CHIMIE DES MATÉRIAUX ORGANIQUES GÉNÉRALITÉS

CHIMIE DES MATÉRIAUX ORGANIQUES
GÉNÉRALITÉS
I-Formules brutes; formules planes
1) Obtention des formules brutes
Par un ensemble de techniques expérimentales, on peut extraire des mélanges naturels hétérogènes les corps purs qu’ils contiennent.
L’analyse élémentaire permet ensuite de déterminer la nature des éléments et leurs proportions
dans un corps pur.
Exemple: On considère un composé A dont l’analyse qualitative ne révèle que la présence de
carbone, hydrogène et oxygène. On postule une formule CXHYOZ. Il suffit alors de brûler une masse
connue mA de A dans l’air ou le dioxygène: le carbone donne du CO2(G) et l’hydrogène H2O(G). Le
mélange gazeux obtenu traverse successivement des pièges absorbants pour CO2 (soude ou potasse)
puis pour H2O (ponce sulfurique). En mesurant l’accroissement de masse de ces pièges, on en déduit la masse de CO2 ou de H2O formée puis la quantité d’atomes de C et de H (exprimée en mole)
présent dans l’échantillon.
mCO 2
mH 2 O
nC = nCO 2 =
et nH = 2nH 2 O = 2
M CO2
M H 2O
En exprimant le bilan de la masse de l’échantillon, on en déduit la quantité d’atomes de O:
mA = nH.MH + nC.MC + nO.MO.
On cherche alors les plus petits nombres entiers respectant les proportions entre nH, nC et nO
soit (CaHbOc)d.
En déterminant enfin la masse molaire d’un échantillon de A, on détermine d.
On obtient ainsi la formule brute de A.
Les méthodes modernes utilisent la spectrographie de masse.
2) Formules planes
Connaissant la formule brute d’une molécule, il est nécessaire de connaître l’enchaînement
des atomes puis de représenter la molécule par une formule plane.
a) formule développée
Il s’agit de la formule de Lewis dans laquelle on ne figure pas les doublets libres.
Ainsi on peut écrire les molécules suivantes :
b) formule semi développée et compacte
propane C3H8
H
H
H H
C
C C H
H
H H
H
H
propanone C3H6O H C C C H
L’écriture précédente est longue et fastidieuse. On lui préfère souvent une écriture plus rapide.
Ÿ semi-développée (on ne représente pas les liaisons C-H):
Ÿ compacte (on ne représente aucune liaison):
inconvénients: Ÿ ces formules ne donnent aucun
renseignement sur la géométrie des molécules autre que les
ramifications;
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H
propane
O H
semi-développée
compacte
CH3-CH2-CH3
CH3CH2CH3
propanone CH 3 − C| | − CH 3
O
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CH3COCH3
Ÿ ces formules n’indique pas les différences de nature des liaisons;
c) formule topologique
On n’écrit pas les atomes de carbones, ainsi que les H qui leur sont
liés. On ne garde dans la formule que les hétéroatomes (et les H qui leur
sont éventuellement liés). Les liaisons sont symbolisées par des tirets.
Cette fois, la géométrie du squelette est respectée.
Cette écriture trouve son intérêt pour représenter des grosses molécules ou des cycles:
propane
O
propanone
OH O
O
II) Éléments de nomenclature
La grande variété des composés organiques présents dans la nature et synthétisés par l’homme
a rendu nécessaire l’usage d’une nomenclature systématique fixée par l’UICPA.
1) Géométrie des liaisons d’un atome de carbone
La structure électronique du carbone 1s2 2s2 2p2 montre que le carbone complète sa couche
externe en acceptant 4 électrons: il est essentiellement tétravalent c’est-à-dire qu’il forme presque
toujours 4 liaisons covalentes.
Il faut distinguer ce nombre de liaisons du nombre d’atomes auquel le carbone est lié.
Mais selon le nombre d’atomes auxquels l’atome de carbone est lié, la géométrie (longueur,
angle, propriétés de symétrie) des liaisons est différente.
a) carbone tétraédrique
H
Lorsqu’il est lié à 4 atomes, le carbone est au centre d’un tétrèdre. Les
angles entre liaisons sont alors de 109°28’.
Les 4 liaisons possède la symétrie de révolution autour de l’axe
interatomique: ce sont des liaisons dites de type σ.
H
C
H
H
b) carbone plan trigonal
Lorsqu’il est lié à 3 atomes, le carbone est au centre
H
d’un triangle plan non équilatéral.
Une des liaisons est « double ». Elle se compose
C
H
d’une partie qui possède la symétrie de révolution autour de
l’axe interatomique. On l’appelle σ comme ci-dessus.
L’autre partie est symétrique par rapport au plan du triangle. On l’appelle liaison π.
CC
c) carbone rectilinéaire
Lorsqu’il est lié à 2 atomes, le carbone est situé sur la droite reliant ces deux atomes.
H
C
C
H
La liaison triple se décompose en une liaison de type σ et 2 liaisons de type π, dont les plans
de symétrie sont perpendiculaires entre eux.
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2) Chaînes carbonées ouvertes
a) squelette saturé
Un composé est saturé lorsque tous les carbones qui le composent sont reliés à 4 atomes,
c’est-à-dire le nombre maximum possible. Par extension, la liaison simple de type σ est dite également saturée.
Ces atomes ne pouvant dans ce cas être que C ou H, la formule générale est CnH2n+2.
Le premier terme est CH4: le méthane.
α) chaîne linéaire
Dans une molécule linéaire, un atome de carbone n’est jamais relié à 3 ou 4 autres carbones
On a successivement:
n
1
2
3
4
5
6
alcane
méthane
éthane
propane
butane
pentane
hexane
n
7
8
9
10
11
12
alcane
heptane
octane
nonane
décane
undécane
dodécane
β) chaîne ramifiée
A partir de n = 4, il est possible qu’un atome de carbone soit relié à 3 ou 4 autres atomes de
carbone. La chaîne est alors dite ramifiée
− CH 3 .
Exemple: C4H10 correspond à CH3—CH2—CH2—CH3 (le butane) et à CH 3 − CH
|
CH 3
Les groupements R- dérivant des alcanes R-H sont appelés alkyle. Leur nom s’obtient en
remplaçant la terminaison -ane de l’alcane par -yle. Pour les petits groupements, cela permet souvent d’utiliser une notation simplifiée dans les représentations:
méthyle: -CH3 ou -Me
éthyle: -CH2-CH3 ou -Et
propyle: -CH2-CH2-CH3 ou -Pr
butyle: -CH2-CH2-CH2-CH3 ou -Bu
La règle de nomenclature est, pour les chaînes ramifiées:
(1) on détermine la chaîne la plus longue, dite chaîne principale, qui fournit le nom de
l’alcane de base;
(2) on numérote cette chaîne à partir d’une extrémité de telle façon que l’indice du carbone
porteur de la ramification soit minimal;
(3) on nomme le groupement substituant avant le nom de la chaîne principale, précédé de son
indice de position: p-alkyl.
Exemple:
3-méthylhexane
Il arrive aussi qu’il y aie plusieurs ramifications:
(4) dans le cas de plusieurs substituants identiques, on l’indique par les préfixes: di, tri, tétra,…
(5) Les substituants sont énoncés dans l’ordre alphabétique sans tenir compte des préfixes.
b) squelette insaturé
Exemple:
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3-éthyl-2,5-diméthylhexane
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S’il manque deux liaisons C-H par rapport à la structure d’un alcane, on dit que l’on a une insaturation. Il existe alors au moins une liaison double entre deux carbones.
α) les alcènes
Il existe une double liaison C=C.
(6) on choisit la chaîne la plus longue comportant la double liaison et on la numérote en attribuant aux carbones insaturés les plus petits numéros.
(7) La terminaison -ane de l’alcane correspondant à cette chaîne est remplacée par -ène.
Exemples: CH3-CH=CH-CH2-CH3 : pent-2-ène;
CH 3 − CH 2 − C
− CH
− CH 2 − CH 3 : 2-éthyl-3-méthylpent-1-ène;
||
|
CH 2 CH 3
CH2=CH-CH=CH-CH3 : penta-1,3-diène.
β) les alcynes
Dans ces composés, il existe au moins une liaison triple entre deux carbones.
CH ≡ CH est l’acétylène mais pour les autres, la terminaison -ane de l’alcane est remplacée
par le suffixe -yne.
c) groupes fonctionnels
Si, dans une molécule, on remplace un hydrogène par un groupe comportant un ou plusieurs
hétéroatomes, on définit une fonction, ou groupe fonctionnel, dont les propriétés chimiques sont
caractéristiques.
Déf: Le carbone qui porte un groupe fonctionnel est appelé carbone fonctionnel.
La classe de ce carbone est égale au nombre de carbones qui lui sont directement reliés.
Les fonctions que l’on rencontrera dans le cours sont:
R-X: dérivé halogéné;
R-OH : alcool;
R-O-R’: éther;
R − C| | − OH : acide carboxylique.
O
(8) On indique une fonction en ajoutant le suffixe désignant cette fonction.
Par exemple, hexanol, acide butanoïque.
III-Représentations conventionnelles des molécules
Les molécules ne sont pas en général planes mais pour la plupart, tridimensionnel. On appelle structure stérique la distribution dans l’espace des atomes constituants la molécule.
Pour représenter cette structure dans le plan de la feuille, il faut utiliser des conventions.
1) Représentation de Newman
Déf: On regarde la molécule selon l’axe d’une liaison et on projette dans un plan frontal.
Le carbone de devant est représenté par un point d’où partent des traits pour chaque atome reliés à ce carbone. Celui de derrière est représenté par un cercle d’où partent les traits schématisant
les liaisons avec d’autres atomes.
On n’indique pas la multiplicité éventuelle des liaisons.
Par ailleurs, lorsque des traits ou des atomes de l’arrière-plan devraient être cachés par ceux
de l’avant-plan, on les décale légèrement pour les faire apparaître.
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Exemples:
pour H2C=CH2 on aura :
H
H
H
H
a
c’
a’
Pour abcC-Ca’b’c’ on aura
c
b
b’
2) Représentation de Cram (1953)
Déf: Une liaison dans le plan de la feuille est représentée par un trait plein ,
une liaison en avant du plan est repésentée par un triangle plein
une liaison en arrière du plan est représentée par un trait hachuré
Un atome de carbone tétraédrique sera donc représenté a ainsi:
Pour deux atomes tétravalents, on aura:
Remarque: On constate que les deux liaisons coplanaires
sont toujours contiguës.
C
C
C
3) Représentation en perspective
C’est une forme simplifiée de la précédente qui est surtout adaptée lorsque l’on veut mettre en
évidence une liaison particulière:
C
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C
devient
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