Chimie Organique

Structure des Composés Organiques

Nomenclature en Chimie organique

Isomérie et Stéréoisomérie

Effets électroniques

Les Intermédiaires réactionnels

Structure des Composés Organiques

Le carbone (C) est l'élément majeur de cette chimie, mais il n'est pas le seul. A coté de cet atome, on retrouve de l'hydrogène (H), de l'oxygène (O), de l'azote (N) et bien d'autres (Cl, Br, S …)

Formule brute C_xH_yO_zN_t

Détermination de la structure

​

* la manière dont les atomes sont liés les uns aux autres

* Etablissement de sa formule brute C_xH_yO_zN_t.

Formule structurale

En chimie minérale : une formule brute une seule formule structurale

En chimie Organique : une formule brute plusieurs formules structurales

Isomères

Théorie de Kékulé : carbone est tétravalent,

Hydrogène et les halogènes (Br, Cl, F, I) sont monovalents

Oxygène et le soufre sont divalents

Azote est trivalent.

Le carbone C : 4 liaisons simples (liaison σ)

1 liaison double (liaison π) et 2 liaisons simples

2 doubles liaisons

1 liaison triple et 1 liaison simple

L’oxygène O : 2 liaisons simples

1 liaison double

L’azote N : 3 liaisons simples

1 liaison double et 1 liaison simple

1 liaison triple

L’hydrogène H

et les halogènes : 1 liaison simple

Structure des Composés Organiques

Formule structurale

Degré d’insaturation: fournit des informations sur la saturation d’une molécule C_xH_yO_zN_t

Structure des Composés Organiques

​

di = x - y/2 + t/2 + 1

​

x : nombre d’atomes tétravalents (C)

y : nombre d’atomes monovalents (hydrogène, halogène)

t : nombre d’atomes trivalents (N)

(L’oxygène n’est pas pris en considération)

Si di = 0 molécule est saturée (pas de dl, tl ou cycle)

Si di = 1 1 instauration : 1 double liaison

1 cycle.

Si di = 2 2 insaturations : 1 liaison triple

2 liaisons doubles

2 cycles

1 liaison double et 1 cycle.

Exemple : C₃H₆O

di = 3 - 6/2 + 1

di = 1

le composé est insaturé

dl

cycle

Formule structurale

Structure des Composés Organiques

Exemple : C₃H₆O

di = 3 - 6/2 + 1

di = 1

le composé est insaturé

dl

cycle

Structures possibles

Structure des Composés Organiques

Formule développée plane : donne l’enchaînement des atomes dans la molécule

Formules structurales

Formule semi-développée : représentation simplifiée, qui ne représente que les

liaisons entre atomes de carbone et carbone-hétéroatomes.

CH₃-CH₂-CH₂-OH CH₃-CH₂-O-CH₃ CH₂=CH₂ CH₃-CH=O

​

Formule semi-développée simplifiée (topologique ou perspective)

* carbone-carbone sont représentées par des segments.

* les atomes d’hydrogène, ne sont pas représentés.

Nomenclature en Chimie organique

Règles de nomenclature ont été fixées pour la chimie organique

par l’IUPAC : Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée.

Trouver le nom d’une molécule connaissant la structure.

​

Trouver la structure d’une molécule connaissant le nom

​

Nomenclature en Chimie organique

acide carboxylique (R-CO₂H)

ester (R-CO₂R’)

halogénure d’acide (R-CO₂X)(avec X halogène = Cl, Br, F, I)

amide (R-CONR’R’’)

nitrile (R-CN)

aldéhyde (R-CHO)

cétones (R-CO-R’)

alcool (R-OH)

amine (R-NR’R’’)

thiol (R-SH)

éther (R-O-R’)

anhydride (R-CO-O-CO-R’)

​

* hydrocarbures saturés et insaturés acycliques ou cycliques

alcanes

alcènes

alcynes

* hydrocarbures aromatiques (benzène)

* composés portant une fonction 

Les composés organiques

Nomenclature en Chimie organique

Généralement le nom est constitué

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures linéaires (acycliques) saturés et insaturés

Alcane (C_nH_2n+2)

Alcène (C_nH_2n) (double liaison)

Alcyne (C_nH_2n-2) (triple liaison)

​

Non : radical + terminaison

ane

ène

yne

double et triple liaison

èn yne

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures linéaires (acycliques) saturés et insaturés

Alcane (C_nH_2n+2)

Non : radical + terminaison

ane

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures linéaires (acycliques) saturés et insaturés

Alcène (C_nH_2n) (double liaison)

Alcyne (C_nH_2n-2) (triple liaison)

​

Non : radical + terminaison

ène

yne

double et triple liaison

èn yne

Numérotation :

• plus petit numéro à la liaison multiple

(double et triple).

• En cas d’égalité, le plus petit numéro est affecté à la double liaison.

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures ramifiés linéaire (acyclique)

1. contenir le nombre maximum de liaisons multiples (liaison double et liaison triple).

2. être la plus longue possible (plus grand nombre d’atomes de carbones).

3. contenir le nombre maximum de double liaisons.

4. porter le nombre maximal de substituants. En cas d’égalité, elle doit contenir celui qui

portera le numéro le plus petit dans la numérotation de la chaîne.

S’il y a toujours égalité, elle doit contenir le premier substituant dans l’ordre

alphabétique.

(Substituant)

Non : substituant + radical + terminaison

ane

ène

yne

double et triple liaison

èn yne

aucun double et triple liaison

double liaison

triple liaison

​

Chaine principale (radical) doit :

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures ramifiés linéaire (acyclique)

Numérotation :

​

1. le numéro plus petit doit être attribué à une liaison multiple

2. le numéro le plus petit doit être attribué à la double liaison

2. Les numéros les plus petits doivent être attribués aux substituants.

En cas d’égalité, le plus petit numéro est attribué au premier substituant dans l’ordre alphabétique.

Nomenclature en Chimie organique

Nom des substituants

Les substituants sont des atomes ou groupes d’atomes branchés par une liaison

à l’un des carbones de la chaîne principale.

- dérivés des hydrocarbures : nommés en remplaçant le « e » par « yl »

* –CH₃ : méthyl ; –CH₂−CH₃ : éthyl; –CH₂− CH₂− CH₃ : propyl

* –CH=CH₂ : éthényl (vinyle), –CH₂−CH=CH₂ : prop-2-ényl

* –C≡CH : éthynyl ; –C≡C-CH₃ : prop-1-ynyl

​

- Halogènes : nommés « halogéno » (fluoro, chloro, bromo, iodo).

​

Quand un substituant est lui-même substitué, on l’écrit entre parenthèses. Le carbone du substituant qui assure le branchement avec la chaîne principale est obligatoirement numéroté «1»

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures ramifiés linéaire (acyclique)

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures cycliques saturés et insaturés

Non : substituant + cyclo radical + terminaison

ane

ène

aucun dl et tl

dl

2 dl

​

diène

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures aromatiques

Benzène :

Non : substituant + benzène

1,2- o : ortho

1,3- m : méta

1,4- p : para

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures polycycliques: bicycliques pontés

Nom = Bicyclo [ x, y, z ] hydrocarbure linéaire

1

2

3

4

5

6

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

bicyclo[4,2,1]nonane bicyclo[4,2,2]undécane

x : nbre de C g cycle

y : nbre de C p cycle

z : nbre de C jonction

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures polycycliques: bicycliques pontés

Nom = Bicyclo [ x, y, z ] hydrocarbure linéaire

Nomenclature en Chimie organique

Hydrocarbures spiraniques

Nom = spiro [ x, y] hydrocarbure linéaire

x : nbre de C p cycle

y : nbre de C g cycle

1

6

7

4

5

2

3

8

1

6

7

10

9

2

5

8

3

4

spiro[2,5]octane spiro[4,5]décane

Nomenclature en Chimie organique

Composés fonctionnels

Nomenclature en Chimie organique

Composés fonctionnels

Nomenclature en Chimie organique

Détermination de la fonction principale du nom

* (C ) : carbone non inclus dans le nom de la chaîne carbonée (non compté)

Ordre

priorité

Nomenclature en Chimie organique

Détermination de la chaîne principale : Radical

La chaîne principale est déterminée en appliquant les critères suivants, dans l’ordre:

1. CP doit contenir la fonction principale.

S’il y a plusieurs fois la fonction principale, la chaîne principale en contient

le nombre maximum.

​

2. CP doit contenir le nombre maximum de liaisons multiples

(liaison double et liaison triple).

​

3. CP doit être la plus longue possible (plus grand nombre d’atomes de carbones).

​

4. CP doit contenir le nombre maximum de double liaisons.

​

5. CP doit porter le nombre maximal de substituants.

En cas d’égalité, elle doit contenir celui qui portera le numéro le plus petit dans la

numérotation de la chaîne. S’il y a toujours égalité, elle doit contenir le premier

substituant dans l’ordre alphabétique.

1

1. le plus petit numéro à la fonction principale (FP). S’il y a plusieurs FP , leurs attribuer les plus petits numéros.

Numérotation

1

2

1

2

2

2

2

1

1

Composé monofonctionnels

Lorsqu’il y a deux, trois, quatres même fonctions, on précède le suffixe de

« di », « tri » ou «tetra».

Composé monofonctionnels

1. le plus petit numéro à la fonction principale (FP). S’il y a plusieurs FP , leurs attribuer les plus petits numéros.

2. Le numéro le plus petit aux liaisons multiples.

3. Le numéro le plus petit aux doubles liaisons.

4. Le numéro le plus petit aux substituants. En cas d’égalité, le plus petit numéro au premier substituant

dans l’ordre alphabétique.

5. Pour les substituants carbonés, la numérotation débute toujours par le carbone directement branché sur la CP

Numérotation

Composés polyfonctionnels

Fonction principale

Fonction secondaire

Méthode pour nommer un composé organique 

Etape 1 : Attribuer à chaque fonction un terme

fonction principale : suffixe

fonction secondaire (substituant).

Etape 2 : Recenser les insaturations (double liaison et triple liaison).

S’il y a des doubles liaisons : ène

S’il y a des triples liaisons  : yne

Etape 3 : Définir la chaine principale

Etape 4 : Repérer les ramifications (substituants).

Etape 5 : Numéroter la chaine principale.

Etape 6 : Construire le nom.

​

Représenter une molécule à partir d’un nom 

CO₂H

C_xH_yO_zN_t plusieurs isomères

Isomérie et Stéréoisomérie

On observe deux types d’isomérie :

​

• Isomérie plane ou de constitution (structurale)

isomères diffèrent par l'ordre ou la nature des liaisons qui relient les atomes

entre eux

​

• Isomérie stérique ou stéréoisomérie (stéréochimie)

Etude des arrangements dans l’espace des atomes d’une structure donnée

(constitution bien définie)

Isomérie et Stéréoisomérie

Formule Brute

Isomères de constitution

Stéréoisomères

Chaine

position

Fonction

Isomères de conformation

Isomères de configuration

Isomères Géométriques

Isomères optiques

Isomérie de constitution

Isomérie de chaîne : Les isomères de chaîne ont des squelettes carbonés différents.

Isomérie de fonction : Les isomères diffèrent par la fonction chimique

Isomérie de position : Les isomères diffèrent par la position de la fonction chimique

Stéréoisomérie

Etude des arrangements dans l’espace des atomes d’une structure

nécessaire d’utiliser des représentations graphiques qui rendent compte de leur géométrie structurales

Représentation projective ou de cram (tridimensionnelle)

Stéréoisomérie

Représentation (projection) de Newmann selon l’axe Carbone a-Carbone b

Stéréoisomérie

Représentation (projection) de Fischer

Chaine principale dans le plan du même coté

Observateur regarde la molécule du coté opposé du plan de la chaine principale

Stéréoisomérie

Représentation de Fischer

Stéréoisomérie

Isomérie de conformation

conformations d’une molécule : les diverses dispositions des atomes dans l’espace

qui ne diffèrent que par une rotation autour d’une ou plusieurs liaisons σ

Conformères ou rotamères

Stéréoisomérie

Isomérie de conformation

Représentations de Cram

deux isomères de conformations ou conformères

Stéréoisomérie

Etude conformationnle du cyclohexane

représentation plane

Stéréoisomérie

Etude conformationnle du cyclohexane

Position 1-3 : axiale-axiale (a,a) : Cis

équatoriale-équatoriale (e,e) : Cis

axiale- équatoriale (a,e) : Trans

équatoriale-axiale (e,a) : Trans

Position 1-2 ou 1-4: axiale-axiale (a,a) : Trans

équatoriale-équatoriale (e,e) : Trans

axiale- équatoriale (a,e) : Cis

équatoriale-axiale (e,a) : Cis

2

1

3

4

5

6

Stéréoisomérie

Isomérie de configuration

Stéréoisomères configurationnels : les isomères dont le passage de l’un à l’autre,

nécessite la rupture d’une (ou plusieurs) liaison(s) σ ou π.

Isomères de configurations

Isomères Géométriques

Isomères optiques

Concernant les composés

possédant une double liaison

(Alcène)

Concernant les composés

possédant un carbone

asymétrique

Enantiomères

Diastéréoisomères

Diastéréoisomères

Z ou E

Diastéréoisomères

Cis ou Trans

Stéréoisomérie

Isomérie de configuration

Chiralité : c’est la non superposition d’un objet et de son image par rapport à un miroir plan. Une molécule est dite chirale si elle n’est pas superposable à son image/à un miroir plan.

En chimie organique, si un stéréoisomère possède un plan, un axe ou un centre de symétrie, alors il est achirale.

Carbone asymétrique : Un carbone sp³ est asymétrique s’il possède quatre

substituants différents. Il est noté C*.

Stéréoisomérie

Isomérie optiques

Un stéréoisomère (qui contient un C*) et son image/à un miroir s’ils ne sont pas

Superposable forment un couple d’énantiomères (ou isomères ou inverses optiques).

​

On appelle diastéréiosomères : deux stéréoisomères qui ne sont pas énantiomères.

Propriétés physiques et chimiques identiques mais des activités inverses sur la lumière polarisée (pouvoir rotatoire opposés)

pouvoir rotatoire positif

pouvoir rotatoire négatif

Mélange racémique est un mélange équimolaire (concentrations égales) des deux énantiomères

Mélange racémique est optiquement inactif (pouvoir rotatoire nul)

Stéréoisomérie

Isomérie optiques: Pouvoir Rotatoire

Mesuré à l’aide du polarimètre

α ou [α] > 0 : l’énantiomère est dextrogyre ou (d) ou (+)

α ou [α] < 0 : l’énantiomère est lévogyre ou (l) ou (-)

Unité du pouvoir rotatoire en °⋅ml⋅g⁻¹⋅dm⁻¹

Stéréoisomère est optiquement active lorsqu’elle possède un pouvoir rotatoire [𝛼] # 0

Stéréoisomère est optiquement inactive lorsqu’elle possède un pouvoir rotatoire [𝛼] = 0

Les pouvoirs rotatoires sont additifs

ℓ = 1 dm

c = concentration en g/ml

Stéréoisomérie

Isomérie optiques : Configuration Absolue

Configuration d’une molécule : la disposition de ses atomes dans l’espace

(sans tenir compte des différentes rotations).

1°) On classe les 4 substituants du C* par ordre de priorité décroissant selon les règles

de Cahn, Ingold et Prélog (CIP)

​

2°) On regarde le C* selon l’axe opposé au substituant classé 4^ième.

Le carbone C* étant au premier plan et le 4^ième subst étant dirigé vers l’arrière.

​

3°) Si pour passer du 1^èr substituant au 2^ième substituant puis au 3^ième, on tourne dans

le sens des aiguilles d’une montre, on a la configuration R (Rectus : droite).

Si on tourne dans le sens inverse c’est S (Sinister : gauche).

​

Pour distinguer deux stéréoisomères (énantiomères ou diastéréoisomères) d’un

composé chiral, on détermine la configuration absolue des C* de chaque stéréoisomère.

Cette détermination de la configuration se fait selon la procédure suivante :

Stéréoisomérie

Règles de Cahn, Ingold et Prélog (CIP)

Règle I: La séquence de priorité se fond sur le numéro atomique Z du premier

atome rencontré sur le substituant envisagé . L’atome de numéro atomique

supérieur est alors prioritaire par rapport à celui de numéro atomique inférieur.

I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H

Z : 53, 35, 17, 16, 9, 8, 7, 6, 1

Règle II: Quand les atomes directement liés au carbone asymétrique sont identiques,

on compare les atomes situés au degré d’éloignement immédiatement supérieur

et on applique la règle I.

Règle III : Les liaisons multiples sont considérées

comme autant de liaisons simples

Stéréoisomérie

Détermination de la configuration absolue

Exemple 1

Exemple 2

Stéréoisomérie

1^ère Cas : Composé avec un seul C*

acide 2-hydroxypropanoïque

Rep. Cram

Stéréoisomérie

2^ème Cas : Molécules avec deux C*

acide 2,3-dihydroxy-

4-oxo-butanoïque

E : Enantiomères

D : Diastéréoisomères

2 C*

​

​

2² = 4 stéréoisoméres

Configuration

relative

Stéréoisomérie

3^ème Cas : Molécules avec deux C* présentant un plan de symétrie

2 C*

​

​

2² = 4 stéréoisoméres

Stéréoisomérie

3^ème Cas : Molécules avec deux C* présentant un plan de symétrie

Cas de butane-2,3-diol

Stéréoisomérie

Configurations relatives D et L

Cas des oses

Enantiomère

OH à droite

Conf. D

OH à gauche

Conf. L

Stéréoisomérie

Configurations relatives D et L

Cas des acides aminés ( 2-amino acides)

NH₂ à droite

Conf. D

NH₂ à gauche

Conf. L

Stéréoisomérie

Isomérie géométrique

Alcène avec A # B et C # D

Isomérie

Z et E

Isomérie

Cis et Trans

Stéréoisomérie

Isomérie géométrique

Isomérie cis et trans

Stéréoisomérie

Isomérie géométrique

Isomérie Z et E

Alcène avec A # B et C # D

Classement de (A , B) et (C, D) selon le numéro atomique Z

Z : Zusammen (ensemble)

E : Entgegen (opposé)

Stéréoisomérie

Isomérie géométrique

Cas de plusieurs double liaisons

n doubles liaisons 2n diastéréoisomères

Exemple : CH₃-CH=CH-CH=CH-C₂H₅ hept-2,4-diène

2 doubles liaisons

4 diastéréoisomères

Concernent les déplacements des électrons dans les liaisons

Effets électroniques

Effet inductif

noté I

Effet Mésomère

noté M

Concerne le déplacement des e^- des liaisons σ.

Il est due à la polarisation d’une liaison σ.

Il est favorisé par l'électronégativité relative des atomes .

Concerne le déplacement des e^- des liaisons π et des doublets

libres n

Il est due à la délocalisation des électrons.

Effets Electroniques

Lorsque les 2 atomes sont identiques

(Moment dipolaire μ = 0)

liaison est non polarisée

Lorsque les 2 atomes sont non identiques

liaison est polarisée

différence d’électronégativité (χ) ↑

Polarité de la liaison ↑

F › O › N = Cl › Br › I = C = S › H › Li › Na

Electronégativité

Effets Electroniques

Effet Inductif

Soit la liaison A-B (avec B plus électronégatif que A).

A est polarisé positivement (électropositif) = électrodonneur

A donneur par effet inductif (noté +I)

B est polarisé négativement (électronégatif) = électroattracteur

B attracteur par effet inductif (noté -I)

​

Effets Electroniques

Effet Inductif

Effets Electroniques

Effet Inductif

Effets Electroniques

Effet Inductif

Application : Force des acides organiques

Effets Electroniques

Effet Inductif

* s’applique aux liaisons π (double liaison)

* sont dus à la délocalisation des électrons π et des doubles électrons n

* existe dans des systèmes dits conjugués (conjugaison):

π σ π : HN=CH-CH=CH₂

n σ π : HO-CH=CH₂

Θ σ π : ^ΘO-CH=CH₂

σ π : -CH=CH₂

π

σ

Effets Electroniques

Effet Mésomère

Deux types d'effets mésomères: * Les effets donneurs d'électrons (+ M)

* les effets attracteurs d'électrons (- M).

Θ σ π

n σ π

π σ π

σ π

R = alcane = CH₃, CH₃CH₂ ….

Effets Electroniques

Effet Mésomère

π σ π

Exemple 1

CH₃CO exerce un effet attracteur - M

CH₃CO attracteur par effet mésomère

Effets Electroniques

Effet Mésomère

+ M

Mais l’effet mésomère l’emporte toujours sur l’effet inductif

Exemple 1 : cas des halogènes (Cl, Br, I et F)

Conjugaison n σ π

- I

Cl est électronégatif

(faux)

(faux)

Effets Electroniques

Compétition entre l’effet inductif et l’effet mésomère

lorsqu’il y’a conjugaison plusieurs formules électroniques appelées formes

limites ou formes mésomères  

​

​

Effets Electroniques

Effet Mésomère

Règle de Huckel

Une molécule est aromatique si :

- elle est cyclique

- elle est conjuguée

- elle est plane

- elle possède un total de (4m+2) électrons π ou n

(m étant un entier : 1, 2, 3…)

Aromaticité

Nucléophile

* est un réactif capable de céder un doublet d'électron.

* est un centre à forte densité électronique (chargé négativement)

Electrophile

* est un accepteur de doublet d’électron.

* est un centre pauvre en électrons (chargé positivement)

Exemple

Exemple

Coupure hétérolytique

Coupure homolytique

radical

carbocation

carbanion

Y électronégatif / C

Y électropositif / C

Réactions ioniques

Réactions radicalaires

Intermédiaires Réactionnels

Addition

Substitution

Elimination

Réactions en Chimie Organique

Réactions en Chimie Organique

Réarrangement (ou transposition) 

Intermédiaires Réactionnels

Coupure

Homolytique

Coupure

Hétérolytique

Intermédiaires Réactionnels

CARBOCATION

• Plus les substituants R₁, R₂ et R₃ sont donneurs d’électrons (+I), plus le carbocation

est stabilisé.

​

• Le carbocation est fortement stabilisé par effet mésomère (+M).

• Structure plane (C sp²)

​

Intermédiaires Réactionnels

• Structure : Comme les carbocations, ils sont en général plans ce qui correspond

à un carbone sp².

​

• Les radicaux ont des filiations de stabilité analogue à celle des carbocations.

RADICAUX

Intermédiaires Réactionnels

CARBANION

• Mais, ils sont formés également par arrachement d’un proton (lié à un

carbone activé).

• Ils résultent le plus souvent de la rupture des liaisons C-Métal.

​

Intermédiaires Réactionnels

CARBANION

• Le carbanion, lorsqu’il est engagé dans un système mésomère acquiert

alors une géométrie plane (C sp²) .

• Structure pyramidale (C sp³)

Intermédiaires Réactionnels

Essentiellement Stable et Stabilisé par :

• Un effet mésomère attracteur (-M)

CARBANION

• effet inductif attracteur (-I)