Première S 2015-2016

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Les composés organiques oxygénés

Les composés carbonylés, aldéhydes et cétones, et les acides carboxyliques sont formés par oxydation des alcools, en fonction de leur classe. Des tests d'identification permettent de les mettre en évidence.

I

Les composés carbonylés

A

Le groupe carbonyle

Les composés carbonylés contiennent un groupe carbonyle.

Groupe carbonyle

Le groupe carbonyle est le groupe caractéristique \(\displaystyle{\ce{C=O}}\) :

-
Groupe carbonyle

On distingue deux familles de composés carbonylés : les aldéhydes et les cétones.

B

Les aldéhydes

Aldéhyde

Les aldéhydes comportent un groupe carbonyle \(\displaystyle{\ce{C=O}}\) lié à au moins un atome d'hydrogène. Leur formule générale est donc :

-
Formule générale d'un aldéhyde

L'éthanal est un aldéhyde :

-
Formule semi-développée de l'éthanal

Dans ces formules, les groupes R représentent des groupes alkyles.

Le méthanal est le seul aldéhyde pour lequel le groupe carbonyle est lié à deux atomes d'hydrogène :

-

Formule développée du méthanal

C

Les cétones

Cétone

Les cétones comportent un groupe carbonyle \(\displaystyle{\ce{C=O}}\) lié à deux atomes de carbone. Leur formule générale est donc :

-
Formule générale d'une cétone

La propanone, appelée communément "acétone", est une cétone :

-
Formule semi-développée de la propanone
D

La nomenclature

Le nom d'un aldéhyde ou d'une cétone dérive de celui de l'alcane correspondant avec les règles supplémentaires suivantes :

  • La chaîne principale est numérotée de telle façon que l'atome de carbone fonctionnel porte l'indice le plus petit possible (les indices de position des ramifications sont ainsi également fixés).
  • On remplace le "e" de la terminaison -ane des alcanes par les terminaisons -al pour les aldéhydes et -one pour les cétones. Pour celles-ci, la terminaison doit être précédée de l'indice de position de l'atome de carbone fonctionnel sauf si celui-ci est évident.

Le nom de la molécule suivante est 2-méthylpropanal :

-

Exemple d'aldéhyde

Le nom de la molécule suivante est 2-méthylpentan−3-one :

-

Exemple de cétone

Pour la propanone, l'indice de position du carbone fonctionnel n'est pas nécessaire car il est évident : si le groupe carbonyle était sur un autre atome de carbone que le numéro 2, la molécule ne serait plus une cétone mais un aldéhyde.

E

Les tests d'identification

Des tests d'identification permettent de mettre en évidence le groupe carbonyle et de distinguer les aldéhydes des cétones.

Famille Composé carbonylé Aldéhyde
Réactif 2,4-DNPH (2,4-dinitrophénylhydrazine) Liqueur de Fehling Réactif de Tollens
Résultat positif si Formation d'un précipité orange Formation d'un précipité rouge après chauffage Formation d'un dépôt d'argent

Ainsi, les cétones donnent un résultat positif à la 2,4-DNPH mais négatif à la liqueur de Fehling ou au réactif de Tollens.

II

Les acides carboxyliques

A

Définition

Acide carboxylique

Les acides carboxyliques sont des molécules organiques qui contiennent le groupe carboxyle \(\displaystyle{\ce{COOH}}\). Leur formule générale est donc \(\displaystyle{\ce{C_{n}H_{2n +1}COOH}}\) .

-
Groupe carboxyle

L'acide éthanoïque (ou acétique) responsable de l'acidité du vinaigre est un acide carboxylique :

-
Formule semi-développée de l'acide éthanoïque
B

La nomenclature

Les noms des acides carboxyliques s'obtiennent en remplaçant le "e" de la terminaison -ane de l'alcane correspondant par le suffixe -oïque, et en précédant le nom par le mot acide.

Le nom d'un acide carboxylique dérive de celui de l'alcane correspondant avec les règles supplémentaires suivantes :

  • La chaîne principale est numérotée de telle façon que l'atome de carbone fonctionnel porte l'indice le plus petit possible (les indices de position des ramifications sont ainsi également fixés).
  • On remplace le "e" de la terminaison -ane des alcanes par la terminaison -oïque et en précédant le nom par le mot acide.

La molécule suivante se nomme acide 3-méthylpentanoïque :

-

Représentation topologique d'un acide carboxylique

Dans le cas d'un diacide (qui comporte deux groupements carboxyles), on utilise la terminaison dioïque.

Le nom officiel de l'acide malonique est acide propanedioïque :

-

Représentation topologique de l'acide malonique

C

Les propriétés des acides carboxyliques

1

Le caractère acide

Lorsqu'ils sont en milieux aqueux, les acides carboxyliques réagissent en partie avec l'eau pour former des ions oxonium \(\displaystyle{\ce{H3O^{+}}}\) et des ions carboxylates \(\displaystyle{\ce{R-COO^{-}}}\) selon la réaction suivante :

\(\displaystyle{\ce{R-COOH_{(aq)}} + \ce{H2O_{(l)}} \ce{<=>} \ce{R-COO^{-}_{(aq)}} + \ce{H3O^{+}_{(aq)}}}\)

Un pH acide (inférieur à 7) permet donc de mettre en évidence la présence d'un acide carboxylique.

2

La solubilité

Les acides carboxyliques peuvent établir des liaisons hydrogènes avec les solvants polaires tels que l'eau : les acides carboxyliques de petite taille sont donc complètement solubles dans l'eau. Le caractère hydrophobe étant influencé par la longueur de la chaîne d'atomes de carbone, à mesure que la longueur de la chaîne augmente, le caractère soluble des acides carboxyliques diminue.

III

Les réactions d'oxydoréduction

A

L'oxydation ménagée des alcools

Le produit de l'oxydation d'un alcool dépend de sa classe :

Classe de l'alcool Primaire Secondaire Tertiaire
Produit de l'oxydation

Aldéhyde puis acide carboxylique si excès d'oxydant

Cétone Pas d'oxydation possible

La réaction d'oxydation de l'éthanol \(\displaystyle{\ce{CH3-CH2-OH}}\) par les ions permanganate \(\displaystyle{\ce{MnO^{-}_{4}}}\) est :

\(\displaystyle{5 \ce{CH3-CH2-OH_{(aq)}} + 2\ce{MnO^{-}_{4 (aq)}} + 6 \ce{H^{+}_{(aq)}} \ce{->} 5 \ce{CH3-CHO_{(aq)}} + 2 {Mn^{2+}_{\left(aq\right)}} + 8 \ce{H2O_{(l)}} }\)

Le produit \(\displaystyle{\ce{CH3-CHO}}\) est bien un aldéhyde.

B

La réduction des composés carbonylés et des acides carboxyliques

Les composés carbonylés et les acides carboxyliques peuvent être réduits :

Famille Aldéhyde Cétone Acide carboxylique
Produit de la réduction

Alcool primaire

Alcool secondaire

Aldéhyde
puis alcool primaire si excès de réducteur

La réaction de réduction de la propanone \(\displaystyle{\ce{CH3-CO-CH3}}\) par le zinc métallique \(\displaystyle{\ce{Zn}}\) est :

\(\displaystyle{\ce{CH3-CO-CH3_{(aq)}} + \ce{Zn_{(aq)}} + 2 \ce{H^{+}_{(aq)}} \ce{->} \ce{CH3-CH(OH)-CH3_{(aq)}} + {Zn^{2+}_{\left(aq\right)}}}\)

Le produit \(\displaystyle{\ce{CH3-CH(OH)-CH3}}\) est bien un alcool secondaire.