Physique-Chimie — Première
Les molécules organiques — Physique-Chimie Première (chapitre 9)
Chimie organique en première spécialité physique-chimie : chaînes carbonées saturées, formules brute, développée, semi-développée et topologique, groupes…
Par ProfBot
Les molécules organiques
Chapitre 9 — Constitution et transformations de la matière · Première, spécialité physique-chimie
Plus de la moitié des espèces chimiques connues sont bâties sur un seul élément : le carbone. Sa particularité est de former quatre liaisons, y compris avec lui-même, ce qui autorise des chaînes de longueur quelconque, ramifiées ou non. De là viennent les sucres, les protéines, les plastiques, les médicaments et les carburants.
Ce chapitre apprend à lire ces molécules : à repérer leur squelette, à y reconnaître les groupes caractéristiques qui décident de leurs propriétés, à leur donner un nom — et à les identifier expérimentalement par spectroscopie infrarouge.
Au programme officiel. Formules brutes et semi-développées ; squelettes carbonés saturés, groupes caractéristiques et familles fonctionnelles ; lien entre le nom et la formule semi-développée ; identification des groupes caractéristiques par spectroscopie infrarouge.
Il est uniquement attendu que l'élève justifie la relation entre nom et formule semi-développée de molécules simples possédant un seul groupe caractéristique.
1. Écrire une molécule organique
Une même molécule s'écrit de quatre façons, de la plus économique à la plus explicite.
| Écriture | Ce qu'elle montre | Exemple (butan-1-ol) |
|---|---|---|
| brute | seulement le nombre d'atomes | $\mathrm{C_4H_{10}O}$ |
| développée | toutes les liaisons, y compris $\mathrm{C}\!-\!\mathrm{H}$ | encombrante mais complète |
| semi-développée | les liaisons sauf $\mathrm{C}\!-\!\mathrm{H}$ | $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!CH_2\!-\!CH_2\!-\!OH}$ |
| topologique | un trait par liaison, carbones sous-entendus aux sommets | la plus rapide à tracer |
La formule brute ne suffit pas. $\mathrm{C_2H_6O}$ désigne aussi bien l'éthanol $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!OH}$, liquide qu'on boit, que le méthoxyméthane $\mathrm{CH_3\!-\!O\!-\!CH_3}$, gaz anesthésiant. Même formule brute, propriétés opposées : ce sont des isomères. C'est la raison d'être des trois autres écritures.
Le squelette carboné est saturé lorsqu'il ne comporte que des liaisons simples $\mathrm{C}\!-\!\mathrm{C}$ ; il est linéaire si tous les carbones se suivent, ramifié s'il porte des branches.
2. Nommer une chaîne carbonée
Le nom d'une molécule organique se lit comme une phrase, en trois morceaux.
$\underbrace{\text{préfixe}}_{\text{ramifications}} + \underbrace{\text{racine}}_{\text{nombre de carbones}} + \underbrace{\text{suffixe}}_{\text{famille}}$
| Carbones de la chaîne principale | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Racine | méth | éth | prop | but | pent | hex |
Les alcanes, hydrocarbures saturés de formule générale $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, portent le suffixe -ane : méthane $\mathrm{CH_4}$, éthane $\mathrm{C_2H_6}$, propane $\mathrm{C_3H_8}$, butane $\mathrm{C_4H_{10}}$.
La méthode de nomenclature, en trois temps.
- Repérer la chaîne principale : la plus longue chaîne carbonée continue. Sa longueur donne la racine.
- Numéroter les carbones de façon à attribuer le plus petit numéro possible au groupe caractéristique (ou, à défaut, à la première ramification).
- Nommer les ramifications en préfixe, par ordre alphabétique, précédées de leur numéro : $\mathrm{-CH_3}$ donne méthyl, $\mathrm{-CH_2\!-\!CH_3}$ donne éthyl.
3. Groupes caractéristiques et familles
Un groupe caractéristique est un atome ou un groupe d'atomes qui, greffé sur un squelette carboné, lui confère des propriétés particulières. Toutes les molécules qui portent le même groupe forment une famille.
| Famille | Groupe caractéristique | Position | Suffixe | Exemple |
|---|---|---|---|---|
| alcool | $\mathrm{-OH}$ (hydroxyle) | sur n'importe quel carbone | -ol | propan-2-ol |
| aldéhyde | $\mathrm{-CHO}$ (carbonyle en bout de chaîne) | carbone terminal | -al | propanal |
| cétone | $\mathrm{-CO-}$ (carbonyle interne) | carbone non terminal | -one | propanone |
| acide carboxylique | $\mathrm{-COOH}$ (carboxyle) | carbone terminal | acide … -oïque | acide propanoïque |
Aldéhyde ou cétone ? C'est une question de position, pas de groupe. Les deux portent le même groupe carbonyle $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$. S'il est en bout de chaîne — donc porteur d'un hydrogène — c'est un aldéhyde ; s'il est à l'intérieur — donc entouré de deux carbones — c'est une cétone. Le propanal $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!CHO}$ et la propanone $\mathrm{CH_3\!-\!CO\!-\!CH_3}$ ont d'ailleurs la même formule brute, $\mathrm{C_3H_6O}$ : ce sont des isomères.
Numéroter le groupe. Quand la position du groupe est ambiguë, elle figure dans le nom, juste avant le suffixe : butan-2-ol, pentan-3-one. Elle est inutile pour un aldéhyde ou un acide carboxylique, dont le groupe est nécessairement en bout de chaîne (position 1).
4. La spectroscopie infrarouge
Comment savoir, sans démonter la molécule, quels groupes elle porte ? En la faisant vibrer.
Le principe. Une liaison chimique se comporte comme un ressort reliant deux masses : elle vibre à une fréquence qui lui est propre. Éclairée par un rayonnement infrarouge, la molécule absorbe les radiations dont la fréquence correspond à celles de ses liaisons. Le spectre obtenu porte donc la signature des liaisons présentes.
En spectroscopie IR, l'axe horizontal porte le nombre d'onde $\sigma$, exprimé en $\mathrm{cm^{-1}}$, et il est tracé de droite à gauche (des grandes valeurs vers les petites) — une convention historique dont il faut simplement se souvenir. L'axe vertical porte la transmittance en pourcentage : une absorption se lit donc comme un pic vers le bas.
| Liaison | Nombre d'onde ($\mathrm{cm^{-1}}$) | Aspect de la bande |
|---|---|---|
| $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$ d'un alcool (lié) | 3200 – 3400 | forte et large |
| $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$ d'un acide carboxylique | 2500 – 3200 | très large, étalée |
| $\mathrm{C}\!-\!\mathrm{H}$ | 2800 – 3000 | moyenne, toujours présente |
| $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$ (aldéhyde, cétone, acide) | 1650 – 1750 | forte et fine |
| $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{C}$ | 1625 – 1685 | faible |
Les trois spectres se distinguent d'un coup d'œil. L'alcool ne montre qu'une large bande vers $3300\ \mathrm{cm^{-1}}$ ; la cétone, un pic fin et profond vers $1715\ \mathrm{cm^{-1}}$ ; l'acide carboxylique les deux à la fois, avec une bande $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$ encore plus large, étalée jusqu'à $2500\ \mathrm{cm^{-1}}$.
La méthode de lecture, en trois questions.
- Y a-t-il une bande large au-dessus de $3000\ \mathrm{cm^{-1}}$ ? Oui → un $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$ est présent : alcool ou acide.
- Y a-t-il un pic fin et intense vers $1700\ \mathrm{cm^{-1}}$ ? Oui → un $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$ est présent : aldéhyde, cétone ou acide.
- Les deux ensemble ? C'est un acide carboxylique. Le $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$ seul → aldéhyde ou cétone. Le $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$ seul → alcool.
Ce que l'IR ne dit pas. Un spectre infrarouge identifie des liaisons, pas des molécules. Il ne distingue ni le propan-1-ol du propan-2-ol, ni un aldéhyde d'une cétone (le $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$ est le même). Pour ces distinctions, il faut d'autres méthodes — ou des tests chimiques.
Exercices corrigés
Exercice 1 — Reconnaître les familles
Identifier la famille de chacune de ces molécules. a. $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!CH_2\!-\!OH}$ b. $\mathrm{CH_3\!-\!CO\!-\!CH_2\!-\!CH_3}$ c. $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!COOH}$ d. $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!CHO}$
Correction. a. Groupe $\mathrm{-OH}$ : alcool. b. Groupe $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$ entre deux carbones : cétone. c. Groupe $\mathrm{-COOH}$ : acide carboxylique. d. Groupe $\mathrm{-CHO}$ en bout de chaîne : aldéhyde.
Exercice 2 — Du nom à la formule
Écrire la formule semi-développée de : a. butan-2-ol b. propanone c. acide éthanoïque d. 2-méthylpropan-1-ol.
Correction. a. Quatre carbones (but), fonction alcool en position 2 : $\mathrm{CH_3\!-\!CHOH\!-\!CH_2\!-\!CH_3}$ b. Trois carbones, cétone (nécessairement en 2) : $\mathrm{CH_3\!-\!CO\!-\!CH_3}$ c. Deux carbones, acide carboxylique : $\mathrm{CH_3\!-\!COOH}$ d. Trois carbones dans la chaîne principale, un méthyl en 2, l'alcool en 1 : $\mathrm{CH_2OH\!-\!CH(CH_3)\!-\!CH_3}$
Exercice 3 — De la formule au nom
Nommer les molécules suivantes. a. $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!CH_2\!-\!CH_2\!-\!CH_3}$ b. $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!CH_2\!-\!CHO}$ c. $\mathrm{CH_3\!-\!CH(OH)\!-\!CH_2\!-\!CH_2\!-\!CH_3}$
Correction. a. Cinq carbones, aucune fonction : pentane. b. Quatre carbones, groupe $\mathrm{-CHO}$ terminal : butanal (pas de numéro, le groupe est forcément en 1). c. Cinq carbones, groupe $\mathrm{-OH}$. En numérotant à partir de l'extrémité la plus proche du groupe, celui-ci est en position 2 : pentan-2-ol. (Numéroter dans l'autre sens donnerait « pentan-4-ol », rejeté car $4 > 2$.)
Exercice 4 — Lire un spectre infrarouge
Un flacon non étiqueté contient une des trois espèces suivantes : propan-1-ol, propanal, acide propanoïque. Son spectre IR présente une bande très large entre $2500$ et $3200\ \mathrm{cm^{-1}}$ et un pic fin et intense à $1710\ \mathrm{cm^{-1}}$. a. Quelles liaisons ces deux bandes révèlent-elles ? b. Identifier l'espèce. c. Quel spectre aurait-on obtenu avec le propan-1-ol ?
Correction. a. La bande très large et étalée est celle d'un $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$ d'acide carboxylique ; le pic fin à $1710\ \mathrm{cm^{-1}}$ est celui d'un $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$. b. Les deux ensemble ne se rencontrent que dans un acide carboxylique : c'est l'acide propanoïque $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!COOH}$. c. Le propan-1-ol aurait montré une bande large vers $3300\ \mathrm{cm^{-1}}$ (le $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$ d'alcool) sans aucun pic vers $1700\ \mathrm{cm^{-1}}$, puisqu'il ne contient pas de double liaison $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$.
Exercice 5 — Deux isomères
Le propanal $\mathrm{CH_3\!-\!CH_2\!-\!CHO}$ et la propanone $\mathrm{CH_3\!-\!CO\!-\!CH_3}$ ont la même formule brute. a. Laquelle ? Vérifier qu'elle est identique pour les deux. b. La spectroscopie infrarouge permet-elle de les distinguer ? Justifier. c. Et de distinguer l'un des deux du propan-1-ol ?
Correction. a. Propanal : $3\ \mathrm{C}$, $6\ \mathrm{H}$, $1\ \mathrm{O}$. Propanone : $3\ \mathrm{C}$, $6\ \mathrm{H}$, $1\ \mathrm{O}$. Les deux ont pour formule brute $\mathrm{C_3H_6O}$ : ce sont bien des isomères. b. Non, ou très difficilement : les deux portent une liaison $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$, qui absorbe vers $1700\text{–}1730\ \mathrm{cm^{-1}}$ dans les deux cas. L'IR voit des liaisons, pas leur position dans la chaîne. c. Oui, très facilement : le propan-1-ol $\mathrm{C_3H_8O}$ n'a pas de $\mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$ mais un $\mathrm{O}\!-\!\mathrm{H}$. L'absence de pic à $1700\ \mathrm{cm^{-1}}$ et la présence d'une large bande à $3300\ \mathrm{cm^{-1}}$ tranchent immédiatement.
À retenir
Quatre écritures, de la formule brute (qui ne distingue pas les isomères) à la formule topologique (la plus rapide).
Le nom, en trois morceaux : préfixe (ramifications) + racine (nombre de carbones : méth, éth, prop, but, pent, hex) + suffixe (famille : -ane, -ol, -al, -one, -oïque).
Les quatre familles $\mathrm{-OH} : \text{alcool} \qquad \mathrm{-CHO} : \text{aldéhyde} \qquad \mathrm{-CO-} : \text{cétone} \qquad \mathrm{-COOH} : \text{acide carboxylique}$
Le spectre infrarouge, en deux bandes $\text{large vers } 3300\ \mathrm{cm^{-1}} \to \mathrm{O}\!-\!\mathrm{H} \qquad\qquad \text{fine vers } 1700\ \mathrm{cm^{-1}} \to \mathrm{C}\!=\!\mathrm{O}$
Les trois réflexes
- Numéroter la chaîne du bon côté : le plus petit numéro possible pour le groupe caractéristique.
- Aldéhyde ou cétone : regarder si le carbonyle est en bout de chaîne ou non.
- L'IR identifie des liaisons, pas des molécules. Deux isomères de même famille y sont indiscernables.
Chapitre suivant : fabriquer soi-même une de ces molécules — protocole de synthèse, isolement, purification, analyse, et le rendement qui juge le tout.