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

33Groupes caractéristiques et familles

Ouvrez une bouteille de vinaigre, un flacon de dissolvant pour vernis, un sachet de bonbons acidulés à la poire, et passez devant l’étal d’un poissonnier : quatre odeurs, piquante, sucrée de solvant, fruitée et poissonneuse, et quatre sortes de molécules différentes. Chacune doit son odeur, et l’essentiel de sa chimie, non pas à son squelette carboné mais à un petit groupe d’atomes fixé sur lui : de l’oxygène et de l’hydrogène à un endroit, un atome d’azote à un autre. Les chimistes classent les composés organiques selon ces groupes.

Rappel

Les formules topologiques, les noms des alcanes et des groupes alkyle, les isomères (Chapitre 32). Les liaisons polarisées et les liaisons hydrogène (Chapitre 30).

Du vinaigre, un solvant, des fruits : chaque odeur vient d’un groupe d’atomes différent porté par un squelette carboné.

33.1 Les groupes caractéristiques

Définition 33.1 (Groupe caractéristique)

Un groupe caractéristique est un groupe d’atomes, autre que les atomes de carbone et d’hydrogène du squelette reliés uniquement par des liaisons simples, qui donne à une molécule ses réactions caractéristiques. Les composés qui ont en commun un groupe caractéristique forment une famille fonctionnelle.

Les principaux groupes caractéristiques, et les cinq qui sont construits sur un groupe carbonyle C=O, dessinés en entier. R et R' représentent des chaînes carbonées (groupes alkyle) et X un atome d’halogène (F, Cl, Br, I). — Les principaux groupes caractéristiques, et les cinq qui sont construits sur un groupe carbonyle $\ce{C=O}$ , dessinés en entier. R et R $'$ représentent des chaînes carbonées (groupes alkyle) et X un atome d’halogène (F, Cl, Br, I).

33.2 Les alcools et leur classe

Définition 33.2 (Alcool, classe d’un alcool)

Un alcool possède un groupe hydroxyle $\ce{-OH}$ lié à un atome de carbone qui n’a que des liaisons simples. La classe d’un alcool est primaire, secondaire ou tertiaire selon que l’atome de carbone qui porte le $\ce{-OH}$ est lié à un, deux ou trois autres atomes de carbone. (Le méthanol, $\ce{CH3OH}$ , dont le carbone n’est lié à aucun autre, est rangé parmi les alcools primaires.)

Trois isomères C4H10O, trois classes d’alcool. — Trois isomères $\ce{C4H10O}$ , trois classes d’alcool.

33.3 Aldéhydes, cétones, acides et esters

Définition 33.3 (Aldéhyde, cétone)

Un groupe carbonyle est une liaison double $\ce{C=O}$ . Si son atome de carbone est en bout de chaîne (lié à au moins un atome d’hydrogène), le composé est un aldéhyde ; s’il est à l’intérieur de la chaîne (lié à deux atomes de carbone), le composé est une cétone.

Définition 33.4 (Acide carboxylique, ester)

Un acide carboxylique possède un groupe carboxyle $\ce{-COOH}$ , un carbonyle et un hydroxyle portés par le même atome de carbone. Un ester possède le groupe $\ce{-COO-}$ entre deux chaînes carbonées : il est apparenté à un acide dont le $\ce{-OH}$ a été remplacé par un $\ce{-O-}$ R $'$ venu d’un alcool.

Exemple 33.5 (L’éthanoate d’éthyle)

Le solvant éthanoate d’éthyle, $\ce{CH3-COO-CH2-CH3}$ , sent le bonbon acidulé et le dissolvant pour vernis. Sa « partie acide », $\ce{CH3-CO}$ , vient de l’acide éthanoïque $\ce{CH3-COOH}$ et donne le premier mot du nom, éthanoate ; sa « partie alcool », $\ce{O-CH2-CH3}$ , vient de l’éthanol $\ce{CH3-CH2-OH}$ et donne le dernier mot, éthyle. Un chapitre suivant montre comment on fabrique un ester à partir de son acide et de son alcool.

Nommer un ester : la partie acide donne un nom en -oate (éthanoate), la partie alcool un nom de groupe alkyle (éthyle) ; le nom est « éthanoate d’éthyle ». — Nommer un ester : la partie acide donne un nom en *-oate* (*éthanoate*), la partie alcool un nom de groupe alkyle (*éthyle*) ; le nom est « éthanoate d’éthyle ».

33.4 Amines, amides, halogénoalcanes et alcènes

Définition 33.6 (Amine, amide)

Une amine possède un atome d’azote lié à une chaîne carbonée par une liaison simple, comme dans $\ce{-NH2}$ . Un amide possède un atome d’azote lié au carbone d’un groupe carbonyle, comme dans $\ce{-CO-NH2}$ .

Définition 33.7 (Halogénoalcane, alcène)

Un halogénoalcane est un alcane dont un ou plusieurs atomes d’hydrogène sont remplacés par des atomes d’halogène (F, Cl, Br, I). Un alcène possède une liaison double carbone–carbone, $\ce{C=C}$ .

Remarque 33.8 (Odeurs et groupes)

Beaucoup de petites amines sentent le poisson pourri, et l’odeur du poisson qui n’est plus frais leur est due en grande partie. Beaucoup de petits esters sentent le fruit. Les petits acides carboxyliques ont une odeur piquante, comme le vinaigre ; la propanone, une cétone, est l’odeur familière de solvant du dissolvant pour vernis.

33.5 Nommer

Méthode 33.9 (Nommer un composé organique à un seul groupe caractéristique)

Trouver la plus longue chaîne carbonée qui contient le carbone du groupe caractéristique (ou, pour un alcool ou une amine, le carbone qui le porte) : elle donne le nom de base.
Numéroter la chaîne à partir de l’extrémité qui donne au groupe caractéristique le plus petit numéro.
Remplacer le -e de l’alcane par la terminaison de la famille, précédée si nécessaire de la position du groupe : propan-2-ol, butan-2-one. (Les aldéhydes, les acides et les amides ont leur groupe sur le carbone 1 : pas de numéro.)
Ajouter les substituants alkyle en préfixes, avec leurs positions, comme pour les alcanes ; un halogène est toujours un préfixe (2-chloropropane).

Exemple 33.10 (Quatre noms)

est le propan-2-ol (un alcool secondaire) ; est la butan-2-one ; est l’acide butanoïque ; est le 3-méthylbutanal.

La paillasse d’un parfumeur : beaucoup de flacons contiennent des esters, des alcools, des aldéhydes et des cétones.

Sécurité

La propanone est très inflammable et irritante pour les yeux ; sa vapeur provoque la somnolence. L’acide éthanoïque pur est inflammable et provoque de graves brûlures de la peau et des yeux ; le vinaigre en est une solution diluée. On ne teste jamais une odeur en reniflant un flacon : on rabat doucement la vapeur vers le nez avec la main, et seulement quand l’enseignant le permet.

33.6 Exercices

Exercice 33.1 ★

Nommer le groupe caractéristique et la famille de chaque composé : $\ce{CH3-CH2-CH2-OH}$ ; $\ce{CH3-CO-CH2-CH3}$ ; $\ce{CH3-CH2-COOH}$ ; $\ce{CH3-COO-CH3}$ ; $\ce{CH3-CH2-NH2}$ .

Solution

Solution de Exercice 33.1.

Hydroxyle, alcool ; carbonyle à l’intérieur de la chaîne, cétone ; carboxyle, acide carboxylique ; groupe ester, ester ; groupe amino $\ce{-NH2}$ , amine.

Exercice 33.2 ★

Nommer : $\ce{CH3-OH}$ ; $\ce{CH3-CH2-CH2-OH}$ ; $\ce{HCOOH}$ ; $\ce{CH3-CH2-CHO}$ ; $\ce{CH3-CO-CH3}$ .

Solution

Solution de Exercice 33.2.

Méthanol ; propan-1-ol ; acide méthanoïque ; propanal ; propanone.

Exercice 33.3 ★

À quelle famille appartient chaque composé : le butan-2-ol, le pentanal, le propanoate de méthyle, le propanamide, le 2-bromopropane, le but-1-ène ?

Solution

Solution de Exercice 33.3.

Alcool ; aldéhyde ; ester ; amide ; halogénoalcane ; alcène.

Exercice 33.4 ★

Écrire les formules semi-développées du propanal et de la propanone. Lequel est l’aldéhyde ? Comment le reconnaît-on ?

Solution

Solution de Exercice 33.4.

Propanal $\ce{CH3-CH2-CHO}$ , propanone $\ce{CH3-CO-CH3}$ . Le propanal est l’aldéhyde : le carbone de son $\ce{C=O}$ est en bout de chaîne, lié à un atome d’hydrogène ; dans la propanone, il est entre deux atomes de carbone.

Exercice 33.5 ★

Donner la classe du propan-1-ol, du propan-2-ol et du 2-méthylpropan-2-ol.

Solution

Solution de Exercice 33.5.

Primaire (le carbone qui porte le $\ce{-OH}$ a un carbone voisin) ; secondaire (deux) ; tertiaire (trois).

Exercice 33.6 ★★

Dessiner les formules topologiques du pentan-3-ol, de l’acide 2-méthylbutanoïque, de l’hexan-2-one et de l’éthanoate de propyle.

Solution

Solution de Exercice 33.6.

Pentan-3-ol ; acide 2-méthylbutanoïque ; hexan-2-one ; éthanoate de propyle .

Exercice 33.7 ★★

Le propanal et la propanone ont la même formule brute. La donner. Sont-ils isomères ? Ont-ils le même groupe caractéristique ?

Solution

Solution de Exercice 33.7.

$\ce{C3H6O}$ . Oui, ce sont des isomères, mais avec des groupes différents : un aldéhyde et une cétone (deux groupes carbonyle, à des places différentes).

Exercice 33.8 ★★

Écrire la formule semi-développée et le nom de l’ester dont la partie acide vient de l’acide méthanoïque $\ce{HCOOH}$ et dont la partie alcool vient de l’éthanol ; puis ceux de l’ester issu de l’acide éthanoïque et du propan-1-ol.

Solution

Solution de Exercice 33.8.

$\ce{HCOO-CH2-CH3}$ , méthanoate d’éthyle ; $\ce{CH3-COO-CH2-CH2-CH3}$ , éthanoate de propyle.

Exercice 33.9 ★★

Nommer les esters $\ce{CH3-COO-CH3}$ , $\ce{CH3-CH2-COO-CH2-CH3}$ et $\ce{HCOO-CH3}$ , et donner l’acide et l’alcool auxquels chacun est apparenté.

Solution

Solution de Exercice 33.9.

Éthanoate de méthyle (acide éthanoïque, méthanol) ; propanoate d’éthyle (acide propanoïque, éthanol) ; méthanoate de méthyle (acide méthanoïque, méthanol).

Exercice 33.10 ★★

Dessiner et nommer les quatre alcools de formule $\ce{C4H10O}$ , et donner la classe de chacun.

Solution

Solution de Exercice 33.10.


butan-1-ol	butan-2-ol	2-méthylpropan-1-ol	2-méthylpropan-2-ol
primaire	secondaire	primaire	tertiaire

Exercice 33.11 ★★

À l’aide du tableau des groupes : quelle est la famille de $\ce{CH3-CO-NH2}$ ? Quelle terminaison prend le nom d’un alcène ? Quelles sont les familles qui ont un groupe carbonyle avec un atome d’oxygène ou d’azote sur le même carbone ?

Solution

Solution de Exercice 33.11.

Un amide (l’éthanamide). -ène. Les acides carboxyliques ( $\ce{C=O}$ et $\ce{-OH}$ sur le même carbone), les esters ( $\ce{C=O}$ et $\ce{-O-}$ ) et les amides ( $\ce{C=O}$ et $\ce{N}$ ) : trois familles.

Exercice 33.12 ★★★

Entourer et nommer les groupes caractéristiques de l’aspirine et du paracétamol. (Un $\ce{-OH}$ lié directement à un cycle comme celui du paracétamol s’appelle un groupe phénol ; il se comporte autrement qu’un alcool.)

Solution

Solution de Exercice 33.12.

L’aspirine : un groupe carboxyle (acide carboxylique) et un groupe ester. Le paracétamol : un $\ce{-OH}$ de phénol sur le cycle et un groupe amide $\ce{NH-CO}$ .

Exercice 33.13 ★★★

L’éthanol $\ce{CH3-CH2-OH}$ et le méthoxyméthane $\ce{CH3-O-CH3}$ ont la même formule brute. La donner. Le méthoxyméthane appartient à une famille absente du tableau, les éthers-oxydes. Lequel des deux peut former des liaisons hydrogène entre ses propres molécules ? Lequel bout le plus haut (l’un bout à $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , l’autre à $-25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) ?

Solution

Solution de Exercice 33.13.

$\ce{C2H6O}$ . Seul l’éthanol, avec son $\ce{O-H}$ , forme des liaisons hydrogène entre ses molécules (le méthoxyméthane n’a pas d’hydrogène sur son oxygène). L’éthanol bout le plus haut, à $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; le méthoxyméthane à $-25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exercice 33.14 ★★★

L’acide lactique, produit par les muscles fatigués, a pour formule . Nommer ses deux groupes caractéristiques. Quand une molécule possède un groupe acide et un autre groupe, l’acide donne la terminaison et l’autre groupe devient un préfixe (hydroxy- pour $\ce{-OH}$ , amino- pour $\ce{-NH2}$ ). Nommer l’acide lactique, puis la glycine, $\ce{H2N-CH2-COOH}$ .

Solution

Solution de Exercice 33.14.

Un groupe hydroxyle et un groupe carboxyle. La chaîne compte trois carbones, le carbone de l’acide étant le carbone 1 et le $\ce{-OH}$ étant sur le carbone 2 : acide 2-hydroxypropanoïque. La glycine : acide 2-aminoéthanoïque (souvent écrit acide aminoéthanoïque).

Exercice 33.15 ★★★

Le vin laissé à l’air se transforme en vinaigre : l’éthanol devient de l’acide éthanoïque, en passant par l’éthanal. Écrire les formules semi-développées et brutes des trois composés et donner leurs familles. Qu’est-ce qui change dans la formule à chaque étape ?

Solution

Solution de Exercice 33.15.

L’éthanol ( $\ce{CH3-CH2-OH}$ , $\ce{C2H6O}$ ) est un alcool ; l’éthanal ( $\ce{CH3-CHO}$ , $\ce{C2H4O}$ ), un aldéhyde ; l’acide éthanoïque ( $\ce{CH3-COOH}$ , $\ce{C2H4O2}$ ), un acide carboxylique. De l’éthanol à l’éthanal, deux atomes d’hydrogène sont perdus ; de l’éthanal à l’acide éthanoïque, un atome d’oxygène est gagné.

33.7 Problème : les arômes fruités

Problème 33.1

Problème du week-end — une aromaticienne reconstitue l’odeur de la banane : quelle est la masse molaire de la molécule clé ?

Une aromaticienne a cinq composés sur sa paillasse :

A
B
C	$\ce{CH3-COOH}$
D	$\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CHO}$
E	$\ce{CH3-CH2-CH2-COO-CH2-CH3}$

A sent la banane et le bonbon acidulé, B le malt, C le vinaigre, D l’herbe coupée, E l’ananas.

Partie I — Groupes et familles.

Nommer le groupe caractéristique de chaque composé.
Donner la famille de chacun.
Quels composés sont des esters ? Quelles odeurs ont-ils ?
Quelle est la classe de l’alcool B ?
Donner la formule brute de D, et dessiner un isomère de D qui soit une cétone.

Partie II — Les noms.

Nommer B (chercher la plus longue chaîne qui contient le carbone portant le $\ce{-OH}$ ).
Nommer C et D.
Nommer E, et donner l’acide et l’alcool auxquels il est apparenté.
Expliquer le nom de A, éthanoate de 3-méthylbutyle : quelle partie vient de l’acide, laquelle de l’alcool ?

Partie III — À partir d’un acide et d’un alcool.

À quels deux composés de la paillasse A est-il apparenté ?
Donner les formules brutes de A, B et C.
Un ester se forme à partir de son acide et de son alcool avec perte d’une petite molécule. À l’aide des formules, trouver laquelle.
Écrire l’équation de la formation de A, en formules brutes, et vérifier qu’elle est ajustée.

Partie IV — Les masses molaires.

Calculer les masses molaires de B et de C.
En déduire la masse molaire de A à partir de l’équation de la question 13.
Calculer directement la masse molaire de A à partir de sa formule, et comparer.
Un échantillon fruité inconnu a une masse molaire proche de $116\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Est-ce A ou E ?
L’acide heptanoïque, $\ce{CH3-(CH2)5-COOH}$ , sent le rance. Montrer que c’est un isomère de A. Une masse molaire suffit-elle à identifier un composé ?
Pourquoi les chimistes disent-ils que l’odeur tient autant au groupe caractéristique qu’au squelette ? Utiliser A et l’acide heptanoïque.
Donner la réponse finale : quelle est la masse molaire de l’ester de la banane, l’éthanoate de 3-méthylbutyle ?

Solution

Solution de Problème 33.1.

1. A : groupe ester ; B : hydroxyle ; C : carboxyle ; D : carbonyle en bout de chaîne ; E : groupe ester.

2. A ester, B alcool, C acide carboxylique, D aldéhyde, E ester.

3. A (banane) et E (ananas) : des odeurs fruitées.

4. Primaire : le carbone qui porte le $\ce{-OH}$ est lié à un seul carbone.

5. $\ce{C6H12O}$ ; par exemple l’hexan-2-one, $\ce{CH3-CO-CH2-CH2-CH2-CH3}$ .

6. La chaîne qui contient le $\ce{C-OH}$ compte quatre carbones, numérotés à partir du $\ce{-OH}$ , avec un méthyle sur le carbone 3 : 3-méthylbutan-1-ol.

7. C : acide éthanoïque ; D : hexanal.

8. Butanoate d’éthyle, apparenté à l’acide butanoïque et à l’éthanol.

9. Éthanoate : la partie acide $\ce{CH3-CO}$ , de l’acide éthanoïque ; 3-méthylbutyle : la partie alcool, du 3-méthylbutan-1-ol.

10. C (acide éthanoïque) et B (3-méthylbutan-1-ol).

11. A $\ce{C7H14O2}$ ; B $\ce{C5H12O}$ ; C $\ce{C2H4O2}$ .

12. $\ce{C2H4O2} + \ce{C5H12O}$ contient $\ce{C7H16O3}$ , soit un $\ce{H2O}$ de plus que $\ce{C7H14O2}$ : de l’eau.

13. $\ce{C2H4O2 + C5H12O -> C7H14O2 + H2O}$ : C 7 = 7, H 16 = 16, O 3 = 3.

14. $M(\text{B}) = 5 \times 12.0 + 12 \times 1.0 + 16.0 = 88.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $M(\text{C}) = 60.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

15. $60.0 + 88.0 - 18.0 = 130.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

16. $7 \times 12.0 + 14 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 130.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ : la même valeur.

17. E, $\ce{C6H12O2}$ : $6 \times 12.0 + 12 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 116.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

18. $\ce{C7H14O2}$ : la même formule que A, donc un isomère, de même masse molaire. Une masse molaire seule ne permet pas de distinguer des isomères.

19. A et l’acide heptanoïque ont les mêmes atomes mais des groupes différents, un ester et un acide carboxylique : l’un sent la banane, l’autre le rance. C’est le groupe, et sa place, qui décide.

20. $130.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Termes définis dans ce chapitre

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