Rappels des notions de chimie organique

 

Présentation

La chimie organique est la branche de la chimie qui étudie les composés du carbone et leurs combinaisons. De nombreuses variétés de substances sont constituées de molécules organiques, comme les aliments, les médicaments, les matières plastiques, etc.

Dans ce document, nous rappelons quelques notions de la chimie organique afin de comprendre les termes qui sont abordés dans les sections relatives à la chimie alimentaire.

Hydrocarbures

Les hydrocarbures sont des composés organiques constitués de carbone et d’hydrogène. Ce sont les composés organiques les plus simples, et on peut considérer que les autres composés organiques en sont dérivés. Les hydrocarbures présentent une grande importance commerciale : on les utilise comme carburants, comme combustibles, comme huiles lubrifiantes et comme produits de base en synthèse pétrochimique.

On distingue les hydrocarbures aliphatiques (à chaîne ouverte) et les composés cycliques. Dans les composés à chaîne ouverte contenant plusieurs atomes de carbone, ceux-ci sont reliés les uns aux autres pour former une chaîne ouverte pouvant présenter une ou plusieurs ramifications. Dans les composés cycliques, les atomes de carbone forment un ou plusieurs cycles fermés. Ces deux groupes sont subdivisés en composés saturés (ne contenant que des liaisons simples) et insaturés (contenant au moins une double liaison).

Hydrocarbures aliphatiques

Les hydrocarbures aliphatiques sont des composés contenant plusieurs atomes de carbone reliés les uns aux autres pour former une chaîne ouverte pouvant présenter une ou plusieurs ramifications. Selon la nature des liaisons Carbone-Carbone (saturée ou insaturée), on les classe en alcanes, alcènes et alcynes.

Hydrocarbures aliphatiques

Alcanes

Les alcanes sont des hydrocarbures saturés à chaîne ouverte de formule générale C_nH_2n+2 (n est le nombre d’atomes de carbone dans la molécule).

Pour désigner les alcanes, on utilise des préfixes grecs indiquant le nombre d’atomes de carbone, suivis de -ane : méthane (CH₄), éthane (C₂H₆), propane (C₃H₈), butane (C₄H₁₀), etc.

Une molécule est dite linéaire lorsque sa chaîne est droite ; elle est ramifiée lorsqu’elle contient des chaînes latérales, ou ramifications.

Alcènes

Les alcènes ou oléfines sont des hydrocarbures insaturés acycliques (aliphatiques) présentant une double liaison carbone-carbone (C=C), de formule générale C_nH_2n, où n est le nombre d’atomes de carbone dans la molécule. Le premier terme de la série et le plus anciennement connu est l’éthylène (ou éthène, selon les règles de la nomenclature IUPAC), de formule C₂H₄, de sorte que les alcènes sont souvent appelés hydrocarbures éthyléniques.

La nomenclature appliquée est la même que celle qui concerne les alcanes ; on remplace le suffixe « ane » par « ène », et on indique la position de la ou des doubles liaisons avant le nom de la chaîne principale :

Un composé contenant deux doubles liaisons C=C est un diène (formule générale C_nH_2n-2), comme par exemple le 3-méthyl-2,4-hexadiène :

Alcynes

Les alcynes sont des hydrocarbures insaturés acycliques comportant une triple liaison C≡C. Ils ont pour formule générale C_nH_2n-2 (où n est le nombre d’atomes de carbone dans la molécule).

La nomenclature appliquée est la même que celle qui concerne les alcanes ; on remplace le suffixe « ane » par « yne », et on indique la position de la triple liaison avant le nom de la chaîne principale.

On distingue les alcynes vrais (monosubstitués), de formule générale R–C≡C–H, des alcynes disubstitués qui en dérivent, de formule R–C≡C–R’ (R et R’ étant des groupements alkyles identiques ou différents), en raison des propriétés chimiques de l’hydrogène terminal des alcynes vrais. Les alcynes sont également appelés « hydrocarbures acétyléniques », du nom d’usage du premier terme de la série, l’acétylène (ou éthyne, selon les règles de nomenclature IUPAC), de formule C₂H₂.

Hydrocarbures cycliques

Les homocycles ont un cycle formé uniquement d’atomes de carbone ; les hétérocycles présentent un ou plusieurs cycles contenant un ou plusieurs hétéroatomes, éléments différents du carbone et de l’hydrogène (O, N, S, etc.). Parmi les cycles carbonés, on distingue les cyclanes, les cyclènes et les cyclynes.

Cycles saturés

De formule brute C_nH_2n, les cyclanes sont des cycles saturés isomères des alcanes. Les noms que leur donne l’IUPAC sont homologues à la nomenclature utilisée pour les alcanes. Voici deux exemples de cyclanes :

À part le cyclopropane, les cyclanes constituent une partie de l’essence ordinaire. Plusieurs hydrocarbures insaturés cycliques, de formule générale C₁₀H₁₆, se trouvent dans les essences naturelles parfumées qui sont distillées à partir de végétaux. Ces hydrocarbures sont appelés terpènes et comprennent la pinène (dans la térébenthine) et la limonène (dans les essences de citron et d’orange).

Cycles insaturés

Le cycle des cyclènes possèdent une double liaison C=C ; celui des cyclynes, composés très instables, contient une triple liaison C≡C. L’alpha-pinène et la vitamine A sont deux cyclènes :

Hétérocycles

Le cycle d’une molécule peut contenir des atomes différents du carbone, appelés alors hétéroatomes. Les hétéroatomes les plus courants sont le soufre, l’azote et l’oxygène. On peut également rencontrer le bore, le phosphore et le sélénium :

Hydrocarbures arômatiques

Un hydrocarbure aromatique est une substance dont les molécules possèdent un cycle insaturé à six atomes de carbone. Les électrons impliqués dans le cycle sont délocalisés sur tout le cycle. Ainsi, on représente souvent la molécule de benzène comme suit :

Autres exemples :

Alcools

Les alcools sont des composés organiques comportant le groupe hydroxyle –OH lié à un atome de carbone saturé. La formule générale des alcools est R–OH, où R est un groupement alkyle (C_nH_2n+1, n étant le nombre d’atomes de carbone dans la molécule).

Dans le langage courant, le terme alcool désigne l’alcool éthylique, ou éthanol. Le nom est dérivé de l'arabe al kuhl, ou al koh'l, qui désignait une fine poudre à base de sulfure d'antimoine. Puis, le sens du nom alcool s’est élargi pour désigner toute poudre fine.

Le nom de l’alcool est formé en ajoutant le suffixe ol au nom de l’hydrocarbure possédant le même nombre d’atomes de carbone que la chaîne principale.

Les alcools qui possèdent un, deux ou trois groupes hydroxyles –OH sont respectivement appelés monoalcool, diols et triols ; s’ils comportent plus de trois groupes hydroxyles –OH, ce sont des polyols. Il existe trois classes d'alcools selon le nombre d'atomes d'hydrogène attachés à l'atome de carbone portant le groupe –OH (carbone fonctionnel) : les alcools primaires, de formule brute RCH₂OH, les alcools secondaires R₂CHOH et les alcools tertiaires R₃COH, les groupes R étant des groupements alkyles.

Enols et phénols

Les énols, composés dans lesquels le groupe –OH est lié à un atome de carbone insaturé ou les phénols dans lesquels ce groupe est lié à un cycle aromatique.

Les énols et les phénols ne sont pas des alcools.

Aldéhydes

Les aldéhydes sont des composés organiques de formule générale R–CHO où R représente soit un atome d'hydrogène, soit un groupe hydrocarboné aliphatique ou cyclique (respectivement groupe alkyle ou aryle).

Exemples :

Cétones

Les cétones sont des composés organiques de formule générale R–CO–R’, dans laquelle R et R’ sont des radicaux organiques. La plus simple des cétones est l'acétone, ou propanone, de formule CH₃–CO–CH₃.

Les aldéhydes, comme les cétones, comportent le groupe fonctionnel C=O, appelé groupe carbonyle. Ces composés carbonylés se distinguent uniquement par le nombre de groupes alkyles ou aryles liés au carbone fonctionnel (un seul pour les aldéhydes et deux pour les cétones). De ce fait, aldéhydes et cétones présentent de nombreuses analogies.
Exemples :

Esters

Les esters sont des composés organiques de formule générale :

R1 et R2 sont des groupes alkyles ou phényles.

Exemples :

Les esters cycliques sont appelés lactones.

Ethers

Les éthers sont des composés organiques de formule brute générale R1–O–R2, où O est un atome d'oxygène, R1 et R2 sont des radicaux organiques identiques ou différents.

Exemple :

Amides

Les amides sont des composés organiques, contenant le radical CONH₂. Les amides forment une grande famille de composés chimiques. Ils sont répandus dans la nature, le plus courant étant l’urée, diamide ne contenant pas d’hydrocarbure. Les protéines et les peptides sont constitués d’amides. Le Nylon est une longue chaîne de polyamide.

Exemple :

Imides

Le groupe fonctionnel d'un imide comporte deux groupes acyles liés au même atome d'azote. Ce sont donc des amides secondaires. On peut les considérer comme les analogues azotés des anhydrides. Les termes les plus importants sont les imides cycliques comme le succinimide ou le phtalimide.

Amines

Les amines sont des composés organiques azotés obtenus par substitution d'un ou de plusieurs atomes d'hydrogène de la molécule d'ammoniac (NH₃) par des groupes hydrocarbonés (ou alkyles).

On distingue trois classes d'amines selon le nombre d'atomes d'hydrogène substitués :

Une amine primaire a pour formule générale R–NH₂, une amine secondaire a pour formule (R,R)–NH et une amine tertiaire a trois groupes alkyles (ou aryles) liés à l'atome d'azote. Les acides aminés, composés biologiquement importants, comportent des fonctions amines.

Exemples :

La caféine (C) peut être extraite du café et du thé. La théobromine (T) est contenue dans le cacao.

Nitriles

On appelle nitriles les composés organiques comportant le groupe cyano lié à une chaîne alkyle ou phényle. Ils ont la formule générale suivante : R-C≡N

Exemples :

L'éthanenitrile est appelé acétonitrile dans l'industrie. Il est utilisé comme solvant industriel sélectif dans l'extraction des cires et des graisses.

Le benzonitrile ou cyanure de phényle est utilisé comme solvant et comme intermédiaire de synthèse en chimie pharmaceutique.

Acides carboxyliques

Les acides carboxyliques sont des acides organiques possédant un ou plusieurs groupements carboxyliques (–COOH). L'acide carboxylique le plus simple est l'acide formique (acide méthanoïque). L'acide acétique (acide éthanoïque) nous est familier sous forme diluée : il s'agit du vinaigre.

Exemples :

Les noms des ions carboxylate sont formés à partir de ceux des acides parents en remplaçant le suffixe oïque par oate ou le suffixe ique par ate.

Acides aminés

Les acides aminés (ou aminoacides) sont des composés organiques contenant le groupe amino (–NH₂) et le groupe carboxyle (–COOH).

Les alpha-aminoacides sont les constituants fondamentaux des protéines et ont la formule semi-développée générale suivante :

Comme le montre la formule, les groupes amino et carboxyle sont liés au même atome, l'atome de carbone alpha. C'est par le groupe R que les molécules d’acides aminés diffèrent les unes des autres.