Les stéréoisomères ont la même formule semi-développée mais diffèrent par la disposition de leurs atomes dans l'espace. Ce chapitre distingue les conformères, interconvertibles par simple rotation, des isomères de configuration, séparables et distincts : isomères Z/E, énantiomères et diastéréoisomères. C'est le chapitre le plus lourd et le plus noté de Chimie organique S2, celui des règles CIP et des configurations R/S.
1. Les conformations de l'éthane et du butane
La rotation autour d'une liaison σ C–C est libre mais toutes les positions n'ont pas la même énergie. Les conformères (ou isomères de conformation) sont les différentes dispositions obtenues par cette rotation ; ils s'interconvertissent à température ambiante et ne sont pas séparables. Pour l'éthane, la conformation décalée (angle dièdre 60°, hydrogènes les plus éloignés) est la plus stable ; la conformation éclipsée (0°) est plus haute en énergie d'environ 12 kJ/mol, ce qui constitue la barrière de rotation. Pour le butane, on regarde selon la liaison C2–C3 : la conformation anti (méthyles opposés, angle dièdre 180°) est la plus stable ; la conformation gauche (méthyles à 60°) est légèrement moins stable (de l'ordre de 4 kJ/mol) à cause de la gêne stérique ; les conformations éclipsées sont les moins stables, surtout celle où les deux méthyles sont éclipsés. La courbe d'énergie potentielle en fonction de l'angle dièdre est un classique de TD.
2. Le cyclohexane : chaise, bateau, axial et équatorial
Le cyclohexane n'est pas plan : ses angles seraient de 120° au lieu de 109°28'. Il adopte principalement la conformation chaise, sans tension angulaire ni éclipsement, plus stable que la conformation bateau d'environ 28 kJ/mol (le bateau souffre de liaisons éclipsées et de la répulsion entre les hydrogènes « mât de drapeau »). Dans la chaise, chaque carbone porte une liaison axiale (parallèle à l'axe du cycle, alternativement vers le haut et vers le bas) et une liaison équatoriale (proche du plan moyen du cycle). Le basculement chaise ⇌ chaise (inversion) transforme toutes les liaisons axiales en équatoriales et inversement. Un substituant volumineux comme un méthyle ou un tert-butyle préfère la position équatoriale, qui évite les interactions 1,3-diaxiales : c'est le critère pour désigner la chaise la plus stable d'un cyclohexane substitué.
3. Les règles séquentielles de Cahn, Ingold et Prelog
Pour décrire une configuration, il faut classer les substituants d'un atome par ordre de priorité. Les règles CIP : (1) la priorité augmente avec le numéro atomique Z de l'atome directement lié (I > Br > Cl > S > O > N > C > H ; un doublet libre est le moins prioritaire) ; (2) en cas d'égalité, on compare les atomes de rang 2 (les substituants de ces atomes) classés par Z décroissant, puis de rang 3, jusqu'à la première différence — ainsi –CH2OH > –CH(CH3)2 > –CH2CH3 > –CH3 ; (3) une liaison multiple est traitée comme autant de liaisons simples vers des atomes « dupliqués » : –CHO (O, O, H) est prioritaire sur –CH2OH (O, H, H), et –C≡CH sur –CH=CH2. Ces règles servent aussi bien aux alcènes (Z/E) qu'aux carbones asymétriques (R/S).
4. L'isomérie Z/E des alcènes et cis/trans des cycles
La liaison π bloque la rotation autour de C=C : un alcène dont chaque carbone porte deux substituants différents existe sous deux formes non interconvertibles. On classe par CIP les deux substituants de chaque carbone ; si les deux groupes prioritaires sont du même côté du plan de la double liaison, l'isomère est Z (zusammen, ensemble) ; s'ils sont de part et d'autre, il est E (entgegen, opposé). L'ancienne notation cis/trans reste utilisée quand les substituants sont identiques (but-2-ène) et pour les cycles disubstitués : cis si les deux substituants sont du même côté du plan moyen du cycle, trans sinon. Attention : Z ne coïncide pas toujours avec cis dès que les substituants sont différents. Les isomères Z et E sont des diastéréoisomères : ils ont des propriétés physiques différentes (l'isomère E, moins encombré, est généralement le plus stable).
5. Chiralité, énantiomères et configuration R/S
Un objet est chiral s'il n'est pas superposable à son image dans un miroir, comme les deux mains. Une molécule est chirale dès qu'elle ne possède ni plan ni centre de symétrie ; le cas le plus courant est celui d'un carbone asymétrique C*, porteur de quatre substituants différents. La molécule et son image forment un couple d'énantiomères : mêmes propriétés physiques et chimiques (point de fusion, solubilité, réactivité vis-à-vis de réactifs achiraux), sauf face à la lumière polarisée. Chaque énantiomère fait tourner le plan de polarisation d'un angle égal mais opposé : dextrogyre (+) ou lévogyre (−) ; c'est l'activité optique, mesurée au polarimètre. Le mélange équimolaire des deux est le racémique, inactif. Pour nommer la configuration : on classe les quatre substituants par CIP (a > b > c > d), on regarde la molécule avec d vers l'arrière ; si le sens a → b → c est celui des aiguilles d'une montre, la configuration est R (rectus), sinon S (sinister). En projection de Fischer, si d est sur une liaison horizontale (vers l'avant), le sens observé doit être inversé. Le signe (+)/(−) est expérimental et sans rapport avec R/S.
Propriété d'une molécule non superposable à son image dans un miroir. Elle apparaît le plus souvent avec un carbone asymétrique (quatre substituants différents) et se traduit par l'activité optique.
Couple de stéréoisomères images l'un de l'autre dans un miroir et non superposables ; ils ont toutes leurs configurations opposées (R ↔ S) et des pouvoirs rotatoires opposés.
6. Plusieurs carbones asymétriques : diastéréoisomères, méso, thréo et érythro
Avec n carbones asymétriques, on obtient au maximum 2n stéréoisomères. Pour n = 2 : quatre stéréoisomères (R,R), (S,S), (R,S) et (S,R), soit deux couples d'énantiomères ; (R,R) et (R,S), qui ne sont pas images l'un de l'autre, sont des diastéréoisomères, avec des propriétés physiques différentes. Lorsque les deux carbones asymétriques portent les mêmes substituants (acide tartrique), la forme (R,S) possède un plan de symétrie interne : c'est un composé méso, achiral et optiquement inactif malgré ses deux C*, et il n'existe alors que trois stéréoisomères. En projection de Fischer, on qualifie d'érythro le diastéréoisomère dont les substituants semblables sont du même côté de la chaîne verticale, et de thréo celui où ils sont de part et d'autre. Enfin la nomenclature D/L de Fischer, conservée pour les oses et les acides aminés, se lit sur le dernier carbone asymétrique : –OH (ou –NH2) à droite pour D, à gauche pour L ; elle est indépendante de R/S et du signe du pouvoir rotatoire.
| Énantiomères | Diastéréoisomères | |
|---|---|---|
| Relation | Images dans un miroir, non superposables | Stéréoisomères non images l'un de l'autre |
| Configurations | Toutes inversées (R,R ↔ S,S) | Certaines seulement (R,R ↔ R,S), ou Z ↔ E |
| Propriétés physiques | Identiques (sauf pouvoir rotatoire opposé) | Différentes (Tf, Teb, solubilité) |
| Séparation | Difficile (résolution du racémique) | Distillation, cristallisation |
| Exemple | Acide (R)- et (S)-lactique | Acides (E)- et (Z)-butènedioïque ; thréo / érythro |
Énantiomères vs diastéréoisomères
- Conformères : interconvertibles par rotation ; éthane décalée > éclipsée (≈ 12 kJ/mol) ; butane anti > gauche > éclipsées.
- Cyclohexane : chaise ≫ bateau ; les gros substituants préfèrent la position équatoriale.
- CIP : priorité au Z le plus élevé, puis aux atomes de rang suivant ; liaisons multiples dupliquées.
- Z = groupes prioritaires du même côté, E = opposés ; Z/E sont des diastéréoisomères.
- C* → chiralité, énantiomères (+)/(−), racémique inactif ; R si a→b→c est horaire avec d en arrière (inverser si d est horizontal en Fischer).
- n C* → au plus 2ⁿ stéréoisomères ; méso = plan de symétrie, achiral ; érythro = même côté en Fischer, thréo = côtés opposés.
Le gros exercice de l'examen : une molécule à deux carbones asymétriques (souvent un sucre, la thréonine ou un acide tartrique), à dessiner en Cram, Newman et Fischer, avec les configurations R/S de chaque C*, l'identification du méso et les relations énantiomère / diastéréoisomère entre les structures proposées. Pièges : oublier d'inverser quand H est horizontal en Fischer, classer –CH₂OH avant –CHO, confondre R/S avec (+)/(−) ou avec D/L, et annoncer 2ⁿ stéréoisomères sans vérifier l'existence d'une forme méso.