ou cristallisation fractionnée par exemple) sont inefficaces pour séparerdeux énantiomères.

Activité optique

Lumière polarisée La lumière naturelle est une onde électromagnétique. Ses champs élec-trique

−→E et magnétique

−→B oscillent dans le plan orthogonal à la direction de propagation de

l’onde et sont tels que−→E .

−→B = 0. Les directions des champs électriques et magnétiques peuvent

varier au cours du mouvement.Dans le cas d’une lumière polarisée rectilignement, les directions de vibration des champs élec-triques et magnétiques restent invariants au cours de la propagation :

Substancesoptiquementactives Certaines substances pures, dites optiquement actives, pos-sèdent la propriété de faire tourner d’un angle α la direction de vibration des champs électriqueset magnétiques d’une lumière polarisée rectilignement ; elles possèdent un pouvoir rotatoire.

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

Cette déviation dépend de grandeur expérimentales selon la loi de Biot :

Loi

La direction de polarisation d’une lumière polarisée rectilignement traversant une lon-gueur l d’une solution d’un unique composé optiquement actif de concentration c estdéviée d’un angle α (orienté dans le sens horaire) tel que :

Les substances dotées d’un pouvoir rotatoire spécifique positif sont notées (+) et dites dextro-gyres d, les autres notées (-) et nommées lévogyres e.Dans le cas de plusieurs substances actives n’interagissant pas, il y a additivité des pouvoirsrotatoires et la loi de Biot devient :

Application 7 :Mutarotation du glucose Le glucose est en équilibre entre deux formes anomèresnotéesα et β. DuαD-glucopyranose de concentration c est introduit pur en solution aqueuse acide. Après3h, on mesure le pouvoir rotatoire de la solution et l’on trouveα = 52, 3°. Calculer le taux τ de conversioncorrespondant.Données : c = 1, 00 g.mL−1, l = 10 cm , [α]0−α = 112 °.g−1.mL.dm−1, [α]0−β = 18, 7 °.g−1.mL.dm−1

Pouvoir rotatoire d'énantiomères Les pouvoirs rotatoires spécifiques de deux énantiomèressont opposés. On définit un mélange racémique comme le mélange équimolaire de deux énan-tiomères. D’après la remarque précédente, un mélange racémique est optiquement inactif.

d. « elles font tourner le plan de polarisation dans le sens des aiguilles d’une montre »e. il n’y a pas de relation systématique entre la configuration absolue et le caractère lévogyre ou dextrogyre de la

molécule chirale. Ainsi une molécule dont la configuration du carbone asymétrique est R, peut être lévogyre commedextrogyre (mais si elle est lévogyre, son énantiomère sera dextrogyre et inversement). De la même manière, unemolécule L ou D selon la nomenclature de Fisher peut aussi bien être lévogyre comme dextrogyre, mais si le L estlévogyre, son énantiomère D sera dextrogyre et inversement.

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

Dédoublement de racémiques La réactivité de réactifs chiraux vis-à-vis d’autres réactifs chi-raux diffère souvent d’un énantiomère à l’autre f g.Le fait de séparer les énantiomères (d’un mélange racémique par exemple) s’appelle une résolu-tion ou un dédoublement de mélange racémique. Illustrons la méthode sur l’exemple ci-dessous :

2.2 Diastéréoisomérie

Nous venons de rencontrer une nouvelle relation de stéréoisomérie dans l’exemple précédent :les deux amides sont des stéréoisomères (ils ont la même formule semi-développée), ne sont pasidentiques et ne sont pas énantiomères pour autant (ils ne sont pas images l’un de l’autre dansun miroir plan).

Diastéréoisomérie

------------------------------Définition

------------------------------

Deux diastéréoisomères sont deux stéréoisomères de configuration qui ne sont pas énan-tiomères. Ils sont liés par une relation de diastéréoisomérie.

2.2.1 Cas de deux atomes de carbones asymétriques

Nous allons tâcher d’étudier tous les énantiomères issus d’une molécule possédant deux atomesde carbone asymétrique. Deux cas peuvent se présenter

f. Illustration macroscopique : votre pied gauche et votre pied droit ou une paire de chaussures sont de bonnesimages d’objets énantiomères (images l’un de l’autre dans un miroir plan et non superposables) macroscopiques.Votre pied droit ne peut entrer dans la chaussure gauche alors qu’il peut entrer dans la chaussure droite. Cettedernière phrase illustre la différence de réactivité de deux énantiomères (les deux pieds) vis-à-vis d’un réactif chiral(la chaussure droite)

g. Illustration microscopique : les récepteurs biologiques sont très souvent chiraux. Les molécules des principesactifs desmédicaments le sont souvent aussi : les deux énantiomères n’auront souvent pas la même activité biologique.C’est également la raison pour laquelle deux molécules énantiomères n’ont souvent pas la même odeur. Exemples :le menthol, l’arome de citron/orange

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

Cas quelconque Dessinons tous les stéréoisomères du 2,3,4-trihydroxybutanal :

Casdégénéré Conduisons lamême étude sur l’exemple de l’acide 2,3-dihydroxybutanedioïque(ou acide tartrique)

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

Composé méso------------------------------Définition

------------------------------

Un composé méso est une molécule achirale qui appartient à un ensemble de stéréoiso-mères qui contient des membres chiraux.

2.2.2 Diastéréoisomérie Z/E

La liaison double C––C est particulièrement solide : la présence de deux doublets liants empêchela libre rotation autour de la double liaison C–C. Considérons ces deux molécules et donnons-enune projection de Newman selon la double liaison.

La formule semi-développée de ces deux composés est la même et ils ne sont ni identiques, niénantiomères : ils sont donc diastéréoisomères. À l’instar des carbones asymétriques, il existeune nomenclature permettant d’attribuer de façon univoque une désignation à l’un des stéréoi-somères.

Point méthode : attribution d'un descripteur Z ouE

1. Sur chaque branche de l’alcène, les groupes sont classés par ordre de priorité selonles règles de C.I.P.

2. Si les groupes prioritaires sont situés :

• du même côté de l’axe de la double liaison, l’alcène est noté Z a

• de part et d’autre de l’axe de la double liaison, l’alcène est noté E b

C

CHHH

CCHH

C

H

CHHH

a. de l’allemand zusammen ensembleb. de l’allemand entgegen opposés

Application 8 : Z-E Donner la représentation de Newman (éventuellement simplifiée) des alcènessuivants et indiquer s’il sont Z ou E en n’hésitant pas à dessiner un arbre de priorité).

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Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration

2.2.3 Diastéréoisomérie cis-trans

Nous considérerons dans cette partie des molécules cycliques comportant au moins deux sub-stituants.

Plan moyen

------------------------------Définition

------------------------------

Le plan moyen d’un cycle désigne le plan partageant en deux un cycle en passant par lemilieu de toutes les liaisons C–C.Deux substituants d’un cycle sont dits cis s’ils pointent du même côté du plan moyen dela molécule ; ils sont sinon trans.

Figure 1 – Représentation des stéréoisomères du 2-méthylcyclohexanol

Dans le cas où existe un élément de symétrie interne, il est possible de n’avoir en présence quedeux diastéréoisomères qui sont généralement nommés cis et trans.

Figure 2 – Représentation des stéréoisomères du 2-méthylcyclohexanol

2.2.4 Cas de n éléments de stéréochimie

Ce que nous avons précédemment au sujet d’une molécule comportant deux éléments de sté-réochimie peut se généraliser. Considérons une molécule possédant n éléments de stéréochimie(généralement n1 atomes de carbone asymétrique et n2 liaisons doubles).

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Stéréochimie 3. Analyse conformationnelle

2.2.5 Quelques propriétés expérimentales

Les distances interatomiques et la géométrie de la molécule évoluant entre deux diastéréoiso-mères, les liaisons faibles en jeu peuvent varier : les propriétés physiques diffèreront donc géné-ralement d’un diastéréoisomère à l’autre.

Figure 3 – Acides fumarique et maléique et (pseudo-)éphédrines

Configuration (E) (Z)

Tfus (℃) 287 131

pKa1 3,0 1,8

pKa2 4,4 6,0

Solubilité aqueuse (g.L−1) 7,0 790

Composés du type (pseudo)-éphédrine

Configuration R,S S,R R,R

Tfus (℃) 40 40 118

Pouvoir rotatoire spéci-fique (en °.mL.g−1.dm−1)

-41 +41 -52

3 Analyse conformationnelle

Comme nous l’avons vu en manipulant les modèles moléculaires, les liaisons simples permettenta priori la libre rotation des atomes.

Conformations

------------------------------Définition

------------------------------

Deux molécules qui ne diffèrent que par la rotation autour d’une ou plusieurs liaisonssimples sont des conformations d’une même molécule.

Pour la plupart des molécules, existe une infinité de conformations puisque les angles peuventvarier continûment. L’analyse conformationelle est l’étude de la disposition relative dans l’espacedes atomes d’une molécule de constitution et de configuration définie , de façon à prévoir quellesconformations vont majoritairement être choisies par les atomes.

3.1 Conformations des alcanes linéaires

3.1.1 L'éthane

L’étude de ce très simple alcane permettra de poser les bases de l’analyse conformationnelle.Commençons par représenter la molécule à l’aide des différentes représentations connues :

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Stéréochimie 3. Analyse conformationnelle

Angle dièdre------------------------------Définition

------------------------------

Soient les plans P1 contenant la liaison C–C et l’atome H1, et P2 contenant la liaisonC–C et l’atome H2. L’angle dièdre α désigne l’angle entre ces plans

L’énergie potentielle Ep d’une molécule est ici définie comme l’énergie d’interaction électrosta-tique répulsive entre les sphères de Van der Waals de chaque atome. Cette énergie dépend de ladisposition spatiale des atomes. Tâchons de déterminer son évolution avec l’angle dièdre :

Un conformère

------------------------------Définition

------------------------------

Un conformère est une conformation correspondant à un minimum local sur la courbed’énergie potentielle

Les conformères de la molécule d’éthane sont donc décalés.Barrière de rotation

------------------------------Définition

------------------------------

La différence d’énergie potentielle entre un maximum local et un minimum local immé-diatement consécutifs s’appelle barrière de rotation.

L’agitation thermique h à 25℃ donne des chocs efficaces apportant une énergie maximale d’en-viron 30 kJ.mol−1. La barrière d’énergie à franchir pour passer d’une conformation décalée àune autre n’est ici que de 11, 7 kJ.mol−1, elle est donc facilement franchissable : la moléculed’éthane est donc en constante rotation d’un conformère à l’autre i. Il est donc impossible d’iso-ler un conformère précis de la molécule.

h. nous définirons plus proprement ces différentes grandeurs dans le cours de cinétique chimiquei. la considération précédente sur les énergies d’agitation est très qualitative ; on peut plus précisément parler

de la vitesse de rotation du groupement méthyle autour de l’axe de la liaison qui est de 1010 tours par seconde ! oudéterminer qu’à 25℃ moins de 1% des conformères sont en position éclipsée

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3.1.2 Le butane

Reprenons l’étude précédente sur la molécule de butane en analysant les rotations autour de laliaison H5C2 –C2H5. Dessinons la molécule à l’aide des représentations pertinentes.

Les noms des différentes conformations sont à connaître :

Pour analyser les conformations, il convient de prendre en compte les interactions déstabilisantesqui sont, par ordre décroissant :

• l’interaction méthyle-méthyle éclipsés ;

• l’interaction méthyle-hydrogène éclipsés ;

• l’intercation méthyle-méthyle décalés gauche, appelée interaction butane gauche ;

• l’intercation méthyle-hydrogène décalés gauche.

Le diagramme d’énergie potentielle peut alors être complété en indiquant les conformationscorrespondant aux différents minima et maxima :

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À 25℃, environ 70% des molécules de butane sont dans une conformation très voisine de laconformation décalée anti ; la grande majorité des 30% restantes sont dans une conformationtrès voisine de la décalée gauche.

Représentation des alcanes linéaires Considérons un alcane linéaire et appliquons le mêmeraisonnement qu’au butane. Nous pourrons alors conclure quand à la représentation topologiquede ces composés.

Stabilisation de conformations éclipsées Les conformères majoritaires de l’éthane-1,2-diolsont les décalé gauche et l’éclipsé syn (en référence aux oxygènes). Comment justifier ce résultat ?

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3.2 Conformations dans les composés cycliques, cas du cyclohexane

3.2.1 Cyclohexane non substitué

Le conformère chaise La géométrie d’un carbone tétravalent est tétraédrique : un cyclo-hexane ne peut donc être une molécule plane j. Les conformations remarquables du cyclohexanesont nombreuses et moins aisées à justifier que pour les alcanes linéaires. Nous nous intéresse-rons exclusivement dans ce qui suivra au conformère majoritaire (plus de 99,9% à températureambiante) : la forme chaise. La représentation de Cram n’étant pas adaptée, il faut apprendre àreprésenter une chaise de deux autres manières.

La projection plane

La projection deNewman .

Positions des substituants Les hydrogènes représentés sur la chaise précédente peuvent êtreregroupés en deux familles.

Positions axiale et équatoriale

------------------------------Définition

------------------------------

Les groupements d’un cyclohexane sont dits :

• axiaux s’ils pointent verticalement

• équatoriaux s’ils ne pointent pas verticalement

j. les représentations de Cram proposées dans la partie précédente ne sont donc que des représentations pratiquesmais simplifiées de la réalité.

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Stéréochimie 3. Analyse conformationnelle

Repérons ces composés sur les molécules de cyclohexane ci-dessous représentées.

Le plan moyen de la molécule passe par le milieu des six liaisons C–C. En le représentant surle cycle, il est possible de distinguer deux types de substituants : ceux pointant vers le dessus duplan et ceux pointant vers le bas. Cette propriété permet de faire le lien entre les représentationsexactes et la représentation simplifiée de Cram.

Comme nous le voyons avec les modèles moléculaires ils est possible de passer d’un conformèrechaise à une autre par torsion des liaisons C–C. Il est très important de savoir correctementdessiner cet équilibre d’interconversion.

Point méthode : représenter un équilibre d'interconversion de chaise

Il est très important de bien conserver l’ordre et l’emplacement des atomes de carbonepour la représentation des deux conformères !

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Stéréochimie 3. Analyse conformationnelle

Diagramme énergétique Le diagramme énergétique du cyclohexane est bien plus complexe àétablir que le précédent. L’abscisse ne correspond plus à une variable spatiale unique mais à unefonction des variables d’espaces k.

Ces différentes conformations, bien que très défavorisées dans le cyclohexane peuvent se ren-contrer lorsque des liaisons « bloquent » la molécule dans une certaine géométrie. En voici troisexemples :

Figure 4 – Molécule de camphre, adamantane et twistane

k. nous nommerons cela coordonnées réactionnelles dans le cours de cinétique chimique.

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3.2.2 Cyclohexane monosubstitué

Équilibre d'interconversion L’équilibre d’interconversion dont nous avons parlé joue un rôleparticulier dans le cas des cyclohexanes monosubstitués. dont le méthylcyclohexane est l’arché-type. Représentons l’équilibre d’interconversion :

Préférence équatoriale La table ?? montre que le conformère où le méthyle est équatorialprédomine largement. Deux effets permettent de justifier l’instabilité de la forme axiale :

• l’interaction butane gauche

• la gène 1,3-diaxiale

Les paramètres répulsifs, et donc la proportion de « conformère axial », dépendent de la naturedu groupement ; quelques valeurs numériques sont proposées à titre d’exemple.

Substituant Cl OH NH2 COOH Ph CH3 Et iPr tBu

∆Ep (kJ.mol−1) 2,17 3,93 5,85 5,89 5,85 7,11 7,32 9,20 20,9

%. équatorial 71 83 91 92 91 95 95 98 99,98

Table 4 – Préférence équatoriale de cyclohexanes monosubstitués par divers groupements

3.2.3 Cyclohexane disubstitué

Les cyclohexanes disubstitués peuvent exister sous deux formes que nous avions nommé ciset trans. À titre d’exemple, représentons les conformères majoritaires des diastéréisomères du1-chloro-4-méthylcyclohexane.

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Le raisonnement permettant de déterminer le conformère majoritaire peut être mené de façonplus ou moins qualitative :

• la prise en compte des paramètres numériques d’interactions répulsives permet de déter-miner la proportion de chacun des conformères ;

• de façon moins quantitative, on dit que le conformère majoritaire est celui dont la sommedes énergies d’interaction est la plus faible ;

• de façon qualitative, on peut souvent dire que le conformère majoritaire est celui danslequel le plus gros substituant est en position équatoriale

3.3 Cas des oses

Le glucose, de formule brute C6H12O6 possède une variété structurelle intéressante. Trois formesdu glucose sont en équilibre en solution aqueuse :

• une forme ouverte caractérisée par la présence d’une fonction aldéhyde que l’on appellele D-glucose

• deux diastéréoisomères cycliques à 6 carbones en conformation chaise appelés glucopy-ranoses.

Figure 5 – D-glucose, α D-glucopyranose et β D-glucopyranose

Le carbone dont la configuration change entre les deux diastétéoisomères est nommé carboneanomère. Nous discuterons dans le cours de chimie organique de la raison pour laquelle sa confi-guration peut facilement s’échanger en solution aqueuse.

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