Fiche de révision : Chimie organique : stéréoisomérie et réactivité

📋 Plan du Cours

1. Représentations et fonctions organiques
2. Conformation et rotations moléculaires
3. Isomérie et chiralité
4. Inactivité optique et chiralité particulière
5. Conséquences pharmacologiques de la chiralité
6. Rappels sur les représentations et conformations
7. Isomérie et configurations absolues
8. Réactions et effets électroniques
9. Propriétés et réactions des alcools
10. Structure et basicité des amines
11. Propriétés et réactions des amines
12. Réactivité des aldéhydes et cétones
13. Acides carboxyliques et dérivés
14. Structure et réactivité des thiols

📖 1. Représentations et fonctions organiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Représentation topologique : Montre uniquement les liaisons, chaque extrémité et chaque angle correspondant implicitement à un carbone portant le nombre d’hydrogènes nécessaire à sa tétravalence.
• Fonction chimique : Enchaînement particulier d’atomes qui détermine les propriétés physiques et la réactivité communes des molécules qui la portent.
• Amine : Possède un atome d’azote engagé dans trois liaisons simples avec des substituants carbonés et peut être primaire, secondaire ou tertiaire selon le degré de substitution de l’azote.

★ À maîtriser

• Les atomes établissent habituellement 4 liaisons pour le carbone, 3 pour l’azote, 2 pour l’oxygène et le soufre, et 1 pour l’hydrogène et les halogènes.

📌 Le carbone sp3 possède une géométrie tétraédrique, le carbone sp2 une géométrie trigonale plane et le carbone sp une géométrie linéaire.

📌 Les alcanes ne possèdent pas de liaison multiple, les alcènes possèdent une double liaison C=C, les alcynes une triple liaison C≡C et les arènes dérivent du benzène C6H6.

Compléments

📌 En représentation de Cram, une liaison simple est dans le plan, une liaison en pointillés est orientée vers l’arrière et une liaison épaisse vers l’avant du plan.

• Las amines, contient un atome d’azote N lié par 3 liaisons simples ( amines primaire = 1 groupe carboné autour de N, secondaire = 2, tertiaire = 3.) Les nitriles ont pour structure R-CN, les amides comportent un azote lié à un carbonyle, les thiols ont pour structure R-SH et les dérivés halogénés ont pour structure R-X avec X égal à F, Cl, Br ou I. Dérivé nitré = présence d’un groupe NO₂.

💡 Astuce mémo

• –OH → alcool
• –COOH → acide carboxylique
• –NH₂ → amine
• C=O → fonction carbonyle

Les représentations planes décrivent les atomes, tandis que Cram, Newman et Fischer décrivent leur organisation spatiale.

📖 2. Conformation et rotations moléculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Conformation : Disposition spatiale particulière des atomes d’une même molécule, obtenue par rotation autour d’une ou plusieurs liaisons simples sans rupture de liaison.

• Les liaisons doubles et triples bloquent les déformations, tandis qu’une liaison simple C-C autorise la libre rotation des substituants autour de cette liaison.

• Dans l’éthane, la conformation décalée est plus stable et environ 100 fois plus fréquente que la conformation éclipsée, avec une barrière de rotation d’environ 10 kJ·mol⁻¹.

• Dans le cyclohexane, la conformation chaise est plus stable que la conformation bateau, et le passage entre ces conformations se produit environ 100 000 fois par seconde.

• Décalée = H éloignés = énergie basse = stable = favorisée.
  Éclipsée = H rapprochés = énergie haute = moins stable.

Complément

• L’équilibre conformationnel permet à une molécule de passer d’une conformation de faible énergie à une conformation de plus haute énergie, puis de revenir à la première avec libération d’énergie.

💡 Astuce mémo

La liaison simple tourne, les liaisons multiples bloquent la géométrie.

📖 3. Isomérie et chiralité

🔑 Notions clés & Définitions

• Isomère : Molécules différentes qui possèdent la même formule brute mais pas la même organisation des atomes., comme les trois molécules de formule C5H12. Et comme la structure change, leurs propriétés physiques et chimiques peuvent changer aussi.
• Stéreo-isomerie : Même enchaînement des atomes, mais organisation 3D différente = stéréoisomères.
• Carbone asymétrique : Carbone sp3 relié à quatre substituants différents et pouvant rendre la molécule chirale.
• Mélange racémique : Contient en quantités égales deux énantiomères dont les pouvoirs rotatoires opposés se compensent, ce qui le rend optiquement inactif.

★ À maîtriser

• L’isomérie de constitution concerne des molécules qui diffèrent par leur enchaînement d’atomes, leur squelette carboné ou la position d’une fonction, tandis que la stéréoisomérie conserve le même enchaînement mais diffère par l’organisation spatiale.

• Pour un alcène, la configuration est Z lorsque les deux substituants prioritaires sont du même côté de la double liaison et E lorsqu’ils sont de côtés opposés.

• Les règles de Cahn, Ingold et Prelog donnent la priorité à l’atome de numéro atomique le plus élevé, à l’isotope le plus lourd, puis au substituant dont les atomes suivants sont prioritaires, les liaisons multiples étant comptées comme plusieurs liaisons simples.

📐 Formule — La loi de Biot s’écrit α  =  c . l .[α] = pouvoir rotatoire spécifique

où c est la concentration en g/mL, l la longueur de la cuve en dm et [α] le pouvoir rotatoire spécifique.

📌 Les énantiomères sont des images miroir non superposables qui ont des propriétés physiques largement communes mais des activités optiques opposées, tandis que les diastéréoisomères ne sont pas images miroir et possèdent davantage de propriétés différentes.

📌 Pour déterminer R ou S, on place le substituant de priorité 4 vers l’arrière, puis la rotation 1-2-3 est R dans le sens horaire et S dans le sens antihoraire.

R/S décrit la configuration 3D.
+/− décrit la rotation de la lumière.
R ≠ forcément + et S ≠ forcément −.
Si seuls certains carbones asymétriques changent = diastéréoisomères.

Compléments

• Une molécule comportant n carbones asymétriques peut présenter 2ⁿ stéréoisomères, comme la méfloquine qui possède deux centres asymétriques et quatre stéréoisomères.

💡 Astuce mémo

Les isomères de constitution changent l’enchaînement, les stéréoisomères changent l’espace.

📖 4. Inactivité optique et chiralité particulière

🔑 Notions clés & Définitions

• Isomère méso : Molécule comportant plusieurs centres asymétriques et un plan de symétrie, ce qui la rend optiquement inactive malgré ces centres.
• Chiralité sulfurée : L’oméprazole est chiral sans carbone asymétrique, car son centre chiral est un atome de soufre qui devient R ou S après formation d’une liaison dative avec un oxygène par oxydation.

★ À maîtriser

• Un mélange racémique contenant 50 % de molécules (1R,2S) déviant la lumière de +33° et 50 % de molécules (1S,2R) la déviant de −33° est optiquement inactif par compensation.

Compléments

• L’isomère méso de l’éthambutol est optiquement inactif, mais sa toxicité est trop importante et seul le stéréoisomère (S,S) est administré.

• Lorsque le soufre de l’oméprazole est lié deux fois à l’oxygène, il perd sa chiralité, et l’isomère S utilisé aujourd’hui est appelé esoméprazole.

💡 Astuce mémo

Racémique : deux énantiomères se compensent ; méso : une seule molécule possède un plan de symétrie.

📖 5. Conséquences pharmacologiques de la chiralité

★ À maîtriser

• L’isomère S du propranolol est 50 fois plus actif que l’isomère R, car deux énantiomères peuvent avoir des affinités différentes pour un récepteur chiral.

• L’isomère S de la thalidomide a été imputé aux malformations fœtales appelées phocomélies chez des enfants exposés au médicament pendant la grossesse.

Compléments

• En 2014, le vorapaxar a été approuvé aux États-Unis pour traiter des troubles de la coagulation, et un seul de ses deux stéréoisomères de configuration E est utilisé en thérapeutique.

💡 Astuce mémo

Interaction différente avec une cible chirale → activité pharmacologique différente.

📖 6. Rappels sur les représentations et conformations

🔑 Notions clés & Définitions

• Équilibre conformationnel : Passage constant des molécules entre des conformations privilégiées de faible énergie et des conformations moins favorables.

★ À maîtriser

• La projection de Newman s’obtient en se plaçant dans l’axe d’une liaison C-C à partir d’une projection de Cram, tandis que la projection de Fischer place le squelette carboné verticalement avec la fonction la plus oxydée en haut.

📌 Les liaisons simples autorisent les rotations conformationnelles, tandis que les liaisons multiples n’autorisent pas les déformations libres.

Compléments

• Pour nommer une molécule organique, on identifie la chaîne carbonée principale, la fonction principale la plus oxydée, puis les autres fonctions et substituants écrits comme préfixes par ordre alphabétique.

💡 Astuce mémo

Liaison simple : rotation ; liaison multiple : pas de rotation libre.

📖 7. Isomérie et configurations absolues

🔑 Notions clés & Définitions

• Stéréoisomérie : Concerne des molécules ayant la même formule développée mais une organisation différente des atomes dans l’espace.
• Énantiomères : Deux molécules dont les substituants sont identiques aux centres asymétriques mais dont toutes les configurations absolues sont opposées; ils ont les mêmes propriétés physiques sauf l’activité optique.
• Diastéréoisomères : Stéréoisomères qui ne sont pas des énantiomères et qui possèdent des propriétés physiques différentes.

📝 Points essentiels

📌 Pour attribuer une configuration R ou S, on classe les substituants par priorité, on place le substituant de priorité 4 en arrière, puis un sens horaire donne R et un sens antihoraire donne S.

📌 Un mélange racémique contient deux énantiomères en quantités équimolaires et est optiquement inactif, tandis qu’un couple de diastéréoisomères n’est pas nécessairement optiquement inactif.

💡 Astuce mémo

Tous les centres changent : énantiomères ; un seul change : diastéréoisomères.

📖 8. Réactions et effets électroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Addition : Réaction dans laquelle plusieurs entités chimiques réagissent pour former une seule nouvelle molécule contenant tous les atomes des espèces réagissantes.
• Substitution : Réaction dans laquelle un atome ou un groupe d’atomes de la molécule de départ est remplacé par un autre groupement.
• Effet inductif : ce sont les électrons des liaisons simples qui sont attirés ou repoussés à distance. Polarisation transmise par les liaisons sigma, due aux différences d’électronégativité, qui s’atténue avec la distance et devient généralement imperceptible au-delà de trois ou quatre liaisons.
• Effet mésomère : Délocalisation d’électrons π de doubles liaisons ou d’électrons de doublets non liants dans un système conjugué alternant liaisons simples et doubles.
• Élimination : Réaction qui rompt les liaisons avec deux atomes ou groupes d’atomes et crée une liaison covalente supplémentaire entre ces deux atomes.

<table style="min-width: 50px;"> <colgroup><col style="min-width: 25px;"><col style="min-width: 25px;"></colgroup><tbody><tr><th colspan="1" rowspan="1"><p>Effet inductif</p></th><th colspan="1" rowspan="1"><p>Effet mésomère</p></th></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>agit par les <strong>liaisons simples σ</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>agit avec les <strong>électrons π / doublets non liants</strong></p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>dû surtout à l’électronégativité</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>dû à la <strong>délocalisation électronique</strong></p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>ne nécessite pas de conjugaison</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>nécessite un <strong>système conjugué</strong></p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>diminue fortement avec la distance</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>peut se propager dans le système conjugué</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>−I / +I</p><p><strong>−I = attire les électrons → acidité ↑ → pKa ↓</strong></p><p><strong>+I = donne les électrons → acidité ↓ → pKa ↑</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>−M / +M </p><p><strong>−M = attire les électrons</strong><br><strong>+M = donne les électrons</strong></p></td></tr></tbody> </table>

Phrase à retenir :

Inductif = attraction à travers les liaisons simples.
Mésomère = délocalisation des électrons dans un système conjugué.

📝 Points essentiels

📌 Un groupement attracteur par effet inductif −I crée un déficit électronique et augmente l’acidité, tandis qu’un groupement donneur +I augmente la basicité et diminue l’acidité.

📌 Lorsque les effets inductif et mésomère sont présents simultanément, l’effet mésomère l’emporte toujours selon le cours.

💡 Astuce mémo

Addition, substitution, élimination, transposition : les quatre transformations générales.

📖 9. Propriétés et réactions des alcools

🔑 Notions clés & Définitions

• Alcool : Molécule organique de type R-OH, tandis qu’un phénol possède un groupe hydroxyle attaché à un cycle aromatique Ar.

★ À maîtriser

• La chaîne carbonée limite l’hydrosolubilité des alcools et, au-delà de cinq carbones, les alcools ne sont plus miscibles à l’eau.

• Le pKa des alcools varie entre 16 et 18, ce qui en fait des acides très faibles.

📌 Un alcool tertiaire n’est pas oxydé dans les conditions classiques, un alcool secondaire est oxydé en cétone et un alcool primaire est oxydé en aldéhyde puis éventuellement en acide carboxylique avec un oxydant fort comme K2Cr2O7 ou KMnO4.

Compléments

• La déshydratation acido-catalysée d’un alcool élimine une molécule d’eau et conduit à un alcène.

💡 Astuce mémo

Alcool primaire → aldéhyde → acide ; secondaire → cétone ; tertiaire → pas d’oxydation classique.

📖 10. Structure et basicité des amines

🔑 Notions clés & Définitions

• Amine : Molécule organique dont l’azote est lié à trois groupements ou hydrogènes et dont la formule générale est NR1R2R3.

★ À maîtriser

📌 Les amines sont basiques car le doublet non liant de l’azote peut capter un proton, et la diméthylamine est légèrement plus basique que la méthylamine grâce à l’effet inductif donneur des groupes alkyles.

📌 Une amine aromatique comme l’aniline est moins basique qu’une amine aliphatique, car le doublet non liant de son azote est conjugué avec les électrons délocalisés du cycle aromatique et moins disponible pour capter un proton.

Compléments

• Le point d’ébullition de l’éthylamine est de 16 °C, contre 78 °C pour l’éthanol, car la liaison N-H est moins polarisée que la liaison O-H.

💡 Astuce mémo

Primaire, secondaire, tertiaire, quaternaire : 2, 1, 0, 0 hydrogène sur l’azote.

📖 11. Propriétés et réactions des amines

★ À maîtriser

• Les quatre catégories d’amines sont:
  • amine primaire : deux hydrogènes et un groupement
  • amine secondaire : un hydrogène et deux groupements
  • amine tertiaire : aucun hydrogène et trois groupements
  • ammonium quaternaire : aucun hydrogène, quatre groupements et une charge positive

📌 La diméthylamine est légèrement plus basique que la méthylamine, car deux groupements alkyles augmentent davantage la densité électronique sur l’azote qu’un seul groupement alkyle.

📌 Le doublet non liant de l’azote permet à une amine de capter un proton et de former un ammonium chargé positivement ; cette ionisation augmente l’hydrosolubilité et la transformation est réversible sauf pour un ammonium quaternaire.

• Lors d’une alkylation par un halogénure d’alkyle R-X, une amine secondaire devient une amine tertiaire, tandis qu’une amine primaire devient une amine secondaire avec un équivalent d’halogénure et une amine tertiaire avec deux équivalents.

📌 Les amines primaires et secondaires réagissent avec les chlorures d’acide ou les anhydrides d’acide pour former des amides, tandis que les acides carboxyliques sont de mauvais donneurs de groupements acyles et provoquent surtout une réaction acido-basique.

Compléments

• Les nitrosamines formées par réaction d’une amine secondaire avec l’ion nitrosonium sont très réactives et cancérogènes, car elles alkylent les bases de l’ADN.

💡 Astuce mémo

Amine aromatique moins basique que l’amine aliphatique : le doublet est délocalisé.

📖 12. Réactivité des aldéhydes et cétones

🔑 Notions clés & Définitions

• Imine : Composé caractérisé par une double liaison C=N formée lorsqu’un nucléophile azoté réagit avec le carbone électrophile d’un aldéhyde ou d’une cétone avec libération d’eau.

★ À maîtriser

📌 Un aldéhyde possède au moins un hydrogène porté par le carbone du carbonyle et a pour formule générale R-CHO, tandis qu’une cétone ne possède aucun hydrogène sur ce carbone et a pour formule R-CO-R’.

• La double liaison C=O est polarisée, l’oxygène portant une charge partielle négative et le carbone une charge partielle positive, ce qui rend le carbone du carbonyle électrophile.

• L’hydrogénation des aldéhydes et des cétones utilise H2 en présence de Pd/C et transforme la double liaison C=O en liaison C-O ; elle donne un alcool primaire à partir d’un aldéhyde et un alcool secondaire à partir d’une cétone.

• En milieu acide, un aldéhyde réagit avec deux molécules d’alcool pour former un acétal et une cétone forme de manière analogue un cétal, après passage par un hémiacétal ou un hémicétal instable et libération d’eau.

📌 Les aldéhydes s’oxydent facilement en acides carboxyliques avec le permanganate de potassium KMnO4, le bichromate de potassium K2Cr2O7 ou la liqueur de Fehling.

Compléments

• Une base arrache l’hydrogène en position alpha d’un aldéhyde ou d’une cétone pour former un énolate stabilisé par résonance, qui peut ensuite réagir avec un électrophile.

💡 Astuce mémo

Carbonyle polarisé → carbone électrophile → additions nucléophiles.

📖 13. Acides carboxyliques et dérivés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide carboxylique : Composé de formule générale R-COOH, où R peut être un hydrogène, une chaîne alkyle ou un groupement aryle.

★ À maîtriser

📌 À nombre de carbones égal, les acides carboxyliques ont des points d’ébullition plus élevés que les alcools, avec 118 °C pour l’acide acétique contre 78 °C pour l’éthanol, en raison d’associations par liaisons hydrogène de type dimérique.

📌 Les acides carboxyliques sont des acides faibles plus forts que les alcools, car leur base conjuguée carboxylate est stabilisée par résonance ; le pKa de l’acide acétique est 4,74 contre 15 pour l’éthanol.

• Un acide carboxylique réagit avec un alcool en milieu acide pour former un ester et de l’eau ; cette estérification est équilibrée et réversible.

• La saponification d’un ester par l’ion hydroxyde OH− forme un carboxylate et un alcool, puis une neutralisation par HCl permet de reformer l’acide carboxylique.

Compléments

• Par chauffage, un acide carboxylique peut perdre sa fonction acide carboxylique avec formation de dioxyde de carbone et d’un alcane ; une décarboxylation d’un β-cétoester peut toutefois conduire à une cétone à température plus modérée.

💡 Astuce mémo

Acide carboxylique : forme ionisée hydrophile ; ester : forme masquée hydrolysable.

📖 14. Structure et réactivité des thiols

★ À maîtriser

• Un thiol R-SH est l’analogue soufré d’un alcool, mais le soufre est moins électronégatif et plus nucléophile que l’oxygène.

• La liaison S-H est moins polarisée et moins énergétique que la liaison O-H, ce qui explique qu’un thiol a un point d’ébullition inférieur à celui de l’alcool correspondant, avec 6 °C pour CH3SH contre 65 °C pour CH3OH.

• Les thiols sont plus acides que les alcools, avec un pKa d’environ 10 pour RSH contre 17 pour ROH, et une base les transforme en anions thiolates.

• Un thioéther réagit avec un halogénure d’alkyle pour former un sulfonium, dont le carbone voisin du soufre porte le caractère électrophile et peut recevoir une chaîne alkyle.

• L’oxydation des thiols forme généralement des ponts disulfures, tandis qu’un oxydant donneur d’oxygène peut les transformer en acides sulfoniques.

Compléments

• L’addition de Michael permet à un thiol de se lier au carbone électrodéficient d’une cétone alpha,bêta-insaturée et de former un produit d’addition unique.

💡 Astuce mémo

Soufre moins électronégatif que l’oxygène, mais plus nucléophile.

📊 Tableaux de synthèse

Principales relations d’isomérie

Oxydation des alcools