- LES HYDROCARBURES - I - Les éléments hydrogène et carbone

Rappels de chimie organique © Christian Brissaud page 1
- L ES HYDROCARBURES -
I -
Les éléments hydrogène et carbone
1. L’hydrogène
Numéro atomique Z = 1 ; répartition des électrons (K
1
) ; modèle de Lewis : H • ; l’hydrogène est monovalent.
Dans une formule développée on aura : H
2. Le carbone
Numéro atomique Z = 6 ; répartition des électrons (K
2
,L
4
) ; modèle de Lewis ; le carbone est tétravalent.
 Ses différentes structures
a) carbone tétragonal
- Lié à 4 atomes par 4 simples liaisons, il est au centre d’un tétraèdre régulier.
- Représentation en perspective :
- Chaque simple liaison permet la libre rotation autour de son axe.
b) carbone trigonal
- Lié à 3 atomes par une double liaison et 2 simples liaisons.
- Les 3 directions sont coplanaires.
- La double liaison interdit toute rotation autour de son axe.
c) carbone digonal (hors programme)
ou
II -
Les alcanes (C
n
H
2n+2
)
1. Définition
Ce sont des hydrocarbures (constitués uniquement d’hydrogène et de carbone) saturés et acycliques. Tous les atomes de
carbone sont tétragonaux.
Propriété structurelle : il y a libre rotation autour de chaque axe carbone-carbone, et donc la possibilité de déformation
des molécules autour de ces axes.
2. Les premiers alcanes à chaîne linéaire
méthane
CH
4
pentane C
5
H
12
nonane C
9
H
20
éthane
C
2
H
6
hexane C
6
H
14
décane C
10
H
22
propane
C
3
H
8
heptane C
7
H
16
undécane C
11
H
24
butane
C
4
H
10
octane C
8
H
18
... ...
3. Les groupes alkyles non ramifiés
En retirant un atome d’hydrogène à une molécule d’alcane on obtient un groupe alkyle : C
n
H
2n+1
_
Exemples : méthyle
CH
3
_ propyle
C
3
H
7
_ pentyle
C
5
H
11
_
éthyle
C
2
H
5
_ butyle
C
4
H
9
_ ...
...
4. Nomenclature des alcanes ramifiés
La chaîne carbonée la plus longue est appelée chaîne principale. C’est elle qui détermine le nom de l’alcane.
.
C
.
.
.
C
C
dans le plan de la feuille
sort vers l’avant
sort vers l’arrière
C
C
C

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Les atomes de carbone de la chaîne principale sont numérotés (2 numérotations possibles) en minimisant les indices de
position des ramifications.
Le nom complet de l’alcane est constitué des noms des ramifications alkyles , dans l’ordre alphabétique, précédées de
leur indice de position (séparé par un tiret) et suivi du nom de l’alcane.
Remarque :
- On élide le « e » final des groupes alkyles.
- Si il y a plusieurs groupes alkyles identiques, leur nombre est indiqué à l’aide d’un préfixe di, tri, tétra ...
Exemple :
CH
3
CH
2
CH CH
2
CH CH
3
C
2
H
5
CH
3
4 - éthyl - 2 méthylhexane
5. Réactions chimiques
Les alcanes donnent lieu à des réactions de substitution : un ou plusieurs atomes d’halogène peuvent se substituer à
un ou plusieurs atomes d’hydrogène.
Exemples :
L’action du dichlore sur le méthane donne du monochlorométhane et du chlorure d’hydrogène :
CH
4
+ Cl
2
→ CH
3
Cl + HCl
N . B . La chaîne carbonée est totalement conservée.
III -
Les cyclanes (C
n
H
2n
)
Hydrocarbures saturés (atomes de carbone tétragonaux) dont la chaîne carbonée principale est refermée sur elle-même
formant un cycle.
Nomenclature : nom de l’alcane précédé du préfixe cyclo.
Exemple :
Le cyclohexane de formule brute : C
6
H
12
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
ou
(Formule topologique)
N . B . cette molécule n’est pas plane, du fait de la présence des atomes de carbone tétragonaux.
IV -
Les alcènes (C
n
H
2n
)
1. Définition
Ce sont des hydrocarbures insaturés, acycliques, caractérisés par la présence d’une (seule) double liaison carbone-
carbone (présence de deux atomes de carbone trigonaux) .
Propriété structurelle : la présence de cette double liaison a pour conséquences :
- Une structure plane autour des deux atomes de carbone trigonaux.
- La rotation impossible autour de cet axe carbone-carbone, et donc la possibilité d’avoir des stéréoisomères Z et E
(anciennement cis et trans)
2. Nomenclature
La terminaison « ane » de l’alcane correspondant est remplacée par la terminaison « ène » précédé de l’indice de
position (le plus petit possible) de la double liaison.
La chaîne principale est la chaîne la plus longue comportant la double liaison.
Exemple : isomères de formule brute C
4
H
8
CH
2
CH CH
2
CH
3
but-1-ène
CH
3
CH
3
C C (Z)-but-2-ène
H H
CH
3
H
C C (E)-but-2-ène
H CH
3

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Remarque : le nom courant de l’éthène (CH
2
= CH
2
) est éthylène.
3. Réactions chimiques
Les alcènes donnent lieu à des réactions d’addition ; la double liaison peut « s’ouvrir » : les atomes de carbone
trigonaux fixant chacun un atome (ou groupe) supplémentaire pour passer à une structure tétragonale (saturée).
a) Hydrogénation : addition de dihydrogène
C C + H H → C C
(Alcène) (Alcane)
H H
b) Hydratation : addition d’eau
C C + H OH → C C
(Alcène) (Alcool)
H OH
Règle de Markownikov (à retenir) : lors d’une addition, l’hydrogène se fixe préférentiellement sur l’atome de
carbone le plus hydrogéné.
Exemple :
CH
3
CH CH
2
+ H  OH → CH
3
CHOH CH
3
et non CH
3
CH
2
CH
2
OH
c) Polymérisation par polyaddition : addition, les unes aux autres, de molécules identiques
C C + C C + ... → C C C C ....
ou
n . C C → C C
(monomère) (polymère)
( )
n
Exemples de polymères :
CH
2
CHCl polychlorure de vinyle
CF
2
CF
2
polytétrafluoroéthylène
ou téflon
CH
2
CH polystyrène
( )
n
C
6
H
5
( )
n
( )
n
V -
Les alcynes (C
n
H
2n-2
) (hors programme)
1. Définition
Hydrocarbures insaturés, acycliques, caractérisés par la présence d’une triple liaison carbone-carbone.
2. Nomenclature
Elle dérive de celle des alcènes avec comme terminaison « yne » au lieu de « ène»
Exemples : CH
≡ CH (C
2
H
2
) éthyne ou acétylène
CH ≡ CH  CH
3
(C
3
H
4
) propyne

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CH
3
 C C  CH
3
(C
2
H
2
) but-2-yne
3. Réactions
Comme les alcènes, les alcynes donnent lieu à des réactions d’addition par « ouverture » de la triple liaison ; ce qui
conduit à la formation de composés comportant une double ou une simple liaison carbone-carbone.
VI -
Hydrocarbures benzéniques ou hydrocarbures aromatiques (arènes)
(paradoxalement hors programme mais à connaître)
1. La molécule de benzène (C6H6)
C’est le plus simple des hydrocarbures aromatiques.
Le squelette carboné est formé de six atomes de carbone dont les noyaux sont situés aux sommets d’un hexagone
régulier. Cet hexagone est plan.
Chaque atome de carbone a trois électrons de valence engagés dans les simples liaisons covalentes carbone-hydrogène
ou carbone-carbone.
Les six électrons de valence restants sont délocalisés sur l’ensemble des six atomes de carbone formant le cycle. Une
telle structure assure à la molécule de benzène une grande stabilité. Ces six électrons sont représentés schématiquement
par un cercle situé à l’intérieur de l’hexagone.
C
C C
C
C C
HH
HH
H
H
ou
Représentation conventionnelle de la molécule de benzène
L’ensemble des 6 atomes de carbone ainsi liés est appelé noyau (ou cycle) benzénique ou noyau (ou cycle) aromatique.
On trouve aussi, une autre représentation de la molécule de benzène :
Cette autre représentation (3 doubles liaisons et 3 simples liaisons) permet de tenir compte de la réactivité du benzène :
possibilité de réactions d’addition (simultanément, toutefois, sur les six atomes de carbone).
2. Les groupes Aryles
Groupes monovalents dérivés d’hydrocarbures aromatiques monocycliques et possédant la valence libre sur un carbone
du cycle.
Le plus simple des groupe Aryle est le groupe phényle :
3. Quelques hydrocarbures aromatiques et dérivés
CH
3
Toluène
O-Xylène
CH
3
CH
3
C H
Cumène
CH
3
CH
3
CH CH
2
Styrène
naphtalène

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O H
Phénol
O H
Acide salicylique
C O O H
C O O H
Aspirine
O O C CH
3
4. Les réactions
a) Les réactions de substitution sont plus nombreuses que pour les alcanes.
Exemples de produits de substitution
mononitrobenzène
NO
2
monochlorobenzène
Cl
Trinitrotoluène
(T.N.T)
CH
3
NO
2
NO
2
NO
2
b) Les réactions d’addition sont moins nombreuses que pour les alcènes (elles se font simultanément sur les six
atomes de carbone) .
Exemple :
C
6
H
6
+ 3H
2
→ C
6
H
12
(L’hydrogénation du benzène conduit à la formation du cyclohexane) .