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CONFORMEAU NOUVEAU PROGRAMME

L. Almeras • J. Appenzeller • C. Giroud • C. Vilain

CHIMIEPCSI

Avant-propos

Cet ouvrage vous propose, en un seul volume, toutes les clés nécessaires pour réussirvotre année de Chimie en PCSI :

Cours completRigoureusement conforme aux nouveaux programmes, il contient tous les outils pouracquérir les connaissances et les savoir-faire indispensables.

Fiches de synthèsePour une révision efficace avant les kholles ou les épreuves, l’essentiel du cours est pré-senté de manière synthétique sous forme de fiches de révision.

Vrai/fauxPremière étape vers l’entraînement, des vrais/faux sont proposés pour permettre de tes-ter rapidement la compréhension du cours.

Exercices guidésCes exercices, de difficulté croissante, fournissent de nombreux conseils visant à vousaider à démarrer dans la résolution de l’exercice. Ils sont assortis d’un corrigé détaillé.

Exercices d’approfondissement corrigés.Pour se mettre en situation d’épreuves, de nombreux exercices vous sont proposés. Cha-cun à un niveau de difficulté clairement identifié : , ou .Tous ces exercices sont intégralement corrigés.

III

Table des matières

Préface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

I. Transformations de la matière (1re période PCSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Chapitre 1. Les états physiques de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1. Les différents états de la matière 3 – 2. Notion de phase 9 – 3. Changements d’états de lamatière 12 – Synthèse 18 – Exercices 20 – Corrigés 24

Chapitre 2. Le système physico-chimique : description et évolution vers un état final . . . . 29

1. Le système physico-chimique 29 – 2. Les transformations chimiques 35 – Synthèse 49 –Exercices 51 – Corrigés 55

Chapitre 3. Évolution temporelle d’un système : vitesses de réaction et lois de vitesse . . . . 61

1. Vitesse d’une réaction chimique dans un système fermé 61 – 2. Ordre d’une réaction chi-mique 68 – 3. Paramètres cinétiques 79 – 4. Méthodes expérimentales de suivi d’une réactionchimique 84 – 5. Cinétique en réacteur ouvert 87 – Synthèse 90 – Exercices 92 – Corrigés 98

Chapitre 4. Mécanismes réactionnels : la réaction chimique à l’échelle de la molécule . . . . 103

1. L’acte élémentaire 103 – 2. Interprétation microscopique de la réaction chimique 105 – 3. Ré-actions complexes : notion de mécanisme réactionnel 112 – Synthèse 120 – Exercices 122 –Corrigés 125

Chapitre 5. Lois cinétiques des réactions complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

1. Réactions inverses l’une de l’autre 129 – 2. Réactions parallèles 131 – 3. Réactions succes-sives 136 – Synthèse 141 – Exercices 142 – Corrigés 146

II. Architecture de la matière (1re période PCSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

Chapitre 6. La classification périodique des éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

1. L’élément chimique 153 – 2. Configuration électronique des atomes 160 – 3. Construction dutableau périodique 174 – Synthèse 181 – Exercices 183 – Corrigés 187

Chapitre 7. Périodicité des propriétés chimiques des éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

1. Périodicité des propriétés atomiques 195 – 2. Périodicité des propriétés chimiques : étudeexpérimentale 199 – 3. L’électronégativité 207 – Synthèse 210 – Exercices 212 – Corrigés 216

Chapitre 8. Architecture des molécules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

1. La liaison covalente localisée : modèle de Lewis 221 – 2. Propriétés des liaisons covalentes 230– 3. La liaison covalente délocalisée 234 – 4. Géométrie des molécules 241 – Synthèse 249 –Exercices 251 – Corrigés 254

IV

Table des matières

Chapitre 9. Interactions intermoléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

1. Les interactions de Van der Waals 262 – 2. La liaison hydrogène 270 – 3. Les solvants molécu-laires 274 – Synthèse 280 – Exercices 282 – Corrigés 285

III. Structures, réactivités et transformations en chimie organique (1re périodePCSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Chapitre 10. Représentations et nomenclature des molécules organiques . . . . . . . . . . . . 293

1. Représentations des molécules organiques 293 – 2. Nomenclature 301 – Synthèse 307 –Exercices 308 – Corrigés 310

Chapitre 11. Stéréochimie des molécules organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

1. Conformations d’une molécule 313 – 2. Stéréoisomérie de configuration 321 – 3. Comparaisondes propriétés physiques et chimique de deux stéréoisomères 327 – Synthèse 334 – Exercices 337– Corrigés 340

Chapitre 12. Spectroscopies IR et RMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

1. Généralités sur les méthodes spectroscopiques 348 – 2. Mise en évidence des groupes fonction-nels présents :spectroscopie infrarouge (IR) 349 – 3. Détermination du squelette carboné :résonance magnétique nucléaire du proton 1

1H (RMN) 354 – Synthèse 367 – Exercices 371 –Corrigés 374

Chapitre 13. Réactivité en chimie organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

1. La synthèse organique : qu’est-ce que c’est ? 381 – 2. Orientation des réactions 382 – 3. Modèlede réactivité 389 – Synthèse 396 – Exercices 398 – Corrigés 400

Chapitre 14. Réactions de substitution nucléophile et d’élimination sur le carbone saturé . 403

1. Les halogénoalcanes 403 – 2. Substitutions nucléophiles SN 407 – 3. β-éliminations 420 –4. Compétitions SN/E 426 – Synthèse 429 – Exercices 432 – Corrigés 435

Chapitre 15. Additions nucléophiles sur C=O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

1. Formation de cyanhydrines par addition de l’anion cyanure sur les aldéhydes et les cétones 445– 2. Utilisations d’organométalliques 448 – Synthèse 459 – Exercices 462 – Corrigés 465

Chapitre 16. Analyse rétrosynthétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

1. Principe de l’analyse rétrosynthétique 470 – 2. Différentes déconnexions possibles 472 –Exercices 475 – Corrigés 476

IV. Architecture de la matière (2e période PC/PSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

Chapitre 17. Le modèle du cristal parfait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

1. L’état cristallin : un état particulier de la matière 481 – 2. Définitions relatives à l’étude ducristal parfait 482 – 3. Etude de la maille cubique faces centrées (CFC) 484 – Synthèse 490 –Exercices 491 – Corrigés 495

V

Table des matières

Chapitre 18. Cristaux métalliques, solides ioniques, solides macrocovalents et moléculaires 501

1. Cristaux métalliques 502 – 2. Empilements compacts d’atomes 502 – 3. Coordinence d’unatome dans les structures hexagonale compacte et cubique faces centrées 507 – 4. Intersticesoctaédriques et tétraédriques entre les plans d’empilement 507 – 5. Sites interstitiels de la mailleCFC 509 – 6. Alliages de substitution et d’insertion 512 – 7. Solides macrocovalents 514 – 8. Solidesmoléculaires 518 – 9. Solides ioniques 520 – Synthèse 525 – Exercices 527 – Corrigés 533

V. Transformations chimiques en solution aqueuse (2e période PC/PSI) . . . . . . . . 541

Chapitre 19. Réactions d’oxydoréduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

1. Oxydant et réducteur 543 – 2. Nombre d’oxydation 544 – 3. Réactions de dismutation et demédiamutation 549 – 4. Demi-pile, électrode et cellule électrochimique 549 – 5. Potentiel d’élec-trode ou potentiel d’oxydoréduction 552 – 6. Domaines de prédominance ou d’existence 556 –7. Constante d’équilibre d’une réaction d’oxydoréduction 559 – 8. Calcul du potentiel standardd’oxydoréduction E◦ d’un couple à partir de ceux d’autres couples 562 – 9. Capacité d’une pile 564– 10. Dosage rédox 565 – Synthèse 566 – Exercices 568 – Corrigés 574

Chapitre 20. Réactions acido-basiques en solution aqueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587

1. Acido-basicité de Brønsted 587 – 2. Distribution des espèces selon le pH 594 – 3. Déterminationde la constante d’équilibre d’une réaction acide-base 598 – 4. Méthode pour le calcul du pHd’une solution aqueuse 600 – 5. Exemples de calcul de pH 601 – 6. Solutions tampon 610 –Synthèse 611 – Exercices 614 – Corrigés 619

Chapitre 21. Équilibres de complexation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629

1. Structure des complexes 630 – 2. Thermodynamique des complexes en solution aqueuse 636 –Synthèse 651 – Exercices 652 – Corrigés 656

Chapitre 22. Équilibres de précipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661

1. Présentation des équilibres de précipitation 661 – 2. Détermination d’un produit de solubi-lité 667 – 3. Facteurs influençant les équilibres de précipitation 669 – Synthèse 678 – Exer-cices 679 – Corrigés 682

Chapitre 23. Diagrammes potentiel-pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689

1. Principe de construction des diagrammes E−pH 689 – 2. Diagramme potentiel−pH de l’eau 691– 3. Tracé du diagramme E−pH du zinc 693 – 4. Règles générales pour le positionnement desespèces dans un diagramme E−pH 697 – 5. Utilisation des diagrammes E−pH 697 – 6. Générali-sation : diagrammes E−pL 700 – Synthèse 701 – Exercices 703 – Corrigés 709

VI. Structures, réactivités et transformations en chimie organique (2e période PC) 719

Chapitre 24. Activation et protection de la fonction alcool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721

1. Présentation des composés à liaison simple carbone-oxygène 721 – 2. Activation de la fonctionalcool en tant que nucléophile 725 – 3. Activation de la fonction alcool en tant qu’électrophile 730– 4. Protection de la fonction alcool 739 – Synthèse 742 – Exercices 743 – Corrigés 747

VI

Table des matières

Chapitre 25. Activation et protection de la fonction carbonyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753

1. Activation de la fonction carbonyle 753 – 2. Protection de la fonction carbonyle 757 – Syn-thèse 765 – Exercices 766 – Corrigés 770

Chapitre 26. Oxydoréduction en chimie organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777

1. Généralités sur les réactions d’oxydoréductionen chimie organique 777 – 2. Oxydation des alcools 781 – 3. Oxydation des alcènes 786 –4. Réduction des composés carbonylés 792 – Synthèse 797 – Exercices 798 – Corrigés 803

Chapitre 27. Le glucose, une molécule du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 811

1. Étude de la molécule de glucose 811 – 2. Quelques transformations chimiques du glucose 814 –Synthèse 819 – Exercices 820 – Corrigés 823

VII

Préface

Depuis leur création à la fin du XIXe siècle (par Henri Vuibert, alors plus jeune agrégé de ma-thématiques de France) les Éditions Vuibert proposent des manuels scientifiques rédigés par lesmeilleurs auteurs, tous professeurs passionnés par leur discipline et leur enseignement.

Ce fut donc avec un très grand plaisir que je fus contacté pour diriger une nouvelle collec-tion d’ouvrages scientifiques destinés aux étudiants préparationnaires, en adéquation avec lesnouveaux programmes de la rentrée 2013.

Nous avons réuni pour cette tâche difficile des auteurs de grand talent, aussi bien pour leurqualification disciplinaire que pour leur désir de communiquer leur savoir à un public de plus enplus hétérogène.

Entre 1980 et 2010, le nombre d’étudiants de CPGE scientifique a plus que doublé, de nouvellessections ont vu le jour, des classes ont ouvert dans un grand nombre de villes ; pendant cettepériode, la formation initiale scientifique des élèves à la sortie de l’enseignement secondairea beaucoup évolué, en même temps que s’érodait le nombre d’heures alloué aux disciplinesscientifiques.

L’écart s’est donc creusé entre la terminale et les classes préparatoires aux grandes écoles. Ilrevient alors aux manuels, comme aux professeurs, de faire preuve de qualités pédagogiquesexceptionnelles, sans jamais sacrifier la rigueur indispensable qui est une des forces de l’enseigne-ment supérieur « à la française ». C’est dans ce but que les livres de la collection Vuibert Prépasont été pensés et rédigés. Ils sont destinés au plus grand nombre et visent à amener ce plus grandnombre au niveau de l’excellence.

Le rôle d’un manuel de classe préparatoire n’est pas évident. Les étudiants disposent déjà deleurs notes de cours, et parfois de polycopiés, provenant d’enseignants fort compétents. Maischacun sait qu’on observe mieux une statue et qu’on en apprécie mieux la beauté en la regardantsous différents angles ; il en est de même des disciplines scientifiques dans lesquelles une diversitéd’approches ne peut que faciliter la compréhension et l’assimilation de notions a priori abstraiteset difficiles. En ce sens, les ouvrages de la collection « Vuibert Prépas » constituent une aideconséquente pour les élèves de CPGE scientifiques.

À lire ces ouvrages, que ce soit dans les disciplines qui sont les miennes, Mathématiques etInformatique ou dans des disciplines qui me sont moins familières comme la Physique, la Chimieou les Sciences de l’Ingénieur, je ne peux être qu’admiratif devant le talent des auteurs de toutesorigines qui, dans des délais très courts, ont eu à cœur de faire passer leur amour pour la scienceet pour son enseignement.

Je suis certain que le public préparationnaire partagera mon enthousiasme pour cette collectionqui marque le retour des éditions Vuibert au service de ces filières.

Denis Monasse

IX

COURS

10Chapitre

Représentationset nomenclature

des molécules organiques

Historiquement, les molécules étaient nommées en fonction de leurs propriétés chimiques (lementhol est extrait de la menthe. . .). Rapidement, l’idée d’une nomenclature systématique, unlangage commun à tous les chimistes permettant d’associer une structure à un nom et vice-versa,s’est fait jour.

Jusqu’à il y a une quinzaine d’années, cela était indispensable, notamment pour toutes lesrecherches bibliographiques sur format papier. Aujourd’hui, bon nombre de références ont étédématérialisées et des logiciels de recherche par structure permettent de retrouver toutes lespublications associées, simplement par dessin de la molécule.

Plusieurs nomenclatures existent, notamment celle proposée par l’Union Internationale deChimie Pure et Appliquée (I.U.P.A.C. en anglais, prononcé comme un mot).

Nous commencerons donc par rappeler les différents niveaux de représentations des moléculesorganiques, dans le plan puis dans l’espace, en utilisant les notations du chapitre 8.Et nous terminerons en donnant quelques éléments de la nomenclature I.U.P.A.C.. Une nomencla-ture usuelle sera par moments introduite (c’est de l’« éther » et non de l’éthoxyéthane que vousachetez).

1. Représentations des molécules organiques

Suivant la nature de l’information que l’on souhaite présenter, il existe différents niveaux dereprésentations. Dans un premier temps, nous ne nous intéressons pas au fait que les structurespeuvent être tridimensionnelles.

293

Partie 3 – Structures, réactivités et transformations en chimie organique (1re période PCSI)

1.1. Représentations planes

1.1.1. Formule brute

Définition 10.1.

La formule brute d’une molécule permet de préciser le nombre et la nature des différentsatomes qui la constituent.

éthane cyclohexane éthanol glucose polyéthylèneC2H6 C6H12 C2H6O C6H12O6 (CH2)n , 500< n < 1000

Table 10.1. Exemples de formules brutes pour quelques molécules usuelles.

Remarque

Dans le cas des polymères (dernière colonne de la Table 10.1), la formule brute n’a pas toutà fait la même signification car le matériau polymère n’est pas constitué d’un seul type demolécule. On précise simplement la nature du motif qui se répète, avec un intervalle donnantle nombre de motifs le plus fréquemment rencontré dans un échantillon macroscopique dumatériau.

Résultat 10.1. Détermination expérimentale d’une formule brute

La composition chimique d’un composé se détermine par analyse élémentaire qui donnela proportion de chacun des éléments constitutifs.Si un composé contient x atomes de X, alors la proportion de cet atome vaut :

%X=x M X

M composé

Application

Un monobromoalcane (formule brute Cn H2n+1Br) contient 58,32% d’élément brome. Onrappelle que M C = 12,00 g.mol−1 ; M H = 1,008 g.mol−1 et M Br = 79,9 g.mol−1.Ainsi, la masse molaire de cet alcane notée M vaut :M = nM C+(2n +1)M H+M Br = 12n +(2n +1)×1, 008+79, 9= 14, 02n +80, 9.

%Br= 0, 5832=79, 9

14, 02n +80, 9⇔ n =

1

14, 02

�

79, 9

0, 5832−80, 9

�

= 4, 00

La formule brute est donc C4H9Br.

294

Chapitre 10 – Représentations et nomenclature des molécules organiques

COURS1.1.2. Formule développée

Définition 10.2.

Dans une formule développée (ou représentation de LEWIS), tous les atomes, tous les dou-blets liants et non liants, toutes les lacunes électroniques et les charges formelles sont représen-tées.

H C C C C C C

H

O

H

O O

H

O

H

O

H

O

H

H H H H H

CC

C

O

HH

H

H

H

H C

CC

C

CCH

H

H

H

H

H

Figure 10.1. De gauche à droite : glucose, propanone et benzène.

Remarque

Les dessins devenant vite lourds, cette représentation est très rarement utilisée.

1.1.3. Formule semi-développée

Définition 10.3.

La seule différence entre formule semi-développée et formule développée tient au fait queles liaisons X−H ne sont pas représentées. X est un atome quelconque.

H3C CO

OH3C C

CH3

CH3

H3C C O H2H2 CH3C

Figure 10.2. De gauche à droite : anion éthanoate, diéthylétheret cation tertiobutyle.

1.1.4. Formule topologique

Il s’agit de la représentation la plus utilisée en chimie organique, du fait de la simplicité et de larapidité de mise en œuvre. Toutefois, elle est régie par un certain nombre de conventions :

Définition 10.4.

• Les liaisons C−C sont représentées par des segments, éventuellement multiples si laliaison est multiple, leurs extrémités désignant un atome de carbone dont le symbôlen’est plus écrit.

• Les hétéroatomes sont, eux, toujours représentés.• Seuls les atomes d’hydrogène reliés à des hétéroatomes sont représentés.• Charges formelles, doublets non liants et lacunes électroniques sont dessinées.

295


nom propane propène anion éthanolate glycéraldéhyde

formulesemi-développée H3C

CH2 CH3 H3CCH

CH2 H3CCH2 O

CHC

OH

HOCH2 H

O

formuletopolo-gique

O HO OOH

Table 10.2. Représentations comparées de quelques molécules simples

Dans certains cas, afin d’illustrer le déroulement d’un processus réactionnel, il peut être utile dereprésenter les atomes d’hydrogène reliés à des atomes de carbone :

O

O O

H

OH

O O+

Figure 10.3. Mise en évidence d’un atome d’hydrogène dans un acte élementaire.

1.2. Représentations des molécules tridimensionnelles

Depuis le début du chapitre, nous nous sommes contentés de dessiner des structures planes. Or,nous avons vu au chapitre 8 que les molécules ne le sont pas nécessairement.Il va donc nous falloir projeter dans le plan de la feuille la représentation de la structure moléculaire.Trois projections différentes sont couramment utilisées.

1.2.1. La projection de Cram

C’est la représentation usuelle des structures tridimensionnelles. On utilise pour cela les conven-tions présentées avec la théorie VSEPR pour dessiner des liaisons pointant hors du plan de lafeuille. On essaie de placer le maximum d’atomes dans le plan de projection.

Résultat 10.2.

La projection de CRAM est particulièrement adaptée pour représenter la position relativedes substituants situés sur un atome de carbone tétraédrique.

Figure 10.4. Représentations de Cram possiblespour le 2,2-diméthylpropane (néopentane).

296


COURS1.2.2. La projection de Newman

Résultat 10.3.

La projection de NEWMAN est particulièrement bien adaptée pour représenter la positionrelative des atomes portés par deux atomes de carbones consécutifs.

Figure 10.5. Projection de Newman de la molécule d’éthane.

Pour cette projection, on imagine que la liaison C−C servant d’axe de projection porte un disqueopaque. Il masque une partie des liaisons portées par le carbone no 2 : sur la Figure 10.5, onvisualise très bien l’intégralité des liaisons C1−H1, C1−H2 et C1−H3. En revanche, on ne peutreprésenter qu’une partie des liaisons C2−H4, C2−H5 et C2−H6.

Dans le plan de la feuille, la projection de NEWMAN esttelle que représentée ci-contre à droite.

H4

H6 H5

H1

H3H2

1.2.3. La représentation en perspective

Dans les cyclohexanes, les angles de valence du carbone tétraèdrique de 109, 5° sont conservés.La projection de Cram, qui invite à mettre le plus d’atomes dans un plan, n’est pas adaptée à cesstructures puisque trop d’atomes resteraient hors du plan de votre feuille.

Résultat 10.4.

La représentation en perspective est utilisée pour les structures cycliques et correspondbien à la réalité. Nous l’introduisons pour le cyclohexane.

297


Dans cette représentation en perspective, très précise, le cyclohexaneest dessiné en « conformation chaise » à gauche (cette notion seradéveloppée au chapitre 11, mais on reconnaît l’aspect d’une « chaiselongue » !).À droite, nous rappelons la projection plane du cyclohexane.

Conseils méthodologiques

Le parallélisme des liaisons doit être respecté : les liaisons C2−C3 et C6−C5 sont parallèles, demême que C1−C2 et C5−C4, et C1−C6 et C3−C4.

Dans le schéma ci-dessus, nous avons représenté les carreaux de votre feuille pour que vouspuissiez vous entraîner à dessiner correctement les cyclohexanes. Observez bien comment sonttracées les liaisons C−C !

Définition 10.5.

Il existe deux types de liaisons C−H dans le cyclohexane :

É celles qui sont perpendiculaires au plan moyen du cycle, plan perpendiculaire à l’axevertical∆ (axe de symétrie passant par le centre du cycle) sont appelées liaisons axiales(atomes d’hydrogène notés A),

É les autres sont proches du plan moyen et sont appelées liaisons équatoriales (atomesd’hydrogène notés E). Elles sont parallèles avec certaines liaisons du cycle : E−C1 estparallèle avec C2−C3, E−C5 est parallèle avec C3−C4 ainsi que C6−C1 et E−C2 . . .

Remarque

On peut également représenter le cyclohexane en projection de Newman, mais cette fois, enprojetant sur deux axes parallèles : ici, les liaisons C2−C3 et C5−C6 :

Nous poursuivrons l’étude du cyclohexane et des cyclohexanes substitués dans le prochain cha-pitre.

298


COURS1.3. Fonctions chimiques

Il existe une vingtaine de fonctions chimiques différentes. Nous présenterons ici les fonctionsles plus courantes (Table 10.3), qui seront abordées tout au long de vos deux années de classespréparatoires. Elles peuvent être classées en fonction de leur valence. Cette notion est reliée aucaractère rédox de la fonction et sera développée dans le chapitre 26.

Définition 10.6.

La valence d’une fonction est le nombre d’atomes d’hydrogène de l’alcane correspondantqui ont été substitués par des hétéroatomes pour obtenir la fonction :

Définition 10.7.

Dans le cas des fonctions monovalentes, la classe de la fonction est le nombre d’atomes decarbone reliés au carbone fonctionnel.

NH2

OH

primaire secondaire tertiaire

BrN

secondaire

H

Il y a une légère exception pour les amines, il s’agit en fait du nombre d’atomes de carbone reliésà l’atome d’azote.

1.4. Isoméries

Définition 10.8.

Si, à une même formule brute correspondent plusieurs formules topologiques, alors lesstructures sont dites isomères les unes des autres.

Dans ce chapitre, nous excluons les différences de structure simplement dues à des positionsd’atomes différentes dans l’espace (stéréoisomérie) qui feront l’objet du chapitre 11.

299


fonctions monovalentes fonctions trivalentes

alcool C OH acide carboxylique C

O

OH

amine C NH2 ester C

O

O R

halogénoalcane C X amide C

O

NR1

R2

étheroxyde C O C chlorure d’acide C

O

Cl

fonctions divalentes

aldéhyde C

O

Hanhydride d’acide C

O

OC

O

cétoneC

Onitrile C N

Table 10.3. Fonctions chimiques courantes.

1.4.1. Isomérie de constitution

Définition 10.9.

La formule brute est le seul point commum des isomères de constitution.

Leurs propriétés physiques et chimiques peuvent être très différentes.

Exemple

Avec la formule brute C3H6O2, nous pouvons écrire des structures faisant apparaître unefonction acide carboxylique, un diol (dialcool) ou encore un cétol (cétone-aldéhyde) (Fi-gure 10.6).

300

SYNTHÈSE


SynthèseReprésentations et nomenclature


É Pour une même molécule, il existe 4 formules différentes : brute, développée, semi-développéeet topologique.

Formules les plus utilisées

La formule brute précise les éléments (et leur nombre) constitutifs de la molécule.La formule topologique est très rapide à mettre en œuvre. Elle décrit le squelette carboné pardes lignes brisées.

É Plusieurs représentations spatiales sont possibles.

Projections de Cram, de Newman et représentation en perspective

La projection de Cram permet de visualiser la position relative des substituants autour d’unatome tétraédrique.La projection de Newman est très utile pour représenter les atomes et groupes d’atomesplacés sur deux atomes de carbone consécutifs.La représentation en perspective est privilégiée pour les cycles cyclohexaniques.

É Le nom d’un composé organique doit être constitué de 4 blocs A, B, C et D.

Principe général de la nomenclature

Préfixes Chaîne principale Suffixes insaturations Suffixe fonctionA B C D

La chaîne carbonée est numérotée de telle sorte que la priorité est d’abord donnée à D (s’il ya lieu), puis à C (s’il y a lieu) et enfin à A.

307

ExercicesReprésentations et nomenclature


Vrai ou faux ?

Vrai Faux

a) Le nom « 2-hydroxybutane » n’est pas correct. � �

b) Le nom « 3-oxopropan-1-amine » est correct. � �

c) Le nom « cyclopent-1-èn-3-ol » est correct. � �

d) Le nom « éthoxyméthane » est incorrect. � �

e) Le nom « 1,2,4-triméthylbutane » est correct. � �

f) CH3−CH2−O−CH2−C≡CH est le 3-éthoxyprop-1-yne. � �

g) CH3−CH=CH−CH(OH)−CH3 est le 4-hydroxypent-2-ène. � �

h) Le 3-éthylpentane peut s’écrire éthylpentane. � �

i) Le cyclopropanol et le propanal sont isomères. � �

j) Le pent-2-yn-1-ol et le 2-méthylbut-3-yn-2-ol sont desisomères de position.

� �

Exercices guidés

Exercice A (5 min.)

Quel est le nom en nomenclature officielle des composés ci-dessous ?

OCO2H

NH2

O

O OO

Br

308


Exercice B (5 min.)

Soit un hydrocarbure monocyclique saturé. L’analyse élémentaire révèle que l’hydrocarburelinéaire correspondant contient 83,72 % d’atomes de carbone.

1. Quelle est sa formule brute du composé cyclique ?2. Quelles sont les structures possibles ? Nommer-les.

Données : M C = 12 g.mol−1 et M H = 1 g.mol−1.

Exercices

Exercice 1 (10 min.)

Écrire la représentation de Newman pour les molécules ci-dessous.

C2H5

H

ClOH

Br CH3H

H3C CHOCH3Br

H

CH3

H

ClH2N

I

HOOC

Exercice 2 (5 min.)

Représenter les composés ci-dessous avec la formule topologique correspondante.

1. chlorure de 2,5-diméthylhex-2,4-diénoyle2. 5-méthoxy-4-méthylcyclopent-2-ènone3. acide 2,3-dihydroxybutanedioïque (acide tartrique)4. 3-éthylpent-4-yn-2-amine


Ecrire la représentation de Cram pour les molécules ci-dessous. Les liaisons sont « éclipsées » (cf.chapitre 11) pour les deux derniers exemples : en réalité situées les unes derrière les autres, lesliaisons ont été légèrement décalées pour une meilleure lisibilité.

H

OHClCOCl

H ClI

H3C

H

CONH2

CH3H

H

CN

CH3

H

C

C2H5CH3

HO HCN

BrHO

A B C D

H3


Donner la représentation (Newman ou perspective) manquante aux structures ci-dessous.

H

H3CH

ClH

HOH

H5

1

4

C2H5

Br

CH3

H2N1 3

309 EXERCICES

CorrigésReprésentations et nomenclature


Corrigés des Vrai/Faux

a) Vrai. L’alcool est une fonction chimique. Le nom correct est butan-2-ol.b) Faux. La fonction aldéhyde est prioritaire, il faut écrire 3-aminopropanal.c) Faux. L’alcool est prioritaire donc il faut écrire cyclopent-2-èn-1-ol.d) Vrai. La chaîne éthyle est la plus longue. On doit dire méthoxyéthane ou éthylméthyléther

(par ordre alphabétique) ou encore oxyde d’éthyle et de méthyle.e) Faux. Les substitutants méthyle en positions 1 et 4 rallongent la chaîne : il s’agit du 3-

méthylhexane.f) Vrai.g) Faux. C’est le pent-3-èn-2-ol.h) Vrai. La molécule étant parfaitement symétrique, le groupe éthyle ne peut être que sur le

carbone 3. Sinon, c’est un hexane ou un heptane.i) Vrai. Ils ont même formule brute (C3H6O). La propanone (acétone) est un autre isomère.j) Vrai.

Corrigés des exercices guidés

Exercice AIl s’agit successivement :

1. du prop-2-énal (acroléine en nom usuel)2. de la 4-amino-5-méthylhexane-2,3-dione3. de l’acide 2-bromo-4-méthyl-5-oxopent-3-ènoïque4. de la 5-éthylcyclohex-3-ènone

Exercice B1. Le composé linéaire correspondant est un alcane et a pour formule brute CnH2n+2. Sa masse

molaire vaut donc M = 12n +2n +2= 14n +2. Donc :

%C= 0, 8372=12n

14n +2⇔ (14n +2)×0, 8372= 12n⇔ n =

2×0, 8372

12−14×0, 8372= 6, 0

L’alcane linéaire a pour formule brute C6H14 et le composé cyclique C6H12.

310

CORRIGÉS


2. Douze structures sont possibles :• Six cyclopropanes : propylcyclopropane ; isopropylcyclopropane ;

1,1-éthylméthylcyclopropane ; 1,2-éthylméthylcyclopropane ;1,1,2-triméthylcyclopropane et 1,2,3-triméthylcyclopropane.

• Quatre cyclobutanes : éthylcyclobutane ; 1,1-diméthylcyclobutane ;1,2-diméthylcyclobutane et 1,3-diméthylcyclobutane.

• Le méthylcyclopentane.• Le cyclohexane.

Corrigés des exercices

Exercice 1Pour les deux premières structures, projetons dans l’axe de la liaison C−C depuis la droite :

C2H5

H

ClOH

Br CH3

H

H3C CHOCH3Br

H

C2H5

HBrCH3

Cl OH

H3C

H

Br

H

CH3OHC

311

VUIBERT

SOMMAIRE :Partie I : Transformations de la matière (1re période PCSI) 1. Les états physiques de la matière – 2. Le système physico-chimique : description et évolution vers un état fi nal3. Évolution temporelle d’un système : vitesses de réaction et lois de vitesse – 4. Mécanismes réactionnels :la réaction chimique à l’échelle de la molécule – 5. Lois cinétiques des réactions complexes

Partie II : Architecture de la matière (1re période PCSI) 6. La classifi cation périodique des éléments – 7. Périodicité des propriétés chimiques des éléments8. Architecture des molécules – 9. Interactions intermoléculaires

Partie III : Structures, réactivités et transformations en chimie organique (1re période PCSI)10. Représentations et nomenclature des molécules organiques – 11. Stéréochimie des molécules organiques 12. Spectroscopies IR et RMN – 13. Réactivité en chimie organique – 14. Réactions de substitution nucléophile et d’élimination sur le carbone saturé – 15. Additions nucléophiles sur C=O – 16. Analyse rétrosynthétique

Partie IV : Architecture de la matière (2e période PC/PSI)17. Le modèle du cristal parfait – 18. Cristaux métalliques, solides ioniques, solides macrocovalents et moléculaires

Partie V : Transformations chimiques en solution aqueuse (2e période PC/PSI)19. Réactions d’oxydoréduction – 20. Réactions acido-basiques en solution aqueuse – 21. Équilibres de complexation – 22. Équilibres de précipitation – 23. Diagrammes potentiel-pH

Partie VI : Structures, réactivités et transformations en chimie organique (2e période PC)24. Activation et protection de la fonction alcool – 25. Activation et protection de la fonction carbonyle26. Oxydoréduction en chimie organique – 27. Le glucose, une molécule du vivant

Les auteurs :Loïc Almeras est professeur en classe préparatoire scientifi que au lycée Chateaubriandà Rennes Jérôme Appenzeller est professeur en classe préparatoire scientifi que au lycée Vaugelasà ChambéryClaire Giroud est professeur en classe préparatoire scientifi que au lycée Aristide Briandà ÉvreuxClaire Vilain est professeur en classe préparatoire scientifi que au lycée Le Chesnoyà Montargis

ISBN : 978-2-311-01303-0

, des ouvrages pour faire la différence : – des cours complets pour acquérir les connaissances indispensables, – des fi ches de synthèse pour réviser l’essentiel avant les kholles ou les épreuves, – de nombreux exercices d’application intégralement corrigés pour s’entraîner :

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CHIMIE PCSI

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