1. Aspect macroscopique des transformations en chimie organique

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1 CHAPITRE C12 Transformation en chimie organique 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, en observant les réactifs et les produits d une réaction, ou bien à l échelle microscopique, qui permet de comprendre le déroulement de ces transformations à travers la modélisation des mouvements des doublets d électrons. 1. Aspect macroscopique des transformations en chimie organique Modification de la chaîne carbonée Une chaîne carbonée peut être linéaire, ramifiée ou cyclique. Elle est saturée si elle ne contient que des liaisons simples, insaturée si elle contient au moins une liaison multiple : Il existe trois types de modification de chaîne : Avec conservation du nombre d atomes de carbone Les réactions de modification de chaîne carbonée qui conservent le nombre d atomes de carbone sont utilisées par exemple dans l industrie pétrolière, dans le but d augmenter l indice d octane d une molécule pour obtenir des carburants plus performants. Ce sont des réactions de reformage. Ces réactions ont lieu à pression et températures élevées en présence de catalyseurs. Trois types de réactions de reformage ont lieu : L isomérisation qui permet de transformer un hydrocarbure linéaire en hydrocarbure ramifié. La déshydrogénation qui permet la formation d une double liaison dans la chaîne carbonée. La cyclisation qui permet la formation d une chaîne carbonée cyclique. Avec diminution du nombre d atomes de carbone Les molécules à longue chaîne carbonée peuvent être «cassées» en molécules plus petites dont certaines possèdent une double liaison. Ces réactions sont des réactions de craquage. Le craquage peut se faire en présence d un catalyseur, le craquage catalytique, ou en présence de vapeur d eau, le vapocraquage : 1

2 Avec augmentation du nombre d atomes de carbone L alkylation permet de rallonger la chaîne carbonée d un alcane en le faisant réagir avec un alcène. Cette réaction, inverse du craquage permet de produire des molécules à haut indice d octane : La polymérisation permet de rallonger la chaîne carbonée d un composé organique comportant une double liaison par réactions d addition les unes à la suite des autres. Les molécules additionnées les unes aux autres sont appelées monomères, la macromolécule obtenue par cette addition est nommée polymère : Modification des groupes caractéristiques Un groupe caractéristique est un groupe d atomes qui confère des propriétés spécifiques à la molécule qui le possède. Il est associé à une fonction chimique de la molécule (voir Chapitre C8). Les réactions subies par les molécules organiques peuvent impliquer des modifications de groupes caractéristiques. Exemple : Les grandes catégories de réaction chimique A partir de l examen des réactifs et des produits principaux, les réactions de chimie organique sont cladsées en catégories : Réaction de substitution Une molécule subit une réaction de substitution si l un de ses atomes ou groupes d atomes, lié à un carbone par une liaison simple, est remplacé par un autre atome ou groupe d atome : 2

3 Réaction d addition Une molécule qui possède une liaison double est le siège d une réaction d addition si cette liaison double se transforme en liaison simple avec ajout d atomes ou groupes d atomes aux atomes de la liaison double : Réaction d élimination Une molécule est le siège d une réaction d élimination si l une de ses liaisons simples se transforme en liaison double ou si cette molécule se cyclise : 2. Aspect microscopique des transformations en chimie organique Polarisation d une liaison Une laison covalente simple est une mise en commun de deux électrons de valence entre deux atomes. Au sein de cette liaison, les deux électrons sont attirés vers l atome le plus électronégatif et ne sont pas à équidistance de ces deux atomes. L atome le plus électronégatif, possédant un excès d électrons, est représenté par une charge partielle négative δ. L atome le moins électronégatif, possédant un défaut d électrons, est représenté par une charge partielle positive δ +. La liaison est alors polarisée. Exemples : Dans une molécule de dihydrogène, le doublet d électrons liant les deux atomes est équitablement partagé entre les deux atomes d hydrogène : la liaison n est pas polarisée : Dans une molécule de chlorure d hydrogène H Cl, le doublet d électrons liant les deux atomes n est pas équitablement partagé entre les deux atomes. L atome de chlore, plus électronégatif que l atome d hydrogène, attire vers luis les électrons de la liaison : la liaison est polarisée : 3

4 Sites donneur et accepteur de doublets d électrons Un site donneur de doublet d électrons est : un atome présentant un excès d électrons, c est-à-dire une charge négative entière (-) une liaison multiple un atome portant un doublet non liant. Un site accepteur de doublet d électrons est un atome présentant un défaut d électrons, c est-à-dire une charge partielle δ + ou une charge positive entière. Application : Identifier les sites donneur et accepteur de doublet d électrons de la molécule de 1-chlorobutane. Pour cela : 1/ Donner la formule topologique de la molécule. 2/ Identifier la liaison polarisée dans la molécule. 3/ Placer les charges partielles sur les atomes correspondants. 4/ En déduire les sites donneur ou accepteur de doublets d électrons. 4

5 Représentation du mouvement d un doublet d électrons Au cours d une étape d un mécanisme réactionnel, les mouvements de doublets d électrons traduisant la transformation et la rupture de liaisons chimiques sont représentés par des flèches courbes : Lors de la formation d une liaison covalente, les électrons vont du site donneur vers le site accepteur de doublets d électrons. On représente ce mouvement par une flèche courbe allant du site donneur vers le site accepteur Lors de la rupture d une liaison covalente, les électrons de la liaison rompue vont vers l atome le plus électronégatif. Ce mouvement est représenté par une flèche courbe allant de la liaison à rompre vers l atome le plus électronégatif. Application : Expliquer la formation de liaisons au cours de l addition du bromure d hydrogène sur le (E)-but-2-ène. Pour cela : 1/ Identifier les sites donneur et accepteur de doublets d électrons à chaque étape, et représenter les doublets non liants manquants (figure 1). 2/ Placer les flèches courbes représentant le mouvement des électrons au cours des deux étapes (figure 2). Surligner en bleu les liaisons formées et en rouge les liaisons rompues. 3/ Expliquer la formation des liaisons C H et C Br et la disparition de la liaison double. Figure 1 : Réaction d addition du bromure d hydrogène sur un alcène Figure 2 : Représentation des mouvements d électrons 5