Les isomères constitutionnels sont des molécules qui ont la même formule moléculaire mais ils ont une connectivité différente des atomes dans les molécules. Le mieux est que j’illustre l’idée des isomères constitutionnels par un exemple. Supposons que nous ayons une molécule dont la formule moléculaire est C2H6O. La construction des structures de Lewis pour cette molécule révèle les deux possibilités pour les connexions des atomes :
Les deux molécules ci-dessus, l’éthanol (alcool éthylique) et l’éther diméthylique, sont des exemples d’isomères constitutionnels. Elles ont toutes deux exactement les mêmes atomes dans les mêmes proportions dans la molécule. Cependant, les liaisons entre ces atomes, ou en d’autres termes, la constitution de la molécule, sont différentes. Ce qui est important à propos des isomères constitutionnels, c’est de comprendre qu’il s’agit de molécules différentes et, par conséquent, qu’elles ont des propriétés différentes. Vous verrez des exemples d’isomères constitutionnels à de nombreuses reprises dans votre cours, il est donc très important de pouvoir les repérer.
Indice de déficience en hydrogène (IDH)ouDegré d’insaturation (DU)
Ces deux termes font référence à la même chose. Le terme exact que votre instructeur utilisera dépendra de ses préférences personnelles ou du choix du livre. Alors que l’IDH n’est généralement pas introduit avant que nous nous penchions sur la spectroscopie, je crois, c’est un outil très puissant à connaître au début du semestre. Et franchement, je ne comprends pas pourquoi il n’est pratiquement jamais enseigné ici. Quoi qu’il en soit, revenons à l’IDH et pourquoi c’est si cool.
L’IDH est un outil utile pour estimer les motifs structurels de la molécule. Fondamentalement, chaque degré d’insaturation ou unité HDI correspond soit à une liaison π, soit à un motif cyclique dans la molécule. Rappelons que les liaisons doubles et triples ont des liaisons π. La définition plus « correcte » de l’IDH est le nombre d’équivalents H2 nécessaires pour saturer la molécule afin qu’elle n’ait qu’une structure de liaisons simples à chaîne ouverte. Ce qui, si vous voulez mon avis, semble laid, donc je ne le répéterai plus jamais. 🤣
Regardons quelques exemples et voyons comment les caractéristiques moléculaires sont liées aux unités de l’IDH :
La combinaison des cycles et des liaisons doubles ou triples dans votre molécule vous donnera la valeur de HDI. Mais en quoi cela est-il utile pour les isomères constitutionnels ? Eh bien, puisque les isomères constitutionnels ont la même formule moléculaire, ils auront aussi les mêmes indices HDI ! Ainsi, si vous connaissez l’IDH d’une molécule, vous pouvez automatiquement dessiner différents isomères constitutionnels avec les motifs structurels corrects. Alors, existe-t-il un moyen de calculer l’IDH à partir de la formule moléculaire seule ? Il y en a certainement une !
Calculer l’IDH à partir de la formule moléculaire
Pour calculer l’IDH, nous utilisons une formule très simple. Vous pourriez vouloir la mémoriser car elle est très utile, surtout, si vous essayez de dessiner les isomères constitutionnels pour un tas de molécules différentes.
La formule que je montre ici a plusieurs formes différentes. Ainsi, si votre instructeur ou un manuel en utilise une différente, ne vous inquiétez pas, elles donnent toutes le même résultat. Personnellement, j’aime bien cette formule, alors je vais m’y tenir. Voyons quelques exemples utilisant cette formule :
Comme vous pouvez le voir, plus l’IDH est élevé, plus vous pouvez obtenir de possibilités pour les motifs structurels de votre molécule. Donc, bien qu’il s’agisse d’un outil puissant, ce n’est pas la formule de » réponse instantanée « , surtout lorsqu’il s’agit de molécules plus complexes.
Comment aborder les problèmes en utilisant la formule HDI
Donc, lorsque vous devez trouver les isomères constitutionnels possibles pour une molécule, la première chose que vous voulez regarder va être la formule moléculaire. De là, nous obtiendrons l’IDH et aurons une idée du genre de caractéristiques structurelles à rechercher dans notre molécule.
Venons-en à tous les isomères constitutionnels possibles pour une molécule de formule moléculaire C3H6O.
Etape 1 : Calculer l’IDH à partir de la formule moléculaire
Sur la base de notre IDH, nous savons que cette molécule doit contenir une double liaison ou un cycle. Mais pas ces deux éléments ensemble puisque l’IDH = 1.
Étape 2 : Dessiner les isomères constitutionnels possibles en partant des molécules linéaires (les plus simples)
D’abord, je pars toujours avec les structures linéaires possibles pour mes isomères constitutionnels.
Pour faciliter les choses, je vous suggère de venir avec le noyau de la structure puis d’ajouter le nombre d’hydrogènes nécessaires. Faites attention à ne pas en ajouter trop et soyez cohérent avec les modèles de liaison que nous observons normalement dans les molécules organiques !
Après avoir terminé avec les molécules linéaires, il est temps de voir si nous pouvons faire des branches sur le côté à partir des atomes du noyau que nous avons en main :
Et enfin, nous pouvons voir s’il existe des structures cycliques que nous pouvons assembler :
En utilisant cette approche simple, nous pouvons rapidement et efficacement passer en revue les possibilités avec un très faible risque de manquer des structures. Bien que le nombre d’isomères constitutionnels possibles croisse de façon exponentielle avec le nombre d’atomes dans la molécule, je ne pense pas que votre instructeur vous donne quelque chose qui aurait plus d’une douzaine de structures sur le test. Cependant, une molécule avec 5 à 7 isomères constitutionnels est un jeu équitable ! Comme vous pouvez le voir, la molécule ci-dessus en compte 9, et j’ai vu cette même molécule dans quelques tests des années précédentes. De plus, faites très attention si votre instructeur demande seulement les isomères constitutionnels ou tous les isomères possibles. Si nous ne nous limitons pas aux cas simples, vous devrez également vérifier la stéréochimie, qui est une nouvelle couche de complexité. Je vais en parler une autre fois cependant.