Chimie organique

L'atome de carbone possède $4$ électrons de valence : il forme donc toujours $4$ liaisons covalentes. On dit qu'il est tétravalent. Cette valence de $4$ lui permet de s'enchaîner en longues chaînes, en cycles, en réseaux, et de multiplier les géométries.

Quelle que soit la molécule organique considérée, la somme des ordres de liaison portés par chaque atome de carbone vaut toujours $4$. Autrement dit, un carbone engagé dans une triple liaison ne peut plus former que une liaison simple supplémentaire ($3+1=4$) ; un carbone d'une double liaison forme encore deux liaisons simples ($2+2=4$).

Repérer et nommer le (ou les) groupement(s) fonctionnel(s) d'une molécule, c'est déjà connaître l'essentiel de son comportement chimique.

• Une liaison $\sigma$ (sigma) est une liaison simple : les deux atomes partagent une paire d'électrons. La rotation autour de l'axe de la liaison est libre.
• Une liaison $\pi$ (pi) s'ajoute à une liaison $\sigma$ pour former une double liaison ($\sigma+\pi$) ou, par paire, une triple liaison ($\sigma+2\pi$). Une liaison multiple est donc plus courte et plus forte qu'une liaison simple.

La partie $\pi$ d'une double liaison C=C bloque la rotation des deux carbones l'un par rapport à l'autre. C'est précisément ce blocage qui rend possibles les isomères cis/trans des alcènes (voir section 4).

La disposition en zigzag de l'écriture topologique n'est pas une convention décorative : elle reflète fidèlement la géométrie tétraédrique des carbones. Les liaisons C–H, elles, sont simplement sous-entendues car il y en a trop pour qu'il soit pratique de les dessiner toutes.

Un alcane est un hydrocarbure (composé de C et de H uniquement) acyclique (chaîne ouverte, sans cycle) et saturé : il ne contient que des liaisons simples C–C et C–H.

On la retient en vérifiant qu'elle « colle » aux premiers alcanes : $\ce{CH4}$ ($n=1$), $\ce{C2H6}$ ($n=2$), $\ce{C3H8}$ ($n=3$), $\ce{C4H10}$ ($n=4$)…

Pour une molécule organique de formule brute $\ce{C_n H_m N_p X_q O_r}$ (X = halogène, O ignoré), l'indice de déficience en hydrogène (ou degré d'insaturation) vaut :

Si $I=0$ pour un hydrocarbure $\ce{C_nH_m}$, c'est nécessairement un alcane saturé acyclique.

La formule $\ce{C5H12}$ est-elle celle d'un alcane ? Avec $n=5$, la formule générale prévoit $2\times5+2 = 12$ atomes d'H. C'est exactement le cas, donc oui. Vérifions aussi avec l'indice : $I=\dfrac{2\cdot5+2-12}{2}=\dfrac{0}{2}=0$ : pas de liaison multiple ni de cycle, la molécule est bien un alcane saturé. À l'inverse, $\ce{C5H10}$ donnerait $I=\dfrac{12-10}{2}=1$ : un degré d'insaturation, c'est-à-dire un alcène ou un cycloalcane.

1. Tous les alcanes portent un nom qui se termine par le suffixe -ane.
2. L'agencement des atomes adopte le plus souvent une conformation en zigzag, reflet de la géométrie tétraédrique des carbones.

• Carbone primaire (noté C$_1$) : lié à 1 seul autre carbone.
• Carbone secondaire (C$_2$) : lié à 2 autres carbones.
• Carbone tertiaire (C$_3$) : lié à 3 autres carbones.
• Carbone quaternaire (C$_4$) : lié à 4 autres carbones (et donc à 0 hydrogène).

La formule brute $\ce{C5H12}$ ne correspond pas à une seule molécule mais à trois isomères de constitution (mêmes atomes, assemblages différents) :

n-pentane	2-méthylbutane	2,2-diméthylpropane
	(isopentane)	(néopentane)
0.72	0.72	0.72

Analysons le 2,2-diméthylpropane (néopentane, structure la plus ramifiée) :

• le carbone central est relié à 4 autres carbones : c'est un carbone quaternaire (il ne porte aucun hydrogène) ;
• les quatre carbones périphériques ($-\ce{CH3}$) sont chacun liés à un seul autre carbone : ce sont quatre carbones primaires, chacun attaché à trois atomes d'hydrogène.

On dit donc que le néopentane contient quatre carbones primaires et un carbone quaternaire. Le compte des atomes se vérifie : $4\times(\ce{CH3}) + 1\times\mathrm{C} = \ce{C5H12}$. $\checkmark$

Face à un énoncé du type « quatre atomes de C liés à trois H chacun », on reconnaît immédiatement quatre groupements $-\ce{CH3}$, donc quatre carbones primaires. Le cinquième carbone (qui complète $\ce{C5}$) ne porte alors plus aucun H : c'est le carbone quaternaire central. On en déduit le néopentane, l'isomère le plus ramifié du pentane.

Plus un alcane est ramifié, plus son point d'ébullition baisse (les chaînes se tassent moins bien). Ainsi le n-pentane bout à $36\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, tandis que le néopentane bout dès $9{,}5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Même formule brute, propriétés physiques différentes : c'est tout l'intérêt des isomères.