Représentation spatiale des molécules : que retenir pour le bac 2013 ?

Voici les compétences exigibles pour la partie représentation spatiale des molécules du programme de terminales S version bac 2013.

Je sais utiliser la représentation de Cram.

La représentation d’une molécule sous sa forme développée ne donne pas assez d’information sur la configuration spatiale d’une molécule. En effet, un atome de carbone échange 4 liaisons covalentes. Or ces liaisons se repoussent entre elles de sorte que ces liaisons se répartissent d’une certaines façon dans l’espace. La molécule la plus simple de la chimie organique, le méthane, composé d’un atome de carbone et de 4 atomes d’hydrogène CH4 , a ainsi la forme suivante dans l’espace :

source : Mark Campbell

Pour représenter cela sur une feuille de dessin, on utilise la représentation de Cram :

dans laquelle les liaisons qui font partie du plan de la feuille sont représentées par un trait continu, les liaisons qui pointent vers l’avant sont représentées par un trait gras et les liaisons vers l’arrière sont représentées par un trait pointillé. Dans la suite, nous utiliserons  cette représentation.

Je sais reconnaître des espèces chirales à partir de leur représentation.

La chiralité est le fait d’être différent de son image dans un miroir. Dans la vie quotidienne, il y a beaucoup d’objets chiraux. Notre main droite ne se superpose pas à son image dans un miroir, de même pour un gant, une chaussure. Dans le jeu tétris, certaines pièces sont chirales, d’autres pas. Dans l’image ci-dessous, les formes chirales ont été représentées image l’une de l’autre dans un miroir, tandis que les non chirales n’ont été représentée qu’une fois. Mais il y a deux erreurs, c’est à dire 2 formes qui ne sont pas chirales qui ont été représentées en double, les trouverez-vous ?


En chimie, certaines molécules ne sont pas chirales, d’autres le sont. La molécule de méthane ci-dessus n’est pas chirale. Elle est identique à son image dans un miroir :

La molécule de droite est la même que celle de gauche, il suffit de la tourner selon un axe vertical. Si l’on remplace 3 atomes d’Hydrogène par 3 atomes différents, chlore, brome et fluor par exemple, on obtient une molécule chirale.

Je sais identifier les atomes de carbone asymétrique d’une molécule donnée.

En remplaçant les 3 atomes d’hydrogène par 3 halogènes différents (Chlore, Brome et Fluor) on a rendu l’atome de carbone asymétrique. Un carbone asymétrique est un carbone tétraédrique qui est lié à 4 atomes ou groupes différents. Exemple : CH3CHBrCl possède un atome de carbone asymétrique.

source : wikipedia

Par contre CH3CH2Cl n’en possède pas.

Lorsqu’une molécule ne comporte qu’un atome de carbone asymétrique alors elle est forcément chirale. Les deux formes sont dites énantiomères, elles sont images l’une de l’autre dans un miroir :

Les deux molécules du haut sont énantiomères : elles sont images l’une de l’autre dans un miroir mais ne sont pas superposables. La molécule en bas est la même que celle de droite.

Lorsqu’il y a plus d’un carbone asymétrique, la molécule peut-être chirale ou non selon la présence de plan de symétrie dans la molécule. Exemple en image :

Bien qu’image l’une de l’autre dans un miroir, ces molécules sont identiques, il s’agit donc d’une molécule achirale

À partir d’un modèle moléculaire ou d’une représentation, je sais reconnaître si des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères.

Comme nous venons de le voir, deux molécules différentes images l’une de l’autre dans un miroir sont énantiomères. Il y a des cas où les molécules sont des stéréoisomères non éniantomères, dans ce cas on dit qu’elles sont diastéréoisomères. Houla, je sens que je vous perds là. Reprenons donc quelques définitions à l’aide de wikipedia :

2 molécules sont isomères si elles ont la même formule brute. Si elles diffèrent par leur formule développée, on parle d’isomérie de constitution. Si elles ont la même formule développée ce sont des stéréoisomères et il faut utiliser la représentation de Cram pour les distinguer. Si elles sont images l’une de l’autre dans un miroir, ce sont des énantiomères, sinon ce sont des diastéréoisomères. Ça va mieux ? Vous vous y retrouvez ? Voici un petit exercice pour voir si vous avez compris :

Quelle relation de stéréoisomérie existe entre les structures suivantes? Prenez le temps d’y réfléchir avant d’aller voir la correction.

Un dernier mot sur les molécules diastéréoisomères. Pour les alcènes, il y a l’isomérie Z-E (cis-trans dans le diagramme ci-dessus). Les liaisons simples peuvent pivoter sur elle-même mais pas les liaisons doubles, ainsi :

Ces deux molécules sont identiques puisqu’il suffit de pivoter la liaison simple centrale

Ces deux molécules sont différentes car la liaison double ne pivote pas.

Je sais mettre en évidence des propriétés différentes de diastéréoisomères.

Des molécules diastéréoisomères peuvent avoir des propriétés physiques différentes :

Acide Fumarique – isomère E

température de fusion : 287 °C
peu soluble dans l’eau

Acide maléique – isomère Z

température de fusion : 131 °C
très soluble dans l’eau

Ces deux molécules sont des diastéréoisomères qui n’ont pas les mêmes propriétés physiques.

Pour le mettre en évidence, il suffit de prendre un échantillon de chaque et de mesurer la propriété en question.

Je sais visualiser, à partir d’un modèle moléculaire ou d’un logiciel de simulation, les différentes conformations d’une molécule.

Pour vous entraîner, je vous conseille de télécharger Jmol. C’est un logiciel gratuit qui permet de simuler des molécules dans l’espace. Vous pourrez en particulier vous entraîner à recréer la molécule de cyclohexane qui possède 2 conformations : chaise et bateau.

conformation chaise du cyclohexane

conformation bateau

Quelques exemples de représentation que l’on peut obtenir avec Jmol : le cyclohexane, l’aspirine, l’alaline et il y en a bien d’autres sur cette page.

Je sais utiliser la représentation topologique des molécules organiques.

J’espère que vous savez sinon vous n’avez rien compris à cette page…

Je sais extraire et exploiter des informations sur les propriétés biologiques de stéréoisomères et les conformations de molécules biologiques pour mettre en évidence l’importance de la stéréoisomérie dans la nature.

Structure générique des acides α-aminés. source : wikipedia

Les briques élémentaires du vivant sont les acides aminés, des molécules organiques qui comporte deux fonctions : la fonctions acide carboxylique -COOH et la fonction amine -NH2. Et plus particulièrement les  acides α-aminés, c’est à dire des acides tels que la fonction amine est portée par le premier carbone qui suit la fonction acide carboxylique : NH2-CRH-COOH où R est une chaîne. Sur les 22 acides aminés qui servent à la synthèse des protéines, 21 ont un carbone asymétrique, celui qui porte la fonction amine. Les briques du vivant sont chirales et ont donc deux isomères énantiomères.

2 représentations de l’alaline images l’une de l’autre dans un miroir. Ce sont donc 2 énantiomères. source : wikipedia

Cependant, dans les organismes vivant on ne trouvent pas les 2 isomères mais seulement un seul type car la vie sur Terre a sélectionnée ce type. Si l’on imaginait une grenouille faites de protéines de l’autre type, elle ne survivrait pas car elle ne pourrait synthétiser les protéines dont elle a besoin à partir des matériaux disponibles sur terre.

Voici donc un premier exemple, et non des moindres de l’importance de la stéréoisomérie pour les processus biologiques. Mais il y en a bien d’autres. L’asparagine peut avoir un goût amer ou sucré selon l’énantiomère considéré. L’albutérol possède un énantiomère brochodilatateur tandis que l’autre est inactif. La L-dopa est le médicament de base dans le traitement de la maladie de Parkinson tandis que la D-dopa, son énantiomère est toxique. C’est pourquoi les médicaments ne sont pas des mélanges racémiques -un mélange racémique est constitué des 2 types d’énantiomères.

L’Asparagine
L’Albuterol
La L-Dopa

Petit exercice pour conclure : pour chacune de ces molécules, repérer le carbone asymétrique et représenter les deux énantiomères.

La nomenclature en chimie organique pour le bac 2013

Un petit point sur la nomenclature de chimie organique. En fouillant un peu dans mon blog, j’ai retrouvé un vieil article sur la nomenclature (de 2007, on est vite vieux sur internet !), il n’est plus tout à fait à jour pour le bac version 2013 et je vais tenter de le dépoussiérer un peu. Pour ce dernier, deux compétences exigibles du programme correspondent à ce thème :

Je sais associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcools, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide.

Je connais les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes.

Il y a donc beaucoup de choses à savoir et un petit récapitulatif ne peut pas faire de mal. Les règles importantes sont mises en exergue. Les ramifications sont notées de la manière suivante :

 CH3-CH-CH2-CH3
.         |
.        CH3
 CH3-CH(CH3)-CH2-CH3

Construire le nom : exemple des alcanes

Pour donner un nom à un alcane, on commence par compter le nombre de carbone de la chaîne carbonnée qui a le plus de carbone (si l’alcane est ramifié) et on lui donne comme nom en fonction du nombre de carbone :

methane (pour 1 carbone), éthane (2), propane (3), butane (4), pentane (5), hexane (6), heptane (7), octane (8), nonane (9), decane (10).

A priori, pour le bac, on devrait pouvoir s’arrêter à 8 atomes de carbone.

Dans le cas où l’alcane est ramifié, on rajoute avant le nom de la molécule : méthyl, éthyl, propyl, etc… selon le nombre d’atomes de carbone de la branche, précédé du numéro de l’atome de carbone qui porte la ramification.

Il faut commencer à numéroter de sorte à obtenir les plus petits nombres possibles

par exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3. Il y a 5 atomes de carbones sur la chaîne la plus longue c’est donc un pentane. Il y a une ramification avec un atome de carbone (méthyl) porté par le carbone n° 2 (on part de gauche pour avoir le plus petit nombre possible). Le nom de la molécule est donc 2-méthylpentane

Autre exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH(C2H5)-CH2-CH3. Il y a 6 atomes sur la chaîne la plus longue : c’est un hexane. Il y a 2 ramifications, l’une avec 1 atome de carbone (méthyl) et l’autre avec 2 atomes (éthyl). Le nom complet est donc : 4-éthyl-2-méthylhexane

Lorsqu’il y a plusieurs ramifications, on les classe par ordre alphabétique.

Lorsqu’il n’y a pas d’ambiguité sur la position de la ramification, on ne précise pas sa position. Exemple : dans le cas du méthylpropane, le groupement méthyl est forcément sur le carbone du milieu.

Exercice : les molécules suivantes sont mal nommées, corriger le nom : 2-méthylbutane, 3 propylpropane, éthylpropane

Les groupes caractéristiques

Un groupe caractéristique est un ensemble d’atomes composé :

  • soit d’atomes autres que des carbones et des hydrogènes
  • soit de liaisons doubles ou triples

Voici les différentes familles de molécules que l’on rencontre au lycée (où R, R’ et R » représentent des groupement alkyle, c’est à dire ne contenant que des atomes de carbone et d’hydrogène) :

Groupe
caractéristique
Famille Nomenclature : suffixe ou préfixe Exemple
C=C Alcène -ène Propène
R-OH Alcool -ol 2-méthylpentan-1-ol
R-CH=O Aldéhydes -al 3-méthylbutanal
R-CO-R’ Cétone -one 2-éthylpentan-3-one
R-COOH Acide carboxylique acide …-oïque Acide butanoïque
R-COO-R’ Ester …-oate de …-yle Pentanoate d’éthyle
R-N(R »)-R’ Amine -amine propan-2-amine, N-éthyl-butan-1-amine, N-méthyl-N-éthyl-propan-2-amine
 R-CO-N(R »)-R’  Amide  -amide N-éthyl-3-méthylpentanamide

Les règles de nomenclature de ces familles sont issues de celles des alcanes pour le nom des molécules et pour les ramifications. On rajoute les règles suivantes :

La chaîne carbonée principale doit contenir la fonction principale qui donne le nom à la molécule

On indique la position de la fonction avant le suffixe de la fonction

Ex : CH3-CH2-CH=CH-CH3 est le pentan-2-ène.

La fonction principale doit avoir le plus petit numéro possible

Ainsi, pour les aldéhydes et les acides carboxyliques, l’atome portant la fonction a toujours le numéro 1.

Exemple : CH3-CH2-CH(COOH)-CH2-CH2-CH3 est l’acide 2-éthyl-pentanoïque alors que la chaîne la plus longue contient 6 atomes de carbone mais ne contient pas la fonction principale.

Pour les amines et les amides, les groupements alkyles portés par l’azote sont ajoutés avant la chaîne principale précédé de N.

Exemple pour les amines : CH3-CH2-CH(CH3)-N(CH3)-C2H5 se nomme la N-éthyl-N-méthyl-1-méthylpropanamine.

Exemple pour les amides : CH3-CH2-CH2-CO-NH-CH3 se nomme la N-méthylbutanamide.

A titre d’exercice, on pourra s’entraîner à écrire la formule semi-développée des exemples du tableau.