Cours : Représentation spatiale des molécules

Représentations des molécules

Représentation topologique

Pour simplifier la formule développée pour représenter les molécules en chimie organique, on utilise la représentation topologique.

À retenir

Dans cette représentation, les liaisons carbone-carbone sont représentées par des segments qui forment une ligne brisée, c’est-à-dire que chaque « brisure » est un atome de carbone. De plus, les liaisons carbone-hydrogène ne sont pas représentées.

Exemple

On peut utiliser comme exemple la molécule d’éthanol en formule développée, à gauche, et en formule topologique, à droite. La représentation topologique est plus pratique et plus rapide à écrire, c’est pour cela qu’elle est plus utilisée par les chimistes :

Molécule d’éthanol en formule développée et en formule topologique

Voici d’autres exemples :

Exemple

• Acide éthanoïque :

Acide éthanoïque

Exemple

• Propanone (acétone) :

Propanone (acétone)

Exemple

• Cyclohexane :

Cyclohexane

Représentation de Cram

En réalité, la plupart des molécules ne sont pas planes, mais en trois dimensions. La représentation de Cram est utilisée pour représenter les molécules en trois dimensions. Elle s’applique le plus souvent aux atomes de carbone à quatre substituants.

Dans cette représentation, une liaison entre deux atomes qui sont dans le même plan, ici dans le plan d’une feuille, est représentée par un trait plein. Une liaison entre un atome dans le plan et un atome en avant de ce plan est représentée par un triangle plein. Enfin, une liaison entre un atome dans le plan et un atome en arrière de ce plan est représentée par un triangle hachuré ou un trait pointillé.

Dans le cas général, pour un atome de carbone à quatre substituants il y a deux liaisons dans le plan, une en avant et une en arrière.

Exemple

Voici l’exemple le plus simple, le méthane :

Molécule de méthane

Et d’autres exemples :

Exemple

• Butan-2-ol :

Molécule de butan-2-ol

Exemple

• Acide lactique :

Molécule d’acide lactique

Conformation d’une molécule

Définition

Les molécules bougent dans tous les sens, beaucoup de rotations sont possibles entre toutes les liaisons simples carbone-carbone. En terminale, on se limitera au cas du carbone, qui comprend une infinité d’angles possibles.

Définition

Conformations d’une molécule :

​Les conformations d’une molécule sont les différents arrangements dans l’espace de ses atomes, obtenus sans rompre de liaisons.

Exemple

Voici l’exemple de l’éthane :

Conformation d’une molécule d’éthane

Les atomes d’hydrogène du carbone de droite ne sont pas positionnés de la même façon entre les deux schémas.

Pour que ce soit plus parlant, voici cette molécule sous un angle différent :

En regardant de telle sorte que les atomes de carbone s’éclipsent, c’est-à-dire que l’un soit devant l’autre, on peut remarquer qu’il y a entre les deux liaisons $\text{C}-\text{H}$ en bleu un angle $\alpha$, qu’on appelle angle dièdre. Cet angle peut prendre une infinité de valeurs, d’où l’infinité de conformations possibles.

Conformation la plus stable

Comme vu précédemment, l’angle dièdre $α$ détermine un très grand nombre de conformations.

Voici quelques cas particuliers d’angles pour le butane :

• Lorsque $\alpha = 0$ (modulo $2\pi$), les substituants méthyle sont dit éclipsés :

• Lorsque $\alpha = 60\degree$ ou $300\degree$ (modulo $2\pi$), les substituants méthyles sont dit décalés gauche :

• Lorsque $\alpha = 120\degree$ ou $240\degree$ (modulo $2\pi$), un substituant méthyle éclipse un atome d’hydrogène :

• Lorsque $\alpha = 180\degree$ (modulo $2\pi$), les substituant méthyles sont le plus loin possible et diamétralement opposés, on appelle cette conformation décalée anti  :

La stabilité de ces conformations est liée à l’éloignement entre les méthyles, les gros groupes. Plus les gros groupes seront éloignés plus l’énergie de ces conformations sera basse et donc plus ces conformations seront stables, comme on peut le voir sur ce graphique :

L’énergie d’une molécule est dépendante de son état d’excitation : moins elle est excitée, plus elle est stable.

À retenir

Pour une molécule donnée, la conformation la plus stable est celle qui correspond à l’énergie minimale : les groupes d’atomes portés par les atomes de la liaison carbone-carbone autour de laquelle il y a rotation doivent être les plus éloignés possibles.

Ces écarts d’énergie sont suffisamment faibles pour qu’à température ambiante, une molécule puisse passer par tous les angles dièdres possibles.

Propriétés biologiques

Les macromolécules du vivant, c’est-à-dire l’ADN et les protéines, existent sous différentes conformations. Seules quelques unes d’entre elles sont biologiquement actives.

Stéréoisomérie

Chiralité et carbone asymétrique

Définition

Objet chiral :

Un objet est chiral s’il n’est pas superposable à son image dans un miroir.

• L’inverse est une molécule achirale.

Attention

Cette notion est un petit peu plus complexe qu’elle n’y parait : prenez un objet $O$, et son image dans un miroir $O'$. $O$ est chiral uniquement s’il n’est jamais superposable à $O'$, et ce, quel que soit l’angle sous lequel on le regarde. Une fois que vous avez déterminé la forme de $O'$, il faut le retourner dans tous les sens possibles (sans le déformer) pour s’assurer qu’il est vraiment impossible de le superposer avec $O$ !

Exemple

Par exemple, la main gauche est l’image de la main droite par rapport à un miroir. Cependant, la main gauche n’est pas superposable à son image.

• le mot chiral vient du grec et signifie main.

Exemple

Une molécule chirale : l’acide lactique.

Acide lactique

La chiralité est due à la composition de la molécule, ou à une conformation spatiale particulière (en spirale par exemple). En classe de Terminale nous étudierons les cas liés à la présence d’un carbone asymétrique :

Définition

Carbone asymétrique :

Un carbone asymétrique est un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes d’atomes différents. On le note $\text{C}^*$. Une molécule qui comporte un carbone asymétrique est chirale (puisqu’elle ne peut avoir de centre de symétrie).

Attention

Cette affirmation est vraie seulement pour une molécule qui ne possède que des carbones asymétriques différents (ou un unique carbone asymétrique).

Exemple

Dans ces exemples, le seul carbone asymétrique est celui qui est lié à quatre substituants différents :

Carbone asymétrique

Attention

Une molécule chirale n’a pas forcément de carbone asymétrique, (cette étude n’est pas au programme), comme les allènes :

Les allènes n’ont pas de carbone asymétrique

Attention

​Une molécule avec plus d’un atome de carbone asymétrique n’est pas forcément chirale. Elle peut avoir un centre de symétrie et est donc achirale.

Tel est le cas que l’acide mésotartrique :

L’acide mésotartrique

Différent types de stéréoisoméries

Définition

Stéréoisomères :

Des stéréoisomères sont des molécules qui ont la même formule semi-développée, mais un arrangement différent dans l’espace.

Cela peut être des stéréoisomères de conformation comme vu plus haut, mais on s’intéressera plus précisément aux cas suivants :

• Les énantiomères

Définition

Énantiomères :

Des énantiomères sont des molécules images l’une de l’autre dans un miroir, mais non superposables.

Il peut y avoir un ou plusieurs atomes de carbones asymétriques :

• L’alanine :

• Le glucose :

Définition

Mélange racémique :

Un mélange équimolaire, c’est-à-dire en même proportion, des deux énantiomères est appelé mélange racémique.

Deux énantiomères d’une molécule chirale ont des propriétés physiques similaires mais biologiques et optiques différentes.

À retenir

Deux énantiomères ont des propriétés physiques et chimiques identiques, tant que le phénomène mis en jeu n’est pas chiral.

• Les diastéréoisomères

Définition

Diastéréoisomères :

Des diastéréoisomères sont des stéréoisomères qui ne sont ni des énantiomères ni des stéréoisomères de conformation. Ce sont des molécules qui ne sont pas images l’une de l’autre dans un miroir, ni superposables.

À retenir

La diastéréoisomérie est liée à la présence :

• D’une isomérie Z/E, comme des acides fumariques et maléiques.

• De deux atomes ou plus de carbone asymétrique, comme du glucose et du galactose.

Comme on peut le voir, les carbones qui ont été encadrés ne sont pas inversés, donc les deux molécules ne sont pas images l’une de l’autre dans un miroir, elles sont donc diastéréoisomères.

À retenir

Des diastéréoisomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes.

• Propriétés biologiques

À retenir

Les énantiomères et les diastéréoisomères ont des propriétés biologiques différentes, car ils ne sont pas reconnus de la même manière par les molécules du vivant, qui sont sensibles à la stéréoisomérie.

Exemple

Par exemple, le glucose et le galactose ne seront pas métabolisés par les mêmes enzymes car ceux-ci peuvent les différencier.

Exemple

Un autre exemple est le limonène, celui de gauche à une odeur de citron et celui de droite une odeur de pin, car les récepteurs olfactifs du nez sont sensibles à la stéréoisomérie.

• À gauche : Limonène (citron)
• À droite : Limonène (pin)

• ​Récapitulatif

Exemple

Voici l’exemple du 2,3 dihydroxybutanal et les différentes possibilités de stéréoisoméries. Si tous les atomes de carbone asymétriques ont un arrangement différent alors ce sont des énantiomères, sinon ce sont des diastéréoisomères.

Exemple du 2,3 dihydroxybutanal et des différentes possibilités de stéréoisoméries