Structure chimique

Définition

Une structure chimique d'une molécule comprend la disposition des atomes et les liaisons chimiques qui maintiennent les atomes ensemble. La formule d'une structure chimique identifie l'emplacement des liaisons chimiques entre les atomes. Elle complète la formule chimique et intègre la géométrie moléculaire et la structure électronique.

Plusieurs types de structures chimiques :

Chaque composé a une structure chimique qui lui est propre. Les représentations des structures moléculaires existent dans divers formats, 2D et 3D, avec plus ou moins de détails.

Explications

La structure chimique d'une substance est formée par sa géométrie moléculaire (décrite, entre autres, par la théorie de la répulsion des paires d'électrons de la couche de valence), sa configuration électronique et sa structure cristalline.

La structure chimique d'une molécule intègre la structure moléculaire des espèces chimiques du composé.

Une formule chimique structurelle se compose de symboles pour les atomes reliés par des lignes courtes qui représentent des liaisons chimiques avec une, deux ou trois lignes représentant respectivement des liaisons simples, doubles ou triples. Elle indique l'arrangement des atomes et des liaisons.

Importance de la structure chimique

Dans le monde de la chimie, la structure peut faire la différence entre la vie et la mort, littéralement. Il existe de nombreux composés pour lesquels une légère modification de la structure chimique ou le choix d'un énantiomère différent peut faire passer le composé d'un médicament utile à un médicament dangereux. C'est pourquoi les chimistes sont toujours très conscients de la structure exacte et de certains énantiomères et de leurs effets biologiques spécifiques, car cette information est très importante pour déterminer les effets biologiques des composés, bons et mauvais.

Tout d'abord, commençons par un court cours de chimie. ⭐ La structure chimique détermine la géométrie moléculaire d'un composé en décrivant la disposition spatiale des atomes et des liaisons chimiques dans la molécule. Cela fournit aux chimistes une représentation visuelle importante d'une formule chimique. Les énantiomères sont des molécules chirales qui sont des images miroir. En d'autres termes, les énantiomères sont le même composé avec des structures chimiques disposées de manière opposée. Différents énantiomères peuvent produire des effets biologiques très différents du même composé.

Géométrie moléculaire

La géométrie moléculaire fait référence à la disposition spatiale des atomes dans une molécule et aux liaisons chimiques qui maintiennent les atomes ensemble. La géométrie moléculaire d'un produit chimique peut être très simple, comme pour les molécules de dioxygène ou de diazote, à très complexe, comme pour les molécules de protéines ou d'ADN. La géométrie moléculaire peut (principalement en chimie organique) être grossièrement (de manière flexible) représentée par la formule structurelle.

Configuration électronique

La configuration électronique d'un atome indique comment les électrons sont répartis sur les niveaux discrets (orbitales) dans un atome.

En chimie quantique, la structure électronique est l'état de mouvement des électrons dans un champ électrostatique créé par des noyaux stationnaires. Le terme englobe à la fois les fonctions d'onde des électrons et les énergies qui leur sont associées. La structure électronique est obtenue en résolvant les équations de la mécanique quantique pour le problème des noyaux piégés mentionné ci-dessus.

Détermination de la structure

Dans l'analyse de structure dans la chimie de la structure chimique d'une substance chimique est déterminée en obtenant les coordonnées des atomes dans une molécule.

La structure d'une molécule peut être déterminée à l'aide de diverses méthodes spectroscopiques, telles que la résonance magnétique nucléaire (RMN), la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie Raman, la microscopie électronique et la diffraction des rayons X. Avec la diffraction des rayons X, un modèle 3D au niveau atomique peut être réalisé si des cristaux sont disponibles, car de nombreuses copies de la molécule sont nécessaires alors qu'elles doivent également être disposées d'une certaine manière.

Les méthodes générales suivantes sont utilisées pour la détermination de la structure chimique :

• RMN du proton,
• carbone-13,
• spectrométrie de masse,
• Stectrométrie infrarouge.

Les méthodes générales suivantes sont utilisées pour la détermination de la structure électronique :

• Résonance électronique,
• Cyclovoltamétrie,
• Spectroscopie d'absorption électronique,
• Spectroscopie photoélectronique par rayons X.

Cas d'un médicament

La structure chimique d'un médicament détermine ses propriétés physico-chimiques et détermine en outre ses propriétés d'absorption, de distribution, de métabolisme, d'excrétion et de toxicité (ADME/Tox), et affecte finalement l'activité pharmacologique de la molécule de médicament.

Exemple

Par exemple, la molécule de monadoxanthine, avec la formule brute C₄₀H₅₄O₂, a une structure chimique qui contient un total de 97 liaisons. Il y a 43 liaisons non-H, 11 liaisons multiples, 8 liaisons rotatives, 10 doubles liaisons, 1 triple liaison, 2 cycles à six chaînons, 2 groupes hydroxyle et 2 alcools secondaires.

Histoire

En 1857, le scientifique Kekulé, basé sur la théorie de la valence (la valence signifiait le nombre d'atomes d'hydrogène reliés à un atome d'un élément), a pu supposer que le carbone est tétravalent, sur cette base, il peut se combiner avec quatre autres atomes, formant de longues chaînes - droites ou ramifiées. Par conséquent, les molécules organiques ont commencé à être représentées non sous la forme de combinaisons de radicaux, mais sous la forme de formules structurelles d'atomes et de liaisons entre eux. En 1860 par les travaux des scientifiques Kekulé et Butlerovles, les bases de la chimie structurale ont été posées. Cela a permis d'expliquer les propriétés des substances basées sur l'arrangement des atomes dans leurs molécules. Par la suite, en 1874, le chimiste danois Jacob Van't Hoff et le chimiste français Joseph Ashile Le Bel répandirent l'idée de l'arrangement des atomes dans l'espace. Ils croyaient que les molécules ne sont pas des structures plates, mais volumineuses. Ce concept a permis d'expliquer de nombreux phénomènes bien connus, par exemple, l'isomérie spatiale, l'existence de molécules de même composition, mais avec des propriétés différentes. Les données de Louis Pasteur sur les isomères de l'acide tartrique s'y prêtent très bien.

À la fin du 19^ème siècle, les idées de la chimie structurale étaient étayées par des données obtenues par des méthodes spectroscopiques. Ces méthodes ont permis d'obtenir des informations sur la structure des molécules à partir de leurs spectres d'absorption. Au début du 20^ème siècle, le concept de l'organisation volumétrique des molécules de composés organiques et inorganiques complexes était accepté par presque tous les scientifiques.

En rapport avec "structure chimique"

• composition chimique

  

  La composition chimique est la disposition d'une matière, le rapport et le type d'atomes dans les molécules de substances chimiques (corps purs).

• espèce chimique

  

  Une espèce chimique est toute structure de nature chimique, quel que soit le nombre d'entités moléculaires identiques qui la composent.

• formule moléculaire

  

  Une formule moléculaire est une formule ionique détaillant les ions de chaque élément chimique.

• structure moléculaire

  

  La structure moléculaire définit la disposition spatiale des atomes et des liaisons chimiques entre les atomes dans une molécule.