1. Familles et nomenclature

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1 1. Familles et nomenclature Groupes caractéristiques et fonctions CHAPITRE C8 Groupes caractéristiques et spectroscopie IR Les molécules organiques comportent deux parties : un squelette carboné et des groupes caractéristiques. Les molécules qui possèdent le même groupe caractéristique ont des propriétés chimiques communes. Ces propriétés définissent une fonction chimique : Les alcènes Un alcène est un hydrocarbure acyclique de formule brute C nh 2n, présentant une double liaison C=C. Le nom d un alcène dérive de celui de l alcane de même chaîne carbonée, en remplaçant la terminaison -ane par la terminaison -ène, précédée de l indice de position de la double liaison C=C dans la chaîne principale. Cet indice doit être le plus petit possible. Application : 1/ Ecrire les formules développées du but-1-ène et du pent-2-ène. Préciser le nom et la position des ramifications. Préciser également le type d isomérie (Z ou E). 2/ Ecrire la formule semi-développée du (E)-5-méthylhex-3-ène. Les esters Un ester est une espèce chimique possédant le groupe caractéristique ester : CO O C, de formule générale : Il est le produit de la réaction d estérification, réaction entre un acide carboxylique et un alcool. Le nom d un ester comporte deux termes : Le premier avec la terminaison -oate, désignant la chaîne carbonée R-C, numérotée à partir de C Le second avec la terminaison -yle, est le nom du groupe alkyle R, numéroté à partir de l atome de carbone lié à l atome d oxygène ( O CH 2 CH 3 par exemple). 1

2 Application : Ecrire les formules développées de l éthanoate de méthyle et du 3-méthylbutanoate de propyle. Les amines La structure d une amine dérive de celle d un alcane en remplaçant un atome d hydrogène par le groupe amine NH 2. Une amine est donc un composé de formule générale : Le nom d une amine dérive de celui de l alcane de même chaîne carbonée, en remplaçant la terminaison -ane par la terminaison -amine, précédée de l indice de position (le plus petit possible) du groupe amine dans la chaîne carbonée principale, c est-à-dire la plus longue. Lorsque l atome d azote (N) est lié à d autres groupes alkyles, le nom de l amine est précédé de la mention N-alkyl. Application : Ecrire les formules semi-développées de la 3-méthylpentan-2-amine et de la N-éthyl-3-méthylbutan- 1-amine. Les amides Un amide est le produit de la réaction entre un acide carboxylique et une amine. C est un composé de formule générale : Le nom d un amide dérive de celui de l alcane de même chaîne carbonée, en remplaçant la terminaison -ane par la terminaison -amide. La chaîne carbonée est numérotée à partir de l atome de carbone C. Lorsque l atome d azote est lié à des groupes alkyles, le nom de l amide est précédé de la mention N-alkyl. Application : Ecrire les formules semi-développées du 2-méthylbutanamide et du N-méthyl-2-éthylbutanamide. Autres exemples : Voir Belin p

3 2. Principe de la spectroscopie infrarouge Principe Découverts en 1800, les rayonnements infrarouges ont été mis à profit par les chimistes à partir du début du XX ème siècle pour étudier les propriétés de la matière. La spectroscopie infrarouge est l étude de l absorption des espèces organiques pour des rayonnements de longueurs d onde comprises entre 800 et nm. Les rayonnements IR sont moins énergétiques que les UV (voir Chapitre C7). En présence de rayons IR, les liaisons chimiques se mettent à vibrer lorsqu elles sont soumises à des rayonnements appartenant à des plages de nombre d onde caractéristiques de la liaison : Lorsque la longueur d une liaison se met à osciller autour de sa valeur moyenne, on parle d une vibration d élongation de la liaison covalente Exemple des modes de vibration d élongation d un groupement CH 2 Lorsque l angle défini entre deux liaisons covalentes se met à osciller autour de sa valeur moyenne, on parle d une vibration de déformation Exemple des modes de vibration de déformation d un groupement CH 2 Spectre infrarouge Le spectre IR représente la transmittance T en ordonnée, exprimée en pourcentage, en fonction du nombre d onde, noté σ, inverse de la longueur d onde, exprimé en cm 1 : 3

4 Origine du spectre La liaison entre deux atomes est modélisée par un ressort reliant deux masses : celui-ci se met à vibrer lors de l absorption de l onde électromagnétique. Lors de l absorption du rayonnement, la transmittance chute, ce qui génère sur le spectre des bandes d absorption. La fréquence de vibration est caractéristique du système (ressort-masse) donc la liaison entre deux atomes. Un spectre IR renseigne donc sur les groupes caractéristiques d une molécule. Modèle classique d une liaison 3. Analyse d un spectre infrarouge Détermination des groupes caractéristiques Les nombres d onde utiles à la recherche des groupes caractéristiques sont supérieurs à 1500 cm 1. Pour analyser un spectre IR, il faut : Repérer les liaisons chimiques grâce à leurs nombres d ondes Rechercher les groupes caractéristiques possédant ces liaisons. Certaines liaisons appartiennent à plusieurs groupes : Vérifier que toutes les bandes caractéristiques des groupes retenus sont présentes sur le spectre Utiliser éventuellement les valeurs précises des nombres d ode pour départager deux groupes. Plages d absorption en IR pour différentes liaisons Groupes caractéristiques Fonction Bandes caractéristiques (cm 1 ) Hydroxyle Carbonyle (fin de chaîne) Carbonyle (milieu de chaîne) Carboxyle (fin de chaîne) Amino Carboxyle (milieu de chaîne) Amide Plages de nombres d onde délimitant les bandes d absorption IR des principaux groupes caractéristiques et fonction chimique associée 4

5 Cas de la liaison C H Une liaison hydrogène est une interaction intermoléculaire, représentée en pointillés, qui s établit entre un atome d hydrogène lié à un atome N, O ou F, et un doublet non liant d un autre atome N, O ou F. Etude des bandes caractéristiques de l hexan-1-ol : (a) liquide pur ; (b) solution diluée ; (c) solution très diluée RQ : Un spectre IR permet de détecter des liaisons hydrogène impliquant les alcools. En leur présence, l absorption des liaisons O H donne une bande large entre 3200 et 3400 cm 1, au lieu d une bande étroite entre 3580 et 3670 cm 1. La bande large correspond à la liaison O H (appelée OH lié), impliquée dans une liaison hydrogène, alors que la bande étroite correspond à la liaison notée OH libre. La bande large est d autant plus intense que le nombre de liaisons hydrogène est important! Exemple de liaison hydrogène au sein du méthanol 5