Leçon C1:INTRODUCTION A LA CHIMIE ORGANIQUE

INTRODUCTION A LA CHIMIE ORGANIQUE 1^ère S

I] Introduction.

Les espèces chimiques organiques utilisées par l'homme proviennent toutes, par diverses voies de la photosynthèse.

Les espèces naturelles sont extraites de végétaux et animaux.
Les espèces synthétiques sont des molécules naturelles modifiées ou des dérivés du pétrole.
Hydrocarbures.

Les hydrocarbures ne sont constitués que des éléments c carbone et hydrogène et ont pour formule générale : C_xH_y.

Dans un hydrocarbure, chaque atome de C est entouré de 8 e^- (règle de l'octet) et chaque atome H est entouré de 2 e^- (règle du duet). Quand chaque atome de C est entouré de 4 atomes voisins (donc 4 liaisons simples), on dit qu'il est saturé : c'est un alcane.

Ex : l'éthane C₂H₆ est saturé et plus généralement les hydrocarbures de formule C_nH_2n+2.

Ex : l'éthylène C₂H₄ est insaturé. Les deux C sont liés entre eux par une double liaison.

II] Le squelette carboné.

Ecriture d'un hydrocarbure.

On appelle hydrocarbure linéaire, un hydrocarbure à chaîne carbonée unique, sans ramification et non refermée sur elle-même. La T_éb des hydrocarbures linéaires augmente avec la longueur de leur chaîne carbonée.

De 1 à 4 atomes de carbone, les hydrocarbures sont gazeux dans les conditions normales.
De 5 à 20 atomes, ils sont liquides.
Au-dessus de 20 atomes, les hydrocarbures sont pâteux et se retrouvent dans les bitumes, paraffines.
Les squelettes contenant des milliers d'atomes de carbone voire des centaines de milliers constituent les matériaux plastiques.

En chimie organique, une molécule peut s'écrire de différentes façons :

Formule développée : fait apparaître dans le plan tous les atomes et les liaisons qui le relient mais pas les DNL.

Formule semi – développée : Ne fait pas apparaître les liaisons mettant en jeu les atomes H.

Ecriture topologique : se limite à représenter le squelette carboné sous forme d'une ligne brisée.

Les extrémités et les intersections des segments correspondent à la position d'un atome de carbone.

Isomères de constitution.

On appelle isomères des molécules différentes correspondant à des formules brutes identiques.

Dans le cas des alcanes, on précise qu'il s'agit d'une isomérie de constitution ou isomère de chaîne quand les isomères n'ont pas le même squelette carboné.

Ex : deux isomères de formule C₅H₁₂ de squelette linéaire ou ramifié.

Attention aux écritures topologiques équivalentes :

Nomenclature des alcanes.

Cas des alcanes linéaires : Formule brute : C_nH_2n+2

Le nom d'un alcane linéaire est constitué dans l'ordre d'un radical qui dépend de la longueur de sa chaîne carbonée suivi d'un suffixe "ane" qui indique qu'il s'agit d'un alcane.

Nombre d'atomes

Radical

méth

éth

prop

but

pent

hex

hept

oct

non

déc

undéc

dodéc

iecos

Cas des alcanes cycliques :

On ajoute le préfixe "cyclo" devant le nom de l'alcane linéaire qui posséderait la même longueur de chaîne.

Cas des alcanes ramifiés :

Par convention, le nom d'un alcane ramifié comporte dans l'ordre :

Un ou plusieurs préfixes donnant les noms des ramifications alkyles (méthyl, éthyl), précédés de leur indice de position.
Un radical qui précise la longueur de la chaîne.
Une terminaison "ane" qui indique qu'il s'agit d'un alcane.

Sur les 2 sens possibles de numérotation de la chaîne, on retient celui qui procure les plus petits nombre repérant les ramifications.

Nomenclature des alcènes.

De l'alcane à l'alcène :

Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés et possèdent par définition une liaison double C = C : Formule brute : C_nH_2n

Par convention, le nom d'un alcène comporte dans l'ordre :

Un radical qui précise la longueur de la chaîne.
L'indice de position (le plus petit possible) de la double liaison C=C dans le chaîne principale.
Une terminaison "ène" qui indique qu'il s'agit d'un alcène.

Si nécessaire, on fait précéder le nom de l'alcène des lettres (Z) et (E).

(Le sens choisi pour la numérotation de la double liaison C=C s'impose à la numérotation des éventuelles ramifications).

Ex : but-1-ène : CH₂ = CH – CH₂ – CH₃. Ou son isomère de position : but-2-ène : CH₂ – CH = CH₂ – CH₃

L'isomérie Z (cis) et E (trans) appelée diastéréoisomérie :

Les alcènes ont une particularité : les 2 C liés par une double liaison ainsi que leurs voisins immédiats sont dans le même plan. En outre la rotation autour de la double liaison est impossible. La formule CH₃– CH = CH – CH₃ correspond donc à 2 molécules ¹.

Les 2 H ne sont pas ds le même ½ plan / l'axe de C=C Les 2 H sont dans le même ½ plan / l'axe de C=C

La nomenclature Z et E permet de distinguer 2 alcènes isomères dont l'enchaînement des atomes est le même mais dont la géométrie diffère. Si au moins l'1 des atomes doublement liés possède 2 groupes identiques, on ne peut avoir d'isomérie Z et E.

Ex :

A : isomère de chaîne des 3 autres. B : isomère de position de C et D. C et D sont deux stéréo-isomères

Craquage et vapocraquage : Le craquage thermique est une opération au cours de laquelle les molécules d'hydrocarbures saturés à longues chaînes sont cassées donc raccourcies par l'agitation thermique pour produire des molécules à chaînes plus courtes. Réaction entre 500 °C et 850 °C.

Ex : CH₃—CH₂—CH₂—CH_{3 (g)} → CH₄ + CH₃ – CH = CH

Production d'alcènes par vapocraquage : exemple : CH₃—CH₂—CH₂—CH_3(g) → 2 CH₂=CH_2(g) + H_2(g)

Techniques ne modifiant pas le nombre d'atomes de carbone.

Déshydrogénation : une déshydrogénation fait apparaître une double liaison entre 2 atomes de C initialement liés par une liaison simple. Il y a de ce fait élimination d'un atome d'hydrogène porté par chaque atome de carbone concerné. Par exemple :

Ramification du squelette carboné : Il s'agit de la transformation, à température modérée 120°C — 200°C d'une chaîne linéaire en chaîne ramifiée. De ce point de vue c'est aussi une isomérisation. Par exemple :

Cyclisation : Dans des conditions voisines des précédentes, la cyclisation consiste à transformer un alcane linéaire en cyclane (alcane à chaîne fermée). Cette transformation n'est possible que pour des alcanes possédant au moins 5 atomes de carbone. Par exemple :

Cyclisation et déshydrogénation supplémentaire : La transformation précédente peut être réalisée à une température plus élevée (voisine de 500°C) et en présence d'un catalyseur (par exemple le platine Pt). Elle s'accompagne alors d'une déshydrogénation supplémentaire et conduit à l'apparition d'un cycle benzénique.

Techniques permettant d'allonger la chaîne carbonée.

Alkylation : Cette technique consiste à substituer un atome d'hydrogène d'une chaîne carbonée par un groupe alkyle. On peut la réaliser en combinant un alcane et un alcène (opération inverse du craquage). Par exemple : C₄H_10(g) + C₄H_8(g) ¾® C₈H_18(g)
Polyaddition des alcènes, isomérisation ou polymérisation : Cette technique consiste en une addition répétée d'un très grand nombre de molécules insaturées appelées monomères. Elle conduit à une macromolécule appelée polymère. Par exemple :

Autre exemple avec l'éthène :

n CH₂=CH₂ → … – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ –…

Ethylène Polyéthylène, noté – (CH₂ – CH₂)_n

Pour le propène, on a l'équation chimique suivante :

En rouge apparaissent les motifs qui se reproduisent.