Chapitre 15 : Transformations en chimie organique Les êtres vivants sont de véritables usines à molécules organiques. Ils les transforment en fonction des besoins de l organisme. Ces transformations peuvent être reproduites au laboratoire ou en usine à des fins industrielles ou de recherche. I Transformation en chimie organique 1 / Modification de chaine, modification de groupe caractéristiques Définition des modifications en chimie organique : les transformations subies par une molécule organique modifient ses groupes caractéristiques et/ou sa chaine carbonée. Lors de la fermentation acétique, des bactéries assurent la transformation de l éthanol en acide éthanoïque : Il s agit d une modification de du groupe caractéristique D autres transformations impliquent à la fois une modification de la chaine carbonée et du groupe caractéristique. Porté à haute température (300 C), l acide hexanedioïque se cyclise en cyclopentanone : 2 / Principales catégories de réaction Pour classe les réactions en chimie organique, très nombreuses et variées, on compare les réactifs et les produits. On distingue essentiellement trois catégories de réaction : l addition, l élimination et la substitution. A / Réaction d addition Définition d une réaction d addition : Lors d une réaction d addition : Au moins 2 réactifs participent à la réaction. Un seul produit (contenant tous les atomes des 2 réactifs) Dans cette réaction, des atomes ou des groupements sont ajoutés aux atomes d une liaison multiple ou d un cycle. 1
B / Réaction d élimination Définition d une réaction d élimination : C est l opposé de la réaction d addition : La réaction se déroule sur un seul des réactifs Ce réactif donne lieu à 2 produits Dans cette réaction, 2 groupes d atomes sont éliminés du réactif observé, pour former une liaison multiple ou un cycle. C / Réaction de substitution Définition d une réaction de substitution : Dans cette réaction un atome ou un groupement du réactif d intérêt est remplacé par un autre atome ou groupement. 2
Exemple : réaction d estérification II Vers une interprétation des transformations chimiques Lors d une transformation chimique un petit nombre d atomes voient leur environnement changer. Des liaisons sont créées d autres sont rompues : il y a donc réarrangement de doublets d électrons entre les molécules. 1 / Polarisation des liaisons Définition de l électronégativité d un atome : C est la capacité d un atome à attirer le doublet d électrons d une liaison dans laquelle il est engagé. Elle est notée χ et n a pas d unité. Dans une liaison, si l atome χ(b) > χ(a), alors le doublet liant est plus proche de B que de A. L atome B possède alors une charge partielle négative δ - (= -δ.e < e) < 0 et l atome A une charge partielle positive δ + (= +δ.e < e) > 0. La liaison est dite polarisée et sera notée : Les valeurs des électronégativités des atomes sont données avec la classification périodique. H δ+ O δ- CH 2CH 3 BrMg δ+ C δ- H 2CH 3 HO δ- C δ+ H 2CH 3 Car on sait que χ(o) > χ(h), χ(o) > χ(c), χ(c) > χ(mg) Remarque : On ne considère pas qu une liaison est polarisée si les électronégativités sont assez proches. χ(h) = 2,2 et χ(c) = 2.55 donc la liaison n est pas considérée comme polarisée. 2 / Mouvement de doublet d électrons A l échelle moléculaire, la formation ou la rupture d une liaison covalente se modélise par le transfert d un doublet d électrons de valence entre un site donneur et un site accepteur de doublet d électron. A / Site donneur de doublet d électron Un site donneur de doublet d électron est soit : L atome le plus électronégatif d une liaison covalente (porteur d une charge négative δ-) Un atome porteur de doublet non-liant Une liaison multiple 3
B / Site accepteur de doublet d électron Un site accepteur de doublet d électrons est un atome porteur d une charge positive δ +. C / Représentation du mécanisme réactionnel Quand nous écrivons une équation de réaction, nous faisons un bilan global de la réaction. Celle-ci peut pourtant se dérouler en plusieurs étapes où des liaisons sont soit formées, soit rompues par échange de doublet d électron entre un site donneur et un site accepteur. L ensemble des étapes est nommé mécanisme réactionnel. Lors de la formation d une liaison, le transfert du doublet d électrons se schématise par une flèche courbe bleue issue du doublet d électron (liant ou non) fourni par l atome donneur et pointant vers l atome accepteur. Lors de la rupture d une liaison, le transfert du doublet d électrons se schématise par une flèche courbe rouge issue de la liaison rompue (doublet liant) et pointant vers l atome le plus électronégatif de celle-ci. Le petit rectangle devant le carbone signifie qu il a une lacune en électron (d où sa charge +). L oxygène possède un électron supplémentaire sur sa couche externe (d où sa charge -). L oxygène est donc un donneur et le carbone un accepteur. 4
Une double liaison est un site donneur. Lorsqu elle réagit l un des atomes C joue le rôle de donneur et l autre d accepteur. Remarques : Les flèches partent toujours d un doublet d électron et pointent toujours vers un atome. Il n est pas forcé que chaque type de flèche soit représenté à chaque étape d un mécanisme. 5