Isomérie dans les complexes de coordination

Contexte : Au-delà de la Formule Brute

En chimie de coordination, des composés peuvent avoir la même formule brute mais des arrangements spatiaux différents de leurs ligands autour du centre métallique. Ces composés sont des isomères. L'isomérie est cruciale car elle engendre des propriétés physiques et chimiques radicalement différentes (couleur, magnétisme, réactivité, activité biologique). On distingue principalement deux grandes classes :
• L'isomérie de constitution, où la connectivité des atomes est différente.
• La stéréoisomérie, où la connectivité est la même, mais l'arrangement spatial des atomes diffère. Cette classe inclut l'isomérie géométrique (cis/trans, fac/mer) et l'isomérie optique (énantiomères). Cet exercice se concentre sur l'isomérie géométrique et optique dans un complexe octaédrique.

Remarque Pédagogique : Visualiser les molécules en 3D est une compétence essentielle en chimie de coordination. Savoir dessiner et manipuler mentalement les différentes dispositions possibles des ligands permet de prédire le nombre et le type d'isomères pour un complexe donné.

Objectifs Pédagogiques

Différencier l'isomérie géométrique de l'isomérie optique.
Dessiner les isomères cis et trans d'un complexe octaédrique de type \(\text{MA}_4\text{B}_2\).
Identifier la présence d'un plan de symétrie dans un isomère.
Déterminer si une molécule est chirale ou achirale.
Dessiner l'énantiomère d'un complexe chiral.

Données de l'étude

On s'intéresse à l'ion complexe dichlorotétraamminecobalt(III), dont la formule est \([\text{Co(NH}_3)_4\text{Cl}_2]^+\).

Ion Complexe

[\text{Co(NH}_3)_4\text{Cl}_2]^+

Questions à traiter

Dessiner les deux isomères géométriques possibles pour cet ion complexe.
Identifier lequel de ces isomères est chiral en justifiant par la présence ou l'absence d'éléments de symétrie.
Dessiner l'énantiomère de l'isomère chiral.
Nommer précisément chacun des isomères géométriques en utilisant la nomenclature appropriée.

Correction : Isomérie dans les complexes de coordination

Question 1 : Dessin des isomères géométriques

Principe :

Pour un complexe de type \(\text{MA}_4\text{B}_2\), deux arrangements spatiaux sont possibles. L'isomère cis a les deux ligands B adjacents (angle de 90°). L'isomère trans a les deux ligands B opposés l'un à l'autre (angle de 180°).

Question 2 : Identification de l'isomère chiral

Principe :

Une molécule est chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir. Une façon simple de le déterminer est de chercher des éléments de symétrie. Si une molécule possède un plan de symétrie (un plan qui la coupe en deux moitiés identiques), elle est achirale.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : La chiralité est une propriété de l'objet entier. Il ne suffit pas d'avoir des groupes différents ; leur arrangement spatial doit être asymétrique. Pensez à une chaussure : elle est composée des mêmes parties qu'une autre chaussure, mais son arrangement la rend droite ou gauche.

Analyse :

Isomère trans : Il possède plusieurs plans de symétrie. Par exemple, le plan contenant le cobalt et les quatre ligands ammine est un plan de symétrie. L'isomère trans est donc achiral.
Isomère cis : Il ne possède aucun plan de symétrie. Son image dans un miroir n'est pas superposable à l'original. L'isomère cis est donc chiral.

Question 3 : Dessin de l'énantiomère

Principe :

L'énantiomère d'une molécule chirale est son image exacte dans un miroir. Pour le dessiner, on peut imaginer un miroir à côté de la molécule et dessiner le reflet de chaque atome et de chaque liaison.

Dessin :

Question 4 : Nomenclature des isomères

Principe :

On utilise les préfixes cis- ou trans- en italique au début du nom du complexe pour spécifier l'isomère géométrique. Le reste du nom suit les règles IUPAC classiques.

Nomenclature :

Isomère avec les Cl à 90° : ion cis-dichlorotétraamminecobalt(III)
Isomère avec les Cl à 180° : ion trans-dichlorotétraamminecobalt(III)

Résultat : Les isomères sont l'ion cis-dichlorotétraamminecobalt(III) et l'ion trans-dichlorotétraamminecobalt(III).

Pratique Interactive : Identification d'Isomères

Pour les paires de complexes suivantes, identifiez leur relation.

Défi

Isomères géométriques
Énantiomères
Identiques

Pour Aller Plus Loin : Isomérie fac/mer

Au-delà de cis/trans : Pour les complexes octaédriques de type \(\text{MA}_3\text{B}_3\), une autre forme d'isomérie géométrique existe. L'isomère facial (fac) a les trois ligands identiques sur une même face de l'octaèdre. L'isomère méridional (mer) a les trois ligands identiques dans un plan qui coupe le centre métallique (comme un méridien terrestre).

Le Saviez-Vous ?

Le cisplatine, de formule \([\text{Pt(NH}_3)_2\text{Cl}_2]\), est l'un des médicaments anticancéreux les plus utilisés. Son nom IUPAC est dichlorodiammineplatine(II). Fait fascinant, seul l'isomère cis est actif. L'isomère trans, bien que de même formule brute, est totalement inefficace. C'est un exemple frappant de l'importance de la stéréochimie en biologie.

Foire Aux Questions (FAQ)

Tous les complexes cis sont-ils chiraux ?

Non. Par exemple, un complexe cis-\(\text{MA}_2\text{B}_2\text{C}_2\) peut posséder un plan de symétrie si les ligands sont arrangés de manière symétrique. La chiralité doit être évaluée au cas par cas en cherchant l'absence de plans de symétrie ou de centre d'inversion.

Comment sépare-t-on des énantiomères ?

Puisqu'ils ont les mêmes propriétés physiques, on ne peut pas les séparer par des méthodes classiques. Il faut utiliser une "résolution chirale". Cela implique de faire réagir le mélange avec une autre molécule chirale pure (un "agent de résolution"). Cela forme une paire de diastéréoisomères, qui eux ont des propriétés différentes et peuvent être séparés. Une fois séparés, on retire l'agent de résolution pour récupérer chaque énantiomère pur.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Les isomères cis et trans sont des :

Isomères géométriques.
Énantiomères.
Isomères de constitution.

2. Une molécule est dite achirale si :

Elle n'a pas de centre stéréogène.
Elle est l'image miroir d'une autre molécule.
Elle est superposable à son image dans un miroir.

Glossaire

Isomères: Composés qui ont la même formule brute mais des structures différentes.
Stéréoisomères: Isomères qui ont la même connectivité d'atomes mais un arrangement spatial différent.
Isomères Géométriques: Stéréoisomères qui diffèrent par la position relative des ligands autour du centre métallique (ex: cis/trans).
Énantiomères: Stéréoisomères qui sont des images l'un de l'autre dans un miroir et non superposables.
Chiralité: Propriété d'une molécule de ne pas être superposable à son image miroir.