chimie
organique
UE1
Élise Marche
ParcourS SanTÉ
& L.aS
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© Dunod, 2020
11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff www.dunod.com ISBN 978-2-10-080980-6
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Table des matières
Avant-propos X
Chapitre 1
Structure des molécules 1
■1. Nomenclature systématique 1
1.1. Intérêt d’une nomenclature systématique 1
1.2. Les principales fonctions organiques 2
1.3. Nomenclature des alcanes 4
1.4. Nomenclature des autres molécules 6
■2. Représentation des molécules 7
2.1. Formules de constitution 7
2.2. Représentation spatiale 8
■3. Isomérie 9
Synthèse 10
QCM et exercices 11
Corrigés 15
Chapitre 2
Stéréoisomérie de conformation 23
■1. Conformations des molécules linéaires 23
1.1. Cas de la molécule d’éthane 23
1.2. Cas de la molécule de butane 25
1.3. Généralisation 26
■2. Conformations des cycles à six atomes 26
2.1. Cas de la molécule de cyclohexane 26
2.2. Cas des cyclohexanes substitués 29
2.3. Cas des molécules polycycliques 31
Synthèse 32
QCM et exercices 33
Corrigés 36 III
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IV
Chapitre 3
Stéréoisomérie de configuration 41
■1. Classement des substituants 41
1.1. Règles séquentielles de Cahn, Ingold, Prelog (CIP) 41
1.2. Applications 44
■2. Relation d’énantiomérie 46
2.1. Notion de chiralité 46
2.2. Une conséquence à la chiralité : l’activité optique 50
■3. Relation de diastéréoisomérie 51
3.1. Diastéréoisomérie Z/E 51
3.2. Cas des molécules possédant plusieurs carbones asymétriques 52 Synthèse 54
QCM et exercices 55
Corrigés 60
Chapitre 4
Les effets électroniques 69
■1. Théorie de l’hybridation 69
1.1. Rappels sur la géométrie des orbitales 69
1.2. Orbitales hybridées 71
■2. L’effet inductif 72
2.1. Polarité d’une liaison 72
2.2. Polarisabilité 73
2.3. Définition de l’effet inductif 74
■3. L’effet mésomère 74
3.1. Présentation du phénomène 74
3.2. Écriture des formules mésomères limites 75
3.3. Les électrons délocalisables 77
3.4. Stabilisation par effet mésomère 78
3.5. Groupements mésomères donneurs/groupements 78 mésomères attracteurs
Synthèse 79
QCM et exercices 80
Corrigés 84
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V
Chapitre 5
Mécanismes réactionnels 91
■1. Notion de mécanisme réactionnel 91
1.1. Acte élémentaire 91
1.2. Les intermédiaires réactionnels 93
1.3. Profil réactionnel 95
1.4. Les grandes familles de réactions chimiques 96
■2. Exemples de mécanismes réactionnels 98
2.1. Substitutions nucléophiles 98
2.2. Réactions catalysées 100
■3. Notion de contrôle cinétique et de contrôle thermodynamique 101 Synthèse 103
QCM et exercices 104
Corrigés 107
Chapitre 6
Spectroscopies IR, UV et RMN 113
■1. Notions de spectroscopie 113
■2. Spectroscopies UV-visible et IR 114
2.1. Absorption des radiations par les molécules 114
2.2. Principe de fonctionnement de l’appareil 115
2.3. Loi de Beer-Lambert 116
2.4. Étude des spectres 117
■3. Spectroscopie de RMN 118
3.1. Principe de la RMN 118
3.2. Description de l’appareil 119
3.3. Description des spectres de RMN 1H 120
Synthèse 123
QCM et exercices 124
Corrigés 130
Chapitre 7
Les alcanes 135
■1. Structure 135
■2. Réactivité 136
2.1. Halogénation des alcanes 136
2.2. Combustion des alcanes 138
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VI
Synthèse 138
QCM et exercices 139
Corrigés 140
Chapitre 8
Les alcènes 145
■1. Présentation 145
1.1. Structure 145
1.2. Données spectroscopiques 146
1.3. Réactivité 146
■2. Hydrogénation catalytique 146
■3. Les additions électrophiles 148
3.1. Mécanisme général 148
3.2. Addition des halogénures d’hydrogène HX (hydrohalogénation) 148
3.3. Addition d’eau ou hydratation 149
3.4. Addition des dihalogènes X2 149
3.5. Addition des acides hypohalogéneux HOX 150
■4. Les oxydations 151
4.1. L’ozonolyse 151
4.2. Époxydation 151
4.3. Dihydroxylation 152
■5. Un mot sur les alcynes 153 Synthèse 155
QCM et exercices 156
Corrigés 160
Chapitre 9
Les composés benzéniques 173
■1. Présentation 173
1.1. Le benzène et ses dérivés 173
1.2. Spectroscopie 175
1.3. Réactivité 175
■2. Substitution électrophile aromatique 176
2.1. Mécanisme général 176
2.2. Les différentes substitutions 177
2.3. Polysubstitutions 178
2.4. Réactivité de benzènes substitués 178
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VII
2.5. Orientation : règles de Holleman 178
2.6. Conclusion 181
Synthèse 183
QCM et exercices 184
Corrigés 187
Chapitre 10
Les dérivés monohalogénés 193
■1. Présentation 193
1.1. Structure 193
1.2. Données spectroscopiques 194
1.3. Réactivité 194
■2. Substitution nucléophile 194
2.1. Substitution nucléophile monomoléculaire ou SN1 196
2.2. Substitution nucléophile bimoléculaire ou SN2 196
■3. Élimination 197
3.1. Élimination monomoléculaire E1 198
3.2. Élimination bimoléculaire E2 199
3.3. Compétition SN/E 200
3.4. Bilan 200
■4. Formation d’organométalliques 201 Synthèse 202
QCM et exercices 203
Corrigés 206
Chapitre 11
Les alcools 215
■1. Présentation 215
1.1. Structure 215
1.2. Données spectroscopiques 216
1.3. Température de changement d’état 216
1.4. Réactivité 216
1.5. Propriétés acido-basiques 216
■2. Réactions nucléophiles 217
2.1. Synthèse de Williamson d’un éther-oxyde 218
2.2. Action sur un dérivé d’acide inorganique 218
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VIII
■3. Rupture de la liaison C–O 218
3.1. Substitution nucléophile 218
3.2. Déshydratation 219
■4. Oxydations 219
Synthèse 220
QCM et exercices 221
Corrigés 224
Chapitre 12
Les amines 231
■1. Présentation 231
1.1. Structure 231
1.2. Remarque concernant la nomenclature 232
1.3. Données spectroscopiques 233
1.4. Réactivité 233
1.5. Propriétés acido-basiques 234
■2. Réactions nucléophiles 235
2.1. Alkylation des amines 235
2.2. Formation des imines 235
2.3. Formation des amides 236
2.4. Nitrosation des amines 236
Synthèse 239
QCM et exercices 240
Corrigés 242
Chapitre 13
Les composés carbonylés : Aldéhydes et Cétones 247
■1. Présentation 247
1.1. Structure 247
1.2. Propriétés spectroscopiques 248
1.3. Réactivité 249
1.4. Équilibre céto-énolique 249
■2. Réactions d’addition 250
2.1. Addition de dihydrogène : hydrogénation 250
2.2. Mécanisme général de l’addition nucléophile 251
2.3. Addition des hydrures et des organomagnésiens 252
2.4. Formation d’hydrates, d’hémiacétal et d’acétal 252
2.5. Réaction avec les composés azotés 254
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IX
■3. Aldolisation, cétolisation 255
3.1. Acidité du H en a de la fonction carbonyle 255
3.2. Réaction d’aldolisation et de cétolisation 255
3.3. Réaction de Cannizzaro 258
■4. Oxydation 258
■5. Un mot sur les glucides 259 Synthèse 262
QCM et exercices 263
Corrigés 266
Chapitre 14
Les acides carboxyliques et leurs dérivés 275
■1. Présentation des acides carboxyliques 275
1.1. Structure 275
1.2. Propriétés spectroscopiques 276
1.3. Acidité 277
■2. Synthèse des dérivés d’acides carboxyliques 277
2.1. Synthèse des chlorures d’acyle et des anhydrides 277
2.2. Synthèse des esters 278
2.3. Synthèse des amides 279
2.4. Synthèse des nitriles 280
■3. Réactions des dérivés d’acides carboxyliques 281
3.1. Réactivité 281
3.2. Hydrolyse 281
3.3. Autres réactions des acides et dérivés 284
■4. Les acides aminés 285 Synthèse 288
QCM et exercices 289
Corrigés 293
Fiche méthode 301
Index 307
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X
Avant-propos
Historiquement, la chimie organique fut définie comme étant la chimie du vivant par opposition à la chimie minérale ou inorganique qui s’intéressait à l'étude des subs tances issues du monde minéral. Contrairement aux substances minérales, les subs tances organiques, pensait-on alors, ne pouvaient pas être synthétisées ailleurs que dans un organisme vivant. Mais la découverte au xixe siècle de la possibilité de synthétiser certaines molécules (urée, méthanol, benzène…) a rendu cette première définition caduque.
La chimie organique se définit aujourd’hui comme la branche de la chimie qui s’intéresse aux molécules contenant l’élément carbone, on parle aussi de chimie du carbone. Elle est un passage obligé vers la compréhension des autres disciplines de la biologie, en particulier de la biochimie qui s’intéresse spécifiquement aux molécules fabriquées par les organismes vivants.
Cet ouvrage s’adresse tout particulièrement aux étudiants préparant les concours de la 1re année Santé. Le programme très lourd de cette année de concours oblige les étudiants à assimiler de très nombreuses connaissances en peu de temps. C’est pour- quoi cet ouvrage propose un cours concis mais complet, des exercices et des QCM inspirés ou extraits d’annales de différents CHU et des corrections d’exercices volon- tairement très détaillées afin que les étudiants puissent travailler en totale autonomie.
Ce livre pourra également être utilisé par les étudiants de licence, de BTS ou d’IUT plus particulièrement ceux des filières liées à la biologie.
La chimie organique se travaille nécessairement avec un papier et un stylo : pour assimiler correctement les notions de base, il sera nécessaire d’écrire et de réécrire les mécanismes, de représenter les molécules…
Bon courage à tous et bon travail !
« Le plus simple écolier sait maintenant des vérités pour lesquelles Archimède eût sacrifié sa vie. » Ernest Renan
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1
1
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Structure des molécules
P lan O bjectifs
1. Nomenclature systématique 2. Représentation des molécules 3. Isomérie
Synthèse
QCM et exercices Corrigés
• Savoir nommer une molécule simple
• Savoir représenter une molécule à partir de son nom systématique
• Connaître les représentations des molécules
■■■
■ 1. Nomenclature systématique
❚ 1.1. Intérêt d’une nomenclature systématique
La chimie organique est la chimie des composés d’origine naturelle ou synthétique qui contiennent l’élément carbone.
Les premières molécules organiques étaient extraites de produits naturels et portaient le nom de leur découvreur ou un nom rappelant leur origine (voir figures page suivante). Ce nom ne renseignait en rien sur la structure de la molécule.
Avec l’explosion des méthodes d’extraction et surtout de la synthèse organique, un nombre considérable de molécules a fait son apparition, nécessitant l’introduction de règles de nomenclature systématique.
Le nom de la molécule doit contenir toutes les informations sur l’organisation des atomes dans la molécule :
■ nombre d’atomes de carbone dans la chaîne carbonée ;
■ ramifications ;
■ nature, nombre et position des fonctions organiques.
Ces règles permettent d’associer à chaque formule développée un nom qui ne peut appartenir qu’à elle et, inversement, d’établir sans ambiguïté, à partir d’un nom, la structure du composé qu’il désigne.
O bjectifs P lan
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Cours Structure des molécules
1
2
OH
O
OCH3
OH
CH2OH O H HO
OH H
OH H
CH2OH
N
N N
N O
O
H OH
O
CH3 OH
menthol (extrait de la menthe)
vaniline
fructose (sucre des fruits)
acide formique (du latin formica : fourmi)
acide acétique (du latin acetum : vinaigre)
caféine O
Quelques exemples de noms triviaux
❚ 1.2. Les principales fonctions organiques
Une molécule organique est constituée d’une chaîne carbonée sur laquelle viennent se greffer soit des atomes d’hydrogène soit des groupements d’autres atomes. Chacun de ces groupements permet de déterminer la fonction organique d’une molécule.
Les principales familles de composés organiques à connaître sont indiquées dans le tableau ci-dessous.
Principales famille de composés organiques
Famille Structure
Sans hétéroatome
Alcane H3C CH3
Alcène
C C
H
H
H
H
Alcyne H C C H
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3 Structure des molécules Cours
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Sans hétéroatome
Arène
Avec hétéroatome
Dérivé halogéné R X (X = F, Cl, Br, I)
Alcool R OH
Thiol R SH
Amine
R NH 2 R NH R'
R N R'
primaire secondaire tertiaireR''
Aldéhyde R
H
O C
Cétone R
R′
O C
le carbone fonctionnel est lié à 2 carbones
Imine R
C R'
N R''
Acide carboxylique
O
OH R
C
Ester O
OR′
R C
Amide O
NH2 R
O
NH
R R'
O
N
R R'
R'' C C
C
R, R′ et R″ sont des groupements carbonés appelés groupes alkyles pouvant être identiques ou différents.
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Cours Structure des molécules
1
4
La classe d’un dérivé monohalogéné, d’un alcool ou d’un thiol est le degré de substitution de l’atome de carbone portant l’hétéroatome (c'est-à-dire le nombre de carbone lié au groupe fonctionnel).
Exemples
alcool secondaire
CH3 C CH3
CH3
CH3 CH OH CH3 CH3 CH2 CH2 Cl OH
dérivé monohalogéné primaire alcool tertiaire
La classe d’une amine est le degré de substitution de l’atome d’azote.
Exemples
amine secondaire
CH3 N CH3
CH3 CH3 NH
CH3 CH3 CH2 CH2 NH2
amine primaire amine tertiaire
Attention
Les étudiants ont tendance à voir des cétones partout. Il faut bien regarder à quels atomes est lié le carbone engagé dans la double liaison avec l’oxygène : il ne s’agit d’une cétone que si le carbone fonctionnel est lié à deux carbones. Si le carbone fonctionnel porte un carbone et un hydrogène (ou deux hydrogènes), il s’agit d’un aldéhyde. On dit aussi que dans une cétone, le carbone fonctionnel est en position centrale, alors qu’il est en position terminale dans un aldéhyde.
Si le carbone fonctionnel porte un hétéroatome, il s’agit d’une fonction trivalente (acide, ester, amide…)
❚ 1.3. Nomenclature des alcanes
Le nom des alcanes linéaires est composé d’un préfixe indiquant le nombre d’atomes de carbone et de la terminaison « ane » indiquant que la molécule appar tient à la famille des alcanes.
Les noms des dix premiers alcanes linéaires sont donnés dans le tableau ci-dessous.
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5 Structure des molécules Cours
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Les dix premiers alcanes linéaires Nombre d’atomes
de carbone Nom
de l’alcane Nombre d’atomes
de carbone Nom
de l’alcane
1 Méthane 6 Hexane
2 Éthane 7 Heptane
3 Propane 8 Octane
4 Butane 9 Nonane
5 Pentane 10 Décane
Pour les alcanes ramifiés, il faut indiquer la position et la nature des groupements alkyles.
Le nom d’un groupement alkyle découle de celui de l’alcane de même nombre de carbone : on remplace la terminaison « ane » par « yl » : méthyl, éthyl, propyl, butyl…
1. On repère la chaîne carbonée la plus longue : c’est elle qui donnera son nom à l’alcane.
2. On numérote cette chaîne de manière à ce que la ramification porte le plus petit numéro possible.
3. On indique la position de la ramification, puis son nom, suivi du nom de l’alcane.
S’il y a plusieurs ramifications, on les énumère par ordre alphabétique.
Exemples
H3C CH2 CH CH3
CH3
4 3 2 1
4 carbones dans la chaîne principale : butane.
Numérotation de droite à gauche pour que la ramification porte le plus petit numéro.
Ramification méthyl sur le carbone 2.
Nom : 2-méthylbutane.
H3C CH CH CH CH3
CH3
CH2
CH2
CH3
CH2 CH2 CH3
1 2 3 4 5 6 7 8
Nom : 4-éthyl-2,3-diméthyloctane.
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Cours Structure des molécules
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❚ 1.4. Nomenclature des autres molécules
Le nom systématique des autres molécules découle de celui des alcanes : on enlève le « e » au nom de l’alcane et on ajoute une terminaison qui indique à quelle famille la molécule appartient.
Quand une molécule possède plusieurs fonctions, celle qui donne la terminaison du nom et la numérotation de la chaîne carbonée est la fonction la plus oxydée, on parle de fonction prioritaire. Les fonctions secondaires sont traitées comme les ramifications : on les indique par un préfixe précédé d’un indice de position.
Les terminaisons pour les différentes fonctions rencontrées et les préfixes utilisés pour les fonctions secondaires sont regroupés dans les tableaux ci-dessous.
Terminaisons indiquant la famille.
Fonction Terminaison Préfixe
pour une fonction secondaire
Alcène (an)-ène
Alcyne (an)-yne
1 Amine primaire -amine Amino
2 Thiol -thiol Mercapto
3 Alcool -ol Hydroxy
4 Cétone -one Oxo
5 Aldéhyde -al Oxo
6 Nitrile -nitrile Cyano
7 Amide -amide Carboxamido
8 Ester -oate d’ -yle Carboalkoxy
9 Acide carboxylique acide -oïque Carboxy
Les fonctions 1 à 9 sont classées par ordre de priorité croissante.
Attention
Il faut être vigilant à bien repérer la chaîne carbonée la plus longue comportant la fonction principale et à la numéroter en partant d’une extrémité de manière à ce que le carbone portant la fonction prioritaire porte le plus petit numéro.
Voir chapitre 12 pour plus d’information sur la nomenclature des amines.
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7 Structure des molécules Cours
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Exemples
CH3 CH C
O H OH
2-hydroxypropanal
CH
3 C
O
CH2 C O
OH
acide 3-oxobutanoïque
à noter
Quand un alcène possède une autre fonction, on utilise une double terminaison.
Exemples
H2C CH CH2 OH prop-2-én-1-ol.
H2C CH CH2 C
O
OH acide but-3-énoïque.
■■■
■ 2. Représentation des molécules
❚ 2.1. Formules de constitution
La formule brute ne donne que la composition de la molécule et ne renseigne pas sur l’arrangement des atomes.
Exemple C2H6O
La formule développée fait apparaître toutes les liaisons de la molécule.
Exemple C C O
H H
H H
H
H
La formule semi-développée ne fait pas apparaître les liaisons simples avec l’hydrogène.
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Cours Structure des molécules
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Exemple CH3 CH2 OH
La formule topologique ne fait apparaître que les hétéroatomes et symbolise les liaisons carbone–carbone par un tiret.
Exemple OH
❚ 2.2. Représentation spatiale
Certaines molécules ne diffèrent que par l’arrangement des atomes dans l’espace, il est donc nécessaire de disposer de représentations rendant compte de la structure spatiale des molécules.
Représentation de Cram
La représentation de Cram du méthane (CH4) est la suivante :
■ Un trait plein représente une liaison dans le plan de la feuille.
■ Un triangle noir représente une liaison en avant du plan.
H C
H H
H
■ Un triangle hachuré représente une liaison en arrière du plan.
Attention
Beaucoup d’étudiants utilisent mal cette représentation. Deux erreurs fréquentes sont à éviter :
• Des angles droits entre les liaisons :
L’angle entre les deux traits plein représentant les deux liaisons dans le plan doit être supérieur à 90°.
• Une liaison en dehors du plan de la feuille dessinée entre les deux liaisons dans le plan :
Il ne doit pas y avoir de liaisons vers l’avant ou vers l’arrière dans cet espace.
De façon générale, il faut que le correcteur puisse se représenter la géométrie tétraé- drique du carbone en regardant votre représentation.
Représentation en projection de Newman
Pour passer de la représentation de Cram à celle de Newman, on regarde la molécule dans l’axe de la liaison entre 2 carbones voisins et on projette dans un plan frontal.
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9 Structure des molécules Cours
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L’atome de devant est représenté par un cercle, les liaisons sont représentées par des segments issus du centre du cercle. L’atome de derrière est masqué, les liaisons sont représentées par des segments qui s’arrêtent à la périphérie du cercle.
Exemple pour l’éthane
Représentation de Fischer
C’est une représentation en deux dimensions, utilisée notamment pour les oses et les acides aminés. La molécule est construite en forme de croix, le carbone central est situé au point d’intersection. Les lignes horizontales pointent vers l’avant, les lignes verticales vers l’arrière.
CHO OH CH3
H C
CHO
CH3 OH
= H
CHO
H OH
CH3
=
Pour les oses et les acides aminés, on place la chaîne carbonée la plus longue verti- calement, la fonction la plus oxydée vers le haut, on numérote la chaîne carbonée de manière à ce que la fonction la plus oxydée ait le plus petit numéro (donc de haut en bas). Si le stéréocentre de numéro le plus élevé est représenté en Fischer avec la fonction –OH ou –NH2 vers la gauche, l’ose ou l’acide aminé appartient à la série L, sinon, il appartient à la série D.
CHO H HO
OH H
CH2OH
Ose H de la série D D-thréose
Acide aminé de la série L L-alanine H2N
COOH
CH3
■■■
■ 3. Isomérie
On appelle isomères des molécules différentes ayant la même formule brute.
L’isomérie se divise en plusieurs familles (voir figure ci-après).
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Cours Structure des molécules
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10
Isomères de chaîne
(enchaînement des atomes de C différent) Isomères de constitution
(enchaînement des
atomes différent) Isomères de fonction (groupes fonctionnels différents)
Isomères de position
(positions différentes des groupes fonctionnels) Isomères
(même formule brute)
Stéréoisomères (même constitution mais structures spatiales différentes)
Conformères ou stéréoisomères de conformation (stuctures différentes d’une même molécule obtenues par rotations autour de liaisons simples C-C)
Stéréoisomères de configuration (le passage d’une stucture à l’autre nécessite la rupture d’une liaison)
Énantiomères
Diastéréoisomères
Les différentes familles d’isomères
La notion de stéréoisomérie sera largement développée dans les chapitres 2 et 3.
S ynthèse
Je sais définir
• Hétéroatome
• Isomérie
Je connais
• Les principaux groupes fonctionnels
• Les formules de constitution
• La représentation de Cram
• La représentation de Newman
• La représentation de Fischer
• Les différents types d’isomérie Je sais
• Utiliser les règles de nomenclature systématique pour nommer une molécule
• Représenter une molécule à partir de son nom systématique
• Passer de la représentation de Cram à celle de Newman et vice versa
• Passer de la représentation de Cram à celle de Fischer et vice versa
• Prévoir la série L ou D d’un sucre ou d’un acide aminé
S ynthèse
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11 Structure des molécules Entraînement
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Q uestions à choix multiples et exercices
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La (+) Hernandulcine a un pouvoir sucrant 1 000 fois supérieur à celui du saccharose mais son utilisation comme édulcorant n’est pas autorisée contrairement à l’aspartame dont le pouvoir sucrant est 110 fois supérieur à celui du saccharose.Les deux molécules sont représentées ci-dessous.
O
H3C
HO H H
(+) Hernandulcine
HN
CH2COOH O
OCH3 NH2 H
HO Ph
Aspartame
Parmi les affirmations suivantes, concernant ces deux molécules, lesquelles sont correctes ?
❒a. Les deux molécules possèdent une fonction cétone.
❒b. La (+)Hernandulcine possède une fonction alcool secondaire.
❒c. L’aspartame possède une fonction amine secondaire.
❒d. L’aspartame possède une fonction ester.
❒e. L’aspartame possède deux fonctions acide carboxylique.
2
Attribuer à chaque molécule son nom systématique.OH O
O O
O O
H
NH2 O
OH
1 2 3 4
OH O O
O
OH NH2
5 6 7
a. 4,5-diméthyl-oct-2-ol b. acide pent-3-ènoïque.
Q uestions à choix multiples et exercices
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Structure des molécules Entraînement
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❒a. 4,5-diméthyloctan-2-ol
❒b. acide pent-3-ènoïque.
❒c. 5-oxohexanal
❒d. 3-aminobutanal.
❒e. acide 2-aminobutanoïque.
❒f. 5-hydroxy-4-éthylheptan-3-one.
❒g. 3-oxobutanoate d’éthyle.
3
Parmi ces différentes propositions, laquelle est conforme à la nomenclature systématique ?
❒a. 7-amino-5-hydroxy-4,8-diméthylnonan-1,3-dione.
❒b. 7-amino-5-hydroxy-4,8,8-triméthyl-3-oxooctanal.
❒c. 7-amino-5-hydroxy-4,8-diméthyl-3-oxononanal.
❒d. 7-amino-5-hydroxy-4,8-diméthyl-1-oxonon-3-one.
4
Quelles sont les propositions exactes parmi ces affirmations concernant la repré sentation des molécules ?
❒a. La formule topologique ne donne que la composition en atomes de la molé cule.
❒b. Plusieurs molécules différentes peuvent avoir la même formule brute.
❒c. Plusieurs molécules différentes peuvent avoir la même formule semi-dévelop pée.
❒d. La représentation de Cram apporte plus d’informations sur la structure spatiale de la molécule que la formule développée.
❒e. La représentation de Fischer apporte plus d’informations sur la structure spatiale de la molécule que la représentation de Cram.
5
On s’intéresse aux isomères acycliques du pent-1-ène. Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont correctes.
❒a. La formule brute du pent-1-ène est C5H12.
❒b. Le pent-1-ène et le pent-2-ène sont isomères de fonction.
❒c. Il existe 5 isomères linéaires du pent-1-ène.
❒d. Le 2-méthylbut-1-ène et le 3-méthylbut-1-ène sont isomères de position.
❒e. Le pent-2-ène existe sous forme de 2 stéréoisomères
6
Soit la molécule suivante notée A.H3C
HHO CHO
CH3H
Parmi les représentations suivantes, lesquelles sont des représentations correctes de A ?
❒a.
CHO
CH3 H
CH3
HO H
❒ c.
CH3
H OH
CHO
H H3C
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13 Structure des molécules Entraînement
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❒b.
CHO
CH3 H
CH3
H OH
❒ d.
CHO
H3C H
CH3
HO H
7
Soit la molécule A :H3C
CHO H OH
OH H A
Parmi les représentations suivantes, lesquelles correspondent à A ?
CH 3
HO H
CHO
OH H
CHO
H OH
CH 3
HO H CH 3
H OH
CHO
OH H
CHO
H HO
CH 3
HO H
CHO H HO
CH 3 OH H
❒ d. ❒ e.
❒ c.
❒ b.
❒ a.
8
On donne la représentation de Cram du D-glucose :HOH2C C
C C
C CHO
H H
H OH
HO HO
HO H
Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont correctes :
❒a. Le D-Glusose possède une fonction cétone
❒b. Le D-Glucose possède 5 fonctions alcool secondaire
❒c. Le nom systématique du D-glucose est 2, 3, 4, 5, 6-pentahydroxyhexanal
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Structure des molécules Entraînement
1
❒d. Dans la représentation de Fischer du D-Glucose, le groupement -OH porté par l’avant dernier carbone de la chaine est à droite.
❒e. En représentation de Fischer, tous les groupements –OH sont à droite.
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On considère les molécules suivantes :A B C
D
O
O
OH O
Parmi ces affirmations lesquelles sont correctes ?
❒a. B et D sont isomères de fonction.
❒b. A et D sont isomères de position.
❒c. A et D sont isomères de chaîne.
❒d. C et D sont isomères de fonction.
❒e. C et D sont isomères de chaîne.
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Indiquez si chacune des propositions suivantes est vraie ou fausse :❒a. Le nom officiel de la molécule suivante est 3-éthyl-5-hydroxypent-2-èn-4-one
O
OH
❒b. L’hexan-2-ol et l’hexan-3-ol sont isomères de fonction.
❒c. Il existe 4 alcools primaires de formule C5H12O.
❒d. Il existe 3 esters de formule C4H8O2.
❒e. Il existe 3 composés cycliques de formule C4H8O.
❒f. Les 2 structures suivantes sont identiques :
CHO H HO
OH H
CH2OH
et OHC HO H
CH2OH H OH
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15 Structure des molécules Entraînement
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L’acide ricinoléique ou acide 12-hydroxy-9-octadécénoïque est un acide gras obtenu par saponification de l’huile de ricin. Quelles sont les fonctions organiques présentes ? Préciser éventuellement leur classe.H H
C C
(CH2)7 OH
H COOH
H2C C6H13
12
Donner la formule topologique de l’acide 2-amino-3-oxopentanoïque.C orrigés
1
Affirmations correctes : b. et d.HN O
CH2COOH O
OCH3
H3C
H
NH2
H
HO Ph
HO H alcène
cétone
alcool secondaire alcène
ester
acide carboxylique amide
amine primaire
La classe d’un alcool est le degré de substitution de l’atome de carbone portant l’oxygène, la classe d’une amine est le degré de substitution de l’atome d’azote.
C orrigés
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Structure des molécules Entraînement
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2
OH O
O O
O O
H
NH2 O
OH
1 2 3 4
OH O O
O
OH NH2
5 6 7
1.f. : 5-hydroxy-4-éthylheptan-3-one.
2.g. : 3-oxobutanoate d’éthyle.
3.d. : 3-aminobutanal.
4.b. : acide pent-3-ènoïque.
5.a. : 4,5-diméthyloctan-2-ol 6.c. : 5-oxohexanal
7.e. : acide 2-aminobutanoïque.
3
Nom correct : c. 7-amino-5-hydroxy-4,8-diméthyl-3-oxononanal.Cela correspond à la formule topologique :
O O OH NH2
3 4
6 7
8 9 2
1 5
a. Sur le premier carbone, il s’agit d’une fonction aldéhyde et non pas cétone.
b. Il s’agit d’une chaîne carbonée à neuf atomes de carbone (il ne peut pas y avoir de ramification sur les premiers ou le dernier atome de la chaîne).
d. La fonction aldéhyde est prioritaire sur la fonction cétone, c’est elle qui donne la terminaison du nom de la molécule.
4
Affirmations correctes : b., c. et d.a. La formule topologique renseigne sur l’enchaînement des atomes, c’est la formule brute qui ne donne que la composition de la molécule.
b. Deux isomères ont la même formule brute mais des formules semi-développées (ou développées ou topologiques) différentes. Par exemple, les deux molécules suivantes (une cétone et un énol) ont pour formule brute C4H8O :
O OH
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17 Structure des molécules Entraînement
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c. Deux stéréoisomères ont la même formule semi-développée et différent par l’arrangement des atomes dans l’espace. Par exemple, les deux alcènes suivants ont la même formule semi- développée :
H3C
C C
H CH3
H H
C C
H3C CH3
H
H3C CH CH CH3
Ce sont deux molécules différentes, répondant au même nom (but-2-ène), ayant des propriétés physico-chimiques différentes. Pour passer d’une structure à l’autre, il faut rompre la liaison double, il s’agit de stéréoisomères de configura tion (voir chapitre 3).
d. La représentation de Cram rend compte de la géométrie de la molécule alors que la formule développée ne donne que l’enchaînement des atomes.
e. Les deux représentations de Cram et Fischer apportent les mêmes informations, elle renseigne sur l’organisation des atomes dans l’espace.
5
Affirmations correctes : d. et e.On peut donner 6 structures différentes correspondant à des isomères acycliques de formule brute C5H10.
isomérie de
position diastéréoisomérie
isomérie de chaîne
isomérie de position
pent-1-ène (E)-pent-2-ène (Z)-pent-2-ène
2-méthylbut-1-ène 3-méthylbut-1-ène 2-méthylbut-2-ène
Il n’y a que 2 positions possibles pour la double liaison (le pent-3-ène n’existe pas, il s’agit du pent-2-ène).
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Structure des molécules Entraînement
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Pour le pent-2-ène de formule semi-développée CH3-CH=CH-CH2-CH3, on peut donner deux organisations spatiales différentes, on dit que le pent-2-ène possède 2 stéréoisomères ; il s’agit de diastéréoisomères, cette notion sera développée dans le chapitre 3.
6
Représentations correctes : a., c. et d.Il y a deux manières de représenter la molécule en Newman, selon qu’on la regarde dans l’axe C2-C3 ou C3-C2.
H3C
HHO CHO
CHH3
CH3
H OH
CHO H H3C
CHO CH3
H CH3
HO H
2 3
En Fischer, il n’y a qu’une possibilité : il faut mettre la chaîne carbonée verticalement, fonction aldéhyde en haut de manière à ce que les groupements portés par les carbones 2 et 3 pointent vers l’avant.
H3C
HHO CHO
CHH3
H3C HHO
CHO CH3
H
CH3 H
HO H3C CHO
H CHO
H3C H
CH3
HO H
7
Affirmations correctes : b., c. et d.En Newman, selon que l’on regarde la molécule dans l’axe C2– C3 ou C3– C2, on a deux possibilités :
H3C
CHO H OH
OH
H CH3
H OH
CHO OH H
A CHO
H HO
CH3
HO H
3 2
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En Fischer, une seule possibilité existe :
CHO
H OH
CH3
HO H
CH3 H
HO
CHO HHO
H3C
CHO H OH
OH A H
■■■
❙Remarque
La proposition e. ne respecte pas la convention de Fischer qui prévoit de mettre la fonction la plus oxydée (– CHO) en haut.
8
Affirmations correctes : c. et d.Le D-Glucose possède une fonction aldéhyde et 5 fonctions alcool (une primaire et quatre secondaires).
Le nom systématique du D-glucose est le 2, 3, 4, 5, 6-pentahydroxyhexanal.
Pour passer en représentation de Fischer, il faut tourner les liaisons de manière à ce que la chaîne carbonée pointe vers l’arrière.
HOH2C
C C
C C
CHO
H H
H HO
OH OH
HO H
C C
CHO
OHH C
C CH2OH HO
HO
H H
HHO rotation
de 180°
des liaisons C-C
En Fischer, on regarde la molécule de manière à voir la chaîne carbonée la plus longue verticalement, fonction la plus oxydée vers le haut.
C C
CHO
OHH C
C CH2OH HO
HO
H H
H HO
CHO C C C C CH2OH
H OH H H OH H OH OH
CHO OH H
H HO
OH H
OH H
CH2OH on déplie
la chaîne
Cette molécule appartient à la série D car la fonction OH du dernier stéréocentre (carbone 5) est à droite en représentation de Fischer.
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Structure des molécules Entraînement
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■■■
❙Remarque
Au chapitre 3, on verra comment vérifier de manière systématique le passage d’une repré- sentation de Cram à une représentation de Fischer.
9
Affirmations correctes : b. et e.Pensez à écrire la formule brute des molécules pour s’assurer qu’il s’agit d’isomères (C6H10O pour A, C6H12O pour B, C et D).
10
a. FAUX. Le nom officiel de la molécule est 3-éthyl-1-hydroxypent-3-èn-2-one b. FAUX. L’hexan-2-ol et l’hexan-3-ol sont isomères de position.
c. VRAI. Les 4 alcools primaires de formule C5H12O sont :
OH
OH
OH
OH
d. FAUX. Il existe 4 esters de formule C4H8O2 :
O O
O O
O O
O O
e. FAUX. Il existe de nombreux composés cycliques de formule C4H8O, le cycle pouvant ou non comporter l’atome d’oxygène, par exemple :
O
O
OH
O
…
f. FAUX.
CHO OH H
OH H
CH2OH
OHC HO H
CH2OH H OH
=
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H H
C C
(CH2)7 OH
H COOH
H2C
C6H13 alcool secondaire
acide carboxylique
alcène
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acide 2-amino-3-oxopentanoïque : 3 fonctions organiques : acide carboxylique (prioritaire), anime primaire et cetone.OH O
NH2 O
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