Terminale S Partie : Observer Enseignement spécifique

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Terminale S
Enseignement
spécifique
Partie : Observer
Spectroscopie
infrarouges et étude des
composés organiques
1.Spectroscopie infrarouge
a. Principe
Les molécules subissent des mouvements de ………………… internes (d'élongation
et de déformation).
Lorsqu' une lumière IR traverse un échantillon, certaines liaisons absorbent de
l'énergie pour changer de fréquence de vibration, faisant apparaître des bandes dans
le spectre.
L’énergie du photon est E =
b. Spectres infrarouge
Définition : On appelle nombre d’onde l’inverse σ de la longueur d’onde
σ= …………………. avec { σ : nombre d'onde (……………….. )
λ: longueur d'onde (m)
Un spectre infrarouge représente la transmittance en fonction du nombre d’onde.
Spectre IR de la butanone
2. Bandes d'absorption caractéristiques
Sauf à de rares exceptions, telles que la bande C — O vers 1070 cm-1, seules les
bandes d'absorption correspondant à des nombres d'ondes supérieurs à σ=1400 cm −1
sont utilisées pour ……………………..les liaisons et les groupes caractéristiques.
L'analyse des spectres montre que plus une liaison est forte, plus le nombre
d'ondes d'absorption σ est élevé.
Bandes C-H
Pour la liaison C — H, le nombre d'ondes σ C−H , voisin de ………………cm-1,
dépend de la nature du carbone: il est plus faible pour un atome de carbone
tétragonal (Ctét) que pour un atome trigonal (Ctri). Ceci permet de repérer un groupe
alcène de type H-C=C.
1
Remarque : Le spectre des alcanes, présente aussi une absorption intense vers
1460 cm-1 ; elle est liée à la déformation angulaire des liaisons C-H.
Bande C = C
La liaison C-C donne une très faible absorption vers 1150cm-1 généralement non
exploitable. En revanche, la liaison C=C des alcènes tels se repère par sa bande
d'absorption intense vers 1640cm-1.
Propène
2
Bande C=O
La liaison C=O est présente dans de nombreuses molécules organiques (aldéhydes,
cétones, acide carboxyliques, esters, amides, etc.); la position de la bande
d'absorption dépend de la nature de la fonction. Elle est généralement comprise
entre …………………..cm-1 et ……………………cm-1.
Bande C-O
La liaison C-O se rencontre dans les alcools, les acides carboxyliques, etc… Sa
bande d'absorption se situe entre 1070cm-1 et 1450cm-1.
Bande N-H
La liaison N-H, présente dans certaines amines et certains amides, absorbe entre
3100cm-1 et 3500cm-1.
Cas de la liaison O-H
Ethanol gazeux
Ethanol liquide
Ci-dessus les spectres infrarouge de l'éthanol à l'état gazeux et à l'état liquide.
À l'état gazeux, la liaison O-H donne une bande d'absorption ………………..et fine
vers ………………………….cm-1.
À l'état gazeux, il n'existe pas de liaison hydrogène entre les molécules d'éthanol et
la liaison O-H n'est pas affaiblie, elle est dite libre. Il en est de même lorsque l'alcool
est, en solution, très ………………….. dans un solvant ne pouvant établir de liaison
hydrogène.
3
Liaison hydrogène
À l'état liquide, la liaison O-H se manifeste par une bande d'absorption forte et
……………………….de 3200cm-1 à 3400cm-1. Les liaisons hydrogène établies entre
les molécules d'alcool affaiblissent les liaisons covalentes O-H et conduisent à
l'abaissement du nombre d'ondes σ O−H et à un élargissement de la bande. La
liaison O-H est dans ce cas dite associée.
Remarque : Pour les acides carboxyliques en solution relativement concentrée, le
déplacement de la bande O-H dû aux liaisons hydrogène est si important que l'on
observe le chevauchement des bandes d'absorption des liaisons O-H et C-H
conduisant à un aspect très caractéristique du spectre dans le domaine 2600cm-13200cm-1.
Acide butanoïque
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3. Méthode d’étude d’un spectre IR
1. Rechercher la présence d’un groupe C=O
Présence d’une bande intense vers 1700 - 1800 cm – 1. Si oui, continuer ci-dessous,
sinon, passer au paragraphe 2.
a. Essayer de trouver d’autres bandes caractéristiques des fonctions comprenant
un C=O :
doublet σ C−H des aldéhydes entre 2650 et 2800 cm – 1.
bande large et forte σ O−H des acides entre 2500 et 3300 cm – 1.
bande très forte σ C−O des esters à 1200 cm – 1.
bande attenante au σ C−O de la fonction amide primaire et secondaire: vers
1650 cm – 1 et bande(s) σ N−H vers 3300 cm – 1 (2 bandes pour les primaires
et une pour les secondaires).
b. Vérifier la fréquence d’absorption du σ C=O en fonction des autres bandes
trouvées :
1660-1685 pour les amides.
1700 pour les acides.
1715 pour les cétones.
1720-25 pour les aldéhydes.
1740-55 pour les esters.
1800-1870 pour les halogénures d’acide.
Passer au paragraphe suivant.
2. Rechercher la présence de bandes fortes et pas trop larges vers 3250 – 3500
cm – 1
Il s’agit d’élongations σ O−H des alcools (3350), σ N−H des amines (2 bandes
pour les primaires et une pour les secondaires), σ C−H des alcynes vrais (vers
3250).
3. Il reste les fonctions particulières
Pour tous ceux-là, voir le tableau des valeurs IR.
4. Enfin, étude des liaisons C – H autres que celles vues auparavant.
σ C−H pour les alcanes : 2850 à 2950 cm – 1.
σ C−H pour les alcènes : 3050 à 3080 cm – 1, avec les σ C−C à 1640 cm – 1.
σ C−H pour les aromatiques : 3020 à 3050 cm – 1, avec les σ C−C vers 1450 –
1600 cm−1.
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Nombre d’onde des absorptions caractéristiques des groupes fonctionnels (simplifié)
cm−1
2850-3000
1450-1470
1370-1380
3020-3140
1645
3300
600-700
1300-1350
750-850
500-680
200-500
1070-1150
3300-3500
3600
3400
1050
1725
2720-2820
1715
2500-3300 (large)
1700-1730
1210-1320
1735
1000-1300
3100-3500
1640-1670
1800-1830 (2 bandes)
900-1300
Intensité
Alcanes
forte
forte
forte
Alcènes
moyenne
moyenne
Alcynes
forte
forte
Dérivés halogénés
forte
forte
forte
forte
Etheroxydes
forte
Amines
moyenne
Alcools
moyenne ou forte
forte
forte
Aldéhydes
forte
moyenne
Cétones linéaires
forte
Acides carboxyliques
forte
forte
forte
Esters
forte
forte
Amides
forte
forte
Anhydrides
forte
forte
Nature
C-H élongation
CH2 et CH3 déformation
= C-H élongation
C = C élongation
≡ C-H élongation
C ≡ C-H déformation
C-F élongation
C-Cl élongation
C-Br élongation
C-I élongation
C-O élongation
N-H élongation (1)
O-H élongation libre
O-H élongation liée
C-O élongation (2)
C=O élongation
C-H élongation
C=O élongation
O-H élongation
C=O élongation
C-O élongation
C=O élongation
C-O élongation
N-H élongation (3)
C=O élongation
C=O élongation
C-O élongation
I. Molécules organiques
1. Formule topologique
On utilise souvent la formule (ou représentation) topologique pour représenter une
molécule organique: La chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée.
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Chaque extrémité de segment représente un atome de carbone portant autant
d'atomes d'hydrogène qu'il est nécessaire pour satisfaire à la règle de l'octet. Les
atomes autres que C sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes
d'hydrogène qu'ils portent.
Formule topologique
Formule semi développée
2. Familles de molécules organiques déjà connues (rappels de 1S)
a. Les alcanes
Définition : Les alcanes sont des hydrocarbures saturés (donc formés à partir
d’atomes de carbone et d’hydrogène liés par des liaisons simples).
La formule brute générale d’un alcane est de la forme C n H 2n+2
Nomenclature des alcanes : voir 1S
b. Les alcools
Définition : On appelle alcool une molécule organique qui possèdent le groupe
caractéristique hydroxyle – OH et dont l'atome de carbone porteur du groupe
caractéristique -OH n'est lié à aucun autre groupe caractéristique ni engagé dans
une double liaison.
Nomenclature des alcools : voir 1S
I. Diversité des chaînes carbonées
1. Définition
On appelle chaîne carbonée (ou squelette carboné) l’enchaînement des atomes de
carbone qui constituent une molécule organique.
2 Les 3 types de chaînes carbonées
a. Chaîne linéaire
Une chaîne carbonée est linéaire si elle est constituée d'atomes de carbone liés les
uns à la suite des autres, et qu'elle ne se referme pas sur elle-même.
b. Chaîne cyclique
Une chaîne carbonée est cyclique si au moins un des enchaînements d’atomes de
carbone se referme sur lui-même.
c. Chaîne ramifiée
Une chaîne carbonée est ramifiée si au moins un des atomes de carbone, appelé
carbone ramifié, est lié à trois ou quatre autres atomes de carbone.
Remarque : La chaîne carbonée est dite saturée si elle ne présente que des liaisons
carbone-carbone simples.
II. Nomenclature des alcanes
1. Formule générale des alcanes
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Définition : Les alcanes sont des hydrocarbures saturés (donc formés à partir
d’atomes de carbone et d’hydrogène liés par des liaisons simples).
La formule brute générale d’un alcane est de la forme C n H 2n+2
Exemples :
CH4
C H 3 −C H 3
C H 3 −C H 2 −C H 3
C H 3 −C H 2 −C H 2 −C H 3
2. Alcanes à chaînes linéaires
Les 10 premiers alcanes à chaîne linéaire sont :
CH4
méthane C 5 H 12 pentane C 9 H 20
C2H6
Ethane
C 6 H 14 hexane C 10 H 22
C3H8
propane C 7 H 16 heptane
C 4 H 10 Butane
C 8 H 18 octane
nonane
décane
3. Alcanes à chaînes ramifiées
Définition : On appelle groupe alkyle un groupe obtenu en enlevant un atome
d’hydrogène à un alcane (formule générale : − C n H 2n+1 ).
Exemples :
−C H 3
groupe méthyle
−C H 2 −C H 3
groupe éthyle
−C H 2 −C H 2 −C H 3
groupe propyle
−C H 2 −C H 2 −C H 2 −C H 3 groupe butyle
Etc…
Règles de nomenclature :
La chaîne carbonée la plus longue donne le nom de l’alcane.
Ce nom est précédé des groupes alkyles placés sur cette chaîne (par ordre
alphabétique et en enlevant le « e » final).
L’ensemble est précédé des numéros des atomes de carbone qui portent les
ramifications.
Exemples :
2-méthylpentane
2,3-diméthylhexane
3-éthyl 2,2-diméthylhexane
méthylpropane
8
diméthylpropane
2,3,3,4-tétraméthylhexane
III. Les alcools
1. Définition
On appelle alcool une molécule organique qui possèdent le groupe caractéristique
hydroxyle – OH et dont l'atome de carbone porteur du groupe caractéristique -OH
n'est lié à aucun autre groupe caractéristique ni engagé dans une double liaison.
2. Nomenclature des alcools
Elle est identique à celle des alcanes en remplaçant le « e » final du nom de l'alcane
de même chaîne carbonée par le suffixe « ol »i éventuellement precédé du numéro
de l'atome de carbone porteur du groupe caractéristique hydroxyle -OH.
Exemples :
éthanol
propan-1-ol
propan-2-ol
2-méthylpropan-2-ol
3,4-diméthylpentan-2-ol
3. Les 3 classes d’alcool
Les alcools sont groupés en trois classes. Les propriétés chimiques d’un alcool
dépendent de sa classe.
Classe de l’alcool
Alcool primaire
Alcool secondaire
Alcool tertiaire
Formule générale
Exemples :
Propan-1-ol
Alcool primaire
Propan-2-ol
Alcool secondaire
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2-méthylpropan-2-ol
Alcool tertiaire
4. Miscibilité des alcools avec l’eau
Définition : Deux substances sont miscibles si elles forment un mélange homogène.
Les hydrocarbures sont en général insolubles dans l'eau (car ils sont apolaires). Si la
chaîne carbonée porte un groupe caractéristique à caractère polaire comme — OH,
les molécules présentent une certaine solubilité dans l'eau (ou dans les solvants
polaires). Cette solubilité diminue avec le nombre d'atomes de carbone.
Voir le savoir faire « Solubilité des alcools dans l’eau ».
5. Température de changement d’état
Lorsque la longueur de la chaîne carbonée d'un alcane ou d'un alcool linéaire
augmente, l'intensité des interactions de van der Waals entre les molécules croît. Les
températures de changement d'état du corps à une pression donnée s'élèvent alors.
Exemples :
La température d’ébullition de l’octane est 126°C.
La température d’ébullition du 2-méthylheptane est 117°C.
La température d’ébullition du 2,3-diméthylhexane est 106°C.
Règles :
Au sein d’une même famille chimique, la température de changement d’état
augmente avec la longueur de la chaîne carbonée.
Entre deux alcanes (ou deux alcools) de même formule brute, celle qui porte
le plus grand nombre de ramifications a la température de changement d'état
la plus faible, à une pression donnée.
Les alcools ont des températures de changement d'état plus élevées que les
alcanes correspondants.
Voir le savoir faire « Distillation fractionnée ».
c. Les composés carbonylés
On rencontre deux familles chimiques de composés présentant le groupe carbonyle :
Les aldéhydes
Un aldéhyde possède le groupe carbonyle situé en bout de chaîne carbonée.
La formule générale d’un aldéhyde s’écrit :
10
Nomenclature des aldéhydes : voir 1S
Les cétones
Une cétone possède le groupe carbonyle situé dans la chaîne carbonée.
La formule générale d’une cétone s’écrit :
Nomenclature des cétones : voir 1S
d. Les acides carboxyliques
Les molécules de cette famille présentent toutes le groupe carboxyle en bout de
chaîne.
La formule générale d’un acide carboxylique s’écrit :
Nomenclature des acides carboxyliques : voir 1S
I. Groupes caractéristiques, aldéhydes, cétones
1. Groupe caractéristique
Définition: Un groupe caractéristique est un groupe d'atomes qui donne des
propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent. On dit que ces molécules
forment une famille chimique.
2. Familles des composés carbonylés
On rencontre deux familles chimiques de composés présentant le groupe carbonyle :
a. Famille des aldéhydes
Un aldéhyde possède le groupe carbonyle situé en bout de chaîne carbonée.
La formule générale d’un aldéhyde s’écrit :
Nomenclature: On nomme un aldéhyde en remplaçant le e final de l'alcane dont il
dérive par la terminaison al. La chaîne carbonée d'un aldéhyde est numérotée à
partir du carbone fonctionnel (le carbone du groupe carbonyle).
Exemples:
propanal
méthylpropanal
b. Famille des cétones
Une cétone possède le groupe carbonyle situé dans la chaîne carbonée.
La formule générale d’une cétone s’écrit :
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Nomenclature: On nomme une cétone en remplaçant le e final de l'alcane dont elle
dérive par la terminaison one précédée éventuellement de l'indice de position du
carbone fonctionnel (carbone du groupe carbonyle).
Exemples:
propanone (ou acétone)
pentan-2-one
3. Famille des acides carboxyliques
Les molécules de cette famille présentent toutes le groupe carboxyle en bout de
chaîne.
La formule générale d’un acide carboxylique s’écrit :
Nomenclature: On nomme un acide carboxylique en remplaçant le e final de l'alcane
dont il dérive par la terminaison oïque et en le faisant précéder du mot acide. On
numérote la chaîne carbonée à partir du carbone fonctionnel (carbone du groupe
carboxyle).
Exemples:
acide éthanoïque (ou acide acétique)
acide méthylpropanoïque
3. Nouvelles familles de molécules organiques
a. Les alcènes
Les alcènes sont des hydrocarbures mono-insaturés comprenant une double liaison
carbone-carbone C=C .
Nomenclature des alcènes : identique à celle des alcanes (voir 1S) en remplaçant la
terminaison « ane » par « ène » éventuellement précédée du numéro de l’atome de
carbone portant la double liaison.
Exemple :
b. Les amines
Une amine est un composé organique dérivé de l'ammoniac dont certains
hydrogènes ont été remplacés par un groupement carboné. La formule générale
d’une amine s’écrit :
Remarque : Si R1 et R2 sont des atomes d’hydrogène, l’amine est dite primaire.
Nomenclature des amines possédant le groupe amino (-NH2)
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Exemple :
c. Les amides
Une amide est un composé organique possédant la fonction amide.
La formule générale d’une amide primaire s’écrit :
Remarque : Si R1 et R2 sont des atomes d’hydrogène, l’amide est dite primaire.
Nomenclature des amides possédant le groupe -C(=O)NH2
Exemple :
d. Les esters
Un ester est un composé organique possédant le groupe ester.
La formule générale d’un ester s’écrit :
Nomenclature des esters
Exemple :
13
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