Nomenclature et isomérie : écrire, nommer et dénombrer les hydrocarbures

Une même molécule peut s'écrire de plusieurs façons ; pour la nommer sans erreur, on suit une méthode fixe et on contrôle le nom obtenu ; pour trouver tous les isomères d'une formule brute, on raccourcit la chaîne principale pas à pas sans oublier ni compter deux fois la même molécule.

Objectifs

Passer d'une écriture à l'autre : formule brute, développée, semi-développée et topologique.
Nommer un alcane ou un alcène ramifié, et repérer puis corriger un nom faux.
Dénombrer méthodiquement les isomères d'une formule brute (exemples : \(\ce{C6H14}\) et \(\ce{C4H8}\)).
Reconnaître le type d'isomérie : de chaîne, de position ou géométrique (Z/E, aussi appelée cis/trans).
Savoir quand un alcène possède deux isomères géométriques.

Notions clés

1. Quatre façons d'écrire la même molécule

Prenons le butane :

Formule brute : nombre d'atomes de chaque élément, \(\ce{C4H10}\). Elle ne dit pas comment les atomes sont reliés.
Formule développée : toutes les liaisons sont dessinées, y compris les liaisons C–H.
Formule semi-développée : seules les liaisons entre atomes de carbone sont dessinées : \(\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}\).
Formule topologique : la chaîne carbonée est dessinée en zigzag ; chaque extrémité et chaque angle représente un atome de carbone, et les atomes d'hydrogène ne sont pas écrits (chaque carbone en porte assez pour faire 4 liaisons).

Le zigzag compte 4 sommets et extrémités : 4 atomes de carbone, une chaîne de butane.

Un trait part du deuxième sommet : c'est une branche d'un carbone, un groupe méthyle.

On numérote du côté le plus proche de la branche : elle est sur le carbone 2. Nom : 2-méthylbutane, \(\ce{C5H12}\).

Quelle est la formule brute de la molécule \(\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3}\) ?

\(\ce{C5H12}\)
\(\ce{C6H14}\)
\(\ce{C6H12}\)
\(\ce{C5H10}\)

On compte 5 carbones dans la chaîne et 1 dans la branche : 6 carbones. Les hydrogènes : \(3 + 1 + 3 + 2 + 2 + 3 = 14\). C'est un alcane, \(\ce{C6H14}\) (\(2 \times 6 + 2 = 14\)).

2. Nommer un alcane et contrôler le nom

1. Chaîne principale : chercher la chaîne carbonée la plus longue, même si elle tourne dans le dessin. Elle donne le nom de base (pentane, hexane…).

2. Branches : repérer les groupes accrochés (méthyle \(\ce{-CH3}\), éthyle \(\ce{-CH2-CH3}\)).

3. Numérotation : numéroter la chaîne depuis l'extrémité qui donne aux branches les plus petits numéros.

4. Écriture : numéros, tiret, nom de la branche (sans le « e » final), puis nom de la chaîne. Deux branches identiques : di-, trois : tri-, avec un numéro par branche séparés par des virgules. Branches différentes : ordre alphabétique (éthyl avant méthyl).

5. Contrôle : un groupe méthyle ne peut pas être sur le carbone 1 et un éthyle ne peut pas être sur le carbone 2 (sinon la chaîne serait plus longue) ; recompter la formule brute.

Noms faux fréquents et leur correction
Nom proposé	Pourquoi il est faux	Nom correct
1-méthylbutane	Le méthyle en bout de chaîne la prolonge : chaîne de 5 carbones	pentane
2-éthylbutane	En passant par l'éthyle, la chaîne la plus longue a 5 carbones	3-méthylpentane
3-méthylbutane	Mauvais sens de numérotation	2-méthylbutane
2-diméthylpropane	Il faut un numéro par branche	2,2-diméthylpropane
2-méthyl-3-éthylpentane	Branches pas dans l'ordre alphabétique	3-éthyl-2-méthylpentane

Quel est le nom correct de \(\ce{CH3-CH2-CH(CH2-CH3)-CH3}\) ?

2-éthylbutane
3-éthylbutane
3-méthylpentane
2-méthylpentane

En passant par le groupe éthyle, la chaîne la plus longue compte 5 carbones : c'est un pentane. Il reste une branche méthyle, sur le carbone 3 quel que soit le sens : 3-méthylpentane.

3. Nommer un alcène

La chaîne principale est la plus longue chaîne qui contient la double liaison.
On numérote pour donner à la double liaison le plus petit numéro, même si les branches obtiennent alors un numéro plus grand.
Le numéro de la double liaison (celui de son premier carbone) se place devant « -ène » : but-1-ène, pent-2-ène.

Exemple : \(\ce{CH3-CH(CH3)-CH=CH2}\). On numérote à partir de la droite pour que la double liaison commence au carbone 1. La branche méthyle est alors sur le carbone 3 : 3-méthylbut-1-ène (et non 2-méthylbut-3-ène).

Quel est le nom de \(\ce{CH3-CH2-CH=CH-CH3}\) ?

pent-2-ène
pent-3-ène
but-2-ène
pentane

La chaîne compte 5 carbones avec une double liaison. En numérotant depuis la droite, elle commence au carbone 2 (depuis la gauche, ce serait 3) : on garde le plus petit numéro, pent-2-ène.

4. Dénombrer les isomères sans en oublier

On distingue trois types d'isomérie au programme :

isomérie de chaîne : le squelette carboné est différent (chaîne droite ou ramifiée) ;
isomérie de position : même chaîne carbonée, mais la double liaison est placée ailleurs ;
isomérie géométrique Z/E : même enchaînement, mais disposition différente des groupes de part et d'autre d'une double liaison, qui ne peut pas tourner.

Méthode du raccourcissement pour \(\ce{C6H14}\) : on part de la chaîne la plus longue, puis on la raccourcit d'un carbone à chaque fois en plaçant les carbones retirés en branches, à toutes les positions possibles. On vérifie le nom de chaque molécule obtenue pour éliminer les doublons.

flowchart TD
  A[C6H14] --> B[Chaine de 6]
  A --> C[Chaine de 5 plus un methyle]
  A --> D[Chaine de 4 plus deux methyles]
  B --> B1[hexane]
  C --> C1[2-methylpentane]
  C --> C2[3-methylpentane]
  D --> D1[2,2-dimethylbutane]
  D --> D2[2,3-dimethylbutane]

Il y a donc 5 isomères de \(\ce{C6H14}\) : ce sont des isomères de chaîne. Une chaîne de 4 carbones avec un groupe éthyle ne donne rien de nouveau : la chaîne la plus longue aurait alors 5 carbones (c'est le 3-méthylpentane).

Combien de molécules différentes ont pour formule brute \(\ce{C6H14}\) ?

Chaîne de 6 : hexane ; chaîne de 5 : 2-méthylpentane et 3-méthylpentane ; chaîne de 4 : 2,2-diméthylbutane et 2,3-diméthylbutane. Cela fait 5 isomères.

5. Les isomères de \(\ce{C4H8}\) et la condition Z/E

Les alcènes non cycliques de formule \(\ce{C4H8}\) sont au nombre de quatre :

but-1-ène : \(\ce{CH2=CH-CH2-CH3}\) ;
(Z)-but-2-ène et (E)-but-2-ène : \(\ce{CH3-CH=CH-CH3}\), avec les deux groupes \(\ce{CH3}\) du même côté (Z, cis) ou de côtés opposés (E, trans) ;
2-méthylpropène : \(\ce{CH2=C(CH3)-CH3}\).

Le but-1-ène et le but-2-ène sont isomères de position ; le 2-méthylpropène est isomère de chaîne des butènes ; (Z) et (E)-but-2-ène sont isomères géométriques. (La formule \(\ce{C4H8}\) correspond aussi à des molécules en cycle, qui ne sont pas étudiées ici.)

Lequel de ces alcènes possède deux isomères géométriques Z et E ?

but-1-ène \(\ce{CH2=CH-CH2-CH3}\)
2-méthylbut-2-ène \(\ce{CH3-C(CH3)=CH-CH3}\)
pent-2-ène \(\ce{CH3-CH=CH-CH2-CH3}\)
2-méthylpropène \(\ce{CH2=C(CH3)-CH3}\)

Dans le pent-2-ène, un carbone de la double liaison porte H et \(\ce{CH3}\), l'autre porte H et \(\ce{CH2-CH3}\) : deux groupes différents de chaque côté. Dans les trois autres, un carbone de la double liaison porte deux groupes identiques (deux H ou deux \(\ce{CH3}\)).

Exemples résolus

Exemple 1 : du nom à la formule, puis le test Z/E

Écris la formule semi-développée et la formule brute du 2,3-diméthylpent-2-ène. Possède-t-il des isomères Z/E ? Cherche d'abord.

Voir la solution

« pent-2-ène » : chaîne de 5 carbones, double liaison entre C2 et C3 : \(\ce{C-C=C-C-C}\).

« 2,3-diméthyl » : un groupe \(\ce{CH3}\) sur C2 et un sur C3.

On complète avec les hydrogènes : \(\ce{CH3-C(CH3)=C(CH3)-CH2-CH3}\). Formule brute : 5 carbones dans la chaîne + 2 dans les branches = 7 carbones, et \(3+3+3+2+3 = 14\) hydrogènes : \(\ce{C7H14}\), qui vérifie bien \(\ce{C_nH_{2n}}\).

Test Z/E : le carbone C2 porte deux groupes \(\ce{CH3}\) identiques. La condition n'est pas remplie : pas d'isomères Z/E.

Exemple 2 : corriger et compléter une copie

Une élève a nommé la molécule \(\ce{CH3-CH(CH3)-CH=CH-CH3}\) « 2-méthylpent-3-ène ». Corrige le nom, puis dis si la molécule présente des isomères Z/E. Cherche d'abord.

Voir la solution

Chaîne la plus longue contenant la double liaison : 5 carbones, c'est un pentène.

Numérotée depuis la gauche, la double liaison commence en C3 ; depuis la droite, en C2. On numérote donc depuis la droite.

La branche méthyle se retrouve alors sur le carbone 4 : nom correct 4-méthylpent-2-ène, \(\ce{C6H12}\).

Test Z/E : C2 porte H et \(\ce{CH3}\) ; C3 porte H et \(\ce{CH(CH3)2}\). Deux groupes différents de chaque côté : il existe un (Z)- et un (E)-4-méthylpent-2-ène.

Erreurs fréquentes

Prendre la chaîne écrite en ligne pour la chaîne principale. Il faut chercher le plus long chemin, branches comprises.
Numéroter un alcène pour favoriser les branches. C'est la double liaison qui doit recevoir le plus petit numéro.
Oublier un numéro avec di- ou tri-. On écrit 2,2-diméthylpropane, pas 2-diméthylpropane.
Compter deux fois le même isomère. Une molécule dessinée à l'envers ou tournée reste la même : nomme chaque isomère trouvé.
Annoncer des isomères Z/E sans vérifier la condition. Le but-1-ène n'en a pas : son carbone 1 porte deux H.

Récapitulatif

Une molécule s'écrit en formule brute, développée, semi-développée ou topologique. Pour la nommer : chaîne la plus longue (contenant la double liaison pour un alcène), branches, plus petits numéros (d'abord pour la double liaison), ordre alphabétique, puis contrôle du nom. Pour dénombrer les isomères, on raccourcit la chaîne pas à pas et on nomme chaque molécule pour éliminer les doublons : \(\ce{C6H14}\) a 5 isomères, \(\ce{C4H8}\) a 4 alcènes non cycliques. Un alcène a des isomères Z/E seulement si chaque carbone de la double liaison porte deux groupes différents.

Formule topologique

Zigzag où chaque angle ou extrémité est un carbone ; les H ne sont pas écrits.

Isomères

Même formule brute, enchaînements ou dispositions d'atomes différents.

Isomérie de position

Même chaîne carbonée, double liaison placée ailleurs (ex. but-1-ène et but-2-ène).

Numéroter un alcène

Plus petit numéro pour la double liaison, avant les branches.

Isomères de C6H14

5 : hexane, 2-méthylpentane, 3-méthylpentane, 2,2- et 2,3-diméthylbutane.

Condition Z/E

Chaque carbone de la double liaison porte deux groupes différents.