CHAP O-1 : Stéréochimie

I- Présentation des molécules

II- Modes de représentation spatiale des

molécules

III- Conformations : analyse conformationnelle

IV- Configurations

V- Isomérie optique : propriétés des isomères de

configuration

1

A- Introduction • Ecriture :

• Formule brute

• Formule développée

• Formule semi développée

• Forme topologique

• Nomenclature

• Nombre d’insaturations (liaisons π ou cycles) nI

pour un composé de formule brute CxHyOzNvXw le nombre

d’insaturations ou cycles vaut :

• Ex : C6H6 O ni=

2

22 wvyxni

I- Présentation des molécules

2

B- Isomérie

Définition : deux isomères sont deux corps différents de même formule brute. 1. l’isomérie de constitution ou plane :

formule brute identique, formule développée différente

Il y a plusieurs types d’isomères de constitution : de chaine, de position, de fonction.

2. la stéréoisomérie ou isomérie spatiale : Formule brute identique, formule développée identique

la différence provient uniquement de l’arrangement des atomes dans l’espace :

STEREOCHIMIE.

Rappel : il y a libre rotation autours d’une simple liaison

Pas de libre rotation autour d’une double liaison

a- stéréoisomères de conformation : conformères

isomères conformationnels : stéréoisomères obtenus par simple rotation autours de

liaisons simples

b- stéréoisomérie de configuration :

Isomères de configurations : ceux qui ne sont pas des conformères

Conséquence : pour passer d’une configuration à une autre il est nécessaire de

casser au moins deux liaisons. 3

C- Résumé

OUI

IMPOSSIBLE !!!

ISOMERES

Même formule brute CxHyOzNvXw

Nombre d’insaturations et de cycles

ISOMERES de CONSTITUTION STEREOISOMERES

Même formule Semi développée

NON OUI

Images l’un de l’autre dans un miroir

Même chaîne carbonée

NON OUI

ISOMERES de CHAINE Même position des fonctions

NON OUI

ISOMERES de POSITION Même fonctions

NON

ISOMERES de FONCTION

ENANTIOMERES DIASTEREOISOMERES

NON OUI

Superposables par rotation autour des liaisons simples

STEREOISOMERES de

CONFIGURATION

STEREOISOMERES de

CONFORMATION

NON OUI

4

H4

H5H6

H1

C1 C2

H4H3

H5H6

H2

H1

C1

H3

H2

H1

C1 C2

H4H3

H5H6

H2

H1

C1

H3

H2

A- Représentation de CRAM

C

HH

H

H

C C

H

H

H

HH

HDans

le plan

Vers l’avant

Vers

l’arrière

B- Projection de NEWMAN

H1

C1 C2

H4H3

H5H6

H2

On observe la molécule selon une liaison

(souvent C-C) choisie : on projette les

groupes substituants dans le plan

perpendiculaire à la liaison

H1

C1 C2

H4H3

H5H6

H2

H

H

H

H

H

H

C- Perspective Cavalière

Vers l’avant

Vers

l’arrière H1

C1 C2

H4H3

H5H6

H2C1

C2

H3H2

H1

H6 H5

H4

Vers l’avant

Vers

l’arrière

II- Modes de représentation spatiale des molécules

5

A- Description

Rappel: des isomères conformationnels sont des stéréoisomères obtenus par

simple rotation autours de liaisons simples.

On introduit alors l’angle dièdre j , angle entre 2 plans ou 4 atomes :

On va étudier l’énergie potentielle en fonction de j.

Le but : on recherche les formes les plus stables (minima d’énergie potentielle) :

les conformères, qui différent d’une conformation qui peut avoir n’importe

quelle énergie.

AC

C Bj

III- Conformations : analyse conformationnelle

6

H

H

HH

H

H

B- ETHANE

Epot

(kJ.mol-1)

CR=φ

0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°

H

H

H

H

H

H

Conformations

éclipsées

conformères

Décalé

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

H

HH

H

H

12.5

7

C- BUTANE

Epot

CR=φ

CH3

H

HH

CH3

H

0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°

CH3

H

H

H

CH3

H

H

CH3

HH

CH3

H

H

CH3

H

H

CH3

H

H

H3C

HH

CH3

H

H3C

H

H

H

CH3

H

Conformations

éclipsées

2 conformères

Décalés gauches

1 conformère

Décalé anti

8

III-D- CYCLOHEXANE

C1C6

C5

C4 C3

C2

HaHe

Ha

He

Ha

Ha

He

He

Ha

He

Ha

HeC1

C6C5

C4 C3

C2

POSITION AXIALE

POSITION EQUATORIALE

PLAN MOYEN DU CYCLE

C1C6

C5

C4 C3

C2

Représentation des

liaisons équatoriales

AIDEZ VOUS des CARREAUX

de votre FEUILLE

1- le cyclohexane

9

Conformation

Bateau

2 Conformères

Chaise

CR

Epot

I II

Projection de Newman

selon C2-C3 et C6-C5

C4

H H

C1

C3

C5

C2

C6

10

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5 6

L'équilibre d'interconversion des 2 chaises inverse les position des H.

Les axiaux deviennent équatoriaux et inversement.

Projection de Newman selon C2-C3 et C6-C5

11

2- le cyclohexane monosubstitué

Quel est le conformère le plus stable ?

C4

H

H

C6

H

C1Cl

H

H

C2

H

H C4

H

H

C6

Cl

C1H

H

H

C2

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Cl

H

H

H

H

H

H

H H

H

H

H

H

H

H

H

Cl

1

1 2 3

4

5 6

2 3

4 5

6

12

Substituant - Br - CH3 -tBu

ΔE=Eax-Eeq

(kJ.mol-1) 1.7 7.2 21

La chaise avec tBu est bloquée à 100% en équatoriale car tBu est très volumineux.

Br

Br

Substituants en position trans

Substituants en position cis

Cas polysubstitué : les effets sont additifs !!!

Def : substituants en position trans : de part et d’autre du plan moyen du cycle.

substituants en position cis : du même du plan moyen du cycle.

2- le cyclohexane disubstitué

13

1- carbone asymétrique A- Exemples

Def : un carbone est dit asymétrique si il porte 4 substituants différents, il est noté C*.

C*

C*

Image dans un miroir

C*

Def :

2 stéréoisomères de

configuration image

l’un de l’autre dans un

miroir forment un

couple d’énantiomères

C*

HO H

COOH

CH3

IV- Configurations

14

C C

Cl

H

Cl

H

C C

Cl

H

H

Cl

Def : 2 stéréoisomères de configuration NON image l’un de

l’autre dans un miroir forment un couple de

diastéréoisomères

Rmq: Il n’y a aucun C* puisque les C ne portent que 3

susbstituants !!!

Comment les différencier formellement ? Règles CIP !

2- les doubles liaisons

15

B- REGLES DE PRIORITÉ DE CAHN, INGOLD, PRELOG

DES SUBSTITUANTS : REGLES CIP

Objectif : déterminer l’ordre de priorité des 4 substituants attachés à un carbone asymétrique :

Dans cette section, a est prioritaire sur b qui l’est sur c qui l’est sur d : a > b > c > d

Les substituants directement liés à l‘atome qu’on considère sont dits substituants de rang 1.

Les atomes liés aux atomes de rang 1 sont dits de rang 2 et ainsi de suite.

1) La priorité des atomes va dans le sens décroissant de leur numéro atomique Z.

Ex :

rq: pour des atomes isotopes, la priorité est donnée

par le A le plus grand, ex D>H

C

H

ClH3C

OH

C

C

H

Cl

O

16

2) En cas d’égalité au rang 1, on compare les substituants de rang 2 des atomes de même priorité.

On classe les substituants de rang 2 par priorité décroissante. On compare dans l‘ordre décroissant les substituants de même priorité de chaque atome. Dès que l‘indétermination est levée, on arrête.

Si l’indétermination n’est pas levée au rang 2, on continue en allant au rang 3.

3) Une liaison multiple équivaut à plusieurs liaisons simples entre deux atomes.

Ainsi : équivaut à Les atomes (C) et (O) sont des

atomes répliques.

Précisément dans une liaison multiple entre deux atomes A et B, on rattache à chaque

atome A et B autant de répliques B ou A de l’autre atome qu’il y a de liaisons entre A

et B. Ces répliques portent des atomes fantômes.

H3C C1

CH3

CH3

C2

Cl

C3

H

Cl

H

H

Ex :

H3C

C

O

H

(O)

(C)

H3C

O

H

17

exemples :

• identifier tous les C* et classer leurs substituants selon les règles CIP.

– 1)

– 2)

– 3)

OH OCH3

CH3

18

• Composés à 1 C* : énantiomérie

On regarde la molécule dans l’axe C*-d

– Si pour aller de a, vers b puis vers C, on tourne dans le Sens des aiguilles d’une montre le C* est dit Rectus noté R, sinon Sinister : S.

– On dit alors que les molécules R et S sont un couple d’énantiomères.

– Elles sont image l’une de l’autre dans un miroir.

– trouver la configuration absolue du C* de l’ex 2 précédent.

– Astuce : si le groupement d n’est pas à l’arrière, casser VIRTUELLEMENT la liaison C-d et l’inverser avec celle qui est à l’arrière. Déterminer la configuration absolue du C* obtenu. La vraie configuration absolue est l’inverse.

En effet pour passer d’un C* R à un C* S, il faut casser 2 liaisons et les inverser.

C- Nomenclature : configuration absolue d’1 C*

C

a

b c

d

C

a

b c d

19

• Composés à plusieurs C* : diastéréoisomérie

– On fait le même travail pour chaque C*

C C

HO H

H3C COOHOHH

C CHO H

H OHCOOHH3C CC

OHH

CH3HOOCHO H

C CH3C H

HO COOHOHH

C CH3C H

H OHCOOHHO

CCCH3H

OHHOOCHO H

Relation d’énantiomérie

Relation de diastéréoisomérie C C

OH H

H3C COOH

OHH

20

• Cas particulier : molécule symétrique

C C

HO OH

HOOC COOHHH C C

HO OH

H HCOOHHOOC CC

OHHO

COOHHOOCH H

C CHOOC OH

HO COOHHH C C

HOOC OH

H HCOOHHO CC

COOHHO

OHHOOCH H

Relation d’énantiomérie

Relation de diastéréoisomérie

C C

OH H

HOOC COOH

OHH

S R

21

En réalité

Il n’y a que 3 stéréoisomères

de configuration.

C C

HO OH

HOOC COOHHH C C

HO OH

H HCOOHHOOC= = Le composé

méso

C C

HO OH

HOOC COOHHH

C CHOOC OH

HO COOHHH C C

HOOC OH

H HCOOHHO

Relation d’énantiomérie

Relation de diastéréoisomérie

22

D- Composés à double liaison C=C, avec substituants

différents

– Classer les 2 substituants des 2 C selon les règles CIP

– si les 2 groupements prioritaires sont du même coté de la

double liaison, elle est dite Z (zusamen), sinon elle est dite

E (entgegen).

– Autre nomenclature : par analogie avec cyclohexane

disubstitué, on dit aussi qu’une double liaison C=C Z est

Cis et que la E est trans.

C C

ClH3C

CH3H

C C

Cl

H3C CH3

H

23

E- Nombre de stéréoisomères de configuration :

– soit n le nombre de C* de la molécule

– soit p le nombre de C=C ayant une isomérie Z/E

• Le nombre maximal de stéréoisomère de

configuration est : 2n+p – ex : donner le nombre maximal de stéréoisomères et

les identifier :

OH OCH3

24

F- Applications :

• Donner les relations entre A et les autres molécules (énantiomères,

diastéréoisomères, identiques )

C CHO H

H OHClH3C

A

C CHO H

H ClOHH3C

B

C CHO

HH3C

OHCl

H

C

C CH3C

HH

OHCl

HO

D

C CHO H

H OHClH3C

E

C CHO H

H ClOHH3C

F

25

A-Expérience - Loi de BIOT

α

Lumière blanche

NON polarisée polariseur

analyseur

Lumière polarisée

II0cosα

la loi de BIOT : = []D20.l.c

-[]D20 pouvoir rotatoire spécifique de l’espèce étudiée.

(D : raie D du sodium ; 20 : à 20°C)

- c : concentration en l’espèce optiquement active. - l: longueur de la cuve (usuellement en dm, pour []D

20

en (°.dm-1.(g.mL-1)-1) et c en (g.mL-1))

l

Pour un observateur qui

reçoit la lumière : si le plan

est dévié :

-vers la droite la solution

est dextrogyre (d) ou (+)

- vers la gauche lévogyre

(l) ou (-).

V- Isomérie optique : propriétés des isomères de configuration

26

Cl Cl

OH

H

OH

H

• Toute molécule optiquement active est chirale. Un objet est dit chiral si il

est différent de son symétrique dans un miroir

• Identifier les objets chiraux :

B- Molécule optiquement active

Rmq: tout objet qui possède un plan ou un centre de symétrie est achiral (NON chiral)

car identique à son image dans un miroir 27

1- Enantiomérie • Couple d’énantiomère : 2 isomères de configuration image l’un de l’autre dans un miroir.

• Ex : (R)-butan-2-ol et (S)-butan-2-ol

• Propriétés physiques :

• NON SEPARABLES !!!

• Les énantiomères ont des pouvoirs rotatoires spécifiques opposés : si l’un est dextrogyre

l’autre est lévogyre.

• AUCUN LIEN ENTRE (R, S) et (+, -) :

Ex : (S) butan-2-ol est + cad dextrogyre

(S) glyceraldéhyde est – cad levogyre

C- Enantiomérie - diastéréoisomérie

Tfus (°C) Densité pKa [a]D

(°.dm-1.(g.mL-1)-1)

(R) Butan-2-ol -87 0.80 17 - 13.52

(S) Butan-2-ol - 87 0.80 17 + 13.52

On le précise dans le nom :

(S)-(-)-glyceraldéhyde 28

• Définition : un mélange équimolaire d’énantiomères s’appelle un mélange racémique

– Conséquence : racémique=

le mélange racémique est optiquement inactif

• rmq : si on trouve un pouvoir rotatoire nulle

– molécule optiquement inactive

– ou mélange racémique

• Excès énantiomérique :

– Pour un mélange des deux énantiomères en proportions quelconque, on

définit l’excès énantiomérique (noté e.e.) (en notant [R] et [S] les

concentrations des formes R et S dans la solution) par :

(on exprime souvent ce résultat en pourcentage)

– Valeur de e.e. : 0 ≤ e.e. ≤ 1

– e.e. = 1

– e.e. =0

][][

][][..

SR

SRee

29

Tfus (°C) 287 135 172 172 147

pKa 3.0 & 4.4 1.9 & 6.1 3.0 & 4.3 3.0 & 4.3 3.2 & 4.8

[a]D

(°.dm-1.(g.mL-1)-

1)

0 0 + 12.7 - 12.7 +17.8

HOOC COOHHOOC

COOH

• Diastéréoisomères = isomères de configuration, NON images dans un miroir.

• Ex : alcènes, molécules avec plusieurs C*

• Deux diastéréoisomères ont des propriétés physiques différentes :

températures de changement d’état différentes, densité différentes,

solubilités différentes dans différents solvants, … ils sont séparables

• Les valeurs absolues de leurs pouvoirs rotatoires spécifiques sont aussi

différentes.

• Rmq : le pouvoir rotatoire spécifique du composé méso est nul, car il est

achiral.

2- Diastéréoisomères

C CHOOC OH

HO COOHHH

R R

C CHOOC OH

H HCOOHHO

S S

C C

HO OH

HOOC COOHHH

S R

30

3- Séparation d’énantiomères

• Résolution d’un racémique : séparation des 2 énantiomères d’un mélange

racémique par l’obtention temporaire d’un mélange de diastéréoisomères,

donc séparables physiquement.

XR + XS

(mélange

racémique)

YS

(optiquement pur)

XRYS + XSYS

XRYS

XSYS

XR + YS

XS + YS

XR

XS

31

• (S) limonène : odeur de citron ≠ (R) limonène : odeur d’orange

• Thalidomide : (R) anti-nauséeux ≠ (S) tératogène

• ibuprofène : Seul l'énantiomère S possède une activité médicamenteuse

efficace (le R est trois fois moins puissant).

• vitamine C : seul le lévogyre a une efficacité

• acide α-aminé : quasi toujours S

D- chiralité et monde du vivant

CH

H2N COOH

R 32