Chimie organique : isomérie et stéréochimie

Deux isomères possèdent la même formule brute, mais leurs atomes ne sont pas assemblés ou disposés de la même façon. Les isomères constitutionnels diffèrent par la connectivité : chaîne carbonée, position d’un groupe fonctionnel ou nature de la fonction. Par exemple, le butane et le 2-méthylpropane ont pour formule C4H10, mais des propriétés physiques différentes. À l’inverse, l’éthanol et le diméthyléther sont des isomères de fonction. Il faut donc toujours vérifier la formule brute, puis la structure développée.

La stéréochimie décrit l’arrangement spatial des atomes sans changer la connectivité. Autour d’une double liaison C=C, la rotation est bloquée : deux groupes identiques peuvent être du même côté (cis ou Z) ou de part et d’autre (trans ou E). C’est le cas du cis-2-butène et du trans-2-butène, qui n’ont pas la même stabilité. Les conformères, eux, correspondent à des rotations autour d’une simple liaison, par exemple dans l’éthane. En biologie, la vision repose sur l’isomérisation du rétinal, un changement de géométrie autour d’une double liaison.

Un carbone asymétrique est un carbone tétraédrique lié à quatre groupes différents ; sa présence peut rendre la molécule chirale. Deux énantiomères sont des images miroir non superposables, comme une main droite et une main gauche. Ils ont les mêmes propriétés physiques dans un milieu achiral, mais font tourner différemment la lumière polarisée : l’un est lévogyre, l’autre dextrogyre. Le nombre maximal de stéréoisomères d’une molécule à n centres stéréogènes est donné par 2^n ; on note R ou S après classement CIP des substituants. Le mélange équimolaire des deux énantiomères est racémique et optiquement inactif.

Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères qui ne sont pas images miroir l’un de l’autre ; les isomères cis/trans en font partie. Un composé méso possède des centres stéréogènes mais est globalement achiral à cause d’un plan de symétrie. Les propriétés biologiques peuvent être très différentes : le thalidomide et l’ibuprofène illustrent l’importance de la pureté énantiomérique. Pour séparer des énantiomères, on utilise par exemple la chromatographie chirale ou la formation de sels diastéréoisomères. En laboratoire, le polarimètre mesure le pouvoir rotatoire et aide à contrôler un mélange racémique.