Des molécules isomères A une même formule brute peuvent correspondre plusieurs molécules différentes : les représentations moléculaires font naître la possibilité d arranger les mêmes atomes de façons différentes, au sein de molécules isomères, chacune étant a priori dotée de ses propriétés chimiques. Dans cette activité, l objectif est de préciser les liens d isomérie pouvant exister. 1 Diverses représentations moléculaires II existe deux structures moléculaires différentes pour le limonène : comment représenter ces structures sur une feuille de papier? Le limonène est le constituant principal des huiles essentielles d'agrumes comme l'orange et le citron. L'odeur d'un échantillon dépend de la structure moléculaire du limonène qu'il contient. La structure [a] ci-dessous provoque la sensation odorante du citron, la structure [b] celle du pin. (R)-Limonène (S)-Limonène Questions 1. Donner la formule brute du limonène. Est-ce une molécule organique? 2. Dessiner les formules semi-développées des deux structures moléculaires du limonène, puis leurs représentations topologiques. La représentation topologique permet-elle de distinguer les deux structures du limonène? 2 Comment représenter l agencement tridimensionnel des molécules? En 1874, Les chimistes français Le Bel et hollandais Van t Hoff émettent l hypothèse que les doublets d un atome de carbone engagé dans 4 liaisons simples adoptent un arrangement spatial tétraédrique : ils fondent ainsi les bases de la chimie dans l espace ou stéréochimie. La représentation de Cram, proposée en 1953 par le chimiste américain Donald Cram, symbolise cette structure en trois dimensions. Modèles moléculaires du dichlorométhane (a), du bromochloroiodométhane (b) et de l éthane (c) et (d). 1
Questions 1. Dessiner en représentation de Cram les molécules du document ci-dessus. 2. II existe une infinité de représentations de Cram, pour une même molécule, à cause de la libre rotation autour des liaisons simples. Cependant, pour des raisons pratiques, on les représente souvent de la même façon. Compléter en représentation de Cram les trois dessins ci-contre : a. du dichlorométhane b. de l'éthane. 3. Comparer les deux structures du limonène : quel est l'atome de carbone dont la disposition des doublets de liaison diffère dans l'espace? 4. Pour les deux structures du limonène, dessiner cet atome de carbone et les quatre atomes ou groupes d'atomes voisins à l'aide de la représentation de Cram, puis dessiner le reste de la molécule en représentation topologique. 3 La chiralité des molécules Le terme chiralité a été introduit en 1884 par Lord Kelvin : «J appelle chirale toute figure géométrique qui n est pas superposable à son image dans un miroir. Je parle alors de chiralité.» Quel est le lien entre la chiralité et le monde des molécules? Le caractère chiral de certaines molécules a été mis en évidence au cours du XIXème siècle, grâce aux découvertes successives de plusieurs scientifiques, notamment Jean- Baptiste Biot et Louis Pasteur. De très nombreuses molécules naturelles sont chirales. Remarquablement, la plupart ne se présentent, à l état naturel, que sous la forme d une des deux images dans un miroir. C est le cas de 19 des 20 acides aminés qui constituent les protéines chez les êtres vivants. Interview de Valérie Alezra enseignant-chercheur à l Institut de Chimie Moléculaires et des Matériaux d Orsay (ICMMO). Pourquoi s intéresser aux molécules chirales? Certaines fonctions physiologiques liées aux protéines, comme la perception des odeurs, les transformations enzymatiques et métaboliques, ou encore l'assimilation des médicaments, reposent sur la reconnaissance spécifique par un site actif d'une des formes chirales, tout comme un gant droit s'enfile uniquement sur une main droite! Par conséquent, la recherche en chimie organique se tourne vers l'élaboration de synthèses qui n'aboutissent qu'à une seule des deux formes images de la molécule chirale d'intérêt. Questions 1. Il existe dans notre environnement de nombreux objets chiraux : en repérer parmi les objets de la photographie ci-dessus. 2. L adjectif «chiral» dérive du grec cheir, qui signifie «main». Pourquoi ce choix? 3. Donner la définition d une molécule chirale. 4. Quels sont les enjeux actuels de la chimie organique? 5. A l aide de modèles moléculaires ou du logiciel ChemSketch, identifier, parmi les molécules suivantes, celles qui sont chirales. 2
6. Dessiner, en représentation de Cram, les images dans un miroir plan des molécules chirales. 7. Trouver le point commun entre les molécules identifiées comme chirales dans cette activité. Quelques conséquences de la chiralité (pour votre culture) La (S)-asparagine (molécule I) représentée ci-contre, se trouve à l'état naturel dans les jeunes asperges auxquelles elle confère une saveur amère caractéristique. Son énantiomère d'origine synthétique, la (R)- asparagine (molécule II), possède un goût sucré. Thalidomide : l un des énantiomères est toxique pour l organisme alors que l autre est actif (médicament Contergan donné dès 1957 contre les nausées chez la femme enceinte sous sa forme racémique et qui a provoqué des malformations chez le nourrisson) Adrénaline : l énantiomère (R) de l adrénaline a un effet vasoconstricteur plus important que l isomère (S). La meilleure activité de la (R)-adrénaline s explique par une meilleure fixation de celle- ci au récepteur. En revanche dans le cas de la lévothyroxine, la séparation des énantiomères a un intérêt économique puisqu elle permet d accéder à deux médicaments distincts ayant des activités thérapeutiques différentes. En effet, la lévothyroxine est une hormone thyroïdienne, permettant de traiter des patients souffrant d hypothyroïdie alors que la dextrothyroxine permet le traitement de patients atteints d hypercholestérolémie. 3
3 Liens d isomérie La logique Modifier la configuration d un carbone revient à casser deux liaisons pour les intervertir. Modifier la conformation d une molécule revient à faire une rotation autour d une liaison simple C C. Un carbone asymétrique C* est lié à quatre atomes ou groupes d atomes différents. Une molécule est chirale si elle n est pas superposable à son image dans un miroir, quelle que soit sa conformation. 3.1 Stéréoisomères de configuration 3.1.1 Conditions de chiralité Pour chacune des molécules suivantes, compléter le tableau suivant. Molécule A Représentation de Cram Plan ou centre de symétrie? Nombre de C* Représentation de Cram du symétrique B Chirale? CH 2BrI CHBrICl CHClBr CHClBr CHClBr CHClBr Conclusion : quel lien y a-t-il entre plan ou centre de symétrie, chiralité et nombre de carbones asymétriques? 4
3.1.2 Enantiomères Une molécule chirale A a deux énantiomères : elle-même et son symétrique B dans un miroir. Construire et représenter les deux énantiomères A et B de la molécule chirale CHICl CHClBr. 3.1.3 Diastéréoisomères La molécule chirale a deux autres stéréoisomères C et D, différents de ses énantiomères A et B non superposables : ce sont des diastéréoisomères. 1. Construire trois molécules A identiques et une molécule B. 2. Modifier la configuration d un seul C* d une molécule A pour obtenir une nouvelle molécule C. 3. Construire la molécule D. 4. Donner la représentation de Cram de chaque molécule. 5. Qu obtiendra-t-on si l on modifie la configuration des deux C* de A? Vérifiez-le. 6. Pour les plus rapides : vérifiez que CHBrCl CHBrCl n a que trois stéréoisomères, sans les construire, à l aide de la question 1. 3.1.4 Diastéréoisomères ZE La rotation autour d une double liaison C=C étant impossible, 1. Construire puis représenter les deux stéréoisomères possibles du 1,2-dibromoéthène CHBr = CHBr. 2. Indiquez leurs noms. Cette molécule est-elle chirale? Remarque : Propriétés différentes de diastéréoisomères L acide fumarique est l isomère (E) de l acide but-2-èn-1,4-dioïque ; l acide maléique est l isomère (Z). Laboratory equipment : Kofler bench, graduated measuring cylinder, test tubes, fumaric acid (powder), maleic acid (powder), weighing scales, ph paper, agitator, weighing bottle/pan with funnel, distilled water. To do Give skeletal (topological) formula of both isomers. Suggest a protocol allowing to determine which of A or B is the more soluble in water. Please, do this experiment only after your teacher s approval. Suggest a protocol allowing to determine which of A or B is more acidic in water. Please, do this experiment only after your teacher s approval. How could you measure the melting point of A and B? Could you tell which diasteroisomer is the more stable? Make a conclusion about physical properties of diastereoisomers. 3.2 Stéréoisomères de conformation 1. A l aide des boîtes de modèles moléculaires, construire la molécule d éthane CH 3 CH 3 et modifier sa conformation. 2. Représentez sa conformation la moins stable et sa conformation la plus stable en utilisant la représentation de Newman. 3. Quelle est, d après vous, la conformation qui a la plus grande proportion dans un échantillon d éthane? Justifier. Conclusion Compléter le diagramme suivant donnant une vue générale des relations d isomérie. Ajouter éventuellement des commentaires sur les branches. 5
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1. Qu est-ce qu un mélange racémique? 2. Que peut-on dire sur les propriétés physiques de deux énantiomères? 3. Comment expliquer que l acide tartrique racémique n ait pas d effet sur la lumière polarisée? 4. Identifier le ou les carbone(s) asymétrique(s) sur la représentation de la molécule d acide tartrique. 7
1. Pourquoi, d après vous, est-il difficile de séparer deux énantiomères? 2. Quelle spécificité des récepteurs biologiques explique qu ils réagissent différemment avec deux énantiomères? 3. Des énantiomères ont-ils les mêmes propriétés? 1. Quel est, de tous les acides aminés de la figure 2, celui qui n est pas chiral? 2. Quand dit-on qu une protéine est dénaturée? 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? 4. Qu est-ce qui permet à la protéine de passer de sa forme dépliée à sa forme repliée active? 5. Représentez sur les figures a et b quelques liaisons hydrogène. 6. Deux conformations d une même molécule peuvent-elles avoir des propriétés différentes? 8
Activité n 1 Sur les traces de Pasteur La plupart des acide α-aminés constituant les protéines sont des espèces chirales. Quelle particularité de leur structure explique cette propriété? 9
1. Quelles observations expérimentales menées par Louis Pasteur ont permis de mettre en évidence la chiralité des molécules d acide tartrique? 2. Fabriquer les trois stéréoisomères de l acide tartrique. 3. En quoi l hypothèse de Pasteur est-elle avant-gardiste? 4. Représenter la géométrie tétraédrique de l atome de carbone. Que signifie le terme «doublet liant»? 5. Les acides α-aminés sont-ils chiraux? Voici trois acides a-aminés. alanine ou acide 2-aminopropanoïque C 3H 7NO 2 glycine ou acide aminoéthanoïque C 2H 5NO 2 valine ou acide 2-amino-3-méthylbutanoïque C 5H 11NO 2 6. Utiliser Chemsketch pour représenter ces molécules. Donner leur représentation de Cram, repérer les carbones asymétriques et, le cas échéant, représenter les énantiomères correspondances. Activité n 2 Les molécules du vin In vino veritas? 10
7. Proposer une explication au fait que la conformation 2 du butane-2,3-diol est plus stable que la conformation 1. 8. Par analogie avec la molécule d éthane, identifier les conformations décalées (ou étoilées) et éclipsées de la molécule de butane-2,3-diol du document 6. 9. Repérer les éventuels carbones asymétriques des quatre molécules citées. Le cas échéant, à l aide de la représentation de Cram, dessiner les énantiomères correspondants. Activité n 3 Les molécules du dopage 11
10. Quelle conformation dans l espace adoptent les protéines? L E.P.O vérifie-t-elle le sens de la majorité des protéines? 11. Connaissez-vous une autre biomolécule en forme d hélice? Si oui, laquelle? 12. Décrire de manière détaillée la structure de la testostérone (groupes caractéristiques, présence de carbones asymétriques). 13. L épitestostérone est un diastéréoisomère de la testostérone : la seule différence porte sur l orientation du groupement hydroxyle. Représenter l épitestostérone. 14. Quelle est la différence entre Ventoline et salbutamol? 15. Dans quel cas peut-on prescrire de la Ventoline? 16. Dans quels cas le salbutamol est-il considéré comme un dopant? 17. Combien de carbone(s) asymétrique(s) contient le salbutamol? Le(s) repérer sur la structure. 18. Décrire en quelques lignes les méthodes utilisées pour détecter le dopage à la testostérone. 12