Un peu d’histoire

En 1827 Friedrich Woehler a découvert la notion d’isomérie pour la première fois lors de la préparation de l’acide isocyanique (H-N=C=O) en remarquant  que sa composition élémentaire est la même que celle de l’acide fulminique (H-CNO) alors que leurs propriétés chimiques sont totalement différentes. Cette découverte était en contraste avec les théories de l’époque où  on pensait que les propriétés physicochimiques d’une substance se déterminent par sa formule brute. Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius a proposé  le terme « isomère » en 1830.

Isomérie de constitution (ou structurale)

Les composés qui ont la même formule brute  mais des connectivités différentes (de formules développées différentes) sont appelés « isomères de constitution ». Pour les différencier, il faut représenter les structures développées. Il y a  trois catégories d’isomères de constitution: isomères de squelette (ou de chaîne),  isomères de position et  isomères de fonction.

Isomères de squelette (ou de chaîne)

Les squelettes carbonés de ces isomères de constitution sont différents. Par exemple ; le butane (chaîne linéaire) et le méthylpropane (chaîne ramifiée) ont la même formule brute C₄H_10.

Ces isomères ont des propriétés chimiques (réactivité) identiques et des propriétés physiques (miscibilité, températures de changement d’état, densité …) différentes.

Isomères de position

Isomères de position Ils ont les mêmes groupes fonctionnels, mais ils sont à un endroit différent dans chaque molécule. Le propan-1-ol et le propan-2-ol ont la même formule brute C3H8O et la même fonction alcool; celle-ci n’est pas portée par le même carbone fonctionnel.

Isomères de fonction

Les isomères de fonction sont des isomères de constitution avec des fonctions différentes. Ils peuvent posséder ou non la même chaîne carbonée.

Le butanone (fonction cétone) et le butanal (fonction aldéhyde) ont la même formule brute C₄H₅O alors qu’ils appartiennent à des familles différentes.

Des isomères de fonctions ont des propriétés chimiques différentes et également des propriétés physiques différentes.

 

Cas particulier : la tautomérie

Ce type d’isomérie est liée à un équilibre chimique rapide s’établissant entre deux structures en fonction des conditions physiquo-chimiques comme la pression et la température: il s’agit  d’une structure qui se transforme en une autre et inversement (transformation d’un groupement fonctionnel en un autre), le plus souvent par déplacement simultané d’un atome d’hydrogène et d’une liaison double ou triple.

 

Stéréo-Isomérie

Les stéréo-isomères sont des composés de même formule brute et également de même  connectivité (contrairement aux isomères de constitution), ils diffèrent uniquement par  l’arrangement de leurs atomes ou groupes dans l’espace (arrangement spatial).

En se basant sur la facilité de leur interconversion, deux familles de stéréo-isomères existent:

– Isomère de conformation : si on passe de l’un à l’autre par une simple rotation autour d’une  liaison simple nécessitant une faible énergie (<30kcal). L’étude des différentes conformations est appelée analyse conformationnelle.

– Isomères de configuration : s’il faut rompre une liaison covalente et en former une autre  pour passer de l’un à l’autre ce qui nécessite une énergie  plus importante ( > 30kcal).

Isomérie de conformation

Les conformères (isomères de rotation) sont des stéréoisomères reliés par rotation d’une partie de la molécule par rapport au reste de la molécule autour d’une liaison comme axe de rotation (liaison simple C-C), sans rupture de liaison. L’analyse conformationnelle a pour but d’examiner les conformations adoptées par les molécules et de dégager celles qui sont les plus stables (ayant la plus basse énergie).

Par exemple, la rotation d’un groupement éthyle par rapport à l’autre fait apparaître une infinité d’arrangements relatifs des deux groupements. Chaque arrangement correspond à une conformation.

 

Isomérie de configuration

Des isomères de configuration sont des composés de même formule brute, de même connectivité, mais dont les atomes s’orientent différemment dans l’espace. Ils ne peuvent pas s’interconvertir sauf par rupture d’une liaison. Deux classes d’isomère de configuration existent: les énantiomère  et les diastéréoisomères.

Enantiomérie

Les énantiomères, par définition, sont deux molécules qui se ressemblent et ne sont pas superposables. Cela tend à s’appliquer aux molécules chirales.

Les molécules chirales font tourner une lumière polarisée dans un plan et, par définition, un composé qui fait tourner le plan de la lumière polarisée est dit optiquement actif.

La chiralité peut être due soit à un centre carbone asymétrique, comme un atome substitué asymétriquement (avec quatre substituants différents), soit à un axe de chiralité  ou à un plan de chiralité.

Diastéréoisomérie

Les diastéréoisomères, ne sont ni superposables, ni image l’un de l’autre dans un miroir. Ils ont des propriétés chimiques identiques et des propriétés physiques différentes. Par contre, certaines propriétés biologiques peuvent être différentes.

Une molécule qui contient une double liaison C-C peut également admettre des diastéréoisomères et on parle de stéréoisomérie géométrique. Dans ce cas le passage de l’une à l’autre par rotation autour d’une liaison simple n’est pas possible.

-La configuration Z caractérise les diastéréoisomères dont les groupes prioritaires sont du même côté du plan formé par la double liaison (et perpendiculaire au plan de la molécule). L’abréviation Z vient de l’allemand zusammen qui signifie « ensemble ».

-La configuration E caractérise les diastéréoisomères dont les groupes prioritaires sont de part et d’autre du plan formé par la double liaison. Le terme E vient de l’allemand entgegen qui signifie « opposé ».