résultats D’apprentissage
- décrire la structure et les propriétés des aldéhydes, cétones, acides carboxyliques et esters
Une autre classe de molécules organiques contient un atome de carbone relié à un atome d’oxygène par une double liaison, communément appelée groupe carbonyle. Le carbone plan trigonal du groupe carbonyle peut se fixer à deux autres substituants conduisant à plusieurs sous-familles (aldéhydes, cétones, acides carboxyliques et esters) décrites dans cette section.,
aldéhydes et cétones
les aldéhydes et les cétones contiennent tous deux un groupe carbonyle, un groupe fonctionnel avec une double liaison carbone-oxygène. Les noms des composés aldéhyde et cétone sont dérivés en utilisant des règles de nomenclature similaires à celles des alcanes et des alcools, et comprennent les suffixes d’identification de classe-al et –one, respectivement:
dans un aldéhyde, le groupe carbonyle est lié à au moins un atome d’hydrogène., Dans une cétone, le groupe carbonyle est lié à deux atomes de carbone:
en tant Que texte, un groupe aldéhyde est représenté comme –CHO; une cétone est représenté par –C(O)– ou –CO–.
dans les aldéhydes et les cétones, la géométrie autour de l’atome de carbone dans le groupe carbonyle est Plan trigonal; l’atome de carbone présente une hybridation sp2. Deux des orbitales sp2 sur l’atome de carbone dans le groupe carbonyle sont utilisées pour former des liaisons σ avec les autres atomes de carbone ou d’hydrogène dans une molécule., L’orbitale hybride sp2 restante forme une liaison σ à l’atome d’oxygène. L’orbitale P Non hybridée sur l’atome de carbone dans le groupe carbonyle chevauche une orbitale p sur l’atome d’oxygène pour former la liaison π dans la double liaison.
la Figure 1. Le groupe carbonyle est polaire, et la géométrie des liaisons autour du carbone central est Plan trigonal.,
comme la liaison \text{C}=\text{O} dans le dioxyde de carbone, la liaison \text{C}=\text{O} d’un groupe carbonyle est polaire (rappelons que l’oxygène est nettement plus électronégatif que le carbone et que les électrons partagés sont tirés vers l’atome d’oxygène et éloignés de l’atome de carbone). Bon nombre des réactions des aldéhydes et des cétones commencent par la réaction entre une base de Lewis et l’atome de carbone à l’extrémité positive de la liaison polaire \text{C}=\text{O} pour donner un intermédiaire instable qui subit ensuite un ou plusieurs réarrangements structuraux pour former le produit final (Figure 1).,
l’importance de la structure moléculaire dans la réactivité des composés organiques est illustrée par les réactions qui produisent des aldéhydes et des cétones. Nous pouvons préparer un groupe carbonyle par oxydation d’un alcool—pour les molécules organiques, l’oxydation d’un atome de carbone se produit lorsqu’une liaison carbone-hydrogène est remplacée par une liaison carbone-oxygène. La réaction inverse-remplacer une liaison carbone-oxygène par une liaison carbone—hydrogène-est une réduction de cet atome de carbone. Rappelons que l’oxygène reçoit généralement un numéro d’oxydation de -2 à moins qu’il ne soit élémentaire ou attaché à un fluor., On attribue généralement à l’hydrogène un nombre d’oxydation de +1 à moins qu’il ne soit attaché à un métal. Comme le carbone n’a pas de règle spécifique, son nombre d’oxydation est déterminé algébriquement en factorisant les atomes auxquels il est attaché et la charge globale de la molécule ou de l’ion. En général, un atome de carbone attaché à un atome d’oxygène aura un nombre d’oxydation plus positif et un atome de carbone attaché à un atome d’hydrogène aura un nombre d’oxydation plus négatif. Cela devrait correspondre parfaitement à votre compréhension de la polarité des liaisons C–O et C–H., Les autres réactifs et les produits possibles de ces réactions dépassent le cadre de ce chapitre, nous nous concentrerons donc uniquement sur les modifications des atomes de carbone:
exemple 1: oxydation et Réduction en chimie organique
Le méthane représente la forme complètement réduite d’une molécule organique qui contient un atome de carbone., Le remplacement séquentiel de chacune des liaisons carbone-hydrogène par une liaison carbone-oxygène conduirait à un alcool, puis à un aldéhyde, puis à un acide carboxylique (discuté plus loin), et enfin au dioxyde de carbone:
{\text{CH}}_{4}\rightarrow{\text{CH}}_{3}\text{OH}\rightarrow{\text{CH}}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{HCO}}_{2}\text{H}\rightarrow{\text{CO}}_{2}
Quels sont les nombres d’oxydation pour les atomes de carbone dans les molécules présentées ici?,
les aldéhydes sont couramment préparés par oxydation d’alcools dont le groupe fonctionnel –OH est situé sur l’atome de carbone à l’extrémité de la chaîne d’atomes de carbone dans l’alcool:
Les alcools qui ont leurs groupes –OH au milieu de la chaîne sont, ce qui nécessite que le groupe carbonyle soit lié à deux autres atomes de carbone:
un alcool avec son groupe –OH lié à un atome de carbone qui est lié à NO ou à un autre atome de carbone formera un aldéhyde., Un alcool avec son groupe-OH attaché à deux autres atomes de carbone formera une cétone. Si trois carbones sont attachés au carbone lié au-OH, la molécule n’aura pas de liaison C–H à remplacer, elle ne sera donc pas sensible à l’oxydation.
Le formaldéhyde, un aldéhyde de formule HCHO, est un gaz incolore à l’odeur âcre et irritante. Il est vendu dans une solution aqueuse appelée formol, qui contient environ 37% de formaldéhyde en poids., Le formaldéhyde provoque la coagulation des protéines, il tue donc les bactéries (et tout autre organisme vivant) et arrête de nombreux processus biologiques qui provoquent la décomposition des tissus. Ainsi, le formaldéhyde est utilisé pour préserver les échantillons de tissus et embaumer les corps. Il est également utilisé pour stériliser le sol ou d’autres matériaux. Le formaldéhyde est utilisé dans la fabrication de la bakélite, un plastique dur ayant une résistance chimique et électrique élevée.
La Diméthylcétone, CH3COCH3, communément appelée acétone, est la cétone la plus simple. Il est fabriqué commercialement par fermentation du maïs ou de la mélasse, ou par oxydation du 2-propanol., L’acétone est un liquide incolore. Parmi ses nombreuses utilisations figurent comme solvant pour la laque (y compris le vernis à ongles), l’acétate de cellulose, le nitrate de cellulose, l’acétylène, les plastiques et les vernis; comme dissolvant de peinture et de vernis; et comme solvant dans la fabrication de produits pharmaceutiques et chimiques.
Vous pouvez voir la transcription pour « aldéhydes et cétones: nommage + propriétés” ici (ouvre dans une nouvelle fenêtre).
acides carboxyliques et Esters
l’odeur du vinaigre est causée par la présence d’acide acétique, un acide carboxylique, dans le vinaigre., L’odeur de bananes mûres et de nombreux autres fruits est due à la présence d’esters, les composés peuvent être préparés par réaction d’un acide carboxylique avec un alcool. Étant donné que les esters n’ont pas de liaisons hydrogène entre les molécules, ils ont des pressions de vapeur plus faibles que les alcools et les acides carboxyliques dont ils sont dérivés (voir Figure 2).
la Figure 2. Les Esters sont responsables des odeurs associées à diverses plantes et à leurs fruits.,
Les acides carboxyliques et les esters contiennent tous deux un groupe carbonyle avec un deuxième atome d’oxygène lié à l’atome de carbone dans le groupe carbonyle par une seule liaison. Dans un acide carboxylique, le deuxième atome d’oxygène aussi des obligations à un atome d’hydrogène. Dans un ester, le deuxième atome d’oxygène se lie à un autre atome de carbone., Les noms des acides carboxyliques et des esters comprennent des préfixes qui indiquent les longueurs des chaînes carbonées dans les molécules et sont dérivés selon des règles de nomenclature similaires à celles des acides et sels inorganiques (voir ces exemples):
Les groupes fonctionnels pour un acide et pour un ester sont indiqués en rouge dans ces formules.,
l’atome d’hydrogène du groupe fonctionnel d’un acide carboxylique réagira avec une base pour former un sel ionique:
Les acides carboxyliques sont des acides faibles (voir le chapitre sur les acides et les bases), ce qui signifie qu’ils ne sont pas ionisés à 100% dans Généralement, seulement environ 1% des molécules d’un acide carboxylique dissous dans l’eau sont ionisées à un moment donné. Les molécules restantes ne sont pas dissociées en solution.,
on prépare des acides carboxyliques par oxydation d’aldéhydes ou d’alcools dont le groupe fonctionnel –OH est situé sur l’atome de carbone à l’extrémité de la chaîne des atomes de carbone dans l’alcool:
Les Esters sont produits par la réaction des acides avec les alcools. Par exemple, L’ester acétate d’éthyle, CH3CO2CH2CH3, se forme lorsque l’acide acétique réagit avec l’éthanol:
l’acide carboxylique le plus simple est l’acide formique, hco2h, connu depuis 1670., Son nom vient du mot latin formicus, qui signifie « fourmi »; il a d’abord été isolé par la distillation de fourmis rouges. Il est partiellement responsable de la douleur et de l’irritation des piqûres de fourmis et de guêpes, et est responsable d’une odeur caractéristique des fourmis qui peut parfois être détectée dans leurs nids.
l’acide acétique, CH3CO2H, constitue 3-6% de vinaigre. Le vinaigre de cidre est produit en permettant au jus de pomme de fermenter sans oxygène présent. Les cellules de levure présentes dans le jus effectuent les réactions de fermentation., Les réactions de fermentation transforment le sucre présent dans le jus en éthanol, puis en acide acétique. L’acide acétique pur a une odeur pénétrante et produit des brûlures douloureuses. C’est un excellent solvant pour de nombreux composés organiques et certains composés inorganiques, et il est essentiel dans la production d’acétate de cellulose, un composant de nombreuses fibres synthétiques telles que la rayonne.
la Figure 3. Plus de 350 molécules volatiles différentes (de nombreux membres de la famille des ester) ont été identifiées dans les fraises., (crédit: Rebecca Siegel)
Vous pouvez voir la transcription de « Carboxylic Acids: Naming + Properties” ici (ouvre dans une nouvelle fenêtre).
Concepts clés et résumé
Les groupes fonctionnels liés au groupe carbonyle comprennent le groupe –CHO d’un aldéhyde, le GROUPE –CO d’une cétone, le groupe– CO2H d’un acide carboxylique et le groupe –CO2R d’un ester., Le groupe carbonyle, une double liaison carbone-oxygène, est la structure clé de ces classes de molécules organiques: les aldéhydes contiennent au moins un atome d’hydrogène attaché à l’atome de carbone carbonyle, les cétones contiennent deux groupes de carbone attachés à l’atome de carbone carbonyle, les acides carboxyliques contiennent un groupe hydroxyle attaché à l’atome de carbone carbonyle et les esters contiennent un atome d’oxygène attaché à un autre groupe de carbone relié à l’atome de carbone carbonyle. Tous ces composés contiennent des atomes de carbone oxydés par rapport à l’atome de carbone d’un groupe Alcool.,
Glossaire
aldéhyde: composé organique contenant un groupe carbonyle lié à deux atomes d’hydrogène ou à un atome d’hydrogène et de carbone substituant
au groupe carbonyle: atome de carbone double lié à un atome d’oxygène
acide carboxylique: composé organique contenant un groupe carbonyle un groupe hydroxyle
ester: composé organique contenant un groupe carbonyle avec un joint atome d’oxygène qui est lié à un carbone substituant
cétone: composé organique contenant un groupe carbonyle avec deux substituants du carbone attaché à elle
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