Éléments de chimie organique

Éléments de chimie organique
Résumé
Note : Ce résumé indique quelques éléments qui ont été étudiés en classe. Il est
largement insuffisant pour compléter votre étude. Il vous permettra de mieux
structurer vos notes de cours et de faciliter votre étude.
1. Introduction
L’hybridation, la géométrie moléculaire et les représentations
La façon la plus facile de se retrouver est de relier la théorie des paquets avec les
termes d’hybridation. Évidemment, le recouvrement des orbitales axial ou hors-axe
peut être négligé pour l’instant. Notez que un paquet est soit une liaison simple, une
liaison multiple double ou triple, un doublet libre ou une charge négative.
• Deux paquets = sp ; angle 180° ; géométrie linéaire (toutes les liaisons sont
dans le même plan lorsque l’on dessine la molécule)
• Trois paquets = sp2 ; angles 120° ; géométrie triangulaire plan (toutes les
liaisons sont dans le plan)
• Quatre paquets = sp3 ; angles 109.5° ; géométrie tétraédrique (deux liaisons
dans le plan et deux autres hors plan)
Évidemment, la présence de doublets libres modifie quelque peu l’angle des liaisons
et naturellement le nom de la forme géométrique de la molécule (révisez vos notes de
chimie fondamentale).
Il est primordial de pouvoir trouver les configurations électroniques des principaux
éléments de la chimie organique afin de pouvoir localiser les doublets libres
(électrons pairés, non liés de la couche des électrons de valence). Ces électrons vous
permettront de prévoir le comportement chimique de la molécule (caractère
nucléophile). La configuration électronique vous montre aussi le partage des électrons
dans une liaison chimique. Le partage de deux électrons entre deux éléments est dit
un recouvrement axial (liaison sigma σ ) Lorsque plus d’électrons sont partagée,
liaisons multiples, on parle alors d’un recouvrement hors axe ( π ) la liaison simple est
dite σ , la double une σ et une π , la triple une σ et deux π . Comme les électrons
π ne sont pas situés directement entre deux éléments, ils sont disponible pour
effectuer des réactions chimiques. On dira alors qu’ils se comportent comme un
nucléophile.
Les molécules chimiques sont des assemblages d’éléments qui sont représentés par
plusieurs types de formules chimiques :
•
La formule brute ou empirique : Elle représente les proportions des éléments
entre eux. C’est le plus petit facteur commun de la formule chimique réelle
(moléculaire). Elle est directement reliée à la composition centésimale. Notez
que les liaisons ne sont pas représentées et que la formule n’existe pas
nécessairement. Ex : CH2O
•
La formule moléculaire : Elle introduit le nombre exact d’éléments d’une
molécule. Elle doit respecter la valence de tous les éléments qui la compose.
Les liaisons et les angles ne sont pas représentés dans ce type de formule qui
peut encore représenter plusieurs composés chimiques différents (isomères).
C2H4O, C3H6O2, C4H8O4… sont des formules moléculaires qui ont la même
formule empirique, CH2O qui est aussi une formule moléculaire. Ces quatre
molécules ne sont pas des isomères car elles n’ont pas la même formule
moléculaire. Toutes ces formules sont dites moléculaires car elles respectent
les relations :
• Maximum de CnH(2n +2) avec un nombre d’hydrogène et d’halogène
pair. L’oxygène et le soufre ne changent rien.
• Maximum de CnH(2n +3)N avec un nombre d’hydrogène et d’halogène
impair. L’oxygène et le soufre ne changent rien.
•
La formule structurale développée : Elle présente tous les éléments ainsi que
les liaisons entre eux. Les angles ne sont pas importants.
H
O
H
H
H
Exemple :
H
H
C
C
C
C
H
H
O
H
H
H
O
H
But-2-én-2-ol
C
C
H
H
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
But-2-én-2-ol
But-2-énol
Les deux premières représentent la même molécule tandis que la troisième est
en isomère de position des deux autres.
•
La formule structurale semi-développée : on regroupe les CH et on ne montre
pas les liaisons entre le C et le H. Exemple : CH3-CH=CH-CH2-OH.
•
La formule structurale condensée : On ajoute un suffixe multiplicatif aux
groupements qui se répètent. Exemple (CH3-(CH2)5-CH2-NH2) heptanamine.
•
La formule stylisée omet de représenter les H qui ne font pas partie d’une
fonction. Les carbones sont représentés par l’extrémité d’un segment et les
angles sont représentés. Il est possible de déduire le nombre d’hydrogènes de
chaque carbone en tenant compte que le carbone DOIT établir quatre liaisons.
OH
OH
Z-but-2-én-2-ol
E-but-2-én-2-ol
Ces deux molécules sont des
isomères géométriques dû à la
rigidité de la liaison double.
NH2
heptanamine
•
La representation en perspectives (3D) : Cette représentation montre tous les
éléments et tient compte de la géométrie réelle de la molécule dans l’espace.
et
Les liaisons hors plan sont représentées par
. On ne
développe pas un groupement ou une fonction qui sortent déjà du plan. Une
forme correcte représentera la chaîne principale dans le plan.
H
Exemple :
H
H
H
H
H
O
C
C
C
H
C
C
H
Cl
H
O
C
C
C
H
C
O
H
C
H
C
H
H
5-chloro-6-méthoxyhex-3-ynal
Z-but-2-én-2-ol
Remarquez l’angle autour des carbones de la liaison triple et autour du
carbonyle.
À partir de cette représentation, nous pouvons représenter les isomères
optiques (stéréoisomères) qui ont la même formule moléculaire, la même
formule développée et les mêmes propriétés chimiques. La différence est au
niveau du pouvoir rotatoire. Les énantiomères sont des images miroir l’une de
l’autre que l’on ne peut pas superposer.
•
La représentation de Newman : Elle permet de visualiser des conformères
(même molécule organisée différemment dans l’espace… Aucun effet sur les
propriétés optiques). On regarde la molécule sur l’axe qui passe entre 2
carbones pour générer la représentation. On peut retrouver la conformation
décalée (la plus stable) et la conformation éclipsée. Évidemment cette
représentation permet de visualiser la molécule autour d’une seule liaison.
Ex :
Décalée
H
Éclipsée
Pour générer une représentation de Newman, représentez la liaison étudiée
(entre les deux carbones) par votre index de la main droite et représentez une
liaison sur le carbone avant par votre pouce (idéalement celle allant vers le
haut ou vers le bas). Avec votre index de l’autre main, situez ce qui est à
l’avant ou à l’arrière (vous pourrez ainsi savoir quoi noter du côté droit ou du
côté gauche). Tournez alors votre main droite de façon à regarder sur l’axe de
votre index (main droite).
H
H
•
La projection de Fisher : Elle représente chaque carbone asymétrique (4
substituants différents sur un carbone sp3) par une croix. La fonction
principale la plus oxydée est disposée vers le haut et chaque carbone
asymétrique (C*) est représenté par une croix. La chaîne principale est
disposée verticalement. On peut alors facilement comparer les isomères
optiques, énantiomères, stéréoisomères, diastéréoisomères…Cette
représentation ne permet pas de déterminer le pouvoir rotatoire ( (+) ou (-) )
de l’isomère car cette donnée physique ne peut être déterminée que de façon
expérimentale.
Pour déterminer la représentation de Fisher, représentez les liaisons de la
chaîne principale (C-C*-C) à l’aide du pouce et de l’index d’une main (droite
par exemple). L’autre index vous permettra de situer une liaison avant ou
arrière du carbone asymétrique (C*). Tournez votre main droite (dans cet
exemple) de façon à former un V entre votre pouce et index (main droite) avec
l’ouverture à la verticale et s’éloignant de votre corps. Vous saurez ainsi où
disposer les deux autres substituants (droite ou gauche) dans la représentation.
H
H
O
O
C
O
H
H
H
H
H
H
HO
O
H
H
OH
H
OH
CH2OH
O
H
(R)-Glycéraldéhyde (isomère D en configuration relative)
CHO
H
H
H
OH
Projection de Newman pour cette molécule
OH
Nomenclature systématique
Pages : 38-58; 216-222; 445-6; 523 (Flamand)
a. Identifiez la chaîne principale (la plus longue qui contient la fonction
prioritaire et le maximum d’insaturations entre les carbones)
b. Numérotez dans tous les sens de façon à trouver l’ensemble le plus bas à la
première différence (pas la somme ☺).
c. Assemblez le nom complet en classant les substituants par ordre alphabétique
O
(exclusion de di, tri…).
Exemple : 3-méthoxypropanal
O
H
Composés aromatiques
Il faut utiliser le nom de base de l’hydrocarbure benzénique correspondant et
le précéder du nom des substituants dans l’ordre alphabétique. Il est possible
d’utiliser les préfixes o- (ortho, positions 1 et 2), m- (méta, positions 1 et 3) et
p- (para, positions 1 et 4) lorsque l’on retrouve deux substituants..
Composés hétérocycliques
O
Il existe trois modes de fonctionnements acceptés, soit :
a. En utilisant un préfixe (aza, oxa, thia) qui désigne l’hétéroatome et un
suffixe (terminaison) qui indique le nombre d’atomes (carbones +
hétéroatome) du cycle ainsi que la présence d’insaturations ou non.
b. En ajoutant aza, oxa… au nom de bases de l’hydrocarbure
correspondant.
c. En apprenant les noms traditionnels
Exemple :
a) 4,5-diméthyloxépane
b) 4,5-diméthyloxacycloheptane
Les isomères
Les isomères sont des molécules qui ont la même formule moléculaire mais qui
présentent des propriétés différentes. On peut alors leur attribuer un nom différent.
Parmi les isomères, on retrouve :
• Les isomères de position et/ou de fonction
Pour trouver ces isomères, on commence par déterminer la présence possible
de cycle(s) et/ou d’insaturation(s). On soustrait la somme des H et X de la
quantité maximum d’hydrogène que peut contenir la formule (cf. formule
moléculaire) et on divise par deux. Ce nombre représente la somme des
insaturations et/ou cycles. On note ensuite la chaîne la plus longue et on y
déplace toutes les fonctions possibles d’abord par la position, ensuite par la
fonction. On change ensuite la structure (en enlevant un C de la chaîne
principale à la fois) et on y déplace les fonctions et groupements. Aucune des
molécules ne doit pouvoir être nommée comme une autre.
•
Présence d’insaturations et/ou de cycles
L’alcène et le cycle représentent des structures rigides (on ne parle plus de
conformères autour d’une liaison simple). Il y a donc possibilité de retrouver
les isomères géométriques Z (membres au numéro atomique le plus élevé à la
première différence) du même côté de la liaison double ou du cycle, E du côté
opposé, cis du même côté avec une certaine symétrie des membres liés au
cycle ou à l’alcène, trans du côté opposé avec aussi une symétrie. La façon la
plus simple de visualiser ces isomères est de les dessiner en formule stylisée.
•
Présence d’un ou de plusieurs carbone(s) asymétrique(s)
Ce type d’isomères peut s’appeler énantiomères, isomères optiques,
énantiomorphes… lorsqu’ils représentent une image miroir non superposable.
La présence de deux carbones chiraux permet d’obtenir aussi les
diastéréoisomères qui sont des molécules différentes, optiquement actives,
non superposables et qui ne sont pas des images miroirs l’une de l’autre. Les
diastéréoisomères qui présentent une symétrie entre les deux carbones
asymétriques ont un pouvoir rotatoire nul et on nomme leur forme, méso.
Les énantiomères portent le même nom auquel on ajoute la configuration
absolue entre parenthèses (R), rectus ou (S), sinister. S’il y a plus d’un
carbone chiral, le numéro du carbone en question est indiqué avant le R ou le
S au début de la formule.
Il est idéal de représenter ces isomères en représentation de Fisher de façon à
éviter d’écrire deux fois la même molécule.
Mise à jours : 06-03-10