Groupes caractéristiques et nomenclature : lire une molécule

L'éthanol du vin, l'acide éthanoïque du vinaigre et l'éthanal qui se forme entre les deux ne diffèrent que par quelques atomes — et pourtant l'un est un solvant, l'autre un acide, le troisième une molécule irritante. La chimie organique repose sur cette idée : une molécule se lit comme un squelette carboné, qui porte ou non des groupes caractéristiques, et ce sont ces groupes qui décident de sa famille et de ses propriétés.

Le squelette carboné. Le carbone forme quatre liaisons et s'enchaîne à lui-même : une chaîne carbonée, linéaire ou ramifiée, chaque carbone complétant ses quatre liaisons par des atomes d'hydrogène. Une molécule qui n'est faite que de carbone et d'hydrogène, avec uniquement des liaisons simples, est un alcane. Sa formule brute obéit à la formule générale $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ : méthane $\mathrm{CH_4}$, éthane $\mathrm{C_2H_6}$, propane $\mathrm{C_3H_8}$, butane $\mathrm{C_4H_{10}}$… Le nom d'un alcane est fait d'un préfixe qui compte les carbones (méth-, éth-, prop-, but-, pent-, hex- pour 1 à 6) et du suffixe -ane. Quand la chaîne est ramifiée, on nomme la chaîne la plus longue, on la numérote de façon que la ramification porte le plus petit indice possible, et l'on place devant le nom le substituant avec son indice : $\mathrm{CH_3{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}CH_3}$ est le 2-méthylbutane (chaîne principale de quatre carbones, groupe méthyle sur le carbone 2). Pour un alcool, c'est le groupe $\mathrm{{-}OH}$ qui impose le plus petit indice — $\mathrm{CH_3{-}CH(OH){-}CH_2{-}CH_3}$ est le butan-2-ol — et une ramification s'ajoute devant : $\mathrm{CH_3{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}OH}$ est le 2-méthylpropan-1-ol.

Les trois manières d'écrire une molécule. La formule brute compte les atomes ($\mathrm{C_2H_6O}$) — elle ne dit pas comment ils sont liés, et deux molécules différentes peuvent la partager. La formule semi-développée écrit la chaîne et ce que porte chaque carbone, sans dessiner les liaisons C–H : $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH}$. C'est l'écriture de travail en première. La formule topologique, que tu rencontreras en terminale et dans les manuels, dessine la chaîne en zigzag, chaque sommet étant un carbone dont les hydrogènes sont sous-entendus ; on la lit en complétant chaque carbone à quatre liaisons.

Les groupes caractéristiques. Quand un atome d'oxygène s'invite sur le squelette, il y forme un groupe caractéristique, et la molécule change de famille.

Le groupe hydroxyle $\mathrm{{-}OH}$ fait un alcool. Le groupe carbonyle $\mathrm{C{=}O}$ fait un aldéhyde s'il est en bout de chaîne (le carbone porte alors un H : groupe $\mathrm{{-}CHO}$) et une cétone s'il est à l'intérieur de la chaîne (entre deux carbones). Le groupe carboxyle $\mathrm{{-}COOH}$ — un carbonyle et un hydroxyle sur le même carbone, en bout de chaîne — fait un acide carboxylique.

Aldéhyde et cétone partagent le même groupe carbonyle : seule sa position les distingue, et c'est la confusion la plus fréquente. Un carbonyle sur le carbone terminal, c'est un aldéhyde ; sur un carbone intérieur, c'est une cétone. Les exercices proposent aussi le groupe amine $\mathrm{{-}NH_2}$ (un azote à la place de l'oxygène), famille que la terminale étudie en détail mais dont le groupe se reconnaît aussi simplement.

Le nom est un calcul. La nomenclature est un algorithme, pas une liste à retenir. Le nom d'une molécule de première se construit en trois pièces : le préfixe du nombre de carbones de la chaîne, le suffixe de la famille, et, si nécessaire, un indice de position entre tirets.

Quand faut-il un indice ? Un groupe en bout de chaîne — aldéhyde, acide carboxylique — est forcément sur le carbone 1 : aucun indice n'est nécessaire, on écrit butanal, acide butanoïque. Un groupe qui peut se trouver sur plusieurs carbones — l'hydroxyle d'un alcool, le carbonyle d'une cétone — exige un indice : butan-1-ol et butan-2-ol sont deux molécules différentes. Pour les chaînes trop courtes pour laisser un choix, l'indice s'omet : éthanol, propanone.

La règle du plus petit indice. La chaîne se numérote dans le sens qui donne au groupe caractéristique le plus petit indice possible. Pour $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH(OH){-}CH_3}$, numéroter de gauche à droite place l'hydroxyle sur le carbone 3 ; de droite à gauche, sur le carbone 2. Le nom correct est butan-2-ol ; « butan-3-ol » désigne la même molécule mal nommée. La règle vaut aussi pour les cétones : $\mathrm{CH_3{-}CO{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_3}$ est la pentan-2-one, jamais la pentan-4-one.

Compter les hydrogènes. Dans une formule semi-développée, chaque hydrogène est écrit ; la formule brute s'obtient en additionnant. Une méthode plus rapide : partir de l'alcane $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ et corriger. Un alcool garde les $2n+2$ hydrogènes et ajoute un oxygène ($\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$) ; un aldéhyde ou une cétone, avec sa double liaison $\mathrm{C{=}O}$, en a deux de moins ($\mathrm{C_nH_{2n}O}$) ; un acide carboxylique en a aussi $2n$, avec deux oxygènes ($\mathrm{C_nH_{2n}O_2}$). C'est la même arithmétique qui, en formule topologique, restitue les hydrogènes que le dessin ne montre pas.

Ce que la première ne demande pas. Les alcanes et les alcools ramifiés sont au programme de première ; pour les aldéhydes, les cétones et les acides carboxyliques, le programme se limite aux chaînes linéaires. Les cycles, les molécules portant plusieurs groupes, la géométrie dans l'espace des molécules et les familles ester, amide, halogénoalcane sont au programme de terminale. Dans les exercices associés à cette leçon : une chaîne linéaire de six carbones au plus, un seul groupe — le cadre choisi pour apprendre à reconnaître les familles.

Énoncé. Voici trois formules semi-développées :

Questions. Pour chacune, identifier le groupe caractéristique et la famille, donner le nom, puis la formule brute.

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1. Molécule (a). La chaîne compte $4$ carbones (préfixe but-). Le groupe $\mathrm{{-}OH}$ est un hydroxyle : c'est un alcool, suffixe -ol. Position : de gauche à droite, l'hydroxyle est sur le carbone 3 ; de droite à gauche, sur le carbone 2. Le plus petit indice gagne : butan-2-ol. Formule brute : on compte $3 + 2 + 1 + 3 = 9$ hydrogènes sur les carbones plus $1$ dans l'hydroxyle, soit $\mathrm{C_4H_{10}O}$ — conforme à $\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$ avec $n = 4$.

2. Molécule (b). Quatre carbones. Le groupe $\mathrm{CO}$ entre deux carbones est un carbonyle à l'intérieur de la chaîne : c'est une cétone, suffixe -one. Position : le carbonyle est sur le carbone 2 en partant de la gauche, sur le carbone 3 en partant de la droite ; on retient butan-2-one (l'écriture « butan-3-one » est fausse). Formule brute : $3 + 0 + 2 + 3 = 8$ hydrogènes, $\mathrm{C_4H_8O}$ — conforme à $\mathrm{C_nH_{2n}O}$.

3. Molécule (c). Quatre carbones. Le groupe $\mathrm{CHO}$ est un carbonyle en bout de chaîne : c'est un aldéhyde, suffixe -al. Pas d'indice, le groupe est nécessairement sur le carbone 1 : butanal. Formule brute : $3 + 2 + 2 + 1 = 8$ hydrogènes, $\mathrm{C_4H_8O}$.

(a) butan-2-ol, alcool, $\mathrm{C_4H_{10}O}$ ; (b) butan-2-one, cétone, $\mathrm{C_4H_8O}$ ; (c) butanal, aldéhyde, $\mathrm{C_4H_8O}$.

4. Ce que l'exemple montre. Les molécules (b) et (c) ont la même formule brute et le même groupe carbonyle ; seule la position du $\mathrm{C{=}O}$ les sépare, et elle change tout — la butan-2-one est un solvant courant, le butanal une molécule à l'odeur âcre. La formule brute ne suffit jamais à nommer une molécule ; la formule semi-développée, oui.

Figure (fig.chemistry.functional-groups, SVG programmatique à produire) : un même squelette à quatre carbones décliné en cinq familles, pour que l'œil isole ce qui change.

• Le squelette commun. En haut, la chaîne $\mathrm{C{-}C{-}C{-}C}$ dessinée seule, ses carbones numérotés 1 à 4 de gauche à droite, avec la mention « quatre carbones : préfixe but- ». Une flèche en dessous, pointant à rebours, rappelle « la numérotation part du bout qui donne au groupe le plus petit indice ».
• Cinq vignettes alignées. Chacune montre le squelette avec son groupe caractéristique encadré d'un trait épais, la formule semi-développée en dessous, le nom en gras et le suffixe souligné : butane (aucun cadre, « pas de groupe »), butan-2-ol (cadre autour du $\mathrm{{-}OH}$ sur le carbone 2), butanal (cadre autour du $\mathrm{{-}CHO}$, sur le carbone 1, mention « en bout »), butan-2-one (cadre autour du $\mathrm{C{=}O}$ entre les carbones 1 et 3, mention « à l'intérieur »), acide butanoïque (cadre autour du $\mathrm{{-}COOH}$, mention « en bout »).
• La paire piège. Les vignettes de l'aldéhyde et de la cétone sont reliées par une accolade portant « même groupe carbonyle, même formule brute $\mathrm{C_4H_8O}$ — seule la position diffère ».
• Bandeau des formules brutes. Sous les vignettes, la ligne « $\mathrm{C_4H_{10}}$ · $\mathrm{C_4H_{10}O}$ · $\mathrm{C_4H_8O}$ · $\mathrm{C_4H_8O}$ · $\mathrm{C_4H_8O_2}$ », avec, en regard, les formules générales $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, $\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$, $\mathrm{C_nH_{2n}O}$, $\mathrm{C_nH_{2n}O_2}$.
• Convention graphique. Le cadre épais est le seul repère du groupe ; les hydrogènes sont tous écrits (formule semi-développée), aucune formule topologique n'apparaît.

Ce qu'il faut lire. Le squelette ne bouge pas d'une vignette à l'autre : tout ce qui distingue les familles tient dans le cadre. Le regard doit apprendre à faire deux choses dans l'ordre — trouver le groupe, puis regarder s'il est au bout ou au milieu de la chaîne. L'accolade de la paire aldéhyde/cétone est le rappel permanent que la formule brute ne tranche pas.

La figure en détail : en haut, une chaîne de quatre carbones dessinée seule, numérotés de un à quatre de gauche à droite, avec une flèche en dessous rappelant que la numérotation part du bout qui donne le plus petit indice au groupe. En dessous, cinq vignettes alignées montrent la même chaîne : la première sans aucun cadre, le butane ; la deuxième avec un cadre épais autour du groupe hydroxyle porté par le deuxième carbone, le butan-2-ol ; la troisième avec un cadre autour du groupe en bout de chaîne où un carbone porte un oxygène doublement lié et un hydrogène, le butanal ; la quatrième avec un cadre autour d'un oxygène doublement lié à un carbone intérieur, la butan-2-one ; la cinquième avec un cadre autour du groupe carboxyle en bout de chaîne, l'acide butanoïque. Une accolade relie les vignettes trois et quatre en rappelant qu'elles partagent le même groupe carbonyle et la même formule brute. Un bandeau en bas aligne les cinq formules brutes et, en regard, les formules générales des familles.

Les préfixes. 1 méth-, 2 éth-, 3 prop-, 4 but-, 5 pent-, 6 hex-. Ils comptent les carbones de la chaîne, groupe carboxyle ou aldéhyde compris : l'acide éthanoïque $\mathrm{CH_3{-}COOH}$ a deux carbones.

Le contrôle. Un nom se vérifie en le retraduisant en formule : pentan-2-one → cinq carbones, un carbonyle sur le carbone 2, $\mathrm{CH_3{-}CO{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_3}$. Si la traduction inverse redonne la formule de départ, le nom est juste.

Vers la suite. Ces groupes sont ce que la spectroscopie infrarouge détecte (une bande large pour $\mathrm{O{-}H}$, une bande forte et fine pour $\mathrm{C{=}O}$) et ce que la combustion des alcools met en jeu. La terminale ajoutera les cycles, d'autres familles et la géométrie des molécules.

1. Confondre aldéhyde et cétone. Les deux portent un carbonyle $\mathrm{C{=}O}$ ; la différence est sa position. En bout de chaîne, le carbone du carbonyle porte encore un hydrogène (groupe $\mathrm{{-}CHO}$) : aldéhyde. Entre deux carbones : cétone. Butanal et butan-2-one ont la même formule brute $\mathrm{C_4H_8O}$ et ne sont pas la même molécule.
2. Numéroter la chaîne dans le mauvais sens. La règle est le plus petit indice pour le groupe caractéristique. « Butan-3-ol » n'existe pas : lue dans l'autre sens, la molécule est le butan-2-ol. Avant d'écrire un indice, numérote dans les deux sens et garde le plus petit.
3. Oublier les hydrogènes implicites d'une formule topologique. Chaque sommet du zigzag est un carbone à quatre liaisons ; ce que le dessin ne montre pas, ce sont des hydrogènes. Un carbone de bout de chaîne en porte trois, un carbone intérieur deux, un carbone qui porte un $\mathrm{{-}OH}$ un seul. Le comptage refait la formule brute.
4. Mettre un indice à un aldéhyde ou à un acide. Le groupe $\mathrm{{-}CHO}$ ou $\mathrm{{-}COOH}$ est forcément sur le carbone 1 : « butan-1-al » et « acide butan-1-oïque » sont des noms fautifs. On écrit butanal, acide butanoïque.
5. Oublier de compter le carbone du groupe. Le carbone du $\mathrm{{-}CHO}$ ou du $\mathrm{{-}COOH}$ fait partie de la chaîne. $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}COOH}$ est l'acide propanoïque (trois carbones), pas l'acide éthanoïque.
6. Croire que la formule brute nomme la molécule. $\mathrm{C_3H_8O}$ est aussi bien le propan-1-ol que le propan-2-ol ; $\mathrm{C_4H_8O}$ est le butanal ou la butan-2-one. Seule une formule qui montre l'enchaînement — semi-développée ou topologique — permet de nommer.
7. Prendre le groupe $\mathrm{{-}COOH}$ pour un alcool plus une cétone. Le carboxyle est un groupe à part entière : ses deux oxygènes sont sur le même carbone, et la molécule est un acide carboxylique, pas une molécule à deux groupes. Une molécule de première ne porte qu'un groupe.

Le modèle d'entraînement. L'exercice associé à cette leçon affiche la formule semi-développée d'une molécule à chaîne linéaire de six carbones au plus, portant un seul groupe, et demande sa famille parmi alcane, alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique et amine. La famille voisine est toujours proposée — aldéhyde face à cétone, alcool face à amine — et le corrigé nomme le groupe qui tranche. Les molécules à carbonyle y sont volontairement fréquentes : c'est la distinction qui se travaille.

Énoncé type. À quelle famille appartient la molécule de formule semi-développée $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}CO{-}CH_3}$ ?

Corrigé complet.

1. Chercher le groupe caractéristique. La formule contient un $\mathrm{CO}$ : un groupe carbonyle $\mathrm{C{=}O}$. Pas de $\mathrm{{-}OH}$ (ce n'est ni un alcool ni un acide), pas de $\mathrm{{-}NH_2}$ (ce n'est pas une amine).

2. Situer le groupe. Le carbone du carbonyle est le quatrième d'une chaîne de cinq : il est entre deux carbones, à l'intérieur de la chaîne. Ce n'est pas un $\mathrm{{-}CHO}$ de bout de chaîne.

La molécule est une cétone. Numérotée dans le sens du plus petit indice, c'est la pentan-2-one, de formule brute $\mathrm{C_5H_{10}O}$.

3. Écarter les mauvaises réponses. « Un aldéhyde » : le carbonyle n'est pas en bout de chaîne — il faudrait $\mathrm{{-}CHO}$ à une extrémité. « Un alcool » : aucun groupe hydroxyle. « Un alcane » : un alcane n'a aucun groupe caractéristique, or la formule porte un oxygène.

Auto-contrôle. Trois questions avant de rendre. Ai-je repéré quel groupe est présent avant de penser à la famille ? Si c'est un carbonyle, ai-je regardé s'il est au bout ou au milieu ? Et si l'on me demande le nom, ai-je numéroté dans le sens du plus petit indice ?