- LES HYDROCARBURES -

Transcription

1 - LES YDRARBURES - I - Les éléments hydrogène et carbone 1. L hydrogène Numéro atomique Z = 1 ; répartition des électrons (K 1 ) ; modèle de Lewis : ; l hydrogène est monovalent. Dans une formule développée on aura : 2. Le carbone Numéro atomique Z = 6 ; répartition des électrons (K 2,L 4 ) ; modèle de Lewis Ses différentes structures a) carbone tétragonal.... ; le carbone est tétravalent. - Lié à 4 atomes par 4 simples liaisons, il est au centre d un tétraèdre régulier. - Représentation en perspective : dans le plan de la feuille sort vers l avant - haque simple liaison permet la libre rotation autour de son axe. b) carbone trigonal - Lié à 3 atomes par une double liaison et 2 simples liaisons. sort vers l arrière - Les 3 directions sont coplanaires. - La double liaison interdit toute rotation autour de son axe. c) carbone digonal (hors programme) ou II - Les alcanes (n2n+2) e sont des hydrocarbures (constitués uniquement d hydrogène et de carbone) saturés et acycliques. Tous les atomes de carbone sont tétragonaux. Propriété structurelle : il y a libre rotation autour de chaque axe carbone-carbone, et donc la possibilité de déformation des molécules autour de ces axes. 2. Les premiers alcanes à chaîne linéaire méthane 4 pentane 5 12 nonane 9 20 éthane 2 6 hexane 6 14 décane propane 3 8 heptane 7 16 undécane butane 4 10 octane Les groupes alkyles non ramifiés En retirant un atome d hydrogène à une molécule d alcane on obtient un groupe alkyle : n 2n+1 _ Exemples : méthyle 3 _ propyle 3 7 _ pentyle 5 11 _ éthyle 2 5 _ butyle 4 9 _ Nomenclature des alcanes ramifiés La chaîne carbonée la plus longue est appelée chaîne principale. est elle qui détermine le nom de l alcane. Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 1

2 Les atomes de carbone de la chaîne principale sont numérotés (2 numérotations possibles) en minimisant les indices de position des ramifications. Le nom complet de l alcane est constitué des noms des ramifications alkyles, dans l ordre alphabétique, précédées de leur indice de position (séparé par un tiret) et suivi du nom de l alcane. Remarque : - n élide le «e» final des groupes alkyles. - Si il y a plusieurs groupes alkyles identiques, leur nombre est indiqué à l aide d un préfixe di, tri, tétra... Exemple : éthyl - 2 méthylhexane 5. Réactions chimiques Les alcanes donnent lieu à des réactions de substitution : un ou plusieurs atomes d halogène peuvent se substituer à un ou plusieurs atomes d hydrogène. Exemples : L action du dichlore sur le méthane donne du monochlorométhane et du chlorure d hydrogène : 4 + l 2 3 l + l N.B. La chaîne carbonée est totalement conservée. III - Les cyclanes (n2n) ydrocarbures saturés (atomes de carbone tétragonaux) dont la chaîne carbonée principale est refermée sur elle-même formant un cycle. Nomenclature : nom de l alcane précédé du préfixe cyclo. Exemple : Le cyclohexane de formule brute : ou 2 (Formule topologique) N.B. cette molécule n est pas plane, du fait de la présence des atomes de carbone tétragonaux. IV - Les alcènes (n2n) e sont des hydrocarbures insaturés, acycliques, caractérisés par la présence d une (seule) double liaison carbonecarbone (présence de deux atomes de carbone trigonaux). Propriété structurelle : la présence de cette double liaison a pour conséquences : - Une structure plane autour des deux atomes de carbone trigonaux. - La rotation impossible autour de cet axe carbone-carbone, et donc la possibilité d avoir des stéréoisomères Z et E (anciennement cis et trans) La terminaison «ane» de l alcane correspondant est remplacée par la terminaison «ène» précédé de l indice de position (le plus petit possible) de la double liaison. La chaîne principale est la chaîne la plus longue comportant la double liaison. Exemple : isomères de formule brute but-1-ène 3 3 (Z)-but-2-ène 3 (E)-but-2-ène 3 Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 2

3 Remarque : le nom courant de l éthène ( 2 = 2 ) est éthylène. 3. Réactions chimiques Les alcènes donnent lieu à des réactions d addition ; la double liaison peut «s ouvrir» : les atomes de carbone trigonaux fixant chacun un atome (ou groupe) supplémentaire pour passer à une structure tétragonale (saturée). a) ydrogénation : addition de dihydrogène + (Alcène) (Alcane) b) ydratation : addition d eau + (Alcène) (Alcool) Règle de Markownikov (à retenir) : lors d une addition, l hydrogène se fixe préférentiellement sur l atome de carbone le plus hydrogéné. Exemple : et non c) Polymérisation par polyaddition : addition, les unes aux autres, de molécules identiques ou ( ) n n. (monomère) (polymère) Exemples de polymères : ( ) n 2 l polychlorure de vinyle ( ) n F 2 F 2 polytétrafluoroéthylène ou téflon ( ) n 2 polystyrène 6 5 V - Les alcynes (n2n-2) (hors programme) ydrocarbures insaturés, acycliques, caractérisés par la présence d une triple liaison carbone-carbone. Elle dérive de celle des alcènes avec comme terminaison «yne» au lieu de «ène» Exemples : ( 2 2 ) éthyne ou acétylène 3 ( 3 4 ) propyne Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 3

4 3 3 ( 2 2 ) but-2-yne 3. Réactions omme les alcènes, les alcynes donnent lieu à des réactions d addition par «ouverture» de la triple liaison ; ce qui conduit à la formation de composés comportant une double ou une simple liaison carbone-carbone. VI - ydrocarbures benzéniques ou hydrocarbures aromatiques (arènes) (paradoxalement hors programme mais à connaître) 1. La molécule de benzène (66) est le plus simple des hydrocarbures aromatiques. Le squelette carboné est formé de six atomes de carbone dont les noyaux sont situés aux sommets d un hexagone régulier. et hexagone est plan. haque atome de carbone a trois électrons de valence engagés dans les simples liaisons covalentes carbone-hydrogène ou carbone-carbone. Les six électrons de valence restants sont délocalisés sur l ensemble des six atomes de carbone formant le cycle. Une telle structure assure à la molécule de benzène une grande stabilité. es six électrons sont représentés schématiquement par un cercle situé à l intérieur de l hexagone. ou Représentation conventionnelle de la molécule de benzène L ensemble des 6 atomes de carbone ainsi liés est appelé noyau (ou cycle) benzénique ou noyau (ou cycle) aromatique. n trouve aussi, une autre représentation de la molécule de benzène : ette autre représentation (3 doubles liaisons et 3 simples liaisons) permet de tenir compte de la réactivité du benzène : possibilité de réactions d addition (simultanément, toutefois, sur les six atomes de carbone). 2. Les groupes Aryles Groupes monovalents dérivés d hydrocarbures aromatiques monocycliques et possédant la valence libre sur un carbone du cycle. Le plus simple des groupe Aryle est le groupe phényle : 3. Quelques hydrocarbures aromatiques et dérivés Toluène -Xylène 3 umène Styrène naphtalène Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 4

5 Phénol Acide salicylique 3 Aspirine 4. Les réactions a) Les réactions de substitution sont plus nombreuses que pour les alcanes. Exemples de produits de substitution N 2 l N 2 3 N 2 mononitrobenzène monochlorobenzène N 2 Trinitrotoluène (T.N.T) b) Les réactions d addition sont moins nombreuses que pour les alcènes (elles se font simultanément sur les six atomes de carbone). Exemple : (L hydrogénation du benzène conduit à la formation du cyclohexane). Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 5

6 - LES MPSES RGANIQUES XYGENES - Rappel : l élément oxygène Numéro atomique Z = 8 ; répartition des électrons (K 2,L 6 ) ; modèle de Lewis ou.. ; le carbone est divalent. I - Les alcools (1 oxygène avec 2 simples liaisons) Un alcool est un composé organique dont la molécule comporte un groupe hydroxyle fixé sur un atome de carbone tétragonal. La formule générale d un alcool s écrit : R R : désignant un groupe carboné (le plus souvent un groupe alkyle). n part du nom de l alcane dont il dérive et on remplace le «e» final par le suffixe «ol» précédé de l indice de position (le plus petit possible) du groupe hydroxyle. Notons que les terminaisons diol et triol désignent les composés qui possèdent deux ou trois fonctions alcool en conservant le «e» de l alcane. Exemple : Remarque : Le propan-1,2,3-triol ou glycérol est un trialcool: Le phénol n est pas un alcool : le carbone fonctionnel n étant pas tétragonal : méthanol éthanol propan-1-ol propan-2-ol 3-méthylbutan-1-ol cyclohexanol Les différentes classes d alcools - Alcool primaire (le carbone fonctionnel est lié à au plus un autre carbone) : R 2 - Alcool secondaire (le carbone fonctionnel est lié à deux atomes de carbone) : R R - Alcool tertiaire (le carbone fonctionnel est lié à trois atomes de carbone) : R R 4. btention d un alcool Un alcool peut être obtenu per hydratation d un alcène (voir le chapitre sur les hydrocarbures - règle de Markownikov). 5. Exemple d alcool : l éthanol ( 2 5 ) Masse volumique : = 0,79 g/cm 3 ; température d ébullition e = 78 ; miscible à l eau en toute proportion. btenu : R Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 6

7 - par hydratation de l éthylène : 2 = ; 70 bars - par fermentation des jus sucrés : glucose 6. L anion alcoolate L anion alcoolate R - est capable, en captant un ion +, de donner l alcool R. Le nom de cet anion est obtenu en ajoutant le suffixe «ate» au nom de l alcool correspondant. Exemple : est l ion éthanolate. II - Les éthers oxydes (1 oxygène avec 2 simples liaisons) (hors programme) omposés organiques de formules générale : R R (R et R désignant des groupes alkyle). Supposons que le groupe qui contient le plus grand nombre d atomes de carbone (groupe prioritaire) soit R ; l etheroxyde est nommé comme un dérivé de substitution de l alcane R : R R alkoxyalcane Exemples : méthoxyéthane éthoxyéthane (dont le nom commercial est l éther ) III - Les aldéhydes (1 oxygène avec 1 double liaison) omposés organiques comportant un groupe carbonyle Formule générale : en «bout» de chaîne. R ou R Nom de l alcane auquel on remplace le «e» final par le suffixe «al». 3. Exemples d aldéhydes - Méthanal ou formol (ou formaldéhyde) : (conservation des spécimens en Bio.) - Éthanal ou acétaldéhyde : 3 (odeur de pomme - fabrication de l acide acétique) IV - Les cétones (1 oxygène avec 1 double liaison) omposés organiques comportant un groupe carbonyle Formule générale : R R en «milieu» de chaîne. Le «e» final de l alcane est remplacé par le suffixe «one» précédé de l indice de position (le plus petit possible) du groupe carbonyle. Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 7

8 3. Exemples de cétones propanone pentan-2-one cyclohexanone V - omposés organiques comportant un groupe carboxyle : Formule générale : Les acides carboxyliques (2 atomes oxygène) R ou R ou R 2 Le «e» final de l alcane est remplacé par le suffixe «oïque» et on met devant le nom, le mot acide. 3. Exemples d acides carboxyliques 3 Acide méthanoïque ou acide formique Acide éthanoïque ou acide acétique Acide éthanedioïque ou acide oxalique Acide benzènecarboxylique ou acide benzoïque Acide benzène-1,2-dicarboxylique ou acide orthophtalique Acide benzène-1,4-dicarboxylique ou acide téréphtalique 4. Les anions carboxylates Une molécule d acide carboxylique qui cède un ion + se transforme en ion carboxylate R -. Les anions carboxylates R - sont nommés à partir du nom de l acide correspondant R en remplaçant la terminaison «oïque» par «oate». Exemples : 3 - est l ion éthanoate est l ion benzoate. n appelle ester tout composé de formule : VI - Les esters (2 atomes oxygène) Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 8

9 R R L ester R R résulte de l action de l acide carboxylique R sur l alcool R : R + R R R + 2 n cherche le nom de l acide R et on supprime le mot acide puis on remplace la terminaison «oïque» par la terminaison «oate». n ajoute «de» que l on fait suivre du nom du groupe alkyle R : «Alcanoate d alkyle» 3. Exemples d esters 2 5 méthanoate d éthyle (ou formiate d éthyle) 3 éthanoate de méthyle (ou acétate de méthyle) méthylbutanoate d éthyle Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 9

10 MPLEMENTS : - Règles de nomenclature en chimie organique - - omposés à fonctions mixtes - (hors programme) Le nom d une molécule organique a pour base le nom de l hydrocarbure correspondant. Les différentes fonctions (acide, alcool, cétone...) sont classées de manière à faire apparaître une fonction principale et des fonctions secondaires. Un suffixe précise la nature de la fonction principale et des préfixes indiquent les fonctions secondaires. lassement des fonctions par ordre décroissant de priorité Nom Formule Préfixe Suffixe acide carboxylique carboxy (Acide)... oïque ester ou R oxycarbonyle alcanoate de R aldéhyde formyle al cétone oxo one alcool, phénol hydroxy ol amine N2 amino amine double liaison triple liaison halogénure ène yne halogéno Méthode à suivre : Rechercher la chaîne la plus longue contenant la fonction principale. Numéroter cette chaîne de façon à donner au carbone de la fonction principale (ou porteur de cette fonction) le numéro le plus petit possible. Repérer sur la chaîne l emplacement des fonctions secondaires et des ramifications. Les indices de position sont placés immédiatement avant la partie du nom à laquelle ils se réfèrent. Ils sont reliés par des tirets placés de part et d autre de ces indices. Exemples : pentan-1-ol ; pent-3-èn-1-ol. Lorsque le nom d un substituant est utilisé pour la construction d un nom, il constitue un préfixe qui s écrit sans la lettre e finale. Exemple : 2-méthylpentane. Les affixes stéréochimiques sont également placés avant le nom du composé. Exemple : Acide (2E,4Z)-hexa-2,4-diènoïque. Exemple d une molécule que l on rencontre assez souvent (en 1 ère et terminale) : 3 Acide 2-hydroxypropanoïque ou acide lactique Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 10

11 XYDATIN DES MPSEES RGANIQUES XYGENES I - xydation des alcools 1. xydations brutales Il s agit de combustions : réactions totales, très exothermiques, qui détruisent le squelette carboné pour donner du dioxyde de carbone et de la vapeur d eau : n 2n+1 + 3n 2 2 n 2 + (n + 1) 2 2. xydations ménagées Il y a conservation du squelette carboné de la molécule et donc du nombre d atomes de carbone. N.B. Il y a autant d étapes d oxydation que d atomes d hydrogène portés par le carbone fonctionnel (sauf pour le méthanol : 3 ). Alcool primaire R - 2 oxydation oxydation Aldéhyde R - oxydation oxydation Acide carboxylique R - Alcool secondaire R - - R' oxydation oxydation étone R R' {Alcool tertiaire : pas d' oxydation Remarque : Du fait des oxydations successives et en fonction de la quantité d oxydant mise en jeu, l oxydation ménagée d un alcool primaire peut conduire à un aldéhyde, à un acide carboxylique ou à un mélange de ces deux composés (défaut d oxydant : 1 seule étape - excès d oxydant : 2 étapes). Les couples mis en jeu dans ces oxydations, et, les demi-équations électroniques correspondantes sont : xydation des alcools primaires : R/R 2 : R + 2 e R 2 R/R : R + 2 e R + 2 ou R/R 2 : R + 4 e R (avec un excès d oxydant) xydation des alcools secondaires : R--R /R--R : R--R + 2 e R--R N.B. L identification des produits de l oxydation ménagée des alcools permet de savoir à quelle classe ils appartiennent. 3. xydants utilisés 2 du couple 2 / 2 (+1,23 V) catalysé par u. Exemple : expérience de lampe sans flamme avec l éthanol : e e Remarque : la solution éthanol-eau (boissons alcoolisées) s oxyde lentement à l air en présence d une bactérie appelée mycoderma acéti en acide acétique ou acide éthanoïque (vinaigre). L ion dichromate r (orange) en milieu acide, du couple r /r 3+ (vert) (principe de l alcootest): r e r L ion permanganate Mn 4 - (violet) en milieu acide, du couple Mn 4 - /Mn 2+ (incolore) : Mn e Mn Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 11

12 4. Réaction de deshydrogénation A haute température, sur un catalyseur de cuivre et en l absence de dihydrogène, une réaction endothermique de déshydrogénation produit : - avec une alcool primaire, un aldéhyde : R 2 R avec un alcool secondaire, une cétone : R--R R--R + 2 II - Tests d identification des composés carbonylés 1. Réaction caractéristique commune aux aldéhydes et aux cétones (groupe carbonyle) Test à la D.N.P.. (solution de 2,4 - dinitrophénylhydrazine) N 2 N N 2 N 2 Quelques gouttes de composé carbonylé (aldéhyde ou cétone) N 2 Solution jaune de D.N.P.. précipité jaune orangé de 2,4-dinitrophénylhydrazone R R N N 2 + N 2 N N + Η 2Ο R R N 2 N 2 Remarque : la couleur du précipité varie du jaune au rouge suivant la nature du dérivé carbonylé. 2. Réaction caractéristique aux seuls aldéhydes (caractère réducteur des aldéhydes) a) Réduction de la liqueur de Fehling : ette solution contient des ions cuivre II sous forme d ions complexes avec des ions tartrates ( - -() ) en milieu basique que l on notera u (tar) 2+. es ions sont réduits par un aldéhyde et on obtient un précipité rouge brique d oxyde de cuivre I (u 2 ) : 2 u 2+ (tar) e - u R R e - soit R + 2 u (tar) R - + u b) Réduction du réactif de Tollens : Les ions diammine argent Ag(N 3 ) 2 + sont réduits par un aldéhyde et on obtient un miroir d argent. 2 x ( Ag(N 3 ) e - Ag + 2 N 3 ) R R e - R + 2 Ag(N 3 ) R Ag N 3 3. Remarque Le test au réactif de Schiff (incolore) (fuchsine décolorée par du dioxyde de soufre) donne une coloration rose fuchsia en présence d un aldéhyde ; mais ce test n est pas fiable. Rappels de chimie organique hristian Brissaud page 12