On sait que le monde de la chimie fait intervenir un grand nombre de molécules. Les fonctions présentes sur ces molécules leur confèrent leurs propriétés chimiques et la structure de ces molécules définit leurs propriétés physiques. Il apparaît cependant que des molécules possédant les mêmes atomes ou les mêmes groupes d'atomes aient des propriétés totalement différentes. Cela est dû à l'arrangement spatial des atomes au sein même de la molécule. Il a donc fallu définir des règles pour différencier des molécules de constitution semblable mais spatialement différentes.
L'agencement spatial des molécules
La représentation topologique
Il existe trois façons différentes de donner la formule d'une molécule :
- La formule brute ne fait apparaître que les différents atomes et leurs nombres respectifs au sein de la molécule.
- La formule semi-développée consiste à faire apparaître les liaisons entre atomes sauf les liaisons hydrogènes.
- La formule développée fait apparaître toutes les liaisons.
Il existe une autre manière de représenter les molécules de façon simplifiée, la forme topologique.
Représentation topologique
La représentation topologique est une représentation simplifiée des molécules dans laquelle :
- Les liaisons \ce{C-C} sont simplement représentées par des segments formant une ligne brisée continue.
- Les liaisons \ce{C-H} ne sont pas représentées.
- Les atomes d'hydrogène et de carbone ne sont pas représentés.
On considère la molécule d'acide 2-amino-2-méthyl-propanoïque. Voici ses différentes représentations :
La représentation dans l'espace avec la représentation de Cram
L'inconvénient des représentations précédentes est qu'elles ne prennent pas en compte la disposition dans l'espace des différents groupements d'atomes. Cram a défini des règles pour pouvoir représenter les molécules en tenant compte de leur agencement spatial. C'est la représentation de Cram.
Représentation de Cram
La représentation de Cram permet de représenter les molécules en respectant les conventions suivantes :
- Une liaison entre deux atomes contenus dans le plan de la feuille est dessinée en trait plein.
- Une liaison entre un atome contenu dans le plan de la feuille et un atome à l'arrière de ce plan est représentée en trait en pointillés (ou avec un triangle hachuré pointant vers l'atome contenu dans le plan de la feuille).
- Une liaison entre un atome contenu dans le plan de la feuille et un atome situé en avant est représentée avec un triangle plein pointant vers l'atome contenu dans le plan de la feuille.
Voici la représentation de Cram de la molécule d'éthanol :
Le groupement méthyle est à l'arrière du plan de la feuille et la fonction alcool est à l'avant du plan de la feuille.
La notion d'isomérie
Molécules isomères
Deux molécules sont isomères si elles possèdent la même formule brute mais un arrangement d'atomes différents. Ces molécules isomères n'auront pas les mêmes propriétés physico-chimiques.
On considère la formule brute \ce{C3H8O}. À cette formule brute peuvent être associées deux formules semi-développées :
\ce{CH3-CH2-CH2-OH} et \ce{CH3-CH(OH)-CH3}
La première formule correspond à la molécule de propanol alors que la deuxième formule correspond à la molécule de propan-2-ol. Ces deux molécules sont isomères l'une de l'autre et ne possèdent pas les mêmes propriétés. La première devient solide à -126°C alors que la seconde devient solide à -89°C.
On différencie deux types d'isomérie :
- L'isomérie de constitution : les molécules ont une même formule brute mais des formules développées différentes
- La stéréoisomérie
La stéréoisomérie
Molécules stéréoisomères
Deux molécules sont stéréoisomères si elles ont la même formule brute, la même formule développée mais un agencement spatial différent.
Voici deux stéréoisomères de la molécule de but-2-ène :
Elles ne diffèrent que par la position du groupe méthyle de part et d'autre de la double liaison.
On distingue deux types de stéréoisomérie :
- La stéréoisomérie de conformation
- La stéréoisomérie de configuration
La stéréoisomérie de conformation
La conformation d'une molécule
Conformations d'une molécule
Les conformations d'une molécule correspondent aux différents agencements spatiaux de ses atomes sans nécessité de rupture de liaisons. Ces différentes conformations sont obtenues par des rotations libres autour de liaisons simples.
Voici quelques conformations de la molécule d'éthanol :
Il faut différencier la rotation de la molécule autour d'un axe et la rotation libre autour d'une liaison (rotation de torsion) :
La conformation et la stabilité d'une molécule
Il existe une infinité de conformations au sein d'une molécule. Cependant, une molécule aura une probabilité plus grande de se trouver dans la conformation la plus stable énergétiquement.
La conformation la plus stable est celle qui correspond à l'énergie minimale pour la molécule, c'est-à-dire la conformation décalée :
Si plusieurs conformations décalées sont possibles, la conformation la plus stable est celle pour laquelle les groupements d'atomes les plus volumineux sont diamétralement opposés :
Conformation la plus stable de la molécule de butane
La conformation et les molécules biologiques
La conformation joue un rôle prépondérant dans la réactivité des protéines. Les protéines sont un enchaînement d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques. L'activité biologique des protéines dépendant de leur conformation, une faible perturbation peut modifier la conformation de la protéine et la rendre inactive.
La stéréoisomérie de configuration
La configuration des molécules
Configurations d'une molécule
Les configurations d'une molécule correspondent aux différents agencements spatiaux de ses atomes nécessitant une rupture de liaison.
La molécule du but-2-ène possède deux configurations différentes :
La rotation libre autour d'une double liaison n'étant pas possible, il est nécessaire de rompre des liaisons pour passer d'une molécule à l'autre.
La stéréoisomérie de configuration se sépare en deux domaines :
- La stéréoisomérie de configuration des carbones insaturés
- La stéréoisomérie de configuration des molécules possédant un carbone asymétrique
Carbone asymétrique
Un carbone asymétrique, noté C^*, est un carbone qui est lié à quatre groupes d'atomes différents (appelés substituants).
Le carbone portant l'atome de chlore de la molécule de chloroéthane est lié à deux atomes d'hydrogène. Il n'est donc pas asymétrique :
En revanche, le carbone portant la fonction alcool de la molécule de chloroéthanol est asymétrique car il possède quatre substituants différents :
Les énantiomères
Couple d'énantiomères
Un couple d'énantiomères correspond aux deux configurations possibles d'une molécule chirale.
Molécule chirale
Une molécule chirale est une molécule qui n'est pas superposable avec son image dans un miroir.
La molécule de chloroéthanol est chirale car elle ne se superpose pas avec son image :
Molécule achirale
Une molécule achirale est une molécule pour laquelle il existe au moins une conformation qui permet de la superposer avec son image dans un miroir.
La molécule de chloroéthane est achirale car elle peut se superposer à son image dans un miroir après rotations :
Mélange racémique
Un mélange racémique est un mélange équimolaire d'un couple d'énantiomères.
Voici un couple d'énantiomères de la molécule de dichloroéthandiol :
Un mélange contenant 1 mole de molécules dans la première configuration et une mole de molécules dans la seconde configuration est un mélange racémique.
Les diastéréoisomères
Diastéréoisomères
Des diastéréoisomères sont des stéréoisomères de configuration qui ne sont pas énantiomères. Autrement dit, des diastéréoisomères sont deux configurations d'une molécule chirale qui ne se sont pas images l'une de l'autre dans un miroir.
Les isomères géométriques d'une molécule ne sont pas superposables et ne sont pas images l'une de l'autre dans un miroir, ce sont donc des diastéréoisomères :
La diastéréosisomèrie apparaît aussi dans le cas de molécules comportant deux atomes de carbone asymétriques.
Stéréoisomèrie et molécule à deux atomes de carbone asymétriques
Une molécule comportant deux atomes de carbone asymétriques possède des énantiomères et des diastéréosisomères (sauf si elle présente un plan de symétrie). Pour les différencier, il faut identifier, dans les deux molécules, les atomes de carbone qui ont subi une inversion de configuration.
Si, d'une molécule à l'autre, les deux atomes de carbone asymétriques ont subi une inversion de configuration, les deux molécules sont images l'une de l'autre dans un miroir et sont donc des énantiomères :
Deux énantiomères du 1,2-dichloroéthan-1,2-diol
Si un seul des deux atomes de carbone a subi une inversion de configuration, les deux molécules ne peuvent pas être images l'une de l'autre dans un miroir et sont donc des diastéréoisomères :
Deux diastéréoisomères du 1,2-dichloroéthan-1,2-diol
D'où le récapitulatif suivant, où les atomes de carbone asymétrique ayant subi une inversion de configuration (par rapport à la première molécule en haut à gauche) sont indiqués par un astérisque rouge.
