Chimie Organique

1. Chimie Organique Partie I Description des molécules

2. Historique de la chimie organique (I) • Théorie de la force vitale (avant le début du 19ème siècle) • A cette époque on distinguait • la chimie organique : étude des molécules issues des êtres vivants • et la chimie minérale ou inorganique : étude des substances issues du monde minéral • Il semblait alors impossible de synthétiser en laboratoire des substances organiques à partir des substances minérales. Les chimistes pensaient que l'intervention d'une "force vitale" propre aux organismes vivants était nécessaire à ces synthèses. • Fin de la théorie de la force vitale • Friedrich Wöhler(1800-1882) : Synthèse de l'urée en 1828 (présente dans l'urine) et montre ainsi que l'intervention d'une force vitale n'est pas nécessaire à cette synthèse. • Marcelin Berthelot(1827-1907) : Synthèse d’un grand nombre de composés organiques tels que le méthanol, l'éthanol, l'éthylène, l'acétylène etc… • Premières études de la structure et de la synthèse de composés organiques • William Perkin (1838-1907) : Etudie la structure de colorants d'origine organique (la mauvéine et l'alizarine) avant d'en réaliser la synthèse. • Emile Fischer (1852-1919) : Etudie la structure des glucides (sucre) et des polypeptides. Ces études sont à la base de la biochimie.

3. Historique de la chimie organique (II) • Les synthèses plus modernes. • Robert B. Woodward (1917-1979) : Prix Nobel en 1965 pour ses travaux sur les synthèses. En particulier Il réalise la synthèse d'un médicament: la cortisone. • Jean-Marie Lehn(1939) : Prix Nobel en 1987 pour la synthèse de molécules cages (cryptands). Il est aussi l'initiateur d'une nouvelle chimie dite "supra moléculaire" • De nos jours • Chimie organique= étude des molécules contenant un squelette de carbone, sur lequel sont fixés d’autres atomes : H, N, O, halogènes (F, Cl, Br, I), S, P, Si, métaux (Mg, Cu, Zn, Hg,…) • Chimie très vaste, car le carbone a une valence 4 et peut se lier à lui-même. • Etude des structures des composants des substances organiques naturelles • Reproduction par synthèse des produits naturels puis synthèses de leurs dérivés en améliorant leurs propriétés • Synthèses de produits totalement nouveaux. En particulier les matières plastiques, les fibres synthétiques, les combustibles et les comburants, les parfums, les arômes et les colorants et enfin les médicaments. • Actuellement, on peut synthétiser près d'un million de composés, parmi lesquels rares sont les produits que l'on trouve dans la nature. • Biochimie : molécules organiques issues du vivant (extrêmement riche et complexe)

4. Représentation des molécules • Formule brute : du type CxHyOzNt…. • Ne donne pas d’information sur les liaisons entre les atomes • Formule plane • Donne la nature des liaisons entre les atomes, mais pas leur répartition dans l’espace • développée C’est la notation de Lewis. On représente tous les atomes, toutes les liaisons, les DNL, les charges, les électrons célibataires… • semi-développée On ne représente pas les liaisons C-H • compacte On ne représente pas les liaisons, seulement les groupements : CH3COCH3

5. Représentation des molécules Formule plane (suite) • topologique C’est la représentation la plus importante , mais demande un peu d’habitude avant d’être maitrisée. On ne représente pas les atomes d'hydrogène, ni de carbone Seuls les hétéroatomes (atomes autres que C et H: O, N, Cl...) ainsi que les H qu’ils portent, sont représentés On cherche ici à représenter la géométrie du squelette (enchaînement des atomes de carbones) de la molécule. On pensera aux angles de 109° pour des carbones tétravalents, 120° pour des carbones trivalents (liaison double), et 180° pour des carbones divalents (liaison triple). • La molécule précédente s’écrira : • Autre exemple :

6. Représentation des moléculesExercices sur la notation topologique (1) Donner la représentation topologique des molécules suivantes, et ajouter les DNL éventuels :

7. Représentation des moléculesExercices sur la notation topologique (1 : réponse) Donner la représentation topologique des molécules suivantes, et ajouter les DNL éventuels :

8. Représentation des moléculesExercices sur la notation topologique (2) Dans les molécules suivantes, représenter toutes les liaisons, ajouter les DNL, donner la formule brute.

9. Représentation des moléculesExercices sur la notation topologique (2 : réponse) Dans les molécules suivantes, représenter toutes les liaisons, ajouter les DNL, donner la formule brute. C5H7OCl C7H9O2N C10H13I C7H7⊕ C4H7O⊖

10. Représentation des molécules Formule en 3D Un carbone lié à 4 groupes G1, G2, G3, G4, est du type AX4E0 (Gillespie) et adopte une géométrie tétraédrique. Pour représenter un carbone tétraédrique dans l’espace, on utilise deux représentations principales : la représentation de Cram la projection de Newman animation Cas des cycles

11. Principales fonctions de la chimie organique

12. page 12 Nomenclature en chimie organique Les règles de l’IUPAC sont décrites, de manière simplifiées, dans le document Nomenclature

13. Notion d’Isomérie • Souvent une formule brute donnée correspond à plusieurs molécules possibles appelées isomères. • On distingue deux types d'isomérie. • L’isomérie de constitution (ou de structure) • Deux isomères de constitution ont même formule brute mais des formules planes différentes. • La stéréoisomérie (voir plus loin dans ce cours) • Deux stéréoisomères ont la même formule développée plane, mais diffèrent par l’arrangement tridimensionnel des atomes.

14. Isomérie de constitution Rappel Deux isomères de constitution ou encore de structure ont même formule brute mais des formules planes différentes. Il y a 3 types d’isomérie de constitution.

15. Isomérie de constitutionRecherche des formules planes correspondant à une formule brute donnée • Un des problèmes rencontrés est que l’analyse d’un corps A a pu nous donner sa formule brute, du type CxHyOz… Il s’agit alors de trouver toutes les formules planes possibles. • Des logiciels font ça très bien mais pour des formules brutes simples, voici comment procéder sur un exemple : A = C3H6O • Définition de l’indice d’insaturation I. C’est le nombre de H2 que l’on peut ajouter à la molécule selon les réactions : On retiendra : 1 double liaison = 1 insaturation 1 triple liaison = 2 insaturations 1 cycle = 1 insaturation Ce nombre I permet de simplifier la recherche des solutions

16. Isomérie de constitutionRecherche des formules planes correspondant à une formule brute donnée Calcul de l’indice d’insaturation I. • où nI est le nombre d’atomes monovalents (H, les halogènes : F, Cl, Br, I) • nIII est le nombre d’atomestrivalents (N, P) • nIV est le nombre d’atomestétravalents (C, Si) Note : les atomes divalents (O, S) n‘interviennent pas dans la formule Ici : A = C3H6O Cela donne I = (2*3 + 2 - 6)/2 = 1 A possède donc une double liaison ou 1 cycle

17. Isomérie de constitutionRecherche des formules planes correspondant à une formule brute donnée Molécules ayant une double liaison Note : cette double liaison peut être C=C ou un C=O Recherche des squelettes possibles (possédant 3 C et un O) Placement de la double liaison sur les squelettes I , II et III et ajout des H portés par O

18. Isomérie de constitutionRecherche des formules planes correspondant à une formule brute donnée Molécules ayant un cycle Note : un cycle, c’est au minimum 3 atomes, pouvant être ici C ou O Cycle à 3 atomes Cycle à 4 atomes Il y a donc 7 solutions pour A = C3H60 : Ia, IIa, IIb, IIIa, IV, V, VI (en fait, il y en a plus si on tient compte des stéréoisomères (plus loin dans ce cours)

19. page 19 Isomérie de constitutionRecherche des formules planes correspondant à une formule brute donnée Comme le montre le tableau suivant, la recherche des isomères de constitutions de molécules aussi simple que les alcanes devient vite impossible « à la main ». Même pour de petites molécules, il faut procéder avec une grande logique, pour ne pas oublier de molécules, ou ne pas écrire deux fois la même molécule.

20. Stéréoisomérie Rappel Deux stéréoisomères ont la même formule développée plane, mais diffèrent par l’arrangement tridimensionnel des atomes. Il y a 2 types de stéréoisomérie. Stéréoisomérie de conformation Du fait de la libre rotation des liaisons simples, les molécules n'ont pas une structure figée dans l'espace. Leurs atomes peuvent être disposés d'une infinité de façons dans l'espace, chaque disposition possible correspond à un conformère de la molécule. Deux conformères représentent la même molécule, dans des dispositions spatiales et état d’énergie différents. On peut passer d’un conformère à l’autre sans rupture de liaison. Stéréoisomérie de configuration Dans tous les autres cas où les stéréoisomères sont des molécules différentes, on parle de stéréoisomérie de configuration, plus souvent simplement nommés stéréoisomères. Pour passer d’un stéréoisomère (de configuration) à un autre il faut nécessairement casser des liaisons. Ce sont des molécules différentes.

21. Stéréoisomérie de conformationCas de l’éthane Il y a libre rotation de la liaison simple C1 – C2. On note  l’angle de torsion de cette liaison (angle dièdre). Il y a une infinité de conformère, autant que d’angle  On peut tracer l’énergie de la molécule en fonction de . Cela s’appelle une étude conformationnelle. Bien noter les conformations les plus classiques éclipsée (=0°) , la moins stable; décalée (=60°), la plus stable. Dans quelle état trouve-t-on la molécule d’éthane ? Cela change tout le temps, mais à un instant donné, il y a plus de molécules en conformation décalée que dans les autres conformations (répartition statistique de Boltzmann) animation

22. Stéréoisomérie de conformationCas du butane Etude conformationnelle du butane C4H10 Me = groupe méthyle animation

23. page 23 Stéréoisomérie de conformationCas du butane Nom des conformations les plus caractéristiques du butane

24. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane Etude conformationnelle du cyclobutane C6H12 • Noter les conformations • chaise : plus stable, toutes liaisons décalées • bateau : moins stable, présence de liaisons éclipsées • (enveloppe : autre conformation encore moins stable)

25. page 25 Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane Quelques autres conformations du cyclohexane

26. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane La forme chaise possède 6 hydrogènes équatoriaux et 6 hydrogènes axiaux. En projection de Newman, on voit les liaisons décalées de la chaise (stabilité), et éclipsées du bateau (moins stable)

27. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane • Représentation en perspective du cyclohexane chaise • Les positions axiales des groupements sont en bleu. Il y a alternance axial haut et axial bas. • Les positions équatoriales sont en rouge, il y a aussi alternance haut-bas. • Où est passé le H indiqué ? ⇄ H Chaise 1 Chaise 2

28. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane Un H équatorial vers le haut dans une des chaises devient axial dans l’autre chaise, en restant vers le haut. Il n’y a pas rupture de liaison quand on passe d’une chaise à l’autre. H ⇄ H Chaise 1 Chaise 2 Pour le cyclohexane, les deux chaises ont la même énergie

29. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane Pour s’exercer : ⇄ Chaise 1 Chaise 2 A main levée aussi :

30. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane – Interactions 1,3 diaxiales Il y a une forte répulsion entre les groupes axiaux du même côté du cycle. Elle se nomme l’interaction 1,3 diaxiale (flèches vertes). (même chose pour les positions axiales vers le bas) Il n’y pas ce type de répulsion entre positions équatoriales qui sont plus éloignées du cycle. interactions 1,3 diaxiales H H H

31. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane monosubstitué (un H remplacé par G) G Chaise 2 Chaise 1 : plus stable ⇄ G Pour le cyclohexane monosubstitué, les deux chaises n’ont pas la même énergie. La chaise la plus stable est celle où G est équatorial (à cause des interactions 1,3 diaxiales). Exemple (à droite) où G = Me (méthylcyclohexane) A un instant donné, la plupart des molécules seront celles où Me est équatorial. Modèles interactifs

32. Stéréoisomérie de conformationCas du cyclohexane monosubstitué (un H remplacé par G) Le tableau ci-contre indique les proportions moyennes de conformère équatorial qu’on rencontre pour le cyclohexane monosubstitué en fonction de la nature du substituant (à T=298 K). On constate que plus le substituant est encombrant stériquement (plus volumineux), plus le conformère équatorial est favorisé. On note aussi la faible préférence équatoriale pour les halogènes dont la liaison C-X est longue et donne des interactions 1,3 diaxiales moins fortes. On retiendra Dans un cyclohexane monosubstitué, le conformère chaise le plus stable est celui où le substituant est en position équatoriale.

33. Stéréoisomérie de conformationImportance en biochimie • La conformérie, c’est-à-dire la possibilité que les molécules peuvent subir des déformations (de longueurs ou d’angle de liaisons) sans que leur liaisons se cassent, a une énorme importance dans le vivant. • les réactions de synthèse des protéines • de duplication de l’ADN • l’efficacité des enzymes • les mécanismes biocatalytiques • etc… • dépendent étroitement de la conformation des macromolécules mises en jeu. structure adn 1 structure adn 2 repliement de l’adn

34. Stéréoisomérie de configuration • Rappel • Deux stéréoisomères (de configuration) ont la même formule développée plane, mais diffèrent par l’arrangement tridimensionnel des atomes. • Pour passer d’un stéréoisomère (de configuration) à un autre il faut nécessairement casser des liaisons. Contrairement aux conformères qui représentent la même molécule, deux stéréoisomères (de configuration) sont des molécules différentes. • Il y a deux types de stéréoisomérie de configuration • L’énantiomérie • La diastéréoisomérie

35. Stéréoisomérie de configurationEnantiomérie – Définitions Définition de l’énantiomérie Deux stéréoisomères de configuration sont appelés énantiomèress’ils sont images dans un miroir et non superposables. Exemple du 1-bromo-1-chloroéthane Ces deux molécules sont différentes Définition de la chiralité d’une molécule (prononcer « ki » ralité) Une molécule non superposable à son image dans un miroir, c’est à dire une molécule qui possède un énantiomère, est dite chirale. Les deux molécules plus haut sont chirales. Une molécule égale à son image dans un miroir est achirale. Critère simplifié de non-chiralité Si une molécule possède, dans l’une de ses conformations, un plan ou un centre de symétrie, alors elle est achirale. C’est le cas de la molécule de droite, car elle possède un plan de symétrie dans une de ses conformations (celle représentée) animation

36. Stéréoisomérie de configurationEnantiomérie – Pouvoir rotatoire • Deux énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques et les mêmes propriétés physiques, sauf une : le pouvoir rotatoire • Seule les molécules chirales ont un pouvoir rotatoire • Cette propriété se mesure avec le polarimètre de Laurent, décrit dans le schéma plus bas. • Une lumière monochromatique (raie jaune du sodium) pénètre un polariseur. Elle ressort polarisée, c’est-à-dire que son champ électrique est orienté selon une direction unique. • Elle pénètre ensuite la cuve contenant une solution de concentration c de de la molécule. • Si la molécule est chirale, elle est optiquement active, c’est-à-dire qu’elle est la propriété de faire tourner le plan de polarisation de la lumière (le champ E). • A la sortie de la cuve, E a tourné de l’angle , appelé pouvoir rotatoire de la solution. Loi de Biot :  = [] l c [] est appelé pouvoir rotatoire spécifique de la molécule Molécule chirale : [] ≠ 0 ; achirale : [] = 0 Deux énantiomères ont leur [] opposé Cas d’un mélange : ( est additif) Mélange racémique = mélange en même quantité de deux énantiomères :  = 0

37. * * * Stéréoisomérie de configurationEnantiomérie – Carbone asymétrique Un carbone est dit asymétrique lorsqu’il est tétraédrique et lié à quatre atomes ou groupes d’atomes différents. Exemple La molécule suivante possède un carbone asymétrique indiqué par une étoile. Toute molécule possédant un seul carbone asymétrique est chirale Attention Un carbone d’une double liaison ne peut être asymétrique (il n’est relié qu’à trois groupes) Attention Une molécule possédant plusieurscarbones asymétriques peut ne pas être chirale La molécule suivante est achirale, pourtant elle a deux C* Attention Une molécule peut être chirale sans posséder de carbone asymétrique La molécule suivante est chirale, pourtant elle n’a pas de C*

38. * * Stéréoisomérie de configurationEnantiomérie – Nomenclature R/S d’un C* Un carbone asymétrique a deux configurations possibles, et deux seulement. L’exemple ci-dessous représente les deux énantiomères du 1-bromo-1-chloroéthane, molécule chirale à cause de son unique carbone asymétrique C1. Il faut pouvoir nommer différemment ces deux molécules. Cela se fait par le descripteur stéréochimique R ou S Détermination de la configuration absolue (R/S) d’un C* 1. On classe les quatre substituants par ordre de priorité en utilisant pour cela les règles de Cahn, Ingold et Prelog (règles CIP, voir plus loin) ; le substituant prioritaire porte le numéro 1, le dernier dans l’ordre de priorité le numéro 4. 2. On regarde la molécule dans l’axe de la liaison C* - substituant n°4, le carbone asymétrique étant au premier plan et le substituant n°4 étant dirigé vers l’arrière. 3. Les trois substituants se présentent alors : - soit dans le sens direct : le carbone est de configuration R(du latin rectus=droite) (cas du dessin). On indique (R)-nom_molécule. - soit dans le sens indirect : le carbone est de configuration S(du latin sinister=gauche). On indique (S)-nom_molécule.

39. page 39 Stéréoisomérie de configurationRègles CIP (Cahn,Ingold,Prelog) Les règles CIP sont décrites, dans le document Règles CIP

40. Stéréoisomérie de configurationEnantiomérie – Nomenclature R/S, exemples Indiquer les carbones asymétriques des molécules suivantes. Donner leur configuration absolue.

41. Stéréoisomérie de configurationEnantiomérie – Nomenclature R/S, exemples • Flèches pleines, la lecture est directe car le groupe léger est derrière C*. • Flèches pointillées, la lecture est indirecte car le groupe léger est devant C*. Penser à inverser la configuration. • Attention aux pièges • le C* portant le Cl est bien asymétrique mais est représenté à plat : on ne peut pas calculer sa configuration absolue. • le C* portant le Br n’est pas asymétrique (il porte deux groupes éthyles identiques) Détail pour la dernière molécule (en rouge : la branche prioritaire)

42. Stéréoisomérie de configurationExemples de chiralité sans carbones asymétriques Parmi les molécule suivantes, lesquelles sont chirales ? • Indications • D’abord chercher un plan ou un centre de symétrie : s’il y en a dans une des conformations de la molécules elle est achirale • On peut aussi chercher l’image dans un miroir et vérifier si c’est la même molécule (achiralité) ou pas (chiralité)

43. Stéréoisomérie de configurationDiastéréoisomérie – Définition • Définition • Deux stéréoisomères de configuration sont appelés diastéréoisomèress’ils ne sont pas énantiomères. • La diastéréoisomérie englobe donc tous les cas de stéréoisomérie de configuration hormis l’énantiomérie. • Deux diastéréoisomères sont des molécules aux propriétés physiques et chimiques différentes. • (rappel : deux énantiomères ne diffèrent que par leur pouvoir rotatoire) • Il y a deux cas de diastéréoisomérie • molécules ayant plusieurs C* • molécules ayant des doubles liaisons

44. Stéréoisomérie de configurationDiastéréoisomérie – Composés à plusieurs C* molécules ayant plusieurs C* On considère le 2-chloro-3-bromobutane. La molécule a deux C*, chacun d’entre eux peut être R ou S. Il y a a priori 22 = 4 stéréoisomères, représentés ci-dessous. On voit deux couples d’énantiomères (2S,3S),(2R,3R) et (2R,3S),(2S,3R). Mais le couple (2S,3S),(2R,3S) n'est pas un couple d'énantiomères car ces molécules ne sont pas images l'une de l'autre dans un miroir. On dit que ce sont des diastéréoisomères. Dans cet exemple, les 4 stéréoisomères forment 2 couples d’énantiomères et 4 couples de diastéréoisomères, comme le montre le schéma : Relation entre les stéréoisomères du 2-chloro-3-bromobutane

45. Stéréoisomérie de configurationDiastéréoisomérie – Composés à plusieurs C* Généralisation pour une molécule possédant n C* Un composé à n C* admet au plus 2n stéréoisomères. En effet il y a parfois, dans le décompte des isomères, des molécules identiques. Cela arrive lorsque la formule de départ est bien symétrique comme le 2,3-dichlorobutane. Il y a bien le couple d'énantiomères (2S,3S),(2R,3R) Mais les stéréoisomères (2R,3S) et (2S, 3R) sont identiques (ils admettent un plan de symétrie dans une de leur conformation), c'est l'isomère dit méso. Il est achiral, il n’a pas de pouvoir rotatoire. Il n'y a ici que trois stéréoisomères. Relation entre les stéréoisomères du 2,3-dichlorobutane

46. Stéréoisomérie de configurationDiastéréoisomérie – Composés à double liaison Une double liaison n’admet pas de rotation libre, et peut conduire à une stéréioisomérie La condition pour que A et B soient différentes est G1≠ G2 et G3 ≠ G4 Si c’est le cas, A et B sont des diastéréoisomères. Nomenclature Z/E (de l’allemand : (Z)usammen = ensemble ; (E)ntgegen = opposé) On classe, toujours selon les règles CIP, les groupes G1 et G2 d’une part, et G3 et G4 d’autre part. Si les groupes majoritaires sont du même coté latéral de la double liaison, le composé est dit Z, sinon il est dit E. Exemple des deux 3-méthylpent-2-ène, les groupes majoritaires sont entourés. Erreur classique Souvent la 1ère molécule est notée Z sous prétexte que les deux groupes méthyles se font face.

47. page 47 Stéréoisomérie de configurationDiastéréoisomérie – Cas des cycles • Il y a deux 1,4-diméthylcyclohexanes possibles : • Dans le cas général de cycles polysubstitués, si les substituants de plus grande priorité sont : • du même côté du plan moyen  composé cis • de part et d'autre de ce plan  composé trans • On peut noter : • qu'il n'y a pas de C* dans les deux 1,4-diméthylcyclohexanes • qu'elles admettent un plan de symétrie, elles sont achirales • pourtant elles sont différentes, ce sont des diastéréoisomères

48. Stéréoisomérie de configurationRelation entre structure des stéréoisomères et propriétés (1) • Deux énantiomères ont • Des formes générales identiques • les mêmes propriétés physiques et chimiques en général • mais un comportement différent vis-à-vis * de la lumière polarisée (pouvoir rotatoire = activité optique) * d’autres entités chirales (phénomènes de reconnaissance en biochimie : exemple de l’odeur des 2 limonènes)

49. Stéréoisomérie de configurationRelation entre structure des stéréoisomères et propriétés (2) • Deux diastéréoisomères ont • Des formes générales différentes • des propriétés physiques et chimiquesdifférentes Exemple des acides but-2-ène-1,4-dioïques

50. Stéréoisomérie de configurationDédoublement d’un mélange racémique Le plus souvent, les transformations chimiques fournissent des mélanges racémiques. Dans un grand nombre de situations, il est nécessaire d’extraire un seul des énantiomères, car ils ont des activités biologiques très différentes (voir l’exemple de la thalidomide). Il faut alors procéder à un dédoublement du racémique Comment réaliser cette opération alors que les propriétés physiques et chimiques des énantiomères sont identiques ? Solution : on combine le mélange racémique avec une espèce chimique chirale existant sous forme d’un seul énantiomère (produit naturel en général). On obtient alors deux espèces diastéréoisomères aux propriétés physiques différentes, que l’on pourra séparer.