Deux composés sont dits isomères (du grec " isos ", identique et " meros ") lorsqu'ils possèdent la même formule brute, mais des structures différentes.
Vue d'ensemble des isomères
Ces composés isomères, à même formule brute, peuvent être différenciés de deux manières ( formule chimique).
1. Leur formule développée est différente, i.e. on parle d'isomérie plane ou isomérie de constitution.
La formule brute est l'écriture la plus compacte décrivant un composé chimique ou un corps simple, i.e. $\ce{C4H10}$.
La formule développée plane est un mode de représentation qui renseigne sur l'agencement des atomes composant une molécule.
une formule semi-développée est une simplification d'une formule développée plane, dans laquelle on ne représente pas les liaisons avec les atomes d'hydrogène.
Différents types d'isomérie
(Figure : vetopsy.fr)
2. Leur représentation dans l’espace, i.e. leur stéréoisomérie est différente et les composés sont des stéréoisomères.
a. La stéréoisomérie de conformation ou conforméries'effectue par simple rotation autour d'un axe d'une liaison simple (en général C-C) sans qu'il soit nécessaire de rompre des liaisons.
1. L'isomérie de position est une isomérie dans laquelle l’enchaînement des atomes de carbone est identique, mais il existe des changements au niveau de la position de certaines caractéristiques.
Isomérie de position
(Figure : vetopsy.fr)
2. Exemples
Changement de position d’un groupe fonctionnel sur une chaîne linéaire comme dans $\ce{C6H10O}$, ce qui donne des composés à mêmes propriétés chimiques, mais à propriétés physiques différentes :
Cette isomérie de fonction se trouve aussi chez les oses, i.e. aldoses et cétoses.
Tautomérie
La tautomérie est un cas particulier de cette isomérie de fonction.
Définition
Deux tautomères sont deux isomères de fonction en équilibre entre eux, en règle générale par déplacement d'un atome d'hydrogène (proton : $\ce{H+}$) : l'interconversion s'appelle tautomérisation.
La tautomérie, omniprésente en chimie organique, est associée à des molécules polaires et à des ions contenant des groupes fonctionnels au moins faiblement acides.
Le plus souvent, les tautomères existent par paires.
Le proton est localisée à l'une des deux positions.
La forme la plus courante est la transformation d'un groupement fonctionnel en un autre, le plus souvent par déplacement concomitant d'un atome d'hydrogène et d'une liaison π (liaison double ou triple) :
Un composé contenant un groupe carbonyle ($\ce{C=O}$) est normalement en équilibre rapide avec un tautomère énol, qui contient une paire d'atomes de carbone doublement liés adjacents à un groupe hydroxyle ($\ce{-OH}$), $\ce{C=C-OH}$.
La forme cétole prédomine à l'équilibre pour la plupart des cétones.
Néanmoins, la forme énol est importante pour certaines réactions.
L'intermédiaire déprotoné dans l'interconversion des deux formes, appelé anion énolate, est important dans la chimie du carbonyle ($\ce{C=O}$), en grande partie parce qu'il est un nucléophile fort (littéralement qui aime les noyaux, donc les charges positives), i.e. qui donne des électrons à un attaque (attiré par les charges négatives) pour former une liaison chimique.
Un système conjugué est un système d'orbitales p connectées avec des électrons délocalisés dans des molécules qui sont classiquement représentées comme possédant des liaisons simples et multiples (liaison π) alternées.
La conjugaison est le chevauchement d'une orbitale p avec une autre à travers une liaison σ intermédiaire, i.e. liaison chimique covalente créée entre deux atomes par recouvrement axial d'orbitales (dans les métaux de transition, les orbitales ds peuvent être impliquées).
Les électrons pi n'appartiennent pas à une seule liaison ou à un seul atome, mais plutôt à un groupe d'atomes.
Mésomères de l'acétate
(Figure : vetopsy.fr d'après Vladsinger)
Dans la mésomérie, il n'y a pas de déplacement d'atome et on ne peut séparer deux formes mésomères.
Dans l'écriture standard, les formes mésomères sont reliées une flèche à double sens.
2. La prototropie est le déplacement d’un atome d’hydrogène au sein d’une molécule, d’un atome vers un autre.
La prototropie est la forme la plus commune de tautomérie qui peut être considéré comme un sous-ensemble du comportement acide/base, avec une même formule chimique et une même charge.
pour les acides, protonation, i.e. addition d'un proton, formation d'un cation délocalisé et déprotonation à une position différente adjacente au cation ;
pour les bases, déprotonation, formation d'un anion délocalisé (par exemple un anion énolate), protonation à une position différente de l'anion.
Tautomérie anneau/chaîne
du
D-glucose
(Figure : vetopsy.fr d'après Wikimuzg)
On peut trouver deux autres sous-catégories de tautoméries prototropiques :
la tautomérie annulaire dans lequel un proton peut occuper deux positions ou plus d'un système hétérocyclique (1H-, 2H- et 4H- dans 1,2,4-triazole par exemple)
la tautomérie anneau/chaîne lorsque le mouvement du proton s'accompagne d'un passage d'une structure ouverte à un anneau, i.e. passage de la chaîne linéaire au cycle pyranose ou furanose des oses.
3. La tautomérie est donc, en général, et une mésomérie et une prototopie.
Remarque : une forme beaucoup plus rare est la tautomérie de valence dans laquelle des liaisons simples et/ou doubles se forment et se rompent rapidement, sans migration d'atomes ou de groupes .
Tautomérie de valence
(Figure : vetopsy.fr)
Elle implique des processus de réorganisation rapide des électrons de liaison, comme dans $\ce{C3H6O}$ dont les tautomères sont l'oxyde de benzène et l'oxépine.
Dans ce cas, la tautomérie n'est pas une prototopie.
Isomérie d'insaturation
L'isomérie d’insaturation est une isomérie dans laquelle une insaturation est modifiée.
formule chimique).
