TS-Cours C09 Groupes et spectres IR

C9 : Groupes caractéristiques
TS - 2015
N
Noom
meen
nccllaattu
urree ssyyssttéém
maattiiqqu
uee
Associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas
des alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters,
amines et amides.
Connaître les règles de nomenclature de ces composés ainsi
que celle des alcanes et alcènes.
Utiliser le nom systématique d’une espèce chimique organique
pour en déterminer les groupes caractéristiques et la chaîne
carbonée.
CCO
O
M
P
O
O
R
G
A
N
Q
U
OM
MP
PO
OSSSÉÉÉSSSO
OR
RG
GA
AN
NIIIQ
QU
UEEESSS
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.
Source : Wikipédia
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 hydrogénocarbonate HCO3–) inorganiques (c’est-à-dire associé à un
cation inorganique).
Source : directive européenne du 11 mars 1999
N
O
M
N
C
A
T
U
R
T
M
A
T
Q
U
NO
OM
MEEEN
NC
CLLLA
AT
TU
UR
REEESSSYYYSSST
TÉÉÉM
MA
AT
TIIIQ
QU
UEEE
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).
Le nom IUPAC pour un composé organique contient deux
parties :
• Une racine indique combien d’atomes de carbone sont
présents dans la chaîne carbonée ;
Nombre de C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Racine
méthéthpropbutpenthexhept
oct
nondéc-
• Un préfixe et/ou un suffixe indique la famille à laquelle
il appartient.
Attention : 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.
Tertiobutanol, méthylpropan-2-ol, méthylpropanol-2, tertbutanol, Alcool tert-butylique, triméthylcarbinol, 2méthyl-2-propanol : tous ces noms désigne une seule
molécule :
CH3
H3 C
C
OH
www.pichegru.net
F
Faam
miilllleess ddee ccoom
mp
poossééss oorrggaan
niiqqu
ueess
Les composés chimiques d’une même famille (c’est-à-dire
comportant les mêmes groupes fonctionnels) ont des
propriétés chimiques comparables.
OH
HO
AALLLCCCAAAN
N
NEEESSS
Groupe caractéristique : Aucun. Constitués seulement
de C et de H, sans double ou triple liaison.
Nomenclature :
• Trouver la chaîne carbonée la plus longue. Prendre la
racine correspondante et lui ajouter le suffixe -ane
(méthane, éthane, etc.). Vous avez la racine du nom.
Si la molécule est ramifiée (ce qui sera souvent le cas)
• Ajouter un préfixe indiquant le nombre de carbone de la
ramification (méthyl, éthyl, etc), avec éventuellement le
pré-préfixe di, tri, tétra, penta s’il y a plusieurs
ramification du même type.
• Devant ce préfixe, indiquer la position de chaque
ramification, s’il peut y avoir un doute sur la position de la
ramification. Vous devez choisir le sens de numérotation
de la chaîne carbonée de manière à ce que ces positions
soient les plus petites possibles.
• 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 luimême s’écrit avant « propyl ».
propane
OH
méthylpropane
3-méthylpentane
propan-1-ol
primaire
propan-2-ol
secondaire
méthylpropan-2-ol
tertiaire
Réactivité : complexe et variée
AALLLD
D
H
D
DÉÉÉH
HYYYD
DEEESSS
Groupe caractéristique : C=O (carbonyle) en bout de
chaîne (donc inutile d’indiquer sa position, c’est sans
équivoque).
Nomenclature : comme alcane + terminaison en -al.
O
propanal
CCÉÉÉTTTO
O
N
ON
NEEESSS
Groupe caractéristique : C=O (carbonyle) pas en bout
de chaîne.
Nomenclature : comme alcane + terminaison en -one,
avec position du groupe carbonyle si nécessaire.
O
O
butanone
hexan-2-one
Réactivité : la réactivité des deux familles précédentes
possèdent des similitudes. Elle est complexe et variée.
AAM
M
N
MIIIN
NEEESSS
2,3-diméthylpentane
3,3,4-triméthylhexane
3-éthyl-3,4,4,5-tétraméthylheptane
Attention aux virgules et aux tirets !
Si vous savez nommer un alcane, il faudra peu de
choses pour que vous sachiez nommer les autres
composés, car leur nomenclature en dérive.
Réactivité : Rien de spécial. Ils sont assez peu réactifs,
sauf en présence de chaleur et d’un comburant (O2) →
Boum
Groupe caractéristique : un atome d’azote lié à des H
et/ou des C (au moins 1, sinon, il s’agit de l’ammoniac
NH3) ne possédant que des liaisons simples vers des
atomes de C et/ou de H. Le groupe –NH2 est appelé
groupe amino.
Nomenclature : Dans le cas des amines primaires
(possèdant un groupe –NH2), comme alcane + terminaison
en 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.
H3 C
H3 C
NH2
méthanamine
primaire
CH3
NH
N-méthylméthanamine
secondaire
CH3
AALLLCCCÈÈÈN
N
NEEESSS
Groupe caractéristique : présence d’une double liaison
carbone-carbone.
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.
NH
N
H3 C
CH3
N,N-diméthylméthanamine N,3-diméthylbutan-2-amine
tertiaire
secondaire
Réactivité : complexe et variée
AACCCIIID
D
C
A
R
B
O
X
Q
U
DEEESSSC
CA
AR
RB
BO
OX
XYYYLLLIIIQ
QU
UEEESSS
Groupe caractéristique : carboxyle ci-dessous. Il se situe
forcément en bout de chaîne.
CH3
propène
but-1-ène
O
2-méthylbut-1-ène
C
Réactivité : due à la double liaison qui peut s’ouvrir pour
fixer d’autres réactifs (réactions d’addition, chapitre C12).
AALLLCCCO
O
O
OO
OLLLSSS
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.
Nomenclature : comme alcane + terminaison en -ol, avec
position du groupe hydroxyle si nécessaire.
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 » ?
O
H
Nomenclature : acide « alcan »-oïque, ou « alcan »
désigne le nom de l’alcane correspondant.
O
O
OH
OH
acide éthanoïque
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).
EESSSTTTEEERRRSSS
SSp
peeccttrroossccoop
piiee iin
nffrraarroou
uggee
Groupe caractéristique
Exploiter un spectre IR pour déterminer des groupes caractéristiques à l’aide de tables de données ou de logiciels, dans le cas des
alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters, amines et amides.
O
R1
C
VVIIIBBBRRRAAATTTIIIO
O
N
D
A
O
N
C
O
V
A
N
T
ON
ND
DEEESSSLLLIIIA
AIIISSSO
ON
NSSSC
CO
OV
VA
ALLLEEEN
NT
TEEESSS
O R2
R1 peut représenter un groupe alkyle ou un H, le groupe
R2 est forcément un groupe alkyle (méthyle, éthyle, etc.)
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.
O
O
C
O
H
CH2
CH3
méthanoate d'éthyle
C
O
H3 C
CH3
éthanoate de méthyle
Les liaisons covalentes peuvent être visualisées comme de minuscules ressorts liant deux atomes. Elles peuvent vibrer
en élongation ou en déformation. Comme pour l’électron en orbite autour d’un atome, l’énergie de vibration de ces
liaisons est quantifié. Si l’on envoie sur une liaison un photon ayant l’énergie adéquate (c’est-à-dire l’énergie
correspondant à la différence entre deux niveaux d’énergie de vibration), la liaison pourra l’absorber et vibrer avec une
plus grande amplitude.
Ces niveaux d’énergies dépendent du type d’atomes (ou groupe d’atome) liés.
SSPPPEEECCCTTTRRREEESSSIIIN
N
R
A
R
O
U
G
NFFFR
RA
AR
RO
OU
UG
GEEE
Le spectre infrarouge d’une molécule est le tracé de la transmittance T (en %) en fonction du nombre d’onde σ (cm-1)
σ = 1/λ, avec λ en cm
Ce spectre, très complexe, est caractéristique d’une molécule. Il est possible de l’analyser en partie pour en déduire les
groupes présents dans une molécule et ainsi avoir une idée de sa composition.
100 T (%)
Vibrations d’élongations
« Empreinte digitale »
AAM
M
D
MIIID
DEEESSS
Groupe caractéristique
R3
O
C
N
R2
R1
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.
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
O
N-méthyléthanamide
2000
1500
La partie appelée « empreinte digitale » est propre à la molécule.
N
N,N-diméthyléthanamide
Règles complètes de l’IUPAC
3000
1000
500
Un spectre s’analyse à l’aide d’un tableau résumant les nombres d’onde d’absorption des différents groupes (cf. rabat
de couverture final de votre livre).
méthanamide
NH
0
4000
σ (cm-1)
C-H alcane
O-H liée
Spectre du pentan-2-ol
NH2
O
50
Dans ce spectre, on peut voir les liaisons O-H (alcool lié) et les liaisons C-H (alcane)