T'es-tu déjà posé la question de savoir d'où vient l'odeur distinctive des parfums ? Tous les parfums ont une chose en commun : ils contiennent des composés appelés aldéhydes.
Aldéhydes, cétones, acides carboxyliques et esters. Tu trouveras beaucoup de ces composés dans des produits tels que les parfums, les plantes, les sucreries, tes condiments préférés, et même dans ton corps ! Ils ont une chose en commun : ils contiennent tous un groupe carbonyle.
- Voici une introduction à la famille des groupes carbonyle en chimie organique.
- Nous commencerons par examiner le groupe carbonyle, sa structure et sa polarité.
- Nous explorerons ensuite quelques composés carbonylés tels que les aldéhydes, les cétones, acides carboxyliques et esters et leurs propriétés.
- Enfin, nous examinerons les utilisations des composés carbonylés.
Qu'est-ce-que le groupe carbonyle ?
Le groupe carbonyle est un groupe fonctionnel contenant un atome de carbone doublement lié à un atome d'oxygène, \( C=O \) .
Le terme "carbonyle" peut également désigner un ligand neutre de monoxyde de carbone lié à un métal. Un exemple est le tétracarbonyle de nickel, \( Ni(CO)_4 \) . Tu en apprendras davantage sur les ligands dans Métaux de transition. Cependant, dans la suite de ce résumé de cours, le terme "carbonyle" désigne le groupe fonctionnel de la chimie organique : \( C=O \) .
Maintenant que nous savons ce qu'est le groupe carbonyle, entrons directement dans sa structure et ses liaisons.
Structure du groupe carbonyle
Voici la structure du groupe carbonyle :
Fig. 1- Le groupe carbonyle.
Décomposons cette structure. Tu remarqueras qu'il y a un atome de carbone doublement lié à un atome d'oxygène. Tu verras aussi qu'il y a deux groupes \( R \) . Les groupes \( R \) sont utilisés pour représenter le reste de la molécule. Par exemple, ils peuvent représenter n'importe quel groupe alkyle ou acyle, ou même simplement un atome d'hydrogène. Les groupes \( R \) peuvent être identiques l'un à l'autre ou complètement différents.
Pourquoi les composés carbonyles ont-ils deux groupes \( R \) ? Eh bien, rappelle-toi que le carbone possède quatre électrons dans sa couche externe, comme indiqué ci-dessous.
Fig. 2- Les électrons de la couche externe du carbone.
Pour devenir stable, le carbone doit avoir une couche externe complète, ce qui signifie avoir huit électrons de couche externe. Pour ce faire, le carbone doit former quatre liaisons covalentes - une liaison avec chacun de ses électrons de la couche externe. La double liaison \( C=O \) occupe deux de ces électrons. Il reste donc deux électrons, chacun d'eux se liant à un groupe \( R \) .
Voici un diagramme en points et en croix de la liaison covalente dans les composés carbonyles. Nous avons montré les électrons de la couche externe de l'atome de carbone et les paires de liaisons qu'il partage avec l'atome d'oxygène et les groupes \( R \) .
Fig. 3- Liaison dans le groupe carbonyle.
Examinons de plus près la double liaison \( C=O \) . Elle est constituée d'une liaison sigma et d'une liaison pi.
Les liaisons sigma \( \sigma \) sont le type de liaison covalente le plus fort, formé par le chevauchement frontal des orbitales atomiques. Ces liaisons sont toujours le premier type de liaison covalente trouvé entre deux atomes.
Les liaisons pi \( \pi \) sont un autre type de liaison covalente légèrement plus faible. Elles sont toujours les deuxième et troisième liaisons covalentes trouvées entre les atomes, formées par le chevauchement latéral des orbitales \( p \) .
Comment se forment les liaisons sigma et pi ? Pour comprendre cela, nous devons plonger dans les orbitales électroniques.
Tu dois connaître les configurations électroniques du carbone et de l'oxygène. Le carbone à la configuration électronique \( 1s^{2} 2s^{2} 2p^{2} \) , et l'oxygène à la configuration électronique \( 1s^{2} 2s^{2} 2p^{4} \) . Ces configurations sont illustrées ci-dessous.
Fig. 3- Les configurations électroniques du carbone et de l'oxygène.
Pour former des liaisons covalentes, le carbone et l'oxygène doivent d'abord réorganiser un peu leurs orbitales. Le carbone fait d'abord passer un des électrons de son orbitale \( 2s \) à son orbitale \( 2p_z \) vide. Il hybride ensuite ses orbitales \( 2s \) , \( 2p_x \) et \( 2p_y \) , de sorte qu'elles ont toutes la même énergie. Ces orbitales hybrides identiques sont appelées orbitales \( sp^2 \) .
Fig. 4- Les orbitales hybrides du carbone.
Les orbitales \( sp^2 \) se disposent à \( 120^{o} \) les unes par rapport aux autres dans une forme plane trigonale. L'orbitale \( 2p_z \) reste inchangée et se positionne au-dessus et au-dessous du plan, à angle droit par rapport aux orbitales \( sp^2 \) .
Fig. 5- La forme des orbitales du carbone dans le groupe carbonyle.
L'oxygène ne favorise aucun électron, mais il hybride également ses orbitales \( 2s \) , \( 2p_x \) et \( 2p_y \) . Une fois encore, elles forment des orbitales \( sp^2 \) et l'orbitale \( 2p_z \) reste inchangée. Mais cette fois, remarque que deux des orbitales \( sp^2 \) de l'oxygène contiennent deux électrons, et non un seul. Il s'agit de paires d'électrons solitaires, sur lesquelles nous reviendrons plus tard.
Fig. 6-Les orbitales hybridées de l'oxygène.
Lorsque le carbone et l'oxygène s'associent pour former le groupe carbonyle, le carbone utilise ses trois orbitales \( sp^2 \) pour former des liaisons covalentes simples. Il forme une liaison covalente avec chacun des deux groupes \( R \) , et une autre avec l'orbitale \( sp^2 \) de l'oxygène qui contient un seul électron non apparié. Les orbitales se chevauchent de front, formant des liaisons sigma.
Pour former une double liaison, le carbone et l'oxygène utilisent maintenant leurs orbitales \( 2p_z \) . Rappelle-toi que celles-ci se trouvent à angle droit par rapport aux orbitales \( sp^2 \) . Les orbitales \( 2p_z \) se chevauchent latéralement, formant une autre liaison covalente au-dessus et au-dessous du plan. Il s'agit d'une liaison pi. Nous avons montré les liaisons entre l'oxygène et le carbone ci-dessous.
Fig. 7- Liaisons sigma et pi entre le carbone et l'oxygène du groupe carbonyle..
Consulte le résumé de cours Isomérie pour trouver un autre exemple de double liaison, cette fois entre deux atomes de carbone.
Quel est le rôle de la fonction carbonyle ?
La fonction carbonyle a pour rôle essentiel de déstabiliser les liaisons au sein de la chaîne carbonée. L'atome d'oxygène électronégatif a tendance à attirer plus d'électrons que le carbone auquel il est lié au sein du groupe carbonyle.
En revenant à la structure du groupe carbonyle, nous pouvons voir que l'atome d'oxygène possède également deux paires d'électrons solitaires. Il s'agit de paires d'électrons qui ne sont pas impliquées dans une liaison covalente avec un autre atome. Tu verras pourquoi elles sont importantes plus loin dans le résumé de cours.
Polarité du groupe carbonyle
Tu as vu la structure du groupe carbonyle, nous allons maintenant explorer sa polarité.
Le carbone et l'oxygène ont des valeurs d'électronégativité différentes. En fait, l'oxygène est beaucoup plus électronégatif que le carbone.
La différence dans chacune de leurs valeurs d'électronégativité crée une charge positive partielle dans l'atome de carbone et une charge négative partielle dans l'atome d'oxygène. Cela rend le groupe carbonyle polaire. Regarde la structure ci-dessous pour voir ce que nous voulons dire.
Fig. 8- La polarité du groupe carbonyle.
Le symbole que tu vois, qui ressemble presque à un " \( S \) " bouclé, est la lettre grecque delta en minuscule. Dans ce contexte, \( \delta \) représente les charges partielles des atomes dans une molécule. \( \delta+ \) représente un atome avec une charge positive partielle, tandis que \( \delta- \) représente un atome avec une charge négative partielle.
Comme l'atome de carbone est partiellement chargées positivement, il est attiré par des ions ou des molécules chargés négativement, comme les nucléophiles. Les nucléophiles sont des donneurs de paires d'électrons ayant une charge négative ou partiellement négative. Cela signifie que de nombreuses réactions impliquant le groupe carbonyle sont des réactions d'addition nucléophile. Nous allons t'en présenter quelques-unes dans un instant, mais tu peux également en savoir plus dans le résumé de cours Réactions des aldéhydes et des cétones.
Groupe carbonyle : Famille
Nous avons déjà parlé du groupe carbonyle, de sa structure et de sa polarité. Jusqu'à présent, tu as appris ce qui suit :
- Le groupe carbonyle est un groupe fonctionnel de formule générale \( C=O \) qui est attaqué par les nucléophiles.
- Le groupe carbonyle est composé d'un atome de carbone doublement lié à un atome d'oxygène. L'atome d'oxygène forme une liaison sigma et une liaison pi avec l'atome de carbone. L'atome d'oxygène possède également deux paires d'électrons solitaires.
- L'atome de carbone du groupe carbonyle est lié à deux groupes \( R \) . Ceux-ci peuvent représenter n'importe quel groupe alkyle ou acyle. Ceux-ci peuvent représenter n'importe quel groupe alkyle ou acyle ou même quelque chose de plus petit comme un atome d'hydrogène, \( H \) .
- La différence entre les valeurs d'électronégativité de l'oxygène et de carbone crée une charge positive partielle \( ( \delta+) \) dans l'atome de carbone et une charge négative partielle \( ( \delta- ) \) dans l'atome d'oxygène.
Composés carbonylés : Exemples
Il existe quatre exemples principaux de composés carbonylés : les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques et les esters.
C'est quoi un aldéhyde ?
Un aldéhyde est un composé organique contenant le groupe carbonyle, avec la structure \( RCHO \) .
Voici un aldéhyde :
Fig. 9- La structure générale d'un aldéhyde.
Si l'on compare la structure d'un aldéhyde à la structure générale d'un composé à groupe carbonyle, on constate que l'un des groupes \( R \) a été remplacé par un atome d'hydrogène. Cela signifie que dans les aldéhydes, le groupe carbonyle se trouve toujours à une extrémité de la chaîne carbonée. L'autre groupe \( R \) peut varier.
Le méthanal est un exemple d'aldéhyde. Dans cet aldéhyde, le deuxième groupe \( R \) est un autre atome d'hydrogène. Un autre exemple est le benzaldéhyde. Ici, le deuxième groupe \( R \) est un cycle benzénique.
Fig. 10- Exemples d'aldéhydes.
Les aldéhydes sont formés par l'oxydation d'un alcool primaire ou la réduction d'un acide carboxylique. Ils participent couramment à des réactions d'addition nucléophile. Par exemple, ils réagissent avec des ions cyanure pour former des hydroxynitriles et avec des agents réducteurs pour former des alcools primaires. Pour en savoir plus sur ces réactions, consulte la rubrique Réactions des aldéhydes et des cétones.
Tu ne sais pas ce qu'est un alcool primaire ? Consulte le résumé de cours Alcools, où tout sera expliqué. Tu peux également découvrir comment les alcools primaires sont oxydés en aldéhydes dans Oxydation des alcools, et comment les acides carboxyliques sont réduits dans Réactions des acides carboxyliques.
Nous en avons terminé avec les aldéhydes pour le moment. Passons maintenant à des molécules similaires, les cétones.
Quelle est la différence entre aldéhyde et cétone ?
On peut dire que les aldéhydes et les cétones sont des cousins. La principale différence entre eux est l'emplacement de leur groupe carbonyle. Dans les aldéhydes, le groupe carbonyle se trouve à une extrémité de la chaîne carbonée, ce qui leur donne la structure \( RCHO \) . Dans les cétones, le groupe carbonyle se trouve au milieu de la chaîne carbonée, ce qui leur donne la structure \( RCOR' \) .
Une cétone est un autre type de composé organique contenant le groupe carbonyle, avec la structure \( RCOR' \) .
Voici la structure générale d'une cétone. Remarque la façon dont elles se comparent aux aldéhydes. Nous savons déjà que dans les aldéhydes, l'un des groupes \( R \) est un atome d'hydrogène. Dans les cétones, par contre, les deux groupes \( R \) sont une sorte de chaîne alkyle ou acyle.
Voici la structure générale d'une cétone. Remarque comment elles se comparent aux aldéhydes. Nous savons déjà que dans les aldéhydes, l'un des groupes \( R \) est un atome d'hydrogène. Dans les cétones, par contre, les deux groupes \( R \) sont une sorte de chaîne alkyle ou acyle.
Fig. 11- La structure générale d'une cétone.
Un exemple de cétone est la propanone. Ici, les deux groupes \( R \) sont un groupe méthyle.
Fig. 12- Un exemple de cétone.
La propanone, \( CH_3COCH_3 \) , est la cétone la plus simple - on ne peut pas en avoir de plus petites. Rappelle-toi, c'est parce que dans les cétones, le groupe carbonyle doit se trouver au milieu de la chaîne carbonée. La molécule doit donc comporter au moins trois atomes de carbone.
Une autre différence essentielle entre les aldéhydes et les cétones est la manière dont ils sont fabriqués. Alors que l'oxydation des alcools primaires produit des aldéhydes, l'oxydation des alcools secondaires produit des cétones. De même, la réduction d'un aldéhyde produit un alcool primaire, tandis que la réduction d'une cétone produit un alcool secondaire. Mais comme les aldéhydes, les cétones réagissent également dans des réactions nucléophiles. Elles aussi réagissent avec l'ion cyanure pour former des hydroxynitriles.
As-tu déjà entendu parler du régime cétonique ? Il consiste à limiter la consommation de glucides et à privilégier les graisses et les protéines. Un manque de sucres dans ton alimentation fait passer ton corps en état de cétose. Au lieu de brûler du glucose, ton corps utilise des acides gras comme carburant. Certains de ces acides gras sont transformés en cétones, qui circulent dans le sang, agissant comme des molécules de signalisation et des sources d'énergie. Le régime cétonique a connu un certain engouement ces dernières années, et certaines personnes ne jurent que par lui pour perdre du poids et être en bonne santé. Cependant, les chercheurs ne savent toujours pas si l'état de cétose est bon pour nous ou non.
En quoi les groupes carbonyle et carboxyle sont-ils semblables ?
Avec quoi aimes-tu saupoudrer ton poisson et tes frites ? Du vinaigre ? Une tranche de citron ou de citron vert ? Du ketchup sur le côté ? Une cuillerée de mayonnaise ? Ces condiments contiennent tous des acides carboxyliques.
Le terme carboxyle te semble familier ? C'est un mélange des termes carbonyle et hydroxyle. Cela nous donne un indice sur le groupe fonctionnel carboxyle : il contient à la fois le groupe carbonyle, \( C=O \), et le groupe hydroxyle, \( -OH \) . Voici la structure générale d'un acide carboxylique. En la comparant à la structure générale d'un composé carbonyle, tu peux voir que l'un des groupes \( R \) a été remplacé par un groupe hydroxyle.
Fig. 13- La structure générale d'un acide carboxylique.
L'acide carboxylique le plus courant, que l'on trouve dans un grand nombre de nos aliments et condiments comme le ketchup et la mayonnaise, est l'acide éthanoïque. Un autre exemple est l'acide citrique, présent dans les agrumes comme les citrons, les limes et les oranges. Il s'agit d'un acide carboxylique beaucoup plus complexe qui contient en fait trois groupes carboxyle.
Fig. 14- Exemples d'acides carboxyliques.
Les acides carboxyliques peuvent être produits en oxydant un alcool primaire. Par exemple, si tu ouvres une bouteille de vin et que tu la laisses tranquille pendant un certain temps, elle deviendra aigre et acide. Cela se produit parce que l'alcool contenu dans le vin s'oxyde en acide carboxylique.
Comme leur nom l'indique, les acides carboxyliques agissent comme des acides classiques, bien qu'ils ne soient que faibles. Ils perdent des ions hydrogène en solution et réagissent avec toutes sortes de bases, comme les hydroxydes et les sulfates. Ils peuvent également être réduits en aldéhydes et en alcools primaires, et ils réagissent avec les alcools pour former des esters. Nous allons maintenant passer aux esters.
Voici un diagramme pratique qui montre comment convertir les alcools, les aldéhydes, les cétones et les acides carboxyliques.
Fig. 15- Conversion entre alcools, aldéhydes, cétones et acides carboxyliques.
Tu peux en savoir plus sur les réactions que subissent les acides carboxyliques dans Réactions des acides carboxyliques.
Ester
Nous avons déjà mentionné la mayonnaise. Elle est composée de jaune d'œuf, d'huile et de vinaigre. Le vinaigre contient des acides carboxyliques, mais pour l'instant, nous sommes plus intéressés par l'huile et le jaune d'œuf. Ils contiennent des triglycérides, qui sont un type d'ester.
Un ester est un composé organique dont la formule générale est \( RCOOR' \) .
Observe la structure d'un ester, illustrée ci-dessous. Comme toutes les molécules que nous avons étudiées jusqu'à présent, il s'agit d'un type de composé carbonyle. Mais remarque la position du groupe carbonyle. D'un côté, il est lié à un groupe \( R \) . De l'autre côté, il est lié à un atome d'oxygène. Cet atome d'oxygène est ensuite lié à un second groupe \( R \) .
Fig. 16- La structure générale d'un ester.
Parmi les esters les plus courants, citons l'éthanoate d'éthyle, le propanoate d'éthyle et le méthanoate de propyle. Ils ont généralement des odeurs fruitées et sont utilisés comme arômes dans les aliments ou comme senteurs dans les parfums.
Fig. 17- La structure de l'éthanoate d'éthyle.
Ne t'occupe pas de la dénomination des esters pour l'instant - Esters l'a fait de manière beaucoup plus approfondie. Mais si cela t'intéresse, la première partie du nom est dérivée de l'acide carboxylique utilisé pour fabriquer l'ester, tandis que la seconde partie du nom provient de l'alcool . Pour illustrer, l'éthanoate de méthyle est fabriqué à partir de méthanol et d'acide éthanoïque.
L'estérification et l'hydrolyse des esters sont les deux faces d'une même réaction réversible. Rends-toi sur la page Réactions des esters pour découvrir comment on favorise l'une ou l'autre.
Dérivés d'acide
Le dernier groupe de composés que nous allons examiner aujourd'hui est connu sous le nom de dérivés d'acides. Comme leur nom l'indique, il s'agit de molécules apparentées aux acides carboxyliques.
Les dérivés acides sont des molécules basées sur les acides carboxyliques, où le groupe hydroxyle a été remplacé par un autre atome ou groupe, \( Z \) . Ils ont la formule \( RCOZ \) .
Voici leur structure générale.
Fig. 18-La structure générale d'un dérivé d'acide.
Par exemple, les chlorures d'acyle ont un atome de chlore comme groupe \( Z \) . Voici un exemple, le chlorure d'éthanoyle.
Fig. 19- Un exemple de dérivé d'acide.
Les dérivés d'acides sont utiles, car ils sont beaucoup plus réactifs que les acides carboxyliques. En effet, le groupe hydroxyle est un mauvais groupe de départ - il préfère rester dans l'acide carboxylique. En revanche, le chlore est un meilleur groupe partant. Cela permet aux dérivés de l'acide de réagir avec d'autres molécules, et d'ajouter le groupe acyle à un autre composé. Ce phénomène est connu sous le nom d'acylation.
Le groupe acyle est un type de groupe carbonyle, \( RCO- \) . Il se forme lorsque tu retires le groupe hydroxyle d'un acide carboxylique. Pour en savoir plus sur l'acylation et les dérivés d'acides, consulte le résumé de cours Acylation.
Comparaison des composés carbonylés
C'est tout pour les composés carbonylés ! Pour t'aider à les comparer, nous avons créé un tableau pratique qui résume leurs structures et leurs formules.
| Composé carbonyle | Formule générale | Structure |
| Aldéhyde | \( RCHO \) | 
|
| Cétone | \( RCOR' \) | 
|
| Acide carboxylique | \( RCOOH \) | 
|
| Ester | \( RCOOR \) | 
|
| Dérivé d'acide | \( RCOZ \) | 
|
Propriétés des composés carbonylés
Tu te demandes comment le groupe carbonyle affecte les propriétés des composés carbonylés ? C'est ce que nous allons explorer maintenant. Bien entendu, les propriétés varient d'un composé à l'autre, mais il s'agit là d'un bon aperçu de certaines des tendances que tu observeras. Mais pour comprendre les propriétés des composés carbonylés, nous devons nous rappeler deux choses importantes concernant le groupe carbonyle.
- Le groupe carbonyle est polaire. En particulier, l'atome de carbone est partiellement chargé positivement et l'atome d'oxygène est partiellement chargé négativement ;
- L'atome d'oxygène contient deux paires d'électrons solitaires.
Voyons comment cela affecte les propriétés des composés carbonylés.
Points de fusion et d'ébullition
Les composés carbonylés ont des points de fusion et d'ébullition plus élevés que les alcanes similaires. Cela s'explique par le fait que c'est des molécules polaires et qu'elles subissent donc toutes des forces dipôle-dipôle permanentes. En revanche, les alcanes sont non polaires. Ils ne subissent que des forces de van der Waals entre les molécules, qui sont beaucoup plus faibles que les forces dipôle-dipôle permanentes et sont plus faciles à surmonter.
Les acides carboxyliques, en particulier, ont des points de fusion et d'ébullition très élevés. Cela est dû au fait qu'ils contiennent le groupe fonctionnel hydroxyle, \( -OH \) , de sorte que les molécules adjacentes peuvent former des liaisons hydrogène. Il s'agit du type de force intermoléculaire le plus puissant et il faut beaucoup d'énergie pour le surmonter.
La liaison hydrogène, ainsi que les forces de van der Waals et les forces dipôle-dipôle permanentes, sont traitées plus en profondeur dans la section Forces intermoléculaires.
Solubilité
Les composés carbonyles à chaîne courte sont solubles dans l'eau. Cela est dû au fait que le groupe carboxyle contient un atome d'oxygène avec des paires d'électrons solitaires. Ces paires d'électrons solitaires peuvent former des liaisons hydrogène avec les molécules d'eau, dissolvant ainsi la substance. En revanche, les composés carbonylés à chaîne plus longue sont insolubles dans l'eau. Leurs chaînes d'hydrocarbures non polaires gênent la liaison hydrogène, perturbent l'attraction et empêchent la molécule de se dissoudre.
Fig. 20- Liaison hydrogène entre les composés carbonylés et l'eau.
Utilisations des composés carbonylés
Notre dernier sujet d'aujourd'hui sera les utilisations des composés carbonylés. Nous en avons déjà mentionné quelques-unes, mais nous allons les passer en revue et en ajouter de nouvelles.
- Les composés carbonylés sont présents dans de nombreux aliments et boissons, de l'acide carboxylique du vinaigre aux triglycérides des huiles, en passant par les esters utilisés comme arômes dans tes friandises préférées.
- La propanone est un solvant courant et le principal ingrédient de la plupart des dissolvants de vernis à ongles et des diluants pour peinture.
- De nombreuses hormones sont des cétones, comme la progestérone et la testostérone.
- L'aldéhyde méthanal, également connu sous le nom de formaldéhyde, est utilisé comme conservateur et pour fabriquer des résines.
Tu devrais maintenant avoir une bonne compréhension du groupe carbonyle et de ses composés apparentés et avec un peu de chance, tu voudras en savoir plus. Consulte les résumés de cours dont le lien figure ci-dessus pour en savoir plus, de l'estérification et l'acylation aux forces intermoléculaires et aux liaisons pi et sigma.
Groupe carbonyle - Points clés
- Le groupe carbonyle est un groupe fonctionnel contenant un atome de carbone doublement lié à un atome d'oxygène, \( C=O \) .
- La famille des composés carbonylés à la structure \( RCOR' \) .
- La fonction groupe carbonyle est polaire et l'atome d'oxygène contient deux paires d'électrons solitaires. De ce fait, les composés carbonylés peuvent former des forces dipôle-dipôle permanentes entre eux et se lier à l'eau par une liaison hydrogène.
Les composés carbonylés interviennent souvent dans les réactions d'addition nucléophile.
Les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, les esters et les dérivés d'acides sont des exemples de composés carbonylés.
Les composés carbonylés ont des points de fusion et d'ébullition élevés et les composés carbonylés à chaîne courte sont solubles dans l'eau.
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