Cours : Les différentes représentations des molécules et leur nomenclature

Présentation des différentes représentations

Il existe plusieurs manières de représenter une molécule. Certaines permettent de mettre en évidence les fonctions caractéristiques ou la configuration géométrique.
Pour une composition donnée, plusieurs dispositions sont possibles, correspondant à des molécules différentes, ayant des propriétés différentes.

La formule brute

Prenons l’exemple d’une molécule organique, l’acide acétique (ou acide éthanoïque).

• Sa formule brute s’écrit : $\text{C}_{2}\text{H}_{4}\text{O}_{2}$.

Cette écriture ne permet pas d’identifier cette molécule comme étant un acide et ne donne aucune information sur sa géométrie.

Définition

Formule brute :

La formule brute d’une molécule donne le nombre d’atomes de chaque élément présent dans cette molécule.

Les formules développée et semi-développée

Voici trois représentations de l’acide acétique :

• la formule développée,
• la représentation de Cram (une variante),
• la formule semi-développée.

Définition

Formule développée et semi-développée :

• La formule développée montre tous les atomes et toutes les liaisons covalentes, ainsi que leur multiplicité, de la molécule.
• La formule semi-développée omet toutes les liaisons simples avec l’hydrogène, en indiquant combien d’atomes d’hydrogène sont liés.

La formule développée est très proche de la représentation de Lewis, mais ne montre pas les doublets non liants.

Les liaisons $\text{C}-\text{H}$ et $\text{O}-\text{H}$ n’apparaissent pas dans la formule semi-développée, ce qui permet de gagner de la place.

À retenir

La représentation de Cram est une variante permettant de préciser les orientations des liaisons qui ne sont pas comprises dans le plan de la feuille ou de l’écran.

• Un triangle plein représente une liaison orientée « vers le lecteur ».
• Des pointillés représentent une liaison orientée de l’autre côté.
• Cette représentation est utile pour différencier des configurations symétriques l’une de l’autre par effet miroir. De tels cas de figure seront étudiés dans des cours ultérieurs.

La formule topologique

Voici la formule topologique de l’acide acétique.

• Les atomes de carbone n’y sont pas indiqués par leur symbole, seulement par leur position à l’intersection des liaisons covalentes avec d’autres atomes.
• Les liaisons $\text{C}-\text{H}$ sont aussi omises.
• Cette notation légère est pratique pour représenter de grandes molécules organiques, comme par exemple le bêta-carotène ci-dessous :

Définition

Formule topologique :

La formule topologique d’une molécule fait apparaître les liaisons covalentes, sauf les liaisons $\text{C}-\text{H}$.
Les symboles chimiques des atomes de carbone, et des atomes d’hydrogène liés à des atomes de carbone, sont omis.

Groupes caractéristiques et nomenclature

Les molécules organiques sont principalement constituées de carbone et d’hydrogène. La présence d’autres éléments influe sur les propriétés d’une molécule et constitue un groupe caractéristique.
Quelques groupes caractéristiques sont présentés ici, ainsi que les règles de nomenclature associées.

Règles générales de nomenclature

Quelques règles sont à respecter en nomenclature.

• Il convient d’abord de chercher les groupes fonctionnels.

Ces groupes fonctionnels seront définis plus bas.
En présence d’un groupe fonctionnel, les atomes de carbone sont « numérotés », et celui qui porte le groupe a le numéro $1$.

• Une étape additionnelle est de vérifier si la chaîne carbonée est unique et linéaire, ou ramifiée.

Par exemple, l’acide acétique vu précédemment présente une chaîne linéaire, alors que le bêta-carotène montre des ramifications.

• En cas de ramifications, repérer la chaîne carbonée la plus longue, qui donne son nom à la molécule.

Les ramifications sont considérées comme des « additions », dont la position est repérée en fonction de la place du groupe fonctionnel.

La chaîne carbonée

Les molécules organiques les plus simples sont les hydrocarbures.

Définition

Hydrocarbures :

Les molécules ne comportant que les éléments carbone et hydrogène sont des hydrocarbures.

• Un alcane est un hydrocarbure ne présentant aucune liaison multiple.
• Un alcène est un hydrocarbure présentant au moins une liaison double.

À retenir

Un alcane linéaire, c’est-à-dire sans ramifications, comprenant $n$ atomes de carbone a pour formule brute : $\text{C}_{n}\text{H}_{2n+2}$.

Les règles de nomenclature des alcènes feront l’objet d’un cours ultérieur.

À retenir

Le nom d’un alcane linéaire se termine par le suffixe « -ane » et précise le nombre d’atomes de carbone qu’il comprend. En présence de ramifications, c’est le nombre d’atomes de carbone de la chaîne la plus longue.

Voici les noms des alcanes linéaires, par ordre croissant du nombre de carbone contenus (de $1$ à $8$) : méthane, éthane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane.

Exemple

Le tableau ci-dessous montre les formules topologiques de quelques alcanes et leurs noms.

• Dans le deuxième exemple, l’atome de carbone supplémentaire constitue un groupe méthyle. Ce nom est dérivé de celui du méthane $\text{CH}_{4}$. En l’absence de groupe fonctionnel, le numéro du carbone portant ce groupe méthyle est choisi pour être le plus petit possible, soit ici $2$ (et pas $4$).
• Dans le troisième exemple, le préfixe « cyclo- » signifie que la chaîne carbonée est fermée.

Les groupes fonctionnels

La présence d’un groupe fonctionnel signifie que les propriétés physico-chimiques d’une molécule organique sont différentes de celles de l’hydrocarbure comprenant le même nombre d’atomes de carbone. Or, on a vu que la présence d’éléments électronégatifs comme l’oxygène ou l’azote faisait apparaître des liaisons polarisées.

• Ceci influe sur les interactions de cette molécule avec d’autres, et donc sur sa solubilité, ses températures de changement d’état.
• Cela a aussi une influence sur les réactions chimiques impliquant cette molécule.

Définition

Groupe fonctionnel :

La présence d’un élément autre que le carbone ou l’hydrogène constitue un groupe fonctionnel. Chaque groupe fonctionnel définit une classe de molécules.

À retenir

Les groupes fonctionnels suivants contiennent un atome d’oxygène ou deux :

• le groupe hydroxyle de la classe des alcools ;
• le groupe carbonyle commun aux classes des aldéhydes et des cétones ;
• le groupe carboxyle des acides carboxyliques.

Le tableau suivant présente les configurations des groupes caractéristiques de ces classes de molécules.
Dans la présentation des groupes, la lettre $R$ ou $R^\prime$ représente un radical, c’est-à-dire une chaîne carbonée. Dans le cas des aldéhydes, le radical $R^\prime$ se limite à un atome d’hydrogène : le groupe carbonyle apparaît donc « en bout de chaîne ».
Des exemples sont présentés ainsi que leurs noms.

À retenir

• Le nom d’un alcool prend le suffixe « -ol ».
• Le nom d’une cétone prend le suffixe « -one ».
• Le nom d’un aldéhyde prend le suffixe « -al ».
• Un acide est désigné par le nom « acide » et un adjectif décrivant sa structure portant le suffixe « -oïque ».

Identification par spectroscopie infrarouge

Des spectres d’absorption UV-visible de certaines substances, et la méthode de mesure associée, ont été présentés dans un chapitre précédent. Les molécules absorbent également le rayonnement infrarouge.

• L’analyse du spectre infrarouge d’une molécule, en plus d’au moins un autre élément comme la formule brute du composé, permet de reconstituer sa structure, voire de l’identifier.

Principe de la spectrométrie infrarouge

Une molécule ou un atome peut absorber de l’énergie sous forme de rayonnement seulement si la longueur d’onde de ce rayonnement correspond à la transition entre deux « états » permis.

• Dans le domaine UV-visible, les raies d’absorption d’un atome ou d’une molécule correspondent aux écarts entre niveaux d’énergie accessibles à ses électrons de valence.
• Dans le domaine infrarouge, une molécule présente des bandes d’absorption correspondant aux écarts entre des niveaux d’énergie dits vibrationnels.

À retenir

Les raies d’absorption infrarouge d’une molécule sont caractéristiques des liaisons covalentes qu’elle présente.

Un schéma de principe du spectromètre infrarouge est présenté ci-dessous.

• La substance étudiée peut être introduite sous forme gazeuse (dans une ampoule adaptée), liquide, ou solide (broyée et en couche mince entre deux plaques).
• La référence est soit le solvant (si la substance étudiée a été diluée pour la mesure), soit une substance dont le spectre sert à étalonner l’appareil.
• Le spectromètre balaie les longueurs d’onde allant de $2,5$ à $16\ \mu \text{m}$.

Interprétation d’un spectre infrarouge

Pour étudier un spectre infrarouge, nous allons ici utiliser, plutôt que la longueur d’onde, le nombre d’onde.

Définition

Nombre d’onde :

Le nombre d’onde $\sigma$ est l’inverse de la longueur d’onde :

$$\sigma=\dfrac{1}{\lambda} $$

De la même manière que la longueur d’onde est aussi appelée période spatiale, le nombre d’onde peut être aussi appelé fréquence spatiale.

Le domaine représenté dans un spectre infrarouge va de $900$ à $4\,000\ \text{cm}^{-1}$.

La partie du spectre aux nombres d’onde inférieurs à $1\,500\ \text{cm}^{-1}$ est appelée empreinte de la molécule. Il s’agit des bandes d’absorption des liaisons covalentes simples de la chaîne carbonée.
Celles-ci forment un motif complexe, généralement comparées directement à des spectres de référence.

La partie du spectre aux nombres d’onde supérieurs à $1\,500\ \text{cm}^{-1}$ présente moins de bandes d’absorption.

À retenir

Un spectre infrarouge présente la transmittance de la substance étudiée en fonction du nombre d’onde $\sigma$, indiqué en $\text{cm}^{-1}$.

• La partie du spectre aux nombres d’onde supérieurs à $1\,500\ \text{cm}^{-1}$ présente les bandes d’absorption caractéristiques des liaisons autres que $\text{C}-\text{C}$.

Exemple

Les deux figures ci-dessous présentent le spectre d’absorption du butanol, en phase gazeuse (à gauche) et en phase liquide (à droite).

Spectres d’absorption du butanol en phase gazeuse (à gauche), en phase liquide (à droite)

• La raie fine et marquée vers $3\,000\ \text{cm}^{-1}$, présente sur les deux spectres, est caractéristique de la liaison O-H.
• La substance liquide présente une raie large entre $3\,000$ et $3\,700\ \text{cm}^{-1}$, due aux ponts hydrogène entre molécules d’alcool.

Exemple

Le tableau ci-dessous présente les bandes d’absorption dues aux groupes fonctionnels étudiés dans ce chapitre, ainsi que leur position typique, leur largeur et leur intensité.

Type de liaison	$\sigma\ (\text{cm}^{-1})$	Largeur	Intensité
$\text{O}-\text{H}$ hydroxyle (gaz)	$3\,590$-$3\,650$	fine	moyenne
$\text{O}-\text{H}$ hydroxyle (liq.)	$3\,200$-$3\,400$	large	forte
$\text{C}-\text{H}$	$2\,900$-$3\,100$	bandes multiples	moyenne à forte
$\text{O}-\text{H}$ carboxyle	$2\,500$-$3\,200$	large	moyenne à forte
$\text{C}=\text{O}$ carbonyle	$1\,700$-$1\,725$	fine	forte
$\text{C}=\text{O}$ carboxyle	$1\,700$-$1\,725$	fine	forte
empreinte	$< 1\,500$