La représentation des espèces organiques
Une molécule peut être représentée par plusieurs types de formules : la formule brute, la formule développée et la formule semi-développée.
La formule brute
La formule brute renseigne sur les différents atomes composant l'entité chimique et leur nombre.
Formule brute
La formule brute d'une molécule indique la nature et le nombre des atomes qui la composent.
La formule brute de la molécule d'éthanol est \ce{C2H6O}, ce qui signifie que cette molécule est composée de 2 atomes de carbone, de 6 atomes d'hydrogène et de 1 atome d'oxygène.
La formule développée
La formule développée permet de représenter l'entité chimique avec l'ensemble de ses liaisons.
Formule développée
La formule développée d'une molécule représente toutes les liaisons entre les atomes qui la composent. Elle peut s'obtenir à partir du schéma de Lewis de la molécule ou de son modèle moléculaire.
Formule développée
La formule développée de la molécule d'éthanol est en accord avec son schéma de Lewis et son modèle moléculaire.
Formule développée et schéma de Lewis de la molécule d'éthanol
La formule semi-développée
La formule semi-développée permet de représenter une entité chimique sans mettre en évidence les liaisons carbone-hydrogène.
Formule semi-développée
Dans la formule semi-développée d'une molécule, les liaisons concernant les atomes d'hydrogène ne sont pas représentées. On écrit seulement leur nombre après le symbole de chaque atome qui les porte.
La formule semi-développée de la molécule d'éthanol est :
\ce{CH3-CH2-OH}
La structure et la nomenclature des espèces organiques
La nomenclature des espèces organique est liée à leur structure. Les espèces organiques, hormis les alcanes, sont constituées d'un squelette carboné et d'un ou plusieurs groupes fonctionnels.
Nomenclature chimique
La nomenclature chimique permet de nommer une entité chimique et de déduire sa structure à partir de son nom.
Le squelette carboné et sa nomenclature
Le squelette carboné est un enchaînement d'atomes de carbones dont le nombre et les ramifications permettent de nommer l'entité chimique.
Généralités sur le squelette carboné
Toutes les molécules organiques contiennent un squelette carboné qu'il soit linéaire, cyclique ou ramifié.
Squelette ou chaîne carbonée
Le squelette ou chaîne carbonée est l'enchaînement d'atomes de carbone qui est présent dans toutes les molécules organiques.
Modèle moléculaire présentant une chaîne linéaire carbonée
Le squelette carboné d'une molécule organique peut être linéaire, cyclique ou ramifié.
Modèle moléculaire présentant une chaîne ramifiée
Pour donner une idée de la géométrie d'une molécule, les squelettes carbonés sont souvent représentés en ligne brisée (ou en « zig-zag »), ce qui se justifie car les 4 liaisons autour d'un atome de carbone s'inscrivent dans un tétraèdre. Cette représentation permet d'assurer une cohérence avec la représentation de Lewis de la molécule.
La nomenclature des chaînes carbonées
Le nom d'une molécule dépend de son squelette carboné.
Le squelette carboné d'une molécule organique constitue sa « chaîne principale ». Dans le cas où la molécule ne porte pas de groupes caractéristiques, elle est composée uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène et appartient à la famille des alcanes. Son nom est alors composé :
- d'un préfixe, lié au nombre d'atomes de carbone dans la chaîne principale ;
- du suffixe -ane.
| Nombre de carbones formant la chaîne principale | Préfixe |
| 1 | méth- |
| 2 | éth- |
| 3 | prop- |
| 4 | but- |
| 5 | pent- |
| 6 | hex- |
| 7 | hept- |
| 8 | oct- |
| 9 | non- |
| 10 | déc- |
On considère la molécule dont la formule semi-développée s'écrit \ce{CH3-CH2}\ce{-CH2-CH3}. Son nom est butane, car sa chaîne principale est composée de 4 atome de carbone.
Les ramifications que peut porter la chaîne principale sont des chaînes carbonées appelées groupes alkyles. Elles peuvent établir une liaison avec la chaîne principale car il leur manque un atome d'hydrogène. Le nom de ces ramifications est composé :
- d'un préfixe, lié au nombre d'atomes de carbone composant ce groupe (les mêmes que pour la chaîne principale) ;
- du suffixe -yle.
Les deux ramifications les plus courantes sont :
- le groupe méthyle –\ce{CH3}, composé d'un seul atome de carbone ;
- le groupe éthyle –\ce{C2H5} (ou –\ce{CH2–CH3}), composé de deux atomes de carbone.
Le nom d'un alcane portant des ramifications s'obtient en indiquant :
- les noms des ramifications, placés dans l'ordre alphabétique et précédés d'un indice donnant le numéro de l'atome de carbone porteur de la ramification en question (qui doit être le plus petit possible) ;
- le nom de la chaîne principale.
Le nom d'une molécule ne peut pas contenir d'espaces, donc les chiffres et les termes sont séparés par des tirets.
On considère la molécule dont la formule semi-développée s'écrit :
Son nom est 2-méthylpentane car :
- la chaîne principale est composée de 5 atomes de carbone ;
- le carbone n° 2 porte une ramification méthyle, le sens de numérotation ayant été choisi pour que son numéro soit le plus petit possible.
L'indice de ramification (= le numéro du carbone portant la ramification) peut ne pas être indiqué s'il est évident.
Le nom de la molécule suivante est méthylpropane.
L'atome de carbone portant la ramification méthyle ne peut être que le n° 2 (si la ramification était sur le n° 1 ou le n° 3, ce serait un allongement de la chaîne principale et non plus une ramification), c'est pourquoi il n'est pas renseigné.
Les groupes caractéristiques et la nomenclature des familles fonctionnelles
Les groupes caractéristiques correspondent à un ou plusieurs atomes ayant des propriétés spécifiques. Ils permettent de nommer et de regrouper des entités en familles fonctionnelles.
Groupe caractéristique
Un groupe caractéristique est un groupe d'atomes qui confère des propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent. Chaque groupe caractéristique définit alors une fonction chimique, et les molécules ayant les mêmes fonctions appartiennent à la même famille chimique.
Le nom d'une molécule portant un groupe caractéristique se construit à partir du nom de la chaîne principale en remplaçant le suffixe -ane par le suffixe caractéristique de la fonction, précédée éventuellement d'un indice indiquant l'atome de carbone portant le groupe caractéristique (le carbone fonctionnel). La chaîne principale doit toujours contenir le groupe fonctionnel et être la plus longue possible.
Le nom final d'une molécule se décompose donc en quatre parties :
L'identification des groupes par spectroscopie infrarouge
L'absorption d'un échantillon dans le domaine des infrarouges est due aux vibrations des liaisons des molécules qui le composent. L'analyse de cette absorption permet alors d'identifier les liaisons qui composent cette molécule.
Spectre d'absorption infrarouge
Le spectre d'absorption infrarouge (ou IR) est le graphique représentant la transmittance T (opposé du logarithme de l'absorbance A) en fonction du nombre d'onde \sigma, exprimé en cm-1 (inverse de la longueur d'onde \lambda).
Exemple de spectre d'absorption IR
Les spectres d'absorption IR présentent de nombreuses bandes d'absorption. Chaque bande correspond à l'absorption d'une radiation de nombre d'onde (et donc de longueur d'onde donnée) par une liaison chimique particulière.
Le tableau généralement donné dans les énoncés permet de déterminer le type de liaisons présent dans la molécule étudiée et souvent d'identifier un groupe fonctionnel.
| Liaison | Famille chimique | Nombre d'onde σ (cm-1) |
| \ce{C-H} | Alcane Alcène Aldéhyde | 2 800 – 3 000 et 1 350 -1 450 1 650 2 650 – 2 850 |
| \ce{C=C} | Alcène | 1 700 – 1 725 |
| \ce{C=O} | Aldéhyde Cétone Ester Acide carboxylique Amide | 1 725 – 1 750 1 700 – 1 725 1 730 – 1 750 1 740 – 1 800 1 600 – 1 700 |
| \ce{C-O} | Alcool Ester Acide carboxylique | 1 000 – 1 200 1 050 – 1 300 1 100 – 1 200 |
| \ce{C-N} | Amine | 1 000 – 1 200 |
| \ce{N-H} | Amine Amide | 1 550 – 1 650 3 300 – 3 500 |
| \ce{O-H} | Alcool | 3 200 – 3 500 (bande large) |
Une famille chimique peut être caractérisée par plusieurs nombres d'onde car une même liaison peut vibrer de diverses façons.
Exemple de spectre d'absorption IR
En considérant le spectre de l'éthanol ci-dessus, voici les principales bandes (et pics) d'absorption que l'on peut relever :
- une bande large à environ 3 400 cm-1 ;
- un pic à environ 3 000 cm-1 ;
- un pic à environ 1 000 cm-1.
En comparant ces bandes aux valeurs tabulées, on en déduit que :
- La bande à 3 400 cm-1 correspond à la liaison \ce{O-H} d'une fonction alcool.
- Le pic à 3 000 cm-1 correspond à une liaison \ce{C–H} d'un alcane.
- Le pic à 1 000 cm-1 pourrait correspondre à une liaison \ce{C-O} d'une fonction alcool.
Grâce au spectre, on a pu identifier clairement la fonction alcool de la molécule d'éthanol :
