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Composés organiques oxygénés

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Introduction :

Ce cours porte sur les composés organiques oxygénés.
Dans un premier temps, nous étudierons les composés carbonylés, puis nous aborderons les acides carboxyliques.

Les composés carbonylés

Définition

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Définition

Composés carbonylés :

Les composés carbonylés sont des molécules qui contiennent le groupe caractéristique carbonyle : C=O. Leur formule brute est $C_nH_{2n}O$.

Il existe deux familles de composés carbonylés : les aldéhydes et les cétones.

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Définition

Aldéhydes :

Les aldéhydes sont des molécules qui contiennent un groupe caractéristique carbonyle situé en bout de chaîne. Dans ce cas, au moins un atome d’hydrogène est directement lié au carbone du groupe carbonyle.

Aldéhyde Aldéhyde

Le méthanal et l’éthanal sont par exemple des aldéhydes :

Méthanal Méthanal

Éthanal Éthanal

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Définition

Cétones :

Les cétones sont des molécules qui contiennent un groupe caractéristique carbonyle situé dans la chaîne. Le carbone du groupe carbonyle n’est donc pas lié à un hydrogène.

Cétone Cétone

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Exemple

La propanone est par exemple une cétone :

Propanone Propanone

Nomenclature des aldéhydes et des cétones

Le nom d’un aldéhyde varie selon les critères suivants :

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À retenir

Le nom d’un aldéhyde s’obtient en remplaçant par la terminaison « al » le « e » final du nom de l’alcane correspondant, dont la chaîne principale est la chaîne la plus longue portant le groupe carbonyle.

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Exemple

L’éthane devient l’éthanal.

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À retenir

La chaîne principale est numérotée à partir de l’atome de carbone portant la fonction aldéhyde, même si cette numérotation ne permet pas d’attribuer le numéro le plus petit possible au premier atome de carbone portant une ramification.

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Exemple

Le 3,4-diméthylpentane :

3,4-diméthylpentane 3,4-diméthylpentane

Ici, la chaîne la plus longue contenant le groupe carbonyle comporte 5 atomes de carbone. L’alcane correspondant est donc le pentane.

Le groupement carbonyle porte le numéro 1. Deux groupements « méthyl- » ($CH_3$) sont greffés sur les atomes de carbone portant les numéros 3 et 4.

Le nom d’une cétone varie selon les critères suivants :

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À retenir

Le nom d’une cétone s’obtient en remplaçant par la terminaison « one » le « e » final du nom de l’alcane correspondant, dont la chaîne principale est la chaîne la plus longue portant le groupe carbonyle. La terminaison one est précédée du numéro indiquant la position du groupe carbonyle.

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Exemple

Le propane devient le propanone.

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À retenir

On numérote la chaîne principale de telle sorte que le numéro de l’atome de carbone portant la fonction cétone soit le plus petit possible, même si cette numérotation ne permet pas d’attribuer le numéro le plus petit possible au premier atome de carbone portant une ramification.

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Exemple

La 3,5-diméthylheptane-2-one :

3,5-diméthylheptane-2-one 3,5-diméthylheptane-2-one

La chaîne la plus longue contenant le groupe carbonyle comporte 7 atomes de carbone. L’alcane correspondant est donc l’heptane.

Le groupement carbonyle porte le numéro le plus petit possible donc le numéro 2. Deux groupements « méthyl- » ($CH_3$) sont greffés sur les atomes de carbone portant les numéros 3 et 5.

Formation par oxydation des alcools

Les composés carbonylés peuvent être formés par oxydation ménagée des alcools.

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À retenir

Les aldéhydes sont formés par oxydation des alcools primaires :

À un alcool primaire (c’est-à-dire une chaîne carbonée avec une fonction hydroxyle à son extrémité), on associe un oxydant. On obtient l’aldéhyde et le réducteur correspondant.

$R-CH_2-OH + \text{Oxydant}\rightarrow R-CHO + \text{Réducteur}$

Les oxydants couramment utilisés sont les ions permanganate $(MnO_{4^{-}})$ et les ions dichromate $(Cr_2O_{7^{2-}})$.

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Exemple

La réaction d’oxydation de l’éthanol par les ions permanganate forme de l’éthanal selon la réaction :

$5 C_2H_5OH + 2MnO^{-_{4}} + 6H^+\rightarrow 5 CH_3CHO + 2Mn^{2+} + 8H_2O$

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Exemple

Les cétones sont formées par oxydation des alcools secondaires selon la réaction :

Formation des cétones Formation des cétones

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Exemple

La réaction d’oxydation du propan-2-ol par les ions dichromate forme de la propanone selon la réaction :

Formation de la propane Formation de la propane

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À retenir

Il faut enfin noter que les alcools tertiaires ne s’oxydent pas. Puisque dans ce cas le carbone porteur de la fonction alcool (–OH) est déjà lié à 3 autres atomes de carbone, il ne pourra pas perdre un H pour former une double liaison avec l’oxygène.

Tests d’identification

Pour mettre en évidence les composés carbonylés on utilise des tests d’identification.

Ainsi, les composés carbonylés sont mis en évidence par un test à la 2,4-DNPH (2,4 dinitrophénylhydrazine), le test est positif si après chauffage on observe un précipité jaune ou orange :

Mise en évidence des composés carbonylés Mise en évidence des composés carbonylés

Les aldéhydes ont des tests spécifiques qui peuvent les différencier des cétones :

  • Le test à la liqueur de Fehling qui, s’il est positif, donne après chauffage un précipité rouge brique.

Test à la liqueur de Fehling Test à la liqueur de Fehling

  • Le test au réactif de Tollens (nitrate d’argent ammoniacal) qui, s’il est positif, donne après chauffage un dépôt métallique ou miroir d’argent.

Test au réactif de Tollens Test au réactif de Tollens

Réduction

Un composé résultant d’une oxydation peut se réduire.

Ainsi, les aldéhydes peuvent être réduits en alcool primaire selon une réaction de réduction, réaction inverse de celle d’oxydation :

$R-CHO + \text{réducteur}\rightarrow R-CH_2-OH + \text{oxydant}$

Des métaux peuvent être utilisés comme réducteurs.

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Exemple

La réduction de l’éthanal par le nickel donne de l’éthanol :

$CH_3CHO + Ni + 2H^+\rightarrow CH_3-CH_2-OH + Ni_{2+}$

Les cétones peuvent être réduites en alcool secondaire selon la réaction inverse de celle d’oxydation :

Réduction des cétones en alcool secondaire Réduction des cétones en alcool secondaire

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Exemple

La réduction de la propanone par le Fe donne du propan-2-ol :

Réduction de la propanone Réduction de la propanone

Les acides carboxyliques

Définition

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Définition

Acides carboxyliques :

Les acides carboxyliques sont porteurs au bout de leur chaîne carbonée du groupe caractéristique carboxyle (–COOH).

Acides carboxyliques Acides carboxyliques

Leur formule brute est $C_nH_{2n+1}\text{COOH}$.

Par exemple l’acide éthanoïque contenu dans le vinaigre est un acide carboxylique :

Acide éthanoïque Acide éthanoïque

La nomenclature

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À retenir

Le nom d’un acide carboxylique s’obtient en remplaçant par la terminaison « oïque » le « e » final du nom de l’alcane correspondant, dont la chaîne principale est la chaîne la plus longue portant le groupe carboxyle, l’ensemble étant précédé du mot acide.

La chaîne principale est numérotée à partir de l’atome de carbone portant la fonction acide carboxylique, même si cette numérotation ne permet pas d’attribuer le numéro le plus petit possible au premier atome de carbone portant une ramification.

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Exemple

L’acide butanoïque (la chaîne carbonée la plus longue contenant le groupe carboxyle comporte 4 atomes de carbone).

Acide butanoïque Acide butanoïque

De même, l’acide 5-éthyl-4-méthyloctanoïque (la chaîne carbonée la plus longue contenant le groupe carboxyle comporte 8 atomes de carbone) :

Acide 5-éthyl-4-méthyloctanoïque Acide 5-éthyl-4-méthyloctanoïque

Voici les noms usuels des différents acides :

  • l’acide méthanoïque ($\text{HCOOH}$) est également appelé acide formique, et tire son nom de formica, la fourmi (en latin), qui sécrète cet acide en particulier dans sa salive ;
  • l’acide éthanoïque ($CH_3\text{COOH}$) est également appelé acide acétique. Il tire son nom de acetum, le vinaigre en latin, et il est est responsable de l’acidité du vinaigre ;
  • l’acide butanoïque ($C_3H_8\text{COOH}$) est également appelé acide butyrique. Il tire son nom de butyrum, le beurre en latin car on le trouve dans le beurre rance.

Formation par oxydation des alcools

Comme pour les composés carbonylés, les acides carboxyliques peuvent être formés par oxydation ménagée des alcools.

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À retenir

Les acides carboxyliques sont formés par oxydation des aldéhydes, eux-mêmes formés par oxydation des alcools primaires, si l’oxydant est en excès.

$\small{R-CH_2-OH +\text{oxydant}\rightarrow R-CHO + \text{oxydant} \rightarrow R-COOH + \text{réducteur}}$

Les oxydants couramment utilisés sont les ions permanganate ($MnO4-$) et les ions dichromate ($Cr_2O_{7^{2-}}$).

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Exemple

La réaction d’oxydation de l’éthanol par les ions dichromates dans les alcootests, forme de l’acide éthanoïque

$\small{3CH_3CH_2OH + 2Cr_2O_{7^{2-}} + 16H^+\rightarrow 3CH_3COOH + 4Cr^{3+}} + 11H_2O$

Propriétés

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Propriété

Comme leur nom l’indique, les acides carboxyliques sont acides, c'est-à-dire qu’en solution aqueuse ils réagissent avec l’eau pour former des ions oxoniums H3O+.

$\small{R-COOH_{(aq)} + H_2O_{(l)}\rightarrow R-COO^{-_{(aq)}} + H_3O^{+_{(aq)}}}$

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À retenir

Le pH des solutions d’acide carboxylique est inférieur à 7, on peut donc mettre en évidence les acides carboxyliques par une mesure du pH à l’aide de papier-pH, d’un pH-mètre ou d’un indicateur coloré.

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Propriété

Les acides carboxyliques peuvent donc établir des liaisons hydrogène avec l’eau et sont donc très solubles dans l’eau, cette solubilité diminue avec la longueur de la chaîne.

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Exemple

Prenons par exemple le vinaigre est une solution d’acide éthanoïque très soluble dans l’eau.

Réduction

Toutefois, un composé résultant d’une oxydation peut se réduire.

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Propriété

Les acides carboxyliques peuvent être réduits en aldéhyde puis en alcool primaire si le réducteur est en excès selon une réaction de réduction, inverse de celle d’oxydation:

$\scriptsize{R-COOH + \text{réducteur} \rightarrow R-CHO + \text{réducteur} \rightarrow R-CH_2-OH + \text{oxydant}}$

Les réducteurs utilisés sont des métaux.

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Exemple

Par exemple, l’acide éthanoïque se réduit en éthanal puis en éthanol :

$\scriptsize{CH_3-COOH + \text{réducteur}\rightarrow CH_3-CHO + \text{réducteur}\rightarrow CH_3-CH_2-OH + \text{oxydant}}$