CHIMIE ORGANIQUE DESCRIPTIVE

LES STRUCTURES ORGANIQUES

La chimie organique est la chimie des composés du carbone (structures organiques).

Ces structures regroupent: carburants/combustibles, polymères, colles, vernis, peintures ,médicaments, textiles, produits agroalimentaires et cosmétiques, insecticides, pesticides, engrais…

NB:Le carbone occupe 18% du corps humain

LES HYDROCARBURES

Généralité

Les hydrocarbures sont des composés organiques constitués uniquement de C et de H . On les classifie d’après les structures de la chaîne carbonée et d’après le degré de saturation de l’atome de carbone:(alcanes, alcènes, alcynes et benzéniques).

HYDROCARBURES

Saturés

Alcanes

C n H 2n+2 n entier C C

H

. Acycliques Non Saturés

Alcènes

C C n H C 2n n>2

Alcynes

C n H 2n-2 ,n entier, n>2 C C

H

. Cycliques

H.

Alicycliques

H

.Aromatiques

benzène et

homologues C C C C naphtalène anthracène Acyclique = aliphatique (nom ancien)

LES ALCANES

I- Définition

Les alcanes sont des hydrocarbures saturés ou paraffines (peu réactifs) de formule brute C n H 2n+2 (acycliques linéaires ou ramifiés) et C n H 2n (monocycliques). Ils sont représentés par R

-

H, R étant le groupe alkyle (ou alcoyle). R = C n H 2n+1 Dans leurs molécules on ne rencontre que des liaisons simples C-C et C-H (liaisons s Le plus simple des alcanes est le méthane (n=1) CH Pour n=2 on a C 2 H 6 éthane H H ). 4 H H C H H H C C H H H H pour n=3 H H on a C 3 H 8 (alcane linéaire) H C ou C 3 H 6 (alcane cyclique) H C H C H H H H C H C H C H H

2-Représentations des alcanes 2-1 Formules développées planes

. Elles font apparaitre toutes les liaisons C-C et C-H. Pour ces formules, respecter la valence de C qui est

4,

et celle de H qui est

1. Ex:

Une formule développée de C 6 H 14 est: H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H

Les formules développées sont rarement utilisées. On préfère les formules semi-développées moins encombrantes 2-2 Formules semi-développées (ou combinées).

Elles ne représentent pas les liaisons C-H. Seules apparaissent les liaisons C-C. EX: C 6 H 14 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 2-3

Formules condensées.

Les liaisons C-C et C-H n’apparaissent pas. EX: C 6 H 14 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3

2-4 Formules stylisées (ou topologiques).

Les atomes de C sont éludés et l’enchaînement carboné est représenté en zig-zag. Les atomes de H sont supprimés. Seul apparait le squelette carboné en zig-zag. EX: C 6 H 14 on suppose un

C

à chaque bout de segment

TD

Trouver les formules semi-développées et topologiques des alcanes de formule brute C 7 H 16 Réponse. F. semi-développées F. topologiques CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 un C à chaque bout de segment CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH CH CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 CH 3

3-NOMENCLATURE

3-1- Nomenclature des alcanes à chaîne linéaire non ramifiée

Ils n’auront pas de préfixe. Selon l’UICPA, à l’exception des quatre 1 ers termes, le nom est constitué d’un radical exprimant le nombre d’atomes de carbone et de la terminaison ane .

Ils sont aussi désignés comme alcanes  normaux  Les 4 premiers alcanes conservent les noms consacrés par l’usage: CH 4 méthane; C 2 H 6 éthane; C 3 H 8 propane; C 4 H 10 butane C 8 H 18 ou

n

-Pentane CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 Octane ou

n

-Octane CH 2 CH 3

NB: Si on ne précise pas, il s’agit de l’alcane normal

Tableau de quelques alcanes normaux

Nombre de Carbone

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Nom de L’alcane

Méthane Ethane Propane Butane Pentane Hexane Heptane Octane Nonane Décane Undécane Dodécane tridécane Tétradécane

Carbone

15 20 21 22 23 24 30 31 32 33 40 50 100

Nombre de Nom de L’alcane

Pentadécane Icosane Henicosane Docosane Tricosane Tétracosane Triacontane Hentriacontane Dotriacontane Tritriacontane Tétracontane Pentacontane Hectane

3-2- Alcanes à chaînes linéaires ramifiées

3-2-1 Groupes alkyles normaux ou substituants normaux.

Il s’agit de l’alcane normal par enlèvement d’un atome d’H.

Alcane normal:

C n H 2n+2

Substituant correspondant

: C n H 2n+1 Leurs noms dérivent de l’alcane correspondant par remplacement de la terminaison -ane par –yle

C

n

H

CH 4 2n+2

alcane C

n

H

2n+1

-

Méthane CH 3 -

alkyle

Méthyle Me C 2 H 6 Ethane C 2 H CH 3 5 - ou CH 2 Ethyle Et C 3 H 8 propane C 3 H 7 - ou CH 3 -CH 2 -CH 2 - Propyle Pr ou

n

-Pr etc.

Règle

Pour nommer un alcane à chaîne ramifiée on détermine: 1°)- La chaîne la plus longue présente dans la molécule: c’est la

chaîne principale

; c’est celle qui contient le plus grand nombre d’atomes de carbone 2°)- Le ou les

substituants

(ou chaîne latérale) non pris en compte dans la chaîne principale; on nomme ce ou ces groupes alkyles avec élision de « e » 3°)-On

numérote

les carbones de la chaîne principale d’un bout à l’autre, dans la direction telle que le ou les carbones portant le ou les groupes alkyles aient le ou les numéros les plus petits possibles.

Exemples

CH 3 2 CH 2

3

CH 4 CH 2 5 CH 2 6 CH 3

CH 3

3-Méthyl

hexane Ex2 6 CH 3 5 CH 2 4 CH 2

3

2 CH CH 2

CH 2

1 CH 3

3-Ethyl

hexane Remarques

CH 3

1-S’il existe 2, 3, 4,…groupes substituants identiques, on utilise les préfixes di, tri, tétra,… 2- S’il existe plusieurs groupes alkyles tous différents , ils sont énoncés dans l’ordre alphabétique 3- lorsque les indices des groupes alkyles sont les mêmes dans les 2 sens de numérotations le premier nommé recevra l’indice le plus petit.

Exemples Ex3 6 CH 3

5

CH CH 3 4 CH 2

3

2 CH 3 1 CH CH CH 3 CH 2 CH 3 3-Ethyl 2,5-dimétyl hexane EX4 1 CH 3

2 CH 3

C 3 CH 3

CH 3

2,2-diméthyl propane EX5 7 CH 3 6 CH 2 5 CH CH 3 4 CH 2

3

CH 2 CH 2 1 CH 3 CH 2 CH 3 3-Ethyl-5-méthylheptane Ex6 1 2 3 4 5 6 3-Ethyl-4-méthylhexane

3-2-2 Groupes alkyles complexes (ou substituants complexes ) Définition

Les groupes alkyles complexes sont des groupes alkyles portant eux-mêmes des groupes alkyles plus petits. Exemples 2 CH 3 1 CH CH 3 Isopropyle ou 1-méthylpropyle 3 CH 3 2 CH CH 3 1 CH 2 isobutyle ou 2-méthylpropyle Ils ont des noms usuels, sinon, ils sont nommés en choisissant la chaîne latérale la plus longue, le carbone attaché à la chaîne principale portant le numéro1.

NB: Carbone primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire CH 3 CH 2 CH CH 3 CH C CH 3 3 CH 3 C C primaire = lié à un seul C secondaire= lié à 2 autres C C tertiaire = lié à 3 autres C C quaternaire = lié à 4 autres C

Tableau de quelques groupes alkyles complexes Groupes alkyles complexes courants

Nom systématique Groupe alkyle 2 CH 3 1 CH CH 3 Nom usuel IsoPropyle (

i

-Pr ) 1-Méthyléthyle 3 CH 3 2 CH CH 3 1 CH 2 IsoButyle (

i

-Bu ) 2-Méthylpropyle 3 CH 3 2 CH 2 1 CH CH 3 2 CH 3 CH 3 1 C CH 3 sec-Butyle (Butyle secondaire) (

s

-Bu) 1-Méthylpropyle tert-Butyle tert = tertio (

t-

Bu) ( Butyle tertiaire ) 1,1-diméthyléthyle

Exemples

EX1

4 3 5 2 3-Ethyl-2-méthylpentane 1 NB: La chaîne principale est celle qui a le maximum de substituants

2' 1'

6

EX2

3 4 5 7 2 1 3-Ethyl-2-méthyl-4-isopropylheptane ou

EX3 9 8 7

3-Ethyl-2-méthyl-4-(1-méthyléthyl)heptane

6 2' 1' 5 4 3 2 1

2-méthyl-5,6-diisopropyl-nonane ou 2-méthyl-5,6-bis(1-méthyléthyl)nonane

1' 2'

3-3 Alcanes cycliques ou cyclanes

Le nom des alcanes cycliques se forme en accolant le préfixe

cyclo

au nom de l’alcane de même nombre de carbone.

Ex: cyclobutane CH 3 cyclohexane CH 2 CH 3 1-Ethyl-1-méthylcyclopropane tert-butylcyclopentane ou 1-(1,1-diméthyléthyl)cyclopentane 3-cyclopropylpentane

NB:

Si le substituant est de plus grande dimension c’est lui qui est l’alcane substitué

TD TD1:Nommez selon l’UICPA 1

CH 3

2'

CH 3

2

CH 2

3

CH 3 CH

4 5

CH CH 2 CH 3

1'

CH

1' 2'

CH 3

2'

CH

3'

CH 3

6

CH 3 CH 2 CH 3

7 1' 8

CH CH CH 2 CH

9

CH 2 6-isobutyl-4,8-diisopropyl-3-méthylundécane ou

10

CH 2

11

CH 3 4,8-bis(1-méthyléthyl)-3-méthyl-6-(2-méthylpropyl)undécane

TD2 : Nommer selon l’UICPA 1 2 3 4 5 6 7 1' 2' 3' 8 9 5

-tert-pentylnonane (tertio-pentylnonane) ou

5

-(1,1-diméthylpropyl)nonane

EXERCICES 1

- Nommez selon l’UICPA: CH 3 (

A

) (

C

) CH 3 CH 2 C CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 (

B

) CH 3 CH CH 3 CH 2 CH CH 3 CH CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH CH CH CH CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 (

E

) (

D

)

2

- Ecrire la formule des composés suivants: (

I):

2,2,4-triméthylpentane ; (

II):

3,3-diméthylpentane ; (

III

): 3-Ethyl-2-méthylpentane; (

IV

): 4-(1-Méthyléthyl)heptane; (

V

): 2,7-diméthyl-5-(1,1-diméthylpropyl)nonane

Réponses 10

1)

1

CH 3

6 5

CH 3 CH CH 2

3

CH 3 C

6

CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3

3

CH

2

CH

1

CH 3 CH 3

7 5

CH 3 CH 2 CH

2' 4

CH CH 3

3

CH CH 3

2

CH CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3

1' 1 1

CH 3

2

(

B

) = 2,3,5-triméthylhexane (

C

) = 2,3,5-triméthyl-4-propylheptane (

D

) = 3-Ethyl-7-isopropyl-2-méthyldécane ou 3-Ethyl-7-(1-méthyléthyl)-2-méthyldécane

9 8 7 3

(A) = 3-Ethyl-3-méthylhexane

3' 2' 1' 3 4 5 2 6 1 7 8 9

(

E

) = 2,3,5-triméthyl-4-(1-éthylpropyl)nonane

10

2-Structures des composés (

I):

2,2,4-triméthyl

pentane

Réponses (suite)

pent

ane C (=

5 C

) C C C C numérotation

1

C

2

C

3

C

4

C

5

C fixation des trois méthyles

1

CH 3

2

CH 3 C

3

CH 2 CH 3

4

CH CH 3

5

CH 3 fixation des H (en respectant la valence de chaque atome)

1

C

2

CH 3 C

3

C CH 3

4

C CH 3

5

C (

V

): 2,7-diméthyl-5-(1,1-diméthylpropyl)nonane

non

ane

non

ane 9 C C

1 2

C

3

C numérotation

4

C CH 3 CH 3

5

C

6

C C

7 1'

C

2'

CH 2 CH 3 CH 3

8

C fixation des substituants C

9 1 2 3 4 5

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH CH 3

6

fixation des H CH

1'

C CH 3 CH 3

2'

CH 2 2

7

CH 3

8 9

CHCH 2 CH 3

3'

CH 3

3'

CH 3

4- Propriétés physiques

Les alcanes de C de C 1 5 à C 4 à C 15 sont gazeux liquides supérieurs à C 15 solides Les t f augmentent avec le nombre d’atomes de C, mais s’abaissent quand la chaîne est plus ramifiée et que la molécule s’approche de la forme sphérique.

Les alcanes sont pratiquement insolubles dans l’eau.

5- Propriétés chimiques 5-1 Structure et réactivité

109,5° C ° 1,10 A H 1,54 ° A C Les alcanes ne contiennent que des liaisons covalentes simples C-C et C-H (liaisons s ). Ces liaisons sont fortes donc difficiles à rompre. D’où la stabilité des alcanes et leurs grandes inerties chimiques (ils sont dits paraffines = peu réactifs).

A t° élevée ou sous l’action de la lumière ou des peroxydes, par cassure des liaisons s ,les alcanes se prêtent à des réactions de combustion (cassure homolytique de C-C vers 350 kJ.mol

-1 ) et des réactions de substitution ( cassure homolytique de C-H vers 400 kJ.mol

-1 ). Les réactions de substitution sont dits radicalaires.

5-2 Réactions de substitution a) Halogénation ;

X = Halogène= F, Cl, Br, I

- Fluoration

: dégradation , car trop énergique: 4 + 2F 2 dans l'air C + 4H ; CH 4 + 4F 2 ds atm N 2 CF 4 + 4HF

- Iodation:

énergiquement défavorisé : Ex: CH 4 + I 2 CH 3 I + HI HI formé a le rôle de réducteur - La

chloration,

plus facile que la

bromation,

sont les seules utilisées en pratique. La chloration est anarchique; la bromation nettement plus sélective. Le mécanisme des réactions de chloration et de bromation est radicalaire et se déroule en 3 étapes: -

amorçage

(ou initiation): Cl Cl 2 Cl La liaison Cl-Cl est la plus faible (58kcal/mole) que C-C (82,6 kcal/mole) ou C-H (89kcal/mole) -

propagation

-

terminaison

(arrêt ) R H + Cl R + Cl Cl HCl + R Cl + R Cl 2 Cl 2 R R + Cl R Cl Cl R R Cl

b) Nitration

R H + HNO 3 HO NO 2

c) Sulfonation

R NO 2 + H 2 O R H + H 2 SO 4 HO SO 3 H R SO 3 H + H 2 O acide alkyl sulfonique R H + SO 2 + 1/2 O 2 R SO 3 H Savon synthétique

d) Sulfochloration

R H + SO 2 + Cl 2 h  R SO 2 Cl + HCl Chlorure d'acide sulfonique

5-3 Combustions a) Combustion incomplète :

Quand la quantité d’O 2 est insuffisante C n H 2n+2 + (n+1) O 2 2 n CO + (n+1) H 2 O Le CO toxique des gaz d’échappement et des suies crachées abondamment par les camions à moteurs diesels sont le prix à payer pour nos sociétés motorisées (pollution de l’environnement).

b) Combustion complète.

Dans un excès d’O 2 on a : C n H 2n+2 + 3n+1 O 2 n CO 2 + (n+1) H 2 O + 12 kcal/g 2 Cette quantité importante d’énergie est mise à profit pour source d’énergie: chauffage (gaz naturel et mazout); et dans les moteurs (carburants) . Les alcanes sont utilisés comme combustibles.

Le CO 2 et le H 2 O(gaz à effet de serre) formés lors de la combustion dans les moteurs et rejetés dans l’atm en quantité, sont en partie responsables du réchauffement climatique (pollutions)

6- Etat naturel - Préparation

Les alcanes sont très répandus dans la nature. Le méthane est le constituant essentiel des gaz naturels. On le trouve dans les marais (gaz des marais). Les 2 plus importantes sources naturelles d’alcanes sont les pétroles et les gaz naturels. Le pétrole (le mot pétrole est du latin

petra

=roche et

oleum

=huile d’où

pétrole= huile de roche

) est un mélange liquide complexe de composés organiques, dont beaucoup sont des alcanes ou des cyclanes.

Préparations

Il est rare qu’un chimiste de labo ait à préparer un hydrocarbure saturé, car un tel composé, surtout à cause de son inertie , présente souvent peu d’intérêt. Leurs préparations sont essentiellement industrielles. Par contre, on peut les obtenir à partir d’autres composés organiques.

3 groupes de méthodes d’obtention des alcanes: - méthodes dans laquelle il n’y a pas de modification de la chaîne - méthodes de rallongement de la chaîne - méthodes de dégradation de la chaîne

6-1 Pas de modification de la chaîne

a) Hydrogénation – Hydrohalogénation Hydrogénation catalytique (Ni,Pt, Pd...sous pression et t°) des: -Alcènes -Alcynes R Dérivés halogénés R R CH 2 CH C X=Cl CH 2 X X=I CH 2 CH + H + H 2 2 R + H 2 + HI [Pd] -HCl I 2 CH 2 CH 3

b) Réduction des aldéhydes et des cétones Clémen sen

R C O R' + H 2 / Zn, H + ,t°

W olf et K ischner

R C O R R ' + H 2 N N H 2 / OH , t° hydrazine CH 2 R'

a) 6-2 Méthodes de rallongement de la chaîne Méthode de Würtz

R Cl + 2Na + Cl R

R R R R

R Cl + 2Na + Cl R'

R R' R' R' b) Méthode d’électrolyse des sels alcalins et des acides gras

R COO Na + 2 2

Anode

RCOO 2e RCOO 2R

R

2 RCOO CO 2 + 2R

R Cathode

Na + + e Na

6-3 Méthode de dégradation de la chaîne

Dégradation des acides gras par pyrogénation des sels de sodium en présence de soude R COONa + NaOH t°

R H

+ Na 2 CO 3

TD

Déterminer la structure d’alcane de la formule brute C 6 H 14 formé par la réaction de Wurtz sans produit secondaire. La monobromation de cet alcane donne majoritairement un dérivé tertiaire de formule brute C 6 H 13 Br. Ecrire les réactions et nommer les produits.

Rép.

1- Ecrivons tous les alcanes ayant pour formule brute C 6 H 14

A

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3

B

CH 3 CH 2 CH 2 CH CH 3

C

CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3

D

CH 3 C CH 2 CH 3

E

CH 3 CH CH CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 2-Strucure de l’alcane La monobromation donnant un dérivé tertiaire; (

A

) et (

D

) exclus car pas de carbone tertiaire dans leur structure . (

C

) exclu car donnant des produits secondaires par Wurtz comme: R-R, R-R’, R’-R’. La structure de l’alcane est donc celle de (

E

) (suite )

(suite) 3- Structure de l’alcane et réactions

E

= CH 3 CH CH CH 3 CH 3 CH 3 c'est le 2,3-diméthylbutane Obtention de E par la réaction de Würtz ; pour éviter le mélange de produits, il faut scinder CH 3 CH CH CH 3 qui, par coupure symétrique donne CH 3 CH CH 3 CH 3 Réaction: CH 3 CHBr + 2 Na + BrCH CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH CH CH 3 CH 3 CH 3 CH 3

Br

+ 2 NaBr Réaction de monobromation: CH 3 CH CH 3 CH CH 3 CH 3 Br 2 / lumière - HBr CH 3 Br C CH CH 3 CH 3 CH 3 2-bromo-2,3- diméthylbutane