\begin{document}
\title{LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)}
\author{Maud}
\maketitle

\section*{Pré-requis}
\begin{itemize}
    \item 
\end{itemize}
\bibliographystyle{plain}
\bibliography{biblio}
\livre{\href{https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/pluginfile.php/15882/mod_resource/content/0/PCM_FS1d.pdf}{Cours structure spatiale 1er SPCL}}
Les images viennent globalement du même livre de lycée Physique Chimie TS, enseignement de spécialité, hachette, 2012.
\tableofcontents
\remarque{Les élèves de Terminale Générale voient très peu de chose à ce sujet : isomérie de constitution avec la formule topo, les familles de fonction,etc. On en fera pas une leçon. 
Cette leçon au lycée peut être vu en première STL physique chimie mathématique, en Terminale STL physique chimie et mathématique. Les élèves verront la loi de Biot mais plus tard dans l'année  de Terminale cela sera l'occasion de revenir sur les notions de stéréoisomérie vues ici. La leçon est du niveau de Terminale. Dans le cas où on est obligé de la faire niveau première, il faut diviser le programme en deux en fonction de l'élément imposé : schéma de lewis/polarité (cf. lecon de louis) soit isomérie/formule chimique/cram/conformation/énantiomères. }
\section{Introduction}
\subsection*{Introduction pédagogique}
Les élèves ont vu en première (cf. LC-35-De la structure des entité aux propriétés physiques de la matière (Lycée))
\begin{itemize}
    \item la structure spatiale des molécules avec la théorie de la VSEPR
    \item Formules chimiques de molécules organiques : chaîne carbonée, groupe caractéristique.
    \item Isomérie : Identifier des isomères de chaîne, de position ou de fonction.
    \item Représentation de Cram.
    \item Conformations.
    \item fonctions chimiques
    \item Atome de carbone asymétrique.
    \item Énantiomérie.
\end{itemize}
\textit{"Cette partie du programme est l’occasion de revenir sur la notion d’atome de carbone asymétrique abordée en classe de première et sur la géométrie des molécules. Les notions de chiralité et de diastéréoisomérie sont introduites en complément de la notion d’énantiomérie. Elles sont primordiales pour l’étude des synthèses chimiques dans lesquelles la géométrie des molécules joue un rôle important. Le monde du vivant est asymétrique, la plupart des biomolécules étant chirales. Les processus biologiques (catalyse enzymatique, reconnaissance récepteur-hormone ou neurotransmetteur …) discriminent les différents stéréoisomères, ce qui induit des réponses physiologiques différentes. Ces notions ont des implications dans les domaines pharmaceutique, agro-alimentaire ou de la bioproduction."} $\longrightarrow$ \textbf{donner des exemples que l'on rencontre dans la nature (enzyme, médicaments,etc); On peut aller rapidement sur la représentation de Cram et la notion d'énantiomère.}

\noindent\underline{\textbf{Objectifs pour les profs}}
\begin{itemize}
    \item revenir sur les notions vues en première
    \item mettre en lien avec les autres domaines scientifiques (alimentaire, pharmaceutiques, bio)
    \item S'approprier à nouveau le tableau périodique pour pouvoir classer les substituants du carbones pour la règle CIP
    \item familiariser les élèves à la géométrie dans l'espace
\end{itemize}
\noindent\underline{\textbf{Objectifs pour les élèves}}
\begin{itemize}
    \item Reconnaitre si une molécule est chirale
    \item distinguer les énantiomères et les diastéréoisomères
    \item Associer les énantiomères d'un couple à leur configuration absolue R/S
    \item voir le lien entre les enantiomères et les propriétés biologiques
\end{itemize}
\noindent\underline{\textbf{Activités pour les élèves}}
\begin{itemize}
    \item manipuler les modèles moléculaires pour se familiariser avec la géométrie dans l'espace
\end{itemize}
On parlera pas du pouvoir rotatoire parce qu'ils le voit plus tard en cours de SPCL en terminale (on est dans le programme physique chimie mathematique). 
Les mains, les chaussures, les coquilles d'escargot, certaines plantes…sont des objets chiraux : leur structure n'est pas superposable à leur image dans un miroir. Une molécule est chirale si elle possède deux formes énantiomères dont toutes les propriétés physico-chimiques sont identiques (masse, point de fusion, solubilité…), la seule différence étant qu'elles font tourner la lumière polarisée de manière opposée. 

\subsection*{Introduction générale}

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/chiralité_nature.png}
    \caption{coquille d'escargot}
\end{figure}
\remarque{C'est Louis Pasteur qui évoque l'énantiomérie en premier avec des cristaux de sel de l'acide tartrique dont la structure était étonna ment l'image de l'autre. }
\section{Notion de carbone asymétrique}

\subsection{Représentation de Cram (rappel)}
Dans une molécule, un atome de carbone forme généralement 4 liaisons avec des atomes voisins, afin de respecter la règle de l’octet. Lorsqu’il forme 4 liaisons simples avec 4 autres atomes, on dit qu’il est tétragonal. D’après la théorie VSEPR, un tel atome de carbone est de type AX4E0 et présente une géométrique tétraédrique autour de lui. On donne l'exemple du méthane. On peut montrer que avogadro ou avec des modèles moléculaires.
\textbf{Comment représenter la géométrie tétraédrique autour d’un atome de carbone dans un espace à 2 dimensions ?}
Pour cela, on utilise la représentation de Cram que vous avez déjà vu en première.
On rappelle les conventions pour représenter les molécules en convention de Cram. La représentation de Cram permet de représenter la position des atomes dans l’espace en utilisant les conventions suivantes :
\begin{itemize}
    \item Les liaisons qui s’effectuent dans le plan de la feuille sont représentées par : %$\chemfig{A-B}$
    \item Les liaisons entre un atome situé dans le plan de la feuille et un atome situé en avant de ce plan sont représentées par : %\chemfig{<}
    \item Les liaisons entre un atome situé dans le plan de la feuille et un atome situé en arrière de ce plan sont représentées par : %\chemfig{>}
\end{itemize}
On donne l'exemple du méthane au tableau puis on peut montrer des molécules plus compliquées qui rentrent dans l'esprit du programme : la vitamine C, le glucose, le limonène.

On remarque la représentation de Cram donne tout son sens lorsque l'on a un carbone asymétrique: un carbone qui possède 4 substituant différents. ON peut reprendre les exemples précédent. 


\transition{Maintenant que l'on a les outils pour représenter les molécules dans l'espace. On peut s'intéresser aux relations de structures entre les molécules dans l'espace. Autrement dit, on va s'intéresser aux stéréoisomères.}

\subsection{Stéréoisomérie}

\definition{Deux molécules sont stéréoisomères lorsqu'elles correspondent à la même formule plane, mais ne sont pas superposables. On attend pas formule plane : la formule brute, la formule développée, la formule semi-développée ou la formule topologique.}

Ainsi, deux stéréoisomères diffèrent par la disposition de leurs atomes dans l'espace. Il existe deux types de stéréoisomères : 
\begin{itemize}
    \item les stéréoisomères de conformation;
    \item les stéréoisomères de configuration
\end{itemize}
On passe d'un stéréoisomère de conformation à un autre par \textbf{rotation} autour d’une liaison simple. En revanche, pour passer d'un stéréoisomère de configuration à un autre, il est nécessaire de \textbf{briser} des liaisons chimiques. Il ne faut pas confondre les deux termes configuration et conformation : Deux stéréoisomères de configuration sont deux molécules différentes, alors que deux stéréoisomères de conformation sont deux agencements spatiaux différents d'une même molécule.

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/configuration_conformation.png}
    \caption{Différence entre stéréoisomère de configuration et de conformation}
\end{figure}

\transition{Vous avez déjà pu voir comment on peut passer d'un conformère à l'autre par rotation autour d'une liaison simple l'année dernière. On va détailler par la suite les liens qui existent entre les isomères de configuration.}


\section{Stéréoisomères avec un atome de carbone asymétrique}

\subsection{Chiralité}
On commence la partie par une manip' introductif avec les jeux de molécules. On prend un molécules que l'on place devant un miroir on montre que l'on ne peut pas les superposer. On reprend la même molécule et on dessine au tableau les deux énantiomères. On prend l'exemple suivant.

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/ex_chirale.png}
    \caption{Relation de chiralité}
\end{figure}

\definition{Un objet est dit chiral s’il n’est pas superposable à son image dans un miroir plan. On appelle énantiomérie la relation existant entre cet objet et son image.
Les molécules peuvent également être chirales si elles possèdent au moins un atome de carbone
asymétrique et ne présentent pas d’axe, de plan ou de centre de symétrie. }

On peut alors aussi définir des molécules achirale qui elle est superposable à son image dans un miroir. On donne l'exemple suivant.
\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.2\textwidth,angle=90]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/ex_achirale.pdf}
    \caption{molécule achirale}
\end{figure}
On distingue la différence entre une molécule chirale (solo) et deux molécules énantiomères (paire).




\transition{Pour caractériser des énantiomères différents, il est nécessaire d’étudier la configuration absolue du (des) atome(s) de carbone asymétrique(s) présent(s) dans les molécules. }


\subsection{Règle CIP}
Trois chimistes ont travaillé sur la chiralité et ont proposé des règles à suivre pour déterminer la configuration absolue
d’un atome de carbone asymétrique : ceux sont les règles CIP (Cahn, Ingold et Prelog).
On suit les règles suivantes : 
\begin{itemize}
    \item Un atome de numéro atomique plus élevé a la priorité sur un atome de numéro atomique le plus faible
    \item En cas d'égalité pour les atomes au 1er rang, on applique la même règle aux atomes qui leurs sont liés (2nd rang), et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne une différence.
    \item Une liaison multiple équivaut à plusieurs liaisons simples entre les 2 atomes
\end{itemize}

\subsection{Configuration absolue}
Une fois que l’on a identifié l’ordre de priorité, on peut classer les groupes liés à un atome de carbone asymétrique C* par ordre de priorité : 1 > 2 > 3 > 4. On regarde ensuite dans l’axe C*→ 4 et on observe dans l’ordre de priorité décroissant 1-2-3 les 3 autres substituants. On aura alors deux configurations absolues possibles : la configuration R ou la configuration S.
On reprend les exemples donnés avant pour les molécules achirales.


\subsection{Comparaison des propriétés physiques des énantiomères}

Les énantiomères présentent les mêmes caractéristiques physiques (température de changement d'état, masse vvolumique,etc) et chimiques. Elles n'ont généralement pas les mêmes propriétés biochimiques. 
\begin{figure}[h!]
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/enantio-biologie.png}
\end{figure}


On a les exemples suivants:
\begin{itemize}
    \item Le (R)–(+)–limonène est le constituant principal de l’huile essentielle d’orange et de citron. Son énantiomère (le (S)–(–)–limonène) possède, quant à lui, une odeur proche du pin. Deux énantiomères ont des propriétés biologiques différentes. 
    \item La L-dopa, par exemple, est le médicament de base dans le traitement de la maladie de Parkinson, alors que la D-dopa est toxique. Tout le génie de la chirotechnologie consiste à essayer de mettre au point des procédés permettant de produire, à l’échelle industrielle et à un coût raisonnable, l’énantiomère utile seul. En effet, lorsqu’elle est réalisée sans précautions particulières, la synthèse d’une molécule chirale donne un mélange racémique.
\end{itemize}
Un mélange contenant les deux énantiomère en proportions égales (mélange équimolaire) est appelé \textbf{mélange racémique}.

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/640px-D-DOPA.png}
    \caption{D-dopa (toxique)}
\end{figure}

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/langfr-300px-3,4-Dihydroxy-L-phenylalanin_(Levodopa).svg.png}
    \caption{L-dopa (traitement)}
    \label{fig:my_label}
\end{figure}

\transition{Maintenant que l'on a vu comment caractériser des molécules simples avec un unique carbone asymétrique, on peut regarder le cas des molécules avec deux ou plusieurs carbones asymétriques.}


\section{Stéréoisomères avec deux carbones asymétriques}
\subsection{Diastéréoisoèmes}
\remarque{Si on veut faire des manip' qualitatives, on peut aller voir \href{https://marchettibenjamin.files.wordpress.com/2021/05/article-bup_4409.pdf}{ICI}.}
Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères de configuration qui ne sont pas énantiomères.

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/enantio-dia.png}
    \caption{Relation entre diastéréoisomères et énéntioisomères}
\end{figure}
\transition{On vient de voir que les carbones asymétriques étaient à l'origine de relation d'énantiomérie et de diastéréoisomérie. Il existe une autre type de structures que l'on retrouve dans les molécules organiques qui est à l'origine de diastéréoisomérie. Vous avez vue, en classe de première que la double liaison CC ne permettait pas de rotation autour de la liaison : elle cause ce qu'on appelle l'isomérie Z/E. }

\subsection{Isomérie Z/E}
Lorsque, de part et d’autre de la double liaison d’un composé de
formule AHC=CHB, les groupements d’atomes A et B ne sont pas
des atomes d’hydrogène H, il existe deux stéréoisomères de configuration appelés Z et E :
\begin{itemize}
    \item  dans le stéréoisomère Z, les deux atomes d’hydrogène se
trouvent du même côté de la double liaison ;
    \item dans le stéréoisomère E, ils se trouvent de part et d’autre de la
double liaison.
\end{itemize}
On fait un schéma avec le propène et l'acide fumarique et l'acide maléique. On entoure les groupes prioritaires. On dit qui est Z qui est E.

\subsection{Comparaison des propriétés physiques de diastéréoisomères}
Les diastéréoisomères présentent des propriétés physiques et chimiques différentes.
\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/dia_simple.png}
    \caption{Exemple de diastéréoisomères}
    \label{fig:my_label}
\end{figure}


{\renewcommand{\arraystretch}{2}
\begin{tabular}{{|p{5cm}|p{4cm}|p{4cm}|}}
\hline
     Nom  &Acide Maléique &Acide Fumarique  \\
     \hline
     Formule topologique &\includegraphics[width = 0.2 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/Maleinsäure.svg.png}
     &\includegraphics[width = 0.2 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/Fumaric-acid-2D-skeletal.png}  \\ 
     \hline
     Isomérie &Z&E\\
     \hline
     $pK_A$&1.83 ; 6.07& 3.03;4.44\\
     \hline
     Température de fusion $T_f$ & 131°C&287°C\\
     \hline
     Solubilité $s$ à 25°C en $g \cdot L^{-1}$& 780 & 6.3 \\
     \hline
     Densité en $g \cdot cm^{-3}$&1.63&1.59\\
     \hline
\end{tabular}}

\section{Conclusion}
Enjeu médicaux : thalidomide (attention le centre stéréogène n'est pas un carbone mais un azote).
\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = 0.5 \textwidth]{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/thalidomide_enantiomere.png}
    \caption{structure du thalidomide}
\end{figure}

\section*{BO}
\begin{figure}[h!]
    \centering
    \includegraphics{LC/LC-03-Structure spatiale des molécules (Lycée)/BO_Tle_SPCL_structure_spatiale.png}
    \caption{BO Tle SPCL}
\end{figure}


\transition{Si la leçon est niveau première.}
\section{Fonctions chimiques et Nomenclature}
\section{Représentation de Cram}
\subsection{Règles}
\subsection{Carbones asymétriques}
\section{Isomères}
\subsection{Isomères de constitution}
\subsection{Conformères}
\subsection{Enantiomères}

\transition{L'autre leçon possible en première}
Aller voir la leçon de louis sur De la structure spatiale des espèces chimiques à leurs propriétés physiques

\end{document}