Cours nomenclature

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Partie 1

ANALYSE SPECTRALE

Nomenclature et Spectres UV-visible et infrarouge

OBSERVER

1. La chimie organique
La chimie organique est une branche de la chimie concernant l'étude de molécules d'origine pétrolière
ou vivante contenant principalement du carbone, et de l'hydrogène. L'ensemble des atomes de carbone
forme une chaine carbonée qui constitue le squelette carboné de la molécule.
Il existe plusieurs représentations de ces molécules dites organiques. Ainsi, on verra ci-dessous la
représentation d'une même molécule : l'acide éthanoïque (appelé aussi acide acétique, ou vinaigre).
a) La formule développée
La formule brute de l'acide éthanoïque est : C2H4O2
Sur la formule développée (en schéma de Lewis) , on distingue parfaitement
l'emplacement :
• de chaque atome ;
• de chaque doublet liant ;
• de chaque doublet non liant (si schéma de Lewis).
b) La formule semi-développée
Les atomes d'hydrogène ne pouvant jamais former plus d'une liaison, il se
trouveront toujours en « périphérie de molécule » et jamais au cœur du squelette
carboné. On a donc tendance à les regrouper sur l'atome qui les porte.
Remarque : avec cette configuration, les doublets non liants n'apparaissent normalement plus.

On résume parfois à l'écrit les formules semi-développée de la manière suivante lorsque c'est possible :
CH3-COOH
c) La représentation topologique
On représente les enchaînements des atomes de C par des segments en zigzag. Chaque extrémité de
segment représente un atome de C et autant d’atome d’hydrogène que nécessaire pour respecter les
règles de stabilité (octet et duet), mais les lettres C et H n'apparaissent plus !
C'est donc une version simplifiée de la version déjà simplifiée qu'était la formule semi-développée.
Exemples :
Éthanol

Acétone ou propanone

Acide éthanoïque

CH3-CH2-OH

CH3-CO-CH3

C2H4O2

d) Les groupes d'atomes caractéristiques
Les composés organiques sont très souvent constitués d'autres atomes comme l'oxygène ou l'azote. On
retrouve aussi les halogènes (fluor, chlore, brome, iode) ainsi que le bore, le silicium, le phosphore, le
soufre ; et plus rarement, le lithium, le sodium, le magnésium, le cuivre, le titane, le potassium, le fer, le
cobalt, le zinc et le plomb.
Ces atomes particuliers situés dans ou sur la chaine carbonée, constituent des groupes caractéristiques
qui confèrent des propriétés chimiques différentes aux molécules. Ces groupes permettent de définir les
familles de la chimie organique.
Exemples de groupes caractéristiques :
Groupe
caractéristique

hydroxyle

carbonyle

carboxyle

amide

ester

alcools

Aldéhydes ou
cétones

amines

halogéno

–X

– NH2
– NH –
–N–

Représentation
Famille

amine

X = un halogène

Acides
carboxyliques

amides

esters

Composés
halogénés

2. Alcanes et alcools
Les alcanes sont constitués exclusivement de carbone et d'hydrogène associés uniquement par des
liaisons simples. On dit que ces hydrocarbures sont saturés, parce que la chaîne carbonée qui les
compose possède autant d'élément hydrogène que possible (il n'y a donc pas de double ou de triple
liaison).
Les alcools sont des molécules présentant un groupe d'atomes caractéristique appelé « hydroxyde » :
a) Nature des chaines carbonées présentent dans ces espèces chimiques
L'ensemble des atomes de carbone forme une chaine carbonée qui constitue le squelette carboné de la
molécule. Cette chaine peut-être :
Linéaire

Ramifiée

Cyclique

Exemple de l'hexane

Exemple du 3-méthylpentane

Exemple du cyclohexane

b) Nomenclature des alcanes
i.

Alcanes linéaires et cycliques

Le nom des alcanes non ramifiés est formé de la terminaison « -ane » et d'un préfixe qui indique le
nombre « n » d'atomes de la chaîne carbonée.

Remarque : leur formule chimique est de la forme C nH2n+2.

Pour les alcanes cyclique (aussi appelés cycloalcanes), on ajoute le préfixe « cyclo- » au nom de
l'alcane linéaire ayant le même nombre d'atomes de carbone.
ii. Alcanes ramifiés
1 - On nome d'abord la chaine carbonée la plus longue. Par exemple pour la molécule
ci-contre, on compte 5 atomes de carbone à suivre donc : pentane.
2 - On repère ensuite les ramification. Ci-contre, il y a une possédant 1 carbone donc :
méthyl- (voir plus loin pour savoir comment nommer les ramifications).

3-méthylpentane

3 - On numérote les carbones de la chaine carbonée de tel sorte que les carbones porteurs de
ramifications aient les nombre les plus petits possible. Ci-contre, dans une sens ou dans l'autre, c'est la
carbone 3 qui porte le méthyl.
4 - On classe les ramifications par ordre alphabétique (sans tenir compte des numéro de carbone) et on
nomme l'alcane en plaçant les numéros et noms avant la nom de la chaine principale.
Remarque : les numéros sont encadrés par des tirets et, lorsqu'un même type de ramification intervient
dans la molécule, on utilise les préfixes di- (pour deux), tri- pour trois, tétra- (pour quatre)... que l'on fait
précéder des numéros de position, séparés par des virgules.

iii. Comment nommer les ramifications (quelques exemples)

iv. Application
1 - On repère 8 carbones à suivre : octane ;
2 - On repère trois groupements « méthyl » et un « éthyl » ;
3 - On numérote : voir ci-contre (dans un sens ou dans l'autre pour cette
molécule) ;
4 - On obtient : 4-éthyl-3,5,6-triméthyloctane
c) Nomenclature des alcools
La façon dont on nomme les alcools est sensiblement la même, mais le groupement « -OH »
caractéristique des alcools doit se trouver sur la chaine carbonée la plus longue, et être porté par le
carbone ayant le plus petit numéro possible.
Par ailleurs, la terminaison n'est plus tout à fait en « -ane » comme pour les alcanes,
mais en « -ol », précédé du numéro du carbone portant le groupe hydroxyle ».
Exemple du 4-éthyl-1-méthylheptan-3-ol ci-contre :

3. Aldéhydes, cétones et acides carboxyliques
a) Groupes caractéristiques
Aldéhydes

Cétones

Acides carboxyliques

Remarques :
• les groupements « R » sont des chaînes carbonées ;
• le groupement caractéristique aldéhyde ne peut se trouver qu'en bout de chaîne carbonée car en milieu de chaîne, on
aurait forcément à faire à un groupement cétone (par définition).

b) La classe des alcools
Alcools primaires

Alcools secondaires

Alcools tertiaires

C'est lors de l'oxydation des alcools et selon leur classe que l'on peut obtenir les aldéhydes, les cétones
ou les acides carboxyliques.
c) Nomenclature
La façon dont on nomme les aldéhydes, les cétones et les acides carboxyliques, est sensiblement la
même que pour les alcools et les alcanes, mais le groupement caractéristique de la famille doit se
trouver sur la chaîne carbonée la plus longue, et être porté par le carbone ayant le plus petit numéro
possible.
Par ailleurs, la terminaison n'est plus tout à fait en « -ane » comme pour les alcanes, mais en « -al »
pour les aldéhyde, en « -one » pour les cétones et en « -oïque » pour les acides, le tout précédé du
numéro du carbone portant le groupe caractéristique. Par ailleurs, en ce qui concerne les acides, le nom
doit être précédé du mot « acide ».

4-éthyl-2-méthylheptan-3-one

4-éthyl-2-méthylheptan-1-al

Acide 4-éthyl-2-méthylheptan-1-oïque

4. Amides, amines et esters
a) Groupes caractéristiques
Amines

Amides

Esters

Remarques :
• les groupements « R » sont des chaînes carbonées ;
• dans le cas des amines et des amides, les groupements R 1 et R2 peuvent être des hydrogènes.

b) Nomenclature
La façon dont on nomme les amines et les amides est sensiblement la même que pour les alcools et les
alcanes, mais le groupement caractéristique de la famille doit se trouver sur la chaîne carbonée la plus
longue, et être porté par le carbone ayant le plus petit numéro possible.
Par ailleurs, la terminaison n'est plus en « -ane » comme pour les alcanes, mais en « -amine » pour les
amines et en « -amide » pour les amides, le tout précédé du numéro du carbone portant le groupe
caractéristique.
Comme on peut le voir sur les
représentations ci-contre, les
amines et amides rencontrées en
terminale auront toujours des
groupement R1 et R2 égaux à H.

4-éthyl-2-méthylheptan-1-amine

4-éthyl-2-méthylheptan-1-amide

En ce qui concerne les esters, la molécules doit être pensée en deux parties :
• celle contenant le groupement ester. Cette partie est nommée comme
toutes les autres molécules précédentes à l'aide de la terminaison « oate » ;
• le reste de la molécule prend le nom d'une ramification (voir alcanes
ramifiés).
4-éthyl-2-méthylheptanoate

5. Spectroscopie UV-Visible

d'isopropyl

a) La notion d'absorbance (Rappels de 1S)
La couleur de la matière, lorsqu'elle interagit avec la lumière visible, peut être déterminée grâce à la
synthèse soustractive. La partie de la lumière qui n'est pas absorbée par la matière est diffusée.
Pour les solutions, le raisonnement est exactement le même :
• une solution qui laisse passer l'ensemble du spectre visible est transparente. On parle souvent
de la transmittance ;
• une solution qui absorbe une partie du spectre visible est colorée. On parle d'absorbance.
L'absorbance dépend de la longueur d'onde considérée et, tout comme la couleur d'une source
lumineuse dépend de l'intensité avec laquelle chaque longueur d'onde est émise, la couleur
d'une solution dépend son absorbance pour chacune des longueurs d'onde du spectre visible.

b) Relations mathématiques
L a transmittance T (sans unité) d'une solution est déterminée
par la relation suivante : T = I / I0, où I est l'intensité transmise
par la solution et I0, l'intensité reçue.
L'absorbance, pour une longueur d'onde donnée, est calculée
à partir de la transmittance grâce à la relation suivante :
Al = - log (I / I0) = - log(T). Elle se note A et n'a pas d'unité.
c) Application
On utilise des spectrophotomètres pour tracer le spectre
d'absorption des solutions colorées. Cette technique est très
pratiques car, en fonction de l'aspect du spectre, on peut
identifier l'espèce chimique contenue dans le solvant et, en
fonction des valeurs d'absorbance, on peut même
déterminer la concentration de l'espèce chimique (Beer
Lambert).
Sur le schéma ci-contre, on observe le spectre d'absorption de
pigments colorés extraits d'une feuille de plante à l'aide
d'éthanol. Le spectre du haut est le spectre témoin et permet de voir que le bleu et une partie du rouge
ont été absorbés.
Le graphique au-dessous permet de voir plus précisément quelle est absorbance pour chacune des
longueurs d'ondes.
Dans les deux cas, on constate que les pigments donnent une couleur
plutôt verte aux feuille de la plante.
Ceci dit, il y a plusieurs type de couleurs vertes comme on peut le voir
avec les courbes ci-contre.
Les trois spectres montrent des différences mais ont pour point
commun de laisser passer surtout les longueurs d'onde correspondant
au vert.
d) Qu'est-ce qu'une spectrophotomètre ?
Le spectrophotomètre mesure l'intensité lumineuse reçue pour chaque
longueur d'onde et en déduit l'absorbance correspondante. Sur le
schéma ci-dessous, on comprend que le monochromateur produit des
rayons monochromatiques à partir d'une source polychromatique.
Il est de plus mobile et permet
d'envoyer les lumières
monochromatiques sur la cuve
transparente contenant la
solution.
C'est grâce aux
spectrophotomètres que l'on
peut réaliser des spectres
d'absorbance.
e) Qu'en est-il des mélanges des colorants ?
Comme on peut le voir sur le graphique ci-contre, les spectres « a »
(absorption d'une solution jaune de tartrazine) et « b » (solution de bleu
patenté), lorsqu'ils sont additionnés correspondent au spectre « c » :
solution verte correspondant au mélange des deux premières.
On peut en conclure deux choses :
• les radiations absorbées par chaque solution sont également
absorbées par le mélange ;
• la couleur de la solution résulte de la synthèse soustractive.

f) Qu'en est-il des solutions transparentes ?
Une solution transparente n'est pas pour
autant une solution qui n'interagit pas avec les
rayonnements électromagnétiques.
Ainsi, sur le spectre d'absorbance de la caféïne
ci-contre, on constate que la molécule
interagit avec des ondes
électromagnétiques UV invisibles à l’œil nu.
En réalité, toutes les molécules
interagissent avec les ondes
électromagnétique, mais pas forcément
dans le domaine du visible.

Caféïne

6. Pourquoi les molécules absorbent-elles des ondes électromagnétiques ?
Tout comme les atomes, les molécules possèdent des niveaux d'énergie quantifiés : un niveau fondamental
et des états excités. Les molécules passent de l'état fondamental à un état excité en captant des photons, et
se désexcitent en émettant ou non d'autres photons.
Les molécules peuvent donc absorber une partie du spectre électromagnétique comme on peut le voir dans
l'expérience ci-dessous :

a) Groupes chromophores
U n chromophore est un groupement d'atomes comportant une ou plusieurs doubles liaisons, et capable
d'absorber fortement une partie du spectre électromagnétique autour d'une longueur d'onde caractéristique
lmax.

lmax (nm)

180

250

185

260

L'absorption de chromopores isolés se fait dans les UV et la matière constituée de molécules ne portant que
des chromophores isolés est donc incolore.

b) Groupes auxochrome
Un auxochrome est, dans une molécule, un groupement d'atomes ionisables pouvant changer la longueur
d'onde d'absorption d'un chromophore.
Si la longueur d'onde d'absorption est diminuée, l'effet est dit bathochrome. L'absorption se déplace alors
vers l'infrarouge. Si la longueur d'onde d'absorption est augmentée, l'effet est dit hypsochrome. L'absorption
se déplace vers l'ultraviolet.
c) Les doubles liaisons conjuguées
Il arrive parfois que les doubles liaisons soient en position conjuguées . Elle sont alors séparés par une
liaison simple et forment une alternance de doubles et de simples liaisons. L'existence d'une séquence
suffisamment longue de doubles liaisons conjuguées dans une molécule organique, ou l'association avec un
ou plusieurs auxochromes, permet d'augmenter la valeur de la longueur d'onde lmax qu'une molécule est
capable d'absorber.
Les chromophores présentant des doubles liaisons conjugués sont donc responsable de l'aspect coloré de la
matière puisque c'est grâce à ces conjugaisons que lmax peut appartenir au domaine du visible.
Ainsi, on comprend mieux la coloration du paprika, composé essentiellement des trois pigments ci-dessous :
un ester gras de la capsanthine (pigment majortaire), du b-carotène, et un ester gras de la capsorbine
(pigment minoritaire).

capsanthine

b-carotène

capsorbine

C40H56O3

C40H56

C40H56O4

Colorant rouge-orangé (E160c)

Colorant jaune (E160a)

Colorant orange (E160c)

Remarque : les esters de la capsanthine et de la capsorbine produisent la même couleur que ces molécules.

Si on observe bien les molécules produisant la couleur du paprika, on constate qu'un grand nombre de
chromophores sont présents et que leurs doubles liaisons sont en position conjuguée.

7. Spectroscopie infrarouge
a) Principe
Les ondes électromagnétiques IR sont particulièrement absorbées par les molécules et modifient les
états vibratoires des liaisons intra et intermoléculaires. Les liaisons chimiques peuvent en effet subir des
étirements, des torsions, des cisaillements... des déformations en tout genre.
Il se trouve que les longueurs d'onde IR absorbées sont caractéristiques de la nature des liaisons
constituant les molécules, et les spectres IR des molécules correspondantes sont donc très utiles pour
fournir des informations sur la structure des molécules.
b) Les spectres infrarouges
En spectroscopie IR on utilise par convention l'inverse de la longueur d'onde, appelé nombre d'onde :
σ=n=1/l

n : cm-1
l : cm

Puisque E = h.c / l, on voit que l'intérêt du nombre d'onde est qu'il est proportionnel à l'énergie
de l'onde électromagnétique considérée.
L'infrarouge est divisé en trois sous domaines :
- IR proche : 0,78 à 1,4 μm soit 12820 à 7140 cm-1 ;
- IR moyen : 1,4 à 3 μm soit 7140 à 3330 cm-1 ;
- IR lointain : 3 à 1 000 μm soit 3330 à 10 cm-1.

Aspirine

En général, on limite l'étude des spectres
d’absorption IR des molécules à des nombres d'onde
situés entre 400 et 4000 cm-1.
Remarque : c'est souvent la transmittance qui est représentée en
ordonnée. Plus le « creux » apparaissant sur la graphique est
important, plus l'absorbance est forte.

Empreintes digitales :
voir plus bas

c) Des bandes caractéristiques
Certaines liaisons spécifiques donnent des creux de transmittance très caractéristiques. C'est lors de la
lecture de ces creux que l'on peut savoir si tel ou tel groupe d'atome est présent dans la molécule et
ainsi remonter à la structure complète de la molécule.

Le schéma ci-dessus indique quelques domaine de nombres d'onde correspondant à des liaisons types.
Dans tous les cas, le domaine situé sous 1200 cm -1 est appelé « zone d'empreintes digitales » et n'est
que difficilement exploitable. Cette zone permet d'identifier une molécule seulement en la comparant
avec d'autres enregistrées dans un base de donnée.
d) Le cas de la liaison hydrogène
i. Rappel
La liaison hydrogène est la plus forte des liaisons intermoléculaires. C’est un cas particulier des
interactions de Van der Waals. Elle se manifeste uniquement entre une molécule qui comporte un atome
d’hydrogène lié à un atome X petit et très électronégatif (N, O ou F) et un autre atome, Y, possédant un
doublet non liant (F, O ou N).
Cas de l'eau
ii. La liaison hydrogène sur les spectres IR
La liaison hydrogène est très caractéristique sur les spectres IR. Ainsi, lorsqu'il y a présence d'un
groupement hydroxyle OH dans une molécule, la liaison entre O et H produit une bande fine entre 3590
et 3650 cm-1 à très faible concentration. En revanche, en solution plus concentrée, de nombreuses
liaisons hydrogène se forment entre les molécules, du fait de de la proximité entre celles-ci, et cela
élargit considérablement la bande entre 3200 et 3400 cm-1.
Éthanol très dilué (molécules isolées)

Liaison O-H

Liaison hydrogène

Éthanol en solution concentrée