Thème 5 : Les molécules Chap 1 Stéréoisomérie des molécules organiques (chap 4 et 5 sur le livre de chimie) Objectifs du programme - Connaître et utiliser les représentations de Cram et topologiques des molécules. - Reconnaître des espèces chirales à partir de leur représentation. - Identifier les atomes de carbone asymétrique d une molécule donnée.
- Visualiser les différentes conformations d une molécule et reconnaitre la conformation la plus stable. - Reconnaître si des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères. - Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence des propriétés différentes de diastéréoisomères. - étude des propriétés biologiques de stéréoisomères.
Rappels 1ereS Lire p13
Vérifier ses acquis (p82)
I Représentation des molécules Lire p88 Voir fiche méthode p324 + TP
Ce qu'il faut retenir - la représentation de CRAM permet de visualiser la structure tridimensionnelle (dans l'espace) des molécules. Exemple : Derrière le plan de la feuille Dans le plan de la feuille Devant le plan de la feuille
- la représentation topologique est une représentation simplifiée de la formule semidéveloppée. Seules les liaisons autres que les liaisons C-H sont représentées. acide (Z) 5-aminohex-3-énoïque
- pour les molécules complexes, on utilise un mélange de la représentation topologique et de la représentation de CRAM. Dans ce cas, on s'intéresse à la structure tri-dimensionnelle d'un atome de carbone en particulier. Ex 2, 3, 4, 5, 8 p92/93
II Stéréoisomérie Deux molécules de même formule semidéveloppées mais qui diffèrent par la disposition des atomes dans l'espace sont appelés stéréoisomères. III Stéréoisomères de conformation III.1 définition Deux stéréoisomères sont dits de conformation si l on peut passer de l un à l autre par rotation autour d une ou plusieurs liaisons simples. On peut passer d'un conformère à un autre sans rompre de liaison.
Exemple : l'éthane H3C-CH3 Animation conformation éthane L'éthane possède une infinité de conformations possibles. On peut distinguer deux conformations particulières : - une conformation dite éclipsée, pour laquelle les atomes d'hydrogène se dissimulent les uns derrière les autres - une conformation dite décalée, pour laquelle les atomes d'hydrogène apparaissent décalées.
Conformation éclipsée décalée Représentation de Cram Représentation de Newman
Livre p91
III.2 Stabilité La conformation qui possède l'énergie potentielle la plus faible correspond à la conformation la plus stable. Généralement, un conformère est d'autant plus stable que les groupes d'atomes volumineux sont éloignés les uns des autres (répulsion électrique). Par exemple, la conformation décalée de l'éthane est plus stable que la conformation éclipsée.
III.3 Conformation des molécules biologiques Activité-doc p125
1) La forme PrPSc est produite par un changement de conformation de la protéine normale PrP. 2) Le changement de conformation est favorisé par la présence de protéines de forme anormale PrPSc. Ainsi, la forme anormal peut s'autoreproduire et transmettre l'infection. Ex 23, 24, 25, 26, 27, 32 p96/99
IV Stéréoisomérie de configuration Deux stéréoisomères de configuration sont deux molécules différentes non superposables. On ne peut pas passer d'un stéréoisomère de configuration à un autre sans rompre de liaison.
IV.1 Enantiomères a) Chiralité Activité-doc p85 (questions1, 2, 3, 5) 1. Il existe dans notre environnement de nombreux objets chiraux : en repérer parmi les objets suivants. Chaussure, coquille d escargot, vis, casserole avec bec verseur.
2. L adjectif «chiral» dérive du grec cheir, qui veut dire «main». En regardant sa main droite, vérifier que son image par un miroir ne lui est pas superposable. L image d une main droite dans un miroir correspond à une main gauche. Une main gauche et une main droite ne sont pas superposables
3. Donner la définition d une molécule chirale. Une molécule chirale est une molécule non superposable à son image dans un miroir. 5. Justifier le caractère chiral ou non de ces modèles moléculaires. Le benzène est superposable à son image dans un miroir : il n est donc pas chiral. La molécule de 1-bromoéthanol est non superposable à son image, c est donc une molécule chirale.
6. Quelle opération faut-il réaliser sur la vue 3D pour vérifier aisément si le modèle moléculaire est superposable (voir cours p. 90) à son image? Si la molécule possède un élément de symétrie (plan ou centre de symétrie), elle n'est pas chirale. Un objet est dit chiral s il n est pas superposable à son image dans un miroir plan. Dans le cas contraire, il est dit achiral. Un objet présentant un élément de symétrie (plan ou centre de symétrie) est achiral.
b) Atome de carbone asymétrique Un atome de carbone asymétrique est un atome de carbone tétraédrique lié à quatre atomes (ou groupes d'atomes) tous différents. On le note généralement C* Une molécule qui possède un seul atome de carbone asymétrique C* est forcément chirale.
Activité 3p86, questions 1,2 et 3 1. Repérer les atomes de carbone asymétrique des acides α-aminés du doc. 6. Quel acide α-aminé ne présente pas d atome de carbone asymétrique? Seule la glycine ne comporte pas de carbone asymétrique. carbones asymétriques
2. Dessiner la formule topologique de l alanine et de la glycine, en précisant la disposition des atomes autour de l atome de carbone asymétrique à l aide de la représentation de Cram. Alanine : glycine :
3. a. L alanine naturelle et son image sont-elles superposables? L alanine naturelle est-elle chirale? b. Mêmes questions pour la molécule de glycine. 3. a. L alanine et son image ne sont pas superposables. Elle est donc chirale. b. La molécule de glycine et son image sont superposables : la glycine n est pas une molécule chirale.
c) Couples d'énantiomères Toute molécule possédant un atome de carbone asymétrique peut exister sous deux configurations différentes, images l'une de l'autre dans un miroir. Les stéréoisomères correspondant sont appelés énantiomères. L'énantiomérie est la relation existant entre deux stéréoisomères de configuration images l'un de l'autre dans un miroir plan.
Un mélange contenant les deux énantiomères en proportions égales (mélange équimolaire) est appelé un mélange racémique.
Les énantiomères présentent les mêmes caractéristiques physiques (température de changement d'état, masse volumique, etc.) et chimiques. Ils n'ont généralement pas les mêmes propriétés biochimiques. Remarque : pour passer d'un énantiomère à un autre, il suffit d'échanger les places de deux groupements d'atome liés au carbone asymétrique.
d) Propriété biologique et chiralité Activité n 3p108 questions 1, 2, 3, 4b,5 1. Identifier les similitudes et les différences de structure entre le propranolol et la noradrénaline. parties similaires
2. Expliquer l effet bloquant du propranolol. 2. Le propranolol se substitue à la noradrénaline (substrat) dans son mécanisme de fixation sur le récepteur spécifique. Ainsi, la noradrénaline ne peut plus se fixer sur le récepteur. 3. Justifier que les deux stéréoisomères du propranolol forment un couple d énantiomères. 3. Les deux stéréoisomères du propranolol sont images l un de l autre dans un miroir. Ils forment donc un couple d énantiomères.
4b. Proposer une explication au fait que le stéréoisomère B est moins actif biologiquement. Le stéréoisomère B est moins actif biologiquement à cause de sa configuration spatiale. (L'énantiomère B "ressemble" moins à la noradrénaline.) 5. Quel est l intérêt de vendre le médicament bêtabloquant sous forme racémique? L opération de séparation de deux énantiomères est coûteuse et l'énantiomère B n'est pas toxique. Ex 12, 14, 15, 17 p94/95 Ex4, 5, 6, 8 p114/115
IV.2 Diastéréoisomères On appelle diastéréoisomères des isomères de configuration qui ne sont pas images l un de l autre dans un miroir. a) Diastéréoisomérie Z/E La diastéréoisomérie Z/E est due à l impossibilité de rotation autour des doubles liaisons. Il y a diastéréoisomérie Z/E quand la molécule possède une double liaison et que chaque atome engagé dans cette double liaison est lié à deux groupes d atomes différents.
Exemple : le but-2-ène (E)-but-2-ène (Z)-but-2-ène Remarque: -E vient de "entgegen" ("contraire") -Z vient de "zusammen" ("ensemble") Ex 14, 16 p117
b) Molécules à deux atomes de carbone asymétriques Lorsqu une molécule présente deux atomes de carbone asymétriques il existe le plus souvent quatre stéréoisomères, dont certains sont diastéréoisomères entre eux.
Exemple : le 2,3,4-trihydroxybutanal existe sous la forme de quatre stéréoisomères de configuration, représentés ci-dessous. * *
Pour passer d'un énantiomère à un autre, il faut changer les configurations des deux carbones asymétriques. Pour passer d'un diastéréoisomère à un autre, il faut changer la configuration d'un seul carbone asymétrique. Ex 12, 13, 15 p116/117
V En résumé Stéréoisomères Stéréoisomères de conformation Stéréoisomères De configuration Enantiomères Diastéréoisomères Isomérie Z/E Molécules contenant 2 C asymétriques Synthèse : Objectif-bac 36p101, 33p123 et 34p124