Fiche de révision : Nomenclature des composés organiques

📋 Plan du Cours

1. Familles organiques et écritures
2. Alcanes et construction des noms
3. Substituants et insaturations
4. Cycles et composés aromatiques
5. Fonctions et règles de priorité
6. Nomenclature des fonctions oxygénées
7. Fonctions azotées et molécules complexes
8. Isomérie des molécules
9. Degré d’insaturation
10. Modèles atomiques et liaisons
11. Orbitales p et hybridation
12. Modes d’hybridation du carbone
13. Conformères et analyse conformationnelle
14. Stéréoisomérie et chiralité
15. Activité optique et configuration absolue

📖 1. Familles organiques et écritures

🔑 Notions clés & Définitions

• Acides aminés : Composés de structure commune NH₂–CHR–COOH, où R est variable, qui constituent les briques élémentaires de la synthèse des protéines, lesquelles peuvent contenir plusieurs centaines d’acides aminés.

★ À maîtriser

• La chimie organique étudie essentiellement les composés carbonés synthétiques ou naturels.

📌 La formule développée représente toutes les liaisons et tous les atomes, la formule semi-développée regroupe les liaisons avec les hydrogènes autour de l’atome qui les porte, et l’écriture topologique représente le squelette par des traits.

📌 Dans l’écriture topologique, chaque connexion représente par défaut un carbone portant des hydrogènes non représentés, tandis que les hétéroatomes sont indiqués par leur symbole et leurs hydrogènes éventuels.

Compléments

• Les terpènes sont obtenus à partir d’extraits de plantes et entrent dans la composition des essences naturelles et des parfums.

📖 2. Alcanes et construction des noms

🔑 Notions clés & Définitions

• Alcanes : Structures uniquement carbonées dans lesquelles chaque carbone est lié au suivant par une liaison simple.

★ À maîtriser

📌 Le nom d’un alcane linéaire est formé du préfixe indiquant le nombre de carbones suivi du suffixe « ane ».

• Les préfixes correspondant à 1 à 10 carbones sont :
  • méth
  • éth
  • prop
  • but
  • pent
  • hex
  • hept
  • oct
  • non
  • déc

Compléments

• Les préfixes indiqués pour 20, 21, 30, 31, 40, 50, 60, 70, 80, 90 et 100 carbones sont respectivement icos, henicos, triacont, hentriacont, tetracont, pentacont, hexacont, heptacont, octacont, nonacont et hect.

• Une chaîne saturée de quatre carbones se nomme butane, à partir du préfixe but et du suffixe ane.

📌 Pour nommer une chaîne de plus de dix carbones, les éléments numériques sont assemblés dans l’ordre des unités, des dizaines, des centaines, puis des ordres supérieurs, avec un « a » de liaison si nécessaire.

📖 3. Substituants et insaturations

★ À maîtriser

• Les carbones d’une chaîne portant des substituants sont numérotés de 1 à n, et les indices des substituants sont placés avant leur nom, séparés de celui-ci par un tiret.

• Pour plusieurs substituants identiques, on emploie les multiplicateurs di, tri et tétra pour deux, trois et quatre occurrences, puis généralement les préfixes des nombres de carbones au-delà de quatre.

• Les substituants différents sont classés par ordre alphabétique, puis si nécessaire par ordre croissant de position, et un multiplicateur ne modifie pas le classement alphabétique du substituant.

• Une double liaison correspond à un alcène et une triple liaison à un alcyne ; leurs suffixes sont respectivement « èn » et « yn ».

Compléments

• Les indices de substituants identiques sont regroupés devant leur nom, séparés par des virgules, puis séparés du nom par un tiret.

• Lorsqu’un radical est lui-même substitué, son nom est placé entre parenthèses, avec plusieurs niveaux de parenthèses si nécessaire.

• Pour une liaison multiple dont la position est indiquée, seul l’indice du carbone de plus bas numéro est donné, et le suffixe correspondant est placé après le nom de la chaîne.

• Lorsque l’insaturation est la fonction principale, le nom se termine par « e », et les suffixes des substituants alcènes et alcynes deviennent respectivement « enyl » et « ynyl ».

📖 4. Cycles et composés aromatiques

★ À maîtriser

• La formation d’un cycle à partir d’un alcane ajoute le préfixe « cyclo » au nom de la chaîne saturée correspondante, et un radical cyclique reçoit le suffixe « yl ».

• Dans les monocycles, la numérotation recherche les indices les plus bas pour les substituants et les fonctions ; une fonction prioritaire fixe la position 1, et les cycles sont prioritaires sur les chaînes.

• Les monocyles insaturés se nomment comme les monocyles saturés en utilisant les terminaisons « ène », « diène », « yne » ou « diyne », selon les insaturations.

• Pour les composés monocycliques uniquement carbonés, le caractère aromatique exige un cycle plan entièrement conjugué comportant 4n + 2 électrons π, où n est un entier naturel, comme dans le benzène.

📌 Pour les aromatiques substitués, on choisit les indices de position les plus bas et le substituant ou la fonction prioritaire fixe la position 1.

Compléments

• Le cours donne cyclohexane et cyclohexyl comme exemples respectifs de cycle saturé et de radical cyclique, ainsi que décaline comme nom usuel de décahydronaphtalène.

• Les exemples de monocyles insaturés donnés sont cyclohexène, 5-méthylcyclohexa-1,3-diène et cycloundécyne.

• Le benzène est aussi appelé 1,3,5-cyclohexatriène.

• Le toluène est le nom usuel du méthylbenzène.

• Le styrène est le nom usuel du vinylbenzène.

• Les radicaux aromatiques présentés comprennent :

  • phényl
  • tolyl
  • benzyl

📖 5. Fonctions et règles de priorité

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction : Atome ou groupe d’atomes, carboné ou non, porté par un composé organique en dehors des substituants alkyles et des doubles ou triples liaisons.

★ À maîtriser

📌 La fonction prioritaire détermine l’ordre de numérotation et fournit le suffixe principal du nom, tandis qu’une fonction secondaire est désignée par un préfixe.

📌 Une chaîne carbonée ne peut porter qu’une seule fonction principale, mais elle peut porter plusieurs fonctions secondaires.

• Dans l’ordre décroissant de priorité, le tableau place les acides carboxyliques, les acides sulfoniques, les anhydrides d’acides, les esters, les halogénures d’acyles, les amides, les amidines, les nitriles, les aldéhydes, les cétones, les alcools, les phénols, les thiols, les hydroxyperoxydes, les amines, les imines, les éthers, les sulfures, les peroxydes, les alcènes et alcynes, les halogènes, puis les alkyles simples.

Compléments

• Les préfixes des fonctions courantes comprennent carboxy- pour les acides carboxyliques, sulfo- pour les acides sulfoniques, cyano- pour les nitriles, formyl- ou oxo- pour les aldéhydes, oxo- pour les cétones, hydroxy- pour les alcools et phénols, amino- pour les amines, ainsi que chloro-, bromo-, iodo- et fluoro- pour les halogènes.

📌 Les positions des fonctions se notent comme celles des alkyles ; le nom de la fonction secondaire précède celui de la chaîne, tandis que le nom de la fonction principale se place à la fin avec sa position.

📖 6. Nomenclature des fonctions oxygénées

★ À maîtriser

• Pour un alcool de plus de deux carbones, la position du groupe hydroxyle doit être indiquée, comme dans propan-1-ol ou propan-2-ol.

📌 Un aldéhyde porté par une chaîne linéaire prend le suffixe -al, comme propanal, tandis qu’un groupe aldéhyde extérieur à un cycle se nomme avec le suffixe carbaldéhyde, comme cyclohexanecarbaldéhyde.

Compléments

• Un éther formé d’un groupe méthoxy et d’un groupe éthyle se nomme méthoxyéthane, sans indication de position dans cet exemple.

• Lorsque l’éthanol porte un substituant éthoxy en position 2, le composé se nomme 2-éthoxyéthanol.

• Une cétone principale en position 3 et un groupe hydroxy secondaire en position 4 donnent 4-hydroxyoctan-3-one.

• Quand un aldéhyde est la fonction principale et qu’une cétone secondaire se trouve en position 5, l’exemple donné est 5-oxoheptanal.

• Un acide carboxylique sur une chaîne hexanée portant un méthyle en position 4 se nomme acide 4-méthylhexanoïque.

• Un acide carboxylique extérieur à un cycle hexanique portant un éthyle en position 4 se nomme acide 4-éthylcyclohexanecarboxylique.

• Un ester dérivé de l’acide 4-méthylhexanoïque et d’un groupe éthyle se nomme 4-méthylhexanoate d’éthyle.

• Un ester dérivé de l’acide 4-éthylcyclohexanecarboxylique et du méthyle se nomme 4-éthylcyclohexanecarboxylate de méthyle.

📖 7. Fonctions azotées et molécules complexes

🔑 Notions clés & Définitions

• Amine : Constituée d’un atome d’azote simplement lié à un carbone d’alkyle ; l’azote peut porter des hydrogènes ou d’autres alkyles.
• Amide : Comprend un oxygène doublement lié à un carbone terminal d’alkyle, lui-même simplement lié à un azote qui peut porter des hydrogènes ou d’autres alkyles.

★ À maîtriser

📌 Une amine est primaire, secondaire ou tertiaire selon que l’azote porte respectivement un, deux ou trois substituants.

📌 Les substituants portés par l’azote d’une amine sont indiqués par N majuscule italique, répétée sous la forme N,N lorsque deux substituants identiques sont fixés au même azote.

• Pour nommer une molécule polyfonctionnalisée, on repère les radicaux, on retient comme structure prioritaire le radical ayant le plus de carbones, on choisit la fonction principale et sa structure carbonée de rattachement, puis on ordonne les substituants alphabétiquement avant de nommer la chaîne principale.

• 🔄 La construction du nom suit cet ordre :

  1. Prendre le radical prioritaire comme structure de base.
  2. Y rattacher toutes les fonctions et les autres radicaux, même ramifiés.
  3. Assembler les noms complets des substituants par ordre alphabétique.
  4. Terminer par le nom complet de la chaîne principale.

Compléments

• Les noms d’amines cycliques usuels mentionnés sont :

  • aziridine
  • pyrrolidine
  • aniline
  • N,N-diméthylaniline
  • pyridine

• Une fonction amide terminale sur une chaîne prend le suffixe -amide, tandis qu’une fonction amide portée par un cycle prend le suffixe -carboxamide.

• Si plusieurs fonctions prioritaires identiques existent, on prend comme base la structure qui en porte le plus ; si elles sont réparties également entre plusieurs motifs, on revient aux priorités de structure.

• La présence d’un alcène, d’un alcyne ou d’un halogène ne modifie pas le classement des radicaux selon leur nombre de carbones.

💡 Astuce mémo

Radical prioritaire → rattachement → ordre alphabétique → chaîne principale

📖 8. Isomérie des molécules

🔑 Notions clés & Définitions

• Isomères : Espèces chimiques de même formule brute qui diffèrent par l’ordre ou la nature des liaisons, par leur représentation tridimensionnelle ou par la disposition de leurs atomes dans l’espace.
• Isomérie de fonction : Correspond à des molécules de même formule brute dont les atomes définissent des fonctions différentes.
• Isomérie de position : Correspond à des molécules de même squelette carboné où la même fonction se trouve sur des carbones différents.
• Isomérie de chaîne : Correspond à des molécules dont l’arrangement entre les différents atomes de carbone est différent.

★ À maîtriser

📌 Les isomères de constitution diffèrent par l’enchaînement des atomes et donc par leur formule développée, tandis que les stéréo-isomères ont les mêmes connexions entre atomes et la même formule développée plane, mais diffèrent par leur arrangement tridimensionnel.

Compléments

• Les isomères de constitution comprennent :
  • l’isomérie de chaîne
  • l’isomérie de fonction
  • l’isomérie de position

📖 9. Degré d’insaturation

★ À maîtriser

📐 Formule - Le degré d’insaturation se calcule par $DI=\frac{H_{\mathrm{alcane\ de\ référence}}-H_{\mathrm{molécule}}}{2}$.

• Une double liaison correspond à DI = 1, un cycle à DI = 1 et une triple liaison à DI = 2 ; les insaturations s’additionnent.

Compléments

• Un alcane de n carbones a pour formule générale $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, un monoalcène ou un monocycloalcane a pour formule $\mathrm{C_nH_{2n}}$, et un composé comportant une triple liaison a pour formule générale $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$.

📌 Pour établir la formule de l’alcane de référence, un halogène remplace un hydrogène, un atome divalent comme l’oxygène ou le soufre ne compte pas, et chaque atome trivalent comme l’azote apporte un hydrogène supplémentaire à la formule de référence.

📐 Formule - En tenant compte des atomes monovalents autres que l’hydrogène (X), des atomes divalents (O) et des atomes trivalents (N), le degré d’insaturation vérifie $DI=\frac{H_{\mathrm{réf}}-(H+X-N)}{2}$ ; les atomes divalents n’interviennent pas dans ce calcul.

📌 Le degré d’insaturation est un entier supérieur ou égal à zéro.

💡 Astuce mémo

Deux hydrogènes en moins → une insaturation

📖 10. Modèles atomiques et liaisons

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Lewis : Lewis - Représente les électrons de la couche externe par des points autour du symbole atomique afin de visualiser les électrons de valence et les doublets non liants.
• Modèle orbitalaire : Décrit les volumes occupés par les électrons, appelés orbitales, à l’aide des nombres quantiques n, l et m, et permet ensuite de connaître la géométrie des liaisons formées.
• Modèle de Bohr : Bohr - Représente l’atome comme un noyau autour duquel gravitent des électrons répartis en couches électroniques selon leur nombre et leur énergie.

★ À maîtriser

• Les quatre nombres quantiques définissent :

  • n : la couche électronique
  • l : le sous-niveau et l’énergie
  • m : l’orientation de l’orbitale
  • s : le spin

• Les électrons remplissent successivement les sous-couches selon la règle de Klechkowski, qui classe leur remplissage par valeur croissante de n+l ; dans une même sous-couche, chaque case reçoit d’abord un électron de même spin, puis un second électron de spin opposé.

Compléments

• La règle des 8 électrons énonce que les atomes situés à droite dans le tableau périodique ne peuvent pas avoir plus de 8 électrons sur leur couche externe s+p.

• Les cases quantiques déjà occupées par deux électrons avant la formation des liaisons donnent des doublets non liants.

📌 Les valeurs permises des nombres quantiques sont n entier supérieur à 0, l compris entre 0 et n−1, m compris entre −l et +l, et s égal à +½ ou −½.

📌 La perte d’électrons donne une charge positive, tandis que le gain d’électrons donne une charge négative ; les atomes situés à gauche du tableau périodique tendent à perdre des électrons et ceux situés à droite tendent à en gagner.

📖 11. Orbitales p et hybridation

★ À maîtriser

• Le modèle orbitalaire ne rend pas entièrement compte de certaines particularités géométriques, ce qui conduit à le compléter par le modèle d’hybridation intégrant la théorie VSEPR, ou RPECV.

Compléments

• Les trois valeurs de m (−1, 0 et 1) définissent trois orbitales p orientées selon les axes x, y et z, chacune constituée de deux demi-lobes.

• En chimie organique, les orbitales principalement utilisées sont les orbitales s et p.

📖 12. Modes d’hybridation du carbone

★ À maîtriser

• L’hybridation des orbitales s et p externes explique l’équivalence des quatre liaisons du méthane, que les orbitales s et p séparées ne permettent pas d’expliquer.

• En hybridation sp³, quatre orbitales identiques forment des liaisons σ simples, de caractère 25 % s et 75 % p, orientées avec un angle de 109°28′ dans une géométrie tétraédrique.

• En hybridation sp², trois orbitales sp² identiques ont un caractère 33 % s et 66 % p, tandis qu’une orbitale p restante, située au-dessus et au-dessous du plan des trois autres, peut former une liaison π.

• La représentation de Cram montre les liaisons dans le plan par des traits pleins, celles à l’arrière par des traits hachurés et celles à l’avant par des traits plus forts.

• La projection de Newman s’obtient en choisissant deux atomes voisins, en plaçant le point de vue dans leur axe, puis en reportant à plat ce qui est vu après avoir aligné les deux atomes.

📌 Dans une projection de Newman, la conformation est décalée lorsque tous les substituants des deux atomes sont visibles, et éclipsée lorsque les substituants avant masquent ceux de l’arrière.

• La projection de Fischer place la chaîne la plus longue verticalement et les substituants horizontalement, avec les liaisons verticales orientées à l’arrière du plan et les liaisons horizontales vers l’avant.

Compléments

• Lors d’une hybridation, les orbitales s et p externes, proches en énergie, se mélangent pour former des orbitales identiques ; dans le cas sp, l’état excité du carbone est noté 1s² « 2sp⁴ ».

• Le mélange d’une orbitale s et d’une orbitale p forme une orbitale sp à double lobe dissymétrique, centrée sur le noyau et de caractéristiques intermédiaires entre s et p.

• Les combinaisons possibles sont :

  • s + 3p pour sp³
  • s + 2p avec une orbitale p isolée pour sp²
  • s + 1p avec deux orbitales p isolées pour sp¹

📌 Le terme « hybridation sp » désigne le modèle, tandis que « sp¹ » désigne explicitement le cas s + 1p.

• En notation VSEPR, une géométrie AX4 correspond à quatre liaisons identiques, comme dans CH₄, tandis que AX2E2 correspond à deux liaisons et deux doublets non liants, comme dans H₂O.

• En hybridation sp², les trois orbitales sp² forment un angle de 120° et une géométrie plane, décrite en VSEPR par AX3 pour trois liaisons identiques.

• En hybridation sp¹, deux orbitales sp identiques forment des liaisons σ avec un caractère de 50 % s et 50 % p, tandis que les deux orbitales restantes sont des orbitales π perpendiculaires à l’axe des deux autres.

• En hybridation sp¹, les deux orbitales sp sont orientées à 180° et donnent une géométrie linéaire, décrite en VSEPR par AX2 pour deux liaisons identiques.

• Dans une projection de Fischer, les liaisons sont tracées simplement et les hydrogènes des carbones sont le plus souvent omis au profit des fonctions.

💡 Astuce mémo

sp³ : tétraèdre ; sp² : plan ; sp¹ : ligne.

📖 13. Conformères et analyse conformationnelle

🔑 Notions clés & Définitions

• Gêne stérique : L’encombrement spatial d’une partie de la molécule par rapport à une autre ou le résultat de répulsions électroniques, et elle déstabilise la molécule.

★ À maîtriser

• La libre rotation autour des liaisons simples sp³ fait passer une molécule entre différentes conformations sans rupture de liaison.

📌 Les conformères d’une même molécule ont des énergies différentes et leur population est d’autant plus importante que leur énergie est faible.

Compléments

• Dans l’éthane, la conformation décalée est plus stable que la conformation éclipsée, car les hydrogènes de la conformation éclipsée se gênent.

• À température ambiante, la rotation conformationnelle est très rapide, nécessite seulement quelques kJ et les conformères ne sont pas séparables dans les conditions ordinaires de 25 °C et 1 atm.

• Des interactions électrostatiques de van der Waals entre certains atomes et des atomes d’hydrogène peuvent stabiliser une molécule.

💡 Astuce mémo

Gêne stérique accrue → conformation déstabilisée

📖 14. Stéréoisomérie et chiralité

🔑 Notions clés & Définitions

• Stéréoisomérie : Une relation entre des molécules ayant les mêmes connexions entre atomes et la même formule développée plane, mais un arrangement tridimensionnel différent.
• Chiralité : La propriété d’un objet dont l’image dans un miroir n’est pas superposable à l’objet ; une molécule est chirale si elle ne possède aucun plan de symétrie.
• Énantiomères : Des molécules images l’une de l’autre dans un miroir et non superposables, sans nécessairement porter un centre asymétrique avec quatre substituants différents.

★ À maîtriser

📌 Les conformères sont interconvertibles par rotation d’une liaison σ sans rupture de liaison et ne sont pas isolables, tandis que les isomères de configuration sont isolables lorsque la rotation est empêchée, notamment par une double liaison.

Compléments

• 🔄 Le changement de configuration autour d’une double liaison suit ces étapes :

  1. Rupture de la liaison π
  2. Rotation de la liaison σ
  3. Reformation de la liaison π

• La description syn ou anti caractérise la conformation de deux carbones voisins portant une fonction identique ou différente.

• La description E ou Z caractérise la configuration autour d’une double liaison.

• Deux énantiomères ont les mêmes propriétés physiques et chimiques, mais des activités optiques de sens opposés.

💡 Astuce mémo

Conformation : rotation ; configuration : transformation chimique

📖 15. Activité optique et configuration absolue

🔑 Notions clés & Définitions

• Mélange racémique : Un mélange en proportions équimolaires de deux énantiomères, possédant un pouvoir rotatoire global nul et noté (±).

★ À maîtriser

• Deux énantiomères purs dévient le plan de la lumière polarisée d’une valeur égale et en sens opposés.

📐 Formule - À une température T donnée, le pouvoir rotatoire spécifique vérifie $[\alpha] = \frac{\alpha}{l.c}$, où α est l’angle de rotation observé, l la longueur de cuve en dm et c la concentration en g/mL.

📌 Les lettres R et S définissent la configuration absolue d’un centre asymétrique selon les priorités CIP, sans déterminer le signe (+) ou (−) du pouvoir rotatoire.

Compléments

📌 Une déviation vers la gauche est lévogyre et notée (l) ou (−), tandis qu’une déviation vers la droite est dextrogyre et notée (d) ou (+).

• L’alanine lévogyre a un pouvoir rotatoire de −8,5° et l’alanine dextrogyre de +8,5° ; les notations L et D ne remplacent pas les signes du pouvoir rotatoire.

• Dans la plupart des molécules chirales, le centre stéréogène est un atome hybridé sp³ portant quatre substituants différents.

💡 Astuce mémo

R/S décrit la configuration, (+)/(−) le sens de rotation

📊 Tableaux de synthèse

Géométries des hybridations