Chapitre 3 Les groupes fonctionnels

CHIMIE – 2e – 2008/2009 :
Chapitre 3
Chimie organique
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Les groupes fonctionnels
Les fonctions, ou groupes fonctionnels sont des groupes d'atomes qui se substituent à un ou
plusieurs atomes d'hydrogène dans un hydrocarbure. Ces groupes modifient profondément les
propriétés chimiques de l'hydrocarbure. Les atomes que l'on trouve principalement dans ces
groupes sont l'oxygène et l'azote. Les halogénures ( F, Cl , Br et I) peuvent également
constituer des fonctions, ainsi que des dérivés du soufre, mais ces fonctions ne seront pas
examinées dans ce cours.
Nous étudierons les fonctions suivantes :
fragment
fonction
alcool
C OH
O
aldéhyde
C
H
O
cétone
C
O
acide carboxylique
C
OH
O
ester
C
O
C
NH2
amine
Nomenclature des molécules porteuses de fonctions
Pour nommer les molécules porteuses de groupes fonctionnels, on complète les règles de
nomenclature de l’UICPA (IUPAC) vues précédemment avec les règles suivantes :
Numéroter la chaîne la plus longue porteuse de la fonction, à partir de l'extrémité la plus
proche de cette dernière.
Une seule fonction est considérée comme principale, elle donnera le nom au composé au
moyen d’un suffixe et en précisant si nécessaire sa position ; toutes les autres fonctions sont
reléguées au rôle de fonctions secondaires, elles seront décrites par des préfixes.
Les suffixes des fonctions sont décrits dans le tableau suivant :
fonction
alcool
cétone
aldéhyde
acide carboxylique
ester
amine
suffixe
- ol
- one
- al
- oïque
- oate de
- amine
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LIAISONS CARBONE-OXYGENE
L’atome d’oxygène peut former deux liaisons avec des atomes voisins ; ces liaisons peuvent
êtres simples (C – O) comme dans les alcools, ou doubles (C=O), dans les aldéhydes ou
cétones ; ces deux types de liaisons sont présentes dans les acides carboxyliques.
Les alcools :
Un alcool est un composé dans lequel un groupe –OH s’est substitué à un atome d’hydrogène
de l'hydrocarbure. Par exemple la substitution d’un –H de la molécule d’éthane (CH3–CH3)
par le groupe –OH forme une molécule d’éthanol (l’alcool CH3–CH2–OH formé par la
fermentation de sucres contenus dans les végétaux).
Une molécule d’alcool ressemble également à une molécule d’eau, dans le sens ou un groupe
alkyl remplace l’hydrogène de la molécule d’eau.
La substitution d’un groupe méthyl, –CH3, en lieu et place de –H dans la molécule d’eau
forme le méthanol, CH3–OH (communément appelé alcool de bois). Du fait de cette
ressemblance avec ces deux types de molécules, les alcools possèdent des propriétés
intermédiaires entre celles de l’eau et des hydrocarbures.
Exemples :
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
OH
propan-1-ol
Exercice 1:
H
H
H
H
C
C
C
H
OH H
H
H
…
H
CH3 H
C
C
H
OH H
b) hexan-2,3-diol
H
2-méthylpropan-2-ol
Dessinez la formule simplifiée des molécules suivantes
a) but-2-èn-1-ol
C
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Synthèses des alcools :
Les alcools peuvent être obtenus notamment à partir des alcènes par une réaction d’addition
d’eau ou par fermentation de l’amidon ou d’autres sucres.
- hydratation d’un alcène :
- fermentation de sucres :
Un exemple de réaction des alcools : l'oxydation
En chimie organique, on entend par oxydation d'un atome de carbone, l'augmentation du
nombre de liaisons qu'il forme avec un ou plusieurs atomes d'oxygène. A l'aide des
électronégativités on peut vérifier qu'un atome de carbone augmente alors son état
d'oxydation . Les liaisons carbone-carbone ne sont pas touchées lors d'une oxydation.
OH
oxydant
→
oxydant
→
OH
Exercice 2:
Quelles molécules peut-on synthétiser ?
a) par hydratation du propène
b) par oxydation du pentan-2-ol
Utilisations :
Les alcools sont employés comme carburants et comme intermédiaires de synthèse, mais sont
également utilisés comme solvants de composés covalents. Bien que l’éthanol (communément
appelé alcool) soit utilisé dans les boissons alcoolisées, la plupart des alcools sont
extrêmement toxiques !
Les polyols, composés contenant plusieurs groupements –OH, sont visqueux (glycérol ou
glycérine), on les utilise par exemple dans la synthèse de mousses.
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Les aldéhydes et cétones :
Les aldéhydes et les cétones possèdent tous deux un groupe fonctionnel C=O (carbonyle),
mais diffèrent seulement par l’environnement de ce groupe. Dans un aldéhyde le groupe
carbonyle est situé en bout de chaîne entre un atome de carbone et d’hydrogène, alors que
dans une cétone, le groupe carbonyle possède comme voisins deux atomes de carbone.
Exemples :
L’insaturation de la liaison C=O et sa polarisation déterminent la réactivité de ces composés.
L'oxygène, plus électronégatif que le carbone attirera les réactifs porteurs de charges
positives.
Exercice 3:
a)
Nommez les molécules suivantes
O
b)
O
c)
O
Oxydation des aldéhydes :
L'oxydation d'un aldéhyde permet d'obtenir un acide.
Ainsi l'acide éthanoïque, appelé aussi acide acétique est obtenu par oxydation de l'éthanal :
Exercice 4 :
a)
Quel composé peut-on obtenir par oxydation du 2-méthylbutanal
b) Pourquoi ne peut-on pas oxyder une cétone, tout au moins sans fragmenter la molécule ?
Utilisations :
Les aldéhydes et cétones jouent un rôle notoire dans bon nombre de processus biologiques
(exemple : vitamine K), mais sont également importants du point de vue industriel (exemple:
l'acétone ou propane-2-one), ainsi que comme intermédiaire dans la synthèse d’autres
composés organiques . On les trouve aussi dans des composés naturels caractéristiques pour
leur odeur ou leur goût tels que l’essence d’amande (benzaldéhyde) ; la vanilline (4-hydroxy3-methoxybenzaldéhyde); la carvone (menthe verte) , etc.
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Les acides carboxyliques :
Les acides carboxyliques possèdent un groupe fonctionnel à caractère polaire en extrémité de
molécule. Du fait qu’ils peuvent perdre leur proton présent sur le groupe –OH plus ou moins
facilement, ils possèdent un caractère acide.
Exemple :
Les acides méthanoïque (ou formique) et acétique (ou éthanoïque) possèdent une odeur
piquante, alors que les composés contenant un plus grand nombre d’atomes de carbone ont
une odeur désagréable : acide butyrique (ou butanoïque, présent dans le beurre rance); acide
valérique (ou pentanoïque, à l’origine de l’arôme du roquefort).
Exercice 5 :
a)
Dessinez la formule simplifiée des molécules suivantes
acide méthanoïque
b) acide pentanoïque (ou acide valérique)
Un exemple de réaction des acides, l'estérification :
Exercice 6 :
Complétez les équations suivantes
O
a)
+
OH
b)
OH
O
+
+
O
Utilisations :
L’acide acétique contenu dans le vinaigre aromatise nos salades et nos plats. Les matière
grasses et les huiles naturelles (acide stéarique, acide oléique et linoléique) sont des composés
à longue chaîne carbonée possédant à leur extrémité la fonction acide carboxylique.
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Les esters :
Les esters sont issus des acides carboxyliques où l’hydrogène du groupe carboxylique semble1
remplacé par une chaîne carbonée fréquemment symbolisée dans les formules développées
par la lettre R (pour radical).
Exemples :
Beaucoup d’esters sont des composés d’odeur agréable responsables des parfums et de la
saveur des fruits et des fleurs.
Exercice 7 :
a)
Dessinez la formule simplifiée des molécules suivantes
éthanoate de pentyle
b) pentanoate d’éthyle
Un exemple de réaction des acides, la saponification :
Il s'agit de la réaction inverse de l'estérification. Elle est à la base de la fabrication du savon :
Utilisations :
Les esters sont responsables des arômes et parfums de nombreux produits naturels (fruits,
fleurs) , mais également de produits synthétiques (arômes et parfums synthétiques). On les
trouve également dans les huiles et les graisses (glycérides), ainsi que dans les cires. Ils sont à
la base de la fabrication des savons (hydrolyse en milieu basique).
LIAISONS CARBONE-AZOTE
L’atome d’azote peut former trois liaisons avec des atomes voisins ; ces liaisons peuvent êtres
simples (C – N) comme dans les amines , ou doubles (C=N– ), dans les nitriles, ou encore
triples (C ≡ N) dans les cyanures. Nous présentons ici que la liaison simple présente dans les
amines.
1
En réalité le groupe -OH de l’acide est remplacé par un groupe –OR provenant par exemple d’un alcool
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Les amines :
Les amines peuvent être considérées comme des composé organiques dérivés de l’ammoniac
NH3, molécule dans laquelle un ou plusieurs groupes alkyle remplacent les atomes
d’hydrogène liés à l’atome d’azote.
Exemples :
Les amines sont des bases peu solubles dans l’eau. Il est possible de les repérer « au nez », car
elles possèdent une odeur caractéristique de poisson.
On nomme les amines en combinant en un mot le nom de chaque groupe alkyle attaché au N,
et le suffixe –amine. On peut aussi les nommer en utilisant le préfixe amino- (en précisant la
position du groupe dans la molécule).
Exercice 8 :
Dessinez la formule simplifiée des molécules suivantes
a) N,N-diéthylpentylamine
b) 1-éthylbutylamine
La fonction amine est présente avec la fonction acide dans les acides aminés, qui sont les
constituants essentiels et les briques de base de toute la chimie des organismes vivants.
Réactions :
Voici quelques réactions typiques des amines :
Réaction acide-base
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Réaction de condensation
Utilisations :
La fonction amine est souvent présente dans la nature et joue un rôle prépondérant au niveau
des mécanismes fondamentaux de la vie (protéines, ADN, ARN). Les amines sont très
utilisées comme intermédiaire dans les synthèses, notamment pour produire des colorants
(colorants à l’aniline), des matières plastiques (p. ex. nylon) ou des médicaments car elles
possèdent souvent des propriétés pharmacodynamiques (p. ex. amphétamines).
Exercices :
9) Représentez les molécules suivantes :
a) hexan-2-ol
b) pent-2-ène-1-ol
c) butanone
d) pentanal
e) dipropylamine
f)
g)
h)
i)
j)
2-éthylhexylamine
acide butanoïque
butanoate d’éthyle
acide 2-aminopentanoïque
3-éthylpentanoate de méthyle
10) Nommez les molécules suivantes :
O
HO
O
OH
OH
NH2
O
O
O
N
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11) Nommez et indiquez les fonctions présentes dans ces molécules
vanilline
adrénaline
vitamine C
OH
OH
O
HO
NH
HO
O
HO
O
OH
O
OH
OH
H
testostérone
Alanine (une des "briques" des protéines)
OH
NH2
COOH
O
12) L’addition d’eau sur un hydrocarbure donne du 3,3-diméthylpentan-2,4-diol. De quel
hydrocarbure s’agit-il ?
13) Donnez les équations d’oxydation des composés suivants et indiquez le nom de tous les
produits susceptibles d’être obtenus.
a) 2-méthylpropan-1-ol
b) butan-2-ol
14) Proposez une réaction de synthèse du 2-méthylbutanoate de méthyle et nommez les
composés utilisés.
15) Le dacron est un polyester obtenu par estérification des molécules suivantes,
respectivement un diacide et un dialcool :
O
HO
O
OH
Décrivez la réaction entre ces deux substances.
HO
OH
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16) L’aspartame, édulcorant artificiel est obtenu par la réaction de condensation d’un ester de
l’acide aminé appelé phénylalanine (Phe) et d’un autre acide aminé l’acide aspartique
(Asp).
Proposez la formule d’une substance qui pourrait correspondre à cet édulcorant.
Asp :
OH
NH2
O
O
OH
O
Phe :
O
NH2