Cours

PARTIE II : COMPRENDRE
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Reconnaître les groupes caractéristiques dans les alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide.
Utiliser le nom systématique d’une espèce chimique organique pour en déterminer les groupes caractéristiques et la chaîne carbonée.
Distinguer une modification de chaîne d’une modification de groupe caractéristique.
Déterminer la catégorie d’une réaction (substitution, addition, élimination) à partir de l’examen de la nature des réactifs et des produits.
Déterminer la polarisation des liaisons en lien avec l’électronégativité (table fournie).
Identifier un site donneur, un site accepteur de doublet d'électrons.
Pour une ou plusieurs étapes d’un mécanisme réactionnel donné, relier par une flèche courbe les sites donneur et accepteur en vue
d’expliquer la formation ou la rupture de liaisons.
Chapitre 8
Chimie organique : aspects macroscopiques et microscopiques
Chimie organique : aspect macroscopique
I.
Introduction
La chimie organique est l’étude des molécules organiques et de leurs transformations au cours de réactions
chimiques. Cette étude peut être menée à l’échelle macroscopique (ch. 11) en observant les réactifs et les
produits des réactions effectuées ou à l’échelle microscopique (ch. 12) en observant le détail des mécanismes
permettant aux liaisons chimiques de se faire ou de se défaire.
Définition :
Un molécule est dite organique si elle possède au moins un atome de carbone lié, au moins, à un
atome d'hydrogène.
Remarques :
·
Il existe donc une très grande diversité de composés organiques qui peuvent se rencontrer à
l'état solide, liquide ou gazeux.
·
Les molécules organiques jouent un rôle important dans les réactions chimiques se produisant dans
les organismes vivants et sont au cœur de l'industrie humaine via notamment les produits dérivés du
pétrole.
II.Modification de la chaîne carbonée
II.1
Les craquages
Le craquage catalytique permet, en chauffant (500°C) et en présence d’un catalyseur, de raccourcir une
longue chaîne carbonée.
Exemple :
®
+
Dodécane
Octane
C12H26
C8H18
But-1-ène
C4H8
1/ 7
Levapocraquage permet, en présence de vapeur d’eau et en chauffant plus fort (800°C), de favoriser la
formation d’alcènes par craquage.
Exemple :
Dodécane
II.2
Ethylène
Dihydrogène
Le reformage
Le reformage est réalisé à haute température et pression élevée en présence d’un catalyseur. Cette réaction
modifie la chaîne carbonée de la molécule sans la craquer.
·
Isomérisation
®
Octane
·
2,2,4-triméthyloctane
Cyclisation
®
+ H2
Héxane
méthylcyclopentane
II.3 Allongement de chaîne
A l’inverse du craquage on peut allonger une chaîne carbonée par alkylation ou par polymérisation :
·
Alkylation
®
+
2-méthylpropène propane
·
2-méthylhéxane
Polymérisation
+
+
+…
Monomère
®
…
Polymère
IV.Modification du groupe fonctionnel
IV.1
Réaction de substitution
Définition :
Une substitution est une réaction au cours de laquelle un atome ou groupe d’atomes est remplacé par
un autre atome ou groupe.
2/ 7
Exemple :
CH3 – CH2 – Cl
+
H – OH ®
Chloroéthane
CH3 – CH2 – OH
eau
H+
+
éthanol
+
Cl –
acide chlorhydrique
IV.2 Réaction d’addition
Définition :
Une addition est un ajout d’atomes ou de groupe d’atomes sur une molécule possédant au moins une
liaison multiple (molécule insaturée)
Exemple :
H3C
C
C
+
CH2
H
Cl
CH3
H3C
CH3
H
C
®
Cl
H
H
CH3
CH2
CH3
IV.3 Réaction d’élimination
Définition :
Une élimination est un retrait d’atomes ou de groupe d’atomes sur une molécule conduisant à la
formation d’une liaison double ou d’une triple.
Exemples :
OH
CH3
H3C
C
C
CH3
H3C
H
C
H
C
®
H
H
+
C
H
H
OH
CH3
CH3
C
®
CH2
CH3
H3C
H3C
C
C
CH2
+ H
H
CH3
3/ 7
Chimie organique : aspect microscopique
Lors d’une transformation chimique, il y a des déplacements d’atomes et d’électrons provoquant la formation
ou la rupture de liaisons. L’ensemble de ces étapes s’appelle le mécanisme réactionnel.
I. Rappels
Les électrons présents autour des noyaux d’atomes se rangent par couches appelées couches
électroniques.
ò Figure 1 :
Structure du carbone
Exemple :
Un atome de carbone possède 6 protons, donc 6 électrons. 2 se
rangent dans la couche K et les 4 restants dans la couche L
De manière à éviter d’avoir à faire un tel schéma, on écrira la structure
2
4
électronique de cet atome de la manière suivante : (K) (L)
La dernière couche électronique est appelée couche de valence. C’est les électrons de cette dernière
couche qui sont partagés entre les atomes pour former des liaisons covalentes. Les électrons des couches
inférieures peuvent être ignorés dans le mécanisme réactionnel.
Ainsi, de manière à respecter la règle du duet et de l’octet, les atomes cherchent à établir des liaisons
covalentes avec d’autres atomes pour avoir leur dernière couche électronique complète.
Exemple :
Mise en commun des
deux électrons
9F
ou plus simplement
F
+
H
®
F
H
Doublet liant
Chaque doublet d’électron peut être remplacé par
un bâtonnet, cela donne donc :
F
H
ou plus simplement
F
H
Doublet non liant
Ainsi la règle de l’octet est bien vérifiée pour l’atome de fluor :
F
H
De même pour la règle du duet de l’atome d’hydrogène :
F
H
8 électrons sur la
dernière couche
2 électrons sur la
dernière couche
4/7
A noter :
La formule développée d’une molécule faisant apparaître les doublets non liants est appelée structure
de
Lewis.
Exemple :
Formule développée de l’éthanol :
Structure de Lewis de l’éthanol :
H
H
H
C
C
H
H
O
H
H
H
H
C
C
H
H
O
H
Questions :
a. Déterminer la structure de Lewis de la molécule d’eau.
b. Montrer que pour satisfaire la règle de l’octet le carbone se doit d’être tétravalent.
c.
Retrouver la valence de l’atome d’azote N.
d. Donner la structure de Lewis du méthanal.
II. Polarisation des liaisons covalentes
Définition :
L’électronégativité est une grandeur relative (fig. 3) qui traduit l’aptitude d’un atome à attirer à lui le
doublet d’électron qu’il partage avec un autre atome (liaison covalente)
ò Figure 3 :
Electronégativité c des éléments chimiques
(Echelle de Pauling)
A noter :
· Plus la valeur dans l’échelle de Pauling est grande plus l’élément est électronégatif.
· Plus on monte dans le tableau et plus on va vers la droite, plus les éléments sont électronégatifs.
Ainsi, au sein d’une liaison covalente, les deux électrons sont attirés vers l’atome le plus électronégatif et ne
sont donc pas à équidistance des deux atomes sauf si les deux atomes se partageant la liaison ont une
électronégativité équivalente.
:
5/ 7
Exemples :
F
H
Le fluor (c = 3,98) étant plus électronégatif
que l’hydrogène (c = 2,2), les électrons sont
plus proches du fluor que de l’hydrogène.
F
F
Les deux atomes se partageant la liaison ont la
même électronégativité, donc les deux électrons
sont à équidistance des deux noyaux.
L’atome de fluor, pour être neutre, doit avoir 9 électrons autour de lui pour compenser la charge des 9
protons de son noyau. Or, dans le cas de la molécule H – F, la présence d’un électron supplémentaire
autour du fluor lui confère un excédent de charge négative appelée charge partielle négative et noté d – ,
ce qui n’est pas le cas dans la molécule F – F.
Conclusion :
Une liaison comme H – F est donc polarisée alors qu’une liaison comme F – F ne l’est pas.
F
d–
H
d+
Questions :
a. La liaison C – O est-elle polarisée ? Si oui, définir l’atome possédant la charge partielle négative.
b. Même question pour la liaison O – H.
c.
On considère que la liaison C – H n’est pas polarisée. Justifier.
III. Sites donneurs et site accepteurs de doublet
Un SITE ACCEPTEUR de doublet d’électrons est un atome présentant un défaut d’électrons, c'est-à-dire
possédant :
· Soit une charge partielle positive d +
· Soit une charge entière positive +
Un SITE DONNEUR de doublet d’électrons est, suivant les cas :
-
un atome présentant un excès d’électrons, c'est-à-dire possédant :
o Soit une charge partielle négative d –
o Soit une charge entière négative –
-
une liaison multiple
-
un atome portant un doublet non liant
IV. Mécanisme du mouvement d’un doublet
Au cours d’une étape d’un mécanisme réactionnel, le mouvement d’un doublet d’électrons traduisant la
formation ou la rupture d’une liaison chimique est représenté par une flèche courbe.
Lors de la formation d’une liaison covalente, les électrons d’un doublet vont du site donneur vers le site
accepteur (cf. flèche rouge).
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Site accepteur
Site donneur
d+
H3C
d+
CH2
N3 d –
H
H
CH3
d+
C
H
d–
Cl
d+
H
Ainsi, on observe la réaction suivante :
H3C
H
CH2
N
CH3
H
+
H
C
CH3
Cl
®
H3C
H
+
N
CH3
CH2
+
Cl
--
H
Lors d’une rupture de liaison covalente, les électrons de la liaison rompue vont vers l’atome le plus
électronégatif (cf. flèche bleue).
Questions :
H3C
1. Identifier les sites donneurs et accepteurs dans la molécule d’eau à
partir de sa formule de Lewis.
H
C
2. La molécule d’eau est placée en présence de la molécule suivante :
C
H
CH3
a. Donner le nom complet de cette molécule ainsi que sa
formule topologique.
b. Compléter le schéma réactionnel entre l’eau et cette molécule en y matérialisant le
déplacement des doublets d’électrons.
H3C
H
H
C
C
H
+
H
O
H
CH3
c.
H
H3C
®
C
H
+
+
C
O
-
H
CH3
Retrouver le schéma réactionnel final qui conduit à la formation d’une seule molécule à
partir des deux produits de la réaction précédente.
d. Nommer la molécule obtenue et déterminer sa classe.
e. De quel type de réaction s’agit-il ?
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