Isomère structurel - Structural isomer

En chimie , un isomère structural (ou isomère constitutionnel dans la nomenclature IUPAC ) d'un composé est un autre composé dont la molécule a le même nombre d'atomes de chaque élément, mais avec des liaisons logiquement distinctes entre eux. Le terme métamère était autrefois utilisé pour le même concept.

Par exemple, le butanol H
3
C
- (CH
2
)
3
–OH, éther méthylpropylique H
3
C
- (CH
2
)
2
–O– CH
3
et l'éther diéthylique ( H
3
C
- CH
2
-) 2 O ont la même formule moléculaire C
4
H
dix
O
mais sont trois isomères structuraux distincts.

Le concept s'applique également aux ions polyatomiques avec la même charge totale. Un exemple classique est l' ion cyanate O = C = N - et l' ion fulminate C - ≡N + O - . Il est également étendu aux composés ioniques, de sorte que (par exemple) le cyanate d'ammonium [ NH
4
] + [O = C = N] - et l' urée ( H
2
N
-) 2 C = O sont considérés comme des isomères structuraux, tout comme le formiate de méthylammonium [ H
3
C
- NH
3
] + [ HCO
2
] - et acétate d'ammonium [ NH
4
] + [ H
3
C
- CO
2
] - .

L'isomérie structurelle est le type d' isomérie le plus radical . Il s'oppose à la stéréoisomérie , dans laquelle les atomes et le schéma de liaison sont les mêmes, mais seule la disposition spatiale relative des atomes est différente. Des exemples de ces derniers sont les énantiomères , dont les molécules sont des images miroir les unes des autres, et les versions cis et trans du 2-butène .

Parmi les isomères de structure, on peut distinguer plusieurs classes , y compris les isomères du squelette , les isomères de position (ou régio - isomères ), les isomères fonctionnels , tautomères et topo - isomères de structure .

Isomérie squelettique

Un isomère squelettique d'un composé est un isomère structurel qui en diffère par les atomes et les liaisons qui sont considérés comme constituant le «squelette» de la molécule. Pour les composés organiques , tels que les alcanes , cela signifie généralement les atomes de carbone et les liaisons entre eux.

Par exemple, il existe trois isomères squelettiques du pentane : le n -pentane (souvent appelé simplement "pentane"), l' isopentane (2-méthylbutane) et le néopentane (diméthylpropane).

Isomères squelettiques du pentane
Pentane-2D-Skeletal.svg 2-méthylbutane-2D-skeletal.svg Neopentane-2D-skeletal.png
n - Pentane Isopentane Néopentane

Si le squelette est acyclique , comme dans l'exemple ci-dessus, on peut utiliser le terme isomérie en chaîne .

Isomérie de position (régioisomérie)

Les isomères de position (également les isomères de position ou les régioisomères de position ) sont des isomères structuraux qui peuvent être considérés comme différant uniquement sur la position d'un groupe fonctionnel , d'un substituant ou d'une autre caractéristique sur une structure «parente».

Par exemple, le remplacement de l'un des 12 atomes d'hydrogène –H par un groupe hydroxyle –OH sur la molécule mère de n -pentane peut donner l'un des trois isomères de position différents:

Pentan-1-ol-pos.png Pentane-2-ol-pos.png Pentane-3-ol-pos.png
Pentan-1-ol Pentane-2-ol Pentane-3-ol

Isomérie fonctionnelle

Les isomères fonctionnels sont des isomères structuraux qui ont des groupes fonctionnels différents , ce qui entraîne des propriétés chimiques et physiques significativement différentes.

Un exemple est le couple propanal H 3 C – CH 2 –C (= O) -H et acétone H 3 C – C (= O) –CH 3 : le premier a une fonction –C (= O) H, qui en fait un aldéhyde , alors que le second a un groupe C – C (= O) –C, ce qui en fait une cétone .

Un autre exemple est le couple éthanol H 3 C – CH 2 –OH (un alcool ) et éther diméthylique H 3 C – O – CH 2 H (un éther ). En revanche, le 1-propanol et le 2-propanol sont des isomères structuraux, mais pas des isomères fonctionnels, car ils ont le même groupe fonctionnel significatif (l' hydroxyl –OH) et sont tous deux des alcools.

Outre la chimie différente, les isomères fonctionnels ont généralement des spectres infrarouges très différents . Le spectre infrarouge est largement déterminé par les modes de vibration de la molécule, et les groupes fonctionnels comme l'hydroxyle et les esters ont des modes de vibration très différents. Ainsi, le 1-propanol et le 2-propanol ont des spectres infrarouges relativement similaires en raison du groupe hydroxyle, qui sont assez différents de celui de l'éther méthyléthylique.

Isotopomères structuraux

En chimie, on ignore généralement les distinctions entre les isotopes d'un même élément. Cependant, dans certaines situations (par exemple en spectroscopie Raman , RMN ou micro - ondes ), on peut traiter différents isotopes du même élément comme des éléments différents. Dans le second cas, on dit que deux molécules avec le même nombre d'atomes de chaque isotope mais des schémas de liaison distincts sont des isotopomères structuraux .

Ainsi, par exemple, l' éthène n'aurait pas d'isomères structuraux selon la première interprétation; mais le remplacement de deux des atomes d'hydrogène ( 1 H) par des atomes de deutérium ( 2 H) peut donner l'un quelconque des deux isotopomères structuraux (1,1-dideutéroéthène et 1,2-dideutéroéthène), si les deux atomes de carbone sont le même isotope. Si, en outre, les deux carbones sont des isotopes différents (par exemple, 12 C et 13 C), il y aurait trois isotopomères structuraux distincts, car le 1- 13 C-1,1-dideutéroéthène serait différent du 1- 13 C-2 , 2-dideutéroéthène.) Et, dans les deux cas, l'isotopomère structurel 1,2-dideutéro se produirait sous forme de deux stéréo-isotopoomers, cis et trans .

Equivalence structurelle et symétrie

Equivalence structurelle

On dit que deux molécules (y compris les ions polyatomiques) A ​​et B ont la même structure si chaque atome de A peut être apparié avec un atome de B du même élément, de manière biunivoque, de sorte que pour chaque liaison dans A il y a une liaison en B, du même type, entre les atomes correspondants; et vice versa. Cette exigence s'applique également aux liaisons complexes qui impliquent trois atomes ou plus, telles que la liaison délocalisée dans la molécule de benzène et d'autres composés aromatiques.

Selon le contexte, on peut exiger que chaque atome soit apparié avec un atome du même isotope, pas seulement du même élément.

On peut alors dire que deux molécules sont des isomères structuraux (ou, si les isotopes comptent, des isotopomères structuraux) si elles ont la même formule moléculaire mais n'ont pas la même structure.

Symétrie structurelle et atomes équivalents

La symétrie structurelle d'une molécule peut être définie mathématiquement comme une permutation des atomes qui échange au moins deux atomes mais ne change pas la structure de la molécule. On peut alors dire que deux atomes sont structurellement équivalents s'il existe une symétrie structurelle qui les amène l'un à l'autre.

Ainsi, par exemple, les quatre atomes d'hydrogène du méthane sont structurellement équivalents, car toute permutation de ceux-ci conservera toutes les liaisons de la molécule.

De même, les six hydrogènes d' éthane ( C
2
H
6
) sont structurellement équivalents l'un à l'autre, tout comme les deux carbones; parce que n'importe quel hydrogène peut être commuté avec n'importe quel autre, soit par une permutation qui permute seulement ces deux atomes, soit par une permutation qui permute les deux carbones et chaque hydrogène dans un groupe méthyle avec un hydrogène différent sur l'autre méthyle. Chaque opération préserve la structure de la molécule. C'est le cas également pour les atomes d'hydrogène cyclopentane , allène , 2-butyne , hexaméthylènetétramine , prismane , cubane , dodécaèdre , etc.

D'autre part, les atomes d'hydrogène du propane ne sont pas tous structurellement équivalents. Les six hydrogènes attachés aux premier et troisième carbones sont équivalents, comme dans l'éthane, et les deux attachés au carbone moyen sont équivalents l'un à l'autre; mais il n'y a pas d'équivalence entre ces deux classes d'équivalence .

Symétrie et isomérie de position

Les équivalences structurelles entre les atomes d'une molécule mère réduisent le nombre d'isomères de position qui peuvent être obtenus en remplaçant ces atomes par un élément ou un groupe différent. Ainsi, par exemple, l'équivalence structurelle entre les six hydrogènes de l' éthane C
2
H
6
signifie qu'il n'y a qu'un seul isomère structurel de l' éthanol CH
5
OH
, pas 6. Les huit hydrogènes du propane C
3
H
8
sont divisés en deux classes d'équivalence structurelle (les six sur les groupes méthyle et les deux sur le carbone central); il n'y a donc que deux isomères de position du propanol ( 1-propanol et 2-propanol ). De même, il n'y a que deux isomères de position du butanol et trois du pentanol ou de l' hexanol .

Rupture de symétrie par substitutions

Une fois qu'une substitution est faite sur une molécule mère, sa symétrie structurelle est généralement réduite, ce qui signifie que les atomes qui étaient auparavant équivalents peuvent ne plus l'être. Ainsi, la substitution de deux atomes équivalents ou plus par le même élément peut générer plus d'un isomère de position.

L'exemple classique est celui des dérivés du benzène . Ses six hydrogènes sont tous structurellement équivalents, de même que les six carbones; car la structure n'est pas modifiée si les atomes sont permutés d'une manière qui correspond au retournement ou à la rotation de la molécule par multiples de 60 degrés. Par conséquent, le remplacement de tout hydrogène par du chlore ne produit qu'un seul chlorobenzène . Cependant, avec ce remplacement, les permutations d'atomes qui ont déplacé cet hydrogène ne sont plus valides. Il ne reste qu'une permutation, qui correspond à retourner la molécule tout en maintenant le chlore fixe. Les cinq hydrogènes restants entrent alors dans trois classes d'équivalence différentes: celle opposée au chlore est une classe à part (appelée position para ), les deux plus proches du chlore forment une autre classe ( ortho ), et les deux restantes sont la troisième classe ( méta ). Ainsi, une seconde substitution de l'hydrogène par le chlore peut donner trois isomères de position: 1,2- ou ortho - , 1,3- ou méta - et 1,4- ou para- dichlorobenzène .

O-Dichlorobenzène-3D-balls.png M-Dichlorobenzène-3D-balls.png P-Dichlorobenzène-3D-balls.png
ortho- dichlorobenzène méta- dichlorobenzène para- dichlorobenzène
1,2-dichlorobenzène 1,3-dichlorobenzène 1,4-dichlorobenzène

Pour la même raison, il n'y a qu'un seul phénol (hydroxybenzène), mais trois benzènediols ; et un toluène (méthylbenzène), mais trois toluols et trois xylènes .

D'autre part, le deuxième remplacement (par le même substituant) peut préserver ou même augmenter la symétrie de la molécule, et ainsi peut préserver ou réduire le nombre de classes d'équivalence pour le remplacement suivant. Ainsi, les quatre hydrogènes restants dans le méta -dichlorobenzène appartiennent toujours à trois classes, tandis que ceux de l' ortho - tombent en deux, et ceux du para - sont à nouveau équivalents. Pourtant, certaines de ces 3 + 2 + 1 = 6 substitutions finissent par donner la même structure, il n'y a donc que trois trichlorobenzènes structurellement distincts : 1,2,3- , 1,2,4- et 1,3,5- .

1,2,3-trichlorobenzène.svg 1,2,4-trichlorobenzène.svg 1,3,5-Trichlorobenzène.svg
1,2,3-trichlorobenzène 1,2,4-trichlorobenzène 1,3,5-trichlorobenzène

Si les substituants à chaque étape sont différents, il y aura généralement plus d'isomères structuraux. Le xylénol , qui est le benzène avec un substituant hydroxyle et deux substituants méthyle, a un total de 6 isomères:

2,3-Xylénol.svg 2,4-Xylénol.svg 2,5-diméthylphénol.png
2,3-xylénol 2,4-xylénol 2,5-xylénol
2,6-diméthylphénol.png 3,4-Xylénol.svg 3,5-Xylénol.svg
2,6-xylénol 3,4-xylénol 3,5-xylénol

Dénombrement et comptage des isomères

L'énumération ou le comptage des isomères structuraux en général est un problème difficile, car il faut prendre en compte plusieurs types de liaisons (y compris les délocalisées), des structures cycliques et des structures qui ne peuvent pas être réalisées en raison de contraintes de valence ou géométriques, et des tautomères non séparables.

Par exemple, il existe neuf isomères structuraux de formule moléculaire C 3 H 6 O ayant différentes connectivités de liaison. Sept d'entre eux sont stables à l'air à température ambiante et sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

Composé chimique Structure moleculaire
Point de fusion
(° C)

Point d' ébullition
(° C)
Commentaire
Alcool allylique Allyl-alcool.png –129 97
Cyclopropanol Cyclopropanol.svg 101–102
Propionaldéhyde Propanal-squelettique.png –81 48 Tautomère avec prop-1-én-1-ol, qui a à la fois des formes stéréoisomères cis et trans
Acétone Acétone-2D-skeletal.svg –94,9 56,53 Tautomérique avec propène-2-ol
Oxétane Oxetane.png –97 48
Oxyde de propylène PropylèneOxyde.png –112 34 A deux formes énantiomériques
Éther méthylvinylique Methylvinylether.png –122 6

Deux isomères structuraux sont les tautomères énol des isomères carbonyle (propionaldéhyde et acétone), mais ils ne sont pas stables.

Voir également

Références

  1. ^ "L'isomérie constitutionnelle" . Livre d'or de l'IUPAC . IUPAC . Récupéré le 19 juillet 2018 .
  2. ^ Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell, Shawn O. Farrell (2009): Introduction à l'organique et à la biochimie . 752 pages. ISBN   9780495391166
  3. ^ a b Peter P. Mumba (2018): Principes utiles en chimie pour les étudiants en agriculture et en sciences infirmières , 2e édition. 281 pages. ISBN   9781618965288
  4. ^ un b William F. Bynum, E. Janet Browne, Roy Porter (2014): Dictionnaire de l'histoire de la science . 530 pages. ISBN   9781400853410
  5. ^ Jim Clark (2000). "Isomérie structurale" dans Chemguide , nl
  6. ^ Poppe, Laszlo; Nagy, Jozsef; Hornyanszky, Gabor; Boros, Zoltan; Mihaly, Nogradi (2016). Stéréochimie et synthèse stéréosélective: une introduction . Weinheim, Allemagne: Wiley-VCH. pp. 26-27. ISBN   978-3-527-33901-3 .
  7. ^ D. Brynn Hibbert, AM James (1987): Dictionnaire Macmillan de Chimie . 532 pages. ISBN   9781349188178
  8. ^ Zdenek Slanina (1986): Théorie contemporaine de l'isomérie chimique . 254 pages. ISBN   9789027717078
  9. ^ H. Stephen Stoker (2015): Chimie générale, organique et biologique , 7e édition. 1232 pages. ISBN   9781305686182
  10. ^ Barry G. Hinwood (1997): Un manuel de science pour les professions de la santé . 489 pages. ISBN   9780748733774
  11. ^ Jean-Loup Faulon, Andreas Bender (2010): Manuel des algorithmes de chimio-informatique . 454 pages. ISBN   9781420082999
  12. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics 65th Ed.