Chimie générale - Architecture moléculaire

Formule moléculaire =

Formule brute

Formule brute ( = formule moléculaire):

• Indique le nombre de chaque espèce d’atomes dans la molécule (C…H…O…N…) 

• Donne peu d’info sur la molécule → n’indique pas l’enchaînement des atomes

• Généralement: plusieurs composés ont la même formule brute

• Permet de determiner le nombre d’insaturations/cycle (Ni)

Formule pour déterminer le nombre d’instaurations (ou de cycle) Ni:

Atomes d’halogène

• Éléments chimiques constituant le sous-groupe VII b de la classification périodique,:

• le fluor (F), le chlore (Cl), le brome (Br), l' iode (I) et l' astate(At)

Avantages/inconvenients formules développées planes:

AVANTAGES:

• Représentation schématique qui permet de préciser l’ordre d’enchaînement des atomes

• Fait apparaître le nombre de liaisons covalentes qui relient les atomes

• Facile (il faut seulement connaître la valence des atomes concernés)

• 1 liaison = 1 traît

INCONVENIENTS:

• Ne fournie pas une représentation de la géométrie de la molécule —> géométrie est nécessaire lors de l’étude de la réactivité chimique, et pour mettre en évidence les 2 types de stéréoisomères

• N’est pas pratique (trop longue et encombrante) —> on préfère les formules simplifiées

Liaisons les + fréquemment rencontrés en chim organique: H, Halogènes, O, S, N, C

Modes/types d’écriture simplifiée:

• Formule combinée = semi-développée

• Formule condensée

• Formule topologique = forme de bâton

Forme combinée =

Formule semi-développée

Forme topologique =

Forme de bâton

Principes formule combinée ( = semi-développée)

Principes formule condensée

Généralement utilisée pour les petites molécules linéaires, simples

Principes formule topologique ( = forme bâton)

Isomères:

• Composés qui ont la même formule brute / moléculaire, mais une structure différente

• Il y a deux types:

  • Isomères structuraux ( = de constitution): formules brutes identiques mais atomes liés de façon différente —> n’ont pas les mêmes propriétés chimiques ni physiques (point d’ébullition, de fusion, indice de réfraction…):

    • Isomères de squelette ( = de chaîne): diffèrent par leur chaîne carbonnée (squelette)

    • Isomères de position: même squelette carboné, mais groupements fonctionnels situés à des positions différentes

    • Isomères de fonction: peuvent posséder (ou pas) la même chaîne carboné, mais des fonctions différentes

  • Stéréoisomères

    • Énantiomères: configurations non superposables d’une molécule (molécule chirale), et images l’une de l’autre dans un miroir

    • Diastéréoisomères: quand molécules sont stéréoisomères mais ne sont pas énantiomères

      • Diastéréoisomères configurationnels (=diastéréoisomères): espèces uniques, séparables et caractérisables. Il est impossible de les interconvertir l’un dans l’autre sans fournir l’énergie nécessaire à la rupture d’une liaison.

      • Diastéréoisomères conformationnels (=conformères): diffèrent les uns des autres que par une simple rotation autour d’une liaison simple et ne sont généralement pas séparables.

2 principaux types d’isomères (—> isomérie plane)

• Isomères structuraux ( = de constitution): formules brutes identiques mais atomes liés de façon différente, n’ont pas les mêmes propriétés chimiques ni physiques (point d’ébullition, de fusion, indice de réfraction…)

• Stéréoisomères ( = de position): formules brutes identiques et atomes liés dans le même ordre, mais disposition différente des atomes et des liaisons dans l’espace

• Sont mis en évidence par les formules développées, semi-développées et topologiques

Types d’isomères structuraux ( = de constitution)

• Isomères de squelette ( = de chaîne): diffèrent par leur chaîne carbonnée (squelette)

• Isomères de position: même squelette carboné, mais groupements fonctionnels situés à des positions différentes

• Isomères de fonction: peuvent posséder (ou pas) la même chaîne carboné, mais des fonctions différentes

La stéréochimie c’est:

• Étude de l’arrangement relatif dans l’espace des atomes d’une molécule

• Statique: quand la molécule est fixe dans l’espace et ne subit pas de modifications

• Dynamique: quand l’arrangement des atomes de la molécule varie au cours d’une réaction chimique

Types de stéréoisomères

• Énantiomères: configurations non superposables d’une molécule (molécule chirale), et images l’une de l’autre dans un miroir

• Diastéréoisomères: quand molécules sont stéréoisomères mais ne sont pas énantiomères

Molécule chirale:

• Molécule ne possédant ni plan, ni centre de symétrie, a 2 configurations, images dans un miroir, non superposables

• Origine la plus fréquente: molécule avec un C asymétrique

C asymétrique (C*):

C dont les 4 substituants sont différents

Types de diastéréosiomères:

• Diastéréoisomères configurationnels (=diastéréoisomères): espèces uniques, séparables et caractérisables. Il est impossible de les interconvertir l’un dans l’autre sans fournir l’énergie nécessaire à la rupture d’une liaison.

• Diastéréoisomères conformationnels (=conformères): diffèrent les uns des autres que par une simple rotation autour d’une liaison simple et ne sont généralement pas séparables.

La présence de diastéréoisomères configurationnels (=Diastéréosomères) découle de:

Dans une molécule avec:

• C*

• nsaturation(s)

• 1 ou plusieurs cycles

Règles de Cahn, Ingold et Prelog

• Permettent d’attribuer un ordre de priorité aux 4 substituants d’un C asymétrique —> pour déterminer la configuration absolue d’un C asymétrique

Configuration absolue d’un C*

• R ou S

Diastéréoisomères configurationnels (=Diastéréoisomères) et stéréoisomères quand molécule a 2 C asymétriques

Diastéréoisomères configurationnels (=Diastéréoisomères) et stéréoisomères quand molécule a n C asymétriques (C*)

• Même raisonnement que dans le cas de 2 C*

CAS PARTICULIER: diastéréoisomères et stéréoisomères dans molécule acyclique avec 2 C* identiquement substitués

Isomérie (diastéréoisomérie configurationnelle = diastéréoisomérie) Z et E

• Avec C=C

Conformations diastéréoisomères conformationnels, quand il y a 2C (molécules cycliques)

• Conformation éclipsée

• Conformation décalée: minimise les interactions car substituants sont les plus éloignés possible —> + stables et + peuplées que l’éclipsée

Conformations diastéréoisomères conformationnels, quand il y a + de 2C (molécules cycliques)

S’obtiennent par rotation:

• Conformations gauches = énantiomères, sont de même énergie, ce sont des conformations décalées

• Conformations anti: les plus stables car groupes les plus “importants” sont les plus éloignées et donc ont les interactions les moins fortes

• Conformation syn: apparition d’un éclipse

• Conformation éclipsée: énantiomères, forme éclipsée

Tension de cycle:

Le repliement d’une chaine carbonée sur elle-même afin de former un cycle entraine l’apparition d’angles de valence anormaux et donc d’une tension de cycle.

Conformère/forme chaise (Cyclohexane)

• Le plus stable

• Apparait car les angles C-C-C tendent à se rapprocher de l’angle tétraédrique

Hydrogènes axiaux VS H équatoriaux

Conformère/forme bâteau (Cyclohexane)

• moins stables que la conformation chaise

Interconversion de chaise (Cyclohexane)

Chaise —> bâteau —> chaise

Modèle du coin volant ( = CRAM)

• Représentation schématique dans l’espace d’un carbone avec 4 liaison simples ( —> 4 substituants)

• Angles de liaison:

  • 109º28’: quand les 4 substituants sont identiques ou présentent le même encombrement

  • >109º28’:(ex: 109º5’): quand substituants trop encombrants ou s’ils sont siège d’une répulsion électrique mutuelle —> équilibre entre tendance des groupements à se placer aussi loin que possible les uns des autres et la déstabilisation qui naît de la déformation angulaire

Représentation de cavalier

• Utilisée plus rarement

Projections de Newman

• Pour molécules avec au moins 1 liaison C -C

• Permet de comprendre angle de torsion ( = angle dièdre)

Angle dièdre ( = angle de torsion)

Angle existant entre deux plans

Projection de Fisher:

• Se fait sur un plan avec 2 carbones asymétriques

• Liaisons horizontales: liaisons en avant du plan

• Liaisons verticales: liaisons en arrière du plan

• C le plus oxidé: C avec le plus de liaisons C - O

Hybridation

• Linéaire: sp

• Plane: sp2

• Tétraédrique: sp3

Mélange rasémique

50% de molécules avec 1 enantiomère, 50% avec l’autre enantiomère

Si 1 C* ou 2 C de configuration RR ou SS

Molécule chirale

Hydrocarbures:

Composés organiques constitués exclusivement d'atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H)

Nomenclature:

• Attribution systématique des noms aux composés

• Chaque composé doit avoir un nom unique —> communication sans ambiguïté

Système de nomenclature utilisé actuellement

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)

Alcanes:

Hydrocarbures saturés (avec liaisons simples) —> n’ont que des C et des H

Nom fondamental d’un alcane non ramifié

Combinaison de:

• Racine numérique: indique le nombre d’atomes de C de la chaîne

• Suffixe: ane

Nom alcanes ramifiés

Nom groupement alklyle (=substituant)

• Comme un alcane sauf qu’avec le suffixe yl

• Il y a les alkyles linéaires, ramifiés et cycliques

Noms alkyles linéaires

Noms alkyles ramifiés

Noms alkyles cycliques

Alcène:

Hydrocarbure insaturé, avec au moins une double liaison (—> groupe fonctionnel)

Nom fondamental alcènes

Racine + suffixe “ène”

Alcyne:

Hydrocarbure insaturée, avec au moins une triple liaison C,C (—> groupe fonctionnel)

Nom fondamental alcynes

Racine + suffixe “yne”

Nom fondamental composés aromatiques monosubstitués

Il faut rajouter le nom du substituant sous forme de préfixe au mot “benzène”

Nom fondamental composés aromatiques disubstitués

Nom fondamental dérivés tri- ou polysubstitués

Un alcool c’est:

Composé organique avec un groupe fonctionnel hydroxyle (-OH)

—> s’il y a plusieurs OH: c’est un polyalcool

Comment nommer un alcool?

Une cétone c’est:

Composé organique avec un groupe fonctionnel carbonyle (=O)

Comment nommer une cétone?

Un aldéhyde c’est:

Composé organique avec un groupe fonctionnel carbonyle (=O) au bout de chaîne

Comment nommer un aldéhydes?

Une amine c’est:

Composé organique avec un groupe amine

Comment nommer une amine?

Un acide carboxylique c’est:

Composé organique avec un groupe carboxyle (C(O)OH)

Comment nommer les acides carboxyliques?

Halogénures d’acides

• Dérivés d’acides carboxyliques

Esters

• Dérivés d’acides carboxyliques

Éthers-oxydes

Ordre de priorité lorsqu’il y a de des composés à fonctions mixtes

Rappel hybridation: à l’état fondamental, l’atome de C est:

Tétravalent