Structure des composés organiques

Structure des composés organiques

Le sucre, l'alcool, l'acide acétique du vinaigre, le parfum d'une fleur ou la molécule active d'un médicament : tous des composés organiques. Pour les nommer sans confusion possible, les chimistes ont mis au point un système précis, la nomenclature.

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

distinguer chaîne carbonée linéaire et ramifiée ;

nommer et dessiner un alcane (linéaire ou ramifié) ;

reconnaître les groupes caractéristiques : alcool (–OH), aldéhyde (–CHO), cétone (C=O en chaîne) et acide carboxylique (–COOH) ; nommer les molécules de ces 4 familles ;

exploiter un spectre infrarouge pour identifier un groupe caractéristique.

Qu'est-ce qu'un composé organique ?

Composé organique Une molécule constituée majoritairement d'atomes de carbone et d'hydrogène. Elle peut comporter en plus quelques atomes d'O, N, Cl, S…

Les autres composés sont dits inorganiques. Cette distinction (un peu arbitraire historiquement) reste utile car les composés organiques constituent plus de 90 % des espèces chimiques connues, c'est la chimie du vivant et des polymères.

Une chimie de squelettes Les molécules organiques sont structurées autour d'un squelette de carbone. Quelques autres atomes (O, N, halogènes) viennent se greffer ; les atomes d'H font office de « bouche-trous » pour respecter la valence.

La valence : règle d'or

La valence d'un atome est le nombre de liaisons covalentes qu'il forme habituellement. C'est la règle qui régit toutes les structures organiques :

max-w-xl 1 liaison (monovalent) 2 liaisons (divalent) 3 liaisons (trivalent) 4 liaisons (tétravalent) Pas de carbone à 5 pattes !

Un C qui n'a pas exactement 4 liaisons, un O qui n'a pas 2 liaisons : c'est l'erreur classique. Vérifie systématiquement la valence quand tu dessines une molécule. Une double liaison compte pour 2.

Chaîne carbonée : linéaire

Chaîne linéaire Les atomes de carbone sont reliés les uns à la suite des autres (comme une rangée qui se tient la main), sans former de cycle ni de ramification.

Chaque C central est lié à 2 autres C (un précédent, un suivant). Les deux C en bout de chaîne ne sont liés qu'à 1 seul C.

Exemple : le propane Le zigzag invisible En réalité, comme C est tétraédrique, la chaîne fait un zigzag dans l'espace. La formule semi-développée l'aplatit pour la rendre lisible, mais la géométrie 3D est bien là.

Chaîne carbonée : ramifiée

Chaîne ramifiée Au moins un atome de carbone est lié à plus de 2 autres atomes de carbone. C'est le carbone ramifié : il porte une ramification (un greffon).

Exemple : le 2-méthylpropane (isobutane) Chaîne principale

Quand il y a des ramifications, la chaîne principale est celle qui contient le plus d'atomes de carbone. C'est elle qu'on numérotera en premier pour donner le nom.

Les alcanes : définition

Alcane Une molécule organique qui :

ne contient que C et H ; n'a que des liaisons simples entre les atomes de carbone (pas de double, pas de triple).

Formule brute générale C_nH_2n+2 n = nombre d'atomes de carbone (entier ≥ 1).

Application Pour n = 3 : 2n+2 = 8 → formule brute C₃H₈ = propane. Pour n = 8 : 2n+2 = 18 → C₈H₁₈ = octane (composant principal de l'essence).

Les 10 premiers alcanes : à savoir par cœur

Les 4 premiers ont des noms historiques (à mémoriser tels quels). À partir du 5ᵉ, on prend un préfixe grec indiquant le nombre de C, suivi de la terminaison « –ane ».

Nom Formule brute Formule semi-développée Méthane CH₄ CH₄ Éthane C₂H₆ CH₃, CH₃ Propane C₃H₈ CH₃, CH₂, CH₃ Butane C₄H₁₀ CH₃, (CH₂)₂, CH₃ Pentane C₅H₁₂ CH₃, (CH₂)₃, CH₃ Hexane C₆H₁₄ CH₃, (CH₂)₄, CH₃ Heptane C₇H₁₆ CH₃, (CH₂)₅, CH₃ Octane C₈H₁₈ CH₃, (CH₂)₆, CH₃ Nonane C₉H₂₀ CH₃, (CH₂)₇, CH₃ 10 Décane C₁₀H₂₂ CH₃, (CH₂)₈, CH₃ Astuce mnémotechnique

Méthane • Éthane • Propane • Butane, les 4 premiers (« MEPB ») sont historiques. Ensuite, on compte en grec : 5 = penta, 6 = hexa, 7 = hepta, 8 = octa, 9 = nona, 10 = déca.

Les groupements alkyles

Une ramification qui se greffe sur la chaîne principale est un groupement alkyle. Son nom dérive de l'alcane correspondant en remplaçant la terminaison « –ane » par « –yl ».

Nb. de C Nom du groupement Formule méthyl– – CH₃ éthyl– – CH₂, CH₃ propyl– – CH₂, CH₂, CH₃ butyl– – CH₂, (CH₂)₂, CH₃ pentyl– – CH₂, (CH₂)₃, CH₃ Le tiret à l'avant compte

Le « – » devant – CH₃ représente la liaison qui rattache le groupement à la chaîne principale. Un groupement alkyle ne vit jamais seul.

Nomenclature : les 5 règles

La marche à suivre Identifier la chaîne principale = la plus longue (attention : pas toujours en ligne droite !).

Compter ses atomes de C : le nom de l'alcane ramifié dérivera de l'alcane linéaire correspondant.

Repérer les ramifications (groupements alkyles) et les nommer (méthyl, éthyl…).

Numéroter la chaîne principale dans le sens qui donne la somme la plus faible des indices des ramifications.

Assembler : indice–nom–du–groupement + nom de l'alcane principal. Préfixes di / tri / tétra pour plusieurs groupes identiques. Plusieurs groupes différents → ordre alphabétique.

Règles d'écriture Pas d'espace dans le nom.

Entre deux nombres : virgule (« 2,3-… »).

Entre un nombre et une lettre : tiret (« 4-éthyl… »).

Pour ranger les groupes différents : ordre alphabétique en ignorant les préfixes di, tri…

Tutoriel : 2,3-diméthylpentane

Appliquons les 5 règles sur une molécule à deux ramifications :

max-w-2xl Étape 1, chaîne principale. On suit la plus longue suite de C : ici 5 atomes en ligne → pentane.

Étape 2, ramifications. Deux groupes –CH₃ en violet : ce sont des groupements méthyl–.

Étape 3, numérotation. On essaie les deux sens. De gauche à droite : ramifications en 2 et 3 (somme = 5). De droite à gauche : 3 et 4 (somme = 7). On garde la première : somme la plus faible.

Étape 4, préfixe pour deux groupes identiques. Deux méthyl → diméthyl.

Étape 5, assemblage. 2,3–diméthylpentane. Indices séparés par virgule, tiret avant le nom du groupe, accolé au nom de l'alcane principal.

Piège classique : la chaîne n'est pas toujours en ligne droite

max-w-2xl Ici, à première vue on pourrait croire que la chaîne principale a seulement 5 C. Mais en regardant bien, il existe un chemin de 6 C qui passe par la ramification du haut. Donc l'alcane parent est l'hexane, pas le pentane.

1. Chaîne principale : 6 C → hexane.

2. 2 groupes méthyl– → diméthyl.

3. Numérotation : indices 2 et 4 (somme = 6).

Nom : 2,4–diméthylhexane.

À retenir Avant de compter les C, prends le temps de chercher la chaîne la plus longue, y compris en passant par des ramifications apparentes.

Les alcools : groupe hydroxyle –OH

Alcool Une molécule organique qui contient le groupe caractéristique hydroxyle –OH, et où l'atome de C porteur :

est tétraédrique (4 liaisons simples) ; n'est lié à aucun autre groupe caractéristique (juste à des C ou des H).

Trois cas piégeux Pas de –OH du tout → pas un alcool.

–OH sur un C aussi lié à =O → c'est un acide carboxylique, pas un alcool.

–OH sur un C engagé dans une double liaison (C=C–OH) → c'est un phénol, pas un alcool.

Nomenclature des alcools

Les nouvelles règles La chaîne principale est la chaîne la plus longue contenant le C porteur du –OH (le « carbone fonctionnel »).

On numérote la chaîne pour donner au C fonctionnel le plus petit indice possible (la fonction principale prime sur les ramifications).

On remplace le « e » final de l'alcane par la terminaison « ol ».

L'indice du C fonctionnel est placé juste avant « ol », séparé par des tirets.

Les ramifications éventuelles s'ajoutent en préfixe, comme pour un alcane.

Exemples simples CH₃–OH → méthanol (1 C, suffixe –ol) CH₃–CH₂–OH → éthanol (alcool des boissons)

CH₃–CH(OH)–CH₃ → propan-2-ol (–OH en position 2)

Tutoriel : 3,3-diméthylbutan-1-ol

max-w-2xl 1. Chaîne principale. Plus longue chaîne contenant le C porteur du –OH : 4 C → dérivé du butane.

2. Numérotation. On donne le plus petit indice au C fonctionnel : le –OH est sur le C de gauche → position 1.

3. Suffixe. On remplace « e » par « ol » et on précise l'indice : butan-1-ol.

4. Ramifications. 2 méthyles sur le C n°3 → préfixe 3,3-diméthyl.

Nom complet : 3,3-diméthylbutan-1-ol.

Quand l'indice est obligatoire ?

Pour méthanol et éthanol, le –OH ne peut être qu'en position 1 → on n'écrit pas l'indice. Pour les alcools à 3 C ou plus, on précise toujours.

Aldéhydes et cétones : le groupe carbonyle

Aldéhydes et cétones partagent le même groupe caractéristique : le carbonyle C=O. La différence est son emplacement.

Aldéhyde Le carbone du C=O est lié à au moins un atome d'hydrogène → le carbonyle est forcément en bout de chaîne.

Cétone Le carbone du C=O est lié à deux autres atomes de carbone → le carbonyle est au milieu de la chaîne.

Géométrie du C fonctionnel Pour les deux familles, le C porteur du C=O est trigonal plan (3 liaisons, pas de doublet non liant) → géométrie triangulaire, type AX₃ en VSEPR.

Exemples concrets

Éthanal CH₃–CHO (un aldéhyde) Senteur typique de pomme verte. Le C=O est en bout, lié à un H, c'est l'aldéhyde le plus simple après le méthanal HCHO.

Propan-2-one CH₃–CO–CH₃ (une cétone, l'acétone)

La célèbre acétone du dissolvant à vernis. Le C=O est au milieu, encadré par deux méthyles, c'est la cétone la plus simple.

Nomenclature aldéhyde / cétone

Aldéhyde : suffixe « –al »

Chaîne principale = la plus longue contenant le C du carbonyle.

Numérotation : le C du C=O est obligatoirement en position 1.

On remplace « e » de l'alcane par « al ».

Pas d'indice à écrire (forcément 1).

CH₃–CHO → éthanal CH₃–CH(CH₃)–CHO → 2-méthylpropanal Cétone : suffixe « –one »

Chaîne principale = la plus longue contenant le C du carbonyle.

Numérotation : plus petit indice possible pour le C fonctionnel.

On remplace « e » par « one ».

L'indice du C fonctionnel est obligatoire (sauf cas trivial à 3 C).

CH₃–CO–CH₃ → propan-2-one CH₃–CO–CH₂–CH₃ → butan-2-one

Les acides carboxyliques : groupe –COOH

Acide carboxylique Une molécule organique contenant le groupe caractéristique carboxyle –COOH (aussi noté –CO₂H). Comme un H y est obligatoire, le groupe se trouve toujours en bout de chaîne.

Structure : carbonyle + hydroxyle Le groupe –COOH est en réalité la combinaison d'un C=O (carbonyle) et d'un O–H (hydroxyle) sur le même C. Mais ensemble, ils se comportent comme un seul groupe avec ses propriétés acides spécifiques (d'où le nom).

Exemple : l'acide éthanoïque CH₃–COOH C'est le composé qui donne au vinaigre son goût et son odeur piquants. À 5–8 % dans l'eau, il s'agit du vinaigre blanc de cuisine.

Nomenclature des acides carboxyliques

Les règles Chaîne principale = la plus longue contenant le C du –COOH.

On numérote en commençant par le C du –COOH (position 1, toujours).

On remplace le « e » de l'alcane par la terminaison « oïque ».

On préfixe le nom par le mot « acide ».

Comme pour les aldéhydes, l'indice du C fonctionnel n'est pas écrit (forcément 1).

Exemples HCOOH → acide méthanoïque (acide formique des fourmis)

CH₃COOH → acide éthanoïque (acide acétique du vinaigre) CH₃CH₂COOH → acide propanoïque CH₃CH(CH₃)COOH → acide 2-méthylpropanoïque

Récapitulatif : les 4 familles

Famille Groupe caractéristique Position dans la chaîne Suffixe Exemple Alcool –OH n'importe où –ol éthanol Aldéhyde –CHO bout de chaîne –al éthanal Cétone –CO– milieu de chaîne –one propan-2-one Acide carboxylique –COOH bout de chaîne acide …–oïque acide éthanoïque Le piège à éviter

Si une molécule a plusieurs groupes caractéristiques (ex. un –COOH ET un –OH ailleurs), c'est le groupe prioritaire qui donne le suffixe. Au programme de Première spé, on rencontrera surtout des molécules avec un seul groupe caractéristique.

Spectroscopie infrarouge : principe

Chaque type de liaison dans une molécule (O–H, C=O, C–H, N–H…) absorbe une longueur d'onde infrarouge précise. En envoyant un rayonnement IR sur la molécule et en mesurant ce qui est absorbé, on identifie les groupes caractéristiques présents.

Transmittance T T = (I)/(I_0) T = 100 % (ou 1) : la longueur d'onde est transmise intégralement (rien d'absorbé).

T = 0 % : tout est absorbé.

T est sans unité, souvent affichée en %.

Nombre d'onde σ = (1)/(λ) Inverse de la longueur d'onde, exprimé en cm⁻¹. C'est σ qu'on lit en abscisse sur un spectre IR (et non λ).

Lire un spectre IR

Un spectre IR est un graphique T = f( ), avec σ en abscisse de la droite vers la gauche (4000 → 500 cm⁻¹). Une bande d'absorption est un creux dirigé vers le bas, caractérisé par sa largeur, son intensité et son nombre d'onde.

Exemple : un spectre IR avec une bande typique d'alcool max-w-2xl Spectre IR avec bande O-H d'alcool Lecture

Plus la transmittance T est faible (creux profond), plus la longueur d'onde est fortement absorbée. La bande O–H d'un alcool, vers 3300 cm⁻¹, est large et intense, un signe presque infaillible.

Bandes d'absorption : la table fournie

À retenir : tu n'as PAS à apprendre cette table

La table des bandes IR est fournie sur tout sujet de contrôle ou de bac. Le travail est de savoir la lire et l'utiliser pour conclure sur la famille d'une molécule. Voici la version qu'on utilisera dans ce chapitre :

Liaison σ (cm⁻¹) Allure Famille O–H (libre) 3500–3700 fine, moyenne alcool isolé O–H (lié) 3200–3500 large, forte alcool en solution O–H acide 2500–3300 très large acide carboxylique C–H (alcane) 2800–3000 moyenne tous les alcanes C=O 1700–1740 fine, très intense aldéhyde, cétone, acide C–O 1000–1300 moyenne alcool, acide Stratégie d'analyse

Cherche d'abord la bande C=O (vers 1700) : si présente → aldéhyde, cétone ou acide.

Cherche ensuite la bande O–H : si large vers 3300 → alcool ou acide. Pas d'O–H + C=O → aldéhyde ou cétone.

Combiner C=O et O–H très large → acide carboxylique.

Ce qu'il faut retenir

Composé organique = à base de C et H, plus quelques autres atomes (O, N…). Valences : H = 1, O = 2, N = 3, C = 4.

Alcanes : CₙH₂ₙ₊₂, liaisons simples. Nom = préfixe (méth, éth, prop, but, pent, hex…) + « ane ».

Nomenclature ramifiée : chaîne principale = la plus longue ; numéroter pour minimiser les indices ; nommer les ramifications (alkyle) en préfixe, ordre alphabétique, préfixes di/tri pour les groupes répétés.

Les 4 familles à reconnaître : alcool (–OH, –ol), aldéhyde (–CHO, –al), cétone (–CO–, –one), acide carboxylique (–COOH, acide …–oïque).

Spectroscopie IR : T = I/I₀ en ordonnée, σ = 1/λ en abscisse (cm⁻¹). Bandes-clé : C=O vers 1700 ; O–H alcool large vers 3300 ; O–H acide très large 2500–3300.