TS Transformation en chimie organique P3 (comp)

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Transformation en chimie organique
Objectifs
P3 (comp) - S2
• Distinguer une modification de chaîne d’une modification de groupe caractéristique.
• Déterminer la catégorie d’une réaction (substitution, addition, élimination) à partir de l’examen de
la nature des réactifs et des produits.
• Déterminer la polarisation des liaisons en lien avec l’électronégativité (table fournie).
• Identifier un site donneur, un site accepteur de doublet d'électrons.
• Pour une ou plusieurs étapes d’un mécanisme réactionnel donné, relier par une flèche courbe les
sites donneur et accepteur en vue d’expliquer la formation ou la rupture de liaisons.
Introduction
L’écorce de saule est connue depuis l’Antiquité pour ses propriétés antalgique et antipyrétique.
La salicyline, responsable de ces propriétés, présentait l’inconvénient d’être très agressive pour l’estomac.
Vers la fin des années 1890, un chimiste allemand, Felix Hoffmann, lui fit subir plusieurs transformations
chimiques de manière à modifier ses groupes caractéristiques. Il synthétisa ainsi une molécule nettement
mieux tolérée par l’estomac : l’acide acétylsalicylique (nom commercial : Aspirine).
A l'instar de cet exemple, quels sont les mécanismes des grands types de réactions en chimie organique ?
1. Modification d'une molécule organique
1.1. Modification de la chaîne carbonée
Activité documentaire 1 page 292
Les molécules d'hydrocarbures issus de la distillation du pétrole servent de matière première à l'industrie
chimique.
La modification de leur chaîne carbonée (apparition ou disparition d’une liaison simple,
double ou triple) s'avère nécessaire car ils ne correspondent pas toujours aux besoins de la pétrochimie :
•
essences pour l’automobile (amélioration de l’indice d’octane) ;
•
production d'intermédiaires de synthèse importants (fabrication de pesticides, parfums,
médicaments...)
•
production de matières plastiques.
Plusieurs techniques sont utilisées, selon l'objectif souhaité :
➜ Réduire la chaîne (craquage thermique)
Chauffer des molécules à longue chaîne permet de les casser afin de les réduire en molécules à chaîne
courte. La nature des produits dépend de différents facteurs dont la température (de 300 °C à 850 °C).
L'intérêt majeur du craquage thermique est néanmoins de produire des alcènes, principalement l’éthène et le
propène, qui sont à la base de nombreuses synthèses organiques (matières plastiques entre autres).
➜ Ramifier la chaîne
Le chauffage entre 120 °C et 200 °C permet de transformer une chaîne linéaire en chaîne ramifiée.
Par exemple l’hexane peut ainsi donner du 2,2-diméthylbutane :
➜ Boucler la chaîne
Le chauffage entre 120 °C et 200 °C peut aussi permettre la cyclisation d’hydrocarbures si l’alcane possède
au moins cinq atomes de carbone..
Sébastien Picandet
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➜ Polymériser la chaîne
Définition Une addition répétée d’un très grand nombre de molécules insaturées appelées monomères
conduit à une macromolécule appelée polymère.
ou
n est appelé indice de polymérisation et le groupe
-A
est appelé motif du polymère.
-H
- H3C
- Cl
- H5C6
polyéthylène (PE)
polypropylène (PP)
polychlorure de
vinyle (PVC)
Polystyrène (PS)
Monomère
Nom du polymère
1.2. Modification du groupe fonctionnel
Application : Exercices 5 page 298 et 8 page 298
Ces réactions permettent la fabrication des matières plastiques :
Activité documentaire 2 page 293
Recréer des molécules existant à l’état naturel ou synthétiser un nouveau composé passe nécessairement par
la création, la modification ou la suppression d’un groupe caractéristique au sein de l’espèce chimique
initiale.
➜ Sans modification de la chaîne
➜ Avec modification de la chaîne
Il est possible de modifier simultanément la chaîne carbonée et le groupe caractéristique d’une molécule.
C’est le cas dans cet exemple d'ozonolyse d’un alcène (action de l’ozone suivie d’une réaction d’hydrolyse)
qui conduit à une rupture de chaîne et à la création d'un groupement carbonyle.
Sébastien Picandet
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Application : Exercices 11 page 299 et 14 page 299
Lors d'une oxydation ménagée, la chaîne carbonée de la molécule d’alcool n’est pas modifiée, seul le
groupe caractéristique change. Selon la classe de l'alcool, on obtient un aldéhyde ou une cétone.
2. Grandes catégories de réactions en chimie organique
Activité documentaire 3 page 294
2.1. Les réactions de substitution
Réaction : CH3 - OH + H - Cl → CH3 - Cl + H2O
Ici, un alcool (le méthanol) est transformé en halogénoalcane (le chlorométhane). C'est une réaction de
substitution car un atome de chlore remplace un groupe OH sur la chaîne carbonée de la molécule
organique.
Définition Une réaction de substitution consiste à remplacer, sur une molécule organique, un atome ou un
groupe d’atomes (en général, le groupe caractéristique), par un autre issu d'un réactif, qui est
l’agent de la transformation.
2.2. Les réactions d'addition
Dans l’hydratation de l’éthène en éthanol, une des deux liaisons carbone-carbone de l’éthène se rompt au
profit d’une liaison simple entre H, d’une part, et OH, d’autre part.
Définition Une réaction d'addition consiste à créer deux liaisons simples à partir d'une liaison double, sur
une molécule organique insaturée de manière à lui ajouter, un atome ou un groupe d’atomes,
issu d'un réactif, qui est l’agent de la transformation.
2.3. Les réactions d'élimination
Réaction : H3C - CH2 - OH = H2C = CH2 + H2O
Dans la réaction de déshydratation de l’éthanol en éthène, une molécule d’éthanol perd une molécule d’eau.
Définition Une réaction d'élimination consiste à créer une liaison double par disparition de deux liaisons
simples sur une molécule organique saturée en éliminant un atome ou un groupe d’atomes.
Application : Exercices 16 page 300 et 24 page 302
Réaction : H2C = CH2 + H2O → H3C - CH2 – OH
3. Liaison chimique polarisée
Activité documentaire 1 page 308
3.1. L'électronégativité et liaison covalente
L’électronégativité χ caractérise l'aptitude d’un élément chimique à attirer à lui le doublet liant d'électrons
partagé dans une liaison chimique avec un autre élément.
Globalement, l'électronégativité augmente de bas en haut et de gauche à droite dans la classification
périodique.
Pour les principaux éléments rencontrés en chimie organique, cela donne par ordre croissant :
Mg
H
C
N
Br
Cl
O
χ (Pauling)
1,3
2,2
2,5
3,0
3,0
3,2
3,4
La nature de la liaison chimique A – B dépend de la différence d’électronégativité entre A et B :
Δχ = χB - χA
0 < Δχ < 0,4
0,4 < Δχ < 1,8
1,8 < Δχ < 3,3
Nature de la liaison A - B
Covalente apolaire
Covalente polaire
Ionique
Exemple
C–H,C–C
C–O,C–N,O–H
Mg – Cl , Mg – Br
Définition Dans une liaison polaire, le nuage électronique n’est pas symétrique car l'attraction du doublet
liant vers les noyaux des deux atomes est inégale.
Sébastien Picandet
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Application : Exercice 2 page 316
Élément
3.2. Sites donneurs ou sites accepteurs de doublets d'électrons
Identifier les sites donneurs et les sites accepteurs de doublet d’électrons, c'est repérer la répartition des
charges électriques élémentaires partielles dans une liaison chimique polaire :
•
l’atome le plus électronégatif porte la charge partielle négative δ-,
•
l'atome le moins électronégatif porte la charge partielle positive δ+.
Remarque En chimie organique :
•
Les sites donneurs portent souvent un doublet non-liant d'électrons.
Exemples : –OH , –NH2 , anion
•
Les sites accepteurs sont souvents des atomes de carbone électropositif
Exemples : –C=O , cation
3.3. Interactions entre sites donneurs et sites acceptateurs
Application : Exercice 7 page 317
Définition Un site donneur (respectivement accepteur) de doublet d’électrons est un atome porteur d’un
excédent de charges électriques négatives, partielle δ- ou totale (respectivement positives,
partielle δ+ ou totale).
Activité documentaire 2 page 310
Une transformation chimique subie par un système chimique est modélisée par une réaction chimique :
•
A l’échelle macroscopique, l'équation de la réaction fait le bilan (en moles d’espèces chimiques) des
réactifs disparus et des produits formés.
Bilan : CH3 - OH + H - Cl → CH3 - Cl + H2O
•
A l’échelle microscopique (atomique ou moléculaire), le mécanisme de la réaction permet de
connaître la manière dont les réactifs ont réagi pour donner les produits.
Afin d'écrire le mécanisme d’une réaction, on utilise des flèches courbes qui permettent d’expliquer la
formation ou la rupture de liaisons.
Mécanisme :
(2)
(3)
Définition Dans un mécanisme réactionnel, les flèches courbes représentent le sens réel de déplacement
d’un doublet du site donneur vers le site accepteur.
Synthèse : Exercices 27 page 302, 21 page 320 et 22 page 321
Sébastien Picandet
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Application : Exercice 16 page 318
(1)
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Transformation en chimie organique
P3 (comp) - S2
Avant le début du cours : vidéoprojecteur et caméra connecté à l'ordinateur du bureau dans l'amphithéâtre
1. Grandes catégories de réactions en chimie organique
Vidéo manuel numérique page 294
Sébastien Picandet
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