Karamö, le prof virtuelLeçon 10 sur 20
Isomérie de conformation
Je sais représenter les conformations d'une molécule en projection de Newman, comparer leur stabilité et les distinguer des isomères de configuration.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir une conformation et l'angle dièdre
- Représenter les conformations éclipsée et décalée de l'éthane en projection de Newman
- Comparer la stabilité des conformations de l'éthane, du butane et du cyclohexane
- Distinguer conformation et configuration
Avant de commencer : La leçon « Stéréochimie : les édifices chimiques » (représentation de Cram, isomérie), la leçon « La géométrie des molécules » (carbone tétraédrique, 109,5°).
1Je découvre
Aïssatou tient dans ses mains un modèle moléculaire de l'éthane CH3-CH3, fabriqué avec des boules et des bâtonnets. Elle tient un carbone de chaque main et fait tourner l'un des deux groupes CH3 autour de l'axe de la liaison C-C, comme on tourne le couvercle d'un bocal de beurre de karité.
La molécule change d'aspect : parfois les hydrogènes de devant cachent exactement ceux de derrière, parfois ils se placent entre eux. Pourtant, elle n'a cassé aucune liaison. « Est-ce que ce sont des molécules différentes ? » demande-t-elle à son camarade Sékou.
Sékou lui rappelle la leçon sur l'isomérie Z/E : autour d'une double liaison, impossible de tourner sans casser une liaison. Ici, autour d'une liaison simple, la rotation semble libre. Mais est-elle vraiment sans effort ? Toutes les positions se valent-elles ?
Qu'est-ce qu'une conformation, comment la représenter, et laquelle est la plus stable ?
2Je comprends
1. Rotation autour d'une liaison simple
Autour d'une liaison simple C-C, les deux parties de la molécule peuvent tourner l'une par rapport à l'autre sans rompre de liaison (on dit que la rotation est « libre »). Les différentes dispositions spatiales obtenues par ces rotations s'appellent des conformations (ou conformères).
Passer d'une conformation à une autre ne demande que peu d'énergie : à température ordinaire, l'agitation thermique suffit et les conformations se transforment sans cesse les unes en les autres, très rapidement. On ne peut donc pas les séparer : ce ne sont pas des molécules différentes, mais différentes « postures » de la même molécule.
Conformation ou configuration ?
- On passe de l'une à l'autre par rotation autour d'une liaison simple
- Faible énergie nécessaire (agitation thermique suffit)
- Impossible à isoler séparément
- Exemple : éthane éclipsé et décalé
- Il faudrait casser des liaisons pour passer de l'une à l'autre
- Énergie très grande
- Molécules différentes, séparables
- Exemples : Z et E ; deux énantiomères
2. La projection de Newman
Pour représenter une conformation, on regarde la molécule dans l'axe de la liaison C–C :
- le carbone de devant est représenté par un point ; ses trois liaisons partent du centre ;
- le carbone de derrière est représenté par un cercle ; ses trois liaisons partent du bord du cercle.
L'angle dièdre θ est l'angle entre une liaison du carbone de devant et une liaison du carbone de derrière, vu dans cette projection.
3. Les conformations de l'éthane
- Conformation éclipsée (θ = 0°) : chaque H de devant cache un H de derrière. Les doublets des liaisons C-H sont au plus près : leurs répulsions sont maximales. C'est la conformation la moins stable.
- Conformation décalée (θ = 60°) : les H de devant sont entre ceux de derrière. Les répulsions sont minimales : c'est la conformation la plus stable.
Toutes les autres positions sont intermédiaires. L'énergie de la molécule varie avec l'angle dièdre et repasse par les mêmes valeurs tous les 120°.
La différence d'énergie entre éclipsée et décalée (la barrière de rotation) vaut environ 12 kJ/mol pour l'éthane. C'est très peu comparé à l'énergie d'une liaison C-C (plusieurs centaines de kJ/mol) : voilà pourquoi la rotation est facile et qu'on ne peut pas isoler une conformation.
Exemple
À partir de la conformation éclipsée de l'éthane (θ = 0°), on fait tourner le carbone de derrière de 60°, puis de 60° encore. Quelles conformations obtient-on ?
θ = 0° : éclipsée (instable).
θ = 60° : décalée (stable).
θ = 120° : de nouveau éclipsée, car les trois H de chaque carbone sont identiques et espacés de 120°.
Conclusion : pour l'éthane, il y a une seule conformation éclipsée et une seule conformation décalée, qui se répètent tous les 120°.
4. Les conformations du butane
Dans le butane CH3-CH2-CH2-CH3, on regarde l'axe de la liaison entre les carbones 2 et 3. Chacun porte un gros groupe CH3 et deux H. Les positions ne se valent plus :
| Angle dièdre entre les deux CH₃ | Nom | Stabilité |
|---|---|---|
| 180° | décalée anti | la plus stable (CH₃ le plus loin possible) |
| 60° | décalée gauche | un peu moins stable (CH₃ assez proches) |
| 120° | éclipsée (CH₃ en face d'un H) | peu stable |
| 0° | éclipsée (CH₃ en face de CH₃) | la moins stable (les deux gros groupes se gênent) |
La gêne entre deux groupes volumineux trop proches s'appelle la gêne stérique. À température ordinaire, la conformation anti est la plus représentée.
Méthode
Pour comparer des conformations en projection de Newman :
- Je repère la liaison C–C regardée, le carbone de devant (point) et celui de derrière (cercle).
- Je place les groupes les plus volumineux (CH₃, Cl, C₂H₅…) et je mesure l'angle dièdre entre eux.
- Décalée (60°, 180°, 300°) est plus stable qu'éclipsée (0°, 120°, 240°).
- Parmi les décalées, l'anti (gros groupes à 180°) est la plus stable ; parmi les éclipsées, celle où les gros groupes se font face est la moins stable.
- Je conclus en parlant de répulsions entre doublets de liaison et de gêne stérique.
Exemple
Classer par stabilité croissante les conformations du 1,2-dichloroéthane ClCH₂–CH₂Cl vues selon l'axe C–C : anti, gauche, éclipsée Cl face à Cl.
Les deux atomes de chlore sont volumineux et portent chacun des doublets non liants qui se repoussent.
La moins stable : éclipsée avec Cl face à Cl (θ = 0°).
Ensuite : gauche (θ = 60°), où les Cl sont encore assez proches.
La plus stable : anti (θ = 180°), où les Cl sont le plus éloignés.
Ordre de stabilité croissante : éclipsée Cl/Cl < gauche < anti.
5. Le cyclohexane
Le cyclohexane C6H12 est un cycle de six carbones tétragonaux. S'il était plan (hexagone régulier), ses angles vaudraient 120°, loin de 109,5° : le cycle serait tendu. En réalité, il n'est pas plan : il se replie.
- La conformation chaise : tous les angles sont proches de 109,5° et toutes les liaisons C-H voisines sont décalées. C'est la plus stable ; c'est elle qu'adopte presque toute la population des molécules à température ordinaire.
- La conformation bateau : certaines liaisons sont éclipsées et deux H se gênent au-dessus du cycle. Elle est moins stable.
Dans la chaise, chaque carbone porte un H axial (parallèle à l'axe du cycle, alternativement vers le haut et vers le bas) et un H équatorial (dirigé vers l'extérieur, à peu près dans le « plan moyen » du cycle). Un substituant volumineux (comme CH3) se place de préférence en position équatoriale, où il est moins gêné.
3Je retiens
Je retiens
Conformations : dispositions d'une molécule obtenues par rotation autour d'une liaison simple, sans rupture de liaison.
On ne peut pas les isoler : elles se transforment sans cesse les unes en les autres à température ordinaire.
Newman : on regarde dans l'axe C–C ; devant = point, derrière = cercle ; angle dièdre θ.
Éthane : éclipsée (θ = 0°) la moins stable ; décalée (θ = 60°) la plus stable ; écart d'environ 12 kJ/mol.
Butane : décalée anti (CH₃ à 180°) la plus stable ; éclipsée CH₃ face à CH₃ la moins stable (gêne stérique).
Cyclohexane : chaise (plus stable) et bateau ; substituant volumineux de préférence équatorial.
Conformation (simple rotation) ≠ configuration (il faudrait casser des liaisons : Z/E, énantiomères).
4Erreurs fréquentes
- Appeler « isomères » deux conformations comme s'il s'agissait de molécules séparables : ce sont deux aspects de la même molécule.
- Croire que la rotation est possible autour d'une double liaison : elle est bloquée, d'où l'isomérie Z/E.
- Inverser les stabilités : en éclipsée, les liaisons se font face et se repoussent davantage ; c'est la décalée qui est la plus stable.
- En Newman, faire partir les liaisons du carbone de derrière du centre : elles partent du bord du cercle.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Définis : a) une conformation ; b) l'angle dièdre ; c) une conformation décalée et une conformation éclipsée.
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a) Une conformation est une disposition spatiale d'une molécule obtenue par rotation autour d'une ou plusieurs liaisons simples, sans rupture de liaison.
b) L'angle dièdre est l'angle, vu en projection de Newman, entre une liaison du carbone de devant et une liaison du carbone de derrière.
c) Décalée : les liaisons du carbone de derrière sont placées entre celles du carbone de devant (θ = 60° pour l'éthane). Éclipsée : elles sont cachées derrière elles (θ = 0°).
2Exercice 2
Représente en projection de Newman (description ou croquis) les conformations éclipsée et décalée de l'éthane. Laquelle est la plus stable ? Pourquoi ?
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Décalée : un point au centre avec trois liaisons C–H à 120° les unes des autres (par exemple vers le haut, en bas à gauche, en bas à droite) ; un cercle, avec trois liaisons partant du bord, décalées de 60° (en haut à gauche, en haut à droite, vers le bas). Éclipsée : les trois liaisons du cercle sont dans le prolongement de celles du centre (on les dessine très légèrement décalées pour les voir). La conformation décalée est la plus stable : les doublets des liaisons C–H de devant et de derrière y sont le plus éloignés, donc les répulsions sont minimales.
3Exercice 3
On considère le butane selon l'axe de la liaison C2-C3. Donne l'angle dièdre entre les deux groupes CH3 pour les conformations : a) anti ; b) gauche ; c) éclipsée la moins stable. Classe-les par stabilité décroissante.
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a) Anti : 180°. b) Gauche : 60°. c) Éclipsée la moins stable : 0° (CH3 face à CH3).
Stabilité décroissante : anti > gauche > éclipsée (CH3 face à CH3).
4Exercice 4
Dis si les couples suivants sont deux conformations de la même molécule ou deux isomères de configuration :
a) éthane éclipsé et éthane décalé ;
b) (Z)-but-2-ène et (E)-but-2-ène ;
c) butane anti et butane gauche ;
d) les deux énantiomères du butan-2-ol.
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a) Deux conformations (simple rotation autour de la liaison C–C).
b) Deux isomères de configuration : la rotation autour de la double liaison est impossible.
c) Deux conformations du butane.
d) Deux isomères de configuration (énantiomères) : il faudrait casser des liaisons du carbone asymétrique pour passer de l'un à l'autre.
5Exercice 5
(Type BAC) Le 1,2-dibromoéthane BrCH2-CH2Br est étudié selon l'axe C-C.
a) Représente en projection de Newman la conformation anti.
b) Représente la conformation éclipsée où les deux Br se font face. Laquelle des deux est la plus stable ? Justifie.
c) Dans la conformation anti, la molécule est apolaire, alors que les liaisons C-Br sont polarisées. Explique.
d) On mesure que le 1,2-dibromoéthane liquide présente une polarité faible mais non nulle. Propose une explication.
e) Peut-on séparer les conformations anti et gauche du 1,2-dibromoéthane à température ordinaire ? Justifie.
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a) Anti : devant, un point avec Br vers le haut et deux H en bas à gauche et en bas à droite ; derrière, un cercle avec Br vers le bas et deux H en haut à gauche et en haut à droite. Angle dièdre Br/Br = 180°.
b) Éclipsée Br/Br : Br de derrière exactement derrière Br de devant (θ = 0°), les H derrière les H. La conformation anti est la plus stable : les deux atomes de brome, volumineux et entourés de doublets non liants, y sont le plus éloignés (gêne stérique et répulsions minimales). En éclipsée Br/Br, ils se font face et se repoussent fortement.
c) Dans la conformation anti, les deux liaisons C-Br sont dirigées dans des sens exactement opposés : leurs polarisations se compensent par symétrie. La molécule est apolaire.
d) Le liquide contient surtout des molécules en conformation anti, mais aussi une partie en conformation gauche. Dans la conformation gauche, les deux liaisons C-Br ne sont plus opposées : ces molécules sont polaires. Le mélange présente donc une faible polarité.
e) Non : la barrière d'énergie entre conformations est faible ; à température ordinaire, l'agitation thermique suffit pour que les molécules passent sans cesse d'une conformation à l'autre. On ne peut pas les isoler.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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