2 La chimie créatrice

2
LA CHIMIE CREATRICE ............................................................................................................................................. 16
2.1 LA CHIMIE ORGANIQUE ................................................................................................................................................... 16
2.1.1
Qu’est-ce que la chimie organique ? .................................................................................................................... 16
2.1.2
Le carbone élément de base de la chimie organique ............................................................................................ 16
2.2 APPRENDRE A LIRE UNE FORMULE CHIMIQUE ................................................................................................................. 16
2.2.1
Introduction .......................................................................................................................................................... 16
2.2.2
Le squelette carboné ............................................................................................................................................. 16
2.2.2.1
2.2.2.2
2.2.2.3
2.2.3
La diversité des chaînes carbonées ..................................................................................................................................... 16
Nomenclature ..................................................................................................................................................................... 19
La modification du squelette carboné................................................................................................................................. 19
Les groupes caractéristiques : initiation à la réactivité ....................................................................................... 20
2.2.3.1
2.2.3.2
2.2.3.3
Les familles de composés à connaître ................................................................................................................................ 20
La réactivité des alcools ..................................................................................................................................................... 21
Passage d’un groupe caractéristique à un autre .................................................................................................................. 22
15
2
La chimie créatrice
2.1
La chimie organique
La chimie de synthèse est nécessaire pour :



éviter la surexploitation de la nature
produire des espèces chimiques originales, qu'on ne trouve pas dans la nature
produire moins cher
On y distingue la chimie minérale et la chimie organique.
2.1.1
Qu’est-ce que la chimie organique ?
Les molécules de la chimie organique sont constituées principalement des éléments C et H.
De nombreux composés organiques ont pour origine la photosynthèse. Cependant, les hydrocarbures
fossiles constituent la principale matière première de la chimie organique.
2.1.2
Le carbone élément de base de la chimie organique
Règle de stabilité des atomes
Au cours de leurs transformations, les atomes tendent à remplir leur couche électronique externe avec 2
ou 8 électrons (règle du duet et de l’octet).
La tétravalence du carbone
La structure électronique du carbone est K2 L4. L'atome de carbone possède donc quatre électrons sur sa
couche électronique externe. Pour satisfaire à la règle du duet et de l'octet, chaque atome de carbone d'une
molécule participe à quatre liaisons covalentes. On dit pour cela que l'atome de carbone est tétravalant.
Les molécules organiques
Les molécules sont des assemblages d’atomes liés entre eux par des liaisons nommées liaison de
covalence. Pour former une liaison de covalence entre deux atomes il faut que chacun d’eux possède, au
moins, un électron célibataire sur sa couche externe.
L’électron célibataire du premier atome est mis en commun avec l’électron célibataire du deuxième
atome. L’ensemble de ces deux électrons forment la liaison de covalence. On représente ce doublet
d’électrons par un trait joignant les deux atomes.
L’état de stabilité de la molécule est obtenu quand tous les atomes de carbone de la molécule respectent la
règle l’octet et que tous les atomes d’hydrogène respectent la règle du duet.
Exemples
H
H
2.2
2.2.1
C
C
C
méthane
H
C
H
H
H
H
H
H
éthylène
C
H
acéthylène
Apprendre à lire une formule chimique
Introduction
Une molécule organique comporte un squelette hydrocarboné et éventuellement des groupes
caractéristiques (appelés groupes fonctionnels).
2.2.2
Le squelette carboné
2.2.2.1 La diversité des chaînes carbonées
Chaîne carbonée linéaire, ramifiée ou cyclique, saturée et insaturée
16
Toutes les molécules de la chimie organique présentent un enchaînement d'atomes de carbone liés par des
liaisons de covalence. Cet enchaînement constitue le chaîne carbonée de la molécule.
Exemple
le cyclohexane, de formule brute C6H12, dont la chaîne carbonée est cyclique
H H
H
H C
H
C
C
H
H
C
C
H
CH2
CH2
CH2
C
H
CH2
CH2
CH2
H
H H
formule développée
C
C
C
C
C
C
chaîne carbonée
formule semidéveloppée
représentation
topologique
Une molécule qui possède un atome de carbone lié à au moins trois autres atomes de carbone est dite à
chaîne ramifiée (linéaire dans le cas contraire).
Un alcane est formé uniquement d’atomes de carbone et d’hydrogène et ne possède que des liaisons
carbone - carbone simples.
Un alcène est formé uniquement d’atomes de carbone et d’hydrogène et possède une double liaison
carbone = carbone.
Exemple
le 2-méthylpropane, de formule brute C4H10, qui possède une chaîne ramifiée
CH3 - CH - CH3
C-C-C
CH3
C
formule semi-développée
chaîne carbonée
représentation topologique
Une molécule qui possède une double (ou triple) liaison carbone = carbone est dite insaturée (saturée dans
le cas contraire).
Exemple
le but-1-ène, de formule brute C4H8, qui possède une chaîne insaturée
CH3 - CH2 - CH = CH2
C-C-C=C
formule semi-développée
chaîne carbonée
représentation topologique
Isomérie de constitution
Deux isomères sont deux espèces ayant même formule brute mais dont les molécules sont différentes.
Des composés peuvent être isomères de constitution : l’enchaînement des atomes est différent entre les
deux isomères.
Exemples
- deux alcanes de formule brute C4H10. Le squelette carboné des deux isomères est différent et on les dit
isomères de chaîne
CH3
CH3 — CH2 ─ CH2 ─ CH3
CH3 — CH ─ CH3
- deux alcènes de formule brute C4H8. La position de la double liaison dans les deux isomères est
différente et on les dit isomères de position
CH2 = CH ─ CH2 ─ CH3
CH3 ─ CH = CH ─ CH3
17
- une cétone et un aldéhyde de formule brute C3H6O. Le groupe fonctionnel est différent pour chaque
isomère et on les dit isomères de fonction
O
O
CH3 — C — CH3
CH3 — CH2 — C
H
Notion de configuration
On appelle configuration d’une molécule de constitution définie, la disposition de ses atomes dans
l’espace.
Des composés peuvent être isomères de configuration : ils ont même constitution (le même enchaînement
de leurs atomes) mais leurs molécules ne sont pas superposables.
Configuration Z et E des alcènes
Les alcènes de constitution R — CH = CH — R’ peuvent avoir deux configurations (R et R’ sont des
chaînes hydrocarbonées quelconques). Si les deux atomes d’hydrogène sont du même côté de la double
liaison, la configuration est dite Z (de zusammen  ensemble en allemand), sinon la configuration est dite
E (de entgegen  opposé en allemand).
Exemple
alcènes de constitution
CH3
CH3 ─ CH = CH ─ CH3
H
CH3
C=C
H
CH3
C=C
CH3
H
(E)-but-2-ène
H
(Z)-but-2-ène
Les propriétés physiques et chimiques des isomères Z et E sont différentes.
Influence de la chaîne carbonée sur les propriétés physiques
La densité par rapport à l'eau, des composés organiques liquides à chaîne linéaire augmente avec la
longueur de la chaîne.
Les températures de fusion et d'ébullition des composés organiques à chaîne linéaire augmentent avec la
longueur de la chaîne.
La solubilité dans l'eau des composés organiques à chaîne linéaire diminue avec la longueur de la chaîne.
Les alcanes sont insolubles dans l'eau.
Application à la distillation fractionnée
thermomètre
sortie d’eau tiédie
réfrigérant à eau
colonne de Vigreux
sortie du distillat
entrée d’eau froide
ballon
chauffe-ballon
18
La distillation est une technique de séparation des constituants d'un mélange liquide homogène.
Le principe consiste à provoquer ébullition d'un mélange et à condenser la vapeur. Cette vapeur est
enrichie en constituant le plus volatil. Il suffirait donc de porter ce condensat à ébullition et de renouveler
l'opération ébullition - condensation plusieurs fois pour obtenir un condensat qui ne contiendrait
pratiquement plus que le constituant le plus volatil.
Cette opération peut s'effectuer dans une colonne à distiller, c'est à dire une colonne comportant de
nombreuses aspérités internes sur la paroi desquels la vapeur pourra se condenser et se vaporiser.
Si cette colonne est suffisamment longue, la vapeur au sommet de la colonne sera presque exclusivement
composée du constituant le plus volatil que l'on appelle alors distillat.
2.2.2.2 Nomenclature
Nomenclature des hydrocarbures à chaîne droite
On utilise un préfixe indiquant le nombre d'atomes de carbone de la chaîne carbonée :
Nombre de C
Préfixe
Exemples
1
méth
2
éth
CH3  CH2  CH3 :
3
prop
4
but
5
pent
6
hex
CH3  CH  CH2 : propène
propane
Règles de l'UICPA (Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée)
 Chercher la chaîne carbonée la plus longue et le nom de l'alcane à chaîne linéaire comportant le
même nombre de carbone. L'alcane (terminaison ane) ramifié est considéré comme un dérivé de cet
alcane à chaîne droite

Identifier les groupements substituants sur cette chaîne et leur place par un indice de position. On
numérote à partir d'un des deux bouts de cette chaîne

Déterminer le sens de numérotation. On écrit tous les chiffres obtenus par ordre croissant. Le sens à
retenir est celui correspondant au nombre le plus petit

S'il existe plusieurs groupements substituants identiques, on utilise les préfixes di, tri, tétra ...

Les groupements substituants (terminaison yle) s'écrivent avant le nom de l'alcane. Ils sont placés par
ordre alphabétique. On élise le « e » de la terminaison.

Les indices de position sont placés immédiatement avant la partie du nom à laquelle ils se référent.
Ils sont reliés par des tirets placés de part et d'autre mais séparés entre eux par des virgules lorsqu'ils
sont devant un terme multiplicatif.
2.2.2.3 La modification du squelette carboné
Certains hydrocarbures issus de la distillation des pétroles (appelés coupes) ne sont pas directement
utilisables.
Obtention de produits commerciaux : carburants, huiles ou paraffines
Le reformage catalytique et le craquage catalytique sont les deux procédés de base qui permettent de
modifier le squelette carboné des molécules de ces coupes pour les ajuster aux spécifications des produits
commerciaux (par exemple l’indice d’octane de l’essence).
Le reformage catalytique consiste à ramifier, cycliser ou déshydrogéner des hydrocarbures de cinq à neuf
atomes de carbone.
Le craquage catalytique consiste à raccourcir de longues molécules issues de coupes lourdes.
Les grands intermédiaires de la chimie organique
L'éthylène, le propylène, le butadiène, le benzène, l'acétone, ... sont des hydrocarbures simples qui sont à
la base de presque tous les produits élaborés en chimie organique. Ces réactifs ne se trouvent pas
naturellement dans les pétroles. Le craquage catalytique et le vapocraquage permettent de les préparer.
Le vapocraquage permet d'obtenir des alcènes de faibles masses moléculaires et de l’hydrogène.
Polyaddition des alcènes et des dérivés éthyléniques
19
Un polymère est une macromolécule engendrée par l’addition, un très grand nombre de fois, d'un motif
simple comportant une double liaison appelé monomère :
n CH2  CHA 

CH2  CHA
n
monomère
polymère
Parmi les polymères les plus connus on trouve le polyéthylène, le polychlorure de vinyle et le
polystyrène.
2.2.3
Les groupes caractéristiques : initiation à la réactivité
Une formule chimique a du sens pour un chimiste, elle évoque des propriétés physiques et chimiques.
Elle est un outil qui permet de rationaliser et de prévoir le comportement des espèces chimiques.
Les liaisons CC et CH étant non polarisées, il en résulte que leur rupture est extrêmement difficile. Par
ailleurs, le nuage électronique entre ces atomes ne se déforme pas facilement. En conséquence, les
alcanes présentent une très grande stabilité chimique (ils ne sont pas attaqués par les acides forts et les
oxydants forts).
Cette absence de réactivité des chaînes hydrocarbonées explique que les diverses réactions observées en
chimie organique font intervenir des groupes caractéristiques qui sont constitués d’autres atomes et qui
donnent des propriétés particulières aux molécules.
2.2.3.1 Les familles de composés à connaître
Ces composés sont caractérisés par l'existence d'un groupement fonctionnel dans leur molécule.
Composés oxygénés
O
 groupe C
H

groupe
se situant en bout de chaîne : aldéhyde
contenu dans la chaîne carbonée : cétone
C
O

groupe - OH fixé sur un atome de carbone tétraédrique : alcool

groupe
O
se situant en bout de chaîne : acide carboxylique
C
OH
Exemples
un aldéhyde
une cétone
O
un alcool
O
un acide carboxylique
O
OH
OH
H
propanal
Composés halogénés
groupes - F
- Cl
Exemples
F
2-fluoropentane
butan-2-one
- Br
-I
éthanol
acide propanoïque
liés à un atome de carbone
Cl
Br
Cl
2,3-dichlorobutane
Br
I
Br
tribromométhane
20
iodobenzène
Amine primaire
groupe - NH 2
lié à un atome de carbone
Exemples
NH2
O
NH2
NH2
H
1-aminoéthane
2-amino-2-méthylpropane
acide 2-aminopropanoïque ou alanine
2.2.3.2 La réactivité des alcools
Alcool primaire, secondaire et tertiaire (classe d’un alcool)
Un alcool est dit :



primaire si l'atome de carbone fonctionnel (auquel est lié le groupement OH) est lié à zéro ou un
atome de carbone
secondaire si l'atome de carbone fonctionnel est lié à deux atomes de carbone
tertiaire si l'atome de carbone fonctionnel est lié à trois atomes de carbone
Exemples
un alcool primaire
un alcool secondaire
OH
OH
propan-1-ol
un alcool tertiaire
OH
propan-2-ol
2-méthylpropan-2-ol
Oxydation ménagée d’un alcool
La chaîne carbonée de la molécule est préservée. Seul le groupement fonctionnel alcool est transformé.



l’alcool primaire est oxydé en aldéhyde puis en acide carboxylique si les conditions de l’expérience
le permettent
l'alcool secondaire est oxydé en cétone
l'alcool tertiaire n'est pas oxydable
Exemples
Oxydation d'un alcool primaire par les ions permanganate
MnO


4
 8H   5e   Mn 2  4H 2 O * 2
CH 3  CH 2 OH  CH 3  CHO  2H   2e * 5
5 CH 3  CH 2 OH  2 MnO 4  6 H   5 CH 3  CHO  2 Mn 2  8H 2 O
Oxydation d'un alcool secondaire par les ions permanganate
MnO


4
 8H   5e   Mn 2  4H 2 O * 2
CH 3  CHOH  CH 3  CH 3  CO  CH 3  2H   2e * 5
5 CH 3  CHOH  CH 3  2 MnO 4  6 H   5 CH 3  CO  CH 3  2 Mn 2  8H 2 O
Oxydation totale d’un alcool
La chaîne carbonée est partiellement ou totalement détruite.
Exemple
CH 3  CH 2 OH  3 O 2  2 CO 2  3 H 2 O
Déshydratation d’un alcool (élimination)
L'expérience montre qu'un alcool chauffé en présence d'acide sulfurique peut donner un alcène et de
l’eau. L’élimination d'une molécule d'eau est une déshydratation.
21
Exemple
acide sulfurique
CH3  CH 2 OH  CH2  CH2  H 2 O
Passage aux composés halogénés (substitution)
Un alcool peut réagir avec une solution d'acide chlorhydrique H 3 O   Cl   , d'acide bromhydrique
H O



 Br  , d'acide iodhydrique H 3 O   I  , pour donner un composé halogéné.
Cet échange du groupe hydroxyle (OH) de l'alcool par un atome de la famille des halogènes est une
substitution.

3
Exemple
CH 3  CH 2 OH  H 3 O   Cl   CH 3  CH 2 Cl  2 H 2 O
2.2.3.3 Passage d’un groupe caractéristique à un autre
Les réactions d’oxydation, d’élimination et de substitution montrent qu’il est possible de réaliser le
passage d'un groupe caractéristique à un autre groupe. Ces réactions sont réversibles. Ainsi, le chimiste
peut, par un choix judicieux des réactifs et des conditions expérimentales, synthétiser la molécule de son
choix.
Exemple
CH3-CH2Cl
substitution
vapocraquage
CH3-CH3
hydratation
CH2 = CH2
CH3-CH2OH
déshydratation
b
oxydation
réduction
hydrogénation
b
oxydation
CH3-COOH
CH3-CHO
réduction
22