Thème :
Structure et transformation de la matière, représentation spatiale des molécules
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Type de ressources :
Activité documentaire ou TP
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Notions et contenus :
Formule topologique, formule semi-développée et formule brute des molécules organiques ; groupes caractéristiques
Représentation de Cram ; chiralité : définition ; carbone asymétrique ; chiralité des acides -aminés
Enantiomérie ; diastéréoisomérie Z/E
Propriétés biologiques et stéréoisomérie
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Compétence travaillée ou évaluée :
Reconnaître des espèces chirales à partir de leur représentation
Utiliser la représentation de Cram
Identifier les atomes de carbone asymétriques d’une molécule donnée
A partir d’un modèle moléculaire ou d’une représentation, reconnaître si des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères
Associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcools, ester, cétone, acide carboxylique, amine, amide
Connaître les règles de nomenclature
Mobiliser ses connaissances ; rechercher, extraire et organiser l’information utile
Mener une recherche documentaire ; recueillir des informations
Utiliser des modèles moléculaires
Apprendre à sentir des espèces chimiques en toute sécurité
Aide à l’orientation
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Nature de l’activité :
Activité documentaire* et expérimentale**
*utilisation et recherche de documents
** construction de modèles moléculaires ; photographie d’image spéculaire ; sentir des molécules odorantes
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Résumé :
A partir de l’odeur de quelques espèces chimiques, éveiller la curiosité des élèves et susciter de l’intérêt pour la stéréochimie, notion qui, à priori, peut paraître peu attirante. Cette activité (classe entière, TP ou à la maison) permet de réinvestir des compétences (représentations des molécules organiques ; groupes caractéristiques) et de mettre en évidence l’importance de la chiralité dans le monde du vivant.
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Mots clefs :
Chiralité ; carbone asymétrique ; énantiomérie ; formule topologique ; acide -aminé ; parfum ; huile essentielle ; médicament ; aide à l’orientation
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Académie où a été produite la ressource : Grenoble
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Physique – chimie
Terminale S
Un parfum d’isomérie
« Mais, quand d'un passé ancien rien ne subsiste, après la mort des êtres, après la destruction des choses, seules, plus frêles et plus vivaces, immatérielles, plus persistantes, plus fidèles, l'odeur et la saveur restent encore longtemps, comme des âmes, à se rappeler, à attendre, à espérer, sur la ruine de tout le reste, à porter sans fléchir, sur leur gouttelette presque impalpable, l'édifice immense du souvenir. »
Marcel Proust – Du côté de chez Swann – 1913
« Que peut-il y avoir de plus semblable, de plus égal en tout point, à ma main ou à mon oreille, que leur image dans un miroir ? Et pourtant je ne puis substituer à son modèle la main telle qu'elle est vue dans le miroir ; car si c'était une main droite, l'autre dans le miroir est une main gauche, et l'image de l'oreille droite est oreille gauche qui ne peut davantage tenir la place de l'autre. »
Emmanuel Kant – Prolégomènes à toute métaphysique future qui pourra se présenter comme science - 1783
Si, jusqu’à ce jour, aucune théorie de l’odeur (théorie qui permettrait de relier la formule d’une molécule à une odeur donnée) ne s’est révélée suffisamment fiable, on a su faire tout de même quelques constatations quant aux propriétés structurales des molécules odorantes. L’architecture moléculaire, c’est-à-dire les propriétés d’isomérie, est le facteur le plus important en ce qui concerne les qualités d’une odeur.
D’après Chimie des couleurs et des odeurs
Le tableau suivant illustre par quelques exemples cette notion :
nom de la molécule
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formule topologique
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formule semi-développée
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formule brute
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odeur
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bonbon goût banane
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acide heptanoïque
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désagréable à relent gras
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fleurie de jacinthe
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verdurée de concombre
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vanilline
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vanille
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isovanilline
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aucune
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(D)-asparagine
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goût sucré
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(L)-asparagine
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insipide
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(R)-limonène
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citron, térébenthine
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(S)-limonène
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orange
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(R)-(E)--ionone
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fruitée, framboise,
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(S)-(E)--ionone
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Violette (solution diluée)
boisée, bois de cèdre (en solution concentrée)
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Données supplémentaires :
les trois noms des molécules manquants sont : alcool cinammique, acétate d’isoamyle, 3-phénylpropanal ;
l’acide heptanoïque et l’acétate d’isoamyle sont isomères.
Questionnement possible et ressources documentaires
Compléter toutes les cellules vides du tableau.
Justifier vos choix dans le cas :
de la formule semi-développée de l’acide heptanoïque ;
de l’attribution des trois noms manquants.
Entourer et nommer les groupes caractéristiques de chaque molécule.
a) Rappeler la définition d’isomères.
Donner les six couples d’isomères.
L’asparagine
A quelle famille de molécules appartient l’asparagine ?
Qu’est-ce qui différencie la (L)-asparagine de la (R)-asparagine ?
Indiquer, par un astérisque, l’atome dont la configuration dans l’espace est différente dans ces deux molécules.
Construire le modèle moléculaire des deux isomères de l’asparagine en s’intéressant principalement au carbone désigné par l’astérisque ; pour cela, représenter :
le groupe – COOH par une sphère rouge ;
le groupe – NH2 par une sphère bleue ;
le groupe – CH2 – CO – NH2 par une sphère verte
l’atome d’hydrogène – H par une sphère blanche.
Les deux modèles moléculaires sont-ils identiques (autrement dit, peut-on les superposer) ?
Observer l’image donnée par un miroir de la (L)-asparagine. Prendre une photo de la situation. Comparer l’image de la (L)-asparagine avec la (D)-asparagine. Conclure.
Recopier puis compléter le schéma ci-dessous (représentation de Cram) en y ajoutant les sphères colorées. Que représente le triangle plein ? le triangle hachuré ?
(L) – asparagine
(D) – asparagine
Chercher (dans votre manuel, dans une encyclopédie, sur internet, …) le nom que l’on donne :
à ce type de molécules ;
au carbone responsable de cette particularité ;
a) L’-ionone présente deux types d’isomérie de configuration ; lesquels ?
b) Le limonène présente-t-il ces deux types d’isomérie ? Justifier.
La chiralité joue un rôle important dans tous les domaines de la chimie, notamment dans le domaine pharmaceutique où de nombreux principes actifs sont chiraux.
Parmi les trois antalgiques suivants, repérer par un astérisque (*) le ou les carbone(s) asymétrique(s).
 
aspirine
(acide acétylsalicylique)
paracétamol
ibuprofène
L’essence d’ylang-ylang, encore appelée huile de Cananga, dégage un parfum tout à la fois floral, épicé, exotique, puissant, camphré, médicamenteux et légèrement fruité. Cette essence est destinée à la préparation de certains parfums de luxe, de produits cosmétiques et de produits destinés à l’aromathérapie. Cet arôme a été rendu célèbre en 1926 par Coco Channel […]. Il rentre aujourd’hui dans les notes de base de nombreux parfums. En aromathérapie, il est considéré comme sédatif, antiseptique, hypotensif et aphrodisiaque.
D’après Wikipedia
Voir aussi la petite animation : http://www.universcience.tv/media/3623/y-comme-ylang-ylang.html
L’huile essentielle d’ylang-ylang, contient, entre autres, de l’isocaryophyllène :
Sachant que cette molécule a pour formule brute C15H24, qu’elle possède un cycle à 9 carbones et deux doubles liaisons C=C, déterminer sa formule topologique et repérer par un astérisque les deux carbones asymétriques.
isocaryophyllène
La molécule ci-dessous, le Taxotère® (ou docétaxel), est un puissant anticancéreux. Il a été obtenu par hémisynthèse à partir de molécules contenues dans les aiguilles d’if européen. Cette molécule contient 11 carbones asymétriques … à vous de la retrouver !
A propos des résultats obtenus en recherche fondamentale permettant une meilleure compréhension de l’olfaction et de la relation structure / odeur :
« [..] ces avancés sont cruciales pour les animaux et en particulier les insectes pour lesquels les odeurs jouent un rôle très important et encore mal connu dans le comportement (reproduction, alimentation, reconnaissance, etc.). L’usage de composés odorants, non toxiques, perçus par les animaux à des doses infimes pourrait offrir une alternative à celui des pesticides dans la lutte contre les insectes ravageurs ou propagateurs de maladies. »
D’après l’actualité chimique – août-septembre 2005 – n°289
Qu’est-ce qu’une phéromone ?
Dans le domaine agricole, quel peut être l’intérêt d’utiliser ces phéromones ?
Aide à l’orientation : en quelques lignes, vous donnerez des informations sur les métiers de parfumeur(euse) et aromaticien(ne) (compétences requises, type d’études, nature du travail, …).
Pour cela, vous pourrez vous aider des sites suivants :
Quelques remarques destinées aux professeurs :
Cette activité peut être envisagée, pour partie ou complètement, en classe et / ou à la maison. Pour cette deuxième option, il suffit de prêter aux élèves quatre sphères colorées et les bâtonnets de liaison correspondants. En classe, les élèves peuvent utiliser leur téléphone portable pour prendre la photo du modèle moléculaire et de son image spéculaire.
Matériel nécessaire : boîte de modèles moléculaires ; miroir ; ordinateur ; facultatif : échantillon de différentes espèces chimiques odorantes avec mouillette de parfumeur.
Si certaines des espèces chimiques sont disponibles au lycée, elles peuvent être senties (avec une mouillette) ou, dans le cas de l’asparagine, goûtées (si l’asparagine est de qualité alimentaire) : la dernière colonne du tableau peut alors être complétée par les élèves.
Toutes ces molécules (formules 2D, 3D ; propriétés ; spectres ; …) sont accessibles sur le site Chemspider : http://www.chemspider.com/.
Bibliographie :
Les formules topologiques et semi-développées du tableau ont été réalisées grâce au logiciel gratuit Chemsketch : http://www.acdlabs.com/download/
Dans le livre Chimie des couleurs et des odeurs, sont décrites :
les extractions du limonène de l’orange et du citron, avec les spectres IR et RMN et la mesure du pouvoir rotatoire : cette dernière mesure montre que l’essence d’orange est composée de (R)-(+)-limonène presque pur alors que l’essence de citron contient 82% de (R)-(+)-limonène et 18% de (S)-(–)-limonène ;
la synthèse de la (R)-(–)-carvone à partir du (R)-(+)-limonène, avec, là aussi, les spectres IR et RMN et la mesure du pouvoir rotatoire ; la (R)-(–)-carvone se retrouve dans les essences de menthe verte alors que la (S)-(+)-carvone se trouve dans le cumin et l’aneth.
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