DYNAMIQUE MOLÉCULAIRE

L'inversion du tétraèdre

Le carbone tétraédrique, c'est-à-dire l'atome de carbone porteur de quatre substituants disposés aux sommets d'un tétraèdre, est l'unité constituante de base des molécules organiques. Il est caractérisé par une grande rigidité stéréochimique : on a estimé que l'inversion d'une molécule de méthane, CH₄, se produit en moyenne tous les 10 000 ans ! Dans la pratique, un carbone tétraédrique ne s'inverse pas sans rupture de liaison. Cette rigidité ne se retrouve pas dans les dérivés tétracoordinés de la plupart des autres éléments, pour lesquels l'inversion du tétraèdre est souvent très rapide, trop rapide pour permettre la séparation des deux molécules isomères, images l'une de l'autre dans un miroir, que l'on obtient lorsque les quatre substituants sont tous différents. C'est le cas par exemple des deux molécules montrées en (où M est un atome de zinc ou de cadmium), qui peuvent être assimilées à deux hélices, l'une tournant à droite, l'autre à gauche, mais dont les pas s'inverseraient un grand nombre de fois par seconde à la température ambiante. Au cours de cette inversion, il arrive un moment où l'atome M et ses quatre substituants sont coplanaires ; dans le cas du zinc et du cadmium, cette disposition est défavorisée, tant pour des raisons de plus grand encombrement stérique que pour des raisons électroniques, et correspond au sommet de la barrière d'énergie qu'il faut franchir pour que l'inversion se produise.

Dans d'autres cas, lorsque l'état plan est stabilisé par certains facteurs électroniques (effets du champ des coordinats) et devient d'énergie comparable à celle du composé tétraédrique, l'atome tétracoordiné peut adopter les deux géométries, tétraédrique et plane ; toutes deux correspondent à des puits de potentiel. Il arrive alors que l'on puisse obtenir et isoler les deux formes, c'est-à-dire deux molécules de même composition, et présentant les mêmes connections interatomiques, mais différant par les angles interatomiques et donc dans leurs propriétés. Les composés  c, plan et diamagnétique, et  d, tétraédrique et paramagnétique, en sont un exemple : ils ont pu être séparés, conservent leur structure indéfiniment dans l'état solide, mais s'interconvertissent à un rythme rapide dès qu'ils sont mis en solution.