1.2 Quelques caractéristiques générales des composés organiques

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1 1. Introduction 1.1 Qu est-ce qu un composé organique? Les composés organiques sont des corps purs composés comprenant principalement des atomes de carbone et d hydrogène. Dans ces molécules, les atomes de carbones sont liés entre eux par des liaisons covalentes pures qui sont apolaires (sans charges électriques). Les atomes les plus couramment présents dans les molécules organiques, en dehors du carbone et de l hydrogène, sont l oxygène, l azote et le soufre. Ces atomes sont appelés des hétéroatomes. La classe des composés regroupant les molécules formées uniquement d atomes de carbones et d hydrogène s appellent les hydrocarbures. 1.2 Quelques caractéristiques générales des composés organiques Les composés organiques sont caractérisés par certaines propriétés, autres que celles des corps minéraux. Tandis que les composés inorganiques sont ordinairement des solides à haut point de fusion, la plus grande partie des composés organiques est représentée par des solides à bas point de fusion ou par des liquides. Les caractéristiques générales des corps organiques sont les suivantes : Ils sont d'ordinaires combustibles et dégagent de la suie pendant la combustion. Ils sont sensibles à la chaleur. Par cuisson, ils subissent une thermolyse (décomposition due à la chaleur). Lorsqu'on les chauffe en l'absence d'air ("distillation sèche"), il y a carbonisation (avec formation de gaz combustibles). Ils s'oxydent souvent en présence d'air. D'une manière générale, on peut dire que les corps organiques sont moins stables que les corps minéraux. 1.3 Les liaisons dans les molécules organiques L'atome de carbone possède 4 électrons externes célibataires, il va donc former 4 liaisons covalentes, on dit qu'il est tétravalent... C.. La tétravalence du carbone est une règle fondamentale de la chimie organique, il faudra donc toujours vérifier qu'elle est respectée. On connaît actuellement des millions de composés organiques, tandis que le nombre de composés qui ne contiennent pas de carbone ne dépasse pas quelques centaines de milliers.

2 Cette diversité des corps organiques trouve sa raison dans le fait que leurs molécules peuvent comporter des dizaines, voire des centaines ou encore des milliers, d'atomes disposés suivant un ordre varié. Cette propriété des molécules organiques est due à la capacité des atomes de carbone de s'associer entre eux pour former des chaînes parfois immenses (polymères) ou des cycles. C C C C C C C C 1.4 Généralités sur les hydrocarbures Les hydrocarbures sont les principaux constituants des pétroles et des gaz naturels. Comme leur nom l'indique, ils ne comportent que des atomes de carbone et d hydrogène. Les atomes de carbone sont attachés les uns aux autres par des liaisons covalentes pures. Les électrons célibataires des atomes de carbones qui ne sont pas liés avec d autres atomes de carbone, sont tous liés à des atomes d hydrogène. On distingue trois catégories principales d hydrocarbures. Les hydrocarbures sont classés dans ces catégories selon le type de liaison carbone-carbone de leurs molécules : les hydrocarbures saturés : Ils ne comportent que des liaisons carbone-carbone simples. Par exemple : les hydrocarbures insaturés: Ils comportent au moins une liaison multiple en deux atomes de carbones. Cette liaison peut être double ou triple. Par exemple : Une liaison carbone-carbone double Une liaison carbone-carbone triple les hydrocarbures aromatiques : Ils constituent une catégorie particulière de composés insaturés cycliques dont la structure est apparentée à celle du benzène. Le benzène Les hydrocarbures partie 1 2

3 2. Les hydrocarbures saturés : les alcanes et les cyclanes 2.1 La chaîne carbonée L'alcane le plus simple est le méthane C 4 (1 atome de carbone). On passe aux membres suivants de la série des alcanes en allongeant la chaîne d'un atome de carbone et en ajoutant le nombre approprié d'atomes d'hydrogène satisfaisant à la tétravalence du carbone. - le méthane : C 4 - l'éthane : C le propane.: C le butane : C Les alcanes linéaires La nomenclature des alcanes linéaires (à chaîne droite) Les alcanes sont, sauf les quatre premiers termes, désignés dans la nomenclature officielle internationale par la racine grecque indiquant le nombre d'atomes de carbone de leur molécule, racine que l'on fait suivre de la terminaison "ane". Nombre d atome de carbone Racine du nom Nom de l alcane 1 Méth Méthane 2 Eth Ethane 3 Prop Propane 4 But Butane 5 Pent Pentane 6 ex exane 7 ept eptane 8 Oct Octane 9 Non Nonane 10 Déc Décane 11 Undéc Undécane 12 Dodéc Dodécane 13 Tridéc Tridécane Les hydrocarbures partie 1 3

4 2.2.2 La représentation des molécules d'alcanes Introduction En chimie organique, une molécule peut être désignée : a) par son nom, b) sa formule brute, c) sa formule semi-développée ou sa formule condensée, d) sa formule développée topologique ou formule développée plane. Exemple : Le n-pentane a) son nom n-pentane b) sa formule brute C 5 12 c) sa formule semi-développée C 3 -C 2 -C 2 -C 2 -C 3 ses formules condensées Variante 1: C 3 C 2 C 2 C 2 C 3 Variante 2: C 3 (C 2 ) 3 C 3 d) ses formules développées Formule développée plane Formule développée topologique ou simplifiée Les formules développées La formule développée plane La formule développée plane ne représente pas la géométrie de la molécule, mais précise seulement l'ordre d'enchaînement des atomes. Tous les atomes et toutes les liaisons sont présents, mais dessinés en deux dimensions dans le plan de la feuille. C C C La formule développée topologique La formule développée plane devient vite illisible et fastidieuse à écrire si le nombre d atomes de carbone augmente. Aussi, les chimistes utilisent-il préférentiellement la formule développée topologique appelée aussi parfois représentation topologique ou formule condensée ou formule sténochimique ou encore formule développée simplifiée. Les hydrocarbures partie 1 4

5 Dans cette dernière, les liaisons carbone-hydrogène et les atomes d hydrogène n apparaissent plus. Seules les liaisons entre les carbones sont dessinées. Par convention, toutes les liaisons absentes autour d un atome de carbone sont donc considérées comme des liaisons C-. Le symbole des atomes de carbone n apparaît plus. La jonction de deux liaisons indique la présence d un atome de carbone. Les liaisons carbone-carbone sont disposées en zigzag dans le plan de la feuille pour symboliser l angle de liaison de ~109. Exemple: Le n-propane C C C ou Formule développée plane Formule développée topologique 2.3 Les alcanes ramifiés Définition d un alcane ramifié Un alcane est appelé ramifié, si au moins un atome de carbone est lié à 3 ou 4 autres atomes de carbone. le butane C 4 10 n-butane (alcane linéaire) alcane ramifié Carbone lié à 3 autres atomes carbones = alcane ramifié le pentane C 5 12 n-pentane (alcane linéaire) alcane ramifié Carbone lié à 3 autres atomes carbones = alcane ramifié Les hydrocarbures partie 1 5

6 2.3.2 Définition d un isomère de structure Deux corps purs sont dits isomères de structure lorsqu'ils ont la même formule brute, mais des structures différentes (formules développées différentes). Cette particularité entraîne une différenciation des propriétés physiques et chimiques. Le nombre d'isomères croît très rapidement avec le nombre n d'atomes de carbone dans la molécule. n Nombre d isomères Il est donc nécessaire d'attribuer à chaque isomère un nom permettant de l'identifier sans ambiguïté. Réciproquement, la connaissance du nom doit permettre d'écrire la formule (semi-) développée du corps. Les chimistes ont donc adopté des règles satisfaisant à ces exigences et dont l'ensemble constitue la nomenclature systématique(*). (*)Nomenclature recommandée par l'international Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) La nomenclature des alcanes ramifiés Les radicaux/substituants Les alcanes à chaînes ramifiées, sont considérés comme des dérivés des alcanes linéaires dans lesquels certains hydrogènes ont été remplacés par des chaînes hydrocarbonées appelées substituants ou radicaux ou groupes alkyles. Exemple : Cet alcane contient 3 radicaux/substituants : 2x C 3 et 1x C 3 C 2 Un radical, ou substituant, ou groupe alkyle est une chaîne hydrocarbonée remplaçant un atome d'hydrogène sur un hydrocarbure linéaire. On obtient le nom du radical/substituant (alkyle) en échangeant la terminaison -ane de l'alcane correspondant contre la terminaison -yle. Les hydrocarbures partie 1 6

7 Voilà le nom de quelques radicaux/substituants courants: C 3 méthyle C 3 C 2 ou Liaison entre le radical et l'hydrocarbure éthyle Le propane peut donner deux groupes alkyles, selon le type d'hydrogène qui a été enlevé: propyle propane isopropyle De même pour le butane, on obtient quatre groupes butyles différents : butyle sec-butyle ou s-butyle isobutyle ou i-butyle tert-butyle ou t-butyle Les noms des radicaux/substitutants ci-dessus, qui sont soulignés, n ont pas été attribués en utilisant la nomenclature systématique. Ils sont cependant très couramment utilisés et il faut les connaître. Nom courant isopropyle isobutyle tert-butyle sec-butyle Nom systématique* 1-méthyléthyle 2-méthylpropyle 1,1-diméthyléthyle 1-méthylpropyle * voir les règles ci-dessous Procédure pour nommer les alcanes ramifiés selon la nomenclature systématique (UIPAC) 1. Déterminer quelle est la chaîne carbonée la plus longue (dite chaîne principale) de la molécule. Celle-ci fournit le nom de base de l alcane. Les hydrocarbures partie 1 7

8 Chaîne principale = 8 C = octane 2. Numéroter la chaîne la plus longue à partir d'une de ses deux extrémités, de telle façon que l indice numérique indiquant la position du premier radical/substituant soit le plus petit possible JUSTE FAUX Si l indice numérique du premier radical est le même en partant des deux extrémités de la chaîne principale, on compare alors l indice numérique du 2 ème radical/substituant et ainsi de suite. 3. Nommer les substituants/radicaux. méthyle éthyle 4. Le nom de l alcane est obtenu en énonçant, par ordre alphabétique, les noms des radicaux/substituants précédés de leur indice numérique (indiquant leur position dans la ramification), puis en ajoutant le nom de la chaîne principale. Le nom du composé est donné par : Règles : Nom : 4-éthyl-3-méthyloctane Indice(s) numérique(s) - nom des radicaux/substituants par ordre alphabétique + nom de la chaîne principale. Le e final du nom du radical/substituant est perdu dans le nom de la molécule. Les noms et les indices numériques sont séparés par un tiret. Le nom du dernier radical/substituant cité est accolé au nom de la chaîne principale. La présence de plusieurs radicaux/substituants identiques est indiquée par un préfixe multiplicatif : di- (2),tri (3), tétra (4), penta (5), hexa (6), etc. Les hydrocarbures partie 1 8

9 Ce préfixe n'est pas pris en compte pour déterminer l'ordre alphabétique des radicaux. Le préfixe multiplicatif est précédé de tous les indices numériques par ordre croissant du même radical/substituant. Ces indices sont séparés par une virgule. Les halogènes (F, Cl, Br, I) peuvent remplacer des atomes d'hydrogène dans les molécules d'alcanes pour donner des dérivés halogénés. On nomme l'hydrocarbure halogéné en utilisant le nom de l'halogène terminé par "o" comme le nom d'un radical hydrocarboné. Nommer un radical ramifié : L'atome de carbone possédant la valence libre, c'est à dire celui qui a formellement perdu un atome d'hydrogène, porte toujours le numéro 1 à l'intérieur du groupe. Lorsque le radical/substituant possède un nom courant comme c est le cas pour l isopropyle, le sec-butyle etc., il ne sera pas tenu compte du préfixe (sec-, tert-, pour établir l ordre alphabétique des substituants dans le nom de la molécule, sauf si la molécule commence par iso-. Exemples A) Nom: B) Les trois isomères du pentane: Noms : ,2-diméthylpropane C) Nom : D) Nom : E) Nom : 4,5-diéthyl-3,6-diméthyldécane Les hydrocarbures partie 1 9

10 On appelle un : carbone primaire, un atome de carbone lié à 1 seul autre atome de carbone, dans ce cas il est évident qu'il se trouve en bout de chaîne. carbone secondaire, un atome de carbone lié à 2 autres atomes de carbone. carbone tertiaire, un atome de carbone lié à 3 autres atomes de carbone. carbone quaternaire, un atome de carbone lié à 4 autres atomes de carbone. 2.4 Les cyclanes ou cycloalcanes (alcanes cycliques) Introduction A partir de 3 atomes de carbone, la chaîne d'un hydrocarbure peut être fermée pour former un cycle. Toutes ces molécules ne comportent que des liaisons simples C-C et présentent une grande analogie avec les alcanes : on les appelle des cyclanes ou cycloalcanes Nomenclature des cyclanes On nomme les cycloalcanes en plaçant le préfixe "cyclo" devant le nom de l'alcane dont la chaîne a le même nombre d'atomes de carbone. Les structures et les noms des six premiers cyclanes non substitués sont : cyclopropane cyclobutane cyclopentane cyclohexane cycloheptane cyclooctane Remarques : Les 3 atomes de carbone du cyclopropane se situent aux sommets d'un triangle équilatéral. En raison de cette structure, l'angle entre deux liaisons C-C n'est que de 60, (alors que dans le tétraèdre, il est de 109,5 ). On dit que le cycle est tendu. Ce modèle explique la grande capacité de réaction du cyclopropane; le cycle s'ouvre facilement. Le cyclobutane est également un cycle soumis à une très forte tension, car les angles de liaison se sont que de 90. Les cycles à 5 atomes ou plus n'ont pas de tension de cycle. Ces cyclanes se comportent chimiquement comme des alcanes à chaîne ouverte. On les dit stables. La nomenclature des cycles porteurs de radicaux alkyles ou halogènes est analogue à celle des alcanes. Seule variante : Si le substituant/radical est unique, on n a pas besoin de numéroter les carbones. Les hydrocarbures partie 1 10

11 méthylcyclopentane cyclopropylcyclopentane Lorsqu'il y a des radicaux/substituants différents, on attribue le numéro 1 au radical/substituant dont le nom est le premier par ordre alphabétique. On numérote ensuite les carbones du cycle de telle manière que les autres radicaux/substituants reçoivent le numéro le plus petit possible. Lorsque le cycle est un radical/substituant, on procède de manière similaire à celle des radicaux/substituants alkyls. Le nom du radical/substituant est celui du cycloalcane où la terminaison -ane est remplacée par la terminaison -yl. Nom : Nom : 5. Les alcènes, le premier type d hydrocarbures insaturés 5.1 Introduction Les alcènes sont des hydrocarbures présentant dans leur molécule une ou plusieurs double(s) liaison(s) C=C entre deux carbones. Le nom des alcènes se termine en ène l'éthène ou éthylène : C 2 4 le propène : C 3 6 le butène : C 4 8 Les hydrocarbures partie 1 11

12 Dans les alcènes, on rencontre : l'isomérie de chaîne due à la position des groupements hydrocarbonés latéraux. l'isomérie de position due à la position de la double liaison dans la chaîne (carbone 1,2,3,..). Quand il y a plus d'une double liaison dans une molécule d'alcène, on dit que les doubles liaisons sont cumulées quand elles sont contiguës, conjuguées quand elles sont alternées, c'est-à-dire séparées par une seule liaison simple, isolées ou non conjuguées quand elles sont séparées par plus d'une liaison simple. Les plus courantes dans les produits naturels sont les liaisons conjuguées. C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C cumulées conjuguées isolées 5.2 La nomenclature des alcènes La nomenclature des alcènes à chaîne non ramifiée Les règles sont les même que pour les alcanes correspondants avec les modifications suivantes : On échange la terminaison -ane du nom de l'alcane de même nombre de carbone contre la terminaison ène. Pour préciser la position de la double liaison, on fait précéder la terminaison -ène d'un nombre indiquant sa position dans la chaîne. S'il y a plusieurs doubles liaisons, le nom de l'hydrocarbure se termine par : -adiène -atriène : 2 doubles liaisons : 3 doubles liaisons On numérote la chaîne à partir de l'extrémité la plus proche de la double liaison. Les hydrocarbures partie 1 12

13 5.2.2 La nomenclature des alcènes à chaîne ramifiée Règles La nomenclature des alcènes ramifiés obéit aux mêmes règles que celle des alcanes ramifiés avec les modifications suivantes : Choisir, comme chaîne principale, la plus longue série d'atomes de carbone contenant la ou les double(s) liaison(s). Numéroter la chaîne principale de façon à attribuer les plus petits numéros possibles aux atomes de carbone de la ou des liaison(s) double(s). a) b) Quelques noms communs Les noms communs les plus souvent employés sont : a) éthylène pour éthène b) propylène pour propène Les radicaux/substituants Deux radicaux/substituants importants ont des noms communs : vinyle allyle Les hydrocarbures partie 1 13

14 Ces radicaux apparaissent dans des noms communs, tels que : Cl chlorure de vinyle (chloroéthène) Cl chlorure d allyle (3-chloropropène) Les alcènes cycliques Dans les alcènes cycliques (cycloalcènes), on commence la numérotation du cycle par les carbones des doubles liaisons : Cyclopentène 3-méthylcyclopentène 1,3-cyclohexadiène 5.3 La géométrie de la double liaison Les caractéristiques de la double liaison carbone - carbone sont les suivantes : Les 2 carbones de la double liaison, ainsi que les 4 atomes liés aux carbones se trouvent tous dans le même plan. L angle entre les liaisons approche les 120. La rotation autour de la double liaison est impossible. 6. Les alcynes, le 2 ème type d hydrocarbures insaturés 6.1 Introduction Les alcynes sont des hydrocarbures présentant dans leur molécule une ou plusieurs triple(s) liaison(s) C C entre deux atomes de carbone. Leurs noms se terminent en yne l'éthyne ou acétylène : C 2 2 le propyne : C 3 4 le butyne : C 4 6 Les hydrocarbures partie 1 14

15 6.2 La nomenclature des alcynes Les règles de nomenclature des alcynes sont les mêmes que celles des alcènes, sauf que la terminaison -ène et remplacée par la terminaison -yne. Si il y a plusieurs triples liaisons, le nom de l'hydrocarbure se termine par : - adiyne : 2 triples liaisons - atriyne : 3 triples liaisons Exemple : nom : 6.3 La géométrie des alcynes La molécule d'éthyne est linéaire (tous les atomes sont alignés sur une droite) avec un angle de 180 entre les 2 hydrogènes. De la même manière toutes les triples liaisons carbone-carbone sont linéaires. Il existe des alcynes cycliques. A cause de la linéarité de la triple liaison (angle de liaison de 180 ) et de la tension que cela engendre dans le cycle, la structure cyclique n'est possible que pour des cycles comportant au minimum huit atomes de carbone. Cyclooctyne Les hydrocarbures partie 1 15