Conformation et configuration des molécules

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N.B. Pour ce chapitre vous utiliserez un système de visualisation de modèles moléculaires appelé CHIME qui offre de nombreuses possibilités d'animation.
    - Pour faire tourner la molécule: bouton gauche de la souris appuyé
    - Pour zoomer la molécule (avant ou arrière): bouton gauche appuyé + touche majuscule (shift)
    - Pour appeler le menu contextuel, très riche: bouton droit de la souris.

3. Les isoméries de configuration

3.1. les isomères Z-E des alcènes (DIASTEREOISOMERIE)

Rappel: l'éthène ou éthylène de formule brute C₂H₄ est la molécule la plus simple de la famille des alcènes. Ceux-ci sont des hydrocarbures possédant une double liaison C=C.

3.1.1. Cas du but-2-ène

Formule brute C₄H₈

Formule semi-developpée CH₃-CH=CH-CH₃ (la double liaison C=C est entre le carbone n°2 et le carbone n°3)

 Il existe deux façons (et seulement deux) de disposer les groupes CH₃ et les atomes H autour de  la double liaison C=C

Z-but-2-ène	E-but-2-ène

3.1.2. Cas de l'acide butènedioïque

Nom officiel et nom courant	acide Z-butènedioïque ou acide maléique	acide E-butènedioïque ou acide fumarique
Température de fusion	130°C	287°C
Solubilité dans l'eau	790 g.L-1	7 g.L-1
Constantes d'acidité	pKa1 = 2,0 et pKa2 = 6,2	pKa1 = 3,0 et pKa2 =4,4

3.1.3. Généralisation

Possibilité de deux diastéréoisomères: l'isomère Z (zusammen: ensemble) et l'isomère E (entegegen: opposé)

3.2. Les configurations liées à un carbone asymétrique (ENANTIOMERIE)

3.2.1. Le carbone asymétrique

Considérons une molécule de bromochlorofluorométhane CHBrClF. Les quatre atomes liés au carbone sont différents.

Considérons maintenant une molécule de 3-éthyl-3-méthyl-octane C₃H_7-C*(C₂H₅)(CH₃)-C₄H₉. Les quatre groupes d'atomes (on dit substituants) autour du carbone marqué d'un * sont différents.

Dans les deux cas, les atomes de carbone considérés sont entourés de quatre substituants différents. On dit qu'ils sont asymétriques.

Autres exemples de molécules à carbone asymétrique: écrire leur formule semi-développée en mettant en évidence le C*

• Acide 2-hydroxypropanoïque ou acide lactique

• Alanine (un acide a aminé)

• Leucine (un autre acide a aminé)

• sucres du type glucose, galactose, fructose ...

3.2.2. L'énantiomérie

Considérons, par exemple, les modèles moléculaires du bromochlorofluorométhane. On constate que l'on peut construire deux modèles différents et seulement deux. Tout autre modèle que l'on voudrait construire est nécessairement identique à l'un des deux premiers que l'on peut observer ci-dessous.

Pour passer d'une molécule à l'autre, il faut casser deux liaisons (par exemple C-Cl et C-Br), inverser les positions des atomes substituants (Cl et Br) et reconstruire deux liaisons (C-Br et C-Cl). Il s'agit donc bien de deux stéréoisomères.

On dit que ce sont deux énantiomères.

Redisons le: on peut essayer toutes les combinaisons, on ne trouvera que deux énantiomères.

Conséquence: 1 C* Û 2 énantiomères

3.2.3. Chiralité des énantiomères

Deux énantiomères sont images l'un de l'autre dans un miroir.

On dit de ces molécules qu'elles sont chirales (mot dont la racine est d'origine grecque: kheir, la main, que l'on retrouve dans chiropractie, chiroptère, chiromancie). En effet, elles sont comme les deux mains d'un individu, symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan.

Remarques:

• de nombreux objets sont chiraux: mains, gants, tire-bouchon, casserole à bec verseur ...)

• si le C n'est pas asymétrique, il n'y a pas chiralité. Exemple avec le bromochlorométhane.
  Ces deux molécules sont identiques. Il suffit, pour s'en convaincre d'en faire tourner une de 180° autour de l'axe vertical C-Br. On notera que, dans cette molécule, il existe un plan de symétrie, le plan vertical qui contient les trois atomes Br, C et Cl. Le carbone central est donc, ici, "symétrique". Cette dernière observation explique le qualificatif d'asymétrique donné à un carbone doté de quatre substituants différents.
  

3.2.4. Comparaison des propriétés des énantiomères

• Certaines propriétés peuvent être identiques: Température d'ébullition, température de fusion, densité, solubilités ...

• Elles sont souvent différentes:
      - Propriété physique: action sur la lumière polarisée,
      - les propriétés  chimiques sont différentes:
              - l'odeur (ex: le citronellol dont l'un des énantiomères sent la citronelle, l'autre le géranium)
              - le goût( ex: l'aspartame qui a un goût sucré -d'où son utilisation comme édulcorant- alors que son énantiomère a un goût amer)
              - la réactivité dans les réactions catalysées (voir rôle des enzymes, d'où importance en biologie).