CONFORMATIONS, chimie

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Quels que soient la composition élémentaire d'une molécule organique et l'arrangement de ses divers atomes, formant des chaînes linéaires ou ramifiées aussi bien que des systèmes comprenant un ou plusieurs cycles, plusieurs impératifs doivent être satisfaits : les longueurs des liaisons et les angles que font ces liaisons entre elles sont, en effet, immuables et ne dépendent nullement des conditions, en particulier de température et de polarité, dans lesquelles la molécule se trouve.

Cette même molécule dispose, en revanche, d'une certaine déformabilité due à la libre rotation autour des liaisons σ (liaisons simples). Le jeu de celles-ci entraînera pour elle la possibilité de prendre toutes les formes spatiales possibles : il y en a une infinité pour tout composé organique saturé dont la chaîne possède au moins deux atomes de carbone. Ces divers arrangements non identiques de la molécule obtenus par rotation autour d'une ou plusieurs liaisons σ sont désignés par le terme de conformation.

Les atomes et groupements d'atomes dont cette molécule est composée vont, par des répulsions ou des attractions de type électrostatique, agir à distance les uns sur les autres. Ces interactions dépendent non seulement de l'importance de la densité électronique autour du noyau (deux atomes de brome apparaissent d'emblée plus susceptibles d'interagir que deux méthyles), mais aussi de leur disposition relative dans l'espace et, plus particulièrement, de la distance qui les sépare. Il s'ensuit que les diverses conformations d'une même molécule peuvent être énergétiquement très différentes et que celle-ci va tendre à assumer la ou les conformations de plus basse énergie, dite conformation privilégiée.

On peut, en général, définir une ou plusieurs conformations privilégiées que séparent parfois des différences d'énergie assez faibles pour que les molécules puissent les adopter simultanément. On considère alors que dans des conditions déterminées existe un équilibre, dit équilibre conformationnel, entre ces diverses formes d'énergie très voisines.

Cet équilibre est régi par les règles usuelles, et, en particulier, le pourcentage des divers conformères est déterminé par l'environnement de la molécule (polarité du solvant éventuel et concentration) et par les conditions de température.

Le but de l'analyse conformationnelle est donc de déterminer la ou les conformations privilégiées d'un composé et d'établir éventuellement l'existence d'un équilibre conformationnel, ainsi que la position de celui-ci suivant les conditions dans lesquelles se trouve la molécule.

La connaissance de ces diverses données peut être d'une aide certaine dans la détermination des structures de tout nouveau produit et d'une grande utilité pour prévoir et expliquer les propriétés chimiques et spectrales de tel ou tel composé.

Conformations des composés aliphatiques

Hydrocarbures

Le cas de l'éthane constitue un exemple simple, qui illustre bien les différents concepts exposés ci-dessus. La libre rotation autour de la liaison carbone-carbone entraîne l'existence d'une infinité de conformations. Parmi celles-ci, deux seulement sont remarquables : l'une, dite décalée (1), dans laquelle les atomes d'hydrogène du carbone (a) se projettent entre deux atomes d'hydrogène du carbone (b) ; l'autre, dite éclipsée (2), dans laquelle les atomes d'hydrogène du carbone (a) se projettent exactement sur leurs homologues du carbone (b).

Éthane

Diaporama : Éthane

Conformations de l'éthane, décalée (1) et éclipsée (2), avec les projections de Newman correspondantes. La courbe représente la variation de l'énergie potentielle (V) de la molécule en fonction de l'angle a de torsion par rapport à la conformation décalée qui est privilégiée du point... 

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Entre ces deux conformations existe, bien sûr, une infinité de positions des hydrogènes H(b) par rapport aux hydrogènes H(a) : toutes ces conformations ont des énergies potentielles différentes. La courbe de variation de cette énergie en fonction de l'angle α (dit angle de torsion), dont on fait tourner C(b) par rapport à C(a), servant d'origine, est représentée à la figure 1.

Éthane

Diaporama : Éthane

Conformations de l'éthane, décalée (1) et éclipsée (2), avec les projections de Newman correspondantes. La courbe représente la variation de l'énergie potentielle (V) de la molécule en fonction de l'angle a de torsion par rapport à la conformation décalée qui est privilégiée du point... 

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L'énergie potentielle de la molécule (V) a une valeur minimale lorsque celle-ci prend la conformation (1), puisque, dans ce cas, les hydrogènes H(a) et H(b) sont dans leur position du plus grand éloignement. Au contraire, sa valeur est maximale pour la conformation (2), dans laquelle la distance séparant les mêmes atomes est la plus courte possible. Cette énergie potentielle varie sinusoïdalement en fonction d'α (angle de torsion par rapport à la conformation décalée) : la variation de V peut s'exprimer avec une excellente approximation [...]

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Jacques GORÉ, « CONFORMATIONS, chimie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/conformations-chimie/