Fiche à trous · Terminale · Physique-Chimie

Chimie organique — Synthèse et identification

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Deux molécules peuvent avoir la même formule, les mêmes liaisons, la même température d'ébullition, la même solubilité — et l'une soigner quand l'autre ne fait rien. Elles ne diffèrent que par leur image dans un miroir. Ce chapitre montre pourquoi cette différence est invisible à presque toutes les méthodes de séparation, et ce qui sait pourtant la détecter.

Trois grands types de réactions

Propriété

Ces trois transformations peuvent souvent affecter les mêmes réactifs, et les conditions expérimentales décident laquelle l'emporte : la nature du solvant, la température et la base employée orientent une compétition entre substitution et élimination. Une même équipe de réactifs peut donc donner deux produits différents selon le protocole — d'où l'importance de décrire les conditions, et pas seulement les espèces.

La chiralité

Définition — Chiralité :

Règle

Piège

Chercher à séparer deux énantiomères par distillation, ou les identifier par leur température de fusion.

Pour séparer des énantiomères, il faut un partenaire chiral.

C'est pourquoi la chiralité est décisive en pharmacologie : un récepteur biologique étant chiral, il n'accueille en général qu'un des deux énantiomères. Le second peut être inactif, ou produire un effet différent. Une synthèse qui produit les deux en quantités égales fabrique donc au mieux la moitié de ce qu'on cherche — d'où l'importance des méthodes de synthèse sélectives.

Identifier par les spectres

Définition — Spectroscopie IR :

Définition — RMN :

Les deux techniques sont complémentaires et ne se remplacent pas : la spectroscopie IR dit quelles fonctions sont présentes, la RMN dit comment les atomes sont agencés. Chercher un squelette dans un spectre infrarouge ou une fonction dans un spectre de RMN revient à demander à chaque méthode ce qu'elle ne mesure pas.

Identifier une molécule à partir de ses spectres

Ai-je comparé les insaturations pour identifier le type de réaction ?
Ai-je précisé les conditions et pas seulement les réactifs ?
Ai-je vérifié les quatre groupes différents avant de conclure à la chiralité ?
Ai-je écarté toute séparation d'énantiomères par une méthode non chirale ?
Ai-je demandé à l'IR les fonctions et à la RMN le squelette ?
Ai-je vérifié ma structure sur tous les spectres, pas seulement sur un ?

Corrigé · à détacher

Chimie organique — Synthèse et identification

1. Une réaction de substitution remplace un atome ou un groupe par un autre : le squelette carboné est conservé. Une réaction d'élimination retire deux groupes portés par des carbones voisins et crée une double liaison. Une réaction d'addition fait l'inverse : elle ouvre une double liaison pour y fixer deux groupes. Reconnaître laquelle est en jeu se fait en comparant le nombre d'insaturations du réactif et du produit.
2. Une molécule est chirale lorsqu'elle n'est pas superposable à son image dans un miroir — comme une main gauche et une main droite. Le cas le plus fréquent au lycée est celui d'un carbone portant quatre groupes différents, dit carbone asymétrique. Les deux molécules images l'une de l'autre s'appellent des énantiomères.
3. $c hi r a l i t \overset{e}{ˊ} : n o n s u p er p os ab l e \overset{a}{ˋ} so nima g es p \overset{e}{ˊ} c u l ai r e$
4. Deux énantiomères ont exactement les mêmes propriétés physiques et chimiques — même masse molaire, même température de fusion, même solubilité, mêmes spectres usuels — sauf face à un milieu lui-même chiral. Seul un tel milieu sait les distinguer : la lumière polarisée, qu'ils font tourner en sens opposés, et les systèmes biologiques, dont les récepteurs et les enzymes sont eux-mêmes chiraux.
5. La spectroscopie IR repose sur l'absorption d'infrarouges par les liaisons, qui vibrent à des fréquences caractéristiques. Elle sert donc à identifier les groupes caractéristiques présents : une bande large vers les nombres d'onde élevés signale une liaison O–H d'alcool, une bande fine et intense une liaison C=O. Elle renseigne sur les fonctions, très peu sur le squelette carboné.
6. La RMN du proton renseigne sur le squelette : elle distingue les protons selon leur environnement chimique. Trois informations se lisent sur un spectre. Le nombre de signaux donne le nombre de groupes de protons équivalents. La courbe d'intégration donne le nombre de protons de chaque groupe. La multiplicité d'un signal — la façon dont il se découpe — renseigne sur les protons portés par les atomes voisins.
7. Relever la formule brute si elle est donnée, et calculer le nombre d'insaturations.
8. Lire la spectroscopie IR pour identifier les groupes caractéristiques présents et surtout absents.
9. Compter les signaux de RMN : c'est le nombre de groupes de protons équivalents.
10. Lire la courbe d'intégration pour attribuer un nombre de protons à chaque signal.
11. Exploiter la multiplicité pour placer les groupes les uns par rapport aux autres, puis proposer une structure et la vérifier sur tous les spectres à la fois.