TP Représentation spatiale des molécules

Remarque   : Ce TP fait office de cours !! Il contient beaucoup de définition à connaître et à maitriser.

I) La r e p rése n t a tion d es m o léc u les 1) Observer l’animation suivante : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/cram.swf2) Indiquer comment est construite la représentation de Cram.3) Compléter le tableau suivant à l’aide des modèles moléculiaires.

Nom Formule brute Formule semi-développée

Représentation de Cram Modèle moléculaire

II) Les Stéréoisomères de conformations Définition de la stéréoisomérie   : Deux molécules stéréoisomères ne diffèrent que par leur représentation dans l’espace. Elles ont la même formule brute et la même formule semi-développée.

1) Les stéréoisomères de co nf or m a t ions   :

a) Etude de la molécule d’éthane   : CH   3-CH3

Dans la molécule d'éthane, les deux groupes CH3 peuvent tourner librement l'un par rapport à l'autre. Il existe une infinité de représentation possible, mais le plus fréquemment les groupes d’atomes les plus volumineux sont le plus éloignés les uns des autres.

On distingue deux conformations particuliaires :- Dans la conformation décalée, les atomes d’hydrogène H portés par l’un des groupes CH3 sont aussi loin que possible des atomes d’hydrogène porté par l’autre groupe CH3.

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Conformation décalée vu de face A

- Dans la conformation éclipsée, ils sont au contraire aussi près que possible.

Pour passer de la décalée à l'éclipsée, il faut fournir de l'énergie.

Observer l’animation du site suivant en faisant varier l’angle de rotation de la liaison C-C. Que pouvez-vous dire de l’énergie potentielle qui représente la stabilité de la molécule ?

http://www.ostralo.net/3_animations/swf/conformation.swf

b) Quelle est la conformation la plus stable ? Pourquoi ?c) Comment passe-t-on de d’une représentation à une autre ? d) Donner une définition des stéréoisomères de conformation.

2) Application: différentes conformations du 1,2 dichloroéthane

a) Dans les cellules vides, donner la représentation de Cram de chaque conformation de lamolécule 1,2-dichloroéthane

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Conformation éclipsée vu de face B

Conformation A Conformation B

Conformation C Conformation D

b) Attribuer un niveau d'énergie à chaque conformation. (Mettre la bonne lettre dans chaque cadre.)

III)

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Les Stéréoisomères de configurations   : 1) La chiralité d’une molécule   :

a) La main droite et la main gauche sont chirales. Que dire de la main droite par rapport à la main gauche ?

b) Construire à l’aide des modèles deux molécules chirales avec un atome de carbone portant les 4 groupes suivant : H, OH, Cl et Br.

Représenter les deux molécules à l’aide de la représentation de Cram dans le tableau suivant.

c) Ces deux molécules sont-elles superposables ? Donner une définition de deux molécules chirales.

A

retenir   : Une molécule chirale et son image dans un miroir forment un couple de molécules appelées des énantiomères.

d) Est-il possible de passer simplement d’un énantiomère à un autre? Que faut-il faire pour y arriver ?

2) Reconnaissance chirale

La chiralité est une propriété inhérente à tous les systèmes biologiques.

Seules des molécules ayant une géométrie particulière et donc chirales peuvent interagir avec les récepteurs : on parle alors de reconnaissance chirale.

Expliquer pourquoi les couples de molécules présentés ci-dessous n’ont pas la même activité biologique alors qu’elles semblent similaires.

Limonène Limonène Ibuprofène Ibuprofène

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Miroir

orange citron Antalgique et antirhumatismale

Aucun effet thérapeutique

3) Les atomes de carbone asymétrique   :

Il n’est pas toujours facile de dire si une molécule est chirale ou non.Un moyen efficace de déterminer la chiralité d’une molécule est de trouver la présence d’un atome de carbone asymétrique dans la molécule.

Définition   : Un atome de carbone asymétrique est un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupement d’atomes différents. Il est signalé par un astérisque.

Une molécule qui possède u n e t u n se u l at o m e d e c a r b o n e asymétrique est toujours chirale.

Asparagine Acide lactique Ethambutol Thalidomide a) Exemples   : Repérer les carbones asymétriques parmi les molécules ci-dessous

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b) Dans les cellules vides, retrouver les énantiomères des molécules ci-dessous.

Butan-2-ol alanine

IV) Les diastéréosisomères 1) Molécules avec deux carbones asymétriques

a) Découper les configurations de Cram en annexe et les placer aux quatre coins du diagramme ci-dessous. (Au bon endroit si possible !)

b) Donner une définition du terme diastéréoisomère.

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COOHNH2

CH3

Remarque   : Les diastéréoisomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes.

2) Diastéréoisomères Z/EDans une molécule présentant une double liaison C=C il existe deux stéréoisomères différent Z et E. Z vient de l'allemand Zusammen : ensemble ; E vient de l'allemand Entgegen : opposé

a) Justifier la présence des notations E et Z dans la nomenclature des molécules présentées dans le tableau.

(E)-but-2-ène (Z)-but-2-ène

a) Les molécules suivantes font-elles partie d’un couple de diastéréoisomère Z/E :

CH3CH2CH=CH-CH3 et CH3-CH2-C=CH2

CH3

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Annexe

V)

Application   : Propriétés des diastéréoisomères

Problème   : un professeur de Sciences Physiques un peu maladroit (pléonasme ?) a malencontreusement effacé des étiquettes : il ne sait donc pas lequel des deux acides (acide 1 et acide 2) correspond à l'acide fumarique et à l'acide maléique.

Document 1 :Classe fonctionnel Groupe caractéristique Exemples

Alcène Aucun

Par rapport à l’alcane, il y a une double liaison carbone-carbone. Le suffixe –ane est remplacé par le suffixe -ène précédé du numéro du 1er

carbone engagé dans la double liaison.

Acide carboxylique carboxye Nommé « acide alcanoïque

Document 2 : L’acide but-2-ène-1,4-oïque présente deux groupes carboxyle différents de chaque côté de la double liaison carbone-carbone, on trouve donc deux configurations possibles.

Ici la configuration Z caractérise les diastéréoisomères dont les groupes carboxyle sont du même côté du plan formé par la double liaison carbone – carbone et la configuration E caractérise les diastéréoisomères dont les groupes carboxyle sont du côté opposé l'un de l'autre par le plan formé par la double liaison carbone – carbone.

• Le nom trivial de l’acide (Z)-but-2-ène-1,4-oïque est l’acide maléique.• Le nom trivial de l’acide (E)-but-2-ène-1,4-oïque est l’acide fumarique.

Document 3 : propriétés physico-chimiques des acides maléique et fumarique

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Acide maléique Acide fumariquePropriétés chimiquesFormule bruteMasse molairepKa

C4H4O4

116g.mol-1

pKa1=1,8

C4H4O4

116g.mol-1

pKa1=3,0

Propriétés physiquesT° fusionSolubilité à 25°CMasse volumique

131°C780g.L-1

1,59g.mL-1

287°C6,3g.L-1

1,63g.mL-1

Document 4 : La valeur du pH est d’autant plus faible que la quantité d'ions hydrogène (H+) libérés par les acides lors de leur dissociation dans l'eau est important.Pour une même quantité de matière d’acide ajoutée à l’eau, plus la quantité d'ions hydrogène H+ dissociée est grande, moins un acide est faible, et plus son pKa est petit.

Questions préalables :Donner les formules semi-développées et topologiques (en respectant la géométrie autour de la double liaison) de l’acide maléique et de l’acide fumarique.

Ces deux molécules sont-elles des isomères de configuration ? De conformation ? Sont-elles énantiomères l’une de l’autre ? Ou diastéréoisomères? Justifier.

Question : Proposer 3 expériences permettant d’identifier les 2 acides 1 et 2.

Matériel   : acide 1 en poudre dans un petit pot acide 2 en poudre dans un petit pot une plaque de cuivre sur une résistance électrique balance, spatule, eau distilléepH-mètre préalablement étalonné 2 erlenmeyeréprouvette graduée de 10mL 2 fioles jaugées de 250mL

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Application à la séparation d’énantiomères La synthèse du naproxène (un inflammatoire) mène à un mélange racémique de deux énantiomères (un mélange racémique est un mélange équimolaire des deux énantiomères). Ces derniers n’ont pas les mêmes effets biologiques : l’un d’eux est 28 fois plus actif que l’autre. Une méthode de séparation des deux énantiomères, brevetée en 1960, s’effectue en deux étapes. Premièrement les 2 énantiomères sont transformés chimiquement en 2 diastéréoisomères : l’un est soluble dans l’eau, pas l’autre. Une séparation est alors possible par filtration. Les énantiomères du naproxène sont ensuite régénérés séparément.

Expliquer à travers cet exemple pourquoi il est plus commode de séparer des diastéréoisomères que des énantiomères ?

Matériel : salle informatique

Prof :- Acide maléique et fumarique en poudre- Solution d’acide fumarique et maléique à 4 g.L-1

Elève : - Miroir plan- Boite de modèle moléculaire- une plaque de cuivre sur une résistance électrique - balance, spatule, eau distillée- pH-mètre préalablement étalonné ( un par rangé de paillasse)- petit godet pour pH-mètre- 2 erlenmeyer- éprouvette graduée de 10mL

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