Chap.B6 Représentation spatiale des molécules I. Formules des molécules 1- Formules planes a) Formule brute Elle donne le % molaire des éléments qui constituent la molécule ex C 4 10 O b) Formules développée plane Elle précise la nature et l'enchaînement des liaisons entre les atomes. Elle fait apparaître tous les atomes dans le même plan et toutes les liaisons entre ces atomes. c) Formule semi développée Elle dérive de la précédente par suppression des liaisons mettant en jeu l'hydrogène d) Formule de Lewis Elle ressemble à la formule développée plane à laquelle on ajoute les doublets non liants e) Formule topologique La chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée. Chaque extrémité de segment représente un atome de carbone portant autant d'atomes d'hydrogène qu'il faut respecter la règle de l'octet. Les atomes autres que C sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes d'hydrogène qu'ils portent. La chaîne carbonée est dite saturée si elle ne présente que des liaisons simples C C. Elle est dite insaturée si elle présente au moins une liaison multiple entre deux atomes de carbone (appelée insaturation). 2- Formules spatiales a. Représentation de CRAM d'un atome tétragonal b. Représentation de Newman II. Isomérie de constitution Deux isomères sont deux espèces ayant même formule brute mais dont les molécules sont différentes. 1- Définition Deux isomères de constitution ont même formule brute mais des formules de constitution différentes. 2- Isomérie de chaîne Les molécules diffèrent par l'enchaînement des atomes de carbone. butanol 2-méthylpropan-1-ol Page 1 sur 5
3- Isomérie de position Même chaîne carbonée mais différentes par la position du groupe fonctionnel sur la chaîne 2-méthylpropan-1-ol Ou le butanol et le butan-2-ol 4- Isomérie de fonction Elles diffèrent par le groupe fonctionnel présent dans la molécule 2-méthylpropan-2-ol butanol oxyde de diéthyle ou éthoxyéthane Toutes ces formules ont des propriétés chimiques et physiques différentes III- Stéréoisomérie de conformation 1- Cas de l'éthane Par suite de la rotation autour de la liaison simple C C, la molécule passe par une infinité de structures différentes appelées conformation. Il existe deux conformations particulières : éclipsée et décalée. Les doublets des liaisons se repoussent entre les deux groupes méthyle, les répulsions sont plus faibles pour la conformation décalée. La conformation décalée est la plus stable, l'énergie de la molécule est minimale. c. Libre rotation L'énergie de 11 kj est du même ordre de grandeur que l'énergie cinétique moyenne d'une mole de molécule. A la suite d'un choc, une molécule peut donc changer de conformation, pour chaque molécule varie aléatoirement de 0 à 360. Il y a libre rotation autour de la liaison simple C C. Il est impossible d'isoler parmi les molécules d'éthane celles qui ont une conformation donnée. Page 2 sur 5
2- Cas du butane = 0 = 60 = 120 = 180 éclipsée décalée gauche éclipsée gauche décalée (non plan) A cause de l'interaction des groupes méthyles, la stabilité croissante correspond à la répulsion minimale: décalée anti > décalée gauche > éclipsée gauche > éclipsée ( > plus stable) c. Libre rotation Entre les conformations décalée anti et éclipsée, il y a une différence de 25 kj.mol -1 Il y a libre rotation à cause de l'agitation thermique. Mais la conformation décalée anti est la plus stable, donc la plus probable donc la chaîne carbonée est représentée en zigzag IV. Stéréoisomérie de configuration 1- Isomérie Z - E Cas du but-2-ène Molécule de la forme AC = CB 3 C 3 C C 3 C C C C C 3 E but-2-ène Z but-2-ène Le passage de Z à E nécessite la rupture de la double liaison (1 des liaisons), ce qui nécessite 250 kj.mol -1 : énergie bien supérieure à l'e c des molécules. La rotation autour de la double liaison est bloquée, il existe deux corps distincts, le E but-2-ène et le Z but-2-ène. 2- L'énantiomérie a. Carbone asymétrique C'est un carbone tétragonal lié à 4 atome ou 4 groupe d'atomes tous différents: Ex : butan-2-ol C 3 C* C 2 C 3 Me: Méthyl Et: Ethyl O Page 3 sur 5
b. Enantiomèrie Il existe 2 isomères du butan-2-ol Miroir * * O Et Et O Me Me Stéréoisomère A Stéréoisomère B Enantiomères Pour passer de l'un à l'autre il faut casser deux liaisons et permuter deux atomes et reformer les liaisons. Ce couple d isomères de configuration dont une molécule est l image de l autre dans un miroir sont appelés des énantiomères (de énantios contraire en grec). Les propriétés physiques d énantiomères ne diffèrent que par leur action sur la lumière. Les propriétés chimiques peuvent être très différentes. c. Chiralité Lorsqu'un objet n'est pas superposable à son image dans un miroir, il est chiral. d. Propriétés des énantiomères Elles ont les mêmes propriétés physiques et chimiques sauf vis à vis des phénomènes chiraux. Elles ont des propriétés biologiques et pharmacologiques différentes: par exemple le nez reconnaît les molécules chirales qui n'ont pas la même odeur. Ex : le limonène C 3 C 3 * * odeur de citron odeur d'orange 3- Racémique Un racémique ou racémate est un mélange en proportions égales des énantiomères lévogyre et dextrogyre d'un composé chiral. Autrement dit, pour le cas des molécules contenant un seul carbone asymétrique, fréquentes en chimie organique, un mélange contient à proportions égales les deux formes (R,S) selon la nomenclature des configurations absolues (règles de Cahn, Ingold et Prelog). Le pouvoir rotatoire de ses deux composants s'annulant, un racémique ne fait pas dévier le plan de polarisation de la lumière polarisée, il est donc optiquement inactif. Le terme «mélange racémique» est déconseillé par l'iupac, un racémique étant, par définition, un mélange Page 4 sur 5
4- Résumé Deux composés ont même formule brute mais leurs molécules sont différentes l enchaînement des atomes est-il le même? non oui isomères de constitution stéréoisomères de configuration les molécules sont-elles image l une de l autre dans un miroir? non oui diastéréoisomères énantiomères Exemples : acide 2-chloropropanoïque C 3 CCl COO Bromochloroiodométhane CClBrI Page 5 sur 5