Stéréochimie

CHIMIE ORGANIQUE
(Stage de pré-rentrée UE1)
Stéréochimie
des molécules organiques
Objectifs
• Révision ou découverte des différents moyens de représenter
les molécules.
• Définir la notion d’isomérie, et comprendre comment deux
molécules de même formule brute peuvent finalement être
différentes.
• Vous faire faire un peu de gymnastique mentale ! La
stéréochimie nécessitant une bonne vision dans l’espace, qui
peut s’entrainer.
Plan:
I – Représentations
1.1 - Formules brute, semi-développée, développée
1.2 - Formule topologique
1.3 - Représentation de Cram
1.4 - Représentation de Fischer
1.5 - Représentation de Newman
II – Isomérie
2.1 – Isomérie plane
2.2 - Stéréoisomérie
Ce petit bonhomme sexy
sera « vous » pendant
toute la durée de l’exposé.
I- Représentations
1. Formule brute
C3 H8
Très peu informative, elle indique le nombre et la
nature des atomes constituants la molécule.
2. Semi-développée
Précise comment les atomes sont agencés entre eux.
Elle ne donne AUCUNE information concernant leur
agencement dans l’espace !
H3C
CH2
CH3
3. Développée
Fait apparaitre les atomes d’hydrogène. Finalement
assez peu utilisée puisqu’elle peut amener assez
rapidement à des écritures très lourdes.
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
4. Formule topologique
• Les atomes d’hydrogènes ne sont pas représentés, les carbones étant
supposés tétravalents.
• Les atomes de carbone ne sont représentés que par des points et les
liaisons par des lignes brisées entre ces points.
• Les fonctions chimiques (COOH, OH…) sont explicitées.
H3C
CH2
CH3
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
CH2
HO
H3C
CH
HO
CH3
C
CH2
5. Représentation de Cram
Simple trait : Dans le plan
Triangle rempli : en avant, « vers vous »
Triangle haché : en arrière du plan
Cette représentation tient
compte de la stéréoisomérie
des molécules !
R représente un groupement quelconque
R
R
R
3
R
2
4
1
6. Représentation de Fischer
R
A partir de la représentation de Cram.
On se place entre R3 et R4
Et on regarde le carbone du centre.
R
2
R
3
R
1
4
On voit ceci :
R
R
2
R
3
R
R
1
4
On projette dans le
plan intermédiaire
R
2
3
R
R
1
4
R
Avec 2 carbones :
R
1
R
4
R
2
R
3
R
R
5
R
6
R
2
R
6
R
R
Si on est un peu poète…
Cette image pour que vous n’oubliez jamais que
les substituants latéraux sont en avant du plan !
1
4
3
5
A l’origine, cette représentation était prévue pour l’écriture de séries particulières, la
série des oses et la série des acide α-aminés.
Par convention, on représentera le carbone le plus oxygéné en haut.
•
Un exemple d’ose: l’érythrose
HOH2C
•
O
CHO
H
OH
OH
H
OH
HO
H
H
H
CH 2OH
Un exemple d’acide α-aminé: la L-alanine
COOH
COOH
H2N
H2N
H
CH3
H
H3C
NB: Pour les acides aminés, H et NH2 seront toujours les substituants latéraux (en avant)
Sur Fischer il est possible de :
-Permuter les substituants 2 à 2
R
R
2
R
3
R
R
4
=
R
3
2
R
1
R
1
4
-Permutation circulaire de 3 substituants
R
R
2
3
R
R
R
4
=
R
1
3
R
1
R
4
2
Application: Jusqu’à présent nous vous avons représenté les molécules « toutes propres »,
prêtes à être projetées selon les conventions de Fischer !
• Prenons cette fois un autre acide α-aminé, la D-Valine
Représentation de Fischer?
NH2
CH3
HOOC
H
CH3
7. Représentation de Newman
R
1
R
4
2
R
3
R
R
1
R R
4
Le carbone en avant est représenté
par un point. Le deuxième carbone
est représenté par un cercle.
2
R
6
R
R
3
R
5
5
R
6
Encore un petit exercice ! Comment représenteriez-vous la molécule suivante
selon les conventions de Newman?
(2 possibilités)
H
HO
H3C
CH3
H
HO
H3C
H
C2H5
H
C2H5
CH3
II- Isomérie
1. « Plane »
Composés ayant même formule brute
mais des formules semi-dev. différentes
Tautomérie
Composés ayant même formule brute et
même formule semi-dev.
Constitution
Conformation
Configuration
Composés identiques
(non dédoublables)
Composés différents
(dédoublables)
Fonction
Position
Enantiomérie
2. Stéréoisomérie
Diastéréoisomérie
Enantiomérie et diastéréoisomérie impliquent souvent des « carbones asymétriques » (Stéréoisomérie
R/S, D/L…). La diastéréoisomérie interesse également la configuration de doubles liaisons (Z/E…)
1.Isomérie Plane
• Isomérie de constitution
-de position : ex. C3H8O
OH
OH
H3C
CH
CH3
Propan-2-ol
H3C
CH2
CH2
Propan-1-ol = Propanol
-de fonction : ex. C3H6O3
HO
OH
H3C
CH
COOH
Acide lactique
HO
CH2 CH
CHO
Aldéhyde glycérique
• Tautomérie
Exemple d’équilibre tautomérique: la céto-énolisation (Ou aldo-énolisation)
O
OH
H3C
C
CH2
H3C
C
CH3
Il y a une perte d’un atome d’hydrogène et mouvement de la double
liaison: on passe d’un énol (alcool + double liaison) à une cétone ou un aldéhyde.
Sauf cas particulier, cet équilibre est en faveur de la forme cétone ou aldéhyde.
Mécanisme:
C’est le moment de réutiliser ce que nous avons vu tout à l’heure concernant
les effets électroniques !
• Les hydrogènes en position α d’un groupement carbonyle sont dits « labiles »
• Labilité = Fragilité particulière de la liaison C-H, ces carbones en α sont plus
acides.
• Une base faible (qu’on notera B-) parfois arracher un proton à l’un de ces
carbones: réaction acido-basique, que nous étudierons la prochaine fois.
O
H3C
C
O
CH 2
H3C
Formation d’un carbanion
H
B
-
C
CH2
BH
Ecriture + correcte de ce
qu’on a vu précédemment.
Flèche = déplacement de 2 e-
On peut écrire deux formes limites de résonnance:
O
H3C
C
CH 2
H3C
H
B
-
O
C
O
-
CH2
H3C
-
C
CH2
Ion énolate
Cette fois:
B
BH joue le rôle de l’acide, et l’ion énolate le rôle de la base.
OH
H
H3C
O
H3C
C
C
CH2
-
CH2
Remarque : la base B- est régénérée et
correspond à la définition d’un
catalyseur -> accélère la réaction sans
rentrer en compte dans le bilan final.
2.Stéréoisomérie
• Isomérie conformationnelle
Même molécule (non dédoublable).
Passage d’un conformère à un autre par simple rotation autour d’une liaison σ.
Demande peu d’énergie.
1
R
2
R
3
R
R
4
R
6
R
5
R
Conformation Eclipsée
1
5
R 6
R
2
R
3
R
R
4
Conformation décalée
La conformation décalé est plus stable car il y a moins d’interactions entre les
substituants. (phénomène de décompression stérique)
-
Conformation éclipsée
1
R
1
R R
4
R
2
6
R
3
R
-
R
5
R
5
R
2
R
R
3
R
6
Conformation décalée
R
R
1
5
R 6
R
2
R
3
R
4
R
4
R
R
1
5
R
2
R
R
4
6
3
• Cas du Cyclohexane
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Conformère Chaise
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Conformère bateau
Intermédiaire
H
H
H
H
H H
H
H
H
Conformère chaise
Conformère chaise plus stable que bateau car moins d’interactions entre les
substituants. (décompression stérique)
• Le cyclohexane correspond à un enchaînement cyclique de 6 atomes sp3.
Conséquence: Ils adoptent tous une géométrie tétraèdrique.
• Représentation spatiale d’un conformère chaise:
Liaison équatoriale
vers le haut
Liaison axiale vers
le haut
Liaison axiale vers
le haut
Liaison équatoriale
vers le haut
Liaison équatoriale
vers le bas
Liaison équatoriale
vers le bas
Liaison axiale vers le bas
• Changement de conformère chaise: - tout ce qui est vers le bas reste vers le bas,
tout ce qui est vers le haut reste vers le haut (Conservation de config absolue)
- tout ce qui est eq passe ax, et inversement
Le « bec bleu » passe en bas
Conformère chaise 1
H Méthyle équatorial
H
H
H
Méthyle axial vers le haut
CH3
H
vers le haut
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
Le « bec rouge » passe en haut
H
H
H
H
H
H
H
H
CH3
H
Conformère chaise 2
H
H
Le conformère pour lequel les
substituants volumineux sont placés en
équatorial est favorisé. (Ici le
conformère 2, dans une faible mesure)
• Isomérie configurationnelle
Ce sont 2 composés différents (dédoublables)
2 types :
a)
Enantiomérie
b)
Diastéréoisomérie
Ces deux notions reposent assez largement sur le concept de « carbone
asymétrique C* »: carbone ayant ses 4 substituants différents.
Dans un premier temps nous étudierons les règles de nomenclature
associées à ces carbones asymétriques.
- Nomenclature D/L
Elle détermine la configuration absolue
d’un C* particulier
Toujours à partir de la projection de Fischer.
Défini par référence au glycéraldéhyde
En Fischer: - l’énantiomère D du glycéraldéhyde a son groupement OH à droite
- l’énantiomère L a son groupement OH à gauche
Attention ! Aucune relation entre D/L et le pouvoir rotatoire (d/l)
Un composé D peut dévier la lumière polarisée:
A droite, il est dextrogyre (+)
A gauche, il est lévogyre (-)
Cette nomenclature ne s’applique que pour les
oses et acides aminés.
Pour les oses, en représentation de fischer.
Ex : Glucose CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO
La fonction la plus oxygénée en haut (CHO)
On détermine un ose de la série D
si son dernier OH est à droite
CHO
H
HO
OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
HO
H
H
OH
HO
H
CH 2OH
La plupart des Oses naturels sont D
CHO
D-Glucose
CH 2OH
L-Glucose (image de D)
Pour les Acides aminés : même principe
COOH
H2N
H
CH3
D-alanine
COOH
H
NH2
CH3
L-alanine
N’oubliez pas de bien représenter COOH en haut et CH3 en bas. (Erreur fréquente)
Exercice : Déterminez la série des oses suivants
CHO
CH 2OH
O
HO
H
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
HO
H
H
OH
HO
HO
CH 2OH
H
CH 2OH
H
CH 2OH
H
H
OH
OH
CHO
-Nomenclature R/S
On détermine la configuration absolue d’un C* à partir d’un
classement de ses substituants.
Classement basé sur les numéros atomiques (Z) des atomes liés au C*
(Convention de Cahn, Ingold et Prelog)
ZO = 8 > ZN = 7 > Zc = 6 > ZH = 1
NB: Dans le cas d’isotopes (de l’hydrogène souvent: deutérium D…), on classe par masse
atomique décroissante.
Pour commencer, on détermine l’ordre des constituants (analyse séquentielle),
on « éclate » les groupements.
• Analyse séquentielle de 1er ordre:
H
C2H5
HO
CH3
H
C
H
H3C
H
O
H
C
H
H
H
Le Z le plus fort est celui de O (Z=8), il est classé n°1.
Le Z le plus faible est celui de H (Z=1), il est classé n°4.
À partir du premier atome lié au C*, on ne peut rien dire concernant l’ordre de priorité de
CH3 et de C2H5 : passage à l’analyse séquentielle de 2ème ordre.
Maintenant, il faut déterminer qui de CH3 ou de C2H5 est prioritaire.
• Analyse séquentielle de 2ème ordre:
H
3
1
H3C
C
H
HO
CH3
H
C2H5
H
O
4
2
Il y a 3H contre 1C et 2H
Le Z de C est plus fort que celui de H
H
C
H
H
H
C2H5 est classé 2, CH3 est classé 3
Ensuite, on regarde du coté opposé au 4
On trace un cercle partant du 1, allant vers le 2 puis vers le 3
Si dans le sens des aiguilles d’une montre = R (Rectus)
Si dans le sens inverse des aiguilles d’une montre = S (Sinister)
3
3 C2H5
1
HO
H3C
H
2
4
1
S
2
Règle d’Or : Le substituant 4 doit TOUJOURS être en arrière
On peut aussi passer en Fischer (selon les goûts) :
1
1
3
3
4
2
Ne
pas
tenir
compte du 4 lors
de la rotation
2
R
4
Exercice: déterminez la série (D/L) et la configuration absolue de cet acide aminé.
COOH
H2N
CH 2OH
H
!!! Attention !!!
Si en Fischer, le 4 est sur l’horizontale on lit R
mais le C* est S (et inversément)
1
2
4
3
Cette erreur vient du fait qu’en Fischer les substituant
latéraux vont vers l’avant (souvenez-vous!), alors que le
groupement 4 doit toujours aller vers l’arrière !
Mais on sait qu’on fait une erreur, et donc on répond
l’inverse de ce qu’on trouve !
Pour l’anecdote…
Les propriétés chimiques de deux stéréoisomères ne sont pas toujours les mêmes !
En biochimie: Affinité des enzymes et des récepteurs différente +++ selon les stéréoisomères.
Ainsi, au niveau de la muqueuse nasale, le limonène peut avoir…
Une odeur d’orange
Une odeur de citron
Ces deux molécules sont reconnues par deux récepteurs différents dits stéréospécifiques,
dont les voies de signalisation sont associées à une perception différente au niveau du SNC.
a) Enantiomérie
-Isomérie optique, spécifique des molécules chirales
Une molécules chirale n’a ni plan, ni centre de symétrie, elle n’est pas
superposable à son image dans un miroir (ex de la main droite et de la main
gauche). Sinon, on parle de molécule achirale.
Une molécule chirale possède au moins 1 carbone asymétrique (noté C*).
Attention néanmoins: Si la molécule contient + d’un carbone asymétrique,
alors il faut rechercher un éventuel plan de symétrie.
Si plan de symétrie → molécule achirale !
Une molécule chirale dévie le plan de la lumière polarisé
.
On parle de pouvoir rotatoire.
Déviation vers la Droite, la molécule est Dextrogyre (d+)
Déviation vers la gauche , la molécule est lévogyre(l-)
Si une molécule Chirale dévie la lumière polarisé d’un angle +a (dextrogyre), son
image la déviera d’un angle -a (levogyre). Détermination toujours expérimentale.
Une molécule chirale n’est pas superposable à son image dans le miroir
Molécule 1 chirale
Molécule 2 chirale (Image de 1)
H
Cl
H
S
Br
CH3
H3C
Cl
R
Br
Ces 2 molécules sont dites énantiomères. (Un carbone R contre un carbone S).
Pour une molécule à 3 atomes de carbone asymétriques (R S S)
L’énantiomère sera (S R R).
b) Diastéréoisomérie
Tout couple de stéréoisomères n’étant pas liés par une relation d’énantiomèrie
sont des diastéréoisomères.
Si on reprend notre exemple de la molécule à 3 carbones asymétriques:
Si les configurations absolues de ses C* sont: R S S
S R R sera le seul énantiomère, tout le reste (S S S ou S S R ou R R S…) sera
diastéréoisomère.
Pour une molécule sans double liaison et sauf exception: n2 stéréoisomères.
n étant égal au nombre de carbones asymétriques.
Exercice récapitulatif
Soit le tétrose suivant:
OHC
CH2OH
H
HO
H
OH
1)
Proposer une représentation de Fischer correcte pour cet ose.
2)
En déduire sa série dans la nomenclature D/L.
3)
Donner la configuration absolue R/S de ses deux carbones asymétriques C2 et C3.
Combien existe-t-il de stéréoisomère possibles pour cette molécule?
4)
Connaissant le pouvoir rotatoire spécifique de son stéréoisomère [2S; 3R], est-il
possible de déduire son pouvoir rotatoire?
5)
La réduction de la fonction aldéhyde en fonction alcool (CHO → CH2OH) mène à
l’érythritol. A votre avis, est-il dextrogyre, lévogyre ou sans activité optique? Justifier.
-Nomenclature CIS/TRANS (en biochimie +++)
Pour les doubles liaison disubstitueés. (Avec 2 hydrogènes donc)
Remarque: Elle peut être utilisée également dans le cas de cycles (isomérie
cyclanique)
OH
HO
Groupements en cis
(même face moléculaire)
CH3
CH3
Groupements en trans (face
moléculaire opposée)
-Nomenclature Z/E
R
(en chimie organique +++)
1
R
R
2
R
3
4
On commence par déterminer la priorité des substituants d’après le n°
atomique de l’élément lié au C de la double liaison. (comme pour R/S)
Si les substituants de même priorité sont du meme côté = Z (Zusammen)
Si les substituants de même priorité sont du coté opposé = E (Entgegen)
Nb: Zusammen et Entgegen = « Ensemble » et « Séparé » respectivement en allemand
O
Exemple :
H
H
C
1H C
CH 2OH
3
C
2
H
1
C
2
CH2 CH3
C
C
H
H
Les deux 1 sont du même coté de la double liaison. Ce composé est Z.