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Les différentes représentations des molécules et leur nomenclature

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Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Introduction

En 2016, la sonde Rosetta a détecté la présence de molécules organiques s’évaporant de la comète Tchourioumov-Guérassimenko, ou « Tchouri ».

On appelle molécules organiques les molécules contenant du carbone, de l’hydrogène, et d’autres éléments comme l’oxygène ou l’azote. Ce nom vient du fait que les espèces vivantes terrestres sont principalement constituées de telles molécules. La recherche de traces de vie, même unicellulaire, sur d’autres planètes, ou de l’origine de la vie sur Terre, se traduit donc par la détection et l’identification de molécules organiques dans l’atmosphère de ces planètes, ou dans la glace des comètes.
Diverses méthodes expérimentales sont à l’œuvre, souvent spectroscopiques.

Ce chapitre présente les différentes représentations des molécules organiques et la nomenclature associée, afin d’en présenter quelques classes.
La méthode d’identification de molécules organiques par spectroscopie infrarouge est aussi présentée.

Présentation des différentes représentations

Il existe plusieurs manières de représenter une molécule. Certaines permettent de mettre en évidence les fonctions caractéristiques ou la configuration géométrique.
Pour une composition donnée, plusieurs dispositions sont possibles, correspondant à des molécules différentes, ayant des propriétés différentes.

La formule brute

Prenons l’exemple d’une molécule organique, l’acide acétique (ou acide éthanoïque).

  • Sa formule brute s’écrit : C2H4O2\text{C}{2}\text{H}{4}\text{O}_{2}.

Cette écriture ne permet pas d’identifier cette molécule comme étant un acide et ne donne aucune information sur sa géométrie.

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Définition

Formule brute :

La formule brute d’une molécule donne le nombre d’atomes de chaque élément présent dans cette molécule.

Les formules développée et semi-développée

Voici trois représentations de l’acide acétique :

  • la formule développée,
  • la représentation de Cram (une variante),
  • la formule semi-développée.

Img-01 Acide acétique

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Définition

Formule développée et semi-développée :

  • La formule développée montre tous les atomes et toutes les liaisons covalentes, ainsi que leur multiplicité, de la molécule.
  • La formule semi-développée omet toutes les liaisons simples avec l’hydrogène, en indiquant combien d’atomes d’hydrogène sont liés.

La formule développée est très proche de la représentation de Lewis, mais ne montre pas les doublets non liants.

Les liaisons CH\text{C}-\text{H} et OH\text{O}-\text{H} n’apparaissent pas dans la formule semi-développée, ce qui permet de gagner de la place.

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À retenir

La représentation de Cram est une variante permettant de préciser les orientations des liaisons qui ne sont pas comprises dans le plan de la feuille ou de l’écran.

  • Un triangle plein représente une liaison orientée « vers le lecteur ».
  • Des pointillés représentent une liaison orientée de l’autre côté.
  • Cette représentation est utile pour différencier des configurations symétriques l’une de l’autre par effet miroir. De tels cas de figure seront étudiés dans des cours ultérieurs.

La formule topologique

Voici la formule topologique de l’acide acétique.

Img-02 Acide acétique : formule topologique

  • Les atomes de carbone n’y sont pas indiqués par leur symbole, seulement par leur position à l’intersection des liaisons covalentes avec d’autres atomes.
  • Les liaisons CH\text{C}-\text{H} sont aussi omises.
  • Cette notation légère est pratique pour représenter de grandes molécules organiques, comme par exemple le bêta-carotène ci-dessous :

Img-03 Bêta-carotène : formule topologique

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Définition

Formule topologique :

La formule topologique d’une molécule fait apparaître les liaisons covalentes, sauf les liaisons CH\text{C}-\text{H}.
Les symboles chimiques des atomes de carbone, et des atomes d’hydrogène liés à des atomes de carbone, sont omis.

Groupes caractéristiques et nomenclature

Les molécules organiques sont principalement constituées de carbone et d’hydrogène. La présence d’autres éléments influe sur les propriétés d’une molécule et constitue un groupe caractéristique.
Quelques groupes caractéristiques sont présentés ici, ainsi que les règles de nomenclature associées.

Règles générales de nomenclature

Quelques règles sont à respecter en nomenclature.

  • Il convient d’abord de chercher les groupes fonctionnels.

Ces groupes fonctionnels seront définis plus bas.
En présence d’un groupe fonctionnel, les atomes de carbone sont « numérotés », et celui qui porte le groupe a le numéro 11.

  • Une étape additionnelle est de vérifier si la chaîne carbonée est unique et linéaire, ou ramifiée.

Par exemple, l’acide acétique vu précédemment présente une chaîne linéaire, alors que le bêta-carotène montre des ramifications.

  • En cas de ramifications, repérer la chaîne carbonée la plus longue, qui donne son nom à la molécule.

Les ramifications sont considérées comme des « additions », dont la position est repérée en fonction de la place du groupe fonctionnel.

La chaîne carbonée

Les molécules organiques les plus simples sont les hydrocarbures.

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Définition

Hydrocarbures :

Les molécules ne comportant que les éléments carbone et hydrogène sont des hydrocarbures.

  • Un alcane est un hydrocarbure ne présentant aucune liaison multiple.
  • Un alcène est un hydrocarbure présentant au moins une liaison double.
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À retenir

Un alcane linéaire, c’est-à-dire sans ramifications, comprenant nn atomes de carbone a pour formule brute : CnH2n+2\text{C}{n}\text{H}{2n+2}.

Les règles de nomenclature des alcènes feront l’objet d’un cours ultérieur.

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À retenir

Le nom d’un alcane linéaire se termine par le suffixe « -ane » et précise le nombre d’atomes de carbone qu’il comprend. En présence de ramifications, c’est le nombre d’atomes de carbone de la chaîne la plus longue.

Voici les noms des alcanes linéaires, par ordre croissant du nombre de carbone contenus (de 11 à 88) : méthane, éthane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane.

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Exemple

Le tableau ci-dessous montre les formules topologiques de quelques alcanes et leurs noms.

  • Dans le deuxième exemple, l’atome de carbone supplémentaire constitue un groupe méthyle. Ce nom est dérivé de celui du méthane CH4\text{CH}_{4}. En l’absence de groupe fonctionnel, le numéro du carbone portant ce groupe méthyle est choisi pour être le plus petit possible, soit ici 22 (et pas 44).
  • Dans le troisième exemple, le préfixe « cyclo- » signifie que la chaîne carbonée est fermée.

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Les groupes fonctionnels

La présence d’un groupe fonctionnel signifie que les propriétés physico-chimiques d’une molécule organique sont différentes de celles de l’hydrocarbure comprenant le même nombre d’atomes de carbone. Or, on a vu que la présence d’éléments électronégatifs comme l’oxygène ou l’azote faisait apparaître des liaisons polarisées.

  • Ceci influe sur les interactions de cette molécule avec d’autres, et donc sur sa solubilité, ses températures de changement d’état.
  • Cela a aussi une influence sur les réactions chimiques impliquant cette molécule.
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Définition

Groupe fonctionnel :

La présence d’un élément autre que le carbone ou l’hydrogène constitue un groupe fonctionnel. Chaque groupe fonctionnel définit une classe de molécules.

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À retenir

Les groupes fonctionnels suivants contiennent un atome d’oxygène ou deux :

  • le groupe hydroxyle de la classe des alcools ;
  • le groupe carbonyle commun aux classes des aldéhydes et des cétones ;
  • le groupe carboxyle des acides carboxyliques.

Le tableau suivant présente les configurations des groupes caractéristiques de ces classes de molécules.
Dans la présentation des groupes, la lettre RR ou RR^\prime représente un radical, c’est-à-dire une chaîne carbonée. Dans le cas des aldéhydes, le radical RR^\prime se limite à un atome d’hydrogène : le groupe carbonyle apparaît donc « en bout de chaîne ».
Des exemples sont présentés ainsi que leurs noms.

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À retenir

  • Le nom d’un alcool prend le suffixe « -ol ».
  • Le nom d’une cétone prend le suffixe « -one ».
  • Le nom d’un aldéhyde prend le suffixe « -al ».
  • Un acide est désigné par le nom « acide » et un adjectif décrivant sa structure portant le suffixe « -oïque ».

Identification par spectroscopie infrarouge

Des spectres d’absorption UV-visible de certaines substances, et la méthode de mesure associée, ont été présentés dans un chapitre précédent. Les molécules absorbent également le rayonnement infrarouge.

  • L’analyse du spectre infrarouge d’une molécule, en plus d’au moins un autre élément comme la formule brute du composé, permet de reconstituer sa structure, voire de l’identifier.

Principe de la spectrométrie infrarouge

Une molécule ou un atome peut absorber de l’énergie sous forme de rayonnement seulement si la longueur d’onde de ce rayonnement correspond à la transition entre deux « états » permis.

  • Dans le domaine UV-visible, les raies d’absorption d’un atome ou d’une molécule correspondent aux écarts entre niveaux d’énergie accessibles à ses électrons de valence.
  • Dans le domaine infrarouge, une molécule présente des bandes d’absorption correspondant aux écarts entre des niveaux d’énergie dits vibrationnels.
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À retenir

Les raies d’absorption infrarouge d’une molécule sont caractéristiques des liaisons covalentes qu’elle présente.

Un schéma de principe du spectromètre infrarouge est présenté ci-dessous.

  • La substance étudiée peut être introduite sous forme gazeuse (dans une ampoule adaptée), liquide, ou solide (broyée et en couche mince entre deux plaques).
  • La référence est soit le solvant (si la substance étudiée a été diluée pour la mesure), soit une substance dont le spectre sert à étalonner de l’appareil.
  • Le spectromètre balaie les longueurs d’onde allant de 2,52,5 à 16 μm16\ \mu \text{m}.

Img-06 Spectromètre infrarouge

Interprétation d’un spectre infrarouge

Pour étudier un spectre infrarouge, nous allons ici utiliser, plutôt que la longueur d’onde, le nombre d’onde.

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Définition

Nombre d’onde :

Le nombre d’onde σ\sigma est l’inverse de la longueur d’onde :

σ=1λ\sigma=\dfrac{1}{\lambda}

De la même manière que la longueur d’onde est aussi appelée période spatiale, le nombre d’onde peut être aussi appelé fréquence spatiale.

Le domaine représenté dans un spectre infrarouge va de 900900 à 4000 cm14\,000\ \text{cm}^{-1}.

La partie du spectre aux nombres d’onde inférieurs à 1500 cm11\,500\ \text{cm}^{-1} est appelée empreinte de la molécule. Il s’agit des bandes d’absorption des liaisons covalentes simples de la chaîne carbonée.
Celles-ci forment un motif complexe, généralement comparées directement à des spectres de référence.

La partie du spectre aux nombres d’onde supérieurs à 1500 cm11\,500\ \text{cm}^{-1} présente moins de bandes d’absorption.

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À retenir

Un spectre infrarouge présente la transmittance de la substance étudiée en fonction du nombre d’onde σ\sigma, indiqué en cm1\text{cm}^{-1}.

  • La partie du spectre aux nombres d’onde supérieurs à 1500 cm11\,500\ \text{cm}^{-1} présente les bandes d’absorption caractéristiques des liaisons autres que CC\text{C}-\text{C}.
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Exemple

Les deux figures ci-dessous présentent le spectre d’absorption du butanol, en phase gazeuse (à gauche) et en phase liquide (à droite).

Img-07 Spectres d’absorption du butanol en phase gazeuse (à gauche), en phase liquide (à droite)

  • La raie fine et marquée vers 3000 cm13\,000\ \text{cm}^{-1}, présente sur les deux spectres, est caractéristique de la liaison O-H.
  • La substance liquide présente une raie large entre 30003\,000 et 3700 cm13\,700\ \text{cm}^{-1}, due aux ponts hydrogène entre molécules d’alcool.
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Exemple

Le tableau ci-dessous présente les bandes d’absorption dues aux groupes fonctionnels étudiés dans ce chapitre, ainsi que leur position typique, leur largeur et leur intensité.

Type de liaison σ (cm1)\sigma\ (\text{cm}^{-1}) Largeur Intensité
OH\text{O}-\text{H} hydroxyle (gaz) 35903\,590-36503\,650 fine moyenne
OH\text{O}-\text{H} hydroxyle (liq.) 32003\,200-34003\,400 large forte
CH\text{C}-\text{H} 29002\,900-31003\,100 bandes multiples moyenne à forte
OH\text{O}-\text{H} carboxyle 25002\,500-32003\,200 large moyenne à forte
C=O\text{C}=\text{O} carbonyle 17001\,700-17251\,725 fine forte
C=O\text{C}=\text{O} carboxyle 17001\,700-17251\,725 fine forte
empreinte <1500< 1\,500

Conclusion

Une molécule organique peut être représentée de différentes manières. La formule brute indique la composition d’une molécule, mais pas sa structure. La formule développée fait apparaître tous les atomes et les liaisons covalentes. Les liaisons CH\text{C}-\text{H} sont omises dans la formule semi-développée. La formule topologique omet les atomes de carbone et les atomes d’hydrogène qui leur sont liés.

Un hydrocarbure ne contient que des atomes de carbone et d’hydrogène. En particulier, un alcane est un hydrocarbure ne présentant aucune liaison multiple. La présence d’autres atomes constitue un groupe fonctionnel. Chaque groupe fonctionnel, ou caractéristique, définit une classe de molécules. Les molécules des classes suivantes contiennent des atomes d’oxygène : alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique.

La dénomination d’un composé organique permet d’identifier son ou ses groupes fonctionnels, ainsi que la longueur et les ramifications éventuelles de sa chaîne carbonée.

Le spectre d’absorption infrarouge d’une molécule organique est caractéristique des liaisons covalentes qu’elle contient, donc de sa structure. L’analyse de ce spectre, en plus de la formule brute de la molécule, permet de reconstituer sa structure, voire de l’identifier.