CHIMIE ORGANIQUE : STRUCTURE ET RÉACTIVITÉ. «De la chimie in vitro à la chimie in vivo»

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1 PACES : PREMIÈRE ANNÉE COMMUNE AUX ÉTUDES DE SANTÉ UE1 : Atome, Biomolécules, Génome, Bioénergétique, Métabolisme CHIMIE ORGANIQUE : STRUCTURE ET RÉACTIVITÉ «De la chimie in vitro à la chimie in vivo» Pr. Philippe Karoyan Laboratoire des Biomolécules Université Pierre et Marie Curie, Paris 6 École Normale supérieure 24 rue Lhomond Paris philippe.karoyan@ens.fr Une cellule Extrait de «De la chimie in vitro à la chimie in vivo, Ph. Karoyan, ed. Ellipse, PRESENTATION! Responsable de l UE1 : Philippe Karoyan Coordinateurs Chimie : Richard Villanneau et Jacques Fattaccioli Coordinateur Biochimie: Olivier Lascols Correspondant Chimie Général : Antoine Gédéon Correspondant Biochimie : Pascal Ferre Secrétariat :Mme KHENNANE Farida Responsable Scolarité PAES Faculté de Médecine Pierre et Marie CurieSite "Pitié-Salpêtrière", Bureau n 24 91, boulevard de l'hôpital75634 PARIS CEDEX 13 farida.khennane@upmc.fr Épreuve UE1 : QCM/1h30/45 mn pour chimie (générale et organique)/45 mn pour la biochimie. 2!2!

2 LIVRES ET REFERENCES! Philippe Karoyan De la chimie in vitro à la chimie in vivo Cours et exercices ELLIPSE 1 ère édition Septembre !3! INTRODUCTION Qu est-ce que la chimie?! Science expérimentale qui étudie la matière, de l atome aux édifices supramoléculaires Atome Petite Molécule < 10 nm Protéine nm Virus nm Bactérie 500 nm- 10µm Cellule eucayote Hématie µm 7 µm 1 Å 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm CHIMIE THÉORIQUE CHIMIE PHYSIQUE CHIMIE INORGANIQUE CHIMIE ORGANIQUE BIOCHIMIE Domaines spécialisés ou d interface : - chimie médicinale - chimie verte - Nanotechnologies - Délimitation difficile voir impossible des champs d investigation de la chimie. 4!

3 INTRODUCTION Qu est-ce que la chimie ORGANIQUE?! Différenciation entre substances «organiques» et «minérales»: 1690 Lémery Chimie organique : Initialement définie comme la chimie des composés issus d organismes vivants Caractéristique essentielle différenciant les composés organiques : Ils contiennent tous l élément carbone Tableau périodique des éléments Autres éléments en proportions importantes dans les composés organiques issus du vivant : H, N, O, P, S Chimie Organique : Etude des composés du carbone Structure et réactivité 5!5!5!5! INTRODUCTION Importance des composés organiques Exemples de molécules organiques simples : Chlorure de vinyle ~ t/an (fabrication du PVC) Représentation topologique Vanilline Un composant de l arôme naturel de vanille (2%) Paracétamol Antalgique/antipyrétique Arôme le plus fabriqué dans le monde ~ t/an Caféine ~ t/an (consommation) Vitamine C (acide L-ascorbique) t/an Représentation perspective selon CRAM (sp 2 /sp 3 ) Un des médicaments le plus vendu au monde France (2005): 340 millions de boites Saccharose Représentation Perspective 6!6!

4 INTRODUCTION Importance des composés organiques Autres exemples : acides aminés, peptides et protéines Acide Aminé Brique élémentaire Projection de Newman Diagramme de Ramachandran 7!7! INTRODUCTION Importance des composés organiques Autres exemples : ADN et ARN ATP Adénosine triphosphate Représentation de Haworth ADN : Acide désoxyribonucléique (macromolécule) Dizaines de milliards d atomes de carbones D-ribose Représentation Fisher 8!8!8!

5 INTRODUCTION Structure générale du cours Objectifs - De multiples façons de représenter les molécules: - De multiples façons de transmettre une information particulière. - Le choix du mode de représentation va dépendre de l information que l on souhaite mettre en avant : - Centre stéréogène, groupement fonctionnel, conformation LA REPRÉSENTATION CORRECTE D UNE MOLÉCULE IMPLIQUE 1- LA CONNAISSANCE DE LA STRUCTURE ET LES GÉOMÉTRIES DE L ATOME DE CARBONE 2- LA CONNAISSANCE DES RÈGLES SPÉCIFIQUES À CHAQUE MODE DE REPRÉSENTATION 9!9! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE Rappels: Modèle quantique Les orbitales atomiques correspondent à des domaines de l espace où la probabilité de trouver un électron est supérieure à 90%. L atome de carbone possède quatre électrons dans sa couche la plus externe. Pour acquérir une structure stable à huit électrons (règle de l octet), il va mettre en commun ses quatre électrons avec d autres atomes qui lui permettront d acquérir une structure à huit électrons : l atome de carbone est TÉTRAVALENT : il lui manque quatre électrons pour acquérir une structure stable. 10!

6 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE L atome de carbone est tétravalent et l on distinguera trois types de structure et de géométrie pour l atome de carbone dans les molécules : Tétraèdrique Trigonale (plan) Linéaire 4 liaisons simples Toutes identiques (4 liens! (sigma)) 1 liaison double avec UN autre élément 2 liaisons simples Dont trois sont identiques (3 liens! (sigma)) (1 lien " (pi)) 1 liaison triple (avec UN autre élément). 1 liaison simple (2 liens! (sigma)) (2 liens " (pi)) 11! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE 1) Géométrie tétraèdrique : Hybridation sp 3 Ex : Méthane Structure AX 4 tétraédrique 4 liaisons simples (!) 8 électrons (règle de l octet) 4 liaisons identiques, pourquoi? Rappel : Carbone à l état fondamental Configuration électronique Pour 4 liaisons identiques, il faut envisager un état de valence de type où les quatre orbitales sont de même énergie: Il devrait y avoir trois types de liaisons différentes? En réalité: Combinaison (ou hybridation) d une orbitale s et 3 orbitales p 4 orbitales hybrides sp 3 identiques 12!

7 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE 1) Géométrie tétraèdrique : Hybridation sp 3 2s 2p x 2p y 2p z Hybridation 4 orbitales hybrides sp 3 identiques 4 électrons sur la couche de valence Arrangement spatial: Le méthane: L éthane: 1,09 Å 1,54 Å Liaison simple C C 13! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE 2) Géométrie trigonale : Hybridation sp 2 2s 2p x 2p y 2p z Combinaison d une orbitale s et 2 orbitales p Hybridation Reste inchangée (Non affectée par l hybridation) 3 orbitales sp 2 (hybrides) + 1 orbitale p (inchangée) 4 électrons Structure AX 3 triangulaire plane 14!

8 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE 2) Géométrie trigonale : Hybridation sp 2 L éthylène C 2 H 4 : 2 liaisons simples (!) + 1 liaison double (! ") autour de l atome de C!!! " 1,08 Å Représentation Cram d une molécule impliquant des atomes de carbone hybridés sp 2 1,33 Å Liaison double 15! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE 3) Géométrie linéaire : Hybridation sp 2s 2p x 2p y 2p z Combinaison d une orbitale s et une orbitale p Restent inchangées (Non affectées par l hybridation) Hybridation 2 orbitales sp (hybrides) + 2 orbitales p (inchangées) 4 électrons Structure AX 2 linéaire 16!

9 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION I) LES DIFFERENTS ÉTATS DE L ATOME DE CARBONE ET LEUR GEOMETRIE 3) Géométrie linéaire : Hybridation sp L acétylène C 2 H 2 : 2p y 2p z + 1 liaison simple (!) + 1 liaison triple ("! ") autour d un atome de carbone 1,06 Å 1,20 Å Liaison triple 17! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION II) FORMULES DE CONSTITUTION FONCTIONS CHIMIQUES 1) Ecritures conventionnelles des molécules organiques a) Exemple du 1 chlorobutane : Formule brute C 4 H 9 Cl Ecriture dite «de Kékulé»: Formule semi-développée (structure condensée): CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Cl Formule dite «topologique»: INFORMATION MISE EN AVANT? Chaîne carbonée représentée sous forme de ligne brisée (zig-zag) Omission des atomes d hydrogène présents sur les carbones Représentation des hydrogènes sur les hétéroatomes (N, O, S, etc ) La géométrie (liée à l état d hybridation de l atome) est respectée autant que possible 18!

10 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION II) FORMULES DE CONSTITUTION FONCTIONS CHIMIQUES 1) Ecritures conventionnelles des molécules organiques b) Exemples d écriture de différentes molécules sous forme topologique: INFORMATION MISE EN AVANT? sp 3 sp 2 sp 2 sp 2 sp sp 19! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION II) FORMULES DE CONSTITUTION FONCTIONS CHIMIQUES 1) Ecritures conventionnelles des molécules organiques c) Rappels: Structures de Lewis Hétéroatomes Doublets non liants Compliqué et sans intérêt pour des molécules complexes méthane éthane Cas des hétéroatomes : Mise en évidence des doublets non liants Exemple de l atome d oxygène: Configuration électronique à l état fondamental: Numéro atomique : 8 6 électrons de valence Hybridation sp 3 4 orbitales hybrides sp 3 identiques 6 électrons doublets non liants Structure de l eau: liaison! Règle de l octet liaison! doublets non liants H + Structure AX 4 tétraédrique 20!

11 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION II) FORMULES DE CONSTITUTION FONCTIONS CHIMIQUES 1) Ecritures conventionnelles des molécules organiques c) Rappels: Structures de Lewis Hétéroatomes Exemple de l atome d oxygène (suite): Etat fondamental: doublets non liants Hybridation sp 2 3 orbitales hybrides sp 2 identiques + 1 orbitale p inchangée 6 électrons Même principe avec les autres hétéroatomes (N, S, Cl, etc ) sp 2 sp 2 p sp 2 Structure du formaldéhyde: " d) Ecriture topologique et doublets non liants Les doublets non liants sont représentés si nécessaire (intervention dans un mécanisme, mise en évidence d effets électroniques, etc ).! "!! paracétamol formaldéhyde 21! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION II) FORMULES DE CONSTITUTION FONCTIONS CHIMIQUES 2) Principales fonctions de la chimie organique Hydrocarbures saturés ALCANES C x H y insaturés Série benzénique ALCÈNES ALCYNES ARÈNES Fonctions monovalentes HALOGÉNURE ALCOOL AMINE ETHER-OXYDE (ETHER) THIOL 22!

12 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION II) FORMULES DE CONSTITUTION FONCTIONS CHIMIQUES 2) Principales fonctions de la chimie organique Fonctions bivalentes ALDÉHYDE CÉTONE Fonctions trivalentes ACIDE CARBOXYLIQUE ESTER AMIDE CHLORURE D ACYLE (D ACIDE) ANHYDRIDE D ACIDE NITRILE 23! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION II) FORMULES DE CONSTITUTION FONCTIONS CHIMIQUES 3) Groupes ou radicaux Les chaînes carbonés ou fragments de molécules qui ne sont pas modifiés au cours des réactions peuvent être définis comme des groupes (groupements ou radicaux). Radicaux Alkyles (symbole générale R) Radicaux Cycloalkyles Méthyle (Me) Ethyle (Et) Propyle (Pr ou npr) Isopropyle (ipr) Cyclopropyle Cyclohexyle Butyle primaire (Bu ou nbu) Radicaux Aryles (symbole générale Ar) Isobutyle (ibu) Tertiobutyle (tert-bu ou tbu) Phényle (Ph) 24!

13 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION III) REPRÉSENTATIONS SPATIALES DES MOLÉCULES! Problème de l information tridimensionnelle? Les formules de constitution ne précisent pas l organisation spatiale d un atome portant des substituants : Exemple: Cet atome de carbone (sp 3 ) est tétraédrique et non plan L atome de chlore peut être vers l avant ou vers l arrière Comment représenter la structure tridimensionnelle (et donc l information) des molécules dans un espace à deux dimension? Représentations planes de structures tridimentionnelles : Projections Modèles représentatifs Conventions d écriture Exemples (déjà vus): méthane éthane Vitamine C 25! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION III) REPRÉSENTATIONS SPATIALES DES MOLÉCULES! 1) Représentation de CRAM Conventions: Trait plein: liaison située dans le plan Représentation d un atome de carbone tétraédrique sp 3 : Trait triangulaire allongé plein: liaison entre un atome situé dans le plan et un atome situé en avant de ce plan Trait triangulaire hachuré: liaison entre un atome situé dans le plan et un atome situé en arrière de ce plan Représentation de CRAM pour un composé possédant plusieurs atomes de carbones (chaîne carbonée en zig-zag): Exemple: Ethanol CH 3 CH 2 OH Rq : On place généralement la chaîne hydrocarbonée la plus longue dans le plan de la figure (fig A). 26!

14 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION III) REPRÉSENTATIONS SPATIALES DES MOLÉCULES! 2) Représentation de NEWMAN Exemple: 1-chloropropane (Projection) Met en évidence la disposition relative des liaisons et des substituants portés par deux atomes adjacents Plan de projection Cram projection de Newman Conventions: La molécule est regardée dans l axe de la liaison entre deux atomes de carbone voisins. Les liaisons issues des deux atomes sont projetées sur un plan perpendiculaire à l axe de la liaison étudiée. Les liaisons de l atome le plus éloigné sont représentées par des segments radiaux s arrêtant à la périphérie du cercle. Celles de l atome le plus proche sont figurées par des segments issus du centre du cercle. Intérêt : Permet d attirer l attention sur une liaison C C particulière. Très utile pour observer les stéréoisomères de conformation (conformères). 27! Rq : Passage de Cram à Newman aisé CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION III) REPRÉSENTATIONS SPATIALES DES MOLÉCULES! 3) Représentation de FISCHER L atome de carbone tétraédrique est regardé selon un axe bissecteur Plan de projection (Projection) projection de Fisher Conventions: Toute liaison verticale est par convention en arrière du plan de la feuille. Toute liaison horizontale est en avant du plan de la feuille. La chaîne carbonée la plus longue est placée verticalement. Le groupement le plus oxydé est placé en haut de la représentation Exemple: Ethanol Cram Fischer 28!

15 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION III) REPRÉSENTATIONS SPATIALES DES MOLÉCULES! 3) Représentation de FISCHER Exemple: (S)-alanine Cram Fischer Cas d une molécule possédant une chaîne carbonée plus longue Exemple: D-ribose Cram Cylindre sur lequel serait enroulée la molécule Rq : Représentation de Fischer Initialement conçue pour représenter certaines séries: sucres (oses) et acides aminés. Fischer 29! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION III) REPRÉSENTATIONS SPATIALES DES MOLÉCULES! 4) Représentations en perspective Cavalière : représentation ambiguë dans la cas de molécules linéaires Cas des cycles: cyclohexane chaise La plan moyen de la molécule est représenté plus ou moins perpendiculairement au plan de la feuille. Deux types de liaisons pour les substituants : - liaisons axiales - Liaisons équatoriales Ex: saccharose Passage fischer à perspective pour Glucose et Fructose. Représentation de Haworth (sucres) 30!

16 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION III) REPRÉSENTATIONS SPATIALES DES MOLÉCULES! ISOMÈRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! LES MOLÉCULES «BOUGENT»!! 31! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 1) Définitions Des isomères sont des espèces chimiques de même formule brute et l on distinguera: Isomères de constitution : qui diffèrent par L ordre ou la nature des liaisons Stéréoisoméres : ordre et nature des liaisons sont identiques (même connectivité entre atomes) mais la disposition des atomes dans l espace est différente. 32!

17 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 2) Isomérie de constitution Exemple : C 4 H 10 O Isomères de fonction, de position et de squelette. Isomérie de fonction : Les fonctions portées par le squelette diffèrent Isomérie de position : fonctions et squelette identiques. La position de la fonction sur la chaîne carbonée est différente Isomérie de squelette : fonctions identiques mais squelette (enchaînement carboné) différent. 33! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie Stéréoisomères Stéréoisomères de conformation ou Conformères Le passage d un conformère à l autre nécessite peu d énergie. Rotations autour de liaisons!" Stéréoisomères de configuration Le passage d un isomère à l autre nécessite beaucoup d énergie Ruptures de liaisons A une molécule donnée ou un stéréoisomère (une configuration) peut correspondre une infinité de conformères. Mais Différences d énergies entre les conformères: Répulsions ou stabilisations électroniques. Gène stérique. 34!

18 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie a) Notion de conformation-conformères #) Composés acycliques a) L éthane Forme éclipsée Moins stable Rotation C C % = 12 kj.mol 1 Forme décalée Plus stable L angle dièdre $ entre les plans H-C 1 -C 2 et C 1 -C 2 -H est utilisé comme paramètre pour évaluer la variation d énergie potentielle associée à la déformation moléculaire par rotation interne. Libre rotation autour de la liaison C C Meilleur recouvrements orbitaires pour la forme décalée = stabilisation 35! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! #) Le butane Notion d encombrement stérique E (1) E (2) % = 25 kj.mol 1 E (3) E (4) éclipsée Moins stable Décalée gauche Pseudo éclipsée Décalée anti Plus stable Pseudo éclipsée Décalée gauche éclipsée La rotation entre les deux atomes de carbones centraux n est pas totalement libre 36!

19 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie a) Notion de conformation-conformères #) Composés acycliques Répulsion entre les deux groupes méthyle dont les rayons de Van der Waals sont très supérieurs à celui de l'atome d'hydrogène! Décalée anti Plus stable % = 3.8 kj.mol 1 Décalée gauche Interaction (butane) gauche déstabilisante 37! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie a) Notion de conformation-conformères &) Composés cycliques a) Le cyclohexane Position axiale Position équatoriale Les conformères les plus stables sont de type chaise ; ils représentent environ 99% de la population totale des conformères à température ambiante. Les conformères de type chaise ne présentent pas d interaction d éclipse. Interconversion entre conformères chaise du cyclohexane: Forme bateau Moins stable Par inversion de chaise un H équatorial passe en position axiale et inversement. 38!

20 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie b) Cyclohexanes monosubstitués La conformation la plus stable d un cyclohexane monosubstitué est la conformation chaise pour laquelle le substituant est en position équatoriale Exemples: 5% 95% Interactions 1,3 diaxiales déstabilisantes Interactions de type butane «gauche» <0,1% >99,9% 39! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie c) Cyclohexanes polysubstitués D une manière générale, les conformères chaises de molécules de cyclohexanes polysubstitués les plus stables du point de vue de l encombrement stérique sont ceux dont la majorité des substituants sont en position équatoriale. Exemple: Autres cycles à 6 et 5 chaînons polysubstitués Exemple: Enveloppe Chaise Saccharose 40!

21 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie b) Stéréoisomères de configuration Les stéréoisomères qui ne sont pas des conformères sont stéréoisomères de configuration. De manière générale, le passage de l un à l autre nécessite des ruptures de liaisons. Comment distinguer les stéréoisomères de configuration des conformères? Exemple: L alanine Fischer Cram Conformères Newman Stéréoisomères de configuration Du fait des conventions d écriture, la projection de Fischer ne peut être utilisée pour représenter des conformères. CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie b) Stéréoisomères de configuration * Deux cas présentés ici autour de centres stéréogènes : - Atome de carbone dans un environnement asymétrique : quatre substituants A, B, C, D différents : «atome de carbone asymétrique» Rq: Peut être noté par une étoile * - Double liaison (ici C=C) substituée par au moins deux groupes différents sur chaque atome de carbone (ici A et H/ B et H). Problème: Même formule brute, même formule développée (même connectivité) mais structure 3D différentes : comment les nommer?

22 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie c) Nommer les stéréoisomères Outils : Règles CIP (règles de priorité des groupements) Notion de configuration absolue atome de carbone asymétrique ou centre stéréogène Notions d énantiomérie et de diastéréoisomérie Comment attribuer l ordre des groupements dans l espace? Comment nommer et restituer l information concernant cet ordre? Comment nommer deux stéréoisomères l un par rapport à l autre quand l ordre est différent? 43! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie d) Règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Elles consistent à classer les subsituants des centres stéréogènes suivants des conventions établies : Règle 1: Un ordre de priorité des atomes et groupements (A, B, C et D) est établi par valeur décroissante du numéro atomique Z (et du nombre de masse pour distinguer les isotopes) Pour des des substituants constitués par des groupements d atomes: SH > OH > NH 2 > CH 3" 44!

23 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie d) Règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Elles consistent à classer les subsituants des centres stéréogènes suivants des conventions établies : Règle 2: S il y a indétermination au niveau du premier atome, il faut examiner les atomes du second rang auxquels la règle 1 est appliquée à nouveau Exemple : Comment classer? CH 3 ; CH 2 -CH 3 ; CH 2 -CH 2 -CH 3" CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! 3) Stéréoisomérie d) Règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Règle 3: Dans le cas de liaisons multiples (doubles; triples), l atome lié est répété (deux; trois fois) en faisant apparaître les atomes fictifs ou «fantômes» entre (parenthèse): Exemple : Chaque groupement peut se décomposer comme suit : L ordre de priorité peut être déterminé à partir du rang 2 Autre exemple : soit : 46!

24 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! e) Configuration absolue des atomes de carbone asymétriques : descripteur R / S Une fois l ordre de priorité déterminé, il faut nommer les centres stéréogènes en établissant leur configuration absolue: Détermination de la configuration absolue : Classer les différents groupements R 1, R 2, R 3, R 4 selon les règles CIP Si on suppose ici que R 1 > R 2 > R 3 > R 4 Placer dans la représentation de Cram le plus petit substituant (ici R 4 ) vers l arrière et observer le sens de rotation pour aller de R1 à R3 : Deux possibilités : Passage de R 1 à R 2 à R 3 dans le sens des aiguilles d une montre: Configuration absolue R (rectus) Passage de R 1 à R 2 à R 3 dans le sens inverse des aiguilles d une montre: Configuration absolue S (sinister) 47! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! e) Configuration absolue des atomes de carbone asymétriques : descripteur R / S Exemples: NH 2 > COOH > CH 3 > H (règles CIP) Configuration absolue (S) Configuration absolue (R) Ces deux stéréoisomères sont images l un de l autre à travers un miroir plan: ce sont des ÉNANTIOMÈRES Exemple: Le groupement le plus petit n est pas placé vers l arrière Configuration absolue (R) Astuce: La permutation circulaire sur trois centre : 48!

25 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! e) Configuration absolue des atomes de carbone asymétriques : descripteur R / S Avec plusieurs atomes de carbone asymétriques (centres stéréogènes) Vitamine C Configuration absolue (R) Configuration absolue (S) 49! IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION e) Configuration absolue des atomes de carbone asymétriques : descripteur R / S Cas de la représentation de Fischer: L atome d hydrogène est toujours devant ce qui est contraire aux conventions pour la détermination R ou S Rotation apparente dans le sens des aiguilles d une montre Inversion par rapport au modèle initial et aux conventions Configuration absolue (S) Exemple: Configuration absolue (S) Configuration absolue (R) 50!

26 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! f) Autres système de nomenclature : D/L Cette nomenclature D/L est couramment utilisée en série ose (sucres) en représentation de Fischer. Convention: La chaîne carbonée la plus longue est placée sur un axe vertical et le groupe de nombre d oxydation le plus élevé vers le haut dans la représentation de Fischer. Si le groupe hydroxyle porté par l atome de carbone asymétrique le plus éloigné du groupe carbonyle est sur la droite de l axe comme dans le D-glycéraldéhyde, le composé est D. Le composé est L s il est à gauche comme dans le L-glycéraldéhyde. stéréoisomères du glycéraldéhyde (Glucose et mannose naturels appartiennent à la série D) D-glucose! L-glucose! Stéréoisomères L et D du glucose 51! IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION f) Autres système de nomenclature : D/L Cas des acides aminés La nomenclature D/L est aussi employée dans la série des acides aminés RCH(NH 2 )COOH. Conventions: Dans la représentation de Fisher, le groupe acide carboxylique est placé vers le haut et le groupe spécifique R vers le bas. Stéréoisomère D: le groupe NH 2 se trouve à droite de l axe dans la représentation de Fischer Stéréoisomère L: le groupe NH 2 se trouve à gauche de l axe dans la représentation de Fischer La série L est celle des acides aminés naturels. 52!

27 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! f) Autres système de nomenclature : descripteurs Z/E des alcènes Convention: Sur chaque atome de carbone de la double liasion, les substituants sont classés selon les règles CIP. Configuration Z (zusamen): Les deux groupements prioritaires sont du même côté de la double liaison Configuration E (entgegen): Les deux groupements prioritaires sont de part et d autre de la double liaison Exemple: Configuration (Z) Configuration (E) 53! IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION f) Autres système de nomenclature : Cis/trans (cyclanique) Principalement utilisée dans les composés cycliques portant deux substituants R identiques. Elle repose sur la position relative des deux substituants : - situés dans le même demi-espace délimité par le plan moyen du cycle ' stéréoisomères cis, - situés de part et d autre du plan moyen du cycle ' stéréoisomères trans. Cis 1,2-diméthylcyclopropane Trans 1,3-dichlorocyclobutane Trans 1,2-diméthylcyclopropane Cis 1,3-dichlorocyclobutane 54!

28 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! La présence de centres stéréogènes PEUT conférer des propriétés particulières aux molécules : CHIRALITÉ" ACTIVITÉ OPTIQUE 55! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! g) Chiralité : définitions et exemples: La chiralité d un objet désigne sa propriété de ne pas être superposable à son image dans un miroir plan. Exemples d objets chiraux: La main Un acide aminé Quand l atome de C central possède quatre substituants différents Objet non chiral Molécules chirales: Molécules non superposables à leur image dans un miroir Exemple: Les molécules possédant un seul atome de carbone asymétrique sont chirales 56!

29 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! g) Chiralité : définitions et exemples: Cas des molécules possédant plusieurs atomes de carbones asymétriques Une molécules possédant plusieurs atomes de carbone asymétriques (ou centres stéréogènes) n est pas forcément chirale. La chiralité n est pas une propriété additive. Trans 1,2-diméthylcyclopropane Molécule achirale Molécule chirale Image non superposable (chirale) Plan de symétrie Cis 1,2-diméthylcyclopropane Molécule chirale Vitamine C Molécule achirale Image superposable (identique) Centre de symétrie 57! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! g) Chiralité : définitions et exemples: Cas des molécules ne possédant pas d atome de carbone asymétrique La présence d atomes de carbone asymétriques n est ni suffisante ni nécessaire pour conduire à des molécules chirales : Allènes : composés possédant deux C=C cumulées. Si R1!R2, du fait de l empêchement à la libre rotation : molécule chirale Spiranes : analogie géométrique avec les allènes : molécule chirale Biphényles : possédant des substituants suffisamment volumineux et différents en position ortho, seront chiraux. Ce type d'isomérie due à la gène stérique de la libre rotation autour d'une liaison sigma est dénommé atropoisomérie. Hélices et hélicènes : LES MOLÉCULES CHIRALES SONT DOUÉES D ACTIVITÉ OPTIQUE

30 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! h) Activité optique! La lumière non polarisée est une onde électromagnétique dont les composantes magnétiques (M) et électriques (E) vibrent en phase à la même fréquence dans toutes les directions perpendiculairement à la direction de propagation: L utilisation de filtres va permettre de ne sélectionner que certaines de ces ondes: la lumière est dite polarisée. Cette lumière polarisée peut être chirale: Exemple: Lumière Circulaire Polarisée Gauche Exemple: Lumière Circulaire Polarisée Droite 59! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! h) Activité optique! Activité optique (pouvoir rotatoire): mesurée à l aide d un polarimètre, le PR est une propriété qu ont certains composés ou milieux de faire tourner le vecteur lumineux E d un faisceau lumineux polarisé les traversant. Représentation schématique d un polarimètre: Déviation du vecteur vers la droite : Composés dextrogyres (+) Déviation du vecteur vers la gauche : Composés lévogyres ( ) Pouvoir rotatoire spécifique: cte de proportionnalité, déterminé à l aide de la loi de Biot : [#] ( $ = $ : température ; ( : longueur d onde du faisceau lumineux (en général, raie D du sodium). # s exprime en degrés ( ), l en dm, c en g.cm -3 et le pouvoir rotatoire spécifique en dm -1 g -1 cm 3. Une molécule chirale peut être définie par une activité optique et un pouvoir rotatoire spécifique # l.c 60!

31 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! j) Relations entre stéréoisomères: Enantiomères / Diastéréoisomères Une molécule avec n atomes de carbone asymétriques peut avoir jusqu à 2 n stéréoisomères. Exemple: 3 atomes de carbone asymétriques Comment distinguer les différents types de stéréoisomères, quelles sont leurs propriétés spécifiques et quelles sont les relations entre ces différents stéréoisomères? $) Enantiomères Enantiomères Stéréosisomères images, non superposables car chirales (propriété essentielle). Cas d une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique: L acide lactique 2 3 = 8 stéréoisomères possibles Configuration absolue (S) Configuration absolue (R) Propriétés relatives: Deux énantiomères possèdent les mêmes propriétés physiques et chimiques exceptés leurs pouvoirs rotatoires spécifiques qui sont de signes opposés [(+) et ( )]. Racémique: Mélange en proportions égales des énantiomères lévogyres et dextrogyres d'une molécule chirale. Lʼactivité optique est nulle." Rmq : La double liaison C=C est ici à l origine d une stéréoisomérie géométrique (Z/E), mais chaque stéréoisomère (Z ou E) est superposable à son image car achiral (molécules symétriques). 61! CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! j) Relations entre stéréoisomères: Enantiomères / Diastéréoisomères Définition: Deux stéréoisomères non énantiomères sont diastéréoisomères. Exemple: Stéréoisomères et non image l un de l autre dans un miroir plan. Diastéréoisomères Les diastéréoisomères ne possèdent pas nécessairement d atome de carbone asymétrique. Propriétés relatives: Deux diastéréoisomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes. Ils ne possèdent pas les mêmes géométries, les mêmes environnements autour de chacun des sites réactifs. Les groupements hydroxy (OH) ont des environnements différents. Seules les diastéréoisomères chiraux présentent une activité optique. 62!

32 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! i) Relations entre stéréoisomères: Enantiomères / Diastéréoisomères Cas d une molécule possédant deux atomes de carbone asymétriques: Soit 4 stéréoisomères CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! l) Importance de la chiralité dans le vivant La chiralité est une propriété simple mais fondamentale! LA VIE EST CHIRALE! ACIDES AMINÉS NATURELS DE SÉRIE L SUCRES NATURELS DE SÉRIE D DATATION POSSIBLE DE LA MORT EN ABSENCE DE SOURCE CHIRALE L HOMME NE SAIT PAS FAIRE DE SYNTHÈSE ASYMÉTRIQUE ET CRÉER DES MOLÉCULES CHIRALES! IMAGE : ACIDES AMINÉS DE SÉRIE D SUCRES DE SÉRIE L D Où PROVIENT LA CHIRALITÉ À L ORIGINE DU VIVANT? Le vivant est capable de produire des molécules chirales au départ de molécules achirales! 64! *El Fouikar Abderrahmane, H. de Lumley, 1995, MNHN, thèse N 95MNHN0001.

33 CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! l) Importance de la chiralité dans le vivant NOM Vente Globale 2003(milliards $) Principe actif Forme active Effet thérapeutique LIPITOR 10,3 ATROVASTATIN énantiopur hypolipidémiant ZOCOR 6,1 SIMVASTATIN énantiopur hypolipidémiant ZYPREXA 4,8 OLANZAPINE Achiral Psychotrope NOVARSC 4,5 AMLODIPINE Racémique Inhibiteur pompe calcium PROCRIT 4 EPOETIN A Protéine Stimulation production hématies PREVACID 4 LANSOPRAZOLE Racémique Inhibiteur pompe à proton NEXIUM 3,8 ESOMEPRAZOLE énantipur Inhibiteur pompe à proton PLAVIX 3,7 CLOPIDROGEL énantipur Inhibiteur aggrégation plaquétaire ADVAIR 3,7 SALMETEROL Racémique bronchodilatateur ZOLOFT 3,4 SERTALINE énantiopur Inhibiteur recapture de la sérotonine CHAPITRE I : STRUCTURE STEREOCHIMIE CONFORMATION IV) ISOMÉRIE ET STÉRÉOISOMÉRIE! l) Importance de la chiralité dans le vivant Les récepteurs biologiques sont des molécules chirales : ils peuvent répondent différemment aux énantiomères d une même molécule, la réponse biologiques étant fonction de la nature des interactions établies : récepteur Complexes diastéréoisomères

34 Les récepteurs biologiques sont des molécules chirales : ils peuvent répondre différemment aux énantiomères d une même molécule, la réponse biologiques étant fonction de la nature des interactions établies : Exemples 1/ Propriétés thérapeutiques et toxicité : Un tiers des médicaments actuels contient un principe actif chiral. Or deux énantiomères peuvent avoir des propriétés thérapeutiques différentes. Thalidomide (Contergan ) (!)-propanolol "-bloquant (+)-propanolol contraceptif tératogène sédatif le (2R, 3R)-(+) ou dextropropoxyphène (DPX) est un analgésique opioïde alors que le (2S, 3S)-( ) ou lévopropoxyphène est un antitussif : (S,S)-Ethambutol : Traitement tuberculose l énantiomère (R,R) provoque de graves troubles occulaires Le (DPX) est un dérivé de la morphine. Quinze fois moins puissant que cette dernière, il est commercialisé en association à des analgésique de faible puissance comme le paracétamol (Di-Antalvic par exemple). (S)-Kétamine : anesthésiant et énantiomère (R) est un hallucinogène classé parmi les stupéfiants. Les récepteurs biologiques sont des molécules chirales : ils répondent différemment aux énantiomères d une même molécule, la réponse biologiques étant fonction de la nature des interactions établies : Exemples 2/Propriétés organoleptiques : Les récepteurs olfactifs et gustatifs sont sensibles à la chiralité : Phéromone de la fourmi pharaon : seul stéréoisomère capable d attirer la fourmi. Les autres stéréoisomères sont inactifs. (S)-(+)-carvone odeur des graines de carvi (R)-(!)-carvone odeur de menthe fraîche methyl-jasmonates L isomère (1R,2S) est sans odeur, le (1S,2R)possède une forte odeur de jasmin. Aspartame (S),(S) Les autres stéréoisomères ne produisent pas l'effet sucré recherché : R,S-aspartame = amer S,R-aspartame = insipide R,R-aspartame = insipide (goût : salé, sucré, acide, amer, umami)

35 CHAPITRE I! Exercice bilan: 1) Repérer et nommer les différentes fonctions. 2) Repérer tous les atomes de carbone asymétriques. 3) Donner les configurations absolues des atomes de carbone 1, 2 et 3. 4) Donner la configuration absolue de la double liaison de l alcène. Taxol (paclitaxel) 5) Représenter en Newman suivant l axe C1/C2 et en Fischer la molécule suivante: 69! 69! Structure générale du cours Objectifs Les électrons ne sont pas répartis de manière homogène Les électrons se déplacent dans certaines liaisons Electronégativité Effets électroniques! CHAPITRE II : EFFETS ÉLECTRONIQUES I) ÉLECTRONÉGATIVITÉ ET CONSÉQUENCE II) EFFET INDUCTIF III) MESOMÉRIE FORMES DE RÉSONANCE IV) EFFET MÉSOMÈRE et INFLUENCE SUR L ACIDITÉ ET LA BASICITÉ, LA STABILITÉ DES INTERMÉDIAIRES RÉACTIONNELS (CARBOCATIONS ET CARBANIONS) 70!

36 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! I) ÉLECTRONÉGATIVITÉ ET CONSÉQUENCES Définitions: Grandeur qui mesure l aptitude du noyau d un élément (atome) à attirer vers lui les électrons. Des échelles (Mulliken ou Pauling, basée sur les énergies d ionisation et l affinité électronique ou les énergies de dissociation des liaisons) attribue ainsi une valeur pour chaque élément de la classification périodique : EN - Même colonne (même groupe) : l EN décroît quand le numéro atomique croît car le noyau atomique tend alors à «s'éloigner» des électrons de valence. - Même ligne (même période) : l EN croît avec le numéro atomique, car la charge électrique du noyau atomique (nombre de protons) augmente et interagit davantage avec les électrons de valence. - Corrélation entre structure électronique, électronégativité, règle de l octet et RÉACTIVITÉ : exemple avec Na et Cl. 71! CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! I) ÉLECTRONÉGATIVITÉ ET CONSÉQUENCES Une liaison impliquant deux atomes d électronégativité différente sera polarisée. Exemple : Convention d écriture Liaison polarisée : Liaison où le centre de densité électronique est déplacé depuis le milieu de la liaison vers l atome le plus électronégatif. Dans l exemple ci-dessus, les électrons de la liaison C-O seront plus proches de l atome d oxygène, augmentant ainsi la densité électronique au voisinage de l atome d oxygène. Par conséquence, la densité électronique sera plus faible au voisinage de l atome de carbone. Ces deux aspects sont indiqués ici par les notations ) + et ) -. Effets électroniques : l électronégativité est à l origine des effets électroniques (effets inductifs et mésomérie), eux-mêmes à l origine de la réactivité chimique. 72!

37 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! II) EFFETS INDUCTIFS 1- Définitions: Effet inductif : La différence d'électronégativité des différents éléments liés entre eux est à l origine d une polarisation locale qui se propage le long des liaisons simples situées au voisinage de l élément électronégatif. L effet inductif correspond à un déplacement de la densité électronique des électrons impliqués dans les liaisons " (électrons de simple liaison) sur un squelette moléculaire. Exemple : 73! CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! II) EFFET INDUCTIF 2) Effet inductif Propriétés générales Effet donneur ou accepteur Transmission de l effet au travers des liaisons chimiques. Décroissance de l effet dès qu on s éloigne de l atome responsable de l effet. Effet additif. Effet inductif attracteur (Accepteur) d un groupement ou atome, noté (-I): Effet inductif donneur d un groupement ou atome; noté (+I): Attention à la charge + sur l atome d azote! 74!

38 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! II) EFFET INDUCTIF 3) Application à la stabilité des carbocations Le carbocation est une espèce instable, présentant une déficience électronique. C est un intermédiaire réactionnel dont la stabilité dépend des effets électroniques (inductifs et mésomère!) : une déficience électronique sera stabilisée par des effets donneurs d électrons! CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! II) EFFET INDUCTIF 4) Applications : influence sur l acidité et la basicité Rappel: (acide) (A base conjuguée) Un acide est d autant plus fort qu il va céder facilement un proton H + - Déplacement de l équilibre vers la droite de la réaction - Forme conjuguée A stabilisée 1) Influence des effets inductifs: Stabilisation de la base conjuguée = déplacement de l équilibre vers la droite Augmentation de l acidité et diminution du pka Stabilité relative des bases conjuguées: Charge négative sur l atome d oxygène stabilisée par effet inductif attracteur ( I) 76!

39 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! II) EFFET INDUCTIF 4) Applications : influence sur l acidité et la basicité acidité relative des acides carboxyliques CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! III) MÉSOMÈRIE FORMES DE RÉSONANCE Dans de nombreuses molécules, une écriture unique (en localisant précisément les liaisons) n est pas suffisante pour rendre compte et expliquer certaines caractéristiques ou propriétés de celles ci : 1) Exemple du 1,3-butadiène Liaisons délocalisées Rappel: Longueurs moyennes de liaison Liaison simple C C 1,54 Å Laison double C=C 1,34 Å 1,37 Å 1,46 Å 1,37 Å Chaque liaison du butadiène a un caractère intermédiaire entre simple et double: Pour approcher au plus près la molécule réelle, l écriture de plusieurs structures appelées structures limites s avèrent nécessaires, écriture impliquant des mouvements d électron, mouvements appelés délocalisation : Aucune structure limite ne représente la molécule réelle qui est à considérer comme mésomère (du grec meso, milieu) entre les structures limites. Le symbole! est utilisé pour dresser la liste des structures limites. L ensemble des structures limites entre crochets est utilisé pour représenter la molécule réelle. 78!

40 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! III) MÉSOMÈRIE FORMES DE RÉSONANCE Dans de nombreuses molécules, une écriture unique (en localisant précisément les liaisons) n est pas suffisante pour rendre compte et expliquer certaines caractéristiques ou propriétés de celles ci : 1) Exemple du 1,3-butadiène Liaisons délocalisées Rappel: Longueurs moyennes de liaison Liaison simple C C 1,54 Å Liaison double C=C 1,34 Å 1,37 Å 1,46 Å 1,37 Å Chaque liaison du butadiène a un caractère intermédiaire entre simple et double: Pour approcher au plus près la molécule réelle, l écriture de plusieurs structures appelées structures limites s avèrent nécessaires, écriture impliquant des mouvements d électron, mouvements appelés délocalisation : Délocalisation des électrons: Seuls les électrons des doublets non liants et les électrons des liaisons " sont impliqués dans ces délocalisations. Ecriture: Formes limites ou de résonance 79! CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! III) MÉSOMÈRIE FORMES DE RÉSONANCE Mésomérie : déplacement d électrons " (liaison multiple) ou p (doublets non liants) sur un squelette moléculaire. Ces électrons sont beaucoup plus mobiles que les électrons! et peuvent facilement circuler sur le squelette carboné. Condition: Les systèmes doivent être conjugués, c est à dire séparé par une liaison!. 2) Différents systèmes conjugués! "! " Deux doubles liaisons conjuguées Formes limites n! " Un doublet non liant et une double liaison conjugués Formes limites 80!

41 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! III) MÉSOMÉRIE FORMES DE RÉSONANCE 2) Différents systèmes conjugués! n! p Un doublet non liant et une lacune électronique conjugués Formes limites "! p Une double liaison et une lacune électronique conjuguées Formes limites Conjugaison = Délocalisation d électrons sur toutes les orbitales p adjacentes de l enchaînement d atomes.! Les orbitales p doivent être parallèles = Toutes les liaisons impliquées doivent être coplanaires :! 81! CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! III) MÉSOMÉRIE FORMES DE RÉSONANCE 3) Quelles sont les formes mésomères les plus probables? La délocalisation des électrons conduit généralement à une stabilisation des composés.! Les électrons ne sont pas toujours répartis de manière homogène: «poids» différent de chaque forme.! - Compatibilité entre charge et électronégativité : Ecriture fortement contributive Ecriture non contributive - Séparation de charges minimales (forme neutre + contributive que forme chargée) Exemples: Formes neutres 1,46 Å! Respecter la règle de l octet : 1,37 Å Oui Non! 1,37 Å La règle de l octet n est pas respectée 82!

42 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! III) MÉSOMÉRIE FORMES DE RÉSONANCE 4) Structures limites et hybrides de résonance Structures limites (formes limites) Hybride de résonance: Ion carboxylate Amide 83! CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! IV) EFFET MÉSOMÈRE Effet produit sur une grandeur expérimentale (vitesse de réaction, pka, etc ) par un atome ou un groupe d'atomes introduit comme substituant dans une entité de référence, du fait de la création ou de l'extension d'une délocalisation d'électrons. Groupements à effet mésomère attracteur (accepteur) (-M): Acceptent des électrons par délocalisation ou extension de délocalisation. Stabilisation d anions ou de carbanions Groupements à effet mésomère donneur (+M): Possèdent un atome portant des doublets d électrons (" ou non liants) directement relié par une liaison!, pouvant conduire à une délocalisation ou extension de délocalisation par donation de la paire d électrons. Stabilisation de carbocations Effet plus important que l effet inductif. Exercice : écrire pour chaque cas, la structure limite résultant de la délocalisation. 84!

43 CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! IV) EFFET MÉSOMÈRE ET INFLUENCE SUR L ACIDITÉ ET LA BASICITÉ phénol plus acide que: cyclohexanol pka = 9,8 pka = 16 Stabilité relative des bases conjuguées: Phénate: Base conjuguée stabilisée par délocalisation de la charge négative sur le benzène (formes limites possibles) : Effet mésomère attracteur ( M) du groupement phényle 85! CHAPITRE II!: EFFETS ELECTRONIQUES! IV) EFFET MÉSOMÈRE ET INFLUENCE SUR L ACIDITÉ ET LA BASICITÉ Exercice: 100 fois (10 2 ) plus acide que: pka = 7,1 4-nitro-phénol pka = 9,3 3-nitro-phénol Expliquer la différence d acidité entre les deux composés. 86!

44 CHAPITRE II!! Exercice: Taxol (paclitaxel) 1) A quels endroits y-a-t-il conjugaison? Expliquer. 87! Les molécules organiques se «transforment» Réaction chimique " Fonctions et réactivité # CHAPITRE III : GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE I) LES GRANDES FAMILLES DE RÉACTIONS ORGANIQUES II) COMMENT LES RÉACTIONS SE FONT-ELLES? : MÉCANISMES III) INTERMÉDIAIRES RÉACTIONNELS 88!

45 CHAPITRE III : GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE Réaction Rupture de certaines liaisons et formation de nouvelles liaisons (! ou "). Obtention de l arrangement le plus stable des atomes en présence compte tenu des conditions. Réactifs Réaction (substrats) Mécanisme? Intermédiaires? Produit(s) Classification par type de mécanisme ou par type de réaction. 89! CHAPITRE III : GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE I) LES GRANDES FAMILLES DE REACTIONS ORGANIQUES Classification selon le bilan 1) Substitutions: Un réactif réagit avec un autre pour donner deux nouveaux produits. Un atome (ou un groupe d atomes) en remplace un autre dans la molécule initiale. Exemple: 2) Additions: Deux réactifs conduisent à la formation d un nouveau produit sans perte d atome lors de la réaction. Ex: Une molécule se scinde en deux fragments, qui se fixent sur une autre molécule. 90!

46 CHAPITRE III : GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE I) LES GRANDES FAMILLES DE RÉACTIONS ORGANIQUES 3) Eliminations: Considérées comme l inverse des réactions d addition; Un réactif donne deux produits distincts. Une molécule perd certains de ses atomes et il en résulte la création d une liaison supplémentaire en son sein (liaison multiple). Exemple: 4) Réarrangements ou transpositions: Certains atomes ou groupes d atomes changent de place dans la molécule. Le produit A conduit à un produit B isomère. Même formule brute Exemple: 91! CHAPITRE III : GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II) COMMENT LES RÉACTIONS SE FONT-ELLES? MÉCANISMES On appelle mécanisme de réaction la description complète des mouvements d électron qui se produisent lors du passage du réactif au produit. Un mécanisme décrit dans le détail comment se déroule chaque étape d une transformation chimique. Ceci inclut: Quelles liaisons (!, ") sont rompues et dans quel ordre. Quelles liaisons se forment et dans quels ordre. Quelle est la nature des intermédiaires réactionnels et états de transition. Quelles sont les vitesses relatives de chaque étape élémentaire. 1) Différents modes de coupure et de formation d une liaison Rupture homolytique de la liaison (voie radicalaire). Rupture hétérolytique de la liaison (voie polaire). Création de liaison par voie radicalaire. Création de liaison par voie polaire. Les processus faisant intervenir des espèces ayant un nombre d électrons de valence pair sont appelés des réactions hétérolytiques (ou ioniques). Règle générale : conservation de la charge globale 92!

47 CHAPITRE III : GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II) COMMENT LES RÉACTIONS SE FONT-ELLES? : MÉCANISMES 2) Réactivité des espèces Notion d électrophile et de nucléophile Les déroulement des réactions hétérolytiques est lié à la polarisation des liaisons covalentes. Rappels: Certaines liaisons, en particulier les liaisons dans les groupes fonctionnels, sont polarisées. Atome de C lié à un atome plus électronégatif: Y = O, N, Cl, Br, I, X = O, N, Atome de C lié à un atome moins électronégatif: M = métal (Mg, Li, ) Caractéristique fondamentale des réactions hétérolytiques: Les sites électroniquements enrichis d une molécule réagissent avec les sites électroniquement appauvris d une autre molécule. Mécanisme électronique: Les déplacements d électrons (paire) lors d une réaction hétérolytique sont signalés par des flèches curvilignes allant de l espèce riche en électrons à l espèce déficiente en électrons. Pauvre en électrons Riche en électrons 93! CHAPITRE III : GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II) COMMENT LES RÉACTIONS SE FONT-ELLES? : MÉCANISMES 2) Réactivité des espèces Notion d électrophile et de nucléophile Mécanisme électronique: Mise en évidence des doublets intervenant lors de la réaction Exemple: Substitution: Nucléophile Electrophile Nucléophile: réactif possédant un atome central relativement riche en électrons (à forte densité électronique) pouvant former une liaison en donnant une paire d électrons à un atome électroniquement pauvre. Un nucléophile possède les électrons nécessaires à la formation d une liaison, sous la forme soit d un doublet libre soit d un doublet facilement mobilisable au cours d un mécanisme concerté. (nucléophile neutre ou chargé négativement, faible ou fort). Electrophile: réactif possédant un atome central relativement pauvre en électrons (faible densité électronique) pouvant former une liaison en acceptant une paire d électrons provenant d un nucléophile. Les électrophiles disposent d une case vide (lacune électronique), ou susceptible de se libérer au cours d un mécanisme concerté. 94!