B6_representation spatiale des molecules - leprof

Chap.B6
Représentation spatiale des molécules
I. Formules des molécules
1- Formules planes
a) Formule brute
Elle donne le % molaire des éléments qui constituent la molécule ex C4H10O
b) Formules développée plane
Elle précise la nature et l'enchaînement des liaisons entre les atomes. Elle fait apparaître tous les
atomes dans le même plan et toutes les liaisons entre ces atomes.
c) Formule semi développée
Elle dérive de la précédente par suppression des liaisons mettant en jeu l'hydrogène
d) Formule de Lewis
Elle ressemble à la formule développée plane à laquelle on ajoute les doublets non liants
e) Formule topologique
La chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée.
Chaque extrémité de segment représente un atome de carbone portant autant
d'atomes d'hydrogène qu'il faut respecter la règle de l'octet. Les atomes autres
que C sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes d'hydrogène qu'ils portent.
La chaîne carbonée est dite saturée si elle ne présente que des liaisons simples C—C.
Elle est dite insaturée si elle présente au moins une liaison multiple entre deux atomes de carbone
(appelée insaturation).
2- Formules spatiales
a. Représentation de CRAM d'un atome tétragonal
b. Représentation de Newman
II. Isomérie de constitution
Deux isomères sont deux espèces ayant même formule brute mais dont les molécules sont différentes.
1- Définition
Deux isomères de constitution ont même formule brute mais des formules de constitution différentes.
2- Isomérie de chaîne
Les molécules diffèrent par l'enchaînement des atomes de carbone.
butanol
2-méthylpropan-1-ol
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3- Isomérie de position
Même chaîne carbonée mais différentes par la position du groupe fonctionnel sur la chaîne
2-méthylpropan-1-ol
2-méthylpropan-2-ol
Ou
le butanol et le butan-2-ol
4- Isomérie de fonction
Elles diffèrent par le groupe fonctionnel présent dans la molécule
butanol
oxyde de diéthyle ou éthoxyéthane
Toutes ces formules ont des propriétés chimiques et physiques différentes
III- Stéréoisomérie de conformation
1- Cas de l'éthane
a. Aspect géométrique
Par suite de la rotation autour de la liaison simple C
C, la molécule passe par une infinité de
structures différentes appelées conformation. Il existe deux conformations particulières : éclipsée et
décalée.
b. Aspect énergétique
Les doublets des liaisons se repoussent entre les deux groupes méthyle, les répulsions sont plus faibles
pour la conformation décalée. La conformation décalée est la plus stable, l'énergie de la molécule est
minimale.
c. Libre rotation
L'énergie de 11 kJ est du même ordre de grandeur que l'énergie cinétique moyenne d'une mole de
molécule.
A la suite d'un choc, une molécule peut donc changer de conformation, pour chaque molécule
varie aléatoirement de 0 à 360°. Il y a libre rotation autour de la liaison simple C C. Il est
impossible d'isoler parmi les molécules d'éthane celles qui ont une conformation donnée.
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2- Cas du butane
a. Aspect géométrique
 = 0°
éclipsée
 = 60°
 = 120°
 = 180°
décalée gauche
éclipsée gauche
décalée
(non plan)
b. Aspect énergétique
A cause de l'interaction des groupes méthyles, la stabilité croissante correspond à la répulsion
minimale:
décalée anti > décalée gauche > éclipsée gauche > éclipsée ( > plus stable)
c. Libre rotation
Entre les conformations décalée anti et éclipsée, il y a une différence de 25 kJ.mol-1
Il y a libre rotation à cause de l'agitation thermique. Mais la conformation décalée anti est la plus
stable, donc la plus probable
donc la chaîne carbonée est représentée en zigzag
IV. Stéréoisomérie de configuration
1- Isomérie Z - E
Cas du but-2-ène
Molécule de la forme HAC = CBH
a. Aspect géométrique
H3C
H
H3C
C C
H
CH3
E but-2-ène
CH3
C C
H
H
Z but-2-ène
b. Aspect énergétique
Le passage de Z à E nécessite la rupture de la double liaison (1 des liaisons), ce qui nécessite
250 kJ.mol-1 : énergie bien supérieure à l'Ec des molécules. La rotation autour de la double liaison est
bloquée, il existe deux corps distincts, le E but-2-ène et le Z but-2-ène.
2- L'énantiomérie
a. Carbone asymétrique
C'est un carbone tétragonal lié à 4 atome ou 4 groupe d'atomes tous différents: Ex : butan-2-ol
H
CH3
C*
CH2
CH3
Me: Méthyl
Et: Ethyl
OH
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b. Enantiomèrie
Il existe 2 isomères du butan-2-ol
H
H
Miroir
*
*
OH
Et
Et
OH
Me
Me
Stéréoisomère A
Stéréoisomère B
Enantiomères
Pour passer de l'un à l'autre il faut casser deux liaisons et permuter deux atomes et reformer les
liaisons.
Ce couple d’isomères de configuration dont une molécule est l’image de l’autre dans un miroir sont
appelés des énantiomères (de énantios  contraire en grec).
Les propriétés physiques d’énantiomères ne diffèrent que par leur action sur la lumière. Les propriétés
chimiques peuvent être très différentes.
c. Chiralité
Lorsqu'un objet n'est pas superposable à son image dans un miroir, il est chiral.
d. Propriétés des énantiomères
Elles ont les mêmes propriétés physiques et chimiques sauf vis à vis des phénomènes chiraux. Elles ont
des propriétés biologiques et pharmacologiques différentes: par exemple le nez reconnaît les molécules
chirales qui n'ont pas la même odeur.
Ex : le limonène
CH3
CH3
*
*
H
odeur de citron
H
odeur d'orange
3- Racémique
Un racémique ou racémate est un mélange en proportions égales des énantiomères lévogyre et
dextrogyre d'un composé chiral. Autrement dit, pour le cas des molécules contenant un seul carbone
asymétrique, fréquentes en chimie organique, un mélange contient à proportions égales les deux formes
(R,S) selon la nomenclature des configurations absolues (règles de Cahn, Ingold et Prelog).
Le pouvoir rotatoire de ses deux composants s'annulant, un racémique ne fait pas dévier le plan de
polarisation de la lumière polarisée, il est donc optiquement inactif.
Le terme « mélange racémique » est déconseillé par l'IUPAC, un racémique étant, par définition, un
mélange
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4- Résumé
Deux composés ont même formule brute mais leurs molécules sont différentes
l’enchaînement des atomes est-il le même ?
non
oui
isomères de constitution
stéréoisomères de configuration
les molécules sont-elles image l’une de l’autre dans un miroir ?
non
diastéréoisomères
oui
énantiomères
Exemples :
acide 2-chloropropanoïque
CH3 — CHCl ─ COOH
Bromochloroiodométhane CHClBrI
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