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Chimie Chapitre 5 –Stéréochimie des molécules organiques Lefèvre 2014-‐2015 Lefèvre 2011-‐2012
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CHAPITRE 5 : STEREOCHIMIE DES MOLECULES ORGANIQUES PARTIE 1/3 – DESCRIPTEURS STEREOCHIMIQUES
Ce qu’il faut savoir : Notion de chiralité Stéréoisomérie de configuration : énantiomérie et diastéréoisomérie Ce qu’il faut savoir faire : Maitriser les différents modes de représentation des molécules organiques : topologique, Cram Représenter une molécule à partir de son nom, en tenant compte de la donnée d’informations stéréochimiques Reconnaître la relation d’isomérie qui lie deux isomères. Utiliser les règles de Cahn, Ingold et Prelog pour déterminer le descripteur stéréochimique (R, S, Z, E) d’un centre stéréogène. Trouver tous les stéréoisomères d’un composé simple (attention aux composés méso !)
TD CHAPITRE 5 : STEREOCHIMIE DES MOLECULES ORGANIQUES PARTIE 1/3 – DESCRIPTEURS STEREOCHIMIQUES
Erreurs à éviter et conseils
Comment…trouver le descripteur stéréochimique d’un C* ? a) Vérifier que le C choisi est bien asymétrique. b) Vérifier que la molécule est bien représentée en 3D ! c) Numéroter les atomes de C. d) Utiliser les règles de Cahn, Ingold et Prelog pour classer les substituants : (a), (b), (c), (d). e) Regarder dans l’axe C*-‐>(d). f) En fonction du sens de rotation (a)-‐>(b)-‐>(c), attribuer le descripteur stéréochimique R ou S.
Exemple :
a
b c
H
C *CH3Cl
HO
vue dans l'axe C*-d
stéréodescripteur S
d
ab
c
d
1
2 C*(1)HClOC(2)
dabc
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Comment… représenter une molécule connaissant sa configuration ? a) Donner la formule semi-‐développée de la molécule. b) Pour les carbones non-‐asymétriques, il n’y a qu’une seule configuration possible. Pour chaque carbone asymétrique,
dessiner aléatoirement une configuration. Déterminer son descripteur stéréochimique. S’il s’agit de celui demandé, laisser cette configuration. S’il s’agit du mauvais descripteur stéréochimique, échanger 2 substituants.
Exemple : On souhaite représenter le (R)-‐1-‐bromoethanol
Comment… reconnaître la relation d’isomérie qui lie deux isomères ?
Astuce : Si deux molécules sont stéréoisomères et que :
Ø Toutes les configurations absolues des C* sont inversées, et que les liaisons doubles ont gardé la même configuration : ce sont des énantiomères.
Ø Seules certaines configurations absolues sont inversées et d’autres sont identiques, ou bien si une ou plusieurs doubles liaisons ont changé de configuration : ce sont des diastéréoisomères.
Formule semi-développée :H3C
CH OHBr
On identifie l'atome de carbone asymétrique (il n'y en a qu'un ici).
*1
2
1er essai de représentation :CH3
C *OHBr
H1
2
(le H est placé derrière,ainsi la détermination du stéréodescripteur seraplus aisée.)
CH3
C *OHBr
H
a b
c
d 1
2
Détermination du stéréodescripteur :
c
a b
vue dans l'axe C*-d
stéréodescripteur S
dC*(1)
HBrOC(2)
dabc
ll ne s'agit pas du stéréoisomère demandé, on échange donc deux substituants (n'importe lesquels) sur l'atome de C* pour changer sa configuration.
(R)-1-bromoéthanol :CH3
C *BrHO
H1
2
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Comment…trouver tous les stéréoisomères d’un composé simple ? • Combien y en a-‐t-‐il ?
S’il y a n centres stéréogènes (carbones asymétriques ou liaisons doubles pouvant être Z ou E), il y a au maximum 2n
stéréoisomères de configuration (la présence d’éléments de symétrie peut réduire ce nombre). Attention : une double liaison incluse dans un cycle ne peut pas changer de configuration ! Ce n’est donc pas un centre stéréogène.
Exemple : La double liaison incluse dans le cycle est Z, elle ne peut pas changer de configuration. Il existe seulement deux stéréoisomères pour cette molécule : celui dessiné (Z, S) et son énantiomère (Z,R).
• Comment les trouver ? Ø S’il y n’y a qu’un seul C*, il y aura deux énantiomères : R et S. Ø S’il n’y a qu’une seule double liaison pouvant être Z ou E, il y aura deux diastéréoisomères : Z et E. Ø S’il y a deux C* et pas de doubles liaisons dont on peut changer la configuration :
a) Dessiner un des stéréoisomères. b) S’il est chiral, dessiner son image par un miroir plan : on obtient son énantiomère. c) Changer ensuite la configuration d’un seul C*. On obtient un diastéréoisomère des deux premiers. d) Si cette molécule est chirale, dessiner son image par un miroir plan : on obtient son énantiomère.
Ø S’il y plus de 2 C*, répéter l’opération en changeant la configuration d’un seul C* à la fois. Ø S’il y a une double liaison pouvant être Z ou E : on peut également changer la configuration de cette double
liaison et obtenir des stéréoisomères supplémentaires. Exemple 1 : le 2,3-‐hydroxybutanal Formule semi-‐développée :
On identifie 2C*, soit 2 centres stéréogènes : il existera donc 22=4 stéréoisomères de configuration au maximum (ici, il n’y a pas d’élément de symétrie donc on s’attend à exactement 4 stéréoisomères).
(S)
(Z)
CH3 CH CH C
O
H*
OH OH
*1234
Pas d'ambiguité de configuration autour de C1, on notera donc "CHO", inutile de développer la structure 3D
(S) (R) CHO
HO H
On représente un stéréoisomère en faisant
un choix arbitraire de configuration.
Ce stéréoisomère est chiral : on représente
son énantiomère.
On modifie la configuration d'un seul carbone asymétrique
Ce stéréoisomère est chiral : on représente
son énantiomère.
Lorsque l'on passe d'une molécule à son énantiomère, les C* changent de configuration.
Enantiomères
Diastéréoisomères
HO H
(R)(S)OHC
OHH
OHH(2R, 3S)-2,3-dihydroxybutanal (2S, 3R)-2,3-dihydroxybutanal
(R) (R) CHO
HO H
H OH (2R, 3R)-2,3-dihydroxybutanal
(S)(S)OHC
OHH
HHO (2S, 3S)-2,3-dihydroxybutanal
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Exemple 2 : le pent-‐3-‐èn-‐2-‐ol Formule semi-‐développée :
On identifie 1C* et 1double liaison pouvant être Z ou E, soit 2 centres stéréogènes : il existera donc 22=4 stéréoisomères de configuration au maximum (ici, il n’y a pas d’élément de symétrie donc on s’attend à exactement 4 stéréoisomères).
Exemple 3 : acide tartrique (acide 2,3-‐dihydroxybutan-‐1,4-‐dioïque) Formule semi-‐développée :
On identifie 2C*, soit 2 centres stéréogènes : il existera donc 22=4 stéréoisomères de configuration au maximum (ici, les deux carbones asymétriques sont identiquement substitués, il y a une symétrie dans la molécule : il y aura moins de 4 stéréoisomères).
Attention : pour une molécule à 2C* identiquement substitués, il n’y aura que 3 stéréoisomères de configuration, car l’un des stéréoisomères (l’isomère méso) est achiral. Astuce : il s’agira toujours du (R,S)
CH3 CH CH C
OH
H
CH3*Z/E
(E)(S)
HO H
On représente un stéréoisomère en faisant
un choix arbitraire de configuration.
Ce stéréoisomère est chiral : on représente
son énantiomère. (E)(R)
OHH
On modifie la configuration de la double liaison.
(Z) (S)
HO HCe stéréoisomère est chiral : on représente
son énantiomère. (Z)(R)
OHH
Lorsque l'on passe d'une molécule à son énantiomère, les C* changent de configuration.
Enantiomères
Diastéréoisomères(S,E)-pent-3-èn-2-ol
(S,Z)-pent-3-èn-2-ol
(R,E)-pent-3-èn-2-ol
(R,Z)-pent-3-èn-2-ol
C CH CH C*
OH OH
*1234
Pas d'ambiguité de configuration autour de C1 et C4 on notera donc "COOH", inutile de développer la structure 3D
O
HO OH
O
Plan de symétrie
HOOC(R) (R)
COOH
HOH
On représente un stéréoisomère en faisant
un choix arbitraire de configuration.
Ce stéréoisomère est chiral : on représente
son énantiomère.
On modifie la configuration d'un seul carbone asymétrique
Ce stéréoisomère est achiral : il est superposable à son image par un
miroir plan. Il ne possède donc pas d'énantiomère.
Lorsque l'on passe d'une molécule à son énantiomère, les C* changent de configuration.
Enantiomères
Diastéréoisomères
HOH
(2R, 3R) (2S, 3S)
COOH(S)(S)
HOOC
HHO
OHH
HOOC(R) (S)
COOH
OHH
HOH
Il est appelé "isomère méso"
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Pour s’entraîner Exercice 1 : L’acésulfame K.
Un édulcorant est un produit ou substance ayant un goût sucré. Le plus souvent, le terme édulcorant fait référence à des ingrédients destinés à améliorer le goût d’un aliment ou d’un médicament en lui conférant une saveur sucrée. Certains édulcorants n'apportent pas de calories, d'autres moins que le sucre de table (saccharose), d'autres ont l’avantage de ne pas être cariogènes et certains sont « plus sucrés » que le sucre.
L’acésulfame potassium est un édulcorant, aussi connu sous le nom de acésulfame K ou Ace K. Il possède un pouvoir sucrant 100 à 200 fois plus élevé que le sucre (saccharose).
L'acésulfame potassium divise sur ses possibles effets adverses sur la santé. Sa structure est :
O NS
O O
O
K
1) Déterminer le stéréo-‐descripteur de la double liaison carbone-‐carbone en donnant les ordres de priorité appropriés.
2) L’acésulfame K existe-‐t-‐il sous une autre configuration ? Pourquoi ? Exercice 2 : L’aspartame. L'aspartame est un édulcorant artificiel découvert en 1965. C'est un dipeptide composé de deux acides aminés naturels, l'acide L-‐aspartique et la L-‐phénylalanine. L'aspartame a un pouvoir sucrant environ 200 fois supérieur à celui du saccharose et est utilisé pour édulcorer les boissons et aliments à faible calorie ainsi que les médicaments. Cet additif alimentaire est utilisé dans un grand nombre de produits et autorisé dans de nombreux pays, il est référencé dans l'Union européenne par le code E951. Sa représentation est :
HOOCCH2
C
H
H2NC
NH
O
C
H CH2C6H5
C
O
OCH3
1) Déterminer le descripteur stéréochimique de chacun des centres stéréogènes en justifiant la réponse. 2) A combien de stéréo-‐isomères de configuration doit-‐on s’attendre au total pour l’aspartame ? Les dessiner
en convention de Cram et préciser les relations de stéréo-‐isomérie entre eux ainsi que les descripteurs stéréochimiques de chacun des centres stéréogènes.
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Exercice 3 : L’érythritol. L'Érythritol (ou tétrahydroxybutane, ou érythrite) est un polyol (ou sucre alcoolisé) découvert en 1874. C'est un édulcorant naturel que l'on trouve dans les fruits, les aliments fermentés ou la sauce au soja. Il possède un pouvoir sucrant inférieur au sucre (de 60-‐80% à poids égal) mais présente deux avantages : il contient très peu de calories (0,2 kcal/g), et ne cause pas de caries. Il peut être produit à partir du glucose en fermentant celui-‐ci avec des levures appropriées dans des solutions aqueuses. Il a pour structure de Cram topologique :
1) Cette molécule est-‐elle chirale ? Justifier. Comment peut-‐on qualifier une telle molécule ? 2) Déterminer le stéréo-‐descripteur de chaque atome de carbone asymétrique en justifiant. 3) A combien de stéréo-‐isomères de configuration doit-‐on s’attendre exactement et au total pour cette
molécule (y compris celle dessinée) ? Justifier. 4) Représenter ces stéréo-‐isomères en convention de Cram et préciser les relations de stéréo-‐isomérie entre
eux ainsi que les stéréodescripteurs.
Pour aller plus loin Exercice 4 : Le laulimalide Dans un effort de recherche de nouveaux agents anti-‐cancéreux, le laulimalide (représenté ci-‐dessous et noté 1), macrolide marin inhibiteur potentiel de prolifération de cellules, a été récemment identifié. La chaîne carbonée principale est numérotée de 1 à 28 mais seuls certains atomes de carbone ont été repérés afin d’alléger le schéma.
Laulimalide (1)
1) Identifier les centres stéréogènes du laulimalide. 2) Déterminer le descripteur stéréochimique des centres stéréogènes C19 et C20. Justifier la réponse en
développant l’arborescence permettant de déterminer les priorités retenues selon les règles de Cahn, Ingold et Prelog.
3) Déterminer le descripteur stéréochimique des doubles liaisons C2=C3 et C21=C22. Justifier la réponse. Une préparation du laulimalide a été proposée par une équipe de chercheurs à partir du citronellol ou (3S)-‐3,7-‐diméthyloct-‐6-‐èn-‐1-‐ol, noté 2, présent dans les essences de géranium ou de citronnelle.
4) Représenter le stéréoisomère 2 du citronellol en convention de Cram topologique, en plaçant obligatoirement la chaîne carbonée la plus longue dans le plan de la feuille.
5) Combien d’autre(s) stéréoisomère(s) de configuration du citronellol existe-‐t-‐il ? Le(s) représenter en convention de Cram topologique et préciser la (les) relation(s) de stéréoisomérie de configuration avec le citronellol.
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A RENDRE Exercice 5 : Autour du menthol (Partie 1) Le menthol est un composé organique covalent obtenu soit par synthèse, soit par extraction à partir de l'huile essentielle de menthe poivrée ou d'autres huiles essentielles de menthe. Le menthol est doué de propriétés anti-‐inflammatoires et antivirales. Il est d'ailleurs utilisé pour soulager les irritations mineures de la gorge. C'est également un anesthésique local. Le stéréo-‐isomère le plus courant du menthol est représenté sur le schéma 1 en convention de Cram topologique.
Le menthol peut être oxydé par les ions dichromate en menthone. En milieu acide le menthol peut également se déshydrater en menth-‐3-‐ène comme le montre le schéma ci-‐après.
OH
123
45
6
O
123
45
6
oxydation
Déshydratation
menthone
menth-3-èneMenthol
1) Quelle est la formule brute de la menthone ? 2) La molécule de menthol est-‐elle chirale ? 3) Identifier les atomes de carbone asymétriques du menthol et déterminer leur descripteur stéréochimique.
L’arborescence permettant de déterminer l’ordre de priorité selon les règles C.I.P. doit apparaître sur la copie. 4) Déterminer le descripteur stéréochimique de la double liaison carbone-‐carbone du menth-‐3-‐ène. Justifier. Peut-‐
on envisager une autre configuration pour cette même double liaison ? Pourquoi ? 5) Dessiner l’énantiomère de la menthone. Comment appelle-‐t-‐on un mélange contenant les deux stéréoisomères
représentés dans les mêmes proportions ? 6) On considère la molécule d’isomenthol ci-‐dessous :
OH
isomenthol
a) Quelle relation de stéréo-‐isomérie lie le menthol et l’isomenthol ? Justifier. b) Préciser le descripteur stéréochimique de chacun des atomes de carbone asymétriques de l’isomenthol en
utilisant la question 3) et les données de l’énoncé. Une justification très brève est attendue, sans développer les arborescences.
7) A combien de stéréo-‐isomère du menthol doit-‐on s’attendre au total (y compris ceux représentés ici ? Justifier. Le menthol est l’un des constituants du sirop de menthe glaciale avec l’acide citrique représenté ci-‐dessous :
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HOOC COOH
HO COOH 8) L’acide citrique est-‐il chiral ? 9) Donner la représentation de Newman de l’acide citrique lorsque l’observateur se positionne comme indiqué ci-‐
dessous :
H COOH
HO COOH
HHOOC HHObservateur