
\title{LC-03- Structure des especes chimiques}
\date{20 janvier 2022}

\begin{document}
\author{\underline{Jean-Maxime Schlachter}\&Léa Bessonart}
\maketitle


\subsection*{Niveau : $\mathrm{T^{ale}}$ STL - PCM }



\subsection*{Bibliographie}
\begin{tabular}{@{\livre}p{0.48\linewidth} @{\ $\longrightarrow$ \ }p{0.48\linewidth}}
\textit{Chimie tout-en-un PCSI}, \textbf{Fosset} & Définitions, CIP.\\
\textit{Wikipédia} & Informations sur les molécules des exemples, tube de Thiele.\\
\textit{https://m.20-bal.com/pravo/17923/index.html} & Acide maléique et acide fumarique. \\
https://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/regcip.htm
\textit{https://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/regcip.htm} & Pour aller plus loin dans la stéréochimie en général.\\
\textit{JFLM}, \textbf{Chimie expérimentale : CAPES et agrégation de sceinces physiques} & Manips acide maléique / acide fumarique, interprétations.\\
\end{tabular}


\noindent
\begin{minipage}[t]{0.48\linewidth}



\subsection*{Prérequis}
\begin{itemize}[label=\ding{226}]
 \item Formules déveolppées, semi-développées, topologiques
 \item Isomérie
 \item Carbone asymétrique, représentation de Cram
 \item \'Enantiomérie
 \item Nomenclature
 \item Liaisons hydrogène
 \item pH
	\end{itemize}
\end{minipage}



\tableofcontents
\pagebreak


	\section*{Intro péda}

Cette leçon s'intitule {\itshape Structure des espèces chimiques} et est adapatée pour un enseignement en terminale STL option physique-chimie et mathématiques. Elle a pour but d'approfondir les notions de stéréoisomérie, avec comme objectif la caractérisation de la stéréoisomérie de molécules complexes contenant plusieurs carbones asymétriques et/ou des alcènes, en répondant aux questions est-ce que deux composés sont énantiomères, diastéréoisomères, comment les identifier et s'ils ont {\itshape a priori} des propriétés physico-chimiques différentes. Cette leçon mobilise un large champ de connaissances du programme de 1ère et de terminale ce qui peut la rendre compliquée à appréhender dans sa totalité, et sera faite après la séquence sur les acides et les bases.\\
Pour aborder cette leçon, les élèves auront à mobiliser les connaissances de première STL-PCM sur les types de représentation des molécules organiques. En particulier, les élèves doivent être familiers avec les formules semi-développées et la représentation topologique, ce qui ne devrait {\itshape a priori} pas poser trop de problèmes vu qu'ils les ont beaucoup manipulées en 1ère. Ils doivent aussi savoir reconnaître des fonctions organiques de base, tels que les alcools et les alcènes et nommer des molécules organiques. Pour cette leçon, il est surtout crucial que les élèves se souviennent des notions d'isomérie, de stéréoisomérie et de la représentation de Cram. Il s'agit du pilier de cette leçon mais également d'un point délicat du programme de 1ère car cela nécessite une vision des molécules dans l'espace, c'est pourquoi je ferai un rappel sur ces notions, notamment à l'aide de modèles moléculaires tels qu'ils l'ont fait en classe de première. En outre, pour illustrer le fait que deux diastéréoisomères ont des propriétés différentes, j'utiliserai la notion de pH qu'ils ont vu dans une séquence antérieure, notamment avec des TP pour déterminer la valeur d'un pKa grâce à un titrage par suivi pH-métrique. Toujours pour montrer que des diastéréoisomères ont des propriétés différentes, les liaisons hydrogène seront mises à profit dans le cas d'une modification du $\mathrm{pK_a}$ et de la température de fusion de diastéréoisomères. Les élèves devront donc se rappeler des propriétés des liaisons hydrogène vues en 1ère : dans quels cas elles se forment et leur impact sur la stabilisation d'une espèce.


    \section*{Introduction}

\par Bonjour à tous, aujourd'hui nous allons poursuivre l'étude de la structure des espèces chimiques que vous avez commencée l'année dernière. Vous aviez appris à représenter des structures moléculaires simples et ceci vous avait permis de reconnaître qu'à une formule brute pouvaient être associées différentes espèces chimiques ; vous avez appelé cela l'\textbf{isomérie}. Aujourd'hui, nous allons notamment voir comment aborder l'isomérie d'une molécule complexe, contenant plusieurs carbones asymétriques et des alcènes, et comment les nommer. Les notions que nous verrons dans ce cours sont importantes car l'isomérie joue sur les propriétés des espèces, en particulier dans le corps. Savoir les nommer est donc très important quand l'on veut par exemple acheter ou vendre un réactif pour effectuer une synthèse, faire de la parfumerie, ou bien administrer des médicaments. Par exemple, le thalidomide se présente sous deux formes, l'une agit contre la nausée et pourrait être utilisée comme traitement anti-tumoral tandis que l'autre forme provoque des malformations chez le f\oe tus si la mère en consomme quand elle est enceinte, ce qui avait mené à un scandal sanitaire au début des années 1960 
\footnote{Un scandal d'une si grande ampleur que j'en ai entendu parler pour la première fois dans un cours de solfège (!!!) il y a une bonne dizaine d'années, voir Thomas Quasthoff.}.
% Par exemple, j'ai ici deux énantiomères de la menthone, si vous venez les sentir vous remarquerez qu'ils ont une odeur différente.

\transition{
Je vais maintenant vous parler des catégories des stréréoisomères de configuration, en commençant par l'énantiomérie.}

    \section{Stéréoisoméries de configuration}
        \subsection{\'Enantiomérie}

Pour commencer, je vous rappelle la définition de l'énantiomérie que vous avez vue précédemment :\\
Deux molécules sont \textbf{énantiomères} si elle sont images l'une de l'autre dans un miroir plan et qu'elles ne sont pas superposables. Il s'agit d'une stéréoisomérie de configuration ; leur formule semi-développée est différente mais on a besoin de rompre des liaisons pour retrouver la même molécule.  C'est le cas de cette molécule : le propane-1,2-diol, qui est utilisé comme émulsifiant dans les domaines de l'alimentation voir la pharmacie, ou comme antigel.\\
Le carbone asymétrique, qui est lié à 4 substituants différents, est marqué d'un étoile, c'est la géométrie tétraédrique autour de ce carbone qui est responsable de la stéréoisomérie. Passer d'un énantiomère à l'autre se fait en inversant les substituants à l'arrière et à l'avant du plan de la feuille. Le fait que chaque forme du propane-1,2-diol ne soit pas superposable à son image dans un miroir nous amène à la définition générale suivante, que nous étudierons pour les molécules suivantes :\\
\noindent \underline{\textbf{Définition :}} Une espèce est chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir plan.\\

\par Considérons désormais un cas plus complexe : le pentane-2,3-diol. Il possède 2 atomes de carbone asymétriques. En faisant son image dans un miroir plan, on voit qu'il s'agit d'une molécule chirale et qu'il faut inverser les positions des substituants à l'arrière et à l'avant sur chaque carbone asymétrique pour obtenir l'énantiomère. 

\transition{La question qui se pose, est de savoir si on a tous les stéréoisomères de configuration possible du pentane-2,3-diol. La réponse est non : on peut imaginer d'inveser un seul carbone asymétrique, et cela ne conduit pas à l'énantiomère. Il s'agit d'une nouvelle catégorie de stéréoisomères de configuration.}


       \subsection{Diastéréoisomérie}

\noindent \underline{\textbf{Définition :}} Sont \textbf{diastéréoisomères} deux stéréoisomères de configuration qui ne sont pas énantiomères.\\
(Dire à l'oral qu'ils ont la même formule semi-développée, qu'il faut casser des liaisons pour passer de l'un à l'autre, mais qu'ils ne sont pas images l'un de l'autre dans un miroir.)\\
Si je reprends l'exemple du pentane-2,3-diol, je peux regrouper les relations de stéréoisomérie de configuration sur le schéma. Il y a deux couples d'énantiomères et quatre couples de diastéréoisomères ! La diastéréoisomérie est donc plus commune que l'énantiomérie. On peut voir comment différencier des énantiomères et des diastéréoisomères à l'aide de modèles moléculaires.\\

%\bluebox{Modèles moléculaires, le retour}{
%Montrer ces relations sur les modèles moléculaires et/ou sur chemsketch. (!!! élément imposé !!!)}

On peut tirer de cet exemple une règle générale : pour une molécule contenant des carbones asymétriques, alors il faut inverser les groupes à l'avant et à l'arrière sur chaque carbone asymétrique pour obtenir son énantiomère. Sinon, on trouve un diastéréoisomère.\\


\par Maintenant, est-ce qu'il faut forcément un carbone asymétrique pour avoir des diastéréoisomères ? Regardons l'exemple des acides maléique et fumarique. La formule semi-déveoloppée de ces acides est la même. Et pourtant, ces acides ne se superposent pas car le fait que la liaison $\mathrm{C=C}$ soit double bloque la rotation autour de cette liaison ... Il s'agit donc de diastéréoisomères !\\

\transition{
Maintenant que nous avons vu les types de stéréoisomérie de configuration, et notamment qu'une molécule peut avoir beaucoup de stéréoisomères différents, nous devons nous intéresser à l'identification des composés pour éviter de manipuler le mauvais stéréoisomère lors d'une synthèse.}


    \section{Identification}
        \subsection{Règles CIP}

Les règles CIP sont une convention adoptée par les chimistes Cahn, Ingold et Prelog en 1966 pour caractériser les stéréoisomères de façon universelle. Ils définissent alors la \textbf{priorité} d'un substituant d'un centre responsable de stéréoisomérie. Elle est déterminée selon le schéma suivant :
\begin{enumerate}
    \item Classer les atomes voisins du carbone stéréogène par ordre de Z décroissant.
    \item La priorité est la position de l'atome voisin dans cette liste : 1 pour l'atome de plus grand Z.
    \item Si deux voisins sont de Z identiques, alors poursuivre avec leurs propres voisins jusqu'à trouver un Z différent.
    \item Si un atome est lié par une liaison multiple, diviser cette liaison en autant de liaisons simples. Noter les atomes répliqués entre parenthèses ().
\end{enumerate}

Prenons pour exemple le propane-1,2-diol. Le carbone asymétrique est lié à un groupe $\mathrm{-OH}$, un groupe $\mathrm{CH_2OH}$, un méthyle $\mathrm{-CH_3}$ et un hydrogène $\mathrm{H}$. On a $\mathrm{Z(O)}>\mathrm{Z(C)}>\mathrm{Z(H)}$ donc le groupe hydroxyle est de priorité 1 et l'hydrogène de priorité 4. Pour départager les deux derniers substituants, on va un cran plus loin : on représente les atomes auxquels sont liés les carbones : $\mathrm{O,H,H}$ versus $\mathrm{H,H,H}$. $\mathrm{Z(O)}>\mathrm{Z(H)}$ donc le groupe qui contient l'alcool est de priorité 2.

\transition{
Voyons comment appliquer cette procédure pour décrire un alcène.}


        \subsection{Isomérie Z et E}

On s'intéresse au stéréodescripteur d'un alcène. Il est d'une importance cruciale de connaître ce descripteur car, contrairement à deux énantiomères, deux diastéréoisomères ont des {\itshape propriétés physico-chimiques indépendantes}. Pour ce faire, on applique les règles CIP à chaque carbone de la double liaison pour connaître la priorité des groupes, puis on compare la priorité des groupes se faisant face. L'isomère pour lequel les substituants prioritaires se font face est nommé {\itshape Z} (de l'allemand "{\itshape zusammen}", "ensemble"/"en commun"), sinon il est {\itshape E} ("{\itshape entgegen}", soit ici "contraires").\\
L'acide maléique est donc nommé acide (Z)-butènedioïque et l'acide fumarique acide (E)-butènedioïque.\\
Nous allons nous intéresser à ces acides de plus près pour illustrer le fait que deux diastéréoisomères ont des propriétés différentes. En particulier, ces espèces sont des diacides, comme l'acide sulfurique que vous avez déjà rencontré. Les valeurs tabulées de $\mathrm{pK_a}$ montrent que pour l'acide maléique, les acidités sont éloignées de plus de quatre unités, alors que pour l'acide fumarique les acidités sont proches. Nous pouvons alors effectuer un titrage pH-métrique avec de la soude comme vous avez fait la semaine dernière pour suivre l'évolution du pH en fonction du volume de soude ajouté. En particulier, les écarts de $\pK_a$ vont conduire à 2 sauts de pH dans le cas de l'acide fumarique, contre 1 seul pour l'acide fumarique.

\bluebox{Acides}{
Titrage de l'acide maléique par la soude : détermination du pKa à partir de la demi-équivalence. Comparaison avec l'acide fumarique. Attendu : 1.92 \& 6.23 versus 3.02 \& 4.38.\\
Point de fusion de l'acide maléique, vers $130^\circ$. Comparer avec celui de l'acide fumarique, vers $280^\circ$.}

\noindent\textbf{Résultats :}\\
\noindent L'incertitude sur le volume est estimée à 0.05mL, elle est due à l'incertitude sur la lecture et l'incertitude constructeur. Pour le pH, on prend 0.1. Pour comparer l'allure des courbes de titrage, je rappelle que le pKa d'un couple détermine le pH à la demi-équivalence. Si deux acidités ont une différence de pKa inférieure à 4, on ne verra qu'un seul saut de pH. Pour l'acide maléique, les sauts de pH sont distincts alors que ce n'est pas le cas pour l'acide fumarique. Cette expérience montre que les $\mathrm{pK_a}$ des couples de l'acide fumarique et des couples de l'acide maléique sont donc bien différents. On peut lire le $\mathrm{pK_a}$ de $\mathrm{MalH^-/Mal^{2-}}$ sur la courbe expérimentale, à la demi-équivalence du deuxième saut. On lit $V_{\mathrm{eq1}}=9.4\pm 0.1mL $ et $V_{\mathrm{eq2}}=29.4\pm0.1mL$ par dérivation de la courbe (l'incertitude est prise comme l'écart entre deux points de mesure). On obtient un volume de demi-équivalence de 19.4mL et $pKa_2=6.5\pm0.1$, proche de la valeur tabulée\\
\par Pour interpréter cette observation, nous allons faire appel à la notion de\textbf{ liaison hydrogène} que vous connaissez. L'année dernière, vous avez vu que des liaisons hydrogène peuvent se faire entre deux molécules qui possédent un hydrogène lié à un atome plus électronégatif que lui et un oxygène ou un azote d'une autre molécule ; ça fonctionne de la même façon ici mais en {\itshape intra-moléculaire}. Cette liaison hydrogène est possible dans $\mathrm{MalH^-}$, ce qui le stabilise. $\mathrm{MalH^-}$ se forme donc beaucoup plus facilement que son homologue $\mathrm{FumH^-}$ ; ceci abaisse le $\mathrm{pK_a}$ de la première acidité chez l'acide maléique. Pour la deuxième acidité, le $\mathrm{pK_a}$ de l'acide maléique est supérieur à celui de l'acide fumarique car quand les deux oxygènes sont déprotonnés, on a obtient deux charges négatives qui se font face pour l'acide maléique, et cela destabilise la forme dibase. Le second $\mathrm{pK_a}$ associé est donc plus élevé.

\par Concernant le point de fusion, ce sont encore les liaisons hydrogène qui influent sur cette grandeur, sauf que cette fois-ci, elles sont {\itshape inter-moléculaires}. Comme vous l'avez vu l'année dernière, l'existence de liaisons H inter-moléculaires renforce la cohésion des espèces et abaisse le point de fusion. L'acide fumarique peut former deux liaisons H inter-moléculaires tandis que l'acide maléique n'en forme qu'une (voir le JFLM). La température de fusion est donc différente pour les deux diastéréoisomères. On peut mesurer les températures de fusion avec un banc Köfler ou un tube de Thiele. Comme les vapeurs de l'acide maléique sont toxiques, mieux vaut utiliser de faibles quantités pour la recherche du point de fusion sur le banc (qui ne peut pas se faire sous hotte car les courants d'air l'empêchent de se stabiliser) ou bien le tube de Thiele sous la hotte (la température est homogène dans le tube grâce aux mouvements de convection).\\

\transition{
Vous savez désormais pourquoi il est important de différencier deux diaséréoisomères. On a vu comment identifier des alcènes, maintenant on passe au cas des carbones stéréogènes.}


        \subsection{Configuration absolue R et S}

Il s'agit d'un indicateur de la stéréochimie des carbones asymétriques. Pour déterminer le stéréodescripteur {\itshape R} ou {\itshape S} d'un carbone asymétrique, on applique la méthode suivante :
\begin{enumerate}
    \item Appliquer les règles CIP pour obtenir l'ordre de priorité des groupes sur le carbone.
    \item Placer le composé de prioriété la plus basse (4) à l'arrière.
    \item Regarder suivant la liaison C-4. Si on passe des substituants 1-2-3 dans le sens horaire, le carbone est {\itshape R}, sinon on parcourt les priorités dans le sens anti-horaire et le carbone est {\itshape S}.
\end{enumerate}
\noindent Exemple simple pour débuter : reprendre le propane-1,2-diol. Détailler la priorité des groupes, puis les numéroter par ordre de priorité sur la formule topo. Déduire lequel est {\itshape S} et lequel est {\itshape R} : on passe d'un énantiomère à l'autre en changeant le stéréodescripteur.\\
\noindent Lorsque l'espèce contient plusieurs carbones asymétriques, c'est pareil. Donner l'exemple du ({\itshape 2S,3R})-pentane-2,3-diol. On obtient son énantiomère en inversant le descripteur des deux carbones asymétriques, ou un diastéréoisomère en en changeant un seul.



    \section*{Conclusion}

Dans cette leçon, nous avons repris les notions de structure chimique que vous aviez vues l'année dernière pour aborder la stéréochimie de molécules complexes, notamment celles qui présentent plusieurs atomes de carbone asymétriques. Nous avons également complété la famille des stéréoisomères de configuration en introduisant la notion de diastéréoisomérie et en donnant des exemples de diastéréoisomères. Vous savez désormais faire la distinction entre énantiomères et diastéréoisomères, et donc prédire si deux stéréoisomères auront {\itshape a priori} des propriétés similaires ou non.
Ce que nous avons vu dans cette leçon est très important en pratique, notamment dans le domaine de la santé, où il est nécessaire de contrôler la stéréochimie des produits administrés aux patients pour éviter des réactions indésirables ou dangereuses. Enfin, dans le domaine de la parfumerie, la stéréochimie a son importance car modifie l'odeur d'une espèce ; il s'agit donc d'un véritable enjeu dans ce secteur. Pour clôturer cette séquence, vous manipulerez en travaux dirigés les modèles moléculaires de stéréoisomères qui ont des propriétés biologiques différentes.

\section{Questions}
\begin{itemize}
    \item comment passe-t-on d'une configuration à l'autre ? 
    \item définition conformation éclipsée et décalée? laquelle est la plus stable ?
    \item pourquoi les conformères ne sont pas présents dans les pré-requis? ce n'est pas un pré-requis pour cette leçon ?  \emph{il faut absoluement mettre en pré-requis parce que c'est pas simple pour les lycéens}
    \item définition de la chiralité. est ce que la notion de chiralité est spécifique à la chimie ? une élève vous dit "molécule chirale est une molécule sans aucun élément de symétrie" que dire?
    \item comment appelle-t-on l'acide maléique dans la nomenclature officielle ?
    \item nomenclature en cis-trans, qu'est ce que cela signifie ? \emph{la notion est plus large, on parle des éléments du même coté ou non de la liaison considérée}
    \item stéréoisomère avec deux carbones asymétriques, on a les dénomination "like" et "unlike", qu'est ce que cela signifie ? \emph{like RR/SS unlike R/S}
    \item on trouve aussi la notion de L et D, qu'est ce que cela signifie? \emph{on en parle dans les sucres, lumière déviée par la gauche L(évogyre) et lumière déviée vers la droite D(extrogyre) }
    \item combien de groupe hydroxyle dans le glucose ? 
    \item donner la configuration de fisher du glucose 
    \item c'est quoi la fonction en haut ? 
    \item quel est le role de pasteur dans la découverte de la stéréoisomérie? 
    \item comment se manifeste la chiralité dans le vivant ?
    \item qu'est ce qu'il faut souligner entre la chiralité et l'énantiomérie pour les élèves?
    \item comment expliquer vos volumes équivalents pour le titrage?
    \item en quoi l'enseignement des sciences peut sensibiliser à la laïcité? la science est tout le temps questionnable, c'est pas un dogme,
\end{itemize}


\section{Commentaires}
\begin{itemize}
    \item pas convaincu par la leçon ... pas très structurée. Le plan est pas ouff. On passe des notions en saut mouton
    \item présenter la leçon sous la forme d'une carte mentale!!!! c'est une grave bonne idée
    \item paragraphe énantiomère : configuration, chiralité, CIP, modèle moléculaire avec un seul carbone asymétrique (il faut plus les utiliser) // paragraphe diastéréoisomère 
    \item on peut dire ce qu'on pourrait faire en tp avec les élèves : formule brute, semi-développé et on leur demande de faire les isomères de configuration, chacun le fait, on essaie de faire des catégories, on reconnait les énantiomères et les diastéréoisomères
    \item modèle moléculaire : prendre des modèles extrêment différents, prendre le plus simple avec du chlore, du fluore,etc
    \item il faut insister :\textbf{ une molécule = constitution + une configuration}
    \item chiralité, énantiomérie : chiralité propriété structural d'une olécule, énantiomère c'est un lien c'est une relation entre deux molécules
    \item diastéréoisomères : les quatre structures sont chirales mais les relations entre les molécules eux à deux sont différentes
    \item il faut une introduction plus concrête... accroche plus concrête pour des lycéens : médicament femme enceinte ou le limonene ou isomérie Z/E (acide maléique et fumarique)
    \item théorie des groupe pour la définition de la chiralité
    \item en médecine, eutomère ( Qualifie un énantiomère d’un composé chiral pharmacologiquement actif qui est le plus apte à fournir l’activité thérapeutique recherchée.), l'inverse c'est distomère
\end{itemize}

\section{Rappels}
\subsection{Isomères}
Deux composés sont dits isomères (du grec " isos ", identique et " meros ", partie) s’ils ont la même formule brute mais diffèrent :
soit par leur formule développée - isomérie plane ou isomérie de constitution -,soit par leur représentation dans l’espace -stéréoisomérie - qui peut être une :stéréoisomérie de conformation ou conformérie par simple rotation autour d'un axe d'une liaison simple (en général C−C),stéréoisomèrie de configuration qui nécessite une rupture de liaison. Ces molécules peuvent avoir des propriétés physiques, chimiques et biologiques très différentes.

Nous donnerons chaque fois un ou plusieurs exemples, sachant qu'il en existe des infinités.

définition
Les stéréoisomères sont des isomères (même formule brute) à même formule développée, mais dont la géométrie spatiale est différente.
Deux stéréoisomères (même formule semi-développée mais structures spatiales différentes) sont dits \textbf{stéréoisomères de configuration} s’il est nécessaire de rompre des liaisons pour passer de l’un à l’autre.
\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5\textwidth]{LC/LC-03-Structure des espèces chimiques/stereoisomeres-configuration.jpg}
    \caption{Stéréoisomère de configuration ( \href{http://vetopsy.fr/}{source})}
    \label{fig:config}
\end{figure}
\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5\textwidth]{LC/LC-03-Structure des espèces chimiques/fischer-glyceraldehyde.jpg}
    \caption{Représentation de Fisher ( \href{http://vetopsy.fr/}{source})}
    \label{fig:fisher}
\end{figure}
\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5\textwidth]{LC/LC-03-Structure des espèces chimiques/notation-cip.jpg}
    \caption{Règle CIP ( \href{http://vetopsy.fr/}{source})}
    \label{fig:CIP}
\end{figure}

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5\textwidth]{LC/LC-03-Structure des espèces chimiques/eclipse_decale.jpg}
    \caption{Conformation décalée et éclipsée de l'éthane ( \href{http://vetopsy.fr/}{source})}
    \label{fig:decale_eclipse}
\end{figure}

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5\textwidth]{LC/LC-03-Structure des espèces chimiques/dichloroethane_conformere.jpg}
    \caption{Conformation décalée et éclipsée du dichloroéthane ( \href{http://vetopsy.fr/}{source})}
    \label{fig:my_label}
\end{figure}
\end{document}

