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.
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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.
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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
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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 :
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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
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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
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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
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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.
Exercice d’application 3
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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.
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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
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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 .
Exercice d’application 4
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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
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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.
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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
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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
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 16
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
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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.
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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 :
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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
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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.
Exercice d’application 12
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)
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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.
Exercice d’application
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
Exercice d’application
14
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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.
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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.
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 24
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 :
Exercice d’application 5
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.
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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.
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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
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 27
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.
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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.
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 29
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.
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 30
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 :
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 31
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
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 32
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
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 33
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.
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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
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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
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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
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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 :
* *
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Chimie organique – Chapitre 1 : Stéréochimie Page 38
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.