1ère année de Licence Sciences de la Vie 2018-2019 CHIMIE ORGANIQUE Jean-Jacques FILIPPI Institut de Chimie de Nice UMR 7272 CNRS UFR Sciences Parc Valrose 06108 Nice Cedex 2 jfilippi@unice.fr 1 Plan du Cours 1. Prérequis d’atomistique 2. Nomenclature/représentation des molécules 2.1. Les différents types de représentation 2.2. La Nomenclature : savoir nommer une molécule 2.3. Classification des fonctions chimiques 2.4. Les hydrocarbures parents 2.5. Les insaturations 2.6. Les substituants 2.7. Le vocabulaire associé 2.8. Exemples choisis 3. L’isomérie 4. Effets électroniques (S2) 2 Prérequis d’atomistique Au niveau atomique Connaitre les valences fondamentales des éléments . . H. . C. . N. . O. . .P. . S. . F . Cl. Br . I . . Li . Na. .Mg. .B. . .Al . Connaitre l’électronégativité () des éléments Fluor (F) : Oxygène (O) : Azote (N) : Chlore (Cl) : Brome (Br) : Iode (I) : Soufre (S) : Carbone (C) : Hydrogène (H) : Phosphore (P) : Lithium, sodium, etc. 4,0 3,5 3,0 3,0 2,8 2,5 2,5 2,4 2,1 2,1 3 Prérequis d’atomistique Au niveau moléculaire Appréhender correctement le concept de liaison chimique Energie potentielle Cl Cl + Cl. . Cl 0 - Cl Cl Longueur de liaison La méthode VSEPR (Valence Shell Electronic Pair Repulsion) Permet de déterminer une géométrie spatiale en première approche en se basant sur les répulsions électroniques au sein de la molécule H H H C H H AX4 C H H H tétraédrique H O H AX2E2 O coudée H H 4 Prérequis d’atomistique Au niveau moléculaire … et l’hybridation Savoir distinguer une orbitale atomique d’une orbitale hybride Connaitre la géométrie spatiale autour des atomes sp3, sp2, et sp. C 1 2 p orbitales atomiques (OA) : 1 s et 3 p (valence secondaire du carbone) 1 2 1 2 1 2 p 4 orbitales hybrides sp3 s 3 orbitales hybrides sp2 + 1 orbitale atomique p pure s 2 orbitales hybrides sp + 2 orbitales atomiques p pures 5 Plan du Cours 1. Prérequis d’atomistique 2. Nomenclature/représentation des molécules 2.1. Les différents types de représentation 2.2. La Nomenclature : savoir nommer une molécule 2.3. Classification des fonctions chimiques 2.4. Les hydrocarbures parents 2.5. Les insaturations 2.6. Les substituants 2.7. Le vocabulaire associé 2.8. Exemples choisis 3. L’isomérie 4. Effets électroniques (S2) 6 2.1. Les différents types de représentation Exemple, le propan-1-ol C3H8O La formule brute : elle donne la composition élémentaire On peut en déduire le nombre d’insaturations ou de cycles présents avec la relation Ni,c= (2nC + 2 – nH + nN – nX)/2 CH3-CH2-CH2OH La formule semi-développée : elle fait apparaitre le squelette carboné et les fonctions chimiques H H H H C C C O H H H H La formule développée plane : elle fait apparaitre toutes les liaisons et on peut matérialiser les doublets non-liants (elle est alors appelée représentation de Lewis) OH La formule topologique : le squelette carboné apparaît sous forme d’une ligne brisée, et seuls les H fonctionnels sont matérialisés 7 2.2. La nomenclature : savoir nommer une molécule La nomenclature des composés organiques obéit à des règles qui permettent aux chimistes de nommer sans ambigüité toute molécule. Elle est édictée et mise à jour périodiquement par l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) dans un souci d’améliorer la communication entre chimistes. 8 2.2. La nomenclature : savoir nommer une molécule Etablir le nom d’une molécule nécessite : 1. de déterminer les fonctions chimiques et d’en déduire la fonction principale 2. de déterminer le squelette carboné, ses insaturations et ses ramifications 3. de numéroter fonctions chimiques secondaires, insaturations et substituants avec les indices les plus petits possibles 4. d’établir le nom final selon le schéma suivant en donnant les préfixes dans l’ordre alphabétique : Préfixes Squelette Insaturations fonctions secondaires, Chaine la plus longue Doubles ou triples ramifications de chaine, qui porte la fonction liaisons présentes et substituants principale sur la chaine (hydrocarbure parent) principale Suffixe Fonction chimique principale 9 2.3. Classification des fonctions chimiques (1/3) Classe Formule Acides carboxyliques O R O R S OH O O R O O R O R O O Nitriles Sulfo- Acide …sulfonique - …oate de métal …carboxylate de métal - Anhydride …oïque Alkoxycarbonyl- …oate d’alkyle …carboxylate d’alkyle Halogénocarbonyl- Halogénure de …oyle Halogénures de …carbonyle Carbamoyl- …amide …carboxamide Cyano- …nitrile …carbonitrile R O R O O R Acide …oïque Acide …carboxylique R' Halogénures d’acyle Amides Carboxy- M O Anhydrides d’acides Esters Suffixe OH Acides sulfoniques Sels d’acides Préfixe NH2 R R C N X R R N H O N R R 10 2.3. Classification des fonctions chimiques (2/3) Classe Aldéhydes (Thio-) Cétones (Thio-) Alcools Formule Amines Imines -al …carboxaldéhyde Oxo- -one (-thione) Hydroxy- -ol Hydroxy- -ol Sulfanyl- -thiol Amino- -amine (chaînes 2aires en préfixes) : N-alkyl- Imino- -imine AlkoxyÉpoxy- Éther (oxyde) de R et de R’ R'" R" Sulfure de R et de R’ R'" R" Alkylthio(épithio-) (Hydro)péroxy- (Hydro)péroxyde de R et de R’ O R' R R OH OH R SH R NH2 "R R N H R' R' R N R" N R' O Ethers - (ép)oxydes O R (Hydro)péroxydes Formyl- ou OxoH R R Sulfures (epi-) Suffixe O Phénols Thiols Préfixe R' R R' S R S R' R R' R OOR' R OOH 11 2.3. Classification des fonctions chimiques (3/3) A retenir : Plus la fonction est oxygénée, plus elle est prioritaire. On peut relier cette règle empirique à l’état d’oxydation du carbone voire à son hybridation (sp2 > sp > sp3) Priorité R CH2OH 1 liaison C-O R O C H équivalent à 2 liaisons C-O R O C OH équivalent à 3 liaisons C-O *Définition dans le Paul Arnaud « Cours de Chimie organique » : fonction mono-, bi- ou trivalente 12 2.4. Les hydrocarbures (ou hydrures) parents (CyHz) Quand la formule brute correspond à CnH2n+2 => hydrocarbure saturé ou alcane Hydrocarbure Formule Préfixe (-H) Hydrocarbure Formule Préfixe (-H) Méthane CH4 Méthyl- Octane C8 Octyl- Ethane CH3-CH3 Ethyl- Nonane C9 Nonyl- Propane CH3-CH2-CH3 Propyl- Décane C10 Décyl- Butane Butyl- Undécane, dodécane, tridécane… etc Pentane Pentyl- Cyclohexane Cyclohexyl- Hexane Hexyl- Benzène Phényl- Heptane Heptyl- Naphtalène Naphtyl- … Attention, liste non-exhaustive !!! 13 2.5. Les insaturations (double ou triple liaisons) Double liaison entre 2 atomes de carbone => alcène but-1-ène but-2-ène 2,4-diméthylpent-2-ène 3-méthylcyclohexène Triple liaison entre 2 atomes de carbone => alcyne but-1-yne 4-méthylpent-2-yne 1-cyclopentylpent-1-yne La double liaison est prioritaire sur la triple liaison pour la numérotation (à somme égale d’indices) 14 2.6. Les substituants La ramification de chaîne (ou radical alkyl) 5-propylnonane 5-isopropylnonane 5-butylnonane 5-secbutylnonane 5-isobutylnonane 5-terbutylnonane Nomenclature triviale des ramifications de chaîne : isopropyl, secbutyl, terbutyl… La nomenclature systématique officielle est préférable et « plus sûre » : isopropyl = méthyléthyl isobutyl = 2-méthylpropyl secbutyl = 1-méthylpropyl terbutyl = diméthyléthyl 15 2.6. Les substituants Les substituants et leurs abréviations courantes Groupe radical symbole CH3- Me CH3-CH2- Et CH3-CH2-CH2- Pr (ou n-Pr) CH3-CH-CH3 iPr CH3-CH2-CH2-CH2- Bu (ou n-Bu) CH3-CH2-CH CH3 CH3 secBu CH2-CH CH3 CH3 CH3-C-CH3 Groupe radical symbole Ph (phenyl) Tol (tolyl) (off: 4-méthylphényl) H3 C Bn (benzyl) (off: phénylméthyl) iBu O tBu H3C Allyl (pas d’abrev.) (off: prop-2-ényl) Vinyl (pas d’abrev.) (off: éthényl) Ac (acétyl) (off: éthanoyl) O Bz (benzoyl) 16 2.6. Les substituants Les halogènes (F, Cl, Br, I) Symbole général: X Br CH2Cl2 dichlorométhane bromobenzène F F F F tétrafluoroéthylène Monomère du téflon (PTFE) Le groupement nitro (-NO2) O2N NO2 NO2 Trinitrotoluène TNT : explosif Ils ne sont pas considérés comme des fonctions chimiques mais comme des substituants du squelette carboné Rejetés en préfixes 17 2.6. Les substituants Les préfixes énumératifs/multiplicatifs : di, tri…etc À faire apparaitre dans l’ordre alphabétique uniquement s’ils définissent la nature du groupement 5-éthyl-3,3-diméthylnonane 5-(1,1-diméthylpropyl)-3-éthylnonane Br Br Br Br Cl Cl 2,2-dibromo-4-chlorohexane 2-chloro-3-(dibromométhyl)hexane 18 2.7. Le vocabulaire associé à la nomenclature C secondaire C quaternaire C primaire C tertiaire 2,2,5-triméthylheptane Alcool/halogénure primaire OH Br alcool benzylique* 1-bromo-2-méthylpropane Alcool/halogénure secondaire OH Cl butan-2-ol OH terbutanol* Amine primaire éthanamine N H Amine secondaire diisopropylamine* 2-chloropropane I NH2 Alcool/halogénure tertiaire 2-iodo-2-méthylpentane * Nomenclature triviale mais généralement utilisée pour ces composés N Amine tertiaire Triéthylamine* 19 2.8. Exemples choisis O O N H Cl Cl O H2N H OH OH 20 2.8. Exemples choisis O SH O O CO2H OH O Cl HO Cl 21 2.8. Exemples choisis 1 2 4 1 2 5 6 7 3 3,4-diéthyl-2,5-diméthylheptane N-(prop-2-ényl)butan-1-amine 4-aminobutan-2-ol 5 7 4 3 6 (2Z,5E)-3,4-diéthylhepta-2,5-diène 4,4-dichlorohex-5-ynoate de propyle 4-hydroxypentanal 22 2.8. Exemples choisis 4-méthyl-4-sulfanylpentan-2-one 3-méthylcylohex-2-énone Acide 5-oxocyclohex-3-ènecarboxylique 4-chloro-2,6-diméthylphénol Chlorure de 4-hydroxybenzenecarboxyle (Chlorure de 4-hydroxybenzoyle) 23 Plan du Cours 1. Prérequis d’atomistique 2. Nomenclature/représentation des molécules 3. L’isomérie 3.1. Les différents types d’isomérie plane 3.2. Les différents types d’isomérie dans l’espace 3.3. Les différentes représentations 3.4. La conformation 3.5. Notion de configuration 3.6. La configuration Z/E 3.7. La configuration R/S 3.8. Notion de chiralité 3.9. Nomenclature des composés chiraux 4. Effets électroniques (S2) 24 3.1. Les différents types d’isomérie plane Isomérie de constitution (fonction) : composés qui partagent la même formule brute O C6H12O O hexan-2-one éther de prop-2-ényle et de propyle Isomérie de chaîne : composés qui partagent la(les) même(s) fonction(s) chimiques mais avec un squelette différent O hexan-2-one O 4-méthylpentan-2-one Isomérie de position : même(s) fonction(s) chimiques , même squelette mais fonctions ou substituants sur des positions différentes O O O O hexan-2-one hexan-3-one 4-méthylpentan-2-one 3-méthylpentan-2-one 25 3.2. Les différents types d’isomérie dans l’espace L’isomérie spatiale concerne des molécules qui partagent la même formule développée mais qui diffèrent dans l’arrangement de leurs atomes dans l’espace 2 principaux facteurs conduisent à ces différences : La libre rotation autour des liaisons simples et la flexibilité des structures vont induire des isomères de conformation (ΔE faible). Par ex, une légère montée en température suffit pour passer d’un conformère à l’autre. En revanche, l’ordre tridimensionnel dans lequel les atomes vont être liés les uns aux autres va conduire à des isomères de configuration (ΔE élevée). Il sera nécessaire de « rompre des liaisons » pour passer d’un stéréoisomère à un autre. 26 3.3. Les représentations de la stéréochimie Représentation de Cram ou coin volant OH H3C H CH2CH3 Carbone sp3 tétraédrique 2 liaisons adjacentes dans le plan et les 2 autres de part et d’autre du plan Projection de Newman (entre 2 carbones asymétriques) O H 1 H 2 H HO Projection suivant l’axe C2-C3 3 H CHO OH OH 4 CH 2OH H OH CH2OH 27 3.3. Les représentations de la stéréochimie Projection de Fischer* O H 4 1 2 H HO 1 CHO 3 CH2OH H H OH H 2 3 CHO OH H OH OH H OH 4 CH2OH CH2OH Par convention, la chaine carbonée est placée dans le plan vertical tandis que ses substituants sont placés horizontalement. Par ailleurs, l’atome de carbone ayant le plus petit numéro sera placé en haut. *très utilisée pour les molécules d’intérêt biologique : sucres et acides aminés, par ex. 28 3.3. Les représentations de la stéréochimie Savoir passer d’une représentation à l’autre. H H CHO OH O H 1 H 2 OH CH2OH H HO OH 3 4 CH 2OH Newman Rotation 180° O H CHO 4 1 2 Fischer 3 H HO CH2OH OH H H HO OH H CH2OH Cram 29 3.4. La conformation Le cas du butane syn H3C CH3 H H CH3 H H3C H Conformations éclipsées H H H3C CH3 H H H H CH3 H H H H H CH3 H Energie L’augmentation de l’encombrement stérique et des répulsions électroniques génère une surcharge énergétique dans les conformations éclipsées H3C CH3 H H CH3 H H H H CH3 anti H H H H CH3 H3 C CH3 H H Conformations décalées gauche H CH3 H H H H H H CH3 H CH3 anti Molécules en représentation de Newman (dans le diagramme) et en coin-volant (à droite) 30 3.4. La conformation Cas du cyclohexane et de ses dérivés Tous les atomes de carbone sont hybridés sp3 => géométrie tétraédrique Pour respecter les angles au centre (109,25°), limiter l’encombrement stérique et relâcher la tension de cycle, le cyclohexane n’est donc pas plan !! H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H Sous sa forme chaise le cyclohexane présente 2 types d’hydrogène : ceux en position axiale et ceux en position équatoriale. En passant d’une chaise à l’autre, les positions s’échangent. 31 3.4. La conformation Cas du cyclohexane et de ses dérivés enveloppe enveloppe Energie bateau croisée chaise chaise 32 3.4. La conformation Cas du cyclohexane et de ses dérivés Qu’en est-il lorsque le cycle porte un ou plusieurs substituants ? H H C H H H H H C H H H La structure la plus stable correspondra à celle où le maximum de substituants sont en position équatoriale car on a moins d’encombrement stérique (donc moins de répulsion électronique). En cas de compétition, c’est le plus encombrant qui l’emporte. conformation la plus stable 33 3.5. Notion de configuration Contrairement au changement de conformation pour laquelle un simple apport thermique peut permettre de passer d’un conformère à l’autre, un changement de configuration nécessite la modification de l’arrangement des liaisons, éventuellement via leur rupture. L’énergie mise en jeu lors de tels processus n’est donc pas du même ordre. Par ailleurs, établir la configuration d’une double liaison ou d’un carbone asymétrique revient à classifier les différents substituants par ordre d’importance. Cette classification est basée sur le numéro atomique des éléments. 34 3.6. La configuration Z/E Elle concerne les molécules qui présentent une double liaison C=C (rarement avec les hétéroatomes) et dont les substituants sont différents 2 à 2. H3C CH3 H3C H CH3 H CH3 H Isomère Z (zusammen : ensemble) H3C H H CH3 Isomère E (entgegen: opposés) On comprend que pour passer d’un isomère à l’autre, il est nécessaire de rompre le système π de la double liaison, d’où une demande énergétique plus importante que lors d’un changement de conformation. 35 3.6. La configuration Z/E Établir la configuration nécessite d’examiner les numéros atomiques des substituants au premier, deuxième, troisième, voire Nième rang. Ex, OH H H HO O C C C C O H OH H Cl 36 3.6. La configuration Z/E Établir la configuration nécessite d’examiner les numéros atomiques des substituants au premier, deuxième, troisième, voire énième rang. Ex, OH H H HO O 6 C C6 C6 6C O H OH H Cl Au premier rang, 4 atomes de carbone => indécision 37 3.6. La configuration Z/E Établir la configuration nécessite d’examiner les numéros atomiques des substituants au premier, deuxième, troisième, voire énième rang. Ex, 1H 1 H 8 HO 8OH O 8 6 C C6 C6 6C O8 8 OH H1 Cl 17 1H 38 3.6. La configuration Z/E Établir la configuration nécessite d’examiner les numéros atomiques des substituants au premier, deuxième, troisième, voire énième rang. Exemple, 1H 2ème rang : 2 H et 1 O 1 H 8 HO 8OH O 8 2ème rang : 3 O 6 C C6 C6 6C 8 OH H1 2ème rang : 3 O 2ème rang : 2 H et 1 Cl O8 Cl 17 1H Levée de l’ambigüité au 2ème rang : configuration Z 39 3.7. La configuration absolue R/S Elle concerne les molécules qui possède un atome hybridé sp3 tétraédrique asymétrique, c’est-à-dire qui est lié à 4 groupements de nature différente. Les exemples les plus couramment rencontrés concernent le carbone mais peuvent également s’appliquer au soufre et au phosphore.* En présence de 4 groupements différents, il existe seulement 2 configurations possibles pour un carbone asymétrique. a a b C d e a ou C b e d C d e b Représentation de Cram (ou coin-volant) *ne s’applique pas à l’azote, sauf dans le cas des ammoniums. 40 3.7. La configuration absolue R/S Pour passer de l’une à l’autre, il est nécessaire de « casser » ou d’interchanger 2 liaisons. NB : La rotation autour des liaisons et l’angle de vue n’ont aucun effet sur la configuration !!! On a 2 molécules qui sont non-superposables mais images l’une de l’autre dans un miroir. On dit qu’elles sont énantiomères. b a a C C e e d d a Rotation 60° C b d e b miroir énantiomères 41 3.7. La configuration absolue R/S Règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Pour déterminer la configuration absolue d’un atome de carbone asymétrique, il faut procéder au classement des groupements par ordre d’importance. Le numéro atomique est encore ici le critère de choix. Une fois le classement établi, on projette la molécule en éclipsant le groupement le moins prioritaire. Exemple, 1H Alanine (acide 2-aminopropanoïque) C H2N 7 6 6 CH3 COOH 1 H3C 3 NH2 Sens des aiguilles d’une montre 2 COOH R (R)-alanine acide 2R-aminopropanoïque 42 3.7. La configuration absolue R/S Règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Détermination de la configuration absolue b H a c a H a a b c b H c Lecture indirecte b R c c a Lecture directe b H b c S a c a b a S c R b 43 3.8. Notion de chiralité Une molécule (ou un objet) est dite « chirale » lorsque son image dans un miroir ne peut lui être superposée. Il en est ainsi pour un grand nombre de molécules d’intérêt biologique comme les sucres, les acides aminés, les acides nucléiques… etc, et celles-ci présentent souvent une configuration bien déterminée. La vie n’aurait pas pu apparaître dans un univers symétrique. Une molécule chirale et son image possèdent : • les mêmes propriétés physiques • les mêmes propriétés chimiques • des propriétés biologiques différentes 44 3.8. Notion de chiralité Une molécule « chirale » a la propriété de dévier la lumière polarisée. On parle d’activité optique comme première manifestation de la chiralité. Ainsi, une molécule chirale sera optiquement active. Schéma simplifié d’un polarimètre qui permet de mesurer l’angle selon lequel la lumière est déviée par la substance chirale étudiée 45 3.8. Notion de chiralité L’expérience de Pasteur (1849) : séparation des (+) et (-)-tartrates 0° 0° 90° 90° H COO OOC C C OH HO H (+)-dextrogyre - OOC HO C H COO C OH H (-)-lévogyre 46 3.8. Notion de chiralité Tout objet chiral a la propriété de dévier la lumière polarisée. Pour cela il doit répondre à certains critères d’asymétrie, c’est à dire porter en son sein au moins un « centre stéréogène ». CH2OH H Cl Atome de carbone asymétrique (ou autre atome sp3 type P ou S) H3C H CH3 H H Cl CH3 Enchainement de cyclobutanes à nombre pair H3C C C C H3C H Cyclopropanes (ou époxydes) trans substitués H H CH3 Allène à nombre pair de C=C Chiralité axiale 47 3.8. Notion de chiralité Tout objet chiral a la propriété de dévier la lumière polarisée. Pour cela il doit répondre à certains critères d’asymétrie, c’est à dire porter en son sein au moins un « centre stéréogène ». En revanche, il ne doit posséder : MESO Cl • aucun plan de symétrie H H3 C • aucun centre de symétrie H3C H • aucun axe impropre H3C H H3C H H CH3 H H3C H H CH3 H H3C miroir CH3 90° CH3 H H CH3 Cl H CH3 …sinon perte de la chiralité ! H3C H H3C H CH3 H H CH3 48 3.9. Nomenclature des composés chiraux Les différentes manières d’exprimer la configuration d’une molécule Activité optique : (+)- ou dextrogyre ou (d)(-)- ou levogyre ou (l)- Configuration absolue : (Cahn-Ingold-Prelog) (R)- pour rectus (S)- pour sinister CHO Dénomination de Fischer : (D)- ou (L)donnée par le carbone asymétrique de plus fort indice H HO COOH H2N H H H OH H OH CH3 L-Alanine OH D-Glucose CH2OH 49 3.9. Nomenclature des composés chiraux Diastéréo-isomères : terme générique. isomères de stéréochimie. Epimères : 2 molécules dont la configuration absolue d’1 seul carbone asymétrique diffère (s’emploie dans le cas où les molécules présentent plus de 2 carbones asymétriques) Énantiomères : 2 molécules images l’une de l’autre dans un miroir. Configuration(s) totalement opposée(s). Un mélange racémique est composé à parts égales (50-50) des 2 énantiomères d’une substance chirale. 50 3.9. Nomenclature des composés chiraux miroir 51 3.9. Nomenclature des composés chiraux énantiomérie diastéréoisomérie 52 3.9. Nomenclature des composés chiraux CHO H HO R S OH H CH2OH CHO HO S HO S H H CH2OH HOH2C CHO H HO H OH Thréo- HOH2C CHO HO HO H H Erythro- (Le meso est un cas particulier d’érythro ou les 2 atomes de carbone asymétriques portent les mêmes substituants, d’où l’apparition d’un plan de symétrie et donc la perte de chiralité) 53