Chimie organique

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Chimie organique

 

Rapide vue d’ensemble

 

 

Le carbone

L’Ă©lĂ©ment le plus important en chimie organique est le carbone, C. Un composĂ© qui ne contient pas de carbone ne peut pas ĂŞtre un composĂ© organique, la nature vivante serait impensable sans carbone. Il n’y aurait ni plantes, ni animaux, ni humains, ni micro-organismes tels que protozoaires, bactĂ©ries et virus.

Dans la nature, le carbone se trouve non seulement dans des roches telles que la chaux, le CaCO3 et la dolomite, mais aussi sous forme élémentaire comme le graphite et le diamant.

 

 

CaCO3, chaux de rayures dans le Kurfirsten, Toggenburg, Saint-Gall, Suisse

EXERCICE : Lorsque la chaux, CaCO3 est mĂ©langĂ©e Ă  de l’acide chlorhydrique, du HCl, du dioxyde de carbone fumant, du CO2, s’Ă©chappe et ce qui reste est du chlorure de calcium, CaCl2, un agent dessĂ©chant couramment utilisĂ© en chimie prĂ©parative. (remplissage du tube de sĂ©chage). Quelle est la stoechiomĂ©trie :

Répondre:

CaCO3 + 2HCl ===> H2O + CO2 + CaCl2

Graphite et diamant

Ce sont ces deux modifications de base qui sont connues Ă  l’origine.

 

Graphite : (Voire ci-dessus) Il est composĂ© de couches alvĂ©olĂ©es d’hexagones. Ce sont des noyaux benzĂ©niques dĂ©shydrogĂ©nĂ©s. Le carbone est liĂ© Ă  3 autres atomes de carbone dans le graphite. Le quatrième Ă©lectron de liaison est dĂ©localisĂ© sur la surface de la couche correspondante. Les couches ne sont maintenues ensemble que par les faibles forces de Londres ou les forces de Van der Waals, c’est pourquoi elles peuvent se dĂ©placer mutuellement. Le graphite conduit l’Ă©lectricitĂ© le long des surfaces et est utilisĂ© industriellement comme lubrifiant.

Diamant de cellule unitaire. (Voire ci-dessus) Cette modification est liĂ©e de manière covalente Ă  4 autres atomes de carbone. La cellule de base se compose de 3 six-anneaux en forme de chaise. Le diamant est l’Ă©lĂ©ment le plus dur (duretĂ© 10) et est rarement utilisĂ© en chimie. Le diamant ne peut pas conduire l’Ă©lectricitĂ© car il n’y a pas d’Ă©lectrons libres non liĂ©s.

 

Une troisième modification de base a été découverte par Curl, Smalley et Kroto en 1985.

Le fullerène

C’est un amas sphĂ©rique de pentagones et d’hexagones.

Le fullerène doit ĂŞtre constituĂ© de 12 pentagones isolĂ©s, cela nĂ©cessite une règle mathĂ©matique gĂ©omĂ©trique selon Euler. Le nombre d’hexagones peut ĂŞtre arbitraire.

Le plus petit amas possible est composé de 12 pentagones et 20 hexagones (C60)

Des doctorants de Tucson, en Arizona, auraient détecté des fullerènes dans la suie.

Les atomes de carbone n’ont que 3 liaisons. Les Ă©lectrons non liĂ©s restants sont partiellement dĂ©localisĂ©s.

Contrairement à la modification du diamant, les fullerènes sont solubles et facilement accessibles pour la chimie.

Les autres carbones élémentaires sont : la suie et le coke.

Si les matières biologiques sont chauffĂ©es en l’absence d’air, du charbon se forme Ă  partir de la suie et du coke.

 

Nomenclature

Dans certaines universités, la nomenclature est traitée de manière plus subliminale.

Dans les Ă©coles secondaires et professionnelles, les lycĂ©es et les lycĂ©es, la nomenclature peut mĂŞme faire partie de l’examen. Donc un sujet Ă  ne pas nĂ©gliger.

Seules les règles les plus essentielles sont prĂ©sentĂ©es ici. Cependant, de nombreux composĂ©s ont des noms triviaux qui sont devenus si courants qu’ils sont difficiles Ă  imaginer. Si vous posez des questions sur le sel de table dans un restaurant, vous ne parlerez presque jamais de chlorure de sodium, ou pour la salade ce n’est pas de l’acide acĂ©tique qui est demandĂ©, mais du vinaigre. Quand il s’agit de schnaps Ă  haute rĂ©sistance, personne ne mentionne l’Ă©thanol.

Le soudeur travaille aussi avec de l’acĂ©tylène (“pas” avec de l’Ă©thyne) H-C≡C-H

Utilisez le tableau ci-dessus pour vous aider. Les règles sont basĂ©es sur l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)

Les règles les plus essentielles :

  1. Déterminer le groupe alcane ( alcane, alc-ène, alcyne, alkahol, acide carboxylique, aldéhyde, cétone, amine, amide, etc., voir tableau ci-dessus).

  2. Trouvez la plus longue chaîne carbonée continue et identifiez la molécule organique mère.

  3. Les substituants, qu’ils soient organiques (voir ci-dessous) tels que alkyle (mĂ©thyle, Ă©thyle, propyle, butylphĂ©nyle, etc.) ou des Ă©lĂ©ments ou composĂ©s inorganiques tels que des halogĂ©nures, des mĂ©taux ou simplement d’autres Ă©lĂ©ments ou composĂ©s sont classĂ©s par ordre alphabĂ©tique.

  4. La position des substituants a les plus petits chiffres possibles.

 

Exemples : CH3-CH2-CH2-CH2Cl

Règle 1 : le groupe alcane est un alcane

Règle 2 : Chaîne composée de 4 atomes de carbone saturés, 4C, = butane

Règle 3 : Le substituant est Cl, = chlorobutane

Règle 4 : 1-chlorobutane (mais pas 4-chlorobutane)

CH3-CHBr-CH2=CH2Cl

Règle 1 : = alcène

Règle 2 : = butène

Règle 3 : = brome, chlore (ordre alphabétique !)

Règle 4 : = 3-bromo-1-chloro-1-butène, (mais pas 4-chloro-2-bromo-4-butène)

Si les mêmes substituants ou plusieurs liaisons sont présents plusieurs fois dans un composé, ils sont nommés avec des chiffres grecs :

CH2=CH-CH=CH-CH3 =  1,3-pentadiène

HCCl3 = trichlorométhane

Les radicaux : Les substituants organiques se terminent par yl.

CH3- =  méthyle

CH3CH2- =  éthyl

CH2=CH2- = éthényle

(CH3)2CH-i-propyle, =  isopropyle

CH3(CH2)3- =  butyle

(CH3)2CH-CH2-i-Butyle = isobutyle

C6H5- =  phényle

Autres substituants (résidus)

-NH2 =  aminé

-ROH =  alcoxy

-RCOOH =  carboxy

CH3O- =  méthoxy

CH3CH2O- =  éthoxy

S- = thio

SCH3- =  méthylthio

Voici un exemple plus compliqué :

Acide aminé essentiel : méthionine

CH3-S-CH2CH2-CHNH2-COOH

Règle 1: le groupe alcane est un acide carboxylique ou un acide alcanoïque

Règle 2 : La molĂ©cule mère est l’acide butanoĂŻque

Règle 3 : Les substituants sont dans l’ordre alphabĂ©tique : NH2 = amino, SCH3 = mĂ©thylthio

Règle 4 : Comptez depuis COOH = 1, Amino = 2, SCH3 = 4

Ce composĂ© est chiral et, comme tous les autres acides aminĂ©s de la nature vivante, gaucher (= S, comme sinistra), le centre chiral est en deuxième place comme le groupe amino, d’oĂą 2S. Plus d’informations sur la stĂ©rĂ©ochimie dans le chapitre suivant.

Nom systématique selon IUPAC : Acide (2S)-amino-4-(méthylthio)butanoïque

méthionine

Nomenclature des composés cycliques et des benzènes

Les composés cycliques contiennent simplement le préfixe cyclo. par exemple, 1-chloro-cyclobutane

Voir le tableau suivant pour la nomenclature des benzènes : (en anglais)

Dans les chapitres suivants, avec les isoméries cis, trans, nous reviendrons brièvement sur la nomenclature.

 

Isomérie et Stéréochimie

Si 2 composĂ©s de mĂŞme formule molĂ©culaire ont une structure diffĂ©rente, on parle d‘isomères.

Si les atomes de deux composés de même formule moléculaire sont liés différemment, ce sont des isomères constitutionnels.

Exemple.la formule moléculaire est C3H6. Les isomères constitutionnels possibles sont le cyclopropane et le propène, CH2==CH-CH3.

Les molécules organiques qui subissent une modification de leur disposition spatiale en relation avec la torsion sont appelées isomères conformationnels. Plus à ce sujet dans le sous-chapitre suivant.

En chimie complexe, les isomères de coordination comprennent Ă©galement les isomères d’ionisation.

Si 2 composés ont la même formule empirique et la même liaison mais une disposition spatiale différente, on parle de stéréoisomères.

En chimie complexe, une distinction est Ă©galement faite entre l’isomĂ©rie des hydrates, l’isomĂ©rie de coordination et l’isomĂ©rie des liaisons, ainsi que la stĂ©rĂ©ochimie.

Ce dernier est discuté ici plus en détail en relation avec la chimie organique :

stéréoisomères

Il en existe deux sortes :

  • diastĂ©rĂ©oisomères
  • Ă©nantiomères

Pour les diastéréoisomères, la différence réside dans la symétrie. Comme expliqué ci-dessus, les deux composés ont à nouveau la même formule moléculaire, mais les deux sont symétriques. Cependant, ils diffèrent par leur disposition spatiale.

Important, les deux composĂ©s ont des propriĂ©tĂ©s chimiques et physiques diffĂ©rentes. De tels composĂ©s sont nommĂ©s avec le prĂ©fixe cis– et trans– ou Z et E (si insaturĂ©, cf. chapitre suivant)).

Dans le cas des Ă©nantiomères, les deux substances ayant la mĂŞme formule molĂ©culaire n’ont pas de symĂ©trie, diffèrent comme les mains gauche et droite ou, pour le dire de manière non professionnelle, sont isomĂ©triques en miroir. Contrairement aux diastĂ©rĂ©oisomères, les Ă©nantiomères ont les mĂŞmes propriĂ©tĂ©s physiques, Ă  une exception près. Si l’on irradie un Ă©nantiomère avec une lumière polarisĂ©e linĂ©airement, le plan du faisceau lumineux est tournĂ© vers la droite ou vers la gauche. Cela a abouti Ă  la nomenclature proposĂ©e par Cahn, Ingold et Prelog. (R)-, = droitier, (S) gaucher, (R= droit, S = sinistre). Les anciennes abrĂ©viations D/L, dextro/laevo = droite/gauche, se retrouvent aussi en biochimie avec les sucres, mais elles n’ont pas exactement la mĂŞme signification.

Le composé asymétrique est appelé optiquement actif ou chiral. Un composé qui a un centre ou un plan de symétrie (également appelé plan miroir) a est achiral, si les deux sont absents, il est chiral. De plus, des substances symétriques peuvent être amenées à coïncider.

Voici quelques exemples quotidiens : Propriétés :

 

 

Cette maison de campagne a également une tonnelle sur le côté gauche et les mêmes entrées aussi le côté gauche du toit a une lucarne. La face arrière est également symétrique bien que le motif soit différent. Cette ferme a donc un plan de symétrie (plan miroir) au milieu du faîte du toit et est donc achirale.

 

 

 

Ces deux immeubles n’ont ni plan de symĂ©trie ni centre de symĂ©trie. Ils sont donc chiraux. Les deux bâtiments rĂ©sidentiels sont des “images miroir” l’un de l’autre. Les hommes peuvent les appeler des Ă©nantiomères.

Voici quelques composés en tant que modèles de dôme : hydrogène = blanc, carbone = noir, chlore = vert et oxygène = rouge

 

Diastéréo-isomères : cis-1,2-dichloroéthène et trans-1,2-dichloroéthène (ci-dessus)

 

Est-ce que ce sont des énantiomères ? (ci-dessus)

Non! ils sont identiques 1,3-dichloropropane (ci-dessus)

Mais, est-ce que ceux, sont-ils des énantiomères ? (ci-dessus)

correct! Ils ne peuvent pas ĂŞtre pris Ă  couvert. R- et S-trans-1,2-dichlorocyclopropane

2 plans de symétrie : dichlorométhane achiral (ci-dessus)

Le 1,4-cyclohexanediol a un centre de symétrie, donc achiral (ci-dessus et ci-dessous)

Comment savoir si un composé chiral est droitier ou gaucher ?

Tout d’abord, le centre de chiralitĂ© doit ĂŞtre dĂ©terminĂ©. En chimie organique, il s’agit gĂ©nĂ©ralement d’un atome de carbone. Un composĂ© organique peut avoir plusieurs centres chiraux, comme dans le cas des sucres. Seuls les composĂ©s Ă  1 centre chiral sont traitĂ©s ici.

Puis les 4 substituants attachĂ©s au C sont ordonnĂ©s selon certaines règles de prioritĂ© selon Cahn, Ingold et Prelog. Seuls les 2 plus importants sont mentionnĂ©s ici. Nous le faisons Ă  l’aide d’acide lactique. Nom systĂ©matique : acide 2-hydroxypropanoĂŻque

  1. L’atome avec le numĂ©ro atomique le plus Ă©levĂ© a la prioritĂ©. O = 16 vient avant N = 14. Pour les isotopes, l’atome avec la masse la plus Ă©levĂ©e a la prioritĂ©.
  2. On considère l’atome de la première sphère, qui est directement liĂ© Ă  l’atome de carbone ou Ă  l’atome du centre chiral. S’il y a plusieurs atomes similaires dans la 1ère sphère, les atomes de la 2ème sphère sont ordonnĂ©s en consĂ©quence. Lorsqu’un substituant contient des doubles ou des triples liaisons, il est traitĂ© comme s’il y avait 2 ou 3 atomes. C==O devient O—C—O, C==C devient C—C—C.

Acide lactique : Priorité : 1er OH, 2e COOH, 3e CH3, 4e H (ci-dessous)

rechtsdrehend, (R) im Uhrzeigersinn = tourner Ă  droite dans le sens des aiguilles d’une montre

Nous avons maintenant dĂ©terminĂ© les prioritĂ©s et pouvons maintenant dĂ©terminer si la connexion est dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Si un modèle de dĂ´me est disponible, il doit ĂŞtre configurĂ© de manière Ă  ce que l’atome ayant la dernière prioritĂ©, dans ce cas l’atome H, soit le plus Ă©loignĂ© de l’observateur. Si les trois premiers substituants 1 > 2 > 3 sont dans le sens des aiguilles d’une montre, alors le composĂ© est dextrogyre et est dĂ©signĂ© par le prĂ©fixe (R)-. Le prĂ©fixe (S) prĂ©serve l’Ă©nantiomère lĂ©vogyre.

Si aucun modèle haut de forme n’existe ou ne peut ĂŞtre créé, les projections de Fischer s’appliquent. Dessinez une croix avec la verticale marquant la chaĂ®ne carbonĂ©e principale. En haut se trouve le substituant auquel commence la numĂ©rotation selon la nomenclature systĂ©matique. Ici ce serait le groupe COOH. Comme dĂ©crit ci-dessus, on peut Ă©galement savoir ici si la connexion est Ă  gauche ou Ă  droite.

mésomère

Au collège, au lycĂ©e et au lycĂ©e, le terme mĂ©somerie apparaĂ®t Ă©galement. Certaines molĂ©cules en chimie organique ne peuvent pas ĂŞtre reprĂ©sentĂ©es correctement. On suppose que la charge nĂ©gative ou les paires d’Ă©lectrons dans des liaisons multiples sont rĂ©parties sur plusieurs atomes. Exemple : benzène et 1,3-pentadiène.

Mais aussi en chimie inorganique.

Dans le chapitre, MolĂ©cules, voir ci-dessus : Les formules structurales de l’acide carbonique, H2CO3, et de l’acide nitrique, HNO3, sont prĂ©sentĂ©es ici.

DĂ©protonĂ© deux fois, l’anion carbonate CO3(-II) est formulĂ© en 3 formules limites diffĂ©rentes. La molĂ©cule est plane et l’atterrissage, -2, ne peut pas ĂŞtre localisĂ© avec prĂ©cision. La charge est dĂ©localisĂ©e.

Il existe Ă©galement 2 formules limites possibles pour ce dernier composĂ© HNO3, car on ne sait pas si la charge nĂ©gative, -I, appartient Ă  l’oxygène supĂ©rieur ou infĂ©rieur.

La chimie organique regorge de structures mĂ©somères. Dans les universitĂ©s et dans les manuels supĂ©rieurs de l’organique

En chimie, le mot mésomérisme est rarement utilisé. La connexion est dite stabilisée en résonance.

Danger!

Formule moléculaire C5H8

CH2==CH–CH2–CH==CH2 et CH2==CH–CH==CH–CH3 ne sont ni des mĂ©somères, ni des Ă©nantiomères, ni des diastĂ©rĂ©oisomères, mais seulement des isomères constitutionnels !

Les hydrocarbures

Les hydrocarbures sont des composĂ©s de carbone, C, et d’hydrogène, H.

En gros, entre

  • saturĂ©
  • insaturĂ©

hydrocarbures différenciés.

Les hydrocarbures saturĂ©s ne contiennent qu’une liaison. (C–C!). Le mĂ©thane, le propane ou le dimĂ©thylpropane (nĂ©opentane) mais aussi le cyclohexane (voir photo en haut) ou le bicyclo(4.4.0)dĂ©cane (dĂ©caline) et le bicyclo(2.2.1)heptane (norbornane) sont des hydrocarbures saturĂ©s. Ils sont appelĂ©s alcanes.

Les hydrocarbures insaturés ont des doubles (C==C) ou des triples liaisons. (C≡C)

Cependant, la principale différence entre une liaison simple et double ou triple est due à la possibilité de mouvement. La liaison C—C peut être mutuellement tordue.

La disposition spatiale par rapport aux différentes positions par torsion et ramification est appelée conformation. Les molécules de conformations différentes sont des isomères conformationnels.

Dans l’Ă©thane, les groupes mĂ©thyle, -CH3, tournent autour de la liaison C-C de la conformation dĂ©calĂ©e Ă  la conformation Ă©clipsĂ©e et reviennent Ă  la conformation dĂ©calĂ©e Ă  tempĂ©rature ambiante. Ce dernier est Ă©nergĂ©tiquement favorisĂ© car les deux atomes H opposĂ©s se repoussent dans la conformation Ă©clipsĂ©e.

Ethane, Conformation décalée, ci-dessus

Ethane, Conformatiom éclipsée, ci-dessus

Dans le cas du cyclohexane (voir les deux images ci-dessous), la molécule change constamment de la forme de la chaise en guise de la forme de la torsion à la forme de la baignoire et retour. Cependant, la forme de la chaise est énergétiquement privilégiée. 

Cyclohexane, conformation de la chaise, ci dessus

Cyclohexane, conformation de la torsion, ci-dessus  

Cyclohexane, conformation de la baignoire, ci-dessus

Dans l’Ă©thène, CH2==CH2, la double liaison ne permet pas la rotation. (s’applique Ă©galement aux triples liaisons !) La molĂ©cule est donc plane, ou repose sur un seul niveau. De mĂŞme, le benzène, qui possède 3 doubles liaisons, est plan et, contrairement au cyclohexane, n’a ni chaise ni bol. Cependant, il y a d’autres raisons Ă  cela, plus sur cela ci-dessous.

Les hydrocarbures insaturés avec une ou plusieurs doubles liaisons sont appelés alcènes :

exemples:

Propène, 2-méthyl-1,3-butadiène, (isoprène = un terpène),a-pinène (composant principal de la térébenthine), b-carotène (provitamine A).limonène cyclooctatétraène, benzène, azulène.

(ces 2 derniers composĂ©s, le benzène et l’azulène, sont des aromatiques)

 

Les hydrocarbures Ă  plusieurs doubles liaisons sont aussi appelĂ©s polyènes. Selon qu’il y a une, plusieurs ou pas de liaisons simples entre 2 doubles liaisons, on distingue les doubles liaisons conjuguĂ©es, isolĂ©es et cumulĂ©es. Le butadiène et le benzène sont des hydrocarbures conjuguĂ©s et sont stabilisĂ©s par rĂ©sonance (ou mĂ©somères cf isomĂ©rie)

Les insaturés avec une ou plusieurs triples liaisons sont appelés alcynes.

éthyne, (acétylène), 2-butyne, butadiyne, benzine (très instable)

Le benzin, dĂ©hydrobenzène, (voire l’image ci-dessus) est un aromatique, mais très instable (voir sous-chapitre suivant)

Les atomes H directement liés au C par des triples liaisons sont faiblement acides et peuvent être déprotonés avec des bases fortes telles que NaNH2.

Hydrocarbures aromatiques et règle de Hückel

Le mot aromatique renvoie à certaines substances aromatiques odorantes contenues dans les végétaux. En fait, ce sont des composés benzéniques tels que la caféine et la vanilline.

Les hydrocarbures aromatiques sont des cycles ou des cycles multiples avec des doubles liaisons conjuguées. Le représentant le plus important est le benzène.

Aromatique est un composé lorsque,

  • la structure reprĂ©sente un anneau.
  • il a des doubles liaisons conjuguĂ©es dans tout le cycle.
  • Les liaisons simples ne doivent pas se succĂ©der. il est planaire (reprĂ©sente un plan)

Si l’une de ces propriĂ©tĂ©s manque, ce n’est pas un aromatique.

Pour que le composĂ© aromatique se trouve sur un plan, les Ă©lectrons des doubles liaisons doivent ĂŞtre uniformĂ©ment rĂ©partis (dĂ©localisĂ©s). Sa densitĂ© de charge doit ĂŞtre verticalement au-dessus ou au-dessous du plan de l’anneau afin que les coins ne puissent pas bouger.

En plus du benzène, des cycles multiples ou des benzènes polynuclĂ©aires tels que le naphtalène, l’anthracène et le phĂ©nanthrène sont Ă©galement aromatiques.

Les cycles avec plus ou moins de 6 atomes de carbone avec des doubles liaisons conjuguées sont également aromatiques si les règles ci-dessus sont remplies.

Exemples : azulène, (photo ci-dessus), 1,2,5,7,9,11,13,15,17-cyclooctadecanonaen. (cf. dessins ci-dessus doubles liaisons conjuguées).

Maintenant, les 3 règles ci-dessus ne sont applicables que dans une mesure limitée.

Le cyclobutadiène et le 1,3,5,7-cyclooctatétraène ne sont pas aromatiques, pourquoi ?

Nous avons dĂ©jĂ  Ă©voquĂ© brièvement ce dernier composĂ© ci-dessus avec les doubles liaisons conjuguĂ©es : le 1,3,5,7-cyclooctatĂ©traène n’est pas plan, il dĂ©crit un creux.

Avec le cyclobutadiène, les 3 règles ci-dessus sont respectĂ©es, mais ce n’est toujours pas un composĂ© aromatique. De plus, le cyclobutadiène est extrĂŞmement instable et se dĂ©compose Ă  -200°C.

Quand le composé est-il aromatique ?

 

Règle de Hueckel

Une formule mathématique simple révèle si le composé est aromatique ou non.

Parce qu’un composĂ© cyclique avec des doubles liaisons conjuguĂ©es a 4n + 2 Ă©lectrons de double liaison. Le benzène possède 3 doubles liaisons conjuguĂ©es, 6 Ă©lectrons supplĂ©mentaires sont nĂ©cessaires.

L’Ă©quation est

4n + 2 = 6

On résout pour n et on obtient:

n = 4/4 = 1, un entier naturel sans dĂ©cimales ni fractions. Le benzène est donc un aromatique. Le benzène fournit Ă©galement la mĂŞme solution. La paire d’Ă©lectrons de la 3ème liaison de la triple liaison n’est pas comptĂ©e, mais est responsable de la distorsion de l’anneau. La thĂ©orie des orbites molĂ©culaires est abordĂ©e dans les cours supĂ©rieurs.

Quelle est la situation avec le cyclobutadiène ? 4 électrons supplémentaires pour les doubles liaisons conjuguées sont nécessaires.

L’Ă©quation est :

4n + 2 = 4

solution pour n donne

n = 2/4 = ½ ou  0,5.

maintenant nous avons une fraction ou un nombre dĂ©cimal, donc le cyclobutadiène n’est pas un aromatique.

Il en va de même pour le 1,3,5,7-cyclooctatétraène à 8 électrons à double liaison.

4n + 2 = 8, n = 6/4 = 1,5, pas d’aromatique comme mentionnĂ© ci-dessus.

L’azulène a un total de 10 Ă©lectrons Ă  double liaison sur les deux anneaux.

4n + 2 = 10, n = 8/4 = 2 = aromatique

Outre les hydrocarbures aromatiques, les hĂ©tĂ©rocycles peuvent Ă©galement ĂŞtre aromatiques. La pyridine en est un exemple simple. Attention : La paire d’Ă©lectrons sur l’azote se trouve dans le plan de l’anneau et n’y contribue pas.

En revanche, la paire d’Ă©lectrons dans le pyrrole est perpendiculaire au plan du cycle et est considĂ©rĂ©e comme la paire d’Ă©lectrons qui contribue au caractère aromatique. L’Ă©quation de HĂĽckel est la mĂŞme que pour le benzène.

Les cycles non aromatiques qui remplissent la règle 2 peuvent ĂŞtre rendus aromatiques Ă  l’aide de bases ou d’acides de Lewis, mais la molĂ©cule n’est plus de charge neutre.

 

Réactions et mécanismes réactionnels en chimie organique

Ce sous-chapitre présente les bases des réactions en chimie organique.

Tout d’abord, il convient de noter que la plupart des rĂ©actions sont des rĂ©actions d’Ă©quilibre et que des Ă©tats de transition mĂ©somères (stabilisĂ©s par rĂ©sonance) sont souvent traversĂ©s.

Informations de base sur le mécanisme de réaction :

Il decrit:

  • Toutes les Ă©quations de rĂ©action et les Ă©tats de transition qui mènent au produit.
  • La flèche indique toujours oĂą va la paire d’Ă©lectrons.

La chimie organique est divisée en quatre types de réactions :

(Selon Peter Sykes, Mécanismes de réaction de la chimie organique)

  1. substitutions
  2. ajouts
  3. éliminations
  4. réarrangements et déplacements

ĂŞtre ici

  • L’addition de Markovnikov
  • La substitution nuclĂ©ophile et l’Ă©limination
  • La substitution Ă©lectrophile sur le cycle benzĂ©nique
  • L’oxydation
  • Le mĂ©canisme d’addition/Ă©limination
  • PolymĂ©risation et substitution radicalaire

traité brièvement.

Il est recommandĂ© d’avoir sous la main l’aperçu des composĂ©s organiques et le tableau d’Ă©lectronĂ©gativitĂ©. La chose importante Ă  savoir est que l’oxygène, O2, est plus Ă©lectronĂ©gatif que l’azote, N2 et N2 sont plus Ă©lectronĂ©gatifs que le carbone, O < N < C.

Tout d’abord, quelque chose de fondamental est dit Ă  propos des ions carbĂ©nium : si un atome comprenant une paire d’Ă©lectrons de liaison (par exemple un anion chlorure, Cl-) est retirĂ© d’un hydrocarbure, un carbocation se forme. On distingue entre:

  1. CH3+, cation méthyle
  2. RCH2+, carbocation primaire
  3. R2CH+, carbocation secondaire
  4. R3C+, carbocation tertiaire

Important : la stabilité augmente avec les carbocations dans cet ordre de 1 à 4.

La raison en est que les liaisons C—C sont plus faciles à polariser que les liaisons C—H.

Et en complément, il convient de mentionner que vice versa  la stabilité des carbanions  diminue de 1 à 4. H3C->RH2C->RHC->R3C-.

R est n’importe quel atome (autre que H) ou alkyle.

Ajout de Markovnikov

Lorsque le propène est mis Ă  rĂ©agir avec du bromure d’hydrogène, 90% de 2-bromopropane est obtenu. Le mĂ©canisme est le suivant : le proton, qui agit comme un acide de Lewis ou comme un accepteur de paires d’Ă©lectrons, prĂ©fère se fixer Ă  l’extrĂ©mitĂ© de la double liaison. par consĂ©quent, le carbocation secondaire plus stable est formĂ©, d’autant plus que le proton est moins Ă©lectronĂ©gatif que l’ion bromure.

CH3—CH==CH2 + HBr → (CH3—CH+—CH3) + Br-

L’ion carbĂ©nium secondaire (carbocation secondaire) se forme prĂ©fĂ©rentiellement car il est plus stable.

L’ion bromure le plus Ă©lectronĂ©gatif occupe donc la position 2 et on obtient ainsi majoritairement le 2-bromopropane.

Ajout anti-Markovnikov. Il est également possible de produire majoritairement du 1-bromopropane. Cependant, cette réaction procède par un mécanisme radical et est traitée dans des cours supérieurs.

Substitution nucléophile

Dans la substitution nuclĂ©ophile en chimie organique, un atome ou groupe liĂ© est remplacĂ© par un autre sur l’atome de carbone. NuclĂ©ophile signifie quelque chose comme aimant le noyau (noyau = noyau). L’atome ou le groupe encore attachĂ© au C est appelĂ© le groupe partant. Le nouvel atome ou groupe Ă  attacher au carbone est appelĂ© nuclĂ©ophile.

Selon la stabilité du carbocation, il existe 2 cas limites de réactions :

Exemples directs :

NaOH + CH3Cl ===> H—O —— CH3 —— Cl ===> H—O—CH3

Lorsque le mĂ©thanol est produit Ă  partir de chloromĂ©thane, un complexe activĂ© est initialement formĂ© comme Ă©tat de transition. L’atome C est attaquĂ© par l’arrière ou par le cĂ´tĂ© opposĂ© au chlore par l’ion hydroxyde, OH-, qui agit ici comme une base de Lewis. Lorsque le complexe activĂ© est en Ă©quilibre, les trois atomes H sont retournĂ©s (inversĂ©s). Imaginez un parapluie dans un vent fort. La liaison de l’ion chlorure libĂ©rĂ© est affaiblie et rompue après le basculement des atomes 3H. Il s’agit d’une substitution nuclĂ©ophile de second ordre car l’Ă©tape dĂ©terminant la vitesse est le complexe activĂ©. Le carbocation Ă©tant instable, la rĂ©action se dĂ©roule de manière bimolĂ©culaire. L’abrĂ©viation pour cela est Sn2. (voire ci-dessous)

blanc = H, noir = C, vert = Cl, rouge = O (Sn2 ci-dessus)

La rĂ©action se dĂ©roule diffĂ©remment si 3 groupes mĂ©thyle sont liĂ©s Ă  l’atome de carbone au lieu de 3 H. Dans le cas du 2-chloro-2-mĂ©thylpropane ou du chlorure de t-butyle, l’ion hydroxyde rencontre une branche de 3 groupes mĂ©thyle et est empĂŞchĂ© de le faire jusqu’Ă  ce que l’ion chlorure soit perdu. Un carbocation tertiaire relativement stable se forme, qui est ensuite rapidement attaquĂ© par l’ion hydroxyde par l’arrière ou par l’avant. (Sn1 ci-dessous)

L’Ă©tape qui dĂ©termine la vitesse ici est le groupe partant, ici l’ion chlorure. La rĂ©action se dĂ©roule de manière unimolĂ©culaire, on parle de rĂ©action Sn1.

Élimination

On s’en tiendra au chlorure de t-butyle dont l’atome de chlore vient d’ĂŞtre Ă©liminĂ©. L’ion hydroxyde abandonne maintenant l’attaque sur le carbocation tertiaire et supprime Ă  la place un proton d’un groupe mĂ©thyle. RĂ©sultat : 2-mĂ©thylpropène. C’est le mĂ©canisme E1, qui est Ă©galement unimolĂ©culaire. De très bons rendements peuvent ĂŞtre obtenus lorsque la mĂŞme rĂ©action est effectuĂ©e dans de l’Ă©thanol* aqueux ou avec une autre base faible.

Dans l’Ă©limination bimolĂ©culaire, E2, un excès de bases fortes dans le 2-chloro-2-mĂ©thylpropane peut immĂ©diatement Ă©liminer un proton d’un groupe mĂ©thyle avant que l’ion chlorure ne soit perdu.

Mais parce que la liaison de l’ion chlorure est ainsi affaiblie, la rĂ©action se dĂ©roule de manière bimolĂ©culaire, de concert ou simultanĂ©ment. Comme dans la rĂ©action Sn2, l’Ă©tape limitant la vitesse est le complexe activĂ©.

Au groupe partant. Les bons groupes partants sont les halogĂ©nures tels que le chlore, le brome et l‘iode,

mais pas de fluor, F.

*Pour les synthèses chimiques en laboratoire, l’alcool dĂ©naturĂ© ne doit pas ĂŞtre utilisĂ©. Cet alcool est mĂ©langĂ© Ă  de la pyridine pour le rendre imbuvable.

Substitution électrophile sur le cycle benzénique (première substitution)

Dans la substitution nuclĂ©ophile, nous avons appris que le composĂ© attaquant doit ĂŞtre un nuclĂ©ophile et qu’il doit ĂŞtre une base de Lewis, c’est-Ă -dire un donneur de paires d’Ă©lectrons. Le point d’attaque est le noyau ou un noyau atomique. Le plus souvent en chimie organique c’est un atome de carbone car c’est gĂ©nĂ©ralement le moins Ă©lectronĂ©gatif. Ceci est Ă  nouveau discutĂ© ci-dessous dans le cadre du mĂ©canisme d’addition/Ă©limination.

L’inverse est vrai lorsqu’un atome H est remplacĂ© par un substituant sur l’aromatique. Il s’agit d’une substitution Ă©lectrophile. L’atome ou le composĂ© attaquant est un Ă©lectrophile et agit comme un acide de Lewis (accepteur de paire d’Ă©lectrons). L’Ă©lectrophile prend la paire d’Ă©lectrons du cycle benzĂ©nique.

Intermezzo

Pour l’instant, le sujet des catalyseurs sera brièvement traitĂ© ici. Un catalyseur est un atome ou un composĂ© qui accĂ©lère la rĂ©action sans ĂŞtre consommĂ© dans le processus. La rĂ©action gère avec moins de chaleur de rĂ©action.

Il existe 2 types de catalyseurs :

  1. Catalyseur homogène
  2. Catalyseur hétérogène

La principale diffĂ©rence est que le catalyseur homogène participe au processus de rĂ©action et entre Ă©galement temporairement dans des liaisons. Ceux-ci sont utilisĂ©s dans la substitution Ă©lectrophile des aromatiques. AlCl3, FeBr3, H2SO4 sont d’importants catalyseurs homogènes.

Dans le cas du catalyseur hĂ©tĂ©rogène, ce sont souvent des mĂ©taux de transition Ă©lĂ©mentaires avec des traces d’autres Ă©lĂ©ments qui absorbent les rĂ©actifs. Cela signifie que les rĂ©actifs ne touchent que la surface du mĂ©tal catalyseur, mais ne forment aucune liaison avec lui. Fer, Fe, platine, Pt, nickel et platine/rhodium, Pt/Rh sont des catalyseurs hĂ©tĂ©rogènes. Ce dernier, Pt/Rh, fait partie du convertisseur catalytique des gaz d’Ă©chappement, qui recycle l’oxyde d’azote, NO et le monoxyde de carbone, CO en gaz non toxiques tels que le dioxyde de carbone, CO2 et l’azote,

N2 : NO + CO → N2 + CO2

Exemple, l’hydrogĂ©nation (H-addition) d’alcènes avec des mĂ©taux de transition comme catalyseur, par exemple le platine, le Pt, le palladium, le Pd ou encore le nickel, le Ni. Lorsque la surface est touchĂ©e par de l’hydrogène, H2, la liaison de H2 se rompt. Les deux atomes H sont brièvement liĂ©s Ă  la surface du mĂ©tal avant d’ĂŞtre ajoutĂ©s Ă  l’alcène. L’alcène entre Ă©galement en contact bref avec la surface mĂ©tallique via l’une de ses doubles liaisons.

Si vous effectuez des expériences de réaction chimique organique avec des métaux en laboratoire, vous ne devez pas utiliser de poudre métallique mais des copeaux métalliques en raison de la plus grande surface.

En chimie biologique, les enzymes et les coenzymes (vitamines) jouent le rĂ´le de catalyseurs.

Ajout de benzène avec un catalyseur homogène, que se passe-t-il exactement ?

Nous fabriquons du toluène Ă  partir de benzène. Pour cela, nous utilisons du chloromĂ©thane, CH3Cl et du trichlorure d’aluminium, AlCl3 comme catalyseur (alkylation de Friedel-Crafts). La rĂ©action globale est :

AlCl3 agit comme un acide de Lewis (accepteur de paires d’Ă©lectrons) et Ă©limine un atome de chlore du CH3Cl.

CH3Cl + AlCl3 → CH3+ + AlCl4-

C’est la rĂ©action du catalyseur

CH3+ a une durée de vie très courte et, en tant que groupe électrophile puissant, forme initialement un complexe avec le benzène. Complexe EDP/EPA. Le carbocation primaire, CH3+, se fixe à un atome de carbone spécifique du cycle. Un ion benzénium mésomère est formé.

Ici, CH3 et H restent liĂ©s avant que l’atome H ne soit sĂ©parĂ© d’un anion chlorure de AlCl4+. La rĂ©action finale :

Le catalyseur AlCl3 est reformĂ© et de l’acide chlorhydrique, HCl, est formĂ©.

Les rĂ©actions du catalyseur sont similaires pour les autres catalyseurs, FeBr3 et H2SO4. L’Ă©lectronophile, qui doit ĂŞtre un cation, est de courte durĂ©e et très rĂ©actif.

Addition de brome, production de bromobenzène

Br2 + FeBr3 =è Br+ + FeBr4-

Le brome est clivĂ© hĂ©tĂ©rolytiquement en Br+ et Br-, le premier agit comme un Ă©lectrophile et le second s’ajoute Ă  FeBr3, de manière analogue Ă  AlCl3

Production de nitrobenzène avec H2SO4 comme catalyseur

HNO3 + 2 H2SO4 =è NO2+ + H3O+ + 2HSO4-

NO2+ est l’Ă©lectrophile

PrĂ©paration de l’acide benzènesulfonique, composĂ© essentiel de la chimie prĂ©parative.

SO3 + H2SO4 =è SO3H+ + HSO4-

Le trioxyde de soufre est protoné et rendu électrophile : SO3H+

Deuxième substitution sur le cycle benzénique

Un atome H sur le cycle benzĂ©nique vient d’ĂŞtre remplacĂ© par un substituant Ă©lectrophile.

Un autre substituant doit maintenant ĂŞtre introduit. La procĂ©dure est similaire Ă  celle de la première substitution. La seule question est : sur quel atome de carbone du cycle le second substituant se fixe-t-il ? Cela dĂ©pend uniquement de la mesure dans laquelle la densitĂ© Ă©lectronique sur le cycle benzĂ©nique change en raison du premier substituant. La densitĂ© Ă©lectronique est augmentĂ©e par des substituants avec des paires d’Ă©lectrons iseolĂ©s. Le premier atome liĂ© au carbone du cycle est dĂ©cisif. L’Ă©lectronĂ©gativitĂ© joue Ă©galement un rĂ´le important ici.

En gĂ©nĂ©ral, les substituants qui ont une ou plusieurs paires d’Ă©lectrons libres augmentent la densitĂ© Ă©lectronique sur le cycle benzĂ©nique.

Exemple : deuxième substitution sur méthoxy-benzène, nitration avec HNO3

Les halogénures, F, Cl, Br, I contribuent un peu moins à la densité électronique car ils sont très électronégatifs.

Le 2ème substituant se fixe en position 2, position ortho ou position 4, position para.

Les substituants qui n’ont pas de paire d’Ă©lectrons isolĂ©s et qui sont liĂ©s Ă  un atome plus Ă©lectronĂ©gatif diminuent la densitĂ© Ă©lectronique en la retirant.

Dans le cas du nitrobenzène avec NO2 comme substituant, l’azote n’a pas de paire d’Ă©lectrons isolĂ©s et est liĂ© Ă  2 atomes d’O, qui sont plus Ă©lectronĂ©gatifs que l’azote. N=3, O=3,4. L’atome N a mĂŞme une charge formelle positive.

La réaction est plus lente.

La densitĂ© Ă©lectronique est rĂ©duite ou soustraite vers le substituant car l’atome directement liĂ© au cycle benzĂ©nique n’a pas de paire d’Ă©lectrons isolĂ©s et les autres atomes liĂ©s sont plus Ă©lectronĂ©gatifs. Les premiers substituants suivants forcent le second substituant Ă  la position mĂ©ta.

Exemple : deuxième substitution de l’acide benzoĂŻque par du brome.

Au lieu de charges en excès, des trous d’Ă©lectrons apparaissent maintenant aux mĂŞmes endroits. Ces sites chargĂ©s positivement forcent le 2e Ă©lectrophile, Ă©galement chargĂ© positivement, Ă  prendre une position diffĂ©rente. Le 2ème substituant est ainsi fixĂ© en position 3 ou 5, position mĂ©ta. En traçant toutes les structures limites mĂ©somères, la position mĂ©ta peut ĂŞtre dĂ©duite. Plus Ă  ce sujet dans les cours supĂ©rieurs.

La seconde substitution du toluène et, plus gĂ©nĂ©ralement, de l’alkylbenzène reprĂ©sente un cas particulier, le second substituant est en position ortho ou para, bien que l’atome de carbone ne possède pas de paire d’Ă©lectrons libres. Avec les connaissances que nous avons acquises jusqu’Ă  prĂ©sent, cela peut ĂŞtre dĂ©montrĂ© en simulant toutes les structures mĂ©somères :

Ce n’est qu’en position ortho et para qu’une structure de transition mĂ©somère apparaĂ®t: un ion carbĂ©nium tertiaire, un cation carbo.

De l’addition de Markovnikov dĂ©crite ci-dessus, nous savons que les carbocations tertiaires sont plus stables que les secondaires. Le groupe nitro occupe la position ortho ou para.

Le groupe nitro est plus attracteur d’Ă©lectrons que le groupe mĂ©thyle. Par consĂ©quent, 2 autres groupes NO2 en position mĂ©ta sont facilement substituĂ©s sur le cycle aromatique. Enfin, le trinitrotoluène est obtenu. Cette poudre est utilisĂ©e comme explosif dans les grenades Ă  main. C’est relativement facile Ă  faire en laboratoire.

Oxydation et réduction en chimie organique.

Il est recommandé de se reporter à nouveau au chapitre 7, Oxydation et réduction.

L’oxydation signifie Ă  l’origine une rĂ©action avec l’oxygène. C’est plus une dĂ©finition alchimique. Prenons un exemple : nous brĂ»lons du mĂ©thane.

CH4 + O2 → CO2 + H2O. Il s’agit d’une rĂ©action exothermique. Dans le processus, 800 kj/mol d’Ă©nergie sont libĂ©rĂ©s.

Nous dĂ©terminons maintenant le nombre d’oxydation de l’atome de carbone. Ce faisant, on travaille avec le schĂ©ma de l’Ă©lectronĂ©gativitĂ© et on trouve :

H est 2,2 plus électropositif que C (= 2,6) et O (= 3,4) est plus électronégatif que C.

Les nombres d’oxydation en chimie organique sont dĂ©terminĂ©s en attribuant les Ă©lectrons de liaison Ă  l’atome le plus Ă©lectronĂ©gatif. L’indice d’oxydation est la diffĂ©rence entre

  • Total des Ă©lectrons de liaison plus toutes les paires d’Ă©lectrons non liĂ©s moins les Ă©lectrons de valence.

MĂ©thane : C a 8 Ă©lectrons de liaison. De lĂ , les 4 Ă©lectrons de valence sont soustraits de C. 8 – 4 = 4, il reste 4 Ă©lectrons (c’est-Ă -dire -IV). Les atomes d’hydrogène ont chacun le nombre d’oxydation +1 (+I). Étant donnĂ© que le mĂ©thane est neutre en charge, la somme de tous les nombres d’oxydation de l’ensemble du composĂ© doit ĂŞtre nulle.

–IV + 4*(+I) ou -4 + 4 = 0.

A la fin de la rĂ©action, le composĂ© carbonĂ© existe Ă  partir du CO2. Ici, les atomes d’oxygène ont une Ă©lectronĂ©gativitĂ© plus Ă©levĂ©e (=3,4), c’est pourquoi les Ă©lectrons de liaison leur sont attribuĂ©s. Le nombre d’oxydation par atome d’oxygène est le nombre d’Ă©lectrons de liaison plus 2 paires d’Ă©lectrons non liĂ©s (=4) -6 Ă©lectrons de valence = -2. Le nombre d’oxydation de l’atome C est +4. ContrĂ´le:

2*-2 + 4 = 0

Comme le mĂ©thane, le CO2 est neutre en charge. Le carbone a ainsi cĂ©dĂ© au total 8 Ă©lectrons aux deux atomes d’oxygène et s’est donc oxydĂ© de 8 Ă©lectrons.

Mais que se passe-t-il exactement lors de cette combustion ?

Le mĂ©thane devient d’abord du mĂ©thanol, puis du mĂ©thanal (formaldĂ©hyde) et presque enfin de l’acide mĂ©thanoĂŻque (acide formique). Enfin, le CO2 est sĂ©parĂ© du plus petit acide carboxylique (dĂ©carboxylation). Les deux atomes H restants deviennent brièvement de l’hydrogène, H2, et une rĂ©action oxhydrique se produit avec O2 comme Ă©tape finale.

H2 + 1/2O2 → H2O

L’oxygène est en abondance, sinon ce serait une catastrophe. Sur Mars, avec une pression de seulement 6 millibars de CO2, vous ne pouviez ni respirer ni conduire une voiture (Ă  l’exception des vĂ©hicules Ă©lectriques et solaires), et encore moins brĂ»ler le bois que vous avez apportĂ© avec vous.

L’oxydation en chimie prĂ©parative part de l’alcool. Un aldĂ©hyde, une cĂ©tone ou un acide carboxylique est produit Ă  partir d’un alcool. Dans l’exemple ci-dessus, nous avons dĂ©jĂ  obtenu du mĂ©thanol via la rĂ©action Sn2. Le mĂ©thanol est maintenant oxydĂ©.

Danger! Le mĂ©thanol est très toxique ! L’ingestion peut rendre aveugle !

Un agent oxydant très essentiel est le dichromate : K2Cr2O7, Na2Cr2O7 (dans H2SO4 = rĂ©actif de Jones) et CrO3 sont disponibles dans le commerce. Lorsque le mĂ©thanol rĂ©agit avec l’un de ces agents oxydants, l’acide formique est obtenu directement. Si vous voulez arrĂŞter l’oxydation du formaldĂ©hyde, CrO3 doit ĂŞtre complexĂ© avec de la pyridine.

Pratiquement tous les alcools peuvent ĂŞtre synthĂ©tisĂ©s en aldĂ©hydes ou en cĂ©tones avec CrO3(pyridine)2. Il est plus difficile d’obtenir des acides carboxyliques Ă  partir de cĂ©tones car une liaison C-C doit ĂŞtre rompue. Un agent oxydant important en chimie organique est Ă©galement le permanganate de potassium, KMnO4.

Oxydants en médecine :

Comme mentionnĂ© au chapitre 7, la glycĂ©mie dans l’urine peut ĂŞtre dĂ©tectĂ©e Ă  l’aide de nitrate d’argent, AgNO2. (preuve de Tollens) Le glucose est un aldose et peut facilement ĂŞtre converti en acide carboxylique, l’argent est rĂ©duit et l’argent Ă©lĂ©mentaire se sĂ©pare et se fixe Ă  la paroi du vaisseau. Un miroir argentĂ© se forme.

Un autre rĂ©actif souvent utilisĂ© en mĂ©decine est le test de Fehling. Celui-ci est constituĂ© d’hydroxyde de cuivre (II), Cu (OH) 2 et, avec une solution de tartrate basique (sel alcalin de l’acide tartrique), forme un composĂ© complexe bleu clair. Dans le cas de valeurs positives en sucre, le cuivre(II) est rĂ©duit en cuivre(I). (Accepte un Ă©lectron). CuO2 se forme et la couleur passe du bleu clair au jaune-rouge.

Réduction de la chimie organique

Contrairement Ă  l’oxydation, les acides carboxyliques, les aldĂ©hydes et les cĂ©tones peuvent ĂŞtre rĂ©duits en alcools.

Important Ă  savoir : Le groupe carbonyle est polarisĂ©. Cela peut aussi s’expliquer par les nombres d’oxydation. Le total de 8 Ă©lectrons de liaison et non liĂ©s est attribuĂ© Ă  l’atome d’oxygène. Cela peut Ă©galement ĂŞtre vu dans la structure de rĂ©sonance.

Seuls les nuclĂ©ophiles attaquent les atomes C. Seuls les Ă©lectrophiles peuvent donc se fixer sur l’atome O. Il s’agit gĂ©nĂ©ralement d’un proton. Vous pouvez en savoir plus Ă  ce sujet ci-dessous

Deux agents réducteurs essentiels :

  • Borohydrure de sodium, (borohydrure de sodium), NaBH4
  • Hydrure de lithium et d’aluminium, (tĂ©trahydroalanate de lithium), LiAlH4

Avec ces deux agents réducteurs couramment utilisés, un ion hydrure est libéré.

Attention : l’ion hydrure n’est pas un proton ! C’est un atome d’hydrogène avec une paire d’Ă©lectrons.

Lorsque les deux composĂ©s sont dissous dans l’eau, ils produisent de l’hydrogène, H2, et de l’hydroxyde, OH-. L’ion hydrure, H–, de l’agent rĂ©ducteur se combine avec un proton de l’eau.

NaBH4 + 4H-O-H → NaOH + B(OH)3 + 4H-H

LiAlH4 + 4H-O-H → LiAl(OH)4 + 4H-H

LiAlH4 est plus rĂ©actif que NaBH4. La synthèse avec LiAlH4 doit ĂŞtre rĂ©alisĂ©e le plus anhydre possible dans l’Ă©ther diĂ©thylique, CH3CH2OCH2CH3. NaBH4 peut ĂŞtre dissous dans de l’Ă©thanol aqueux.

Une prudence particulière s’impose lorsque l’on travaille avec ces deux agents rĂ©ducteurs.

La synthèse ne peut ĂŞtre effectuĂ©e que dans un laboratoire agréé par l’État. Le composĂ© Ă  rĂ©duire dissous dans l’Ă©ther doit d’abord ĂŞtre refroidi avec de la neige carbonique, de la glace ou de l’azote liquide afin que la rĂ©action ne soit pas trop violente. Ajouter l’agent rĂ©ducteur goutte Ă  goutte au mĂ©lange rĂ©actionnel dans la chapelle Ă  l’aide d’une seringue. La fenĂŞtre coulissante de la chapelle doit ĂŞtre Ă  moitiĂ© enfoncĂ©e. Les mains doivent ĂŞtre protĂ©gĂ©es avec des gants en caoutchouc. Les lunettes de sĂ©curitĂ© sont Ă©galement obligatoires.

Mécanisme de réaction simplifié.

L’Ă©thanol est rĂ©duit Ă  partir de l’acĂ©taldĂ©hyde.

Avec NaBH4 dans l’Ă©thanol

NaBH4 + CH3CHO → CH3CH2OH + (Na+)H3BOCH2CH3

3 molĂ©cules d’Ă©thanal supplĂ©mentaires peuvent maintenant ĂŞtre attaquĂ©es. Lorsque tous les anions hydrure sont consommĂ©s, il reste 4 molĂ©cules d’Ă©thanol, le tĂ©traĂ©thoxyborate de sodium, (Na+)B(OCH2CH3)4-.

Avec LiAlH4, un ion hydrure attaque Ă©galement l’atome de carbone du groupe carbonyle. L’atome d’oxygène du groupe carbonyle se fixe sur l’aluminium oĂą un ion hydrure vient d’ĂŞtre libĂ©rĂ©. Ce processus est rĂ©pĂ©tĂ© jusqu’Ă  ce que les 4 ions hydrure de l’aluminium soient remplacĂ©s par les groupes carbonyle des molĂ©cules d’acĂ©taldĂ©hyde.

La rĂ©action avec l’eau (hydrolyse) produit 4 molĂ©cules d’Ă©thanol ainsi que de l’hydroxyde de lithium et d’aluminium. (voir photo ci-dessus)

LiAlH4 est très réactif. Les acides carboxyliques peuvent être réduits directement en alcools.

Il peut ĂŞtre utilisĂ© pour produire de l’Ă©thanol, CH3CH2OH, Ă  partir d’acide acĂ©tique, CH3COOH.

Cependant, comme le montre l’expĂ©rience, la rĂ©action peut s’arrĂŞter. L’Ă©thoxylate de lithium, CH3CO2-Li+, prĂ©cipite souvent.

Pour Ă©viter cela, un ester est fabriquĂ© via un mĂ©canisme d’addition/Ă©limination. Plus Ă  ce sujet dans le sous-chapitre suivant.

Réduction de Wolff Kishner (Une réaction de nom)

Les cétones sont réduites en alcanes. Le groupe carbonyle est éliminé.

Réduction de la cyclohexanone en cyclohexane :

Vous avez besoin d’hydrazine, N2H4, (85% dissous dans l’eau) et de soude caustique, NaOH.

La cyclohexanone est dissoute dans un Ă©ther d’alcool, OHCH2CH2OCH2CH2OH (Eb 245°). La solution d’hydrazine est ajoutĂ©e et l’ensemble est chauffĂ© avec du NaOH. Le mĂ©lange est ensuite traitĂ© avec de l’eau et du cyclohexane est obtenu.

Le mĂ©canisme d’addition/Ă©limination

Le proton, qui est liĂ© Ă  l’atome de carbone du groupe carbonyle dans les aldĂ©hydes, par exemple dans l’acĂ©taldĂ©hyde, peut difficilement ĂŞtre sĂ©parĂ© ou remplacĂ©. On pourrait aussi dire que l’hydrogène est un groupe partant misĂ©rable. Seule l’oxydation transforme l’aldĂ©hyde en acide carboxylique. L’acide acĂ©tique est formĂ© Ă  partir d’acĂ©taldĂ©hyde.

CH3CHO → CH3COOH


Symbol „Von der Community überprüft“

Les agents oxydants K2Cr2O7, Na2Cr2O7, CrO3 servent de rĂ©actifs, dont il vient d’ĂŞtre question dans le dernier sous-chapitre.

Au lieu de l’atome H, nous avons maintenant un groupe hydroxyde, un groupe partant relativement bon qui est plus facile Ă  substituer.

Cela se produit via le mĂ©canisme d’addition/Ă©limination. En gĂ©nĂ©ral, cela peut ĂŞtre reprĂ©sentĂ© comme suit :

L est le groupe partant, X est le nucléophile. (dessin ci-dessus)

De nombreuses synthèses en chimie organique peuvent ĂŞtre dĂ©rivĂ©es avec le mĂ©canisme d’addition/Ă©limination :

  • La synthèse du chlorure d’acide : CH3COOH → CH3COCl Ă  l’aide de chlorure de thionyle, SOCl2 ou de pentachlorure de phosphore, PCl5.
  • La synthèse d’un amide, RCONH2, Ă  partir du chlorure d’acide, CH3COCl
  • La synthèse d’esters, par exemple l’Ă©thanol et l’acide acĂ©tique, rĂ©agit avec un acide comme catalyseur pour former de l’acĂ©tate d’Ă©thyle (acĂ©tate d’Ă©thyle) ou du vernis Ă  ongles. MĂ©canisme voir dessin ci-dessous.
  • L’hydrolyse des esters. (saponification de l’ester) l’acĂ©tate d’Ă©thyle produit de l‘Ă©thanol et de l’acide acĂ©tique en rĂ©action inverse. Le catalyseur peut Ă©galement ĂŞtre une base.
  • La condensation de Claisen. L’ester acĂ©toacĂ©tique est formĂ© Ă  partir d‘acĂ©tate d’Ă©thyle.
  • La condensation d’aldol ou l’addition d’aldol. C’est juste une rĂ©action d’addition de 2 aldĂ©hydes. Aucune Ă©limination n’a lieu. Cependant, le mĂ©canisme est similaire. Voir dessin ci-dessous.

 

Synthèse catalysĂ©e par un acide d’acĂ©tate d’Ă©thyle (acĂ©tate d’Ă©thyle).

Mécanisme simplifié :

L’attaque de l’Ă©thanol est plutĂ´t poussive sans acide. Le proton est Ă©lectrophile et se fixe prĂ©fĂ©rentiellement sur l’oxygène du carbonyle. Grâce Ă  ce proton, le groupe OH, le groupe partant, peut ĂŞtre Ă©liminĂ© plus facilement, qui reçoit un proton supplĂ©mentaire de l’Ă©thanol : on parle d’eau comme groupe partant. Enfin, le proton catalytique du groupe carbonyle d’origine part Ă©galement. L’acĂ©tate d’Ă©thyle est un composant du vernis Ă  ongles.

Hydrolyse des esters, (saponification).

L’hydrolyse de l’ester catalysĂ©e par un acide ou la rĂ©action inverse de la synthèse de l’ester suit le mĂŞme schĂ©ma. Ă€ la fin, vous rĂ©cupĂ©rez de l’acide acĂ©tique et de l’Ă©thanol.

Ce sont des rĂ©actions d’Ă©quilibre typiques. Afin de dĂ©placer les Ă©quilibres plus Ă  droite, il convient d’utiliser un excès d’Ă©thanol pour l’estĂ©rification et d’eau pour l’hydrolyse des esters. Si possible, de l‘Ă©thanol pur (pas de carburant) doit ĂŞtre utilisĂ©.

Hydrolyse des esters, (saponification). CatalysĂ© par une base, par exemple avec NaOH, le carboxylate (l’acide acĂ©tique dĂ©protonĂ©) et l’Ă©thanol sont formĂ©s Ă  partir d’acĂ©tate d’Ă©thyle. Ici, l’anion hydroxyde attaque le carbone carbonyle en tant que nuclĂ©ophile.

L’hydrolyse des esters est appelĂ©e saponification car des savons sont produits lors de l’hydrolyse des graisses (= esters de glycĂ©rol d’acides carboxyliques supĂ©rieurs). Les sels de sodium des acides gras sont des savons durs (savons caillĂ©s), les sels de potassium sont des savons mous.

Condensation aldolique

Synthèse du 3-Hydroxybutanal

Le composĂ© de dĂ©part est Ă  nouveau l’acĂ©taldĂ©hyde. Parmi celles-ci, 2 molĂ©cules rĂ©agissent. Un aldol se forme, un aldĂ©hyde qui est aussi un alcool. Pour rĂ©pĂ©ter : l’atome H en C du groupe carbonyle ne peut ĂŞtre remplacĂ© que par oxydation. La condensation aldolique n’est donc qu’une rĂ©action d’addition. Ceci est mentionnĂ© ici car ce mĂ©canisme est Ă©galement similaire et pour donner un petit avant-goĂ»t du sous-chapitre suivant, la polymĂ©risation.

La première chose Ă  noter est que le groupe mĂ©thyle, qui est adjacent Ă  un carbone carbonyle, est relativement acide. LĂ , un proton peut ĂŞtre Ă©liminĂ© avec une base, par exemple avec NaOH. Un Ă©tat de transition mĂ©somère se forme et l’acĂ©taldĂ©hyde devient un nuclĂ©ophile. Comme pour le mĂ©canisme d’addition/Ă©limination, cela peut attaquer l’atome de carbone du groupe carbonyle de la deuxième molĂ©cule d’acĂ©taldĂ©hyde. Le mĂ©canisme est le mĂŞme, sauf qu’Ă  cause de cet atome H Ă©troitement liĂ© sur le deuxième acĂ©taldĂ©hyde, la paire d’Ă©lectrons poussĂ©s jusqu’Ă  l’atome O ne peut plus descendre, c’est pourquoi il n’y a pas d’Ă©limination. Ă€ ce stade, le proton mĂ©thyle retirĂ© du premier acĂ©taldĂ©hyde est renvoyĂ©. L’anion hydroxyde, OH-, le catalyseur homogène en tant que base, est Ă  nouveau reformĂ©.

Polymérisation et substitution radicalaire

Restons avec l’acĂ©taldĂ©hyde. 2 molĂ©cules viennent d’ĂŞtre laissĂ©es rĂ©agir. Cela a abouti Ă  un aldol (voir illustration ci-dessus). L’acĂ©taldĂ©hyde est appelĂ© un monomère. Si les deux molĂ©cules rĂ©agissent l’une avec l’autre, un dimère se forme. Maintenant, vous pouvez faire rĂ©agir l’aldol avec une troisième, une quatrième et plus de molĂ©cules, l’acĂ©taldĂ©hyde, et nous avons un polymère.

A1 + A2 + A3 +… Axe = A-A-A-A……

Les polymères comprennent les matières synthĂ©tiques, telles que le plastique et le caoutchouc, et les matières naturelles, telles que l’amidon, la cellulose et les protĂ©ines. Ce dernier peut ĂŞtre constituĂ© de 20 acides aminĂ©s diffĂ©rents.

La production de macromolécules ou de polymères se produit par les mécanismes suivants.

  • polyaddition
  • polycondensation
  • PolymĂ©risation cationique et anionique
  • PolymĂ©risation radicalaire libre

La condensation aldolique qui vient d’ĂŞtre mentionnĂ©e est en fait une polyaddition. Un exemple plus compliquĂ© est le polyurĂ©thane, fabriquĂ© Ă  partir de diisocyanate de 1,6-hexane et d’Ă©thylène glycol.

Lors de la polycondensation, un Ă©quivalent d’eau, H2O, est sĂ©parĂ© par liaison, cela se fait via le mĂ©canisme d’addition/Ă©limination dĂ©crit ci-dessus. Les produits incluent

  • Nylon 66, un polyamide, Ă  partir d’acide hexanedioĂŻque et de 1,6-diaminohexane.
  • PolyĂ©thylène tĂ©rĂ©phtalate, PET, un polyester fabriquĂ© Ă  partir d’acide tĂ©rĂ©phtalique et d’Ă©thylène glycone

Le PET fait partie des désormais indispensables bouteilles de boisson en PET.

Attention : L’essence ne peut ĂŞtre stockĂ©e dans des bouteilles en PET que pendant une courte pĂ©riode, au plus 1 Ă  2 mois. Après 5-6 mois, les atomes O forment des liaisons hydrogène avec les atomes d’hydrogène de l’essence antidĂ©tonante (heptane et octane ramifiĂ©s) et une partie du polymère passe Ă©galement en solution. L’essence se combine avec le PET, pour ainsi dire. L’essence perd ses propriĂ©tĂ©s physiques telles que la volatilitĂ© et ne peut plus s’enflammer. Le rĂ©sultat est un liquide plutĂ´t inodore et incolore avec une tension superficielle accrue. (Jolie forme de gouttes rondes)

Les acides de Lewis (polymĂ©risation cationique) et les bases de Lewis (polymĂ©risation anionique) sont responsables de la polymĂ©risation ionique. La polymĂ©risation des alcènes est particulièrement importante. Avec un acide de Lewis, par exemple BF3, le polypropylène est formĂ© Ă  partir de propène. La condition est une double liaison. Les alcanes ne peuvent pas ĂŞtre polymĂ©risĂ©s. L’acide de Lewis est un accepteur de paires d’Ă©lectrons comme nous le savons. Ainsi, BF3 peut remplir sa lacune avec une paire d’Ă©lectrons de la double liaison d’un alcène. L’alcène mute en un cation carbĂ©nium. On sait aussi que la charge positive doit ĂŞtre prĂ©sente sur le 2ème atome de carbone du propène car c’est un carbo-cation secondaire et donc plus stable. Une autre molĂ©cule de propène peut maintenant ĂŞtre attachĂ©e Ă  ce stade. Le cation carbone se propage jusqu’Ă  la rupture de la chaĂ®ne.

Avec la polymĂ©risation anionique, on peut polymĂ©riser des composĂ©s carbonylĂ©s. Des polyĂ©thers se forment. Un anion tel que l’anion mĂ©thoxyde, CH3O-, est utilisĂ© comme substance de dĂ©part.

L’Ă©thène est plus facile Ă  synthĂ©tiser par polymĂ©risation radicalaire car les cations carbĂ©nium primaires sont moins stables.

Qu’est-ce qu’un radical ?

C’est un atome ou un composĂ© avec un Ă©lectron non liĂ© non appariĂ© et est dĂ©signĂ© par un point. UN•

Le chlore, Cl2 (ou le brome, Br2) devient 2Cl avec la lumière ou les UV. diviser. Nous avons maintenant 2 radicaux chlore. Le radical chlore peut remplacer un atome H sur les alcanes. Substitution radicale :

La réaction globale

CH3–CH3 + Cl2 === CH3–CHCl + HCl

Le mécanisme ressemble à ceci :

Démarrage de la chaîne :

Deux radicaux sont formés à partir de chlore gazeux

Cl2 → 2Cl•

Propagation en chaîne :

D’autres radicaux se forment. Un radical Ă©thane est formĂ© Ă  partir d’Ă©thane. Celui-ci rĂ©agit Ă  son tour avec le chlore. Formation de chloroĂ©thane et d’un radical chlore

Cl• + CH3CH3 → CH3CH2• + HCl

CH3CH2• + Cl2 → CH3CH2Cl + Cl•

rupture de chaîne :

Tous les 2 radicaux se recombinent

CH3CH2• + Cl• → CH3CH2Cl

Cl• + Cl• → Cl—Cl

En chimie organique, les alcanes peuvent ĂŞtre convertis directement en haloalcanes. Dans le laboratoire de recherche, cela se fait avec du butanimide halogène (-succinimide). A partir du N-bromo-butanimide (N-bromosuccinimide, NBS) et du bromure d’hydrogène, HBr, Br2 est initialement formĂ©, qui est ensuite scindĂ© en radicaux brome, Br•, avec la lumière ou les UV.

Production de polyéthylène :

La polymérisation radicalaire se déroule de manière similaire :

A partir de l’Ă©thène en tant que monomère, un radical Ă©thĂ©nyle est formĂ© Ă  l’aide d’un radical (initiateur radicalaire), qui peut ajouter d’autres molĂ©cules d’Ă©thène. Cela se produit jusqu’Ă  ce que la chaĂ®ne soit terminĂ©e ou jusqu’Ă  ce qu’il n’y ait plus de molĂ©cules d’Ă©thène.

Pour plus de clarté, supposons que le polymère se compose de seulement 2 unités, un dimère.

Les radicaux utilisĂ©s Ă  cette fin comprennent les peroxydes, ROO., ou les composĂ©s azoĂŻques. Les radicaux ne doivent ĂŞtre utilisĂ©s qu’avec parcimonie.

démarrage de la chaîne :

Ra2 === 2Ra•

Ra• + CH2==CH2 →  RaCH2—CH•

propagation en chaîne :

Ra-CH2-CH• + CH2==CH2 → Ra-CH2-CH2-CH2-CH.

rupture de chaîne :

Ra—CH2—CH2—CH2—CH• + Ra• → Ra—CH2—CH2—CH2—CH2—Ra

Ra• + Ra• →  Ra–Ra* *

A la fin de la polymérisation, aucun radical ne doit subsister. Comme seul un dimère se forme ici, on suppose que des radicaux sont toujours présents.

Les radicaux ne peuvent pas être appelés catalyseurs. Les radicaux sont finalement contenus dans le produit final, en particulier lors de la polymérisation.

L’initiation et la croissance de la chaĂ®ne se dĂ©roulent relativement bien car les monomères peuvent Ă©galement absorber l’oxygène de l’air qui a Ă©tĂ© modifiĂ© pour former des peroxydes.

Comment formulez-vous les polymères ?

Ethène CH2==CH2 [-CH2—CH2-]x Polyéthylène

Autres polymères :

Chloroéthène CH2==CHCl [-CH2—CHCl-]x Polychlorure de vinyle, (PVC)

Fluoroéthène CF2==CF2 [-CF2—CF2-]x Polytétrafluoroéthylène, (Teflon, revêtement pan)

Polymères insaturés, fabrication de caoutchouc et de gomme.

Les diènes et les alcynes donnent des polymères qui contiennent encore des doubles liaisons.

Dans la nature, le caoutchouc est constitué de polyisoprène. Le caoutchouc synthétique est produit par la polymérisation du butadiène, CH2==CH—CH==CH2. La double liaison restante de ce polymère,

[-CH2–CH==CH-CH2-] peut ĂŞtre en outre rĂ©ticulĂ©. En rĂ©agissant avec le soufre, S, terme technique « vulcanisation » de ce caoutchouc, la gomme est créé en rĂ©ticulant les chaĂ®nes entre elles.

Fabrication polybutylène, caoutchouc. (photo ci-dessus)

Vulcanisation, le caoutchouc est fabriqué à partir de caoutchouc et de soufre. (photo ci-dessus)

Le soufre élémentaire est composé de molécules S8. La structure est un 8 anneaux avec 2 bosses. (photo ci-dessous)

Dans les réactions chimiques, seul le symbole S est écrit par souci de simplicité.

Les ponts de soufre jouent également un rôle important en biochimie, dans la formation des protéines et des polypeptides.

Le soufre se trouve dans la nature sous forme de sulfures de mĂ©taux de transition : FeS, pyrite, PbS, galène, ZnS, zinc blende, et sous forme de sulfates alcalino-terreux : CaSO4, anhydrite, CaSO4*2H2O, gypse, MgSO4, sulfate de magnĂ©sium et dans le pĂ©trole. Le benzène est obtenu Ă  partir de cyclohexane avec du soufre, c’est pourquoi il y a beaucoup de benzène dans le pĂ©trole et l’essence.

Cyclohexane + S → benzène + H2S

Le sulfure d’hydrogène, H2S, s’Ă©chappe près des volcans actifs. (odeur d’oeufs pourris). Du soufre Ă©lĂ©mentaire peut Ă©galement y ĂŞtre libĂ©rĂ©. D’importants gisements de soufre Ă©lĂ©mentaire sont situĂ©s aux USA (Texas et Louisiane)

La combustion du soufre produit du SO2, du dioxyde de soufre, qui, lorsqu’il est dissous dans l’eau, forme l’acide sulfureux, H2SO3. Le trioxyde de soufre, SO3, est Ă©galement formĂ© Ă  partir de SO2 et est d’une grande importance dans la chimie prĂ©parative organique.

Littérature:

  • K. Peter C. Vollhart, Chimie organique, VCH Verlag GmbH, D-6940 Weinheim (FRG) 1988, 1990
  • Peter Sykes, MĂ©canismes de rĂ©action en chimie organique, VCH Verlag GmbH, D-6940 Weinheim (FRG) 1988
  • Charles E. Mortimer, Les connaissances de base en chimie, Georg Thieme Verlag Stuttgart. New York 1987 5e Ă©dition
  • Fritz Vögtle, Joachim Franke, Wolfgang Bunzel, Arno Aigner, Detlev Worsch et Karl-Heinz Weissbarth, StĂ©rĂ©ochimie en images stĂ©rĂ©os, VCH Verlag GmbH, D-6940 Weinheim (FRG) 1987

 

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