Chapitre II

STEREOCHIMIE CONFORMATION CONFIGURATION

1 - Isomérie Isomérie plane (ou de constitution) : - même formule brute - formule semi-développée différente

Isomérie de chaîne Isomérie de position Isomérie de fonction

Stéréoisomérie : - même formule brute - même formule semi-développée - disposition spatiale des atomes différente

Isomérie de conformation : Structures qui résultent de la rotation autour d'une liaison simple σ.

Cas des chaînes aliphatiques Cas des cyclohexanes Cas des systèmes poly-conjugués Conformations s-cis et s-trans

Isomérie de configuration : Enantiomérie : Stéréoisomères dont les configurations sont images l'une de l'autre dans un miroir. Diastéréoisomérie : - diastéréoisomères Stéréoisomères dont les configurations ne sont pas des images spéculaires (cas des molécules avec 2 C* ou plus). - diastéréoisomères géométriques Nomenclature Z et E.

2 - Les conformations 2-1) Conformations des composés acycliques 1er exemple : l'éthane

H C C H

H

H H

H

CH3-CH3

H

H H

H

HHC

CH

H

H H

HH

formule formule représentation projection semi-développée développée perspective de Newman Considérons l'angle dièdre α et examinons la courbe de l'énergie potentielle de cette molécule quand α varie de 0° à 120° :

H

H

H

HC

C

H

H

α

HH

H

H H

H

HH

HH HH

HH

HH HH

α = 0° α = 60° α = 120°

α0° 120°60°

Ep12 kJ.mol-1

Conformationdécalée

(Cd)

Conformationéclipsée 1

(Ce1)

Conformationéclipsée 2

(Ce2)

Ce1 Ce2

Cd

Conclusions : - il existe une infinité de conformations entre α = 0° et α = 360° - on passe d'une conformation à une autre conformation par rotation autour d'une liaison (ici C-C) - les conformères décalés (Cd) ont une énergie plus basse, ils sont plus stables - la barrière de rotation est faible (12 kJ.mol-1), 99% des molécules d'éthane ont une conformation décalée - la répulsion des nuages électroniques des liaisons C-H déstabilise les conformères éclipsés

2ème exemple : le butane Comme dans le cas de l'éthane, considérons la courbe de l'énergie potentielle de la molécule en fonction de α :

α0° 120°60°

Ep

240° 300° 360°180°

25 kJ.mol-1

H

H

H

HC

C

Me

α

Me

HH

MeH Me

H

MeMe

HHH

H

HMe

HHMe

H

HH

MeH H

Me

α = 0° α = 60° α = 120° α = 180°EclipséeMe-Meou totale

Décalée "gauche"

EclipséeMe-H

Décalée "anti"

Entre 0° et 360° il existe donc : - pour α = 0° ou 360°, la conformation éclipsée Me-Me (ou "totale") d'énergie la plus élevée - pour α = 60° ou 300°, les conformations décalées "gauches" - pour α = 120° ou 240°, les conformations éclipsées Me-H (ou partielles) d'énergie intermédiaire entre les précédentes - pour α = 180°, la conformation décalée "anti" qui est la plus stable. Il apparaît donc que toutes les conformations éclipsées sont d'énergie supérieures aux conformations décalées, donc moins stables.

3ème exemple : le 1,2-éthanediol La conformation décalée "anti" n'est cependant pas nécessairement la plus stable dés lors qu'interviennent d'autres considérations que l'encombrement stérique.

H

H

H

HC

C

OH

α

OH

HH

O

H O

H

α = 60°Décalée "gauche"

H

H

H H

O

HO

H

H

Hou

α = 300°Décalée "gauche"

Dans le cas du 1,2-éthanediol, les conformations les plus stables sont les décalées "gauches" qui réalisent le meilleur compromis entre : - établissement d'une liaison hydrogène intra-moléculaire (qui diminue l'énergie potentielle de la molécule) et qui n’est possible que dans les conformations éclipsée totale et décalées "gauches" - gène stérique moindre qui élimine la première de ces 2 conformations

2-2) Conformations des composés cycliques a) Le cyclopropane, le cyclobutane et le cyclopentane

HH

H

H H

HH

H

H

H H

H

H

HHH

H

H

HH

H

H

H

H

Dans le cas du cyclopropane, la tension angulaire (angle des liaisons C-C-C) est très éloignée de 109,5° et la répulsion électronique des doublets de liaison C-H (dans le même plan 2 à 2) est importante : c'est un cycle qui s'ouvre facilement. Avec le cyclobutane, la tension angulaire est plus faible (on se rapproche de 109,5°). Pour diminuer la répulsion électronique des liaisons C-H, le cycle se plie. Dans le cyclopentane, la tension angulaire devient très faible (104° au lieu de 109,5°). Le processus de pliage s'accentue cependant pour échapper à l'éclipse des liaisons C-H.

b) Le cyclohexane et ses dérivés Conformation chaise et bateau

HH

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Conformation"chaise"

Conformation"bateau"

Dans ces conformations, le cyclohexane voit l'angle de valence des liaisons C-C-C se rapprocher de 109,5°. Dans la conformation "chaise", les liaisons C-H de 2 carbones consécutifs du cycle sont en conformation décalée à 60° les unes des autres. Dans la conformation "bateau", ces mêmes liaisons sont en conformation éclipsée. La conformation "chaise" est donc la conformation de plus basse énergie donc la plus stable.

En fait, il existe 2 conformations "chaise" en équilibre thermodynamique, le passage de l'une à l'autre se faisant plus de 100.000 fois par seconde à 25°C :

H

HH

H

H

H

HH

H

H

H

HH

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Par contre, si on abaisse la température, la durée de vie d'une conformation augmente considérablement.

Positions axiales et équatoriales d'un cyclohexane chaise

H

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

position "axiale"

position "équatoriale"

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

Représentation en projectionde Newman d'un

cyclohexane "chaise"

Les chimistes différencient les hydrogènes : - axiaux pour lesquels la liaison C-H est perpendiculaire au plan moyen du cycle (plan passant par le milieu de chacune des liaisons C-C du cycle) - équatoriaux pour lesquels la liaison C-H est peu inclinée par rapport au plan moyen du cycle

Si l'interconversion entre 2 conformères "chaise" est aisée dans le cyclohexane, il en va tout autrement quand le cycle est substitué par un groupement volumineux :

H

R

HR

H

H

Dans la conformation de gauche ci-dessus, le groupe R est en position axiale : les interactions 1,3 diaxiales sont importantes. La conformation de droite où R est en position équatoriale est de loin la conformation prépondérante.

R -Br -CH3 -C(CH3)3 % du conformère avec

R en position équatoriale à 25°C

72%

94%

> 99%

2-3) Conformations des systèmes polyconjugués Exemple 1 : le buta-1,3-diène Il s'agit de l'hydrocarbure H2C=CH-CH=CH2. Pour permettre la délocalisation des doublets π et assurer ainsi la plus grande stabilité de la molécule, cette dernière doit être plane. Il existe cependant 2 conformations compatibles avec la planéité de la molécule :

H

HH

H H

H

H

H

σ σH H

H

H

Conformation s-cis Conformation s-trans

Dans la conformation s-cis, les doubles liaisons C=C sont du même côté du doublet σ C-C. Elles sont de part et d'autre de celui-ci dans la conformation s-trans. Du fait de la gène stérique moindre, la conformation s-trans est en général plus stable que la s-cis.

Exemple 2 : la 3-méthylbut-3-én-2-one Là encore, cette molécule existe sous 2 conformations : s-cis et s-trans cette dernière étant plus stable du fait de la gène stérique moindre.

OH

H

σ

H3C CH3

Conformation s-cis

H

O

H

σ

H3C

CH3

Conformation s-trans

3 - Les configurations 3-1) Chiralité et carbone asymétrique Un objet pouvant exister sous 2 formes non superposables et images l'une de l'autre est chiral. A l'échelle moléculaire, un composé peut lui aussi exister sous 2 structures différentes, images l'une de l'autre dans un miroir. Pour cela, il faut et il suffit qu'il ne possède ni plan ni centre de symétrie. La molécule A ci-dessous possède 1 carbone asymétrique = C* = carbone portant 4 substituants différents : elle est chirale.

ab

c

d

ab

c

d

miroirmolécule A'

image spéculaire de Amolécule A

Des paires de molécules qui existent sous forme d'images spéculaires l'une par rapport à l'autre et qui ne sont pas superposables sont des énantiomères. Un mélange 1/1 de ces 2 molécules est appelé mélange racémique. La molécule de glycéraldéhyde existe sous forme de 2 énantiomères :

CHO

CH2OHH

HO

CHO

HOH2CH

OH

(+)-2,3-dihydroxypropanalpoint de fusion : 110°C

point d'ébullition : 128°C/18 mm de Hg

pouvoir rotatoire spécifique : [α] = + 8,7

(-)-2,3-dihydroxypropanalpoint de fusion : 110°C

point d'ébullition : 128°C/18 mm de Hg

pouvoir rotatoire spécifique : [α] = - 8,7

La plupart des propriétés chimiques de ces 2 molécules sont identiques. Cependant, on observe que le pouvoir rotatoire spécifique s'inverse d'une forme à l'autre. L'une des formes est lévogyre (l) ou (-) et l'autre dextrogyre (d) ou (+). Qu'appelle-t-on pouvoir rotatoire spécifique ?

Prenons une molécule chirale et mettons la en solution dans un solvant de façon à obtenir une concentration c (en g/ml). Introduisons cette solution dans une cuve d'épaisseur l (en dm). Faisons arriver sur l'une des faces de cette cuve un faisceau lumineux monochromatique polarisé plan. Un observateur placé de l'autre côté de la cuve pourra observer, à l'aide d'un analyseur, une rotation α du plan de polarisation du faisceau lumineux.

α

Oeil

plan de polarisationdu faisceau incident

plan de polarisationdu faisceau émergent

substanceoptiquement active

faisceau delumière polarisée

Si la rotation optique a lieu dans le sens des aiguilles d'une montre, on dit que la substance est dextrogyre ( on note (d) ou (+)). Si c'est l'inverse, on dit qu'elle est lévogyre (on note (l) ou (-)). Le pouvoir rotatoire spécifique [α] se calcule par la loi de Biot :

[α] =αl.c

α = angle de rotation du plan de polarisation (en °)

l = longueur du trajet optique (en dm)

c = concentration de la substance (en g/ml)

Si l'échantillon est un énantiomère pur ou un mélange de 2 énantiomères, on détermine la pureté optique (P.O.) de l'échantillon par la relation :

P.O. =[α]énantiomère pur

[α]mesuré x 100

L'excès énantiomérique (ou e.e.) est défini par la relation :

e.e. =

nombre de molesde l'énantiomère

majoritaire

nombre total de moles des 2 énantiomères

nombre de molesde l'énantiomère

minoritaire-

x 100

3-2) Règles séquentielles (Règles de Cahn, Ingold et Prelog) Comment déterminer une configuration absolue ? 1 - Déterminer l'ordre de priorité des différents atomes ou groupes d'atomes (on supposera dans un premier temps le problème résolu, a étant prioritaire devant b, b devant c et c devant d). 2) Se placer dans l'axe C vers d.

d

ab

cd

a b

c

oeiloeil

a b

c

ab

c

a > b > c > d

RS

Si la décroissance de la priorité a vers c se fait dans le sens des aiguilles d'une montre, le C* est de configuration absolue R. Si c'est l'inverse, il est de configuration absolue S.

Règles de Cahn, Ingold et Prelog : 1ère règle - Si le numéro atomique de l'atome a directement lié au C* est supérieur au numéro atomique de l'atome b, alors a est prioritaire devant b :

Cl O H >> N

H

H

> C

H

H

H> > H

Z=17 Z=8 Z=7 Z=6 Z=1

2ème règle - En cas d'égalité pour l'atome directement lié au C*, appliquer la 1ère règle aux atomes adjacents :

O HZ=8

O CZ=8

H

H

HZ=1Z=6

>

C

C H

C

Cl

H

H

H

H

H H

C

H

H

HZ=6 Z=6 Z=6

Z=17 Z=6 Z=1

> >

3ème règle - Une liaison multiple est traitée comme plusieurs liaisons simples avec le même atome :

C C

C

H

C

H

H C

O C

O

O

C

H

H

H

C

NC

N

NC

C N-CO2CH3-CH=CH2

3-3) Les composés ayant deux (ou plus) carbones asymétriques Considérons le 2,3,4-trihydroxybutanal : O1CH-2CHOH-3CHOH-4CH2OH. Cette molécule présente 2 C* en position 2 et 3. Représentons le stéréoisomère de configuration absolue 2R,3R en projection de Fisher et de Newman :

OH

CH2OH

CH

C

CHO

OHH

OH

CH2OH

H

CHO

OHH

OHHOH

OHC

H

CH2OH

OHOHC

HHO CH2OH

H

1

12

2

3

3

4

4RR

180°

R R

Newman

HHO

CH2OH

OHH

CHO

R R

Fisher

=R

R

Il existe 4 stéréoisomères du 2,3,4-trihydroxybutanal. Ces molécules sont représentées ci-dessous en projection de Fisher et de Newman :

OH

CH2OH

H

CHO

OHH R

R

HHO

CH2OHOHH

CHO

R R =H

CH2OH

HO

CHO

HHO S

S

OHH

CH2OHHHO

CHO

S S=

OH

CH2OH

H

CHO

HHO S

R

HHO

CH2OHHHO

CHO

S R =H

CH2OH

HO

CHO

OHH R

S

OHH

CH2OHOHH

CHO

R S=

énantiomères

énantiomères

diastéréoisomères

Les énantiomères sont les stéréoisomères images l'un de l'autre dans un miroir. Ils ont des configurations absolues inversées sur tous leurs C*. Les diastéréoisomères sont les couples de stéréoisomères qui ne sont pas images l'un de l'autre dans un miroir. Ils ont des configurations absolues inversées sur 1 ou plusieurs de leurs C* mais jamais sur tous.

Existence d'un composé méso : Par oxydation, le 2,3,4-butanal conduit à l'acide tartrique HO2C-CHOH-CHOH-CO2H. Il n'existe que 3 stéréoisomères de ce diacide :

OH

CO2H

CH

C

CO2H

OHH

OH

CO2H

H

CO2H

OHH

OHHOH

HO2C

H

CO2H

OHHO2C

HHO CO2H

H

1

12

2

3

34

4RS

180°

R S

Newman

HHO

CO2H

OHH

CO2H

R S

Fisher

=R

S

plan desymétrie

A cause du plan de symétrie, le stéréoisomère méso qui possède pourtant 2 centres de chiralité est achiral, donc optiquement inactif.

L'acide tartrique n'existe donc que sous 3 configurations : 2 énantiomères et 1 composé méso:

OH

CH2OH

H

CO2H

OHH R

S

HHO

CO2HOHH

CO2H

R S =H

CO2H

HO

CO2H

HHO S

R

OHH

CO2HHHO

CO2H

S R=

OH

CO2H

H

CO2H

HHO S

S

HHO

CO2HHHO

CO2H

S S =H

CO2H

HO

CO2H

OHH R

R

OHH

CO2HOHH

CO2H

R R=

identiques

énantiomères

diastéréoisomères

Cas des composés cycliques La nomenclature R et S est applicable aux composés cycliques, mais la terminologie cis (du même côté du plan), trans (de part et d'autre du plan) est couramment utilisée. Exemple : le 1,2-diméthylcyclobutane

H

CH3

H

H

CH3

CH3

H

CH3

H

H

CH3CH3

cis-1,2-diméthylcyclobutanestéréoisomère méso

trans-1,2-diméthylcyclobutanestéréoisomères optiquement actifs

R S

SR

S

R

3-4) Les composés optiquement actifs bien que dépourvus de carbones asymétriques (chiralité axiale) Les allènes Les allènes sont les hydrocarbures de formule semi-développée R1R2C=C=CR3R4 . Ils ne peuvent posséder aucun C* puisque tous les atomes C sont doublement liés. Leur structure spatiale est telle que les liaisons C-R portées par les 2 C sp2 sont situées dans des plans perpendiculaires :

R2

R1

R3

R4sp2sp2 sp

plans perpendiculaires

Ils existent cependant sous 2 configurations énantiomères dés le moment où R1 est différent de R2 et R3 différent de R4 : ils possèdent alors un axe de chiralité (axe C-C-C).

a

C C C

c

bd

a

CCC

c

bd

d

c

b a

d

c

a ba b

d

c

b a

d

c

a > b et c > d

12

3

4

1

2

3 4

1

2

34 1 2

3

4

a-Ra-S

On regarde la molécule selon l'axe de chiralité par la gauche (⇒) ou par la droite (⇐). Les substituants vus les premiers sont reliés par un trait plein et numérotés 1 et 2 en suivant les règles de Cahn, Ingold et Prelog. Les substituants vus en second sont reliés par un trait pointillé et numérotés 3 et 4. Si, pour obtenir la succession a→b→c (en négligeant d) on doit tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, la configuration absolue est a-R. Dans le cas contraire, elle est a-S.

Les spiranes Les spiranes sont des hydrocarbures dans lesquels 2 cycles sont accolés par un sommet. Le carbone commun aux 2 cycles est hybridé sp3 et ses liaisons sont situées dans 2 plans perpendiculaires.

sp3

Dans le composé ci-dessous, il n'y a aucun C* et cependant il existe 2 énantiomères :

d c

b

a

dc

a

b

a

b

dc

b

a

d c

a > b et c > d

1 2

3

4

12

3

4

1

2

3 4

a-Ra-S

d

c

a

b

d

c

a

b

1

2

34

Les atropoisomères L'existence d'atropoismères est liée à l'absence de libre rotation autour de la liaison C-C unissant 2 cycles. Cette libre rotation est empêchée par la présence, sur chacun des cycles, de substituants encombrants au niveau des Cα et Cα'.

plan ne peut être planlibre rotation pas de libre rotation

Là encore, il n'existe pas de C* mais un axe de chiralité et 2 énantiomères a-R et a-S dés le moment où les substituants portés par chacun des cycles sont différents.

d c

b

a

dc

a

b

a

b

dc

b

a

d c

a > b et c > d

1 2

3

4

12

3

4

1

2

3 4

a-Ra-S

1

2

34

a

b c

d a

bc

d

3-5) Les diastéréoisomères géométriques (nomenclature Z et E) C'est une isomérie liée à l'absence de libre rotation autour de la liaison double C=C. Elle intervient chaque fois que les 2 C sp2 sont liés chacun à 2 substituants différents.

b

a'a

b' b

b'a

a'

a > b et a' > b'

1

2

1'

2

1

1'

2'

Z E2'

Si les groupes prioritaires (selon Cahn, Ingold et Prelog) a et a' sont du même côté de la double liaison, le diastéréoisomère est de configuration Z. S'ils sont de part et d'autre, il s'agit du diastéréoisomère E.