Chimie organique - Ecole-Victor-Brodeur
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Chimie organique Chimie 12 La chimie organique • La chimie organique est l'étude des molécules composées de carbone et d'hydrogène. • Parmi ces molécules, on trouve notamment celles qui sont à la base de la vie : acides aminés, protéines, glucides, lipides, ADN, ARN, etc... Versatilité du carbone • • • • Non métal Groupe 4 du tableau périodique Forme principalement des liaisons covalentes Les liaisons peuvent êtres simples, doubles ou triples, • Caténation : capacité de former des longues chaines d'atomes de carbone, ouvertes ou fermées auxquelles d'autres atomes s'accrochent Une série homologue Pour classer les nombreuses molécules à base de carbone, on va distinguer : – Si les atomes de carbone forment une chaîne ou un anneau – Si seuls des atomes d'hydrogène sont attachés aux atomes de carbone Une série homologue est une ensemble de molécules qui ne diffèrent que par un groupement – CH2 – Caractéristiques Tous les éléments d'une série homologue : – Contiennent le même groupe fonctionnel – Ont la même formule brute – Ont des propriétés chimiques similaires – Ont des propriétés physiques qui suivent la même tendance Les alcanes • Définition : les alcanes sont des hydrocarbures saturés. CnH2n+2 • Formule brute : • Représentations : Nomenclature des alcanes • Pour les chaînes carbonées linéaires : N Nom Formule 1 méthane CH4 2 éthane C2H6 3 propane C3H8 4 butane C4H10 5 pentane C5H12 6 hexane C6H14 7 heptane C7H16 Les alcanes courants brûleur à propane bonbonne de butane production de méthane combustion d'éthane BP - Alberta - 2001 Propriétés physiques Nom Formule État Point de fusion Point d'ébullition Masse volumique Méthane CH4 Gaz 91 109 0,466 Éthane C2H6 Gaz 90 186 0,572 Propane C3H8 Gaz 83 231 0,585 Butane C4H10 Gaz 135 273 0,601 Pentane C5H12 liquide 144 309 0,626 Hexane C6H14 liquide 178 342 0,659 Représentation des composés • La formule moléculaire : C3H8 • La formule structurale : – Complète – Condensée : CH3(CH2)2CH3 – linéaire ou CH3CH2CH2CH3 Les isomères Les isomères sont des composés qui ont la même formule moléculaire mais des formules structurales différentes. – Chaines carbonées linéaires – Ramifications Ex: le butane et un de ses isomères Nomenclature - suite Pour les alcanes à chaîne carbonée ramifiée, il faut : – Identifier et nommer le groupe principal – Identifier et nommer le groupe ramifié – Construire le nom final en spécifiant : 1) Le numéro du carbone ramifié 2) Le nom du groupement 3) Le nom de la chaîne principale Nomenclature des groupes alkyles N Nom Formule 1 méthyl- CH3- 2 éthyl- C2H5- 3 propyl- C3H7- 4 butyl- C4H9- 5 pentyl- C5H11- Les composés cycliques • On rajoute le préfixe cyclo- devant le nom : Les alcènes • Définition : les alcènes sont des hydrocarbures insaturés qui possèdent une double liaison carbonée. • Formule : • Représentation : CnH2n Nomenclature des alcénes • Pour les chaînes carbonées linéaires : N Nom Formule 2 éthène (éthylène) C2H4 3 propène C3H6 4 butène C4H8 5 pentène C5H10 6 hexène C6H12 7 heptène C7H14 8 octène C8H16 Nomenclature - suite • Pour les alcènes à chaîne carbonée ramifiée, on utilise la même technique que pour les alcanes • Si il y a plusieurs groupes ramifiés, on les classe par ordre alphabétique. • On doit identifier où se trouve la double liaison : hex-1-ène = la double liaison se trouve entre le premier et le deuxième carbone Attention : en anglais, 1-hexene Les alcynes • Définition : les alcynes sont des hydrocarbures insaturés qui possèdent une triple liaison carbonée. • Formule : • Représentation : CnH2n-2 Nomenclature des alcynes Pour les chaînes carbonées linéaires : N Nom Formule 2 éthyne (acétylène) C2H2 3 propyne C3H4 4 butyne C4H6 5 pentyne C5H8 6 hexyne C6H10 7 heptyne C7H12 8 octyne C8H14 Les alcools • Définition : les alcools sont des alcanes qui possèdent une fonction alcool, -OH. • Formule : • Représentation : CnH2n+1OH Nomenclature des alcools Pour les chaînes carbonées linéaires : N Nom Formule 1 méthanol CH3OH 2 éthanol C2H5OH 3 propanol C3H7OH 4 butanol C4H9OH 5 pentanol C5H11OH 6 hexanol C6H13OH 7 heptanol C7H15OH Les acides carboxyliques • Définition : les acides carboxyliques sont des alcanes qui possèdent une fonction acide carboxylique , -COOH. • Formule : • Représentation : CnH2n+1COOH Nomenclature des acides Pour les chaînes carbonées linéaires : N Nom Formule 0 Acide méthanoïque HCOOH 1 Acide éthanoïque CH3COOH 2 Acide propanoïque C2H5COOH 3 Acide butanoïque C3H7COOH 4 Acide pentanoïque C4H9COOH 5 Acide hexanoïque C5H11COOH 6 Acide heptanoïque C6H13COOH Les esters • Définition : les esters sont des molécules organiques composées de deux chaînes carbonées, l'une issue d'un alcool, l'autre d'un acide carboxylique. • Formule : • Représentation : R1COOR2 Nomenclature des esters • Il faut identifier la chaîne carbonée provenant de l'acide : – Elle deviendra un -oate • Il faut identifier la chaîne carbonée provenant de l'acool : – Elle deviendra un -yle • On associe les deux : – Ex : propanoate de méthyle – En anglais : methyl propanoate Les aldéhydes et les cétones • Définition : les aldéhydes et les cétones sont des molécules organiques dans lesquels la fonction carbonyle est présente. • Représentation : Les aldéhydes Les cétones Nomenclature & Propriétés • Pour les aldéhydes, suffixe en -al • Pour les cétones, suffixe en -one Butanal pentan-2-one • Propriétés : – Sucres simples – Le formol (solution de méthanal) – Arômes et parfums (le citral) Les halogénoalcanes • Définition : hydrocarbure dans lequel un hydrogène a été remplacé par un halogène • Représentation : R – X où X = F, Cl, Br, I • Nomenclature : préfixe composé du nom de l'halogène, fluoro-, chloro-, bromo- ou iodo-. iodométhane chloro-2-propane Les composés aromatiques Définition : hydrocarbure dérivé du benzène, C6H6. chlorobenzène méthylbenzène phénol Les mines Définition : composés dérivés de l'ammoniaque et de formule brute : R – NH2 propanamine méthanamine butan-2 -amine Primaire, secondaire, tertiaire • Un atome de carbone primaire est attaché au groupe fonctionnel et à au moins deux atomes d'hydrogène. • Un atome de carbone secondaire est attaché au groupe fonctionnel et à un atome d'hydrogène. • Un atome de carbone tertiaire est attaché au groupe fonctionnel et à aucun atome d'hydrogène. primaire secondaire tertiaire Volatilité La volatilité est une mesure de la facilité avec laquelle une substance s'évapore. Plus une substance est volatile plus son point d'ébullition est faible. ⟶ dépend des forces intramoléculaires – La volatilité diminue lorsque la taille de la molécule augmente – La volatilité augmente avec le nombre de ramifications – La volatilité dépend de la nature du groupe fonctionnel Alcanes>halogénoalcanes>aldéhydes>cétones>amines>alcools>acides carboxyliques + volatile - volatile Réactivité des alcanes Les alcanes sont constitués de liens C-C (348 kJ.mol-1)et C-H (412 -1 kJ.mol ) qui sont forts. Ces composés sont très stables et peu réactifs. Les liens C-C et C-H sont également apolaires donc les molécules ne réagiront pas avec des nucléophiles (donneur d'électrons) ou des électrophiles (receveur d'électrons) . Combustion des alcanes La combustion des alcanes est très exothermique car les liens C=O et O-H sont très forts. Ils sont donc utilisés comme carburants ou pour le chauffage. CH4(g) + 2O2(g) ⟶ CO2(g) + 2H2O(l) ΔH0 = -890 kJ.mol-1 Cependant si l'oxygène est limitée, la combustion peut être incomplète : 2CH4(g) + 3O2(g) ⟶ 2CO(g) + 4H2O(g) CH4(g) + O2(g) ⟶ C(s) + 2H2O(g) Alcanes et halogènes Les alcanes sont des hydrocarbures saturés. Un hydrogène peut donc être remplacé par un halogène dans une réaction de substitution. CH4(g) + Cl2(g) ⟶ CH3Cl(l) + HCl(g) nécessite soleil ou UV CH4(g) + 2Cl2(g) ⟶ CH2Cl2(l) + 2HCl(g) La réaction est difficile à contrôler et le résultat va être un mélange des deux produits, Les radicaux libres Les particules avec un électron libre sont appelés des radicaux libres. Cl – Cl ⟶ Cl + Cl ΔH0 = +242 kJ.mol-1 Réaction photochimique : rayons UV suffisent Fission homolytique CH4 + Cl ⟶ CH3 + HCl CH3 + Cl2 ⟶ CH3Cl + Cl ⇒ Réaction en chaîne Réaction en chaîne Initiation : Cl2(g) ⟶ 2Cl(g) Propagation : CH4(g) + Cl(g) ⟶ CH3(g) + HCl(g) CH3(g) + Cl2(g) ⟶ CH3Cl(g) + Cl(g) Terminaison : 2Cl(g) ⟶ Cl2(g) Le chlorométhane est utilisé dans la préparation des Cl(g) + CH3(g) ⟶ CH3Cl(g) polymères du silicone CH3(g) + CH3(g) ⟶ C2H6(g) Réaction globale : Cl2(g) + CH4(g) ⟶ CH3Cl(g) + HCl(g) Les alcènes et l'hydrogène Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés. Ils vont donc pouvoir participer à des réactions d'addition. Réaction d'hydrogénation : + H2 Ni, 180°C Ce processus est utilisé dans l'industrie pour convertir les huiles insaturés en gras plus solides comme la margarine Les alcènes et les halogènes Réactions d'halogénation : + Br2 Réactions avec des halogénures d'hydrogène: + HCl Réactions avec l'eau H2SO4 Test d'insaturation Étant donné que les alcènes peuvent participer à une réaction mais pas les alcanes, on peut utiliser cette caractéristique pour tester un échantillon. On utilise en général de l'eau bromée : Br2(aq) + H2O(l) ⟶ HBr(aq) + HBrO(aq) couleur foncée C2H4(g) + HBrO ⟶ C2H4BrOH incolore La polymérisation des alcènes La polymérisation est un processus d'addition de petites molécules organiques pour former une macro-molécule. Le monomère est la molécule de départ Le polymère est la macromolécule obtenue. La polymérisation des alcènes Polymérisation de l'éthène ⟶ le polyéthylène Éthène + chlore ⟶ chloroéthène Polymérisation du chloroéthène ⟶ le PVC Éthène + benzène ⟶ styrène Polymérisation du styrène ⟶ le polystyrène La combustion des alcools La combustion des alcools est une réaction très exothermique. La quantité d'énergie relâchée augmente avec le nombre de carbones car la quantité de CO2 produite augmente. 2CH3OH(l) + 3O2(g) ⟶ 2CO2(g) + 4H2O(l) C2H5OH(l) + 3½O2(g) ⟶ 2CO2(g) + 3H2O(l) Si l'oxygène est limité, la combustion des alcools sera incomplète et va produire du monoxyde de carbone. ΔH0 = -762 kJ.mol-1 ΔH0 = -1371 kJ.mol-1 Oxydation des alcools Les alcools primaires : Oxydation en deux étapes : aldéhyde puis acide carboxylique. [O] représente l'agent oxydant qui peut être par exemple du dichromate de potassium (VI) acidifié. Après chauffage, Cr(VI) est réduit en Cr(III) et l'alcool est oxydé. Oxydation des alcools Les alcools secondaires : Oxydation en une étape : transformation en cétone. Là-aussi, l'agent oxydant peut être du dichromate de potassium (VI) acidifié. Après chauffage, Cr(VI) est réduit en Cr(III) et l'alcool est oxydé. Les alcools tertiaires ne peuvent pas être oxydés (pas de H). Produits de l'oxydation Dinitrophénylhydrazine : ppt orange pour aldéhydes et cétones Les alcools primaires et secondaires sont oxydés en cétones et aldéhydes qui portent le groupe fonctionnel >C=O. • Une solution de 2,4dinitrophenylhydrazine forme un précipité orange avec les aldéhydes et les cétones qui peut être cristallisé pour déterminer son point de fusion. • Pour différencier un aldéhyde d'une cétone, la liqueur de Fehling ou le réactif de Tollens peuvent oxyder l'aldéhyde. Test de fehling : ppt orange après chauffage Réaction de Tollens : miroir d'argent Halogénoalcanes et NaOH Les halogénoalcanes sont des hydrocarbures saturés mais l'halogène peut être remplacé par un autre atome dans des réactions de substitution. Le lien carbone-halogène est en effet polarisé et donc susceptible d'être attaqué par des nucléophiles comme OH-. Ces réactions sont appelés des substitutions nucléophiles et notées SN. CFCs ou chlorofluorocarbones Halogénoalcanes primaires Substitution nucléophile en deux étapes : État transitoire Formation d'alcool CH3CH2Br(aq) + OH-(aq) ⟶ CH3CH2OH(aq) + Br-(aq) Substitution nucléophile bimoléculaire ou SN2 Halogénoalcanes tertiaires Substitution nucléophile en deux étapes due à l'encombrement stérique : lent Perte de l'halogène et ionisation : Fissure hétérolytique rapide Formation d'un alcool Substitution nucléophile unimoléculaire ou SN1 Mécanismes réactionnels alcane dihalogénoalcane trihalogénoalcane halogénoalcane alcène polyalcène alcool aldéhyde acide carboxylique cétone Réaction de substitution Réaction d'addition Réaction d'oxydation SN1 et SN2
