Chimie organique

Chimie – 2e
Août 2008
Chimie organique
Chapitre 1
Introduction
La naissance de la chimie "moderne" date de la fin du XVIIIème siècle. C'est à cette époque
que l'on identifie l'oxygène, élément central de la chimie puisque constituant environ 50% de
la croûte terrestre. Au cours du XIXème, en plus de cette chimie "minérale", se développe une
chimie "organique". Les composés à la base de cette chimie ont en commun la présence de
carbone dans leurs molécules.
L’origine du terme organique repose sur la croyance que seuls les êtres vivants, dépositaires
d'une "force vitale", étaient capables de produire les substances spécifiques à la chimie de la
vie. Mais cette conviction s’écroule en 1828 lorsque Friedrich Wöhler (chimiste allemand,
1800-1882) obtient de l’urée, substance contenue dans l’urine, donc classée dans les
composés organiques, en chauffant une substance minérale, le cyanate d’ammonium :
Δ
NH4CNO →
H2NCONH2
Depuis lors, cette frontière entre les composés d’origine organique et minérale s’est estompée.
Les composés organiques contiennent du carbone combiné principalement à quelques
éléments tels que l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et parfois au soufre ou au phosphore.
Au cours du développement de la chimie organique, on s'est aperçu rapidement que la
diversité des composés organiques était largement plus grande que ceux de la chimie
minérale, qui pourtant couvre la chimie de tous les éléments (autres que le carbone).
Cette immense diversité s'explique par le fait que le carbone se lie volontiers à d'autres atomes
de carbone.
Exemples :
Sachant que le carbone possède une valence de 4, représentons dans le plan, puis en 3D,
quelques-unes des molécules organiques les plus fondamentales :
Méthane : CH4
Ethane : C2H6
Ethanol : C2H6O
On constate qu'un autre composé de propriétés très différentes de l'éthanol possède la même
formule brute que ce dernier. Il s'agit du diméthyléther :
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Remarque : il existe des composés minéraux contenant du carbone, mais dans ceux-ci le
carbone ne se lie pas à lui-même :
Exemples :
CO2
CaCO3
Composés organiques
La synthèse organique, qui consiste à produire de nouvelles molécules organiques, ou de
recréer des molécules existantes dans la nature, a pris un essor particulier au cours ddes 100
dernières années, comme le montre le tableau suivant :
Année
1880
1910
1940
1960
1985
1995
2008
Composés organiques connus
12 000
150 000
500 000
1 000 000
5 000 000
17 000 000
35 000 000
Domaine de la chimie organique
Substances
constituant les
êtres vivants :
- Sucres
- Protéines
- Graisses
- Cellulose
- Vitamines
- Arômes
- Colorants
- Hormones
- Alcaloïdes
-
Produits de synthèse
Composés
carbonés
Analyse qualitative
et quantitative
Détermination de
structure
Distillations, extractions,...
Décomposition
anaérobique
Traitements :
Cracking, hydrogénation,...
Principales sources naturelles
de composés organiques :
- Pétrole :
consommation mondiale annuelle
≈ 3,5 milliards de tonnes dont 10% pour
l'industrie chimique
- Gaz naturel
- Houille
- Polymères (matières plastiques)
• PCV (25 millions t/an)
• Caoutchoucs synthétiques
(10 millions t/an)
- Antigels ( dont éthylène glycol:
3 millions t/an)
- Solvants
- Arômes et additifs alimentaires
- Produits pharmaceutiques
- Engrais, insecticides,
herbicides, fongicides
- Détergents
. . . etc
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Caractéristiques des composés organiques
Les liaisons carbone - carbone sont à l’origine des propriétés particulières des substances
organiques. Elles sont résumées et comparées à celles des substances minérales dans le
tableau suivant :
COMPOSES MINÉRAUX
COMPOSES ORGANIQUES
Type de liaisons
Souvent ioniques ou fortement
polaires
Solubilité dans l’eau
Bonne solubilité, forment
souvent des électrolytes
Point de fusion,
d’ébullition
Densité
Stabilité thermique
Propriétés chimiques
Très variables, souvent élevés
Inférieurs à 400°C
Variable
Grande
Souvent 1 (unité)
Décomposition fréquente
Rarement combustibles
Rapides et totales
Presque tous combustibles
Lentes et réversibles
Type de réactions
Souvent covalentes ou peu
polaires.
Rarement solubles dans l’eau.
Si solubles, dissolution
moléculaire.
Forme et représentation des molécules organiques
Dans les composés organiques, le carbone forme 4 liaisons en adoptant différentes
géométries.
C
C
liaison simple
C
liaison double
liaison triple
Les modèles des molécules les plus simples avec ce type de liaisons sont :
CH4
C2H4
C2H2
Comme vous l'avez vu en 1ère, les composés organiques peuvent être représentés en 3D :
Ainsi :
C4H10
H
H H
H
C
C5H10
H
H
H H
H H
H
C
C
C4H6
C
H H
C
H
H
C
C
H H
H
C
H
C
C
C
H
C
H
H
H
H
C
H
H
Par commodité, on utilise fréquemment une représentation simplifiée du squelette carboné qui
ne tient pas compte de la géométrie 3D de la molécule.
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Le dessin qui consiste à représenter une molécule par le symbole des atomes liés et à
représenter les liaisons par des traits est appelé formule développée.
On peut adopter également une représentation semi-développée :
Mais ces représentations sont souvent abandonnées au profit d'une représentation simplifiée
où les atomes d'hydrogène et de carbone ne sont plus notés :
Isomères
Nous avons déjà vu qu'à une formule brute peuvent correspondre plusieurs molécules
différentes. Ces molécules sont appelées isomères. Les formules développées de ces isomères
sont alors différentes.
Exemple : Représentons en formule semi-développée et simplifiée les isomères de formule
brute C3H6O
Exercices :
1.
Combien d’électrons l’atome de carbone possède-t-il en tout ? Combien sont
généralement impliqués lors de la formation de liaisons chimiques ?
2.
Quelle est l’origine du mot organique en chimie ?
3.
Représentez, en représentation simplifiée, les isomères de formule brute C5H8
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Chapitre 2
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Les hydrocarbures
Les composés du carbone sont si nombreux, qu’il est commode de les organiser en familles de
structures similaires. Ainsi, une première classification consiste à distinguer :
a) La famille la plus « simple », celle des hydrocarbures. Ce sont des composés constitués
uniquement d’atomes de carbone et d'hydrogène. Leurs molécules sont des chaînes, des
cycles ou des réseaux d'atomes de carbone, où les atomes d'hydrogène occupent les
liaisons libres restantes.
b) Le reste des composés, dérivant des hydrocarbures, constitué de molécules où certains
atomes d'hydrogène sont remplacés par d'autres atomes, O et N, principalement, mais aussi
par S, Cl, Br, ... Ces atomes appelés "hétéroatomes" modifient profondément les
propriétés des composés. Ces composés sont abordés dans le chapitre 3.
Nous avons vu que dans une molécule organique les atomes de carbone pouvaient être liés
entre eux par des liaisons simples, double ou triple.
Ces 3 types de liaisons mènent à la séparation des hydrocarbures en 3 groupes :
1. Les alcanes, dont le squelette carboné ne contient que des liaisons ................ . On les
appelle aussi les hydrocarbures saturés, car ils contiennent le plus grand nombre
d'atomes d’hydrogène possible sur chaque carbone.
2. Les alcènes, dont le squelette carboné contient au moins une liaison ................ .
3. Les alcynes, dont le squelette carboné contient au moins une liaison ................ .
Ces 2 derniers sont appelés les hydrocarbures insaturés. Il est possible, en les faisant réagir
avec de l’hydrogène, de les transformer en alcane.
Exemple :
Equation d’une réaction d’hydrogénation
De plus, les hydrocarbures saturés et insaturés peuvent comporter des chaînes ouvertes ou
fermées, des chaînes ramifiées ou non-ramifiées. Ce qui permet de subdiviser les
hydrocarbures en trois catégories :
• Les hydrocarbures acycliques (à chaîne ouverte)
1)
H
H H
H H
C
C
C
H H
C H
H H
2)
CH2
3)
CH3 CH2 CH
C2H5
CH2
CH2 CH2 CH3
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• Les hydrocarbures cycliques (comportant des boucles)
H2
C
1)
H2C
CH2
CH2 CH2
H
2)
H
H
C
C
C
C
H
• Les hydrocarbures aromatiques1 Ces composés possèdent tous un cycle à 6 carbones avec
3 liaisons doubles "conjuguées". Cette molécule, noyau de base des composés aromatiques,
est appelée benzène.
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
H
H
Résumé de la classification
des hydrocarbures
Hydrocarbures
non
cycle
benzènique ?
oui
hydrocarbure
AROMATIQUES
non
liaisons C-C
multiples ?
ALCANE
non
ALCANE
linéaire
1
cyclique ?
liaison
double
liaison
triple
oui
ALCANE
cyclique
Les hydrocarbures aromatiques ne seront pas étudiés dans ce cours.
ALCENE
ALCYNE
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NOMENCLATURE DES HYDROCARBURES
Le nom systématique des composés organiques se divise en deux parties : une première partie
permet de donner une indication sur la longueur de la chaîne carbonée ; l’autre partie permet
de donner une indication sur les groupes fonctionnels qui y sont rattachés (cf. chapitre 3).
D’une manière générale, on utilise les préfixes suivants pour définir la longueur des chaînes
carbonées :
atomes de
carbone
préfixe
1
2
3
4
5
6
...
méth-
éth-
prop-
but-
...
...
...
Les alcanes : (HC saturés)
Ils portent le suffixe : –ane
Exemples :
1) propane
H3C—CH2—CH3
2)
Les radicaux et la nomenclature des alcanes ramifiés
Pour trouver un système de nomenclature des alcanes ramifié qui soit cohérent, il faut pouvoir
le généraliser à tous les composés, quel que soit le nombre d’atomes de carbone !
Problème : Essayons de trouver une méthode pour nommer de manière cohérente ces
hydrocarbures ramifiés ?
A cette fin, on considère les ramifications comme des groupes qui s’implantent sur un
squelette de base. Les ramifications sont appelées des radicaux, leurs noms dépendent du
nombre d'atomes de carbone qu’ils contiennent. Les radicaux se nomment en remplaçant la
terminaison en –ane de l’alcane dont ils dérivent par la terminaison en –yle.
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Exemples :
Chimie organique
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Quelques radicaux et leurs noms
H
H
C
H
méthyle
H
H
H
H
C
C
H
H
éthyle
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
propyle
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
butyle
Il reste encore à indiquer la position de ces radicaux sur la chaîne carbonée principale, afin de
parvenir à donner un nom sans ambiguïté aux hydrocarbures ramifiés (cf. système de
nomenclature UICPA en page 9).
Exemples :
a) 2-méthylpentane
b) 4-éthyl-5-propyldécane
Les alcènes : (HC insaturés)
Les alcènes portent le suffixe : -ène



Les alcènes font partie des hydrocarbures insaturés
L'existence d'une double liaison les rend plus réactifs que les alcanes
Ils sont importants comme point de départ de nombreux procédés industriels
Le nom systématique d'un alcène s'obtient à partir de l'alcane correspondant en changeant la
terminaison -ane en -ène.
Exemples :
Dessinons les formules simplifiées des molécules suivantes :
a) pent-2-ène
b) 2-méthylhex-3-ène
Le nom commun donné à l'éthène est "éthylène" et celui du propène est "propylène".
Dans tous les cas (éthène et propène exceptés) il est nécessaire de préciser la position de la
double liaison par une numérotation adéquate des atomes de carbone de la chaîne principale.
Exercices :
Dessinez les formules simplifiées des molécules suivantes :
a) 3-méthylpent-1-ène
b) 2-méthylbut-1-ène
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Les alcynes : (HC insaturés)
Les alcynes portent le suffixe : -yne


Les alcynes font partie des hydrocarbures insaturés
L'existence d'une triple liaison les rend plus réactifs que les alcanes
Le nom systématique d'un alcyne s'obtient à partir de l'alcane correspondant en changeant la
terminaison -ane en -yne.
Exemples :
éthyne (ou acétylène)
propyne
butyne
etc.
Dans tous les cas (éthyne et propyne exceptés) il est nécessaire de préciser la position de la
triple liaison par une numérotation adéquate des atomes de carbone de la chaîne principale.
Exercices :
Dessinez les formules simplifiées des molécules suivantes :
a) pent-2-yne
b) hex-3-yne
c) 3-méthylhept-1-yne
Le système de nomenclature de l’UICPA (IUPAC en anglais)
L'union internationale de chimie pure et appliquée a établi certaines règles qui permettent de
donner un seul nom à tout composé organique.
Dans le cadre de notre cours nous retiendrons les points suivants :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Choisir comme structure fondamentale la chaîne la plus longue.
Pour les HC insaturés, choisir la chaîne la plus longue comportant des insaturations.
Numéroter les carbones de la structure fondamentale à partir de l'extrémité la plus proche
de la première ramification.
Pour les HC insaturés, numéroter la structure fondamentale à partir de l'extrémité la plus
proche de la première insaturation.
Placer le nom de chaque radical par ordre alphabétique devant le nom de la structure
fondamentale.
Faire précéder le nom de chaque radical du numéro montrant son point d'attache à la
chaîne fondamentale. Si plusieurs radicaux identiques se rattachent à la chaîne principale,
on utilise les préfixes di, tri, tétra. On ne tient pas compte de ces termes multiplicatifs
dans l'ordre alphabétique.
Exemples :
a) 3,3-diméthyl-7-propyldécane
b) 4,5-dibutyl-3,6-diéthyldéc-2-ène
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Exercices :
1. Pour quelle(s) raison(s) utilise-t-on les formules semi développées au lieu des formules
brutes pour décrire une molécule ?
2. Donnez la formule brute générale d’hydrocarbures à n atomes de carbone :
a) saturés et non-cycliques
b) insaturés et non-cycliques à 1 double liaison
c) saturés cycliques
3. Sachant que le carbone peut se lier avec un autre atome de carbone, pour former des
liaisons simples, doubles ou triples. Proposez les formules développées de trois
hydrocarbures différents dont le squelette comporte 4 atomes de carbone avec des liaisons
carbone – carbone : simple, double et triple.
4. Représentez les formules simplifiées des composés suivants :
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
octane
2-méthylhexane
3,3-diéthyloctane
cyclohexane
3,3-diéthyl-2-méthylheptane
pent-2-ène
4-éthyl-3-méthylhept-3-ène
4-butylocta-2,4-diène
5. Donnez le nom des composés suivants :
a)
b)
d)
e)
g)
c)
f)