20.6: Stéréoisomérie

Isomérisme dans les complexes

Les isomères sont des espèces chimiques différentes qui ont la même formule chimique.

Les complexes de métaux de transition existent souvent en tant qu'isomères géométriques, dans lesquels les mêmes atomes sont reliés par les mêmes types de liaisons mais avec des différences au niveau de leur orientation dans l'espace. Des complexes de coordination avec deux ligands différents dans les positions cis et trans d'un ligand d'intérêt forment des isomères. Par exemple, l'ion octaédrique [Co(NH₃)₄Cl₂]⁺ possède deux isomères (figure 1). Dans la configuration cis, les deux ligands chlorure sont adjacents l'un à l'autre. L'autre isomère, la configuration trans, a les deux ligands chlorure directement l'un en face de l'autre.

Figure 1. Les isomères cis et trans de [Co(H₂O)₄Cl₂]⁺ contiennent les mêmes ligands liés au même ion métallique, mais la disposition spatiale fait que ces deux composés ont des propriétés très différentes.

Les différents isomères géométriques d'une substance sont des composés chimiques différents. Ils présentent des propriétés différentes, même s'ils ont la même formule. Par exemple, la couleur des deux isomères de [Co(NH₃)₄Cl₂]NO₃ est différente ; la forme cis est violette et la forme trans est verte. De plus, ces isomères ont des moments dipolaires, des solubilités et des réactivités différentes. Comme exemple de la façon dont la disposition dans l'espace peut influencer les propriétés moléculaires, considérons la polarité des deux isomères de [Co(NH₃)₄Cl₂]NO₃. Rappelez-vous que la polarité d'une molécule ou d'un ion est déterminée par les dipôles de liaison (qui sont dus à la différence d'électronégativité entre les atomes liants) et leur disposition dans l'espace. Dans un isomère, les ligands chlorure cis provoquent plus de densité électronique d'un côté de la molécule que de l'autre, ce qui la rend polaire. Pour l'isomère trans, chaque ligand se trouve directement en face d'un ligand identique, de sorte que les dipôles de liaison s'annulent et que la molécule est apolaire.

Un autre type important d'isomères sont les isomères optiques, ou énantiomères, dans lesquels deux objets sont les images miroir exactes l'un de l'autre mais ils ne peuvent pas être alignés de sorte que toutes les parties correspondent. Cela signifie que les isomères optiques sont des images dans un miroir non superposables. Un exemple classique de ceci est une paire de mains, dans laquelle la main droite et la main gauche sont les images miroir de l'autre mais ne peuvent pas être superposées. Les isomères optiques sont très importants en organique et en biochimie parce que les systèmes vivants incorporent souvent un isomère optique précis et non l'autre. Contrairement aux isomères géométriques, les paires d'isomères optiques ont des propriétés presque identiques (point d'ébullition, polarité, solubilité, etc.). Les isomères optiques ne diffèrent que dans la façon dont ils impactent la lumière polarisée et dans la façon dont ils réagissent avec d'autres isomères optiques. Pour les complexes de coordination, de nombreux composés de coordination tels que [M(en)₃]ⁿ⁺ [dans lequel Mⁿ⁺ est un ion métallique central comme le fer(III) ou le cobalt(II)] forment des énantiomères, comme le montre la figure 2. Ces deux isomères vont réagir différemment avec d'autres isomères optiques. Par exemple, les hélices de l'ADN sont des isomères optiques, et la forme qui se trouve dans la nature (ADN dextrogyre) se lie à un seul isomère de [M(en)₃]ⁿ⁺ et non à l'autre.

Figure 2. Le complexe [M(en)₃]ⁿ⁺ (Mⁿ⁺ = un ion métallique, en = éthylènediamine) a une image miroir non superposable.

L'ion [Co(en)₂Cl₂]⁺ présente un isomérisme géométrique (cis/trans), et son isomère cis existe comme une paire d'isomères optiques (figure 3).

Figure 3. Il existe trois formes isomériques de [Co(en)₂Cl₂]⁺. L'isomère trans, formé lorsque les chlores sont positionnés à un angle de 180°, a des propriétés très différentes des isomères cis. Les images miroir de l'isomère cis forment une paire d'isomères optiques qui ont un comportement identique, sauf lorsqu'ils réagissent avec d'autres énantiomères.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Chapitre 19.2 Chimie de coordination des métaux de transition.

Les stéréoisomères des composés de coordination sont des molécules qui ont le même formule chimique et la même connectivité des ligands à l'atome de métal mais diffèrent dans la disposition des molécules de ligand autour de l'atome central. Basé sur la structure moléculaire, stéréoisomères des composés de coordination sont classés comme isomères géométriques ou isomères optiques. Les isomères géométriques sont des stéréoisomères qui ont des géométries moléculaires complètement différentes et existent avec des propriétés physiques et chimiques distinctes.

Les isomères cis-trans sont un exemple d'isomères géométriques. Ils apparaissent dans des complexes carrés-plans avec deux ensembles de deux ligands identiques, ou MA₂B₂, et dans des complexes octaédriques avec un ensemble de quatre ligands identiques et une paire d'un autre ligand, ou MA₄B₂. Par exemple, dans l'isomère cis du complexe carré-planaire diamminedichloroplatinum appelé cisplatine, les ligands chlorure sont adjacents les uns aux autres et du même côté de la molécule.

Dans l'isomère trans, la transplatine, les ligands chlorure sont sur les côtés opposés de la molécule. Les complexes octaédriques avec deux ensembles de trois ligands identiques ou MA₃B₃, peuvent présenter un autre type d'isomérie, connue sous le nom d'isomérie fac-mer. Par exemple, dans l'isomère fac de triamminetrichlorocobalt les trois ligands amine et trois ligands chlorure sont sur les côtés opposés de la molécule et forment ainsi des faces opposées de l'octaèdre.

Dans l'isomère mer, trois des mêmes ligands forment un arc autour de l'atome métallique central. L'autre classe de stéréoisomères est définie comme les isomères optiques. Comme nos mains, les isomères optiques sont des images miroir des uns des autres et sont non superposables.

Ces isomères, également appelés énantiomères, sont décrits comme chiraux et présentent très peu de différences dans leurs propriétés physiques et chimiques. Les isomères optiques sont distingués par leur interaction avec la lumière polarisée dans le plan. La lumière polarisée a des vecteurs de champ électrique oscillant dans un seul plan, qui est tourné d'une certaine quantité lorsque la lumière polarisée passe par une solution d'un énantiomère.

Par exemple, un énantiomère de tris cobalt fait pivoter le plan vers la droite et est appelé dextrogyre, ou l'isomère optique d. L'autre énantiomère fait tourner le plan vers la gauche et est appelé lévogyre, ou isomère optique.