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Thème C : Constitution et cohésion de la matière

Chapitre O1 : Représentations planes - Nomenclature des composés

organiques

Objectifs : Représentation des molécules organiques

Groupes caractéristiques

Nomenclature : chaînes carbonées et classes fonctionnelles

Définitions des différents types d’isomérie

Application à la chimie du vivant

Le domaine de la chimie organique s’oppose au domaine de la chimie minérale (ou inorganique ou générale). Maintenant, la chimie organique se définit comme l’étude des composés à base de carbone autres que les oxydes, les cyanures, les carbonates et les carbures. Les molécules organiques sont constituées d’atomes d’hydrogènes H et de carbone C. Elles peuvent aussi comporter d’autres éléments appelées hétéroatomes, les plus courants étant l’oxygène O, l’azote N, le phosphore P et le soufre S.

Limonène amoxicilline Molécule naturelle – odeur agrume molécule de synthèse – propriétés antibiotiques

Plan du cours

I – Représentation plane des molécules

1) La formule brute

2) Représentations planes

II – Notion de groupe caractéristique et de classe fonctionnelle

III – Introduction à la nomenclature systématique en chimie organique

1) Nomenclature des hydrocarbures

2) Nomenclature des classes fonctionnelles

3) Composés polyfonctionnels

IV – Détermination de structures et isomérie de constitution

1) Détermination du nombre d’insaturations

2) Isomérie de constitution

V – Applications à la chimie du vivant (biochimie)

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I – Représentation plane des molécules organiques

1) La formule brute

➔ La formule brute d’une molécule permet de préciser le nombre et la nature des différents atomes qui la constituent.

Exemples : CxHyOz éthane : C2H6 méthanol : CH4O glucose : C6H12O6 limonène : C10H16 amoxicilline : C16H19N3O5S

Remarques :

• Une formule brute peut convenir à plusieurs molécules : par exemple C2H6O peut correspondre au méthoxyméthane et à l’éthanol ; elle n’indique pas la nature des groupes caractéristiques ni leur position.

• La formule brute d’une molécule peut être déterminée par analyse élémentaire, qui consiste à déterminer les proportions des différents éléments dans la molécule d’un corps compos pur, et par détermination de sa masse molaire moléculaire. (Avec un spectromètre de masse par exemple)

2) Les représentations planes

a) Formule de Lewis

La représentation de Lewis (ou formule de Lewis) d’une molécule sera présentée dans le cours de la structure des

molécules. La représentation de Lewis est valable pour les molécules organiques comme pour toutes les molécules.

b) Formule développée

➔ La formule développée représente tous les atomes, toutes les liaisons et les doublets non liants de la molécule. Elle

correspond finalement au schéma de Lewis

Elle est rarement utilisée, sauf si elle permet de faire une démonstration particulière.

Exemple : Acide éthanoïque glucose cation éthyle

c) Formule semi-développée

➔ La formule semi-développée est une simplification de la formule développée. Les liaisons associant les atomes

d’hydrogène au reste de la molécule X − H, où X est un atome quelconque (par exemple C – H, O – H, N – H) ne

sont plus représentées.

Exemple : éthanol 1,5-dichloro-3-thiapentane ion éthanoate

Remarque : Seul l’hydrogène du groupement aldéhyde sera représenté avec sa liaison.

➔ Certains groupes caractéristiques pourront être condensés (on parle dans ce cas de formule compacte)

- Groupe carboxyle : - COOH

- Groupe phényle : - Ph ou – C6H5

- Groupe carbonyle de la classe fonctionnelle aldéhyde : - CHO (et non COH !)

Exemple : glycine acide benzoïque galactose

BCPST 1 document de cours de chimie Lycée Prévert 2021-2022 d) Formule topologique

➔ La formule topologique est de loin le type de représentation le plus utilisé en chimie organique de part sa simplicité

d’écriture. Elle nécessite toutefois un entraînement afin de bien la maîtriser.

Les conventions sont les suivantes :

• les liaisons C − C sont représentées par des lignes brisées (la plupart du temps en « zig-zag »), éventuellement

multiples si la liaison est multiple ;

• les atomes de carbone ne sont plus représentés et chaque extrémité d’un segment représente un atome de carbone

• les atomes d’hydrogène liés à des atomes de carbone ne sont pas représentés et leur nombre est implicite.

Voici quelques exemples

Nom Méthoxyméthane Ethanol Acide éthanoïque Ethanal

Formule brute

Formule

développée

Formule semi-

développée

Formule

topologique

➔ Attention à ne pas oublier d’atomes d’hydrogène lors du passage de la représentation topologique à la représentation semi-développée, surtout lorsque la molécule possède des liaisons multiples.

➔ Une astuce : rappelez-vous que s’il n’y a pas de charge sur un atome de carbone, il participe forcément à 4 liaisons.

Application : donner la formule développée et semi-développée du limonène donnée en introduction

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II – Notion de groupes caractéristiques et de classe fonctionnelle

En chimie, les molécules organiques peuvent être considérées comme constituées d’un squelette hydrogéno-carboné

relativement non réactif et d’un ou plusieurs groupes caractéristiques, faisant intervenir des atomes autres que le

carbone et l’hydrogène (O, S, N, etc. appelés hétéroatomes).

• Molécules sans groupe caractéristique : hydrocarbures

Les molécules organiques qui ne comportent que des atomes de carbone et d’hydrogène sont appelées hydrocarbures.

Les alcanes (formule CnH2n+2) sont les hydrocarbures saturées.

Les alcènes, de formule brute CnH2n, présentent une liaison C=C et les alcynes, de formule brute CnH2n-2, une liaison

triple. Ce sont des hydrocarbures insaturés.

Caractéristique Nom de la classe de molécule Exemple

uniquement des liaisons simples ALCANE Propane

possèdent une ou plusieurs liaisons doubles ALCENE Propène

possèdent une ou plusieurs liaisons triples ALCYNE Propyne

• Groupes caractéristiques (ou groupe fonctionnel) et classe fonctionnelle :

Le groupe caractéristique est un atome, ou un groupe d’atomes, introduit sur une chaîne carbonée saturée, qui confère

des propriétés chimiques spécifiques à la molécule

Le carbone qui porte le groupe caractéristique est appelé carbone fonctionnel

Toutes les molécules possédant le même groupement fonctionnel appartiennent à la même classe fonctionnelle (ou

fonction chimique

• Valence d’une fonction

La valence d’une fonction correspond au nombre d’atomes d’hydrogènes remplacés par le ou les hétéroatome(s)

sur le carbone fonctionnel

Exemple : Le tableau ci-dessous regroupe les principales fonctions chimiques rencontrées en chimie organique en BCPST, sans que cette liste ne soit exhaustive

Fonctions monovalentes

alcool

Groupe hydroxyle

amine

Groupe amino

Halogénoalcane

groupe Halogéno (fluoro F, chloro

Cl, bromo Br et iodo I)

Etheroxyde

Groupe alcoxy

Thiol

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Fonctions divalentes

aldéhyde

Groupe carbonyle

cétone

Groupe carbonyle

Fonctions trivalentes

Acide

carboxylique

Groupe carboxyle

Anhydride

d’acide

ester

Nitrile

amide

Chlorure

d’acyle

hémiacétal

acétal

On peut enfin citer quelques groupes caractéristiques que nous rencontrerons en BCPST plus particulièrement :

• Anhydride phosphorique, que l’on retrouve notamment dans l’’adénosine triphosphate, ou ATP, qui est

un nucléotide formé à partir d'un nucléoside à un triphosphate

Application : Entourer et nommer les groupes caractéristiques de l’amoxicilline donnée en introduction

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III – Nomenclature en chimie organique

À la naissance de la chimie organique, le nombre de composés recensés était encore restreint. On leur donnait souvent

des noms rappelant leur origine (exemple : le menthol, extrait de l’essence de menthe). Puis, le nombre de composés

organiques augmentant très rapidement, il a fallu établir une nomenclature systématique (ou officielle), c’est-à-dire

fixer des règles assurant un langage commun à tous les chimistes.

Ces règles sont assurées par l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA), généralement désignée par

son terme anglais : International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC).

1) Nomenclature des hydrocarbures

a) Les alcanes (ou hydrocarbures saturés) :

➔ Formule générale des alcanes : CnH2n+2 suffixe : - ane

Les alcanes sont des hydrocarbures (molécules formées de C et H uniquement) saturés (chaque atome de carbone est

relié à quatre atomes).

➢ Alcanes linéaires : préfixe du radical + ane

Un alcane à chaîne linéaire est nommé en ajoutant le suffixe –ane au nom du radical correspondant au nombre d’atomes

de carbone de la molécule

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Préfixe alc méth éth prop but pent hex hept oct non déc

➢ Alcanes ramifiés ou substitués : substituant + alcane constituant la chaîne principale

Le nom d’un groupe substituant est obtenu en ajoutant le suffixe -yl au nom du radical correspondant à son nombre de

carbone : -alkylalcane

➢ Nomenclature des alcanes ramifiés.

Méthode :

1. la chaîne la plus longue, chaîne principale, donne le nom de l’alcane de base

2. on numérote la chaîne de façon à ce que l’indice noté i du C porteur du substituant soit minimal

3. on nomme le substituant selon son nombre d’atome de carbone

4. s’il y a plusieurs substituants on numérote la chaîne de manière à avoir l’indice du premier substituant rencontré

le plus bas. Pour des substituants identiques on utilise les préfixes di, tri, etc…

5. les substituants sont classées par ordre alphabétique du préfixe alkyl. De plus il faut mettre le numéro autant

de fois qu’on rencontre le groupe sur l’atome substitué ; deux chiffres sont alors séparés par une virgule

Exemples: 2-méthylbutane 3-éthyl-2,6-diméthylheptane

3-éthyl-4-méthylhexane

2,4,6-triméythyloctane

BCPST 1 document de cours de chimie Lycée Prévert 2021-2022 Si les ramifications sont elles-mêmes ramifiées, la nomenclature peut s’avérer plus complexe…..

➢ Appellations courantes de certains groupes à connaître : R représentant la chaîne principale

➢ Alcanes cycliques : il existe deux types de nomenclatures

▪ Soit le cycle est considéré comme la chaîne principale : préfixe cyclo + nom de l’alcane

Exemples :

▪ Soit le cycle est considéré comme un substituant de la chaîne principale : préfixe -cycloalkyl + nom de l’alcane

(le préfixe cycloalkyl dépend du nombre de carbone dans le cycle)

Exemples : 2-cyclohexylpentane

b) Les alcènes

➔ Formule générale des alcènes : CnH2n suffixe : - ène

groupe fonctionnel : C=C

Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés (présence de une ou plusieurs liaisons multiples).

Nomenclature : préfixe du radical-i-ène

Méthode

▪ On choisit la chaîne la plus longue comportant la double liaison.

▪ On la numérote de manière à ce que le premier carbone rencontré lié à une double liaison ait l’indice le plus

petit.

▪ La terminaison –ane est remplacée par –ène.

▪ Si l’alcène est ramifié, le principe énoncé pour les alcanes s’applique.

Exemples: Pent-2-ène cyclopentène

Hex-1,3-diène 2-éthyl-3-méthyllpentène

➔ Un cycle particulier : le benzène

1-éthyl-1,3-diméthylcyclopentane

Nomenclature Pour les molécules

comportant ce cycle, on peut

considérer que le groupe aromatique

est un substituant de la chaîne

principale : préfixe phényl + nom de

l’alcane constituant la chaîne principale

BCPST 1 document de cours de chimie Lycée Prévert 2021-2022 c) Les alcynes

➔ Formule générale des alcynes : CnH2n-2 suffixe : - yne

groupe fonctionnel : C≡ C

Les alcynes sont aussi des hydrocarbures insaturés.

Nomenclature : préfixe du radical-i-yne

Méthode

▪ On choisit la chaîne la plus longue comportant la triple liaison

▪ on la numérote de manière à obtenir l’indice le plus petit pour le carbone porteur de la triple liaison

▪ la terminaison –ane est remplacée par –yne.

▪ Si l’alcyne est ramifié, le principe énoncé pour les alcanes s’appliquent.

Exemples:

But-2-yne 3-méthylnut-1-yne

Remarque : Des lettres sont souvent utilisées pour alléger les écritures des formules topologiques des molécules.

Application : Représenter les molécules suivantes

• nommer la molécule suivante

• dessiner la molécule d’éthylpentane. Le nom de 3-éthylpentane est-il correct ?

• Dessiner la molécule 3-méthylhexane

• Dessiner la molécule 5-isopropyldécane

• nommer la molécule suivante : CH3 − CH2 – Ph

• nommer la molécule suivante

• dessiner la molécule de 5,5-diéthyl-2,4,6,8-tétraméthylnonane.

CH3 CH

CH3

CH

CH2

CH2 CH

CH3

CH3

CH3

12

34

5

6CH3 CH

CH3

CH

CH2

CH2 CH

CH3

CH3

CH3

1

2

3 4

5 6

3-éthyl-2,5-diméthylhexane 4-éthyl-2,5-diméthylhexane

Et nonCH3 CH

CH3

CH

CH2

CH2 CH

CH3

CH3

CH3

12

34

5

6CH3 CH

CH3

CH

CH2

CH2 CH

CH3

CH3

CH3

1

2

3 4

5 6

3-éthyl-2,5-diméthylhexane 4-éthyl-2,5-diméthylhexane

Et non

BCPST 1 document de cours de chimie Lycée Prévert 2021-2022 2) Nomenclature des différentes classes fonctionnelles

➔ Nomenclature :

▪ On identifie le groupe caractéristique et la classe fonctionnelle de la molécule

▪ On choisit la chaîne la plus longue contenant le carbone fonctionnel

▪ On numérote la chaîne tel que le C fonctionnel ait le plus petit numéro

▪ Selon la fonction on ajoute un préfixe ou un suffixe

Quelques exemples

Classe fonctionnelle Préfixe ou

suffixe

Formule

générale Nom général Exemples

halogénoalcane

- halogéno

(-fluoro,

-chloro,

…)

R – X i- halogénoalcane

alcool - ol R - OH alcan-i-ol

Thiol - R - SH i-alcanthiol

2-propanthiol

étheroxyde - alcoxy R – O – R’ i-alcoxyalcane

nitrile - nitrile R– Alcanenitrile

amine - amine

R – NH2 ou

R – NH – R’

alcan-i-amine

N-méthylpropan-1-amine

aldéhyde - al R - CHO alcanal

cétone - one R – CO – R’ alcan-i-one

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3) Nomenclature des composés polyfonctionnels

Les composés organiques possèdent souvent plusieurs groupements fonctionnels.

Il faut donc savoir quelles sont les fonctions prioritaires pour la nomenclature.

➔ Nomenclature :

▪ On choisit la chaîne la plus longue correspondant à la fonction principale (celle qui a la plus forte valence,

c’est-à-dire celle où l’on a remplacé le plus d’hydrogène sur le carbone fonctionnel)

▪ on numérote de telle sorte que la fonction principale ait le plus petit indice

▪ les autres fonctions sont nommées comme substituants par un préfixe dans l’ordre alphabétique.

➔ Préfixes courants à connaître :

- X : halogéno

- OH : hydroxy

- NH2 : amino

- C = O : oxo

Exemples : acide 4-méthyl,3-oxopentanoïque Acide 4-éthyl,3-hydroxypent-4-enoique

Fonction principale

Acide carboxylique Acide

…oique R - COOH acide alcanoïque

Ester

- oate d’alkyl R – COO – R’ alcanoate

d’alkyle

Chlorure d’acide

- oyle R – CO – Cl Chlorure d’…-oyle

amide

- amide

R – CO –

NH2 alcanamide

R – CO – NH –

R’ N- alkylalcanamide

N,N-éthylméthyléthan amide

Chlorure de prapnoyle

BCPST 1 document de cours de chimie Lycée Prévert 2021-2022 Application : Représenter les molécules suivantes

• 3-éthylhex-5-ène-2,4-diol

• 2-aminobutanoate d’éthyle

• Acide 2,2-diméthylpent-4-énoique

IV. Détermination de structures et isomérie de constitution

1) Nombre d’insaturations d’un composé

➔ Définition : Un composé est saturé si tous les atomes portent le nombre maximal d’atomes d’hydrogène.

Une insaturation est un défaut de 2H par rapport à la formule brute du composé saturé correspondant.

➔ Une insaturation peut être :

- 1 double liaison C = C

- 1 cycle

- 1 liaison C = O

Exemple :

Application : Donner le nombre d’insaturations des molécules suivantes

➢ C3H6 :

➢ C6H6 :

➢ C3H6O :

Remarque : Il existe des formules pour déterminer directement le nombre d’insaturations (ni) mais elles sont vites compliquées.

On peut juste citer que pour un composé de formule CxHyOzNt ni = ( )2x 2 y t

2

+ − +

Exemple :

BCPST 1 document de cours de chimie Lycée Prévert 2021-2022 2) Isomérie de constitution

Des isomères sont des composés qui ont la même formule brute mais qui diffèrent :

➢ Par l’ordre ou la nature des liaisons = isomérie de constitution

➢ Par la disposition des atomes dans l’espace = stéréoisomérie

➔ Isomères de constitutions :

Deux isomères de constitution possèdent la même formule brute mais leur formule développée diffère.

Ils diffèrent par l’ordre ou la nature des liaisons.

Remarque : des isomères de constitution ont des propriétés physico-chimiques différentes.

Il existe différents type d’isomères de constitution…

a) Isomérie de chaîne

➔ Définition :

Des isomères de chaîne sont des isomères de constitution qui diffèrent par l’enchaînement des atomes de carbone.

Exemples : Donner deux isomères de chaîne de la molécule C5H12 et les nommer

De même pour la molécule C5H12O

b) Isomérie de position

➔ Définition :

Des isomères de position sont des isomères de constitution possèdent la même fonction chimique à des positions

différentes.

Exemple : Donner deux isomères de chaîne de la molécule C5H12O et les nommer

c) Isomérie de fonction

➔ Définition :

Des isomères de fonction sont des isomères de constitution pour laquelle les fonctions chimiques sont différentes

d’un isomère à l’autre.

Exemple : Donner deux isomères de chaîne de la molécule C2H6O et les nommer

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V. Application à quelques exemples de la chimie du vivant

En BCPST et plus particulièrement en biochimie, vous allez rencontrer de nombreuses molécules contenant les différents groupes caractéristiques vus dans ce chapitre. Il est essentiel de savoir les repérer et d’identifier les familles d’entités chimiques intervenant dans le vivant

➢ Les oses et glucides sont une classe de composés organiques contenant un groupe carbonyle (aldéhyde ou

cétone) et au moins deux groupes hydroxyle (-OH)

Les oses sont présents sous forme linéaire et cyclique (cycle de 5 ou 6 atomes)

Parmi ces sucres, un des plus importants est le ribose qui, dans sa forme cyclique β-D, fait partie intégrante des acides

nucléiques comme l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN)

➢ Les lipides constituent la matière grasse des êtres vivants. Ce sont de petites molécules hydrophobes ou

amphipathiques.

Amphipathique = amphiphile = possède un pôle hydrophobe (queue) et hydrophile (souvent la tête). Les lipides peuvent être classés selon la structure de leur squelette carboné (atomes de carbone chaînés, cycliques,

présence d'insaturations, etc). On peut citer :

On peut citer :

• les acides gras

l'acide hexadécanoïque, plus communément appelé acide palmitique

l'acide 9Z-octadécénoïque, plus communément appelé acide oléique

Application : identifier les groupes caractéristiques ?

Application : identifier les groupes caractéristiques ?

BCPST 1 document de cours de chimie Lycée Prévert 2021-2022 • les triglycérides qui sont des triesters d'acides gras et de glycérol

Un triglycéride, le tripamitoylglycérol

• les phosphoglycérides, qui sont les lipides les plus abondants dans les membranes biologiques

Un phosphoglycéride, la palmityl-oléyl-phosphatidylcholine

➢ acides aminés, peptides et protéines

• Un acide α-aminé est un composé polyfonctionnel, possédant à la fois un groupe caractéristique -COOH et un

groupe caractéristique –NH2

Structure générale d’un acide α-aminé Exemples d’acides aminés

• Un peptide est un enchaînement d’acides α-aminés.reliés entre eux par une liaison peptidique

Formation d’une liaison peptide (entourée). Les groupes réagissant ensemble sont encadrés.

Exemples : Glycine-Alanine (Gly-Ala) Cystéine-Glycine-Valine (Cys-Gly-Val)

• Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés

entre eux par des liaisons peptidiques. Lorsqu’un grand nombre (plus d’une dizaine) d’acide α-aminés sont

reliés entre eux, la macromolécule est appelée protéine

Application : identifier les groupes caractéristiques ?

Application : identifier les

groupes caractéristiques ?

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➢ nucléosides, nucléotides, acides nucléiques

• L’ADN est un polymère (une grande molécule qui contient des unités répétitives) composé d’un sucre à cinq

carbones (comme le 2-désoxyribose), d’un acide phosphorique et de 4 bases azotées notés A, T, G et C.

Les structures chimiques des bases sont indiquées ci-dessous

• Dans l’ADN chaque base est liée à une molécule du sucre (désoxyribose) formant un composé appelé

nucléoside. Un nucléoside est donc formé d’une base et d’un sucre liés par une liaison N-osidique

• Quand un groupe phosphate est également attaché à la molécule du sucre le nucléoside devient un nucléotide.

Un nucléotide est donc une molécule organique qui est composée d'une base nucléique (ou base azotée), d'un ose à

cinq atomes de carbone, dit pentose, dont l'association forme un nucléoside, et de groupes phosphate

Ainsi un nucléotide est un nucléoside plus un phosphate

Exemple : La molécule d'ATP

On distingue bien les trois parties de la molécule d'ATP : le sucre à 5 carbones en noir (du ribose), la base azotée en vert (de l'adénine) et les trois groupements phosphates, en rouge

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Pour récapituler : Structure des nucléotides.

• Les nucléotides constituent l'élément de base d'un acide nucléique tel que l'acide désoxyribonucléique

(ADN) et l'acide ribonucléique (ARN) .

Un acide nucléique (désoxyribonucléique ou ribonucléique) est un assemblage de macromolécules, un polymère, dont

l’unité de base, ou monomère, est un nucléotide et dont les nucléotides sont reliés entre eux par des liaisons

phosphodiesters.

Ces acides nucléiques sont d'une importance fondamentale chez tous les êtres vivants, en étant le support de

leur information génétique

Base

Sucre

Liaisons phosphodiester

Exemple - Structure chimique de la molécule d'ARN