TS Thème : Lois et modèles Activités Chimie Représentation spatiale des molécules Chap.12 I. Représentation de Cram des molécules Conventions de Cram : II. Représentation des molécules 1) Compléter le tableau suivant. Nom Formule brute Formule semi développée Formule topologique Représentation de Cram Modèle moléculaire Méthane CH 4 Éthane (1R)-2-amino- 1-chloroéthanol 2) Compléter le tableau suivant. Nom Formule topologique Formule semi développée particularité (S)-limonène Goût orange (R)-limonène Goût citron, térébenthine Goût banane fongicide Leucine Acide aminé essentiel 25/11/2014 C12_representation_spatiale_molecules.doc 1/6
III. IV. 3) Que pensez-vous des représentations topologiques des deux formules du limonène? Et de leurs formules semi-développées? Rappels Squelette carboné ou chaine carbonée : enchaînement des atomes de carbone constituant une molécule organique. Groupe caractéristique : Un groupe caractéristique est un groupe d atomes qui donne des propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent. On dit que ces molécules forment une famille chimique. groupes : hydroxyle OH ; amino NH 2 ; - C = O : carbonyle ; - COOH : carboxyle Familles chimiques : alcool ; acide carboxylique ; ester ; amine ; amide ; aldéhyde ; cétone ; composés halogénés Formule brute d une molécule : renseigne sur la nature et le nombre des différents atomes constitutifs Formule développée plane : détaille l enchaînement des atomes dans la molécule et la nature des liaisons qui les unissent. Formule semi-développée : Elle dérive de la formule développée par suppression des liaisons C-H (ou O- H, N-H...). Les atomes d hydrogène sont regroupés avec l atome qui les porte (un indice indique leur nombre). formule topologique : On représente la chaîne carbonée sous forme d une ligne brisée symbolisant les liaisons C-C. Un atome de C porte autant d atomes d hydrogène qu il est nécessaire pour respecter le règle de l octet. Carbone asymétrique et chiralité 1. Définitions Un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes d atomes différents est dit asymétrique. Une molécule peut avoir plusieurs atomes de carbone asymétriques. On repère la présence d un carbone asymétrique par une étoile ou un astérisque. Un objet qui n est pas superposable à son image dans un miroir plan est chiral. Objets chiraux : une coquille d escargot, une vis, une hélice, un dé, un cadran de montre... Une molécule possédant un seul carbone asymétrique est forcément chirale. Par contre la présence de plusieurs carbones asymétriques n implique pas la notion de chiralité. 2. Chiralité des acides -aminés Les acides -aminés sont des constituants des protéines. Tous les acides -aminés naturels présentent, sur le même atome de carbone, appelé carbone, le groupe caractéristique - COOH et - NH 2. A l exception de la glycine, les acides -aminés naturels possèdent un atome de carbone asymétrique et sont donc chiraux. La plupart des acides -aminés naturels existent sous la forme de deux énantiomères, traditionnellement appelés D et L, selon l agencement des groupes d atomes autour de l atome de carbone asymétrique. Les acides -aminés L représentent la quasi totalité des acides -aminés naturels présents dans les protéines. En effet, des enzymes dégradent les acides -aminés D. 25/11/2014 C12_representation_spatiale_molecules.doc 2/6
V. Isomérie VI. Deux molécules sont isomères si elles possèdent la même formule brute mais ont des formules semidéveloppées ou des formules développées différentes. Ces molécules, appelées isomères, ont des propriétés physiques, chimiques et biologiques différentes. Le terme isomérie vient du grec isos = identique et meros = partie. On distingue différentes isoméries, principalement les isoméries de constitution et de stéréoisomérie. Isomérie de constitution Des isomères de constitution ont pour seul point commun leur formule brute; ils ne sont pas constitués des mêmes fonctions chimiques et n ont donc pas la même formule développée. On distingue : 1. Isomérie de chaine L isomérie de chaîne désigne les isomères qui diffèrent par leur chaîne carbonée. Ces isomères sont caractérisés par leurs propriétés chimiques identiques et propriétés physiques différentes. Exemple : C 4 H 10 2. Isomérie de position de fonction L isomérie de position de fonction qualifie les isomères dont un groupement fonctionnel est placé sur des carbones différents de la chaîne carbonée. Exemple : propan-1-ol ; propan-2-ol 3. Isomérie de nature de fonction L isomérie de nature de fonction caractérise les isomères dont les groupes fonctionnels sont différents Exemple : C 2 H 6 O éthanol : CH 3 -CH 2 -OH ; méthoxyméthane : CH 3 -O-CH 3 VII. Stéréoisomérie La stéréoisomérie désigne les molécules de constitution identique mais dont l organisation spatiale des atomes est différente. On distingue les stéréoisomères de conformation et les stéréoisomères de configuration. 1. Stéréoisomérie de conformation : Différentes conformations de l éthane Conformation éclipsée Conformation décalée angle noté Dans l éthane, les deux groupes -CH3 peuvent tourner librement l un par rapport à l autre. Les deux conformations proposées ne constituent que deux dispositions relatives particulières parmi l infinité de celles qui existent. 25/11/2014 C12_representation_spatiale_molecules.doc 3/6
Dans la formation décalée, les H et les électrons des liaisons C-H d un CH3 sont aussi loin que possible que ceux de l autre. Dans la conformation éclipsée, ils sont au contraire aussi près que possible. Pour passer de la décalée à l éclipsée, il faut fournir de l énergie. La conformation décalée est donc la plus stable. A température ordinaire, les chocs entre molécules permettent de fournir cette énergie. La rotation a donc lieu en permanence mais statistiquement, à un instant donné, il y a plus de conformations décalées que de conformations éclipsées. 1) Donner la représentation de Cram de la molécule pour chaque conformation. 2) Qu appelle-t-on la conformation de la molécule? 3) Comment passe-t-on de l une à l autre? 4) Quelle est la conformation la plus stable? Pourquoi? Au sein d une molécule, des mouvements de rotation ont lieu en permanence autour de chaque liaison simple et conduisent à des dispositions différentes des atomes les uns par rapport aux autres. Ces dispositions sont des conformations de la molécule. Deux structures sont des stéréoisomères de conformation si l on peut passer de l une à l autre par rotation autour d une ou plusieurs liaisons simples....... Toutes les conformations d une molécule n ont pas la même stabilité. La molécule adopte plus fréquemment une conformation dans laquelle les groupes d atomes les plus volumineux sont les plus éloignés les uns des autres. 2. Stéréoisomérie de configuration Si deux structures stéréoisomères ne sont pas des stéréoisomères de conformation, alors elles sont des stéréoisomères de configuration. Pour passer de l une à l autre des configurations, il faut rompre une liaison pour réarranger les atomes dans l espace. Ces deux molécules ont donc la même formule semi-développée mais ne diffèrent que par l arrangement spatial de leurs atomes. On classe les stéréoisomères de configuration en énantiomères ou en diastéréoisomères. 25/11/2014 C12_representation_spatiale_molecules.doc 4/6
2.1. Les énantiomères Aussi appelés isomères optiques, les énantiomères sont deux molécules qui sont l image l une de l autre par un miroir et ne sont pas superposables : ils présentent en effet une chiralité (dextrogyre ou lévogyre). Un mélange équimolaire de deux énantiomères (même quantité de matière des deux composés) est appelé mélange racémique. 2.2. Les diastéréoisomères Les stéréoisomères de configuration qui ne sont pas des énantiomères sont appelés diastéréoisomères. La plus connue des diastéréoisomérie est l isomérie Z et E d une molécule qui possède une double liaison carbone - carbone. Autre cas possible : avec deux carbones asymétriques. 2.3. Molécules avec deux carbones asymétriques Reproduire les configurations de Cram et les placer aux quatre coins du diagramme ci-dessous. Relation de diastéréoisomérie Relation d énantiomérie 25/11/2014 C12_representation_spatiale_molecules.doc 5/6
2.4. Cas des alcènes Z vient de l allemand Zusammen : ensemble ; E vient de l allemand Entgegen : opposé 1) Justifier la présence des notations E et Z dans la nomenclature des molécules présentées dans le tableau. 2) Dans les cellules vides du tableau, écrire les formules semi-développées et topologiques des molécules. Compléter les noms si besoin. 3) Les isomères proposés sont-ils des stéréoisomères, des énantiomères, des diastéréoisomères? (Z)-but-2-ène (E)-but-2-ène (Z)-pent-2-ène (E)-pent-2-ène ( ) 2-chlorobut-2-ène ( ) 2-chlorobut-2-ène 4) Donner les 6 isomères de la famille des alcènes correspondant à la formule brute C 5 H 10. Repérer les isomères de constitution, de position, et les stéréoisomères (à préciser) 25/11/2014 C12_representation_spatiale_molecules.doc 6/6