Groupes caractéristiques

Définition: un groupe caractéristique est un groupement d’atomes qui ne contiennent pas uniquement des atomes de carbone C et d’hydrogène H.

En classe de première, les 3 groupes caractéristiques étudiés sont:

• le groupe hydroxyle
• le groupe carbonyle
• le groupe carboxyle

Familles organiques

Alcools

Les alcools possèdent un groupe caractéristique hydroxyde. Voir la fiche de TD sur les familles chimiques alcanes, alcènes et alcools.

Aldéhydes et cétones

Le groupe caractéristique carbonyle donne des molécules que l’on partage en 2 familles, selon la nature du carbone fonctionnel.

Aldéhydes

Pour les aldéhydes, le carbone fonctionnel est relié à un oxygène par une double liaison (le groupe carbonyle C=O), et à un hydrogène H.

Le suffixe de leur nom est -al.

Exemple:

Cétones

Pour les cétones, le carbone fonctionnel est relié à un oxygène par une double liaison (le groupe carbonyle C=O), et à 2 groupes carbonés R1 et R2.

Le suffixe de leur nom est -one.

Exemple:

• Les atomes de la chaine princicipale doivent contenir le carbone fonctionnel
• on donne le plus petit numéro au carbone fonctionnel
• les substituants sont nommés dans le prefixe

Exemple:

Acides caroxyliques

Les acides carboxyliques possèdent un groupe caractéristique carboxyle.

Leur nom est composé de la manière suivante:

acide prefixe + alcan + oïque

Exemple:

• La chaine principale a pour carbone n°1 celui du groupe carboxyle
• les substituants sont nommés dans le prefixe

Exemple:

Energie d’une molecule

L’énergie d’une molécule (isolée en phase gazeuse) comprend :

• d’abord une énergie cinétique (de translation, non quantifiée et liée à la température (Et = 3/2RT), responsable de la pression cinétique)

• énergie propre qui est la somme de plusieurs termes mettant en jeu des énergies de transition très différentes :

  • Er: rotation de la molécule autour d’un axe passant par le centre d’inertie : ∆Er = 10−3 eV soit 0, 1 kJ.mol−1
  • Ev: vibrations des atomes autour de leur position d’équilibre : ∆Ev = 10−1 eV à 10 kJ.mol−1
  • Ee: énergie des électrons, en particulier pour les électrons de valence : ∆Ee = 1 eV soit 100 kJ.mol−1 (transitions entre orbitales moléculaires)

Cette énergie « propre » totale de la molécule est donc:

$$E_{tot} = Erot + Evib + Eelec$$

Il y a de grandes différences entre ces énergies:

$$\Delta Er « \Delta Ev « \Delta Ee$$

Les domaines de rayonnement et leur intéractions avec la matière

Ainsi les transitions observées pour passer d’un niveau d’énergie à un autre niveau de même nature ne vont pas mettre en jeu les mêmes énergies, donc pas les mêmes domaines de longueurs d’onde du spectre électromagnétique.

$$\lambda r » \lambda v » \lambda e$$

• UV et visible : Transition électronique des électrons de valence uniquement (Eelec)
• Infrarouge : Excitation vibrationnelle des liaisons (Evib)
• Micro-onde : Rotations autour des liaisons (Erot)

Par conséquent, les groupements fonctionnels donnent lieu à des absorptions infrarouges qui sont caractéristiques.

Allure d’un spectre d’absorption infra rouge moléculaire

• en longueur d’onde $\lambda$ croissante
• en nombre d’onde $\sigma = \tfrac{1}{\lambda}$ décroissante

L’ordonnée est graduée en transmittance T. Une bande d’absorption est donc dirigée vers le bas sur la courbe.

Sur le spectre en exemple, il y a une bande d’absorption forte et fine à 3000 cm-1, une à 1750 cm-1, et d’autres pour des nombres d’onde inférieurs à 1700.

Absorption infra rouge des groupes caractéristiques

Le groupe hydroxyle

Le groupe hydroxyle est responsable d’une bande d’absorption:

• soit à 3200-3400 cm-1 qui est forte et large (phase concentrée, liquide)
• soit à plus de 3600 cm-1 moins forte et fine (milieu dilué, gaz)

Le groupe carbonyle

Le groupe carbonyle donne une bande d’absorption à 1700-1760 cm-1 forte et fine.

Le groupe carboxyle

Le groupe carbonyle donne 2 bandes d’absorption caractéristiques de ses liaisons:

• C=O: donne la bande à 1750-1800 cm-1 forte et fine
• O-H: bande à 2600-3200 cm-1 forte et large