Chapitre 7: Notions de Stéréochimie
Notions de Stéréochimie
Introduction
Capacités et habiletés
- Reconnaître les différents types d'atomes de carbone (tétragonal, trigonal).
- Utiliser les conventions de représentation spatiale (trait plein, triangle plein, triangle hachuré).
- Distinguer les formules brute, développée, semi-développée et spatiale d'une molécule.
- Identifier et classer les isomères de constitution (chaîne, position, fonction).
- Différencier conformation et configuration.
- Représenter les conformations éclipsée et étoilée de l'éthane, ainsi que les conformations chaise et bateau du cyclohexane.
- Reconnaître un carbone asymétrique et une molécule chirale.
- Représenter un couple d'énantiomères.
Situation d'apprentissage
Un laboratoire pharmaceutique met au point un nouveau principe actif. Les chimistes s'aperçoivent que deux échantillons de la même formule brute produisent des effets thérapeutiques très différents sur les patients : l'un soigne efficacement, l'autre reste sans effet notable. Pourtant, les analyses élémentaires montrent qu'il s'agit exactement de la même formule brute.
- Comment deux molécules peuvent-elles avoir la même formule brute et des propriétés différentes ?
- Quelles représentations permettent de rendre compte de la disposition des atomes dans l'espace ?
- Comment distinguer deux molécules qui ne diffèrent que par l'arrangement spatial de leurs atomes ?
Ce chapitre va nous permettre de répondre progressivement à ces questions.
1. Le carbone et les liaisons carbone
1.1. Différents types d'atomes de carbone
Le carbone possède quatre électrons sur sa couche externe : il est donc tétravalent. Les quatre liaisons qu'il est susceptible de former peuvent avoir plusieurs configurations spatiales.
1.1.1. Le carbone tétragonal
Le carbone échange quatre liaisons simples avec quatre atomes distincts. Ces quatre liaisons pointent vers les sommets d'un tétraèdre régulier, avec un angle de 109°28' entre elles.
1.1.2. Le carbone trigonal
Le carbone échange deux liaisons simples et une liaison double avec trois atomes voisins. Ces trois liaisons sont situées dans un même plan et forment entre elles des angles de 120°.
1.2. Conventions de représentation
Pour représenter la géométrie spatiale d'une molécule sur une feuille (plane), on utilise trois conventions :
- un trait plein représente une liaison située dans le plan de la feuille ;
- un triangle plein (pointe vers l'atome central) représente une liaison située en avant du plan de la feuille ;
- un triangle hachuré représente une liaison située en arrière du plan de la feuille.
1.3. Structure de quelques molécules
1.3.1. Le méthane
La molécule de méthane $\ce{CH4}$ est un exemple de carbone tétragonal : les quatre liaisons C–H pointent vers les sommets d'un tétraèdre, avec un angle H–C–H de 109°28'.
2. Les formules de représentation des molécules
2.1. La formule développée
La formule développée représente explicitement toutes les liaisons entre tous les atomes de la molécule. Exemple, le butan-1-ol :
Formule développée du butan-1-ol
2.2. La formule semi-développée
Une écriture plus simple peut être utilisée sans représenter les liaisons C–H : seules sont représentées les liaisons entre groupes d'atomes et les groupements fonctionnels. Ce sont des formules semi-développées, plus faciles à écrire et les plus souvent utilisées.
$$ \ce{CH3-CH2-CH2-CH2-OH} \qquad \ce{CH2=CH-CH3} \qquad \ce{CH3-CO-CH3} $$2.3. La formule spatiale
La représentation spatiale d'une molécule permet de montrer la position dans l'espace des atomes qui la constituent. La géométrie des liaisons détermine la configuration spatiale de la molécule. Il est indispensable de savoir représenter le carbone tétraédrique, avec les trois conventions vues au 1.2 (trait plein, triangle plein, triangle hachuré), en respectant un angle de liaison voisin de 109°.
Carbone tétraédrique générique : a et b dans le plan (traits pleins), c en avant (triangle plein), d en arrière (représenté par une série de traits perpendiculaires de plus en plus longs, formant un triangle hachuré)
↑ Retour au sommaire3. Les isomères
Définition
Deux molécules différentes ayant la même formule brute sont dites isomères. Il existe plusieurs sortes d'isomérie.
3.1. L'isomérie de constitution
Des isomères de constitution diffèrent par l'ordre ou la nature des liaisons qui lient les atomes entre eux. Exemple :
$$ \ce{CH3-CH2-OH} \qquad \ce{CH3-O-CH3} $$Le premier est l'éthanol, le second est l'oxyde de diméthyle. À l'intérieur de cette catégorie, on distingue trois sous-catégories.
a) L'isomérie de chaîne
Les isomères ne diffèrent que par leur chaîne carbonée.
$$ \ce{CH3-CH2-CH2-CH3} \qquad \ce{CH3-CH(CH3)-CH3} $$b) L'isomérie de position
Pour ces isomères, le groupe fonctionnel n'occupe pas la même place sur la chaîne.
$$ \ce{CH3-CH2-CH2-OH} \qquad \ce{CH3-CH(OH)-CH3} $$(propan-1-ol et propan-2-ol) ; de même, but-1-ène et but-2-ène.
c) L'isomérie de fonction
Ces isomères sont fondamentalement différents : ils n'ont pas la même fonction chimique. Exemple :
$$ \ce{CH3-CH2-CHO} \qquad \ce{CH3-CO-CH3} $$Le premier est le propanal (aldéhyde), le second est la propanone (cétone).
3.2. La stéréoisomérie
Des stéréoisomères ne diffèrent que par la disposition des atomes dans l'espace. Pour les décrire, il est nécessaire d'utiliser des représentations spatiales. La partie de la chimie qui se consacre à l'étude de la structure spatiale des molécules s'appelle la stéréochimie.
↑ Retour au sommaire4. Les conformations
4.1. Définitions
On appelle conformation les différentes formes résultant de la rotation autour d'une liaison simple. À chaque conformation correspond une énergie liée à la position relative des atomes. Pour passer d'une conformation à une autre, la molécule doit franchir une faible barrière d'énergie ; à température ordinaire, les chocs entre molécules permettent ce passage en permanence. Les molécules qui ne diffèrent les unes des autres que par une rotation autour d'une liaison simple sont appelées conformères.
4.2. Les conformations de l'éthane : éclipsée et étoilée (décalée)
Lorsqu'on regarde la molécule d'éthane suivant l'axe de la liaison C–C (projection de Newman), on dit que la molécule est en conformation éclipsée si les atomes d'hydrogène liés à chacun des deux carbones se superposent deux à deux ; elle est en conformation étoilée (ou décalée) si les hydrogènes du carbone arrière sont décalés de 60° par rapport à ceux du carbone avant.
On peut aussi représenter ces deux conformations « en perspective », carbone par carbone, en utilisant les conventions du paragraphe 1.2 (trait plein = plan, triangle plein = avant, triangle hachuré = arrière) :
Pourquoi la conformation étoilée est-elle plus stable ?
Dans la conformation éclipsée, les doublets liants C–H du carbone avant et ceux du carbone arrière se retrouvent très proches les uns des autres : leur répulsion électronique (appelée tension de torsion) augmente l'énergie de la molécule. Dans la conformation étoilée, les liaisons C–H sont le plus éloignées possible les unes des autres : la répulsion est minimale, ce qui rend cette conformation la plus stable. La différence d'énergie entre les deux conformations de l'éthane est faible (de l'ordre de 12 kJ·mol⁻¹), ce qui explique que l'agitation thermique, même à température ordinaire, suffise à faire tourner librement un groupe méthyle autour de la liaison C–C.
Il est impossible de séparer deux conformères à température ordinaire, une molécule passant d'une conformation à l'autre très rapidement. La conformation d'énergie la plus faible est la plus stable : pour l'éthane, c'est la conformation étoilée.
4.3. Les conformations du cyclohexane
La conformation la plus stable du cyclohexane est la forme chaise. Dans cette configuration, six liaisons sont perpendiculaires au plan moyen de la molécule : on les appelle liaisons axiales ; les six autres liaisons, qui pointent vers l'extérieur du cycle en s'écartant peu du plan moyen, sont dites équatoriales. Chaque atome de carbone porte donc un hydrogène axial et un hydrogène équatorial.
L'inversion de cycle
La molécule de cyclohexane n'est pas figée dans une seule conformation chaise : elle peut basculer vers une seconde conformation chaise, dite inversée, en passant par des conformations intermédiaires moins stables (bateau, puis « bateau-croisé »). Lors de cette inversion de cycle, tous les hydrogènes qui étaient axiaux deviennent équatoriaux, et réciproquement, sans qu'aucune liaison ne soit rompue : les deux formes chaises obtenues sont donc deux conformères. Cette interconversion est très rapide à température ambiante.
5. Conformation — Configuration
On peut passer d'un conformère à un autre sans rompre de liaison dans la molécule : deux conformères représentent la même molécule dans deux « états de rotation » différents. Mais cette libre rotation, possible autour d'une liaison simple, n'existe pas autour d'une liaison double : les deux atomes de carbone d'une double liaison $\ce{C=C}$, ainsi que les quatre substituants qu'ils portent, sont figés dans un même plan.
Cette absence de rotation autour de la double liaison a une conséquence importante : lorsque chaque atome de carbone de la double liaison porte deux substituants différents, deux arrangements distincts et non interconvertibles sont possibles. Ce sont d'autres stéréoisomères, qui résultent d'une différence liée à la position des substituants par rapport à la double liaison $\ce{C=C}$ : ce sont les isomères Z et E.
La dénomination (Z) vient de l'allemand zusammen (ensemble), tandis que (E) vient de entgegen (opposé). Ce sont des stéréoisomères : ces deux molécules sont différentes et ont deux configurations différentes. Pour passer d'une configuration à l'autre, il faut rompre une liaison (ici la double liaison).
Comment déterminer si un alcène est Z ou E ?
Pour nommer sans ambiguïté la configuration d'une double liaison, on compare, sur chaque atome de carbone de la double liaison, les deux substituants qu'il porte, en leur attribuant une priorité selon une règle simple (règle de Cahn-Ingold-Prelog simplifiée) :
- on compare d'abord les numéros atomiques des atomes directement liés au carbone de la double liaison : plus le numéro atomique est élevé, plus le substituant est prioritaire (par exemple, $\ce{Cl}$ est prioritaire sur $\ce{C}$, lui-même prioritaire sur $\ce{H}$) ;
- en cas d'égalité (deux substituants carbonés, par exemple), on compare les atomes portés par ce carbone, et ainsi de suite jusqu'à trouver une différence.
La configuration est alors :
- Z si les deux substituants prioritaires (un sur chaque carbone de la double liaison) sont du même côté de la double liaison ;
- E si les deux substituants prioritaires sont de part et d'autre de la double liaison.
Dans le but-2-ène $\ce{CH3-CH=CH-CH3}$, chaque carbone de la double liaison porte un groupe $\ce{CH3}$ (prioritaire, car carbone) et un atome $\ce{H}$ (non prioritaire). Lorsque les deux $\ce{CH3}$ sont du même côté, la molécule est (Z) ; lorsqu'ils sont de part et d'autre, elle est (E).
Un exemple marquant est celui des acides maléique (Z) et fumarique (E) :
L'acide maléique fond à 131 °C alors que l'acide fumarique fond à 287 °C : deux configurations différentes donnent des propriétés physiques différentes.
| Conformation | Configuration |
|---|---|
| Passage d'un isomère à l'autre par rotation autour d'une liaison simple ; faible barrière d'énergie. | Nécessité de « casser » une liaison ; barrière d'énergie élevée. |
| À température ambiante : passage spontané possible ; isomères non séparables représentant la même molécule. | Passage spontané impossible ; isomères séparables : ce sont deux molécules différentes. |
| Exemple : formes éclipsée et étoilée de l'éthane. | Exemple : isomères Z et E du but-2-ène. |
6. Le carbone asymétrique — Chiralité
6.1. Définition
Carbone asymétrique
On appelle carbone asymétrique, noté $\ce{C^*}$, un atome de carbone tétraédrique lié à quatre atomes ou groupes d'atomes tous différents.
Le bromochloroiodométhane et le butan-2-ol comportent chacun un carbone asymétrique.
6.2. Chiralité
Molécule chirale
Une molécule chirale est une molécule non superposable à son image dans un miroir plan.
6.3. Énantiomérie
Les deux possibilités d'arrangement des quatre substituants autour d'un carbone asymétrique définissent deux configurations. Ces deux molécules sont isomères : ce sont des stéréoisomères. Lorsque cette isomérie est une isomérie optique (images l'une de l'autre dans un miroir), on dit qu'elles forment un couple d'énantiomères.
Pour ces deux molécules de bromochloroiodométhane, on peut donc dire que :
- chaque molécule est chirale ;
- l'une est l'énantiomère de l'autre, et réciproquement ;
- l'une est l'image de l'autre dans un miroir, et réciproquement.
Propriétés physiques et chimiques des énantiomères : deux énantiomères ont des propriétés physiques identiques (point de fusion, d'ébullition, etc.) tant que le phénomène mis en jeu n'est pas asymétrique. En revanche, certaines réactions biochimiques varient en fonction de l'énantiomère considéré. Ceci est très important lors de la synthèse de molécules organiques (médicaments…) où seule une configuration est efficace, l'autre pouvant avoir des effets complètement différents, voire opposés.
6.4. Molécules à plusieurs carbones asymétriques
Une molécule peut posséder plusieurs carbones asymétriques. Dans ce cas, chaque carbone asymétrique peut adopter l'une ou l'autre de ses deux configurations, indépendamment des autres. Une molécule possédant $n$ carbones asymétriques peut donc exister sous $2^n$ configurations différentes au maximum (stéréoisomères de configuration). Par exemple, une molécule à deux carbones asymétriques distincts peut exister sous $2^2 = 4$ formes stéréoisomères, regroupées en deux couples d'énantiomères.
Situations-problèmes
Situation-problème 1 : les isomères du pentane
Un technicien de laboratoire doit trier des flacons non étiquetés contenant tous des composés de formule brute $\ce{C5H12}$. Il sait que plusieurs isomères différents partagent cette formule.
Problématique : combien d'isomères possède le pentane $\ce{C5H12}$, et comment les nommer selon la nomenclature internationale ?
Étape 1 : dénombrer les squelettes carbonés possibles. Avec 5 atomes de carbone, on peut construire une chaîne linéaire, ou des chaînes ramifiées en déplaçant un groupe méthyle.
- Chaîne linéaire : $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH3}$ — pentane.
- Une ramification en position 2 : $\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH3}$ — 2-méthylbutane.
- Ramification symétrique : $\ce{(CH3)3C-CH3}$ — 2,2-diméthylpropane.
Étape 2 : vérifier qu'il n'existe pas d'autre possibilité. Toute autre position de ramification reproduit l'un des trois squelettes déjà trouvés par simple renumérotation de la chaîne.
Conclusion : le pentane $\ce{C5H12}$ possède exactement 3 isomères de chaîne : le pentane, le 2-méthylbutane et le 2,2-diméthylpropane.
Situation-problème 2 : identifier une isomérie Z/E
Un chimiste dispose d'un flacon étiqueté « 2-chlorobut-2-ène » mais suspecte qu'il puisse en réalité contenir un mélange de deux stéréoisomères non séparés lors de la synthèse.
Problématique : le 2-chlorobut-2-ène présente-t-il une isomérie Z/E ? Si oui, représenter les deux stéréoisomères.
Étape 1 : écrire la formule semi-développée et repérer la double liaison. $\ce{CH3-C(Cl)=CH-CH3}$. La double liaison porte, sur le premier carbone, les substituants $\ce{CH3}$ et $\ce{Cl}$, et sur le second, $\ce{H}$ et $\ce{CH3}$.
Étape 2 : vérifier la condition d'existence de l'isomérie Z/E. Chaque carbone de la double liaison doit porter deux substituants différents. Ici, $\ce{CH3} \ne \ce{Cl}$ sur le premier carbone et $\ce{H} \ne \ce{CH3}$ sur le second : la condition est vérifiée.
Étape 3 : représenter les deux stéréoisomères. On place les substituants prioritaires (ici $\ce{Cl}$ et $\ce{CH3}$ terminal) du même côté pour l'isomère Z, et de part et d'autre pour l'isomère E.
Conclusion : le 2-chlorobut-2-ène existe bien sous deux formes stéréoisomères, (Z)-2-chlorobut-2-ène et (E)-2-chlorobut-2-ène ; le flacon peut donc effectivement contenir un mélange des deux.
Situation-problème 3 : hydratation du but-1-ène
Au cours d'une séance de travaux pratiques, l'addition d'eau sur le but-1-ène conduit à un mélange de deux alcools A et B.
Problématique : quelles sont les formules semi-développées de A et B, et l'un de ces alcools est-il chiral ?
Étape 1 : écrire la formule du but-1-ène. $\ce{CH2=CH-CH2-CH3}$.
Étape 2 : appliquer l'addition d'eau sur la double liaison. L'eau ($\ce{H-OH}$) s'additionne sur les deux carbones de la double liaison, ce qui donne deux régiochimies possibles :
- A : $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2OH}$ (butan-1-ol) ;
- B : $\ce{CH3-CH2-CH(OH)-CH3}$ (butan-2-ol).
Étape 3 : examiner la chiralité de chaque alcool. Dans le butan-1-ol, le carbone portant $\ce{OH}$ est lié à $\ce{H}$, $\ce{OH}$ et deux fois un groupe $\ce{CH2}$ similaire : ce n'est pas un carbone asymétrique. Dans le butan-2-ol, le carbone fonctionnel est lié à quatre groupes différents : $\ce{H}$, $\ce{OH}$, $\ce{CH3}$ et $\ce{CH2CH3}$.
Conclusion : A (butan-1-ol) n'est pas chiral ; B (butan-2-ol) possède un carbone asymétrique, donc B est chiral et existe sous la forme de deux énantiomères.
Situation-problème 4 : reconnaître l'activité potentielle d'une molécule
On donne la liste de composés suivants : $\ce{CHCl3}$, $\ce{CHBrCl2}$ (bromodichlorométhane), $\ce{CH3-CHBrCl}$, $\ce{CH3-CH(OH)-CH3}$, $\ce{CH3-CH2OH}$, $\ce{CH3-CH(OH)-CHO}$.
Problématique : lesquels de ces composés possèdent un carbone asymétrique et sont donc susceptibles d'exister sous forme de deux énantiomères ?
Étape 1 : rappeler le critère. Un carbone est asymétrique s'il est lié à quatre atomes ou groupes tous différents.
Étape 2 : examiner chaque composé.
- $\ce{CHCl3}$ : le carbone porte $\ce{H}$ et trois fois $\ce{Cl}$ → non asymétrique.
- $\ce{CHBrCl2}$ : le carbone porte $\ce{H}$, $\ce{Br}$ et deux fois $\ce{Cl}$ → non asymétrique.
- $\ce{CH3-CHBrCl}$ : le carbone central porte $\ce{H}$, $\ce{Br}$, $\ce{Cl}$ et $\ce{CH3}$ : quatre groupes différents → asymétrique.
- $\ce{CH3-CH(OH)-CH3}$ : le carbone fonctionnel porte $\ce{H}$, $\ce{OH}$ et deux fois $\ce{CH3}$ → non asymétrique.
- $\ce{CH3-CH2OH}$ : aucun carbone n'a quatre substituants différents → non asymétrique.
- $\ce{CH3-CH(OH)-CHO}$ : le carbone central porte $\ce{H}$, $\ce{OH}$, $\ce{CH3}$ et $\ce{CHO}$ : quatre groupes différents → asymétrique.
Conclusion : seuls $\ce{CH3-CHBrCl}$ et $\ce{CH3-CH(OH)-CHO}$ possèdent un carbone asymétrique ; ce sont les seuls, parmi cette liste, susceptibles d'exister sous forme de deux énantiomères.
Situation d'intégration
Un médicament à double visage
Contexte : dans les années 1950-1960, un médicament appelé thalidomide a été prescrit à des femmes enceintes contre les nausées. Ce médicament existe sous la forme de deux stéréoisomères issus d'un même carbone asymétrique, obtenus ensemble lors de la synthèse chimique classique : l'un possède l'effet thérapeutique recherché (sédatif), tandis que l'autre s'est révélé responsable de graves malformations chez le fœtus.
Problématique : comment expliquer, à l'aide des notions de stéréochimie étudiées dans ce chapitre, que deux formes d'une même molécule de formule brute identique puissent avoir des effets biologiques radicalement différents ?
Étape 1 : identifier le type d'isomérie en jeu. Les deux formes du médicament ont la même formule brute et la même formule semi-développée : les atomes sont liés de la même façon. Il ne s'agit donc ni d'isomérie de chaîne, ni de position, ni de fonction (isomérie de constitution), mais d'une stéréoisomérie : seule la disposition spatiale des atomes diffère.
Étape 2 : localiser l'origine structurale de cette stéréoisomérie. La molécule de thalidomide possède un atome de carbone lié à quatre groupes d'atomes tous différents : c'est un carbone asymétrique $\ce{C^*}$. Comme vu au paragraphe 6.1, un tel carbone autorise deux arrangements spatiaux distincts des quatre substituants autour de lui.
Étape 3 : caractériser la relation entre les deux formes. Ces deux arrangements sont l'image l'un de l'autre dans un miroir plan et ne sont pas superposables (comme le couple bromochloroiodométhane étudié au 6.3) : la molécule est donc chirale, et les deux formes du médicament constituent un couple d'énantiomères.
Étape 4 : relier la structure à la différence d'effet biologique. D'après le paragraphe 6.3, deux énantiomères ont des propriétés physiques identiques (solubilité, point de fusion…) car ces propriétés ne dépendent pas de la disposition spatiale autour du carbone asymétrique. En revanche, les récepteurs biologiques de l'organisme sont eux-mêmes des structures chirales : ils ne reconnaissent efficacement qu'un seul des deux énantiomères, un peu comme une main droite n'entre confortablement que dans un gant droit. C'est pourquoi un seul énantiomère produit l'effet thérapeutique recherché, tandis que l'autre, mal reconnu par les récepteurs normaux, peut interagir avec d'autres cibles biologiques et provoquer des effets indésirables graves.
Étape 5 : conclure et relier à la pratique industrielle. Une synthèse chimique classique produit en général les deux énantiomères en quantités égales (mélange dit racémique), car rien ne favorise chimiquement l'un par rapport à l'autre. C'est cette absence de séparation des deux formes qui a été à l'origine du drame sanitaire lié à la thalidomide.
Conclusion
Deux molécules de même formule brute et de même formule semi-développée peuvent donc avoir des comportements biologiques opposés dès lors qu'elles diffèrent par la disposition spatiale des atomes autour d'un carbone asymétrique. Cette situation illustre concrètement pourquoi l'industrie pharmaceutique doit aujourd'hui séparer les énantiomères de ses principes actifs ou s'assurer qu'un seul est produit, afin de garantir à la fois l'efficacité et la sécurité des médicaments.
