La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

32Les molécules organiques : squelettes et noms

Un briquet jetable contient du butane, liquide sous pression ; la cartouche d’un réchaud emporté sur une montagne enneigée contient du propane, ou un mélange qui en est plus riche. Tous deux ne sont faits que d’atomes de carbone et d’hydrogène, et tous deux appartiennent à une immense famille : celle des molécules construites sur un squelette d’atomes de carbone. On en connaît des millions. Pour en parler, les chimistes ont besoin de moyens de les dessiner rapidement et de les nommer sans ambiguïté.

Rappel

Le carbone forme quatre liaisons covalentes et l’hydrogène une seule ; autour d’un atome de carbone engagé dans quatre liaisons simples, les liaisons pointent vers les sommets d’un tétraèdre, à environ $109.5{}^{\circ}$ (Chapitre 24).

Un réchaud de camping dans la neige, qui brûle un gaz fait de carbone et d’hydrogène.

32.1 Les formules des molécules organiques

Définition 32.1 (Composé organique)

Un composé organique est un composé dont les molécules sont construites sur un squelette d’atomes de carbone liés entre eux et à des atomes d’hydrogène, avec éventuellement d’autres atomes comme l’oxygène et l’azote. (Le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et les carbonates en sont traditionnellement exclus.)

Définition 32.2 (Quatre sortes de formules)

Une molécule peut s’écrire de quatre façons :

sa formule brute donne seulement le nombre d’atomes de chaque élément, comme $\ce{C4H10}$ ;
sa formule développée montre tous les atomes et toutes les liaisons ;
sa formule semi-développée montre les liaisons entre atomes de carbone et regroupe les atomes d’hydrogène avec leur carbone, comme $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$ ;
sa formule topologique ne dessine que les liaisons du squelette carboné, en zigzag : chaque extrémité et chaque sommet est un atome de carbone, les atomes d’hydrogène portés par le carbone ne sont pas dessinés, et tout autre atome (avec ses atomes d’hydrogène) est écrit.

Les quatre formules du butane et du 2-méthylpropane. Dans les formules topologiques, chaque extrémité et chaque sommet des traits est un atome de carbone : quatre dans chacune.

Exemple 32.3 (Lire une formule topologique)

Dans la formule topologique du butane, le zigzag a deux extrémités et deux sommets : quatre atomes de carbone. Chaque carbone d’extrémité n’a qu’une liaison dessinée : il porte donc trois atomes d’hydrogène ( $\ce{CH3}$ ) ; chaque sommet a deux liaisons dessinées : il en porte deux ( $\ce{CH2}$ ). Chaque carbone a quatre liaisons en tout, ce qui redonne $\ce{C4H10}$ .

32.2 Les chaînes carbonées

Le squelette carboné d’une molécule peut être une chaîne linéaire, chaque carbone étant lié à deux autres au plus, comme dans le butane ; une chaîne ramifiée, avec au moins un carbone lié à trois ou quatre autres, comme dans le 2-méthylpropane ; ou un cycle, comme dans le cyclohexane, $\ce{C6H12}$ , dont la formule topologique est un hexagone. On dessine les chaînes en zigzag parce que les liaisons réelles autour de chaque carbone forment des angles d’environ $109.5{}^{\circ}$ , et non de $180{}^{\circ}$ : une chaîne « linéaire » est en fait un zigzag dans l’espace.

Trois squelettes carbonés, en formules topologiques.

32.3 Les alcanes et leurs noms

Définition 32.4 (Alcane, groupe alkyle)

Un alcane est un composé de carbone et d’hydrogène dont le squelette est une chaîne (linéaire ou ramifiée, pas un cycle) ne comportant que des liaisons simples ; sa formule brute est $\ce{C_{n}H_{2n+2}}$ . Un groupe alkyle est ce qui reste d’un alcane quand on lui retire un atome d’hydrogène, pour pouvoir le fixer à une chaîne : méthyle $\ce{-CH3}$ , éthyle $\ce{-CH2-CH3}$ .

$n$	nom	formule	$n$	nom	formule
1	méthane	$\ce{CH4}$	6	hexane	$\ce{C6H14}$
2	éthane	$\ce{C2H6}$	7	heptane	$\ce{C7H16}$
3	propane	$\ce{C3H8}$	8	octane	$\ce{C8H18}$
4	butane	$\ce{C4H10}$	9	nonane	$\ce{C9H20}$
5	pentane	$\ce{C5H12}$	10	décane	$\ce{C10H22}$

Les dix premiers alcanes linéaires. Le nom d’une chaîne de

n

atomes de carbone est formé d’un même radical suivi de -ane ; le groupe alkyle remplace -ane par -yle (méthyle, éthyle, propyle…).

Méthode 32.5 (Nommer un alcane)

Trouver la plus longue chaîne d’atomes de carbone : elle donne le nom de base (pentane, hexane…).
Les atomes qui n’en font pas partie forment des groupes alkyle fixés sur elle, les substituants.
Numéroter la chaîne principale à partir de l’extrémité qui donne aux substituants les numéros les plus petits.
Écrire chaque substituant avec son numéro (sa position sur la chaîne), par ordre alphabétique, devant le nom de base ; les groupes répétés prennent les préfixes di-, tri-, tétra-, avec un numéro pour chacun. Les numéros sont séparés par des virgules, les numéros et les mots par des tirets.

Nommer un alcane ramifié : la chaîne principale (numérotée), les substituants (entourés), le nom.

Méthode 32.6 (D’un nom à une formule topologique)

Dessiner en zigzag la chaîne principale donnée par le nom de base, et numéroter ses carbones.
Fixer chaque substituant à la position donnée par son numéro.
Vérifier : compter les carbones, et s’assurer qu’aucun carbone n’a plus de quatre liaisons.

32.4 Les isomères

Définition 32.7 (Isomères, isomères de constitution)

Des isomères sont des composés différents qui ont la même formule brute. Des isomères de constitution sont des isomères dont les atomes sont liés dans un ordre différent, par exemple avec un squelette carboné différent.

Proposition 32.8 (Les isomères ont des propriétés différentes)

Des isomères de constitution sont des substances différentes, aux propriétés différentes. Parmi les alcanes isomères d’une même formule, les plus ramifiés bouillent le plus bas : le butane bout vers $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et le 2-méthylpropane à $-11.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; le pentane à $36.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , le 2-méthylbutane à $27.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et le 2,2-diméthylpropane à $9.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Démonstration. Les valeurs sont des mesures. Les molécules ramifiées sont plus compactes, avec moins de surface en contact avec leurs voisines : leurs interactions de van der Waals sont plus faibles (Chapitre 30). ∎

Les trois isomères de C5H12 et leurs températures d’ébullition : plus la molécule est ramifiée, plus elle est basse. — Les trois isomères de $\ce{C5H12}$ et leurs températures d’ébullition : plus la molécule est ramifiée, plus elle est basse.

32.5 Les alcanes du pétrole

Le pétrole brut est un mélange de milliers de composés, pour la plupart des alcanes de 1 à plus de 40 atomes de carbone. Dans une raffinerie, on le chauffe et ses vapeurs montent dans une haute colonne, de plus en plus froide vers le haut : chaque fraction se condense à la hauteur où la température correspond à son domaine d’ébullition. Les gaz (du méthane au butane) sortent en haut, puis l’essence, le kérosène, le gazole ; les huiles lourdes et le bitume restent en bas. Cette distillation fractionnée sépare selon la température d’ébullition, qui, pour les alcanes, augmente avec la longueur de la chaîne.

Les colonnes de distillation d’une raffinerie au crépuscule.

Sécurité

Le butane est un gaz extrêmement inflammable, conservé sous pression. Le pentane est un liquide très inflammable ; sa vapeur provoque la somnolence, il peut endommager les poumons en cas d’ingestion et il est toxique pour les organismes aquatiques. Aucune flamme près des alcanes légers ; travailler sous une hotte.

32.6 Exercices

Exercice 32.1 ★

Donner les formules brutes des molécules dessinées ci-dessous, et dire si ce sont des isomères : et .

Solution

Solution de Exercice 32.1.

Les deux ont six atomes de carbone (extrémités et sommets) et la formule $\ce{C6H14}$ : l’hexane et le 2-méthylpentane sont isomères.

Exercice 32.2 ★

Nommer : $\ce{CH3-CH2-CH3}$ ; $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}$ ; .

Solution

Solution de Exercice 32.2.

Propane ; hexane ; 2-méthylbutane.

Exercice 32.3 ★

Écrire les formules semi-développées du propane et du 2-méthylpropane, et la formule développée de l’éthane.

Solution

Solution de Exercice 32.3.

$\ce{CH3-CH2-CH3}$ ; ; .

Exercice 32.4 ★

Compter les atomes de carbone et d’hydrogène de chaque molécule : et .

Solution

Solution de Exercice 32.4.

La première, le 3-méthylpentane : 6 atomes de carbone ; ses extrémités $\ce{CH3}$ (il y en a trois) portent 9 atomes d’hydrogène, ses deux sommets $\ce{CH2}$ en portent 4 et son point de ramification $\ce{CH}$ 1 : $\ce{C6H14}$ . Le cyclohexane : 6 sommets, chacun $\ce{CH2}$ : $\ce{C6H12}$ .

Exercice 32.5 ★

Donner la formule brute de l’alcane à 8 atomes de carbone, et le nombre d’atomes de carbone de l’alcane à 20 atomes d’hydrogène.

Solution

Solution de Exercice 32.5.

$\ce{C8H18}$ . $2n + 2 = 20$ donne $n = 9$ : le nonane, $\ce{C9H20}$ .

Exercice 32.6 ★★

Dessiner les formules topologiques du 3-méthylhexane, du 2,2-diméthylbutane et du 3-éthylpentane, et donner leurs formules brutes.

Solution

Solution de Exercice 32.6.

3-méthylhexane , $\ce{C7H16}$ ; 2,2-diméthylbutane , $\ce{C6H14}$ ; 3-éthylpentane , $\ce{C7H16}$ .

Exercice 32.7 ★★

Dessiner et nommer les trois isomères de $\ce{C5H12}$ .

Solution

Solution de Exercice 32.7.

Le pentane, le 2-méthylbutane et le 2,2-diméthylpropane, dessinés dans la figure du chapitre.

Exercice 32.8 ★★

Ces noms sont faux. Dessiner chaque molécule et donner son nom correct : 2-éthylbutane ; 4-méthylpentane ; 1-méthylbutane.

Solution

Solution de Exercice 32.8.

Dans le « 2-éthylbutane », la plus longue chaîne compte cinq carbones en passant par le groupe éthyle : c’est le 3-méthylpentane. Le « 4-méthylpentane » est numéroté à partir de la mauvaise extrémité : c’est le 2-méthylpentane. Le « 1-méthylbutane » est simplement une chaîne de cinq carbones : c’est le pentane.

Exercice 32.9 ★★

À l’aide de la figure des isomères de $\ce{C5H12}$ , les classer par température d’ébullition et expliquer cet ordre.

Solution

Solution de Exercice 32.9.

Le 2,2-diméthylpropane ( $9.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) < le 2-méthylbutane ( $27.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) < le pentane ( $36.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). Les mêmes atomes sont disposés de façon de plus en plus compacte : moins de contact entre molécules, des interactions de van der Waals plus faibles, une température d’ébullition plus basse.

Exercice 32.10 ★★

Le cyclohexane a pour formule $\ce{C6H12}$ et l’hexane $\ce{C6H14}$ . Expliquer les deux atomes d’hydrogène manquants. Les deux composés sont-ils isomères ? Le cyclohexane est-il un alcane ?

Solution

Solution de Exercice 32.10.

Refermer la chaîne en cycle crée une liaison $\ce{C-C}$ de plus, qui prend la place de deux liaisons $\ce{C-H}$ (une à chaque extrémité). Les formules brutes sont différentes : ce ne sont pas des isomères. Le cyclohexane n’est pas un alcane (son squelette est un cycle ; sa formule n’est pas $\ce{C_{n}H_{2n+2}}$ ).

Exercice 32.11 ★★

Parmi le propane, le butane, le 2-méthylpropane et le cyclobutane ( $\ce{C4H8}$ , un cycle de quatre atomes de carbone), lesquels sont isomères les uns des autres ?

Solution

Solution de Exercice 32.11.

Le butane et le 2-méthylpropane ( $\ce{C4H10}$ ). Le propane a pour formule $\ce{C3H8}$ et le cyclobutane $\ce{C4H8}$ .

Exercice 32.12 ★★★

Dessiner et nommer les cinq isomères de $\ce{C6H14}$ .

Solution

Solution de Exercice 32.12.


hexane	2-méthylpentane	3-méthylpentane

2,2-diméthylbutane	2,3-diméthylbutane

Exercice 32.13 ★★★

Représenter un alcane linéaire comme un long zigzag et un alcane très ramifié comme une boule. À l’aide de cette image, expliquer pourquoi la ramification abaisse la température d’ébullition des isomères.

Solution

Solution de Exercice 32.13.

Deux longs zigzags peuvent s’aligner côte à côte sur toute leur longueur, avec beaucoup d’atomes en contact ; deux boules ne se touchent que sur une petite surface. Les interactions de van der Waals agissent entre atomes en contact : elles sont plus grandes entre molécules linéaires, qu’il faut chauffer davantage pour les séparer.

Exercice 32.14 ★★★

Nommer l’alcane

Solution

Solution de Exercice 32.14.

La plus longue chaîne compte six carbones ; numérotés par la gauche, les substituants sont en 2, 4, 4, par la droite en 3, 3, 5 ; la première différence (2 contre 3) décide : 2,4,4-triméthylhexane.

Exercice 32.15 ★★★

Le composé de référence pour l’essence, l’« isooctane », est le 2,2,4-triméthylpentane. Dessiner sa formule topologique, vérifier que c’est un isomère de l’octane, et écrire sa formule semi-développée.

Solution

Solution de Exercice 32.15.

: une chaîne de cinq carbones avec deux groupes méthyle sur le carbone 2 et un sur le carbone 4, soit huit atomes de carbone en tout ; $2 \times 8 + 2 = 18$ atomes d’hydrogène, $\ce{C8H18}$ , la formule de l’octane : ce sont des isomères. Formule semi-développée : .

32.7 Problème : le gaz des briquets

Problème 32.1

Problème du week-end — combien d’alcanes différents ont pour formule $\ce{C7H16}$ ?

Un briquet contient du butane ; une cartouche de camping d’hiver contient un mélange plus riche en propane ou en 2-méthylpropane. Le butane bout vers $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , le 2-méthylpropane à $-11.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et le propane à $-42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Partie I — Deux gaz pour une formule.

Donner la formule brute du butane, et vérifier qu’elle correspond à la formule générale des alcanes.
Dessiner sa formule développée.
Écrire ses formules semi-développée et topologique.
Représenter le 2-méthylpropane des trois mêmes façons. Pourquoi a-t-il la même formule brute ?
Le butane et le 2-méthylpropane sont-ils isomères ? De quelle sorte ?

Partie II — Dans le froid.

Lesquels des trois gaz sont gazeux à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ sous la pression normale ?
Un briquet ouvert est utilisé dehors à $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Pourquoi donne-t-il une mauvaise flamme ?
Pourquoi les cartouches d’hiver sont-elles riches en propane ou en 2-méthylpropane ?
Expliquer pourquoi le 2-méthylpropane bout plus bas que le butane.
Pourquoi le propane n’a-t-il pas d’isomère ?

Partie III — Nommer et compter.

Nommer .
Pourquoi le nom « 3-méthylbutane » est-il faux pour la même molécule ?
Combien d’alcanes isomères ont pour formules $\ce{C4H10}$ , $\ce{C5H12}$ et $\ce{C6H14}$ ?

Partie IV — Les isomères de $\ce{C7H16}$ .

Dessiner l’isomère linéaire et le nommer.
Dessiner et nommer les isomères dont la plus longue chaîne compte six atomes de carbone. Pourquoi n’y a-t-il pas de « 4-méthylhexane » ?
Dessiner et nommer les isomères dont la plus longue chaîne compte cinq atomes de carbone et deux groupes méthyle.
Existe-t-il un isomère avec une chaîne de cinq carbones et un groupe éthyle ? Pourquoi le groupe éthyle ne peut-il se trouver que sur le carbone 3 ?
Dessiner et nommer l’isomère dont la plus longue chaîne compte quatre atomes de carbone.
Compter tous les isomères trouvés.
Donner la réponse finale : combien d’isomères de constitution l’heptane possède-t-il, lui-même compris ?

Solution

Solution de Problème 32.1.

1. $\ce{C4H10}$ : avec $n = 4$ , $2n + 2 = 10$ .

2. .

3. $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$ ; .

4. ; ; . Il possède les mêmes atomes, quatre carbones et dix hydrogènes, liés dans un ordre différent.

5. Oui : des isomères de constitution (squelettes différents).

6. Tous les trois : leurs températures d’ébullition sont inférieures à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

7. À $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , au-dessous de sa température d’ébullition, le butane reste liquide sous la pression normale et ne dégage que peu de gaz.

8. Le propane ( $-42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) et le 2-méthylpropane ( $-11.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) bouillent au-dessous des températures hivernales : ils donnent encore beaucoup de gaz dans le froid.

9. Le 2-méthylpropane est ramifié, plus compact : ses interactions de van der Waals sont plus faibles.

10. Avec trois atomes de carbone, le seul squelette possible est la chaîne $\ce{C-C-C}$ : déplacer un carbone ailleurs redonne la même chaîne.

11. Le 2-méthylbutane.

12. La chaîne doit être numérotée à partir de l’extrémité la plus proche du substituant : 2, et non 3.

13. 2, 3 et 5.

14. L’heptane, .

15. Le 2-méthylhexane et le 3-méthylhexane . Le nom « 4-méthylhexane » désigne en réalité le 3-méthylhexane, numéroté à partir de la mauvaise extrémité.

16. Le 2,2-, le 2,3-, le 2,4- et le 3,3-diméthylpentane.

17. Oui, le 3-éthylpentane. Sur le carbone 2, le groupe éthyle formerait une chaîne de six carbones passant par lui : la molécule serait le 3-méthylhexane.

18. Le 2,2,3-triméthylbutane, .

19. $1 + 2 + 4 + 1 + 1 = 9$ .

20. L’heptane possède 9 isomères de constitution, lui-même compris.

Termes définis dans ce chapitre

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