Isoméries et Stéréo-isoméries PDF

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Université Sidi Mohamed Ben Abdellah Faculté de Médecine COURS CHIMIE 1ère année des études médicales et de Pharmacie de Fès Isoméries et Stéréo-isoméries Pr Anissa LAHRICHI Isoméries et Stéréo-isoméries: Deux isomères sont deux composés qui ont la même formule brute qui diffèrent par : L’ordre ou la nature des liaisons (isomérie de constitution). La disposition des atomes dans l’espace (stéréoisomérie). (R)-ibuprofène: Inactif (S)-ibuprofène Actif: analgésique & anti-inflammatoire  I- Isomérie plane ou de constitution Isomères: Deux composés sont dit isomères s’ils ont la même formule brute mais qui ont des formules développées différentes. Les isomères ont des propriétés physiques, chimiques et biologiques différentes. Il y a trois types d’isomères de constitution: I- 1) Isomérie de chaîne: Les isomères de chaîne diffèrent entre eux par l’assemblage des atomes de carbone qui forment ce qu’on nomme la chaîne carbonée ou le squelette carboné de la molécule. Les fonctions qu’ils portent sont identiques et en nombre égal. Les propriétés chimiques de ces isomères sont très proches.  I-2) Isomérie de Position: Le déplacement d’une ou plusieurs fonctions sur une même chaîne carbonée conduit à des isomères de position. CH3 − CH − CH3 ou CH3 − CH2 − CH2 − OH OH Propan-2-ol (alcool sec) propane-1-ol (alcool prim) I-3) Isomérie de fonction: Les isomères correspondants diffèrent entre eux par la nature de leur(s) fonction(s) O CH3 − C − CH3 ou CH3 − CH2 − C O propanone propanal H II- Stéréoisomérie Les stéréoisomères sont des isomères qui ont:  même formule développée plane.  Ne diffèrent que par l’arrangement spatial (disposition géométrique) de leurs groupes ou atomes qui les composent. Il existe:  Les stéréoisomères conformationnels qui diffèrent par leurs conformations.  Les stéréoisomères configurationnels qui diffèrent par leurs configurations: - Les ÉNANTIOMÈRES. - Les DIASTÉRÉOISOMÈRES.  II- 1) Représentation spatiale des molécules II-1-1) Représentation projective ou convention de Cram: Concerne le carbone tétraédrique sp3, situé au centre du tétraèdre. Sa représentation spatiale sera la suivante : - Deux liaisons qui forment le plan de la molécule sont représentées par un trait continu. - Une liaison vers l’avant du plan, représentée par un petit triangle plein, dirigée vers l’avant. - Une liaison en arrière représentée par un triangle hachuré, dirigé vers l’arrière du plan. La et Lb forment le plan; Lc vers l’avant, Ld en arrière. II- 1- 2) Représentation de Newman de la molécule: Soit la molécule de C2H6 Elle consiste à voir la molécule dans l’axe de la liaison C1-C2.  Autour de C1 symbolisé par un point noir, se trouvent 3 liaisons C-H symbolisé par des traits rouges, espacées l’une de l’autre de 120°.  Le deuxième C2 est représenté par un cercle noir et les 3 liaisons de situent directement derrière les 3 liaisons de C1 symbolisé par des traits noirs. Cette représentation correspond à la conformations éclipsée. II- 1- 3) Représentation de Fischer: En projection de Fischer les liaisons sont représentées par des traits pleins verticaux et horizontaux, selon les conventions suivantes : Convention 1: Les traits verticaux indiquent les liaisons se trouvant dans le plan de la figure et qui s’éloignent de l’observateur. Les traits horizontaux indiquent les liaisons en avant du plan de la figure et qui se dirigent vers l’observateur. Convention 2: la chaîne carbonée la plus longue est placée verticalement et numérotée de haut en bas. Convention 3: La fonction la plus oxydée est orientée vers le haut. Exemple: Alamine II- 2) Stéréoisomerie conformationnelle, conformères ou rotamères II- 2-1) Définition: C’est l’arrangement spatial que peut prendre une molécule par simple rotation ( conformation) autour des liaisons simples. Les différentes molécules sont dites conformères. Il existe la conformation des composés cycliques et acycliques. II- 2- 2) Conformation des composés acycliques 1er exemple: l'éthane 2ème exemple: butane Plus stable Cas du butan-1,4- diol:  Liaison hydrogène Conformation décalée la plus stable II- 2- 3) Conformation des composés cycliques: Cyclohexane et ses dérivés: Conformation chaise et bateau Conformation chaise la plus stable. Liaisons axiales parallèles 2 à 2 Liaisons équatoriales parallèles 2 à 2 II- 3- Stéréoisomérie optique et énantiomères La plupart des énantiomères possèdent des propriétés physico- chimiques identiques, à l'exception de leur pouvoir rotatoire. Deux énantiomères purs font dévier le plan de la lumière polarisée d’une valeur égale mais en sens opposé. On dit que ces molécules sont optiquement actives ou douées de Pouvoir rotatoire.  II- 3- 1) Carbone asymétrique, chiralité et énantiomères: Carbone asymétrique: Carbone asymétrique possède 4 substituants différents. a≠b≠c≠d = système chiral Chiralité: Objet non superposable à son image dans un miroir plan. Une molécule contenant un seul carbone asymétrique est chirale.  Une main est un objet chiral. N.B. Une molécule contenant plus d’un carbone asymétrique n’est pas nécessairement chirale. Une molécule possédant un plan ou un centre de symétrie est achiral. Enantiomères: C’est la relation qui entre deux objets chiraux, images l’un de l’autre dans un miroir plan, mélange racémique: 50% 50%. Les 2 stéréoisomères, images non superposables, sont appelés énantiomères ou isomères optiques.  II- 3- 2) Règles de KAHN , INGOLD et PRELOG: Convention CIP Permettent de classer les substituants par ordre de priorité. Elles sont utilisées en stéréochimie: - Pour la détermination des stéréo descripteurs E, Z et R, S. Règles séquentielles: 1) Les 4 substituants directement liés au même carbone asymétrique sont classés par ordre de priorité selon leur numéro atomique Z: L'atome avec le numéro atomique le plus élevé aura la priorité la plus importante. 2) Les groupes sont placés dans l'ordre décroissant. 1) Si le numéro atomique (Z) de l'atome a directement lié au C* est supérieur à Z de l'atome b, alors a est prioritaire devant b. Si Z (a) > Z (b) alors (a) prioritaire devant (b) 2) En cas d'égalité: Pour l'atome directement lié au C*, appliquer la même règle que précédemment aux atomes adjacents. 3) Cas de liaison multiple: Les atomes doublement ou triplement liés comme rattachés une seconde ou une troisième fois à des atomes dupliqués. II- 3- 3) Application de la régle de CIP aux carbones asymétriques. permet de classer ces carbones selon leur configuration dite absolue en série R (du latin rectus, à droite) et en série S (du latin sinister, à gauche). Les règles à appliquer pour y parvenir sont les suivantes: 1. Ordonner les substituants du carbone asymétrique selon leur ordre de priorité (Z le plus élevé). 2. Regarder ensuite le triangle formé à partir des substituants classés 1, 2 et 3 selon leur ordre de priorité, de telle sorte que le quatrième substituant soit situé derrière le plan de ce triangle, par rapport à l’observateur.  Lorsque la rotation s’effectue dans le sens des aiguilles d’une montre (vers la droite), le carbone est dit de configuration absolue R.  Dans le cas contraire, vers la gauche, le carbone asymétrique est dit de configuration absolue S. II- 3- 4) Exemples de configuration absolueR et S: 2 4 1 3 Configuration R Configuration S R et S sont deux énantiomèrie = deux configurations images l'une de l'autre dans un miroir  II- 4) Stéréoisomérie géométrique et Diastéréoisomérie II- 4- 1) Définition de diastéréoisomères: Ce sont des stéréoisomères de configuration qui ne sont pas image l'un de l'autre dans un miroir. Ne possèdent pas les mêmes propriétés physico-chimiques à la différence des énantiomères. La diastéréoisomérie peut être due, soit à :  Présence d’une double liaison (isomérie géométrique plane).  Isomérie cyclanique Cis/Trans.  Existence de plusieurs carbones asymétriques. II- 4- 2) Stéréoisomérie géométrique plane Cis/trans; Z/E Diastéréoisomérie II- 4- 2- 2) Configuration cis et trans C'est une isomérie liée à la laison liaison éthylénique (Molécules ayant des structures rigides où pas de rotation possible. Exemple: (a et b ≠ H) 1 2 Classement selon la règle de Cahn Ingolg Prélog de a et de H portés par C1; de b et de H portés par C2. – Cis signifie atomes prioritaires “du même côté”. – Trans signifie atomes prioritaires “à travers”. II- 4- 2- 2) Configuration Z, E Cis et Trans ne peuvent pas être appliquées quand les 4 groupes sont différents. Soient : a ≠ b ≠ c ≠ d - si a > b et c > d Application: Régle séquentielle de CIP (2) H CH3 (2) (2) H CH3 (2) (1) CH3 F(1) (1) CH3 CO2Et (1) (Z)-2-fluorobut-2-ène (Z)-2-méthylbut-2-énoate d’éthyle  (E) 3-chloropent-2-ène (Z) 3-chloropent-2-ène Très important: Z et E ne sont pas superposables. Z et E ne sont pas image l’une de l’autre dans un miroir  Diastéréoisomères  II-4- 2- 3) Quelques applications de l’isomérie Z et E H CH2CH3 Cl C C CH3 Cl (Z)-3-chloropent-2-ène (E)-4-chlorohept-3-ène F CH2CH2CH3 C C CH3 Br (E)-3-bromo-2-fluorohex-2-ène Cl Br (Z)-5-bromo-6-chloro-3-éthyldéc-5-ène  II- 4- 2- 4) Gène stérique dans les Alcènes: gêne stérique est l’interférence causée par les substituants trop proches l’un de l’autre. cis-but-2-ène trans-but-2-ène Plus de gêne stérique, Moins de gêne moins stable. stérique, plus stable. II- 4- 3 stéréoisomérie cyclanique Cis trans: Cas du cyclohexane: Cl Cl Br Br Configuration trans Configuration cis Cl et Br sur liaisons axiales Cl sur liaison axiale Br liaison équatoriale II- 4- 4 stéréoisomérie des composés à plusieurs carbones asymétriques: La diastéréoisomérie dans ce cas est dû à la présence de 2 (ou plus) C* dans une molécule notamment les composés naturels: sucres, acides aminés... - Une molécule contenant plus d’un C* n’est pas nécessairement chirale. - Pour une structure donnée, il n’existe qu’une molécule image dans un miroir; les autres structures possibles sont des diastéréoisomères. - Quand une molécule possède n C*, il peut exister 2n stéréo-isomères. Remarque: Si certains substituants sont identiques ce nombre maximal ne sera pas atteint (car le nombre d'arrangements possible est plus petit).