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#1
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\begin{center}
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\textbf{#1}
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\item[] \noindent #2
\end{description}
\end{minipage}
\end{center}\vspace{0.1cm}
}


\begin{document}
 
\begin{center}
\begin{tabular*}{\textwidth}{@{}l@{\extracolsep{\fill}}r@{}}
Leçon de Chimie 3 &   Gey Lucas, Rossetti Sylvio \\
\end{tabular*}
\vspace{0.5cm}

\HRule \\
\LARGE \textsc{Structure spatiale des molécules}\\[-0,3cm]
\HRule \\
\end{center} 

\section*{Niveau} 
1er STL

\section*{Programme (STL 1er)}
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.6\textwidth]{images/Programme.PNG}
    \caption{STL première}
    \label{STL1}
\end{figure}
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/Programme_3.PNG}
    \caption{STL première (fin)}
    \label{STL2}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/Programme_term.PNG}
    \caption{STL terminal}
    \label{STL2}
\end{figure}


En plus en science de laboratoire terminal il y a :
\begin{itemize}
    \item Stéréochimie, mélange racémique.
    \item Loi de Biot, excès énantiomérique.
    \item Déterminer les différents stéréoisomères formés à partir d’un même carbocation et repérer les couples d’énantiomères et les diastéréoisomères.
    \item Polarisations naturelle et rectiligne des ondes électromagnétiques.
    \item Prévoir l’effet d’un polariseur sur une lumière naturelle et sur une onde polarisée rectilignement. 
    \item Associer l’activité optique d’une solution à la chiralité des espèces chimiques. Activité optique. Loi de Biot. Pouvoir rotatoire
    \item Exploiter la loi de Biot
    \item Relier le pouvoir rotatoire d’un mélange de stéréoisomères à sa composition.
    \item Capacités expérimentales :
    \item Produire et analyser une lumière polarisée rectilignement.
    \item Distinguer une lumière polarisée rectilignement, non polarisée ou partiellement polarisée.
    \item Déterminer une concentration d’une espèce optiquement active à partir de la mesure de son pouvoir rotatoire
\end{itemize}

\section*{Prérequis}
\begin{itemize}
    \item Représentation de Lewis
    \item Représentation de Cram
    \item Formule développée des molécules
    \item Numéro atomique
    \item Polarisation de la lumière
\end{itemize}

\section*{Bibliographie}
\begin{itemize}
    \item 
\end{itemize}



\section*{Expériences}
\begin{itemize}
    \item Logiciel de réprésentation 3D ?
    \item Modèle moléculaire
    \item Polarimètre de Laurent
    \item Isomères de constitution
\end{itemize}

\tableofcontents

\section*{Introduction}

Exemple introductif : 

Exemple de la carvone à l'odeur de menthe verte et de son énantiomère à l'odeur de fenouil ou anethe.

Je prend l'exemple de la Carvonne
On observe les propriétés suivante, mais si on essaye de caractériser la molécule, on obtient dans les deux cas : \chemform{C_{10}H_{14}O}. Or on observe qu'elle n'ont pas les mêmes propriétés.
Nous allons dans cette leçon essayer d'expliquer cela. Pour ce faire nous allons mettre en place des représentation des molécules de plus en plus détailler notamment en prenant en compte leurs structure dans l'espace.


\section{De la représentation de Lewis à une représentation 3D : VSEPR}


On va chercher à comprendre comment une molécule peut s'organiser en 3D (car on sais que notre monde est pas plat). Malgré la représentation des molécules selon la formule développée, qui est plane, vous savez d'après la représentation de Cram que les molécules ont une structure 3D (exemple avec les modèles moléculaires).

%\subsection{Bonus : Rappel sur la représentation de Lewis}


%On vas rappeler comment on forme une molécule à travers 3 exemples : $CH_4$, $H_2O$ et $CO_3^{2-}$. 
%\begin{itemize}
%    \item On détermine le nombre d'électrons de valence de chaque atomes : (C : 4,H:1,O:6)
%    \item On utilise la formule $n_{doublets} = \frac{\sum_i n_i}{2}  $ pour déterminer le nombre de paquets de 2 électrons (liaisons ou doublet non liant)
%    \item On place les atomes et on fait respecter l'octet
%    \item On rajoute les charges
%\end{itemize}

%c'est pas mal comme représentation mais ça ne nous dit pas comment s'organise la molécule, est ce que tout les H sont du même côté ? ...

\subsection{La théorie VSEPR}

VSEPR ca veux dire "Valence Shell Electron Pair Repulsion" soit a peut près en français :"répulsion des paires électroniques de la couche de valence". Ce que cela signifie c'est que dans cette théorie, on suppose que tous les atomes qui ne sont pas liées et les doublets non liants se repoussent. Ainsi les molécules vont avoir une géométrie qui permet d'éloigner le plus possible ses constituant. 
Prenons l'exemple de $CH_4$. Les H doivent être le plus loins possible les uns des autres. C sera alors au centre d'un tétraèdre régulier formé par les H.

Il faut trouver un tableau sympa... ya celui la mais faut rajouter des dessins :P Est-ce qu'on le met sur diapo et on le présente étape par étape ?

\begin{center}
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}
    \hline
    \hline
    $A X_n E_p$ & Figure de répulsion & Géométrie & Exemple  \\
    \hline 
     $n+p =2$ & Linéaire & Plane & \chemform{CO_2} \\
     \hline
     $n+p = 3$ & Triangulaire & $AX_3$ : Triangulaire plane & \chemform{CO_3^{2-}} \\
     & & $AX_2E_1$ : coudée & \chemform{NO_3^-} \\
     \hline
     $n+p = 4$ & Tétraédrique & $AX_4$ : Tétraédrique & \chemform{CH_4} \\
     & & $AX_3E_1$ : Pyramidale & \chemform{NH_3} \\
     & & $AX_2E_2$ : Coudée & \chemform{H_2O} \\
     \hline
     $n+p = 5$ & Bipyramide à base triangle & $AX_5$ : Bipyramide à base triangle & \chemform{PCl_5} \\
     & & $AX_4E_1$ : Disphénoïde (osef) & \chemform{SF_4} \\
     & & $AX_3E_2$ : Forme de "T" (osef aussi) & \chemform{ClF_3}\\
     & & $AX_2E_3$ : Linéaire & \chemform{I_3^-} \\
     & & $AX_1E_4$ : hors octet... osef & \\
     \hline
     $n+p = 6$ & Ocatèdre & $AX_6$ : octaèdre (osef des autres cas...) & \chemform{SF_6} \\
     \hline
\end{tabular} 
\end{center}



Comment ca marche : on compte le nombre de voisin $n$ et de doublet non liant $p$ (paire) d'un atome. On peut l'écrire sous la forme $AX_nE_p$. La somme $n+p$ nous renseigne sur la figure de répulsion que prend l'ensemble de la molécule, puis on place atomes et doublets (sachant qu'ils prennent un peut plus de place). Le non de la géométrie est donné par la position des atomes.

Par exemple on a coudé pour l'eau et triangulaire plan pour le carbonate (par mésomérie toutes les liaisons sont équivalentes dans cet ion). 

\subsection{Application : moment dipolaire d'une molécule}

La géométrie des molécule va pouvoir nous indiquer la polarité des molécules.
Exemple l'eau est polaire, mais pas \chemform{CO_2, CCl_4, CH_4}...
Attention, on n'oublie pas que la liaison \chemform{C-H} est considérée comme non polarisée !

\section{Isoméries et propriétés des molécules organiques}

Vous savez déjà que la formule brute ne suffit pas à différencier toutes les molécules : il faut passer pas les formules développées pour vérifier que les espèces considérées ne sont pas des isomères de constitution. Pour rappel : 

\textbf{Isomères} :même formule brute mais formule développée différentes.

On va s'intéresser ici à la structure spatiale on peut se demander ce qu'il se passe lorsque l'on tourne dans l'axe d'une liaison : montrer sur un modèle moléculaire que ca change la structure spatiale.
On va avoir besoin de la notion de \textbf{stéréoisomères :} Même formule brute et développée mais des organisations spatiales différentes. On en distingue 2 types :

\subsection{Isomèrie de conformation}

\textbf{Isomère de conformation :}

On passe de l'un l'autre en tournant une liaison.

Mais cela est insuffisant pour différencier les cas de l'exemple du début : faire tourner autour d'une liaison simple ne change pas la molécule..

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.1\textwidth]{images/(S)-Carvone.png}
    \caption{Carvone}
    \label{car}
\end{figure}



\subsection{Isomère de configuration}

On dit que deux espèces sont des isomères de configuration lorsque ce sont des stéréoisomères mais que l'on ne peut passer de l'un à l'autre par rotation autour d'une liaison simple.

Exemples avec les modèles moléculaires.

C'est dans ce cas qu'il est interessant d'utiliser la représentation de Cram.

On différencie 2 types de d'isomères de configuration : 

\subsubsection{Enantiomères :} 

On dit que deux molécules sont énantiomères l'une de l'autre lorsque ce sont des stéréoisomères de configuration images l'une de l'autre dans un miroir. Une molécule avec 2 énantiomères est dite \textbf{chirale}. A noter que la définition est valable pour tout objet.

Montrer qu'elles ne sont pas superposables avec des modèles moléculaires ; parler de l'exemple des mains droite et gauche.

\textbf{Point méthode :} pour savoir si une molécule est chirale, dessiner son image dans un miroir et voir si les 2 molécules sont superposables. Si elles ne sont pas superposables : elles sont énantiomères et donc chirales.

\textbf{Propriétés :}

Des énantiomères ont  des propriétés physiques identiques (même température de fusion/d'ébullition, solubilité,...) ! Il est difficile de les séparer. Un mélange d'énantiomères de mêmes proportions est appelé racémique.

(On parle d'activité optique plus tard)

\textbf{Isomérie par carbone assymétrique :} Un carbone assymétrique est un centre stéréogène : le monter avec les modèles moléculaires.


\subsubsection{Diastéréoisomères :}


On dit que 2 molécules sont diastéréoisomères lorsque ce sont des stéréoisomères de configuration qui ne sont ni images l'une de l'autre dans un miroir, ni superposables.

Exemple : cis-1,2-dichlorocyclohexane, trans-1,2-dichlorocyclohexane.

\textbf{Point méthode :} Pour savoir si deux molécules sont diastéréoisomères : vérifier qu'elles sont non superposables et non images l'une de l'autre dans un miroir (évidemment, elles doivent être stéréoisomères de configuration!).

Des diastéréoisomères n'ont pas les mêmes propriétés physiques. On peut donc les séparés grâce à leurs température d'ébullition par exemple à l'aide d'un Banc Koffler.

Un exemple de cas de diastéréosiomérie est le cas de double liaisons.

\textbf{Isomérie par double liaison}

Un cas un peu particulier et à part est celui des doubles liaisons : si l'enchaînement des atomes est le même, la structure spatiale est différente. Montrer sur une animation/un modèle/ un exemple qu'il peut être impossible de différentier 2 molécules avec le même nom (sans parler de Z-E, juste montrer qu'il y a ambiguïté)

On parle là aussi de diastéréoisomères : ils vérifient donc les mêmes propriétés.

Exemple : acides maléique et fumarique.\\
Certaines molécules comme la rhodopsine (formé de l'opsine et de la rétinal (les deux sont "emboités")), sont capable de s'isomériser grâce à la lumière : la partie du rétinal de la rhodopisne passe de 11-cis à tout trans. Ce mécanisme est à l'origine du signale nerveux de la vision. 

\textbf{Il faut donc préciser certaines choses si on veut pas se tromper : comment différencier ces molécules? Comment différencier la carvone et "son double maléfique (qui pue le fenouil)" ?}

\section{Chiralité et descripteur stereochimique}

On va essayer de différencier les molécules par de nouveaux critères.

\subsection{Regles de CIP}

Les règles de CIP sont des règles de classement d'atomes établies par Cahn, Ingold et Prelog, et sont utilisées depuis 1966. 

\textbf{Principe :}
On part d'un atome et on veut trier ses substituants par ordre de priorité.

\textbf{Règles :}
\begin{itemize}
    \item Définition : on considère les premiers atomes de chaque substituant. Ces atomes sont triés par ordre de numéro atomique Z décroissant : par exemple, O est plus prioritaire que C.
    \item Si 2 de ces atomes sont identiques, il faut poursuivre la ramification pour ces deux atomes. Exemple : acide 2-hydroxypropanoïque.
    \item Cas des doubles liaisons : les liaisons multiples sont comptées comme autant de liaisons simples. En revanche, on ne poursuit la ramification qu'une seule fois. 
\end{itemize}

Ces règles permettent d'établir des règles de priorité entre atomes. Mais à quoi ça peut bien servir??

\subsection{Descripteur stéréochimique}

On a déterminé un ordre de priorité entre atomes. On va maintenant lier cette notion aux stéréoisomères de configuration qu'on a étudié juste avant.

On a vu que les doubles liaisons étaient une autre source de stéréoisomérie. On différencie les doubles liaisons selon que les 2 groupements les plus prioritaires de la double liaison sont situés du même côté ou non de la double liaison. Exemples : pent-2-ène.

Si les 2 groupements prioritaires sont du même côté, on dit que l'espèce est de type Z (de Zusammen en allemand). Sinon, on dit qu'elle est E (de Entgegen). Dessiner les deux cas.

Application : la (Z)-rhodopsine (mécanisme à la base de la vision).

\subsection{Application : loi de Biot}

Une dernière propriété intéressante des molécules chirales est leur activité optique. Un solution contenant des espèces chirales fait tourner l'angle de polarisation d'une lumière polarisée rectilignement (faire un dessin). Pour une espèce présente en concentration $C$, on écrit :

$$\alpha = \left[ \alpha_0 \right]_D \times l \times c$$

$ \left[ \alpha_0 \right]_D$ est appelé pouvoir rotatoire spécifique de l'espèce concernée. Il est mesuré à $\lambda =$ \si{589}{nm} (qui correspond à la longueur d'onde de la raie jaune du sodium), \SI{20}{^\circ C}, dans l'éthanol. Il s'exprime le plus souvent en \SI{}{^\circ \cdot cm^3 \cdot g^{-1} \cdot dm^{-1}}et dépend aussi du solvant et de la température.

Cette loi est additive.

Si $ \left[ \alpha_0 \right]_D$ est positif, la substance est dite dextrogyre : lorsqu'on regarde la polarisation "en face", le sens de rotation est horaire ; à l'inverse, on parle de substance dextrogyre.

Dans le cas particulier d'un mélange racémique (= mélange d'énantiomères dans les mêmes proportions), l'activité optique est nulle. Le pouvoir rotatoire spécifique de 2 énantiomères est opposé.

\section*{Conclusion}

Beaucoup de notions importantes et de définitions dans ce chapitre. On a vu comment représenter les molécules dans l'espace (théorie VSEPR) et comment catégoriser ces molécules. 

On a vu que ces propriétés n'étaient pas anodines : des diastéréoisomères ont des propriétés physiques différentes. Pire encore, des énantiomères ont des propriétés physiques identiques, mais leurs structures différentes font qu'ils ne réagissent pas de la même façon : on a vu l'exemple de la carvone, qui ne se fixe pas de la même manière que son énantiomère sur les récepteurs olfactifs, mais il existe des exemples plus tragiques : la thalidomide, dans les années 60, était donnée sous forme racémique. Elle prévient des nausées pendant la grossesse, mais son énantiomère s'insère dans l'ADN des foetus et provoque des malformations... On verra la prochaine fois comment appliquer les règles de CIP aux carbones assymétriques et à différencier la nomenclature des espèces énantiomres.

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = .4\textwidth]{thalidomide.png}
    \caption{(R)-Thalidomide et (S)-Thalidomide}
    \label{thalidomide}
\end{figure}



\section{Annexe}

\subsection{Isomères de constitution}

Cela se voit via la formule dévelopée, semi-développée, ou topologique.

\begin{itemize}
    \item Isomère de chaine (la chaine carbonné est différente : butane, méthylpropane : $C_4H_{10}$)
    \item isomérie de position (les fonctions sont a différents endroits : \chemform{C_3H_8O} propan-1-ol,  propan-2-ol)
    \item Isomérie de nature de fonction (l’acétone et un aldéhyde correspondant ou l’éthanol et le méthoxyméthane, ce dernier servant pour traiter les verrues dans les fluides cryogéniques
vendus en pharmacie )
\end{itemize}
\subsection{Carbone assymétrique (à ne pas faire, trop long)}

Un cas simple qui provoque de la stéréoisomérie est celui des carbones assymétriques. C'est un carbone qui comporte 4 groupements différents.

On peut alors trier ses substituants par ordre de priorité. Faisons-le sur l'acide 2-hydroxypropanoïque.

On choisit la représentation de la molécule qui place le groupement le moins prioritaire à l'arrière. On suit les groupements par ordre de priorité : cela fait un cercle. Si on parcours ce cercle dans le sens horaire, on dit que le descripteur stéréochimique du carbone est R (de \textit{rectus}, droite en latin : c'est le sens dans le quel on va en haut du cercle). Sinon, on dit qu'il est S (\textit{de severus}).

Exemple : ... carvone.

Alors on choisit d'écrire ça dans leur nom : R ou S en préfixe. Si plusieurs C*, plusieurs R ou S.

Application : on va voir juste après
\begin{center}
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}
    \hline
    \hline
    $A X_n E_p$ & Figure de répulsion & Géométrie & Exemple  \\
    \hline 
     $n+p =2$ & Linéaire & Plane & \chemform{CO_2} \\
     \hline
     $n+p = 3$ & Triangulaire & $AX_3$ : Triangulaire plane~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ & \chemform{CO_3^{2-}} \\
     & & $AX_2E_1$ : coudée & \chemform{NO_3^-} \\
     \hline
     $n+p = 4$ & Tétraédrique & $AX_4$ : Tétraédrique & \chemform{CH_4} \\
     & & $AX_3E_1$ : Pyramidale & \chemform{NH_3} \\
     & & $AX_2E_2$ : Coudée & \chemform{H_2O} \\
     \hline
\end{tabular} 
\end{center}


\end{document}
