L’essentiel sur la réaction chimique 1. Transformations en chimie organique 1.1. Modification de la chaîne carbonée d'une molécule 1.1.1. Fragmentation d'une chaîne carbonée Le craquage catalytique L'opération dite de craquage catalytique, brevetée par Eugène Houdry en 1928, permet de casser à l'aide d'un catalyseur les grosses molécules d'hydrocarbures saturés à longues chaînes par l'agitation thermique. On obtient des molécules plus petites à chaînes plus courtes, généralement des alcanes et des alcènes. Elle s'effectue à 500°C à pression atmosphérique. Le vapocraquage (ou hydrocraquage) Il s’agit d’un craquage permettant d'obtenir des alcènes en présence de vapeur d'eau. Cette opération est effectuée à 800°C et à pression atmosphérique. 1.1.2. Modification de la structure de la chaîne carbonée Le reformage catalytique Cette opération permet de modifier la structure d'une chaîne carbonée. Cette réaction s'effectue à température et pression élevée. L'isomérisation (ou ramification du squelette carboné) Cette opération permet de transformer un alcane à chaine linéaire (hydrocarbure) en son isomère de constitution ramifiée, à température modérée (120°C à 200°C). Exemple : La réaction d'isomérisation de l'octane (IO = 0) en 2,2,4-triméthylpentane (IO = 100) La cyclisation Elle consiste à transformer un alcane linéaire en cyclane (alcane à chaîne fermée ou cyclique) souvent ramifiés et en dihydrogène dans des conditions voisines des précédentes. Cette transformation n'est possible que pour des alcanes possédant au moins cinq atomes de carbone. Exemples : La réaction de cyclisation de l'hexane En méthylcyclopentane La déshydrocyclisation Cette opération permet d'obtenir des dérivés benzéniques et du dihydrogène en réalisant la transformation précédente à une température plus élevée (voisine de 500°C) et en présence d'un catalyseur (exemple le platine Pt). Elle s'accompagne alors d'une déshydrogénation (élimination d'une molécule de dihydrogène) et conduit à l'apparition d'un cycle benzénique. Exemples : Réaction de déshydrocyclisation de l'hexane en benzène 1.1.3. Allongement de la chaîne carbonée L'alkylation Opération qui consiste à substituer (remplacer) un atome d'hydrogène d'une chaîne carbonée par un groupe alkyle. On allonge la chaine d'un alcane en le faisant réagir avec un alcène (opération inverse du craquage). Son intérêt est de produire des espèces chimiques à fort indice d'octane. Exemple : C4H8(g) + C4H10(g) La réaction entre le méthylpropène et le méthylpropane donne du 2,2,4-triméthylpentane C8H18(g) La polymérisation par polyaddition (ajout de plusieurs molécules généralement identique) Cette opération permet de rallonger la chaîne carbonée principale en réalisant une addition répétée d'un très grand nombre de molécules insaturées appelées monomères. Elle conduit à une macromolécule appelée polymère. Exemple : réaction de polymérisation de n molécules de monomère styrène n est appelé indice (ou degré) de polymérisation et le groupe —CH2—CH(Ph)— est appelé motif du polymère 1.2. Modification du groupe caractéristique 1.2.1. Espèces chimiques polyfonctionnelles Définition : Une espèce chimique est dite polyfonctionnelle si elle appartient à plusieurs classes fonctionnelles ou possède plusieurs groupes caractéristiques identiques. Groupe caractéristique Alcène Hydroxyle Fonction Alcool Terminaison -ène -ol hydroxy Carbonyle Aldéhyde -al formyl Carbonyle Cétone -one oxo Carboxyle Acide carboxylique Acide -oïque Ester Ester -oate de -yle Amine Amine -amine Amide Amide -amide Nitrile -nitrile CC OH Préfixe H Nitrile ‒CN amino cyano Exemple : O O OH Acide 3-oxobutanoïque 1.2.2. Modification du groupe caractéristique Une réaction chimique peut également modifier le groupe caractéristique de l'espèce chimique. Exemple : réaction d'oxydation ménagée d’un alcool par les ions permanganate (1ère S) Alcool primaire Oxydation ménagée Oxydation ménagée (oxydant en défaut) (oxydant en excès) Aldéhyde Acide Carboxylique R H H C O H oxydation R C ménagée O H 1.3. Les catégories de réaction en chimie organique 1.3.1. Substitution Définition : Une réaction de substitution est une réaction chimique au cours de laquelle un atome ou groupe d'atomes est remplacé par un autre atome ou groupe d'atomes. Exemple : 1.3.2. Addition Définition : Une réaction d’addition est une réaction chimique au cours de laquelle un atome ou un groupe d'atomes vient se fixer sur des atomes initialement liés par une double ou une triple liaison. Exemple : 1.3.3. Élimination Définition : Une réaction d’élimination est une réaction chimique au cours de laquelle deux atomes ou groupes d'atomes voisins sont retirés d'une molécule. Entre les 2 atomes porteurs de ces groupes d'atomes se forme une double ou une triple liaison. Exemple : 1.4. Sites donneurs et accepteurs d’électrons Sites donneurs Définition : Un site donneur de doublets d’électrons, site de forte densité électronique, peut être localisé sur un atome possédant un doublet non liant ou entre deux atomes (doublet liant) ou sur un atome possédant une charge partielle négative –. Sites accepteurs Définition : Un site accepteur de doublets d’électrons, site de faible densité électronique, peut être localisé sur un atome possédant une charge entière positive ou sur l’atome d’une liaison polarisée possédant une charge partielle positive +. Exemple : 1.5. Introduction aux mécanismes réactionnels Définition : Un mécanisme réactionnel décrit le déroulement, à l’échelle moléculaire, de chaque étape d’une transformation chimique, en particulier la nature des liaisons rompues et formées, et l’ordre dans lequel se font ces ruptures et ces formations. 2. Cinétique chimique 2.1. Classification des réactions Réactions lentes : c'est une transformation dont l'évolution peut être suivie « à l'œil nu » ou avec les appareils de mesure courants pendant quelques secondes (ou plus longtemps). Réactions rapides : on dit qu'une transformation est rapide si elle se fait en une durée trop courte pour que son évolution puisse être suivie « à l'œil nu » ou avec les appareils de mesure courants. 2.2. Facteurs cinétiques 2.2.1. La température Une température plus élevée augmente l'agitation et donc la vitesse de réaction ; Une température faible diminue le désordre et donc réduit la vitesse de réaction ; Pour arrêter une réaction, on effectue une trempe dans le cas des solutions aqueuses qui consiste à plonger la solution dans un mélange d'eau et de glace dont la température est proche de 0°C. Cela a pour effet de stopper la réaction. 2.2.2. La concentration Plus les concentrations sont élevées, plus la chance d'obtenir des chocs efficaces est forte. Donc une augmentation de la concentration accélère la vitesse d’une réaction chimique. 2.3. Catalyse Un catalyseur est une espèce chimique qui va servir d'intermédiaire pour accélérer la réaction mais qui n’apparaît pas dans l’équation de cette réaction. Lorsqu’un catalyseur est utilisé pour accélérer une transformation, on dit que celle-ci est catalysée. On distingue trois types de catalyseurs : - Les catalyseurs homogènes : réactifs et catalyseurs sont réunis en une seule phase ; Les catalyseurs hétérogènes : le catalyseur et les réactifs se trouvent dans deux phases différentes ; Les catalyseurs enzymatiques : le catalyseur est une enzyme, c'est-à-dire une protéine élaborée par les systèmes vivants. Il s'agit à la fois d'une catalyse homogène car le catalyseur et les réactifs du milieu biologique ne forment qu'une seule phase aqueuse, et d'une catalyse hétérogène du fait du mode d'action (présence d'un site actif). Remarques : - Un catalyseur n'apparait jamais dans l'équation globale de la réaction car il est utilisé puis régénéré ; Un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel de la réaction étudiée, mais ne modifie pas le sens d’évolution d’un système, ni son état d’équilibre ; Un catalyseur influe uniquement sur la cinétique de la réaction chimique considérée ; En général, un catalyseur est spécifique d’un type de réaction ; Un catalyseur peut également être sélectif (voir fiche « l’essentiel sur les molécules », §4.6). 2.3. Suivi temporel d’une réaction chimique 2.3.1. Temps de demi-réaction Définition : Le temps de demi-réaction, noté t½, est la durée nécessaire pour que l'avancement x de la réaction soit égal à la moitié de sa valeur finale. x(t½) = ½ xfinal Remarques : - Si la transformation est totale, ce qui correspond à la disparition du(des) réactif(s) limitant(s), l'avancement final est égal à l'avancement maximal : x(t½) = ½ xmax - Le temps de demi-réaction peut être déterminé à partir du graphique donnant la variation de l’avancement de la réaction en fonction du temps, x = f(t) : t½ est l’abscisse du point d’ordonnée - xf 2 . On considère que l’état final d’un système est atteint au bout de 6 à 7 fois le temps de demi-réaction. Ce dernier caractérise donc l’évolution temporelle du système chimique. 2.3.2. Méthodes de suivi On peut suivre l’évolution d’un système chimique ( déterminer, à différents instants, la quantité de matière ou la concentration d’un réactif ou d’un produit de la réaction) par différente techniques : - Par titrage ; Par spectrophotométrie [Voir TP n°15].