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Leçon n° 17 : SYNTHESE OU HEMISYNTHESE DE MOLECULES COMPLEXES

 

Cette leçon comporte quatre paragraphes.

 

1- SYNTHESE OU HEMISYNTHESE DE MOLECULES COMPLEXES, BIOLOGIQUEMENT ACTIVES


· 1-1 Molécules biologiquement actives

 Une molécule est biologiquement active si elle peut réagir avec les organismes vivants.

Ce type de molécules peut être d'origine naturelle (par exemple la pénicilline) ou synthétique. En effet les pénicillines actives sur les bactéries pathogènes sont depuis longtemps préparées en laboratoire. il en est de même de nombreux médicaments.

On parle de synthèse quand on part d'éléments ou de molécules simples.

On parle d'hémisynthèse quand on part de précurseurs, molécules naturelles ayant une structure proche de la molécule définitive.


· 1-2 Une technique en développement : la nanochimie

La nanochimie et plus généralement les nanotechnologies sont probablement les technologies qui feront faire de très grands progrès à la science de XXI° siècle.

La nanochimie s'occupe des objets de dimension voisine du nanomètre. Elle permettra certainement de faire des découvertes très utiles dans le domaine de la médecine, du diagnostic, de l'environnement, etc.

 

2- ALCOOLS, ALDEHYDES, CETONES


2.1 Classe d'un atome de carbone

  (1)

Atome de carbone primaire, secondaire ou tertiaire

· Si un atome C est relié à un seul autre atome C il est dit primaire.

· Si un atome C est relié à 2 autres atomes C il est dit secondaire.

· Si un atome C est relié à 3 autres atomes C il est dit tertiaire.

 

Remarque : Il existe des molécules ayant 1 seul atome de carbone. Cet atome de carbone n'est ni primaire, ni secondaire, ni tertiaire. 

Exemples : CH4, CH3OH, etc.


2.2 Alcools

a - Définition : Un alcool est un composé organique possédant le groupement :

(2)

Définition équivalente : La molécule d'un alcool possède le groupe hydroxyle - OH lié à un atome de carbone formant 3 autres liaisons simples avec des atomes de carbone C ou d'hydrogène H.

b - Classe d'un alcool : La classe d'un alcool est celle de l'atome de carbone fonctionnel (carbone portant le groupe hydroxyle - OH).

Si cet atome de carbone est relié à un seul C, il est primaire. L'alcool est également primaire. (voir ci-dessous)

Si l'atome de carbone portant le groupe hydroxyle est relié à 2 autres atomes de carbone, il est secondaire. L'alcool est également qualifié de secondaire. (voir ci-dessous)

L'alcool peut également être tertiaire. (voir ci-dessous)

Dans le cas du méthanol CH3OH, le carbone fonctionnel n'est relié à aucun atome C. Certains auteurs disent que le méthanol est un alcool "nullaire".

c - Nomenclature des alcools

Le nom des alcools dérive du nom des alcanes. (revoir la leçon 12) La terminaison en - e des alcanes est remplacée par la terminaison - ol précédée du numéro du carbone portant la groupe - OH.

On numérote les atomes de carbone de la chaîne principale pour avoir le chiffre le plus petit sur le carbone portant le groupe caractéristique.

· Exemples : Nommons et classons les alcools de formule brute C4H10O.

(3)

Une de ces quatre molécules est chirale (le butan-2-ol) et se présente sous la forme de deux énantiomères (hors programme en classe de première).

Remarque : Un phénol est un composé organique dans lequel le groupe hydroxyle - OH est porté par un cycle benzénique. Le carbone fonctionnel d'un phénol est trigonal, alors qu'il est obligatoirement tétragonal pour un alcool. L'étude du phénol est hors programme.

(4)

c - Oxydation brutale et oxydation ménagée d'un alcool

- Oxydation brutale d'un alcool : On appelle oxydation brutale d'un alcool la réaction de combustion de cet alcool avec destruction de la chaîne carbonée.

CH3 - CH2 - CH2 - OH + (9/2) O2 3 CO2 + 4 H2O (5)

- Oxydation ménagée d'un alcool :

L'oxydation ménagée d'un alcool primaire conserve la chaîne carbonée et le transforme en aldéhyde puis éventuellement en acide carboxylique. (voir le paragraphe 3)

L'oxydation ménagée d'un alcool secondaire conserve la chaîne carbonée et le transforme en cétone. (paragraphe 3)

L'oxydation ménagée d'un alcool tertiaire n'est pas possible.


2.3 Aldéhydes

a - Définition : Un aldéhyde est un composé organique dont la molécule comporte un groupe carbonyle lié à un atome H et à un atome C ou H :

(6)

Formule générale : La formule générale d'un aldéhyde est ou plus simplement RCHO. (7)

b - Nomenclature des aldéhydes

Le nom des aldéhydes dérive du nom des alcanes. (revoir la leçon 12) La terminaison - e de l'alcane est remplacée par la terminaison - al.

On numérote mentalement les atomes de carbone de la chaîne principale pour avoir le chiffre le plus petit, soit 1, sur le carbone portant le groupe caractéristique - CH = O.

Exemples :

· H2COH est le méthanal

· CH3 - COH est l'éthanal

· CH3 - CH2 - COH est le propanal

· CH3 - CH(CH3) - COH est le 2-méthylpropanal

· CH3 - CH(C2H5) - CH2 - COH est le 3-éthylbutanal

· CH3 - CH2 - CH(C2H5) - CH2 - COH est le 3-éthylpentanal

c - Oxydation brutale et oxydation ménagée d'un aldéhyde

- Oxydation brutale d'un aldéhyde :

L'éthanal est très inflammable.

CH3 - COH + (5/2) O2 2 CO2 + 2 H2O (8)

 - Oxydation ménagée d'un aldéhyde : L'oxydation ménagée d'un aldéhyde conserve la chaîne carbonée et le transforme en acide carboxylique. (voir le paragraphe 3)


2.4 Définition d'un acide organique (acide carboxylique)

Un acide carboxylique est un composé organique dont la molécule comporte un groupe carboxyle :

(9)

Les acides organiques seront étudiés en détail dans la leçon 18.


2.5 Cétones

  a - Définition : Une cétone est un composé organique dont la molécule posséde le groupe carbonyle lié à 2 atomes de carbone :

(10)

 

Remarque : Ne pas confondre le groupe carbonyle et le groupe carboxyle . Le groupe carboxyle contient un groupe carbonyle lié à un groupe hydroxyle - OH.

b - Nomenclature des cétones

Le nom des cétones dérive du nom des alcanes. (revoir la leçon 12) La terminaison - e de l'alcane est remplacée par la terminaison - one précédée du numéro du carbone de CO si nécessaire.

Exemples :

· CH3- CO - CH3 est la propanone.

· CH3 - CO - CH2 - CH3 est la butanone.

· CH3 - CH2 - CH2 - CO - CH3 est la pentan-2-one.

· CH3 - CH2 - CO - CH2 - CH3 est la pentan-3-one.

· CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH(CH3) - CO - CH3 est la 3-méthylheptan-2-one.

· CH3 - CO - CH2 - CH2 - CH(C2H5) - CH2 - CH3 est la 4-éthylheptan-2-one.

 

3- OXYDATION MENAGEE DES ALCOOLS ET DES ALDEHYDES


Une oxydation ménagée conserve le squelette carboné. Une oxydation brutale détruit le squelette carboné (combustion avec formation de dioxyde de carbone et d'eau).

Une oxydation ménagée d'un alcool primaire ou d'un alcool secondaire se fait souvent avec des solutions de permanganate de potassium ou de dichromate de potassium. en milieu acide. Elle peut aussi se faire avec le dioxygène de l'air en présence d'un catalyseur.


3.1 Oxydation ménagée des alcools

a - Oxydation ménagée d'un alcool primaire

alcool primaire R - CH2OH aldéhyde R - CHO acide carboxylique R - COOH (11)

Exemple : Oxydation d'un alcool primaire par du permanganate de potassium en milieu acide (voir la leçon 16)

Première étape : alcool primaire R - CH2OH aldéhyde R - CHO

R - CH2OH R - CHO + 2 H+ + 2 e - (12) En multipliant par 5 le réducteur R - CH2OH donne 10 e -.

MnO4 - + 8 H + + 5 e - Mn + + + 4 H2O (13)En multipliant par 2 l'oxydant MnO4 - reçoit 10 e -.

________________________________________________On ajoute les demi-équations et on obtient :

5 R - CH2OH + 2 MnO4 - + 6 H + 5 R - CHO + 2 Mn + + + 8 H2O (14)

Si on verse encore de l'oxydant (MnO4-) on passe à la seconde étape :

Seconde étape : aldéhyde R - CHO acide carboxylique R - COOH (15)

Un aldéhyde s'oxyde encore plus facilement que l'alcool primaire qui lui correspond.

R - CHO + H2O R - COOH + 2 H+ + 2 e - (16) On multipliera par 5 pour avoir 10 électrons donnés.

MnO4 - + 8 H + + 5 e - Mn + + + 4 H2O (17) On multipliera par 2 pour avoir 10 électrons reçus.

__________________________________________________ En ajoutant les demi-équations, on obtient :

5 R - CHO + 2 MnO4 - + 6 H + 5 R - COOH + 2 Mn + + + 3 H2O (18)

Remarque : on peut passer directement de l'alcool primaire à l'acide carboxylique si l'oxydant MnO4 - en milieu acide est assez abondant. On écrit alors :

5 R - CH2OH

+

4 MnO4 -

+

12 H +

5 R - COOH

+

4 Mn + +

+

11 H2O (19)

Red 1

Ox 2

Ox 1

Red 2

(19 bis)

b - Oxydation ménagée d'un alcool secondaire

alcool secondaire R1 - CHOH - R2 cétone R1 - CO - R2 (20)

L'oxydation peut se faire avec le permanganate de potassium en milieu acide ou avec d'autres oxydants. Nous l'écrirons cette fois-ci avec les ions dichromate .Cr2O7 - - en milieu acide.

Exemple : Oxydation d'un alcool secondaire par le dichromate de potassium en milieu acide.

R1 - CHOH - R2 R1 - CO - R2 + 2 H + + 2 e - (21) En multipliant par 3 le réducteur donne 6 e - .

Cr2O7 - - + 14 H + + 6 e - 2 Cr + + + + 7 H2O (22) L'oxydant Cr2O7 - - reçoit 6 électrons e - .

________________________________________________

3 R1 - CHOH - R2 + Cr2O7 - - + 8 H + R1 - CO - R2 + 2 Cr + + + + 7 H2O (23)

c - Oxydation ménagée d'un alcool tertiaire : L'oxydation ménagée d'un alcool tertiaire est impossible. (24)


3.2 Oxydation ménagée des aldéhydes

Elle a déjà été étudiée. (voir ci-dessus)

aldéhyde R - CHO acide carboxylique R - COOH (15)

R - CHO + H2O R - COOH + 2 H+ + 2 e - (16) En multipliant par 5 le réducteur donne 10 électrons.

MnO4 - + 8 H + + 5 e - Mn + + + 4 H2O (17) En multipliant par 2 l'oxydant reçoit 10 électrons.

____________________________________________ On ajoute les demi-équations et on obtient :

5 R - CHO + 2 MnO4 - + 6 H + 5 R - COOH + 2 Mn + + + 3 H2O (18)

· Terminons cette leçon en rappelant que les composés oxygénés alcools primaires, alcools secondaires, alcools tertiaires, aldéhydes, cétones, etc. jouent un rôle très important en chimie organique.

 

4- TESTS CARACTERISTIQUES DES ALDEHYDES ET DES CETONES


Certains réactifs permettent de repérer la présence d'un aldéhyde ou d'une cétone dans un milieu liquide.


4.1 La 2,4-DNPH

La 2,4-DNPH réagit avec les aldéhydes et les cétones en donnant un précipité jaune-orangé. (25)


4.2 La liqueur de Fehling

La liqueur de Fehling réagit avec les aldéhydes en donnant un précipité rouge brique de Cu2O.. (26)


4.3 Le réactif de Tollens.

Le réactif de Tollens réagit avec les aldéhydes en donnant un miroir d'argent métallique sur la paroi du tube à essais. (27)

Remarque : Les aldéhydes sont de meilleurs réducteurs que les alcools primaires. Cela explique leur action sur la liqueur de Fehling et le réactif de Tollens. Ces deux réactifs ne peuvent pas oxyder les alcools primaires.


A VOIR :

Exercice 17-A : Connaissances du cours n° 17.

Exercice 17-B : La butanone - Action de l'éthanal sur le réactif de Tollens.

Exercice 17-C :  Oxydation brutale ou oxydation ménagée d'un aldéhyde.

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