Karamö, le prof virtuelLeçon 8 sur 20
Stéréochimie : les édifices chimiques
Je sais représenter une molécule dans l'espace et classer deux isomères : isomères de constitution, stéréoisomères Z/E ou énantiomères.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Utiliser les différentes écritures d'une molécule (brute, développée, semi-développée, topologique) et la représentation de Cram
- Distinguer isomérie de constitution et stéréoisomérie
- Reconnaître et nommer des isomères Z et E
- Repérer un carbone asymétrique, reconnaître une molécule chirale et deux énantiomères
Avant de commencer : Les formules des alcanes, alcènes, alcools, aldéhydes et acides (nomenclature), la leçon « Des acides aminés aux protéines » (carbone asymétrique).
1Je découvre
Ibrahima range ses sandales devant la porte de la mosquée. Il remarque que sa sandale gauche et sa sandale droite se ressemblent parfaitement : même taille, mêmes lanières. Pourtant, impossible de mettre la sandale gauche au pied droit. L'une est l'image de l'autre dans un miroir, mais on ne peut pas les superposer.
En classe, son professeur de Terminale SM lui montre deux modèles moléculaires en boules et bâtonnets du butan-2-ol. Même formule brute, mêmes liaisons, même ordre des atomes… et pourtant les deux modèles ne se superposent pas, exactement comme les sandales. Le professeur ajoute qu'en pharmacie, deux molécules de ce type peuvent avoir des effets différents sur le corps.
Une formule écrite sur une feuille ne suffit donc pas toujours : il faut savoir comment les atomes sont disposés dans l'espace.
Comment représenter une molécule en trois dimensions, et quels types d'isomères peut-on distinguer ?
2Je comprends
1. Les écritures d'une molécule
Prenons le butan-2-ol :
| Écriture | Ce qu'elle montre | Exemple |
|---|---|---|
| Formule brute | nature et nombre des atomes | C4H10O |
| Formule développée | toutes les liaisons, dans le plan | chaque liaison C-H, C-C, C-O, O-H est tracée |
| Formule semi-développée | liaisons sauf celles avec H | CH3-CHOH-CH2-CH3 |
| Formule topologique | la chaîne en zigzag ; chaque sommet ou extrémité est un C ; les H liés aux C ne sont pas écrits | un zigzag de quatre sommets avec « OH » sur le deuxième |
Ces écritures sont planes : elles ne disent rien de la forme réelle de la molécule dans l'espace.
2. Représenter l'espace
a) La représentation de Cram. Autour d'un carbone tétragonal, les quatre liaisons pointent vers les sommets d'un tétraèdre. Pour le dessiner :
- un trait simple : liaison dans le plan de la feuille ;
- un triangle plein (coin) : liaison qui sort vers l'avant (vers toi) ;
- un triangle hachuré : liaison qui part vers l'arrière.
On dessine toujours deux liaisons dans le plan, une en avant et une en arrière.
b) Les modèles moléculaires. Les modèles éclatés (boules et bâtonnets) montrent bien les liaisons et les angles ; les modèles compacts montrent le volume réel occupé par les atomes.
c) La projection de Newman (regarder la molécule dans l'axe d'une liaison C-C) sera utilisée dans la leçon « Isomérie de conformation ».
3. Les deux grandes familles d'isomérie
Deux isomères ont la même formule brute mais sont des molécules différentes.
- Les atomes ne sont pas reliés dans le même ordre
- Formules semi-développées différentes
- Isomérie de chaîne, de position, de fonction
- Exemple : butan-1-ol et butan-2-ol
- Les atomes sont reliés dans le même ordre
- Même formule semi-développée
- Disposition différente dans l'espace
- Exemple : (Z)-but-2-ène et (E)-but-2-ène
Isomérie de constitution :
- de chaîne : squelettes carbonés différents (butane et 2-méthylpropane) ;
- de position : même fonction, placée à un endroit différent (propan-1-ol et propan-2-ol) ;
- de fonction : fonctions chimiques différentes (propanal et propanone ; éthanol et méthoxyméthane).
Stéréoisomérie : même enchaînement d'atomes, mais disposition différente dans l'espace. On distingue les stéréoisomères de configuration (on ne passe de l'un à l'autre qu'en cassant des liaisons) et les conformations (on passe de l'une à l'autre par simple rotation autour d'une liaison simple ; leçon « Isomérie de conformation »).
4. L'isomérie Z/E
Autour d'une double liaison C=C, la rotation est impossible : les groupes restent fixés de part et d'autre.
Il y a isomérie Z/E lorsque chacun des deux carbones de la double liaison porte deux groupes différents.
- Isomère Z (de l'allemand zusammen, « ensemble ») : les deux groupes semblables (ou les deux groupes prioritaires) sont du même côté de la double liaison.
- Isomère E (entgegen, « opposé ») : ils sont de part et d'autre.
Exemple
Le but-1-ène CH₂=CH–CH₂–CH₃ et le 2-méthylpropène (CH₃)₂C=CH₂ présentent-ils l'isomérie Z/E ? Et le pent-2-ène ?
But-1-ène : le carbone 1 porte deux H identiques. Pas d'isomérie Z/E.
2-méthylpropène : le carbone 2 porte deux CH₃ identiques. Pas d'isomérie Z/E.
Pent-2-ène CH₃–CH=CH–CH₂–CH₃ : le carbone 2 porte H et CH₃ (différents) ; le carbone 3 porte H et C₂H₅ (différents). Il existe donc (Z)-pent-2-ène et (E)-pent-2-ène.
Les isomères Z et E sont des molécules différentes : elles n'ont pas les mêmes températures de fusion et d'ébullition.
5. La chiralité et l'énantiomérie
Un objet est chiral s'il n'est pas superposable à son image dans un miroir (comme une main, une sandale). Une molécule chirale et son image forment un couple d'énantiomères.
Le cas le plus courant : une molécule qui possède un seul carbone asymétrique C^* (carbone tétragonal lié à quatre groupes différents) est chirale.
Exemple
Le butan-2-ol CH₃–C*H(OH)–CH₂–CH₃ est-il chiral ?
Le carbone 2 est lié à : –H, –OH, –CH₃ et –CH₂–CH₃. Ces quatre groupes sont différents : c'est un carbone asymétrique.
La molécule a un seul carbone asymétrique : elle est chirale. Il existe deux énantiomères du butan-2-ol.
En Cram : on dessine C* au centre, –CH₃ et –C₂H₅ dans le plan, –OH en avant et –H en arrière pour l'un ; l'autre est son image dans un miroir (–OH en arrière et –H en avant, par exemple).
Propriétés des énantiomères. Ils ont les mêmes températures de fusion et d'ébullition, la même solubilité et la même réactivité avec les réactifs non chiraux. Ils se distinguent par leur activité optique : l'un fait tourner le plan de polarisation de la lumière vers la droite (dextrogyre), l'autre du même angle vers la gauche (lévogyre). Un mélange équimolaire des deux, sans activité optique, est un mélange racémique. Ils peuvent aussi avoir des effets biologiques différents (odeur, goût, action d'un médicament), car les récepteurs de notre corps sont eux-mêmes chiraux.
Méthode
Pour classer deux isomères :
- Je vérifie qu'ils ont la même formule brute.
- Je compare leurs formules semi-développées : si elles diffèrent, c'est une isomérie de constitution (chaîne, position ou fonction).
- Si elles sont identiques, c'est une stéréoisomérie. Je cherche une double liaison C=C dont chaque carbone porte deux groupes différents : isomérie Z/E.
- Sinon, je cherche un carbone asymétrique : si les deux molécules sont images l'une de l'autre dans un miroir sans être superposables, ce sont des énantiomères.
- Si l'on passe de l'une à l'autre par simple rotation autour d'une liaison simple, ce sont deux conformations d'une même molécule.
3Je retiens
Je retiens
Isomères : même formule brute, molécules différentes.
Isomérie de constitution : enchaînements différents (chaîne, position, fonction).
Stéréoisomérie : même enchaînement, disposition différente dans l'espace.
Cram : trait = dans le plan ; coin plein = vers l'avant ; coin hachuré = vers l'arrière.
Z/E : chaque carbone de la double liaison porte deux groupes différents ; Z = même côté, E = côtés opposés.
Carbone asymétrique C* : lié à quatre groupes différents. Un seul C* : molécule chirale.
Énantiomères : images non superposables dans un miroir ; mêmes propriétés physiques sauf l'activité optique ; mélange équimolaire = racémique.
4Erreurs fréquentes
- Chercher l'isomérie Z/E sur le but-1-ène : un carbone portant deux H identiques ne permet pas l'isomérie Z/E.
- Déclarer asymétrique un carbone qui porte deux groupes identiques (par exemple deux CH₃, ou deux H).
- Oublier que les groupes « différents » s'examinent en entier : –CH₂–CH₃ et –CH₃ sont bien différents.
- Confondre conformation (simple rotation) et configuration (il faudrait casser une liaison).
5Je m’exerce
1Exercice 1
Classe chaque couple : isomères de chaîne, de position, de fonction, ou stéréoisomères.
a) pentane et 2,2-diméthylpropane ; b) butan-1-ol et butan-2-ol ; c) acide propanoïque et éthanoate de méthyle ; d) (Z)-but-2-ène et (E)-but-2-ène.
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a) Même formule C5H12, squelettes différents : isomères de chaîne.
b) Même formule C4H10O, même chaîne et même fonction alcool, mais le groupe -OH n'est pas sur le même carbone : isomères de position.
c) Même formule C3H6O2, fonctions différentes (acide / ester) : isomères de fonction.
d) Même enchaînement, disposition différente autour de C=C : stéréoisomères (Z/E).
2Exercice 2
Parmi les molécules suivantes, lesquelles présentent l'isomérie Z/E ? Justifie.
a) CH3-CH=CH-CH3 ; b) CH2=CH-CH3 ; c) CH3-C(CH3)=CH-CH3 ; d) ClCH=CHCl.
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a) Oui : chaque carbone de la double liaison porte H et CH3.
b) Non : le carbone 1 porte deux H.
c) Non : le carbone 2 porte deux CH3 identiques.
d) Oui : chaque carbone porte H et Cl ; il existe le (Z)- et le (E)-1,2-dichloroéthène.
3Exercice 3
Repère les carbones asymétriques (s'il y en a) dans : a) le propan-2-ol ; b) le butan-2-ol ; c) l'acide 2-hydroxypropanoïque (acide lactique) CH3-CH(OH)-COOH ; d) le 3-méthylpentane.
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a) Propan-2-ol CH3-CHOH-CH3 : le carbone 2 porte deux CH3 : pas de carbone asymétrique.
b) Butan-2-ol : le carbone 2 porte H, OH, CH3, C2H5 : un carbone asymétrique.
c) Acide lactique : le carbone 2 porte H, OH, CH3, COOH : un carbone asymétrique.
d) 3-méthylpentane CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3 : le carbone 3 porte deux C2H5 identiques : pas de carbone asymétrique.
4Exercice 4
Écris les formules semi-développées des isomères de formule C4H8 possédant une double liaison. Précise ceux qui présentent l'isomérie Z/E et nomme-les.
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CH2=CH-CH2-CH3 (but-1-ène) : pas de Z/E.
CH3-CH=CH-CH3 (but-2-ène) : isomérie Z/E : (Z)-but-2-ène et (E)-but-2-ène.
CH2=C(CH3)-CH3 (2-méthylpropène) : pas de Z/E.
Il y a donc quatre alcènes de formule C4H8 (en comptant séparément Z et E).
5Exercice 5
(Type BAC) Un composé A de formule C4H8O réagit avec la DNPH et avec la liqueur de Fehling. Il ne contient pas de chaîne ramifiée.
a) Identifie A.
b) Par hydrogénation, A donne un alcool B. Écris B et nomme-le. B est-il chiral ?
c) Un isomère de B, noté C, est un alcool secondaire. Écris C. Montre que C est chiral et représente ses deux énantiomères en Cram.
d) Quelle propriété physique permet de distinguer les deux énantiomères de C ? Qu'est-ce qu'un mélange racémique ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) DNPH positive et Fehling positive : c'est un aldéhyde ; chaîne non ramifiée : A = butanal CH3-CH2-CH2-CHO.
b) B = CH3-CH2-CH2-CH2-OH, butan-1-ol. Aucun de ses carbones ne porte quatre groupes différents : B n'est pas chiral.
c) C = CH3-CH2-CHOH-CH3, butan-2-ol. Son carbone 2 porte H, OH, CH3 et C2H5 : c'est un carbone asymétrique, et c'est le seul : C est chiral. En Cram : C^* au centre, CH3 et C2H5 dans le plan ; énantiomère 1 : OH en avant (coin plein), H en arrière (coin hachuré) ; énantiomère 2 : son image dans un miroir placé verticalement, avec CH3 et C2H5 échangés de côté, OH toujours en avant et H en arrière.
d) L'activité optique : l'un est dextrogyre, l'autre lévogyre (même angle, sens opposé). Un mélange racémique est un mélange équimolaire des deux énantiomères ; il n'a pas d'activité optique.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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