Structure spatiale des espèces chimiques

I. Représentations spatiales des molécules

1. Représentation de Lewis (rappel de 1^re)

• Définition :

  La représentation de Lewis d'une molécule est une représentation bidimensionnelle de la configuration électronique externe (valence) de celle-ci. Elle fait apparaître tous les atomes de la molécule ainsi que tous les électrons de valence sous la forme de doublets liants et de doublets non liants.

• Exemple : $n + m = 2$, $AX_{2}E_{0}$ géométrie linéaire ($CO_{2}$) :

• Pour plus de détails, se référer à la fiche de cours suivante :

  Représentation de Lewis et géométrie des molécules et des ions

2. Théorie VSEPR (rappel de 1^re)

• Définition :

  L'acronyme anglais VSEPR signifie Valence Shell Electron Pairs Repulsion, soit répulsion des paires d'électrons de la couche de valence. La théorie VSEPR (aussi appelée théorie de Gillespie) permet de connaître la géométrie d'une entité polyatomique en connaissant sa représentation de Lewis. Elle repose sur le fait que la géométrie d'une telle entité est imposée par le nombre de doublets d'électrons qui entourent un atome central noté $A$. Ces paires d'électrons, qu'elles soient liantes ou non liantes, se repoussent (forces coulombiennes répulsives). La géométrie adoptée par l'entité est alors celle minimisant les répulsions électroniques. Les distances entre les différents doublets doivent donc être maximales.

• On note $X$ les voisins de l'atome central $A$ et $n$ leur nombre. On note $m$ le nombre de paires non liantes (notées $E$) qui entourent $A$. On peut décrire l'environnement de l'entité chimique par la formule $AX_{n}E_{m}$. C'est alors la valeur $n + m$ qui déterminera la géométrie de la molécule. Avoir écrit la formule de Lewis au préalable est donc indispensable pour déterminer la géométrie d'une molécule.

• Pour plus de détails, se référer à la fiche de cours suivante :

  Représentation de Lewis et géométrie des molécules et des ions

3. Représentation de Cram

• Définition :

  Pour tenir compte de la disposition spatiale des liaisons d'une molécule ou d'un ion polyatomique, la représentation de Cram (moins complète que la théorie VSEPR) peut également être utilisée.

• Définition :

  La représentation en perspective de Cram permet de visualiser les molécules en 3D. Dans cette représentation :

$\quad\quad\circ\quad$ Les liaisons dans le plan sont représentées par des traits pleins.

$\quad\quad\circ\quad$ Les liaisons vers l'avant (devant le plan) sont représentées par des traits épaissis.

$\quad\quad\circ\quad$ Les liaisons vers l'arrière (derrière le plan) sont représentées par des pointillés.

• Exemple : représentation de la molécule de méthane ($CH_4$) en perspective de Cram :

II. Stéréoisomérie

1. Notion d'isomérie (rappel de 1^re)

• Définition :

  Des molécules sont dites isomères si elles sont différentes mais ont des formules brutes identiques.

• Remarque : les molécules de deux isomères ne sont pas superposables.

2. Les isomères de constitution (rappel de 1^re)

• Définition :

  Des isomères de constitution ont la même formule brute mais des formules planes différentes (les squelettes carbonés sont différents).

• On distingue plusieurs types d'isomères de constitution :

$\quad\quad\circ\quad$ Les isomères de chaîne : seul le squelette carboné change. Par exemple : $C_4H_{10}$.

$\quad\quad\circ\quad$ Les isomères de position où un groupe caractéristique ou une instauration occupe une position différente sur un squelette carboné inchangé. Par exemple : $C_4H_9Cl$.

$\quad\quad\circ\quad$ Les isomères de fonction pour lesquels le groupe caractéristique diffère. Par exemple, l'éthanol $CH_3-CH_2-CH_2OH$ et l'étheroxyde $CH_3-O-CH_2-CH_3$.

3. Notions de stéréoisomérie

• Définition :

  La stéréoisomérie est un type d'isomérie où les molécules ont la même formule développée mais des arrangements spatiaux différents.

• Il existe deux types principaux de stéréoisomères :

  $\circ\quad$ Les énantiomères : stéréoisomères images l'un de l'autre dans un miroir et non superposables.

  $\circ\quad$ Les diastéréoisomères : stéréoisomères qui ne sont pas images l'un de l'autre dans un miroir.

• Isomérie Z et E :

  L'isomérie Z et E est un type de stéréoisomérie qui concerne les alcènes (molécules avec des liaisons doubles carbone-carbone).

  Pour déterminer la configuration Z Z ou E E :

  1. Identifier les deux groupes prioritaires liés à chaque atome de carbone de la liaison double ;

  2. Si les deux groupes prioritaires sont du même côté de la liaison double, la configuration est $Z$ (Zusammen, ensemble) ;

  3. Si les deux groupes prioritaires sont de part et d'autre de la liaison double, la configuration est $E$ E (Entgegen, opposé).

• Exemple : le 2-butène existe sous deux formes diastéréoisomères : le cis-2-butène et le trans-2-butène.

_{(d'après l'article "Isomérie cis-trans" de Wikipédia)}

4. Chiralité

• Définitions :

  $\circ\quad$ Un atome de carbone asymétrique est un atome de carbone lié à quatre groupes d'atomes différents. Il est noté $C^*$.

  $\circ\quad$ Une molécule est dite chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir. Cette propriété est liée à la présence d'un ou plusieurs atomes de carbone asymétriques.

• Remarque : les molécules chirales existent sous deux formes énantiomères, qui sont images l'une de l'autre dans un miroir mais non superposables.

• Exemple : la molécule d'acide lactique possède un atome de carbone asymétrique et existe sous deux formes énantiomères (cf. ci-après).

III. Règles de Cahn, Ingold et Prelog (CIP)

1. Notion et méthode

• Définition :

  Les règles CIP permettent de déterminer la configuration absolue d'un atome de carbone asymétrique.

• Méthode :

  1. Identifier les quatre substituants liés à l'atome de carbone asymétrique ;

  2. Classer ces substituants par ordre de priorité décroissante en fonction de leur numéro atomique ;

  3. Si les substituants de priorité $1$, $2$ et $3$ sont dans le sens des aiguilles d'une montre, la configuration est notée $R$ (Rectus) ;

  4. Si les substituants de priorité $1$, $2$ et $3$ sont dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, la configuration est notée $S$ (Sinister).

• Exemple : cas de l'acide lactique

IV. Applications concrètes

1. Capacités Expérimentales et Numériques

• Représenter une molécule chirale : utiliser des modèles moléculaires ou des logiciels de représentation pour visualiser les énantiomères et les diastéréoisomères.

• Identifier les relations d'énantiomérie et de diastéréoisomérie : utiliser des modèles moléculaires ou des logiciels pour identifier les relations entre différents stéréoisomères.

• Extraire et exploiter des informations sur les propriétés biologiques des stéréoisomères : analyser comment les différentes configurations spatiales des molécules influencent leurs propriétés biologiques.

2. Applications et Implications

• Les notions de chiralité et de stéréoisomérie jouent un rôle important dans divers domaines :

  $\circ\quad$ Pharmacologie : les énantiomères d'une molécule peuvent avoir des effets thérapeutiques différents.

  $\circ\quad$ Agro-alimentaire : les stéréoisomères peuvent avoir des propriétés organoleptiques différentes.

  $\circ\quad$ Bioproduction : les processus biologiques peuvent discriminer entre différents stéréoisomères.

• Exemple : le thalidomide est un exemple célèbre de molécule chirale où un énantiomère a des effets thérapeutiques bénéfiques, tandis que l'autre énantiomère a des effets tératogènes.