LC03 : Structure spatiale des molécules

Bibliographie

• Lien académie de Montpellier

Prérequis

• Représentation de Cram
• Loi de Beer-Lambert
• Formule développée, nomenclature

Intro

On a part de l’exemple du thalidomine qui est un médicament anti-nauséeux donné aux femmes enceintes. Dans les années 1960, un scandale sanitaire se déclare : on se rend compte que celui-ci cause des malformations sur les nouveaux-nés. En fait dans le médicament il y a deux molécules. Elles ont la même formule brute mais ont des géométrie différentes. A première vu on peut se dire que cela importe peu. Mais en fait c’est justement à cause de cette différence de géométrie que c’est passé le drame. En fait on s’est rendu compte qu’une des molécules était bien un anti-nauséeux mais l’autre était tératogène. Cela signifie que la géométrie de la molécule va influer sur les propriétés chimiques et physiques de la molécule. Il est donc important d’étudier celle-ci et de caractériser les molécules en fonction de leur géométrie.

I. Stéréoisomérie

1) Stéréoisomères

Les isomères sont des molécules qui ont la même formule brute mais qui diffèrent par :

• l’ordre ou la nature des liaisons (isomérie de constitution) On peut faire sur diapo la différence avec des exemples pour l’isomérie de fonction, position, chaîne exemple Ils ont des fomules développées différentes
• La disposition des atomes dans l’espace (stéréoisomères) Ce sont des isomères qui ont la même formule développée mais qui diffèrent par la disposition de leurs atomes dans l’espace. Il y en a deux types :
  • conformation : La même molécule, dans des dispositions spatiales différentes. Le passage d’une conformation à une autre se fait par rotation autour d’une liaison simple sans rupture de liaison.
  • configuration : Des molécules différentes qui ont la même formule développée mais une représentation spatiale différente. Elles ne sont pas superposables. Pour passer d’une configuration à l’autre, il faut rompre des liaisons.

Mettre en diapo l’arbre récapitulatif.

Transition : On va étudier plus spécifiquement les stéréoisomères de configuration dans la suite de cette leçon.

2) Carbone asymétrique

Une caractéristique de la molécule qui va caractériser différents types de stéréoisomères de configuration est la présence de carbone asymétrique dans la molécule.

Un Carbone asymétrique que l’on note C*, est un carbone tétraédrique lié à 4 groupes d’atomes tous différents. On peut les classer en deux catégories : R et S. On appelle cela la configuration absolue. Pour cela on utilise les règles CIP que nous allons détailler ensemble.

1) Classer les groupements liés au carbone asymétrique par ordre de priorité ( 1-2-3-4 )

• Classer les atomes directement liés au carbone par numéro atomique décroissant
• Si 2 atomes possèdent le même numéro atomique au rang 1, on regarde les atomes au rang 2, etc… jusqu’à obtenir l’ordre de priorité
• Les liaisons multiples sont considérées comme autant de liaisons simples 2) On place le groupement 4 à l’arrière et on regarde le sens de rotation pour aller de 1 à 2 puis 3
• Si on tourne dans le sens horaire : configuration R
• Si on tourne dans le sens antihoraire : configuration S

On prend un exemple pour le faire en même temps : avec l’alanine. On peut le faire avec un modèle moléculaire pour montrer comment on place la molécule.

Transition : On a vu dans l’introduction que la structure spatiale de la molécule entraîne des propriétés physique et chimique différentes. Nous allons étudier cela plus en détail.

II. Propriétés des molécules

1) Enantiomères

Notion de chiralité : une molécule chirale est une molécule qui n’est pas supperposable à son image dans le miroir. Etymologiquement cela vient du mot main en grec. La main est un objet chiral. On montre bien avec les mains ce que ça veut dire. Les deux mains ne se supperposent pas. La main est chirale. Dans l’organisme de nombreux organismes sont chiraux. Une molécule ayant un seul carbone asymétrique est chirale. Attention : des molécules qui comportent plusieurs atomes de carbone asymétriques ne sont pas forcément chirales. Si elles présentent un axe, plan ou centre de symétrie, alors elles sont superposables à leur image dans un miroir et donc non chirales.

Enantiomère : Deux molécules images l’une de l’autre dans un miroir qui sont non superposables sont des énantiomères.

Des énantiomères ont des propriétés chimiques et physiques identiques, le temps que l’autre composé mis en jeu n’est pas lui aussi chiral. Elles ont cependant un pouvoir rotatoire différent.

Lorsque l’on a un mélange contenant les deux énantiomères en proportion égale, on a un mélange racémique. C’est ce que l’on avait dans le thalidomine.

Le pouvoir rotatoire est une grandeur physique liée à l’interaction entre la lumière et la matière. Il s’exprime en degré et on peut le mesurer à l’aide d’un polarimètre de Laurent. Les molécules chirales (comme les énantiomères) ont toutes une activité optique non nulle (c’est-à-dire un pouvoir rotatoire non nul). On peut retrouver à l’aide du polarimètre une loi similaire à la loi de Beer Lambert : La loi de Biot : α=[α]lC avec [α] le pouvoir rotatoire spécifique. On peut faire une comparaison avec la loi de Beer-Lambert et bien faire cette analogie là sur diapo en écrivant les deux lois.

Manip : On montre la droite que l’on obtient pour le pouvoir rotatoire du saccharose. mesure du pouvoir rotatoire du saccharose. On utilise le polarimètre de Laurent. On fabrique une solution mère de saccharose de 200g/L dans une fiole de 200mL. On fabrique 5 solutions filles à 160, 120,100,80, et 40 g/L (50mL suffit largement). Il faut penser à nettoyer correctement les cuves du polarimètre (car le sucre ça colle). On utilise la cuve de longueur 20cm ce qui correspond à des volumes d’environ 15 mL de solution. Entre chaque mesure j’ai vidé la cuve, rincé à l’eau distillée puis rincé à l’éthanol. On trace ensuite α =f(C) et la pente correspond à [&alpha]xl. On en déduit [α] qu’on compare à la valeur tabulée pour le saccharose.

Transition : Lorsque on a deux molécules qui sont des stéréoisomères de configuration et qui ne sont pas supperposable dans un miroir qu’est-ce qu’il se passe ?

2) Diastéréoisomères

Diastéréoisomères : Ce sont des stéréoisomères de configuration qui ne sont pas supperposable dans un miroir.

Configuration d’une liaison C=C.

Pour obtenir cette configuration, on utilise les règles CIP : 1) On classe les groupements par ordre de priorité 2) On octroie la configuration :

• Z : si les groupements prioritaires sont du même côté de la double liaison.
• E : si les groupements prioritaires sont de part et d’autre de la double liaison.

Exemple : acide fumarique et acide maléique

On regarde leur propriétés physiques et chimiques. Elles sont totalement différentes. On peut regarder pour cela la solubilité et le point de fusion.

Manip :

• On verse 10 mL d’eau dans deux tubes à essai et on ajoute 2g d’acide maléique dans l’un et 2g d’acide fumarique dans l’autre. On agite et on observe que l’acide maléique c’est totalement dissout alors que l’acide fumarique pas du tout. On peut l’explique avec le moment dipolaire de l’acide fumarique qui est nul (car il est symétrique) alors que l’acide maléique est bien polaire tout comme l’eau.

• Mesure de la température de fusion de l’acide maléique avec le banc Kofler Explication de leur température de fusion différentes avec les liaisons hydrogènes intramoléculaires de l’acide maléique qui réduisent le nombre de liaisons hydrogènes possibles avec les autres molécules => moins d’interaction entre les molécules => température de fusion plus faible que l’acide fumarique.

Conclusion

On a appris durant cette leçon a catégoriser les molécules en fonction de leur structure spatiale et l’on a vu que cela est essentiel car leur structure spatiale influe sur leur propriétés physico-chimique. On peut parler des récepteurs olfactifs qui sont chiraux et les deux énantiomères du limonène qui n’ont pas la même odeur.

Diapo

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