Hybridation du carbone et forme des molécules

Sur le papier, une molécule paraît plate. En réalité, elle occupe l'espace, et sa forme change ses propriétés : son odeur, sa façon de se fixer sur un récepteur, sa réactivité. Dans cette leçon, tu vas apprendre à prévoir la géométrie autour de chaque carbone, simplement en regardant ses liaisons. On parle d'hybridation sp3, sp2 et sp. Tu n'as pas besoin de refaire toute la théorie des orbitales : il te suffit d'une règle de comptage et de quelques valeurs à connaître. À la fin, tu repéreras l'hybridation de chaque carbone de la capsaïcine, la molécule qui fait brûler le piment.

Autour d'un carbone, les liaisons s'écartent le plus possible les unes des autres. Avec quatre liaisons simples, comme dans le méthane ou l'éthane, elles pointent vers les sommets d'un tétraèdre, avec des angles d'environ 109,5 degrés : on dit que le carbone est hybridé sp3. Avec une double liaison, comme dans l'éthène, l'ancien éthylène, le carbone et ses trois voisins sont dans un même plan, avec des angles proches de 120 degrés : c'est un carbone sp2. Avec une triple liaison, comme dans l'éthyne, le gaz des chalumeaux appelé acétylène, les atomes sont alignés : carbone sp, angle de 180 degrés.

Pour trouver l'hybridation d'un carbone, regarde seulement les liaisons multiples qu'il porte. S'il n'a que des liaisons simples, il est sp3. S'il a une double liaison, il est sp2. S'il a une triple liaison, ou deux doubles comme le carbone du dioxyde de carbone, il est sp. Pour l'azote et l'oxygène, compte les atomes voisins et les doublets non liants : quatre directions donnent sp3, trois donnent sp2. L'oxygène de l'éthanol est sp3, celui d'un C double liaison O est sp2. Une exception utile : un azote dont le doublet se partage avec une double liaison voisine devient plan. Tu verras pourquoi au module 5.

Compare trois gaz que tu croises peut-être sans les voir : l'éthane, l'éthène, qu'on utilise pour faire mûrir les fruits, et l'éthyne des soudeurs. Les mesures rassemblées par le NIST, l'institut de métrologie des États-Unis, donnent une liaison entre carbones de 153,6 picomètres dans l'éthane, de 133,9 dans l'éthène et de 120,3 dans l'éthyne : plus il y a de liaisons entre deux carbones, plus ils se rapprochent. À partir des enthalpies de formation publiées par le même institut, on calcule l'énergie qu'il faut pour séparer les deux moitiés de chaque molécule : environ 375 kilojoules par mole pour l'éthane, 720 pour l'éthène et 960 pour l'éthyne. Fais maintenant la soustraction : en ordre de grandeur, la deuxième liaison de l'éthène n'ajoute qu'environ 345 kilojoules par mole, moins que la première. Cette deuxième liaison, la liaison pi, est le maillon faible : c'est elle que les additions du module 6 ouvrent en premier.

Imagine deux ballons pressés l'un contre l'autre, pointe contre pointe : c'est la liaison sigma, un recouvrement centré sur la droite qui joint les deux noyaux. Faire tourner l'un des ballons sur cet axe ne change rien au contact, et c'est pour cela qu'une liaison simple peut pivoter. Dans une double liaison, une seconde liaison s'ajoute : chaque carbone garde une orbitale en forme d'haltère, dressée perpendiculairement au plan de la molécule, et les deux haltères se touchent par le côté, en deux zones, l'une au-dessus et l'autre au-dessous du plan. C'est la liaison pi. Faire pivoter un carbone écarterait ces deux haltères et casserait la liaison pi : à température ambiante, cela n'arrive pas. Tu retrouveras cette différence dans les conformations du module 3 et dans les isomères Z et E du module 4.

La capsaïcine donne au piment sa sensation de brûlure, du piment de Cayenne au petit piment des sauces de Dakar. Sa formule compte dix-huit carbones. Appliquons la règle. Les six carbones du cycle aromatique portent chacun une double liaison dans l'écriture habituelle : ils sont sp2, et le cycle est plan. Le carbone du groupe C double liaison O, dans la partie amide, est sp2. Dans la longue chaîne, deux carbones sont reliés par une double liaison : sp2 eux aussi. Tous les autres carbones, celui du groupe méthoxy, le CH2 qui relie le cycle à l'azote et ceux de la chaîne, n'ont que des liaisons simples : ils sont sp3. Bilan : neuf et neuf.

Dans Avogadro, tu peux construire une molécule atome par atome, ou ouvrir un fichier exporté depuis Ketcher. Ajoute les hydrogènes si besoin, puis lance l'optimisation de la géométrie : le logiciel ajuste la position des atomes avec un champ de force, c'est-à-dire un modèle simplifié des liaisons. Prends l'outil de mesure et clique sur trois atomes : Avogadro affiche l'angle. Autour d'un carbone sp3, tu dois lire une valeur proche de 109 degrés, autour d'un carbone sp2 une valeur proche de 120. Fais tourner la molécule avec la souris : le cycle de la capsaïcine reste plat, la chaîne se tord. Ces valeurs sont calculées par un modèle, pas mesurées.

Garde trois idées de cette leçon. D'abord, la géométrie se lit dans les liaisons : un carbone qui n'a que des liaisons simples est sp3 et tétraédrique, un carbone qui porte une double liaison est sp2 et plan, un carbone qui porte une triple liaison, ou deux doubles, est sp et linéaire. Ensuite, les liaisons multiples sont plus courtes et plus fortes, mais leur liaison pi est le point faible où commencent beaucoup de réactions. Enfin, cette liaison pi empêche la rotation. Tu sais maintenant écrire une molécule de quatre façons et prévoir sa géométrie. Dans le lab de ce module, tu vas l'appliquer à cinq molécules du quotidien, avant d'apprendre à leur donner un nom au module 2.