Fiche de révision : Hydrocarbures et groupes fonctionnels

📋 Plan du Cours

1. Écritures des molécules organiques
2. Alcanes et nomenclature ramifiée
3. Insaturations et cycles
4. Groupes fonctionnels et alcools
5. Éthers, amines et classes
6. Carbonyles, acides et dérivés
7. Priorité des fonctions en nomenclature
8. Identification expérimentale des fonctions

📖 1. Écritures des molécules organiques

★ À maîtriser

📌 La formule brute indique la nature et le nombre des atomes, tandis que des molécules différentes peuvent partager cette formule et être des isomères.

• La formule développée montre toutes les liaisons, la semi-développée omet les liaisons C—H et la topologique omet les carbones ainsi que les hydrogènes qui leur sont liés.

• 🔄 La lecture d’une formule topologique suit ces étapes :

  1. Lire chaque segment comme une liaison C—C et chaque extrémité ou sommet comme un carbone.
  2. Rétablir mentalement les carbones et leurs hydrogènes selon la tétravalence du carbone.
  3. Écrire les hétéroatomes avec les hydrogènes qu’ils portent.
  4. Tracer les liaisons multiples par deux ou trois traits parallèles.

Compléments

• La représentation de Lewis montre tous les doublets liants et non liants et permet de prévoir la géométrie et la réactivité.

💡 Astuce mémo

Lewis montre les doublets ; la topologique les efface.

📖 2. Alcanes et nomenclature ramifiée

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrocarbure : Molécule qui ne contient que du carbone et de l’hydrogène ; le carbone y engage exactement quatre liaisons simples, doubles ou triples.
• Groupe alkyle : Groupe noté R—, obtenu en retirant un atome d’hydrogène à un alcane et nommé en remplaçant la terminaison -ane par -yle.

★ À maîtriser

• Un alcane acyclique possède uniquement des liaisons simples et sa formule générale est $\mathrm{C_mH_{2m+2}}$.

• Pour nommer un alcane ramifié, on choisit la plus longue chaîne continue, on la numérote pour minimiser les indices des ramifications, on nomme celles-ci comme des groupes alkyles, puis on les classe alphabétiquement avant le nom de la chaîne principale ; di-, tri- et tétra- ne comptent pas pour l’ordre alphabétique.

Compléments

• Les noms des douze premiers alcanes linéaires sont méthane, éthane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, décane, undécane et dodécane.

📖 3. Insaturations et cycles

🔑 Notions clés & Définitions

• Insaturation : Déficit de deux atomes d’hydrogène par rapport à l’alcane de même squelette, résultant d’une liaison multiple ou d’un cycle.

★ À maîtriser

• Les formules générales des alcanes, alcènes et alcynes acycliques sont respectivement $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, $\mathrm{C_nH_{2n}}$ et $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$.

📌 Pour nommer un alcène ou un alcyne, la chaîne principale doit contenir la liaison multiple et son indice de position le plus petit est placé juste avant la terminaison -ène ou -yne, comme dans but-1-ène.

📌 Lorsque chacun des carbones d’une double liaison porte deux substituants différents, la rigidité de C=C permet deux stéréoisomères : Z si les substituants prioritaires sont du même côté et E s’ils sont de part et d’autre.

Compléments

📐 Formule - Le degré d’insaturation d’une molécule de formule $\mathrm{C_cH_hO_oN_nX_x}$ est $\mathrm{DI=\frac{2c+2+n-h-x}{2}}$ ; l’oxygène n’intervient pas et chaque unité correspond à une double liaison ou à un cycle.

• Un cycloalcane porte le préfixe cyclo- et sa formule générale est $\mathrm{C_nH_{2n}}$.

📖 4. Groupes fonctionnels et alcools

🔑 Notions clés & Définitions

• Groupe fonctionnel : Atome ou ensemble d’atomes qui confère à une molécule des propriétés chimiques spécifiques ; des molécules portant le même groupe réagissent de façon similaire quelle que soit la longueur de leur chaîne carbonée.
• Alcool : Molécule portant un groupe hydroxyle —OH lié à un atome de carbone tétrahédrique et de formule générale R—OH, ou CₘH₂ₘ₊₁—OH.

★ À maîtriser

📌 Un alcool primaire, secondaire ou tertiaire porte respectivement zéro ou un, deux ou trois carbones voisins au carbone fonctionnel ; à l’oxydation ménagée, le primaire donne un aldéhyde puis un acide carboxylique, le secondaire une cétone et le tertiaire ne s’oxyde pas dans les conditions usuelles.

Compléments

• Le composé halogéné R—X porte un halogène nommé en préfixe fluoro-, chloro-, bromo- ou iodo- avec son indice de position, jamais en suffixe.

📌 Le nom d’un alcool remplace le -e final de l’alcane par -ol et indique la position du groupe hydroxyle, par exemple propan-1-ol ou butan-2-ol.

💡 Astuce mémo

OH sur carbone tétrahédrique : alcool ; OH sur cycle aromatique : phénol.

📖 5. Éthers, amines et classes

🔑 Notions clés & Définitions

• Éther-oxyde : Un éther-oxyde possède un atome d’oxygène reliant deux chaînes carbonées, selon la structure R—O—R’.
• Amine : Composé résultant du remplacement d’un ou plusieurs hydrogènes de l’ammoniac NH₃ par des chaînes carbonées ; le groupe —NH₂ correspond à la formule R—NH₂.

★ À maîtriser

📌 Une amine est primaire, secondaire ou tertiaire selon qu’un, deux ou trois carbones sont liés directement à l’azote.

Compléments

• Pour nommer un éther-oxyde, la chaîne la plus courte est traitée comme un préfixe alkoxy ; CH₃—CH₂—O—CH₂—CH₃ se nomme éthoxyéthane.

📌 Pour une amine secondaire ou tertiaire, la plus longue chaîne portée par l’azote donne le nom de base et les autres chaînes sont préfixées par N- ; deux substituants identiques sur l’azote se notent N,N-di-.

📖 6. Carbonyles, acides et dérivés

🔑 Notions clés & Définitions

• Groupe carbonyle : Groupe C=O commun aux aldéhydes et aux cétones ; il est en bout de chaîne dans un aldéhyde et au milieu de la chaîne dans une cétone.
• Acide carboxylique : Composé portant le groupe carboxyle —COOH, qui réunit un carbonyle et un hydroxyle sur le même carbone ; il est en bout de chaîne et son nom commence par « acide » avec le suffixe -oïque.

★ À maîtriser

📌 L’aldéhyde se nomme avec le suffixe -al sans indice, car son carbone fonctionnel est toujours le numéro 1 ; la cétone prend le suffixe -one précédé de l’indice du carbone fonctionnel.

• Les aldéhydes sont réducteurs et donnent un résultat positif avec la liqueur de Fehling et le réactif de Tollens, tandis que les cétones sont négatives à ces deux tests.

• Les dérivés sont classés du plus réactif au plus stable dans l’ordre suivant :

  • chlorure d’acyle
  • anhydride d’acide
  • ester
  • amide

Compléments

• En solution aqueuse, un acide carboxylique, acide faible, cède partiellement son proton pour former l’ion carboxylate R—COO⁻.

💡 Astuce mémo

Aldéhyde en bout de chaîne, cétone au milieu.

📖 7. Priorité des fonctions en nomenclature

★ À maîtriser

• Pour nommer un composé polyfonctionnel, on repère les fonctions présentes, on choisit la plus prioritaire pour le suffixe et la numérotation, puis on nomme les autres en préfixes par ordre alphabétique avec leur indice.

• L’ordre de priorité décroissant des fonctions à suffixe est :

  • acide carboxylique
  • ester
  • amide
  • nitrile
  • aldéhyde
  • cétone
  • alcool
  • amine

Compléments

📌 Dans les groupes carboxyle, ester, amide, nitrile et aldéhyde, le carbone fonctionnel appartient à la chaîne principale et porte l’indice 1 ; il est inclus dans le décompte des carbones de la chaîne.

• CH₃—CH₂—COOH contient trois carbones, carbone du groupe COOH compris, et se nomme acide propanoïque.

• Dans un acide α-aminé, le groupe carboxyle est prioritaire et le groupe amino porté par le carbone voisin est nommé en préfixe amino, comme dans l’acide 2-aminopropanoïque.

💡 Astuce mémo

Acide → ester → amide → nitrile → aldéhyde → cétone → alcool → amine.

📖 8. Identification expérimentale des fonctions

★ À maîtriser

• En spectroscopie IR, la zone au-dessus de 1500 cm⁻¹ correspond aux groupes caractéristiques et la zone en dessous à l’empreinte digitale de la molécule.

• En IR, les bandes diagnostiques comprennent O–H d’alcool ou phénol à 3200–3600 cm⁻¹, O–H d’acide carboxylique à 2500–3200 cm⁻¹, N–H à 3300–3500 cm⁻¹ et C≡N à 2200–2260 cm⁻¹.

• En IR, les bandes C=O se situent à 1780–1815 cm⁻¹ pour un chlorure d’acyle, 1730–1750 cm⁻¹ pour un ester, 1700–1740 cm⁻¹ pour un aldéhyde ou une cétone, 1690–1720 cm⁻¹ pour un acide carboxylique et 1630–1690 cm⁻¹ pour un amide.

• Pour lire un spectre IR, on recherche d’abord C=O vers 1700 cm⁻¹, puis O–H, ensuite N–H vers 3400 cm⁻¹, et on examine enfin l’empreinte digitale par comparaison à un spectre de référence.

• L’eau de brome ou le KMnO₄ dilué se décolore immédiatement en présence d’un alcène ou d’un alcyne, et la 2,4-DNPH donne un précipité jaune-orangé en présence d’un aldéhyde ou d’une cétone.

• La liqueur de Fehling à chaud donne un précipité rouge brique de Cu₂O avec un aldéhyde, et le réactif de Tollens donne un dépôt d’argent, ou miroir d’argent, avec un aldéhyde.

Compléments

• Pour distinguer aldéhyde et cétone, on réalise d’abord le test à la 2,4-DNPH, positif pour les deux, puis le test de Fehling, positif uniquement pour l’aldéhyde.

• Les acides gras, trop polaires et peu volatils pour la CPG, sont convertis en esters méthyliques (FAME) par transestérification, ce qui augmente leur volatilité et permet leur analyse.

💡 Astuce mémo

IR : carbonyle, O–H, N–H, puis empreinte digitale.

📊 Tableaux de synthèse

Tests chimiques des fonctions