Chimie organique en terminale

Formules et squelette carboné : lire une molécule

En chimie organique, on étudie des molécules construites autour d’atomes de carbone. Le squelette carboné est l’enchaînement de ces atomes de carbone : il peut être linéaire, ramifié ou cyclique. Les autres atomes (hydrogène, oxygène, azote) se fixent sur ce squelette.

Quatre écritures pour une même molécule

• La formule brute indique le nombre de chaque atome, par exemple C₂H₆O. Elle ne dit rien sur l’enchaînement des atomes.
• La formule développée représente tous les atomes et toutes les liaisons.
• La formule semi-développée ne dessine plus les liaisons avec l’hydrogène : on écrit CH₃-CH₂-OH. Le groupe caractéristique reste bien visible.
• La formule topologique est une ligne brisée : chaque sommet et chaque extrémité est un atome de carbone, et les atomes d’hydrogène portés par le carbone ne sont pas écrits. On garde en revanche les autres atomes, avec les hydrogènes qui leur sont liés (par exemple OH).

Une même formule brute peut correspondre à plusieurs molécules. L’éthanol CH₃CH₂OH et le méthoxyméthane CH₃OCH₃ ont la même formule brute C₂H₆O, mais des enchaînements différents : ce sont des isomères.

Pour un alcane non cyclique, la formule brute suit toujours la relation C_nH_2n+2. Pour n = 5, on obtient C₅H₁₂ : un bon moyen de vérifier un comptage d’hydrogènes.

Nomenclature : nommer la chaîne principale

Le nom d’une molécule organique se construit à partir du nombre d’atomes de carbone de la chaîne principale. Les préfixes à connaître sont méth- (1 carbone), éth- (2), prop- (3), but- (4), pent- (5) et hex- (6). Avec la terminaison -ane, on obtient les alcanes : méthane, éthane, propane, butane, pentane, hexane.

Chaîne principale et numérotation

Pour nommer une molécule ramifiée ou fonctionnalisée, on suit toujours le même ordre.

1. On repère le groupe caractéristique. La chaîne principale est la chaîne carbonée la plus longue qui le contient.
2. On numérote cette chaîne pour que le carbone du groupe caractéristique reçoive le plus petit numéro possible. Pour un aldéhyde ou un acide carboxylique, ce carbone est toujours le numéro 1.
3. On repère les ramifications (groupes méthyle, éthyle…), on note leur numéro et on les classe par ordre alphabétique.
4. On assemble : ramifications, préfixe de la chaîne, an, puis le suffixe de la famille avec sa position.

Prenons HO-CH₂-CH₂-CH(CH₃)-CH₃. La chaîne principale compte 4 carbones et contient le groupe hydroxyle. En numérotant depuis le côté de l’hydroxyle, il porte le numéro 1 et la ramification méthyle le numéro 3. Le nom est donc 3-méthylbutan-1-ol. Numéroter dans l’autre sens placerait l’hydroxyle en position 4 : cette numérotation est refusée.

Un ester se nomme en deux parties. La première vient de l’acide (acide éthanoïque devient « éthanoate »), la seconde du groupe alkyle de l’alcool (éthanol devient « éthyle »). On obtient « éthanoate d’éthyle ».

Groupes caractéristiques et familles

Un groupe caractéristique est un atome ou un groupe d’atomes qui détermine la famille de la molécule et ses propriétés chimiques. Le tableau associe chaque famille à son groupe, à sa marque dans le nom et à un exemple nommé.

Quelques repères aident à ne pas se tromper. Le groupe carbonyle C=O est commun aux aldéhydes et aux cétones : dans un aldéhyde, il est en bout de chaîne, avec un hydrogène ; dans une cétone, il est lié à deux atomes de carbone. Le carboxyle associe un carbonyle et un hydroxyle sur le même carbone. L’amine contient un atome d’azote sans groupe C=O voisin, alors que l’amide en possède un.

Ces groupes expliquent aussi des comportements acido-basiques. Un acide carboxylique cède un proton (couple RCOOH/RCOO^-) et une amine en capte un (couple RNH₃⁺/RNH₂). Pour revoir ces échanges de protons, la fiche sur les réactions acido-basiques complète utilement ce chapitre.

Réactions, mécanismes et rendement

Trois catégories de réactions

• Une substitution remplace un atome ou un groupe d’atomes par un autre : CH₃CH₂Br + HO^- donne CH₃CH₂OH + Br^-.
• Une addition ajoute des atomes sur une liaison double, qui devient simple : C₂H₄ + H₂O donne C₂H₅OH.
• Une élimination retire des atomes voisins et crée une liaison double : l’éthanol peut donner de l’éthène C₂H₄ et de l’eau.

Pour classer une réaction, comparez le réactif et le produit : un atome remplacé indique une substitution, une double liaison qui disparaît une addition, une double liaison qui apparaît une élimination.

Modification de chaîne ou de groupe

Une transformation peut changer la chaîne carbonée (allongement, raccourcissement, ramification, cyclisation) ou seulement le groupe caractéristique. Passer d’un alcool à un aldéhyde, ou d’un acide carboxylique à un ester, modifie le groupe sans toucher au squelette. Indiquez toujours ce qui change : la famille, le nombre de carbones, ou les deux.

Mécanisme réactionnel et flèches courbes

Un mécanisme décrit une réaction étape par étape, à l’échelle des électrons. Il repose sur deux types de sites. Un site donneur est riche en électrons : doublet non liant, liaison double, atome portant une charge partielle négative. Un site accepteur est pauvre en électrons : atome portant une charge partielle positive.

Le brome étant plus électronégatif que le carbone, le carbone de la liaison C-Br du bromoéthane porte une charge partielle positive : c’est un site accepteur. L’ion hydroxyde HO^- possède des doublets non liants : c’est un site donneur. Une première flèche courbe part d’un doublet de l’oxygène vers le carbone et crée la liaison C-O. Une seconde part de la liaison C-Br vers l’atome de brome, qui repart sous forme d’ion Br^-. Chaque flèche représente le déplacement d’un doublet : elle commence sur un doublet et finit là où il se retrouve.

Exemple traité pas à pas

On mélange 0,10 mol d’acide éthanoïque et 0,10 mol d’éthanol. Après transformation, on isole 5,9 g d’éthanoate d’éthyle. Données : M(C) = 12 g·mol^-1, M(H) = 1,0 g·mol^-1, M(O) = 16 g·mol^-1. Il faut écrire la réaction, la classer et calculer le rendement.

1. Équation : CH₃COOH + CH₃CH₂OH ⇌ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O.
2. Catégorie : le groupe hydroxyle de l’acide est remplacé par le groupe éthoxy, c’est une substitution. Le groupe carboxyle devient un groupe ester : il y a modification de groupe, la chaîne carbonée de l’acide est conservée.
3. Masse molaire de l’ester (formule brute C₄H₈O₂) : M = 4 × 12 + 8 × 1,0 + 2 × 16 = 48 + 8 + 32 = 88 g·mol^-1.
4. Quantité maximale : les coefficients sont égaux à 1 et les deux réactifs sont introduits à 0,10 mol, donc n_max = 0,10 mol. La masse maximale vaut m_max = 0,10 × 88 = 8,8 g.
5. Rendement : η = m_obtenue / m_max = 5,9 / 8,8 ≈ 0,67, soit 67 %.

Un rendement inférieur à 100 % se comprend ici : la transformation est limitée, et le mélange final contient encore des réactifs. La rapidité avec laquelle l’état final est atteint dépend de la température et de la présence d’un catalyseur, notions détaillées dans la fiche sur la cinétique et le suivi d’une transformation.

Méthode à appliquer le jour de l’évaluation

Face à un exercice de chimie organique, un ordre fixe évite les oublis. Vous pouvez refaire cette démarche sur un exemple de votre cahier, sans regarder la solution, puis vérifier chaque étape.

1. Identifiez le groupe caractéristique et la famille : entourez le groupe sur la formule semi-développée.
2. Comptez les carbones de la chaîne principale, puis numérotez-la en donnant le plus petit numéro au groupe caractéristique.
3. Écrivez le nom complet, en plaçant les ramifications par ordre alphabétique, et vérifiez la formule brute (C_nH_2n+2 pour un alcane).
4. Pour une réaction, comparez réactif et produit pour la classer : substitution, addition ou élimination. Précisez s’il s’agit d’une modification de chaîne ou de groupe.
5. Pour un mécanisme, repérez d’abord le site donneur et le site accepteur, puis tracez chaque flèche courbe depuis un doublet.
6. Pour un rendement, déterminez le réactif limitant, calculez la quantité maximale, puis divisez la quantité obtenue par ce maximum. Conservez les unités à chaque ligne.
7. Relisez : un nom doit pouvoir être redessiné, et un rendement doit rester compris entre 0 et 100 %.

Hugo Arbonnier