pef alcanes

CHIMIE ORGANIQUE
DESCRIPTIVE
LES STRUCTURES ORGANIQUES
La chimie organique est la chimie des composés du
carbone (structures organiques).
Ces structures regroupent: carburants/combustibles,
polymères, colles, vernis, peintures ,médicaments,
textiles, produits agroalimentaires et cosmétiques,
insecticides, pesticides, engrais…
NB:Le carbone occupe 18% du corps humain
LES HYDROCARBURES
Généralité
Les hydrocarbures sont des composés organiques constitués
uniquement de C et de H . On les classifie d’après les structures de la
chaîne carbonée et d’après le degré de saturation de l’atome de
carbone:(alcanes, alcènes, alcynes et benzéniques).
HYDROCARBURES
H. Acycliques
Saturés
Alcanes
CnH2n+2
Non Saturés
Alcènes
CnH2n
n entier
H.Alicycliques
C
C
H.Aromatiques
benzène et
homologues
Alcynes
CnH2n-2
n>2 , n entier, n>2
C
C
H. Cycliques
C
C
C
C
C
C
naphtalène
anthracène
Acyclique = aliphatique (nom ancien)
LES ALCANES
I- Définition
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés ou paraffines
(peu réactifs) de formule brute CnH2n+2 (acycliques linéaires
ou ramifiés) et CnH2n (monocycliques). Ils sont représentés
par R-H, R étant le groupe alkyle (ou alcoyle). R = CnH2n+1Dans leurs molécules on ne rencontre que des liaisons
simples C-C et C-H (liaisons s ).
H
Le plus simple des alcanes est le méthane (n=1) CH4 H C H
Pour n=2 on a C2H6 éthane
H H
H C
C
H
H
H H
pour n=3
on a C3H8 (alcane linéaire)
H
ou
C3H6 (alcane cyclique)
H
H
C
H C
H
C H
H
H
H H
C
C
H
H H
C
H
2-Représentations des alcanes
2-1 Formules développées planes. Elles font apparaitre toutes les liaisons C-C et
C-H. Pour ces formules, respecter la valence de C qui est 4, et celle de H qui est 1.
Ex: Une formule développée de C6H14 est:
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
Les formules développées sont rarement utilisées.
On préfère les formules semi-développées moins encombrantes
H
2-2 Formules semi-développées (ou combinées). Elles ne représentent pas les
liaisons C-H. Seules apparaissent les liaisons C-C.
EX: C6H14 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
2-3 Formules condensées. Les liaisons C-C et C-H n’apparaissent pas.
EX: C6H14 CH3CH2CH2CH2CH2CH3
2-4 Formules stylisées (ou topologiques). Les atomes de C sont éludés et
l’enchaînement carboné est représenté en zig-zag. Les atomes de H sont supprimés.
Seul apparait le squelette carboné en zig-zag.
EX: C6H14
on suppose un C à chaque bout de segment
TD
Trouver les formules semi-développées et topologiques des alcanes
de formule brute C7H16
Réponse. F. semi-développées
F. topologiques
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
un C à chaque bout de segment
CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH3
CH3
CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH3
CH3
CH3
CH3 CH CH CH3
CH3
CH3
CH3 C CH2 CH3
CH3
3-NOMENCLATURE
3-1- Nomenclature des alcanes à chaîne linéaire non ramifiée
Ils n’auront pas de préfixe. Selon l’UICPA, à l’exception des quatre
1ers termes, le nom est constitué d’un radical exprimant le nombre
d’atomes de carbone et de la terminaison -ane.
Ils sont aussi désignés comme alcanes normaux
Les 4 premiers alcanes conservent les noms consacrés par l’usage:
CH4 méthane; C2H6 éthane; C3H8 propane; C4H10 butane
EX: C5H12 CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 Pentane ou pentane normal
ou n-Pentane
C8H18
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
Octane ou n-Octane
NB: Si on ne précise pas, il s’agit de l’alcane normal
Tableau de quelques alcanes normaux
Nombre de
Carbone
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Nom de
Nombre de
Nom de
L’alcane
Méthane
Ethane
Propane
Butane
Pentane
Hexane
Heptane
Octane
Nonane
Décane
Undécane
Dodécane
tridécane
Tétradécane
Carbone
15
20
21
22
23
24
30
31
32
33
40
50
100
L’alcane
Pentadécane
Icosane
Henicosane
Docosane
Tricosane
Tétracosane
Triacontane
Hentriacontane
Dotriacontane
Tritriacontane
Tétracontane
Pentacontane
Hectane
3-2- Alcanes à chaînes linéaires ramifiées
3-2-1 Groupes alkyles normaux ou substituants
normaux.
Il s’agit de l’alcane normal par enlèvement d’un atome d’H.
Alcane normal: CnH2n+2 Substituant correspondant : CnH2n+1Leurs noms dérivent de l’alcane correspondant par remplacement de la terminaison
-ane par –yle
CnH2n+2 alcane
CnH2n+1alkyle
CH4
Méthane CH3Méthyle Me
C2H6
Ethane
C2H5- ou
CH3 CH2 Ethyle Et
C3H8 propane
C3H7- ou
CH3-CH2-CH2- Propyle Pr ou n-Pr
etc.
Règle
Pour nommer un alcane à chaîne ramifiée on
détermine:
1°)- La chaîne la plus longue présente dans la
molécule: c’est la chaîne principale; c’est celle qui
contient le plus grand nombre d’atomes de carbone
2°)- Le ou les substituants (ou chaîne latérale) non
pris en compte dans la chaîne principale; on nomme
ce ou ces groupes alkyles avec élision de « e »
3°)-On numérote les carbones de la chaîne principale
d’un bout à l’autre, dans la direction telle que le ou
les carbones portant le ou les groupes alkyles aient le
ou les numéros les plus petits possibles.
Exemples
Ex1:
1
2
3
CH3 CH2 CH
4
5
CH2 CH2 CH3
CH3
Ex2
6
3-Méthylhexane
3
2
1
6
5
4
CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH3
CH2
Remarques
3-Ethylhexane
CH3
1-S’il existe 2, 3, 4,…groupes substituants identiques, on
utilise les préfixes di, tri, tétra,…
2- S’il existe plusieurs groupes alkyles tous différents , ils
sont énoncés dans l’ordre alphabétique
3- lorsque les indices des groupes alkyles sont les mêmes
dans les 2 sens de numérotations le premier nommé
recevra l’indice le plus petit.
Exemples
Ex3
6
5
3
4
CH3 CH CH2
CH3
EX4
CH3
2
1
CH CH CH3
3-Ethyl-2,5-dimétylhexane
CH2
CH3
CH3
1
2
3
CH3 C CH3
2,2-diméthylpropane
CH3
EX5
7
5
6
4
2
1
CH3 CH2 CH CH2 CH CH2 CH3
CH3
Ex6
3
2
1
3
4
CH2 CH3
3-Ethyl-5-méthylheptane
6
5
3-Ethyl-4-méthylhexane
3-2-2 Groupes alkyles complexes
(ou substituants complexes )
Définition
Les groupes alkyles complexes sont des groupes alkyles portant eux-mêmes
des groupes alkyles plus petits.
Exemples
2
1
CH3 CH
Isopropyle ou
1-méthylpropyle
CH3
3
2
CH3 CH
1
CH2
CH3
isobutyle ou
2-méthylpropyle
Ils ont des noms usuels, sinon, ils sont nommés en choisissant la chaîne latérale
la plus longue, le carbone attaché à la chaîne principale portant le numéro1.
NB: Carbone primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire
C primaire = lié à un seul C
CH3 CH2 CH C CH3 C secondaire= lié à 2 autres C
C tertiaire = lié à 3 autres C
CH3 CH3
C quaternaire = lié à 4 autres C
CH3
Tableau de quelques groupes alkyles complexes
Groupes alkyles complexes courants
Groupe alkyle
1
2
IsoPropyle
( i-Pr )
CH3 CH
CH3
2
3
CH2
CH3
1-Méthyléthyle
IsoButyle
2-Méthylpropyle
( i-Bu )
1
2
CH3 CH2 CH
CH3
2
Nom systématique
1
CH3 CH
3
Nom usuel
sec-Butyle
(Butyle secondaire)
1-Méthylpropyle
(s-Bu)
CH3
1
CH3 C
CH3
tert-Butyle (t-Bu)
tert = tertio
( Butyle tertiaire )
1,1-diméthyléthyle
Exemples
EX1
4
3
5
2
3-Ethyl-2-méthylpentane
1
NB: La chaîne principale est celle qui a le maximum de substituants
2'
1'
EX2
4
3
6
5
7
2
3-Ethyl-2-méthyl-4-isopropylheptane
ou
1
3-Ethyl-2-méthyl-4-(1-méthyléthyl)heptane
2'
EX3
1'
9
7
8
5
6
3
4
1
2
2-méthyl-5,6-diisopropyl-nonane ou
2-méthyl-5,6-bis(1-méthyléthyl)nonane
1'
2'
3-3 Alcanes cycliques ou cyclanes
Le nom des alcanes cycliques se forme en accolant le
préfixe cyclo au nom de l’alcane de même nombre de
carbone.
Ex:
cyclobutane
cyclohexane
CH3
CH2CH3
1-Ethyl-1-méthylcyclopropane
tert-butylcyclopentane ou
1-(1,1-diméthyléthyl)cyclopentane
3-cyclopropylpentane
NB: Si le substituant est de plus grande dimension c’est lui qui est l’alcane
substitué
TD
TD1:Nommez selon l’UICPA
1
2
3
2'
CH3
CH3
5
4
6
CH3
7
1'
CH
8
9
CH3 CH2 CH CH CH2 CH CH2 CH CH2
1'
1' CH
2
CH3 CH
2'
CH CH
2' CH
3
3
3'CH3
10
11
CH2 CH3
6-isobutyl-4,8-diisopropyl-3-méthylundécane
ou
4,8-bis(1-méthyléthyl)-3-méthyl-6-(2-méthylpropyl)undécane
TD2 : Nommer selon l’UICPA
2
1
4
3
6
5
8
7
3'
1'
2'
9
5-tert-pentylnonane (tertio-pentylnonane)
ou
5-(1,1-diméthylpropyl)nonane
EXERCICES
1- Nommez selon l’UICPA:
CH3
(B) CH3CH CH2 CH CH CH3
(A) CH3 CH2 C CH2CH2CH3
CH3
CH3 CH3
CH2
CH3
(C) CH3CH2CH CH CH CH CH3
(D)
CH3 CH2 CH3 CH3
CH2
CH3
(E)
2- Ecrire la formule des composés suivants: (I): 2,2,4-triméthylpentane ;
(II): 3,3-diméthylpentane ; (III): 3-Ethyl-2-méthylpentane;
(IV): 4-(1-Méthyléthyl)heptane; (V): 2,7-diméthyl-5-(1,1-diméthylpropyl)nonane
Réponses
1)
CH3
1
6
3
CH3 CH2 C
(A) = 3-Ethyl-3-méthylhexane
CH2CH2CH3
CH2
6
CH3
3
5
2
1
(B) = 2,3,5-triméthylhexane
CH3CH CH2 CH CH CH3
CH3
5
7
CH3 CH3
4 3
2
1
(C) = 2,3,5-triméthyl-4-propylheptane
CH3CH2CH CH CH CH CH3
CH3 CH2 CH3 CH3
CH2
2'
10
1'
CH3
(D) = 3-Ethyl-7-isopropyl-2-méthyldécane
ou
3-Ethyl-7-(1-méthyléthyl)-2-méthyldécane
1
2
9
7
3
8
2'
3'
1'
2
3
4
(E) = 2,3,5-triméthyl-4-(1-éthylpropyl)nonane
1
6
5
8
10
7
9
Réponses (suite)
2-Structures des composés
(I): 2,2,4-triméthylpentane
pentane C
(= 5 C)
C
C
C
C
numérotation
1
2
3
4
5
C C C C C
fixation des trois méthyles
1
CH3
CH3
2
3
5
4
fixation des H
C CH2 CH CH3
CH3
CH3
(en respectant la valence
de chaque atome)
CH3
1
2
C
C
3
C
CH3
4
5
C
C
CH3
(V): 2,7-diméthyl-5-(1,1-diméthylpropyl)nonane
nonane
nonane
numérotation
9C
1
2
3
4
6
5
7
fixation des substituants
8
9
C C C C C C C C C
CH3 CH
3
1'
C CH CH3
3
2'
CH2
3'CH
3
1
2
3
4
5
6
fixation des H
CH3
7
8
9
CH3CHCH2CH2CH CH2 CHCH2CH3
CH3
1'C
CH3
CH3 CH
2
2'
3'CH3
4- Propriétés physiques
Les alcanes de C1 à C4 sont gazeux
de C5 à C15 liquides
supérieurs à C15 solides
Les tf augmentent avec le nombre d’atomes de C, mais s’abaissent
quand la chaîne est plus ramifiée et que la molécule s’approche de la
forme sphérique.
Les alcanes sont pratiquement insolubles dans l’eau.
5- Propriétés chimiques
5-1 Structure et réactivité
°
1,10 A
109,5°
C
H
°
1,54 A
C
Les alcanes ne contiennent que des liaisons covalentes simples C-C et
C-H (liaisons s ). Ces liaisons sont fortes donc difficiles à rompre.
D’où la stabilité des alcanes et leurs grandes inerties chimiques (ils
sont dits paraffines = peu réactifs).
A t° élevée ou sous l’action de la lumière ou des peroxydes, par
cassure des liaisons s ,les alcanes se prêtent à des réactions de
combustion (cassure homolytique de C-C vers 350 kJ.mol-1) et des
réactions de substitution ( cassure homolytique de C-H vers 400
kJ.mol-1). Les réactions de substitution sont dits radicalaires.
5-2 Réactions de substitution
R X + HX ; X = Halogène= F, Cl, Br, I
a) Halogénation R X + X2
- Fluoration : dégradation , car trop énergique:
ds atm N2
EX: CH4 + 2F2 dans l'air C
CH
F
4
H;
+4
+4
2
CF4 + 4 HF
CH3I + HI
- Iodation: énergiquement défavorisé : Ex: CH4 + I2
HI formé a le rôle de réducteur
- La chloration, plus facile que la bromation, sont les seules utilisées en pratique.
La chloration est anarchique; la bromation nettement plus sélective. Le mécanisme
des réactions de chloration et de bromation est radicalaire et se déroule en 3 étapes:
- amorçage (ou initiation): Cl Cl
2 Cl
La liaison Cl-Cl est la plus faible
(58kcal/mole) que C-C (82,6 kcal/mole) ou C-H (89kcal/mole)
-
-
propagation
terminaison
(arrêt )
R H + Cl
HCl + R
R + Cl Cl
Cl + R Cl
Cl Cl
2 Cl
2R
R R
R + Cl
R
Cl
b) Nitration
R NO2 + H2O
R H + HNO3
HO NO2
c) Sulfonation
R H + H2SO4
HO
SO3H
R H + SO2 + 1/2O2
R
SO3H + H2O
acide alkyl
sulfonique
R SO3H
Savon synthétique
d) Sulfochloration
R H + SO2 + Cl2
h
R SO2Cl + HCl
Chlorure d'acide
sulfonique
5-3 Combustions
a) Combustion incomplète : Quand la quantité d’O2 est insuffisante
(n+1)
O2
n CO + (n+1) H2O
CnH2n+2 +
2
Le CO toxique des gaz d’échappement et des suies crachées abondamment par les
camions à moteurs diesels sont le prix à payer pour nos sociétés motorisées
(pollution de l’environnement).
b) Combustion complète. Dans un excès d’O2 on a :
CnH2n+2 + 3n+1 O2
n CO2 + (n+1) H2O + 12 kcal/g
2
Cette quantité importante d’énergie est mise à profit pour source d’énergie:
chauffage (gaz naturel et mazout); et dans les moteurs (carburants) .
Les alcanes sont utilisés comme combustibles.
Le CO2 et le H2O(gaz à effet de serre) formés lors de la combustion dans les moteurs
et rejetés dans l’atm en quantité, sont en partie responsables du réchauffement
climatique (pollutions)
6- Etat naturel - Préparation
Les alcanes sont très répandus dans la nature.
Le méthane est le constituant essentiel des gaz naturels. On le trouve dans les
marais (gaz des marais).
Les 2 plus importantes sources naturelles d’alcanes sont les pétroles et les gaz
naturels. Le pétrole (le mot pétrole est du latin petra =roche et oleum =huile d’où
pétrole= huile de roche) est un mélange liquide complexe de composés organiques,
dont beaucoup sont des alcanes ou des cyclanes.
Préparations
Il est rare qu’un chimiste de labo ait à préparer un hydrocarbure saturé, car un tel
composé, surtout à cause de son inertie , présente souvent peu d’intérêt. Leurs
préparations sont essentiellement industrielles.
Par contre, on peut les obtenir à partir d’autres composés organiques.
3 groupes de méthodes d’obtention des alcanes:
- méthodes dans laquelle il n’y a pas de modification de la chaîne
- méthodes de rallongement de la chaîne
- méthodes de dégradation de la chaîne
6-1 Pas de modification de la chaîne
a) Hydrogénation – Hydrohalogénation
Hydrogénation catalytique (Ni,Pt, Pd...sous pression et t°) des:
-Alcènes R CH CH2 + H2
R CH2 CH3
+ H2
-Alcynes R - C CH
-HCl
- I2
X=Cl
H [Pd]
- Dérivés R CH2 CH2X + 2
halogénés
+ HI
X=I
b) Réduction des aldéhydes et des cétones
Clémen sen R
C
R'
+ 2 H 2 / Zn, H +,t°
O
R
W olf et K ischner R
C
O
R'
+ H 2N
N H 2 / OH - , t°
hydrazine
CH 2 R'
6-2 Méthodes de rallongement de la chaîne
a) Méthode de Würtz
R
Cl + 2Na + Cl R
R
R + 2NaCl
R R
R Cl + 2Na + Cl R'
R R' Mélange + 2NaCl
R' R'
b) Méthode d’électrolyse des sels alcalins et des acides gras
R COO- Na+
Cathode Na+ + e-
Anode
2 RCOO
2RCOO
2R
-
2e-
2RCOO
CO2 + 2R
R R
Na
6-3 Méthode de dégradation de la chaîne
Dégradation des acides gras par pyrogénation des sels de sodium en
présence de soude
R
COONa + NaOH
t°
R
H + Na2CO3
TD
Déterminer la structure d’alcane de la formule brute C6H14 formé par la réaction de
Wurtz sans produit secondaire. La monobromation de cet alcane donne
majoritairement un dérivé tertiaire de formule brute C6H13Br. Ecrire les réactions et
nommer les produits.
Rép.
1- Ecrivons tous les alcanes ayant pour formule brute C6H14
B CH3 CH2 CH2 CH CH3
CH3
CH 3
A CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C CH3 CH2 CH CH2 CH3
CH3
E
CH3 CH CH CH3
CH3 CH3
D
CH 3
C
CH 2 CH 3
CH 3
2-Strucure de l’alcane
La monobromation donnant un dérivé tertiaire; (A) et (D ) exclus car pas de
carbone tertiaire dans leur structure . (C) exclu car donnant des produits
secondaires par Wurtz comme: R-R, R-R’, R’-R’.
La structure de l’alcane est donc celle de ( E) (suite )
(suite) 3- Structure de l’alcane et réactions
E = CH3 CH CH CH3 c'est le 2,3-diméthylbutane
CH3 CH3
Obtention de E par la réaction de Würtz ; pour éviter le mélange de produits, il
faut scinder CH3 CH CH CH3 qui, par coupure symétrique donne CH3 CH
CH3 CH3
Réaction:
Br
CH3
CH3 CHBr + 2Na + BrCH CH3
CH3
CH3
CH3 CH CH CH3 + 2NaBr
CH3 CH3
Réaction de monobromation:
CH3 CH
CH
CH3 CH3
CH3
Br2 / lumière
- HBr
Br
CH3 C
CH
CH3
CH3CH3
2-bromo-2,3- diméthylbutane