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.
• 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.
Ils se nomment via le suffixe –al.
• 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 :
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.
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 :
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.

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 |
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 :
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.
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 :

Elle est en configuration E. Sous l’effet de réactions chimiques, elle forme l’isomère Z, appelé 11-(Z)-rétinol :


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 :

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.
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.

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