Chimie - 7 ème année - Ecole Européenne - esffm.org · nombre d'atomes de carbone. Le nom des quatre premiers est consacré par l'usage. c) Nomenclature : La chaîne carbonée

Chimie - 7 ème année - Ecole Européenne

Ecole Européenne de Francfort Page 109

Chapitre n° 8 : ENANTIOMERIE ET DIASTEREO-ISOMERIE I) Rappels sur les hydrocarbures

1) :

Les alcanes et le carbone tétragonala) Carbone tétragonal :

:

Le carbone possède quatre électrons dans la couche périphérique (L) comme les autres éléments de la même colonne (silicium, germanium...) on dit qu’il est tétravalent. Dans une molécule, un atome de carbone peut être lié à d'autres atomes par quatre liaisons de covalences simplesUn hydrocarbure est un corps moléculaire dont les molécules sont formées uniquement à partir d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène. Le méthane est la plus petite molécule d'hydrocarbure.

: le carbone est alors tétragonal.

- Formule brute est CH4. L'indication de la nature des atomes et de leur nombre (atomicité) dans une molécule, est fournie par la formule brute.

- La formule développée est donnée par une figure : La formule développée indique, comment les atomes sont liés les uns aux autres.

- La géométrie de la molécule est celle d'un tétraèdre régulier. Les quatre atomes d'hydrogène occupent, autour de l'atome de carbone central, 4 positions parfaitement équivalentes, les 4 sommets d'un tétraèdre régulier. Les angles des liaisons C ─ H sont de l09° 28'. La longueur de la liaison C ─ H est de l09 pm.

b) Définition :

Des hydrocarbures qui ne possèdent que des liaisons covalentes simples (saturées) et dont les atomes de carbone forment des chaînes ouvertes sont appelés alcanes. La formule brute la plus générale des alcanes est CnH2n + 2. Le méthane fait partie de la famille des alcanes dont il partage un grand nombre de propriétés chimiques. On reconnaît encore la structure tétragonale du carbone. La longueur de la liaison C ─ C (154 pm) est supérieure à celle des liaisons C ─ H (109 pm comme dans le méthane). Le tétraèdre n'est plus régulier mais les angles entre les directions de deux liaisons sur le même atome sont encore de 109° 28'. Les formules brutes des molécules des alcanes les plus simples sont :

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18

méthane éthane propane butane pentane hexane heptane octane

On observe que la formule générale est : CnH2n + 2. Tous les hydrocarbures dont les molécules ont une formule brute CnH2n + 2 sont des alcanes. Les alcanes possèdent la terminaison ane dans leur nom. Le radical indique le nombre d'atomes de carbone. Le nom des quatre premiers est consacré par l'usage.

c) Nomenclature : La chaîne carbonée d'une molécule est l'enchaînement de ses atomes de carbone. On appelle groupe un ensemble d'atomes liés entre eux et constituant une partie d'une molécule (groupe méthyle ─ CH3, groupe éthyle ─ C2H5 …).

Enantiomérie et diastéréo-isomérie

Page 110 Christian BOUVIER

Remarque : On montre que les deux groupes méthyle ─ CH3 de la molécule d'éthane peuvent tourner autour de l'axe de la liaison carbone-carbone.

Exemple : Prenons pour exemple l'alcane à 4 atomes de carbone. Du point de vue de la structure, on peut considérer qu'un groupe méthyle CH3 a été substitué à un atome d'hydrogène d'une molécule de propane. Le nom est 2-méthylpropane. Le numéro "2" indique que le groupe méthyle substitué est lié au deuxième atome de carbone du propane.

Règle : nom de famille : préfixe (donnant le nombre de C) + suffixe ane * S'il s'agit d'un alcane à chaîne non ramifiée, à partir de quatre atomes de carbone, on

ajoute n- (normal) devant le nom de l'alcane. ex. : CH3 ─ CH2 ─ CH2 ─ CH3 n-butane

* S'il s'agit d'un alcane à chaîne ramifiée, on prend la chaîne carbonée la plus longue; on numérote les atomes de carbone de cette chaîne, en commençant par une extrémité, et de telle façon que les numéros des carbones sur lesquels viennent se greffer des ramifications, soit les plus petits possible. Pour cela : On étudie la position de la première ramification rencontrée à partir de la gauche, et la position de la première ramification rencontrée à partir de la droite (quelle que soit leur nature), on compare ces deux valeurs et on choisit le sens qui donne la plus petite. Si ces deux valeurs sont égales, il faut alors étudier la position de la deuxième ramification rencontrée à partir de la gauche, et la position de la deuxième ramification rencontrée à partir de la droite, on compare ces deux valeurs et on choisit le sens qui donne la plus petite. Si ces deux valeurs sont égales on continue le processus jusqu'à ce qu'on rencontre une différence.

* On énumère devant le nom de la chaîne principale les groupes qui sont greffés sur elle par ordre alphabétique sans tenir compte des préfixes di, tri ... On indique devant chaque groupe, le numéro du carbone de la chaîne principale sur lequel il est greffé. ex. :

4-éthyl-3,3-diméthylhexane et non 3-éthyl-4,4-diméthylhexane

2) Les alcènes et le carbone trigonal

a) Carbone trigonal : :

Le carbone étant tétravalent, peut réaliser une liaison double avec un atome et deux liaisons simples avec deux autres atomes, ce carbone est alors trigonal. L'éthène (C2H4) ou éthylène est le plus simple des alcènes. Les deux atomes de carbone sont reliés entre eux par une liaison double. Formule semi développée : H2C == CH2 ou une formule développée :

La molécule est plane et la liaison double est rigide. La longueur de la liaison C == C est de 134 pm.

b) Définition : Des hydrocarbures qui ne possèdent qu'une seule liaison double sont appelés alcènes. Tous les hydrocarbures dont les molécules ont une formule brute CnH2n sont des alcènes.



Les formules brutes des molécules des alcènes les plus simples sont :

C2H4 C3H6 C4H8 C5H10 C6H12 C7H14 C8H16 C9H18

éthène propène butène pentène hexène heptène octène nonène c) Nomenclature :

Alcènes : nom de famille : préfixe (donnant le nombre de C) + suffixe ène * On détermine la chaîne carbonée la plus longue contenant la double liaison; on

numérote les atomes de carbone de cette chaîne en commençant par une extrémité, et de telle façon que le premier carbone porteur de la double liaison ait le plus petit numéro possible. On procède ensuite comme pour un alcane mais on remplace le suffixe ane par ène précédé du numéro du premier carbone porteur de la double liaison. ex. :

2,3,5-triméthylhept-3-ène

d) Cas du benzène :

On considère un cycle à six carbones reliés alternativement par une liaison simple et une liaison double. Il existe deux conformations possibles (ou mésomères). En fait la molécule passe sans arrêt de l'une à l'autre : Nous représenterons le cycle du benzène par la formule de Kekulé :

3) Les alcynesLe carbone peut réaliser une liaison triple avec un atome et une liaison simple avec un autre atome : la structure géométrique de ce carbone est alors digonale.

:

La longueur de la liaison C =–= C est de 120 pm. La formule brute de l'éthyne (ou acéthylène) est C2H2. Les deux atomes de carbone sont reliés entre eux par une liaison triple. La molécule est linéaire. Des hydrocarbures qui ne possèdent qu'une seule liaison triple sont appelés alcynes. Les formules brutes des molécules des alcynes les plus simples sont :

C2H2 C3H4 C4H6 C5H8 C6H10 C7H12 C8H14 C9H16

éthyne propyne butyne pentyne hexyne heptyne octyne nonyne



II) Représentation d’une molécule en chimie organique1)

: Formule brute et formule développéeLa formule brute d'un corps (moléculaire, ionique ou cristallin) nous donne la composition de ce corps : la nature et le nombre des atomes qui le compose. La formule brute ne nous renseigne pas sur la géométrie ni sur les propriétés chimiques du corps.

:

A une même formule brute peut correspondre plusieurs molécules qui diffèrent par leurs propriétés chimiques, physiques ou par leurs géométries : ces molécules sont des isomères. La formule développée d'un corps nous donne, en plus de la composition de ce corps, la répartition spatiale des atomes les uns par rapport aux autres (au moins en projection plane) et fait apparaître ses différentes fonctions. La formule développée, pourra ne pas suffire pour connaître totalement les caractéristiques géométriques de la molécule d'un corps, on sera amené à faire une représentation dans l'espace de cette molécule. Remarque : suivant les propriétés qu'on voudra mettre en évidence on pourra se contenter

d'une formule semi développée ou "plus ou moins" développée.

2) Représentation d’une moléculea) Modèle :

:

On peut représenter les atomes qui composent une molécule par de petites "boules" de différentes couleurs qui donnent en trois dimensions "l'aspect" de la molécule. On peut distinguer le modèle compact et le modèle éclaté d'une molécule. Exemple : éthane (CH3 ─ CH3) :

modèle compact modèle éclaté

b) Représentation symbolique des molécules : La formule développée précise le rôle de chaque doublet liant dans une molécule. La représentation de Lewis indique, en plus, la position des doublets non liants. La représentation topologique est utilisée pour représenter les grosses molécules.

Exemple : propan-1-ol :

formule développée représentation de Lewis représentation topologique Exemple : 2,3,5-triméthylhept-3-ène :

formule semi développée représentation topologique du diastéréoisomère (Z)



Exemple : acide acétylsalicylique (aspirine) :

formule semi développée représentation topologique Pour représenter une molécule "autour d'un atome X tétragonal, on dispose de la représentation de Cram ou de la représentation de Fischer. Dans la représentation de Cram : - un trait plein représente une liaison entre 2 atomes situés dans le plan de la figure - un triangle allongé plein représente une liaison entre un atome situé dans le plan

de la figure (à la pointe) et un atome situé en avant de ce plan (à la base) - un triangle allongé hachuré représente une liaison entre un atome situé dans le

plan de la figure (à la pointe) et un atome situé en arrière de ce plan (à la base). Dans la projection de Fischer, conventionnellement : - l'atome tétragonal X, au centre de quatre liaisons simples, n'est pas représenté, - un trait horizontal représente deux liaisons entre l'atome X est deux atomes situés en

avant du plan contenant X, - un trait vertical représente deux liaisons entre l'atome X est deux atomes situés en

arrière du plan contenant X. Nous pouvons considérer que nous passons de la représentation de Cram à la projection de Fischer de la façon suivante :

→

→

→

rotation de 90 ° autour d'un axe vertical

basculement de ∼ 35 ° autour d'un axe horizontal

2 liaisons verticales vers l'arrière 2 liaisons horizontales vers l'avant

Exemple : bromochlorofluorométhane : représentation de Cram projection de Fischer

3) Conformation et de configurationa) Conformation :

:

Les différentes conformations d'une molécule sont liées à la possibilité d'une libre rotation de deux parties de la molécule autour d'une liaison simple C ─ C. Les différentes conformations ne correspondent pas à des composés différents, mais un seul corps pur. Les différents stéréo-isomères de conformation ne sont donc pas isolables. On peut associer à chaque conformation une énergie, les variations d’énergie des différentes conformations sont relativement faibles. La présence de ces constituants peut être détectée dans les nuages interstellaires, car, à ces variations d'énergie, correspondent des émissions de radiations dans l'infrarouge lointain (I.R.), détectables sur Terre.



On utilise la représentation de Newman : Exemple : éthane (CH3 ─ CH3) : Une variation d'énergie ∆E = 11,7 kJ.mol−1 ou ∆ε =

A

EN∆ = 1,94.10−20 J = 0,12 eV correspond

l'émission d'un photon de longueur d'onde :

λ = ε∆c.h = 1,025.10−5 = 10,25 µm (I.R. lointain).

Exemple : n-butane (CH3 ─ CH2 ─ CH2 ─ CH3) : On observe l'émission de trois radiations : ∆ε1 = 1,74.10−20 J soit λ1 = 1,14.10−5 = 11,4 µm ∆ε2 = 2,29.10−20 J soit λ2 = 8,68.10−6 = 8,68 µm ∆ε3 = 3,60.10−20 J soit λ3 = 5,52.10−6 = 5,52 µm

b) Configuration :

On appelle configuration d'une molécule de formule brute donnée la disposition spatiale de ses atomes sans tenir compte des éventuelles rotations autour des liaisons simples. Les stéréo-isomères de configuration sont des composés distincts qui pourront être séparés (isomérie de chaîne, stéréo-isomérie).

III) Isomérie de constitution1)

: DéfinitionOn appelle isomères de constitution des isomères dont les molécules diffèrent par l'ordre ou la nature des liaisons qui relient les atomes entre eux.

:

2) Isomérie de constitution de chaîne

La formule brute C4H10 peut correspondre à deux hydrocarbures différents : le n-butane ou le méthylpropane qui sont des isomères de chaîne :

:

CH3 ─ CH2 ─ CH2 ─ CH3

n-butane méthylpropane Des isomères de constitution de chaîne ont la même formule brute mais leurs formules développées font apparaître des chaînes carbonées différentes.

3) Isomérie de constitution de fonctionLa formule brute C3H6O peut correspondre à la propanone ou au propanal qui sont des isomères de fonction :

:

propanone propanal De même, la formule brute C2H4O2 peut correspondre à l'acide éthanoïque (acide acétique) ou au méthanoate de méthyle qui est un ester : acide éthanoïque méthanoate de méthyle



Des isomères de constitution de fonction ont la même formule brute mais leurs formules développées font apparaître des groupes fonctionnels différents.

4) Isomérie de constitution de positionLa formule brute C3H8O peut correspondre à deux alcools différents : le propan-1-ol ou le propan-2-ol qui sont des isomères de position du groupe hydroxyle.

:

CH3 ─ CH2 ─ CH2 ─ OH

propan-1-ol propan-2-ol De même, la formule brute C4H8 peut correspondre au but-1-ène ou au but-2-ène : CH2 == CH ─ CH2 ─ CH3 CH3 ─ CH == CH ─ CH3 but-1-ène but-2-ène Des isomères de constitution de position ont la même formule brute mais leurs formules développées font apparaître des groupes fonctionnels identiques "greffés" sur des carbones fonctionnels différents.

IV) Stéréo-isomérie1)

: DéfinitionOn appelle stéréo-isomères des isomères dont les molécules possèdent la même formule brute, le même enchaînement des atomes et des liaisons, mais un agencement spatial différent.

:

2) Stéréo-isomérie de conformation

Nous avons déjà vu, au § II) III) a), l'exemple des deux conformations extrêmes de la molécule d'éthane (conformation éclipsée et conformation décalée) et des quatre conformations de la molécule de n-butane.

:

Nous pouvons considérer le cas du cyclohexane C6H12 dans lequel les six atomes de carbone sont tétragonaux et qui présente deux conformations extrêmes. Nous ne représentons que le cycle des six atomes de carbone par les six liaisons C ─ C non coplanaires (les douze liaisons C ─ C n'étant pas représentées) :

conformation "bateau" conformation "chaise"

3) Enantiomériea) Carbone asymétrique :

:

On appelle atome de carbone asymétrique un atome de carbone tétragonal lié à quatre atomes ou groupes d'atomes tous différents. Le butan-2-ol possède un atome de carbone C* asymétrique : formule semi développée représentation de Cram projection de Fischer



b) Règle séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog : Afin de nommer sans ambiguïté les différents stéréo-isomères, il est nécessaire d'établir de façon conventionnelle un ordre de priorité pour les atomes ou les groupes d'atomes liés à un atome central (dit de rang zéro). Les règles séquentielles proposées par R. S. Cahn, C. Ingold et V. Prelog établissent un ordre conventionnel des atomes ou des groupes d'atomes : Règle 1 : un atome de numéro atomique plus élevé a la priorité sur un atome de numéro

atomique plus faible. Exemple : bromochlorofluorométhane :

Autour de l'atome carbone central (de rang zéro), nous avons quatre atomes : hydrogène H (z = 1) ; fluor F (z = 9) ; chlore Cl (z = 17) ; brome Br (z = 35). Nous en déduisons que : Br a priorité sur Cl etc : conventionnellement : Br > Cl > F > H.

Règle 2 : lorsque deux atomes, directement liés à l'atome central (atomes dits de 1er rang) ont même priorité, on passe aux atomes qui leurs sont liés (atomes dits de 2nd rang) et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne une différence.

Exemple : butan-2-ol : Autour de l'atome carbone central (de rang zéro), nous avons quatre atomes : 1 atome d'hydrogène H (z = 1) ; 2 atomes de carbone C (z = 6) ; 1 atome d'oxygène O (z = 16) : L'un des atomes de carbone est relié à un hydrogène (Z = 1), l'autre est relié à un autre carbone (Z = 6), nous avons levé l'ambiguïté : O > C2H5 > CH3 > H.

Règle 3 : si le long d'une chaîne on atteint un endroit où il y a une bifurcation sans pouvoir conclure, on choisit un chemin prioritaire correspondant à l'atome prioritaire des deux séries identiques.

c) Enantiomères, configuration absolue et nomenclature :

Lorsqu'une molécule possède un atome asymétrique (nécessairement tétragonal), l'image dans un miroir de cette molécule n'est pas superposable à la molécule originale. On appelle énantiomères deux stéréo-isomères de configuration dont les configurations sont symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan (images dans un miroir). Remarque : D'une façon générale, lorsqu'un objet à trois dimensions ne coïncide pas

avec son symétrique par rapport à un plan, on dit que l'objet est chiral. En chimie, un mélange à concentrations égales de deux énantiomères d'une molécule est appelé mélange racémique. La configuration absolue d'un énantiomère (possédant un atome de carbone asymétrique) est définie de la façon suivante : - Les quatre atomes ou groupes a, b, c et d, liés à l'atome de carbone asymétrique C*

sont classés suivant la règle séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog, a > b > c > d. - On regarde la molécule suivant l'axe de la liaison C* ─ d, le groupe d (le moins prioritaire)

étant placé en arrière, si on passe du groupe a, au groupe b, puis c en tournant vers la droite la configuration absolue de l'énantiomère est dit (R). Dans le cas contraire la configuration absolue est dite (S).

(R)-énantiomère (S)-énantiomère



Exemple : Nous avons vu (§ VI) 3) b)) que Br > Cl > F > H, la molécule de représenté sur la figure ci-contre, est donc dans la configuration absolue (R) : c'est le (R)-bromochlorofluorométhane.

Exemple : La molécule de butan-2-ol présente un atome de carbone asymétrique autour duquel se trouvent les atomes ou groupes éthyle (C2H5), méthyle (CH3), hydroxyle (OH) et hydrogène (H). La règle séquentielle donne O > C2H5 > CH3 > H : la molécule de représenté sur la figure ci-contre, est donc dans la configuration absolue (R) : c'est le (R)-butan-2-ol.

Exemple : On donne la représentation de Cram d'un des énantiomères du 2−bromobutane dont on veut déterminer la configuration absolue : L'atome de carbone asymétrique de la molécule est entouré des groupes éthyle (C2H5), méthyle (CH3), et des atomes de brome (Br) et d'hydrogène (H). L'application de la règle séquentielle donne Br > C2H5 > CH3 > H. On passe de Br à C2H5 puis à CH3 en tournant vers la gauche autour de la liaison C* ─ H, l'atome H étant situé en arrière : on a le (S)-2-bromobutane.

Exemple : On donne la représentation de Cram d'un des énantiomères du 2−iodobutane dont on veut déterminer la configuration absolue : L'atome de carbone asymétrique de la molécule est entouré des groupes éthyle (C2H5), méthyle (CH3), et des atomes de brome (I) et d'hydrogène (H). L'application de la règle séquentielle donne I > C2H5 > CH3 > H. On passe de I à C2H5 puis à CH3 en tournant vers la gauche autour de la liaison C* ─ H, l'atome H étant situé en arrière : on a le (R)-2-iodobutane.

Exemple : On donne la représentation de Cram d'un des énantiomères du 3-bromo-3-méthylhexan-3-ol dont on veut déterminer la configuration absolue : L'atome de carbone asymétrique de la molécule est entouré des groupes, propyle (C3H7), éthyle (C2H5), méthyle (CH3), et hydroxyle (OH). La règle séquentielle donne OH > C3H7 > C2H5 > CH3. On passe de OH à C3H7 puis à C2H5 en tournant vers la gauche autour de la liaison C* ─ CH3, le groupe méthyle CH3 étant situé en arrière : On a le donc le (S)-3-méthylhexan-3-ol.

d) Analyse de la lumière polarisée :

La lumière est une onde électromagnétique, qui constitue la propagation de la vibration d'un champ électrique et d'un champ magnétique. La lumière polarisée rectilignement est constituée d'ondes dont la vibration du champ électrique n'a lieu que dans un plan passant par l'axe de propagation.

direction de propagation

champ électrique

propagation vers l'observateur

Représentation schématique de la propagation d'une onde monochromatique polarisée



La lumière naturelle est formée d'ondes dont les vibrations du champ électrique ont lieu dans tous les plans passant par l'axe de propagation. Remarque : Attention : il ne faut pas confondre la lumière polarisée rectilignement dont le

plan de vibration est unique, avec la lumière monochromatique dont la vibration est sinusoïdale et ne contient donc qu'une seule radiation (une seule couleur, une seule fréquence).

Remarque : Attention : il ne faut pas confondre la lumière naturelle dont les vibrations ont lieu dans tous les plans, avec la lumière blanche dont les vibrations sont la superposition de toutes les radiations visibles (contenant toutes les couleurs, toutes les fréquences du spectre visible).

Remarque : Une lumière peut donc être, soit naturelle et blanche, soit naturelle et monochromatique, ou polarisée rectilignement et blanche, ou polarisée rectilignement et monochromatique (cas de la figure ci-dessus).

Certains matériaux (baume du Canada) ont la propriété de transformer la lumière naturelle qui les traverse, en lumière polarisée. Dans certaines conditions de réflexion (incidence Brewstérienne), la lumière naturelle est réfléchie en étant polarisée. Un dispositif qui transforme la lumière naturelle (monochromatique ou blanche) en lumière polarisée est appelé polariseur. Le polariseur polarise la lumière suivant une direction particulière qu'on appelle axe de polarisation du polariseur. Un deuxième polariseur placé après un premier polariseur est appelé analyseur. Dans une 1ère expérience, polariseur et analyseur ont des axes de polarisation parallèles : Dans une 2ème expérience, polariseur et analyseur ont des axes de polarisation "croisés" (angle θ = 90 ° entre les axes de polarisation du polariseur et de l'analyseur) : Dans cette expérience, aucun faisceau ne ressort du dispositif.

propagation vers l'observateur



La détermination de la position exacte de l'axe de polarisation de l'analyseur est plus précise lors de l'obtention de l'extinction (comme dans la 2ème expérience) que lors de l'obtention du maximum de luminosité (comme dans la 1ère expérience). On se sert de cette 2ème expérience pour déterminer avec précision l'état de polarisation du faisceau lumineux à la sortie de dispositif : on mesure ainsi l'angle α = θ − 90 ° de polarisation du faisceau (ici α = 0).

e) Pouvoir rotatoire d'une substance organique : Dans une 3ème expérience, nous plaçons, entre le polariseur et analyseur, une cuve transparente contenant une solution d'un énantiomère d'une molécule organique : Dans cette expérience, pour obtenir l'extinction, il est nécessaire de faire tourner l'axe de polarisation de l'analyseur d'un angle α par rapport à la position qu'il occupait dans la 2ème expérience. On dit que la solution de l'énantiomère fait tourner le plan de polarisation d'un angle α. On appel pouvoir rotatoire d'une substance chimique le fait qu'une solution de cette substance fait tourner le plan de polarisation de la lumière d'un faisceau qui la traverse. On dit que la substance chimique qui possède un pouvoir rotatoire est optiquement active. Remarque : Attention : il ne faut pas confondre le pouvoir rotatoire d'une substance, lié à

la rotation du plan de polarisation de la lumière, avec la réfraction d'un faisceau au passage à travers un dioptre, liée à la déviation du faisceau.

Une substance dont la solution fait tourner le plan de polarisation vers la droite, pour un observateur qui reçoit le faisceau lumineux, est dite dextrogyre (α est alors positif), le nom de la substance est précédé d'un "d". Une substance dont la solution fait tourner le plan de polarisation vers la gauche, pour un observateur qui reçoit le faisceau lumineux, est dite lévogyre (α est alors négatif), le nom de la substance est précédé d'un "l".

L'expérience montre que l'angle de rotation α dépend de la longueur L de la cuve traversée par le faisceau de la concentration molaire volumique [X] en l'énantiomère X, ainsi que d'un coefficient, le pouvoir rotatoire spécifique k0, qui dépend principalement de la nature de la substance X, mais également de la température et de la nature du solvant. La loi de Biot résume ces propriétés : α = k0.[X].L En utilisant les unités de base du système international, α est exprimé en °, [X] en mol.m−3 (attention), L en m et k0 en m2.mol−1. Remarque : Attention : il n'existe pas de relation entre le pouvoir rotatoire (lévogyre l,

dextrogyre d) et la configuration absolue (R, S). Remarque : Le signe du pouvoir rotatoire d'un énantiomère ne peut être déterminé

qu'expérimentalement. Remarque : Un mélange racémique de deux énantiomères est optiquement inactif.



4) Stéréo-isomérie Z-E ou diastéréo-isomériea) Diastéréo-isomères :

:

On considère un corps organique qui contient une double liaison entre deux atomes de carbone abC == Ca'b', à cause de la rigidité de la double liaison C == C, il existe deux formules géométriques développées possibles : On appelle diastéréo-isomères, des isomères de configuration qui ne sont pas des énantiomères.

b) Configuration Z-E et nomenclature : On considère un corps organique abC == Ca'b', dans lequel a apriorité sur b et a' a priorité sur b' au sens de la règle séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog. (Z)-diastéréo-isomère (E)-diastéréo-isomère Exemple : Le but-2-ène existe sous deux configurations : (Z)-but-2-ène (E)-but-2-ène Exemple : L'acide but-2-ènedioïque existe également sous deux formes : (Z)-but-2-ènedioïque (E)-but-2-ènedioïque Exemple : On donne la représentation du 3-éthylhex-2-ène-2-ol dont on veut déterminer la

configuration : Le 1er atome de carbone de la double liaison est lié à des groupes méthyle (CH3) et hydroxyle (OH) : l'application de la règle séquentielle donne OH > CH3. Le 2ème atome de carbone de la double liaison est lié à des groupes, éthyle (C2H5) et propyle (C3H7) : on a C3H7 > C2H5. Les deux groupes prioritaires sont situés de part et d'autre de l'axe de la double liaison C == C : on est en présence du (E)-3-éthylhex-2-ène-2-ol.

c) Propriétés :

Deux diastéréo-isomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes. Exemple : Les deux configurations de l'acide but-2-ènedioïque ont des propriétés

différentes :

formule semi développée

nom systématique (Z)-but-2-ènedioïque (E)-but-2-ènedioïque nom usuel acide maléique acide fumarique

température de fusion 131 °C 287 °C solubilité dans l'eau très grande très faible

pKA1, pKA2 1,9 ; 6,3 3,1 ; 4,4



V) Résumé des isoméries Formule brute

:

Formule développée

Stéréo-isomères

Isomères de constitution de conformation de configuration

de fonction de position de chaîne Enantiomères Diastéréo-isomères



A RETENIR I) Rappels sur les hydrocarbures

1) :

Les alcanes et le carbone tétragonalLe carbone possède quatre électrons dans la couche périphérique (L) comme les autres éléments de la même colonne (silicium, germanium...) on dit qu’il est tétravalent.

:

Dans une molécule, un atome de carbone peut être lié à d'autres atomes par quatre liaisons de covalences simplesDes hydrocarbures qui ne possèdent que des liaisons covalentes simples (saturées) et dont les atomes de carbone forment des chaînes ouvertes sont appelés alcanes.

: le carbone est alors tétragonal.

La formule brute la plus générale des alcanes est CnH2n + 2. La chaîne carbonée d'une molécule est l'enchaînement de ses atomes de carbone. On appelle groupe un ensemble d'atomes liés entre eux et constituant une partie d'une molécule (groupe méthyle ─ CH3, groupe éthyle ─ C2H5 …). Règle : nom de famille : préfixe (donnant le nombre de C) + suffixe ane

2) Les alcènes et le carbone trigonal

Le carbone étant tétravalent, peut réaliser une liaison double avec un atome et deux liaisons simples avec deux autres atomes, ce carbone est alors trigonal.

:

L'éthène (C2H4) ou éthylène est le plus simple des alcènes.

Formule semi développée : H2C == CH2 ou une formule développée : La molécule est plane et la liaison double est rigide.

Des hydrocarbures qui ne possèdent qu'une seule liaison double sont appelés alcènes. Alcènes : nom de famille : préfixe (donnant le nombre de C) + suffixe ène

3) Les alcynes

Le carbone peut réaliser une liaison triple avec un atome et une liaison simple avec un autre atome : la structure géométrique de ce carbone est alors digonale.

:

Des hydrocarbures qui ne possèdent qu'une seule liaison triple sont appelés alcynes. II) Représentation d’une molécule en chimie organique

1) :

Formule brute et formule développéeLa formule brute d'un corps (moléculaire, ionique ou cristallin) nous donne la composition de ce corps : la nature et le nombre des atomes qui le compose. La formule brute ne nous renseigne pas sur la géométrie ni sur les propriétés chimiques du corps.

:

A une même formule brute peut correspondre plusieurs molécules qui diffèrent par leurs propriétés chimiques, physiques ou par leurs géométries : ces molécules sont des isomères.

2) Représentation d’une moléculeModèle : On peut représenter les atomes qui composent une molécule par de petites "boules" de différentes couleurs qui donnent en trois dimensions "l'aspect" de la molécule.

:

Représentation symbolique des molécules : La formule développée précise le rôle de chaque doublet liant dans une molécule. La représentation de Lewis indique, en plus, la position des doublets non liants. La représentation topologique est utilisée pour représenter les grosses molécules.



Dans la représentation de Cram : - un trait plein représente une liaison entre 2 atomes situés dans le plan de figure, - un triangle allongé plein représente une liaison entre un atome situé dans le plan

de la figure (à la pointe) et un atome situé en avant de ce plan (à la base), - un triangle allongé hachuré représente une liaison entre un atome situé dans le

plan de la figure (à la pointe) et un atome situé en arrière de ce plan (à la base). Dans la projection de Fischer, conventionnellement : - l'atome tétragonal X, au centre de quatre liaisons simples, n'est pas représenté, - un trait horizontal représente deux liaisons entre l'atome X est deux atomes situés en

avant du plan contenant X, - un trait vertical représente deux liaisons entre l'atome X est deux atomes situés en

arrière du plan contenant X.

3) Conformation et de configurationa) Conformation :

:

Les différentes conformations d'une molécule sont liées à la possibilité d'une libre rotation de deux parties de la molécule autour d'une liaison simple C ─ C. Les différentes conformations ne correspondent pas à des composés différents, mais un seul corps pur. Les différents stéréo-isomères de conformation ne sont donc pas isolables.

b) Configuration :

On appelle configuration d'une molécule de formule brute donnée la disposition spatiale de ses atomes sans tenir compte des éventuelles rotations autour des liaisons simples. Les stéréo-isomères de configuration sont des composés distincts qui pourront être séparés (isomérie de chaîne, stéréo-isomérie).

III) Isomérie de constitution1)

: DéfinitionOn appelle isomères de constitution des isomères dont les molécules diffèrent par l'ordre ou la nature des liaisons qui relient les atomes entre eux.

:

2) Isomérie de constitution de chaîne

Des isomères de constitution de chaîne ont la même formule brute mais leurs formules développées font apparaître des chaînes carbonées différentes.

:

3) Isomérie de constitution de fonction

Des isomères de constitution de fonction ont la même formule brute mais leurs formules développées font apparaître des groupes fonctionnels différents.

:

4) Isomérie de constitution de position

Des isomères de constitution de position ont la même formule brute mais leurs formules développées font apparaître des groupes fonctionnels identiques "greffés" sur des carbones fonctionnels différents.

:



IV) Stéréo-isomérie1)

: DéfinitionOn appelle stéréo-isomères des isomères dont les molécules possèdent la même formule brute, le même enchaînement des atomes et des liaisons, mais un agencement spatial différent.

:

2) Stéréo-isomérie de conformation

Exemple du cyclohexane : :

conformation "bateau" conformation "chaise"

3) Enantiomériea) Carbone asymétrique :

:

On appelle atome de carbone asymétrique un atome de carbone tétragonal lié à quatre atomes ou groupes d'atomes tous différents.

b) Règle séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog :

Règle 1 : un atome de numéro atomique plus élevé a la priorité sur un atome de numéro atomique plus faible.

Règle 2 : lorsque deux atomes, directement liés à l'atome central (atomes dits de 1er rang) ont même priorité, on passe aux atomes qui leurs sont liés (atomes dits de 2nd rang) et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne une différence.

Règle 3 : si le long d'une chaîne on atteint un endroit où il y a une bifurcation sans pouvoir conclure, on choisit un chemin prioritaire correspondant à l'atome prioritaire des deux séries identiques.

c) Enantiomères, configuration absolue et nomenclature :

On appelle énantiomères deux stéréo-isomères de configuration dont les configurations sont symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan (images dans un miroir). En chimie, un mélange à concentrations égales de deux énantiomères d'une molécule est appelé mélange racémique. La configuration absolue d'un énantiomère (possédant un atome de carbone asymétrique) est définie de la façon suivante : - Les quatre atomes ou groupes a, b, c et d, liés à l'atome de carbone asymétrique C*

sont classés suivant la règle séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog, a > b > c > d. - On regarde la molécule suivant l'axe de la liaison C* ─ d, le groupe d (le moins prioritaire)

étant placé en arrière, si on passe du groupe a, au groupe b, puis c en tournant vers la droite la configuration absolue de l'énantiomère est dit (R). Dans le cas contraire la configuration absolue est dite (S).

(R)-énantiomère (S)-énantiomère



d) Analyse de la lumière polarisée :

Un dispositif qui transforme la lumière naturelle (monochromatique ou blanche) en lumière polarisée est appelé polariseur. Le polariseur polarise la lumière suivant une direction particulière qu'on appelle axe de polarisation du polariseur. Un deuxième polariseur placé après un premier polariseur est appelé analyseur. La détermination de la position exacte de l'axe de polarisation de l'analyseur est plus précise lors de l'obtention de l'extinction (comme dans la 2ème expérience) que lors de l'obtention du maximum de luminosité (comme dans la 1ère expérience).

e) Pouvoir rotatoire d'une substance organique : On dit que la solution de l'énantiomère fait tourner le plan de polarisation d'un angle α. On appel pouvoir rotatoire d'une substance chimique le fait qu'une solution de cette substance fait tourner le plan de polarisation de la lumière d'un faisceau qui la traverse. On dit que la substance chimique qui possède un pouvoir rotatoire est optiquement active. Une substance dont la solution fait tourner le plan de polarisation vers la droite, pour un observateur qui reçoit le faisceau lumineux, est dite dextrogyre (α est alors positif), le nom de la substance est précédé d'un "d".

Une substance dont la solution fait tourner le plan de polarisation vers la gauche, pour un observateur qui reçoit le faisceau lumineux, est dite lévogyre (α est alors négatif), le nom de la substance est précédé d'un "l".

La loi de Biot résume ces propriétés : α = k0.[X].L

4) Stéréo-isomérie Z-E ou diastéréo-isomérieOn appelle diastéréo-isomères, des isomères de configuration qui ne sont pas des énantiomères.

:

On considère un corps organique abC == Ca'b', dans lequel a apriorité sur b et a' a priorité sur b' au sens de la règle séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog. (Z)-diastéréo-isomère (E)-diastéréo-isomère Deux diastéréo-isomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes.

V) Résumé des isoméries Formule brute

:

Formule développée

Stéréo-isomères

Isomères de constitution de conformation de configuration

de fonction de position de chaîne Enantiomères Diastéréo-isomères



POUR S'ENTRAÎNER I) Hydrocarbure et isomérie.

La combustion complète d'une masse mCH = 21,0 g d'un hydrocarbure, a donné une masse mH2O = 27,0 g d'eau. La formule brute de cet hydrocarbure inconnu peut être écrite CxHy. La masse molaire moléculaire de cet hydrocarbure a été déterminée et vaut MCH = 70 g.mol−1. a) Ecrire l'équation bilan de la réaction de combustion complète (avec des coefficients fonction

de x, y). b) i. Démontrer que la formule brute de cet hydrocarbure est C5H10.

ii. A quelle famille appartient cet hydrocarbure ? c) i. Donner la formule semi-développée des 5 isomères de constitution

ii. Quel est le nom systématique de chacun d'eux ?

possibles de cet hydrocarbure ?

d) i. L'un d'entre eux présente une stéréo-isomérie, lequel ? Justifier. ii. Quel type de stéréo-isomérie présente-ils ? iii. Représenter les deux isomères correspondant et donner leur nom systématique.

On donne les masses molaires : MH = 1 g.mol−1 ; MC = 12 g.mol−1 ; MO = 16 g.mol−1.

II) Modèle moléculaire.

a) On représente une molécule d'hydrocarbure à l'aide d'un

modèle spatial : i. Quelle est la formule brute de cet hydrocarbure ? ii. A quel type d'hydrocarbure appartient cette molécule ?

A quelle famille, dans ce type d'hydrocarbure, appartient cette molécule ?

iii. Représenter sa formule semi développée et donner son nom systématique.

iv. Cette molécule présente-t-elle une stéréo-isomérie, laquelle ? Préciser sur quel(s) atome(s) de carbone (en gardant la même numérotation que celle qui a permis de nommer cette molécule).

v. Représenter les deux stéréo-isomères correspondant et donner leur nom systématique. b) On représente une molécule d'hydrocarbure à l'aide d'un

modèle spatial : i. Quelle est la formule brute de cet hydrocarbure ? ii. A quel type d'hydrocarbure appartient cette molécule ?

A quelle famille dans ce type d'hydrocarbure appartient cette molécule ?

iii. Représenter sa formule semi développée et donner son nom systématique.

iv. Cette molécule présente-t-elle une stéréo-isomérie, laquelle ? Préciser sur quel(s) atome(s) de carbone (en gardant la même numérotation que celle qui a permis de nommer cette molécule).

v. Représenter les deux stéréo-isomères correspondant et donner leur nom systématique.

Documents

Chimie - 7 ème année - Ecole Européenne - esffm.org · nombre d'atomes de carbone. Le nom des quatre premiers est consacré par l'usage. c) Nomenclature : La chaîne carbonée