Les formules chimiques en chimie organique 1 René CAHAY, Jacques FURNÉMONT I.- INTRODUCTION Différents termes sont utilisés pour désigner la manière de représenter les molécules organiques caractérisées par des liaisons C-C (simples ou multiples) et C-H et qui peuvent aussi inclure des atomes d autres éléments (des hétéroatomes). On parle ainsi de formule empirique, de formule moléculaire, de formules de structure, parmi lesquelles on distingue, dans l ordre croissant de complexité, la formule semi-développée, la formule développée plane - auxquelles on associe la forme dépouillée de la formule topologique - et la formule stéréochimique. À l origine, les règles de nomenclature ont été établies en anglais par l International Union of Pure & Applied Chemistry (I.U.P.A.C. 2 ) dont le siège est situé à ZÜRICH et le secrétariat aux États-Unis (à DURHAM, en Caroline du Nord). L adaptation de ces règles en français ne s est pas toujours faite d une manière très cohérente. En effet, elle a donné lieu à pas mal de disparités, les usages variant selon les pays. Des appellations «sauvages» sont fréquemment utilisées en lieu et place des dénominations officielles, sans compter que certains termes sont employés de manière incorrecte. La façon la plus sûre d éviter les erreurs ou les ambigüités, tout en contribuant à la compréhension internationale dans le domaine de la chimie, consiste à recourir systématiquement à la nomenclature officielle chaque fois que c est possible. II.- REPRÉSENTATION DES MOLÉCULES ORGANIQUES A.- La formule empirique La formule empirique indique les proportions des atomes des différents éléments présents dans la molécule. Elle exprime le plus petit rapport de nombres entiers d atomes de chaque 1 Voir notamment : Leigh, Favre & Metanomski, Principes de nomenclature de la chimie, DeBoeck Université, 2001, pp. 9-25 ; Wikipedia : http://fr.wikipedia.org/wiki/représentation_des_molécules ; I. Mills, T. Cvitas, K. Homann, N. Kallay et K. Kuchitsu, Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, second edition, I.U.P.A.C., Physical Chemistry Division, Blackwell Science, OXFORD, 1993, p. 45. 2 L I.U.P.A.C., créée en 1919, est l autorité en matière de règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et la terminologie des éléments chimiques et de leurs dérivés. Sa branche francophone est l Union Internationale de Chimie Pure & Appliquée (U.I.C.P.A.). 1
élément dans le composé. Cette formule est établie sur la base des résultats de l'analyse élémentaire quantitative (composition centésimale) de la substance considérée. Elle ne renseigne pas sur le nombre d atomes réellement présents dans cette molécule, puisqu elle ne se fonde pas sur la masse molaire moléculaire du composé. Si l expression «formule empirique» est bien celle que préconise l Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (U.I.C.P.A., on trouve fréquemment en français l expression «formule brute». Même si cette appellation est correcte, il serait souhaitable de l abandonner et de s en tenir aux règles de l U.I.C.P.A.. En effet, les anglo-saxons utilisent exclusivement la dénomination officielle (empirical formula, en anglais). CH 2 O est la formule empirique du glucose (formule moléculaire : C 6 H 12 O 6 ), comme de l acide éthanoïque/acétique (formule moléculaire : C 2 H 4 O 2 ) et du méthanal/formaldéhyde (formule moléculaire : CH 2 O). B.- La formule moléculaire La formule moléculaire est en accord avec la masse molaire moléculaire du composé. Elle renseigne sur la nature des éléments et sur le nombre d atomes de chacun de ceux-ci présents dans la molécule. Pour écrire une formule moléculaire, on indique l'élément chimique à l'aide de son symbole et la quantité de cet élément par un nombre, placé en indice, à la droite de l'élément concerné. On utilise parfois une autre notation, afin de mettre en évidence certaines fonctions ; cette manière d opérer ne respecte pas scrupuleusement les règles d'écriture exposées ci-dessus. C est ainsi qu au lieu de noter la formule de l éthanol sous la forme attendue, soit C 2 H 6 O, on l écrira C 2 H 5 OH, pour mettre en évidence la présence d une fonction alcool. Éthane : C 2 H 6 Butane : C 4 H 10 Benzène : C 6 H 6 Éthanol : C 2 H 6 O ou C 2 H 5 OH Remarque : au lieu de l expression «formule moléculaire», on trouve parfois la dénomination «formule brute». Il s agit d une erreur, car ces deux appellations ne sont pas synonymes. Comme mentionné plus haut, «formule brute» est équivalent à «formule empirique». 2
C.- Les formules de structure Selon le degré d information qu elle véhicule, la formule de structure revêt plusieurs formes. Sa forme la plus dépouillée est la formule semi-développée et son corollaire, la formule topologique, sa forme la plus élaborée est la formule stéréochimique. C. 1.- La formule semi-développée La formule de structure semi-développée, comme son nom l'indique, est une forme simplifiée de la formule du composé. Les liaisons carbone-hydrogène ne sont pas dessinées, mais condensées sous la forme CH n, où n représente le nombre d'atomes d'hydrogène liés à l'atome de carbone. Chaque liaison carbone-carbone est représentée sous la forme d un trait, ce qui permet de distinguer les liaisons simples et les liaisons multiples. Ce mode d écriture des formules permet de mettre en évidence les fonctions présentes dans la molécule. Pentane : CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 Pent-2-ène ou pentène-2 : CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 Éthanol : CH 3 -CH 2 OH Acétone ou propanone : CH 3 -CO-CH 3 Dans le cas de la fonction acide et de ses dérivés (les esters, les amides, les chlorures d'acide, les nitriles ), on recourt en général à la notation suivante : acide carboxylique : R COOH ou R CO 2 H, où R symbolise une chaîne hydrocarbonée ; ester : R COOR ou R CO 2 R, où R et R symbolisent des chaînes hydrocarbonées ; amide : R CONH 2 ou R C(O)NH 2 ; chlorure d acide : R COCl ou R C(O)Cl ; nitrile : R C N. C.2.- La formule développée plane La formule de structure développée plane est une manière de représenter la structure d'une molécule en faisant apparaître explicitement toutes les liaisons chimiques qu elle comporte. Elle ne permet toutefois pas de représenter la structure tridimensionnelle de la molécule. 3
Généralement les liaisons sont représentées à 90, mais elles sont parfois représentées avec des angles différents pour s'approcher de la structure réelle de la molécule dans l'espace (par exemple 120 autour d'une double liaison carbone = carbone ou carbone = oxygène). Pentane : Éthanol : Urée : C.3.- La formule topologique La formule de structure topologique est une manière simplifiée de représenter dans un plan la structure d'une molécule organique : on ne représente plus les atomes de carbone ni les atomes d'hydrogène portés par ces derniers. Les liaisons carbone-carbone sont représentées par un trait oblique. Dans une formule topologique, les atomes de carbone sont situés à l'intersection de deux segments. On opère la distinction entre liaisons multiples et liaisons simples : une liaison simple sera représentée par un trait, une liaison double par deux segments parallèles. On veille généralement à représenter les angles des liaisons C-C dans les chaînes hydrocarbonées. 4
Lorsqu'un atome, autre que le carbone ou l'hydrogène, est présent (il s agit alors d un hétéroatome), on le représente comme l illustrent les exemples ci-après. 5
C.4.- La formule stéréochimique La formule de structure stéréochimique représente la structure spatiale (tridimensionnelle) de la molécule. Les différentes orientations que peuvent prendre les liaisons sont représentées comme suit : une liaison située dans le plan (de la feuille) est représentée par un trait simple ; une liaison qui est dirigée vers l avant est représentée par un triangle plein ; 6
une liaison dirigée vers l arrière est représentée par un triangle hachuré. La formule stéréochimique est surtout utilisée pour visualiser les atomes de carbone asymétriques dans le cadre de l étude de l isomérie optique. Comme mentionné précédemment, nous n envisagerons pas ici ce type d isomérie. 7