Chapitre 2 – Stéréochimie et structure spatiale des molécules

Chapitre 2 | Terminale STL — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

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Illustration : Deux élèves comparent des modèles moléculaires de part et d’autre d’un miroir. — Comparer une molécule et son image dans un miroir avec des modèles.

Objectifs du chapitre :

Représenter une molécule en perspective de Cram, y compris avec plusieurs atomes de carbone asymétriques.
Définir une molécule chirale (carbone asymétrique, non-superposabilité à son image dans un miroir).
Représenter des énantiomères ou des diastéréoisomères.
Déterminer la configuration absolue \(R\) ou \(S\) d'un carbone asymétrique par les règles de Cahn, Ingold et Prelog (CIP).
Identifier des couples d'énantiomères et de diastéréoisomères.
Reconnaître l'isomérie \(Z\) et \(E\) d'une double liaison.
Extraire et exploiter des informations sur les propriétés biologiques de stéréoisomères (thalidomide, carvone, limonène).
Repérer une molécule chirale et identifier les relations d'énantiomérie ou de diastéréoisomérie sur des modèles moléculaires.

Situation. Deux flacons contiennent la même molécule, la carvone, de même formule brute et de même enchaînement d'atomes. Pourtant l'un sent la menthe verte, l'autre sent le carvi (une graine d'épice). Comment deux substances « identiques » sur le papier peuvent-elles avoir des odeurs — et donc des effets sur le vivant — aussi différents ? La réponse tient à un seul détail : la disposition des atomes dans l'espace. C'est l'objet de la stéréochimie. Ce détail spatial n'est pas anecdotique : il décide de l'odeur d'un arôme, de l'efficacité d'un médicament, et parfois de sa dangerosité. Le drame du thalidomide, dans les années 1960, en est l'illustration la plus tragique.

1. Représenter une molécule dans l'espace : la perspective de Cram

Définition — stéréochimie La stéréochimie est l'étude de la disposition des atomes d'une molécule dans l'espace (en trois dimensions). Deux molécules qui ont le même enchaînement d'atomes (même formule développée) mais une disposition spatiale différente sont des stéréoisomères.

Définition — représentation de Cram (perspective de Cram) La représentation de Cram traduit la géométrie tridimensionnelle autour d'un carbone tétraédrique à l'aide de trois types de traits :

un trait plein ordinaire — : liaison dans le plan de la feuille ;
un coin plein (triangle noir) ▲ : liaison pointant vers l'avant, sortant de la feuille vers l'observateur ;
un coin hachuré (triangle en pointillés) : liaison partant vers l'arrière, derrière la feuille.

Autour d'un carbone portant 4 liaisons simples, les quatre directions pointent vers les sommets d'un tétraèdre (angles d'environ \(109{,}5\text{°}\)).

Convention de tracé pratique Pour dessiner proprement un carbone en Cram, on trace le plus souvent : deux liaisons dans le plan (traits pleins formant un « V »), une vers l'avant (coin plein) et une vers l'arrière (coin hachuré). Le coin plein et le coin hachuré sont placés « de part et d'autre » pour respecter la forme tétraédrique.

Mini-exercice 1. Dans une représentation de Cram, que signifie un trait dessiné par un petit triangle noir plein ? Et par un triangle hachuré ? Et par un trait fin ordinaire ?

Triangle noir plein (coin plein) : liaison vers l'avant, sortant de la feuille. Triangle hachuré : liaison vers l'arrière, derrière la feuille. Trait fin ordinaire : liaison dans le plan de la feuille.

2. Chiralité et carbone asymétrique

Définition — carbone asymétrique Un atome de carbone asymétrique est un carbone lié à quatre atomes ou groupes d'atomes tous différents. On le repère par un astérisque : \(\text{C}^{*}\). C'est la présence d'au moins un carbone asymétrique qui rend, le plus souvent, une molécule chirale.

Définition — molécule chirale Une molécule est chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir. L'analogie est la main gauche et la main droite : elles sont l'image l'une de l'autre dans un miroir, mais on ne peut pas les superposer (la paume de l'une ne coïncide jamais avec la paume de l'autre). Une molécule superposable à son image miroir est dite achirale.

Comment repérer une molécule chirale En pratique, une molécule organique est chirale dès qu'elle possède un carbone asymétrique (et pas d'élément de symétrie qui l'annule). La méthode :

repérer chaque carbone de la molécule ;
examiner ses quatre voisins : sont-ils tous différents ? Si oui, c'est un \(\text{C}^{*}\) ;
s'il y a au moins un \(\text{C}^{*}\), la molécule est en général chirale : elle n'est pas superposable à son image miroir.

Exemple — l'acide lactique. L'acide lactique \(\text{CH}_3\text{–CHOH–COOH}\) : son carbone central est lié à quatre groupes tous différents — \(\text{–CH}_3\), \(\text{–OH}\), \(\text{–COOH}\) et \(\text{–H}\). C'est un carbone asymétrique, la molécule est chirale.

Mini-exercice 2. Dans la molécule \(\text{CHFClBr}\) (un carbone lié à H, F, Cl et Br), le carbone central est-il asymétrique ? La molécule est-elle chirale ? Et pour le dichlorométhane \(\text{CH}_2\text{Cl}_2\) ?

\(\text{CHFClBr}\) : le carbone porte quatre atomes tous différents (H, F, Cl, Br) → carbone asymétrique → molécule chirale. \(\text{CH}_2\text{Cl}_2\) : le carbone porte deux H identiques et deux Cl identiques → il n'est pas asymétrique → molécule achirale (superposable à son image miroir).

3. Les énantiomères

Définition — énantiomères Deux énantiomères sont deux molécules qui sont images l'une de l'autre dans un miroir et non superposables. Une molécule chirale possède exactement un énantiomère : les deux constituent un couple d'énantiomères. Ils ont la même formule développée mais diffèrent uniquement par leur agencement spatial.

Propriétés d'un couple d'énantiomères Deux énantiomères ont les mêmes propriétés physiques usuelles (température de fusion, d'ébullition, solubilité, densité) et les mêmes propriétés chimiques vis-à-vis de réactifs achiraux. Ils ne se distinguent que par :

leur action sur la lumière polarisée (ils la dévient en sens opposés — notion de pouvoir rotatoire, hors calcul ici) ;
leur comportement en milieu chiral, notamment biologique : le vivant les reconnaît différemment (voir §7).

Mini-exercice 3. Deux échantillons d'une même molécule chirale ont exactement la même température de fusion et la même solubilité dans l'eau. Peut-on affirmer qu'il s'agit forcément de la même molécule ?

Non. Deux énantiomères ont les mêmes propriétés physiques usuelles (même température de fusion, même solubilité). Il peut donc s'agir de deux énantiomères différents (images miroir non superposables), qu'on ne pourrait distinguer que par la lumière polarisée ou en milieu chiral/biologique.

4. Configuration absolue : les règles CIP (R / S)

Définition — configuration absolue R ou S Pour distinguer sans ambiguïté les deux énantiomères, on attribue à chaque carbone asymétrique une configuration absolue, notée \(R\) ou \(S\). Elle se détermine avec les règles de Cahn, Ingold et Prelog (règles CIP).

Méthode — déterminer la configuration R ou S d'un \(\text{C}^{*}\)

Classer les 4 groupes par priorité. La priorité est donnée par le numéro atomique \(Z\) de l'atome directement lié au \(\text{C}^{*}\) : plus \(Z\) est grand, plus le groupe est prioritaire. On note \(1\) le plus prioritaire, \(4\) le moins prioritaire.
En cas d'égalité sur le premier atome, on compare les atomes suivants, de proche en proche.
Placer le groupe \(4\) (le moins prioritaire) vers l'arrière (coin hachuré, à l'opposé de l'observateur).
Regarder le sens de rotation \(1 \to 2 \to 3\) (des trois groupes restants, du plus au moins prioritaire) :
- sens des aiguilles d'une montre (vers la droite) → configuration \(R\) (du latin rectus, droite) ;
- sens inverse des aiguilles d'une montre (vers la gauche) → configuration \(S\) (du latin sinister, gauche).

Rappel — quelques numéros atomiques utiles \(Z(\text{H})=1\ <\ Z(\text{C})=6\ <\ Z(\text{N})=7\ <\ Z(\text{O})=8\ <\ Z(\text{F})=9\ <\ Z(\text{Cl})=17\ <\ Z(\text{Br})=35\ <\ Z(\text{I})=53\). Ainsi, sur un même carbone, l'ordre de priorité typique est : \(\text{I} > \text{Br} > \text{Cl} > \text{O(–OH)} > \text{N} > \text{C} > \text{H}\).

Exemple travaillé — le bromochlorofluorométhane \(\text{CHFClBr}\). Le carbone porte H, F, Cl, Br.
1. Priorités par \(Z\) : \(\text{Br}\,(35) > \text{Cl}\,(17) > \text{F}\,(9) > \text{H}\,(1)\), soit \(1=\text{Br}\), \(2=\text{Cl}\), \(3=\text{F}\), \(4=\text{H}\).
2. On place \(\text{H}\) (groupe 4) vers l'arrière.
3. On lit le sens \(\text{Br}\to\text{Cl}\to\text{F}\) : s'il est horaire, le carbone est \(R\) ; s'il est anti-horaire, il est \(S\). L'un des deux énantiomères est \(R\), l'autre \(S\).

Astuce quand le groupe 4 est vers l'avant Si, dans la représentation donnée, le groupe le moins prioritaire (n°4) pointe vers l'avant (coin plein) au lieu de l'arrière, on lit quand même le sens \(1\to2\to3\)… mais on inverse la conclusion : un sens horaire lu ainsi correspond en réalité à \(S\), et un sens anti-horaire à \(R\).

Mini-exercice 4. Sur un carbone asymétrique, les quatre groupes sont \(\text{–OH}\), \(\text{–NH}_2\), \(\text{–CH}_3\) et \(\text{–H}\). Classer ces groupes par ordre de priorité CIP (du n°1 au n°4).

On compare le premier atome lié au \(\text{C}^{*}\) : O (\(Z=8\)) pour \(\text{–OH}\), N (\(Z=7\)) pour \(\text{–NH}_2\), C (\(Z=6\)) pour \(\text{–CH}_3\), H (\(Z=1\)) pour \(\text{–H}\). D'où : \(1=\text{–OH}\), \(2=\text{–NH}_2\), \(3=\text{–CH}_3\), \(4=\text{–H}\).

5. Plusieurs carbones asymétriques : diastéréoisomères

Molécule à plusieurs carbones asymétriques Quand une molécule possède plusieurs carbones asymétriques, chacun peut être \(R\) ou \(S\). Avec deux carbones asymétriques on obtient jusqu'à \(2^2 = 4\) stéréoisomères : \((R,R)\), \((S,S)\), \((R,S)\) et \((S,R)\). On les représente en Cram en dessinant les deux centres tétraédriques le long de la chaîne.

Définition — diastéréoisomères Deux stéréoisomères qui ne sont pas énantiomères (donc pas images l'un de l'autre dans un miroir) et qui ne sont pas superposables sont des diastéréoisomères. Concrètement, pour une molécule à deux \(\text{C}^{*}\) :

\((R,R)\) et \((S,S)\) sont énantiomères (toutes les configurations inversées) ;
\((R,S)\) et \((S,R)\) sont énantiomères entre eux ;
mais \((R,R)\) et \((R,S)\) sont diastéréoisomères (une seule configuration inversée) : ni superposables, ni images miroir.

Énantiomères ou diastéréoisomères ?

Énantiomères : toutes les configurations \(R/S\) sont inversées d'une molécule à l'autre. Mêmes propriétés physiques usuelles.
Diastéréoisomères : certaines seulement des configurations sont inversées. Ce sont des composés différents, aux propriétés physiques différentes (points de fusion, solubilités distincts).

Mini-exercice 5. Une molécule possède deux carbones asymétriques. On considère les stéréoisomères \((S,S)\) et \((S,R)\). Sont-ils énantiomères ou diastéréoisomères ? Et \((S,S)\) et \((R,R)\) ?

\((S,S)\) et \((S,R)\) : une seule configuration est inversée (le 2ᵉ carbone) → ce sont des diastéréoisomères. \((S,S)\) et \((R,R)\) : toutes les configurations sont inversées → ce sont des énantiomères.

6. Isomérie Z et E d'une double liaison

Définition — isomérie Z/E Autour d'une double liaison C=C, il n'y a pas de rotation libre (contrairement à une liaison simple) : la molécule est « figée ». Quand chacun des deux carbones de la double liaison porte deux groupes différents, deux dispositions rigides sont possibles : c'est l'isomérie \(Z/E\) (un cas de stéréoisomérie appelée isomérie de configuration). On compare, sur chaque carbone, le groupe prioritaire (règle CIP, priorité par \(Z\)) :

les deux groupes prioritaires du même côté de la double liaison → isomère \(Z\) (de l'allemand zusammen, « ensemble ») ;
les deux groupes prioritaires de part et d'autre (côtés opposés) → isomère \(E\) (de l'allemand entgegen, « opposés »).

Exemple — le but-2-ène \(\text{CH}_3\text{–CH=CH–CH}_3\). Chaque carbone de la double liaison porte un \(\text{–CH}_3\) (prioritaire, C) et un \(\text{–H}\). Si les deux \(\text{–CH}_3\) sont du même côté : c'est le \(\text{(Z)}\)-but-2-ène. S'ils sont de part et d'autre : c'est le \(\text{(E)}\)-but-2-ène. Ce sont deux molécules différentes, aux températures d'ébullition distinctes.

(Z)-but-2-ène

(E)-but-2-ène

Condition pour avoir une isomérie Z/E Il faut que chacun des deux carbones de la double liaison porte deux groupes différents. Si un carbone porte deux groupes identiques (par exemple deux \(\text{H}\), comme dans \(\text{CH}_2\text{=CH–CH}_3\)), il n'y a pas d'isomérie \(Z/E\).

Mini-exercice 6. Le pent-2-ène \(\text{CH}_3\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH}_3\) présente-t-il une isomérie \(Z/E\) ? Et le 2-méthylpropène \(\text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)}_2\) ?

Pent-2-ène : chaque carbone de la double liaison porte deux groupes différents (un H et une chaîne carbonée) → oui, il existe un \((Z)\)- et un \((E)\)-pent-2-ène. 2-méthylpropène : le carbone de droite porte deux \(\text{–CH}_3\) identiques → pas d'isomérie \(Z/E\).

7. Le vivant est asymétrique : propriétés biologiques des stéréoisomères

Pourquoi la stéréochimie compte pour le vivant Les biomolécules (acides aminés des protéines, sucres, récepteurs, enzymes) sont elles-mêmes chirales. Le vivant fonctionne donc dans un environnement chiral : une enzyme ou un récepteur reconnaît une molécule un peu comme une main ne rentre que dans son gant. Résultat : deux énantiomères, pourtant identiques en propriétés physiques, peuvent avoir des effets biologiques très différents.

Catalyse enzymatique : une enzyme ne transforme (ou n'accepte) souvent qu'un seul des deux énantiomères.
Reconnaissance récepteur–hormone / récepteur–principe actif : seul l'énantiomère de « bonne main » se fixe sur le récepteur et déclenche l'effet.

Exemple — la carvone (arôme). Les deux énantiomères de la carvone ont des odeurs différentes car ils se fixent différemment sur les récepteurs olfactifs : le \((R)\)-carvone sent la menthe verte, le \((S)\)-carvone sent le carvi. Même molécule, deux « mains », deux odeurs.

Exemple — le limonène (agro-alimentaire). Le limonène est un hydrocarbure des agrumes possédant un carbone asymétrique. Le \((R)\)-limonène sent l'orange, tandis que le \((S)\)-limonène sent plutôt le citron / la térébenthine. Ces énantiomères servent d'arômes et de parfums.

Exemple — le thalidomide (pharmacie, cas historique). Prescrit dans les années 1950-1960 contre les nausées de la grossesse, le thalidomide possède un carbone asymétrique. On a compris trop tard que ses deux énantiomères n'ont pas le même effet : l'un est le principe actif recherché, l'autre est tératogène (responsable de graves malformations chez le nourrisson). Ce drame a rendu obligatoire l'étude séparée des deux énantiomères d'un médicament chiral. (Remarque : dans l'organisme, le thalidomide peut de plus se convertir d'un énantiomère à l'autre, ce qui a aggravé la situation.)

Enjeux pratiques Dans l'industrie pharmaceutique et agro-alimentaire, on cherche donc souvent à produire et contrôler un seul énantiomère (le principe actif efficace, l'arôme voulu), ce qui suppose de savoir déterminer et vérifier la configuration \(R/S\) des molécules synthétisées.

Mini-exercice 7. Le \((R)\)-limonène sent l'orange, le \((S)\)-limonène sent le citron. Comment expliquer, à l'échelle des récepteurs biologiques, que deux énantiomères d'une même molécule aient des odeurs différentes ?

Les récepteurs olfactifs sont eux-mêmes des molécules chirales. Chaque énantiomère du limonène s'emboîte différemment (comme deux mains dans un même gant) : il active des récepteurs différents, ce qui se traduit par des odeurs différentes. Les propriétés physiques identiques n'entrent pas en jeu : c'est la reconnaissance chirale par le vivant qui fait la différence.

Erreurs fréquentes

❌ Croire qu'un carbone lié à un \(\text{–OH}\) est forcément asymétrique → ✅ il faut 4 groupes tous différents.
❌ Dire que deux énantiomères sont superposables → ✅ ils sont images miroir mais non superposables.
❌ Oublier de mettre le groupe n°4 vers l'arrière avant de lire le sens \(1\to2\to3\) → ✅ sinon inverser la conclusion \(R/S\).
❌ Classer les priorités CIP par taille ou par masse du groupe → ✅ on classe par numéro atomique \(Z\) de l'atome directement lié.
❌ Confondre énantiomères et diastéréoisomères → ✅ énantiomères = toutes les configurations inversées (images miroir) ; diastéréoisomères = certaines seulement.
❌ Chercher une isomérie \(Z/E\) quand un carbone de la double liaison porte deux groupes identiques → ✅ il faut deux groupes différents sur chaque carbone.

À retenir

Cram : trait plein (dans le plan), coin plein (vers l'avant), coin hachuré (vers l'arrière) ; carbone tétraédrique (\(\approx109{,}5\text{°}\)).
Carbone asymétrique \(\text{C}^{*}\) = 4 groupes tous différents → molécule chirale (non superposable à son image miroir).
Énantiomères = images miroir non superposables (mêmes propriétés physiques usuelles) ; une molécule chirale a un énantiomère.
Configuration \(R/S\) (règles CIP) : priorités par numéro atomique \(Z\) ; placer le groupe 4 vers l'arrière ; sens \(1\to2\to3\) horaire = \(R\), anti-horaire = \(S\).
Plusieurs \(\text{C}^{*}\) → jusqu'à \(2^n\) stéréoisomères. Énantiomères = toutes configurations inversées ; diastéréoisomères = certaines seulement (composés différents).
Isomérie \(Z/E\) (double liaison figée) : groupes prioritaires du même côté = \(Z\), de part et d'autre = \(E\) ; exige 2 groupes différents sur chaque C.
Le vivant est asymétrique : biomolécules chirales → enzymes et récepteurs distinguent les énantiomères (carvone, limonène, thalidomide) ; enjeux pharma et agro-alimentaire.