Chimie organique Chapitre 1 : Stéréochimie · Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 2 Extrait du programme de BCPST 1 Notions Capacités exigibles Représentation

Document de cours Lycée Hoche – BCPST1A – A. Guillerand – 2020-2021

Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 1

Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie

I. Introduction

1. Principales représentations planes des structures tridimensionnelles : projection de Cram et de Newman

2. Notion de stéréochimie : de configuration et de conformation

II. Analyse conformationnelle d’alcanes linéaires

1. Étude de la molécule d’éthane

2. Étude de la molécule de butane

III. Analyse configurationnelle

1. Chiralité, énantiomérie et atome de carbone asymétrique

2. Descripteurs stéréochimiques de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S et règle CIP

3. Diastéréoisomérie : cas des molécules possédant deux (ou plus) atomes de carbone asymétriques

4. Diastéréoisomérie : cas de la double liaison C = C – Stéréodescripteurs et

IV. Cas particulier des acides -aminés et des sucres linéaires : descripteurs D et L

1. Représentation en projection de Fischer

2. Descripteurs stéréochimiques D et L

V. Cas particulier du cyclohexane et de ses dérivés

1. Importance des cycles à six dans la nature

2. Analyse conformationnelle : le cyclohexane en conformation chaise

3. Analyse conformationnelle : les autres conformations (hors programme)

4. Les cyclohexanes monosubstitués

5. Les cyclohexanes polysubstitués : analyse configurationnelle et conformationnelle

VI. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères

1. Analyse documentaire

2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères

3. Activité optique des molécules chirales

VII. Rôle de la diastéréoisomérie lors de synthèses énantiosélectives et de séparations d’énantiomères

Extrait du programme TS

Notions Capacités exigibles

Représentation de Cram.

Conformation : rotation autour d’une liaison

simple ; conformation la plus stable.

Chiralité : définition, approche historique.

Carbone asymétrique.

Chiralité des acides -aminés.

Énantiomérie, mélange racémique,

diastéréoisomérie ( , deux atomes de

carbone asymétriques).

Utiliser la représentation de Cram.

Visualiser, à partir d’un modèle moléculaire ou d’un logiciel de

simulation, les différentes conformations d’une molécule.

Reconnaître des espèces chirales à partir de leur représentation.

Identifier les atomes de carbone asymétrique d’une molécule donnée.

A partir d’un modèle moléculaire ou d’une représentation reconnaître

si des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères.

Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence des

propriétés différentes de diastéréoisomères.



Extrait du programme de BCPST 1

Notions Capacités exigibles

Représentation spatiale des molécules :

Cram, Newman, perspective.

Conformations des alcanes linéaires et du

cyclohexane.

Carbone asymétrique, chiralité,

énantiomérie, diastéréoisomérie.

Descripteurs stéréochimiques Z/E, R/S,

D/L.

Activité optique, pouvoir rotatoire, loi de

Biot.

Mélange racémique.

Glucopyranoses, anomérie, existence de la

mutarotation du glucose.

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.

Déterminer si une molécule est chirale.

Identifier les relations de stéréoisomérie entre deux composés.

Comparer les propriétés de deux stéréoisomères de configuration, en

milieu chiral et non chiral.

Déterminer les descripteurs stéréochimiques dans les cas simples.

Utiliser la loi de Biot pour discuter de la pureté énantiomérique d’un

mélange.

Illustrer l’importance de la structure spatiale par des exemples tirés du

monde du vivant. Approche documentaire : illustrer et analyser le rôle de

la diastéréoisomérie lors de synthèses énantiosélectives, de séparations

d’énantiomères et dans le monde du vivant.

Ce qu’il faut retenir de ce chapitre

Savoirs Savoir-faire

Les conventions de la projection de Cram et de

Newman.

Vocabulaire : stéréochimie, configuration,

conformation, stéréoisomérie de conformation et de

configuration, conformère, état de transition barrière

de rotation, conformation décalée et éclipsée.

Représenter une molécule dans les deux types de représentation

(Cram et Newman) et passer d’une représentation à une autre.

Discuter de la stabilité relative de plusieurs conformations d’un

alcane en justifiant et tracer une courbe d’énergie potentielle en

fonction d’un paramètre bien choisi.

Définitions : configuration, chiralité, énantiomérie,

énantiomère, carbone asymétrique,

diastéréoisomérie, diastéréoisomère.

Descripteurs stéréochimiques et , règles de CIP.

Diastéréoisomérie de la double liaison :

stéréodescripteurs et

Repérer les atomes de carbone asymétriques.

Reconnaître une molécule chirale avec ou sans carbone

asymétrique et dessiner son énantiomère.

Savoir repérer les molécules achirales à l’aide d’un plan de

symétrie ou d’un centre de symétrie.

Savoir combien de stéréoisomères possède une molécule.

Déterminer le stéréodescripteur d’un carbone asymétrique ( ).

Savoir dessiner la projection de Cram d’une molécule

connaissant ses stéréodescripteurs.

Identifier les relations de stéréoisomérie.

Représenter tous les stéréoisomères d’une molécule.

Reconnaître un composé méso.

Nommer les diastéréoisomères .

Les conventions de la projection de Fischer. Déterminer le stéréodescripteur d’un carbone asymétrique D/L.



Conformation chaise du cyclohexane : projection

plane et de Newman.

Position équatoriale, position axiale.

Inversion de la chaise.

Préférence équatoriale : interaction butane gauche et

1,3-diaxiale.

Diastéréoisomérie cis-trans dans le cas des

molécules cycliques.

Dessiner un cyclohexane en conformation chaise à l’aide de la

projection plane et de Newman.

Reconnaître les positions axiales et équatoriales, et savoir

repérer celles qui sont au dessus ou en dessous du plan.

Représenter une conformation chaise d’un cyclohexane

substitué (mono ou poly) à partir de la projection de Cram

Dessiner l’inversion de la conformation chaise d’un

cyclohexane.

Représenter le conformère le plus stable d’un cyclohexane

monosubstitué et polysubstitué en justifiant.

Différences de propriétés physicochimiques des

énantiomères et des diastéréoisomères.

Activité optique, loi de Biot, pouvoir rotatoire

spécifique, mélange racémique.

Glucopyranoses, anomérie, mutarotation du glucose.

Utiliser la loi de Biot pour retrouver des concentrations

d’espèces connaissant le pouvoir rotatoire d’une solution.

Ordres de grandeur

Ordre de grandeur des barrières de rotation autour des liaisons simple des molécules usuelles :

Ordre de grandeur des barrières de rotation autour des liaisons double des molécules usuelles :

À comparer à l’ordre de grandeur de la valeur énergétique d’un gramme de sucre :

Extraits du rapport de jury du concours AGRO-VETO

- La représentation de Cram est mal maîtrisée par de nombreux candidats. Un minimum de perspective doit être

respecté.

- Les représentations de Newman sont, le plus souvent, erronées.

- Tous les candidats n’ont pas la même faculté à appréhender les structures spatiales et tous ne choisissent pas non

plus la meilleure façon de représenter une molécule pour déterminer ou illustrer sa stéréochimie. Ce choix peut

s’avérer déterminant et mérite qu’on y consacre un instant avant de se lancer, bille en tête, dans l’application des

règles de Robert CAHN, Christopher INGOLD et Vladimir PRELOG. Bien souvent, il s’agit d’utiliser la

représentation de Donald CRAM en formule topologique, en plaçant la plus longue chaîne contenant les

stéréocentres dans le plan du tableau.

- La plupart des candidats connaissent les règles de détermination de la configuration des stéréocentres. En

revanche, les représentations des molécules dans l’espace laissent encore à désirer.

- Notons que les sujets, de plus en plus fréquemment inspirés par des synthèses publiées au XXIème siècle, font

souvent état de la configuration des réactifs et des produits, quand bien même elle n’est pas impliquée ni touchée

par les réactions envisagées. Il faut donc s’entraîner à écrire les molécules en écriture topologique avec

représentation de Donald CRAM.

- Les ordres de priorité CIP son exigés pour justifier la configuration absolue de chaque carbone asymétrique.

- La quasi-totalité des candidats oublie de vérifier que les molécules proposées ne possèdent aucun élément de

symétrie et affirme à tort qu’une molécule qui comporte deux carbones asymétriques possède forcément 4

stéréoisomères de configuration.

- Les représentations des molécules dans l’espace ont été souvent approximatives. Il a toujours été très difficile de

dessiner une conformation chaise avec quelques groupements en position équatoriale ou axiale.

- De nombreux candidats ont fait preuve de beaucoup d’imagination et ont souvent utilisé un vocabulaire

complètement hors-sujet dans leur tentative d’expliquer le signe du pouvoir rotatoire de la molécule, ce qui

montre que cette notion est manifestement mal comprise par une majorité de candidats. Le jury rappelle en

particulier que ni la lumière, ni la molécule, ni même le polarimètre ne tournent : c’est le plan de polarisation

d’une lumière polarisée rectilignement qui tourne.

Nota bene : stéréocentre = atome de carbone asymétrique ou double liaison, configuration absolue = stéréodescripteur



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

QCM de vérification de connaissance :

Parties I et II :

Partie V :

Partie III (vidéo) :

Parties III, IV, V, VI :

http://www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/

https://www.youtube.com/watch?v=kx3AbAnKs6c

https://www.youtube.com/watch?v=BMS9TwV5u90

https://www.youtube.com/watch?v=xXci5VGousQ

https://www.youtube.com/watch?v=bPLREpfZ63I

https://www.youtube.com/watch?v=p8NjErCg9bk

https://goo.gl/forms/xECvXG0bgjQR0UzA2

https://goo.gl/forms/n9RtvftzsHfFzwBc2

https://goo.gl/forms/rpyYQYRsyJCKuCXj2

https://goo.gl/forms/YlqXHAD50yt4NA8J2



I. Introduction

1. Principales représentations planes des 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.

a. 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.

Liaison entre un atome situé dans le plan de la figure (pointe du triangle)

et un atome situé en arrière 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.

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.

b. 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 imagine 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



2. Notions de 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.

a. 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

Figure 7 : Stéréoisomères de configuration du butan-2-ol

Exercice

d’application 2

b. Stéréoisomérie de conformation

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



II. Analyse conformationnelle d’alcanes linéaires

Nous nous intéresserons, dans cette partie à la stéréochimie de conformation. Effectuer une analyse conformationnelle

c’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 (sans ramification dans le

cours, avec ramification en exercice). Les conformations des molécules cycliques seront étudiées plus loin dans ce

chapitre.

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.

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.

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



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.

d. Définitions

Conformère :

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.




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.

Figure 10 : Définition

de l’angle de torsion

b. Conformations particulières

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 .

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. 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.



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).

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 .




III. Analyse configurationnelle

Les origines de la stéréochimie de configuration remontent à la découverte par le physicien français Malus de la lumière

polarisée plane en 1809. Biot en 1812, suivant une observation antérieure d'Arago en 1811, découvre qu’une lame de

quartz, taillée perpendiculairement à l’axe de son cristal, fait tourner le plan de la lumière polarisée, mettant pour la

première fois en évidence la notion de pouvoir rotatoire.

C’est toutefois au génie de Pasteur que l’on doit l’extension de cette

découverte des cristaux aux molécules elles-mêmes, par l’analyse en 1848

des solutions du tartrate double de sodium et d’ammonium (figure 12)

issus de tonneaux de vins. En 1860, réalisant l’analogie entre cristaux et

molécules, Pasteur associe la propriété physique de faire tourner le plan de

polarisation de la lumière à la structure moléculaire : la possibilité de faire

tourner le plan de polarisation de la lumière est associée à une dissymétrie,

c’est-à-dire à une non identité du cristal ou d’une molécule avec son image

dans un miroir.

Connaître la configuration d’une molécule est capital pour comprendre ses propriétés physiques, chimiques et

biologiques. Voici quelques exemples de relation entre l’activité biologique de molécule et leur configuration.

Figure 13 : exemples de différences de propriétés biologiques liés à la différence de configuration

Figure 12 : Une des configurations du

tartrate double de sodium et d’ammonium



1. Chiralité, énantiomérie et atome de carbone asymétrique

a. Chiralité

Chiral vient du grec

« cheir » la main.La

propriété d’un objet de ne

pas être superposable à son

image spéculaire existe à

l’échelle macroscopique

(une main droite, une

chaussure gauche, etc. sont

des objets chiraux), mais

aussi à l’échelle

moléculaire.

Définition :

Un objet non superposable à son image dans un miroir plan (appelée aussi image spéculaire)

est dit chiral.

b. Énantiomérie

Un objet et son image dans un miroir forment un couple, pour des molécules on parle

d’énantiomères.

Définitions :

On appelle énantiomère une des espèces moléculaire d’une paire qui sont images l’une de

l’autre dans un miroir et qui ne sont pas superposables.

Les deux espèces énantiomères d’un couple sont liées par une relation d’isomérie appelée

énantiomérie.

Des stéréoisomères de

configuration non image

l’un de l’autre dans un

miroir plan sont des

diastéréoisomères.

Ce théorème n’est pas

valable pour les axes de

symétrie. Une molécule

peut posséder un axe de

symétrie et être chirale.

Théorème très important :

c. Atome de carbone asymétrique

En 1874, Van’t Hoff identifie qu’un atome de carbone dont la géométrie s’inscrit dans un

tétraèdre, liés à quatre atomes ou groupes différents d’atomes n’est pas superposable à son

image dans un miroir.

Définition :

On appelle atome de carbone asymétrique un atome de carbone tétraédrique lié à 4 atomes

ou groupes différents d’atomes. Il est noté .

Exercice d’application 5,

6, 7

Théorème :

Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique est chirale. Elle est un des

deux énantiomères d’un couple.

Figure 14 : Représentation de Cram d’un bromochlorofluorométhane

et d’un butan-2-ol ainsi que leur image dans un miroir

Pour ceux qui auraient

besoin de plus de rappels

concernant la chiralité et

les atomes de carbone

asymétrique, voici une

vidéo d’un enseignant de

TS :

- Une molécule possédant plusieurs atomes de carbone asymétrique peut être achirale (si

elle présente un plan ou un centre de symétrie), cf.III.3.

- Des molécules ne possédant pas d’atomes asymétriques sont chirales, cf. ex. ci-après.

https://www.youtube.com/watch?v=kT4CtB9pLWM



Le biphényle synthétisé pour la

première fois en 1922 par Christie et

Kenner. L’origine de la chiralité est

l’absence de libre rotation de la liaison

entre les deux cycles aromatiques en

raison de l’encombrement stérique des

groupes substituant les cycles.

L’hexahélicène a été synthétisé en

1056 par Newman et Lednicer. Ici,

l’origine de la chiralité est le sens de

rotation de la forme hélice de la

molécule.

En 1981, les cylclotrivératrylènes ont permis à A. Collet au collège

de France de synthétiser pour la première fois les cryptophanes,

molécules cages. Une représentation dans l’espace d’un

cylclotrivératrylène, le cyclotriguaiacylène A est proposé figure

suivante.

En raison de sa rigidité relative, le « chapeau » que constitue la

molécule ne peut pas s’inverser et par conséquent, l’image dans le

miroir de est non superposable.

Figure 17 : Les deux énantiomères du cyclotriguaiacylène

Cette molécule est donc chirale bien qu’elle possède un axe de symétrie de rotation d’ordre 3 : cela signifie que la

molécule est invariante par une rotation de autour de cet axe. Attention la non chiralité est imposée lors de la

présence d’un plan ou d’un centre de symétrie, un axe de symétrie n’impose pas de non chiralité.

Lors d’un léger chauffage, l’inversion du « chapeau » devient possible (on fournit suffisamment d’énergie pour franchir la

barrière de rotation). Le composé obtenu est alors superposable à l’énantiomère de . Par conséquent, en attendant

suffisamment longtemps, on observe une racémisation du milieu, jusqu’à disparition totale de l’activité optique de la

solution.

Figure 18 : Inversion conformationnelle du cyclotriguaiacylène

Figure 15 : Les deux énantiomères du biphényle et de l’ hexahélicène

Figure 16 : Structure du cyclotriguaiacylène



2. Descripteurs stéréochimiques de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) : R et S et règle CIP

a. Base de la méthode

Voici la méthode pour différencier les deux configurations possibles d’un atome de carbone

asymétrique.

1 : les 4 substituants du carbone asymétrique sont classés par ordre décroissant de priorité

selon les règles CIP

Règle CIP 1: La priorité d’un atome augmente avec la valeur de son numéro atomique .

2 : on observe la molécule selon l’axe : substituant le moins prioritaire

3 :

- Si le sens de rotation 1-2-3 est celui des aiguilles d’une montre : stéréodescripteur

(rectus)

- Si le sens de rotation 1-2-3 est inverse de celui des aiguilles d’une montre :

stéréodescripteur (sinister)

4 : on place devant le nom de la molécule ( ) ou ( ) avec le numéro du carbone asymétrique si

nécessaire

b. Cas de deux (ou plusieurs) atomes identiques de même rang

On appelle rang (ou ordre) d’un atome par rapport à un centre asymétrique le nombre de

liaisons (simples ou multiples) qui les sépare.

Règle CIP 2 : Lorsque deux atomes directement liés au carbone asymétrique ont même

priorité, on classe, selon la règle précédente, les atomes qui leur sont liés (atomes dits de

second rang), on les compare deux à deux et ainsi de suite jusqu’à ce qu’on atteigne une

différence.

Sur l’exemple ci-contre, deux atomes attachés directement au carbone

asymétrique sont identiques, pourtant le carbone est bien

asymétrique. Il faut donc classer les atomes du rang supérieur et

comparer deux à deux les substituants.

Figure 19 : Un

stéréoisomère du

butanol

Exercices d’application

8, 9



c. Cas de liaisons multiples

Les règles de Cahn, Ingold et Prelog ne s’adressent qu’à des atomes liés à quatre autres atomes (comparaison de triplet

d’atomes). Afin de toujours pouvoir comparer des triplets d’atomes, il est nécessaire d’utiliser d’autres conventions.

Règle CIP 3 : Les liaisons multiples sont comptées comme autant de liaisons simples, et

chaque atome engagé dans une liaison multiple est répété en tant qu’atome « fictif »,

entre parenthèses.

Nommer la molécule suivante en tenant compte de sa stéréochimie :

Exercice d’application

10



3. Diastéréoisomérie : cas des molécules possédant deux (ou plus) atomes de carbone asymétriques

Définitions : diastéréoisomères et diastéréoisomérie

On appelle diastéréoisomères deux stéréoisomères de configuration qui ne sont pas image l’un de

l’autre dans un miroir. Ils sont liés par une relation de diastéréoisomérie.

Deux

stéréoisomères

de configuration

sont soit des

énantiomères

soit des diasté-

réoisomères.

a. Molécules possédant deux carbones asymétriques

Les molécules possédant deux atomes de carbone asymétriques constituent une première grande classe

de composés pour lesquels il existe des couples de diastéréoisomères. Dans le cas général, chaque

atome de carbone asymétrique peut présenter deux configurations, donc il existe au maximum

stéréoisomères de configuration.

Les règles de nomenclature des carbones asymétriques de ces molécules sont identiques à celles

étudiées précédemment.

Exemple d’application : Représenter l’ensemble des stéréoisomères de configuration du 2-bromo-3-chlorobutane.

Donner la relation de stéréochimie qui lie ses stéréoisomères. Préciser le stéréodescripteur de chacun des atomes de

carbone asymétrique.

b. Cas particulier : composé méso

Exemple d’application : Représenter l’ensemble des stéréoisomères de configuration de l’acide 2,3-

dihydroxybutanedioïque. Donner la relation de stéréochimie qui lie ses stéréoisomères. Préciser le stéréodescripteur de

chacun des atomes de carbone asymétrique.

Définition : composé méso

Propriété :

Dans , le composé méso est le composé de stéréodescripteurs ( ) et les composés de descripteurs ( )

et ( ) sont énantiomères l’un de l’autre.



c. Cas de atomes de carbones asymétriques

Règle :

Pour une formule développée donnée avec atomes de carbone asymétriques, il y a au plus :

À titre indicatif une

molécule telle que

l’hémoglobine contient

atomes de carbone

asymétriques. Elle

possède donc

–

stéréoisomères de

configuration. Ce

nombre peut être

comparé par exemple

au nombre d’atomes de

la Voie Lactée, qui est

d’environ ...

Propriétés :



4. Diastéréoisomérie cis-trans de la double liaison C = C –

Stéréodescripteurs et

La barrière de rotation autour de la liaison de la molécule de but-2-ène

vaut , ceci est bien supérieur aux quelques

kilojoules par mole nécessaires à la rotation autour d’une liaison simple.

Figure 20 : Les deux

diastéréoisomères du but-2-ène

Propriété :

Il n’existe pas de libre rotation autour d’une liaison double. La rotation autour d’une liaison double entraine sa rupture.

Pour une molécule de type pour laquelle et , inverser la position des substituants d’un carbone de la double liaison revient à représenter un stéréoisomère de la molécule, plus particulièrement un

diastéréoisomère (puisque les deux stéréoisomères ne sont pas image d’un de l’autre dans un miroir).

Ces molécules existant sous deux formes, il faut pouvoir les nommer différemment, ce qui nécessite à nouveau de

donner un descripteur stéréochimique à l’élément stéréogénique, ici la double liaison.

Il faut d’abord classer les groupes portés par chaque atome de carbone de la double liaison à

l’aide de la règle CIP.

- si les groupes prioritaires sont du même côté de la double liaison (position cis), la double

liaison est de descripteur stéréochimique ( ).

- si les groupes prioritaires sont de part et d’autre de la double liaison (position trans), la

double liaison est de descripteur stéréochimique ( ).

Exercice

d’application 11

Rôle de la diastéréoisomérie dans le

mécanisme de la vision :

Le passage d’un diastéréoisomère à l’autre ne

peut se faire que par rupture de la double

liaison et passage par simple liaison autour de

laquelle la rotation est possible. Un apport

d’énergie est nécessaire. En particulier cet

apport peut être fournit par la lumière : on

parle d’isomérisation photochimique. C’est

l’isomérisation du rétinal qui est à

l’origine du mécanisme de la vision :

Figure 21 : isomérisation du rétinal

Le rétinal qui possède une stéréochimie E, peut être isomérisé en néorétinal de stéréochimie Z, sous l'action d'une enzyme de la

famille des isomérases.

Extension de la règle des stéréoisomères



IV. Cas particulier des acides -aminés et des sucres linéaires : descripteurs D et L

1. Représentation en projection de Fischer

Les biologistes utilisent une projection spécifique pour représenter les acides -

aminés et les sucres linéaires (les oses) : la projection de Fischer.

La projection de Fischer est une projection cylindrique de la molécule. La figure 22

représente la projection de Fischer des acides α-aminés.

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 22 : 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 23)

- La chaîne carbonée la plus longue se place en position verticale.

- Le carbone le plus oxydé est placé en haut.


Figure 23 : 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 24.

Figure 24 : Projection de Fischer du D-glucose (projection cylindrique à gauche, de

Fischer à droite, et équivalence de Cram au milieu)



2. Descripteurs stéréochimiques D et L

a. Cas des acides -aminés

Tous les acides -aminés, sauf la glycine, présente un atome de carbone asymétrique : le

carbone . Il existe donc deux énantiomères de stéréodescripteurs et . Cependant les

biologistes utilisent une autre nomenclature, basée sur la projection de Fischer.

Conventions :

Par convention, dans la représentation de Fischer,

le carbone asymétrique est dit de configuration

L (du latin laevus) si le groupe – est à

gauche. Sinon il est de configuration D (du latin

dexter).

A retenir :

Retenez bien qu’il n’y a aucune relation entre la nomenclature L/D et S/R, tout dépend de la

chaîne latérale .

Tous les acides -aminés naturels sont L.


13

b. Cas des oses

Dans le cas des oses, le nom donné au sucre

considéré dépend de la position relative des

groupements dans la représentation de

Fischer. Par exemple le glucose correspond à

une alternance, en partant du haut (cf.

fig.25) :

Droite – gauche – droite – droite

ou

Gauche – droite – gauche - gauche

Les deux glucoses ainsi proposés sont image l’un de l’autre dans un miroir, ils sont donc

énantiomères. Pour les différenciés il suffit de donner le stéréodescripteur d’un atome de

carbone asymétrique porteur d’un groupe . Les biologistes ont choisi d’analyser la

configuration de l’atome de carbone asymétrique le plus bas de la chaîne carbonée. Si le

groupe hydroxyle – de cet atome de carbone est à gauche, l’ose est dit L, s’il est à droite, il

est dit D.

Figure 25 : Les deux configurations du

glucose


14



V. Cas particulier 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. Analyse conformationnelle : 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

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 physico-

chimiques 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 .

La conformation la plus stable du cyclohexane, permettant de respecter la géométrie

tétraédrique des atomes de carbone est la conformation chaise dont voici diverses

représentations par modélisation informatique.

Figure 14 : Représentations du cyclohexane par différentes modélisation

informatique (compacte, éclatée, bâtons)

a. Utilisation des modèles moléculaires :

Construire la molécule de cyclohexane dans la conformation chaise à l’aide des modèles moléculaire à votre disposition.

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 !).

Manipuler le modèle afin de repérer le parallélisme de nombreuses liaisons.



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 essayez 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 atomes d’hydrogène

verticaux (notés ) : alternativement vers le haut puis vers le bas, tout en

respectant le caractère tétraédrique de l’atome de carbone.

- Pour les autres atomes d’hydrogène (notés ), 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.



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.

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 (un même atome

d’hydrogène doit garder la même couleur d’une chaise à l’autre).

Coups de pouce :

- dessiner le squelette

carboné en traçant

l’image dans un miroir

de la 1ère

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.

Propriété :

Lors de l’inversion de la chaise tous les atomes en position axiale basculent en position

équatoriale et inversement.



3. Analyse conformationnelle : 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

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".

Conformation bateau

Commencez une inversion de la chaise en montant l’atome de carbone du bas mais ne descendez pas le haut de la

chaise : vous obtenez la conformation bateau. 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.

Figure 16 : Projection plane et de Newman de la conformation bateau du cyclohexane

Pourquoi cette conformation est-elle particulièrement instable ?

Conformation croisée ou twist

Les conformations enveloppe et croisée sont difficiles à représenter et à obtenir avec les

modèles moléculaires. La molécule, plus complexe, de twistane (figure 17) bloque le

cycle en conformation croisée.

Figure 17 : Formule

topologique en projection

de Cram du twistane

Cette conformation croisée est plus stable que la conformation bateau mais moins stable

que la conformation chaise car les liaisons ne sont ni en conformation décalée, ni en

conformation éclipsée non plus. L’énergie potentielle de cette conformation se situe entre

celle des deux précédentes.



4. Les cyclohexanes monosubstitués : analyse conformationnelle

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



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 la chaîne carbone d’une molécule de butane et superposez la au méthylcyclohexane axial et équatorial (la

superposition doit inclure le groupe méthyle du cycle). 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.



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 : 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.



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 d’autres cyclohexanes monosubstitués

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

Figure 19 : différence d’énergie potentielle molaire entre les deux

conformations chaises des cyclohexanes monosubstitués

L’interaction décalée gauche précédente

ne peut plus suffire à expliquer les valeurs

plus importantes de la préférence

équatoriale.

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.



5. Les cyclohexanes polysubstitués : analyse configurationnelle et conformationnelle

a. Analyse configurationnelle : positions relatives cis et trans

Les cyclohexanes polysubstitués peuvent présenter plusieurs configurations. Voici un exemple de cyclohexane

disubstitué :

Exemple : Représenter l’ensemble des stéréoisomères de configuration du 2-

méthylcyclohexanol en projection de Cram (on ne cherche pas à représenter les molécules

dans leur conformation chaise, mais plutôt à l’aide d’une vue du dessus de cette

conformation chaise en écrasant la chaise dans un plan moyen, le plan de la feuille).

Mais attention, deux atomes

de carbone asymétrique

n’entraîne pas toujours la

présence d’énantiomères. Un

élément de symétrie

particulier peut rendre la

molécule achirale (cf. exercice

d’entrainement 29).

Pour les différencier on peut attribuer à chaque atome de carbone asymétrique porteur d’un substituant un

stéréodescripteurs ou , mais il existe aussi une autre dénomination qui est basée sur la position relative des

groupements portés par le cycle.

Définitions :

Par définition, on dit que deux substituants sont en position relative :

Propriété :

b. Analyse conformationnelle

Une question se pose alors : est-ce que les positions relatives cis et trans sont conservées lorsque l’on passe d’une

conformation chaise à une autre ? Étant donné que la dénomination cis et trans a été introduite pour distinguer deux

stéréoisomères de configuration, il ne faudrait pas qu’en changeant la conformation d’une même configuration cette

dénomination change.

Représenter les deux conformations chaises de ce stéréoisomère de configuration trans :



Propriétés :

L’équilibre conformationnel entre les deux formes chaises ne modifie pas la nature cis-trans de la position relative des

substituants : si deux substituants sont en position trans, ils le sont dans toutes les conformations chaises en équilibre

(idem pour la position cis).

Modifier la position relative de deux substituants revient à changer de configuration et non de conformation : il faut

casser des liaisons.

Le caractère cis ou trans de la position relative entre deux substituants est sans rapport avec le caractère

axial ou équatorial des substituants. Tout dépend où ces substituants sont placés sur le cycle carboné.

Exercice d’application 15, 16, 18

c. Comment déterminer le conformère le plus stable

Les deux conformations chaise d’un cyclohexane polysubstitué ne sont pas forcément

équivalentes en terme énergétique. 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 :

- 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 17

6. Cas particulier des oses cycliques : représentation de Haworth (hors programme)

Il existe une dernière représentation spécifique, utilisée par les biologistes, 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, mais on continue de représenté une vue de profil et non de

dessus comme en projection de Cram. Ainsi, 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 20 : Représentation de Haworth de l’α-

D-glucopyranose



VI. Propriétés physiques et chimiques des énantiomères et des diastéréoisomères

1. Analyse documentaire

Document 1 : Quelques propriétés des stéréoisomères de

l’acide aspartique

Nom Acide (L)-(+)-

aspartique

Acide (D)-(–)-

aspartique

Structure

Température

de fusion

(°C)

Pouvoir

rotatoire

Document 2 : Quelques propriétés de l’acide fumarique

et de l’acide maléïque

Nom Acide ( )-but-2-

ène-1,4-dioïque

Acide (Z)-but-2-

ène-1,4-dioïque

Structure

Nom

courant Acide fumarique Acide maléique

Solubilité

dans l’eau à

)

Pouvoir

rotatoire

Document 3 : Différence de réactivité des deux diastéréoisomères acide maléique et acide fumarique

Document 4 : Quelques propriétés des stéréoisomères de l’éphédrine

Nom (1S,2R)-éphédrine (1R,2S)-éphédrine

Structure

Température de fusion (°C)

Pouvoir rotatoire

Nom (1R,2R)-pseudoéphédrine (1S,2S)-pseudoéphédrine

Structure

Température de fusion (°C)

Pouvoir rotatoire



Propriétés :

2. Retour sur les propriétés chimiques et biologiques de deux énantiomères

L’analyse des réactions chimiques de deux molécules énantiomères dépend de la nature du réactif qui interagit avec elles.

Pour illustrer ce propos, considérons un couple d’énantiomères M et M*, de formule plane Cabde, réagissant avec une

molécule P achirale, de type CBDDE. Imaginons que la réaction ne peut avoir lieu que si on place en vis-à-vis des

groupes analogues (ici b avec B, d avec D et e avec E). On constate que la molécule P peut prendre deux positions

possibles respectant l’interaction favorable (figure 21). Par conséquent, les molécules M et M* réagissent en tout point de

manière identique avec P.

Figure 21 : Interactions identiques des deux énantiomères M et M* chiraux avec une

molécule P achirale

Par contre, les interactions des deux énantiomères M et M* avec une molécule

chirale N de type CABDE sont différentes : si la molécule N interagit avec M (les

groupes étant en vis-à-vis) cette situation n’est pas possible pour M* (figure 22).

I. Figure 22 : Interactions différentes des deux énantiomères M et M* chiraux avec une

molécule N chirale

Le raisonnement fait à l’échelle des

molécules est le même à l’échelle

macroscopique : un pied gauche (chiral)

entre dans n’importe quelle chaussette

(achirale) d’une paire.

Le raisonnement fait à l’échelle des

molécules est le même à l’échelle

macroscopique : un pied gauche (chiral)

entre dans une chaussure gauche

(chirale), mais pas dans une chaussure

droite. En revanche un pied gauche

comme un pied droit entre dans

n’importe quelle chaussette (achirale)

d’une paire.

Conclusion :

En l’absence de tout autre composé chiral dans le milieu, les deux énantiomères

d’une molécule chirale réagissent identiquement avec une molécule achirale.

Par contre, si l’on introduit une autre source de chiralité les deux énantiomères

d’une molécule chirale peuvent (ce n’est pas une obligation) réagir différemment.



En biochimie, de nombreuses transformations (intervenant dans la

perception des odeurs, l’action thérapeutique d’un principe actif

d’un médicament, etc.) font intervenir la fixation d’un substrat sur

un site actif spécifique d’une protéine. Les sites actifs spécifiques

ont une structure tridimensionnelle bien définie, car ils sont formés

par l’enchainement d’acides aminés naturels, chiraux pour la

plupart. L’étude de l’interaction substrat/site actif permet de

comprendre pourquoi deux stéréoisomères n’ont pas la même

activité biologique. Les énantiomères d’une molécule réagissent de

façon différente dans un environnement biologique dont la structure

est définie et induisent des réponses biologiques différentes. Ceci

permet d’expliquer les exemples de la figure 13 introduits partie III.

Figure 23 : Analogie clef-serrure : un seul des

deux énantiomères est reconnu par le site actif

d’une protéine

3. Activité optique des molécules chirales

a. Pouvoir rotatoire expérimental

Comme cela a été présenté au début de ce chapitre, Biot découvre en 1812 que des échantillons de matière pouvaient

dévier le plan de polarisation d’une lumière polarisée rectilignement. Ces échantillons sont qualifiés d’optiquement

actifs.

Une lumière polarisée rectilignement est telle que son vecteur champ électrique est de la forme :

et sont des constantes, est la direction de propagation de la lumière, et le plan est le plan de polarisation

de la lumière.

Lorsque cette onde lumineuse traverse un échantillon optiquement actif, le plan de polarisation subit une rotation d’un

angle autour du vecteur , appelé angle de déviation ou pouvoir rotatoire expérimental (figure 24).

Figure 24 : Schéma de principe de la mesure du pouvoir rotatoire d’un échantillon



b. Pouvoir rotatoire spécifique et loi de Biot

Biot a découvert que pour une solution contenant une seule espèce optiquement active (une seule espèce chirale), le

pouvoir rotatoire expérimental vérifie la loi suivante, appelée loi de Biot :

Solution contenant un seul composé chiral :

En l’absence d’interactions entre molécules, les pouvoirs rotatoires sont additifs : si la solution contient composés

ayant une activité optique, alors :

Solution contenant composés chiraux :

c. Propriétés du pouvoir rotatoire spécifique

Propriétés :

- Les pouvoirs rotatoires expérimental et spécifique sont des grandeurs algébriques :

> 0 (symbole (+)) plan de polarisation tourne dans le sens des aiguilles d’une montre (substance dextrogyre)

< 0 (symbole (-)) plan de polarisation tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (substance lévogyre)

- il n’y a aucun lien entre le signe de et les stéréodescripteurs R, S, D et L

- pour une molécule achirale :

les pouvoirs rotatoires spécifiques de deux énantiomères d’un couple sont opposés

Définition : mélange racémique



Structure

Nom (R)-(–)-carvone (S)-(+)-carvone

(°.mL.g

-1.dm

-1) – 61 + 61

Structure

Nom (R)-(–)-épiphédrine

(adrénaline) (S)-(+)-alanine

(°.mL.g

-1.dm

-1)

= – 51 + 14,5

Structure

Nom (R)-(+)-limonène (S)-(–)-limonène

(°.mL.g

-1.dm

-1) –

Figure 25 : Exemples de valeurs de pouvoirs rotatoires spécifiques



d. Application à la mutarotation du glucose

Le glucose est un sucre possédant une fonction aldéhyde, c’est un aldose. Il existe sous forme

linéaire, que l’on peut représenter à l’aide de la projection de Fischer.

Mais en solution la forme majoritaire n’est pas la forme linéaire : il se produit une cyclisation

grâce à la formation d’une fonction hémiacétal, permettant d’obtenir un forme appelé pyranose.

Cette réaction sera traitée lors du dernier chapitre de l’année.

Cette cyclisation s’effectue par la réaction entre le groupement carbonyle et le groupement

hydroxyle en position 5. Ce qui permet de créer un cycle à 6 atomes, qui adoptera donc une

conformation chaise.

Sur la figure 27 vous pouvez voir un schéma (qui n’est pas à retenir) résumant la transformation

de l’ose linéaire en pyranose. Les cycles formés sont représentés en projection de Haworth et

une des conformations chaise est proposée.

Figure 27 : Formation des deux D-glucopyranoses

Figure 26 :

Projection de

Fischer du D-glucose

Analyse stéréochimique de la réaction :

* *



Si on dissout une masse de cristaux d’ -D-glucopyrannose dans un litre d’eau et qu’on mesure

immédiatement le pouvoir rotatoire de la solution dans une cuve de de long, on relève un angle de rotation de

. Cependant, cette valeur évolue dans le temps et d’autant plus vite que la solution est additionnée d’un

acide ou d’une base. Elle tend vers la valeur de . Une analyse plus approfondie permet d’interpréter ce

résultat : en solution, il y a épimérisation de l’ -D-glucopyranose en -D-glucopyranose (figure 28).

Figure 28 : Équilibre de mutarotation

Le phénomène s’appelle mutarotation. On relève dans les tables de données les pouvoirs rotatoires spécifiques :

- pour l’ -D-glucopyranose :

- pour le -D-glucopyranose :

Expliquer l’évolution du pouvoir rotatoire expérimental et déduire de la valeur finale à l’équilibre les proportions de

stéréoisomères et .

Début de réaction :

En cours de réaction :

.

En fin de réaction :

Déterminons la proportion de chaque stéréoisomère : Notons :

la concentration initialement introduite en -D-glucopyrannose

la concentration finale en -D-glucopyrannose

la concentration finale en -D-glucopyrannose

À l’aide de la loi de Biot on peut déterminer la proportion de chaque stéréoisomère :

VII. Rôle de la diastéréoisomérie lors de synthèses énantiosélectives et de séparations d’énantiomères

cf. analyse de documents ultérieure.

Documents

Chimie organique Chapitre 1 : Stéréochimie · Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 2 Extrait du programme de BCPST 1 Notions Capacités exigibles Représentation