Chapitre 8 : Représentation spatiale des molécules

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1 Chapitre 8 : Représentation spatiale des molécules Les odeurs de la menthe et du muguet sont très différentes et pourtant elles sont produites par deux molécules ayant la même formule semi-développée. Quelle propriété des molécules est à l'origine de ce phénomène? A- La représentation de Cram : La formule topologique utilisée pour représenter la structure des molécules permet de rendre compte de l'agencement des atomes dans une molécules mais ne permet par de rendre compte de la géométrie de la molécule. Une feuille de papier est un espace à deux dimensions, comment représenter une molécule en 3D? On peut pour cela utiliser la représentation de Cram. Représentation de Cram Liaison dans le plan de la feuille Liaison en arrière de la feuille Liaison en avant de la feuille A vous de jouer : a- Construire à l'aide d'un modèle moléculaire les molécules suivantes et représenter ces molécules à l'aide de la représentation de Cram : CH 4, CH 3 Cl, CH 2 ClBr Si la molécule compte plusieurs atomes de carbone, on choisit de mettre la chaîne carbonnée principale dans le plan de la feuille. b- Construire et représenter les molécules suivantes : éthanol, butane, ClBrHC-CH 3 Vous avez tous construit des molécules à partir de la même formule brute mais ces molécules sont-elles identiques spatialement? B- Les stéréoisomères : Pour s'entraîner : ex 9 p 270 On appelle stéréoisomères des molécules qui ont la même formule semi-développée mais des arrangements d'atomes différents dans l'espace. Il existe 2 types de stéréoisomères : les stéréoisomères de conformation : on passe d'un stéréoisomère de conformation à un autre par rotation autour d'une liaison simple. Les stéréoisomères de configuration : pour passer d'un stéréoisomère de configuration à un autre il est nécessaire de briser des liaisons chimiques. 1/7

2 I- Les stéréoisomères de conformation Activité 6 p 259 : Conformations de l'éthane et du butane Bilan : Qu'appelle-t-on «conformations d'une molécule»? Comment identifie-t-on la conformation la plus stable d'une molécule? Pour s'entraîner : ex 16 p 271 II- Les stéréoisomères de configuration 1- Notion de chiralité : Lord Kelvin a introduit en 1904 le terme «chiralité» : un objet est dit chiral si il n'est pas superposable à son image dans un miroir plan. Remarque : Le mot chiral vient du grec «cheir» signifiant «main». Par conséquent : Une molécule est chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir plan. Une molécule est achirale s'il existe au moins une conformation pour laquelle elle est superposable à son image dans un miroir plan. a- La chiralité au quotidien Quelle est l'image d'une assiette circulaire dans un miroir plan? L'assiette et son image sont-elles superposables? En déduire si une assiette circulaire est un objet chirale. Même question en prenant comme objet votre main droite. Même question avec une coquille d'escargot. b- Reconnaître une molécule chirale Doc 1 Miroir 2/7

3 Construire chaque molécule à l'aide d'une modèle moléculaire puis construire son image dans un miroir plan (vous pouvez vous aider d'un miroir plan). Ajouter sur le document la représentation de Cram de l'image de la molécule. La molécule et son image sont-elles superposables? En déduire sur la molécule est chirale. Quelle remarque pouvez-vous faire en observant les substituants portés par les molécules achirales et chirales? c- Carbone asymétrique Un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes d'atomes différents est dit asymétrique. On indique la présence d'un atome de carbone asymétrique par une étoile : C*. Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique est toujours chirale Repérer les atomes de carbone asymétriques dans les molécules du document 1 et dans celles du document 2 : Document 2 : Si une molécule possède plusieurs carbones asymétriques, combien de stéréoisomères existent-ils au maximum? Quelles sont leurs caractéristiques? Pour s'entraîner : ex 4, 7, 12, 13, 21 p Relations de stéréoisomérie entre molécules Activité 4 p 258 : reprendre les formules, indiquer celles qui sont identiques Définitions : Des énantiomères sont des molécules images l'une de l'autre dans un miroir plan, mais non superposables, même après rotation autour de liaisons simples. Des diastéréoisomères sont des molécules qui ont le même enchaînement d'atomes, mais qui ne sont ni images l'une de l'autre dans un miroir, ni superposables, même après rotation autour de liaisons simples. Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères qui ne sont pas des énantiomères. Remarque : les deux stéréoisomères d'une molécule possédant seulement un carbone asymétrique sont forcément des énantiomères. 3/7

4 Application : Construire la molécule A présentée dans le document 3. Ce document est a rempli au fur et à mesure en ajoutant les formules de Cram pour chacune des molécules. Vous noterez les relations de stéréoisomèrie entre les molécules à l'aide de doubles flèches. Construire l'image de A dans un miroir : On notera l'image : molécule B. Quelle relation de stéréoisomérie lie A et B? A partir de A, inverser la position entre I et Cl et sur le premier carbone : on notera cette nouvelle molécule C. Quelle relation de stéréoisomérie lie A et C? Construire l'énantiomère de la molécule C, on notera cet énantiomère la molécule D. Quelle relation de stéréoisomérie lie A et D? B et D? A Document 3 B C D Pour s'entraîner : ex 13p Diastéréoisomères Z-E La rotation autour d'une double liaison C=C étant impossible, construire puis représentez les deux stéréoisomères possibles du 1-bromo-2-chloroéthène CHBr=CHCl. a- Cette molécule est-elle chirale? b- Comment appelle-t-on les deux diastéréoisomères d'un alcène? Les identifier. c- Quelle configuration est la plus stable? Justifier. d- Quelle condition doit être respectée pour que l'on puisse avoir 2 diastéréoisomères pour un alcène? Pour s'entraîner : ex 14 p 271 4/7

5 C- Propriétés physiques et biologiques des stéréoisomères : I- Comparaison des propriétés physiques 1- Comparaison des propriétés physiques de deux énantiomères : Un mélange contenant les deux énantiomères en proportions égales (mélange équimolaire) est appelé mélange racémique. 1- Que peut-on dire sur les propriétés physiques de deux énantiomères? 2- Comment expliquer que l'acide tartrique racémique n'a pas d'effet sur la lumière polarisée? 3- Identifier le ou les carbones asymétriques sur la représentation de la molécule d'acide tartrique? 2- Comparaison des propriétés physiques de deux diastéréoisomères Activité 5 p 258 : Comparaison des propriétés physiques de l'acide maléique et de l'acide fumarique. 5/7

6 II- Propriétés biologiques de stéréoisomères 1- Application à la médecine 6/7

7 1- Quelle spécificité des récepteurs biologiques explique qu'ils réagissent différemment avec deux énantiomères? 2- Expliquer pourquoi la commercialisation d'un médicament sous forme racémique est de plus en plus évitée. 2- La structure des protéines Les protéines sont des macromolécules biologiques formées à partir d'acides α- aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques (figure 1). Les acides α-aminés ont tous la même structure, ils se distinguent entre eux par leur chaîne latérale, qui peut être un simple atome d'hydrogène (c'est la glycine), ou bien plus complexe (figure 2). Il existe une centaine d'acides aminés, mais seuls 22 sont codés par le génome des organismes vivants. Les protéines sont des éléments essentiels dans la vie de la cellule : elles peuvent jouer un rôle structural (comme l'actine), un rôle dans la mobilité (comme la myosine), un rôle catalytique (les enzymes), un rôle de régulation de l'adn (les histones) ou d'expression des gènes (les facteurs de transcription)... etc. En somme l'immense majorité des fonctions cellulaires sont assurées par des protéines. Chaque acide amoné confère à la protéine des propriétés chimiques spécifiques, et l'ordre d'assemblage lui donne une fonction bien précise. R acide aminé H- glycine CH 3 - alanine (CH 3 ) 2 CH- valine (CH 3 ) 2 CHCH 2 - leucine HOCH 2 - sérine Sous l'effet de différentes interactions intra ou intermoléculaires (forces électrostatiques,liaisons hydrogène, interactions de Van der Waals), les longues molécules de protéine acquièrent une structure tridimensionnelle repliée (figure 3.a), sans laquelle la protéine ne peut remplir sa fonction biologique. Sous l'influence de divers facteurs comme la température ou le solvant, la protéine peut passer de la forme active repliée à la forme inactive dépliée, la protéine est alors dénaturée. L'importance de la conformation sur les propriétés des protéines a été mise en évidence par la protéine prion impliquée dans la tremblante du mouton (maladie de la vache folle). Cette protéine présente deux conformations différentes : quand les liaisons hydrogène intramoléculaire prédominent, la protéine marque un tendance à l'organisation spontanée en hélice α (figure 3a) tandis que la prédominance de liaisons intermoléculaires induit une organisation en feuillet plissé, dit feuillets β, (figure 3b.) L'une qui est la forme cellulaire normale, présente une conformation de type hélice α, et très peu de conformations de type feuillets β. L'autre, pathogène, avec plus de 45% de feuillets β s'accumule lentement, plus s'agglomère et se dépose dans les tissus cérébraux. 1- A partir de la formule figure 1, justifier le nom acide aminés. 2- Quel est de tous les acides aminés de la figure 2, celui qui n'est pas chirale? 3- Le passage de la forme dépliée de la protéine à la forme repliée correspond-il à un changement de configuration de la molécule ou à un changement de conformation? Justifier. 4- Qu'est-ce-qui permet à la protéine de passer de sa forme dépliée à sa forme repliée active? 5- Représenter sur les figure 3a et b quelques liaisons hydrogènes. 6- Deux conformations d'une même molécule peuvent-elles avoir des propriétés différentes? Pour s'entraîner : ex 25 p 274 7/7