ISOMÉRIE. I-Isomérie de constitution. II-Stéréoisomérie de conformation. 1) Généralités. a) notion de conformation

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1 ISMÉRIE Deux molécules sont isomères lorsqu elle ont la même formule brute mais des arrangements d atomes différents. Ceci entraîne pour les composés correspondants, des propriétés physiques, chimiques ou biologiques différentes. I-Isomérie de constitution Déf: Il y a isomérie de constitution si plusieurs composés ont la même formule brute mais des formules développées différentes. n distingue trois types d isomérie de constitution: u isomérie de chaîne: l enchaînement des atomes de carbone n est pas le même; par exemple u isomérie de position: l enchaînement des butane atomes de carbone est le même mais la position d un groupe fonctionnel change; par exemple: u isomérie de fonction: les groupes fonctionnels sont différents; par exemple, la formule brute C 6 correspond à C 3 C (fonction alcool) et à 3 C C 3 (fonction éther). chloropropane Dans les derniers cas, les propriétés chimiques des isomères sont très différentes puisque les groupes fonctionnels sont différents. Dans les autres cas, les propriétés chimiques sont voisines mais la réactivité évolue d un isomère à l autre. Il est donc utile de séparer les isomères, en particulier par des méthodes physiques ou mieux, dans une synthèse, de préparer un isomère de manière privilégiée. Un mécanisme est dit régiosélectif s il favorise un isomère de chaîne parmi plusieurs. Déf: Il y a stéréoisomérie pour des molécules de même formule développée qui diffèrent par la disposition des atomes dans l espace. Selon leur stabilité, on distingue plusieurs catégories de stéréoisomères. II-Stéréoisomérie de conformation 1) Généralités -méthylpropane -chloropropane a) notion de conformation Considérons une molécule d éthane dans la représentation de Newman (projection dans le plan du dessin le long d une liaison C C): La liaison C C de type σ possède la symétrie de révolution. Donc les groupes méthyle extrémaux peuvent tourner l un par rapport à l autre sans modifier cette liaison: on dit qu il y a libre rotation autour de la liaison C C. Déf: n appelle conformation d une molécule les différentes dispositions des groupements qui la composent, par suite de la libre rotation autour d une liaison C C. Le passage d une conformation à une autre ne nécessite pas de rupture de liaison. Elle ne nécessite donc qu une faible énergie (3 à 30 kj.mol 1 ) de l ordre de celle que possède la molécule aux températures ordinaires, à cause de l agitation thermique. Chimie organique Isomères page 1/8

2 Aux températures ordinaires, la plupart des molécules ont une énergie d agitation thermique suffisante pour passer d une conformation dans une autre; il est donc impossible d isoler des conformations d une molécules et, par voie de conséquence, de parler d isomérie. Cependant, à très basse température, on peut isoler et séparer certaines conformations. Le terme de stéréoisomères de conformation est alors applicable. b) analyse conformationnelle Les forces intramoléculaires rendent certaines conformations énergétiquement plus stables que d autres. Des effets de répulsion par gène stérique entre groupes plus ou moins volumineux interviennent aussi. Il peut apparaître également des attractions entre atomes (cas des liaisons hydrogène par exemple). Il se produit un équilibre entre les différentes formes d énergie voisine, dont les pourcentages dépendant de la température et de l environnement de la molécule (par exemple le solvant). L analyse conformationnelle compare les stabilités relatives des différentes conformations. Déf: n appelle conformère la conformation la plus stable. ) Exemple de l éthane n trace les variations de l énergie potentielle E P en fonction de «l angle de rotation» θ entre deux choisis arbitrairement. E P θ (1) 11,7 kj.mol -1 () La conformation la moins probable est donc la conformation éclipsée (1); la plus probable est la conformation décalée (): c est le conformère. La différence d énergie est due à la répulsion électrostatique entre les atomes d hydrogène. Elle est faible et l on ne peut isoler un conformère aux températures usuelles. Remarque: Le rapport des nombres de chaque type de conformères est calculable en utilisant la loi de Boltzmann: n n conformation d énergie E i. 1 e E 1 E = RT ( )/ où n i est le nombre de molécules du composé sous la Dans le cas de l éthane, on a E P = 11,7 kj.mol 1, on obtient à 5 C: nd = e /( 8, ) = 11,4. Il y a donc environ 100 fois plus de conformations décalés que de ne conformations éclipsés. 3) Exemple du butane Pour le butane, par rotation autour de C C 3, on a différentes conformations suivant la valeur de l angle θ entre les deux liaisons des groupes méthyl; la courbe de l énergie potentielle en fonction de θ est la suivante: Chimie organique Isomères page / θ

3 n peut distinguer quatre conformations particulières: E P C 3 θ C : θ = 0: éclipsée syn; : θ = π/3: décalée gauche; : θ = π/3: éclipsée anti ; : θ = π: décalée anti L interaction est grande lorsque les deux groupes C 3 sont voisins (cas ) et diminue un peu si les deux groupes voisins sont et C 3 (cas ): l interaction répulsive diminue avec la taille des groupes substituants. La différence d énergie est faible entre décalée anti décalée gauche: 3,3 kj.mol 1. Le conformère est la forme décalée anti. 4) Conclusion Pour toute molécule, il existe une forme géométrique préférentielle (le conformère) mais les possibilités d interconversion entre différentes conformations sont mises en jeu dans les mécanismes réactionnels. III-Stéréoisomérie géométrique 1) Définition La présence d une double liaison dans une molécule empêche la libre rotation autour de la liaison C=C à cause du plan de symétrie imposé par la liaison π. Lorsque chaque carbone de la double liaison porte deux groupes substituants différents, il y a possibilité d isomérie. Déf: n appelle configuration une disposition de groupes substituants différents sur un carbone donné. Pour passer d une configuration à une autre, il faut donc une énergie importante (de l ordre de celle nécessaire pour casser une liaison, c est-à-dire 00 kj.mol 1 ). Elle n est pas fournie par l agitation thermique. Deux molécules de configurations différentes seront donc isolables. Déf: Lorsque les carbones substitués sont liés par une double liaison, on dit qu il y a isomérie géométrique. ) Nomenclature a) règle séquentielle C.I.P. Ces règles conventionnelles, dues à Cahn, Ingold et Prelog, définissent un ordre de priorité des groupes substituants sur un carbone donnée : on considère le numéro atomique de l atome directement relié au carbone étudié; la priorité va à la valeur la plus élevée. Chimie organique Isomères page 3/8

4 exemple: 35 Br > 17 > 16 > 6 C > 1. : en cas d égalité pour deux atomes directement reliés à C (premier rang), on applique la règle précédente pour les atomes de deuxième rang. Une priorité suffit quelles que soient les priorités des autres atomes. ). exemple: C Br > C(C 3 ) 3 car au rang (Br,, ) est prioritaire devant (C, C, C) : une liaison multiple est considérée comme autant de liaisons simples. exemple: C=C > C C 3 car au rang (C, C, ) est prioritaire devant (C,, b) nomenclature Z, E Pour une molécule du type a a b C = C ' b ', on étudie les priorités pour chaque carbone de la double liaison. Supposons que l on trouve a > b et a > b. n distingue deux diastéréoisomères géométriques: Remarque: on trouve la même nomenclature lorsque la molécule possède un cycle: a a b C = C ' b ' est appelé Z (de l allemand ensemble); a b b C = C ' a ' est appelé E (de l allemand opposé). C 3 conformation Z conformation E C Remarque: il n y a pas d identité entre la nomenclature CIS TRANS et la nomenclature Z E 3) Propriétés Les isomères Z et E d une molécule ont des propriétés physiques, chimiques ou biologiques différentes. u propriétés physiques moment dipolaire C C = C = C µ = 0 ( E) Chimie organique Isomères page 4/8 et µ = 1, 9 température de vaporisation: dans le cas précédent, Z bout à 60 C alors que E bout à 48 C car il existe une force attractive entre les molécules polaires qui rend plus difficile la vaporisation. u propriétés chimiques l acide (Z) but ènedioïque peut subir une élimination d eau suivant le bilan: C C = C C ( Z) D +

5 Cette élimination ne peut pas avoir lieu pour l isomère (E). u propriétés biologiques L attraction sexuelle de la femelle du bombyx dépend de la sécrétion d une substance à longue chaîne possédant deux doubles liaisons entre les carbones C 10 à C 1. n peut mesurer l activité biologique A de la molécule comme étant la quantité massique de molécule nécessaire pour avoir 50% de tests positifs. n obtient le tableau suivant: isomère naturel (E)10 (E)1 (E)10 (Z)1 (Z)10 (E)1 (Z)10 (E)1 A n constate que la substance naturelle contient essentiellement l isomère (E)10 (Z)1. IV-Isomérie de configuration 1) Chiralité a) notion de chiralité Le terme chiralité est dérivé du nom grec kheir (kheir, main) et caractérise deux objets qui, comme une main droite et une main gauche, sont différents tout en paraissant similaires. La distinction ne réside pas dans des dimensions ou des formes respectives. Une main gauche et une main droite ne peuvent être amenées en superposition, elles se déduisent l une de l autre par une symétrie par rapport à un plan. Presque tous les constituants chimiques des systèmes vivants sont chiraux : polypeptides, protéines, glucides, acides nucléiques ; la chiralité est une des caractéristiques des organismes vivants. C est, toutefois, à une date relativement récente ( ) que ce terme utilisé par le physicien lord Kelvin au début du siècle a été introduit en chimie par R. S. Cahn, C. Ingold et V. Prelog (Prix Nobel 1975). Il devenait, en effet, indispensable de disposer d un mot caractérisant des espèces moléculaires les plus variées qui peuvent exister sous forme de deux stéréoisomères, image l un de l autre par rapport à un plan miroir. b) activité optique La lumière est une onde transversale correspondant à la propagation d une perturbation du champ électromagnétique. A l aide d un polariseur, il est possible d obtenir de la lumière polarisée rectilignement, c est-à-dire telle que le champ électrique ne vibre que dans un seul plan fixe (le champ magnétique aussi mais il suffit de considérer r E ici). Certaines substances dites optiquement actives possède la propriété de faire tourner d un angle α la direction de vibration du champ. substance optiquement active α polariseur Si la substance est pure et homogène, l angle α dépend de la nature de la substance, de la longueur d onde de la lumière et de la longueur de substance traversée. Mais le signe de α ne dépend que de la nature de la substance: on distingue donc les substances: dextrogyre telle α > 0 (compté dans le sens des aiguilles d une montre); lévogyre telle α < 0. Chimie organique Isomères page 5/8

6 De très nombreux composés, sous des états physiques différents, sont optiquement actifs: quartz α (solide), essence de térébenthine, des halogénoalcanes(liquide), vapeur de camphre (gaz) Mais cette propriété est plutôt exploitée en solution, le solvant étant choisi inactif sur la lumière polarisée (eau). Dans ce cas, on a la loi de Biot: Exemples: N ordre de priorité : N > C > C 3 > Chimie organique énantiomère (R) C * Isomères C 3 C page 6/8 alanine α = [ α 0]. l. c où α est l angle de rotation, l la longueur de la cuve, c la concentration de la substance optiquement active et [α 0 ] une constante caractéristique de cette substance appelée pouvoir rotatoire spécifique. Remarque: dans le cas d un mélange de plusieurs substances optiquement actives, on a α= l. [ α ] i. ci i 0. Déf: Un mélange est dit racémique si son pouvoir rotatoire est nul bien qu il soit composé de plusieurs substances optiquement actives. c) principe de Pasteur Énoncé: Pour qu une molécule soit optiquement active, il faut et il suffit qu elle soit chirale. Elle n est donc pas superposable avec son image dans un miroir plan. Par définition de la chiralité, toute molécule optiquement active possède une molécule image ayant une activité optique de signe contraire. n les appelle énantiomères. Le mélange équimolaire de deux énantiomères est nécessairement racémique. Pasteur a relié la chiralité aux éléments de symétrie de la molécule. En pratique, on retient qu une molécule est chirale si elle ne possède pas de plan de symétrie, ni de centre de symétrie. ) Aspect structurel a) carbone asymétrique L exemple le plus important de chiralité est le cas des molécules possédant un centre chiral tel qu un carbone asymétrique. Déf: n appelle carbone asymétrique, et l on note C *, un carbone téraédrique possédant quatre substituants différents. Exemples: * le chlorobutane C 3 C CC 3; * l alanine (acide aminé naturel) C C C ; bromochlorofluorométhane C * FBr; 3 N Déf: Un arrangement spatial donné des quatre substituants d un carbone asymétrique est appelé configuration. b) configuration absolue Cahn, Ingold et Prelog ont établi la règle de nomenclature permettant de désigner sans ambiguïté chacun des énantiomères (1966). (1) n classe les substituants du C * dans l ordre de priorité séquentiel; () Si la liaison du quatrième substituant correspond au sens direct de la rotation des trois premiers, le carbone asymétrique est rectus (R); sinon, il est sinister (S).

7 Remarque: il n y a aucune corrélation entre la configuration absolue d une molécule (obtenue par une convention) et le sens du pouvoir rotatoire (correspondant à un résultat expérimental). c) propriétés Le passage d un énantiomère à l autre est appelé une inversion de configuration. Elle nécessite la rupture et la reconstruction d au moins deux liaisons; c est donc un processus coûteux en énergie ( 400 kj.mol 1 ). C 3 A température ordinaire, la durée de vie d une configuration est donc très longue et l on peut isoler un ensemble de molécules ayant une configuration donnée. Cependant, les distances sont conservées entre les différents groupes d un énantiomère à l autre. Il en résulte: des propriétés physiques identiques (autres que le pouvoir rotatoire): même point de fusion ou d ébullition, même masse volumique un comportement chimique identique vis-à-vis des réactifs chimiques non chiraux eux-mêmes. Il est donc très difficile de séparer des énantiomères. n peut le faire par distillation fractionnée sur un substrat chiral comme la cellulose. Cependant, la réactivité est différente vis-à-vis des réactifs eux-mêmes chiraux (en particulier en biologie). C est pourquoi, les substances naturelles sont souvent formées d un seul énantiomère quasi pur. Par exemple, les enzymes sont des réactifs chiraux extrêmement sélectifs: il transforme un énantiomère sans toucher l autre). Les substances synthétiques sont usuellement un mélange racémique de deux énantiomères qu il est difficile de séparer. C est pourquoi on privilégie aujourd hui les méthodes de synthèse asymétriques. d) diastéréoisomérie ( 4) ( 3) ( ) ( 1) α) cas général Il existe des molécules qui sont stéréoisomères de configuration mais qui ne sont pas image l une de l autre dans un miroir (énantiomères); on les appelle des diastéréoisomères. Ce type de molécule possède au moins carbones asymétriques. Elles peuvent donc être chirales (ou non). Exemple: Considérons le,3,4 trihydroxybutanalc C C C Cette molécule possède deux carbones asymétriques, C et C 3. Leurs substituants sont différents; on en déduit qu il peut exister 4 structures: (R, 3R); (R, 3S); (S, 3S) et (S, 3R). Pour présenter les relations d énantiomérie et de diastéréoisomérie, il est commode d utiliser un tableau comme ci-contre: Si la substance composées des molécules (R, 3R) seules a un pouvoir rotatoire a, alors la substance composée des molécules (S, 3S) seules a un pouvoir rotatoire a. Mais les substances compo- C * Br C 5 -bromobutane ordre de priorité : Br > C 5 > C 3 > énantiomère (S) R,3R D C S,3R C C Chimie organique Isomères page 7/8 C E D E C S,3S D R,3S C C C

8 sées des molécules (R, 3S) [resp.(s, 3R)] ont comme pouvoir rotatoire b et b avec b a. Par ailleurs, les propriétés physiques entre deux diastéréoisomères sont assez différentes pour permettre de les séparer. Application: Soit un mélange racémique d un acide carboxylique A, représenté par les énantiomères A(+) et A( ). n fait réagir ce mélange avec un alcool optiquement actif B(+): on obtient ainsi un mélange d esters diastéréoisomères [A(+),B(+)] et [A( ),B( )]. Ce mélange peut être séparé grâce aux propriétés physiques et chimiques différentes des diastéréoisomères. Ensuite, on régénère A(+) (à partir de [A(+),B(+)]) et A( ) (à partir de [A( ),B( )]) en effectuant une réaction d hydrolyse inverse de l estérification. β) cas où les substituants sont identiques L acide,3 dihydroxybutane 1,4 dioïque (appelé acide tartrique) possède également deux carbones symétriques C C C C mais les isomères (R, 3S) et (S, 3R) sont identiques car les substituants des deux carbones sont les mêmes. Dans la représentation de Newman, la conformation éclipsée montre que la molécule possède un plan de symétrie (perpendiculaire à la liaison C C 3 ): C C C C S, 3R Cette molécule n est donc pas chirale (elle est superposable à son image dans un miroir) bien qu elle possède deux carbones asymétriques: elle est appelée méso. La substance constituée seulement de molécules méso est optiquement inactive. Conclusion: Une molécule contenant n atomes de carbone asymétriques conduit au maximum à n isomères. Remarque: Il est possible de rencontrer des carbones asymétriques dans les cycles. Par exemple, le 1 chloro 1, diméthylcyclohexane possède deux carbones asymétriques: Il y aura donc quatre stéréoisomères. 3) Conclusion Il est important de connaître le mécanisme d une réaction de synthèse afin de savoir si elle favorise un isomère ou un type d isomérie particulier. Un mécanisme qui favorise une isomérie de chaîne est appelé régiosélectif. Un mécanisme qui favorise un isomère de configuration est appelé stéréosélectif. R, 3S C 3 C 3 Chimie organique Isomères page 8/8