TS-C03 Cours - Physique

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21 novembre 2016
C3 : Molécules organiques
Lorsqu’il possède deux doublets : géométrie linéaire
Plan du chapitre
Rappels des classes antérieures
Couches électroniques
Géométrie des doublets
Isomérie
Représentations de molécules
Formule brute
Formules semi-développée et développée
Représentation de Lewis
Représentation de Cram
Formule topologique
Nomenclature systématique
Familles de composés organiques
Alcanes
Alcènes
Alcools
Aldéhydes
Cétones
Amines
Acides carboxyliques
Esters
Amides
Stéréoisomérie
Chiralité
Carbone asymétrique
Stéréoisomères
Énantiomères
Diastéréoisomères
Conformation
Propriétés biologiques et stéréoisomérie
tétraédrique
trigonal plane
linéaire
En matière de géométrie, une double liaison ou une triple liaison ne
compte que comme un seul doublet.
Exercice 2 Géométrie de molécules simples
Isomérie
Deux molécules différentes ayant la même formule brute sont appelées
isomères.
Exercice 3 Isomères
R
Reepprréésseen
nttaattiioon
nss ddee m
moollééccuulleess
Nous travaillerons dans tout ce paragraphe avec le même exemple :
l’alanine.
Qu’est-ce qu’une molécule « organique » ?
L'étymologie du terme « organique » est historique. La chimie organique
était, au début, la chimie des substances formées par les organismes
vivants.
Une caractéristique du carbone consiste en l’aptitude qu’ont ses atomes à
s’enchaîner les uns aux autres, par des liaisons covalentes, d’une façon
presque indéfinie, pour former des chaînes carbonées d’une grande
diversité. Ces enchaînements carbonés constituent le squelette des
composés organiques.
Modèle de l’alanine
Formule brute
Tout composé contenant au moins l’élément carbone et un ou plusieurs des
éléments suivants : hydrogène, halogènes, oxygène, soufre, phosphore,
silicium ou azote, à l’exception des oxydes de carbone (CO et CO2) et des
carbonates (CO32-) et bicarbonates (ou hydrogéno-carbonate HCO3–)
inorganiques (c’est-à-dire associé à un cation inorganique).
Formule brute de l’alanine : C3H7O2N
On énumère les éléments présents dans l’entité en indiqué en quel quantité
ils sont présents. Cette formule n’a aucun intérêt, si ce n’est de permettre
un calcul rapide de la masse molaire.
Formules semi-développée et développée
R
Raappppeellss ddeess ccllaasssseess aan
nttéérriieeuurreess
O
H3 C
Couches électroniques
CH
C
NH2
Les électrons sont répartis en différentes couches, appelées K, L, M.
H
OH
H
H
C
C
H
N
O
C
H
O
H
H
Formules semi-développée et développée de l’alanine
Chaque couche peut contenir un nombre maximum d’électrons : K → 2 ; L
→ 8 ; M → 8. Une couche remplie est dite saturée.
Ces formules permettent de voir l’essentiel de la structure de la molécule.
La formule semi-développée regroupe les atomes d’hydrogène sur l’atome
qui les porte.
Trouver la structure électronique d’un atome
• Savoir combien d’e– a l’atome ou l’ion.
• Remplir chaque couche dans l’ordre (K, L, M). Chaque couche doit être
saturée avant de passer à la suivante.
Remarque : La formule développée n’est quasiment jamais utilisée car elle
a tendance à être plus confuse que la formule semi-développée sans
apporter d’information supplémentaire.
Structure électronique à connaître:
H (1 e–) : (K)1
C (6 e–) : (K)2(L)4
N (7 e–) : (K)2(L)5
O (8 e–) : (K)2(L)6
Représentation de Lewis
Elle est identique à la formule développée, mais les doublets non-liants
sont représentés par des tirets.
H H
O
–
La couche externe est la dernière couche qui contient des e . C’est elle qui
définit la géométrie de la répartition des doublets (liants et non liants)
autour de l’atome.
Couches électroniques
H
Exercice 1 Structure électronique
C
C
H
N
C
H
O
H
H
Géométrie des doublets
Formule de Lewis de l’alanine
Lorsqu’un atome possède 4 doublets (liants ou non liants) sur sa couche
externe, ces doublets adoptent un géométrie tétraédrique.
La visualisation des doublets non liant permet de connaître géométrie de
la molécule (entre autre, nous y reviendrons dans un chapitre ultérieur).
Lorsqu’il possède trois doublets : géométrie trigonale plane
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21 novembre 2016
FFaam
miilllleess ddee ccoom
mppoossééss oorrggaan
niiqquueess
Représentation de Cram
Utiliser la représentation de Cram
Associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des
alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters, amines et
amides.
La représentation de Cram illustre la structure 3D d’un ou de deux atomes
de carbone au maximum (après cela devient plus confus qu’autre chose).
H
C
H3C
Connaître les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celle
des alcanes et alcènes.
NH2
COOH
Utiliser le nom systématique d’une espèce chimique organique pour en
déterminer les groupes caractéristiques et la chaîne carbonée.
Représentation de Cram de la (S)-alanine
Les composés chimiques d’une même famille (c’est-à-dire comportant les
mêmes groupes fonctionnels ou fonction chimique) ont des propriétés
chimiques comparables.
Les conventions de représentation sont les suivantes :
• Liaison représentée par un trait = dans le plan de la feuille
• Liaison représentée par un triangle plein = en avant
• Liaison représentée par un triangle hachuré = en arrière
Alcanes
Attention : il faut respecter (à peu près) les angles entre les liaisons.
Groupe fonctionnel : Aucun. Constitués seulement de C et de H, sans
double ni triple liaison.
Cette représentation permet de mettre en évidence la répartition spatiale
des 4 groupes liés au carbone centrale. Elle permet de différencier des
stéréoisomères (voir la suite du chapitre).
Nomenclature :
• Racine du nom : Trouver la chaîne carbonée la plus longue. Prendre la
racine correspondante et lui ajouter le suffixe -ane (méthane, éthane, etc.).
Représentation de Cram
Si la molécule est ramifiée (ce qui sera souvent le cas), c’est-à-dire qu’un
ou plusieurs groupes alkyles (–CH3 = méthyle ; –CH2–CH3 = éthyle ; etc)
sont liés à sa chaîne carbonée principale
Formule topologique
Utiliser la représentation topologique des molécules organiques
• Ajouter un préfixe indiquant le type de ramification (méthyl, éthyl, etc),
avec éventuellement le pré-préfixe di, tri, tétra, penta s’il y a plusieurs
ramification du même type.
C’est la formule la plus utilisée pour les molécules organiques. Ne figurent
dans cette formule, ni les C, ni les H portés par les C.
On représente : toutes les liaisons sauf C–H et tous les autres atomes.
• Devant ce préfixe, indiquer la position de chaque ramification, s’il peut y
avoir un doute sur cette position. Vous devez choisir le sens de
numérotation de la chaîne carbonée de manière à ce que ces positions
soient les plus petites possibles.
OH
H2N
O
• Classer les préfixes dans l’ordre alphabétique sans tenir compte d’un
éventuel di, tri, tétra, etc : « éthyl » s’écrit avant « méthyl » (ou
« diméthyl » ou triméthyl »), qui lui-même s’écrit avant « propyl ».
Formule topologique de l’alanine
Attention : Pour une question de clarté, il est nécessaire de faire figurer
un angle entre deux liaisons C–C. Sinon, il est impossible de savoir si un
trait représente une ou plusieurs liaison C–C.
propane
méthylpropane
3-méthylpentane
Formule topologique du 2,2 diméthylhexane
Exercice 4 Différentes formules
Exercice 5 Formules topologiques
2,3-diméthylpentane
3,3,4-triméthylhexane
N
Noom
meen
nccllaattuurree ssyyssttéém
maattiiqquuee
Parce qu’il existe un quantité incalculable de composés organiques,
l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) a défini une
règle de nomenclature (attribuation d’un nom) systématique (qui découle
d’un système de règles).
3-éthyl-3,4,4,5-tétraméthylheptane
Le nom IUPAC pour un composé organique contient deux parties :
Attention aux virgules et aux tirets ! Ils ne doivent pas être remplacés
par un autre caractère, ni oublié.
• Une racine indique combien d’atomes de carbone sont présents dans la
chaîne carbonée ;
Nombre de C
1
2
3
4
5
Racine
méthéthpropbutpent-
Nombre de C
6
7
8
9
10
Si vous savez nommer un alcane, il faudra peu de choses pour que vous
sachiez nommer les autres composés, car leur nomenclature en dérive.
Racine
hexheptoctnondéc-
Réactivité : Rien de spécial. Ils sont assez peu réactifs, sauf en présence
de chaleur et d’un comburant (O2) → Boum !
Alcènes
• Un préfixe et/ou un suffixe indique la famille à laquelle il appartient.
Groupe fonctionnel : présence d’une double liaison carbone-carbone.
Remarque : ces règles ont changé au cours du temps, certains emballages
ont toujours une étiquette avec des noms obéissant à d’anciennes
nomenclature. De plus beaucoup de composés courants possède un « nom
usuel » qui est toujours utilisé.
Nomenclature : remplacer le « -ane » des alcanes par « -ène », avec
position de la double liaison si nécessaire. La chaîne doit être numérotée
de manière à attribuer le plus petit nombre possible à cette liaison.
Attention à la présence éventuelle d’une isomérie Z ou E.
Méthylpropan-2-ol (nom actuellement en vigueur), tertiobutanol,
méthylpropanol-2, tert-butanol, Alcool tert-butylique, triméthylcarbinol, 2méthyl-2-propanol : tous ces noms désigne la molécule ci-dessous.
propène
CH3
H3 C
C
but-1-ène
3-méthylbut-1-ène
CH3
OH
(E)-but-2-ène
-2-
(Z)-but-2-ène
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Réactivité : due à la double liaison qui peut s’ouvrir pour fixer d’autres
réactifs (réactions d’addition, chapitre C12).
21 novembre 2016
Acides carboxyliques
Groupe caractéristique : carboxyle ci-dessous. Il se situe forcément en
bout de chaîne.
Exercice 6 Nomenclature des alcanes et alcènes
O
Alcools
C
Groupe caractéristique : –OH (hydroxyle) lié à un carbone (appelé
carbone fonctionnel, car c’est lui qui porte la « fonction » alcool), qui n’est
lui-même lié qu’à des H et/ou des C par des liaisons simples.
O
Nomenclature : alcan- + terminaison en -ol, avec position du groupe
hydroxyle si nécessaire.
acide méthylpropanoïque
Réactivité : Ce sont tous des acides plus ou moins faibles. Généralement,
plus la chaîne carbonée est longue, plus ce sont des acides faibles (et
moins ils sont solubles dans l’eau).
OH
propan-2-ol
secondaire
Esters
méthylpropan-2-ol
tertiaire
Groupe caractéristique : groupe ester ci-dessous.
O
Réactivité : complexe et variée.
R1
Aldéhydes
Nomenclature : alcan- + terminaison en -al.
O
Nomenclature : elle est composée de deux parties. L’acide à l’origine de
l’ester et le groupe R2 venu se subsituer à l’H de l’acide de départ. Prendre
le nom de la base conjuguée de l’acide de départ (méthanoate, éthanoate,
etc.) et le ajouter « de + nom de l’alkyle.
propanal
et
variée.
S’oxyde
facilement
en
O
acide
C
H
Cétones
O
O
CH2
CH3
méthanoate d'éthyle
Groupe caractéristique : C=O (carbonyle) pas en bout de chaîne.
Nomenclature : alcan- + terminaison en -one, avec position du groupe
carbonyle si nécessaire.
H3 C
Nomenclature : le groupe fonctionnel est forcément en bout de chaîne.
Prendre le nom de l’alcane et ajouter le suffixe « amide ». En cas
d’amides secondaires ou tertiaires, faire apparaître le préfixe (méthyl,
éthyl) précéde de la lettre N pour montrer qu’il est lié à l’azote.
O
NH2
Nomenclature : Dans le cas des amines primaires (possèdant un groupe –
NH2), alcan- + terminaison -amine. Indiquez la position du groupe amino
si nécessaire. Si l’amine est secondaire (elle est lié à deux groupes alkyles
(terme général pour désigner les groupes méthyle, éthyle, etc.), le groupe
le plus petit est considéré comme une ramification sur le N (et portera
donc le « numéro » N). Pareil en cas d’amine tertiaire.
méthanamine
(primaire)
H3 C
N
méthanamide
O
O
NH
CH3
N-méthyléthanamide
N-méthylméthanamine
(secondaire)
CH3
R2
R1, R2 et R3 peuvent être des H ou des groupes alkyle. R1 est considéré
comme le squelette de la molécule, R2 et R3, si ce sont des groupes alkyles,
sont considérés comme des ramification.
Groupe caractéristique : un atome d’azote lié à un ou plusieurs groupes
alkyle (méthyle, éthyl, etc) et des H si nécessaire. Le groupe –NH2 est
appelé groupe amino.
NH
N
R1
Amines
H3 C
R3
C
hexan-2-one
NH2
CH3
Groupe caractéristique : groupe amide ci-dessous.
Réactivité : la réactivité des deux familles précédentes possèdent des
similitudes. Elle est complexe et variée. Les cétones s’oxydent beaucoup
moins facilement que les aldéhydes car cette oxydation nécessite une
rupture de la chaîne carbonée.
H3 C
O
éthanoate de méthyle
O
butanone
C
Amides
O
O
C
O R2
R1 peut représenter un groupe alkyle ou un H, le groupe R2 est forcément
un groupe alkyle (méthyle, éthyle, etc.)
Groupe caractéristique : C=O (carbonyle) en bout de chaîne (donc
inutile d’indiquer sa position, c’est sans équivoque).
Réactivité : complexe
carboxylique.
OH
OH
acide éthanoïque
HO
propan-1-ol
primaire
O
O
Classe d’un alcool (1ère S) : si le C fonctionnel est lié à aucun ou un seul
autre carbone, l’alcool est dit primaire. si le C fonctionnel est lié à deux
autres carbone, l’alcool est dit secondaire. Vous devinez pour « alcool
tertiaire » ?
OH
H
Nomenclature : acide alcan-oïque, ou « alcan » désigne le nom de
l’alcane correspondant.
N
N,N-diméthyléthanamide
Exercice 7 Autres nomenclatures
Exercice 8
NH
La chaptalisation
Groupe fonctionnel et groupe caractéristique
Un groupe fonctionnel est un groupe d’atomes qui déterminer la famille à
laquelle appartient la molécule.
CH3
N,N-diméthylméthanamine
(tertiaire)
Un groupe caractéristiques est un groupe fonctionnel qui comporte au
moins un hétéroatome (c’est-à-dire un atome autre que C ou H).
N,3-diméthylbutan-2-amine
(secondaire)
La double liaison C=C est donc un groupe fonctionnel mais n’est pas un
groupe caractéristique.
Réactivité : complexe et variée. Elles sont souvent toxiques et sentent
mauvais !
Il est important de savoir faire cette distinction pour ne pas faire de horssujet dans un exercice.
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21 novembre 2016
Pour ceux qui voudraient aller plus loin
Règles complètes de l’IUPAC (article)
NH2
NH2
C
C
H
H
CH 2 OH HOH 2 C
HOOC
SSttéérrééooiissoom
méérriiee
COOH
Les deux énantiomères de la sérine
TP C3.1 : Stéréoisomérie
Propriétés physico-chimiques
Visualiser, à partir d’un modèle moléculaire ou d’un logiciel de
simulation, les différentes conformations d’une molécule.
Des énantiomères ont les (presque) mêmes propriétés physiques
(température de changement d’état, indice de réfraction).
Objectif : Découvrir à l’aide de modèles moléculaires les notions de
chiralité, de carbone asymétrique, d’énantiomères et de diastéréoisomères.
Deux énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques, sauf lorsqu’il
réagissent avec un réactif ou un catalyseur chiral, ce qui est très souvent le
cas dans les réactions biochimiques.
Déroulement du TP :
• Faire deux formes différentes (en même temps) de l’alanine. Même
question pour la glycine. Identifier la cause de l’apparition de ce type
d’isomérie.
OH
OH
Mélange racémique
Définition : Mélange en quantité égale de deux énantiomères.
Exercice 12 Énantiomérie
Exercice 13 Énantiomères d’acides aminés
H2 N
O
H2 N
Alanine
O
Glycine
• Stéréoisomères du 2,3 dichloropentane et 2,3 dichlorobutane. Repérer les
énantiomères, les diastéréoisomères et la chiralité ou pas de ces molécules.
Exercice 14
L’anesthésie
Exercice 15
Les dangers de l’alcool
Diastéréoisomères
• Conformation de l’éthane.
Définition
Chiralité
À partir d’un modèle moléculaire ou d’une représentation, reconnaître
si des molécules sont identiques ou énantiomères ou diastéréoisomères
Reconnaître des espèces chirales à partir de leur représentation.
Un objet est dit chiral s’il n’est pas superposable à son image dans un
miroir (il n’a pas de plan de symétrie).
Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence des
propriétés différentes de diastéréoisomères
Le contraire de chiral est achiral.
Des diastéréoisomères sont des stéréoisomères qui ne sont pas des
énantiomères.
Exemples
Carbone asymétrique
H3 C
Identifier les atomes de carbone asymétrique d’une molécule donnée
C
La chiralité d’une molécule organique est liée à la présence ou non de
carbone asymétrique(s).
H
Comment les reconnaître : un C asymétrique possède 4 liaisons simple
(il est tétravalent) vers 4 atomes ou groupes d’atomes différents. Il est
généralement noté C*.
O
*
H3C CH C
NH2
CH3
C
OH
CH3
C
C
H
H3 C
H
Diastéréoisomères Z et E
H
H
H3C
Cl
H
et
H
H
et
C
C
Cl
CH3 H3C
Cl
CH3
Cl
Diastéréoisomères ayant 2 C*
C
C
D’autres types de diastéréoisoméries sont possibles.
Si une molécule possède un seul C*, alors elle est chirale ; si elle en
possède deux, elle peut être chirale… ou pas.
Propriétés physico-chimiques
Une molécule chirale ne possède pas de plan de symétrie.
Exercice 9 Molécules chirales et C*
Deux diastéréoisomères ont des propriétés physiques et chimiques
différentes.
Exercice 10
Composition d’un vin
Exercice 16 Énantiomères, diastéréoismoères ou identiques ?
Exercice 11
Arôme de vanille
Exercice 17
Stéréoisomères
Un exemple de chimie verte : synthèse de l’ibuprofène
Conformation
Deux stéréoismoères sont deux molécules différentes ayant une même
formule développée ou semi-développée. Ce type de formules ne tient pas
compte des angles entre les liaisons et de la répartition des atomes dans
l’espace.
Il peut y avoir une rotation des atomes autour d’une liaison simple. Cela
implique qu’il existe plusieurs conformations possibles pour une même
molécule
Les différentes conformations n’ont pas la même énergie : certaines sont
plus stables que d’autres.
Ils ne diffèrent que par leur structure 3D. Ils font donc les représenter en
3D (Cram ou autres représentations) pour les différencier.
Énantiomères
Définition
Deux énantiomères sont des stéréoisomères image l’un de l’autre dans un
miroir.
Deux molécules sont énantiomères si elles respectent ces 2 conditions :
(a) Elles sont l’image l’une de l’autre dans un miroir
(b) Elles ne sont pas superposables
Éthane en conformation éclipsée et décalée
Conformations
Exercice 18 Conformation du fluoroéthanol
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TP 3.2 : Chemsketch
Objectif : savoir utiliser les fonctions de base de Chemsketch.
Propriétés biologiques et stéréoisomérie
Extraire et exploiter des informations sur :
- les propriétés biologiques des stéréoisomères
- les conformations de molécules biologiques pour mettre en évidence
l’importance de la stéréoisomérie dans la nature.
Propriétés biologiques des stéréoisomères : Elles peuvent être très
différentes, car les réactions biochimiques sont, la plupart du temps,
stéréospécifiques, c’est-à-dire qu’elles ne se déroulent qu’avec un type
d’énantiomère.
Ainsi, une molécule chirale peut avoir un énantiomère qui peut servir de
médicament, et un autre qui est sans effet, ou pire, qui peut avoir des effets
néfastes importants.
Conformations des protéines : Les protéines adoptent une conformation
qui leur confère leurs propriétés spécifiques. La stabilité de ces
conformations est assurée par des liaisons faibles de type van der Waals ou
liaison hydrogène. Un changement de pH ou de température peut
facilement affecter ces liaisons et donc changer la conformation des
protéines.
Article pas trop compliqué sur la structure des protéines
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21 novembre 2016