Chimie_isomerie

1er cycle – PCEM1 – Chimie isomérie

Année Universitaire 2008 - 2009

Isomérie

Isomérie Isomères = composés différents (non superposables) ayant même formule brute

I – Isomérie plane Tautomérie Isomérie de constitution a) Isomérie de fonction b) Isomérie de position

Isomérie plane

II – Stéréoisomérie 1) Isomérie conformationnelle 2) Isomérie de configuration

Les 2 isomères ont des formules semi-développées différentes

A) Enantiomérie molécule chirale (1C*) représentation de Fisher nomenclature D/L nomenclature R/S B) Diastéréoisomérie 1) Stéréoisomérie érythro/thréo (2C*) 2) Isomérie géométrique Z/E (dérivés éthyléniques) 3) Isomérie géométrique cis/trans (cyclohexanes substitués) 1) 2) 3) 4)

Isomérie de constitution

Isomérie de fonction

Tautomérie équilibre céto-énolique

Isomérie de position

Chiralité et réactions enzymatiques

Stéréoisomérie

Isomérie plane

Les 2 isomères ont même formule semi- développée mais des formules spatiales différentes

Isomérie de fonction : ex. C3H6O3 acide lactique

CH3-CHOH-COOH

aldéhyde glycérique

CH2OH – CHOH - CHO

dihydroxyacétone

CH2OH – CO - CH2OH

Isomérie de position 1

butanol 1

CH3 - CH2 - CH2 - CH2OH

butanol 2

CH3-CH -CH2 - CH3

1

Isomérie conformationnelle

Isomérie configurationnelle

2 conformères ne sont pas dédoublables ( c’est le même composé)

Les 2 configurations sont dédoublables ( 2 composés différents)

2

OH

F. MICHEL

(Mise ligne 22/09/08 – LIPCOM -RM)

Faculté de Médecine Montpellier-Nîmes

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a

1) Isomérie conformationnelle - conformères Il s’agit de la même molécule (conformères, non dédoublables), on passe d’un conformère à l’autre par simple rotation autour d’une l. simple. Ce passage ne nécessite que quelques KJ et se fait spontanément à t° ambiante. a a a’ a’ c’ c

b

c’ c

c’ b’

c

b’ b conformation éclipsée

b

a

b’

a

b’

c’

c’

c’ b’

c

b’ b

conformation éclipsée

a a’

a’

b

Représentation de Newman C en avant représenté par 1 point C en arrière représenté par 1 cercle

Isomérie conformationnelle : cyclohexane

a’

c

c

a’’

b

b conformation décalée plus stable car moins d’interactions entre les substituants Si a, b, c, a’, b’, c’ sont volumineux, conformation décalée prédominante

2) Isomérie configurationnelle 2 configurations sont dédoublables

Diastéréoisomérie

( spécifique de molécules chirales)

2 conformères chaise

Intermédiaire bateau

F. MICHEL

Enantiomérie Isomérie optique

Isomérie Géométrique cis/trans

Isomérie géométrique Z/E

Cyclohexanes substitués

Dérivés éthyléniques

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Stéréoisomérie Erythro/Thréo 2C*

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On se limitera aux molécules chirales comportant un ou plusieurs carbones asymétriques ( C* )

A) Enantiomérie 1) Isomérie optique (spécifique de molécules chirales)

C* = atome de C sp3 ayant ses 4 substituants différents.

Une molécule chirale n’a ni plan, ni centre de symétrie, elle n’est pas superposable à son image dans un miroir. (ex. main droite et main gauche)

Molécule I chirale

Une molécule chirale dévie le plan de la lumière polarisée, elle est dite optiquement active.

a

Molécule II chirale (image de I) a

Déviation L. polarisée vers droite = dextrogyre (+) Déviation L. polarisée vers la gauche = lévogyre (-)

b

b

d

d

c Lévogyre Dévie la LP angle - 

c Dextrogyre Dévie la LP angle + 

Molécules I et II sont 2 énantiomères ou isomères optiques

2) Représentation de Fisher

Ce qu’il est possible de faire sur une formule de Fischer sans changer la configuration :

S’applique aux molécules ayant 1 ou plusieurs C*

Permutation des substituants 2 à 2. a d

a

a

c

d d

a c

d

b  c

c a

d

b d

b c

c b Permutation circulaire de 3 substituants

b b

a Les substituants a, b verticaux sont à l’arrière du plan Les substituants c, d horizontaux sont en avant du plan

d b

F. MICHEL

b c

fixe

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a

d fixe

c a

c

d fixe

b a

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3) Nomenclature D et L Elle indique la configuration absolue d’un C asymétrique à partir de la projection de Fisher de la molécule. Initialement définie par référence au glycéraldéhyde. glycéraldéhyde L’énantiomère D présente en projection de Fisher le groupe OH en 2 à droite de la chaîne carbonée. CHO

CHO H

HO

OH CH2OH

Un composé D peut dévier la L.P. - à droite, il est dextrogyre (+) - ou à gauche, il est lévogyre (-) Seule l’expérience peut le dire.

H

Dans un couple D l d’é d’énantiomères, ti è sii l’un l’ dévie dé i la l LP vers la l droite d it de d +10°, l’autre déviera vers la gauche de -10°.

CH2OH

D glycéraldéhyde (+)

Aucune relation entre : la nomenclature D et L et le pouvoir rotatoire.

Un mélange : 50% de l’énantiomère D + 50% de l’énantiomère L est inactif sur la L.P., c’est un mélange racémique.

L glycéraldéhyde (-)

Nomenclature D/L

S’applique aux acides aminés :

S’applique aux oses et aux acides aminés.

Ose écrit en représentation de Fisher avec : chaîne carbonée verticale avec la fonction la plus oxygénée en haut. Ose de la série D si le dernier OH est à droite. Les oses naturels sont (presque tous) de la série D. CHO CHO H OH HO H

H OH

H

OH

CH2OH

F. MICHEL

COOH

COOH H

NH2 CH3

D alanine ((-))

H2N

H CH3

L alanine (+)

Chez les animaux, les acides aminés naturels = série L (il existe des acides aminés de la série D chez les bactéries)

Glucose D

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4) Nomenclature R et S

Classement basé sur les numéros atomiques des atomes directement liés au centre de chiralité.

Nomenclature + générale que la nomenclature D et L Cahn-Ingold-Prelog indiquent la configuration absolue d’un C* à partir d’un ’ classement de ses substituants. i

Les atomes les plus fréquents sont : O Z=8 N Z=7 C Z=6 H Z=1 Si les 2 atomes directement liés au C* sont identiques, on classe les substituants portés par ces atomes.

Exemple : diméthyl-2,3 pentane  

H

H

C*

CH3

Z=1 

F. MICHEL

R

CH(CH3)2  isopropyl  CH2-CH3 éthyl H H < C H < C C < C H H méthyl éth l

Z=6 

1

1

méthyl

éth l éthyl

Z=6 

4

3 H C C

isopropyl

Z=6 

3

2

2 Le C* est regardé du côté opposé au substituant de priorité le + faible (4), (4) on décrit les substituants dans l’ordre 1, 2, 3 si on suit le sens de rotation des aiguilles d’une montre  configuration R ( Rectus ), en sens inverse  configuration S ( Sinister ).

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B) Diastéréoisomérie 1

1 Tout ce qui n’est pas énantiomère (en relation image/objet) est appelé diastéréoisomère. 4

3

3

4

2

1) Stéréoisomérie érythro/thréo

2 1

Oses avec 2 C*

1

3

*

2

2

R

S 4

*

Tétrose HOCH2 – CHOH – CHOH – CHO

3

4 stéréoisomères formant 2 couples d’énantiomères

4

En représentation de Fisher : le n°4 doit être en arrière du plan (sur la verticale), classement des 3 autres R ou S

CHO

R H R H

érythrose (2 énantiomères) 

OH OH

H

HO

H S

D

H OH

CH2OH

F. MICHEL

X X

CHO

thréose (2 énantiomères)

X X

érythro

D



YY

Y Y

CH2OH

CHO

S HO R H

S

HO

CH2OH D

De ces 2 tétroses dérive la nomenclature érythro/thréo 2 C*adjacents, substituants X et Y

CHO

H

OH

R

OH

H

S

BA X Y

CH2OH

B A Y X

Y X thréo

B A

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B A

X Y

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2) Isomérie géométrique Z/E Composés éthyléniques

Acide tartrique * * HO2C – CHOH – CHOH – CO2H

a) Nomenclature cis/trans COOH

y = a un p plan de symétrie y Érythro = inactif sur L.P. = méso (1 seul composé) Thréo = 2 composés

H

OH

H

OH

a C

OH

HO

OH

H

H

On se limite à des doubles liaisons disubstituées.

H

H

H C

OH

COOH

b) Nomenclature Z/E

R

R’

c C d

Si les substituants de même priorité sont du même côté = Z zusammen = ensemble Si les substituants de même priorité sont de part et d’autre = E entgegen = opposé

H

trans

CH2OH  C

On considère : a et b d’une part c et d d’autre part.

Ordre de priorité des substituants d’après d après le n n° atomique de ll’élément élément lié au C de la d.l dl.

C

Hydroxy-1 éthyl-2 butène-2  HC 3

a

R’ C

cis

Nomenclature cis/trans est insuffisante pour des doubles liaisons tri et tétrasubstituées

C

H

C

R COOH

F. MICHEL

a ett c, b ett d sontt en relation l ti cis i a et d, b et c sont en relation trans

COOH

H

b

d

b

COOH

COOH

c C



H



C 



CH2CH3 

Sur le C3 C (Z = 6) CH3 n°1 H (Z = 1) H n°2 Sur le C2 C O (Z = 8) n°1 C C (Z = 6) n°2 Les substituants de même priorité sont du même côté : molécule Z

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1er cycle – PCEM1 – Chimie isomérie

Année Universitaire 2008 - 2009 Processus de la vision

Photoisomérisation Quand un composé éthylénique absorbe un photon d’ suffisante  déverrouillage de la liaison  et libre rotation autour de la liaison  Les isomères cis ayant des groupements volumineux sont moins stables que les isomères trans, ils peuvent subir une photoisomérisation cis  trans H

H C C R

R’

R’

H

Vitamine A (CH2OH) NADP+ NADPH

Trans-rétinal éi

H

11 cis-rétinal i éi opsine (protéine)

opsine

H2O

H2O

Rhodopsine trans

h

Déclenchement influx nerveux

C C R

rétinal isomérase

Rhodopsine ( imine) cis

Durée du cycle : 60 sec Changement de configuration requiert moins de 10-3 secondes.

3) Isomérie géométrique cis/trans (composés cycliques)

Cyclohexane monosubstitué

cyclohexane représenté en configuration chaise a

a e

a e

e

axial

e a a

e

a

Plan moyen du cyclohexane passe par le milieu des liaisons C-C Liaisons au-dessus du plan Liaisons au-dessous du plan Liaisons axiales perpendiculaires au plan Liaisons équatoriales // au plan.

F. MICHEL

équatorial

Interactions 1,3 R

-Br

-CH3

-C(CH3)3

% du conformère avec R en position équatoriale à 25°C

72%

94%

>99%

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1er cycle – PCEM1 – Chimie isomérie

substituants En 1,2 ou 1,4

X Y a e

cis

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Substituants en 1,3 cis

X Y a a e e

e a trans a e  e a

trans a a

e e X (a) Y(a)

X (a) Y Y

X (e) Cis a a

Inversion de conformation a haut e haut e bas  a bas

Cis

Interactions diaxiales 1,3

Les décalines

conformère le plus stable

a) Cholestanol (dihydrocholestérol) Les 3 jonctions de cycles (A/B, B/C, C/D) sont trans.

Pour chacun des cycles, y , l’autre apparaît pp comme 2 substituants en 1,2 ,

trans decaline ee

e

21

18

19 12 CH3 20 11 22 CH3 H 13 17 D 9 16 23 1 C 10 2 14 15 24 8 25 H A B 3

a

HO

5

4

7

H6

26

CH3

27

R

H CH3

C

e B

e

H H

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H H

A

HO

F. MICHEL

ee

Exemples de structures ayant des cycles accolés

2 cyclohexanes accolés

cis decaline Jonction des cycles : a e  e a

X (e)

Y (e)

D H

1er cycle – PCEM1 – Chimie isomérie

b) Acides biliaires jonctions :

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Chiralité et réactions enzymatiques A/B cis, B/C et C/D trans

Les enzymes = protéines n’acceptent qu’un seul des stéréoisomères d’une molécule.

CH3 CH3

H

H

B A

C OH

H

H

OH

R D

asymétrie du site actif des enzymes qui permet la reconnaissance et la fixation d’un seul stéréoisomère du substrat. L’enzyme y ((E)) lie le substrat ((S)) en au moins 3 points au cours de la formation du complexe ES.

OH acide cholique Les 3 OH sont en 

• Ex : L aminoacide-deshydrogénase - agit sur les acides aminés de la série L - n’agit pas sur les acides aminés de la série D. COO-

COO-

COO-

C

C

réduction H3N+

C H3N+

L alanine

CH3 H

CH3

CH3

H NH3+

L alanine

H fixation par 3 points

fixation par 3 points D alanine

Site de fixation asymétrique (enzyme)

F. MICHEL

Pas de reconnaissance donc pas de fixation

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Année Universitaire 2008 - 2009

• Spécificité de l’enzyme : dans les réactions de saturation des doubles liaisons Exemple : fumarase CO2H

H C C CO2H

CO2H H

+ H2O fumarase

H

H

A L malique Ac.L. li

H

+ H2O

CO2H

fumarase

C C CO2H

H

CO2H

Ac.fumarique t trans

H

HO

Ac.maléique cis

F. MICHEL

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