1.4. Structures représentatives | Chimie organique 1 : Un manuel ouvert (2024)

Introduction au dessin de structure

Observez les schémas suivants de la structure derétinol, la forme la plus courante de vitamine A. Le premier dessin suit une structure basée sur Lewis, ce qui est utile lorsque vous souhaitez examiner chaque atome ; cependant, montrer tous les atomes d'hydrogène rend difficile la comparaison de la structure globale avec d'autres molécules similaires et rend difficile la concentration sur les doubles liaisons et le groupe OH.

Ce qui suit est une formule squelettique (alias angle de ligne) pour le rétinol. Avec cette représentation simplifiée, on peut facilement voir les liaisons carbone-carbone, les doubles liaisons, le groupe OH et CH₃groupes qui sortent de l'anneau principal et de la chaîne. De plus, il est beaucoup plus rapide de dessiner ceci que celui ci-dessus.

Importance de la structure

Apprendre et pratiquer les bases de la chimie organique vous aidera énormément à long terme à mesure que vous apprendrez de nouveaux concepts et réactions. Certaines personnes disent que la chimie organique est comme un autre langage, et à certains égards, c'est le cas. Au début, cela peut sembler difficile ou écrasant, mais plus vous vous entraînerez à regarder et à dessiner des molécules organiques, plus vous vous familiariserez avec les structures et les formules. Une autre bonne idée est d'obtenir un kit de modèle et de fabriquer physiquement les molécules que vous avez du mal à imaginer dans votre tête.

Grâce à la chimie générale, vous avez peut-être déjà étudié la structure moléculaire. Les différentes façons de dessiner des molécules organiques comprennentType Lewis,formules condensées, etformules squelettiques. Il sera plus utile si vous devenez à l'aise de passer d'un style de dessin à un autre, et regardez les dessins et comprenez ce qu'ils signifient, que de savoir quel type de dessin est nommé quoi.

Un exemple de dessin qui intègre les trois façons de dessiner des molécules organiques serait le dessin supplémentaire suivant de rétinol. La majorité du dessin utilise la formule squelettique, mais le -CH₃sont écrits sous forme de formules condensées, et le groupe -OH est écrit sous forme de type Lewis.

Dessiner la structure des molécules organiques

Bien que les molécules plus grosses puissent sembler compliquées, elles peuvent être facilement comprises en les décomposant et en examinant leurs composants plus petit*.

Tous les atomes veulent avoir leur coquille de valence pleine, une « coquille fermée ». L'hydrogène a une coque pleine avec seulement 2 e^–alors que le carbone, l'oxygène et l'azote veulent avoir 8 e^–(un « octuor »). Lorsque vous examinez les différentes représentations des molécules, gardez à l'esprit lesRègle de l'octet. Rappelez-vous également que l'hydrogène peut se lier une fois, l'oxygène peut se lier jusqu'à deux fois, l'azote peut se lier jusqu'à trois fois et le carbone peut se lier jusqu'à quatre fois.

Type Lewis

Les structures de type Lewis sont similaires aux structures traditionnellesOuvrages de Lewis, mais au lieu que les liaisons covalentes soient représentées par des points d'électrons, les deux électrons partagés sont représentés par une ligne.

(UN)

(B)

(C)

Les paires isolées restent comme deux points d'électrons, mais elles sont généralement laissées de côté même si elles sonttoujours là. Remarquez comment les trois paires d'électrons isolées n'ont pas été attirées autour du chlore dans l'exemple B.

Formules condensées

Une formule condensée est composée des symboles élémentaires. L'ordre des atomes suggère la connectivité. Les formules condensées peuvent être lues dans les deux sens et H₃C est le même que CH₃, bien que ce dernier soit plus courant car Regardez les exemples ci-dessous et associez-les à leur molécule identique sous les structures de Kekulé et les formules de liaison.

(A)CH₃CH₂OH (B) ClCH₂CH₂CH(OH₃)CH₃(C) H₃CNHCH₂COOH

Examinons attentivement l'exemple B. Lorsque vous parcourez une formule condensée, vous souhaitez vous concentrer sur les carbones et les autres éléments qui ne sont pas de l'hydrogène. Les hydrogènes sont importants, mais sont généralement là pour compléter les octets. Notez également le -OCH₃est écrit entre parenthèses, ce qui vous indique qu'il ne fait pas partie de la chaîne principale de carbones. Lorsque vous lisez une formule condensée, si vous atteignez un atome qui n'a pas un octet complet au moment où vous atteignez l'hydrogène suivant, il est possible qu'il y ait des liaisons doubles ou triples. Dans l'exemple C, le carbone est doublement lié à l'oxygène et simplement lié à un autre oxygène. Remarquez comment COOH signifie C(=O)-O-H au lieu de CH₃-C-O-O-H car dans cette dernière structure le carbone n'a pas d'octet complet et d'oxygènes.

Formules squelettiques

En raison des liaisons typiques (plus stables) que les atomes ont tendance à créer dans les molécules, les chaînes squelettiques finissent souvent par ressembler à des lignes en zigzag. Si vous travaillez avec un kit de modèles moléculaires, vous aurez du mal à faire coller des molécules droites (à moins qu'elles ne contiennentsptriples liaisons), alors que les molécules et les liaisons en zigzag sont beaucoup plus réalisables.

(UN)

(B)

(C)

Ces molécules correspondent exactement aux mêmes molécules représentées pour les structures de type Lewis et les formules condensées. Remarquez comment les carbones ne sont plus attirés et sont remplacés par les extrémités et les coudes d'une ligne. De plus, les hydrogènes ont été omis, mais pourraient être facilement aspirés (voir problèmes pratiques). Bien que nous n'attirons généralement pas les H qui sont liés au carbone, nous les attirons s'ils sont connectés à d'autres atomes que le carbone (l'exemple est le groupe OH ci-dessus dans l'exemple A). Ceci est fait parce qu'il n'est pas toujours clair si l'atome non-carbone est entouré de paires isolées ou d'hydrogènes. Toujours dans l'exemple A, notez comment le OH est dessiné avec une liaison au deuxième carbone, mais cela ne signifie pas qu'il y a un troisième carbone à la fin de cette liaison/ligne.

Les références

3. Vollhardt, K. Peter C. et Neil E. Schore.Chimie organique : structure et fonction. 5e éd. New York : W.H. Freeman Company, 2007. 38-40.

4. Klein, David R.Chimie organique I comme langue seconde. . . . 2e éd. Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons, Inc., 2007. 1-14.

Liens externes

• Stéréochimie:http://en.wikipedia.org/wiki/Stereochemistry
• Rétinol :http://en.wikipedia.org/wiki/Rétinol
• Règle de l'octet:http://en.wikipedia.org/wiki/Octet_rule
• Ouvrages de Lewis :http://chemwiki.ucdavis.edu/index.php?title=Wikitexts/UCD_Chem_118A/ChemWiki_Module_Topics_for_Chem_118B/Lewis_Structures&highlight=lewis+structures
• orbitales hybrides sp :http://chemwiki.ucdavis.edu/index.php?title=Wikitexts/UCD_Chem_118A/ChemWiki_Module_Topics_for_Chem_118B/Hybrid_Orbitals&highlight=sp
• Pour dessiner des molécules organiques sur ordinateur :https://www.chemdoodle.com/

Nom IUPAC

Traditionnellement, un nom chimique était essentiel lorsqu'une représentation non graphique était nécessaire, par exemple dans un catalogue ou un manuel de produits chimiques. En droit, un produit chimique est souvent encore représenté par un nom plutôt que par une structure.[1]En conséquence, un ensemble de règles a été développé pour fournir à toute structure un nom systématique. Ces règles ont été approuvées par l'organe directeur de la chimie, l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC), et sont maintenant bien établies dans les publications de chimie. Cela garantit que lorsque les chimistes communiquent des informations par le biais de texte, ils peuvent être certains qu'ils se réfèrent à la même structure chimique. Les principales règles de nomenclature peuvent être trouvées en ligne dans le livre bleu IUPAC,[2]et dans n'importe quel manuel moderne de chimie organique.

Identificateurs informatiques

Une fois que les ordinateurs ont commencé à être utilisés pour stocker des informations chimiques, il est devenu nécessaire de concevoir des identifiants pour les substances chimiques. Bien que les structures puissent être dessinées sur ordinateur, la plupart des structures publiées en 2019 sont simplement des fichiers image, dans lesquels les informations chimiques ne peuvent pas être facilement lues par ordinateur. La plupart des logiciels de dessin de structure permettent à l'utilisateur d'enregistrer la structure sous forme de Molfile, qui contient la structure dans un format de tableau lisible par ordinateur adapté aux bases de données chimiques, etc. Néanmoins, beaucoup ont vu le besoin d'une manière plus concise de représenter les structures chimiques pour les ordinateurs. en une seule chaîne (ligne de caractères). Ceux-ci peuvent être divisés en identifiants de «recherche de registre», qui sont en fait le numéro d'inscription dans une base de données (sans information chimique intrinsèque), et en «notations linéaires» qui encapsulent les informations structurelles dans une seule chaîne.

Depuis 1965, le Chemical Abstracts Service (CAS) a attribué des identifiants de « recherche de registre », appelés numéros de registre CAS, pour chaque substance dans sa base de données.[3]Chaque numéro est unique pour une substance donnée. Le numéro est attribué par le CAS et ne contient pas d'informations structurelles dans le numéro ; en tant que tel, il représente un réelsubstance(généralement celle qui a été rapportée dans la littérature) plutôt qu'une structure (qui peut n'être que théorique). Les numéros de registre CAS sont maintenant largement utilisés en dehors du CAS comme identificateurs de substances, par exemple dans la liste du gouvernement américain des « produits chimiques d'intérêt » pour la sécurité intérieure.[4]

D'autres identifiants ont ensuite été développés sur la base de notations de ligne qui encodaient des informations structurelles dans l'identifiant.[5]L'un de ces identifiants importants est SMILES, développé dans les années 1980 en tant que format lisible par machine et « convivial » ; des structures simples peuvent facilement être lues à partir d'une chaîne SMILES soit par un ordinateur, soit par un chimiste qualifié.[6]

Identificateur chimique international (InChI)

La représentation structurelle la plus importante pour les ordinateurs est l'InChI, qui est également considérée par l'IUPAC comme la représentation "officielle" de la machine. Bien qu'il n'ait été publié pour la première fois qu'en 2005, il s'est rapidement imposé comme un moyen précieux de communiquer des informations structurelles via Internet.7 Contrairement à de nombreux identifiants, l'algorithme InChI est disponible pour une utilisation sous un droit d'auteur ouvert, de sorte qu'il peut être librement généré et utilisé sans risque de violation du droit d'auteur.

Il n'est pas important pour un scientifique de savoir lire ou écrire un InChI à partir de zéro ; n'importe quel programme de dessin chimique peut effectuer cette tâche facilement. Cependant, il est instructif de comprendre comment l'InChI est construit et comment l'utiliser. Considérons une structure simple telle que le 2-bromobutane, qui a la structure et InChI illustrés ci-dessous :

L'InChI est une chaîne de caractères qui utilise une série de "couches" pour indiquer différents niveaux de détails structurels. De cette façon, les chimistes peuvent communiquer des informations au niveau de détail approprié. Chaque InChI commence par "InChI=" suivi du numéro de version, qui dans ce cas est la version 1. Le "S" indique que l'InChI est "standard" et n'inclut aucune information facultative. Le reste de l'InChI est organisé en couches, où chaque couche commence par une barre oblique "/". Ces sous-couches montrent : la formule chimique, les connexions atomiques (commençant par /c) et les atomes d'hydrogène (commençant par /h). Par exemple, pour le 2-bromobutane, nous avons :

Dans certains cas, nous pouvons vouloir indiquer un niveau de détail plus élevé, par exemple l'orientation 3D des atomes oustéréochimie. Pour cela, nous utilisons une couche supplémentaire à la fin, dans ce cas la couche de stéréochimie (commençant par /t, /m et /s), pour donner un InChI unique pour ce stéréoisomère spécifique :

Un aspect utile de cette structure en couches est que des structures similaires ont des InChI similaires. Par exemple, tous les isomères de formule C4H9Br commenceront par C4H9Br dans la sous-couche de formule chimique ; dans une base de données, ces isomères peuvent être facilement identifiés. De même, deux stéréoisomères auront la même couche principale et ne différeront que par la couche stéréochimique. De nombreux composés organiques simples n'auront que la couche principale dans leur InChI.

Un InChI de ce type peut être trouvé sur Wikipedia et dans la plupart des bases de données chimiques en ligne telles que PubChem et ChemSpider, où il est considéré comme l'un des principaux types d'identificateurs chimiques.[7]Un InChI peut être généré à partir d'une structure chimique dans la plupart des programmes de dessin de structure modernes, tels que BioviaDraw, ChemDraw, ChemSketch ou ChemDoodle. Ces programmes permettent également l'inverse - d'entrer un InChI et de l'utiliser pour générer une structure chimique.

InChIKey

Pour les molécules plus grosses, l'InChIKey peut devenir volumineux et peu maniable, ce qui le rend difficile à utiliser pour certaines applications, notamment les recherches sur le Web. De nombreux moteurs de recherche tronquent les longues chaînes de recherche, de sorte que les caractères ultérieurs sont perdus de la recherche. Pour cette raison leInChIKeya été créé, où l'InChI (ou structure) est converti en une chaîne de 27 caractères (dont deux tirets) basée sur une séquence de lettres majuscules uniquement. L'InChIKey est le plus utilisé pour les recherches sur le Web. Par exemple, le InChI complet pour la morphine est InChI=1S/C17H19NO3/c1-18-7-6-17-10-3-5-13(20)16(17)21-15-12(19)4-2 -9(14(15)17)8-11(10)18/h2-5,10-11,13,16,19-20H,6-8H2,1H3/t10-,11+,13-,16- ,17-/m0/s1, alors que InChIKey est simplement BQJCRHHNABKAKU-KBQPJGBKSA-N .

Cette conversion en InChIKey utilise une fonction de "hachage", qui brouille le codage InChI afin de générer une InChIKey aussi proche que possible de l'unique. Un effet secondaire malheureux de ceci est qu'une fois brouillée en tant que InChIKey, une structure ne peut pas être reconvertie en InChI ou en structure. Cela signifie à son tour que la structure encodée dans une InChIKey ne peut être trouvée qu'en la comparant à une liste d'InChIKeys connues, connue sous le nom de "table de recherche". Si l'InChIKey concerne une substance nouvelle ou inconnue, l'InChIKey ne peut pas permettre à l'utilisateur d'identifier la molécule.

Comme pour l'InChI lui-même, les InChIKeys peuvent être générées à volonté à l'aide de n'importe quel programme de dessin de structure standard. La copie de l'InChIKey dans un moteur de recherche permet à l'utilisateur de trouver rapidement des documents sur le Web qui se rapportent à cette structure spécifique.

Résumé

Les structures chimiques peuvent être représentées de plusieurs manières, telles que les noms IUPAC ou les notations de ligne conviviales pour ordinateur telles que InChI. L'InChI intègre les informations structurelles dans une série de «couches» et peut être reconvertie dans la structure d'origine. Il est utile pour stocker des informations sur la structure chimique dans des bases de données. Pendant ce temps, InChIKey est une version hachée de InChI qui est principalement utilisée pour rechercher des structures chimiques sur le Web.