I- La structure des entités chimiques organiques.

1)- Formules topologiques.

a)-  Rappels :

►  Les différentes structures de l'atome de carbone.

-  Configuration électronique de l’atome de carbone : 1s¹ 2s² 2p²

-  Il possède 4 électrons sur sa couche électronique de valence (2s² 2p²)

-  Il peut mettre en commun 4 électrons pour acquérir une configuration de valence en octet.

-  L’atome de carbone est tétravalent.

-  Le carbone tétragonal :  

-  Il échange 4 liaisons simples avec 4 atomes ou groupe d'atomes distincts.

-  Il possède 4 voisins.

-  Le carbone trigonal : 

-  Il échange 2 liaisons simples et une double liaison.

-  Il possède 3 voisins.

-  Il se trouve au centre d'un triangle dont les trois voisins occupent les sommets.

-  Le carbone digonal : ou

-  Il peut échanger

-  soit une simple liaison et une triple liaison

-  soit deux doubles liaisons.

-  Il possède deux atomes voisins distincts.

b)-  Définition :

-  L’écriture topologique est une représentation simple et rapide des molécules organiques.

-  Les atomes de carbone et les atomes d’hydrogène liés à ces atomes ne sont pas indiqués.

-  Les atomes d’hydrogène non liés à des atomes de carbone sont indiqués.

-  Un sommet correspond à un atome de carbone et aux atomes d’hydrogène qui sont liés à l’atome de carbone.

-  Un segment correspond à un doublet liant.

-  La chaîne carbonée est représentée en ligne brisée.

►  Exemple : molécule d’acide 3-méthylbutanoïque

►  Exemple : les différences entre la formule développée et la forme topologique :

►  Remarque :

-  (Le nombre d’atome(s) d’hydrogène lié(s) à chaque atome de carbone) + (le nombre de doublet(s) liant(s) qui l’entoure) est égal (à quatre).

-  N (atome H) + N (doublet liant – ) = 4

c)-  Exemples.

Méthylcyclohexane

Butan-2-ol

Phénol

Phénylméthanol

2)- Familles fonctionnelles et nomenclature.

a)-  Un peu de nomenclature. Nomenclature

-  En 1892, la commission de Genève a élaboré 60 règles permettant de nommer les molécules organiques en construisant leur nom en trois parties :

-  préfixe – racine – suffixe

-  La nomenclature a évolué mais cette construction en trois parties demeure.

►  Composition d’une molécule organique.

-  Les molécules organiques comportent deux parties :

-  Un squelette carboné ;

-  Et un ou plusieurs groupes caractéristiques.

-  Les molécules qui possèdent le même groupe caractéristique ont des propriétés chimiques communes.

-  Ces propriétés chimiques communes définissent une fonction chimique.

-  Une molécule organique comporte un enchaînement d’atomes de carbone.

-  Cet enchaînement est appelé : chaîne carbonée.

-  Cette chaîne carbonée peut être linéaire, ramifiée ou cyclique.

-  Chaque molécule organique possède un nom qui donne des informations :

-  Sur sa chaîne carbonée

-  Sur la famille de composé à laquelle elle appartient.

-  Le nom des molécules organiques est le la forme :

préfixe – racine – suffixe

►  Un peu de nomenclature : Chap N° 07 Structure des entités organiques

-  Le suffixe indique la famille de composés à laquelle appartient l’espèce chimique.

-  Tableau de quelques familles de composés :

-  R représente un radical alkyle (type :  – C_nH_{2n + 1})

-  La racine indique le nombre d’atomes de carbone C de la chaîne principale.

-  Le carbone fonctionnel :

-  L’atome de carbone fonctionnel est celui qui appartient au groupe caractéristique ou qui est lié au groupe hydroxyle.

-  La chaîne principale :

-  La chaîne principale est la chaîne carbonée :

-  Qui comporte le plus grand nombre d’atomes de carbone

-  Ainsi que l’atome de carbone fonctionnel.

-  Un préfixe apparaît dans le nom si la chaîne principale est ramifiée par un ou plusieurs groupes alkyles de formule générale – C_nH_2n+1.

-  Le préfixe indique la position et la nature du groupe alkyle.

-  Les 4 premiers groupes alkyles :

-  Remarque :

-  Si la chaîne carbonée porte plusieurs groupes identiques, on utilise les préfixes : di, tri, tétra…

►  En résumé :

b)-  Quelques familles.

-  Cas des amines : amine primaire : R – NH₂ ;

- Nomenclature des amines.

-  Cas des amides :

-  Nomenclature des amides.

-  Si l’atome d’azote, en plus d’être lié à la chaîne principale, est aussi lié à des groupes alkyles, le nom est précédé de la mention N–alkyl.

-  Nomenclature des amines (exemples).

c)-  Exemples.

3)- Squelette carboné.

a)-  Le squelette carboné :

-  Le squelette carboné représente l’enchaînement des atomes constituant une molécule organique.

-  La chaîne carbonée est représentée sous forme de ligne brisée dans la formule topologique.

b)-  Liaison multiple.

-  Dans le squelette carboné, on peut trouver :

-  Des liaisons simples représentées par un tiret : –

-  Des liaisons doubles :

-  Des liaisons triples :

-  Si une liaison multiple est présente le squelette est dit insaturé.

-  Dans le cas contraire, on dit qu’il est saturé.

4)- Isomérie de constitution.

a)-  Définition.

-  Ils n'ont pas la même formule développée ou semi-développée plane.

-   On distingue :

-  L’isomérie de chaîne (les molécules diffèrent par leur chaîne carbonée

-  L’isomérie de position (un groupe caractéristique ou une insaturation occupe une position différente sur un même squelette carbonée)

-  L’isomérie de fonction (les molécules présentes des groupes fonctionnels différents).

-  Un isomère de constitution est parfaitement déterminé lorsque l'on connaît son squelette carboné.

-  La formule plane, appelée formule de constitution indique la nature et l'enchaînement des liaisons entre les atomes de la molécule.

-  On distingue :

-  La formule développée plane.

-  La formule semi-développée plane.

-  La formule topologique.

-  Les isomères de constitution sont des corps purs différents qui possèdent des propriétés physiques et chimiques différentes.

b)-  Exemples.

Stéréochimie

►  Application.

-  Donner la formule brute, la formule semi-développée et la formule topologique de la molécule suivante : butan-2-one.

-  Donner les formules semi-développées et les formules topologiques des différents isomères des molécules suivantes : C₄H₁₀ et C₃H₈O.

-  Préciser le type d'isomérie rencontré et le nom de chaque molécule.

►  Réponses :

-  Différents isomères de la molécule de formule brute : C₃H₈O

II- L’optimisation d’une synthèse.

1)- Augmentation de la vitesse de formation.

►  Les facteurs cinétiques d’une réaction chimique :

-  De façon générale,

-  l’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que la température du mélange réactionnel est élevée ;

-  l’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que les concentrations des réactifs sont élevées.

►  Le catalyseur :

-  Dans certaines réactions, la présence en faible quantité, d’une substance chimique spécifique, différente des réactifs, peut accélérer l’évolution du système chimique.

-  De telles substances sont appelées catalyseurs

-  Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une réaction chimique.

-  La formule du catalyseur n’apparaît pas dans l’équation de la réaction.

-  Un catalyseur modifie la nature des étapes permettant de passer des réactifs aux produits.

-  La réaction globale lente est remplacée par plusieurs réactions rapides.

-  Un catalyseur est spécifique à une réaction chimique.

►  En conséquence :

-  Pour augmenter la vitesse de formation d’un produit, on peut :

-  Chauffer le milieu réactionnel avec un montage de chauffage à reflux ;

-  Augmenter la concentration des réactifs ;

-  Utiliser un catalyseur.

2)- Optimisation du rendement.

►  Le rendement d’une réaction chimique :

-  On appelle rendement, noté η, de la synthèse, le quotient de la quantité de produit P effectivement obtenue n_P par la quantité maximale attendue n_max :

-   

-  Si la synthèse du produit demande plusieurs étapes, le rendement de la synthèse est égal au produit des rendements de chaque étape.

-  Le rendement est défini par rapport au réactif limitant.

-  Rendement :

►  Augmentation du rendement d’une réaction chimique :

-  On peut améliorer le rendement d’une réaction limitée en ajoutant :

-  Un excès de l’un des réactifs de la réaction,

-  Ou en éliminant un des produits de la réaction.

  (déplacement d’équilibre 01)     (Déplacement d'équilibre 02)

►  Exemple : Synthèse du méthanoate d'éthyle.

-  Caractéristiques des réactifs et des produits :

-  Schéma du montage :

-  Le mélange réactionnel est constitué :

-  de 20 mL d’acide méthanoïque,

-  de 20 mL d’éthanol et

-  de quelques gouttes d’acide sulfurique concentré (catalyseur).

-  On porte à l'ébullition douce et on recueille le distillat dans l'éprouvette graduée.

-  Équation de la réaction : On est en présence d’un équilibre chimique.

-  Au cours de la distillation fractionnée, les réactifs et les produits se vaporisent et monte dans la colonne à distiller.

-  Au cours de l'ascension, le mélange s'enrichi en corps le plus volatil (ici l'ester).

-  En tête de colonne, on obtient le corps le plus volatil pratiquement pur.

-  Le distillat est ensuite condensé grâce au réfrigérant.

-  On élimine donc l’ester au fur et à mesure de sa formation.

-  Pour compenser cette élimination, le système évolue dans le sens direct (estérification) de l’équation pour former l’ester.

-  En utilisant ce procédé, on passe d’un rendement de 66 % (dans le cas présent) à un rendement proche de 100 %.

III- La stratégie d’une synthèse.

1)- Modification de groupe ou de chaîne.

a)-  Introduction.

-  Au cours d’une réaction chimique, on peut modifier la chaîne carbonée d’une molécule.

-  On peut créer une liaison carbone-carbone ou réaliser la rupture d’une liaison carbone-carbone.

-  On peut aussi modifier un ou plusieurs groupes caractéristiques d’une molécule.

 - Synthèse de la propan-2-one :

b)-  Protection de fonction.

►  Groupe protecteur.

-  Un groupe protecteur est un groupe caractéristique, volontairement créé dans la molécule d’un composé fonctionnel afin de bloquer la réactivité de l’une de ses fonctions.

-  Cette fonction, que l’on veut bloquer, est temporairement transformée en une autre fonction.

►  Propriétés du groupe protecteur.

-  Le groupe protecteur doit :

-  Réagir de manière sélective avec la fonction à protéger ;

-  Être stable lors des réactions suivantes ;

-  Pouvoir être enlevé facilement et de manière sélective, une fois la réaction effectuée.

►   Remarque :

-  L’utilisation d’un groupe protecteur nécessite au moins deux étapes supplémentaires lors de la synthèse.

-  Il faut que les étapes de protection et de déprotection se fassent avec de très bons rendements.

-  Synthèse d’un dipeptide :

►  Exemple : cas de la molécule A : 3-oxobutanoate de méthyle.

-  En présence de tétrahydruroaluminate de lithium, les deux groupes fonctionnels de la molécule A sont transformées :

-  Grâce à des étapes de protection et de déprotection, il est possible de transformer un seul des deux groupes caractéristiques de la molécule A.

-  On protège la fonction cétone :

-  On réalise la réaction :

-  On réalise la déprotection :

-  APTS : acide paratoluènsulfonique (acide 4-méthylbenzène-1-sulfonique)

-  L’acide paratoluènesulfonique est un acide organique fort.

-  Il est utilisé comme catalyseur acide en synthèse organique.

-  Il ne présente pas de caractère oxydant comme l’acide sulfurique.

-  Il limite les réactions secondaires (sa base conjuguée n’est pas nucléophile).

-  Formule brute : C₇H₈O₃

2)- Catégories de réaction.

Transformations en chimie organique

a)-  Réaction d’addition.

-  Dans une réaction d’addition, des atomes, ou groupes d’atomes, sont ajoutés aux atomes d’une liaison multiple.

-  Exemple : Addition de dibrome sur un alcène le 2-méthylbut-2-ène.

-  Le dibrome s’additionne sur la double liaison C = C.

b)-  Réaction d’élimination.

-  Dans une réaction d’élimination, des atomes ou des groupes d’atomes, portés par des atomes adjacents sont éliminés pour former une liaison multiple.

-  Exemple : déshydratation d’un alcool.

c)-  Réaction de substitution.

-  Dans une réaction de substitution, un atome ou un groupement d’atomes est remplacé par un autre atome ou groupement d’atomes.

-  Exemple : synthèse du 2-méthylpropan-2-ol

-  L’atome de chlore – Cℓ du dérivé chloré a été remplacé par le groupe hydroxyle  – OH

-  Exemple : Synthèse du nitrobenzène

	+		→		+
benzène		Acide nitrique		nitrobenzène

-  Un atome d’hydrogène – H est remplacé par un groupe –NO₂.

d)-  Réaction acide-base.

-  Une réaction acido-basique consiste à un transfert d'un proton H⁺ entre l’acide A₁H d’un couple sur la base A₂^– d’un autre couple.

-  Couple acide / base 1 : A₁H  H ⁺  +  A₁^–

-  Couple acide / base 2  : A₂H   H ⁺  +  A₂^–

e)-  Réaction d’oxydoréduction.

-  Une réaction d’oxydoréduction est une réaction qui met en jeu un transfert d’électrons e^– entre ses réactifs.

-  Elle fait agir l’oxydant d’un couple avec le réducteur d’un autre couple pour donner leurs espèces conjuguées.

-  Une réaction d’oxydoréduction fait intervenir l’oxydant Ox₁ et le réducteur Red₂ de deux couples oxydant réducteur Ox₁ / Red₁ et Ox₂ / Red₂.

►  Exemple :

-  La réaction qui modélise la transformation du propan-2-ol en propanone est une réaction d’élimination.

-  C’est aussi une réaction d’oxydoréduction.

-  Couple propan-2-one / propan-2-ol 

-  Synthèse de la propanone.

3)- Réaction de polymérisation.

a)-  Le polymère.

-  Un polymère est une macromolécule constituée d’un grand nombre d’unités répétitives, les monomères, qui sont unis par des liaisons covalentes.

-  Dans la macromolécule, une unité structurale appelée motif se répète un grand nombre de fois.

b)-  Exemple : le polystyrène

c)- Réaction de polymérisation.

-  Une réaction de polymérisation permet d’obtenir les macromolécules constituant le polymère à partir d’un grand nombre de molécules identiques appelées monomères.

-  Polymérisation du styrène :

4)- Synthèse multi-étapes.

 La chimie du développement durable

-  La synthèse organique consiste à produire une espèce chimique organique.

-  Les molécules de cette espèce, dites molécules cibles, sont plus complexes que les molécules de réactifs appelés précurseurs de la molécule cible.

-  Une équation est toujours ajustée mais en chimie organique, on utilise souvent une écriture simplifiée.

►  Exemple :

-  Dans le cas présent, on distingue :

-  La molécule A qui est le précurseur de la molécule cible (molécule B)

-  On indique le réactif secondaire CH₃I au-dessus de la flèche.

-  Au-dessus et au-dessous de la flèche des informations sont fournies

-  Solvant, catalyseur, température, et aussi, durée de la réaction, chauffage (Δ), …

-  Dans l’écriture simplifiée, seule la formule de la molécule cible est indiquée.

-  Le sous-produit de la réaction (dans le cas présent I^–) n’est pas indiqué.

-  THF : tétrahydrofurane (oxolane) : formule brute : C₄H₈O 

-  Formule topologique :

-  Il est utilisé en synthèse organique comme solvant et comme catalyseur.

►  Stratégie de synthèse :

-  Pour définir une stratégie de synthèse, le chimiste dispose de banques de réactions.

-  Pour comparer plusieurs synthèses d’une même espèce cible, un critère important est le rendement global de la synthèse.

-  Il doit être le plus élevé possible.

-  D’autres critères sont aussi importants :

-  L’écoresponsabilité

-  Le coût

-  La durée

-  Les conditions expérimentales,

-  Etc.

►  Synthèse écoresponsable :

-  La chimie écoresponsable se propose d’agir sur cinq domaines : les matières premières, les solvants, l’énergie, les déchets et le produit fini.

-  Elle prend en compte la gestion : des solvants, des matières premières, de l’énergie,  du produit fini et des déchets.

-  Les solvants :

-  Utiliser des solvants non toxiques et non polluants.

-  Les matières premières :

-  Limiter les quantités, économiser les atomes en valorisant toutes les molécules, préférer les réactions chimiques les moins dangereuses et les matières premières renouvelables.

-  L’énergie :

-  Limiter les dépenses énergétiques, rechercher de nouvelles sources d’énergie à faible teneur en carbone, utiliser des conditions opératoires douces (catalyseur, faible température, basse pression)

-  Le produit fini :

-  Concevoir un produit chimique présentant le moins de dangers possibles, concevoir un produit chimique en vue de sa dégradation.

-  Les déchets :

-  Limiter la production de déchets, valoriser ou recycler les déchets.

IV- Applications.

1)- Réaction chimique : Synthèse du polystyrène :

2)- QCM.

3)- Exercices.

 

Exercices : Préparation à l’ECE : Synthèse d’un ester à l’odeur de jasmin DS 1)- Exercice 04 page 202 : Représenter des formules topologiques. 2)- Exercice 06 page 202 :Reconnaître un groupe caractéristique. 3)- Exercice 08 page 203 : Justifier des noms. 4)- Exercice 10 page 203 : Identifier des isomères de constitution. 5)- Exercice 12 page 203 : Optimiser un rendement et une vitesse. 6)- Exercice 15 page 203 : Compléter des étapes d’une synthèse. 7)- Exercice 16 page 204 : Attribuer une catégorie de réaction. 8)- Exercice 20 page 204 :Représenter un motif. 9)- Exercice 22 page 205 : Quelques réactions de synthèse. 10)- Exercice 25 page 206 : Le nylon 6,6. 11)- DS 01 (30 min) Un ester à l’odeur de rhum : Exercice 32 page 210. 12)- DS 02 : (30 min) Synthèse de la testostérone : exercice 33 page 210.