Chimie organique

1Le carbone, atome vedette

Le carbone (Z = 6) possède 4 électrons sur sa couche externe. Pour être stable (règle de l'octet, 8 électrons), il lui en manque 4 : il forme donc 4 liaisons covalentes. C'est ce chiffre magique qui explique toute la richesse de la chimie organique. Un atome à 4 bras peut se lier à d'autres carbones tout en gardant des places libres pour l'hydrogène, l'oxygène ou l'azote.

Le carbone est tétravalent : ses 4 liaisons se répartissent dans l'espace vers les sommets d'un tétraèdre (angles de 109,5°) quand elles sont toutes simples. Surtout, un carbone peut se lier à un autre carbone, qui se lie à un autre, et ainsi de suite : c'est la caténation. On obtient des chaînes linéaires, des chaînes ramifiées (avec des branches), ou des cycles (la chaîne se referme, comme dans le benzène C₆H₆). Aucun autre atome ne fait cela aussi bien, ce qui explique qu'on connaisse des dizaines de millions de molécules organiques.

Les liaisons entre carbones peuvent être simples (C−C), doubles (C=C) ou triples (C≡C). Une liaison simple laisse les deux carbones tourner librement l'un par rapport à l'autre ; une double liaison est rigide. Retiens la règle d'or qu'on utilisera partout : autour de chaque carbone, on doit toujours compter exactement 4 liaisons. C'est ta boussole pour vérifier n'importe quelle formule.

2Les alcanes : la famille de base

Les alcanes sont les hydrocarbures saturés : uniquement des liaisons simples C−C et C−H, aucune double ni triple liaison. « Saturé » signifie qu'ils portent le maximum d'hydrogènes possible. Leur formule générale suit une règle simple :

Pour n = 1 on a CH₄, pour n = 2 on a C₂H₆, pour n = 3 on a C₃H₈, etc. Chaque fois qu'on ajoute un carbone, on ajoute deux hydrogènes (un groupe −CH₂− s'intercale). Ces molécules sont peu réactives (le gaz naturel, le butane des briquets, les carburants en sont), mais elles sont la colonne vertébrale à laquelle on accrochera plus tard les fonctions.

La nomenclature repose sur un préfixe qui indique le nombre de carbones, suivi de la terminaison -ane. Il faut connaître les premiers par cœur, ils reviennent partout :

Quand la chaîne porte des ramifications, on nomme les branches comme des substituants -yle (méthyle −CH₃, éthyle −C₂H₅) et on numérote la chaîne principale pour donner à chaque branche le plus petit indice possible. Exemple : le 2-méthylpropane est un propane portant un groupe méthyle sur le 2ᵉ carbone.

3Alcènes et alcynes : les insaturations

Dès qu'une molécule contient une double ou une triple liaison carbone-carbone, on parle d'insaturation. Une insaturation, c'est une paire d'hydrogènes en moins par rapport à l'alcane correspondant : les carbones « économisent » des H en partageant plus d'électrons entre eux.

Les alcènes possèdent (au moins) une double liaison C=C. Leur formule générale perd 2 H par rapport à l'alcane :

On les nomme comme les alcanes mais avec la terminaison -ène (alcène) ou -yne (alcyne), en indiquant par un numéro la position de la liaison multiple : le but-2-ène a sa double liaison entre les carbones 2 et 3. La double liaison est rigide (pas de rotation) et réactive : c'est le point faible où d'autres atomes viennent s'additionner. Cette réactivité est capitale en biologie — les acides gras « insaturés » (huiles liquides) doivent justement leur fluidité à leurs doubles liaisons C=C.

Les alcynes vont plus loin avec une triple liaison C≡C, encore plus réactive. Le plus connu est l'éthyne C₂H₂ (l'acétylène des chalumeaux, n = 2 : 2×2 − 2 = 2 hydrogènes). Retiens la logique : chaque insaturation supplémentaire retire deux hydrogènes.

4Les groupes fonctionnels

Un groupe fonctionnel est un assemblage d'atomes qui confère à la molécule des propriétés et une réactivité caractéristiques. Deux molécules qui portent la même fonction se comportent chimiquement de façon voisine, peu importe la longueur de leur chaîne. C'est la notion la plus rentable du chapitre : reconnaître une fonction sur une formule, c'est prédire son comportement — et au concours, c'est souvent la question posée.

L'alcool (−OH) rend la molécule polaire et soluble dans l'eau (l'éthanol des boissons). L'aldéhyde (−CHO, un C=O en bout de chaîne) et la cétone (C=O au milieu de la chaîne) partagent le groupe carbonyle C=O mais diffèrent par sa position. L'acide carboxylique (−COOH) est acide : il libère un H⁺ en solution. L'amine (−NH₂) est au contraire basique (elle capte un H⁺) et se retrouve dans tous les acides aminés. Enfin l'ester (−COO−) naît de la réaction entre un acide et un alcool : c'est le groupe des arômes de fruits et des graisses.

5L'isomérie

Deux molécules peuvent avoir exactement la même formule brute (mêmes atomes en même nombre) tout en étant des substances différentes : on les appelle des isomères. C'est une conséquence directe de la tétravalence du carbone, qui permet plusieurs arrangements pour un même « stock » d'atomes. Comprendre l'isomérie, c'est comprendre pourquoi C₄H₁₀ désigne deux gaz distincts, ou pourquoi C₂H₆O peut être un alcool… ou un tout autre composé.

On distingue trois grands types. L'isomérie de chaîne : le squelette carboné est arrangé différemment (chaîne linéaire ou ramifiée). Ainsi C₄H₁₀ existe en butane (chaîne droite) et en 2-méthylpropane (chaîne ramifiée). L'isomérie de position : la fonction ou la double liaison est placée sur un carbone différent (propan-1-ol et propan-2-ol ont leur −OH à des endroits distincts). L'isomérie de fonction, la plus spectaculaire : mêmes atomes, mais familles chimiques différentes. C₂H₆O peut être l'éthanol (un alcool, CH₃−CH₂−OH, liquide qu'on boit) ou le diméthyléther (CH₃−O−CH₃, un gaz) — mêmes atomes, propriétés opposées.

En médecine, ces différences sont vitales : deux isomères peuvent avoir des effets biologiques totalement différents, l'un actif et l'autre inactif, voire toxique. La forme précise d'une molécule, pas seulement sa composition, décide de son interaction avec les récepteurs du corps.

6Quelques réactions : combustion et oxydation

Deux réactions reviennent sans cesse au concours. La première est la combustion : un composé organique brûle dans le dioxygène O₂ pour donner du dioxyde de carbone CO₂ et de l'eau H₂O, en libérant beaucoup d'énergie. C'est ce qui fait rouler les voitures et, à l'échelle de la cellule, ce que fait ta respiration : le glucose est « brûlé » lentement pour produire de l'énergie.

La seconde est l'oxydation d'un alcool. Oxyder, en chimie organique, revient à retirer des électrons (et souvent des atomes d'hydrogène) à la molécule. Un alcool primaire (−CH₂OH) s'oxyde d'abord en aldéhyde (−CHO), puis, si l'oxydation continue, en acide carboxylique (−COOH). C'est une réaction d'oxydoréduction (redox) : l'alcool cède des électrons (il est oxydé) tandis qu'un autre réactif les capte (il est réduit). Observe ce transfert d'électrons avec le widget :

Le fil conducteur : à chaque étape d'oxydation, la molécule perd des électrons et gagne en atomes d'oxygène ou perd des hydrogènes. C'est exactement ce chemin (alcool → aldéhyde → acide) que suit l'alcool que tu bois quand ton foie le dégrade, comme on le verra plus loin.

7Les biomolécules organiques

Toutes les molécules du vivant sont organiques : elles combinent les fonctions vues plus haut sur de grands squelettes de carbone. On les range en trois grandes familles. Les glucides (sucres) sont des molécules riches en fonctions −OH, portant un groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) : le glucose C₆H₁₂O₆ en est le représentant. Ils sont le carburant de la cellule.

Les lipides (graisses, huiles) sont bâtis sur de longues chaînes hydrocarbonées, donc peu solubles dans l'eau (« hydrophobes »). Un triglycéride, par exemple, est un ester entre le glycérol (un trialcool) et trois acides gras (à fonction −COOH). Saturés (chaînes sans double liaison, graisses solides) ou insaturés (avec des C=C, huiles liquides), ils constituent les réserves d'énergie et les membranes cellulaires.

Les acides aminés, enfin, portent à la fois une fonction acide carboxylique (−COOH) et une fonction amine (−NH₂) sur le même carbone : d'où leur nom. Reliés par des liaisons peptidiques (une réaction entre le −COOH de l'un et le −NH₂ de l'autre, qui forme une liaison amide en libérant de l'eau — à ne pas confondre avec l'ester, qui unit un acide et un alcool), ils forment les protéines. Reconnaître ces fonctions, c'est déjà comprendre la biochimie de la cellule.