L'isomérisation photochimique - Maxicours

L'isomérisation photochimique

Objectif(s)
Qu’est-ce que l’isomérisation photochimique ?
• Bref rappel des notions pertinentes de chimie organique.
• Exemple d’isomérisation photochimique à travers une manipulation reproductible en Travaux Pratiques.
• Remarquer que l’isomérisation photochimique explique le mécanisme de la vision.
1. Rappels de chimie organique
a. Fonctions organiques
Parmi les fonctions organiques, nous allons insister sur :
Les alcools : un alcool correspond au groupement hydroxyle –OH greffé sur un carbone tétragonal, c’est-à-dire comportant quatre liaisons simples. Pour un alcool primaire (–OH relié à un carbone lui-même relié à un seul autre carbone), on a la structure générale :


Ils se nomment via le suffixe –ol.
Exemple : méthanol.
Les aldéhydes : sur un aldéhyde, on trouve un oxygène double liaison placé en bout de chaine. Le carbone porteur est aussi relié au reste de la molécule et à un atome d’hydrogène, selon la structure suivante :
Ils se nomment via le suffixe –al.
Exemple : méthanal.
b. Liaisons conjuguées
Des liaisons conjuguées en chimie correspondent à une alternance entre liaisons simples et liaisons doubles au sein d’une molécule.
Les électrons composant les doubles liaisons sont délocalisables (peuvent se déplacer le long de la chaine carbonée). Une conséquence de la présence de liaisons conjuguées est que la molécule correspondante est un pigment (substance colorée).
Exemple : 
Le β-carotène se présente sous la forme suivante :

C'est un pigment orange. Il donne d’ailleurs sa couleur aux flamants roses.
c. Isomérie Z/E
Une isomérie en chimie désigne le fait que deux molécules puissent avoir la même formule brute mais des formules développées différentes, et par extension des structures spatiales différentes.
L’isomérie Z/E est basée sur le fait qu’une double liaison interdit la rotation autour de son axe.

Ainsi, les deux configurations suivantes sont différentes :
E Z
La configuration E vient de l’allemand entgegen (opposé) et la Z de zusammen (ensemble).
2. Approche expérimentale : isomérisation photochimique de l'azobenzène
L’azobenzène est une espèce chimique de couleur jaune. Sa molécule se présente habituellement sous la forme suivante, c'est-à-dire dans la configuration E.
On en prélève un échantillon que l’on soumet à une irradiation ultraviolette (UV) pendant environ une demi-heure. Un autre échantillon est pendant ce temps conservé à l’abri de la lumière. On réalise alors une chromatographie sur couche mince, en utilisant le toluène comme éluant.

On obtient :

L’échantillon à l’abri de la lumière (témoin) ne présente qu’une seule tâche jaune, associée à l’isomère E naturel. Par contre, l’échantillon exposé présente deux tâches jaunes. Celle qui est à la même hauteur que l’échantillon témoin est bien entendu l’isomère E. Par contre, l’autre tâche correspond à l’isomère Z. Nous en déduisons que l’exposition aux UV a conduit a une photo-isomérisation.

En effet, une double liaison empêche la rotation. Cependant, si un photon (particule lumineuse) vient frapper cette double liaison, il peut la rompre provisoirement. Pendant un cours laps de temps, avant que la liaison se reforme, la rotation selon son axe est permise.

Dans le cas de l’azobenzène, l’isomère Z résulte d’une telle rotation, à partie de l’isomère E :

(E)-azobenzène (Z)-azobenzène
 
Alors que l’isomère E est plan, l’isomère Z ne l’est pas. Cela lui confère des propriétés différentes. Dans le cadre de la chromatographie sur couche mince, c’est la différence de mobilité dans le toluène qui a été mise en valeur.
La forme Z est moins stable que la forme E, à cause des deux cycles benzéniques qui occupent un certain volume dans l’espace (encombrement stérique).
En configuration Z, les deux cycles se gênent mutuellement, d’où la structure non plane. Cela explique pourquoi l’échantillon initial ne comportait que du E.
3. Application de l'isomérisation photochimique à la vision
Quand nous avons étudié l’œil d’un point de vue physique (optique), nous avions vu que les rayons lumineux entrant dans l’œil était focalisés sur la rétine. Cette dernière est une sorte d’écran munie de récepteurs photosensibles. Contrairement à un appareil photographique, les images sont transmises au cerveau en continu, comme une caméra.

D’un point de vue chimique, au niveau des récepteurs photosensibles, le mécanisme de la vision repose sur une isomérisation photochimique, comme celle vue dans notre exemple.

La vitamine A, ou rétinol, est apportée par l’alimentation directement ou sous la forme de β -carotène (la molécule, en se « cassant » en deux morceaux, forme du rétinol).
La vitamine A se présente comme ceci :
Le groupement hydroxyle à l’extrémité droite de la molécule fait du rétinol un alcool. On a fait apparaitre partiellement la numérotation des atomes de carbone de la chaine. En fait, la liaison qui nous intéresse est la liaison double au niveau de l’atome 11.
Elle est en configuration E. Sous l’effet de réactions chimiques, elle forme l’isomère Z, appelé 11-(Z)-rétinol :
 
Par le biais d’une enzyme, cet alcool peut subir une oxydation ménagée afin de former le 11-(Z)-rétinal, un aldéhyde de structure :
Remarque : dans certaines littératures, l’isomérisation intervient avant l’oxydation ménagée.
Dans cette configuration, cette molécule peut s’associer avec une protéine, l’opsine, afin de former de la 11-(Z)-rhodopsine. Sous l’effet d’un photon, par isomérisation photochimique, la molécule peut alors passer en configuration E :
Cependant, dans cette configuration, l’opsine ne peut pas rester liée au rétinal et se détache. Cela a pour conséquence d’émettre un influx nerveux qui sera capté par le cerveau à travers le nerf optique. Le rétinal se retrouve sous la forme de 11-(E)-rétinal :
On peut observer au niveau des doubles liaisons que nous sommes en configuration E pour chacune d’elle. Cette molécule va ensuite redonner du 11-(E)-rétinol (vitamine A) de départ par réduction, sous l’effet d’une enzyme. Le processus est ainsi cyclique.

En voici le bilan :


Les réactions dans le cadre « phase lumineuse » ont lieu dans les cellules photosensibles de la rétine, notamment les bâtonnets. Au niveau des cônes (vison des couleurs), il y a quelques variantes mais l’idée est la même. Ces réactions liées à la vision sont très rapides. Mais, le temps nécessaire pour qu’elles se déroulent explique le phénomène de persistance rétinienne. Les autres sont localisées dans l'épithélium pigmentaire de la rétine, une zone plus en profondeur de la rétine.
L'essentiel
Habituellement une double liaison interdit la rotation autour de son axe. Cela donne lieu à une possibilité d’isomérie Z/E. Deux molécules présentant ce type d’isomérie peuvent avoir des propriétés physico-chimiques différentes.

Dans certaines conditions, on peut transformer un isomère Z/E en un autre. Par exemple, l’isomérisation photochimique consiste à exposer la molécule à des photons d’énergie suffisante. Ces derniers brisent temporairement la double liaison, ce qui autorise la rotation et peut former l’autre isomère. En travaux pratiques, l’irradiation UV du (E)-azobenzène forme du (Z)-azobenzène. Les deux sont séparables par chromatographie sur couche mince.

Le mécanisme de la vision utilise l’isomérisation photochimique d'une espèce chimique formée à partir de la Vitamine A, la rhodopsine. Au cours d’un processus cyclique, les photons lumineux incidents sont captés par les cellules photosensibles qui envoient alors des influx nerveux au cerveau, ce qui permet la vision.

Vous avez déjà mis une note à ce cours.

Découvrez les autres cours offerts par Maxicours !

Découvrez Maxicours

Comment as-tu trouvé ce cours ?

Évalue ce cours !

 

Découvrez
Maxicours

Des profs en ligne

Géographie

Des profs en ligne

  • 6j/7 de 17h à 20h
  • Par chat, audio, vidéo
  • Sur les 10 matières principales

Des ressources riches

  • Fiches, vidéos de cours
  • Exercices & corrigés
  • Modules de révisions Bac et Brevet

Des outils ludiques

  • Coach virtuel
  • Quiz interactifs
  • Planning de révision

Des tableaux de bord

  • Suivi de la progression
  • Score d’assiduité
  • Une interface Parents

En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l'utilisation de Cookies ou autres traceurs pour améliorer et personnaliser votre navigation sur le site, réaliser des statistiques et mesures d'audiences, vous proposer des produits et services ciblés et adaptés à vos centres d'intérêt et vous offrir des fonctionnalités relatives aux réseaux et médias sociaux.