Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE 1 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Des composés sont dits isomères s’ils ont la même formule brute, mais des structures différentes Isomères Isomères de constitution Stéréo-isomères - Isomère de chaîne - Isomère de conformation - Isomère de position - Isomère de configuration - Isomère de fonction 2 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE I- ISOMERIE DE CONSTITUTION I-1- Isomères de chaîne Les isomères de chaîne se diffèrent par la chaîne carbonée principale. CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH et CH 3 -CH 2 -CH-CH 2 -OH CH 3 I-2-Isomères de position Ces isomères se diffèrent soit par la position de la fonction, soit d’un substituant sur la même chaîne principale CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH et CH3-CH2-CH-CH2-CH3 OH I-3-Isomères de fonction Ces isomères se diffèrent par la nature du groupement fonctionnel. CH3-CH2-O-CH2-CH2-CH3 Ether CH3-CH2-CH-CH2-OH CH3 Alcool 3 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE II. STEREOISOMERIE II-1- Isomérie de conformation II-1-1- Représentation en projective a) Cas d’un seul carbone hybridé sp3 H liaison dans le plan liaison en arrière C H H liaison en avant H b) Cas deux carbones hybridés sp3 H H C Libre rotation autour de la liaison simple σ. C H H H H 4 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III II-1-2- Représentation de Newman Les conformations d’une molécule sont les dispositions spatiales obtenues par libre rotation autour d’une liaison simple σ. La représentation de Newman permet de déterminer ces différentes conformations. Pour représenter une molécule selon Newman, on procède de la manière suivante : H CH3 CH3 OH .. H H H O eil H .. H CH3 OH OH H H conformation décalée .. H H HH conformation éclipsée 5 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III ϴ=0° ϴ=60° ϴ=180° CH3 CH3 H H H HO H H 180° 60° H H OH H conformation décalée gauche Conformation éclipsée totale conformation décalée anti La conformation décalée anti est la plus stable tandis que éclipsée totale est la moins stable. 6 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Les différentes conformations du cyclohexane a a e a e e 4 . 4 .1 1 a a a e e a conformation bateau a e . e e 1 a conformation chaise inversée a a conformation chaise . e e e e a 4 Lors du passage de la conformation chaise à la conformation chaise inversée, les liaisons qui étaient axiales deviennent équatoriales et inversement. Le conformère le plus stable du cyclohexane est le conformère chaise car il y’a moins de gènes stériques que dans la conformation bateau 7 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Remarque En général, le conformère le plus stable pour le cyclohexane substitué est celui qui présente les subtituants en positions équatoriales. Exemple : H H H C H H H H C H H H Le méthyle en position axiale engendre des gènes stériques avec les hydrogènes axiaux du cycle Le méthyle en position équatoriale est éloigné du cycle et donne le conformère le plus stable 8 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III II-2- Isomérie de configuration La configuration est la disposition spatiale des divers atomes molécule considérée comme rigide. et liaisons de la II-2-1- Configurations R et S Il existe deux stéréoisomères différents possibles pour le glycéraldéhyde CHO CHO H H HOH2C OH C H 2O H OH m iroir Ces deux stéréoisomères sont images l’un de l’autre par rapport à un miroir plan et non superposables. Le pouvoir rotatoire de ces deux stéréoisomères est différent. 9 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Activité optique Le pouvoir rotatoire est la propriété qu'ont certaines molécules à dévier la lumière polarisée les traversant d’un angle (α). C HO H HOH 2 C OH Dextrogyre, lévogyre L’un des deux stéréoisomères du glycéraldéhyde dévie la lumière polarisée vers la droite d’un angle (+α ) il est dit : dextrogyre noté d ou (+). Le deuxième dévie la lumière vers la gauche d’un angle (- α ) il est dit : lévogyre noté ℓ ou (-). Chaque stéréoisomère du glycéraldéhyde est dit : - optiquement actif - chiral 10 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE La chiralité Des molécules chirales ( optiquement actives) sont des molécules qui ne sont pas superposables à leurs images par rapport à un miroir plan. La chiralité des molécules organiques est liée généralement à : - l’absence de plan, d’axe ou de centre de symétrie. - la présence d’un ou de plusieurs carbones asymétriques: mais il existe des exceptions 11 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE II-2-1-1- Règles séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) Pour distinguer les stéréoisomères entre eux autrement que par expérience on a introduit une nouvelle nomenclature appelée : configuration absolue. Des règles sont établies pour déterminer la configuration absolue d’un carbone asymétrique : règles de Cahn, Ingold et Prelog (CIP). Carbone asymétyrique Un carbone asymétrique, signalé par C*, est un carbone lié à quatre substituants différents. CH C 3 * CH3 ≠ OH ≠Cl ≠H H Cl O H 12 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Règle 1 Les substituants directement liés au carbone asymétrique sont classés dans l’ordre décroissant de leur numéro atomique (Z). CH3 C -Cl > -OH > -CH3 > -H * > : prioritaire H Cl OH 13 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Règle 2 Lorsque deux substituants sont liés au carbone asymétrique par des atomes identiques on compare les atomes au deuxième rang (position), puis au troisième rang, jusqu’à ce qu’une différence apparaisse. 2èmerang 1errang 3èmerang C H H H H H CH3 CH2CH3 C C H H5C2 H CH3 C OH OH > C2H5 > CH3 > H 1 2 3 4 H H OH O H H H > prioritaire 14 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Règle 3 Les liaisons multiples sont considérées comme des liaisons simples avec des atomes fantômes, représentés entre parenthèses, ayant le même numéro atomique qu’un atome réel mais sans suite. 2 ème rang 1 er rang 3 ème rang CHO O C C H H C (O) O (C) H H CH 2 OH HO CH 2 OH C O H H -OH > -CHO > -CH 2 OH > - H 4 2 1 3 OH O H H H 15 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III II-2-1-2- Configuration absolue d’un carbone asymétrique en projective 1 C* 1 4 * 3 2 * 2 4 3 1 3 4 1 2 Rectus : droit 2 3 Sinister : gauche 16 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE 1°) Si le substituant classé (4) se trouve en arrière du plan, on lit directement et on note la configuration. 3 C2H5 R 2 HO CH3 4 Cl 1 17 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III 2°) Si le substituant classé (4) n’est pas en arrière du plan, on permute le numéro (4) avec celui placé en arrière du plan (1ou 2 ou 3). On lit la nouvelle disposition puis on inverse la configuration. 2 2 NH2 Permutation de 4 avec 3 4 H CH3 Br 3 1 la configuration initiale : R S 3 4 1 nouvelle disposition : S on inverse la configuration 18 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Remarque Si une molécule présente plus d’un carbone asymétrique, les configurations absolues de ces derniers sont précédées par leurs indices selon la nomenclature systématique. CH3-CH(Br)-CH(CH3)-CH2-CH3 1 2 3 4 5 1 H H3C S * 2 H S * CH3 3 C2H5 Br 4 (2S,3S) 19 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III II-2-1-3- Configurations absolues en Fischer 1°) Cas d’un carbone asymétrique - La chaîne carbonée principale sur une ligne verticale vers l’arrière. - En haut le carbone de plus bas indice selon la nomenclature systématique. - Les substituants en avant du plan. COOH COOH Oeil H2N H CH3 NH2 H CH3 Représentation de Fischer 20 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Configuration absolue 2 S Si le substituant classé (4) est sur COOH 1 H2N H 4 l’horizontale: CH3 on lit et on inverse la configuration. 3 3 R Si le substituant classé (4) est sur la verticale: on lit directement la configuration. CHO 2 1 HO Cl CH3 4 21 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III 2°) Cas de deux carbones asymétriques Représentation et configurations absolues Projective Fischer 1 C HO 4 HO CH2 * H HO 3 * OH H HO 2 CHO HO 2 * H 3 * H 1 4 H 2C O H (2S,3S) (2S,3S) 22 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE II-2-1-4- Nombre de stéréoisomères optiques pour un composé organique Pour nC* différents on a 2n stéréoisomères optiques. a) Cas d’un seul carbone asymétrique: 21 = 2 stéréoisomères optiques: l’un est (R) l’autre est (S) miroir HO CH3 CH3 R S C2H5 H A OH H5C2 A’ H Enantiomères: A et A’ sont images l’un de l’autre par rapport à un miroir plan et non superposables. Ce sont deux énantiomères 23 En milieu biologique Les mécanismes de reconnaissance entre les molécules biologiques dépendent des sites récepteurs. Les récepteurs biologiques sont chiraux : un seul des deux énantiomères est reconnu par le site récepteur. 24 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE b) Cas de deux carbones asymétriques différents 22=4 stéréoisomères optiques qui diffèrent par les configurations absolues de leurs C*. Ex: l’aldotétrose (sucre) 25 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Enantiomères ( R,S ) ; ( S,R ) I II ( R,R ) ; ( S,S ) III IV énantiomères énantiomères Mélange racémique Le mélange de deux énantiomères en quantités égales mélange racémique. Il est optiquement inactif. est appelé : Diastéréoisomères I III ( R,S ) ; ( R,R ) diastéréoisomères I IV ( R,S) ; ( S,S ) diastéréoisomères II III ( S,R ) ; ( R,R ) diastéréoisomères II IV ( S,R ) ; ( S,S ) diastéréoisomères 26 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE c) Cas de deux carbones asymétriques identiques H HO OH P OH H H HO H H OH H OH P 2S3S I II 2 Enantiomères I II (2R,3R) (2S,3S) actif actif H HO H m i roir m i roir 2R 3R HO CO O H CO O H CO O H CO O H CO O H CO O H CO O H CO O H 2R 3S 2S3R III 2n-1 = 3 1 Identiques forme m é so III (2R,3S) inactif (2S,3R) inactif 27 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE II-2-2- Configurations relatives érytho et thréo Cette configuration est déterminée à partir de la représentation de Fischer. Deux cas peuvent se présenter : Lorsque deux substituants identiques (ou du même ordre de grandeur) sont placés de part et d’autre de la ligne verticale : le composé est dit thréo. Exemple : Lorsque voir thréose (diapo 25) deux substituants identiques (ou du même ordre de grandeur) sont placés du même côté de la ligne verticale : le composé est dit érythro. Exemple : voir érythrose (diapo 25) 28 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE II-2-3- Configurations D et L En représentation de Fischer, cette configuration est surtout utilisée pour les sucres et les acides aminés. Le glycéraldéhyde est pris comme référence. O H O C H OH CH2OH D-glyceraldehyde OH à droite : D Dexter ou droit HO H C H CH2OH L-glyceraldehyde OH à gauche : L Laevus ou gauche 29 En pharmacologie L- Dopamine métabolisable par l’organisme est utilisée pour soigner la maladie de Parkinson. D- Dopamine est inactive biologiquement 30 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III a) Configurations D et L pour les sucres En représentation de Fischer on observe le groupement OH porté par le carbone asymétrique le plus éloigné de la fonction aldéhyde. Si le groupement OH est placé à droite de la ligne verticale : D Si le groupement OH est placé à gauche de la ligne verticale : L CHO CHO H OH HO H H OH HO H H OH CH2OH D- Ribose HO H CH2OH L- Ribose 31 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE b) Série D et L pour les α-amino-acides Un amino-acide (ou acide aminé) est dit α lorsque le groupe amino (-NH2) est porté par l’atome de carbone directement lié au groupe carboxyle (-COOH). COO H COO H NH 2 H H H2N CH 3 CH 3 D - Alanine L - Alanine Groupe amino -NH2 à droite : D Groupe amino -NH2 à gauche : L Important Ne pas confondre les configurations D et L avec le pouvoir rotatoire d (+) et ℓ (-) car un composé dextrogyre d (+) peut avoir une configuration L. 32 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE II-2-4- Configurations géométriques Z et E Lorsque les substituants prioritaires 2 H C selon la règle (CIP) sont du même côté : la configuration géométrique est dite Z H2 Z C 1 HOOC COOH 1 acide maléique T°f = 134°C Lorsque les substituants prioritaires sont 2H de part et d’autre de la double liaison : la configuration géométrique est dite E. COOH 1 E C C 1 HOOC acide fumarique H 2 T°f = 300°C 33 Chapitre III ISOMERIE ET STEREOISOMERIE II-2-5- Configurations géométriques pour les composés cycliques : cis et trans Lorsque les substituants prioritaires sont du même côté du plan du cycle : la configuration est cis. Lorsque les substituants prioritaires sont de part et d’autre du plan du cycle : la configuration est trans. 1 1 H3C H CH3 Cis H 1 H3C H H Trans CH3 1 34 ISOMERIE ET STEREOISOMERIE Chapitre III Cyclohexane -1,2- diol a OH 1 e a e a HO e e 2 e a 3 e OH 4 e a a e HO 2 a a 3 e e 4 a a (e,e) trans (a,a) trans Position des substituants 1 trans cis 1,2 et 1,4 (a,a) ou (e,e) (a,e) ou (e,a) 1,3 (a,e) ou (e,a) (a,a) ou (e,e) 35
