Structure des entités organiques

Le sucre, l'alcool, le vinaigre, l'essence, le plastique d'une bouteille, les médicaments : toutes ces substances sont faites de molécules construites sur un squelette d'atomes de carbone. C'est la chimie organique. Ce chapitre apprend à lire et à écrire les formules de ces molécules, à repérer les groupes caractéristiques qui leur donnent leurs propriétés, à les nommer selon des règles simples, et à les identifier grâce à la spectroscopie infrarouge.

1. Les formules d'une molécule organique

1.1 Trois écritures pour une même molécule

Le carbone forme toujours quatre liaisons, l'hydrogène une, l'oxygène deux. Une molécule organique peut s'écrire de trois façons :

Dans une formule topologique, chaque sommet ou extrémité de la ligne représente un atome de carbone portant autant d'hydrogènes que nécessaire pour ses quatre liaisons ; seuls les atomes autres que C et H sont écrits.

1.2 Squelette carboné saturé

Un squelette est saturé lorsque tous les carbones sont reliés par des liaisons simples. Il peut être linéaire (chaîne sans branche) ou ramifié (une ou plusieurs branches). Les alcanes sont les hydrocarbures saturés, de formule brute $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$ pour une chaîne ouverte.

Une branche formée d'un carbone s'appelle méthyl, de deux carbones éthyl. Deux molécules de même formule brute mais d'enchaînements différents (butane et méthylpropane, $\text{C}_4\text{H}_{10}$) sont des isomères : ce sont des espèces différentes, aux propriétés différentes.

2. Groupes caractéristiques et familles

Un groupe caractéristique est un groupe d'atomes, contenant ici de l'oxygène, greffé sur le squelette carboné ; il définit la famille de la molécule et lui confère ses propriétés chimiques.

Attention aux confusions. Un carbone portant à la fois $=\text{O}$ et $-\text{OH}$ est un groupe carboxyle (acide), pas un alcool ni une cétone. Le groupe $-\text{CHO}$ s'écrit avec le H après le C ; $\text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3$ est une cétone car le C=O est encadré par deux carbones.

3. Nommer une molécule

3.1 Les règles

Pour une molécule ne comportant qu'un seul groupe caractéristique :

1. Repérer la chaîne carbonée la plus longue qui contient le carbone du groupe caractéristique : elle donne le préfixe (méth-, éth-, prop-, but-, pent-, hex-).
2. Numéroter la chaîne à partir de l'extrémité qui donne le plus petit numéro au carbone du groupe caractéristique (et, à défaut, aux ramifications).
3. Nommer les ramifications (méthyl, éthyl) précédées de leur numéro, dans l'ordre alphabétique ; préfixes di-, tri- si elles sont plusieurs.
4. Ajouter le suffixe de la famille, avec le numéro du carbone porteur si nécessaire : -ol et -one ont besoin d'un numéro (sauf si la chaîne l'impose), -al et -oïque n'en ont pas (le groupe est en position $1$).

3.2 Exemples

Dans l'autre sens, le nom donne la formule : « 3-méthylbutan-2-one » signifie chaîne de $4$ carbones (but-), cétone sur le carbone $2$ (-2-one), groupe méthyl sur le carbone $3$ : $\text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3$.

4. Identifier les groupes par spectroscopie infrarouge

4.1 Principe

Une molécule absorbe certaines radiations infrarouges : chaque liaison vibre à une fréquence qui lui est propre et absorbe la radiation correspondante. Le spectre infrarouge représente la transmittance $T$ (en $\%$, fraction de lumière transmise) en fonction du nombre d'onde $\sigma$ (en cm⁻¹, proportionnel à la fréquence), l'axe des nombres d'onde étant décroissant de gauche à droite. Une bande d'absorption est un creux vers le bas.

4.2 Bandes de référence

La zone en dessous de $1\,500$ cm⁻¹, appelée empreinte digitale, est complexe et propre à chaque molécule ; on ne l'exploite pas pour identifier les groupes.

Méthode de lecture. Chercher d'abord une bande C=O vers $1\,700$ cm⁻¹ ; puis une bande O–H : large entre $3\,200$ et $3\,700$ (alcool) ou très large et déformée entre $2\,500$ et $3\,200$ (acide). C=O sans O–H : aldéhyde ou cétone. O–H sans C=O : alcool. C=O et O–H très large : acide carboxylique.

5. Exemple résolu pas à pas

Énoncé. Une molécule a pour formule semi-développée $\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CHO}$. Son spectre infrarouge présente une bande forte et fine à $1\,730$ cm⁻¹ et des bandes vers $2\,900$ cm⁻¹, mais aucune bande large entre $3\,200$ et $3\,700$ cm⁻¹.

a) Donner sa formule brute et sa formule topologique. b) Identifier le groupe caractéristique et la famille. c) Nommer la molécule. d) Le spectre est-il cohérent avec cette structure ?

Résolution.

a) Compter : $5$ carbones, $10$ hydrogènes ($3 + 1 + 3 + 2 + 1$), $1$ oxygène : $\text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}$. Formule topologique : ligne brisée de quatre sommets (chaîne principale) avec une branche sur le deuxième carbone en partant de la gauche et un $=\text{O}$ à l'extrémité droite.

b) Le groupe $-\text{CHO}$ (C=O portant un H, en bout de chaîne) est un groupe carbonyle d'aldéhyde : famille des aldéhydes.

c) La chaîne la plus longue contenant le carbone du groupe a $4$ carbones : but-. On numérote à partir du $-\text{CHO}$ (carbone $1$) : la ramification méthyl est sur le carbone $3$. Nom : 3-méthylbutanal.

d) Bande forte et fine à $1\,730$ cm⁻¹ : liaison C=O, présente dans un aldéhyde. Absence de bande O–H : ce n'est ni un alcool ni un acide. Bandes C–H vers $2\,900$ cm⁻¹ : squelette carboné. Le spectre est cohérent avec un aldéhyde.

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🎯 Rédiger. Pour nommer : chaîne principale, numérotation (plus petit numéro au groupe), ramifications, suffixe. Pour un spectre IR : citer la bande (nombre d'onde, allure), la liaison correspondante, puis conclure sur la famille en s'appuyant sur la présence et l'absence de bandes.

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📌 À retenir

1. Formules brute, semi-développée, topologique (un carbone par sommet, H sous-entendus).
2. Squelette saturé : liaisons simples ; alcanes $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$, chaînes linéaires ou ramifiées (méthyl, éthyl) ; isomères.
3. Groupes caractéristiques : hydroxyle $-\text{OH}$ (alcool, -ol), carbonyle $-\text{CHO}$ (aldéhyde, -al) ou $-\text{CO}-$ (cétone, -one), carboxyle $-\text{COOH}$ (acide … -oïque).
4. Nomenclature : chaîne la plus longue, plus petit numéro au groupe, ramifications avec numéros, suffixe.
5. Spectre IR : transmittance en fonction du nombre d'onde ; O–H alcool large ($3\,200$ à $3\,700$), O–H acide très large ($2\,500$ à $3\,200$), C=O fine ($1\,650$ à $1\,750$), C–H ($2\,800$ à $3\,000$).