Fiches de séquences de leçons - Site Maintenance in progress

MINISTÈRE DE LA COMMUNAUTÉ FRANCAISE
ADMINISTRATION GÉNÉRALE DE L'ENSEIGNEMENT
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
Service général des Affaires pédagogiques, de la Recherche en Pédagogie et du Pilotage
de l'Enseignement organisé par la Communauté française
Inspection de l’enseignement secondaire
Centre d’Autoformation (CAF) de Tihange
TROISIÈME DEGRÉ (5e et 6e)
Fiches de séquences de leçons
Travail collectif réalisé par des professeurs de chimie
sous la direction des Inspecteurs Philippe ARNOULD et Jacques FURNÉMONT
et de Pierre COLLETTE, Formateur au CAF
2002
Plan général du document
CHIMIE ORGANIQUE ( I )
1. Du pétrole à l'essence …………………….…….….
page 3
2. Des dérivés du pétrole aux matières plastiques …. page 25
CHIMIE ORGANIQUE ( II )
1. Les molécules du vivant …………………………….. page 51
2. Les alcools ……..…………………………………….. page 53
3. Les aldéhydes et les cétones ………………………. Page 78
4. Les acides carboxyliques …………………………… page 93
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 1
CHIMIE ORGANIQUE ( I )
SOMMAIRE
1. Du pétrole à l'essence………………………………………………………page 3
Fiche n°1 :
Comment fabrique-t-on de l'essence automobile ?
Fiche n°2 :
Comment obtient-on de l'essence automobile à partir du pétrole raffiné ?
Fiche n°3 :
Classons les modèles moléculaires éclatés des substances obtenues après les
divers traitements du pétrole.
Fiche n°4 :
Représentons toutes les formules développées correspondant à une formule
moléculaire donnée.
Fiche n°5 :
Comment nomme-t-on les alcanes ?
Fiche n°6 :
Quelles sont les propriétés des alcanes ?
2. Des dérivés du pétrole aux matières plastiques ……………… page 25
Fiche n°7 :
Que contient la fraction liquide obtenue lors du craquage des paraffines (alcanes
complexes) ?
Fiche n°8 :
Quels sont les autres types d'hydrocarbures formés lors du craquage des
paraffines ?
Fiche n°9 :
Comment peut-on interpréter la décoloration du brome par les alcènes ?
Fiche n°10 :
La règle empirique de MARKOWNIKOV affirme que lors d'une addition d'un
composé hydrogéné sur un alcène dissymétrique, l'hydrogène se fixe sur le
carbone le moins substitué (le plus hydrogéné).
Comment peut-on justifier cette règle ?
Fiche n°11 :
Les alcènes sont des matières premières à partir desquelles on produit certaines
matières plastiques. Comment se produisent ces réactions chimiques de
polymérisation ?
Fiche n°12 :
Comment se nomment les alcènes ?
Fiches n°13 :
Représentons toutes les formules développées correspondant à la formule
moléculaire du butène C4H8.
Fiches n°14 :
Etendons les règles de nomenclature et les propriétés des alcènes aux alcynes
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 2
1. Du pétrole à l'essence
.
Au cours de cette séquence, nous vous proposons de répondre aux questions suivantes :
• Fiche n°1 : Comment fabrique-t-on de l'essence automobile ?
• Fiche n°2 : Comment obtient-on de l'essence automobile à partir du pétrole raffiné ?
• Fiche n°3 : Classons les modèles moléculaires éclatés des substances obtenues après les
divers traitements du pétrole.
• Fiche n°4 : Représentons toutes les formules développées correspondant à une formule
moléculaire donnée.
• Fiche n°5 : Comment nomme-t-on les alcanes ?
• Fiche n°6 : Quelles sont les propriétés des alcanes ?
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 3
Organique ( I ) - Fiche n°1
Idée : Comment fabrique-t-on de l'essence automobile ?
Action (Si possible projection d'un film sur la distillation du pétrole)
On donne
• une information : les pétroles(*) sont des mélanges complexes d'hydrocarbures
(combinaisons d'hydrogène et de carbone, [C1 à C40]). Pour séparer les
constituants du pétrole brut, on le distille.
• un schéma figuratif d'une colonne de distillation fractionnée à la pression
atmosphérique, et son schéma de fonctionnement.
,
ZOOM
gaz,
éther de pétrole
calotte de
barbotage
t°< 60°C
trop-plein
essence
60°C< t° eb.<175°C
kérosène
pétrole
brut à
375°C
vapeurs de
pétrole
condensat
175°C< t°eb. <275°C
gazole
275°C< t°eb. <350°C
fraction lourde :
fioul, huiles,
paraffines, bitume
t° eb. > 350°C
On demande
1. Explique le fonctionnement de la colonne à distiller industrielle.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
(*)
étymologie latine "petra" (pierre) et "oleum" (huile).
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 4
INFORMATION
Les essences recueillies lors de la distillation fractionnée supportent mal les taux de
compression élevés des moteurs à explosion modernes. Il faut donc leur faire subir
un traitement supplémentaire : c'est le réformage.
Voici par exemple trois modèles d'hydrocarbures obtenus par distillation dans la
fraction C7-C8 (molécules comportant 7 et 8 carbones) :
n-heptane :
Légende :
méthylheptane :
: atome d'hydrogène
: atome de carbone
n-octane :
Un meilleur carburant obtenu par réformage des octanes aurait les caractéristiques
suivantes :
formule moléculaire (brute) : C8H18
nom : 2,2,4-triméthylpentane
modèle moléculaire :
formule développée :
H
|
H H-C-H H H
H
|
|
|
|
|
H—C— C — C — C — C—H
|
|
|
|
|
H H-C-H H H-C-H H
|
|
H
H
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 5
A l'époque où le 2,2,4-triméthylpentane était le meilleur carburant connu, on lui avait
attribué arbitrairement un indice de qualité 100 (indice d'octane) tandis que le
heptane normal (n-heptane), carburant médiocre, avait reçu l'indice 0.
Actuellement, il existe des carburants supérieurs au 2,2,4-triméthylpentane. Dès lors
leur indice d’octane dépasse 100.
Carburant
Indice d'octane
n-heptane
0
2,4-diméthylpentane
83
Euro 95
95
Euro 98
98
2,2,4-triméthylpentane
100
Super +
110
benzène
117
toluène
119
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 6
Organique ( I ) - Fiche n°2
Idée : Comment obtient-on de l'essence automobile à partir du pétrole raffiné ?
Action :
gaz et éthers de pétrole
DÉSULFURATION
DISTILLATION A PRESSION
ATMOSPHÉRIQUE
On donne
le schéma de la distillation du pétrole à la pression atmosphérique
essences
réformage
carburants
kérosène
gazole
craquage catalytique
fioul, huiles de graissage ,
paraffines, bitume.
On demande de préciser le rôle des processus suivants :
craquage catalytique :
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Pour confirmer le rôle du craquage catalytique, on peut réaliser le craquage des paraffines(*).
réformage :
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
(*)
Voir page 104 de "Chimie organique" M.E.R.F. - C.T.P. Frameries, J-L Bouxin et R.Vanwuytswinkel
Réédition de 1996
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 7
Conclusion
Le craquage catalytique :
La distillation du pétrole fournit des fractions en quantités variables selon
l'origine du pétrole. Malheureusement, les fractions lourdes sont généralement
abondantes alors que le marché exige de grandes quantités d'essences. Le
craquage permet de répondre à cette exigence : sous l'action de la chaleur et
de catalyseurs, les molécules des fractions lourdes (gazole) sont transformées
en molécules plus légères (essences).
Le réformage :
Les moteurs à explosion modernes exigent des carburants de haute qualité
supportant la compression, les essences obtenues au cours de la distillation
ne répondent pas à ces spécifications. Le processus de réformage a pour objet
d'améliorer la qualité des essences en augmentant leur indice d’octane : sous
l'action de la chaleur et de catalyseurs, les chaînes carbonées linéaires sont
réorganisées en chaînes carbonées ramifiées.
Information complémentaire
La distillation sous vide : Les hydrocarbures lourds supportent mal les
températures élevées car celles-ci provoquent la dégradation des chaînes
carbonées. Pour séparer les différents constituants de la fraction lourde, on est
amené à la distiller sous une pression réduite. Cette faible pression présente
l'avantage d'abaisser les températures d'ébullition et permet la séparation des
différents constituants. On obtient ainsi du fioul lourd, des huiles de graissage, des
vaselines et des paraffines. La dernière partie non distillable constitue le bitume.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 8
1. Lecture d'un texte sur la pollution atmosphérique
Par l'utilisation de carburants et de combustibles fossiles tels que le pétrole et le charbon,
nos sociétés modernes rejettent dans l'atmosphère des substances nuisibles appelées
« polluants ». Les polluants classiques, sont les oxydes de soufre, SO2 et SO3
(représentés par SOx), les oxydes d'azote, NO et NO2 (représentés par NOx), les oxydes
de carbone, CO et CO2, et enfin les hydrocarbures imbrûlés (représentés par HC). Nous
passerons en revue tous ces polluants et quelques mesures qui permettent d'en limiter la
production.
La pollution aux oxydes de soufre est très préoccupante. Dans l'air, ces oxydes se
transforment rapidement en acides sulfureux et sulfurique qui jouent un rôle non
négligeable dans la formation des « smogs » des villes
de nos régions tempérées. Ils sont également
responsables des pluies acides qui non seulement
dévastent les forêts de conifères mais encore rongent
les pierres calcaires des plus beaux édifices du
patrimoine mondial.
Les animaux et les hommes ne sont pas épargnés car
les SOx diminuent l'élasticité pulmonaire et favorisent
des maladies comme la bronchite chronique et
l'emphysème pulmonaire.
Diverses méthodes peuvent être envisagées pour
Gargouilles de Notre Dame de Paris
contrôler la quantité du SO2 rejeté dans l'atmosphère.
Photo P. Collette (1991)
La première consiste à désulfurer les carburants et
combustibles sortant des raffineries et à brûler des charbons pauvres en soufre. Une
alternative serait de débarrasser les produits d'oxydation des combustibles fossiles des
oxydes de soufre en les faisant passer au travers d'un épurateur contenant, par exemple,
une suspension aqueuse d’hydroxyde de calcium.
Les oxydes d'azote, produits par la circulation urbaine sans cesse croissante, sont
coresponsables des pluies acides. En outre, ils constituent une catégorie importante de
polluants à effet indirect : ils sont impliqués dans l'apparition de smogs photochimiques
conduisant notamment à la formation d'ozone.
Les hydrocarbures imbrûlés engendrent parfois des hydrocarbures polycycliques
carcinogènes, comme le benzopyrène et le benzanthracène, abondants notamment dans
les fumées et suies s'échappant des moteurs diesels.
Le monoxyde de carbone, résultat des combustions incomplètes, représente un des
principaux polluants de l'air dans les zones urbaines. Il s'agit d'un toxique respiratoire qui
empêche irréversiblement la fixation de dioxygène sur l'hémoglobine.
L'utilisation des pots catalytiques a heureusement permis d'éliminer la majeure partie des
oxydes d'azote (NOx), des hydrocarbures imbrûlés (HC) et du monoxyde de carbone
présents dans les gaz d'échappement des véhicules roulant à l'essence. Par ailleurs, les
catalyseurs ont exigé la production d'essences sans plomb car celui-ci « empoisonne » le
catalyseur et le rend inopérant.
Quant aux fumées et suies des moteurs diesels, de grands progrès ont été accomplis
avec la découverte de carburants "verts" résultant de la réaction de l'huile de colza et du
méthanol (diester) ou avec la mise au point d'une émulsion stable de gazole dans l'eau
(aquazole).
Enfin, le dioxyde de carbone, bien qu'il soit un constituant naturel de l'atmosphère, y est
rejeté en quantités phénoménales. Il serait responsable d'un effet de serre provoquant un
réchauffement général de l’atmosphère et des modifications climatiques qui, si l'on n'y
prend garde, risquent de provoquer des catastrophes écologiques à plus ou moins long
terme. Le premier remède consiste à éviter l'utilisation intempestive des combustibles et
carburants fossiles ...
(document de professeurs de chimie - décembre 1998)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 9
Organique ( I ) - Fiche n°3
Idée : Classons les modèles moléculaires éclatés des substances obtenues
après les divers traitements du pétrole.
Action :
On donne les modèles moléculaires suivants : méthane, éthane, éth(yl)ène, éthyne,
propane, prop(yl)ène, n-butane, 2-méthylbutane, diméthylpropane.
On demande
1. Observer pour classer sur la base d’un critère choisi librement :
Critère choisi
: ..................……..........................................................................................
Classification
:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Représenter la formule développée de chaque modèle
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 10
3. Classer les modèles dans l’organigramme suivant :
Formules
1,2,3,4,5,6,7,8,9
Toutes les liaisons sont-elles simples ?
OUI
................................
NON
................................
Quelle est le type de
la liaison multiple ?
Liaison double
................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 11
Liaison triple
................................
Conclusion
Classification des hydrocarbures à chaîne ouverte
1. Alcanes : toutes les liaisons "carbone-carbone" sont simples.
2. Alcènes : une des liaisons "carbone-carbone" est double.
3. Alcynes : une des liaisons "carbone-carbone" est triple.
Remarque :
Dans un souci de simplification de l'écriture, on peut également adopter des formules
semi-développées (*).
Exemple :
H H
|
|
H—C— C —H
|
|
H H
formule développée
H
H
|
|
H H-C-H H H-C-H H
|
|
|
|
|
H—C— C — C — C — C—H
|
|
|
|
|
H H-C-H H
H
H
|
H
(*)
CH3-CH3
ou
formule semi-développée
CH3
ou
CH3
CH3-C-CH2 -CH-CH 3
CH3
En principe, il faudrait donner une représentation stéréochimique (dans l’espace) de la molécule ;
cependant afin de simplifier, nous adopterons le plus souvent une représentation plane.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 12
Organique ( I ) - Fiche n°4
Idée : Représentons toutes les formules développées correspondant à une
formule moléculaire donnée
Action :
On donne le modèle du pentane non ramifié
On demande
1. Construis tous les modèles de la molécule du pentane en réarrangeant les
atomes.
2. Représente les formules développées et semi-développées des molécules
obtenues.
N° du modèle
Formule développée
Formule semi-développée
(1)
(2)
(3)
Conclusion
•
Des molécules de formules moléculaires identiques mais de formules
(semi-)développées différentes sont appelées des ISOMERES.
•
Les trois pentanes susmentionnés ne diffèrent que par le type de chaîne
carbonée, linéaire ou ramifiée, ce sont des ISOMERES DE CHAINE.
Remarque : Il existe d'autres isoméries. Citons : l'isomérie de position, l'isomérie de constitution,
l'isomérie géométrique et l'isomérie optique. Nous en parlerons dans les chapitres concernés.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 13
Organique ( I ) - Fiche n°5
Idée : Comment nomme-t-on les alcanes ?
Action :
On donne le tableau suivant
Formule semi-développée
Nom
CH4
méthane
CH3-CH3
éthane
CH3-CH2-CH3
propane
CH3-CH2-CH2-CH3
n-butane
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
n-pentane
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
n-hexane
CH3-CH-CH3
CH3
CH3-CH2-CH-CH3
CH3
méthylpropane
méthylbutane
CH3
CH3-C-CH3
diméthylpropane
CH3
CH3-CH2-CH2-CH-CH3
CH3
CH3-CH2-CH-CH2-CH3
CH3
2-méthylpentane
3-méthylpentane
CH3
CH3-CH-CH-CH2-CH3
2,3-diméthylpentane
CH3
CH3-CH2-CH-CH2-CH3
CH2
éthylpentane
CH3
On demande
1. Peux-tu prévoir le nom des hydrocarbures dont le nombre de carbones excède 6 ?
Formule moléculaire
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 14
Nom
2. A l'aide des critères suivants, dégage les règles de nomenclature.
• choix de la chaîne principale ;
ramification
• nom de la chaîne principale ;
• nom du (des) groupe(s) substituant(s) ;
• nombre de substituants identiques ;
• position des substituants sur la chaîne principale ;
• nécessité d'une numérotation des carbones de la chaîne principale ;
• sens de la numérotation.
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
3. Quelle est la formule générale des alcanes ?
Cn H.......
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 15
Conclusion
Règles de nomenclature des alcanes (CnH2n+2)
1. les hydrocarbures "linéaires" (non ramifiés)
1.1.
1.1.
Le nom des alcanes dépend du nombre de carbones de la chaîne
carbonée : préfixe + "ane"
Préfixe
nombre de carbone
méth-
1
éth-
2
prop-
3
but-
4
pent-
5
hex-
6
hept-
7
oct-
8
non-
9
déc-
10
Un alcane linéaire est qualifié de "normal". Son nom sera précédé de
"n-" si plusieurs isomères non linéaires de cet alcane existent.
2. Les hydrocarbures ramifiés
2.1.
La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée
"linéaire" la plus longue : préfixe + suffixe "-ane"
2.2.
Nom des ramifications : préfixe + suffixe "-yl" (groupe alkyle, la lettre
e s ‘élide dans les noms composés)
2.3.
Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des
substituants par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl").
Quand il y a ambiguïté sur la position du substituant, il est précédé
du n° du carbone de la chaîne principale sur lequel il est fixé. Le sens
de la numérotation sera imposé par des indices de position les plus
petits (la somme des indices doit être minimale).
2.4.
Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du
substituant du préfixe "di-", pour trois, "tri"...
Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement alphabétique
des groupes alkyles.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 16
Organique ( I ) - Fiche n°6
Idée : Quelles sont les propriétés des alcanes ?
Action :
On donne : des expériences à réaliser
1. Le gaz alimentant les becs Bunsen est soit du méthane (gaz naturel), du propane
ou du butane (gaz en bonbonne).
On ouvre le robinet de gaz du bec bunsen et on enflamme le gaz, virole ouverte
puis virole fermée (*).
Combustion virole ouverte (observations et équation) : ........................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Combustion virole fermée (observations et équations) : .........................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
2. Dans un tube à essais contenant un ou deux mL d'heptane (**), on verse une
petite quantité de solution de brome dans CCl4. Cette expérience sera réalisée …
a) sous un éclairage intense
b) en l’absence de lumière.
Observations :
Sol . Br2 dans CCl4
papier
tournesol
humecté
a) ............................................................
................................................................
................................................................
b) ............................................................
................................................................
heptane
................................................................
1) Complète l'équation représentant une des réactions possibles ?
C7H16 + Br2 → .........................................................................................................
(*)
Voir page 105 de "Chimie organique" M.E.R.F. - C.T.P. Frameries, J-L Bouxin et R.Vanwuytswinkel
Réédition de 1996
(**)
Voir page 102 de "Chimie organique" ...
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 17
Conclusion
Propriétés chimiques des alcanes :
♦ Les alcanes sont des substances relativement peu réactionnelles.
♦ Ils ne comportent que des liaisons simples. Ils sont dits saturés. Ils ne
peuvent donner lieu qu'à des réactions de substitutions, des réactions de
combustion et des réactions de dégradation du squelette carboné.
a) substitutions : RH + X2 (Cl2 ou Br2) → RX + HX
Mécanisme de la réaction CH4 (g) + Cl2 (g)
E. lum.
i)
phase d'initiation : Cl2 → 2Cl• (radical : atome ou groupe d'atomes
ayant un électron non apparié)
ii) phase de propagation : Cl• + CH4 →CH3• + HCl
CH3• + Cl2 → CH3Cl + Cl•
...
iii) phase de terminaison : réarrangement au hasard des derniers
radicaux.
La réaction est une réaction radicalaire en chaîne avec rupture
homolytique des liaisons (rupture symétrique : chaque atome conserve
un électron de liaison non apparié).
b) combustions :
i) incomplète : alcane +O2 → C (ou CO) + H2O
ii) complète : alcane +O2 → CO2 + H2O
c) dégradations :
t°
i) craquage : C22H46 → CH4 + C21H42
...
ii) réaction avec le fluor : CnH2n+2 + n+1 F2 → 2n+2 HF + n C
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 18
Information
Les alcanes dans la vie courante
• les carburants et combustibles :
− gaz de ville (naturel) : méthane ;
− gaz en bonbonne : propane et butane ;
− LPG : propane et butane ;
− kérosène : carburant pour l'aviation ;
− gazole : mazout de chauffage et carburant diesel ;
− fioul lourd : combustible de fours industriels et carburant de
moteurs de navire.
• les huiles de graissage :
− lubrifiants pour l'industrie ;
• les paraffines et vaselines : alcanes à chaînes complexes (ex.: C22H46)
− fabrication de bougies, encaustiques ;
− imperméabilisation du papier, du carton ...
• le bitume :
− fabrication du Roofing ;
− protection des tuyaux et des câbles d'acier ;
− revêtement des routes…
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 19
Application
1. Établis l'équation de combustion complète des hydrocarbures suivants :
CH4 (g) + O2 (g) →.....................................................................................................
C4H8 (g) + O2 (g) →....................................................................................................
C8H18 (g) + O2 (g) →..................................................................................................
2. Calcule la masse de dioxyde de carbone rejeté dans l'atmosphère par la
combustion complète d'un litre d'essence liquide (octane, C8H18) dont la masse
volumique vaut 0,9 kg.dm-3.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
3. Sachant que la combustion complète de 2,28 g d'une essence liquide donne 7,04
g de dioxyde de carbone et 3,24 g d'eau, déterminer la formule moléculaire de
cette essence (CxHy) sachant que sa masse molaire moléculaire vaut 114 g.mol-1.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 20
CONNAISSANCE CONSTRUITE (fiches 1 à 6)
PREMIERE SEQUENCE : DU PETROLE A L’ESSENCE
1. Comment fabrique-t-on de l'essence automobile ?
Distillation du pétrole brut
ZOOM
gaz,
éther de pétrole
calotte de
barbotage
t°< 60°C
trop-plein
essence
60°C< t° eb.<175°C
kérosène
pétrole
brut à
375°C
vapeurs de
pétrole
condensat
175°C< t°eb. <275°C
gazole
275°C< t°eb. <350°C
fraction lourde :
fioul, huiles,
paraffines, bitume
t° eb. > 350°C
La distillation du pétrole à la pression atmosphérique vise à séparer les
constituants du pétrole brut en diverses fractions.
les fractions légères (chaînes carbonées courtes) sont récupérées en tête de
colonne, les fractions lourdes (chaînes carbonées longues) se retrouvent en
bas de colonne.
Les hydrocarbures lourds supportent mal les températures élevées sans se
dégrader. Pour séparer les différents constituants de la fraction lourde, on est
amené à la distiller sous une pression réduite. Cette faible pression présente
l'avantage d'abaisser les températures d'ébullition et permet la séparation des
différents constituants. On obtient ainsi du fioul lourd, des huiles de graissage,
des vaselines et des paraffines. La dernière partie non distillable constitue le
bitume.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 21
gaz et éthers de pétrole
DÉSULFURATION
DISTILLATION A PRESSION
ATMOSPHÉRIQUE
2. Comment obtient-on de l'essence automobile à partir du pétrole raffiné ?
essences
réformage
carburants
kérosène
gazole
craquage catalytique
fioul, huiles de graissage ,
paraffines, bitume.
Traitements subis par le pétrole après distillation
• Craquage catalytique :
La distillation du pétrole fournit des fractions en quantités variables selon
l'origine du pétrole. Malheureusement, les fractions lourdes sont généralement
abondantes alors que le marché exige de grandes quantités d'essences. Le
craquage permet de répondre à cette exigence : sous l'action de la chaleur et
de catalyseurs, les molécules des fractions lourdes (gazole) sont transformées
en molécules plus légères (essences).
• Réformage :
Les moteurs à explosion modernes exigent des carburants de haute qualité
supportant la compression, les essences obtenues au cours de la distillation
ne répondent pas à ces spécifications. Le processus de réformage a pour objet
d'améliorer la qualité des essences : sous l'action de la chaleur et de
catalyseurs, les chaînes carbonées linéaires sont réorganisées en chaînes
carbonées ramifiées.
Informations complémentaires :
A l'époque où le 2,2,4-triméthylpentane était le meilleur carburant connu, on lui avait
attribué arbitrairement l'indice de qualité 100 (indice d'octane) tandis que le n
heptane, carburant médiocre, avait reçu l'indice d'octane 0.
Actuellement, il existe des carburants supérieurs au 2,2,4-triméthylpentane. Dès lors
leur indice d’octane dépasse 100.
Carburant
Indice d'octane
n-heptane
0
2,4-diméthylpentane
83
euro '95
95
euro '98
98
2,2,4-triméthylpentane
100
super +
110
benzène
117
Toluène
119
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 22
3. Classons les modèles moléculaires éclatés des substances obtenues après
les divers traitements du pétrole.
• Alcanes : toutes les liaisons "carbone-carbone" sont simples.
• Alcènes : une des liaisons "carbone-carbone" est double.
• Alcynes : une des liaisons "carbone-carbone" est triple.
4. Représentons toutes les formules développées correspondant à une
formule moléculaire donnée.
•
Des molécules de formules moléculaires identiques mais de formules
(semi-)développées différentes sont appelées des ISOMERES.
•
Si les molécules ne diffèrent que par le type de chaîne carbonée, linéaire ou
ramifiée, ce sont des ISOMERES DE CHAINE.
•
Il existe d'autres isoméries. Citons : l'isomérie de position, l'isomérie de constitution, l'isomérie
géométrique et l'isomérie optique. Nous en parlerons dans les chapitres concernés.
5. Comment nomme-t-on les alcanes ?
1) les hydrocarbures "linéaires" (non ramifiés)
a) Le nom des alcanes dépend du nombre de carbones de la chaîne
carbonée : préfixe + suffixe "ane"
Préfixe
nombre de carbone
méth-
1
éth-
2
prop-
3
but-
4
pent-
5
hex-
6
hept-
7
oct-
8
non-
9
déc-
10
b) Un alcane linéaire est qualifié de "normal", son nom sera précédé de "n" si plusieurs isomères non linéaires de cet alcane existent.
2) Les hydrocarbures ramifiés (la chaîne principale portant des substituants)
a) La chaîne carbonée principale est la chaîne carbonée "linéaire" la plus
longue : préfixe + suffixe "ane"
b) Nom des ramifications : préfixe + suffixe "yl" (groupe alkyle)
c) Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl"). Quand il y a
ambiguïté sur la position du substituant, il est précédé du n° du carbone
de la chaîne principale sur lequel il est fixé. Le sens de la numérotation
sera imposé par des indices de position les plus petits.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 23
d) Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du
substituant du préfixe "di-", pour trois, "tri"...
Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement alphabétique des
groupes alkyles.
6. Quelles sont les propriétés des alcanes ?
•
Les alcanes sont peu réactionnels.
•
Ils ne comportent que des liaisons simples, ils sont dits saturés, ils ne
peuvent donner lieu qu'à des réactions de substitutions, des réactions de
combustion et des réactions de dégradation du squelette carboné.
a) substitutions : RH + X2 (Cl2 ou Br2) → RX + HX
Mécanisme de la réaction CH4 (g) + Cl2 (g)
E. lum.
i) phase d'initiation : Cl2 → 2Cl• (radical = atome ou groupe d'atomes
ayant un électron non apparié)
ii) phase de propagation : Cl• + CH4 →CH3• + HCl
CH3• + Cl2 → CH3Cl + Cl•
...
iii) phase de terminaison : réarrangement au hasard des derniers
radicaux
La réaction est une réaction radicalaire en chaîne avec rupture
homolytique des liaisons (rupture symétrique : chaque atome conserve
un électron de liaison non apparié).
b) combustions :
i) incomplète : alcane +O2 → C (ou CO) + H2O
ii) complète : alcane +O2 → CO2 + H2O
c) dégradations :
t°
i) craquage : C22H46 → CH4 + C21H42
...
ii) réaction avec le fluor : CnH2n+2 + n+1 F2 → 2n+2 HF + n C
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 24
2. Des dérivés du pétrole aux matières plastiques
.
Au cours de cette séquence, nous vous proposons de répondre aux questions suivantes :
• Fiche n°7 :
Que contient la fraction liquide obtenue lors du craquage des paraffines
(alcanes complexes) ?
• Fiche n°8 :
Quels sont les autres types d'hydrocarbures formés lors du craquage des
paraffines ?
• Fiche n°9 :
Comment peut-on interpréter la décoloration du brome par les alcènes ?
• Fiche n°10 : La règle empirique de MARKOWNIKOV affirme que lors d'une addition d'un
composé hydrogéné sur un alcène dissymétrique, l'hydrogène se fixe sur le
carbone le moins substitué (le plus hydrogéné).
Comment peut-on justifier cette règle ?
• Fiche n°11:
Les alcènes sont des matières premières à partir desquelles on produit
certaines matières plastiques. Comment se produisent ces réactions
chimiques de polymérisation ?
• Fiche n°12 : Comment se nomment les alcènes ?
• Fiche n°13 : Représentons toutes les formules développées correspondant à la formule
moléculaire du butène C4H8.
• Fiche n°14 : Etendons les règles de nomenclature et les propriétés des alcènes aux
alcynes.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 25
Organique ( I ) - Fiche n°7
Idée : Que contient la fraction liquide obtenue lors du craquage des paraffines
(alcanes complexes) ?
Action
On donne : Nous avons vu dans la fiche n°6 que les alcanes ne décolorent le
brome qu’en présence de lumière.
On demande
1. Répéter l'expérience avec la fraction liquide obtenue lors du craquage catalytique
des paraffines (alcanes complexes).
solution de Br2 dans CCl4
1 mL de fraction liquide de craquage
2. Observations :
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
3. Répéter l'expérience en l'absence totale de lumière :
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
4. Conclusion :
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 26
Organique ( I ) - Fiche n°8
Idée : Quels sont les autres types d'hydrocarbures formés lors du craquage
des paraffines ?
Action
On donne : des équations chimiques représentant le craquage d'une paraffine
t°
C22H46 → C20H42 + C2H4
cat.
C18H38 + C4H8
C17H36 + C5H10
...
CH4 + C21H42
On demande
1. Ecris les formules générales des produits obtenus
Formule du
produit
Formule générale
Formule du
produit
C20H42
C2H4
C18H38
C4H8
C17H36
C5H10
CH4
C21H42
Formule générale
2. Ecris les formules développées des substances suivantes
Formule
moléculaire
Formule(s) développée(s)
C2H4
C4H8
3. Quel type d'hydrocarbures correspond à ces formules ?
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
t°
4. Complète l'équation générale suivante : paraffinecat
→. alcane + ..............................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 27
Organique ( I ) - Fiche n°9
Idée : Comment peut-on interpréter la décoloration du brome par les alcènes ?
Action
On donne les informations suivantes :
• le brome n'est pas capable de dégrader (rompre) les chaînes carbonées saturées,
• le brome se substitue à l’hydrogène d’un carbone saturé en présence de lumière.
On demande
1) Formule deux hypothèses quant à l’équation de la réaction entre le cyclohexène
et le dibrome :
a)
b)
+ Br2 →
........................................................................................
+ Br2 →
........................................................................................
2) Réalise l’expérience suivante dans la pénombre pour confirmer ou infirmer les
hypothèses proposées :
On verse un peu de brome dissous dans CCl4 dans un tube à essais contenant 1
mL de cyclohexène (C6H10).
Sol. De Br2
Observations :
dans CCl4
................................................................
papier
tournesol
humecté
................................................................
................................................................
................................................................
................................................................
................................................................
cyclohexène
................................................................
................................................................
3) Quelle équation est en accord avec l’expérience ? Justifier.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 28
Conclusion
♦ Si les alcènes sont produits par craquage, ils sont surtout fabriqués par
vapocraquage des fractions légères du pétrole.
♦ Les alcènes donnent lieu à des réactions d'addition car ils possèdent une
double liaison sur laquelle peuvent s'additionner des réactifs avides
d'électrons (électrophiles). Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés.
Comme le brome est capable de rompre une des liaisons de la double
liaison, celle-ci doit être formée de deux liaisons non équivalentes.
La plus faible des deux sera nommée π, la plus forte sera nommée σ.
Représentation : C
π
=
σC
♦ La mésomérie ou la résonance
Pour expliquer la réactivité des alcènes à partir de sa structure, nous
devons faire appel à un nouveau concept : la mésomérie.
Si nous représentons l'ion carbonate CO32- par une formule de Lewis, nous
obtenons :
O O=C
O Cette formule nous suggère que les liaisons entre C et O ne sont pas
équivalentes (une double liaison et deux simples liaisons); de même les
deux charges négatives seraient réparties sur deux des trois oxygènes.
Or, les mesures de longueur de liaison indique que les trois liaisons sont
équivalentes.
Liaison
Longueur moyenne en pm
C-O (de CH3-O-CH3)
141
C=O (de CH3-CO-CH3)
122
CO (dans
2CO3 )
131
De plus leur longueur suggère qu’elles sont intermédiaires entre une simple
et une double liaison.
Comme il n'est plus possible de représenter ce type de liaison intermédiaire
dans une formule de Lewis, ce modèle a atteint sa limite de validité. On doit
le faire évoluer.
Pour rendre compte des observations, il faut faire appel à la mésomérie. Ce
modèle permet d'utiliser les formules de Lewis en délocalisant les électrons
les plus "mobiles" (π
π et des doublets libres) afin de rechercher toutes les
structures plausibles de la molécule.
Pour décrire l'ion carbonate, nous obtenons ainsi 3 formes limites appelées
aussi formes mésomères ou encore formes de résonance(*) :
OO
OO=C
O-C
O-C
O
OO
(*)
Les formes de résonance n'ont aucune existence physique, elles ne sont qu'une vue de l'esprit et
les charges qui y apparaissent sont purement formelles (résultent d'un bilan théorique).
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 29
On dit que l'ion carbonate résonne entre ces trois structures limites.
L'ion réel est intermédiaire entre ces trois formes limites : c'est un hybride
de résonance.
O 22O C
Modèle de l'ion CO3 :
O
♦ Mécanisme de l'addition électrophile (*)
Réaction entre CH2=CH2 (éthène) et Br2 :
La molécule d'alcène résonne entre trois formes limites :
CH2 - CH2+
-
CH2 =CH2
CH2 - CH2-
+
L'expérience nous permet de justifier les étapes suivantes :
1. Dissociation hétérolytique de Br2 : Br2 → Br - + Br +
2. Addition électrophile de Br+ sur le site négatif :
CH2 - CH2- + Br + → +CH2 - CH2Br (carbocation intermédiaire)
Br
+
⊕
en réalité CH2 – CH2
3. Addition nucléophile de Br - sur le site positif :
CH2 - CH2Br + Br - → CH2Br - CH2Br
+
Application
1) Compléter les équations suivantes :
− CH2=CH2 + HBr → ............... ...................................................................................
H
+
− CH2=CH2 + H2O →...................................................................................................
− CH3-CH=CH2 + Cl2 → .............................................................................................
2) Evaluation formative : Propose un mécanisme de réaction expliquant l'effet
catalytique de H+ dans la réaction d'addition d'eau sur un alcène ?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Electrophile : qui aime les électrons → qui présente une affinité pour les charges négatives ;
nucléophile : qui aime les noyaux → qui présente une affinité pour les charges positives.
(*)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 30
Organique ( I ) - Fiche n°10
Idée : La règle empirique de MARKOWNIKOV affirme que lors d'une addition
d'un composé hydrogéné sur un alcène dissymétrique, l'hydrogène se
fixe sur le carbone le moins substitué (le plus hydrogéné).
Comment peut-on justifier cette règle ?
Action 1
On donne l'équation incomplète de la réaction d'addition du chlorure d'hydrogène
sur le propène : CH3-CH=CH2 + HCl → …
On demande
1. Complète l'équation en respectant la règle de Markownikov.
CH3-CH=CH2 + HCl → ..................................................................................................
2. Explicite deux variantes plausibles du mécanisme de réaction
1ère possibilité
ère
1
forme mésomère de CH3-CH=CH2 :
CH3 – CH = CH2 ↔ ……………….
2e possibilité
ème
2
forme mésomère de CH3-CH=CH2 :
CH3 – CH = CH2 ↔ ……………….
Équation de l’addition électrophile :
Équation de l’addition électrophile :
Équation de l’addition nucléophile :
Équation de l’addition nucléophile :
•
Quel est le carbocation formé à l'issue de l'addition électrophile compte tenu du
résultat de la réaction ?
.................................................................................................................................
Conclusion : Si ce carbocation est formé, il est donc plus stable.
Cette stabilité est justifiée par l'action suivante ...
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 31
Action 2
On donne des expériences pour comparer la polarisation de la liaison C-Cl dans
trois chlorobutanes différents :
On demande de compléter le tableau suivant.
Rappel : Mise en évidence des ions Cl- : Ag+ + Cl- → AgCl (s).
le précipité blanc obtenu noircit à la lumière (cf. photographie)
Expérience
Observations (5 minutes maximum)
.....................................................................................
0,2 mL de
CH3-CH2-CH2-CH2Cl
.....................................................................................
.....................................................................................
.....................................................................................
2 mL de AgNO3
(1% dans l'éthanol absolu)
.....................................................................................
.....................................................................................
0,2 mL de
CH3-CH2-CHCl-CH3
.....................................................................................
.....................................................................................
.....................................................................................
2 mL de AgNO3
(1% dans l'éthanol absolu)
.....................................................................................
0,2 mL de
CH3
.....................................................................................
|
.....................................................................................
CH3 - CCl
|
.....................................................................................
CH3
.....................................................................................
2 mL de AgNO3
(1% dans l'éthanol absolu)
.....................................................................................
1. Si on remplace les groupes alkyles (méthyle, éthyle, propyle, butyle ...) par le
symbole R, comment représentes-tu les 3 chlorobutanes précités?
CH3-CH2-CH2-CH2Cl :
-C-Cl
CH3-CH2-CHCl-CH3 :
-C-Cl
CH3
|
CH3 - CCl :
|
CH3
-C-Cl
2. A quoi peux-tu attribuer la différence de polarisation de la liaison C-Cl des trois
chlorobutanes ?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 32
......................................................................................................................................
Conclusion
•
Les groupes alkyles induisent une polarisation plus forte de la liaison C-Cl.
Plus on substitue les hydrogènes du carbone par des groupes alkyles, plus
la liaison se polarise et tend à devenir ionique.
•
Conséquence : plus le carbocation est substitué, plus il est stable.
Définitions :
Un carbone lié à un seul autre carbone sera dit PRIMAIRE
Un carbone lié à deux autres carbones sera dit SECONDAIRE
Un carbone lié à trois autres carbones sera dit TERTAIRE
Un carbone lié à quatre autres carbones sera dit QUATERNAIRE
Ainsi les carbocations tertiaires sont les plus stables (puisqu'il ne peut
exister de carbocation quaternaire).
Ex. :
CH3
|
CH3 - C +
|
CH3
•
Cet effet de polarisation induit le long de la chaîne carbonée s'appelle
EFFET INDUCTIF.
•
Si les (groupes d') atomes repoussent les doublets de liaison, on parlera
+
d'EFFET INDUCTIF REPULSIF ou EFFET INDUCTIF DONNEUR, noté I .
Ex. : groupes alkyles, éléments très peu électronégatifs (Na, K ...)
•
Si les (groupes d') atomes attirent les doublets de liaison, on parlera
d'EFFET INDUCTIF ATTRACTIF ou EFFET INDUCTIF CAPTEUR, noté I ..
Ex. : éléments très électronégatifs, OH ...
•
La règle de Markownikov s'explique par la stabilité relative du carbocation
intermédiaire formé au cours de l'addition électrophile.
Réaction d'addition : alcène + hydracide halogéné → dérivé halogéné
R-CH=CH2 + HX
→
R-CHX-CH3
addition électrophile : R-CH+-CH2- + H+ → R-CH+-CH3 (carbocation)
addition nucléophile : R-CH+-CH3 + X- → R-CHX-CH3
Application
1) CH3-CH2-C=CH2 + HBr → ........................................................................................
CH3
2) CH2=CH-CH2-CH3 + HCl → .....................................................................................
3) CH3- CH=CH-CH3 + HCl → .....................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 33
Organique ( I ) - Fiche n°11
Idée : Les alcènes sont des matières premières à partir desquelles on produit
certaines matières plastiques. Comment se produisent ces réactions
chimiques de polymérisation?
Action 1
On donne
1. Rappel : la principale propriété des alcènes résulte de leur caractère insaturé : ils
subissent très facilement des réactions d’addition.
2. Un protocole expérimental de fabrication du polystyrène (cf CHIMIE
ORGANIQUE - Centre technique et pédagogique de la Communauté française 1996 - page 119)
On demande
1. réaliser l’expérience ;
2. écrire l’équation de polymérisation :
.................................................................................................................................
Action 2
On donne
1. la réaction de polymérisation de l’éth(yl)ène en polyéth(yl)ène, catalysée par un
acide:
H
+
n CH2=CH2 → CH3-CH2-CH2-CH2-........-CH=CH2
(2n - 4) x CH2
On demande
Imagine un mécanisme permettant de passer du monomère CH2=CH2 au dimère
CH3-CH2-CH=CH2 puis au polymère.
Remarque : En présence d’acide ce mécanisme est nécessairement ionique.
Il existe cependant d’autres substances du type peroxyde appelées « initiateurs » qui imposent
un mécanisme radicalaire.
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 34
Conclusion
•
Les alcènes ont la propriété de s’additionner entre eux :
monomères identiques : polymérisation
Ex. : éth(yl)ène → polyéth(yl)ène)
monomères différents : copolymérisation
Ex. : éth(yl)ène + prop(yl)ène→
→ polyoléfine
•
Le mécanisme de réaction est radicalaire si la réaction est obtenue par
chauffage ou par l’addition d’un initiateur du type peroxyde
•
le mécanisme de réaction est ionique si la réaction est catalysée par un
acide :
Exemple de polymérisation de l’éth(yl)ène :
Résonance de l’éth(yl)ène : CH2=CH2 ↔ CH2- - CH2 +
Addition électrophile du catalyseur :
H+ + CH2- - CH2 + → CH3 - CH2+ (carbocation)
Addition du carbocation sur une autre molécule d’alcène :
CH3 - CH2+ + CH2- - CH2 + → CH3-CH2-CH2-CH2+
Propagation de la réaction en chaîne :
CH3-CH2-CH2-CH2+ + CH2- - CH2+ → CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2+
...
Terminaison, le catalyseur est régénéré :
CH3-CH2- ... -CH2-CH2+ → CH3-CH2- ... -CH--CH2+ + H+
CH3-CH2- ... -CH=CH2
•
Exemples de matières plastiques dans la vie courante
Matière plastique
Monomère
Exemples d’usages
PE (polyéthylène)
CH2=CH2
emballage
PP (polypropylène)
CH3-CH=CH2
jouet, emballage
PS (polystyrène)
CH2=CH
emballage,
isolation thermique (PS
expansé)
PVC (polyvinylchloré)
CH2=CHCl
châssis de fenêtre,
tuyau
PTFE (polytétrafluoroéthylène
ou téflon)
CF2=CF2
tuyau de décharge
joint de plomberie,
anti-adhérent
Pour plus d’informations et d’expériences sur les matières plastiques, se
référer au KIT PLASTIQUES DE FECHIPLAST...
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 35
Organique ( I ) - Fiche n°12
Idée : Comment se nomment les alcènes ?
Action
On donne le tableau suivant
Formule semi-développée
Nom
CH2=CH2
éthène ou éthylène
CH3-CH=CH2
propène ou propylène
CH3-CH2-CH=CH2
n-but-1-ène
CH3-CH=CH-CH3
n-but-2-ène
CH3-CH=CH-CH2-CH3
n-pent-2-ène
CH3-CH=C-CH2-CH3
CH3
3-méthylpent-2-ène
CH3
CH3-CH=C-CH-CH3
3,4-diméthylpent-2-ène
CH3
On demande
1. A l'aide des critères suivants, dégage les règles de nomenclature.
• choix de la chaîne principale ;
• nom de la chaîne principale ;
• position de la double liaison ;
• sens de la numérotation ;
• nom du (des) groupe(s) substituant(s) éventuel(s) ;
• nombre de substituants identiques ;
• position des substituants sur la chaîne principale ;
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
2. Quelle est la formule générale des alcènes ?
Cn H.......
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 36
Conclusion
Règles de nomenclature des alcènes (CnH2n)
1. les hydrocarbures "linéaires" (non ramifiés)
Le nom des alcènes dépend du nombre de carbones de la chaîne carbonée :
préfixe + "ène"
Préfixe
nombre de carbone
éth(yl)-
2
prop(yl)-
3
but-
4
pent-
5
hex-
6
hept-
7
oct-
8
non-
9
déc-
10
2. Les hydrocarbures ramifiés = chaîne principale portant des substituants
2.1.
Chaîne carbonée principale = chaîne carbonée "linéaire" la plus
longue contenant la double liaison : préfixe - indice de position "ène" Le sens de la numérotation sera imposé par l’indice de
position le plus petit pour le premier carbone porteur de la d.l.
2.2.
Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des
substituants par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl").
Quand il y a ambiguïté sur la position du substituant, il est précédé
du n° du carbone de la chaîne principale sur lequel il est fixé.
2.3.
Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du
substituant du préfixe "di-", pour trois, "tri"...
Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement alphabétique
des groupes alkyles.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 37
Organique ( I ) - Fiche n°13
Idée : Représentons toutes les formules développées correspondant à la
formule moléculaire du butène C4H8.
Action 1
On donne le modèle du but-1-ène
On demande
1. Construis tous les modèles de la molécule du butène en réarrangeant les atomes.
2. Représente les formules développées et semi-développées des molécules
obtenues.
N° du modèle
Formule développée
Formule semi-développée
(1)
(2)
(3)
(4)
3. Observe un des modèles repris ci-dessus. Que valent les angles entre les
liaisons du carbone insaturé ?
.......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 38
Action 2
On donne les définitions suivantes :
•
Les hydrocarbures dont les chaînes carbonées principales sont différentes
sont des ISOMERES DE CHAINE.
•
Les alcènes qui ne diffèrent que par la position de la double liaison dans
une chaîne carbonée principale de même longueur sont des ISOMERES DE
POSITION.
•
Les isoméres qui ne diffèrent que par la disposition des substituants par
rapport à la d.l. sont des ISOMERES GEOMETRIQUES Z/E (Zusammen /
Entgegen(*)) ou CIS/TRANS (du même côté de la d.l. / de part et d’autre de la
d.l.). Ce type d’isomérie résulte de l’absence de rotation libre autour de la
d.l.
On demande
1. Classe les couples de modèles (1)-(2), (1)-(3), (1)-(4), (2)-(3), (2)-(4), (3)-(4) dans
le tableau suivant :
ISOMERES DE CHAINE
ISOMERES DE
POSITION
ISOMERES
GEOMETRIQUES
Z/E (CIS/TRANS)
(*)
........................................ ........................................
........................................
........................................ ........................................
........................................
........................................ ........................................
........................................
........................................ ........................................
........................................
De l’allemand, zusammen : ensemble et entgegen : en face.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 39
Conclusion
•
Les butènes dont les chaînes carbonées principales sont différentes sont
des ISOMERES DE CHAINE
Formule semi-développée
Nom
CH3-CH2-CH=CH2
but-1-ène
CH3
CH=CH2
2-méthylpropène
CH3
•
•
Les butènes qui ne diffèrent que par la position de la double liaison dans
une chaîne principale à 4 carbones sont des ISOMERES DE POSITION.
Formule semi-développée
Nom
CH3-CH2-CH=CH2
but-1-ène
CH3-CH=CH-CH3
but-2-ène
Les isoméres qui ne diffèrent que par la disposition des substituants par
rapport à la d.l. sont des ISOMERES GEOMETRIQUES Z/E
(Zusammen/Entgegen) ou CIS/TRANS (du même côté de la d.l. - de part et
d’autre de la d.l.). Ce type d’isomérie résulte de l’absence de rotation libre
autour de la d.l.
Formule développée
H
H
Nom
H
E but-2-ène
C H
Ou but-2-ène trans
C=C
H C
H
H
H
H
H
C=C
H C
H
•
H
H
C H
Z but-2-ène
H
Ou but-2-ène cis
Les Z but-2-ène et E but-2-ène ont un squelette carboné coplanaire et les
angles entre les liaisons carbone-carbone valent 120°.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 40
Organique ( I ) - Fiche n°14
Idée : Etendons les règles de nomenclature et les propriétés des alcènes aux
alcynes.
1. Nomenclature
Formule semi-développée
Nom
CH≡
≡CH
éthyne ou acétylène
CH3-C≡
≡CH
propyne
CH3-CH2-C≡
≡CH
but-1-yne
CH3-C≡
≡C-CH3
but-2-yne
CH3-C≡
≡C-CH2-CH3
n-pent-2-yne
CH3-C≡
≡C-CH-CH3
4-méthylpent-2-yne
CH3
Les règles de nomenclature sont semblables à celles des alcènes,
le suffixe ène devient yne.
2. Propriétés chimiques
1) La propriété chimique principale des alcènes est liée à leur caractère
insaturé : ils subissent très facilement des réactions d’addition. Les
alcynes sont également des molécules insaturées car elles présentent
une triple liaison, ils sont donc susceptibles de présenter des réactions
d’addition (pas de polyaddition).
Exemples :
Pt
+ H2 excès
•
Addition de H2 : CH≡
≡CH + H2 → CH2=CH2
•
Addition de Br2 : CH≡
≡CH + Br2 → CHBr=CHBr
•
Addition de HCl : CH≡
≡CH + HCl → CH2=CHCl
•
Addition d’eau : CH≡
≡CH + H2O → CH2=CHOH (énol instable)
H
|
CH2=CHOH CH3-C=O (aldéhyde)
H
→
CH3-CH3
Pt
+ Br2 excès
→
CHBr2-CHBr2
+ HCl excès
→
CH3-CHCl2
+
Cet équilibre chimique entre deux isomères de fonction différente est
appelé TAUTOMERIE (ne pas confondre avec la RESONANCE)
Remarque : Seules deux des liaisons de la triple liaison sont impliquées
dans les additions, elles sont donc plus fragiles ce sont des liaisons π
(cfr. alcène)
- C CCAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 41
Légende :
: liaison π
: liaison σ
2) Une autre propriété des alcynes vrais (alc-1-yne) est leur caractère
acide en présence de base forte ou d’un alcalin :
R-C≡
≡C-H (acide de Brönsted) ∆ R-C≡
≡C- (base de Brönsted) + H+
Exemples :
•
CH3-C≡
≡CH + Na-NH2 → CH3-C≡
≡C-Na + NH3
•
CH3-C≡
≡CH + Na → CH3-C≡
≡C-Na + ½ H2
•
CH3-C≡
≡CH + CH3-CH2-Li → CH3-C≡
≡C-Li + CH3-CH3
3. Les alcynes dans la vie courante : l’acétylène
1) Formule : CH≡
≡CH
2) Usages :
• combustible des chalumeau pour la soudure ou le découpage des
métaux ;
• lampes à carbure des spéléologues.
3) Préparation :
θ
• CaO(s) + C(s) → CaC2(s)
Carbure de calcium
• CaC2(s) + H2O(l) → C2H2(g) + Ca(OH)2(aq)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 42
CONNAISSANCE CONSTRUITE (fiches 7 à 14)
DEUXIEME SEQUENCE : DES DERIVES DU PETROLE AUX MATIERES PLASTIQUES
7. Préparation des alcènes
Si les alcènes sont produits par craquage, ils sont surtout fabriqués par
vapocraquage des fractions légères du pétrole.
t°
CH3-CH3 → CH2=CH2 + H2
cat
8. Structure et propriétés chimiques des alcènes
Les alcènes donnent lieu à des réactions d'addition car ils possèdent une
double liaison sur laquelle peuvent s'additionner des réactifs avides
d'électrons (électrophiles) : les alcènes sont des hydrocarbures insaturés.
La double liaison est formée de deux liaisons non équivalentes.
La plus faible des deux sera nommée π, la plus forte sera nommée σ.
•
π
Représentation : C = C
σ
La mésomérie ou la résonance
Pour expliquer la réactivité des alcènes à partir de sa structure, nous
devons faire appel à un nouveau concept : la mésomérie.
Si nous représentons l'ion carbonate CO32- par une formule de Lewis, nous
obtenons :
O O=C
O Cette formule nous suggère que les liaisons entre C et O ne sont pas
équivalentes (une double liaison et deux simples liaisons); de même les
deux charges négatives seraient réparties sur deux des trois oxygènes.
Or, les mesures de longueur de liaison indique que les trois liaisons sont
équivalentes.
Liaison
Longueur moyenne en pm
C-O (de CH3-O-CH3)
141
C=O (de CH3-CO-CH3)
122
CO (dans CO32-)
131
De plus leur longueur suggère qu’elles sont intermédiaires entre une simple
et une double liaison.
Comme il n'est plus possible de représenter ce type de liaison intermédiaire
dans une formule de Lewis, ce modèle a atteint sa limite de validité. On doit
le faire évoluer.
Pour rendre compte des observations, il faut faire appel à la mésomérie. Ce
modèle permet d'utiliser les formules de Lewis en délocalisant les électrons
les plus "mobiles" (π
π et des doublets libres) afin de rechercher toutes les
structures plausibles de la molécule.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 43
Pour décrire l'ion carbonate, nous obtenons ainsi 3 formes limites appelées
aussi formes mésomères ou encore formes de résonance(*) :
OO=C
-
O
O-
O
-
-
O-C
O-C
O-
O
On dit que l'ion carbonate résonne entre ces trois structures limites.
L'ion réel est intermédiaire entre ces trois formes limites : c'est un hybride
de résonance.
O 22Modèle de l'ion CO3 :
O C
O
•
Addition électrophile(**) du brome sur un alcène
Réaction entre CH2=CH2 (éthène) et le Br2 :
La molécule d'alcène résonne entre trois formes limites :
CH2 - CH2+
-
CH2 =CH2
CH2 - CH2-
+
Mécanisme réactionnel (justifié par l’expérience) :
1. Dissociation hétérolytique de Br2 : Br2 → Br - + Br +
2. Addition électrophile de Br+ sur le site négatif :
CH2 - CH2- + Br + → +CH2 - CH2Br (carbocation intermédiaire)
Br
+
⊕
en réalité CH2 – CH2
3. addition nucléophile de Br - sur le site positif :
CH2 - CH2Br + Br - → CH2Br - CH2Br
+
•
Addition d’un hydracide sur un alcène
Règle de Markownikov : lors de l’addition d'un composé hydrogéné sur un
alcène dissymétrique, l'hydrogène se fixe sur le carbone le moins substitué
(le plus hydrogéné)
Jusrification de la règle : Les groupes alkyles induisent une polarisation
plus forte de la liaison C-Cl. Plus on substitue les hydrogènes du carbone
par des groupes alkyles, plus la liaison se polarise et tend à devenir
ionique. Conséquence : plus le carbocation est substitué plus il est stable.
Définitions :
Un carbone lié à un seul autre carbone sera dit PRIMAIRE
Un carbone lié à deux autres carbones sera dit SECONDAIRE
Un carbone lié à trois autres carbones sera dit TERTAIRE
Un carbone lié à quatre autres carbones sera dit QUATERNAIRE
(*)
Les formes de résonance n'ont aucune existence physique, elles ne sont qu'une vue de l'esprit et
les charges qui y apparaissent sont purement formelles (résultent d'un bilan théorique).
(**)
Electrophile : qui aime les électrons → qui présente une affinité pour les charges négatives ;
nucléophile : aime les noyaux → qui présente une affinité pour les charges positives.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 44
Ainsi les carbocations tertiaires sont les plus stables (puisqu'il ne peut
exister de carbocation quaternaire).
Ex. :
CH3
|
CH3 - C +
|
CH3
Cet effet de polarisation induit le long de la chaîne carbonée s'appelle
EFFET INDUCTIF.
Si les (groupes d') atomes repoussent les doublets de liaison, on parlera
+
d'EFFET INDUCTIF REPULSIF ou DONNEUR (I ).
Ex. : groupes alkyles, éléments très peu électronégatifs (Na, K ...)
Si les (groupes d') atomes attirent les doublets de liaison, on parlera
d'EFFET INDUCTIF ATTRACTIF ou CAPTEUR (I ).
Ex. : éléments très électronégatifs, OH ...
La règle de Markownikov s'explique par la stabilité relative du
carbocation intermédiaire formé au cours de l'addition électrophile :
Alcène + hydracide halogéné → dérivé halogéné
→ R-CHX-CH3
R-CH=CH2 + HX
Mécanisme réactionnel :
1. addition électrophile : R-CH+-CH2- + H+ → R-CH+-CH3 (carbocation)
2. addition nucléophile : R-CH+-CH3 + X- → R-CHX-CH3
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 45
•
Polyaddition ou polymérisation des alcènes
Les alcènes ont la propriété de s’additionner entre eux.
monomères identiques : polymérisation
Ex. : éth(yl)ène → polyéth(yl)ène)
monomères différents : copolymérisation
Ex. : éth(yl)ène + prop(yl)ène→
→ polyoléfine
Le mécanisme de réaction est radicalaire (chauffage ou addition d’un
initiateur du type peroxyde) ou ionique (catalyse acide).
Mécanisme ionique de la réaction catalysée par un acide
Exemple de polymérisation de l’éth(yl)ène :
Résonance de l’éth(yl)ène : CH2=CH2 ↔ CH2- - CH2 +
Addition électrophile du catalyseur :
H+ + CH2- - CH2 + → CH3 - CH2+ (carbocation)
Addition du carbocation sur une autre molécule d’alcène :
CH3 - CH2+ + CH2- - CH2 + → CH3-CH2-CH2-CH2+
Propagation de la réaction en chaîne :
CH3-CH2-CH2-CH2+ + CH2- - CH2+ → CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2+
...
Terminaison, le catalyseur est régénéré :
CH3-CH2- ... -CH2-CH2+ → CH3-CH2- ... -CH--CH2+ + H+
CH3-CH2- ... -CH=CH2
•
Exemples de matières plastiques
Matière plastique
Monomère
Exemples d’usages
PE (polyéthylène)
CH2=CH2
emballage
PP (polypropylène)
CH3-CH=CH2
jouet, emballage
PS (polystyrène)
CH2=CH
emballage,
isolation thermique (PS
expansé)
PVC (polyvinylchloré)
CH2=CHCl
châssis de fenêtre,
tuyau
PTFE (polytétrafluoroéthylène
ou téflon)
CF2=CF2
tuyau de décharge
joint de plomberie,
anti-adhérent
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 46
9. Règles de nomenclature des alcènes (CnH2n)
• les hydrocarbures "linéaires" (non ramifiés)
Le nom des alcènes dépend du nombre de carbones de la chaîne carbonée :
préfixe + "ène"
•
Préfixe
nombre de carbone
éth(yl)-
2
prop(yl)-
3
but-
4
pent-
5
hex-
6
hept-
7
oct-
8
non-
9
déc-
10
Les hydrocarbures ramifiés = chaîne principale portant des substituants
Chaîne carbonée principale = chaîne carbonée "linéaire" la plus longue
contenant la double liaison : préfixe - indice de position -"ène" Le sens
de la numérotation sera imposé par l’indice de position le plus petit pour
le premier carbone porteur de la d.l.
Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl"). Quand il y a
ambiguïté sur la position du substituant, il est précédé du n° du carbone
de la chaîne principale sur lequel il est fixé.
Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du
substituant du préfixe "di-", pour trois, "tri"...
Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement alphabétique des
groupes alkyles.
10. Isomérie des alcènes
•
Les alcènes dont les chaînes carbonées principales sont différentes sont
des ISOMERES DE CHAINE
Formule semi-développée
Nom
CH3-CH2-CH=CH2
but-1-ène
CH3
C=CH2
2-méthylpropène
CH3
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 47
•
•
Les alcènes qui ne diffèrent que par la position de la double liaison dans
une chaîne principale de même longueur sont des ISOMERES DE
POSITION.
Formule semi-développée
Nom
CH3-CH2-CH=CH2
but-1-ène
CH3-CH=CH-CH3
but-2-ène
Les isoméres qui ne diffèrent que par la disposition des substituants par
rapport à la d.l. sont des ISOMERES GEOMETRIQUES Z/E
(Zusammen/Entgegen) ou CIS/TRANS (du même côté de la d.l. - de part et
d’autre de la d.l.). Ce type d’isomérie résulte de l’absence de rotation libre
autour de la d.l.
Formule développée
H
H
Nom
H
E but-2-ène
C H
Ou but-2-ène trans
C=C
H C
H
H
H
H
H
C=C
H C
H
•
Z but-2-ène
C H
H
H
Ou but-2-ène cis
H
Les Z-but-2-ène et E-but-2-ène ont un squelette carboné coplanaire et les
angles entre les liaisons carbone-carbone valent de 120°.
11. Les alcynes (CnH2n-2) …
• Les règles de nomenclature sont semblables à celles des alcènes,
le suffixe ène devient yne.
12. Propriétés chimiques des alcynes
• Les alcynes sont des molécules insaturées car elles présentent une triple
liaison, ils sont donc susceptibles de présenter des réactions d’addition
(pas de polyaddition).
Ex. :
Pt
1) Addition de H2 : CH≡
≡CH + H2 → CH2=CH2
+ H2 excès
→
2) Addition de Br2 : CH≡
≡CH + Br2 → CHBr=CHBr
Pt
CH3-CH3
+ Br2 excès
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 48
→
CHBr2-CHBr2
Remarque : Seules deux des liaisons de la triple liaison sont impliquées
dans les additions, elles sont donc plus fragiles ce sont des liaisons π
(cfr. alcène)
- C C•
Légende :
: liaison π
: liaison σ
Une autre propriété des alcynes vrais (alc-1-yne) est leur caractère acide en
présence de base forte ou d’un alcalin :
R-C≡
≡C-H (acide de Brönsted) → R-C≡
≡C- (base de Brönsted) + H+
Ex : CH3-C≡
≡CH + Na-NH2 → CH3-C≡
≡C-Na + NH3
13. Les alcynes dans la vie courante : l’acétylène
• Formule : CH≡
≡CH
•
Usages :
combustible des chalumeaux pour la soudure ou le découpage des
métaux ;
lampes à carbure des spéléologues.
•
θ
Préparation :
CaO(s) + C(s) → CaC2(s)
Carbure de calcium
CaC2(s) + H2O(l) → C2H2(g) + Ca(OH)2(aq)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE - page 49
CHIMIE ORGANIQUE ( II )
SOMMAIRE
1. Les molécules du vivant ………………………………………… page 51
Fiche n°1 : De quelles substances chimiques les organismes vivants sont-ils constitués ?
2. Les alcools …………………………………………………………… page 53
Fiche n°2 : Toutes les boissons alcoolisées contiennent-elles le même alcool ?
Fiche n°3 : Quelles sont les relations entre la structure et les propriétés physiques des alcools ?
Fiche n°4 : Comment nomme-t-on les alcools ?
Fiche n°5 : Classons les alcools.
Fiche n°6 : Quelle est la relation entre la structure et la réactivité des alcools (R-O-H) ?
Peut-on prévoir où se produira la rupture de liaison lors d’une réaction chimique ?
Fiche n°7 : Comment fabrique-t-on le vinaigre à partir de vin ?
Fiche n°8 : L’oxydation d’un alcool donne-t-elle toujours un acide ?
3. Les aldéhydes et les cétones ………………………………… page 78
Fiche n°9 : Les molécules de sucres simples présentent-elles les mêmes fonctions chimiques ?
Fiche n°10 : Comment nomme-t-on les aldéhydes et les cétones ?
Fiche n°11 : Y a-t-il des réactions chimiques permettant de distinguer les aldéhydes et les
cétones ?
Fiche n°12 : Qu’est-ce que le dextrose ? Quelle est sa structure moléculaire ?
4. Les acides carboxyliques ………………………………………. page 93
Fiche n°13 : Qu’est-ce qu’un acide organique ?
Fiche n°14 : Comment nomme-t-on les acides carboxyliques ?
Fiche n°15 : Quelles sont les relations entre la structure et les propriétés physiques des
acides carboxyliques ?
Fiche n°16 : Les acides carboxyliques sont-ils comparables aux acides minéraux ?
Fiche n°17 : De quel(s) facteur(s) dépend la force des acides carboxyliques ?
Fiche n°18 : Quel est le résultat de la réaction entre un acide carboxylique et un alcool ?
Fiche n°19 : Comment nomme-t-on les esters ?
Fiche n°20 : Qu’est-ce qu’un savon ? Comment le fabrique-t-on ?
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 50
1. Les molécules du vivant
.
Au cours de cette séquence, nous vous proposons de répondre à la question suivante :
• Fiche n°1 : De quelles substances chimiques les organismes vivants sont-ils constitués ?
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 51
Organique ( II ) – Les molécules du vivant - Fiche n°1
Idée : De quelles substances chimiques les organismes vivants sont-ils
constitués ?
Action : On donne un texte à lire.
Les organismes vivants sont constitués de cellules. Celles-ci contiennent de l’eau et un
grand nombre de substances très différentes. Toutefois elles peuvent être regroupées en
cinq catégories principales: les sels minéraux, les glucides (sucres), les protides (protéines),
les lipides (huiles et graisses) et les acides nucléiques (ADN, ARN).
Ces quatre dernières classes de substances, d’origine exclusivement organique, sont
souvent constituées de macromolécules composées d’unités simples enchaînées les
unes aux autres. Ainsi :
• les glucides sont souvent des sucres complexes constitués de chaînes ou de réseaux
tridimensionnels de sucres simples comme le glucose et le fructose.
Formule semi-développée de la forme ouverte du glucose :
CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH=O ,
Formule semi-développée de la forme ouverte du fructose :
CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-C-CH2OH ,
||
O
•
les protéines sont des chaînes plus ou moins complexes d’acides aminés :
Modèle de la molécule d’insuline humaine
Structure générale d’un acide aminé :
H2N - CH – C - OH,
|
||
R
O (avec R ≡ chaîne carbonée)
•
les lipides sont des dérivés de la glycérine et d’acides gras :
CH2 – OH
|
CH – OH
|
CH2 – OH
(glycérine)
R – C=O
|
OH
(acide gras)
Conclusion
Les fonctions chimiques organiques oxygénées
couramment représentées dans ces molécules sont :
et
azotées
les
plus
la fonction alcool : -OH ;
les fonctions aldéhyde et cétone : - C=O , - C=O ;
la fonction acide : – C – OH ;
|
|
||
H
R
O
la fonction amine : - NH2 , - NH-R , - N – R .
|
R’
Nous étudierons ces fonctions, ainsi que quelques unes de leurs fonctions dérivées,
au cours de cette séquence.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 52
2. Les alcools
Au cours de cette séquence, nous vous proposons de répondre aux questions suivantes :
• Fiche n°2 : Toutes les boissons alcoolisées contiennent-elles le même alcool ?
• Fiche n°3 : Quelles sont les relations entre la structure et les propriétés physiques des
alcools ?
• Fiche n°4 : Comment nomme-t-on les alcools ?
• Fiche n°5 : Classons les alcools.
• Fiche n°6 : Quelle est la relation entre la structure et la réactivité des alcools (R-O-H) ?
Peut-on prévoir où se produira la rupture de liaison lors d’une réaction chimique ?
• Fiche n°7 : Comment fabrique-t-on le vinaigre à partir de vin ?
• Fiche n°8 : L’oxydation d’un alcool donne-t-elle toujours un acide ?
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 53
Organique ( II ) – Les alcools - Fiche n°2
Idée: Toutes les boissons alcoolisées contiennent-elles le même alcool ?
Action
1. Préliminaires (représentation de l’élève)
a) Qu’évoque pour toi le terme alcool ?
...................................................................................................................................
....................................................................................…………………......................
b) Connais-tu le nom de l’alcool (des alcools) contenu(s) dans les boissons
alcoolisées ?
...................................................................................................................................
................................................................................................................…………….
2. Comment fabrique-t-on les boissons alcoolisées ?
•
Quelle est la matière première utilisée pour la fabrication du vin ?
............................................................................................................................
•
Quelle est la matière première utilisée pour la fabrication de la bière ?
............................................................................................................................
Quel traitement fait-on subir à ces matières premières pour les transformer en
boisson alcoolisée (vin ou bière) ? (Si tu l’ignores, passe au point suivant …)
............................................................................................................................
•
On donne : une expérience à réaliser (en quelques minutes).
On demande : de compléter les observations et de répondre aux questions.
Schéma
Observations
......................................................................................................
......................................................................................................
......................................................................................................
......................................................................................................
......................................................................................................
......................................................................................................
......................................................................................................
......................................................................................................
......................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 54
a) Quelle est la nature du gaz dégagé lors de la réaction ? Justifie.
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
b) Ouvre le récipient. Quelle odeur s’en dégage ?
.............................................................................................................................
c) Complète la réaction chimique traduisant le phénomène observé :
Enzymes
Sucre
→ ................ + …………
de levures
Cette réaction porte le nom de fermentation alcoolique (elle est due à la
respiration anaérobie des levures)
3. Distillation d’un vin ou d’une bière « forte »
a) Fais le schéma de l’appareil à distiller.
b) A quelle température, l’alcool présent bout-il ?
.....................................................................
c) On donne : un tableau de différents composés organiques (formules brutes)
et leur température d’ébullition à la pression de 1013 hPa.
Composé
Nom
Nom courant
θ éb /°C
Alcool méthylique
Chlorure de méthyle
Alcool éthylique
Chlorure d’éthyle
Alcool propylique
Alcool isopropylique
Chlorure d’isopropyle
-
65
-24,2
-161,7
78,5
12,3
-88,6
97,4
82,5
35,7
-42,1
systématique
CH3OH
CH3Cl
CH4
CH3-CH2OH
CH3-CH2Cl
CH3-CH3
CH3-CH2-CH2OH
CH3-CHOH-CH3
CH3-CHCl-CH3
CH3-CH2-CH3
Méthanol
Chlorométhane
Méthane
Ethanol
Chloroéthane
Ethane
Propan-1-ol
Propan-2-ol
2-chloropropane
propane
On demande
1. Quel est le composé dont le point d’ébullition correspond à la substance
distillée précédemment ?............................................................................
2. Quelle est la formule générale d’un alcool ? (une chaîne carbonée
aliphatique est représentée par R) ............................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 55
Conclusion
•
Les boissons alcoolisées contiennent principalement de l’eau et de
l’éthanol (alcool éthylique, formule : CH3-CH2OH) .
•
Cet alcool est obtenu par fermentation de jus sucrés :
C6H12O6 (aq)
enzymes
→
2 C2H5OH (aq) + 2 CO2 (g)
•
L’éthanol bout à une température de 78,5°C (p = 1013 hPa)
•
La formule générale des alcools est ROH (avec R ≡ chaîne carbonée)
•
Informations complémentaires :
1. Le degré d’alcool : si une bière titre 8° d’alcool, cela signifie que 100
mL de bière contiennent plus ou moins 8 mL d’alcool pur.
2. L’alcool éthylique est une substance toxique qui peut provoquer une
accoutumance (alcoolisme). Il est vivement recommander d’en
consommer avec modération car l’abus peut conduire à des
pathologies majeures (la cirrhose du foie, le cancer de la langue, de
l’œsophage, troubles neurologiques, psychiatriques ... ).
3. L’alcool obtenu par fermentation puis distillation du bois est le
méthanol (CH3OH). C’est l’alcool à brûler. Il est interdit d’en
consommer car il peut provoquer la cécité voire la mort.
!!!
METHANOL = POISON TRES DANGEREUX
!!!
4. La fonction alcool est présente dans de nombreuses molécules
organiques telles que les glucides, le cholestérol, les polyols naturels
comme la glycérine, etc.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 56
Organique ( II ) – Les alcools - Fiche n°3
Idée : Quelles sont les relations entre la structure et les propriétés physiques
des alcools ?
Action
On donne un tableau de caractères physiques
Alcane
θ éb /°C
CH4
CH3-CH3
CH3-CH2-CH3
p = 101325 Pa
-161,5
-88,5
-42,1
Alcool
θ éb /°C
CH3OH
CH3-CH2OH
CH3-CH2-CH2OH
CH3-CHOH-CH3
CH3-CH2-CH2-CH2OH
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2OH
p = 101325 Pa
65,0
78,3
97,4
82,4
117,3
138
Solubilité dans
l’eau à 25°C
Insoluble
Insoluble
Insoluble
Mr
Solubilité dans
l’eau à 25°C
Pas de limite
Pas de limite
Pas de limite
Pas de limite
80 g/L
22 g/L
Mr
...
...
...
...
...
...
...
...
...
On demande
1. Calcule la masse moléculaire relative de chaque composé.
2. Compare les θ éb d’un alcane et de l’alcool correspondant. Que constates-tu ?
Justifie, si possible, les différences observées.
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
3. Compare les θ éb d’un alcane et d’un alcool dont les masses moléculaires
relatives sont voisines. Que constates-tu ? Justifie en sachant que la liaison O-H
est très polarisée, comme dans la molécule d’eau (dipôle).
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 57
4. L’éthanol se dissout-il facilement dans l’eau ? Justifie ta réponse en établissant
une relation avec la réponse fournie à la question n°3.
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
5. Comment varie la solubilité des alcools quand la chaîne carbonée s’allonge ?
......................................................................................................................
......................................................................................................................
6. Interprète cette variation de solubilité en te référant également aux données de
solubilité des alcanes dans l’eau.
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 58
Conclusion
•
La température d’ébullition élevée des alcools (ROH), par rapport aux
alcanes (CnH2n+2) correspondants, ne peut s’expliquer par la seule
augmentation de la masse moléculaire relative.
Comme la molécule d’eau, la molécule d’alcool est un dipôle. Il existe des
interactions
« PONTS
dipôle-dipôle
HYDROGENE »
appelées
qui
« LIAISONS
conjuguent leurs
HYDROGENE »
effets
aux
ou
forces
intermoléculaires de Van der Waals.
Ces liaisons hydrogène sont plus intenses que les forces intermoléculaires
de Van der Waals mais moins intenses que les liaisons covalentes.
Lors des changements d’état, ces forces ne pourront être vaincues que par
un apport plus important d’énergie → une température d’ébullition plus
élevée.
Hδ+—Oδ− .... Hδ+—Oδ− .... Hδ+—Oδ− .... Hδ+—Oδ−
R
R
R
R
Liaisons hydrogène
ou
Ponts hydrogène
•
Par contre l’augmentation de la température d’ébullition des alcools quand
la chaîne carbonée s’allonge s’explique parfaitement par l’augmentation de
Mr.
•
La solubilité dans l’eau des alcools diminue quand le groupe alkyle
s’allonge.
Explication : Les alcanes sont des molécules non polaires, leur solubilité
dans l’eau est donc très faible, ils sont dits HYDROPHOBES (« qui
n’aiment pas l’eau »).
Les alcools possèdent un groupe alkyle HYDROPHOBE et un groupe
hydroxyle HYDROPHILE (qui aime l’eau). Tant que le groupe alkyle est de
faible longueur (→
→ C3 ), l’alcool est très soluble dans l’eau. Mais cette
solubilité diminue avec l’allongement de la chaîne carbonée dont le
caractère hydrophobe acquiert de plus en plus d’influence.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 59
Organique ( II ) – Les alcools - Fiche n°4
Idée : Comment nomme-t-on les alcools ?
Action
On donne : un tableau de données
Formule
CH3OH
CH3-CH2OH
CH3-CH2-CH2OH
CH3-CHOH-CH3
CH3-CH2-CH2-CH2OH
CH3-CH2-CHOH-CH3
CH3
CH3-COH
CH3
CH3
CH3-CH-CH2-CHOH-CH3
CH3
CH3-CH-CH2-CH2-CH2OH
CH3
CH3-CH=CH-CH2OH
Nom
Méthanol
Ethanol
propan-1-ol
propan-2-ol
butan-1-ol
butan-2-ol
2-méthylpropan-2-ol
4-méthylpentan-2-ol
4,4-diméthylpentan-1-ol
but-2-én-1-ol
On demande
Sur la base des critères suivants (déjà utilisés pour établir la nomenclature des
alcanes), dégage les règles de nomenclature des alcools.
• choix de la chaîne principale ;
• nom de la chaîne principale ;
• nom du (des) groupe(s) substituant(s) ;
• nombre de substituants identiques ;
• position des substituants sur la chaîne principale ;
• nécessité d'une numérotation des atomes de carbone de la chaîne principale ;
• sens de la numérotation.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 60
Conclusion
Règles de nomenclature des alcools (ROH)
1. La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction alcool.
2. Quand il y a ambiguïté sur la position du groupe OH, il est précédé du n° du
carbone de la chaîne principale sur lequel il est fixé. Le sens de la
numérotation sera imposé par un indice minimal de position du carbone
dont le N.O. est le plus élevé:
chaîne carbonée - indice - ol
ex. : CH3-CH2-CH2OH : propan-1-ol
3. Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl") et de leur indice.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"...
Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement alphabétique des groupes alkyles.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 61
Organique ( II ) – Les alcools - Fiche n°5
Idée : Classons les alcools
Action
On donne : des modèles moléculaires de divers alcools : méthanol, éthanol,
propan-1-ol, propan-2-ol, butan-1-ol, butan-2-ol, 2-méthylbutan-2-ol.
On demande :
1. Représente la formule semi-développée de chaque alcool
2. Classe les alcools selon tes propres critères
•
Critère(s) retenu(s) : ...........................................................................................
...........................................................................................
•
Classement proposé :
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 62
3. Classe les alcools selon la nature du carbone (primaire, secondaire, tertiaire)
portant le groupe fonctionnel OH, en indiquant leur formule semi-développée.
Alcool primaire
Alcool secondaire
Alcool tertiaire
4. Quels sont les isomères de chaîne et les isomères de position ?
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 63
Organique ( II ) – Les alcools - Fiche n°6
Idée : Quelle est la relation entre la structure et la réactivité des alcools (RO-H) ? Peut-on prévoir où se produira la rupture de liaison lors d’une
réaction chimique ?
Action
Expérience n°1
On donne trois réactions à effectuer (comparer à la réaction Na + H2O)
Schéma
Observations
..............................................................................
Na
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
Alcool primaire
..............................................................................
Butan-1-ol
..............................................................................
..............................................................................
Na
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
Alcool secondaire ..............................................................................
..............................................................................
Butan-2-ol
..............................................................................
..............................................................................
Na
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
Alcool tertiaire
2-méthylpropan-2- ..............................................................................
..............................................................................
ol
On demande
• Ecris les équations des réactions observées:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
• Quelle liaison de R-O-H a été rompue lors des réactions ? Justifie.
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 64
•
Compare l’acidité des alcools et de l’eau. Justifie
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Conclusion n°1
•
En présence de métaux peu électronégatifs, un alcool joue le rôle d’acide :
ROH → RO- + H+
alcool
alcoolate
Ex : ROH (l) + Na (s) → RONa (dissous) + ½ H2 (g)
•
L’effet inductif donneur (I+) des groupes alkyles explique que les alcools
sont des acides encore plus faibles que l’eau. Les alcoolates, bases
conjuguées, sont donc plus fortes que la base hydroxyde.
Eau > alcool primaire > alcool secondaire > alcool tertiaire
Force décroissante de l’acide
Hydroxyde < alcoolate primaire < alcoolate secondaire < alcool tertiaire
Force croissante de la base
Application
1. La réaction suivante est-elle spontanée ? Justifie.
CH3-CH2-OH + NaOH → CH3-CH2ONa + H2O
2. Prévois et justifie le résultat de la réaction suivante ?
CH3-CH2O- + NH3 →
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 65
2. Expérience n°2
On donne trois réactions à effectuer (durée : 5 minutes)
Schéma
Observations
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
Alcool primaire
..............................................................................
Butan-1-ol
..............................................................................
..............................................................................
HCl
..............................................................................
conc.
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
Alcool secondaire ..............................................................................
..............................................................................
Butan-2-ol
..............................................................................
..............................................................................
HCl
..............................................................................
conc.
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
Alcool tertiaire
2-méthylpropan-2- ..............................................................................
..............................................................................
ol
HCl
conc.
On demande
• Quel est l’alcool le plus réactionnel ? ........................................................................
• Ecris l’équation des réactions qui ont eu lieu :
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
• Quelle liaison de R-O-H a été rompue lors de ces réactions ? Justifie.
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
• Emets une hypothèse susceptible d’expliquer la différence de comportement des 3
alcools?
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 66
Conclusion n°2
•
En présence d’acides forts comme HCl, HBr, HNO3, dont la base conjuguée
est fortement nucléophile, un alcool subit une substitution aboutissant à la
formation d’esters minéraux.
ROH → R+ + OHEx. : CH3-CH2OH + HCl conc. → CH3-CH2Cl + H2O
Mécanisme de la substitution nucléophile :
Le mécanisme de substitution nucléophile peut être concertée ou non
selon la nature de l’alcool :
alcools primaire et secondaire : SN concertée (une étape)
..
: Cl : - + Rδ+-OHδ- → [Cl...R...OH] - → Cl-R + OH..
état de transition
un alcool tertiaire : SN non concertée (deux étapes)
1ère étape (lente): Rδ+-OHδ− → R+ + OH2ème étape (rapide) : R+ + Cl- → RCl
Les alcools tertiaires sont plus réactionnels car le carbocation tertiaire est
plus stable (effet inductif donneur des groupes alkyles).
Ces réactions, catalysées par les ions Zn2+, entre un alcool et HCl concentré
portent le nom de TEST DE LUCAS.
• Complément d’information : En présence d’acides comme H2SO4 et H3PO4,
dont la base conjuguée est peu nucléophile, un alcool subit une réaction
d’élimination (déshydratation).
H2SO4 c.
Ex. : CH3-CH2OH
→ CH3-CH2-O-CH2-CH3 (éther-oxyde) + H2O
( à une température plus élevée on obtiendrait CH2=CH2)
H2SO4 c.
CH3-CHOH-CH3
→
CH2=CH-CH3 + H2O
H2SO4 c.
CH3-COH-CH3
|
CH3
→
CH2=C-CH3 + H2O
|
CH3
Application
Pourquoi les alcools tertiaires se déshydratent facilement vers 50°C alors que les
alcools secondaires et primaires perdent une molécule d’eau respectivement vers
100°C et 150°C ? (Rechercher l’explication grâce au mécanisme réactionnel)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 67
Organique ( II ) – Les alcools - Fiche n°7
Idée : Comment fabrique-t-on le vinaigre à partir de vin ?
Action
Recherche dans la vie quotidienne
a) Quels mots retrouve-t-on dans « VINAIGRE » ?
................................................................................................................................
b) Quel type de substance est contenue dans le vinaigre ?
................................................................................................................................
c) Comment fabrique-t-on couramment le vinaigre de vin ?
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
d) Quelle molécule contenue dans le vin est transformée ? ........................................
e) Sachant que la chaîne carbonée reste inchangée, quelle équation chimique peut
traduire la réaction de préparation du vinaigre ?
Fonction
Groupe fonctionnel
Alcène
>C=C<
Alcool
-COH
Aldéhyde
-C=O
H
Cétone
-C=O
-C-
Acide
-C=O
carboxylique
OH
................... + oxygène → ..................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 68
Conclusion
•
L’oxydation du vin donne du vinaigre.
•
Le vinaigre contient de l’acide éthanoïque (acétique) :
CH3-CH2OH + oxygène → CH3-C=O
|
OH
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 69
Organique ( II ) – Les alcools - Fiche n°8
Idée : L’oxydation d’un alcool donne-t-elle toujours un acide ?
Action
On donne :
•
des réactions d’oxydation des alcools par KMnO4 (K2Cr2O7) à effectuer en solution
acidifiée par H2SO4 (mode opératoire : chimie organique - CTP de Frameries – 1996, page 145)
•
un tableau de référence
Fonction
Groupe fonctionnel
Alcène
>C=C<
Alcool
-COH
Aldéhyde
-C=O
H
Cétone
-C=O
-C-
•
Acide
-C=O
carboxylique
OH
deux informations :
1. Les aldéhydes sont mises en évidence par la liqueur de Fehling qui donne
un précipité rouge.
2.
Les cétones et aldéhydes sont mises en évidence par le test de Brady qui
donne un précipité jaune.
On demande :
a) de compléter le tableau suivant :
Réaction étudiée
Observations
Test de Brady Test de Fehling
...............................................................
Ethanol + .......................... ...............................................................
+ / -
+ / -
...............................................................
...............................................................
Butan-2-ol + ...................... ...............................................................
+ / -
+ / -
...............................................................
2-méthylpropan-2-ol +
..........................................
...............................................................
+ / ...............................................................
...............................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 70
+ / -
b) Quel est le résultat de l’oxydation de l’alcool primaire ?
......................................................................................................................................
Ecris l’équation de la réaction avec l’éthanol:
......................................................................................................................................
c) Quel est le résultat de l’oxydation de l’alcool secondaire ?
......................................................................................................................................
Ecris l’équation de la réaction avec le butan-2-ol:
......................................................................................................................................
d) Quel est le résultat de l’oxydation de l’alcool tertiaire ?
......................................................................................................................................
Ecris l’équation de la réaction avec le 2-méthylpropan-2-ol :
......................................................................................................................................
e) Calcule le N.O. du carbone fonctionnel du produit de réaction dans chaque
équation. Les oxydations sont-elles ménagées ( N.O. intermédiaire atteint) ou
brutales (N.O. maximal atteint)?
1-. ............................................................................................................................
2-.............................................................................................................................
3-.............................................................................................................................
f) Que donnerait l’oxydation brutale d’un alcool ? Écris l’équation pondérée
correspondant à la combustion de l’éthanol.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 71
Conclusion
•
L’oxydation d’un alcool par KMnO4 ou K2Cr2O7 en milieu sulfurique est une
oxydation ménagée car le N.O. du carbone fonctionnel du produit obtenu
n’est pas maximal.
N.O. du C
Fonctionnel
CH3-CH2OH
CH3-C=O
|
H
CH3-C=O
|
CH3
CH3-C=O
|
OH
O=C=O
•
-I
+I
+II
+III
+IV
L’oxydation ménagée d’un alcool primaire → aldéhyde → acide carboxylique
Ex. : CH3-CH2OH + ox. → CH3-CH=O → CH3-COOH
éthanol
éthanal
acide éthanoïque (acétique)
Remarque : si KMnO4 est présent en quantité stœchiométrique, l’oxydation
peut s’arrêter au stade aldéhyde.
•
L’oxydation ménagée d’un alcool secondaire → cétone.
Ex. : CH3-CH2-CHOH-CH3 + ox. → CH3-CH2-CO-CH3
butan-2-ol
butan-2-one
•
L’oxydation ménagée d’un alcool tertiaire → rien (ou à chaud un alcène).
•
L’oxydation brutale (combustion) d’un alcool donne du dioxyde de carbone .
Ex. : CH3-CH2OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3H2O
Application
L’alcootest applique cette propriété des alcools primaires : il contient du dichromate de
potassium orange qui oxyde l’alcool éthylique contenu dans l’haleine du contrevenant
(si son taux l’alcoolémie dépasse 0,5 g/L) en acide acétique. Au cours de cette
réaction, le dichromate de potassium est réduit en sels de chrome de couleur verte.
CH3-CH2OH + Cr2O72- + H+ → CH3-COOH + Cr3++ H2O
Equilibre cette réaction.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 72
CONNAISSANCE CONSTRUITE (fiches 2 à 8)
PREMIERE SEQUENCE : LES ALCOOLS
•
La formule générale des alcools est ROH (avec R ≡ chaîne carbonée)
•
Les boissons alcoolisées contiennent principalement de l’eau et de
l’éthanol (alcool éthylique, formule : CH3-CH2OH) .
Cet alcool est obtenu par fermentation de jus sucrés :
C6H12O6 (aq)
•
enzymes
→
2 C2H5OH (aq) + 2 CO2 (g)
Informations complémentaires :
1. Le degré d’alcool : si une bière titre 8° d’alcool, cela signifie que 100
mL de bière contiennent plus ou moins 8 mL d’alcool pur.
2. L’alcool éthylique est une substance toxique qui peut provoquer une
accoutumance (alcoolisme). Il est vivement recommander d’en
consommer avec modération car l’abus peut conduire à des
pathologies majeures (la cirrhose du foie, le cancer de la langue, de
l’œsophage, troubles neurologiques, psychiatriques ... ).
3. L’alcool obtenu par fermentation puis distillation du bois est le
méthanol (CH3OH). C’est l’alcool à brûler. Il est interdit d’en
consommer car il peut provoquer la cécité voire la mort.
!!!
METHANOL = POISON TRES DANGEREUX
!!!
4. La fonction alcool est présente dans de nombreuses molécules
organiques telles que les glucides, le cholestérol, les polyols naturels
comme la glycérine, etc.
•
Règles de nomenclature des alcools (ROH)
1.
La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction alcool.
2.
Quand il y a ambiguïté sur la position du groupe OH, il est précédé
du n° du carbone de la chaîne principale sur lequel il est fixé. Le sens
de la numérotation sera imposé par un indice minimal de position du
carbone dont le N.O. est le plus élevé:
chaîne carbonée - indice - ol
3.
ex. : CH3-CH2-CH2OH : propan-1-ol
Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des
substituants sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl")
et de leur indice.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"... (Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement
alphabétique des groupes alkyles)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 73
•
Isomérie
Les alcools primaires, secondaires et tertiaires de même formule
moléculaire sont soit des isomères de position soit des isomères de chaîne.
Ex. : CH3-CH2-CH2OH et CH3-CHOH-CH3 = isomères de position
CH3-CH2-CH2-CH2OH et CH3-COH-CH3 = isomères de chaîne
CH3
•
Relation propriétés physiques – structure
1. La température d’ébullition élevée des alcools (ROH), par rapport aux
alcanes (CnH2n+2) correspondants, ne peut s’expliquer par la seule
augmentation de la masse moléculaire relative.
Comme la molécule d’eau, la molécule d’alcool est un dipôle. Il existe
des interactions dipôle-dipôle appelées « LIAISONS HYDROGENE » ou
« PONTS HYDROGENE »
qui conjuguent leurs effets aux forces
intermoléculaires de Van der Waals.
Ces liaisons hydrogène sont plus intenses que les forces
intermoléculaires de Van der Waals mais moins intenses que les liaisons
covalentes.
Lors des changements d’état, ces forces ne pourront être vaincues que
par un apport plus important d’énergie → une température d’ébullition
plus élevée.
Hδ+—Oδ− .... Hδ+—Oδ− .... Hδ+—Oδ− .... Hδ+—Oδ−
R
R
R
R
Liaisons hydrogène
ou
Ponts hydrogène
2. Par contre l’augmentation de la température d’ébullition des alcools
quand la chaîne carbonée s’allonge s’explique parfaitement par
l’augmentation de Mr.
3. La solubilité dans l’eau des alcools diminue quand le groupe alkyle
s’allonge.
Explication : Les alcanes sont des molécules non polaires, leur solubilité
dans l’eau est donc très faible, ils sont dits HYDROPHOBES (« qui
n’aiment pas l’eau »).
Les alcools possèdent un groupe alkyle HYDROPHOBE et un groupe
hydroxyle HYDROPHILE (qui aime l’eau). Tant que le groupe alkyle est
de faible longueur (→
→ C3 ), l’alcool est très soluble dans l’eau. Mais cette
solubilité diminue avec l’allongement de la chaîne carbonée dont le
caractère hydrophobe acquiert de plus en plus d’influence.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 74
•
Relation propriétés chimiques - structure
1. En présence de métaux peu électronégatifs, un alcool joue le rôle
d’acide :
ROH → RO- + H+
alcool
alcoolate
Ex : ROH (l) + Na (s) → RONa (dissous) + ½ H2 (g)
2. L’effet inductif donneur (I+) des groupes alkyles explique que les alcools
sont des acides encore plus faibles que l’eau. Les alcoolates, bases
conjuguées, sont donc plus fortes que la base hydroxyde.
Eau > alcool primaire > alcool secondaire > alcool tertiaire
Force décroissante de l’acide
Hydroxyde < alcoolate primaire < alcoolate secondaire < alcool tertiaire
Force croissante de la base
3. En présence d’acides forts comme HCl, HBr, HNO3, dont la base
conjuguée est fortement nucléophile, un alcool subit une substitution
aboutissant à la formation d’esters minéraux.
ROH → R+ + OHEx. : CH3-CH2OH + HCl conc. → CH3-CH2Cl + H2O
Mécanisme de la substitution nucléophile :
Le mécanisme de substitution nucléophile peut être concertée ou non
selon la nature de l’alcool :
alcools primaire et secondaire : SN concertée (une étape)
..
: Cl : - + Rδ+-OHδ- → [Cl...R...OH] - → Cl-R + OH..
état de transition
état de transition
un alcool tertiaire : SN non concertée (deux étapes)
1ère étape (lente): Rδ+-OHδ- → R+ + OH2ème étape (rapide) : R+ + Cl- → RCl
Les alcools tertiaires sont plus réactionnels car le carbocation tertiaire
est plus stable (effet inductif donneur des groupes alkyles).
Ces réactions catalysées par les ions Zn2+ entre un alcool et HCl
concentré portent le nom de TEST DE LUCAS.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 75
Information compléméntaire: En présence d’acides comme H2SO4 et
H3PO4, dont la base conjuguée est peu nucléophile, un alcool subit une
réaction d’élimination (déshydratation).
H2SO4 c.
Ex. : CH3-CH2OH
→ CH3-CH2-O-CH2-CH3 (éther-oxyde) + H2O
( à une température plus élevée on obtiendrait CH2=CH2)
H2SO4 c.
CH3-CHOH-CH3
→
CH2=CH-CH3 + H2O
H2SO4 c.
CH3-COH-CH3
|
CH3
→
CH2=C-CH3 + H2O
|
CH3
4. L’oxydation d’un alcool par KMnO4 ou K2Cr2O7 en milieu sulfurique est
une oxydation ménagée car le N.O. du carbone fonctionnel du produit
obtenu n’est pas maximal.
N.O. du C
Fonctionnel
CH3-CH2OH
CH3-C=O
|
H
CH3-C=O
|
CH3
CH3-C=O
|
OH
O=C=O
-I
+I
+II
+III
+IV
a) L’oxydation ménagée d’un alcool primaire → aldéhyde → acide carboxylique
Ex. : CH3-CH2OH + ox. → CH3-CH=O → CH3-COOH
éthanol
éthanal
acide éthanoïque (acétique)
Remarque : si KMnO4 est présent en quantité
l’oxydation peut s’arrêter au stade aldéhyde.
stœchiométrique,
b) L’oxydation ménagée d’un alcool secondaire → cétone.
Ex. : CH3-CH2-CHOH-CH3 + ox . → CH3-CH2-CO-CH3
butan-2-ol
butan-2-one
c) L’oxydation ménagée d’un alcool tertiaire → rien (ou à chaud un alcène).
d) L’oxydation brutale (combustion) d’un alcool donne du dioxyde de
carbone .
Ex. : CH3-CH2OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 76
Informations complémentaires :
•
Le principe de l’alcootest est basé sur la réduction des ions
dichromate (Cr2O72-) par l’alcool contenu dans l’haleine d’un
conducteur. La longueur de la couleur verte (Cr3+) dans l’ampoule
permet de déterminer l’alcoolémie.
•
Le principe de l’éthylomètre est basé sur l’oxydation de l’éthanol en
éthanal par l’alcool déshydrogénase. L’éthanal produit est dosé par
spectrophotométrie. La lecture de l’alcoolémie est immédiate.
•
ATTENTION : un phénol est un dérivé aromatique dont la formule
ressemble à un alcool. Il a cependant des propriétés chimiques très
différentes.
Exemple de phénol
Formule du phénol dérivé du benzène : C6H5OH
Formule développée :
CH=CH
CH
C-OH
CH-CH
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 77
3. Les aldéhydes et les cétones
Au cours de cette séquence, nous vous proposons de répondre aux questions suivantes :
• Fiche n°9 : Les molécules de sucres simples présentent-elles les mêmes fonctions
chimiques ?
• Fiche n°10 : Comment nomme-t-on les aldéhydes et les cétones ?
• Fiche n°11 : Y a-t-il des réactions chimiques permettant de distinguer les aldéhydes et
les cétones ?
• Fiche n°12 : Qu’est-ce que le dextrose ? Quelle est sa structure moléculaire ?
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 78
Organique ( II ) – Les aldéhydes et les cétones - Fiche n°9
Idée : Les molécules de sucres simples présentent-elles les mêmes fonctions
chimiques ?
Action : Classer les sucres simples.
On donne la formule développée de trois sucres simples isomères (C6H12O6) : le
glucose, le fructose présents dans les fruits et le galactose obtenu par hydrolyse du
glucide du lait, le lactose.
Formules semi-développées planes (Représentations de Fischer) :
le glucose :
le fructose :
H-C=O
|
H-C-OH
|
HO-C-H
|
H-C-OH
|
H-C-OH
|
CH2OH
le galactose :
CH2OH
|
C=O
|
HO-C-H
|
H-C-OH
|
H-C-OH
|
CH2OH
H-C=O
|
H-C-OH
|
HO-C-H
|
HO-C-H
|
H-C-OH
|
CH2OH
On demande
1. Quelle(s) différence(s) présentent ces trois formules?
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
.................................................................………………………………………………
2. Classe-les en deux catégories :
Critère de classement : ……………………………………………………………………
ère
1
catégorie
e
2 catégorie
3. Entoure les groupements fonctionnels différenciant les deux catégories.
4. Quels sont ces groupements fonctionnels ?
……………………………………………………………………………………………….
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 79
Conclusion
Outre la fonction alcool, les glucides présentent
• soit une fonction aldéhyde R–CH=O ou
• soit une fonction cétone
R
R’
R
C=O;
H
C=O.
Remarque :
Les représentations de Fischer ne montrent pas clairement la différence entre
les molécules de glucose et de galactose. Pour bien comprendre la différence
de structure, il faut se référer aux modèles en 3D.
Conventions :
: liaison dans le plan de la feuille ;
: liaison vers l’avant ;
: liaison vers l’arrière.
glucose
H
H
galactose
H
OH
C
HO
C
C
H
C
CH=O
HO
HO
H
OH
C
H
H
C
C
H
C
CH=O
HO
CH2OH
OH
OH
CH2OH
Les carbones entourés sont dits asymétriques car ils portent 4 atomes (ou
groupes d’ atomes) différents.
De plus les carbones différenciant le glucose du galactose ne sont pas
superposables. Ils sont l’image l’un de l’autre dans un miroir.
H
HO
X
X
C
C
Y
Y
axe de symétrie
HO
H
X
ou
OH
H
C
Y
obtenu par rotation de 180°
autour de l’axe CY
Les composés contenant au moins un atome de carbone asymétrique
possèdent des propriétés optiques particulières dont nous ne parlerons pas
car elles dépassent le cadre de ce cours.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 80
Application
Coche la case des fonctions chimiques présentes dans les molécules odorantes
suivantes ?
Molécule odorante
Alcool
CH3-(CH2)10-CH=O (« Chanel n°5 »)
H2C
CH2
O=C
CH-CH2-C=O (« Eau Sauvage »)
CH
O-CH3
C5H11
CH3-C=CH-CH2-C=CH-CH=O (essence de citron)
CH3
CH3
C6H5- CH=CH-CH=O (essence de cannelle)
O
C
CH2
H2C
C-CH2-CH=CH-CH2-CH3
C-CH3
(essence de jasmin)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 81
Aldéhyde
Cétone
Organique ( II ) – Les aldéhydes et les cétones - Fiche n°10
Idée : Comment nomme-t-on les aldéhydes et cétones ?
Action : Rechercher les règles de nomenclature.
On donne un tableau d’aldéhydes et de cétones.
Formule
Nom
H-CH=O
méthanal
CH3-CH=O
éthanal
CH3-CH2-CH=O
propanal
CH2=CH-CH=O
propénal
CH2=CH-CH2-CH=O
but-3-énal
CH3-CO-CH3
propanone
CH3-CH2-CO-CH3
butanone
CH3-CH2-CO-CH2-CH3
pentan-3-one
CH3-CO-CH-CH=CH2
3-méthylpent-4-én-2-one
CH3
On demande d’énoncer les règles de nomenclature des aldéhydes et des cétones.
•
aldéhydes :
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
•
cétones :
..................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
....…............................................................................................................................
.…...............................................................................................................................
.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 82
Conclusion
•
Règles de nomenclature des aldéhydes (-CH=O)
1. La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction aldéhyde. Si le N.O. du
carbone du groupe aldéhyde est le plus élevé, l’indice de position n’est
pas précisé.
chaîne carbonée - al
ex. : CH3-CH2-CH=O : propanal
2. Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl") et de leur indice
de position.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"... (Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement
alphabétique des groupes alkyles)
•
Règles de nomenclature des cétones ( -C=O)
1. . La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction cétone. La position du
groupe carbonyle (C=O) est précisée par le n° du carbone dans la
chaîne. Le sens de la numérotation sera imposé par un indice minimal
de position :
chaîne carbonée - indice - one
ex. : CH3-CH2-CO-CH3 : butan-2-one
2. .. Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl") et de leur indice
de position.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"... (Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement
alphabétique des groupes alkyles)
Application
Complète le tableau suivant.
Formule
Nom
CH3-CH=CH-CH2-CH=O
..............................................................................
CH3-CO-CH2-CH3
..............................................................................
CH3-CH - CH-CH=O
........…............................…………………………..
CH3 CH3
................................................................................
2,2-diméthylpropanal
................................................................................
4-éthylhex-3-én-2-one
..................................................…........................
cyclopentanone
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 83
Organique ( II ) – Les aldéhydes et les cétones - Fiche n°11
Idée : Y a-t-il des réactions chimiques permettant de distinguer les aldéhydes
et les cétones ?
Action
On donne 3 tests et leurs résultats avec des aldéhydes, des cétones et des
glucides.
Nature du
test
Indication de
test positif
Test de Tollens 1
Test de Felhing 2
Test à l’iodoforme 3
solution d’un complexe
solution de tartrate de
cuivre (II)
solution de I2 en milieu
basique.
ammoniacal d’argent (I)
(équivalent à Ag2O).
apparition d’un miroir
d’argent
CH3-CO-CH3
CH3-CH2-CO-CH2-CH3
H-CH=O
CH3-CH=O
glucose
fructose
(équivalent à CuO).
apparition d’un
précipité rouge brique
de Cu2O.
apparition d’iodoforme
CHI3 , solide jaune à
odeur caractéristique.
Test de Tollens
Test de Felhing
Test à l’iodoforme
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
On demande
• Quel groupe d’atomes ou quelle fonction est mis(e) en évidence par chaque test ?
1. Test de Fehling: .......................................................................................
2. Test de Tollens: .......................................................................................
3. Test à l’iodoforme: ...................................................................................
• Quelle réaction chimique peux-tu associer à ces tests ? On représente un
aldéhyde par R-CHO, une cétone par R-CO-R.
4. Test de Fehling : ................................+ CuO → ........................+.................(s)
5. Test de Tollens : ................................+ Ag2O → .......................+ ................(s)
6. Test à l’iodoforme: ..............................+ I2 + OH- → R-COO- + CHI3
1
Chime organique - CTP Frameries – 1996 – démonstration n°34
Id. – démonstration n°35
3
Id – démonstration n°36
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 84
2
Conclusion
1. Le test de Fehling permet la mise en évidence les aldéhydes en les oxydant
en acide. La réduction du CuO en Cu2O en atteste :
R-CH=O + CuO → R-COOH + Cu2O (solide rouge brique)
2. Le test de Tollens met également en évidence les aldéhydes :
R-CH=O + Ag2O → R-COOH + Ag (miroir d’argent)
3. Le test à l’iodoforme met en évidence le groupement CH3-C=O :
CH3-CH=O + I2 + OH- → CH3-COO- + CHI3
4. Rappel (voir alcools):
Oxydation
Alcool primaire
Réduction
Oxydation
aldéhyde
acide carboxylique
Réduction
Oxydation
Alcool secondaire
cétone
Réduction
Application
On donne
Des recherches récentes ont permis d’identifier 47 composés donnant le parfum des
poivrons. En voici 19.
1]
2-méthylpropanal
2]
2-méthylbutanal
3]
3-méthylbutanal
4]
2,3-butandione
5]
1-pentén-3-one
6]
hexanal
7]
heptanal
8]
trans-3-heptén-2-one
9]
diméthyltrisulfure
10]
2-isobutyl-3-méthoxypyrazine
11]
beta-cyclocitral
12]
1-méthyl-1H-pyrrole
13]
1-Pentén-3-ol
14]
D-(+)-limonène
15]
cis-2-hepténal
16]
nonanal
17]
1-octén-3-ol
18]
décanal
19]
pentanal
On demande
•
•
•
•
Repère les aldéhydes et cétones et écris leurs formules.
Représente les isomères cis-trans des composés 8] et 15].
Quel type d’isomérie intervient pour les composés 2] et 3] ?
Quel est le numéro de l’éther-oxyde ?
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 85
Organique ( II ) – Les aldéhydes et les cétones - Fiche n°12
Idée : Qu’est-ce que le dextrose ? Quelle est sa structure moléculaire ?
Action 1
On donne
•
•
•
Une information : le dextrose est un aliment énergétique que l’on retrouve dans
certaines boissons pour sportifs ou dans des tablettes que l’on recommande de
consommer en cas d’hypoglycémie.
la formule moléculaire du dextrose : C6H12O6,
les représentations de Fischer et de Haworth du dextrose non-cyclique (forme
toute éclipsée):
H-C=O
CH2OH
|
H-C-OH
OH
|
O
H
H
HO-C-H
|
H
OH
H
H-C-OH
HO
|
H-C-OH
H
OH
|
CH2OH
On demande
1. Quelle est l’autre appellation du dextrose ? ………………………………………….
2. Numérote les carbones dans les représentations de Fischer et de Haworth en
commençant par le carbone dont le N.O. est le plus élevé (convention).
Action 2
On donne
Une information : en solution aqueuse, il existe un équilibre chimique entre trois
isomères du dextrose. Cet équilibre est qualifié de « tautomère » car il s’agit d’un
équilibre chimique entre plusieurs isomères de constitution.
CH2OH
CH2OH
CH2OH
O
H
H
OH
OH
H
H
HO
H
OH
H
OH
β- dextrose
H
OH
H
O
O
H
H
HO
H
OH
H
OH
HO
H
OH
forme ouverte du dextrose
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 86
H
H
OH
α-dextrose
On demande
1. Manipule le modèle moléculaire du β-dextrose pour le transformer en structure
ouverte puis en α-dextrose. Rappelle-toi que les (groupements d’) atomes
peuvent tourner librement autour d’une simple liaison appartenant à un ensemble
non cyclique.
2. Commente le schéma de l’équilibre chimique de la page précédente pour
expliquer la transformation du β-dextrose en α-dextrose.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
3. Explique brièvement pourquoi cet équilibre tautomère est appelé mutarotation
du glucose.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 87
Conclusion
Le dextrose est une forme du glucose C6H12O6. Il s’agit du D - (+) - glucose qui
possède des propriétés optiques particulières dont nous ne parlerons pas car
elles dépassent le cadre de ce cours.
1
H-C=O
2|
H-C-OH
3|
HO-C-H
4|
H-C-OH
5|
H-C-OH
6|
CH2OH
6
CH2OH
5
H
H
OH
4
OH
H
HO
1
H
2
3
H
O
OH
D-(+)-glucose car OH à droite
dans la représentation de Fischer
Le carbone n°1 est celui de la fonction aldéhyde car son N.O. = +I.
Pour établir le lien entre les deux représentations proposées, remarquons
que les (groupements d’) atomes, fixés sur les carbones 2 ,3 et 4 et situés
à gauche dans la représentation de Fischer, sont placés au-dessus dans
la représentation de Haworth.
•
La mutarotation (du latin « mutare », changer et « rotare », tourner) du
glucose résulte de l’existence d’un équilibre chimique tautomère entre deux
formes cycliques et une forme ouverte.
il s’agit d’un équilibre chimique entre plusieurs isomères de constitution.
CH2OH
CH2OH
CH2OH
O
H
H
OH
OH
H
H
HO
H
OH
H
OH
β- dextrose
H
OH
H
O
O
H
H
HO
H
OH
H
OH
HO
H
OH
forme ouverte du dextrose
H
H
OH
α-dextrose
Commentaire sur le schéma de réaction (de gauche à droite) :
1. Ouverture du cycle du β- dextrose au niveau de la liaison carbone n°1
– oxygène,
2. Régénération de la fonction aldéhyde et de la fonction alcool par
transfert d’un hydrogène dans la forme ouverte,
3. Rotation de 180° autour de la liaison C1-C2,
4. Réaction entre la fonction alcool et aldéhyde pour reformer un autre
cycle
dans
lequel
le
OH
n°1
est
sous
le
cycle.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 88
Informations complémentaires à propos des glucides
•
Les glucides sont des produits naturels de formule moléculaire Cn(H2O)m,
d’où leur nom courant malencontreux d’hydrates de carbone.
•
Ce sont des composés comportant des fonctions alcooliques et une
fonction aldéhyde ou cétone.
•
Les végétaux en fabriquent par photosynthèse :
lumière solaire
6 CO2 + 6 H2O
chlorophylle
C6H12O6 + 6 O2
Le glucose est un sucre simple à partir duquel les végétaux construisent
des substances de masse moléculaire très élevée : la cellulose, constituant
des parois des cellules végétales, ou l’amidon, réserve énergétique. Chez
les animaux, le glycogène, stocké dans le foie joue un rôle semblable.
•
Les acides nucléiques (ADN, ARN) contiennent certains glucides. L’acide
désoxyribonucléique contient du désoxyribose :
CH2OH – CHOH – CHOH – CH2 – CH=O,
l’acide ribonucléique contient du ribose :
CH2OH – CHOH – CHOH – CHOH – CH=O.
•
Classification sommaire des glucides
Oses = sucres simples
(aldoses et cétoses)
Osides = sucres complexes
Structure de 3 à 8 carbones :
Holosides : chaînes de
sucres simples.
Hétérosides : oses + substances non
glucidiques
Exemples :
Exemples :
Exemples : ADN, ARN …
pentoses (C5) : ribose,
désoxyribose,
Diholosides
(disaccharides) :
saccharose = glucose +
fructose, lactose =
glucose + galactose
hexoses (C6) : glucose,
fructose, galactose…
Polyholosides
(polysaccharides) :
amidon, cellulose …
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 89
CONNAISSANCE CONSTRUITE (fiches 9 à 12)
DEUXIEME SEQUENCE : LES ALDEHYDES ET CETONES
•
Règles de nomenclature des aldéhydes (-CH=O)
1. La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction aldéhyde. Si le N.O. du
carbone du groupe aldéhyde est le plus élevé, l’indice de position n’est
pas précisé.
chaîne carbonée - al
ex. : CH3-CH2-CH=O : propanal
2. Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl") et de leur indice
de position.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"... (Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement
alphabétique des groupes alkyles)
•
Règles de nomenclature des cétones ( -C=O)
1. La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction cétone. La position du
groupe carbonyle (C=O) est précisée par le n° du carbone dans la chaîne.
Le sens de la numérotation sera imposé par un indice minimal de
position :
chaîne carbonée - indice - one
ex. : CH3-CH2-CO-CH3 : butan-2-one
2. Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl") et de leur indice
de position.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"... (Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement
alphabétique des groupes alkyles)
•
Propriétés des aldéhydes et cétones
1. Le test de Fehling permet la mise en évidence les aldéhydes en les
oxydant en acide. La réduction du CuO en Cu2O en atteste :
R-CH=O + CuO → R-COOH + Cu2O (solide rouge brique)
2. Le test de Tollens met également en évidence les aldéhydes :
R-CH=O + Ag2O → R-COOH + Ag (miroir d’argent)
3. Le test à l’iodoforme met en évidence le groupement CH3-C=O :
CH3-CH=O + I2 + OH- → CH3-COO- + CHI3
4. Rappel (voir alcools):
Oxydation
Alcool primaire
Réduction
Oxydation
aldéhyde
Réduction
Oxydation
Alcool secondaire
Réduction
cétone
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 90
acide carboxylique
•
Les glucides
1. Le dextrose est une forme du glucose C6H12O6. Il s’agit du D - (+) glucose qui possède des propriétés optiques particulières dont nous
ne parlerons pas car elles dépassent le cadre de ce cours.
1
H-C=O
2|
H-C-OH
3|
HO-C-H
4|
H-C-OH
5|
H-C-OH
6|
CH2OH
6
CH2OH
5
H
H
OH
4
OH
H
HO
1
H
2
3
H
O
OH
D-(+)-glucose car OH à droite
dans la représentation de Fischer
Le carbone n°1 est celui de la fonction aldéhyde car son N.O. = +I.
Pour établir le lien entre les deux représentations proposées, remarquons
que les (groupements d’) atomes, fixés sur les carbones 2 ,3 et 4 et situés
à gauche dans la représentation de Fischer, sont placés au-dessus dans
la représentation de Haworth.
2. La mutarotation (du latin « mutare », changer et « rotare », tourner) du
glucose résulte de l’existence d’un équilibre chimique tautomère entre
formes cycliques et ouverte. Il s’agit d’un équilibre chimique entre
plusieurs isomères de constitution.
CH2OH
CH2OH
CH2OH
O
H
H
OH
OH
H
H
HO
H
OH
H
OH
β- dextrose
H
OH
H
O
O
H
H
HO
H
OH
H
OH
HO
H
OH
forme ouverte du dextrose
H
H
OH
α-dextrose
Commentaire sur le schéma de réaction (de gauche à droite) :
Ouverture du cycle du β - dextrose au niveau de la liaison unissant le
carbone n°1 et l’oxygène,
Régénération de la fonction aldéhyde et de la fonction alcool par
transfert d’un hydrogène dans la forme ouverte,
Rotation de 180° autour de la liaison C1-C2,
Réaction entre la fonction alcool et aldéhyde pour reformer un autre
cycle dans lequel le OH n°1 est sous le cycle.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 91
3. Informations complémentaires à propos des glucides
Les glucides sont des produits naturels de formule moléculaire Cn(H2O)m,
d’où leur nom courant malencontreux d’hydrates de carbone.
Ce sont des composés comportant des fonctions alcooliques et une
fonction aldéhyde ou cétone.
Les végétaux en fabriquent par photosynthèse :
lumière solaire
6 CO2 + 6 H2O
chlorophylle
C6H12O6 + 6 O2
Le glucose est un sucre simple à partir duquel les végétaux construisent
des substances de masse moléculaire très élevée : la cellulose, constituant
des parois des cellules végétales, ou l’amidon, réserve énergétique. Chez
les animaux, le glycogène, stocké dans le foie joue un rôle semblable.
Les acides nucléiques (ADN, ARN) contiennent certains glucides. L’acide
désoxyribonucléique contient du désoxyribose :
CH2OH – CHOH – CHOH – CH2 – CH=O,
l’acide ribonucléique contient du ribose :
CH2OH – CHOH – CHOH – CHOH – CH=O.
Classification sommaire des glucides
Oses = sucres simples
(aldoses et cétoses)
Osides = sucres complexes
Structure de 3 à 8 carbones :
Holosides : chaînes de
sucres simples.
Hétérosides : oses + substances non
glucidiques
Exemples :
Exemples :
Exemples : ADN, ARN …
pentoses (C5) : ribose,
désoxyribose,
Diholosides
les montants des deux molécules
(disaccharides) :
sont constitués d’une succession
saccharose = glucose +
de [désoxy]ribose + phosphate.
fructose, lactose =
glucose + galactose
hexoses (C6) : glucose,
fructose, galactose…
Polyholosides
(polysaccharides) :
amidon, cellulose …
ADN
GLUCOSE
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 92
3. Les acides carboxyliques
Au cours de cette séquence, nous vous proposons de répondre aux questions suivantes :
Fiche n°13 : Qu’est-ce qu’un acide organique ?
Fiche n°14 : Comment nomme-t-on les acides carboxyliques ?
Fiche n°15 : Quelles sont les relations entre la structure et les propriétés physiques des
acides carboxyliques ?
Fiche n°16 : Les acides carboxyliques sont-ils comparables aux acides minéraux ?
Fiche n°17 : De quel(s) facteur(s) dépend la force des acides carboxyliques ?
Fiche n°18 : Quel est le résultat de la réaction entre un acide carboxylique et un alcool ?
Fiche n°19 : Comment nomme-t-on les esters ?
Fiche n°20 : Qu’est-ce qu’un savon ? Comment le fabrique-t-on ?
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 93
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°13
Idée : Qu’est-ce qu’un acide organique ?
Action
On donne
un tableau de substances acides d’origine organique :
Substance
Molécule organique contenue
vinaigre
acide éthanoïque (acétique)
jus de citron
acide citrique
Formule de la molécule
CH3-COOH
CH2-COOH
HO-C-COOH
CH2-COOH
aspirine
acide acétylsalicylique
CH3-COO-C6H4-COOH
beurre rance
acide butanoïque (butyrique)
CH3-CH2-CH2-COOH
bougie « stéarique »
acide octadécanoïque (stéarique)
CH3-(CH2)16-COOH
jus de rhubarbe
acide oxalique
HOOC-COOH
On demande
•
Recherche le groupement d’atomes commun à toutes ces molécules.
......................................................................................................................................
•
Ecris la formule développée de l’acide éthanoïque.
......................................................................................................................................
•
Ecris la formule développée du groupement fonctionnel des acides organiques
carboxyliques
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 94
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°14
Idée : Comment nomme-t-on les acides carboxyliques ?
Action
On donne
un tableau de noms et de formules d’acides carboxyliques
Formule
Nom
Nom courant
H-COOH
acide méthanoïque
acide formique
CH3-COOH
acide éthanoïque
acide acétique
CH3-CH2-COOH
acide propanoïque
-
CH3-CH2-CH2-COOH
acide butanoïque
-
CH3-CH2-CH-COOH
acide 2-méthylbutanoïque
-
acide pentanoïque
acide valérique
CH3
CH3-CH2-CH2-CH2-COOH
On demande d’énoncer les règles de nomenclature des acides carboxyliques.
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
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........................................................................................................................................
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........................................................................................................................................
..............................................................................................................…………………
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
................................................................................................................ ……………….
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
..............................................................................................................…………………
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 95
Conclusion
OH
•
Règles de nomenclature des acides carboxyliques ( -C=O)
1. . La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction acide.
acide nom de la chaîne carbonée - oïque
ex. : CH3-CH2-CH2-COOH : acide butanoïque
2. .. Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl") et de leur indice
de position.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"... (Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement
alphabétique des groupes alkyles)
Application
Complète le tableau suivant.
Formule
Nom
CH3-CH=CH-CH2-COOH
..............................................................................
CH3-CH2-CH2-CH2-COH
..............................................................................
CH3-CH2-CH - CH-COOH
........…............................…………………………..
CH3 CH3
................................................................................
acide 2-méthylpropanoïque
................................................................................
acide 4-méthylhep-3-énoîque
..................................................…........................
acide octanoïque
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 96
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°15
Idée : Quelles sont les relations entre la structure et les propriétés physiques
des acides carboxyliques ?
Action
On donne un graphique de températures d‘ébullition.
alcanes
alcools
acides carboxyliques
200
150
100
θ éb./°C
50
0
-50
1
2
3
4
-100
-150
-200
Nombre d'atomes de carbone /molécule
On demande
•
A nombre égal d’atomes de carbone, quelle est la fonction de la molécule qui
présente une température toujours plus élévée que les deux autres ? Comment la
structure moléculaire peut-elle justifier cette constatation ?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
•
Les acides carboxyliques sont solubles dans l’eau de C1 à C4, ensuite, leur
solubilité dans l’eau diminue progressivement. Justifie cette affirmation.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 97
Conclusion
•
Les acides carboxyliques ont des températures d’ébullition plus élevées
que les alcanes et les alcools correspondants. Les liaisons
« hydrogène » sont donc plus fortes que dans les alcools. Les molécules
d’acides carboxyliques se trouvent en grande partie sous forme de
dimères cycliques.
O- - -HO
R-C
C-R
OH- - -O
liaison
hydrogène
•
D’autre part, comme ces molécules possèdent un groupe hydrophile
(COOH) et un groupe hydrophobe (R), elles sont solubles dans l’eau
pour autant que le groupe R ne soit pas trop long : la solubilité dans
l’eau est totale jusqu’en C4 , puis elle diminue et devient nulle en C9.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 98
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°16
Idée : Les acides carboxyliques sont-ils comparables aux acides minéraux ?
Action 1
On donne deux expériences à réaliser
schéma
Observations
méthylorange
……………………………………………..
………………………………………………
HCl 0,1 mol.dm
………………………………………………
-3
………………………………………………
méthylorange
……………………………………………..
………………………………………………
………………………………………………
CH3COOH 0,1
-3
mol.dm
………………………………………………
On demande
1. Quel est l’ion mis en évidence par le méthylorange ?
2. Ecris l’équation de dissociation ionique de l’acide éthanoïque (acétique) dans l’eau.
…………………………………………………………………………………………………
Action 2
On donne deux expériences de conductivité à réaliser.
schéma
observations
…...............................................................
..................................................................
6V=
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
HCl 1 mol.dm
-3
..................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 99
schéma
observations
..................................................................
..................................................................
6V=
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
CH3COOH
-3
1 mol.dm
..................................................................
On demande
•
•
Note tes observations
L’acide éthanoïque est-il fort ou faible ? Justifie ta réponse.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 100
Conclusion
•
•
Comme les acides minéraux, les acides carboxyliques s’hydrolysent : ils
libèrent dans l’eau des ions H+ (aq) ou plus correctement des ions H3O+.
Cette hydrolyse est le résultat d’une dissociation ionique incomplète, car la
conductivité d’une solution relativement concentrée est assez faible :
Ex. : CH3-COOH + H2O ∆ CH3-COO- + H3O+
Cet équilibre chimique est caractérisé par une constante d’acidité Ka.
Acide
CH3-COOH
CH3-CH2-COOH
Ka (à 25°C)
1,8 . 10-5
1,25 . 10-5
pKa = - log10Ka
4,75
4,9
Remarque :
L’acidité des acides carboxyliques est faible par rapport aux acides
minéraux forts. Elle est cependant forte pour un composé organique car
l’ion carboxylate, stabilisé par résonance, favorise la dissociation ionique
de la molécule d’acide.
O-
O
R-C
R-C
O-
O
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 101
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°17
Idée : De quel(s) facteur(s) dépend la force des acides carboxyliques ?
Action 1
On donne un tableau de constantes d’acidité
Acide carboxylique
H-COOH
CH3-COOH
CH2Cl-COOH
CHCl2-COOH
CCl3-COOH
CH3-CH2-COOH
Ka (à 25°C)
1,8 . 10-4
1,8 . 10-5
1,2 . 10-3
5,0 . 10-2
2,0 . 10-1
1,3 . 10-5
On demande
•
Classe ces acides par force croissante.
......................................................................................................................................
•
Compare l’acidité des acides formique, acétique et propanoïque.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
•
Compare l’acidité des acides acétique, monochloracétique, dichloracétique et
trichloracétique.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
•
Justifie la différence d’acidité de ces substances à la lumière des effets inductifs.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 102
Conclusion
La force des acides carboxyliques dépend de :
•
la nature de la chaîne carbonée, plus elle est grande, plus l’acidité
diminue. l’effet inductif répulsif (effet I+) des groupes alkyles en est la
cause :
H-COOH > CH3-COOH > CH3-CH2-COOH.
•
la présence d’atomes électronégatifs dont l’effet inductif attractif (effet I-)
augmente l’acidité de la molécule.
CCl3-COOH > CHCl2-COOH > CH2Cl-COOH > CH3-COOH.
Schémas explicatifs
O
I+
CH3 → C
Ka = 1,8 x 10-5 (à 25°C)
O
H
augmentation de la densité électronique au niveau de O ;
accentuation du caractère négatif de O ;
H+ est davantage retenu ;
libération de H+ défavorisée ;
force de l’acide est réduite (Ka petit).
I-
O
Cl
CH2
Ka = 1,2 x 10-3 (à 25°C)
C
O
H
diminution de la densité électronique au niveau de O ;
atténuation du caractère négatif de O ;
H+ est moins retenu ;
libération de H+ favorisée ;
force de l’acide est augmentée (Ka plus élevé).
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 103
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°18
Idée : Quel est le résultat de la réaction entre un acide carboxylique et un alcool?
Action
On donne une expérience à réaliser
Schéma descriptif de l’expérience
•
Mode opératoire
Introduire dans un tube à essais 6 mL
d’éthanol absolu, 8 mL d’acide éthanoïque
et un grain de pierre ponce. Sentir ce
mélange.
•
Ajouter doucement 2 mL de sulfate
d’hydrogène concentré et homogénéiser
(noter l’échauffement).
•
Fermer le tube par un bouchon traversé
d’un tube en verre (50 cm) et chauffer à
reflux au bain-marie pendant au moins 5
minutes.
•
Refroidir puis verser dans une ampoule à
décanter contenant 25 mL de solution
saturée de NaCl.
•
Décanter et recueillir la phase organique
dans un tube à essais contenant quelques
grains de CaCl2. On obtient environ 7 ml
d’ester.
On demande
•
Quelle était l’odeur du mélange initial ?
......................................................................................................................................
•
Décris l’odeur du produit obtenu après décantation :
......................................................................................................................................
•
Quel est le rôle du CaCl2 utilisé après la décantation ?
......................................................................................................................................
O
• Sachant qu’un ester répond à la formule générale R-C-OR’, écris l’équation de la
réaction d’estérification de l’acide éthanoïque par l’éthanol et catalysée par
H2SO4 conc.
......................................................................................................................................
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 104
Conclusion
•
L’estérification est une réaction catalysée par H2SO4:
R-COOH + R’OH
H
+
R-COOR’ + H20
H
+
Ex. : CH3COOH + CH3-CH2OH ∆ CH3-COOCH2-CH3 + H2O
Ethanoate (acétate) d’éthyle
Remarques :
1. Le mécanisme de la réaction nous apprend que l’oxygène présent dans l’eau, produit
de réaction, provient de l’acide et non de l’alcool.
2. La réaction d’estérification est incomplète, c’est un équilibre chimique : ainsi pour une
mole d’acide et une mole d’alcool,
un alcool primaire donnera 0,67 mole d’ester,
un alcool secondaire donnera 0,60 mole d’ester,
un alcool tertiaire donnera 0,05 mole d’ester.
•
Informations complémentaires : les esters dans la vie courante
1. Certaines essences végétales contiennent des esters :
Formule
CH3-CH2-CH2-COOCH2-CH3
CH3-COOCH2-CH2-CH(CH3)2
CH3-COO(CH2)7-CH3
CH3-(CH2)3-COO(CH2)7-CH3
nom
butyrate d’éthyle
acétate d’isoamyle
acétate d’octyle
valérate d’octyle
odeur
ananas
poire
orange
cognac avec note
de mandarine
2. Les lipides sont des triesters de la glycérine (CH2OH-CHOH-CH2OH)
Ils répondent à la formule générale
R1-COO-CH2
R2-COO-CH
R3-COO-CH2
R1, R2, R3 sont des chaînes carbonées provenant d’acides gras.
Formule de l’acide gras
CH3-(CH2)14-COOH
CH3-(CH2)16-COOH
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH
CH3-CH2-(CH=CH-CH2)3-(CH2)6-COOH
CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH
Nom
acide stéarique
acide palmitique
acide oléique
acide linolénique
acide linoléique
Substance
courante
blanc de bœuf
ou de mouton
huile d’olive
huile de lin
huile de soja
Si les chaînes carbonées (R) sont saturées, le lipide est une graisse
(solide) qui présentent l’inconvénient de favoriser l’apparition de
cholestérol …
si les chaînes carbonées sont insaturées, il s’agit d’une huile
(liquide). L’acide oléique est dit « monoinsaturé » car il ne contient
qu’une double liaison, alors que l’acide linolénique est dit
« polyinsaturé » car il en contient plusieurs.
On peut transformer les huiles végétales en margarine (solides) par
hydrogénation partielle ou totale.
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 105
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°19
Idée : Comment nomme-t-on les esters ?
Action
On donne
un tableau de noms et de formules d’esters
Formule
Nom
H-COOCH3
Méthanoate de méthyle
CH3-COOCH3
Ethanoate de méthyle
CH3-CH2-COOCH2-CH3
Propanoate d’éthyle
(CH3)2-CH-CH2-CH2-COOCH3
Méthyl-4-pentanoate de méthyle
On demande d’énoncer les règles de nomenclature des esters.
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
..............................................................................................................…………………
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........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
..............................................................................................................…………………
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
................................................................................................................ ……………….
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
..............................................................................................................…………………
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 106
Organique ( II ) – Les acides carboxyliques - Fiche n°20
Idée : Qu’est-ce qu’un savon ? Comment le fabrique-t-on ?
Action
On donne un mode opératoire pour la fabrication d’un savon dur (*)
Schéma descriptif de l’expérience
Mode opératoire
•
Dans un ballon de 250 mL, on introduit
-1
20 mL de NaOH 10 mol.L , 15 mL
d’huile alimentaire, 20 mL d’éthanol à
Huile +
soude caustique +
éthanol +
pierre ponce
90° et quelques grains de pierre ponce.
•
Chauffer à reflux le mélange pandant
environ 15 minutes.
•
Verser ensuite le mélange obtenu dans
un bécher contenant environ 100 mL
de solution concentrée de NaCl pour
que le savon précipite.
•
Filtrer sur filtre Büchner, rincer à l’eau
distillée et sécher sur verre de montre.
ATTENTION : ce savon ne doit pas être
utilisé car il contient encore de la soude
caustique.
On demande
1. Sachant qu’une huile alimentaire est un triester de la glycérine, écris l’équation de
saponification (inverse de la réaction d’estérification)
R-COO-CH2
R-COO-CH + … NaOH → …………………………………………………….
R-COO-CH2
2. Quelle est la formule générale d’un savon dur ? ……………………………….
3. Explique le rôle de la solution concentrée de NaCl dans la précipitation du savon.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
(*)
CHIMIE Term S – Durupthy – Hachette Éducation (1995)
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 107
Conclusion
• Un savon est un sel d’acide gras (acide carboxylique à longue chaîne
carbonée).
• Formule générale d’un savon dur R-COONa.
• La réaction de préparation du savon est une SAPONIFICATION :
R-COO-CH2
CH2-OH
R-COO-CH + 3 NaOH → 3 R-COONa +
CH-OH
R-COO-CH2
CH2-OH
Triester (huile)
•
sel d’acide gras (savon) + glycérine
Informations complémentaires : les savons et détergents dans la vie
courante
1. Les savons de toilette sont des savons durs (sel de sodium).
2. Le savons vert est un savon mou obtenu à partir d’huile de palme et de
potasse (hydroxyde de potassium). Il est donc très corrosif pour la
peau et réservé à l’entretien des surfaces (sols, murs …).
3. Les détergents n’appartiennent pas à la famille des savons. Les plus
courants sont des agents anioniques tels que les sulfates d’alkyle
R-OSO3- Na+.
4. Les savons et les détergents sont des agents tensioactifs qui diminuent
la tension superficielle de l’eau. Cette propriété leur confère un pouvoir
détergent ou émulsionnant ou mouillant ou encore moussant.
Représentation d’une molécule de savon :
O
O-
Chaîne carbonée hydrophobe
Groupe hydrophile
ou plus simplement
Représentation d’une émulsion d’huile dans l’eau savonneuse
micelle
goutelette d’huile
eau
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 108
Na+
CONNAISSANCE CONSTRUITE (fiches 13 à 20)
TROISIEME SEQUENCE : LES ACIDES CARBOXYLIQUES
OH
•
Règles de nomenclature des acides carboxyliques ( R-C=O)
La chaîne carbonée principale correspond à la chaîne carbonée non
ramifiée la plus longue comportant la fonction acide.
acide nom de la chaîne carbonée - oïque
ex. : CH3-CH2-CH2-COOH : acide butanoïque
. Le nom de la chaîne principale sera précédé des noms des substituants
sériés par ordre alphabétique ("éthyl" précède "méthyl") et de leur indice
de position.
Remarque : Pour deux substituants identiques, on fera précéder le nom du substituant du
préfixe "di-", pour trois, "tri"... (Ce préfixe n'est pas pris en compte dans le classement
alphabétique des groupes alkyles)
Relation propriétés physiques - structure
alcanes
alcools
acides carboxyliques
200
150
100
θ éb./°C
•
50
0
-50
1
2
3
4
-100
-150
-200
Nombre d'atomes de carbone /molécule
Les acides carboxyliques ont des températures d’ébullition plus élevées
que les alcanes et les alcools correspondants. Les liaisons
« hydrogène » sont donc plus fortes que dans les alcools. Les molécules
d’acides carboxyliques se trouvent en grande partie sous forme de
dimères cycliques.
O- - -HO
R-C
C-R
OH- - -O
liaison
hydrogène
CAF 2002 - CHIMIE ORGANIQUE – page 109
D’autre part, comme ces molécules possèdent un groupe hydrophile
(COOH) et un groupe hydrophobe (R), elles sont solubles dans l’eau
pour autant que le groupe R ne soit pas trop long : la solubilité dans
l’eau est totale jusqu’en C4 , puis elle diminue et devient nulle en C9.
•
Propriétés chimiques
Les acides carboxyliques s’hydrolysent : ils libèrent dans l’eau des ions
H+ (aq) ou H3O+.
Cette hydrolyse est le résultat d’une dissociation ionique incomplète car
la conductivité d’une solution relativement concentrée est assez faible :
Ex. : CH3-COOH + H2O
CH3-COO- + H3O+
Cet équilibre chimique est caractérisé par une constante d’acidité Ka.
Acide
CH3-COOH
CH3-CH2-COOH
Ka (à 25°C)
1,8 . 10-5
1,25 . 10-5
pKa = - log10Ka
4,75
4,9
Remarque :
L’acidité des acides carboxyliques est faible par rapport aux acides
minéraux forts. Elle est cependant forte pour un composé organique car
l’ion carboxylate, stabilisé par résonance, favorise la dissociation
ionique de la molécule d’acide.
O-
O
R-C
R-C
O-
O
La force des acides carboxyliques dépend de :
la nature de la chaîne carbonée, plus elle est grande, plus l’acidité
diminue. l’effet inductif répulsif des groupes alkyles en est la cause :
H-COOH > CH3-COOH > CH3-CH2-COOH.
la présence d’atomes électronégatifs dont l’effet inductif attractif
augmente l’acidité de la molécule.
CCl3-COOH > CHCl2-COOH > CH2Cl-COOH > CH3-COOH.
L’estérification est une réaction catalysée par H2SO4:
R-COOH + R’OH
H
+
R-COOR’ + H20
H
Ex. : CH3COOH + CH3-CH2OH
+
CH3-COOCH2-CH3 + H2O
Ethanoate (acétate) d’éthyle
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Remarques :
1. Le mécanisme de la réaction nous apprend que l’oxygène présent dans l’eau,
produit de réaction, provient de l’acide et non de l’alcool.
2. La réaction d’estérification est incomplète, c’est un équilibre chimique : ainsi pour
une mole d’acide et une mole d’alcool,
o un alcool primaire donnera 0,67 mole d’ester,
o un alcool secondaire donnera 0,60 mole d’ester,
o un alcool tertiaire donnera 0,05 mole d’ester.
•
Informations complémentaires : les esters dans la vie courante
1. Certaines essences végétales contiennent des esters :
Formule
CH3-CH2-CH2-COOCH2-CH3
CH3-COOCH2-CH2-CH(CH3)2
CH3-COO(CH2)7-CH3
CH3-(CH2)3-COO(CH2)7-CH3
nom
butyrate d’éthyle
acétate d’isoamyle
acétate d’octyle
valérate d’octyle
odeur
ananas
poire
orange
cognac avec note
de mandarine
2. Les lipides sont des triesters de la glycérine (CH2OH-CHOH-CH2OH)
Ils répondent à la formule générale
R1-COOCH2
R2-COOCH
R3-COOCH2
R1, R2, R3 sont des chaînes carbonées provenant d’acides gras.
Formule de l’acide gras
CH3-(CH2)14-COOH
CH3-(CH2)16-COOH
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH
CH3-CH2-(CH=CH-CH2)3-(CH2)6-COOH
CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH
Nom
acide stéarique
acide palmitique
acide oléique
acide linolénique
acide linoléique
Substance
courante
blanc de bœuf
ou de mouton
huile d’olive
huile de lin
huile de soja
Si les chaînes carbonées (R) sont saturées, le lipide est une graisse
(solide) qui présente l’inconvénient de favoriser l’apparition de
cholestérol …
si les chaînes carbonées sont insaturées, il s’agit d’une huile
(liquide). L’acide oléique est dit « monoinsaturé » car il ne contient
qu’une double liaison, alors que l’acide linolénique est dit
« polyinsaturé » car il en contient plusieurs.
On peut transformer les huiles végétales en margarine (solides) par
hydrogénation partielle ou totale.
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Les savons
• Un savon est un sel d’acide gras (acide carboxylique à longue chaîne
carbonée).
• Formule générale d’un savon dur R-COONa.
• La réaction de préparation du savon est une SAPONIFICATION :
R-COO-CH2
CH2-OH
R-COO-CH + 3 NaOH → 3 R-COONa +
CH-OH
R-COO-CH2
CH2-OH
Triester (huile)
•
sel d’acide gras (savon) + glycérine
Informations complémentaires : les savons et détergents dans la vie
courante
1. Les savons de toilette sont des savons durs (sel de sodium).
2. Le savons vert est un savon mou obtenu à partir d’huile de palme et de
potasse (hydroxyde de potassium). Il est donc très corrosif pour la
peau et réservé à l’entretien des surfaces (sols, murs …).
3. Les détergents n’appartiennent pas à la famille des savons. Les plus
courants sont des agents anioniques tels que les sulfates d’alkyle
R-OSO3- Na+.
4. Les savons et les détergents sont des agents tensioactifs qui diminuent
la tension superficielle de l’eau. Cette propriété leur confère un pouvoir
détergent ou émulsionnant ou mouillant ou encore moussant.
Représentation d’une molécule de savon :
O
O-
Chaîne carbonée hydrophobe
Groupe hydrophile
ou plus simplement
Représentation d’une émulsion d’huile dans l’eau savonneuse
micelle
goutelette d’huile
eau
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Na+