Structure : formules topologiques, isomérie et polymères

Donner la formule brute de chaque molécule, écrite en formule topologique.

1. Molécule A :
   Quatre points dans la chaîne et un segment sur le deuxième : 5 C. Hydrogènes, point par point : 3 + 0 + 1 + 3 (le deuxième forme une liaison double et deux simples), plus 3 au bout du segment, soit 10 : C₅H₁₀.
2. Molécule B :
   Six carbones dans le cycle et deux dans la chaîne : 8 C. Cinq sommets du cycle à 2 H, le sommet ramifié à 1 H, puis 2 et 3 H : 10 + 1 + 2 + 3 = 16, soit C₈H₁₆.
3. Molécule C : un élève écrit C₂H₄, en ne comptant que les deux carbones reliés par le double trait. Formule brute correcte :
   Les quatre extrémités de segment sans symbole sont des carbones (des CH₃), pas des atomes d’hydrogène : 2 + 4 = 6 C. Les extrémités portent 3 H chacune, les deux carbones centraux aucun : 4 × 3 = 12, soit C₆H₁₂.
4. Dans la molécule C, nombre d’atomes de carbone qui ne portent aucun H :
   Chacun des deux carbones centraux forme une liaison double et deux simples, soit 4 liaisons : 2 carbones sans H.

Nommer chaque hydrocarbure à l’aide des règles du cours. Molécule de la question d) :

1. a) CH₃–CH₂–CH=CH–CH₂–CH₃ :
   Chaîne de 6 C ; la liaison double est entre les carbones 3 et 4 dans les deux sens de lecture : hex-3-ène.
2. b) CH₂=C(CH₃)–CH₂–CH₃ :
   Chaîne la plus longue contenant la liaison double : 4 C, numérotée depuis CH₂= ; méthyle sur le carbone 2 : 2-méthylbut-1-ène.
3. c) CH₃–CH₂–CH=CH–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ :
   Chaîne de 7 C. Depuis la gauche, la liaison double part du carbone 3 (du carbone 4 depuis la droite) : on numérote depuis la gauche, même si le méthyle est plus proche de l’autre bout ; il est alors en 6 : 6-méthylhept-3-ène.
4. d) Molécule dessinée :
   Un carré : cycle de 4 C (cyclobutane), portant une seule ramification de 2 C, sans indice : éthylcyclobutane.

Raisonner sur les squelettes carbonés.

1. Un élève nomme CH₂=CH–CH₂–CH₂–CH₃ « pent-4-ène ». Nom correct :
   La numérotation doit donner à la liaison double le plus petit indice : on part de CH₂=, elle est en 1 : pent-1-ène.
2. Formule brute d’un hydrocarbure à 7 atomes de carbone qui possède un cycle et une liaison C=C :
   L’alcane à 7 C est C₇H₁₆ ; le cycle et la liaison double retirent chacun 2 H : 16 − 4 = 12, soit C₇H₁₂.
3. CH₃–CH₂–CH₂–CH(CH₃)–CH=CH₂ : nom
   Chaîne de 6 C ; on numérote depuis la droite, du côté de la liaison double, qui est alors en 1 ; le méthyle est sur le carbone 3 : 3-méthylhex-1-ène.
4. Un élève nomme CH₂=CH–CH(CH₃)–CH(CH₂–CH₃)–CH₃ « 4-éthyl-3-méthylpent-1-ène ». Nom correct :
   La chaîne écrite sur la ligne (5 C) n’est pas la plus longue : l’éthyle la prolonge. La plus longue chaîne qui contient la liaison double compte 6 C : CH₂=CH–CH–CH–CH₂–CH₃. Numérotée depuis CH₂=, la liaison double est en 1 ; le CH₃ écrit sur le carbone 3 et le CH₃ du bout de la ligne, devenu ramification du carbone 4, sont deux méthyles : 3,4-diméthylhex-1-ène.

Nommer chaque ester.

1. a) CH₃–CH₂–COO–CH₃ :
   Partie CH₃–CH₂–CO : 3 C → « propanoate » ; partie –CH₃ → « méthyle » : propanoate de méthyle.
2. b) H–COO–CH₂–CH₂–CH₃ :
   Partie H–CO : 1 C → « méthanoate » ; partie liée à l’oxygène simple : 3 C → méthanoate de propyle.
3. c) CH₃–COO–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ :
   Partie CH₃–CO : 2 C → « éthanoate » ; 4 C liés à l’oxygène simple → éthanoate de butyle.
4. d) CH₃–CH₂–O–CO–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ :
   Ici l’ester est écrit dans l’autre sens : le carbone du C=O est à droite de l’oxygène simple. Partie CO–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ : 5 C, carbone du groupe compris → « pentanoate » ; partie CH₃–CH₂– liée à l’oxygène simple : 2 C → pentanoate d’éthyle.

Le butanoate de propyle est un ester. Un second ester se forme à partir de l’acide méthanoïque H–COOH et du 3-méthylbutan-1-ol CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–OH.

1. Formule brute du butanoate de propyle :
   CH₃–CH₂–CH₂–COO–CH₂–CH₂–CH₃ : 4 + 3 = 7 C ; 3 + 2 + 2 + 2 + 2 + 3 = 14 H ; 2 O : C₇H₁₄O₂.
2. Acide carboxylique dont dérive le butanoate de propyle : acide
   La partie « butanoate » vient de l’acide CH₃–CH₂–CH₂–COOH : acide butanoïque.
3. Alcool dont dérive le butanoate de propyle :
   La partie « propyle » vient de l’alcool CH₃–CH₂–CH₂–OH, dont l’oxygène est porté par le carbone 1 : propan-1-ol.
4. Nom du second ester :
   La partie « alcanoate » vient de l’acide : 1 C → « méthanoate ». La partie « alkyle » vient de l’alcool : une chaîne de 4 C numérotée depuis le carbone lié à l’oxygène, avec un méthyle sur son carbone 3 → « 3-méthylbutyle » (et non « 2-méthylbutyle », lu depuis l’autre bout) : méthanoate de 3-méthylbutyle, H–COO–CH₂–CH₂–CH(CH₃)–CH₃.
5. Formule brute du second ester :
   H–COO–CH₂–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ : 1 + 5 = 6 C ; 1 + 2 + 2 + 1 + 3 + 3 = 12 H ; 2 O : C₆H₁₂O₂. Ce n’est pas la somme des formules de l’acide (CH₂O₂) et de l’alcool (C₅H₁₂O), soit : formule topologique ; familles fonctionnelles : esters, amines, amides et halogénoalcanes ; squelettes carbonés insaturés, cycliques ; isomérie de constitution ; exploiter des règles de nomenclature fournies pour nommer une espèce chimique ou représenter l’entité associée ; représenter des formules topologiques d’isomères de constitution, à partir d’une formule brute ou semi-développée ; polymères ; identifier le motif d’un polymère à partir de sa formule ; citer des polymères naturels et synthétiques et des utilisations courantes des polymères.

Corriger des noms, lire un ester en formule topologique, puis retrouver un ester à partir de son hydrolyse. Molécule des troisième et quatrième questions :

1. CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–COO–CH₃, nommé « butanoate de méthyle » par un élève. Nom correct :
   L’élève a oublié le carbone du groupe : la partie CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CO compte 5 C → pentanoate de méthyle.
2. CH₃–O–CO–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃, nommé « méthanoate d’hexyle » par un élève. Nom correct :
   L’élève a lu la formule de gauche à droite comme si elle commençait par la partie acide. Le carbone du C=O est à droite de l’oxygène simple : la partie CO–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ compte 6 C, carbone du groupe compris → « hexanoate » ; le CH₃ lié à l’oxygène simple → hexanoate de méthyle.
3. Nom de l’ester dessiné :
   À gauche de l’oxygène simple : 3 C, carbone du groupe compris → « propanoate ». À droite : une chaîne de 3 C numérotée depuis l’oxygène, avec un méthyle sur son carbone 2 → « 2-méthylpropyle » : propanoate de 2-méthylpropyle.
4. Alcool dont dérive l’ester dessiné :
   La partie « 2-méthylpropyle » vient de HO–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ : 2-méthylpropan-1-ol.
5. Un ester à chaînes linéaires, de formule brute C₉H₁₈O₂, donne par hydrolyse du butan-1-ol et un acide carboxylique. Nom de cet acide : acide
   L’hydrolyse coupe l’ester entre le C=O et l’oxygène simple : la partie « alkyle » devient le butan-1-ol (4 C), la partie « alcanoate » l’acide. Les 9 C de l’ester se partagent donc en 4 + 5 : acide à 5 C, l’acide pentanoïque CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–COOH (bilan : C₉H₁₈O₂ + H₂O → C₄H₁₀O + C₅H₁₀O₂).
6. Nom de cet ester :
   Partie venant de l’acide pentanoïque → « pentanoate » ; partie venant du butan-1-ol → « butyle » : pentanoate de butyle, CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–COO–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃.

Donner la famille de chaque molécule : amine, amide, ester ou halogénoalcane.

1. a) H–CO–NH–CH₃ :
   L’azote est lié au carbone du C=O : groupe –CO–NH–, amide.
2. b) CH₃–CH₂–CH₂–F :
   Un atome de fluor lié à un carbone qui ne forme que des liaisons simples : halogénoalcane.
3. c) CH₃–COO–CH(CH₃)–CH₃ :
   Le groupe –COO– relie deux carbones : ester.
4. d) N(CH₃)₃ :
   L’azote est lié à trois carbones et ne porte aucun H ; aucun C=O : c’est bien une amine.

Nommer chaque molécule.

1. a) CH₃–NH–CH₂–CH₂–CH₃ :
   Amine. La plus longue chaîne liée à l’azote compte 3 C, rattachée par son carbone 1 : propan-1-amine ; le méthyle sur l’azote : N-méthylpropan-1-amine.
2. b) CH₃–CH₂–CO–N(CH₃)₂ :
   Amide. La chaîne qui contient le C=O compte 3 C → « propanamide » ; deux méthyles sur l’azote : N,N-diméthylpropanamide.
3. c) CH₃–CHI–CH₂–CH₂–CH₃ :
   Halogénoalcane à 5 C ; l’iode est en 2 depuis la gauche (en 4 depuis la droite) : 2-iodopentane.
4. d) CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CO–NH₂ :
   Amide. Chaîne de 4 C dont le carbone 1 est celui du C=O ; le méthyle est sur le carbone 3 : 3-méthylbutanamide.

Passer du nom à la formule brute, corriger des noms, puis nommer.

1. Formule brute du N-propyléthanamide :
   « éthanamide » : CH₃–CO–NH– ; « N-propyl » : un propyle sur l’azote : CH₃–CO–NH–CH₂–CH₂–CH₃. 5 C ; 3 + 1 + 2 + 2 + 3 = 11 H ; 1 N ; 1 O : C₅H₁₁NO.
2. CH₃–CO–NH–CH₃, nommé « N-méthyléthanamine ». Nom correct :
   L’azote est lié au carbone du C=O : ce n’est pas une amine mais un amide. Chaîne de 2 C contenant le C=O, méthyle sur l’azote : N-méthyléthanamide.
3. CH₃–CH₂–CH₂–NH–CH₂–CH₃, nommé « N-propyléthanamine ». Nom correct :
   La chaîne principale est la plus longue des chaînes liées à l’azote : le propyle (3 C), pas l’éthyle. Nom : N-éthylpropan-1-amine.
4. Un élève écrit pour le N-méthylhexanamide la formule CH₃–(CH₂)₃–CH(CH₃)–CO–NH₂. Nom de la molécule qu’il a écrite :
   Il a placé le méthyle sur un carbone de la chaîne. Dans sa formule, la chaîne qui contient le C=O compte 6 C, le carbone du C=O étant le n° 1, et le méthyle est sur le carbone 2 : 2-méthylhexanamide. Le N-méthylhexanamide s’écrit CH₃–(CH₂)₄–CO–NH–CH₃ : « N- » indique que le méthyle est porté par l’azote. Les deux amides sont isomères (C₇H₁₅NO).
5. CH₃–CHF–C(CH₃)₂–CH₃ : nom
   Chaîne de 4 C. Depuis la gauche, les préfixes ont les indices 2 (fluoro), 3 et 3 (méthyles) ; depuis la droite, 2 et 2 (méthyles) et 3 (fluoro) : on garde 2, 2, 3, les plus petits. Ordre alphabétique : fluoro avant méthyl, « di » ne comptant pas : 3-fluoro-2,2-diméthylbutane, et non « 2,2-diméthyl-3-fluorobutane ».

Pour chaque couple, répondre « chaîne », « position » ou « fonction » s’il s’agit d’isomères de constitution, « même molécule » si les deux formules représentent la même espèce, « pas isomères » sinon.

1. a) oct-1-ène CH₂=CH–(CH₂)₅–CH₃ et oct-2-ène CH₃–CH=CH–(CH₂)₄–CH₃ :
   Même squelette linéaire à 8 C, même famille ; seule la place de la liaison double change : isomérie de position.
2. b) hexanal CH₃–(CH₂)₄–CHO et hexan-2-one CH₃–CO–(CH₂)₃–CH₃ :
   C₆H₁₂O tous les deux, mais un aldéhyde et une cétone : familles différentes, isomérie de fonction.
3. c) CH₂=CH–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ et CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH=CH₂ :
   Même chaîne de 6 C, liaison double en bout de chaîne dans les deux cas : numérotée depuis CH₂=, chacune est l’hex-1-ène. C’est la même molécule écrite dans l’autre sens, pas deux isomères de position.
4. d) octane CH₃–(CH₂)₆–CH₃ et 2,2,4-triméthylpentane (CH₃)₃C–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ :
   C₈H₁₈ tous les deux, sans groupe caractéristique : seul le squelette change, linéaire ou ramifié : isomérie de chaîne.
5. e) pentane CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ et cyclopentane (cycle de 5 C) :
   Pentane C₅H₁₂, cyclopentane C₅H₁₀ : fermer le cycle retire 2 H. Les formules brutes diffèrent : ce ne sont pas des isomères, malgré leurs 5 carbones.

Compléter par le nom de l’isomère demandé.

1. Les deux isomères de formule C₃H₇Br sont le 1-bromopropane et le
   Sur une chaîne de 3 C, le brome est en bout de chaîne ou au milieu : 2-bromopropane.
2. Le seul isomère cyclique du propène C₃H₆ :
   C₃H₆ = C_nH_2n : une liaison C=C ou un cycle de 3 C, le cyclopropane.
3. Les deux amines de formule C₂H₇N sont l’éthanamine et la
   L’azote peut être lié à un carbone (CH₃–CH₂–NH₂) ou à deux (CH₃–NH–CH₃) : N-méthylméthanamine.
4. L’ester qui a la même formule brute que l’acide éthanoïque C₂H₄O₂ :
   Les 2 C se répartissent forcément 1 du côté du C=O et 1 de l’autre côté de l’oxygène simple : H–COO–CH₃, le méthanoate de méthyle, isomère de fonction de l’acide.

On cherche tous les isomères de constitution de formule C₅H₁₁Cl. Un atome de chlore remplace un atome H sur l’un des trois squelettes à 5 C : pentane, 2-méthylbutane, 2,2-diméthylpropane.

1. Nombre d’isomères ayant le squelette du pentane :
   Cl en bout de chaîne, sur le deuxième ou sur le carbone central (les autres positions redonnent les mêmes molécules lues dans l’autre sens) : 1-chloropentane, 2-chloropentane, 3-chloropentane, soit 3.
2. Un élève ajoute un quatrième squelette, le « 2-éthylpropane », et compte le « 1-chloro-2-éthylpropane » CH₂Cl–CH(CH₂–CH₃)–CH₃. Nom correct de cette molécule :
   L’éthyle prolonge la chaîne : la plus longue chaîne compte 4 C, CH₂Cl–CH–CH₂–CH₃, avec un méthyle. Numérotée depuis le chlore (indices 1 et 2, contre 3 et 4) : 1-chloro-2-méthylbutane. Le « 2-éthylpropane » est le 2-méthylbutane : ce n’est pas un nouveau squelette, et la molécule sera comptée avec ce squelette.
3. Nombre d’isomères ayant le squelette du 2-méthylbutane :
   Quatre carbones différents portent des H : 1-chloro-2-méthylbutane, 2-chloro-2-méthylbutane, 2-chloro-3-méthylbutane, 1-chloro-3-méthylbutane, soit 4.
4. Nombre d’isomères ayant le squelette du 2,2-diméthylpropane :
   Les quatre CH₃ sont équivalents et le carbone central ne porte pas de H : un seul, le 1-chloro-2,2-diméthylpropane, soit 1.
5. Nombre total d’isomères de constitution de formule C₅H₁₁Cl :
   3 + 4 + 1 = 8 isomères, tous de noms différents.

Passer du monomère au motif, et inversement. Écrire les formules sur une ligne, par exemple CH₃–CH₃.

1. Motif du polypropylène, obtenu à partir du propène CH₂=CH–CH₃ :
   La liaison double s’ouvre : les deux carbones qu’elle reliait entrent dans la chaîne, le CH₃ reste en ramification : –CH₂–CH(CH₃)–.
2. Monomère du polymère –CH₂–CHCl–CH₂–CHCl–CH₂–CHCl– :
   Le motif est –CH₂–CHCl– ; on rétablit la liaison double entre ses deux carbones : CH₂=CHCl.
3. Nom de ce monomère, d’après les règles de nomenclature :
   Chaîne de 2 C avec une liaison double (éthène) et un atome de chlore (préfixe chloro-) ; indices inutiles : chloroéthène.

Données : M(C) = 12,0 ; M(H) = 1,0 ; M(N) = 14,0 ; M(O) = 16,0 g·mol⁻¹. Le polyacrylamide, utilisé notamment pour traiter les eaux, a pour motif –CH₂–CH(CO–NH₂)–.

1. Masse molaire du motif du polypropylène : g·mol⁻¹
   Motif C₃H₆ : 3 × 12,0 + 6 × 1,0 = 42,0 g·mol⁻¹.
2. Degré de polymérisation d’un polypropylène de masse molaire moyenne 2,31 × 10⁵ g·mol⁻¹ : n = × 10³
   $n={\displaystyle \frac{2,31\times {10}^5}{42,0}}$ = 5 500, soit 5,50 × 10³ motifs.
3. Masse molaire du motif du polyacrylamide : g·mol⁻¹
   Motif C₃H₅NO : 36,0 + 5,0 + 14,0 + 16,0 = 71,0 g·mol⁻¹.
4. Degré de polymérisation d’un polyacrylamide de masse molaire moyenne 3,55 × 10⁶ g·mol⁻¹ : n = × 10⁴
   $n={\displaystyle \frac{3,55\times {10}^6}{71,0}}$ = 50 000, soit 5,00 × 10⁴ motifs.

Deux polymères à analyser. Données : M(C) = 12,0 ; M(H) = 1,0 ; M(N) = 14,0 ; M(O) = 16,0 g·mol⁻¹. Un polymère P a pour chaîne : –NH–(CH₂)₅–CO–NH–(CH₂)₅–CO–NH–(CH₂)₅–CO–

1. Un élève affirme que le polymère d’addition qu’on obtiendrait à partir du but-2-ène CH₃–CH=CH–CH₃ aurait pour motif –CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–. Motif correct :
   Seuls les deux carbones de la liaison double entrent dans la chaîne ; les deux CH₃ restent des ramifications : –CH(CH₃)–CH(CH₃)–. Le motif de l’élève exigerait de rompre des liaisons C–H et C–C.
2. Polymère P : formule brute du motif :
   Le groupe qui se répète est –NH–(CH₂)₅–CO– : 6 C ; 1 + 10 = 11 H ; 1 N ; 1 O : C₆H₁₁NO.
3. Polymère P : groupe caractéristique qui relie deux motifs :
   L’azote d’un motif est lié au carbone du C=O du motif voisin : groupe amide ; P est un polyamide.
4. Polymère P : masse molaire du motif : g·mol⁻¹
   6 × 12,0 + 11 × 1,0 + 14,0 + 16,0 = 113 g·mol⁻¹.
5. Polymère P : degré de polymérisation d’une chaîne de masse molaire moyenne 33,9 kg·mol⁻¹ : n =
   On convertit d’abord : 33,9 kg·mol⁻¹ = 3,39 × 10⁴ g·mol⁻¹, dans la même unité que M(motif). $n={\displaystyle \frac{3,39\times {10}^4}{113}}$ = 300 motifs (diviser 33,9 par 113 donnerait 0,300, absurde pour un polymère).