Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation

Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation I. Principales représentations planes des structures tridimensionnelles 1. Représentation de Cram 2. Représentation en projection de Newman 3. Représentation en projection de Fischer II. Notion de stéréochimie 1. Stéréochimie 2. Stéréoisomérie de configuration 3. Stéréoisomérie de conformation III. Analyse conformationnelle d alcanes linéaires 1. Étude de la molécule d éthane 2. Étude de la molécule de butane IV. Analyse conformationnelle du cyclohexane et de ses dérivés 1. Importance des cycles à six dans la nature 2. Le cyclohexane en conformation chaise 3. Les autres conformations (hors programme) 4. Les cyclohexanes monosubstitués 5. Les cyclohexanes polysubstitués Extrait du programme TS Représentation de Cram. Notions Conformation : rotation autour d une liaison simple ; conformation la plus stable. Capacités exigibles Utiliser la représentation de Cram. Visualiser, à partir d un modèle moléculaire ou d un logiciel de simulation, les différentes conformations d une molécule. Extrait du programme de BCPST 1 Notions Représentation spatiale des molécules : Cram, Newman, perspective. Conformations des alcanes linéaires et du cyclohexane. Capacités exigibles Représenter une molécule à partir de son nom, en tenant compte d informations stéréochimiques, dans un type de représentation donnée. Discuter la stabilité relative de deux conformations d un alcane. Représenter le conformère le plus stable d un cyclohexane monosubstitué. Manipuler des modèles moléculaires. Liens internet intéressants : Logiciel chemsketch téléchargeable gratuitement : http://www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/ Visualisation des conformations de l éthane : https://www.youtube.com/watch?v=kx3abanks6c Analyse conformationnelle de l éthane : https://www.youtube.com/watch?v=bms9twv5u90 Analyse conformationnelle du butane : https://www.youtube.com/watch?v=xxci5vgousq Interconversion de la chaise du cyclohexane : https://www.youtube.com/watch?v=bplrepfz63i Des conseils pour bien dessiner la conformation chaise du cyclohexane : https://www.youtube.com/watch?v=p8njercg9bk Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 1

I. Principales représentations planes de structures tridimensionnelles Une molécule a souvent une géométrie en trois dimensions. Nous pouvons représenter ces molécules grâce à des modèles moléculaires (figure 1). Modèle compact Modèle éclaté Modèle de Dreiding Figure 1 : Modèles moléculaires Certains modes de représentation permettent de rendre compte de la géométrie tridimensionnelle de la molécule tout en les représentant dans un plan. 1. Représentation de Cram Conventions de la représentation de Cram Liaison entre deux atomes situés dans le plan de la figure. Liaison entre un atome situé dans le plan de la figure (pointe du triangle) et un atome situé en avant de ce plan. C est Donald James Cram (chimiste américain, 1919-2001) qui a introduit une méthode de représentation utile notamment pour figurer la géométrie tétraédrique dans un plan. Liaison entre un atome situé dans le plan de la figure (pointe du triangle) et un atome situé en arrière de ce plan. Ainsi la molécule de méthane représenté à l aide d un modèle éclaté se dessine en représentation de Cram comme sur la figure 2. Figure 2 : Modélisation du méthane Pour une molécule donnée, de nombreuses représentations de Cram sont possibles. La représentation facilitant le plus le dessin et sa lecture, est celle plaçant le plus d atomes possibles dans le plan de la feuille. Une représentation de Cram doit respecter impérativement la géométrie tétraédrique de l atome de carbone central ; ci-dessus, l atome d hydrogène pointant vers le haut de la feuille, les trois autres atomes d hydrogène doivent pointer vers le bas de la feuille. 2. Représentation en projection de Newman La projection de Newman est particulièrement bien adaptée pour représenter la position relative des atomes portés par deux atomes de carbone consécutifs. Pour cette projection, on image que la liaison séparant les deux atomes que l on veut particulariser porte un disque opaque qui empêche de voir une partie des liaisons placées derrière ce disque. Melvin Spencer Newman (chimiste américain, 1908-1993) a proposé de projeter une molécule organique dans un plan, suivant l axe d une liaison entre deux atomes de carbone. La représentation ou projection de Newman est le résultat de cette projection. Exercice d application 1 Figure 3 : Projection de Newman de la molécule d éthane Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 2

- Le Document de cours 3. Représentation en projection de Fischer La projection de Fischer est une projection cylindrique de la molécule. La figure 4 représente la projection de Fischer des acides α-aminés. Figure 4 : Projection cylindrique de Fischer des acides -aminés Conventions de la projection de Fischer - Par convention, dans une représentation de Fischer, les liaisons horizontales sont en avant du plan de la feuille et les liaisons verticales en arrière du plan de la feuille. (figure 5) - La chaîne carbonée la plus longue se place en position verticale. carbone le plus oxydé est placé en haut. C est une représentation a priori peu naturelle, et faisant intervenir beaucoup de conventions. En ce sens, elle est à déconseiller. Cependant, elle est encore largement utilisée par les chimistes et les biologistes étudiant les sucres (chimie des oses), et ceux étudiants les acides α-aminés. Cette projection vous est présentée dans ce cours bien qu elle soit hors programme afin que vous compreniez les représentations des oses et des acides aminés que vous verrez en cours de SVT. Figure 5 : Équivalence entre les projections de Fischer et de Cram La représentation de Fischer est aussi utilisée pour les oses. Ainsi par exemple, la représentation de Fischer du D-glucose est donnée figure 6. Figure 6 : Projection de Fischer du D-glucose (projection cylindrique à gauche, de Fischer à droite, et équivalence de Cram au milieu) Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 3

II. Notions de stéréochimie 1. Stéréochimie Définitions Stéréochimie : la stéréochimie est l étude de la position spatiale des différents atomes au sein d une molécule. Elle se décompose en deux types de stéréochimie : de conformation et de configuration. Stéréoisomères : deux stéréoisomères possèdent la même formule développée mais diffèrent par la disposition de leurs atomes dans l espace. 2. Stéréoisomérie de configuration Définitions : Deux stéréoisomères de configuration diffèrent par la disposition de leurs atomes dans l espace sans tenir compte des possibilités de rotation autour des liaisons simples : pour changer de configuration, il faut casser des liaisons. La disposition spatiale des atomes d un de ces stéréoisomères est appelées configuration Exercice d application 2 Figure 7 : Stéréoisomères de configuration du butan-2-ol 3. Stéréoisomérie de configuration Définitions Deux stéréoisomères de conformation diffèrent par rotation autour des liaisons simples. La disposition spatiale des atomes d un de ces stéréoisomères est appelée conformation. Figure 8 : Stéréoisomères de conformation du butan-2-ol Nous nous intéresserons, dans ce chapitre, uniquement à la stéréochimie de conformation. L objectif est d être capable d analyser pour une molécule donnée la stabilité relative de différentes conformations. Dans un premier temps nous nous intéresserons aux conformations des molécules linéaires puis aux conformations des molécules cycliques de type cyclohexane. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 4

III. Analyse conformationnelle d alcanes linéaires 1. Étude de la molécule d éthane a. Principe et paramètre d étude L expérience montre qu à température ambiante, pour la molécule d éthane, il y a une rotation rapide (mais non instantanée) des deux groupes méthyles l un par rapport à l autre : la rotation n est pas «libre», mais nécessite un apport énergétique. Cette observation a conduit à définir une branche particulière de la stéréochimie, étudiant la rotation autour des liaisons simples dans une molécule : l analyse conformationnelle. Dans le cas de la molécule d éthane, l ensemble des conformations est obtenu en faisant tourner les deux groupes méthyle de l un par rapport à l autre autour de la liaison. Cette rotation amène à définir plus précisément un paramètre d étude pertinent pour repérer l ensemble des conformations possibles. Pour cela on utilise l angle dièdre de torsion (angle entre deux plans non parallèles), noté. Cet angle est particulièrement bien visible sur une projection de Newman. Figure 9 : Définition de l angle de torsion L analyse conformationnelle est l étude des stabilités relatives des différentes conformations en analysant leur énergie potentielle respective. b. Conformations particulières Lors des prémices des études stéréochimiques, il avait été fait l hypothèse que la rotation autour des liaisons simples était «libre», c est-à-dire que cela ne nécessiterait pas d énergie. En 1891, Bishchoff suggère que ceci pourrait ne pas être vrai. Son travail est oublié jusqu en 1924 lorsque Hermans explique la différence de réactivité de certaines molécules en raison de cette absence de libre rotation. En 1932, l idée que la rotation de la liaison n est pas libre est bien ancrée. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 5

c. Courbe d énergie potentielle molaire L énergie potentielle de la molécule est définie à une constante près : on choisit donc de placer l origine à la valeur de l énergie de la conformation la plus stable. Les valeurs sont ici données en phase gaz. Conformère : d. Définitions État de transition : Barrière de rotation : Plus la barrière est élevée, plus la rotation est lente. On calcule alors à pour la barrière de rotation de l éthane ( ) que la vitesse de rotation est de. On se rend bien compte que les molécules sont loin d être figées. Exercice d application 3 Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 6

2. Étude de la molécule de butane a. Principe et paramètre d étude Ici, nous choisissons d étudier la rotation autour de la liaison, toutes les autres rotations étant bloquées (l étude des rotations autour des autres liaisons pouvant se ramener à une étude voisine de celle réalisée dans le cas de la molécule d éthane). La coordonnée de réaction est donc l angle dièdre représenté sur la figure 10. b. Conformations particulières Figure 10 : Définition de l angle de torsion Pour les nommer on utilise la règle suivante : On utilise la même classification que pour l éthane : éclipsée et décalée. Ensuite on ajoute un terme relatif à la disposition relative des groupes méthyles entre eux : syn pour, gauche pour et anti pour. Il existe une deuxième nomenclature, plus générale mais moins utilisée dans ce cas : préfixe syn : les groupes méthyles sont du même côté du plan horizontal, préfixe anti : les groupes méthyles ne sont pas du même côté du plan horizontal, suffixe périplanaire : les groupes méthyles sont dans le même plan vertical, suffixe clinale : les groupes méthyles ne sont pas dans le même plan vertical. Gauche» n est pas le contraire de «droit». Se dit de choses qui présentent un biais, une déviation par rapport à un plan de comparaison. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 7

c. Courbe d énergie potentielle molaire Nous allons classer les différentes conformations par énergie potentielle molaire croissante (de la conformation la plus stable à la conformation la moins stable). Dans le cadre du butane deux interactions déstabilisantes prépondérantes peuvent avoir lieu : Il sera donc possible de classe par ordre de déstabilisation décroissante les interactions déstabilisantes, sachant qu il faut retenir le principe que les interactions d éclipse sont toujours plus fortes que les interactions de décalage. On en déduit la courbe d énergie potentielle molaire en fonction du paramètre : La différence d énergie potentielle molaire entre les deux conformères (directement liée à la gêne stérique entre les groupes méthyles) porte le nom d interaction butane gauche. La valeur de est entachée d une certaine incertitude et a été déterminée en phase gaz (elle est légèrement plus faible en phase liquide). Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 8

Le conformère le plus stable est celui pour lequel la chaîne carbonée se positionne en «zig-zag». Ce qui justifie pourquoi lorsque l on représente une molécule présentant une longue chaîne carbonée en représentation topologique, on la représente de la manière présentée ci-contre. Figure 11 d. Quelques notions de statistique de Boltzmann La population d une molécule dans une conformation donnée (probabilité de trouver la molécule dans un état énergétique donné lors d un tirage au sort de cette molécule dans un ensemble macroscopique) est liée à l énergie de sa conformation (formule de Boltzmann qui n est pas à connaître). Propriétés : - Les états le plus probables sont ceux de plus basse énergie potentielle. - Mais la température est aussi un paramètre déterminant : les conformations de plus haute énergie voient leur probabilité augmenter lorsque la température augmente. La continuité de la courbe d énergie potentielle en fonction de l angle de torsion suggère une distribution continue des populations des différentes conformations. Mais dans le cadre du butane, une étude simplifiée ne considère le système peuplé que par les deux conformère décalé anti et décalé gauche (conformations les plus probables). L application numérique de la formule de Boltzmann, réalisée pour une température de (température ambiante) avec (valeur obtenue en phase gaz entaché d une incertitude de quelques dixième de ), conduit à trouver une probabilité de rencontrer la molécule : - dans une conformation anti de, - dans une conformation gauche de. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 9

IV. Analyse conformationnelle du cyclohexane et de ses dérivés 1. Importance des cycles à six dans la nature Les cycles à six atomes sont extrêmement courants dans la nature, comme au laboratoire. Des exemples de molécules faisant intervenir un ou plusieurs cycles sont présentés figure 12. Figure 12 : Quelques exemples de molécules naturelles comportant des cycles à six atomes : le menthol et deux stéroïdes (reconnaissables à leur quatre cycles accolés) : le cholestérol et la testostérone 2. Le cyclohexane en conformation chaise Le cyclohexane est une molécule cyclique à six atomes de carbone, dont la formule semi-développée et la formule topologique sont précisés ci-contre. Si la molécule était plane, elle formerait un hexagone parfait : les angles entre les liaisons serait de. Ceci est en contradiction avec la géométrie tétraédrique de l atome du carbone. Figure 13 La conformation la plus stable du cyclohexane, permettant de respecter la géométrie tétraédrique des atomes de carbone est la conformation chaise a. Premières approches de la conformation chaise Modélisation à l aide de Chemsketch : Ouvrir le logiciel Chemsketch, dessiner une molécule de cyclohexane et l exporter dans «3D viewer», en cliquant sur l icône : Il faut ensuite demander au logiciel d optimiser la représentation afin qu il affiche la conformation la plus stable : Tools > 3D optimisation. Vous pouvez ensuite manipuler la molécule afin de comprendre sa géométrie et changer le type de représentation (compacte, éclatée, bâtons) Figure 14 : Représentations du cyclohexane par différentes modélisation informatique (compacte, éclatée, bâtons) Utilisation des modèles moléculaires : Construire la molécule de cyclohexane à l aide des modèles moléculaire à votre disposition. Manipuler le modèle afin de repérer le parallélisme de nombreuses liaisons. Essayer de comprendre l appellation chaise : un atome de carbone constitue le haut du dossier de la chaise, quatre autres constituent l assise, et le dernier à l opposé du premier constitue le bas sur lequel vous pourriez allonger vos jambes (ce serait plutôt une chaise longue!). L idée que le cyclohexane se trouve principalement en conformation chaise a beaucoup évolué entre les années 1920 et 1940. C est à partir de 1950 que les travaux de Barton ont permis de mesurer toutes les conséquences physicochimiques de cette conformation. L utilisation de la diffraction des électrons par Hassel en 1963 a permis d établir que la molécule existe sous forme d une chaise légèrement aplatie avec des angles de liaison de et des angles de torsion ( ) dans le cycle de. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 10

b. Projection plane (ou en perspective) de la conformation chaise Pour représenter cette conformation la projection de Cram sera peu pratique car il y aurait trop d atomes hors du plan à représenter. Nous allons donc utiliser une représentation particulière appelée projection plane ou en perspective. Cette représentation est directement la projection plane du modèle éclaté précédent. Elle permet de respecter le parallélisme réel de nombreuses liaisons qui est présent dans cette conformation. En observant votre modèle essayer de compléter la projection plane suivante. Sur les dessins faits par ordinateur on rencontre souvent une projection «semi-cram» où la liaison la plus en avant est en trait gras, et les deux liaisons qui viennent vers l avant sont en trait triangulaire. Ceci permet de mieux visualiser le cycle (non obligatoire sur un dessin à la main). C est une représentation à maîtriser parfaitement. Quelques règles : - La chaîne carbonée ne doit pas faire apparaître de liaisons horizontales. - Après avoir dessiné la chaîne carbonée, on ajoute les substituants verticaux : alternativement vers le haut puis vers le bas, tout en respectant le caractère tétraédrique de l atome de carbone. - Pour les autres substituants, pour respecter le tétraèdre, chaque liaison doit être parallèle à la liaison et/ou. - Si la liaison axiale pointe vers le haut, la liaison équatoriale est dirigée vers le bas, et inversement. c. Projection de Newman de la conformation chaise Pour effectuer la projection de Newman il faut regarder la molécule selon l axe d une liaison. Mais comme certaines liaisons sont parallèles, effectuer la projection de Newman de la conformation chaise revient à projeter selon deux liaisons. Sur le modèle moléculaire placer deux disques opaques sur les liaisons et, placer votre regard comme le montre la figure précédente et tenter de représenter la projection de Newman associée. Les atomes d hydrogènes portés par les atomes de carbone 1 et 4 ne sont pas représentés. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 11

d. Positions axiales et équatoriales Équivalence de tous les atomes de carbone : Assurez-vous en manipulant le modèle moléculaire que tous les atomes de carbone sont équivalents. Il suffit de tourner successivement la molécule pour que chaque atome de carbone joue successivement le rôle du dossier, de l assise ou du bas de la chaise. Deux natures différentes d atomes d hydrogène : Observer le modèle moléculaire et repérer les atomes d hydrogène qui sont représentés verticalement sur la projection plane et ceux qui fuient le centre du cyclohexane. Changer la couleur d un ou de l autre type d hydrogène pour bien les différencier. Définitions : Position axiale : les atomes d hydrogène pour lesquels les liaisons sont verticales sont dits en position axiale. Position équatoriale : les atomes d hydrogène pour les liaisons semblent fuir le centre du cyclohexane sont dits en position équatoriale. Exercice d application 4 e. Inversion de la chaise La conformation chaise, bien que très «rigide» en raison de la valeur élevée de la barrière énergétique à franchir ( ), peut se transformer en une autre conformation chaise par torsion des liaisons. On parle d équilibre conformationnel d inversion. Vous devez basculer le carbone 1 vers le bas et le carbone 4 vers le haut, pour obtenir une chaise symétrique à la précédente. Inverser la chaise de votre modèle et dessiner la projection plane et la projection de Newman de la nouvelle conformation obtenue en respectant la numérotation des atomes de carbone et la couleur des atomes d hydrogène. Propriété : Lors de l inversion de la chaise tous les atomes en position axiale basculent en position équatoriale et inversement. Coups de pouce : - dessiner le squelette carboné en traçant l image dans un miroir de la 1 ère conformation - concernant la numérotation : l atome 4 constitue maintenant le haut du dossier de la chaise Ces deux chaises sont bien entendus totalement équivalentes mais pour passer de l une à l autre il faut passer par des conformations intermédiaires beaucoup moins stables, ainsi la barrière de rotation est assez importante. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 12

3. Les autres conformations (hors programme) La conformation chaise est le conformère le plus stable du cyclohexane. Pour passer d une conformation chaise à une autre le cyclohexane passe par des conformations moins stables. Figure 15 : Niveaux d énergie potentielle molaire relatifs de quelques conformations du cyclohexane Conformation bateau L isobornéol (figure 16) bloque le cycle en conformation bateau. Construisez le squelette carboné de la molécule d isobornéol. Ne garder ensuite que les atomes de carbone du cycle tout en gardant la conformation obtenue dans le cadre de l isobornéol. La conformation bateau porte son nom en raison de la forme qu elle inspire. Elle peut être dessinée en projection plane ou en représentation de Newman. Ce diagramme fait apparaître plusieurs conformères : les conformations chaises et croisées. Les conformations «bateaux» et «enveloppes» sont des maxima de la courbe d énergie potentielle. Le niveau d énergie particulièrement bas du cyclohexane en conformation chaise par rapport aux autres conformations permet de dire qu à température ambiante, la population de cette conformation est supérieure à. Ceci justifie le que nous étudierons par la suite que cette conformation. Il ne faut cependant pas en conclure que les autres conformations ne sont pas accessibles dans des cas particuliers : de nombreuses molécules polycycliques rigides sont bloquées dans les conformations «bateau» et «croisée". Figure 16 : Formule topologique en projection de Cram de l isobornéol Figure 17 : Projection plane et de Newman de la conformation bateau du cyclohexane Pourquoi cette conformation est-elle particulièrement instable? Conformation croisée ou twist Le twistane (figure 17) bloque le cycle en conformation bateau. Construisez le squelette carboné de la molécule de twistane. Retirer les deux ponts sans modifier la conformation du cycle à six carbones : vous obtenez le cyclohexane en conformation croisée. Justifier que cette conformation soit plus stable que la conformation bateau mais moins que la conformation chaise. Figure 17 : Formule topologique en projection de Cram du twistane Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 13

4. Les cyclohexanes monosubstitués Nous étudierons par la suite uniquement les conformations chaises des molécules de cycles à six car ce sont les plus stables et donc prédominent. Les conformations chaise du cyclohexane sont équivalentes, elles ont donc la même énergie. Mais si nous remplaçons un atome d hydrogène par un atome différent ou un groupe d atome (on parle de cyclohexane substitué) les deux chaises ne peuvent plus être équivalentes. a. Analyse des conformations chaise du méthylcyclohexane Construire la molécule de méthylcyclohexane (figure 18), en plaçant le groupe méthyle en position axiale. Réaliser l'inversion chaise-chaise afin de placer le groupe méthyle en position équatoriale. Dessiner les deux conformations chaise en projection plane : on ne représentera qu un seul atome d hydrogène du cycle : celui porté par le carbone 1. Préciser sur les représentations si le groupement méthyle est en position axiale ou équatoriale. Nous noterons ces conformations pour méthyle en position équatoriale et pour méthyle en position axiale. Figure 18 : Méthylcyclohexane Ces deux représentations sont uniquement des exemples car vous pouvez tourner la molécule et dessiner des représentations différentes mais équivalentes pour chaque conformation. En revanche il est impossible de passer d une conformation à une autre juste en tournant la molécule : il faut forcément effectuer des torsions autour des liaisons. Nous allons essayer, à l aide des documents suivants, d étudier la différence d énergie entre ces deux conformations. Document 1 : Résultats expérimentaux La différence d énergie potentielle molaire entre ces deux conformations est de à 27 C : Document 2 : Analyse conformationnelle du butane Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 14

Reprendre les modèles moléculaires et placer deux disques opaques sur les liaisons et et dessiner les projections de Newman du méthylcyclohexane dans les deux conformations en plaçant votre regard dans la direction vers et vers. On représentera tous les atomes d hydrogène sauf ceux portés par les atomes de carbones 3 et 6. Construisez une molécule de butane. Quelle conformation du butane se superpose en partie au méthylcyclohexane axial? Quelle conformation du butane se superpose en partie au méthylcyclohexane équatorial? Aidez-vous du document 2. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 15

D après vos observations et les documents précédents : - Justifiez que le méthylcyclohexane en conformation équatoriale soit plus stable. - Quelle différence d énergie attendez-vous entre les deux conformations du méthylcyclohexane? Comparer à la valeur expérimentale. Montrer qu il existe une deuxième interaction décalée gauche dans la conformation axiale (repérer la à l aide de vos modèles) : représenter une projection de Newman mettant en évidence cette autre interaction décalée gauche. Conclure quant à la valeur de la différence d énergie entre les deux conformations. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 16

Regard critique sur le raisonnement : Le raisonnement précédent permet d obtenir une valeur proche de la valeur expérimentale mais pas identique. Ce mode de raisonnement suppose que les différents effets puissent s ajouter en étant indépendants les uns des autres. De plus dans la molécule de butane, l interaction correspondante est entre deux groupes, alors que dans le cyclohexane, l interaction est entre un groupe et un groupe : il peut y avoir ainsi une légère différence. Enfin la valeur de l interaction décalée gauche pour le butane est entachée d une certaine incertitude due aux méthodes de mesure. b. Analyse des conformations chaise du méthylcyclohexane Pour un cyclohexane substitué par un groupe, on appelle valeur la différence d énergie potentielle molaire entre le conformère chaise où est en position axiale et le conformère chaise où est en position équatoriale. Quelques exemples de valeurs sont proposés dans le tableau ci-contre, ainsi que les pourcentages de forme équatoriale présente à température ambiante. Groupe X Valeur A / % équatoriale L interaction décalée gauche précédente ne peut plus suffire à expliquer les valeurs plus importantes de la préférence équatoriale. Figure 19 : différence d énergie potentielle molaire entre les deux conformations chaises des cyclohexanes monosubstitués Construire le squelette carboné du tertiobutylcyclohexane (tertiobutyl : ). Placer le groupement tertiobutyle en position axiale et chercher quelle interaction supplémentaire peut justifier l instabilité de cette conformation. La représenter sur la projection plane de la molécule. c. À retenir Règle de la préférence équatoriale : le substituant d un cyclohexane occupe préférentiellement une position équatoriale Les deux interactions décalées gauche permettent d expliquer cette préférence dans le cas du méthylcyclohexane. Dans le cas des substituants plus volumineux, deux autres interactions interviennent : deux interactions 1,3-diaxiale. Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 17

5. Les cyclohexanes polysubstitués a. Un peu de vocabulaire : positions relatives cis et trans Plan moyen du cycle : la projection plane du cycle à six atomes de carbone met en évidence que les milieux de chaque liaison sont dans un même plan, appelé plan moyen du cycle. Il apparaît alors que les différents substituants pointent de part et d autre de ce plan moyen, et que cela est sans rapport avec le caractère axial ou équatorial des substituants. Figure 20 : Plan moyen du cycle Définitions : Par définition, on dit que deux substituants sont en position relative : - cis s ils pointent tous les deux du même côté du plan moyen du cycle - trans s ils pointent de part et d autre de ce plan moyen Exemples : cis : et, et, et trans : et, et, et Il est important de noter que l équilibre conformationnel entre les deux formes chaises ne modifie pas la nature cistrans de la position relative des substituants : si deux substituants sont en position cis, ils le sont dans toutes les conformations chaises en équilibre. Modifier la position relative de deux substituants revient à changer de configuration et non de conformation : il faut casser des liaisons. On représente souvent les cyclohexanes polysubstitués en projection de Cram, en dessinant le cycle dans le plan de la feuille, comme dans l exemple ci-dessous. Il existe d ailleurs une représentation qui permet d indiquer les relations cis ou trans des substituants sans pour autant choisir entre les deux conformations chaises possible : la représentation de Haworth. Cette représentation est utilisée par les biologistes pour représenter les oses (sucres) cycliques. Elle n est pas à votre programme en chimie mais voici pour information les conventions de cette représentation. Le cycle est écrasé pour le ramener dans le plan moyen : les substituants au dessus du plan moyen son représentés par une ligne verticale vers le haut, les substituants en dessous du plan moyen son représentés par une ligne verticale vers le bas. Figure 21 : Projection de Cram du trans-1,3-diméthylcyclohexane Exercice d application 5 b. Comment déterminer le conformère le plus stable Pour déterminer la conformation chaise la plus stable d un cyclohexane polysubstitué, il faut analyser les interactions 1,3-diaxiales déstabilisantes qui peuvent s établir entre les substituants. On retiendra les règles suivantes : Figure 22 : Représentation de Haworth de l α- D-glucopyranose - Si un substituant est particulièrement plus volumineux que les autres, la conformation la plus stable est celle pour laquelle il est en position équatoriale. - Si les substituants sont tous de volume équivalent, la conformation la plus stable est celle pour laquelle une majorité de substituants est en position équatoriale. Exercice d application 6 Chimie organique Chapitre 2 : Stéréochimie de conformation Page 18