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ProgrammedeSpécialitéphysiquepremière–2019
48 J.L.Richter©CreativeCommonBYNCSA-2019
8. Structuredesentitésorganiques
Moléculeorganique
Lesmoléculesdenotreorganisme,ouquiréagissentaveccelui-ci,sontdesmoléculesorganiques.Leurstructuredebaseestunechaîned’atomesdecarboneauxquelssont attachés des atomes d’hydrogène. C’est la raison pour laquelle on parleégalementdechimieducarbonepourlachimieduvivant.
Cequivadifférentierlesmoléculesorganiques,cesontdesgroupescaractéristiquesoùinterviennentgénéralementdesatomesd’oxygèneoud’azote.Cesgroupesontdesformesreconnaissablesdanslesformulessemi-développéesoudéveloppéesetilfautsavoirlesreconnaître.
Formulesbrutes,développéesetsemi-développées
• La formule brute: elle n’indique que la composition de lamolécule, sanspréciserlanaturedesliaisonsentreatomes.
• Laformuledéveloppée:elleindiquelagéométriedelamoléculeenfiguranttouteslesliaisonsentreatomespardestraits(simples,doublesoutriples).
• Laformulesemi-développée:commelesatomesd’hydrogèneneformentqu’une liaison simple avec les autres atomes, onpeut aisémentdevinerdequelle façon ils se répartissent à partir des autres atomes. On va doncsimplementlesindiqueràcôtédel’atomeauquelilssontliés.Celapermetdesreprésentationspluscompactes
Les représentations les plus courantes seront la formulebrute et la version semi-développée. Seule cette dernière permet d’identifier rapidement les groupescaractéristiquesd’unemolécule.
Groupescaractéristiques
Ungroupecaractéristiqueestungrouped’atome,autrequedesatomesdecarboneetd’hydrogène,quidonneàlamoléculedespropriétéschimiquesparticulières,généralementliéesàlafaçondontcesgroupesvontinteragiravecd’autresmoléculeslorsderéactionschimiques.
Desmoléculesquipossèdent lesmêmesgroupes caractéristiques fontpartiede lamêmefamillechimique.
Représentations d'une molécule
Exemple de l'acétone : formule brute C3H6O
C3CH
O
CH3 C
O
CC
HH
H
HH
HCO
C C HH
H
HH
H
C C C
O
H
H
H
H
H
H
Modèles de Lewis Formulesemi-développée
Formuledéveloppée
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Attention:unemoléculepeuaussiavoirplusieursgroupescaractéristiques,commec’estlecaspourlaCurcumine(quidonnesacouleurjauneaucurcuma):
Composésorganiquesoxygénés
Iln’yapasquelespilesquisontlesiègederéactionsd’oxydoréduction.Cesréactionsse retrouvent dans bien d’autres domaines, par exemple quand votre bon vin setransformeprogressivementenvinaigre,ils’agitd’uneréactiond’oxydoréductionquitransforme l’éthanol en acide éthanoïque, aussinomméacide acétique.Ce typederéactionfaitintervenirdesespèceschimiquesorganiquesoxygénésquenousallonsdétaillerdanscechapitre:lesaldéhydes,lescétonesetlesacidescarboxyliques.
Ces trois familles chimiques sont liées par les réactions d’oxydoréductions quipermettentdepasserdel’uneàl’autre.Ellessontsurtouttrèsprésentesdansnotreviequotidienneetdesélémentsdebasedansl’industriechimique.
Groupes caractéristiques
Alcool : -OH Ethanol C2H6O
C2H4O2
C2H6O
C4H8O2
Acideethanoïque
Propanone(acétone)
Acidecarboxyliques :
Cétone :
Aldéhyde :
ExempleGroupe Formulebrute
Formulesemi-développée
Formuledéveloppée
Modèlemoléculaire
3CH CH2
OH
CC
O
H
H
H
H
H
H
3CH C
O
OHC C O
O
HH
H
H
3CH C CH3
O
C C
O
C
H
H
H
H
H
H
O
H
CR
C OR
R’
OC
OH
R
CH3 CH2 CH C
CH2 CH3
O
H
2-éthylbutanal 1
234
Groupes Ether
Groupes cétone
Groupes Hydroxyle
Curcumine
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L’acétaldéhyde,parexemple,estl’undesaldéhydesàlamoléculelaplussimpled’unpointdevuestructurel.C’estunliquideincoloreetirritantquiproduitparoxydationde l’éthanol, alcoolque l’on trouvedans lesboissonsalcoolisées, dans le foie sousl’effetd’uneenzymenomméealcooldéshydrogénase.C’estluiquiestresponsabledetousleseffetsindésirablesliésàlaconsommationdeboissonsalcoolisées:gueuledebois,ivresse,déshydratation…Leformaldéhydeestunautrealdéhydetrèscourantquiestproduitlorsdelacombustiondubois,cequifaitqu’onleretrouvedanssesfumées. Incoloreet irritant lui aussi, ilpossèdedebonnespropriétés stérilisantes,raisonpourlaquelleonl’utilisedepuistrèslongtempspourfumerlesviandesetlespoissonsetassurerainsileurbonneconservationdansletemps.
Les cétones sont également très présentes dans notre alimentation, parfois sousformed’arômes,commela2-heptanoneàl’odeurdecloudegiroflequidonneaussileurarômeauxfromagesbleus, labutanedioneassociéeà l’odeurdetranspiration,maisquiestsurtoutcaractéristiquedel’odeurdubeurreoudelacrèmeouencoreβ-iononeresponsabledel’odeurdesframboisesmuresetquel’onretrouveaussidansl’odeurdufoinséchéetdesviolettes.
Lesacidescarboxyliques,onl’avuparl’exempleprécédentduvinaigre,sonteuxaussiprésentsdansnotrecorpsetdansl’alimentation.L’acidebutanoïqueestparexempleprésent dans le lait, mais peut aussi être produit par les fameuses bactérieslactobacillus bifidus (popularisés sous le nom de «bifidus» par l’industriealimentaire).Cetacidebutanoïquestoppelacroissancedesbactériesnocivesdanslesintestinsetestvitalàlacroissancedesjeunesenfants.
Nommerunemolécule:hydrocarburesetAlcanes
Leshydrocarburessontlesmoléculeslesplusimportantespournotreéconomieetnotre vie quotidienne depuis la révolution industrielle du XIXe siècle. Ce termedésigne toutes les molécules constituées uniquement d’atomes de carbone etd’hydrogène. L’atome d’hydrogène ne pouvant faire qu'une seule liaison, ce sontsurtout les atomes de carbone qui sont importants pour la structure deshydrocarburesetonparlerad’ailleursde«chaînescarbonées»pourl’enchaînementdecesatomesdecarbone.
Ces chaînes carbonées peuvent être linéaires, si tous les atomesde carbone sesuiventenuneseuleligne,ramifiée,sidesatomesoudesgroupesd’atomesdecarbone viennent se greffer sur la chaîne principale, ou cyclique si la chaînecarbonéefaituneboucle.
Les alcanes sont des composés acycliques (non cycliques) constitués d’atomes decarbone et d’hydrogène, où tous les atomesde carbones sont tétragonaux et neformentdoncquedesliaisonssimples.
LaformulegénéraledesalcanesestCnH2n+2
Le nombre d’atomes de carbone dans la chaîne principale va donner le nom del’alcane,forméd’unpréfixquiindiquelenombred’atomesdecarbone(méth-,éth-,prop- etc…) suivi de la terminaison -ane. Exemple : l’alcane de formule C2H6 estnommééthane.
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Voicilesnomsdesdixpremiersalcanes:
n Formule brute
Nom de l’alcane linéaire n Formule brute Nom de l’alcane
linéaire 1 CH4 Méthane 6 C6H14 Hexane 2 C2H6 Éthane 7 C7H16 Heptane 3 C3H8 Propane 8 C8H18 Octane 4 C4H10 Butane 9 C9H20 Nonane 5 C5H12 Pentane 10 C10H22 Décane
Lorsqu’unalcaneestramifié,ilfautregarderquelleestlasuitelapluslongued’atomesdecarbonecarc’estellequivadonnerlenomprincipal.
Les ramificationssontappeléesgroupesalkyles, elles sont forméesenretirantunatomed’hydrogèneà l’alcanecorrespondantet reprennent lemêmepréfixque lesalcanes,maisavecuneterminaisonen-yle.
Exemple:legroupe-CH3estlegroupeméthyle.
Onnumérotealorslachaîneprincipaledel’alcanedetellesortequelepremieratomepossédantuneramificationpossèdelenumérolepluspetitpossible.Lesgroupesalkyles sont alors placés dans l’ordre alphabétique, en enlevant le -e terminal, etprécédésdeleurindicedeposition.
Siplusieursalkylesidentiquessontplacésdanslamêmemolécule,leurnombreseraindiquéparunpréfixel’indiquant(di-,tri-,tétra-)etprécédédeleursindicesdeposition.(voirlesexemplesci-dessous).
CH3 C CH2 CH CH3
CH2 CH3CH3
CH3 2,2,3-triméthylhexane
6 2
3CH
CH2
CH2
CH3
3CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
3CH
CH
CH2
CH3
CH3 3CH
CH2
CH
3CH
C
H2C
H2CH CH3
CH3
CH2
CH2
2CH
2CH
CH2
2CH
2CH
2CHCH2
CH2
CH2
butane hexanecyclohexane
cyclopentane
2-méthylbutane 3-éthyl-4-méthylhexane
Nomenclature des Alcanes
Chaînes linéaires
Chaînes ramifiéesCycliques
1
2 3 4
1345
méthyl
méthyl
éthyl
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Nomenclaturedesalcools
Unalcoolestunemoléculeorganiquedanslaquelleungroupehydroxyl-OHestfixésur un atome de carbone tétragonal qui est lié uniquement à d’autres atomes decarbone et d’hydrogène, sans être rattaché à d’autres groupes caractéristiques oudoubleliaison.
Pournommerlesalcools,oncherchelachaînecarbonéelapluslonguecontenantl’atomedecarboneliéaugroupehydroxyle-OHetonutiliselemêmepréfixequepourlesalcanes,maisaveclaterminaison-ol.
Silegroupehydroxylen’estpasenboutdemolécule,onnumérotelachaînecarbonéedetellesortequelegroupehydroxyleaitlenumérolepluspetitpossible.
Voiciquelquesexemples:
Note:ilestégalementpossibled’indiquerlaposition1silegroupehydroxyleestenboutdechaîne.Ainsiéthanoletéthan-1-olreprésententlamêmemolécule!
Siunalcoolpossèdeunechaînecarbonéenecomportantquedesliaisonssimples(ondira qu’il est saturé) et n’est pas cyclique, sa formule brute sera exprimé de typeCnH2n+2O
Aldéhydesetcétones
Lesaldéhydesetlescétonesontencommunungroupementconstituéd’unatomed’oxygène liéparunedouble liaisonàunatomede carbone qui n’est lié qu’àd’autres atomes de carbone ou d’hydrogène : C=O. On nomme ce groupe«carbonyle».
La différence entre les aldéhydes et les cétones vient de la position de ce groupefonctionneldanslamolécule.
Danslesaldéhydes,cegroupeestsituéenextrémitédemoléculeetl’atomedecarbonedoublementliéàl’oxygèneestégalementliéàunatomed’hydrogène.
Lenomdesaldéhydessetermineen«al»dontiln’estpasnécessairedepréciserlapositionpuisque l’atomedecarbone liédoublementà l’atomed’oxygènedébutetoujourslanumérotationdelachaîne.Lenomdériveradelachaînecarbonéelapluslonguequisetermineaveclegroupementcarbonyle.
3CH
CH2
OH 3CH
CH2
CH2
CH2
OH 3CH
CH
CH2
CH3
CH2
CH
OH
CH2
CH3
éthanol butanol5-méthylheptane-3-ol
Nomenclature des alcools méthyl
alcool alcoolalcool
123
4567
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Commepour les alcanes et les alcools vusprécédemment, onplacera endébutdemolécule, et par ordre alphabétique, la position et le nom des groupements deramificationsparrapportàlachaîneprincipale.
Danslescétones,l’atomedecarbonefonctionnel(quipossèdeladoubleliaisonavecl’atomed’oxygène)estliéàdeuxautresatomesdecarboneàl’intérieurdelachaînecarbonée.Pournommerlamolécule,ilfautfaireensortequecetatomefonctionnelaitlenumérolepluspetitpossibledanslachaîne.Laterminaisondelamoléculesefait alors en «one». La nomenclature du reste de la molécule suit les règleshabituelles:
Il est à noter que dans le cas d’une cétone, la terminaison -one est toujoursprécédéedelapositiondugroupementcarbonyle!
Acidescarboxyliques
Dansunacidecarboxyliqueilyaégalementunatomedecarbonedoublementliéàunatome d’oxygène, mais l’atome de carbone fonctionnel est également lié à ungroupement OH (oxygène-hydrogène). On verra souvent ce groupe sous la
O
H
CR
CH3 CH CH2 CH
CH3
O
3-méthylbutanal
1234
CH3 CH2 CH C
CH2 CH3
O
H2-éthylbutanal
1
234
Aldéhyde
Formule générale
Carbone fonctionnel
Terminaison : -al
C OR
R’
Carbone fonctionnel
CH3 C CH CH
CH3
CH2 CH3
CH2 CH3O
CH3 CH CH2 C CH CH3
O
CH3 CH3
2,5-diméthylhexan-3-one
Cétone
Formule générale
Terminaison : -one
4-éthyl-3-méthylhexan-2-one
1
1
2
3
4
5 6
2
3
456
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dénominationCOOHdanslesformulesbrutesquifontressortirlanaturedesmoléculesetcegroupeestappelé«carboxyle».
Du faitde cettedoute liaison carbonyle et groupementOH, l’atome fonctionneldel’acidecarboxyliqueesttoujourssituéenboutdemolécule.Onlenommeradoncparrapportàsachaînelapluslongueavecuneterminaisonen«oïque».Lenomseratoujoursprécédédelamention«acide».
Notezqu’enanglais(langue largementutiliséeenchimie), lesacidescarboxyliquesontlaterminaisonen«oic»etsontsuivisdelatension«acid»:ex:propanoicacid(celui-ciseraaussisouventnomméenanglais:propionicacid).
Voici quelques autres exemples de nomenclatures d’aldéhydes, cétones et acidescarboxyliquespourquevouspuissiezconfortervotrecompréhensiondelafaçondelesnommer.Danschaquecasonaégalementnumérotélesatomesdecarbonedeschainesramifiéesafindelesidentifierplusfacilement.
Souvenez-vousquecesramificationssontdesgroupesalkyles.UngroupeCH3estungroupeméthyle.UngroupeCH3-CH2estnommééthyl,ungroupeCH3-CH2-CH2estnommépropyletainsidesuite.Ilssontplacésparordrealphabétiquedanslenomdelamolécule,précédédeleurposition.Notezégalementqu’enanglaisiln’yaurapasd’accentdanslesgroupesalkyles.
Pournepassurchargerlesreprésentationssemi-développées,onal’habitudedenepas représenter le C du carbone qui possède le groupement carbonyle dans lescétonesoulegroupecarboxyledanslesacidescarboxyliques:
OC
OH
R
CH3 CH2 C O
OH
Acide propanoïqueCH3 CH2 CH2 CH2 C O
OHAcide hexanoïque
CH3 CH CH2
CH3
C O
OH
Acide Carboxylique
Formule générale
Carbone fonctionnel
Nom : Acide -oïque
Acide 3-méthylbutanoïque134 2
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SpectroscopieInfrarouge(IR)
Pour identifier des molécules organiques, on peut utiliser la technique de laspectroscopieinfrarouge.Ellefaitappelàunemachinequivailluminerlesmoléculesavecunelumièredontlongueurd’ondesesituedansledomainedesinfrarouges(de750nmà0,1mm)etmesurerl’absorptiondecettelumièreparlesmolécules.Celles-ci vont en effet absorber les ondes électromagnétiques transmises par la lumièreinfrarougeetsemettreàvibrerdedifférentesfaçons.
CH31
CH2
CH1
O
H3C3
Nom: 2-methylpropanalMasse molaire moléculaire: 72,11 g.mol - 1
Formule brute: C4H8O
Autres exemples de nomenclature
CH34
CH2
3CH2
CH1
H3C1
O
Nom: 2-methylbutanalMasse molaire moléculaire: 86,13 g.mol- 1Formule brute: C5H10O
H3C7
H2C
6
CH5 CH4
CH2
3 CH2
CH1
O
H2C1CH3
2
CH31
CH3
1
Nom: 4-ethyl-2,5-dimethylheptanalMasse molaire moléculaire: 170,30 g.mol - 1
Formule brute: C11H22O
CH3
1
2
CH3
3O
Nom: propan-2-oneMasse molaire moléculaire: 58,08 g.mol- 1
Formule brute: C3H6O
CH34
CH3
2
H3C1
O
H3C1
Nom: 3-methylbutan-2-oneMasse molaire moléculaire: 86,13 g.mol- 1
Formule brute: C5H10O
CH3
1
CH6
CH5
H2C4
3
CH2
H3C1
O
CH2
7 CH3
8
CH21
H3C2
CH3
1
Nom: 5-ethyl-2,6-dimethyloctan-3-oneMasse molaire moléculaire: 184,32 g.mol- 1
Formule brute: C12H24O
CH3
2
1
O
HO
Nom: acide acetique (éthanoïque)Masse molaire moléculaire: 60,05 g.mol- 1Formule brute: C2H4O2
Nom: acide 2,3-dimethylbutanoïqueMasse molaire moléculaire: 116,16 g.mol- 1
Formule brute: C6H12O2
H3C6
CH2
5CH4
CH3
CH2
1
HO
O
H2C1
H3C2CH2
1H2C2
CH3
3
H3C1
Nom: acide2-ethyl-4-methyl-3-propylhexanoïqueMasse molaire moléculaire: 200,32 g.mol- 1
Formule brute: C12H24O2
H3C1
CH3
CH2
1
HO
O
CH3
4H3C1
ProgrammedeSpécialitéphysiquepremière–2019
56 J.L.Richter©CreativeCommonBYNCSA-2019
Dansunemolécule,chaquetypedeliaisonvibreàunefréquenceparticulièreliéeaunombre d’onde σ (sigma), qui s’exprime en cm-1. Ce nombre d’onde est lié à lalongueurd’ondeλ(lambda)delalumièreparlarelation:σ=1/λ.
En examinant le spectre IR d’une molécule, on peut donc voir les domaines delongueurd’ondequiontétéabsorbésparlamoléculesousformede«creux»danslacourbeetendéduirelaprésencedegroupesfonctionnelspermettantd’identifierlamolécule.
Onsebasepourcelasurunetablederéférencecommecelleci-dessous(versionpluscomplète sur le site Wikipedia:https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy_correlation_table):
Liaison(groupefonctionnel)) σ(cm-1) IntensitéC=OAldéhydesetCétones 1650-1750 ForteC=OAcidesCarboxyliques 1680-1720 ForteO-HAlcoolsgazeux 3500-3700 Forte,fineO-HAlcoolsliquides 3200-3400 Forte-LargeO-HAcidesCarboxyliques 2500-3500 MoyenneàForte,largeC-HAlcanes 2800-3100 PlusieursbandesC-OAlcools 1040-1200 MoyenneàForteC-OAcidesCarboxyliques 1250-1300 MoyenneàForte
D’après le tableau, on voit, par exemple, que les acides carboxyliques doiventprésenter3bandespourlesliaisonsC-O,C=OetO-H.Sil’unedesbandesmanque,lamoléculenecorrespondrapasàcegroupefonctionnel.
Voiciunexempledespectrepourl’acidebutanoïqueC4H8O2:
Onyreconnaîtles3bandescorrespondantàl’acidecarboxylique:C-Oautourde1300cm-1,C=Overs1720cm-1etO-Hautourde3000cm-1.Cettedernièrebandeestsilargequ’ellecachelesbandesdesliaisonsC-Hdurestedelamolécule.
Vous pouvez vous entraîner avec les spectres de ce site:http://www.cheminfo.org/Spectra/IR/Exercises/Browse_Spectra/index.html
Nombre d'onde (cm-1)