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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



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



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.



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



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



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



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



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


CH3

1

2

CH3

3O

Nom: propan-2-oneMasse molaire moléculaire: 58,08 g.mol- 1


CH34

CH3

2

H3C1

O

H3C1

Nom: 3-methylbutan-2-oneMasse molaire moléculaire: 86,13 g.mol- 1


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


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



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)

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