STEREOCHIMIE

On appelle isomères des composés qui ont même formule brute mais qui différent par l’ordre ou la nature des liaisons entre les atomes, par la disposition des atomes dans l’espace

I - ISOMERIE DE CONSTITUTION I–1 Définition Des isomères de constitution sont des isomères qui ont une formule semi développée différente I–2 Isomérie de chaîne Des isomères de chaine ont un enchaînement des atomes de carbone différent

I–3 Isomérie de position Des isomères de position ont la même chaîne carbonée, même fonction mais la position du groupe fonctionnel sur le squelette est différente

I–4 Isomérie de fonction Des isomères de fonction ont des groupes fonctionnels différents Les propriétés chimiques des isomères de fonction sont différentes.

II - STEREOISOMERIE : GENERALITES II-1 Définition Des stéréoisomères sont des isomères qui ne diffèrent que par l’arrangement spatial des atomes On distingue deux types de stéréoisomères : Stéréoisomères de conformation Stéréoisomères de configuration

II - STEREOISOMERIE : GENERALITES II-2 Représentations des molécules II-2-a Représentations spatiales Sur ordinateur, différentes représentations peuvent être utilisées (fil de fer, bâtonnets, boules et bâtonnets, modèle compact)

Modèle fil de fer ou squelette Modèle bâtonnets Modèle boules et bâtonnets Modèle compact

II-2-b Représentation plane des structures spatiales Exemple : 1,2-dichloro-1-iodo-2-bromoéthane Représentation en perspective

II-2-b Représentation plane des structures spatiales Exemple : 1,2-dichloro-1-iodo-2-bromoéthane Représentation de Cram ou conventionnelle

Dans le plan Cl Cl Br En avant En arrière I H H II-2-b Représentation plane des structures spatiales Exemple : 1,2-dichloro-1-iodo-2-bromoéthane Représentation de Cram ou conventionnelle Dans le plan Cl Cl Br En avant En arrière I H H

Cl H Cl Br I Cl Br H I Cl Br I H H II-2-b Représentation plane des structures spatiales Représentation de Newman Cl H Cl Br I Cl Br H I Cl Br I H H Chemdraw 3D

Remarque Cl Br H I Cl H I Br ≠ A ≠ B

III – STEREOISOMERES DE CONFIGURATION III-1 Définitions III-1-a Stéréoisomères de configuration Des stéréoisomères de configuration sont des stéréoisomères dont le passage de l’un à l’autre nécessite la rupture d’une liaison III-1-b Enantiomères Deux stéréoisomères de configuration sont énantiomères s‘ils sont images l'un de l'autre dans un miroir

A et B sont énantiomères Exemple : en représentation de Newman A et B sont énantiomères

A et B sont diastéréoisomères III – STEREOISOMERES DE CONFIGURATION III-1 Définitions III-1-c Diastéréoisomères Deux stéréoisomères de configuration sont diastéréoisomères s‘ils ne sont pas images l'un de l'autre dans un miroir A et B sont diastéréoisomères A B Cl Br H I Cl H I Br

C et D sont diastéréoisomères III – STEREOISOMERES DE CONFIGURATION III-1 Définitions III-1-c Diastéréoisomères Deux stéréoisomères de configuration sont diastéréoisomères s‘ils ne sont pas images l'un de l'autre dans un miroir C et D sont diastéréoisomères téb = 48°C téb = 60°C µ = 0 D µ = 1,89 D C D Les diastéréoisomères ne sont pas superposables, ils sont séparables et ont des propriétés différentes : températures de changement d'état, moment dipolaire,....

III – STEREOISOMERES DE CONFIGURATION III-2 Stéréoisomérie optique III-2-a Chiralité Une molécule est chirale lorsqu'elle n'est pas superposable à son image dans un miroir

Exemple : acide 2-hydroxypropanoïque formule topologique On appelle substituant un atome ou groupe d’atomes lié à un atome d’étude Un atome de carbone tétragonal (AX4E0) est dit asymétrique s’il est lié à 4 substituants différents , il est noté C*

* * 1 des 2 stéréoisomères

molécules chirales, énantiomères  180° molécules chirales, énantiomères

Un carbone asymétrique n’est pas superposable à son image dans un miroir La présence d’1 carbone asymétrique unique rend la molécule chirale Si une molécule présente plusieurs carbones asymétriques, elle peut être chirale ou achirale Dans certains cas bien particuliers, une molécule peut être chirale sans présenter de carbone asymétrique

Une molécule chirale et son énantiomère ont les mêmes propriétés physiques et chimiques mais des propriétés biochimiques et une propriété optique différente: Elles font tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée d’un angle opposé. On dit qu’elles sont optiquement actives Un mélange contenant 50% de chaque énantiomère est appelé mélange racémique, il n’a aucun effet sur la lumière polarisée

Propriétés biochimiques différentes :

2 énantiomères ont même nom : acide 2-hydroxypropanoïque Or ce sont des molécules différentes. Il faut les nommer différemment : On les distinguera en donnant la configuration absolue du carbone asymétrique (R ou S) en utilisant les règles de priorité décrites par Cahn Ingold Prelog

Z(O) > Z(N) > Z(C) > Z(H) III-2-b Règles de Cahn, Ingold Prelog Règle 1 : Un atome de numéro atomique (Z) plus élevé a la priorité sur un atome de numéro atomique plus faible CH2OH OH NH2 H Z(O) > Z(N) > Z(C) > Z(H) 1 2 3 4

III-2-b Règles de Cahn, Ingold Prelog Quand deux substituants directement liés au centre étudié (substituant de premier rang) ont même priorité, on examine les atomes qui leur sont liés (deuxième rang).

* III-2-b Règles de Cahn, Ingold Prelog Règle 3 : Si au rang n°2, on ne peut pas conclure, on choisit la route prioritaire correspondant à l'atome prioritaire. Dans le cas où il n'y aurait pas d'atome prioritaire, on étudie les branches prioritaires jusqu'à la première différence. *

III-2-b Règles de Cahn, Ingold Prelog Les liaisons doubles et triples sont traitées comme si elles étaient saturées. Pour deux atomes doublement liés, on attache à chacun d'eux une réplique de l'autre atome. Pour deux atomes triplement liés, on attache à chacun d'eux deux répliques de l'autre atome

III-2-c Configuration absolue d’un carbone asymétrique : R ou S On classe les substituants selon les règles de préséance de Cahn, Ingold et Prelog (N° 1>2>3>4)

III-2-c Configuration absolue d’un carbone asymétrique : R ou S On classe les substituants selon les règles de préséance de Cahn, Ingold et Prelog (N° 1>2>3>4) On regarde la molécule suivant l'axe de la liaison C*(4)

III-2-c Configuration absolue d’un carbone asymétrique : R ou S On classe les substituants selon les règles de préséance de Cahn, Ingold et Prelog (N° 1>2>3>4) On regarde la molécule suivant l'axe de la liaison C*(4) R Si la rotation (1) vers (2) vers (3) se fait dans le sens des aiguilles d'une montre, le carbone asymétrique est dit R ("rectus")

III-2-c Configuration absolue d’un carbone asymétrique : R ou S On classe les substituants selon les règles de préséance de Cahn, Ingold et Prelog (N° 1>2>3>4) On regarde la molécule suivant l'axe de la liaison C*(4) R S Si la rotation (1) vers (2) vers (3) se fait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le carbone asymétrique est dit S (« sinister")

III-2-c Configuration absolue d’un carbone asymétrique : R ou S Acide (R)-2-hydroxypropanoïque Acide (S)-2-hydroxypropanoïque

III-2-d Cas des molécules à deux carbones asymétriques  Cas de deux carbones asymétriques non identiques Il existe 2 configurations pour chaque atome de carbone soit 4 stéréoisomères (2n avec n nombre de C ici égal à 2) énantiomères R,R S,S Diastéréoisomères énantiomères R,S S,R

Exemple : 3-chlorobutan-2-ol CH3-CHOH-CHCl-CH3 * * * * ou mieux

Exemple : 3-chlorobutan-2-ol CH3-CHOH-CHCl-CH3 1 des 4 stéréoisomères :

Exemple : 3-chlorobutan-2-ol CH3-CHOH-CHCl-CH3 Permutation de 2 substituants Permutation de 2 substituants énantiomères (2R,3R) (2S,3S)

Exemple : 3-chlorobutan-2-ol CH3-CHOH-CHCl-CH3 énantiomères (2R,3R) (2S,3S)

Permutation de 2 substituants Exemple : 3-chlorobutan-2-ol CH3-CHOH-CHCl-CH3 énantiomères (2R,3R) (2S,3S) Permutation de 2 substituants Sur C3 Diastéréoisomères énantiomères (2S,3R) (2R,3S)

 Cas de deux carbones asymétriques portant exactement les mêmes substituants

Exemple : HOOC-CHOH-CHOH-COOH énantiomères

Exemple : HOOC-CHOH-CHOH-COOH énantiomères =

= Exemple : HOOC-CHOH-CHOH-COOH énantiomères Dans ce cas, il existe seulement 3 stéréoisomères : R, R et S, S qui sont des énantiomères R, S qui possède un plan de symétrie donc achirale Dia Dia = Le stéréoisomère R,S est appelé composé MESO: c’est une molécule qui présente plusieurs C* avec des substituants identiques et qui est achirale Propriété : molécule optiquement inactive

III-2-e Complément : séparation de 2 énantiomères

III-3 Stéréoisoméres Z-E but-2-ène isomère E isomère Z Si les substituants prioritaires sont de part et d'autre de la double liaison, c'est l'isomère E (Entgegen : contraire) Si les substituants prioritaires sont d'un même coté de la double liaison, c'est l'isomère Z (Zusammen : ensemble)

III-3 Stéréoisoméres Z-E but-2-ène diastéréoisomères isomère E isomère Z Si les substituants prioritaires sont de part et d'autre de la double liaison, c'est l'isomère E (Entgegen : contraire) Si les substituants prioritaires sont d'un même coté de la double liaison, c'est l'isomère Z (Zusammen : ensemble)

2-chlorobut-2-ène Dans le cas où les deux atomes de carbone possèdent des substituants différents, il faut identifier le substituant prioritaire sur chaque C en utilisant les règles de Cahn, Ingold, Prelog

III-3 Stéréoisoméres Z-E 2-chlorobut-2-ène 1 2 Dans le cas où les deux atomes de carbone possèdent des substituants différents, il faut identifier le substituant prioritaire sur chaque C en utilisant les règles de Cahn, Ingold, Prelog

III-3 Stéréoisoméres Z-E 2-chlorobut-2-ène 1 1 2 2 isomère Z Dans le cas où les deux atomes de carbone possèdent des substituants différents, il faut identifier le substituant prioritaire sur chaque C en utilisant les règles de Cahn, Ingold, Prelog

III-3 Stéréoisoméres Z-E 2-chlorobut-2-ène 1 2 1 1 2 2 1 2 isomère Z isomère E Dans le cas où les deux atomes de carbone possèdent des substituants différents, il faut identifier le substituant prioritaire sur chaque C en utilisant les règles de Cahn, Ingold, Prelog

III-4 Stéréoisomérie cis-trans des cycles Pour un composé cyclique, les substituants peuvent se trouver d'un même coté du plan moyen du cycle ou de part et d'autre Si les substituants sont d'un même coté du plan moyen du cycle, il s'agit de l'isomère cis Si les substituants sont de part et d'autre du plan moyen du cycle, c'est l'isomère trans Cis Trans

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION Des stéréoisomères de conformation sont des stéréoisomères dont le passage de l’un à l’autre ne nécessite pas la rupture d’une liaison mais se fait par simple rotation autour des liaisons simples Les isomères de conformation ne sont pas séparables

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-1 Le 1,2-dichloroéthane CH2ClCH2Cl La courbe d'énergie du 1,2-dichloroéthane montre que les formes les plus stables correspondant à l'énergie minimale, sont les formes décalées 60° 180°

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-1 Le 1,2-dichloroéthane CH2ClCH2Cl Les formes éclipsées ont une énergie plus forte 0° 120°

Conformation Chaise et Bateau IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-2 Le cas du cyclohexane Conformation Chaise et Bateau Conformation Chaise du Cyclohexane Conformation Bateau du Cyclohexane Conformation Chaise du Cyclohexane

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-2 Le cas du cyclohexane Dessiner un cyclohexane en conformation Chaise avec les atomes d’hydrogène

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-2 Le cas du cyclohexane Dessiner un cyclohexane en conformation Chaise avec les atomes d’hydrogène

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-2 Le cas du cyclohexane Dessiner un cyclohexane en conformation Chaise avec les atomes d’hydrogène

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-2 Le cas du cyclohexane Dessiner un cyclohexane en conformation Chaise avec les atomes d’hydrogène

IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-2 Le cas du cyclohexane Dessiner un cyclohexane en conformation Chaise avec les atomes d’hydrogène

Conformation Chaise et Bateau avec les atomes d’hydrogène IV – STEREOISOMERES DE CONFORMATION IV-2 Le cas du cyclohexane Conformation Chaise et Bateau avec les atomes d’hydrogène Film 1 basculement utilisant conf. bateau Film2 basculement simultané

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman

Représentation en Newman avec un groupement Conformation avec un groupement en position axiale peu favorisée (moins stable qu’en position équatoriale)

EXERCICE N°40