CHIMIE DES MATÉRIAUX ORGANIQUES GÉNÉRALITÉS

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1 IMIE DES MATÉRIAUX RGANIQUES GÉNÉRALITÉS I-Formules brutes; formules planes 1) btention 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: n considère un composé A dont l analyse qualitative ne révèle que la présence de carbone, hydrogène et oxygène. n postule une formule X Y Z. Il suffit alors de brûler une masse connue m A de A dans l air ou le dioxygène: le carbone donne du (G) et l hydrogène (G). Le mélange gazeux obtenu traverse successivement des pièges absorbants pour (soude ou potasse) puis pour (ponce sulfurique). En mesurant l accroissement de masse de ces pièges, on en déduit la masse de ou de formée puis la quantité d atomes de et de (exprimée en mole) présent dans l échantillon. m m n = n = et n n = = M M En exprimant le bilan de la masse de l échantillon, on en déduit la quantité d atomes de : m A = n.m + n.m + n.m. n cherche alors les plus petits nombres entiers respectant les proportions entre n, n et n soit ( a b c ) d. En déterminant enfin la masse molaire d un échantillon de A, on détermine d. n obtient ainsi la formule brute de A. Les méthodes modernes utilisent la spectrographie de masse. ) Formules planes onnaissant 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 L écriture précédente est longue et fastidieuse. n lui préfère souvent une écriture plus rapide. semi-développée (on ne représente pas les liaisons -): compacte (on ne représente aucune liaison): inconvénients: ces formules ne donnent aucun renseignement sur la géométrie des molécules autre que les ramifications; himie rganique Généralités page 1/5 propane 3 8 propanone 3 6 semi-développée compacte propane propanone

2 ces formules n indique pas les différences de nature des liaisons; c) formule topologique n n écrit pas les atomes de carbones, ainsi que les qui leur sont liés. n ne garde dans la formule que les hétéroatomes (et les qui leur sont éventuellement liés). Les liaisons sont symbolisées par des tirets. ette fois, la géométrie du squelette est respectée. ette écriture trouve son intérêt pour représenter des grosses molécules ou des cycles: propane propanone 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 UIPA. 1) Géométrie des liaisons d un atome de carbone La structure électronique du carbone 1s s p 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 Lorsqu il est lié à 4 atomes, le carbone est au centre d un tétrèdre. Les angles entre liaisons sont alors de Les 4 liaisons possède la symétrie de révolution autour de l axe interatomique: ce sont des liaisons dites de type s. b) carbone plan trigonal Lorsqu il est lié à 3 atomes, le carbone est au centre d un triangle plan non équilatéral. Une des liaisons est «double». Elle se compose d une partie qui possède la symétrie de révolution autour de l axe interatomique. n l appelle σ comme ci-dessus. L autre partie est symétrique par rapport au plan du triangle. n l appelle liaison p. c) carbone rectilinéaire Lorsqu il est lié à atomes, le carbone est situé sur la droite reliant ces deux atomes. La liaison triple se décompose en une liaison de type σ et liaisons de type π, dont les plans de symétrie sont perpendiculaires entre eux. himie rganique Généralités page /5

3 ) haînes 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. es atomes ne pouvant dans ce cas être que ou, la formule générale est n n+. Le premier terme est 4 : le méthane. α) chaîne linéaire Dans une molécule linéaire, un atome de carbone n est jamais relié à 3 ou 4 autres carbones n a successivement: n alcane méthane éthane propane butane pentane hexane n 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 Exemple: 4 10 correspond à 3 3 (le butane) et à Les groupements R- dérivant des alcanes R- 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: - 3 ou -Me éthyle: ou -Et propyle: ou -Pr La règle de nomenclature est, pour les chaînes ramifiées: butyle: ou -Bu (1) on détermine la chaîne la plus longue, dite chaîne principale, qui fournit le nom de l alcane de base; () 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: 3-éthyl-,5-diméthylhexane himie rganique Généralités page 3/5

4 S il manque deux liaisons - 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 =. (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: 3 -=- - 3 : pent--ène; 3 3 : -éthyl-3-méthylpent-1-ène; 3 =-=- 3 : penta-1,3-diène. β) les alcynes Dans ces composés, il existe au moins une liaison triple entre deux carbones. 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- : alcool; R--R : éther; R : acide carboxylique. (8) n 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. n 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: n 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. elui de derrière est représenté par un cercle d où partent les traits schématisant les liaisons avec d autres atomes. n 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. himie rganique Généralités page 4/5

5 Exemples: pour = on aura : Pour abc-a b c on aura c a a c b b ) Représentation de ram (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: n constate que les deux liaisons coplanaires sont toujours contiguës. 3) Représentation en perspective est une forme simplifiée de la précédente qui est surtout adaptée lorsque l on veut mettre en évidence une liaison particulière: devient himie rganique Généralités page 5/5