I- Les familles des composés organiques.

1)- Modélisation des molécules.

Les molécules

-  On peut modéliser une molécule de plusieurs façons :

a)-  Le modèle moléculaire.

-  On peut représenter les molécules à l’aide de modèles moléculaires.

-  Dans un modèle moléculaire, chaque atome est modélisé par une boule de taille et de couleur déterminées.

-  Au lycée, on utilise le modèle compact ou le modèle éclaté.

-  Modèle éclaté :

-  Chaque atome est représenté par une sphère (une boule).

-  Les sphères sont liées les unes aux autres par des tiges représentant les doublets de liaisons (les doublets liants) ou les liaisons covalentes.

-  La longueur des tiges est proportionnelle à la distance entre les noyaux des atomes liés entre eux.

-  Modèle compact :

-  Dans ce modèle, plus proche de la réalité, les sphères sont en contact les unes avec les autres, mais on ne peut pas distinguer le nombre de liaisons que deux atomes forment entre eux.

b)-  La formule brute :

-  La formule brute d’une molécule indique la nature et le nombre des atomes constituant la molécule.

-  Elle ne donne aucune indication sur la structure de la molécule : chaîne carbonée, groupe fonctionnel,…

-  Exemple :

c)-  La formule développée plane.

-  Elle indique l’enchaînement des atomes et la nature des liaisons qui les unissent.

-  Les liaisons sont représentées par des tirets entre les symboles des atomes.

-  Exemples :

-  Cette représentation est rapidement difficile à manipuler quand la chaîne carbonée est importante.

d)-  Formule semi-développée.

-  Elle dérive de la formule développée.

-  Les liaisons sont représentées par des tirets entre les symboles des atomes excepté celles engagées par les atomes d’hydrogène.

-  Elle fait apparaître la chaîne carbonée.

-  Elle ne fait pas apparaître les liaisons entre un atome d’hydrogène et un autre atome.

-  Exemple : butane linéaire

e)-  Formule topologique.

-  La chaîne carbonée est représentée sous forme de ligne brisée.

-  Les atomes autres que de carbone C et d’hydrogène H sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes d’hydrogène H qu’ils portent.

-  Exemples :

	Formule topologique
n-butane
isobutane
Propan-1-ol

f)-  L’acide lactique : utilisation de quatre modèles :

-  Acide lactique :  acide 2-hydroxypropanoïque

2)- Groupes caractéristiques et famille de composés.

-  Dans une molécule, un groupe caractéristique est un groupement spécifique d’atomes qui ne contient pas uniquement des atomes de carbone C et d’hydrogène H.

-  Un groupe caractéristique (ou fonctionnel) confère des propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent.

-  Les composés ayant le même groupe caractéristique appartiennent à une même famille et ils ont des propriétés chimiques analogues.

-  Tableau de quelques groupes caractéristiques :

-  Remarque :

-   Ne pas confondre le groupe hydroxyle – OH avec l’ion hydroxyde OH^–.

-  L’acide lactique possède un groupe hydroxyle  – OH et un groupe carboxyle .

3)- Identification de la géométrie d’une molécule.

a)-  Introduction.

-  La géométrie des molécules organiques influence leur réactivité. Il est important de la connaître.

-  L’atome de carbone impliqué dans un groupe caractéristique est appelé, carbone fonctionnel.

-  Selon le groupe caractéristique auquel il appartient un atome de carbone peut avoir différentes géométries.

-  Sa géométrie est liée au nombre d’atomes voisins qu’il possède.

b)-  Les différentes structures de l'atome de carbone.

-  Le carbone tétragonal :

-  Il échange 4 liaisons simples avec 4 atomes ou groupe d'atomes distincts.

-  Il possède 4 voisins.

-  On parle de carbone tétraédrique car l'atome de carbone est situé au centre d'un tétraèdre.

-  Représentation conventionnelle : notion de stéréochimie

-  Le carbone trigonal :

-  Il échange 2 liaisons simples et une double liaison.

-  Il possède 3 voisins.

-  Il se trouve au centre d'un triangle dont les trois voisins occupent les sommets.

-  Représentation conventionnelle : notion de stéréochimie

-  Le carbone digonal :

-  Il peut échanger soit une simple liaison et une triple liaison soit deux doubles liaisons.

-  Il possède deux atomes voisins distincts.

II- Le nom et la formule semi-développée.

1)- Évolution de la nomenclature.

-  Jusqu’au XIX^e siècle, le nom des entités organiques évoquait leur origine ou leurs propriétés.

-  Cette nomenclature n’était pas internationale et des confusions pouvaient exister.

-  Ainsi, le méthanol était tour à tour « alcool de bois», « esprit de bois », ou « alcool méthylique ».

-  Des chimistes se sont réunis lors de commissions pour créer un langage nouveau tenant compte du squelette carboné et des familles de composés responsables des propriétés chimiques.

-  En 1892, la commission de Genève a élaboré 60 règles permettant de nommer les molécules organiques en construisant leur nom en trois parties :

-  préfixe – racine – suffixe

-  La nomenclature a évolué mais cette construction en trois parties demeure.

2)- Composition d’une molécule organique.

-  Les molécules organiques comportent deux parties :

-  Un squelette carboné

-  Et un ou plusieurs groupes caractéristiques.

-  Les molécules qui possèdent le même groupe caractéristique ont des propriétés chimiques communes.

-  Ces propriétés chimiques communes définissent une fonction chimique.

-  Une molécule organique comporte un enchaînement d’atomes de carbone.

-  Cet enchaînement est appelé : chaîne carbonée.

-  Cette chaîne carbonée peut être linéaire, ramifiée ou cyclique.

-  Chaque molécule organique possède un nom qui donne des informations :

-  Sur sa chaîne carbonée

-  Sur la famille de composé à laquelle elle appartient.

-  Le nom des molécules organiques oxygénées est le la forme :

préfixe – racine – suffixe

3)- Introduction à la nomenclature : Nomenclature

a)-  Le suffixe :

-  Le suffixe indique la famille de composés à laquelle appartient l’espèce chimique.

-  Tableau de quelques familles de composés :

-  Remarques :

-  R représente un radical alkyle (type :  – C_nH_{2n + 1})

-  Dans un alcool, l’atome de carbone, lié au groupe hydroxyle, est tétragonal.

-  Ainsi le phénol n’appartient pas à la famille des alcools car le carbone fonctionnel est trigonal.

-  Les aldéhydes : Un aldéhyde est un composé carbonylé dont l’atome de carbone fonctionnel est lié à au moins un atome d’hydrogène.

-  Les cétones : Une cétone est un composé carbonylé dont l’atome de carbone fonctionnel n'est lié qu’à des atomes de carbone.

-  Pour les acides carboxyliques, le nom de la molécule commence par le mot acide.

-  Exemple :

-  Cette molécule possède le groupe carbonyle.

-  Elle appartient à la famille des cétone.

-  Le nom se termine par one : 

-  On utilise donc le suffixe : one.

b)-  La racine :

-  La racine indique le nombre d’atomes de carbone C de la chaîne principale.

-  Le carbone fonctionnel :

-  L’atome de carbone fonctionnel est celui qui appartient au groupe caractéristique ou qui est lié au groupe hydroxyle.

-  La chaîne principale :

-  La chaîne principale est la chaîne carbonée :

-  Qui comporte le plus grand nombre d’atomes de carbone

-  Ainsi que l’atome de carbone fonctionnel.

  Cette chaîne est numérotée de telle sorte que le numéro de l’atome fonctionnel soit le plus petit possible.

-  Exemple :

-  Il y deux numérotations possibles :

-  La bonne numérotation est celle de couleur rouge.

-  Le carbone fonctionnel possède le numéro 2. (avec la numérotation de couleur bleue, il a le numéro 4)

-  Racine du nom suivant le nombre d’atomes de carbone de la chaîne carbonée :

-  La chaîne principale de la molécule comprend 5 atomes de carbone, le radical est :

-  « pentan- »

-  Exemple :

c)-  Le préfixe :

-  Un préfixe apparaît dans le nom si la chaîne principale est ramifiée par un ou plusieurs groupes alkyles de formule générale – C_nH_2n+1.

-  Le préfixe indique la position et la nature du groupe alkyle.

-  Les 4 premiers groupes alkyles :

-  Exemple :

-  Nom de la molécule :

-  4-méthylpentan-2-one

-  Remarque :

 -  Si la chaîne carbonée porte plusieurs groupes identiques, on utilise les préfixes : di, tri, tétra…

III- La spectroscopie infrarouge. Analyses spectrales

1)- Présentation d’un spectre. )

-  La spectroscopie IR est une spectroscopie d’absorption.

-  Les composés organiques absorbent aussi dans le domaine de l’infrarouge.

-  Pour ces spectres, on fait figurer :

-  La transmittance T ou intensité lumineuse transmise par l’échantillon analysé en ordonnée (elle s’exprime en pourcentage)

-  Le nombre d’ondes σ en abscisse.

-  Le nombre d’ondes σ est l’inverse de la longueur d’onde λ.

-   

-  Unité :

-  Généralement, le nombre d’ondes σ s’exprime en cm^–1 en chimie organique.

-  En chimie organique, les radiations infrarouges exploitées vont de 400 cm^–1 à 4000 cm^–1. (25 μm à 250 μm)

-  Cette spectroscopie peut se faire en phase gazeuse ou en phase condensée.

-  Exemple : Spectre de la propanone.

-  Remarque :

-  Une faible valeur de transmittance correspond à une forte absorption.

-  Les bandes d’absorption sont orientées vers le bas.

-  L’axe des abscisses est orienté vers la gauche. Cette échelle n’est pas toujours linéaire.

-  On distingue deux zones principales dans le spectre IR :

►  Le nombre d’onde compris entre 1500 et 4000 cm^–1.

-  Cette zone ne contient qu’un nombre limité de bandes, correspondant à des types de liaisons particuliers.

-  Chaque bande est caractérisée par :

-  Sa position dans le spectre (la valeur du nombre d’onde du minimum de transmittance,

-  Sa largeur (bande large ou fine),

-  Son intensité (faible, moyenne ou forte), correspondant à la valeur minimale de la transmittance.

►  Le nombre d’onde compris entre 400 et 1500 cm^–1.

-  Il s’agit d’une zone très riche en bandes d’absorption pour les molécules organiques possédant un ou plusieurs atomes de carbone.

-  Elle est généralement exploitée qu’en comparaison avec un spectre de référence.

-  Cette zone s’appelle l’empreinte digitale de la molécule.

-  Dans un spectre infrarouge, la zone d’identification des groupes caractéristiques correspond à : σ > 1600 cm^–1.

2)- Utilité :

-  Les spectres IR sont constitués d’une série de bandes d’absorption.

-  Chaque bande d’absorption est associée à un type de liaison, principalement caractérisé par les deux atomes liés et la multiplicité de la liaison.

-  Un spectre infrarouge renseigne sur la nature des liaisons présentes dans une molécule.

-  Les bandes d’absorption associées à chacune des liaisons rencontrées en chimie organique correspondent à un domaine de nombre d’ondes bien précis.

-  Une table des absorptions caractéristiques des liaisons dans le domaine de l’IR donne les fourchettes des nombres d’onde (souvent l’allure des bandes) pour différents types de liaison.

3)- Origine du spectre :

-  Les spectres IR sont liés au fait que les atomes d’une molécule ne sont pas fixes, ils vibrent autour d’une position d’équilibre.

-  Les vibrations peuvent correspondre à une élongation longitudinale :

-  Les vibrations peuvent correspondre à une déformation angulaire :

-  Les vibrations des liaisons d’une molécule sont à l’origine de son spectre infrarouge.

-  Un spectre infrarouge renseigne sur la nature des liaisons présentes dans une molécule et sur les groupes caractéristiques qui sont présents dans la molécule.

4)- Bandes d’absorption caractéristiques.

-  Tableau simplifié :

-  Les notations :

-  L’intensité traduit l’importance de l’absorption.

-  – O – H_lib sans liaison hydrogène et – O – H_lié avec liaison hydrogène.

-  C_tri correspond à un carbone trigonal engagé dans une double liaison.

-  C_tét correspond à un carbone tétragonal engagé dans quatre liaisons simples.

►  Bande C = O

-  La liaison C = O est présente dans de nombreuses molécules organiques telles que les aldéhydes, cétones, acide carboxyliques, esters, amides,…

-  La position de la bande d’absorption dépend de la nature de la fonction.

-  Elle est généralement comprise entre 1650 cm^–1 et 1750 cm^–1.

-  Lorsque la liaison C = O est conjuguée à d’autres doubles liaisons, la liaison C = O est affaiblie et le nombre d’onde correspondant diminue.

►  Bande C – O 

-  La liaison C – O est présente dans les alcools, les acides carboxyliques,…

-  Sa bande d’absorption se situe entre 1070 cm^–1 et 1450 cm^–1.

-  Tableau à connaître :

-  Une bande est forte lorsque la valeur de la transmittance est faible.

-  Une bande est large si elle s’étale sur un intervalle de nombre d’ondes important.

-  En résumé :

Groupe hydroxyle :

Groupe carbonyle :

Groupe carboxyle :

b)-  Exemples de spectres infrarouges :

►  Spectre IR de l’éthanol :

-  Spectre de l’éthanol à l’état gazeux :

-  Spectre de l’éthanol à l’état liquide :

-  Ci-dessus, on peut observer les spectres infrarouges de l’éthanol à l’état gazeux et à l’état liquide.

-  À l’état gazeux :

-  La liaison O – H donne une bande moyenne et fine vers 3620 cm^–1.

-  Il n’existe pas de liaison hydrogène entre les molécules d’éthanol, la liaison O – H est dite libre, que l’on note O – H_lib.

-  À l’état liquide : ­­

-  La liaison O – H se manifeste par une bande d’absorption forte et large de 3200 cm^–1 à 3400 cm^–1.

-  Les liaisons hydrogène établies entre les molécules d’éthanol affaiblissent les liaisons covalentes O – H et conduisent à un abaissement du nombre d’onde σ_{O – H}.

-  De plus, la bande s’élargit, la liaison O – H est dans ce cas dite associée, on la note O – H_associé ou O – H_lié.

-  Ce résultat est général.

►  Cas de la propanone :

-  Les liaisons C – H donnent une bande large et moyenne de 2800 cm^–1 à 3100 cm^–1.

-  La double liaison C = O donne une bande fine et forte vers 1700 cm^–1.

►  Acide éthanoïque :

-  Les liaisons O – H donnent une bande large et forte de 2500 cm^–1 à 3200 cm^–1.

-  Pour les acides carboxyliques en solution concentrée, les molécules s’associent sous forme de dimères grâce à des liaisons hydrogène.

-  On note un affaiblissement important des  liaisons – O – H.

-  La bande d’absorption relative aux liaisons – O – H se situe autour du nombre d’onde σ ≈ 3000 cm^–1.

-  Cette bande est caractéristique d’un acide carboxylique.

-  La double liaison C = O donne une bande fine et forte vers 1700 cm^–1.

IV- Applications.

1)- Nom de quelques molécules.

a)-  Nommer les molécules suivantes et indiquer à quelle famille elles appartiennent.

Correction

b)-  Nommer les molécules suivantes et indiquer à quelle famille elles appartiennent.

Correction

c)-  Nommer les molécules suivantes et indiquer à quelle famille elles appartiennent.

Correction

2)- QCM :

QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s'auto-évaluer

Les familles des composés organiques.

Le nom et la formule semi-développée.

La spectroscopie infrarouge.

QCM sous forme de tableau

3)- Exercices :