1Représenter une molécule organique
Définition. Dans une formule topologique, la chaîne carbonée est une ligne brisée : chaque extrémité et chaque sommet est un atome de carbone, et les atomes d’hydrogène liés aux carbones ne sont pas écrits (le carbone est tétravalent). Les hétéroatomes (, , halogènes) et leurs sont écrits. La formule semi-développée écrit toutes les liaisons sauf celles des .
Définition. Le squelette carboné est saturé (liaisons simples seulement), insaturé (double ou triple liaison) ou cyclique. Deux molécules de même formule brute mais d’enchaînements différents sont des isomères de constitution : leurs propriétés diffèrent.
2Familles et nomenclature
Définition. Un groupe caractéristique est un groupe d’atomes qui donne à la molécule ses propriétés : il définit sa famille.
| famille | alcool | aldéhyde | cétone | acide carboxylique | ester | amine | amide | halogénoalcane |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| groupe | ||||||||
| nom | …-ol | …-al | …-one | acide …oïque | …oate de …yle | …amine | …amide | halogéno… |
Méthode — nommer une molécule. repérer le groupe caractéristique, puis la chaîne carbonée la plus longue qui le porte : méth- (1 C), éth- (2), prop- (3), but- (4), pent- (5), hex- (6). Numéroter la chaîne pour donner l’indice le plus petit au groupe, puis ajouter le suffixe avec son indice ; ramifications et halogènes en préfixe avec leur indice (méthyl-, chloro-…). Les carbones et portent l’indice .
Définition. Un polymère est une macromolécule formée par la répétition d’un motif issu d’un monomère. Son degré de polymérisation vaut . Exemples naturels : cellulose, amidon, protéines ; synthétiques : polyéthylène, PVC, nylon, polyesters.
3Catégories de réactions
Propriété. Toute réaction de synthèse organique se range dans l’une des catégories suivantes :
- substitution : un atome ou un groupe d’atomes est remplacé par un autre () ;
- addition : deux molécules s’unissent, une insaturation disparaît () ;
- élimination : une petite molécule est libérée, une insaturation apparaît () ;
- acide-base (transfert d’un ion ) et oxydoréduction (alcool primaire aldéhyde acide carboxylique).
Notation. Une étape de synthèse réalise soit une modification de groupe caractéristique (la chaîne est conservée), soit une modification de chaîne carbonée (allongement, raccourcissement, cyclisation).
4Optimiser une synthèse
Définition. Le rendement d’une synthèse est , où est la quantité de produit attendue d’après le réactif limitant (tableau d’avancement).
Méthode — agir sur la vitesse. augmenter la température, augmenter les concentrations des réactifs, utiliser un catalyseur (il accélère sans apparaître dans le bilan et est régénéré).
Méthode — agir sur le rendement. introduire l’un des réactifs en excès, ou éliminer un produit au fur et à mesure pour déplacer un équilibre (distillation de l’ester formé, élimination de l’eau par un montage de Dean-Stark) ; purifier ensuite soigneusement pour ne pas perdre de produit.
Définition. Une synthèse écoresponsable limite son impact : forte économie d’atomes (réactifs au dénominateur), solvants moins nocifs, moins d’énergie, matières renouvelables, moins de déchets.
5Séquence réactionnelle, protection
Méthode — élaborer une séquence. comparer la molécule cible et celle de départ (chaîne, groupes), puis choisir dans la banque de réactions fournie les étapes qui transforment l’une en l’autre. Le rendement global est le produit des rendements :
Définition. Protéger un groupe caractéristique, c’est le transformer temporairement en un groupe inerte pour qu’il ne réagisse pas pendant l’étape suivante ; on le régénère ensuite par déprotection. Coût : deux étapes de plus, donc un rendement global plus faible.
6Techniques du laboratoire
Propriété. Chauffage à reflux : chauffer longtemps sans perte de matière (les vapeurs sont condensées et retombent) ; ne jamais boucher le sommet du montage. Extraction liquide-liquide : faire passer le produit vers le solvant où il est le plus soluble. Distillation fractionnée : séparer des liquides de températures d’ébullition différentes. Recristallisation : purifier un solide grâce à la variation de sa solubilité avec la température.
Propriété — contrôler le produit. CCM : le rapport frontal ( hauteur de la tache, hauteur du front, depuis la ligne de dépôt) identifie une espèce par comparaison à un témoin. Spectroscopie infrarouge : les bandes d’absorption, lues dans une table, confirment la disparition d’un groupe et l’apparition d’un autre.
7Savoir-faire du chapitre
- Passer d’une formule topologique à une formule semi-développée ; identifier une famille et nommer la molécule.
- Repérer et dénombrer des isomères de constitution ; identifier le motif d’un polymère.
- Attribuer une catégorie à une réaction et dire si la chaîne ou le groupe caractéristique est modifié.
- Calculer un rendement à partir du réactif limitant, et un rendement global de séquence.
- Identifier les étapes d’un protocole et leur rôle ; justifier une protection ou un excès de réactif.
8Exemples types
avec d’acide butanoïque et d’éthanol : l’éthanol est limitant, donc et . Si l’on recueille d’ester, .
Éthanoate de butyle () : voie A, acide éthanoïque () et butan-1-ol (), ; voie B, anhydride éthanoïque (), . La voie B est plus rapide et totale, mais moins économe en atomes.
: le groupe impose le suffixe « acide …oïque » et l’indice à son carbone ; la chaîne compte quatre carbones (but-) et porte un groupe sur le carbone : c’est l’acide 3-hydroxybutanoïque.
- Oublier les implicites d’une formule topologique : chaque carbone porte autant de qu’il lui manque de liaisons pour en avoir quatre (trois à une extrémité, deux à un sommet sans ramification).
- Numéroter la chaîne dans le sens qui donne le plus grand indice au groupe caractéristique.
- Calculer un rendement à partir du réactif en excès : se déduit toujours du réactif limitant.
- Confondre vitesse et rendement, ou additionner les rendements d’une séquence au lieu de les multiplier.