Chimiste averti
La composition d’un composé est donnée par sa formule. Si le composé est un composé ionique, il ne peut avoir qu’une seule formule. Le composé ionique chlorure de magnésium a la formule, MgCl2, qui nous indique que le composé est constitué de magnésium et de chlore et qu’il y a deux atomes de chlore pour chaque atome de magnésium. Pour le composé covalent benzène, il existe un certain nombre de formules. Premièrement, la formule empirique CH nous indique que le composé ne contient que du carbone et de l’hydrogène et que pour chaque atome de carbone, il y a un atome d’hydrogène. Deuxièmement, la formule moléculaire nous indique combien de chaque type d’atome sont présents dans une molécule. Pour le benzène, la formule moléculaire est C6H6, et il y a donc six atomes de carbone et six atomes d’hydrogène dans une molécule. Remarquez que la formule moléculaire est toujours un certain multiple de la formule empirique (6 x CH = C6H6).
Troisièmement, lorsque nous traitons des molécules, nous aimerions également savoir comment les atomes sont disposés. Ceci est représenté par la formule structurelle. Pour une molécule comportant six carbones et six hydrogènes, les atomes pourraient être disposés de la façon suivante :
En fait, les six carbones et les six hydrogènes pourraient être disposés de plusieurs façons, mais lorsque la structure du benzène a été déterminée expérimentalement, on a constaté que les carbones étaient disposés en anneau et qu’un hydrogène était attaché à chaque carbone :
Il peut sembler que nous savons maintenant tout ce dont nous avons besoin sur la structure du benzène. Cependant, si vous pensez à la molécule en 3 dimensions, vous commencez à poser des questions telles que : Le cycle est-il planaire ? Quels sont les angles entre les liaisons carbone-carbone ? L’anneau est-il un hexagone parfait ? On peut répondre à ces questions par des techniques expérimentales telles que la diffraction des rayons X, et les réponses peuvent être données sous la forme d’une série d’angles et de longueurs de liaison. Il est généralement plus pratique de transmettre l’information sous la forme d’une formule structurelle tridimensionnelle. Les formules tridimensionnelles prennent généralement l’une des trois formes suivantes : a) formules structurelles dessinées pour donner une vue tridimensionnelle, b) dessins générés par ordinateur utilisés spécifiquement par les cristallographes à rayons X et généralement appelés diagrammes ORTEP, et c) modèles moléculaires, généralement générés par ordinateur. La figure 27 montre une formule structurelle tridimensionnelle du benzène et de l’acide aminé, l’alanine.
Figure 27. Formules tridimensionnelles du benzène (modèle informatique) et de l’alanine (coin et ligne).
Notez qu’un coin est utilisé pour indiquer que le groupe s’étend hors du plan de la page vers le lecteur, une ligne pleine pour indiquer un groupe dans le plan du papier, et une ligne pointillée (ou coin inversé) pour indiquer un groupe derrière le plan du papier. Lorsque nous aborderons la structure dans la section suivante, la raison de l’utilisation de ces dispositifs deviendra plus claire. La figure 28 montre un modèle à boule et bâton et un modèle à remplissage d’espace pour l’alanine.
Figure 28. Modèles d’alanine en forme de balle et de bâton et modèles de remplissage d’espace.
Les formules structurelles des composés organiques peuvent être particulièrement lourdes. Considérons le composé 3-octène qui a la formule moléculaire C8H16. La figure 29 montre un certain nombre de façons d’écrire la formule développée du 3-octène. Dans la partie (a), toutes les liaisons entre les hydrogènes et les carbones sont écrites. Cette formule montre que le troisième carbone a une double liaison qui le relie au carbone adjacent. La formule est en fait une formule à points d’électrons, dont nous parlerons plus loin, mais elle montre aussi clairement quels atomes sont liés les uns aux autres. Dans la partie (b), la formule de structure est quelque peu condensée en plaçant les atomes ensemble en groupes. Par exemple, le groupe CH3 désigne trois hydrogènes attachés à un carbone. Ce groupe peut également s’écrire H3C. Dans la partie (c), la formule développée est encore plus condensée en omettant les atomes de carbone et d’hydrogène. Ce type de formule linéaire est fréquemment utilisé par les chimistes organiques en raison de la complexité des formules de nombreux composés organiques.
Figure 29. Formules pour le 3-octène.
Comme ce type de formule est quelque peu inhabituel, considérons plusieurs exemples simples. Le composé alcool isopropylique (alcool à friction) a pour formule (CH3)2CHOH, ce qui doit être interprété comme signifiant que deux groupes méthyles, un hydrogène et un groupe OH sont attachés à un carbone :
En notation de formule linéaire, l’alcool isopropylique s’écrirait :
On suppose que le lecteur reconnaîtra que la terminaison de chaque ligne et la jonction d’une ligne avec une autre représentent un carbone et suffisamment d’hydrogènes attachés pour fournir quatre liaisons autour de chaque carbone.
Un autre exemple est le composé acétate d’éthyle, dont la formule est CH3COOCH2CH3. Ce composé contient le groupe carboxyle (COO) qui a un oxygène doublement lié au carbone tandis que l’autre oxygène est singulièrement lié au carbone. Ainsi, la formule développée complète montrant toutes les liaisons est:
La formule condensée est:
et la formule linéaire est :
Le lauréat du prix Nobel, Roald Hoffmann, physico-chimiste s’intéressant à des sujets très divers, dit à propos des illustrations : « Que sont ces curieux dessins, qui remplissent les pages d’un article scientifique ? Je pose maintenant la question du point de vue d’un artiste ou d’un dessinateur. Ce ne sont pas des projections isométriques, encore moins des photographies. Pourtant, ce sont manifestement des tentatives de représenter en deux dimensions un objet tridimensionnel dans le but de communiquer son essence à quelque lecteur éloigné.
« Il est fascinant de voir les structures chimiques sur les pages de chaque journal et de réaliser qu’à partir d’informations aussi minimes, les gens peuvent réellement voir des molécules dans leur esprit. Les indices de tridimensionnalité sont minimes. Les molécules flottent (voir ci-dessous), et on vous décourage généralement de mettre un ensemble de plans de référence pour vous aider à les voir (au centre).
« Certains chimistes se fient tellement au code qu’ils ne dessinent pas le norbornane comme à gauche de l’illustration ci-dessus, mais comme à droite. Quelle est la différence ? Une ligne « traversée » au lieu de « cassée ». …
« Les politiques des revues, leurs limites économiques et la technologie disponible imposent des contraintes non seulement sur ce qui est imprimé, mais aussi sur la façon dont nous pensons aux molécules. Prenez le norbornane (voir ci-dessous). Jusqu’en 1950 environ, aucune revue au monde n’était prête à reproduire cette structure telle qu’elle est présentée ci-dessous à droite. Au lieu de cela, vous l’avez vu dans la revue comme illustré à gauche.
Maintenant, tout le monde savait depuis 1874 que le carbone est tétraédrique, ce qui signifie que les quatre liaisons avec lui sont formées le long des quatre directions rayonnant du centre d’un tétraèdre vers ses sommets. Des modèles moléculaires étaient disponibles ou pouvaient être construits relativement facilement. Pourtant, je soupçonne que l’icône du norbornane qu’un chimiste typique avait à l’esprit vers 1925 était celle de gauche, et non celle de droite. Il a été conditionné par ce qu’il a vu dans un journal ou un manuel – une image, et une image plate en plus. Il a pu être – je pense qu’il l’a souvent été – incité à agir (en synthétisant un dérivé de cette molécule, par exemple) par cette image bidimensionnelle irréaliste*. »
*Roald Hoffmann, The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995, page 76-78.