Le squelette carboné I
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Le squelette carboné I- Chaîne carbonée et groupes caractéristiques 1) Chaîne carbonée Toutes les molécules organiques présentent un enchaînement d’atomes de carbone liés par des liaisons simples, doubles ou triples et formant éventuellement de cycles : cet enchaînement constitue le squelette carboné de la molécule. On appelle chaîne carbonée ou squelette carboné l’enchaînement des atomes de carbone constituant une molécule. Un hydrocarbure est un composé ne comportant que des atomes de carbone et d'hydrogène. • Si la chaîne carbonée ne comporte que des liaisons simples C−C : l'hydrocarbure est saturé. ◦ - les alcanes ......................................sont des hydrocarbures saturés acycliques ◦ - les cyclanes ...................................sont des hydrocarbures saturés cycliques • Si la chaîne carbonée comporte au moins une liaison multiple : c’est un hydrocarbure insaturé. ◦ - les alcènes ......................................sont des hydrocarbures insaturés non cycliques possédant une liaison double ◦ - les alcynes ......................................sont des hydrocarbures insaturés possédant une liaison triple Rq : les électronégativités du carbone et de l’hydrogène étant voisines, les liaisons C−H hydrocarbures sont donc ........................................................................ dans l’eau. ............................................ polarisées. Les 2) Groupes caractéristiques Certaines molécules présentent, en plus des atomes de carbone et d'hydrogène, des groupes d’atomes comportant des atomes d’oxygène, d’azote, de chlore… qui confèrent des propriétés particulières aux molécules qui les portent. La présence d’autres atomes que C et H entraîne des propriétés chimiques différentes. Ces atomes ou groupes d’atomes sont appelés groupes caractéristiques. II- Représentation des composés organiques ✗ Formule brute : de la forme C...H...O...N...X..., elle permet de déterminer ..................................................................................................................., mais pas ............................................................................................................................................................................................................................... ✗ Formule développée : représentation de ................................. dans laquelle on ne fait figurer que les doublets .............................. ✗ Formule semi-développée : C’est une formule développée dans laquelle les liaisons .............................................................................. ................................................................................................... ne sont pas représentées. ✗ Représentation topologique Les atomes de carbone et les atomes d'hydrogène qui leur sont liés ne sont pas représentés, les autres atomes sont représentés par leur symbole. On représente la chaîne carbonée sous forme d’une ligne brisée, chaque extrémité d'un segment étant un atome de carbone. Les liaisons doubles ou triples sont représentées par un segment double ou triple. III- Différents types de chaînes carbonées ✗ Chaîne linéaire : tout atome de carbone est lié au plus à 2 autres atomes de carbone ex : butane but-1-ène ✗ Chaîne ramifiée : au moins un atome de carbone est lié à 3 autres atomes de carbone ex : 2-méthylpropane ✗ Chaîne saturée : toutes les liaisons carbone – carbone sont simples ex : butane, cyclohexane ✗ Chaîne insaturée : la molécule possède au moins une double ou triple liaison carbone – carbone ex : but-1-ène but-1-yne ✗ Chaîne cyclique : les liaisons forment un cycle ex : cyclohexane IV- Isoméries Des isomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes et constituent des espèces chimiques distinctes. 1) Isomérie de constitution Deux composés sont isomères de constitution lorsqu'ils ont la même formule brute, mais qu'ils diffèrent par l'enchaînement de leurs atomes. ✗ Isomère de chaîne : ils ne diffèrent que par l'enchaînement de leurs atomes de carbone ex : butane 2-méthylpropane Isomères de position : ils diffèrent par la position d'un groupe caractéristique ou d'une liaison multiple le long de la chaîne principale ex : but-1-ène but-2-ène 2-méthylpentane 3-méthylpentane ✗ ✗ Isomères de fonction : ils diffèrent par la nature du groupe caractéristique qu'ils portent ex : propanal propanone 2) Stéréo-isomérie Z-E Autour d’une double liaison C=C, il ............................................ y avoir de rotation. Il apparaît donc une autre isomérie, l’isomérie Z-E, dans laquelle deux molécules de même formule brute ne différent que par la position dans l’espace des groupes portés par les atomes de carbones de la double liaison. Lorsque les gros groupes d’atomes sont du même coté de la double liaison, c’est l’isomère Z (zusammen : ensemble). Lorsque les gros groupes d’atomes sont de part et d’autre de la double liaison, c’est l’isomère E (entgegen : opposé). Ex : (E) but-2-ène (Z) but-2-ène V- Nomenclature 1) Alcanes à chaîne ramifiée 1 - Recherche de la chaîne linéaire la plus longue. Nombre Formule d’atomes Nom de brute de Formule topologique et semi-développée de l’alcane de l’alcane l’alcane carbone 1 2 3 4 5 6 2 - Repérage et identification des groupes alkyles substituants (ce sont les ramifications). On écrit leur nom en remplaçant la terminaison –ane de l’alcane par la terminaison –yle. 3 - Numérotation de la chaîne linéaire la plus longue de telle façon que les carbones substitués portent les numéros les plus petits. 4 - Organisation du nom : l'alcane ramifié se nomme en faisant précéder le nom de l’alcane, correspondant à la chaîne la plus longue, du nom du groupe alkyle (avec élision du e final). On place devant ce nom, en le séparant par un tiret, le nombre indiquant sa position sur la chaîne principale. S’il y a plusieurs groupes alkyles identiques, on utilise des préfixes multiplicateurs ("di", "tri") et on sépare les indices par une virgule. S’il y a plusieurs groupes alkyles différents, on les nomme dans l’ordre alphabétique en mettant un tiret entre le nom du groupe précédent et l’indice du groupe suivant. ex : 3-méthylpentane 3-éthyl-2,5-diméthylhexane 2,2,3,4-tétraméthylpentane 2) Alcènes (resp. alcynes) Pour nommer les alcènes, on remplace le suffixe –ane du nom de l’alcane comportant le même nombre d’atomes de carbones par le suffixe –ène (resp. –yne). On identifie la chaîne la plus longue qui comprend la double liaison. On indique par un indice placé avant la terminaison –ène (resp. –yne) la place de la double liaison (resp. triple liaison). On numérote la chaîne de façon à obtenir le plus petit indice pour le premier carbone portant la liaison multiple. Ex : pent-1-ène pent-2-ène 2-méthylbut-1-ène VI- Influence de la chaîne carbonée 1) Evolution des propriétés physiques Solubilité dans eau éthanol éther Méthane 33 mL/L 0,05 L/L Très soluble Éthane 47 mL/L Très soluble Très soluble Propane 65 mL/L Très soluble Très soluble Butane 32,5 mL/L 1,9 L/L 3 L/L Pentane nulle ∞ ∞ Hexane nulle Très soluble Très soluble Heptane nulle Très soluble Très soluble Octane insoluble ∞ ∞ Nonane 7 g/L ∞ ∞ Décane nulle ∞ ∞ Solubilité des alcanes dans différents solvants NOM Propriétés physiques des alcanes Nombre de Solubilité carbones en g/L 1 totale 2 totale 3 totale 4 80 5 22 6 7 7 3 Solubilité dans l'eau d'alcools à chaîne linéaire Nombre de Densité de Densité de carbones l'alcane l'alcène 5 0,63 0,64 6 0,67 0,67 7 0,68 0,7 8 0,7 0,71 Densité des hydrocarbures par rapport à l'eau La densité par rapport à l’eau .................................................... avec la longueur de la chaîne carbonée. Les alcanes gazeux à 20°C sont : ................................................................................................................................................................................................................ La température d’ébullition ......................................................... avec la longueur de la chaîne carbonée. Les hydrocarbures, composés apolaires sont ......................................................... dans l’eau, par contre, ils sont .......................................... dans les solvants organiques comme l' ......................... ou l' ..................................... et sont eux-mêmes des solvants pour les composés organiques. Si le squelette carboné d’une molécule est porteur d’un groupe polaire comme ......................... mais aussi –NH2 et –COOH celui-ci favorise les interactions avec les molécules d’eau. On observe alors que la solubilité ......................................................... lorsque la longueur de la chaîne carbonée augmente. 2) Application à la distillation fractionnée Principe de la distillation : lorsqu’on chauffe un mélange liquide, les premières vapeurs formées sont principalement constituées du corps pur ayant la température d’ébullition la plus ............................................... Après condensation de ces vapeurs, on recueille un distillat enrichi en composé le ........................................... volatil. En répétant plusieurs fois l’opération à partir du distillat, on peut purifier le composé le plus volatil. Application : le raffinage du pétrole. Chaque constituant du pétrole ayant des températures d'ébullition différentes, on recueille chacun à des étages différents de la tour de distillation. La distillation est effectuée dans des colonnes à plateaux. Les composés les plus volatils (qui ont la température d’ébullition la plus ...........................................) sont ceux qui sont les plus ........................................... dans la tour. Au sommet de la tour on recueille les gaz. En descendant on obtient : les essences, le kérosène, le gazole, le fioul domestique, le fioul industriel, les produits lourds (huiles, bitume,..) VII- Modification de la chaîne carbonée La pétrochimie est la chimie des dérivés du pétrole. Elle transforme les pétroles bruts en produits adaptés à la demande des consommateurs : carburants, combustibles, solvants, matières de base pour l'industrie chimique ... L’ensemble de toutes les opérations industrielles constitue le raffinage du pétrole. La première opération de raffinage consiste à séparer ces hydrocarbures par une distillation fractionnée. 1) Pourquoi modifier le squelette carboné ? Les quantités et les qualités des hydrocarbures issus de la distillation ne correspondent pas exactement aux besoins du marché. – les molécules les plus petites sont très utilisées comme combustibles : il est intéressant d'en fabriquer en raccourcissant des molécules plus longues – l'industrie chimique a besoin d'hydrocarbures insaturés (la double liaison augmentant grandement les possibilités de réactions) : il faut transformer des alcanes en alcènes rendement des raffineries par types de bruts 2) Raccourcir le squelette carboné : le craquage C’est une opération effectuée à haute température au cours de laquelle les molécules d’hydrocarbures à longue chaîne sont brisées au niveau de certaines liaisons covalentes C-C pour produire des molécules plus courtes donc plus volatiles. ✗ craquage thermique : nécessite une température d'environ 800°C A partir d'octane, on peut obtenir de l'éthène, du propène et du propane ✗ craquage catalytique : se fait sous une pression de quelques bars et en présence de catalyseurs (alumine, silice) permet de diminuer la température à 500°C environ. La transformation est plus facile à contrôler et moins couteuse en énergie. Exemple de produits obtenus par craquage catalytique d'un hydrocarbure de formule ....................... ✗ vapocraquage : réalisé en présence d'eau sur les hydrocarbures légers à 800°C, il permet d'obtenir de l'éthène (...............................) aussi appelé éthylène et du propène (...............................) aussi appelé propylène. A partir de l'éthane, on obtient de l'éthène et du dihydrogène. ....................................................................................................................................................................... A partir du butane, on peut obtenir de l'éthène et du dihydrogène. ........................................................................................................................................................... mais aussi du propène et du méthane........................................................................................................................................................................................... 3) Reformage catalytique Il consiste à modifier le squelette sans changer son nombre d'atomes de carbone. ✗ isomérisation : Les carburants à chaîne carbonée ramifiée ont des propriétés plus intéressantes que les carburants à chaîne linéaire. Par action de la chaleur (120°C-200C), sous pression (20-70 bars) et en présence d’un catalyseur (platine), un alcane à chaîne linéaire peut se réorganiser en un isomère à chaîne ramifiée. Cette transformation conduit généralement à plusieurs isomères. Les performances d'un moteur à essence dépendent de la qualité du carburant utilisé définie par l'indice d'octane (I.O). Il vaut 100 pour le 2,2,4-triméthylpentane et 0 pour l'heptane. Plus l'indice d'octane est élevé plus le mélange air-carburant pourra être comprimé sans s'auto-enflammer et meilleur sera le rendement du moteur. Par isomérisation, on peut produire du 2,4-diméthylpentane (I.O = 93) à partir d'heptane (I.O = 0) ✗ déshydrogénation : Par action de la chaleur(500°C-600°C), en présence d’un catalyseur (platine), un alcane à chaîne linéaire de 5 à 9 atomes de carbone) peut fournir un cyclane, parfois ramifié, et du dihydrogène. Un alcane à chaîne courte peut aussi subir une déshydrogénation et former un alcène. Par déshydrogénation, l'hexane (I.O = 0) permet de fournir du méthylcyclopentane (I.O = 81) Par déshydrogénation, en présence d'oxyde de chrome, l'éthane permet de fournir de l'éthène (plus réactif) ✗ déshydrocyclisation : Par action de la chaleur (500°C), sous pression (15-30 bars), en présence d’un catalyseur (platine), un alcane à chaîne linéaire peut fournir un dérivé aromatique à cycle insaturé (cycle benzénique) et du dihydrogène. Par déshydrocyclisation, l'hexane (I.O = 0) permet de fournir du benzène (I.O = 107) 4) Allonger le squelette carboné Les alcènes possèdent une double liaison. En présence de catalyseur, sous certaines conditions de température et de pression, il y a rupture des doubles liaisons et addition des molécules les unes aux autres. ✗ Alkylation : On fait réagir un alcane léger avec un alcène pour former un alcane plus lourd. C'est l'inverse d'un craquage thermique. A partir de butane et de (E)-but-2-ène (en présence d'acide sulfurique), on obtient du 3-méthylheptane. Polyaddition : Réaction d’addition : Une réaction d’addition est une spécificité des alcènes. Il s'agit toujours d'obtenir des molécules servant de réactifs à des synthèses organiques ultérieures. Si la molécule ajoutée est l'eau, on parle d’hydratation. Si la molécule ajoutée est du dihydrogène, on parle d’hydrogénation. Si la molécule ajoutée est un dihalogène on parle d’halogénation. ✗ Hydratation de l'éthène : Hydrogénation de l'éthène : Chloration de l'éthène : Réaction de polyaddition : Une réaction de polyaddition consiste dans l’addition répétée d’un très grand nombre de molécules insaturées appelées monomères. Le résultat est une molécule géante, une macromolécule, formant un polymère constitué d’un motif qui se répète n fois. Le schéma général est : n CH 2 = CHA ( CH 2 − CHA ) n A partir de l'éthylène, on forme du polyéthylène : A partir du chlorure de vinyle (chloroéthène), on forme du polychlorure de vinyle (PVC) :
