TP n°1 - Chimie - PCSI

TP n°2
(TP-cours)
Stéréochimie
I II
I - Étude conformationnelle des molécules
organiques
I.1 Définitions ; énergie d’une conformation
Définition :
La conformation d’une molécule est un état de la molécule défini par la donnée des paramètres
géométriques suivants :
- les longueurs des liaisons ℓ ;
- les angles de flexion

Une molécule est une entité dynamique : en raison des vibrations de ses liaisons, des chocs incessants
qu’elle réalise avec les molécules voisines, les paramètres ci-dessus sont amenés à évoluer sans cesse.
Autrement dit, une molécule change perpétuellement de conformation.
On constate néanmoins que, dans les conditions usuelles, les longueurs de liaisons d’une molécule
fluctuent très peu au cours du temps autour de leur position d’équilibre ; il en va de même pour les
angles de flexion. En revanche, à température ambiante, les angles dièdres varient avec une grande
liberté de 0 à 360°, à condition que la liaison concernée soit une liaison simple et que la rotation ne
soit pas entravée.
Forts de ces constatations, on peut définir des stéréo-isomères de conformation de la façon suivante :
Définition :
On appelle stéréo-isomères de conformation des états d’une même molécule qui diffèrent
seulement par leur conformation, les différences pouvant consister :
- en un raccourcissement ou à un allongement de certaines liaisons (sans s’écarter de quelques
% autour de leur distance d’équilibre ℓ 0) ;
- en la compression ou dilatation de certains angles de flexion (sans s’écarter de plus de
quelques % de leur valeur d’équilibre, soit 109° pour un atome tétraédrique) ;
- en une ou plusieurs rotations autour de liaisons simples (sauf situation particulière de
blocage).
Pour une molécule donnée, l’énergie d’une conformation dépend de tous les paramètres
géométriques : longueurs de liaison, angles de flexion et angles dièdres pour toutes les liaisons de la
molécule.
Étant donné le très grand nombre de paramètres qui interviennent dès que la molécule contient
davantage d’atomes, l’outil informatique peut être une aide précieuse pour estimer l’énergie de
conformation.
On montrera l’utilisation du logiciel Nemesis lors de cette séance.
Estimation de l’énergie potentielle d’une conformation par le logiciel Nemesis :
Le logiciel possède un algorithme de calcul qui consiste à additionner les différentes contributions
énergétiques et à modéliser chacune d’entre elles
Ainsi, l’énergie d’une conformation peut être décomposée selon Nemesis en cinq termes :

donnée, en fonction des charges partielles qu’ils portent.
Afin d’estimer correctement cette énergie, l’ordinateur calcule au préalable ces charges partielles
en utilisant l’électronégativité des atomes.
- L’énergie

Ces préliminaires étant posés, on va s’intéresser maintenant à l’étude conformationnelle de trois
molécules de base : l’éthane, le butane puis le cyclohexane.
Reportez-vous à l’ANNEXE 1 pour le mode d’emploi du logiciel Nemesis.
I.2 Étude conformationnelle de l’éthane et du butane
I.3 Étude conformationnelle du cyclohexane
L’étude avec le logiciel Nemesis des différentes conformations du cyclohexane n’étant pas aisé, on
fournit le document suivant :
Diagramme d’énergie potentielle lors de l’interconversion chaise-chaise du cyclohexane
I.4 Cyclohexane substitué
a) Cyclohexane monosubstitué
Le tableau ci-contre indique les proportions moyennes de
conformère équatorial qu’on rencontre pour le cyclohexane
monosubstitué en fonction de la nature du substituant (à

) Cyclohexane disubstitué
Exercice :
1) Dessiner le (trans)-1-chloro-4-méthylcyclohexane en projection topologique plane (substituants
indiqués selon Cram) ;
2) Dessiner les deux conformères chaise en équilibre et indiquer le plus stable.
3) Mêmes questions pour le (cis)-1-chloro-4-méthylcyclohexane.
4) Quelle relation d’isomérie existe-t-il entre le (trans)-1-chloro-4-méthylcyclohexane et le (cis)-1chloro-4-méthylcyclohexane
?
II - Mise en œuvre de la polarimétrie
Après la présentation de la notion de chiralité et de la méthode de mesure d’un pouvoir rotatoire, il
vous est posé le problème suivant :
Recherchez s’il existe une corrélation entre la concentration d’une solution en saccharose et la valeur
de son pouvoir rotatoire.
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ANNEXE 1 : Mode d’emploi du logiciel Nemesis
Pour accéder à toutes les fonctionnalités, choisir le « Niveau Expert » au démarrage du logiciel.
Charger une molécule depuis la bibliothèque
Aller dans le menu Fichier_Ouvrir
Aller dans le répertoire où se trouve la molécule souhaitée et la sélectionner
On trouve ETHANE.DAT et N_BUTANE.DAT dans FRAGMENT.BIB\GORGANIC\HYDROCAR
et CHEX_C.DAT (cyclohexane en conformation chaise) dans FRAGMENT.BIB\C_SAT
Observer une molécule
Dilater la fenêtre « Panneau de contrôle »
Utiliser la partie gauche de cette fenêtre zoomer ou dézoomer
Utiliser la souris pour faire tourner la molécule et l’observer selon la perspective souhaitée
Mesurer des longueurs ou des angles
Entrer dans le menu Utilitaires_Géométrie
Cliquer sur deux atomes pour mesurer leur distance, sur trois atomes pour mesurer un angle
(le 2ème atome sélectionné est le sommet de l’angle), sur quatre atomes pour mesurer un
angle dièdre (les 2ème et 3ème atomes sélectionnés définissent l’axe de rotation)
Cliquer sur « Calculer » dans la petite fenêtre
Modifier une conformation
Entrer dans le menu Utilitaires_Géométrie
Cliquer sur deux atomes pour modifier leur distance, sur trois atomes pour modifier un angle
(le 2ème atome sélectionné est le sommet de l’angle), sur quatre atomes pour modifier un
angle dièdre (les 2ème et 3ème atomes sélectionnés définissent l’axe de rotation)
Cliquer sur « Modifier » dans la petite fenêtre
Choisir la valeur souhaitée
Calculer l’énergie d’une conformation
Choisir le menu Utilitaires_Energie
Cliquer sur « Calculer » en gardant les options proposées par défaut
Penser à dilater la fenêtre message pour afficher tous les résultats
Faire une étude conformationnelle par rotation autour d’une liaison C − C
Choisir le menu Conformations_Liaison de Torsion : une fenêtre « Torsions » apparaît
Sélectionner les quatre atomes définissant l’angle dièdre (les 2ème et 3ème atomes
sélectionnés définissent l’axe de rotation)
Cliquer sur « Ajout Torsions »
Choisir le menu Conformations_Recherche conformationnelle
Cliquer sur « Choix Liaison… » et définir l’angle initial, final et le pas
Cliquer sur « Recherche »
Sélectionner Conformations_Etude conformationnelle
Tracer la courbe d’énergie dans « Graphe d’énergie »
Pour imprimer, taper la touche « Impr écran » du clavier, puis coller dans le logiciel « Paint » et
imprimer à partir de là (veiller à la mise en page, doit tenir sur une seule page)
Dans Conformations_Etude conformationnelle, on peut choisir « Retour à l’affichage 3D » et
s’intéresser aux conformations « Energie minimale » ou « Energie maximale »…
Construire une nouvelle molécule à partir d’une molécule figurant à l’écran
Pour changer un atome en un autre ou en un groupe, sélectionner l’atome à modifier et choisir
« Redéfinir atome » dans le menu Construction
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ANNEXE 2 : Mode d’emploi du polarimètre de Laurent
Mode d’emploi réalisé par Sébastien Sourisseau :
Version complète sur : http://ead.univ-angers.fr/~capespc/chimie/notices/polarimetre/QUADRApapier/polarimetre.pdf
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ANNEXE 3 : Réaliser une dilution avec précision
On souhaite diluer la solution mère, de concentration