Chapitre C1 : Grandeurs physiques et Quantité de matière
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1ère S Chimie – Partie II Lycée St Jude Chapitre C9 : Groupe caractéristiques et réactivité Objectifs : Reconnaître les principales familles de composés organiques. Illustrer la réactivité des alcools. Passage d’un groupa caractéristique à un autre. Cours 1 1) Groupe caractéristiques 1-1 Définition Dans une molécule organique, on appelle groupe caractéristique tous les atomes autres que les atomes C et H reliés par des liaisons simples. Exemple : La formule du but-1-ène montre que les deux atomes de carbone reliés par une double liaison constituent un groupe caractéristique (Fig. 1). C'est le groupe caractéristique de la famille des alcènes. Le groupe caractéristique d'une molécule donne à l'espèce chimique correspondante des propriétés chimiques particulières qui sont les propriétés de la famille à laquelle l'espèce chimique appartient (Cf. paragraphe 1-2) Pour reconnaître la famille à laquelle une espèce chimique appartient, il y a deux possibilités • on identifie le groupe caractéristique à partir de la formule correspondant à l'espèce chimique; • on cherche à mettre en évidence, par un test chimique, une des propriétés chimiques caractéristiques de l'espèce chimique considérée. Chapitre C9 1 1ère S Chimie – Partie II Lycée St Jude 1-2) Les principales familles chimiques Groupe caractéristique -O-H Famille chimique Les alcools -X ( où X est un halogène) Les composés halogénés Test chimique Décoloration du permanganate de potassium Précipité blanc avec le nitrate d’argent Les cétones Précipité orange avec la 2,4-DNPH Les aldéhydes Les acides carboxyliques Précipité orange avec la 2,4-DNPH Test positif avec le réactif de Fehling Donne « un miroir d’argent » avec le réactif de Tollens Test au papier pH : pH acide Les amines Test au papier pH : pH basique C=O H C=O O -C OH -N Chapitre C9 2 1ère S Chimie – Partie II Lycée St Jude 1-3) La nomenclature Comme dans le cas des hydrocarbures, le nom des espèces chimiques possédant un groupe caractéristique est constitué d'un préfixe, d'un radical et d'un suffixe (Tab. suivant). Des numéros indiquent, si nécessaire, la position du groupe caractéristique et des éventuelles ramifications du squelette carboné. Le sens de numérotation des atomes de la chaîne carbonée doit être tel que la position du groupe caractéristique soit minimale. Ce sens s'impose à la numérotation des ramifications. Lorsqu'un groupe caractéristique est présent plusieurs fois dans une même molécule, on utilise les termes di, tri... Suivant les cas, le groupe caractéristique est indiqué dans le nom de l'espèce chimique en préfixe ou en suffixe. Famille Genre Suffixe Préfixe alcool masculin ol (hydroxy) composé halogéné masculin chloro, bromo, iodo cétone féminin one (oxo) aldéhyde masculin al (oxo) acide carboxylique masculin oïque amine féminin (amino) EXEMPLES : butanal, constitué du radical « butan » (4 atomes C) et du suffixe « al » (groupe caractéristique -CHO des aldéhydes) (Fig. 2) ; acide éthanoïque, constitué du radical « éthan » et du suffixe « oïque » (groupe caractéristique -COOH des acides carboxyliques). La nomenclature des amines diffère légèrement, le radical étant souvent « amine » : le nom méthylamine constitué du préfixe « méthyl » et du radical « amine » est préféré au nom « aminométhane » qui n'est pas utilisé. Les préfixes indiqués entre parenthèses dans le Tab. précédent ne s'utilisent que dans le cas de molécules possédant plusieurs groupes caractéristiques. C'est le cas des acides aminés constituant les protéines (cours de SVT). L'acide aminé alanine, par exemple, est officiellement nommé: acide 2-aminopropanoïque (Fig. 3). Exercices 2-5 page228 Chapitre C9 3 1ère S Chimie – Partie II Lycée St Jude 2) Réactivité des alcools 2-1) Classe des alcools Dans la chaîne carbonée, le carbone d'un alcool portant le groupe caractéristique OH (ou carbone fonctionnel) peut être relié à un, deux ou trois atomes de carbone. On définit la classe d'un alcool par rapport au nombre d'atomes de carbone entourant le carbone fonctionnel. Un alcool est dit primaire si le carbone fonctionnel n'est relié qu'à un autre atome de carbone, secondaire s'il relié à deux et tertiaire s'il est relié à trois. Exemple : Il existe trois isomères de formule brute C4Hlo0 : le butan-1-ol, le utan-2-ol et le méthylpropan-2-ol (Fig. 4). La classe de ces trois alcools diffère. En effet, dans le butan-1-ol, le carbone fonctionnel (en rouge sur la Fig. 4) est relié à un atome de carbone (en vert sur la Fig. 4) : il s'agit d'un alcool primaire. Dans le butan-2-ol, le carbone fonctionnel est lié à deux atomes de carbone il s'agit d'un alcool tertiaire. Dans le méthylpropan-2-ol, le carbone fonctionnel est entouré de trois autres atomes de carbone, il s'agit d'un alcool tertiaire. La réactivité des alcools n'est pas la même suivant leur classe. Le paragraphe suivant met en évidence leur différence de réactivité vis-à-vis des oxydants. Remarque : On obtient des alcools tertiaires pour des chaînes carbonées contenant au minimum quatre atomes de carbone. 2-2) Oxydation des alcools Les alcools, dont le carbone portant le groupe caractéristique -OH porte également un atome H, peuvent être oxydés par l'ion permanganate MnO4-. Il s'agit d'une oxydation ménagée car le squelette carboné est conservé pendant la réaction. La forme oxydée du couple oxydant/réducteur possède le groupe d'atomes C=O. C'est donc, suivant les cas, un aldéhyde ou une cétone. EXEMPLE : L'éthanal peut être obtenu par l'oxydation de l'éthanol et la propanone par oxydation du propan-2-ol. Couple oxydant/réducteur Forme oxydée Forme réduite aldéhyde/alcool CH3CHO(aq) CH3CH20H(aq) cétone/alcool CH3COCH3(aq) CH3CHOHCH3(aq) Dans le cas de l'éthanol, les demi-équations et l'équation d'oxydoréduction sont respectivement CH3CH20H(aq) = CH3CH0(aq) + 2 H+(aq) + 2 eMn04- (aq) + 8 H+(aq) + 5e- = Mn 2+(aq) + 4 H20 5 CH3CH20H(aq) + 2Mn04- (aq)+ 6H+(aq) ---> 5CH3CH0(aq) + 2Mn2+(aq) + 8H20 Chapitre C9 4 1ère S Chimie – Partie II Lycée St Jude Cette réaction sert de test caractéristique des alcools. La transformation de l'ion permanganate en ion manganèse est repérée par la décoloration de la solution. De plus, la formation d'un aldéhyde ou d'une cétone peut aussi être mise en évidence par le test à la 2,4-DNPH, effectué sur le système dans l'état final de la réaction d'oxydation. Suivant la classe de l'alcool, les produits de son oxydation ménagée sont différents (Tab. 4). Classe de l'alcool primaire secondaire tertiaire Produit formé en présence d'un défaut d'oxydant aldéhyde cétone pas d'oxydation Produit formé en présence d'un excès d'oxydant acide carboxylique cétone pas d'oxydation REMARQUES. La combustion est aussi une réaction d'oxydation. Comme la plupart des espèces chimiques organiques, tous les alcools peuvent brûler et produire du dioxyde de carbone et de l'eau. La combustion ne préserve pas le squelette carboné. Ce n'est donc pas une oxydation ménagée mais une oxydation totale. Léthylotest, qui permet le titrage de l'alcool dans le sang, utilise une réaction d'oxydation de l'éthanol présent dans l'air expiré. L'oxydant est dans ce cas du dichromate de potassium K2Cr207. 2-3) Déshydratation Une déshydratation est une réaction chimique au cours de laquelle une molécule d'eau est produite. Une molécule d'alcool peut se déshydrater en éliminant les atomes 0 et H de son groupe caractéristique et un atome H d'un carbone voisin. II se forme alors un alcène. La réaction chimique, dans le cas de l'hexan-1-ol, est : C4H9-CH2-CH2-OH ---> C4H9-CH=CH2 + H20 Cette réaction est souvent effectuée en présence d'acide chlorhydrique, et l'alcène formé peut être mis en évidence par un test au dibrome, caractéristique de la famille des alcènes. Une déshydratation est une réaction d'élimination dont la particularité est de provoquer d'importantes modifications du squelette carboné : • Modification de la géométrie : l'environnement des atomes de carbone portant les atomes qui vont être éliminés est tétraédrique avant la réaction et plan après la déshydratation. • Modification des liaisons : le squelette carboné n'a initialement que des liaisons simples et possède, à l'état final, une double liaison. 2-4) Substitution Au cours d'une réaction de substitution, un groupe d'atomes est remplacé par un autre groupe ou par un atome. Les alcools peuvent subir une telle transformation ; leur groupe caractéristique hydroxyle -OH peut, par exemple, être remplacé par un atome d'halogène. Chapitre C9 5 1ère S Chimie – Partie II Lycée St Jude EXEMPLE : La réaction du méthylpropan-2-ol avec l'acide chlorhydrique se traduit par C4H9-OH + H+(aq) + Cl-(aq) = C4H9-Cl + H20 Pour mettre en évidence le composé halogéné résultant de la réaction de substitution par un test au nitrate d'argent alcoolique, il est indispensable d'isoler le produit formé. En effet, les ions chlorure en excès donnent aussi un précipité avec les ions argent et le test peut être faussement positif. Une réaction de substitution, contrairement à une réaction d'élimination, ne provoque pas de modification du squelette carboné (Fig. 8 et g). 3) Passage d’un groupe caractéristique à un autre Exercices 8-12 page 229 et 5-7-9-11 page 246-247 Chapitre C9 6
