Aller au contenu

Formule topologique

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Page d’aide sur l’homonymie

À ne pas confondre avec la notion d'espace topologiqueenmathématiques.

Représentation topologique de la clérodine.

Laformule topologiqueest une représentation moléculaire simplifiée utilisée enchimie organiqueet développée par le chimiste organicienFriedrich Kekulé.Une formule topologique fait abstraction de la représentation des atomes decarboneet d'hydrogènepour ne montrer que la structure du squelette.

Le squelette

[modifier|modifier le code]

Le squelette d'uncomposé organiqueest la chaîne d'atomesqui, connectés les uns aux autres, forme l'essentiel de la structure du composé représenté alors que lesgroupes fonctionnelssont considérés comme des substituants (des « rajouts ») du squelette. Ce squelette peut comporter une ou plusieurs chaînes, branches ou cycles. Les atomes autres que lecarboneet l'hydrogènesont appeléshétéroatomes[1].

Un composé organique a des atomes d'hydrogène ou d'autres substituants connectés aux atomes de carbone. L'hydrogène est l'atome le plus couramment lié à un atome carbone et n'est pas explicitement représenté. Les hétéroatomes et les groupements d'atomes sont appelés « groupes fonctionnels ». Ils sont connus sous le terme général de substituant, car ils remplacent un atome d'hydrogène qui aurait pu être présent à la même place.

Carbone et hydrogène implicites

[modifier|modifier le code]

Dans l'image ci-dessous, par exemple, la formule topologique de l'hexaneest représentée. Le carbone marqué C1 n'a qu'une seuleliaison.Il doit donc y avoir trois atomes d’hydrogène aussi liés à cet atome de carbone, pour respecter lavalencede quatre. Le carbone C3 a deux liaisons explicites à deux autres atomes de carbone. Il doit donc être aussi lié à deux atomes d’hydrogène. Une représentationboules et bâtonsde la même molécule d'hexane est montrée pour comparaison. Les atomes de carbone sont représentés par des boules noires, et les atomes d’hydrogène par des boules blanches.

Formule topologique de l'hexane.
Formule topologique de l'hexane.
Représentation en 3D de l'hexane. Noir : Carbone, Blanc : Hydrogène.
Représentation en 3D de l'hexane. Noir: Carbone, Blanc: Hydrogène.

Les atomes d’hydrogène liés à un atome autre qu'un carbone sont explicitement représentés. Dans l'éthanol,C2H5OH, par exemple, l'atome d'hydrogène lié à l'oxygène est signalé par le symbole H, alors que les autres atomes d’hydrogène liés aux atomes de carbone ne seront pas représentés. Les lignes représentant les liaisons hétéroatome-hydrogène sont généralement omises pour plus de clarté. Ainsi le groupementhydroxyleest généralement écrit -OH et non -O-H. Elles peuvent toutefois être représentées lorsque leur présence permet d'expliciter unmécanisme.

L'image ci-dessous est une comparaison des différentes représentations de la molécule d'éthanol, à gauche la représentation tridimensionnelle, au centre la formule développée et à droite la formule topologique.

Hétéroatomes

[modifier|modifier le code]

Tous les atomes qui ne sont pas des carbone ou des hydrogène, appeléshétéroatomes,sont représentés par leur symbole chimique: O pour l'oxygène,N pour l'azoteou encore Cl pour lechlorepar exemple. Lessymboles chimiquessont toujours écrits avec une majuscule sur le premier caractère et une minuscule pour le second (seuls les éléments artificiels non encore nommés portent un troisième caractère qui est aussi en minuscule); c'est ce que l'on appelle lacasse.Cela signifie que, même dans une phrase écrite entièrement en majuscules, le symbole d'un élément doit obéir à ces règles de casse.

Contrairement aux atomes de carbone et d'hydrogène, les hétéroatomes sont toujours représentés avec les atomes d'hydrogène qu'ils portent, s'il y en a, mais on utilise une présentation compacte, c'est-à-dire qu'on représente rarement les liaisons chimiques entre l'hétéroatome et ses atomes d'hydrogène.

Groupements d'atomes

[modifier|modifier le code]

Des groupements d'atomes sont des formules semi-développées attachées à la structure topologique du squelette carboné pour des raisons de clarté et/ou pour diminuer la taille de l'objet représenté. On utilise beaucoup d'abréviations dans ce domaine à la place de formules semi-développées fausses ou ambiguës.

Éléments

[modifier|modifier le code]

On note certains atomes ou certaines familles d'atomes par une abréviation:

  • X pour un atome d'halogène(F, Cl, Br ou I);
  • M pour n'importe quel atome métallique;
  • D pour ledeuterium,ou2H;
  • T pour letritium,ou3H.

Groupes fonctionnels

[modifier|modifier le code]

Lesgroupes fonctionnelssont représentés sous une forme semi-développée, une abréviation, ou un mélange des deux. L'ordre des atomes et des abréviations est différent selon que le groupe est à gauche ou à droite du squelette car l'atome/groupe le plus proche du squelette est celui qui est considéré comme formant une liaison avec le squelette. Dans l'exemple ci-dessous, les structures1,2et3sont parfaitement identiques chimiquement mais on peut remarquer que dans1,les deux groupesacétate(AcO ouacyloxy) sont écrits différemment à gauche et à droite du cyclecyclohexane.Ceci s'explique par le fait que c'est l'atome d'oxygène qui forme une liaison avec le cycle (ce qui est bien visible dans2et3) et c'est donc lui qui doit apparaître dans la liaison oxygène-cycle. À gauche, on note dans l'ordre Ac–O–cyclealors qu'à droite on écritcycle–O–Ac.

Écrire un groupe dans une représentation topologique.
Écrire un groupe dans une représentation topologique.

Sur ce même schéma (exemple (a)), on peut remarquer la façon de définir une abréviation, bien que ce ne soit pas nécessaire dans ce cas: en notation linéaire, le tiret est utilisé pour indiquer l'atome avec lequel se forme la liaison; en notation « topologique », on utilise plutôt une liaison en zigzag (ou en vagues) pour indiquer cet atome.

Groupements alkyle et aryle

[modifier|modifier le code]

Les groupements alkyle et aryle sont des structures d'atomes principalement constituées de carbone et d'hydrogène mais qui ne sont pas utiles à la discussion autour du squelette qui a été choisi. On les note soit:

  • R pour un groupe alkyle;
  • Ar pour un groupe aryle.

La différence entre les deux est que si le premier atome de R ou Ar est aromatique, alors on utilise « Ar », sinon on utilise « R ». Par exemple, R–OH est la formule générale d'unalcool,alors que Ar–OH est la formule générale d'unphénol.

Groupements alkyle

[modifier|modifier le code]

Au lieu de l'abréviation R, on peut utiliser:

Substituants aromatiques

[modifier|modifier le code]

Autres

[modifier|modifier le code]
  • Ac pour le groupementacétyle
  • Bs pour le groupementbrosyle
  • Ns pour le groupementnosyle
  • Bz pour le groupementbenzoyle
  • Tf pour le groupementtriflyle
  • Ms pour le groupementmésyle
  • Ts pour le groupementtosyle(parfois précédé deo,m,ppour spécifier l'isomère; par défaut, il s'agit de l'isomèrepara)

Liaisons multiples

[modifier|modifier le code]

Deux atomes peuvent être liés par plus d'une paire d'électrons.L’atome de carbone peut former des liaisons simples,doublesoutriples.Lesliaisons simplessont représentées par un seul trait plein entre deux atomes. Lesdoubles liaisonssont formées de deux traits parallèles, et lestriples liaisonsde trois. Dans certaines théories avancées, des valeurs non-entières d'ordre de liaisonexistent. Dans ces cas, une combinaison de traits pleins et en pointillés indique respectivement les parts entière et non-entière de la liaison.

N.B.:dans ces illustrations, les doubles liaisons sont marquées en rouge et les triples en bleu. Ceci a été ajouté pour plus de clarté: les liaisons multiples ne sont normalement pas colorées lors d'une représentation sous forme topologique.

Les liaisons doubles forcent les groupes à être d'un côté ou de l'autre de la double liaison. Lorsqu'il n'y a qu'un seul groupe de chaque côté, on peut utiliser la notationcis,trans,sinon il faut utiliser la nomenclature généraleE,Z.

Benzène et cycles aromatiques

[modifier|modifier le code]

Benzène avec un cercle. Les cyclesbenzéniquessont communément trouvés dans les composés organiques. Pour représenter ladélocalisationdes électrons sur les six carbones du cycle, un cercle est dessiné à l'intérieur de l'hexagone formé par les liaisons simples.

Structure du benzène selon Kékulé. Un autre style est la représentation selonKekulé.Bien qu'elle puisse être considérée comme imprécise, puisqu'elle implique la présence fixe de trois liaisons simples et de trois doubles (le benzène serait alors le 1,3,5-cyclohexatriène), tous les chimistes sont pleinement conscients du phénomène de délocalisation dans le benzène. Les structures de Kékulé sont principalement utilisées pour expliciter desmécanismes réactionnels. Ces deux représentations peuvent s'appliquer à tous les cyclesaromatiques,tels que lapyridine.

Stéréochimie

[modifier|modifier le code]

La représentation de lastéréochimied'une molécule suit des règles définies[2]:

  • les traits pleins signifient que la liaison se trouve dans le plan du papier ou de l'écran;
  • les liaisons en gras (noir) représentent une liaison qui sort au-dessus du plan, vers l'observateur;
  • les traits en pointillés montrent une liaison qui sort en dessous du plan, s'éloigne de l'observateur;
  • les traits simples sur uncentre asymétriquereprésentent soit des liaisons dont l'orientation n'est pas connue, soit un mélange destéréoisomères.Les vagues, initialement prévues pour les double liaisons (voir ci-dessous), ont peu à peu pris le pas pour mieux mettre en évidence le caractère inconnu d'un centre asymétrique.
  • 2-chloro-2-fluoropentane.
    2-chloro-2-fluoropentane.
  • La formule topologique du 2-chloro-2-fluoropentane représentant la stéréochimie.
    La formule topologique du 2-chloro-2-fluoropentane représentant la stéréochimie.
  • Représentation topologique de l'amphétamine, mélange des deux stéréoisomères R et S.
    Représentation topologique de l'amphétamine,mélange des deux stéréoisomèresRetS.

Une formule topologique peut aussi définir les isomèrescisettransouZetEdesalcènes.Contrairement à d'autres centres asymétriques, le simple fait d'orienter une simple liaison d'un côté ou de l'autre de la double liaison signifie que l'on sait que la double liaison est de configurationEouZ,or cela n'est pas toujours le cas. Ceci a mené à l'invention de deux notations différentes: la double liaison croisée et la liaison en vagues (ou en zigzag). Dans la mesure où la liaison en vagues a plus réussi à séduire, même pour d'autres utilisations (voir ci-dessus), c'est devenu la règle et la double liaison croisée est maintenant déconseillée selon les normesIUPAC[2].

Stéréochimie des alcènes.

Liaisons partielles

[modifier|modifier le code]

Liaisons hydrogène

[modifier|modifier le code]

Lesliaisons hydrogènesont parfois représentées par une ligne en pointillés. En fait, celle-ci représente plutôt uneliaison électrostatique,mais la liaison hydrogène fait partie de cette catégorie.

Demi-liaisons

[modifier|modifier le code]

Il arrive souvent que certaines liaisons correspondent, d'après les observations et/ou les calculs, à des liaisons dites « demi-entières » d'ordre 0,5 ou 1,5 en général. C'est notamment le cas dans lebenzène.On observe expérimentalement que les six liaisons sont équivalentes: ce ne sont donc pas trois liaisons simples et trois liaisons doubles (formule de Kékulé) mais bien six liaisons qui sont, en moyenne, des «1,5 liaisons» (ordre 1,5). On dessine alors chaque liaison comme une liaison double mais avec l'un des deux traits dessiné en pointillés.

Notes et références

[modifier|modifier le code]
  1. ↑(en)IUPAC Recommendations 1999, Revised Section F:Replacement of Skeletal Atoms.
  2. ↑aetb(en)J. Brecher, «Graphical representation of stereochemical configuration (IUPAC Recommendations 2006)»,Pure Appl. Chem.,vol.78,no10,‎,p.1897–1970(DOI10.1351/pac200678101897,lire en ligne).

Voir aussi

[modifier|modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia:

Articles connexes

[modifier|modifier le code]
v·m
Non spécifiques à la chimie organique
Spécifiques à la chimie organique
Modélisation moléculaire
Ce document provient de «https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Formule_topologique&oldid=204825876».