1SpPC.8. Structure des entités organiques

Les élèves doivent savoir
  • Identifier, à partir d’une formule semi-développée, les groupes caractéristiques associés aux familles de composés : alcool, aldéhyde, cétone et acide carboxylique.
  • Justifier le nom associé à la formule semi-développée de molécules simples possédant un seul groupe caractéristique et inversement.
  • Exploiter, à partir de données tabulées, un spectre d’absorption infrarouge.
  • Utiliser des modèles moléculaires ou des logiciels pour visualiser la géométrie de molécules organiques.

Molécule organique

Les molécules de notre organisme, ou qui réagissent avec celui-ci, sont des molécules organiques. Leur structure de base est une chaîne d’atomes de carbone auxquels sont attachés des atomes d’hydrogène. C’est la raison pour laquelle on parle également de chimie du carbone pour la chimie du vivant.

Ce qui va différentier les molécules organiques, ce sont des groupes caractéristiques où interviennent généralement des atomes d’oxygène ou d’azote. Ces groupes ont des formes reconnaissables dans les formules semi-développées ou développées et il faut savoir les reconnaître.

Formules brutes, développées et semi-développées

  • La formule brute: elle n’indique que la composition de la molécule, sans préciser la nature des liaisons entre atomes.
  • La formule développée: elle indique la géométrie de la molécule en figurant toutes les liaisons entre atomes par des traits (simples, doubles ou triples).
  • La formule semi-développée: comme les atomes d’hydrogène ne forment qu’une liaison simple avec les autres atomes, on peut aisément deviner de quelle façon ils se répartissent à partir des autres atomes. On va donc simplement les indiquer à côté de l’atome auquel ils sont liés. Cela permet des représentations plus compactes

Les représentations les plus courantes seront la formule brute et la version semi-développée. Seule cette dernière permet d’identifier rapidement les groupes caractéristiques d’une molécule.

Groupes caractéristiques

Un groupe caractéristique est un groupe d’atome, autre que des atomes de carbone et d’hydrogène, qui donne à la molécule des propriétés chimiques particulières, généralement liées à la façon dont ces groupes vont interagir avec d’autres molécules lors de réactions chimiques.

Des molécules qui possèdent les mêmes groupes caractéristiques font partie de la même famille chimique.

Attention : une molécule peu aussi avoir plusieurs groupes caractéristiques, comme c’est le cas pour la Curcumine (qui donne sa couleur jaune au curcuma) :

Composés organiques oxygénés

Il n’y a pas que les piles qui sont le siège de réactions d’oxydoréduction. Ces réactions se retrouvent dans bien d’autres domaines, par exemple quand votre bon vin se transforme progressivement en vinaigre, il s’agit d’une réaction d’oxydoréduction qui transforme l’éthanol en acide éthanoïque, aussi nommé acide acétique. Ce type de réaction fait intervenir des espèces chimiques organiques oxygénés que nous allons détailler dans ce chapitre : les aldéhydes, les cétones et les acides carboxyliques.

Ces trois familles chimiques sont liées par les réactions d’oxydoréductions qui permettent de passer de l’une à l’autre. Elles sont surtout très présentes dans notre vie quotidienne et des éléments de base dans l’industrie chimique.

L’acétaldéhyde, par exemple, est l’un des aldéhydes à la molécule la plus simple d’un point de vue structurel. C’est un liquide incolore et irritant qui produit par oxydation de l’éthanol, alcool que l’on trouve dans les boissons alcoolisées, dans le foie sous l’effet d’une enzyme nommée alcool déshydrogénase. C’est lui qui est responsable de tous les effets indésirables liés à la consommation de boissons alcoolisées : gueule de bois, ivresse, déshydratation…
Le formaldéhyde est un autre aldéhyde très courant qui est produit lors de la combustion du bois, ce qui fait qu’on le retrouve dans ses fumées. Incolore et irritant lui aussi, il possède de bonnes propriétés stérilisantes, raison pour laquelle on l’utilise depuis très longtemps pour fumer les viandes et les poissons et assurer ainsi leur bonne conservation dans le temps.

Les cétones sont également très présentes dans notre alimentation, parfois sous forme d’arômes, comme la 2-heptanone à l’odeur de clou de girofle qui donne aussi leur arôme aux fromages bleus, la butanedione associée à l’odeur de transpiration, mais qui est surtout caractéristique de l’odeur du beurre ou de la crème ou encore β-ionone responsable de l’odeur des framboises mures et que l’on retrouve aussi dans l’odeur du foin séché et des violettes.

Les acides carboxyliques, on l’a vu par l’exemple précédent du vinaigre, sont eux aussi présents dans notre corps et dans l’alimentation. L’acide butanoïque est par exemple présent dans le lait, mais peut aussi être produit par les fameuses bactéries lactobacillus bifidus (popularisés sous le nom de « bifidus » par l’industrie alimentaire). Cet acide butanoïque stoppe la croissance des bactéries nocives dans les intestins et est vital à la croissance des jeunes enfants.

Nommer une molécule : hydrocarbures et Alcanes

Les hydrocarbures sont les molécules les plus importantes pour notre économie et notre vie quotidienne depuis la révolution industrielle du XIXe siècle. Ce terme désigne toutes les molécules constituées uniquement d’atomes de carbone et d’hydrogène. L’atome d’hydrogène ne pouvant faire qu’une seule liaison, ce sont surtout les atomes de carbone qui sont importants pour la structure des hydrocarbures et on parlera d’ailleurs de « chaînes carbonées » pour l’enchaînement de ces atomes de carbone.

Ces chaînes carbonées peuvent être linéaires, si tous les atomes de carbone se suivent en une seule ligne, ramifiée, si des atomes ou des groupes d’atomes de carbone viennent se greffer sur la chaîne principale, ou cyclique si la chaîne carbonée fait une boucle.

Les alcanes sont des composés acycliques (non cycliques) constitués d’atomes de carbone et d’hydrogène, où tous les atomes de carbones sont tétragonaux et ne forment donc que des liaisons simples.

La formule générale des alcanes est CnH2n+2

Le nombre d’atomes de carbone dans la chaîne principale va donner le nom de l’alcane, formé d’un préfix qui indique le nombre d’atomes de carbone (méth-, éth-, prop- etc…) suivi de la terminaison -ane. Exemple : l’alcane de formule C2H6 est nommé éthane.

Voici les noms des dix premiers alcanes :

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’un alcane est ramifié, il faut regarder quelle est la suite la plus longue d’atomes de carbone car c’est elle qui va donner le nom principal.

Les ramifications sont appelées groupes alkyles, elles sont formées en retirant un atome d’hydrogène à l’alcane correspondant et reprennent le même préfix que les alcanes, mais avec une terminaison en –yle.

Exemple : le groupe -CH3 est le groupe méthyle.

On numérote alors la chaîne principale de l’alcane de telle sorte que le premier atome possédant une ramification possède le numéro le plus petit possible. Les groupes alkyles sont alors placés dans l’ordre alphabétique, en enlevant le -e terminal, et précédés de leur indice de position.

Si plusieurs alkyles identiques sont placés dans la même molécule, leur nombre sera indiqué par un préfixe l’indiquant (di-, tri-, tétra-) et précédé de leurs indices de position. (voir les exemples ci-dessous).

Nomenclature des alcools

Un alcool est une molécule organique dans laquelle un groupe hydroxyl -OH est fixé sur un atome de carbone tétragonal qui est lié uniquement à d’autres atomes de carbone et d’hydrogène, sans être rattaché à d’autres groupes caractéristiques ou double liaison.

Pour nommer les alcools, on cherche la chaîne carbonée la plus longue contenant l’atome de carbone lié au groupe hydroxyle -OH et on utilise le même préfixe que pour les alcanes, mais avec la terminaison -ol.

Si le groupe hydroxyle n’est pas en bout de molécule, on numérote la chaîne carbonée de telle sorte que le groupe hydroxyle ait le numéro le plus petit possible.

Voici quelques exemples :

Note : il est également possible d’indiquer la position 1 si le groupe hydroxyle est en bout de chaîne. Ainsi éthanol et éthan-1-ol représentent la même molécule !

Si un alcool possède une chaîne carbonée ne comportant que des liaisons simples (on dira qu’il est saturé) et n’est pas cyclique, sa formule brute sera exprimé de type CnH2n+2O

Aldéhydes et cétones

Les aldéhydes et les cétones ont en commun un groupement constitué d’un atome d’oxygène lié par une double liaison à un atome de carbone qui n’est lié qu’à d’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 groupe fonctionnel dans la molécule.

Dans les aldéhydes, ce groupe est situé en extrémité de molécule et l’atome de carbone doublement lié à l’oxygène est également lié à un atome d’hydrogène.

Le nom des aldéhydes se termine en « al » dont il n’est pas nécessaire de préciser la position puisque l’atome de carbone lié doublement à l’atome d’oxygène débute toujours la numérotation de la chaîne. Le nom dérivera de la chaîne carbonée la plus longue qui se termine avec le groupement carbonyle.

Comme pour les alcanes et les alcools vus précédemment, on placera en début de molécule, et par ordre alphabétique, la position et le nom des groupements de ramifications par rapport à la chaîne principale.

Dans les cétones, l’atome de carbone fonctionnel (qui possède la double liaison avec l’atome d’oxygène) est lié à deux autres atomes de carbone à l’intérieur de la chaîne carbonée. Pour nommer la molécule, il faut faire en sorte que cet atome fonctionnel ait le numéro le plus petit possible dans la chaîne. La terminaison de la molécule se fait alors en « one ». La nomenclature du reste de la molécule suit les règles habituelles :

Il est à noter que dans le cas d’une cétone, la terminaison -one est toujours précédée de la position du groupement carbonyle !

Acides carboxyliques

Dans un acide carboxylique il y a également un atome de carbone doublement lié à un atome d’oxygène, mais l’atome de carbone fonctionnel est également lié à un groupement OH (oxygène-hydrogène). On verra souvent ce groupe sous la dénomination COOH dans les formules brutes qui font ressortir la nature des molécules et ce groupe est appelé « carboxyle ».

Du fait de cette doute liaison carbonyle et groupement OH, l’atome fonctionnel de l’acide carboxylique est toujours situé en bout de molécule. On le nommera donc par rapport à sa chaîne la plus longue avec une terminaison en « oïque ». Le nom sera toujours précédé de la mention « acide ».

Notez qu’en anglais (langue largement utilisée en chimie), les acides carboxyliques ont la terminaison en « oic » et sont suivis de la tension « acid » : ex : propanoic acid (celui-ci sera aussi souvent nommé en anglais : propionic acid).

Voici quelques autres exemples de nomenclatures d’aldéhydes, cétones et acides carboxyliques pour que vous puissiez conforter votre compréhension de la façon de les nommer. Dans chaque cas on a également numéroté les atomes de carbone des chaines ramifiées afin de les identifier plus facilement.

Souvenez-vous que ces ramifications sont des groupes alkyles. Un groupe CH3 est un groupe méthyle. Un groupe CH3-CH2 est nommé éthyl, un groupe CH3-CH2-CH2 est nommé propyl et ainsi de suite. Ils sont placés par ordre alphabétique dans le nom de la molécule, précédé de leur position. Notez également qu’en anglais il n’y aura pas d’accent dans les groupes alkyles.

Pour ne pas surcharger les représentations semi-développées, on a l’habitude de ne pas représenter le C du carbone qui possède le groupement carbonyle dans les cétones ou le groupe carboxyle dans les acides carboxyliques :

Spectroscopie Infrarouge (IR)

Pour identifier des molécules organiques, on peut utiliser la technique de la spectroscopie infrarouge. Elle fait appel à une machine qui va illuminer les molécules avec une lumière dont longueur d’onde se situe dans le domaine des infrarouges (de 750 nm à 0,1 mm) et mesurer l’absorption de cette lumière par les molécules. Celles-ci vont en effet absorber les ondes électromagnétiques transmises par la lumière infrarouge et se mettre à vibrer de différentes façons.

Dans une molécule, chaque type de liaison vibre à une fréquence particulière liée au nombre d’onde σ (sigma), qui s’exprime en cm-1. Ce nombre d’onde est lié à la longueur d’onde λ (lambda) de la lumière par la relation : σ = 1/λ.

En examinant le spectre IR d’une molécule, on peut donc voir les domaines de longueur d’onde qui ont été absorbés par la molécule sous forme de « creux » dans la courbe et en déduire la présence de groupes fonctionnels permettant d’identifier la molécule.

On se base pour cela sur une table de référence comme celle ci-dessous (version plus complète sur le site Wikipedia : https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy_correlation_table) :

Liaison (groupe fonctionnel)) σ (cm-1) Intensité
C=O   Aldéhydes et Cétones 1650-1750 Forte
C=O   Acides Carboxyliques 1680-1720 Forte
O-H   Alcools gazeux 3500-3700 Forte, fine
O-H   Alcools liquides 3200-3400 Forte-Large
O-H   Acides Carboxyliques 2500-3500 Moyenne à Forte, large
C-H   Alcanes 2800-3100 Plusieurs bandes
C-O   Alcools 1040-1200 Moyenne à Forte
C-O   Acides Carboxyliques 1250-1300 Moyenne à Forte

 

D’après le tableau, on voit, par exemple, que les acides carboxyliques doivent présenter 3 bandes pour les liaisons C-O, C=O et O-H. Si l’une des bandes manque, la molécule ne correspondra pas à ce groupe fonctionnel.

Voici un exemple de spectre pour l’acide butanoïque C4H8O2 :

On y reconnaît les 3 bandes correspondant à l’acide carboxylique : C-O autour de 1300 cm-1, C=O vers 1720 cm-1 et O-H autour de 3000 cm-1 . Cette dernière bande est si large qu’elle cache les bandes des liaisons C-H du reste de la molécule.

Vous pouvez vous entraîner avec les spectres de ce site : http://www.cheminfo.org/Spectra/IR/Exercises/Browse_Spectra/index.html

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