Les squelette carboné

Mme GRISARD
Chimie C : La chimie créatrice
CHAPITRE : . . . . .
Le squelette carboné
Classe :
1ère S
lundi 17 avril 2017
Objectifs : reconnaître une chaîne carbonée saturée linéaire ou non. Donner le nom des alcanes (en se limitant aux
alcanes comportant une chaîne de 6 atomes de carbone au plus). Reconnaître la présence d’une liaison double
sur une chaîne carbonée (alcènes et dérivés éthyléniques). Donner les formules brute et semi-développée
d’une molécule simple. Prévoir les isomères de constitution d’une molécule à partir de sa formule brute (en
se limitant aux alcanes comportant une chaîne de 6 atomes de carbone au plus). A partir d’un monomère
CH2CHA, écrire le motif du polymère obtenu par polyaddition -(-CH2-CHA-)-n.
I. La diversité des chaînes carbonées
Les molécules organiques présentent des enchaînements d’atomes de carbone (appelée chaînes
carbonées) auxquels sont liés d’autres atomes (hydrogène, oxygène …)
a)
Différentes chaînes carbonées
Chaîne linéaire, chaîne ramifiée
Dans le cas d’une chaîne carbonée linéaire, en suivant les atomes de carbone, on peut parcourir
tout le squelette carboné sans passer deux fois par le même carbone, ni revenir à l’atome de départ.
Exemples (à connaître), les 6 premiers alcanes linéaires sont : méthane, éthane, propane, butane,
pentane, hexane
1)
Dans le cas d’une chaîne ramifiée, un(ou plusieurs) atome de carbone est directement lié avec au
moins trois autres carbones.
Exemple :
 2-méthylbutane (voir p. 141 Fig. 5)
Dans le cas d’une chaîne cyclique, on peut revenir à l’atome de départ sans passer deux fois par le
même carbone.
Exemple : cyclopentane (voir p. 141 Fig. 7c)
2) Chaîne saturée, chaîne insaturée
Dans une chaîne saturée, les atomes de carbone sont liés entre eux par des liaisons simples.
Dans une chaîne insaturée, il existe au moins une double liaison ou une triple liaison entre deux
atomes de carbone.
Exemple : ce sont les alcènes et alcynes
 éthène (ou éthylène) H2C = CH2
 éthyne (ou acéthylène) HC ≡ CH
 pent-1-ène (voir p.142 Fig.8)
b)
Les alcanes
Définition : Les alcanes sont des hydrocarbures saturés acycliques, linéaires ou ramifiés, de
formule brute CnH2n+2.
Règles de nomenclature :
 la chaîne principale donne le dernier mot du nom de l’alcane : c’est la chaîne carbonée la
plus longue
 les chaînes ramifiées sont des groupes alkyles : on écrit leur nom en remplaçant la
terminaison –ane de l’alcane correspondant à leur nombre d’atomes par la terminaison –yl,
puis on les classe par ordre alphabétique
 on numérote la chaîne principale de façon que l’ensemble des indices soit le plus petit
possible, puis on place devant chaque groupe le numéro du carbone de la chaîne principale
sur lequel il est fixé, suivi d’un tiret qui le lie à son groupe.
voir p. 140
1
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c) Les formules d’une molécule
Formule brute : La formule brute indique la nature et le nombre des atomes qui constituent la
molécule.
La formule développée plane indique tous les atomes de la molécule et les doublets liants entre eux.
Dans la formule semi-développée, on ne dessine pas les doublets relatifs aux atomes d’hydrogène.
Dans l’écriture topologique, on ne dessine ni les atomes de carbone ni les atomes d’hydrogène qui
leur sont liés. Les chaînes carbonées sont dessinées en zig-zag : chaque sommet d’un zig-zag
représente un atome de carbone et le nombre d’hydrogènes nécessaires pour que cet atome respecte
la règle de l’octet.
Exemple : cholestérol, carotène…
d) Les isomères de constitution
Les isomères de constitution sont des molécules ayant la même formule brute mais une formule
développée ou semi-développée différente.
Exemple : Il existe plusieurs formules semi-développées de la molécule C4H10O
On distingue :
 l’isomérie de chaîne (ou de squelette) : l’enchaînement des atomes de carbone est différent
Exemple :
CH3
CH
CH2OH
butan-1-ol CH3CH2CH2CH2OH et 2-méthylpropan-1-ol
CH
3

l’isomérie de position : le groupe fonctionnel ou la double liaison n’est pas au même endroit
de la chaîne
H3C CH2
CH
CH3
Exemple : butan-1-ol CH3CH2CH2CH2OH et butan-2-ol
OH
 l’isomérie de fonction : les groupes fonctionnels sont différents
Exemple : butan-1-ol CH3CH2CH2CH2OH et éthoxyéhane (éther)
H3C
CH2
O
CH2
CH3
e) L’isomérie de configuration Z-E
Les isomères de configuration ont le même enchaînement de tous leurs atomes, seule la disposition
dans l’espace diffère.
Exemple :
 (Z) 4-méthylpent-2-ène et (E) 4-méthylpent-2-ène (voir livre p.143)
 Acide butènedioïque : acide (Z)-butènedioïque (ou acide maléïque) et acide (E)butènedioïque (ou acide fumarique)
L’existence de cette isomérie est due à l’absence de libre rotation dans l’espace de la double liaison.
II. Séparer les composés organiques grâce à leurs propriétés
physiques
a)
Influence de la chaîne carbonées sur les propriétés physiques
AP : Solubilité de quelques alcools
Dans des tubes à essai numérotés, mettre environ 5 mL d’eau puis, à l’aide d’un compte-gouttes, ajouter goutte à goutte
les alcools proposés dans le tableau ci-dessous. Après chaque goutte, agiter et observer la miscibilité, ou non, des
espèces du mélange. Noter les résultats.
Les alcools proposés ont des densités voisines donc il n’est pas nécessaire d’utiliser une pipette graduée pour ajouter
des quantités de matière rigoureusement identiques compte-tenu de l’objectif.
Éthanol(1)
d
0,7800
2
Solubilité dans l’eau
très soluble
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Hexan-1-ol(2)
Dodécan-1-ol(3)
0,8100
0,8200
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peu soluble
insoluble
L’éthanol dénaturé (53 F HT le litre),
l’hexan-1-ol à 98% (103 F HT le litre),
(3)
le dodécan-1-ol à 98% (134 F HT le litre) conviennent.
(1)
(2)
AE : Température d’ébullition
n(1)
1
1
1
2
2
2
3
3
Type de composé
(groupe caractéristique)
Alcane R-H
Composé chloré linéaire R-Cl
Alcool linéaire R-OH
Alcane R-H
Composé chloré linéaire R-Cl
Alcool linéaire R-OH
Alcane R-H
Composé chloré linéaire R-Cl
eb (°C) à
Nom
Méthane
1-chlorométhane
méthanol
Ethane
Propane
3
Alcool linéaire R-OH
4
Alcane R-H
Butane
4
Composé chloré linéaire R-Cl
4
Alcool linéaire R-OH
5
Alcane R-H
Pentane
5
Composé chloré linéaire R-Cl
5
Alcool linéaire R-OH
6
Alcane R-H
Hexane
6
Composé chloré linéaire R-Cl
6
Alcool linéaire R-OH
7
Alcane R-H
Heptane
7
Composé chloré linéaire R-Cl
7
Alcool linéaire R-OH
8
Alcane R-H
Octane
8
Composé chloré linéaire R-Cl
8
Alcool linéaire R-OH
9
Alcane R-H
Nonane
9
Composé chloré linéaire R-Cl
9
Alcool linéaire R-OH
10
Alcane R-H
Décane
10
Composé chloré linéaire R-Cl
10
Alcool linéaire R-OH
11
Alcane R-H
Undécane
12
Alcane R-H
Dodécane
(1)
Nombre d’atomes de carbone de la chaîne carbonée
i.
ii.
iii.
iv.
1,013 bar
- 161.7
- 24
65
- 88.6
12
78
- 42.1
47
Formule brute
CH4
CH3Cl
CH3OH
Masse molaire
moléculaire
97
- 0.5
78
117
36.1
108
138
68.7
134
157
98.4
160
176
125.7
183
196
150.8
203
215
174.0
223
235
195.8
216.3
Compléter le tableau en insérant nom, formule brute et masse molaire moléculaire.
Tracer sur un même graphe les 3 courbes correspondant à ce tableau (tracé informatique ou sur papier millimétré) :
En bleu eb = f(n) pour les alcanes, en rougeeb = f(n) pour les composés chlorés, en vert eb = f(n) pour les alcools.
Comparer la température d’ébullition d’alcanes entre eux.
Comparer, à masses molaires moléculaires proches (p.e. même nombre d’atomes de carbone), alcanes, alcools et
composés chlorés.
3
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Température d'ébullition en fonction du nombre
d'atomes de carbone
Teb (°C)
300
RH
250
RX
200
ROH
150
100
50
n atomes de C
0
-50 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-100
-150
-200
Conclusion : Les propriétés physiques d’une espèce chimique dépendent principalement de la
longueur de son squelette carboné. Les propriétés chimiques d’une espèce
chimique dépendent principalement de son ou ses groupe(s) caractéristique(s).
 Température de changement d’état (ébullition ou fusion) : la température de changement
d’état augmente lorsque la longueur de la chaîne linéaire augmente, elle diminue lorsque le
nombre de ramifications augmente
 Densité : la densité d’une substance augmente lorsque la longueur de sa chaîne carbonée
augmente.
 Solubilité : la solubilité dans l’eau diminue lorsque la longueur de la chaîne carbonée
augmente.
b) Application à la distillation fractionnée
La distillation fractionnée utilise les différences de température d’ébullition des composés.
Dans une colonne de Vigreux, un cycle vaporisation-condensation se produit sur chacune des
pointes de verre de la colonne. Au sommet de la colonne, on recueille le composé le plus volatil :
celui dont la température d’ébullition est la plus basse. Sa distillation se fait à température constante
égale à la température d’ébullition de ce composé tant qu’il en reste dans le mélange.
Dans l’industrie, on utilise des tours de distillation : un cycle vaporisation-condensation se produit
sur chaque plateau de la colonne. On recueille à chaque niveau un mélange de composés ayant
sensiblement la même température d’ébullition.
voir p.156
III. Modification du squelette carboné par réaction chimique
Certaines transformations chimiques permettent de modifier le squelette carboné des molécules organiques pour
améliorer leurs propriétés physiques.
a)
Raccourcir des molécules
Définition : Le craquage consiste à raccourcir des molécules en coupant leurs chaînes carbonées.
Exemples :
 Craquage catalytique :
hexane

but-1-ène + éthane
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CH3
CH2
CH2
CH2
CH2
catalyseur
CH3
CH3
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CH2
CH
CH2
CH3
+
CH3
450 °C

Vapocraquage :

butane
CH3
CH2
CH2
éthène + dihydrogène
vapeur d’eau
CH3
2 CH2
CH2
+
H2
800 °C basse pression
b)
Reformer des molécules
Définition : Le reformage modifie la chaîne carbonée des molécules sans modifier le nombre
d’atomes de carbone de la molécule.
Il permet de :
 Ramifier des molécules par isomérisation
 Cycliser des molécules par cyclisation
 Déshydrogéner et cycliser des molécules par déshydrocyclisation
Exemples : voir livre p.159
c)
Allonger des molécules
Définition : La polymérisation est une transformation chimique qui forme des liaisons entre un
grand nombre de petites molécules appelées monomères afin de fabriquer une
macromolécule (très longue molécule) appelée polymère.
Exemples :
 La polyaddition permet d’additionner des monomères par rupture d’une partie d’une double
liaison du monomère.
H H
La polyaddition de l’éthylène C  C (monomère), conduit à la formation du polyéthylène :
H H
H H
H H
H H
H H
H H
H  C  C  C  C  C  C  ... ...  C  C  C  C  H . Ce polymère s’écrit : – [–CH2– CH2–]n–
H H

H H
H H
H H
H H
La polycondensation permet de fabriquer des polymères en attachant des monomères entre
eux avec formation d’une molécule d’eau.
Exemple : synthèse enzymatique de l’amidon chez les plantes :
glu cose
n CH2OH
catalyseur
  

polymérase
C4H8O
amidon  eau
CH2
CH2OH
5
C4H8O
CH2O
n
+ n H2O