Pour nommer une molécule organique, tu cherches la plus longue chaîne de carbones qui porte le groupe caractéristique, tu la numérotes pour donner à ce groupe le plus petit numéro, puis tu assembles le nom. Ainsi $\mathrm{CH_3{-}CH(OH){-}CH_3}$ a trois carbones (« prop ») et un groupe $\mathrm{OH}$ sur le carbone 2 : c'est le propan-2-ol. Pour les mécanismes, une seule règle : une flèche courbe part d'un doublet d'électrons et va vers l'atome qui le reçoit. Une synthèse, elle, se juge à son rendement.
Lire une formule organique
Chaque atome de carbone forme quatre liaisons covalentes, c'est-à-dire quatre mises en commun de deux électrons avec ses voisins.
La formule brute compte les atomes : $\mathrm{C_2H_6O}$ pour l'éthanol. La formule semi-développée montre leur enchaînement, sans détailler les liaisons avec l'hydrogène : $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH}$. En Terminale s'ajoute la formule topologique, qui dessine les liaisons en zigzag : chaque angle et chaque bout de trait sans symbole est un carbone, et les hydrogènes qu'il porte ne s'écrivent pas. Pour les retrouver, complète ses liaisons jusqu'à quatre.
Le propan-1-ol $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}OH}$ et le propan-2-ol ont la même formule brute, $\mathrm{C_3H_8O}$, mais pas le même enchaînement : ce sont des isomères de constitution. Une formule brute ne suffit donc pas pour nommer.
Reconnaître les familles
Définition : un groupe caractéristique est un groupe d'atomes, avec au moins un atome autre que C et H, qui donne à la molécule ses propriétés chimiques. Les molécules qui portent le même groupe forment une famille fonctionnelle.
Le programme de Première se limite à quatre familles, et à des molécules qui n'ont qu'un groupe caractéristique. La fin du nom dit la famille.
| Famille | Groupe | Exemple | Nom |
|---|---|---|---|
| Alcool | $\mathrm{{-}OH}$ | $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH}$ | éthanol |
| Aldéhyde | $\mathrm{{-}CHO}$, en bout de chaîne | $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CHO}$ | propanal |
| Cétone | $\mathrm{C{=}O}$ entre deux carbones | $\mathrm{CH_3{-}CO{-}CH_3}$ | propanone |
| Acide carboxylique | $\mathrm{{-}COOH}$ | $\mathrm{CH_3{-}COOH}$ | acide éthanoïque |
Aldéhyde et cétone ont tous deux une double liaison $\mathrm{C{=}O}$. Si son carbone porte un hydrogène, au bout de la chaîne, c'est un aldéhyde ; s'il est lié à deux carbones, une cétone.
En Terminale s'ajoutent les esters (éthanoate d'éthyle, $\mathrm{CH_3{-}COO{-}CH_2{-}CH_3}$), les amines ($\mathrm{CH_3{-}NH_2}$), les amides ($\mathrm{CH_3{-}CO{-}NH_2}$) et les halogénoalcanes, qui portent un atome de fluor, de chlore, de brome ou d'iode. Leurs règles de nom sont fournies dans l'énoncé, comme le prévoit le programme de Terminale.
Nommer une molécule en quatre étapes
Étape 1 : Repère le groupe caractéristique, qui donne la terminaison : -ol, -al, -one ou acide ...-oïque.
Étape 2 : Cherche la chaîne la plus longue qui contient le carbone du groupe. Son nombre de carbones donne la racine : méth (1), éth (2), prop (3), but (4), pent (5), hex (6).
Étape 3 : Numérote-la depuis le bout le plus proche du groupe, pour qu'il ait le plus petit numéro.
Étape 4 : Écris le nom dans l'ordre : ramifications avec leur numéro (méthyl, éthyl), racine suivie de « an », numéro du groupe, terminaison.
Exemple : $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}OH}$ est un alcool. Sa chaîne la plus longue avec le carbone qui porte $\mathrm{OH}$ compte 4 carbones (« but »). Numérotée depuis $\mathrm{CH_2{-}OH}$, elle porte le méthyle sur le carbone 2 : c'est le 2-méthylbutan-1-ol.
Le carbone du groupe d'un aldéhyde ou d'un acide est toujours en bout de chaîne : il porte le numéro 1, qu'on n'écrit pas. On dit propanal, pas propan-1-al.
Piège classique : la chaîne la plus longue n'est pas toujours écrite sur une ligne. Dans $\mathrm{CH_3{-}CH(CH_2{-}CH_3){-}CH_2{-}OH}$, elle passe par la ramification entre parenthèses : 4 carbones, pas 3. C'est le 2-méthylbutan-1-ol de l'exemple, pas un « 2-éthylpropan-1-ol ». Compte les carbones dans toutes les directions avant de choisir.
Les mécanismes : suivre les électrons
Un mécanisme réactionnel découpe une réaction en actes élémentaires, des étapes qui se font en une fois à l'échelle des molécules, et montre par des flèches courbes où vont les électrons.
Tout part de l'électronégativité, la tendance d'un atome à attirer les électrons d'une liaison. L'oxygène, l'azote et les halogènes sont plus électronégatifs que le carbone. Dans une liaison $\mathrm{C{-}Br}$, les électrons sont tirés vers le brome, qui porte une charge partielle $\delta^-$ ; le carbone porte $\delta^+$.
Un site donneur de doublet est riche en électrons : un atome porteur d'un doublet non liant (l'oxygène de $\mathrm{HO^-}$ ou d'un alcool) ou une double liaison. Un site accepteur en manque : un atome $\delta^+$, ou un ion $\mathrm{H^+}$ et sa lacune électronique.
Règle : une flèche courbe montre le déplacement d'un doublet d'électrons. Elle part de ce doublet, non liant ou liant, et pointe vers l'atome qui le reçoit.
Prends cette substitution :
$$\mathrm{HO^- + CH_3{-}Br \longrightarrow CH_3{-}OH + Br^-}$$
Une flèche part d'un doublet non liant de l'oxygène vers le carbone $\delta^+$ : la liaison $\mathrm{C{-}O}$ se forme. Une autre part du doublet de la liaison $\mathrm{C{-}Br}$ vers le brome : la liaison se casse, et le brome s'en va avec les deux électrons, en ion $\mathrm{Br^-}$.
Piège classique : faire partir la flèche du symbole d'un atome, d'une charge $+$ ou de $\mathrm{H^+}$. Elle part toujours d'un doublet, jamais d'un site qui en manque. À la fin, recompte : chaque carbone a quatre liaisons.
Dans les banques de réactions de Terminale, tu reconnais le type de chaque réaction. Substitution : un groupe en remplace un autre, comme $\mathrm{OH}$ à la place de $\mathrm{Br}$ ci-dessus. Addition : deux molécules s'assemblent et une double liaison s'ouvre, comme $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \longrightarrow CH_3{-}CH_2{-}OH}$. Élimination : l'inverse, une petite molécule part et une double liaison se forme. Tu y repères aussi les réactions acide-base et d'oxydo-réduction.
La synthèse, du ballon au rendement
Tout protocole de synthèse suit quatre étapes. La transformation d'abord : on chauffe souvent les réactifs à reflux. La chaleur accélère la réaction, et le réfrigérant posé sur le ballon condense les vapeurs, qui retombent dans le mélange.
L'isolement sépare le produit du mélange : filtration d'un solide, extraction à l'ampoule à décanter d'un liquide. La purification retire les impuretés : recristallisation d'un solide, distillation d'un liquide. L'analyse vérifie l'identité et la pureté du produit : chromatographie sur couche mince, température de fusion, spectre infrarouge.
Le spectre infrarouge repère les liaisons. Une bande large entre $3\,200$ et $3\,400\ \mathrm{cm^{-1}}$ signale la liaison $\mathrm{O{-}H}$ d'un alcool, une bande fine et intense entre $1\,650$ et $1\,750\ \mathrm{cm^{-1}}$ la double liaison $\mathrm{C{=}O}$. Quand un alcool est oxydé en cétone, la première disparaît et la seconde apparaît. Les valeurs précises sont données dans l'énoncé.
Formule : le rendement $\eta$ compare ce que tu as obtenu au maximum possible, calculé avec le réactif limitant :
$$\eta = \frac{n_{\text{obtenu}}}{n_{\max}} = \frac{m_{\text{obtenue}}}{m_{\max}}$$
Il est compris entre 0 et 1, souvent donné en pourcentage, et presque toujours inférieur à 1 (transformation non totale, réactions parasites, pertes pendant les transferts).
En Terminale, on juge aussi une synthèse à son impact environnemental : énergie, sous-produits, choix des réactifs et des solvants.
Exercices corrigés
Du plus direct au plus proche d'un contrôle. Cherche chacun sur ta feuille avant d'ouvrir la correction.
Exercice 1 : Nomme $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}CHO}$ et $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}COOH}$, puis écris la formule semi-développée de la pentan-3-one.
Correction :
$\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}CHO}$ : groupe $\mathrm{CHO}$ en bout de chaîne et 4 carbones, en comptant celui du groupe : butanal.
$\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}COOH}$ : groupe $\mathrm{COOH}$ et 3 carbones, celui du groupe compris : acide propanoïque.
Pentan-3-one : 5 carbones, un $\mathrm{C{=}O}$ sur le carbone du milieu : $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CO{-}CH_2{-}CH_3}$.
Exercice 2 : Un élève nomme $\mathrm{CH_3{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}CH_2{-}OH}$ « 2-méthylbutan-4-ol ». Trouve son erreur et donne le bon nom.
Correction :
La chaîne principale est juste : 4 carbones, dont celui qui porte $\mathrm{OH}$. L'erreur est dans la numérotation : c'est le groupe caractéristique qui doit avoir le plus petit numéro. En partant de $\mathrm{CH_2{-}OH}$, carbone 1, le méthyle tombe sur le carbone 3.
Bon nom : 3-méthylbutan-1-ol.
Exercice 3 : Au laboratoire, on synthétise de l'aspirine à partir de $5{,}0$ g d'acide salicylique, le réactif limitant. Une mole d'acide salicylique donne au plus une mole d'aspirine. Après purification, on récupère $4{,}6$ g d'aspirine (données fictives). Masses molaires : acide salicylique $138\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$, aspirine $180\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$. Calcule le rendement.
Correction :
Quantité d'acide salicylique : $n = \dfrac{m}{M} = \dfrac{5{,}0}{138} \approx 3{,}62 \times 10^{-2}$ mol. Elle donne au plus autant d'aspirine, d'où une masse maximale $m_{\max} = 3{,}62 \times 10^{-2} \times 180 \approx 6{,}52$ g.
Rendement : $\eta = \dfrac{4{,}6}{6{,}52} \approx 0{,}71$, soit environ 71 %.
Exercice 4 : En milieu acide, la déshydratation de l'éthanol commence par cet acte élémentaire : $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH + H^+ \longrightarrow CH_3{-}CH_2{-}OH_2^+}$. Repère le site donneur et le site accepteur, décris la flèche courbe, puis explique la charge $+$ du produit.
Correction :
L'oxygène de l'éthanol porte deux doublets non liants : c'est le site donneur. L'ion $\mathrm{H^+}$, sans aucun électron, a une lacune électronique : c'est le site accepteur.
Une seule flèche, d'un doublet non liant de l'oxygène vers $\mathrm{H^+}$ : ce doublet devient la nouvelle liaison $\mathrm{O{-}H}$.
La charge se conserve ($0 + 1 = +1$) et se retrouve sur l'oxygène : il partage avec $\mathrm{H}$ un doublet qui n'était qu'à lui, et finit avec trois liaisons et un seul doublet non liant.
À retenir
À retenir :
- Nommer : groupe caractéristique, chaîne la plus longue qui le contient, plus petit numéro pour le groupe, puis ramifications, racine, terminaison.
- -ol pour un alcool, -al pour un aldéhyde, -one pour une cétone, acide ...-oïque pour un acide carboxylique.
- Même formule brute, enchaînement différent : isomères de constitution.
- Une flèche courbe part d'un doublet d'électrons et pointe vers l'atome qui le reçoit.
- Synthèse : transformation, isolement, purification, analyse, puis rendement $\eta = \dfrac{n_{\text{obtenu}}}{n_{\max}}$.
Sources
- Programme de physique-chimie de première générale, enseignement de spécialité, Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019 : texte sur education.gouv.fr.
- Programme de physique-chimie de terminale générale, enseignement de spécialité, Bulletin officiel spécial n° 8 du 25 juillet 2019 : texte sur education.gouv.fr.