ℓ c - Physique Chimie au lycée

L’essentiel sur les molécules
1. Les molécules organiques
Rappel : une molécule organique est constituée d’une chaine d’atomes de carbones reliés entre eux (appelée
« chaîne carbonée »), sur laquelle sont fixés d’autres atomes ou groupes d’atomes (appelés groupes
caractéristiques).
Groupes caractéristiques
Chaîne carbonée
La molécule de thréonine
 Les molécules qui possèdent le même groupe caractéristique ont des propriétés chimiques communes : ces
propriétés définissent une fonction chimique.
Remarque : la chaîne carbonée peut être linéaire, ramifiée ou cyclique.
Chaîne linéaire
Chaîne ramifiée
Chaîne cyclique
2. Nomenclature des molécules organiques
2.1. Rappels (1ère S)
ALCANES
Formule
semi-développée
n
(nombre d’atomes de carbone)
Nom de l’alcane
Formule brute
CnH2n+2
(n est un entier naturel  1)
1
2
3
4
5
6
7
8
Méthane
Éthane
Propane
Butane
Pentane
Hexane
Heptane
Octane
CH4
C 2H6
C 3H8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
ALCOOLS
Formule
semi-développée
CnH2n+1OH
ou
CnH2n+2O
(n est un entier naturel  1)
Remarque : Si le groupement alcool n’est pas prioritaire alors la molécule possède le préfixe « hydroxy ».
DÉRIVÉS CARBONYLÉS

Un aldéhyde est une molécule organique oxygénée qui contient le groupe caractéristique « C = O », appelé
groupe carbonyle, directement lié à au moins un atome d’hydrogène :
R
C
H
R est un atome d’hydrogène ou un
groupe « alkyle »
O

Une cétone est une molécule organique oxygénée qui contient le groupe caractéristique « C = O » (groupe
carbonyle, directement lié à deux atomes de carbone :
R
R'
C
O
R et R’ sont des
groupes « alkyles »
ACIDES CARBOXYLIQUES
Un acide carboxylique est une molécule organique oxygénée qui contient le groupe caractéristique « ‒COOH »
(groupe carboxyle, directement lié à un atome de carbone ou d’hydrogène) :
R
C
OH
O
Groupe carboxyle
R est un atome d’hydrogène ou un
groupe « alkyle »
Acide carboxylique
2.2. Les alcènes
Un alcène est une molécule organique à chaine carbonée linéaire ou ramifiée insaturée, contenant une liaison
carbone – carbone double « C = C » :
R1
C
R3
R2
C
R4
CnH2n
(n est un entier naturel  1)
R est un atome
d’hydrogène ou un
groupe « alkyle »
2.2.1. Nomenclature des alcènes
Le nom d’un alcène dérive de celui de l’alcane correspondant : on remplace la terminaison finale « ane » par la
terminaison « ène ».
2.2.2. Isomérie Z/E
Les alcènes existent sous forme de deux isomères spatiaux (= stéréoisomères) :
A
B
C
A
C
C
H
Isomère Z
Z vient de l'allemand zusammen
qui signifie « ensemble »
B
E vient de l'allemand entgegen
qui signifie « opposé »
C
H
H
H
Isomère E
Exemples :
H
1
1
H
2
3
C
C
H3C
1
H3C
4
5
CH2
CH3
H
2
3
C
C
H
(Z) Pent-2-ène
H3C
4
5
CH2
CH3
(E) Pent-2-ène
2
3
C
C
H
CH3
4
5
CH2
CH3
(Z) 3-méthylpent-2-ène
2.3. Les esters
Définition :
Un ester est une molécule organique oxygénée qui contient le groupe caractéristique « ‒COOR », directement lié
à un atome de carbone ou d’hydrogène :
R1
O
C
R
R et R1 sont des
groupes « alkyle »
O
Ester
Comment nommer un ester ?
 Déterminer de quel acide carboxylique dérive la chaîne carbonée liée à l’atome de carbone du groupe
caractéristique ;
 Identifier le groupe alkyl lié à l’atome d’oxygène du groupe caractéristique ;
 Nommer l’ester en remplaçant le suffixe « oïque » de l’acide carboxylique (sans le mot acide), dont dérive l’ester,
par le suffixe « oate » puis rajouter le nom du groupe alkyle.
Exemples :
O
O
1'
1
2
H3C
C
O
CH2
3'
2'
CH2
CH3
Éthanoate de propyle
H3C
1'
1
2
H3C
C
O
CH2
3'
2'
CH2
CH
4'
CH3
Éthanoate de 3-méthylbutyle
(ou Acétate d'isoamyle ou d'isopentyle)
2.4. Les amines
2.4.1. Définition
Une amine est un composé organique qui dérive de l'ammoniac et dont certains hydrogènes ont été remplacés par
un groupement carboné :
R1
N
H
N
R1
H
H
N
R1
R2
Amine primaire
R3
R1, R2 & R3 sont des
groupes « alkyle »
R2
Amine secondaire
Amine tertiaire
2.4.2. Nomenclature
La construction du nom d’une amine possédant le groupe ‒NH2 est similaire à celle d’un alcool. On remplace alors le
suffixe « ol » par le suffixe « amine ».
Exemples :
1
H3C
2
NH2
CH
3
CH3
H3C
4
CH CH3
N
H3C
CH3
H3C
3-méthylbutan-2-amine
CH2
CH3
N
CH3
N,N-diméthylméthanamine
(Triméthylamine)
4
3
H3C
HC
NH2
2
1
C
CH3
O
N,N-Diméthyléthanamine
(N,N-Diméthyléthylamine)
3-aminobutan-2-one
Remarque : Si le groupement amine est prioritaire, la molécule comprend le suffixe « amine ». Sinon, elle possède le
préfixe « amino ».
2.5. Les amides
2.5.1. Définition
Un amide est un composé organique dérivé d'un acide carboxylique : il possède un atome d'azote lié à un groupe
carbonyle :
O
C
Amide primaire
O
H
C
N
R1
H
R1
H
Amide secondaire
(imide)
H
C
N
R1
C
R2
O
R3
O
Amides tertiaires
C
C
O
C
R2
N
R1
O
R3
C
N
R2
amides N-substitués
O
O
R1
N
R2
amides N,N-disubstitués
R1, R2 & R3 sont des
groupes « alkyle »
2.5.2. Nomenclature
La construction du nom d’un amide possédant le groupe ‒C(O)NH2 est similaire à celle d’un aldéhyde. On remplace
alors le suffixe « al » par le suffixe « amide ».
Exemples :
3
H3C
2
2
CH2
H
H3C
1
CH3
1
C
C
NH2
O
propanamide
C
N
O
CH3
1
N
O
H
O
3
CH2
4
H3C
CH3
C
2
CH2
1
CH2
N
CH3
CH3
N-méthyléthanamide
N,N-diméthylméthanamide
N-éthyl-N-méthylbutanamide
3. Représentation des molécules
Définition :
On parle d'isomérie lorsque deux molécules possèdent la même formule brute mais ont des formules semidéveloppées ou des formules développées différentes. Ces molécules, appelées isomères, ne diffèrent que par
l’arrangement spatial de leurs atomes et ont des propriétés physiques, chimiques et biologiques différentes.
3.1. Formules d’une molécule (Rappel de 2nde et de 1ère S)
Nom de la molécule
Formule brute
Formule semidéveloppée
Éthanol
C2H6O
CH3  CH2  OH
Formule développée
Formule topologique
OH
3.2. Représentation de Cram (Rappel de 1ère S)
Règle de représentation des molécules
-
liaison dans le plan de la figure : trait normal
-
liaison en avant de ce plan : triangle plein
Exemples :
liaison en arrière du plan : triangle hachuré
Exemple : le méthane
H
H
H
C
H
3.3. Isomérie de constitution
La constitution d'une molécule précise la nature et les modes d'union des atomes formant cette molécule, en
incluant la multiplicité des liaisons (double, triple liaison,…) sans tenir compte de leur disposition dans l'espace.
Définitions :
L’isomérie de constitution (ou isomérie plane) correspond aux isomères ayant même formule brute mais des
enchaînements d'atomes différents ; ils ne sont pas constitués des mêmes fonctions chimiques.

Isomérie de chaîne : elle représente les isomères qui diffèrent par leur chaîne carbonée (squelette). Ces
isomères sont caractérisés par des propriétés chimiques identiques mais des propriétés physiques
différentes ;

Isomérie de position : elle représente les isomères dont un groupement fonctionnel est placé sur des
carbones différents de la chaîne carbonée : c’est la fonction qui se déplace à l'intérieur du squelette. Ces
isomères sont caractérisés par des propriétés physiques différentes et des propriétés chimiques légèrement
différentes ;

Isomérie de fonction elle représente les isomères dont les groupes fonctionnels sont différents, donc de
propriétés physiques et chimiques différentes.
Exemples :
CH3
CH3CH2CH2CH3
Butane
Isomères de chaîne (C4H10)
H3C
C
H
CH3
2- méthylpropane
H3C
Isomères de position (C3H7OH)
CH2
CH2
OH
OH
H3C
Propan-1-ol
C
H
CH3
Propan-2-ol
H3C
Isomères de fonction (C2H6O)
CH2
H3C
OH
Éthanol
O
CH3
Oxyde de diméthyle
3.4. Stéréoisomérie
La stéréoisomérie désigne la relation qu’il y a entre des molécules de constitution identique mais dont l'organisation
spatiale des atomes est différente.
3.4.1. Stéréoisomérie de conformation
La conformation d'une molécule est la disposition spatiale que prennent les atomes ou les groupes d'atomes par
suite de rotations autour de ses liaisons simples.
Définition :
Si deux molécules diffèrent par la position de leurs atomes dans l’espace lors d’une rotation autour d’une liaison
C  C, il est impossible de les superposer : on dit qu’ils sont stéréoisomères de conformation.
 On passe ainsi d’une conformation à l’autre sans rompre de liaison.
Exemples :
Cl
H
H
H
1
2
C
C
H
Cl
1,2-dichloroéthane
(conformation décalée)
La plus stable
Cl
H
H
Cl
1
2
C
C
H
H
1,2-dichloroéthane
(conformation éclipsée)
 Toutes les conformations d’une molécule n’ont pas la même stabilité : la molécule adopte plus fréquemment une
conformation dans laquelle les groupes d’atomes les plus volumineux sont le plus éloignés les uns des autres.
3.5. Stéréoisomérie de configuration
La configuration d'une molécule est la disposition spatiale des atomes ou des groupes d'atomes de cette molécule.
Définition :
Si deux molécules diffèrent par la position de leurs atomes dans l’espace, il est impossible de les superposer : on dit
qu’ils sont stéréoisomères de configuration (ou isomères optiques). On classe les isomères de configuration en deux
grands groupes : les énantiomères et les diastéréoisomères.
Exemples :
I
Cl
C
C
Br
H
Cl
Bromo-chloro-iodométhane
Br
H
I
Bromo-chloro-iodométhane
3.6. Chiralité et énantiomérie
Définitions :
 Une molécule est chirale, si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir. Une molécule chirale
possède deux formes énantiomères :
Centre chiral = atome sur lequel sont présents un ensemble d’atomes ou de groupes d’atomes dans une disposition
non superposable à son image dans un miroir.

Des molécules énantiomères (du grec enantios qui signifie « opposé »), aussi appelés isomères optiques, sont
deux molécules qui sont l'image l'une de l'autre par rapport à un miroir et qui ne sont pas superposables (=
molécules chirales). On nomme énantiomérie la relation entre ces deux structures.
Molécule chirale
Exemples :
Miroir
CH3
C
HO
les mains sont chirales
Une coquille d’escargot est chirale
CH3
H
COOH
H
HOOC
L’acide lactique est chiral
C
OH
Remarques :
-
L’exemple classique de centre chiral est l’atome de carbone asymétrique (voir §3.7) ;
Un mélange équimolaire de deux énantiomères est appelé mélange racémique.
3.7. Carbone asymétrique
Définition :
Un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes d’atomes différents est dit carbone asymétrique. On le note
habituellement C*.
Remarques :
-
Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique est toujours chirale ;
Une molécule peut avoir plusieurs atomes de carbone asymétriques.
Exemple :
HO
C*
H3C
OH
H
C2 H5
H
H5 C2
C*
CH3
Le butan-2-ol possède un carbone asymétrique et donc deux énantiomères
3.8. Les diastéréoisomères
Définition(s)
 Les diastéréoisomères sont les stéréoisomères qui ne sont ni énantiomères ni stéréoisomères de conformation.
 Les diastéréoisomères sont des molécules qui ont le même enchaînement d’atomes, mais qui ne sont ni images
l’une de l’autre dans un miroir plan, ni superposables, même après rotation autour de liaisons simples.
Exemple : Diastéréoisomérie de configurations Z et E
4. Stratégie de la synthèse organique
Lors de la fabrication d’une molécule organique (synthèse organique) il faut réfléchir au préalable au protocole
expérimental afin d’obtenir un produit le plus pur possible avec le meilleur rendement.
4.1. Les techniques de synthèse
Certaines réactions peuvent avoir lieu à froid, à la pression atmosphérique. Parfois il faut refroidir le milieu
réactionnel, on peut aussi travailler sous pression réduite. D’autres réactions nécessitent un chauffage afin de
l’accélérer. On peut aussi chauffer et éliminer le produit obtenu au fur et à mesure qu’il se forme afin d’augmenter
le rendement de la réaction. La technique utilisée le plus souvent est le chauffage à reflux.
(a) : Réfrigérant à air ou condenseur à air.
(b) : Erlenmeyer
(c) : Mélange réactionnel
(d) : Bain-marie
(e) : Cristallisoir
(f) : Barreau aimanté
(g) : Agitateur chauffant.
(h) : Réfrigérant à eau ou condenseur à eau
(i) : Ballon à fond rond
(j) : Chauffe-ballon
(k) : Mélange réactionnel
(l) : Pierre ponce
(m) : Vallet ou support élévateur
Intérêt du montage :
-
À température ordinaire, beaucoup de transformations chimiques sont lentes. On augmente leur vitesse en
élevant la température (facteur cinétique) ;
-
Le reflux permet d’éviter les pertes de réactifs et de produits : lorsqu’ils se vaporisent, le réfrigérant liquéfie
les réactifs et les produits qui retombent alors dans le mélange réactionnel.
4.2. Les techniques d’extraction
L’extraction (ou isolement) consiste à séparer au mieux le produit des réactifs n’ayant pas réagi, des produits
secondaires, du catalyseur, du solvant et des sous-produits dus à des réactions parasites.
 Extraction liquide – liquide
Technique qui consiste à extraire une espèce chimique dissoute dans un
mélange liquide à l’aide d’un solvant extracteur.
Extraction dans une ampoule à décanter
-
Le solvant extracteur doit être non miscible avec le mélange initial
d’espèces chimiques et l’espèce chimique à extraire doit y être plus
soluble que dans le mélange initial ;
-
La récupération de la phase constituée du solvant extracteur
contenant l’espèce chimique s’effectue par décantation dans une
ampoule à décanter (ci-contre).
 L’extraction est complètement terminée lorsque le produit de la synthèse
est séparé du solvant extracteur par évaporation du solvant.
 Filtration sous vide
Une fiole à vide munie d’un entonnoir Büchner permet une
filtration rapide et un essorage efficace sous pression réduite.
Montage de filtration sous vide
 L’évaporateur rotatif
L'évaporateur rotatif est utilisé en chimie afin de distiller rapidement des
solvants : il est basé sur la distillation simple sous vide, qui permet d'éliminer
rapidement de grandes quantités de solvant.
Intérêt de la rotation : La rotation du ballon plaque le liquide sur les parois ce
qui a pour effet d’augmenter la surface de contact avec la source thermique
et ainsi d’homogénéiser le chauffage.
4.3. Les techniques de purification
 La distillation
La distillation permet de séparer les constituants d’un mélange de
substances liquides dont les températures d'ébullition sont
différentes : sous l'effet de la chaleur ou d'une faible pression, les
substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est
liquéfiée par le réfrigérant pour donner le distillat.
 Le composé le plus volatil s'évaporera plus facilement et sera
distillé en premier.
 Le distillat n'est pas un produit pur : il contient une certaine
proportion des autres composés du mélange initial.
 La recristallisation
La recristallisation repose sur la différence de solubilité à chaud et à froid entre le composé à purifier et ses
impuretés dans un solvant donné. La solubilité augmentant généralement avec la température, on dissout
habituellement le composé dans le minimum de solvant porté à ébullition.
4.4. L’identification
L’identification se fait par des méthodes d’analyse telles que :
-
Mesure de la température de fusion (banc Kofler) pour les solides ;
Mesure de la densité ou de l’indice de réfraction (réfractomètre) pour les liquides ;
Chromatographie (CCM) ;
Analyse spectrale du produit (UV, IR ou RMN).
4.5. Calcul d’un rendement
Définition :
Le rendement d’une transformation chimique correspond au rapport de la quantité de matière de produit obtenue
par la quantité de matière maximale attendue :
η
n expérimental
n théorique
100

n expérimental  quantité de matière de produit pur obtenu (en mol)


n théorique  quantité de matière de produit pur attendu (en mol)
 Le rendement doit s’approcher de 100 % (ou 1) sachant que, s’il y a en plusieurs étapes, alors le rendement total
est égal au produit des rendements de chaque étape.
4.6. Réactions sélectives
Définitions :
- Lorsqu’une réaction peut potentiellement donner plusieurs produits mais qu’elle n’en forme qu’un ou
certains majoritairement (voir exclusivement), elle est dite sélective ;
-
Lorsqu’un réactif peut réagir avec plusieurs substrats d’un mélange, ou bien avec plusieurs groupes
fonctionnels au sein d’une molécule, mais qu’une des réactions est privilégiée, elle est dite chimiosélective
et le réactif est dit chimiosélectif ;
-
Lorsqu’une réaction peut potentiellement donner deux ou plusieurs isomères (de constitution) mais qu’elle
n’en donne qu’un (ou certains) majoritairement, la réaction est dite régiosélective.
Exemple : Synthèse du paracétamol
Groupe amine
HO
NH2
Groupe hydroxyle
Synthèse du
paracétamol
Para-aminophénol
(4-aminophénol)
Le groupe amine (NH2) réagit
très
majoritairement
sur
l’anhydride
acétique :
la
réaction est sélective et
l’anhydride éthanoïque est un
réactif chimiosélectif.
4.7. Protection fonctionnelle
Lorsqu’aucun réactif chimiosélectif n’est disponible, il est nécessaire d’adopter une autre stratégie : la protection de
fonction, qui fait appel à des groupes protecteurs.
Exemple : Réaction de formation du dipeptide alanine-isoleucine
Formation de la
liaison peptide
Blocage du
groupe NH2
+
Blocage du
groupe COOH
Dipeptide alanine-isoleucine
(produit final attendu)
5. Analyse spectrale
5.1. Spectroscopie UV – Visible
Principe :
On fait passer une radiation électromagnétique à travers une solution dans un spectrophotomètre :
 Pour certaines longueurs d’onde, l’intensité I de la radiation transmise est inférieure à celle I0 de la radiation
incidente : il y a eu absorption de certaines radiations.
Ainsi, le spectrophotomètre permet de mesurer l'absorbance A de la solution homogène à une longueur d'onde
donnée ou sur un domaine spectral donné.
LOI DE BEER-LAMBERT
L’absorbance A d’une espèce chimique en solution diluée est proportionnelle à la concentration molaire c de cette
espèce et à l’épaisseur ℓ de la solution traversée :
A=ℓc
(Loi de Beer-Lambert)
Avec :
-
A = absorbance de la solution (sans unité) ;
 = coefficient d’extinction molaire (en L.mol1.cm1) ;
ℓ = épaisseur de la solution traversée (en cm) ;
c = concentration molaire de l’espèce chimique (en mol.L1).
 Le tracé l’intensité de l’énergie absorbée (absorbance A) par la molécule en fonction de la longueur d’onde 
s’appelle le spectre d’absorption de l’espèce chimique ou de la solution étudiée. Il comporte des bandes assez larges
et peu nombreuses et est caractérisé par sa longueur d’onde au maximum d’absorption ( max) ;
5.2. Spectroscopie IR
La spectroscopie infrarouge (IR) est basée sur l’absorption de radiations infrarouges par des molécules.
L’absorption de radiations par une molécule entraîne des transitions dans les énergies de vibrations moléculaires
c’est-à-dire qu’il se produit des vibrations au sein de la molécule. Ces vibrations peuvent être de 2 natures
différentes :
-
Vibration d’élongation ou de valence : les atomes vibrent suivant l’axe de la liaison chimique qui les relie ;
-
Vibration de déformation : les atomes vibrent perpendiculairement à l’axe de la liaison chimique qui les
relie.
Molécule de CO2 « au repos »
Mouvement d’élongation
Mouvement de déformation
Remarques :
Par convention, en spectroscopie IR, on utilise le nombre d’onde  (ou ν ) en abscisse du spectre d’absorption :
σ
1
λ
λ  longueur d'onde (en cm)

1
σ  nombre d'onde (en cm )
SPECTRE IR
Le spectre d’absorption IR, obtenu à l’aide d’un spectromètre IR, est la représentation de la transmittance T de
l’espèce en fonction du nombre d’onde  de la radiation (en cm–1) :
Exploitation d’un spectre IR :

Pour déterminer le type de liaison correspondant à une bande d’absorption, on relève la position de la bande,
puis on s’intéresse à l’allure de la bande (largeur, intensité) ;

On identifie la bande à l’aide d’une table des absorbances caractéristiques des liaisons dans le domaine de l’IR,
qui donne les fourchettes des nombres d’onde et l’allure des bandes pour différents types de liaison.
5.3. Spectroscopie RMN
La spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) repose sur l’interaction entre une onde
électromagnétique et les protons de la matière soumise à un champ magnétique.
5.3.1. Déplacement chimique
L’énergie absorbée par un proton dépend de son environnement : les électrons à proximité (provenant des liaisons
covalentes ou des atomes voisins) sont en mouvement et « blindent » le noyau ( effet d’écran) de sorte que le
champ magnétique réel au niveau du noyau ( perçu par le noyau) est généralement plus faible que le champ
magnétique externe auquel il est soumis.
5.3.2. Protons équivalents
Définition :
Des noyaux d’atomes d’hydrogène (appelés aussi protons) sont équivalents s’ils ont le même environnement
chimique (c'est-à-dire s’ils « voient » les mêmes groupes d’atomes). Ils auront le même déplacement chimique.
Exemples :
-
Pour le propanal, ci-contre, les protons 2,3 et 4 sont équivalents. Mais ils ne sont pas
équivalents avec 1 ou 5. (1 et 5 sont eux équivalents). Ils y a donc deux groupes de
protons équivalents ;
-
Pour le propane : les H aux extrémités « voient » tous les mêmes groupes d’atomes : ils
sont donc tous équivalents ! donc ici 1, 2, 4, 5, 6 et 8 sont équivalents entre eux.les
protons 3 et 7 sont équivalents entre eux donc il n’y a que deux groupes de protons
équivalents.
Remarque : des protons sont voisins s’ils sont séparés uniquement par trois liaisons (simples ou multiples) entre
deux atomes de carbone.
1
et 2 sont voisins mais 1 et 3 ne le sont
pas
5.3.3. Multiplicité du signal
Règle des (n + 1)-uplets :
Si un proton (ou groupe de protons) équivalent(s) possède n voisins (protons non équivalents au proton étudié), le
signal de résonance correspondant présentera un multiplet de (n + 1) pics.
 S’il y a un pic, on parle de singulet ; deux pics : duet ; trois : triplet ; quatre : quadruplet, etc…
5.3.4. Analyse d’un spectre RMN
Un spectre RMN comporte des pics ou séries de pics appelés « signaux » correspondant à la résonance des différents
protons présents dans une molécule.
Voici une méthode pour analyser un spectre RMN :
❶ Repérer les groupes de signaux du spectre et leur nombre et en déduire les groupes d’atomes d’hydrogène
(proton) équivalents de la molécule.
❷ Exploiter la courbe d’intégration du spectre pour déterminer la proportion de protons associés à chaque signal
afin d’établir une première correspondance entre le spectre et la molécule.
❸ Exploiter la multiplicité des signaux (règle des (n+1)-uplets) pour dénombrer les protons équivalents voisins des
protons responsables de chaque signal.
❹ Utiliser une table de valeurs de déplacements chimiques ou un logiciel pour vérifier la formule de la molécule
obtenue à l’issue des étapes  à .
Exemple : Spectre RMN de la molécule d’éthanoate d’éthyle