Chimie-Biochimie 1ère année de Médecine 2024-2025 PDF

CHIMIE-BIOCHIMIE 1ère année de Médecine Pr. Chachi El Mostafa Année universitaire 2024-2025 Structure, Représentation et Dénomination des Molécules Organiques 2  PLAN I. Caractéristiques générales des molécu...

CHIMIE-BIOCHIMIE 1ère année de Médecine Pr. Chachi El Mostafa Année universitaire 2024-2025 Structure, Représentation et Dénomination des Molécules Organiques 2  PLAN I. Caractéristiques générales des molécules organiques II. Formules représentatives de la molécule organique III. Description des molécules organiques IV. Les principales fonctions organiques V. Isomérie et stéréochimie 3  Objectifs ❖Comprendre l’écriture et la nomenclature de molécules courantes les plus simples en chimie organique ❖Connaitre les principales fonctions organiques d’intérêt biochimique et biologique ainsi que leurs principales réactivités chimiques. 4 I. Caractéristiques générales des molécules organiques 1.1. Eléments constitutifs des molécules organiques ❖ Les composés organiques possèdent essentiellement 4 types d’atomes : C, H, O et N. ❖ À ces éléments les plus importants, viennent se joindre souvent d’autres éléments : P, S, des halogènes… ❖ hétéroatomes : tous les éléments chimiques sauf carbone et hydrogène 5 I. Caractéristiques générales des molécules organiques 1.2. Propriétés physiques particulières des molécules organiques Les molécules organiques : Sont formées de liaisons covalentes Sont à l’état gazeux, liquides ou solides, beaucoup se présentent sous forme liquide à température ambiante Souvent insolubles dans l’eau Souvent ont de faibles températures de fusion Faibles résistances à une température supérieure à 500°C (décomposition) 6 I. Caractéristiques générales des molécules organiques 1.3. Les caractéristiques chimiques essentielles des réactions organiques Les réactions organiques : ❖Sont souvent lentes ❖Réversibles ❖incomplètes 7 II. Formules représentatives de la molécule organique 2.1. Formule Brute Elle indique la nature et le nombre d’atomes qui constituent la molécule : CxHyNtOz x, y, t et z indices entiers Exemple : C3H8 propane ; CH4N2O urée 8 II. Formules représentatives de la molécule organique 2.2. Formule semi-développée ou développée o Dans la formule semi-développée, on ne représente que les liaisons entre atomes de carbone et les liaisons entre carbone – hétéroatomes Exemple: H3C-CH2-CH3 H2N C NH2 propane O urée 9 II. Formules représentatives de la molécule organique 2.2. Formule semi-développée ou développée o La formule développée fait apparaître toutes les liaisons covalentes reliant les atomes. Exemple: H H H propane H C C C H H H H 10 II. Formules représentatives de la molécule organique 2.3. Formule topologique (ou en zig-zag) Utilisée lorsque la chaîne carbonée devient de taille plus grande, dans laquelle : - Les atomes d’hydrogènes ne sont pas représentés, - Les liaisons C-C sont représentées par des lignes brisées, - Les hétéroatomes sont représentés, - Les fonctions chimiques (COOH, OH, …) sont explicitées. Cl NH2 Cl NH2 H3C CH CH2 CH CH3 11 III. Description de la molécule organique 3.1. Définition Une molécule organique, est une chaîne carbonée sur laquelle se greffent soit des atomes d’hydrogène soit des groupements d’autres atomes, qui permettent de déterminer la fonction organique. ❖La chaîne carbonée : ensemble des atomes de carbone liés entre eux dans la molécule. ❖Le groupement fonctionnel : un atome ou un groupement d’atomes qui confèrent à la molécule une propriété importante. CH3─CH2─CH2─OH chaîne carbonée fonction zone non réactive zone réactive 12 III. Description de la molécule organique 3.2. Les différents types de chaînes ❑Chaîne linéaire : chaîne non substituée ❑Chaîne ramifiée : un ou plusieurs substituants accrochés à la chaîne principale CH3 ─ CH(CH3)─ CH2 ─ CH(CH3)─OH On peut mettre la ramification entre () après le carbone sur lequel il se rattache 13 III. Description de la molécule organique 3.2. Les différents types de chaînes ❑Chaîne cyclique : présente un ou plusieurs cycles ❑Chaîne à liaisons multiples : contient un ou plusieurs doubles/triples liaisons La chaîne carbonée saturée : présente que des liaisons simples La chaîne carbonée insaturée : présente au moins une liaison multiple (double ou triple liaison) 14 III. Description de la molécule organique 3.3. Les fonctions organiques Deux catégories : ❖Les fonctions organiques sans hétéroatomes : Les hydrocarbures ❖Les fonctions organiques contenant des hétéroatomes : comme les acides, aldéhydes, cétones, amines, amides, alcools, … 15 IV. Les principales fonctions organiques 16 1. Les hydrocarbures saturés : Les alcanes o Ce sont des hydrocarbures qui ne comportent que des liaisons simples C-C ; o Formule générale : CnH2n+2 o Le nom des alcanes linéaires : Alcane préfixe (nombre de carbone) + terminaison –ane 17 Les noms des 10 premiers alcanes linéaires n Formule Nom 1 CH4 méthane C2H6 2 éthane C3H8 3 propane C4H10 4 butane C5H12 5 pentane 6 C6H14 hexane 7 C7H16 heptane 8 C8H18 octane 9 C9H20 nonane 10 C10H22 décane 18 1. Les hydrocarbures saturés : Les alcanes o Nomenclature des alcanes ramifiés : - Une molécule substituée par un groupement alkyle remplacer le préfixe -ane par le préfixe -yl (CH3 : méthyl, C2H5: éthyl, C3H7: propyl) - La chaîne carbonée principale : la chaîne la plus longue - La ramification : numéroter la chaîne carbonée principale et la ramification doit porter l’indice le plus petit possible (les ramifications sont classées par ordre alphabétique) - Déterminer le nom du groupement alkyle - Donner le nom 2-méthylhexane 19 1. Les hydrocarbures saturés : Les alcanes o Nomenclature des cycloalcanes Le nom d’un cyclane est obtenu an ajoutant le préfixe "cyclo-" au nom de l’alcane ayant le même nombre de carbone 20 2. Les hydrocarbures insaturés : Les alcènes Les alcènes sont des hydrocarbures qui possèdent au moins une double liaison (-C=C-) o De formule générale : CnH2n o 2 doubles liaisons, la formule devient : CnH2n-2 o 3 doubles liaisons : CnH2n-4 21 2. Les hydrocarbures insaturés : Les alcènes Nomenclature - La chaîne carbonée principale : contient le plus d’atomes de carbone et la double liaison. ▪ Numéroter la chaîne principale de façon à ce que la double liaison aura l’indice le plus bas : ici : 2 ▪ Déterminer la longueur de la chaîne carbonée (5 C = pent), ▪ La terminaison du nom de cette chaine principale se fait en « ène », en précisant la position de la double liaison devant « ène ». Le nom de la molécule : pent-2-ène 22 3. Les hydrocarbures insaturés : Les alcynes Les alcynes sont des hydrocarbures insaturés qui possèdent au moins une triple liaison entre deux carbones (-C≡C-) De formule générale : CnH2n-2 Nomenclature: ▪ La chaîne carbonée principale : contient le plus d’atomes de carbone et la triple liaison. ▪ Numéroter la chaîne principale de façon à ce que la triple liaison ait l’indice le plus bas. ▪ Déterminer la longueur de la chaîne carbonée (6 = hexyne). 23 La terminaison de la molécule sera : hex-1-yne Déterminer la place de ramification : terminaisons en ″ yl ″ 3-méthylhex-1-yne 4. Les alcools et fonctions dérivées (thiols, phénols, éther-oxydes) 4.1. Fonction alcool Un alcool est un composé qui possède un groupement fonctionnel hydroxyle (OH) De formule générale : R-OH Les alcools se divisent en trois catégories : primaire, secondaire et tertiaire 25 26 4. Les alcools et fonctions dérivées (thiols, phénols, éther-oxydes) 4.1. Fonction alcool ❑ Nomenclature o L’alcool = fonction principale, la molécule porte la terminaison ol o L’alcool = fonction secondaire, la molécule sera désignée par le préfixe hydroxy ❑ Réactivité chimique o La réaction la plus caractéristique des alcools est la réaction d’oxydation. o Elle se fait grâce à des agents oxydants puissants comme KMnO4. 27  Oxydation des alcools primaires : Alcool primaire aldéhyde acide carboxylique Oxydation des alcools secondaires : forme des cétones Alcool secondaire cétone 28 4.2. Fonction thiol o Un thiol est un composé qui possède un groupement fonctionnel sulfhydryle SH o De formule générale : R-SH o Nomenclature : alcane suivi du suffixe thiol CH3-SH : methanethiol 29  4.3. Phénol o Un phénol est un composé aromatique qui porte une fonction hydroxyle OH o De formule générale : Ar-OH (Ar = groupement aryle). 4.4. Ether- oxyde o De formule générale : R-O-R’ o Pour nommer un éther, on utilise le nom du radical R-O- comme préfixe avec terminaison ‟oxy” suivi de l’hydrocarbure correspondant le plus carboné R’. CH3-CH2-O-CH2-CH3 : éthoxyéthane 30 5. Les fonctions amines o Une amine est un composé qui comporte un atome d’azote N o 3 classes d’amines, en fonction de degré de substitution de l’azote : Ammoniac amine primaire amine secondaire amine tertiaire monosubstitués di- substitués tri-substitués 31 ❑Nomenclature o Amines primaires : pour nommer une amine I, on nomme le substituant carboné porté par cette amine et on y ajoute la terminaison « amine » CH3-NH2 :méthanamine o Amines secondaires ou tertiaires : On nomme le substituant le plus long porté par l’amine et on termine par « amine », puis on rajoute devant ce nom celui des autres substituants par ordre alphabétique précédé par leur indice de position qui ici N (l’azote). CH3-CH2-NH-CH3 N-méthyléthanamine N-éthyl-N-méthylpropanamine 32 5. Les fonctions aldéhydes et cétones Le point commun entre les aldéhydes et les cétones est la fonction carbonyle C=O De Formule générale : 33  ❑ Nomenclature Aldéhydes Cétones o Si la fonction est prioritaire : o Si la fonction est prioritaire : On commence à numéroter la chaîne Il faudra donner au C=O l’indice de carbonée principale qui porte C=O , sa position le plus petit possible dans la position est 1. chaine carbonée principale. o Nommer la chaîne carbonée puis y o Nommer la chaîne carbonée puis y ajouter la terminaison « al » ajouter la terminaison « -position- one » Butanal Pentan-2-one 34 6. Les acides carboxyliques et leurs dérivés Les acides carboxyliques et leurs dérivés jouent un rôle dans le métabolisme et sont très répondus dans la nature De formule générale : o si Y = OH : RCOOH acide o si Y = OR’ : RCOOR’ ester o si Y = NR1R2 : RCONR1R2 amide 35  6.1. Fonction acide carboxylique Il se reconnaît grâce à la présence du groupement carboxyle –COOH De formule générale : R-COOH "R" est une chaîne carbonée ❑Nomenclature o La fonction acide carboxylique est toujours prioritaire (position 1) o Pour nommer un acide carboxylique : faire précéder le nom de la chaîne par le mot "acide" et le terminer par "oïque". acide 3-méthylpentanoïque 36  6.2. Esters o Formule générale : RCOOR’ o Un ester résulte de la réaction d’un acide carboxylique et d’un alcool. 37  ❑Nomenclature Pour nommer un ester, il convient de décomposer la molécule en 2 parties : 1. La partie qui contient le C=O est nommée, puis terminée par « oate ». On fait suivre ce nom de la préposition « de » 2. Puis on attribue à la partie qui contient le –O- le préfixe décrivant son nombre de C (méth, éth, prop, …) que l’on termine par « yle ». Éthanoate de méthyle 38  6.3. Amides Les amides sont des dérivées d’acide carboxylique où le groupement –OH a été remplacé par le groupement amine –NH2 qui lui-même peut être substitué (-NHR ou -NR1R2). De formule générale : Selon les substituants portés par l’atome d’azote N de l’amide, on distingue 3 classes d’amides : Amide non substitué Amide N substitué Amide N,N di substitué 39 ❑Nomenclature On nomme la chaîne portant l’amide et on termine le nom par «amide», tout attaché, sans oublier de préciser éventuellement (devant le nom) les substituants présents sur N. propanamide N-méthylpropanamide éthyl-N-méthylpropanamide 40  6.4. Nitriles ❖ On appelle nitriles les composés comportant le groupe cyano, C≡N lié à une chaîne alkyle. ❖ De formule générale: ❑Nomenclature Suivre le nom de l’hydrocarbure correspondant du suffixe –nitrile, sans préciser sa position car un nitrile est toujours en bout de chaîne comme un acide, l’atome de carbone lié à l’azote porte le numéro 1. Propane nitrile 2- méthylbutane nitrile 41  7. Classement des fonctions organiques Les fonctions sont classées par ordre de priorité décroissant de haut en bas : Prioritaire : fonction principale (suffixe) Non prioritaire : Fonction Nom Exemple substituant (préfixe) Acide carboxylique Acide alcanoïque Acide butanoïque Carboxy-(-CO2H) Ester Alcanoate d’alkyle Ethanoate de méthyle Amide Alcanamide propanamide (RCONR1R2) Nitrile Alcanenitrile Pentanenitrile Cyano- (-C ≡ N) Aldéhyde Alcanal Hexanal Formyl- (-CHO) Cétone Alcanone Octan-2-one Oxo- (=O) Alcool Alcanol Nonan-3-ol Hydroxy- (-OH) Amine Alkylamine Hexylamine Amino- (-NH2, -NHR, -NR2) Dérivé halogéné halogéno-alcane Chloroéthane Halogéno- 42 Les groupements fonctionnels des molécules organiques 43 V. Isomérie et stéréochimie 1. Définition o La stéréochimie = l’étude des caractéristiques géométriques des molécules, o La façon dont les atomes sont disposés dans l’espace et les répercussions éventuelles de cette disposition sur le comportement chimique. 45 Deux molécules sont dites isomères s’ils ont la même formule brute mais différente : ❑ Soit par leur formule développée : isomères de constitution ❑ Soit par leur représentation dans l’espace : stéréoisomères 46 2. Isomères de constitution Ils sont de trois types : Isomérie de fonction, de chaîne, et de position. ❑Isomérie de fonction : Même formule brute, mais avec des fonctions différentes. Exemple: C3H6O o propan-2-one : fonction cétone o propanal : fonction aldéhyde 47  2. Isomères de constitution ❑Isomérie de chaîne : Même formule brute, mais l’enchainement des carbones est différent par leurs ramifications Exemple: C4H10 o Butane : o 2-méthylpropane : 48  2. Isomères de constitution ❑Isomérie de position: Même formule brute, même chaîne carbonée, même fonction chimique mais la position de la fonction est différente. Exemple: C4H10O o butan-1-ol : o butan-2-ol : 49  3. Stéréoisomères Sont des composés de même formule brute, même formule semi- développée, même fonction, même enchainement des carbones, mais différent par l’arrangement spatial des atomes. On distingue: o Les stéréoisomères géométriques : cis-trans o Les stéréoisomères : D/L 50 ❑Les stéréoisomères géométriques : cis-trans La stéréoisomérie géométrique concerne les composés qui possèdent une double liaison. Isomère cis Isomère trans Les substituants identiques Les substituants identiques a et b sont du même coté de a et b sont de part et d’autre la double liaison de la double liaison 51 ❑Les stéréoisomères optiques o Ce type de stéréoisomérie est très important en biochimie structurale. o Il se base sur la notion de chiralité de certaines molécules organiques a. Définition de chiralité ❖La chiralité est la propriété d’une molécule qui peut exister sous deux variétés énantiomères ❖Deux isomères sont appelés énantiomères, s’ils sont image l’un de l’autre dans un miroir et non superposables. 52 o Ces deux stéréo-isomères de configuration sont appelés des énantiomères o Chaque isomère est une molécule chirale 53  b. Carbone asymétrique o Un carbone est dit asymétrique s’il est constitué d’un atome tétraédrique portant quatre substituants différent o Il est distingué des autres en le notant avec une petite étoile en exposant (C*) Exemple : Acide lactique (A) (B) (A) et (B) sont deux stéréoisomères optiques, ce sont deux énantiomères. 54 c. Pouvoir rotatoire ❑ Une substance possède un pouvoir rotatoire α ou qu’elle est optiquement active, lorsqu’elle dévie d’un angle α le plan de la lumière polarisée traversant cette substance. Si le plan de la lumière polarisée est dévié d’un angle α : ❖ Vers la droite l’énantiomère est dit dextrogyre noté (d) ou (+) ❖ Vers la gauche l’énantiomère est dit lévogyre noté (l) ou (-) 55 d. Nomenclature D/L des stéréoisomères Configuration relative D et L o Cette nomenclature se base sur la disposition du groupement OH dans la projection de Fischer dans le cas du glycéraldéhyde et le groupement NH2 dans le cas des acides aminés, portés les deux par le C* o Si le groupement OH ou NH2 se trouve du côté droit de la chaîne fondamentale, il s’agit de l’énantiomère D sinon s’il se trouve à gauche, il s’agit de l’énantiomère L (D)-glycéraldéhyde (L)-glycéraldéhyde 56  (D)-alanine (L)-alanine NB: Si la molécule contient plusieurs C*, on se réfère au groupe OH (cas du glycéraldéhyde) porté par le C* le plus bas dans la chaîne verticale de la représentation de Fischer. 57