FC5a-Isomérie et Chiralité PDF

Isomérie et chiralité Professeur : JEANMAIRE FC N°5a Date : 05/09/2023 SOMMAIRE I. ISOMERIE................................................................................................................................................................................. 1 1. UN CARBONE ASYMETRIQUE...

Isomérie et chiralité Professeur : JEANMAIRE FC N°5a Date : 05/09/2023 SOMMAIRE I. ISOMERIE................................................................................................................................................................................. 1 1. UN CARBONE ASYMETRIQUE(C*) PERMET DE DEFINIR UNE RELATION D ’ISOMERIE .................................................................................... 2 2. CONFIGURATION R ET S ............................................................................................................................................................ 3 3. COMMENT TROUVER LA DIFFERENCE ENTRE 2 ISOMERES, ET LA NOMMER ? ............................................................................................ 4 II. ISOMERIE DE CONSTITUTION.................................................................................................................................................. 5 III. STEREOISOMERIE .................................................................................................................................................................. 6 En cas de questions sur ce cours, vous pouvez écrire à l’adresse suivante : [email protected] Les règles de courtoisies sont à respecter lors de l’envoi d’un mail. L’équipe des tuteurs se réserve le droit de répondre ou non à un mail. En cas de questions récurrentes, les tuteurs pourront faire un point lors des colles hebdomadaires. I. Isomérie L’isomérie caractérise les relations structurales entre les structures chimiques. Deux isomères correspondent à 2 structures chimiques différentes, de même formule brute Tous les composés C8H10O sont isomères (les uns des autres) car ils ont la même formule brute : Exemple : le (R)-1-phénylethanol et le (S)-1-phénylethanol ont la même représentation plane, mais leurs représentations en 3D ne sont pas identiques donc pas superposables. Deux isomères sont toujours isomères de « … » (ce qui signale la différence). Le sens de cheminement du (R)-(+)-1-phénylethanol commence par le groupement OH puisque l’oxygène est l’atome le plus lourd, suit le cycle puisque le Carbone relié au cycle compose un groupement plus lourd que le Carbone relié à 3 hydrogènes. Le dernier groupe est donc le CH3. On tourne dans le sens des aiguilles du monde donc la configuration de la molécule est bien R. C’est l’inverse pour le (S)-(+)-1-phénylethanol. 1 1. Un carbone asymétrique(C*) permet de définir une relation d’isomérie C’est un carbone sp3 (= 4 liaisons simples) relié à 4 entités toutes différentes. Exemple : ces carbones sont-ils asymétriques ? De gauche à droite : Figure 1 = non car il y a une double liaison le carbone n’est donc pas hybridé sp3 mais sp2 et n’est pas tétraédrique Figure 2 = oui car il y a 4 entités différentes, Figure 3 = non car en le carbone qui est fléché est relié à CH2-CH2-CHOH-CH2-CH2 qu’on parte de la droite ou de la gauche Figure 4 = oui car en partant de la droite on a CH2-CH-Cl alors que lorsque l’on part de la gauche on a CH2CH2- CH2-C-Cl les 4 composés lié au carbone fléché sont donc différents. 2 2. Configuration R et S D’après le professeur Jeanmaire, savoir reconnaître les configurations R et S est hors programme. Cependant, je laisse volontairement les explications ci-dessous et je cite les différents exemples expliqués tout le long du cours par le professeur puisqu’il se pourrait qu’il mette quand même une molécule « simple » pour laquelle il vous faudra savoir si sa configuration est R ou S. J’ai donc rajouté des flèches rouges pour montrer le sens de cheminement. Les configurations R et S ne sont pas superposables. Elles sont induites par le := carbone asymétrique. Comment déterminer une configuration R ou S ? • Les atomes ont un ordre de priorité en fonction de leur poids. Généralités • On peut numéroter les entités du carbone asymétrique de 1 à 4 en fonction de leur priorité. • L’oxygène est le plus lourd, c’est celui qui a la priorité. • L’hydrogène est le plus léger, il sera toujours le numéro 4. • Affecter un ordre de priorité aux 4 entités autour du carbone asymétrique (de 1 à 4) en fonction de leurs numéros atomiques (priorité 1 au plus élevé). Attribuer la configuration R ou S • Se représenter la molécule dans l’espace de sorte que l’entité de priorité 4 soit à l’arrière du plan • Déterminer le sens de cheminement 1 => 2 => 3 • Dans le sens des aiguilles d’une montre : R • Dans le sens inverse : S Pouvoir rotatoire • L’indication (+) ou (-) dans le nom du composé indique dans quel sens il dévie la lumière polarisée. • (+) = dévie la lumière polarisée à droite = dextrogyre (-) = dévie la lumière polarisée à gauche = lévogyre 3 3. Comment trouver la différence entre 2 isomères, et la nommer ? Constitution = enchainement d’atomes (formules planes et noms différents) Stéréoisomère = isomères dans l’espace (mêmes formules planes et même noms) Cet arbre décisionnel est à apprendre par cœur ✪✪✪. Une fois que vous connaîtrez ce tableau, entraînezvous le plus possible et vous maîtriserez l’isomérie. 4 II. Isomérie de constitution Deux isomères de constitutions ont des formules planes différentes mais une formule brute identique. Exemple du 1-phényléthanol et du 2-phényléthanol : Remarque : Si les noms sont différents, les formules développées (planes) sont différentes. Dans cet exemple on voit bien que le 2-phényléthanol porte le OH sur le CH2 alors que l’autre le porte sur un CH. Exemple du 2-phényléthanol et du (S)-1-phényléthanol : Remarque : les 2 ont la même formule brute donc on est dans une relation d’isomérie. Ici les noms ne sont pas les mêmes, les formules planes sont différentes, il s’agit d’une relation d’isomérie de constitution. Exemple du R-1-phényléthanol et du S-1-phényléthanol : Remarque : Ici les formules brutes et les formules planes sont identiques, ce sont donc des stéréoisomères. Il y a la présence d’un carbone asymétrique donc d’un élément stéréogène. La configuration de ce carbone asymétrique est inversée (R pour l’un, S pour l’autre), ce sont donc des isomères de configuration et plus précisément des énantiomères (car il n’y a qu’un carbone asymétrique). 5 III. Stéréoisomérie Deux stéréoisomère ont des formules planes identiques, ils différent par l’arrangement de leurs atomes dans l’espace. La présence ou non d’un élément stéréogène permet de caractériser cette stéréoisomérie. Un élément stéréogène (ou unité stéréogénique) est un élément structural induisant l’existence de deux composés, isomères de configuration, pour une même formule plane. Attention piège classique ne pas confondre conformation et configuration ; conformation et constitution. La chiralité sera vue dans un autre cours mais bien retenir qu’un élément stéréogène n’est pas forcément inducteur de chiralité. ICI LA DL N’EST PAS INDUCTRICE MAIS LE CARBONE ASYMETRIQUE INDUIT LA CHIRALITE. Exemple du R-1-phényléthanol et du S-1-phényléthanol : 6 Remarque : Ici les formules brutes et les formules planes sont identiques, ce sont donc des stéréoisomères. Il y a la présence d’un carbone asymétrique donc d’un élément stéréogène. La configuration de ce carbone asymétrique est inversée (R pour l’un, S pour l’autre), ce sont donc des isomères de configuration et plus précisément des énantiomères (car il n’y a qu’un carbone asymétrique). En raisonnant avec l’arbre décisionnel voici le cheminement Exemple du butan-2,3-diol : (même raisonnement) Le butan-2,3-diol comporte 2 carbones* en position 2 et 3. 7 Ex du 1-fluoroethanol Le 1-fluoroethanol comporte 1 carbone * Exemple d’un alcane : Ici, ces deux molécules ont la même formule brute, la même formule plane mais ne possèdent pas d’élément stéréogènes, ce sont donc des isomères de conformation. L’alcane de gauche correspond à la forme la plus stable puisque les CH3 sont plus éloignés que pour l’alcane de droite. En effet, les CH3 se répulsent. Par conséquent, 2 isomères de configuration représentent 2 composés différents, mais 2 isomères de conformation représentent le même composé, ce sont des molécules non isolables l’une de l’autre (il n’y a pas de différence de configuration mais seulement une rotation d’une liaison simple sigma). On peut donc passer de l’une à l’autre en tournant les liaisons. Alors que pour les isomères de configuration, il faudrait casser des liaisons. Cependant même s’il s’agit du même composé, il présente différentes formes liées aux rotations autour des liaisons simples (voir flèche sur schéma). Ces formes n’ont pas le même poids. D’où l’intérêt de la notation du Newman (ci-dessus) pour différencier les différentes formes mais aussi les encombrements stériques (la place que prenne les groupements de la molécule). 8 Selon le nombre d’éléments stéréogènes on peut obtenir plusieurs configurations différentes : • 1 élément stéréogène : o 2 configurations différentes : R ou S pour un C*, E ou Z pour une double liaison (DL) o 2 isomères de configurations Exemple du butan-2-ol : Exemple du but-2-ène : Remarque : pour les doubles liaisons on ne parle que de diastéréoisomères. • Si n éléments stéréogènes : o 2 configurations différentes par élément stéréogène o 2n configurations différentes o 2n isomères de configuration Petit point culture G : Pour une autorisation de mise sur le marché d’un médicament, on doit synthétiser l’entièreté des isomères de configuration de la molécule active. Exemple du 4-chloro-3-fluoropentan-2-ol : Il possède 3 carbones asymétriques donc 8 (23) isomères de configuration. 9 Les isomères de configuration qui ne sont pas énantiomères sont diastéréoisomères, par ex (2R,3S,4R) et (2R,3R,4R). On rappelle que pour avoir un couple d’énantiomères, on doit avoir une inversion de configuration sur tous les éléments stéréogènes (ici des 3 carbones asymétriques). Exemple du butane-2,3-diol : Le nombre d’isomères de configuration est plus faible que celui attendu s’il y a présence d’élément de symétrie dans la structure. Il y a deux composés qui seront identiques : les composés méso (R, S et S, R). Ici le butane-2.3-diol est symétrique puisque ses deux carbones asymétriques portent les mêmes constituants. Applications de cours : • Dans les couples de molécule de B1-B4 et B7-B8, lesquels sont des isomères de constitution ? 10 B1 : les deux molécules ont la même formule brute mais des formules planes différentes, ce sont bien des isomères de constitution. B2 : les deux molécules ont la même formule brute mais des formules planes différentes, ce sont bien des isomères de constitution. B3 : les formules brutes des deux molécules sont différentes, on ne peut donc pas parler d’isomérie. Ce ne sont pas des isomères de constitution. B4 : les deux molécules ont la même formule brute et la même formule plane différente, ce sont donc des isomères de configuration. Le carbone de la première molécule a une configuration R et celui de la deuxième molécule une configuration S. Ce sont des énantiomères et non des isomères de constitution. B7 : les deux molécules ont la même formule brute mais des formules planes différentes, ce sont bien des isomères de constitution. B8 : les deux molécules ont la même formule brute et la même formule plane différente et la même configuration, ce sont donc des isomères de conformation et non des isomères de constitution. • Les molécules suivantes sont-elles des isomères de conformation ? Les deux molécules ont la même formule brute et la même formule plane différente et la même configuration, ce sont donc des isomères de conformation. 11