Chap. N° 10

Représentation

spatiale des molécules. Cours.

 

   

 

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  I- La chiralité.

1)- Définition :

2)- La chiralité au niveau moléculaire.

a)-   Expérience :

b)-  Conclusions :

III- Les différentes relations de stéréoisomérie.

1)- Stéréoisomérie.

a)-   Définition.

b)-  Stéréoisomères de conformation :

c)-   Stéréoisomères de configuration.

d)-  Conclusion.

2)- Stéréoisomérie de configuration :

Cas des composés à un atome

de carbone asymétrique.

a)-   Carbone asymétrique :

b)-  Énantiomérie et propriétés :

3)- Stéréoisomérie de configuration :

Cas des composés à deux atomes

de carbone asymétrique.

a)-   Exercice :

b)-  Conclusions :

4)- Stéréoisomérie de configuration :

diastéréoisomères Z / E.

a)-   Exercice :

b)-  Conclusion.

5)- Stéréoisomérie de conformation.

a)-   Conformations de l'éthane.

6)- Récapitulatif.

IV- Applications.

1)- QCM.

QCM sous forme de tableau.

QCM réalisé avec le logiciel Questy

2)- Exercices :

 Stéréochimie
Les molécules ont été réalisées avec
Schemsketch Logiciel Gratuit

 

Exercices : énoncé et correction

a)- Exercice 7 page 270 : Reconnaître une molécule chirale.

b)- Exercice 8 page 270 : Utiliser la représentation topologique.

c)- Exercice 10 page 270 : établir une représentation de Cram.

d)- Exercice 15 page 271 : Représenter un couple d’énantiomères.

e)- Exercice 17 page 272 : de la formule semi-développée

 à la formule topologique.

f)-  Exercice 20 page 272 : La vitamine C.

g)- Exercice 22 page 273 : Autour des acides α–aminés.

h)- Exercice 28 page 275 : Phéromone sexuelle de coléoptère.


I- La chiralité.

1)- Définition :

-  Un objet est chiral s’il n’est pas superposable à son image dans un miroir.

-  La chiralité est la propriété d'un objet de ne pas être superposable à son image dans un miroir.

-  Donner un exemple d'un objet chiral. (Une main)

 

-  La chiralité a été étendue aux molécules par PASTEUR en 1848.

2)- La chiralité au niveau moléculaire.

a)-   Expérience :

*  Construire une molécule A possédant :

*  Un carbone tétragonal et quatre groupes différents (prendre une boule rouge, une verte, une boule jaune et une boule blanche).

*  Placer la liaison carbone-boule jaune verticalement.

*  Mettre la molécule A devant un miroir et construire la molécule B image de A dans le miroir.

*   Représenter les deux molécules A et B à l'aide de la représentation conventionnelle.

* Les molécules A et B sont-elles superposables ?

 

 

Animation CabriJava

b)-  Conclusions :

-  Les molécules A et B ne sont pas superposables, elles sont image l'une de l'autre dans un miroir.

Ce sont des molécules chirales.

-  Une molécule est chirale si elle n’est pas superposable à son image dans un miroir.

II- Représentation des molécules organiques.

1)- Formules planes.  Structure d'une molécule colorée.  La chimie organique.

   Une molécule peut être représentée par :

-  Sa formule développée,

-  Sa formule semi-développée,

-  Sa formule topologique.

-  Cours de première S. De la structure aux propriétés des alcanes et des alcools

* Donner les représentations de la molécule de butan-2-ol.

-  Modèle moléculaire :

 

-  Formule développée :

 

-  Formule semi-développée :

 

-  Formule topologique :

 

2)- Formules spatiales des molécules.

a)-   Représentation de CRAM.

-  Convention :

-  Un trait plein –– représente une liaison entre deux atomes situés dans le plan de la figure

-  Un triangle allongé plein  représente une liaison entre un atome situé dans le plan de la figure et un atome situé en avant de ce plan.

-  Un trait hachuré   ou un triangle hachuré représente une liaison entre un atome situé dans le plan de la figure et un atome situé en arrière de ce plan.

b)-  Exemple :

-  Cas du carbone dans la molécule de méthane :

ou

-  Exercice : La molécule de butan-2-ol :

-  Représenter cette molécule en utilisant la représentation de Cram et en considérant les groupes suivants : – OH, –H, –CH3 et C2H5.

 

 

-  La représentation de Cram permet de rendre compte de la géométrie tétraédrique autour de l’atome de carbone.

III- Les différentes relations de stéréoisomérie.

1)- Stéréoisomérie.

a)-   Définition.

Stéréoisomères :

-  Deux corps sont stéréoisomères lorsqu'ils ont :

-  Même constitution (même formule plane).

-  Mais des structures spatiales différentes

-  Ils différent par l'agencement spatial de leurs atomes.

-   On distingue :

-  Les stéréoisomères de conformation.

-  Les stéréoisomères de configuration.

b)-  Stéréoisomères de conformation :

-  On passe d’un stéréoisomère de conformation à un autre par libre rotation autour d’une liaison simple.

-  Exemple : libre rotation de 120 ° autour de la simple liaison verticale

 

-  On passe d’un stéréoisomère de conformation à un autre par rotation autour de la simple liaison verticale C – C.

-  On est en présence de deux agencements spatiaux différents d’une même molécule.

c)-   Stéréoisomères de configuration.

-  Pour passer d’un stéréoisomère de configuration à un autre, il faut briser des liaisons chimiques.

-  Exemple :

-  Stéréoisomères obtenus après avoir cassé puis reformé deux liaisons chimiques.

 

d)-  Conclusion.

-  Deux stéréoisomères de configuration sont deux molécules différentes.

-  Deux stéréoisomères de conformation sont deux agencements spatiaux d’une même molécule.

2)- Stéréoisomérie de configuration : Cas des composés à un atome de carbone asymétrique.

a)-   Carbone asymétrique :

-  C'est un atome de carbone tétragonal lié à quatre atomes ou groupes différents.

-  On le repère par un astérisque.

 

* Exercice :

-  la molécule de butan-2-ol possède-t-elle un carbone asymétrique ? Si oui représenter les deux énantiomères.

 

 

-  La molécule A n’est pas superposable à son image (la molécule B) dans un miroir.

-  Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique est toujours chirale.

b)-  Énantiomérie et propriétés :

-  Toute molécule possédant un atome de carbone asymétrique peut exister sous deux configurations différentes, images l’une de l’autre dans un miroir.

-  Les stéréoisomères correspondant sont appelés énantiomères.

-  Énantiomères : stéréoisomères de configuration qui sont image l'un de l'autre dans un miroir.

-  Énantiomérie : relation existant entre deux stéréoisomères de configuration images l’un de l’autre dans un miroir.

-  Mélange racémique :

-  On appelle mélange racémique un mélange de quantités égales de deux énantiomères.

-  Les énantiomères présentent très souvent des propriétés physiques et chimiques identiques.

-  Par contre les propriétés biologiques et pharmacologiques de deux énantiomères sont presque toujours différentes.

-  Deux énantiomères n'ont pas le même effet sur la lumière polarisé rectilignement.

-  La solution d'une substance chirale peut faire tourner le plan de polarisation de la lumière, on dit que cette substance est optiquement active.

Elle possède un pouvoir rotatoire.

-  Une substance qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière dans le sens des aiguilles d'une montre est dite dextrogyre notée (+).

-  Une substance qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière dans le sens trigonométrique est dite lévogyre notée (–).

-  L'angle de rotation du plan de polarisation est appelé pouvoir rotatoire.

-  Deux énantiomères ont des pouvoirs rotatoires opposés.

-  Un mélange racémique ne possède pas de pouvoir rotatoire.

 

3)- Stéréoisomérie de configuration : Cas des composés à deux atomes de carbone asymétrique.

a)-   Exercice :

*  La molécule de 1-bromo-1,2-dichloro-2-fluoroéthane possède 2 atomes de carbone asymétrique. 

*  Chacun de ces atomes de carbone asymétrique peut se trouver, indépendamment de l’autre dans l’une des deux configurations possibles.

* Représenter les deux configurations possibles et leurs énantiomères.

-  Formule développée de la molécule :

 

-  Configurations possibles et énantiomères :

-  Premier cas :

 

-  Deuxième cas :

 

-  Remarque 1 :

 

-  Remarque 2 :

 

-  Les molécules A et B sont images l’une de l’autre dans un miroir : ce sont des énantiomères.

-  Les molécules D et C sont images l’une de l’autre dans un miroir : ce sont des énantiomères.

-  Les molécules A et C sont des isomères de configuration non images l’un de l’autre dans un miroir : ce sont des diastéréoisomères.

-  Les molécules B et D sont des isomères de configuration non images l’un de l’autre dans un miroir : ce sont des diastéréoisomères.

-  Les molécules C et C’ sont des stéréoisomères de conformation : ce sont des conformères (deux agencements spatiaux d’une même molécule).

-  Les molécules D et D’ sont des stéréoisomères de conformation : ce sont des conformères (deux agencements spatiaux d’une même molécule).

b)-  Conclusions :

-  Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères de configuration qui ne sont pas énantiomères.

-  Les stéréoisomères présentent des propriétés physiques et chimiques différentes.

4)- Stéréoisomérie de configuration : diastéréoisomères Z / E.  Isomérie Z / E : cours première S

    Isomérie Z et E :

Isomérie Z et E :

-  Si, dans un alcène de formule générale CHX = CHY, les deux atomes d’hydrogène sont dans le même demi-plan par rapport à l’axe de la double liaison C = C, le stéréo-isomère est Z, dans le cas contraire, il est E.

 

a)-   Exercice :

-  Construire la molécule de but-2-ène.

-  Donner la formule semi-développée et la formule topologique des isomères Z et E.

-  Comment passe-t-on d'un isomère à l'autre ?

-  Réponses :

 

 

(E) but-2-ène

Entgegen (en face, opposé),

les hydrogènes sont situés de

part et d'autre de la double liaison

(Z) but-2-ène

Zusammen (ensemble),

les hydrogènes sont situés

du même côté de la double liaison.

-  Le (Z) but-2-ène et le (E) but-2-ène sont des stéréoisomères de configuration.

-  Ce sont des corps purs distincts.

-  Il n'y a pas libre rotation autour de la double liaison à température ambiante.

-  Pour passer d'un stéréoisomère à l'autre, il faut briser et reformer une liaison chimique.

b)-  Conclusion.

-  Deux isomères Z et E sont des diastéréoisomères.

-  Les isomères Z et E sont des corps purs distincts que l'on peut isoler.

-  Ils ont des propriétés physiques, chimiques, biologiques différentes.

-  La température d'ébullition normale du (Z)-but-2-ène est de 3,7 °C alors que celle de l'isomère (E)-but-2-ène est de 0,9 °C

5)- Stéréoisomérie de conformation.

a)-   Conformations de l'éthane.  Conformations de l'éthane

-      On appelle conformation d'une molécule les différentes structures spatiales qu'elle peut prendre par suite de la rotation autour de ses liaisons simples.

   Projection de NEWMAN :

*  Construire la molécule d'éthane. Noter α et β chaque atome de carbone.

*  Regarder la molécule suivant l'axe de la liaison carbone-carbone.

*  Représenter les deux conformations remarquables (conformation décalée et conformation éclipsée).

-  Réponses :

-  Formule semi-développée de la molécule d'éthane :

 

 

 

Conformation décalée D

 

Conformation éclipsée E

-  Le conformère E et le conformère D sont des stéréoisomères de conformation.

-  À température ambiante, il y a libre rotation autour de la simple liaison.

-  Le passage de l'un à l'autre se fait sans rupture de liaison.

   Aspect énergétique.

-  Laquelle des deux conformations est la plus stable ?

 

Animation CabriJava

 

CabriJava

-  Les conformations décalées sont plus stables que les conformations éclipsées car les liaisons C ‑‑ H sont les plus éloignées possibles dans les conformations décalées.

-  La conformation la plus stable d’une molécule est celle pour laquelle les interactions répulsives entre les doublets de liaisons et les interactions stériques dues à l’encombrement des gros substituants sont les plus faibles.

6)- Récapitulatif.

Les molécules A et B ont la même formule brute, mais ne sont pas superposables

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp186.gif

A et B sont isomères de constitution

NON

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A et B ont-elles la même formule développée plane ?

OUI

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/styc549.gif

A et B sont stéréoisomères

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp186.gif

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A et B présentent-elles la même fonction chimique ?

A et B peuvent-ils être interconvertis par des rotations autour de liaisons simples ?

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http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp549.gif OUI

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp56.gif NON

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp549.gif OUI

A et B sont isomères de fonction

A et B sont isomères de position ou de chaîne

A et B sont isomères de configuration

A et B sont isomères de conformation

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp186.gif

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp186.gif

A et B présentent-ils le même squelette carboné ?

A et B sont-ils image l'un de l'autre dans un miroir ?

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http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp56.gif NON

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/documents/images01/stycp549.gif OUI

 

A et B sont

isomères de chaîne

A et B sont

isomères de position

A et B sont diastéréoisomères.

Exemple :

l'isomérie Z et E

A et B sont énantiomères

Exemple :

présence d'un carbone asymétrique, molécule chirale.

IV- Applications.

1)- QCM.

QCM sous forme de tableau.

QCM réalisé avec le logiciel Questy

2)- Exercices :   Exercices : énoncé et correction

a)- Exercice 7 page 270 : Reconnaître une molécule chirale.

b)- Exercice 8 page 270 : Utiliser la représentation topologique.

c)- Exercice 10 page 270 : établir une représentation de Cram.

d)- Exercice 15 page 271 : Représenter un couple d’énantiomères.

e)- Exercice 17 page 272 : de la formule semi-développée à la formule topologique.

f)- Exercice 20 page 272 : La vitamine C.

g)- Exercice 22 page 273 : Autour des acides α–aminés.

h)- Exercice 28 page 275 : Phéromone sexuelle de coléoptère.