( Chimie Organique ) Représentation des molécules organiques, isomérie

Au cours de tes études de chimie, il t'arrive de repérer des molécules dont le nombre et le type d'atomes sont identiques, mais dont l'aspect est totalement différent ! Nous appelons ce phénomène l'isomérie.

Sommaires 

• Dans cette explication sur l'isomérie, tu vas d'abord découvrir les isomères de structure.
• Tu vas découvrir les trois types d'isomérie de constitution : l'isomérie de chaîne, de position et de fonction.
• Tu apprendras à dessiner les isomères de structure à partir des formules moléculaires.
• En outre, tu verras ce qu'est la stéréoisomérie, en découvrant les deux types de stéréoisomères : l'isomérie géométrique (E-Z ou cis-trans) et l'isomérie optique.

Isomérie : définition

L'isomérie est le nom donné à l'existence d'isomères : des molécules ayant la même formule moléculaire mais des structures chimiques différentes.

Les isomères chimiques sont un peu comme les anagrammes. Les anagrammes contiennent le même nombre de lettres de chaque type, mais ces lettres sont disposées de manière différente. Cela permet de former deux mots uniques (ou plus !) dont l'aspect et le son sont très différents. De même, les isomères contiennent le même nombre de chaque type d'atome. Cependant, ces atomes sont disposés différemment, ce qui confère aux isomères des propriétés physiques et/ou chimiques différentes.

Il existe deux types distincts d'isomérie : l'isomérie structurelle et la stéréoisomérie. Continue à lire pour en savoir plus !

Isomérie plane (isomérie de constitution)

Tu as peut-être déjà rencontré les deux composés butane et méthylpropane (illustrés ci-dessous). De toute évidence, il s'agit de deux composés différents dont les structures sont très différentes. Cependant, le butane et le méthylpropane partagent la même formule moléculaire : C4H10. Nous appelons cela l'isomérie plane (ou isomérie de constitution ou isomérie de structure).

Les isomères de constitution ont la même formule moléculaire mais des formules structurelles différentes.

Types d'isomérie plane : chaîne, position et fonction

Comme nous l'avons mentionné, il existe trois types d'isomères structurels :

• Les isomères de chaîne.
• Les isomères de position.
• Les isomères de fonction.

Isomérie de chaîne

L'exemple ci-dessus du butane et du méthylpropane est un exemple de deux isomères de chaîne. Les isomères de chaîne ont la même formule moléculaire, mais des dispositions différentes de leurs chaînes de carbone. Par exemple, le butane a une chaîne non ramifiée (ou chaîne droite) d'atomes de carbone, alors que le méthylpropane a une chaîne ramifiée. D'autres isomères de chaîne peuvent avoir des branches de différentes longueurs, ou les branches peuvent être reliées à la chaîne de carbone principale à des positions différentes.

L'isomérie de position

L'isomérie de position fait référence aux molécules qui ont la même formule moléculaire et le même groupe fonctionnel, mais le groupe fonctionnel se trouve à une position différente sur la chaîne carbonée.

Par exemple, le propan-1-ol et le propan-2-ol sont des isomères positionnels. Ils ont tous deux une chaîne droite composée de seulement trois atomes de carbone, mais le groupe -OH est attaché à un carbone différent dans chaque cas.

L'isomérie de fonction

Les isomères de fonction ont la même formule moléculaire, mais ont des groupes fonctionnels différents. En d'autres termes, ils appartiennent à des séries homologues différentes.

Par exemple, la formule moléculaire C3H6O peut désigner le propanal (un aldéhyde), la propanone (une cétone) ou divers alcools insaturés (comme le prop-2-èn-1-ol).

Isomérie structurelle : exemples

Lorsque tu dessines des isomères structurels, tu peux rencontrer des structures qui ont l'air différentes sur le papier mais qui sont en fait de "faux" isomères : si tu les remues un peu, les deux molécules "différentes" se révèlent être une seule et même molécule ! Une astuce astucieuse pour savoir si le dessin est un véritable isomère consiste à nommer la structure selon les règles de l'UICPA, comme nous l'expliquons dans la section Nomenclature de l'UICPA. Un véritable isomère aura un nom unique.

Peux-tu trouver tous les vrais isomères dans les exemples suivants ?

Essaie de trouver les trois isomères de chaîne du pentane, C5H12.

Dessine d'abord la molécule à chaîne droite. Ensuite, dessine les deux isomères à chaîne ramifiée - mais attention aux "faux" isomères !

Ici, nous avons un isomère avec une chaîne de carbone racine de quatre atomes de long, et une seule chaîne latérale attachée au carbone 2. Si nous attachons la chaîne latérale au carbone 3, nous obtenons un " faux " isomère : ce sont les mêmes molécules si la chaîne carbonée est numérotée dans l'autre sens. Nous avons également un deuxième isomère. Cet isomère possède une chaîne carbonée racine de trois atomes de long, ainsi que deux chaînes latérales, toutes deux attachées au carbone 2. 

Bravo ! Tu as dessiné les isomères de la chaîne du pentane. Essayons un autre exemple.

Exemples : 

Dessine les isomères de structure de la formule moléculaire C4H8Cl2.

Cette formule représente un peu plus d'isomères que le premier exemple que nous avons examiné, C5H12, car elle contient une plus grande variété d'atomes. Nous devons tenir compte non seulement de l'isomérie de chaîne, mais aussi de l'isomérie de groupe fonctionnel et de position.

Tout d'abord, l'isomérie de chaîne. Cette formule comporte quatre atomes de carbone, ce qui nous donne plusieurs arrangements possibles de notre chaîne de carbone. Certains de ses isomères auront les quatre atomes de carbone dans une chaîne droite. D'autres seront des isomères ramifiés avec trois atomes de carbone dans une chaîne droite et une chaîne latérale reliée au carbone 2.

Ensuite, considérons l'isomérie des groupes fonctionnels. Toutes les molécules représentées par cette formule doivent avoir une liaison C-Cl, et sont donc toutes une sorte de chloroalcane. Cela signifie que pour cette formule, nous n'obtenons en fait aucun isomère de groupe fonctionnel.

Enfin, l'isomérie positionnelle. Considérons les positions possibles des atomes de chlore. Par exemple, les deux atomes de Cl pourraient être liés au même atome de carbone, mais ils pourraient aussi être liés à des atomes de carbone différents. Si on ajoute à cela les deux arrangements différents de la chaîne carbonée que nous avons trouvés il y a une seconde, on voit que le C4H8Cl2 a beaucoup d'isomères structurels possibles ! Tu pourras les voir tous ci-dessous. Combien as-tu réussi à en identifier ?

Stéréoisomérie : définition

Jusqu'à présent, tu as appris ce qu'est l'isomérie structurelle. Il s'agit d'isomères qui ont la même formule moléculaire mais des formules structurelles différentes. Nous allons maintenant examiner le deuxième type d'isomérie - la stéréoisomérie.

Les stéréoisomères sont des molécules ayant la même formule structurelle et moléculaire, mais une disposition spatiale différente des atomes.

Contrairement aux isomères structuraux, les stéréoisomères ont également la même formule structurale. À première vue, ils paraissent également avoir le même nom UICPA. Cependant, il existe des moyens de distinguer les différents stéréo-isomères, comme tu vas l'apprendre dans quelques instants.

Nous pouvons encore diviser la stéréoisomérie en deux types différents : l'isomérie géométrique et l'isomérie optique. Une fois encore, nous allons les étudier l'un après l'autre.

Types de stéréoisomérie : géométrique et optique

Examinons maintenant les détails de l'isomérie géométrique et optique.

Isomérie géométrique

L'isomérie géométrique est un type de stéréoisomérie qui se produit dans les molécules dont la rotation autour d'une double liaison C=C est limitée. Les isomères géométriques sont connus sous le nom d'isomères E-Z.

L'isomérie géométrique est causée par les doubles liaisons C=C. En effet, contrairement aux liaisons simples C-C, les doubles liaisons C=C ne peuvent pas tourner. Cela signifie qu'elles sont maintenues dans une disposition fixe. Si les atomes de carbone situés à chaque extrémité de la liaison sont reliés à des groupes différents, nous obtenons deux molécules différentes.

Prenons l'exemple d'une liaison C=C. Chaque atome de carbone est lié à deux autres groupes, que nous appellerons A et B. Si nous dessinons cette structure sur papier, nous voyons qu'il existe deux dispositions possibles des groupes A et B. Soit :

• Les groupes A se trouvent tous deux du même côté de la double liaison, directement opposés l'un à l'autre.
• Les groupes A se trouvent sur les côtés opposés de la double liaison, en diagonale l'un par rapport à l'autre.

Pour distinguer les deux stéréoisomères, nous utilisons la notation E-Z. Nous décidons quel isomère est l'isomère E et quel isomère est l'isomère Z en attribuant une priorité :

1. Prends un des atomes de carbone impliqués dans la double liaison C=C.
2. Regarde les deux groupes attachés à cet atome de carbone.
3. Attribue la priorité aux deux groupes :
4. Trouve le premier atome de chaque groupe et considère lequel a la masse atomique la plus élevée. Ce groupe est prioritaire. Si les deux groupes contiennent le même premier atome, considère le deuxième atome. Comme on peut s'y attendre, le groupe dont le deuxième atome a la masse atomique la plus élevée est prioritaire.
5. Répète l'opération avec le deuxième atome de carbone impliqué dans la double liaison C=C.
6. Considère les positions relatives du groupe de priorité supérieure de chacun des deux atomes de carbone de la liaison C=C :
7. Si les groupes de priorité supérieure sont du même côté de la double liaison, directement opposés l'un à l'autre (comme dans l'exemple de gauche), l'isomère est l'isomère Z.
8. Si les groupes de priorité supérieure se trouvent sur les côtés opposés de la double liaison, en diagonale l'un par rapport à l'autre (comme dans l'exemple de droite), l'isomère est l'isomère E.

E et Z représentent les mots allemands "entgegen et "zusammen". Ils signifient respectivement "opposé" et "ensemble" 

Les isomères géométriques courants que tu peux rencontrer sont le E-but-2-ène et le Z-but-2-ène. Ici, les deux carbones de la liaison C=C sont reliés à un atome d'hydrogène et à un groupe -CH3. Le premier atome du groupe -CH3, C, a une masse atomique supérieure à celle de H, et le groupe -CH3 a donc la priorité sur l'atome de H. Voici nos deux isomères :

Pour approfondir

Les isomères E-Z sont également connus sous le nom d'isomères cis-trans. Cis et trans sont les mots grecs pour "de ce côté" et "en travers". Pour les molécules simples, le système cis-trans correspond au système E-Z : l'isomère Z est appelé isomère cis et l'isomère E est appelé isomère trans. Cependant, cela ne fonctionne que lorsque la double liaison C=C est attachée à deux groupes différents. Si la liaison C=C est attachée à trois ou quatre groupes, le système s'effondre et nous devons utiliser la notation E-Z à la place.

Isomérie optique

Les isomères optiques sont des molécules qui ont la même formule structurelle et moléculaire, mais qui sont des images miroir non superposables les unes des autres.

L'isomérie optique est un autre type de stéréoisomérie, tout comme l'isomérie géométrique. Mais alors que les isomères géométriques diffèrent par la disposition des groupes autour d'une double liaison C=C, les isomères optiques varient par la disposition de quatre groupes différents autour d'un atome de carbone central. Cela forme deux molécules chirales non superposables, à l'image d'un miroir, que nous appelons énantiomères.

Pour approfondir

Pour comprendre l'isomérie optique, nous devons d'abord comprendre la signification de la chiralité, ou "chiralité". Qu'entendons-nous par là ? Eh bien, regarde tes deux mains. Elles possèdent les mêmes éléments : quatre doigts, un pouce et une paume. Même les distances entre chaque doigt sont les mêmes sur chaque main ! Si tu frappes tes mains l'une contre l'autre de façon que tes pouces soient opposés l'un à l'autre, tu verras que tous les autres doigts sont identiques. Tes mains sont des images miroir l'une de l'autre.

Maintenant, place une main au-dessus de l'autre. Peux-tu faire correspondre tes doigts et tes pouces comme avant ? C'est impossible, quelles que soient les façons dont tu tournes et tords tes mains. Nous appelons cela la chiralité. Chiral signifie qu'un objet ou une molécule ne peut être superposé à son image miroir. Ce terme vient du mot grec pour "main", cheir.

Quel est le rapport entre les mains et l'isomérie optique ? Eh bien, tout comme nos mains gauche et droite, les paires d'isomères optiques sont des molécules en miroir. Elles contiennent les mêmes atomes et groupes, assemblés dans le même ordre. Cependant, si nous les superposons, l'une sur l'autre, leurs structures ne correspondent pas. Les isomères ne sont pas superposables et présentent donc une chiralité.

La chiralité des isomères optiques est due à ce que l'on appelle un centre chiral. Il s'agit d'un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes différents. Les groupes sont liés à l'atome de carbone central de différentes manières, ce qui donne lieu à deux arrangements possibles en miroir - en d'autres termes, deux isomères. Quels que soient tes efforts, tu ne peux pas faire en sorte qu'un isomère corresponde parfaitement au second.

Voici un exemple d'isomérie optique, pour t'aider à comprendre ce que nous voulons dire :

Ces molécules sont des isomères optiques, appelés énantiomères. Quelle que soit la façon dont tu fais tourner la molécule de droite (comme indiqué ci-dessus), elle ne correspondra jamais parfaitement à sa partenaire de gauche.

Isomérie R et S

Maintenant que nous avons appris ce qu'est l'isomérie optique, nous pouvons nous entraîner à en repérer des exemples dans les molécules. Nous apprendrons ensuite comment dessiner les deux énantiomères

Examine la molécule suivante.

L'atome de carbone le plus à gauche, encerclé en rouge, est lié à quatre groupes différents. Par conséquent, il doit s'agir d'un centre chiral.

Pour dessiner les deux énantiomères différents de cette molécule, dessine d'abord un atome de carbone avec quatre liaisons simples dans un arrangement tétraédrique.

Choisis un groupe à attacher à la liaison supérieure et relie le reste des groupes aux trois autres liaisons.

Maintenant, prends ta molécule et retourne-la le long d'une ligne miroir verticale imaginaire. Garde le même groupe en haut mais inverse les liaisons des trois autres groupes.

Essaie de repérer le carbone asymétrique dans la molécule suivante, le butan-2-ol.

En comptant à partir de la gauche, le carbone 2 a quatre groupes différents attachés à lui. Il doit donc être un carbone asymétrique ou un centre chiral et présenter une isomérie optique. Ses deux énantiomères sont représentés ci-dessous.

L'isomère R (pour Rectus, en latin pour droite) est à droite, une configuration où les substituants prioritaires "tournent" dans le sens des aiguilles d'une montre.

L'isomère S (pour Sinister, en latin pour gauche) correspond à la rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Isomérie - Points clés

• L'isomérie est le nom donné à l'existence d'isomères : des molécules ayant la même formule moléculaire mais des structures chimiques différentes.
• Les isomères structurels ont la même formule moléculaire mais des formules structurelles différentes.
• Il existe trois types d'isomérie structurelle :

  Les isomères de chaîne ont des arrangements différents de leurs chaînes de carbone.

  Les isomères positionnels ont le même groupe fonctionnel, mais il est positionné à différents endroits de la chaîne de carbone.

  Les isomères de groupes fonctionnels contiennent des groupes fonctionnels différents.

• Les stéréoisomères ont les mêmes formules moléculaires et structurelles, mais des dispositions spatiales différentes des atomes.
• Il existe deux types de stéréoisomérie :

  Les isomères géométriques diffèrent par la disposition des groupes autour d'une double liaison C=C.

  Les isomères optiques diffèrent par la disposition de quatre groupes uniques autour d'un atome de carbone central. Par conséquent, ils forment des molécules miroir non superposables.