Au-delà de la formule brute : la géométrie moléculaire
Deux molécules peuvent partager la même formule brute et la même connectivité (mêmes liaisons) tout en étant des objets distincts dans l'espace. Ces molécules sont des stéréoisomères. Comprendre la stéréoisomérie est indispensable en biochimie : les enzymes et les récepteurs biologiques distinguent souvent les deux "miroirs" d'une molécule avec une précision absolue.
Isomères de conformation
Les conformères résultent de la rotation autour d'une liaison simple C–C. Ce ne sont pas des molécules différentes : la rotation est libre à température ambiante et les conformères s'interconvertissent en permanence. Ils ne peuvent pas être isolés séparément.
Pour le butane, on distingue les conformères décalés — anti (groupes les plus volumineux opposés à 180°, le plus stable) et gauche (à 60°, encombrement modéré) — et les conformères éclipsés (à 0° ou 120°, plus haute énergie). La représentation de Newman facilite leur visualisation.
Isomérie cis/trans (Z/E)
L'isomérie cis/trans (ou Z/E selon la nomenclature moderne) apparaît sur les alcènes et les cycles : la rotation libre autour de la double liaison ou du cycle est impossible, "gelant" la géométrie.
- cis (ou Z, zusammen = ensemble) : deux substituants identiques ou prioritaires du même côté de la double liaison.
- trans (ou E, entgegen = en face) : substituants prioritaires de côtés opposés.
Pour déterminer Z ou E, on utilise les règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) : on compare les atomes attachés à chaque carbone de la double liaison selon leur numéro atomique. Le substituant de plus haut numéro atomique est "prioritaire".
Carbone asymétrique et énantiomères
Un carbone asymétrique (ou carbone stéréogène, noté C) est un carbone sp³ lié à quatre substituants tous différents. Il peut adopter deux configurations spatiales non superposables — images l'une de l'autre dans un miroir : ce sont les énantiomères*.
Les énantiomères ont les mêmes propriétés physiques (point de fusion, ébullition, solubilité) et les mêmes propriétés chimiques vis-à-vis de réactifs achiraux. Ils diffèrent uniquement par leur activité optique : ils font tourner le plan de la lumière polarisée en sens opposés (+ et −, ou d et l).
En biologie, les acides aminés naturels sont tous de configuration L ; les sucres naturels sont de configuration D. L'organisme utilise généralement un seul énantiomère.
Configuration R et S
La règle CIP s'applique aussi au carbone asymétrique pour attribuer la configuration R (rectus = droit) ou S (sinister = gauche) :
1. Attribuer les priorités 1–4 aux substituants du C (selon le numéro atomique, puis des règles hiérarchiques). 2. Orienter la molécule de façon à placer le substituant de priorité 4 (le moins prioritaire) à l'arrière. 3. Lire la séquence 1→2→3 : sens horaire → R ; sens antihoraire → S*.
Diastéréoisomères
Quand une molécule possède deux carbones asymétriques (ou plus), le nombre de stéréoisomères peut atteindre 2ⁿ (n = nombre de C). Les stéréoisomères qui ne sont pas des images miroir l'un de l'autre sont des diastéréoisomères. Contrairement aux énantiomères, ils ont des propriétés physiques différentes* (points de fusion, polarimétrie, chromatographie…).
Un cas particulier : le composé méso possède deux C* mais est superposable à son image miroir (plan de symétrie interne) → optiquement inactif.
