ISOMERIE TOPOLOGIQUE

ISOMERIE

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EXERCICES

GENERALITES

Après avoir déterminé la formule globale des composés, il arrive que des composés différents par leurs propriétés, répondent à une même formule. On dit alors qu'on est en présence de composés ISOMERES.

Pour interpréter ces propriétés différentes les chimistes ont imaginé, au siècle dernier, que les atomes d'une molécule étaient disposés dans l'espace, et que ces dispositions spatiales justifiaient le comportement différent de l'ensemble de la molécule. La classification par fonction chimique, établie selon le comportement des composés fut reliée à la présence dans la molécule d'un groupe d'atomes appelé GROUPE FONCTIONNEL. Ainsi CH₄O, C₂H₆O, C₃H₈O, qui sont des ALCOOLS virent leur activité chimique attribuée au groupe OH et furent écrits: CH₃OH, C₂H₅OH, C₃H₇OH.

En plus du rôle du groupe fonctionnel, on s'aperçut du comportement différent induit par des dispositions légèrement différentes d'atomes, dans le reste de la molécule, qui expliquent les diverses classes d'isoméries suivantes.

ISOMERIES PLANES.

Dans deux isomères plans les atomes analogues sont disposés différemment, ils ne sont pas tous reliés entre eux. Ils sont du point de vue des connections différents. C'est à dire que les successions d'atome obtenues en suivant les liaisons sont différentes d'un isomère à l'autre. On passe d'un isomère à l'autre par une ou plusieurs permutations d'atomes ou groupes d'atomes sur des sites différents de la structure commune. C'est a dire en coupant des liaisons et en les rétablissant sur un autre atome que celui d'origine.
On peut faire un tableau à double entrée ou chacun des atomes de la molécules est en tête d'une ligne et d'une colonne. On note à l'intersection la nature du lien de connexion. 1 pour une liaison simple,2 pour une double etc.
Ce tableau est appelé Table de connectivité.
Exemple: L'éthanol H₃C-CH₂-OH comporte 9 atomes, 2 carbones, 6 hydrogènes et 1 oxygène une table de connectivité possible est:

	C	C	H	H	H	H	H	H	O
C		1	1	1	1
C	1					1	1		1
H	1
H	1
H	1
H		1
H		1
H									1
O		1						1

Deux isomères "plans" n'ont pas de table de connectivité identique.
Le problème est plus complexe qu'il n'y parait, car en plus du nombre importants de tables correspondant à une seule molécule. La nature des symboles des connection n'est pas claire à ce niveau et nous n'irons pas plus loin sur ce point. Mais il faut d'ores et déja savoir qu'il existe des stéréoisomères qui possédent au moins une table de connectivité identique et des propriétes différentes. Il s'agit d'une autre famille d'isomères que nous examinerons au chapitre suivant.

ISOMERIE DE FONCTION

Il s'agit de la relation entre deux composés isomères plans n'appartenant pas à la même fonction chimique, donc de comportement radicalement différent.
Le groupe fonctionnel n'est pas le même dans les deux isomères.

Ex: Ethanol et diméthyléther CH₃-CH₂-OH CH₃-O-CH₃
L'un alcool réagit avec le sodium en donnant un dégagement d'hydrogène, l'autre éther ne réagit pas avec l'hydrogéne.
Du point de vue physique l'alcool est liquide et bout à 78,5°C, tandis que l'éther est un gaz qui se liquéfie à -23°C.

ISOMERIE DE POSITION ET/OU DE SQUELETTE.

Les groupes fonctionnels sont identiques mais fixés ailleurs sur un même squelette (is. de position).

Ex: Hexan-2-ol et Hexan-3-ol

Parfois c'est le groupe alkyle (le squelette) qui est disposé différemment (is. de squelette)

Ex: Méthyl-3-Pentan-2-ol et Hexan-2-ol

Enfin les deux cas peuvent se produire simultanément (Méthyl-3-Pentan-2-ol et Hexan-3-ol).

ISOMERIES GEOMETRIQUES OU STEREOISOMERIES.

Dans deux isomères plans les atomes analogues sont tous reliés entre eux.(connections identiques). Puisque les composés sont différents ils faut que les molécules soient différentes. On passe d'un isomère à l'autre par une ou plusieurs permutations de deux atomes ou groupes d'atomes sur un même site de la structure commune. Ce cas ne donne des composés différents que dans les molécules tridimensionnelles, (même si ce n'est pas évident à première vue).

On appelle souvent du même nom, pour des raisons historiques, les deux isomères géométriques, qui définissent ainsi une espèce chimique. Chacun des stéréoisomères est définit comme une configuration de cette espèce.

ISOMERIE DE ALCENES et des OXYMES

Apparemment les alcènes sont des molécules planes, mais la liaison

est perpendiculaire au plan des substituants. Elle ne permet pas de libre rotation autour de l'axe C=C des carbones doublement liés. Comme les substituants sont hors du plan de la liaison

, ils forment un angle de 120°, s'ils sont différents, ils entraînent une orientation de l'espace à 3 dimensions.

liaison éthylènique

isomères cic-trans

cis ou trans anti ou syn

ISOMÉRIE DES CYCLES ET STRUCTURE PLUS COMPLEXES

Dans certains cycles symétriques au moins bisubstitués, les atomes du cycles définissent un plan, le premier substituant donnera une direction hors du plan. Le second pourra donc être du côté du premier ou de l'autre par rapport au plan.

cis dichlorocyclobutane trans dichlorocyclobutane

1,3-Dichlorocyclobutane cis 1,3-Dichlorocyclobutane trans

Deux cycles accolés donnent le même type d'isomérie. Par exemple deux cycles à 6 carbones (décaline) ayant un côté commun peuvent être reliés en cis ou en trans par rapport à leur plan moyen. La figure suivante les représente selon les conventions de NEWMANN en conformation "chaise".

trans décaline cis décaline

Avec plus de 2 substituants pour un cycle la question se complique, on recherchera comment classer les 1,3,5-triméthylcyclohexanes et les 1,2,4,5-tétraméthylcyclohexanes en supposant le cycle plan.

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