Chimie organique Chapitre I : La chimie dans l’espace

1. Chimie organique Chapitre I : La chimie dans l’espace 1°) Représentation plane des molécules Formule semi-développée Formule développée Formule brute CH3CHClBr Cl C2H4ClBr H C – C - H H Br H

2. Vers une démarche plus réaliste ! Prise en compte de la géométrie Représentation de Cram H Cl A l’aide de la couleur on peut rendre compte de la position dans l’espace des différents atomes. Br CH3

3. Représentation de Cram Les animations permettent de visualiser la molécule dans l’espace. C’est ce qu’il faut savoir faire « mentalement ».

4. Représentation de Cram On utilise 3 représentations différentes pour matérialiser les liaisons : Liaisons vers l’arrière du plan de la feuille Liaisons dans le plan de la feuille Liaisons vers l’avant du plan de la feuille

5. Représentation de Cram On représente la molécule de 1-chloro,1-bromoéthane : H Cl Br CH3

6. 120° Dans la représentation de Cram on place les 2 liaisons dans le plan puis celles en dehors du plan, il existe plusieurs représentations, certaines ne sont pas valables

7. Toujours la même molécule, mais une autre projection : On regarde dans l’axe carbone carbone Projection de Newman H H H Br Cl H Le carbone arrière est masqué, seuls les 3 liaisons CH apparaissent

8. Encore la même molécule, mais une nouvelle projection : On place la molécule pour former le signe + Projection de Fischer En arrière du plan CH3 Cl Br H En avant du plan

9. 2°) L’isomérie des molécules Les isomères sont des molécules qui possèdent la même formule brute mais qui possèdent une formule semi-développée (et développée) différente. On distingue deux familles : les isomères de constitution et les stéréoisomères Isomérie de constitution Isomères Stéréoisomères

10. 2°) L’isomérie des molécules Isomérie de constitution Les atomes sont reliés de façon différente entre eux. Isomérie de chaîne C4H10 Isomères de constitution méthylpropane butane Isomérie de fonction, ex : C3H6O Prop-2-ène-1-ol propanone propanal Oxacyclopropane

11. 2°) L’isomérie des molécules Isomérie de chaîne Isomérie de constitution Isomérie de fonction Isomères Stéréoisomères :Isomères qui ne diffèrent que par l’arrangement des atomes dans l’espace.

12. 2°) L’isomérie des molécules CONFORMATION Les arrangements spatiaux diffèrent d’une molécule à l’autre par rotations autour de liaisons simples. Stéréoisomères CONFIGURATION Les arrangements spatiaux sont quasiment identiques ; Pour passer de l’un à l’autre des arrangements il faut casser au moins une liaison covalente

13. 3°) Conformation des molécules Les différentes conformations des molécules sont liées à la possibilité de libre rotation autour des axes, généralement on s’intéresse à la rotation autour des axes carbone carbone. Cas de l’éthane CH3-CH3 Libre rotation autour de l’axe carbone-carbone

14. 3°) Conformation des molécules, cas de l’éthane Pour rendre compte des différentes conformations on se place dans l’axe carbone-carbone ( Projection de Newman) Conformation éclipsée Conformation décalée

15. 3°) Conformation des molécules, cas de l’éthane Conformation décalée Conformation éclipsée H H H H H H H H H H H H Dans la projection de Newman, les liaisons portées par le carbone en arrière du plan sont représentées plus courtes que celles en avant du plan.

16. 3°) Conformation des molécules, cas de l’éthane H H H H H H H H H H H H La conformation éclipsée est déstabilisée par les forces de répulsion (« contrainte sphérique »). Attention : les conformations sont des formes différentes d’une même molécule. A température ambiante, la molécule passe facilement d’une forme à l’autre.

17. 3°) Conformation des molécules : le cyclohexane Conformation chaise du cyclohexane Conformation bateau du cyclohexane

18. 3°) Conformation des molécules : les sucres Cas du glucose Projection Fischer Conformation chaise

19. 4°) Configuration : Enantiomérie La chimie et les mains : la chiralité En chimie, un composé chimique est chiral, du grec « χειρ » (la main), s'il n'est pas superposable à son image dans un miroir. Si une molécule est chirale, elle possède deux formes énantiomères : une lévogyre(« qui tourne à gauche », en latin laevus :gauche) et une dextrogyre(« qui tourne à droite », en latin dextro : droite) .

20. 4°) Configuration : Enantiomérie La chimie et les mains : la chiralité Une molécule chirale et son image dans un miroir sont deux énantiomères. En chimie organique, la chiralité est souvent due à la présence d’uncarbone asymétrique.

21. 4°) Configuration : Enantiomérie Le carbone asymétrique Un carbone asymétrique est un carbone qui possède 4 substituants différents. * Deux atomes d’hydrogène, donc pas d’asymétrie pas d’énantiomérie. Les substituants sont tous différents on note avec * le carbone asymétrique

22. 4°) Configuration : Enantiomérie Le carbone asymétrique Quelques exemples de molécules avec des carbones asymétriques * * * * * Vitamine C (acide ascorbique) menthol 3 C* 2 C*

23. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? La structure des 2 molécules énantiomères montre un enchaînement identique des atomes. Il est donc nécessaire d’utiliser une nomenclature pour différencier ces 2 stéréoisomères. Limonène (R) : citron Limonène (S) : orange Il y a deux lettres pour désigner la configuration absolue R ( Rectus : droit) et S ( Sinister : gauche )

24. * 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? miroir Ces deux énantiomères sont différenciés par leur configuration absolue R et S. * Quelle est la méthode pour déterminer la configuration absolue R et S de ces deux énantiomères ? Il faut classer les groupements autour du carbone asymétrique par ordre de priorité selon les règles de Cahn Ingold Prelog.

25. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? Règles de Cahn Ingold Prelog (C.I.P) 1 - On classe les atomes directement relié au C* en fonction de leur Z, plus Z est élevé plus le substituant est prioritaire. Ainsi on a : Br > Cl > F > O > N > C > H On retient l’ordre X >O > N > C > H 3 4 2 2 4 3 1 1

26. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? Règles de Cahn Ingold Prelog (C.I.P) suite 2 - Si 2 ou 3 substituants ont un enchaînement atomique identique, il faut détailler chaque chaîne afin de déterminer les priorités. 3 3 4 2 4 2 1 1 On numérote chaque substituant, le N°1 étant le plus prioritaire.

27. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? Règles de Cahn Ingold Prelog (C.I.P) suite 3 - C’est toujours le Z le plus important qui l’emporte, il ne faut pas faire la somme des Z ! 3 Ici au 2ème rang, on a : - relié à 1 O (et 2H) - Relié à 3C 4 2 1

28. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? Règles de Cahn Ingold Prelog (C.I.P) suite 4 - Les liaisons multiples sont assimilées comme étant équivalentes au même nombre de liaisons simples. est équivalent à

29. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? La configuration absolue : R ou S ? Après avoir classé les substituants de 1 à 4, on détermine la configuration absolue R ou S du carbone asymétrique… Exemple 1 1 1 1 4 4 2 3 2 2 3 3

30. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? La configuration absolue : R ou S ? Il faut faire « tourner » la molécule de façon à placer le substituant N°4 en arrière du plan et on regarde dans l’axe “C*-4” Exemple 2 1 1 1 4 4 3 2 3 2 3 2

31. 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? On définit ensuite la configuration R ou S du carbone asymétrique par rapport au sens des aiguilles d’une montre 1 1 3 2 2 3 Configuration RRectus; sens des aiguilles d’une montre Configuration SSinister ; sens inverse des aiguilles d’une montre

32. 3 3 1 4 2 1 4 2 1 4 3 3 1 4 2 2 4°) Enantiomérie : Dans quel sens elle tourne ? (S) (S) (R) (S)

33. 5°) Quelles propriétés physico-chimique, biologiques ? A – Physico-chimique : Deux énantiomères ont les mêmes propriétés physiques et chimiques (points de fusion, points d’ébullition, propriétés de dissolution dans les solvants, etc.) hormis leur pouvoir rotatoire opposé. B – Biologique : Deux énantiomères ont souvent des propriétés biologiques totalement différentes.

34. (S)-ibuprofène (R)-ibuprofène 5°) Quelles propriétés physico-chimique, biologiques ? Actif: analgésique & anti-inflammatoire Inactif L’ibuprofène est commercialisé sous forme de mélange racémique (mélange équimolaire de R et de S)

35. (S)-Adrénaline (R)-Adrénaline 5°) Quelles propriétés physico-chimique, biologiques ? Elle joue un rôle fondamental comme médiateur de l’excitation du système nerveux central et induit une augmentation de la pression artérielle inactive

36. (S)-Asparagine (R)-Asparagine 5°) Quelles propriétés physico-chimique, biologiques ? goût amère goût sucré

37. 5°) Quelles propriétés physico-chimique, biologiques ? Agent tératogène (R)-thalidomide La thalidomide a été commercialisée sous forme de mélange racémique dans les années 1950-60. Sédatif doux (S)-thalidomide

38. 6°) Diastéréoisomère, une isomérie particulière Cas de deux C* Deux stéréoisomères de configuration qui ne sont pas des énantiomères sont des diastéréoisomères RS SR 2 énantiomères 2 diastéréoisomères SS RR

39. 6°) Diastéréoisomère, une isomérie particulière Cas de la double liaison C = C Pas de rotation autour d’une liaison C=C donc les molécules suivantes ne sont pas des stéréoisomères de conformation. Exemple : Ce sont donc des stéréoisomères de configuration et comme ce ne sont pas des énantiomères ce sont des diastéréoisomères. Ces deux molécules sont des diastéréoisomères Z et E.

40. C C 6°) Diastéréoisomère, une isomérie particulière Cas de la double liaison C = C Pour attribuer la nomenclature Z et E, il faut déterminer sur chaque carbone de la double liaison les priorités de chaque groupe (règles du C.I.P). 2 1 2’ 2’ C C 1 1’ 1’ 2 Double liaison E Double liaison Z E = les deux groupements prioritaires sont de part et d’autre de la double liaison (entgegen : opposé) Z = du même côté de la double liaison (zusammen : ensemble)

41. 6°) Diastéréoisomère, une isomérie particulière Cas de la double liaison C = C - exemples (E) (E) (Z) (Z)

42. 6°) Diastéréoisomère, une isomérie particulière Propriétés physico-chimique et biologiques Les diastéréoisomères ont des propriétés physicochimiques et biologiques différentes. Exemples : Acide maléïque (acide Z butènedioïque) : Tfusion = 130°C, pKA = 2 et 6, solubilité dans l’eau = 790 g.L-1. Acide fumarique (acide E butènedioïque) : Tfusion = 287°C, pKA = 3 et 4, solubilité dans l’eau = 7 g.L-1.