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Leçon n° 17 : ASPECT MACROSCOPIQUE DES TRANSFORMATIONS EN CHIMIE ORGANIQUE

 

Dans les deux premiers paragraphes nous distinguerons les réactions avec une modification de chaîne des réactions avec une modification de groupe caractéristique.

 

1- MODIFICATION DE LA CHAINE CARBONEE D'UNE MOLECULE


1-1
Allongement de la chaîne carbonée

a) Polymérisation d'alcènes

Le polyéthylène est un polymère obtenu à partir de l'addition de nombreuses molécules d'éthylène (éthène) :

... + H2C = CH2 + H 2C = + H2C = CH2 + H2C = CH2 + H2C = CH2 + ... ... - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - ... (1)

Le polyéthylène est le polymère de synthèse le plus employé. Il sert notamment à faire des sacs plastiques. (2)

b) Alkylation d'un alcène

L'alkylation est une réaction chimique au cours de laquelle se lient un alcane et un alcène. Elle conduit donc à l'augmentation du nombre d'atomes de carbone d'un composé organique.

(3)


1-2 Raccourcissement de la chaîne carbonée

a) Craquage catalytique

Le craquage catalytique permet de casser des molécules d'hydrocarbures à longue chaîne et d'obtenir des molécules plus petites dont certaines ont une double liaison.

CH3 - (CH2)6 - CH3 - CH3 CH3 - CH2 - CH = CH2 + CH3 - (CH2)3 - CH3 (4)

b) Vapocraquage

En présence de vapeur d'eau à 800 °C le vapocraquage conduit à des alcènes.

CH3 - CH2 - CH2 - CH3 2 CH2 = CH2 + H2 (5)


1-3
Modification de la structure de la chaîne carbonée

Le reformage permet d'obtenir à partir d'ydocarbures légers des essences performantes, des composés benzéniques, du dihydrogène. On opère sous pression, à température élevée, avec des catalyseurs.

Les essences à indice d'octane élevé ne peuvent pas s'autoenflammer par compression. Elles attendent l'étincelle de la bougie. L'indice d'octane IO varie de IO = 0 (heptane) à plus de 100 avec IO = 100 pour l'iso-octane (2,2,4-triméthylpentane).

a) Isomérisation

Elle permet de transformer des alcanes linéaires en alcanes ramifiés et d'améliorer ainsi l'indice d'octane (augmentation du pourcentage de 2,2,4-triméthylpentane)

Octane .   2,2,4-triméthylpentane (IO passe de 0 à 100) (6)

b) Cyclisation

Hexane .  Méthylcyclopentane + H2 (IO passe de 0 à 81) (7)

b) Déshydrocyclisation

Elle permet d'obtenir des dérivés du benzène et du dihydrogène.

Hexane .   Benzène + 4 H2 (IO passe de 0 à 107) (8)

 

2- MODIFICATION DU GROUPE CARACTERISTIQUE D'UNE MOLECULE


2-1
Les principaux groupes caractéristiques en chimie organique

Le tableau ci-dessous recense les principales fonctions au programme. (revoir la leçon 7)

(9)

Nomenclature des composés fonctionnels

En général, le nom d'un composé fonctionnel se forme à partir de celui de l'hydrocarbure correspondant y compris les insaturations, auquel on rajoute des préfixes et / ou des suffixes.

Le nom d'un composé fonctionnel peut comporter quatre parties :

Préfixes

+

Chaîne principale

+

Suffixes d'insaturation

+

Suffixe de la fonction principale

A

B

C

D

Le sens de numérotation de la chaîne principale doit affecter par priorité l'indice de position le plus petit à D ( s'il y a lieu ), puis à C ( s'il y a lieu ) et enfin à A.

Exemple : acide 4-pentylpenta-2,4-diénoïque (attention : la chaîne principale contient 5 carbones. Sur le carbone 4 se trouve le radical C5H11- (pentyl).

 

Dans le nom d'une molécule organique la présence d'un ou de plusieurs groupes caractéristiques est indiquée par la terminaison (suffixe) ou par certains préfixes.

(10) 


2-2
Modification du groupe caractéristique d'une molécule

Dans le paragraphe précédent on a parlé de modification de la chaîne carbonée. On peut aussi modifier la fonction associée à la molécule étudiée.

En classe de première nous avons étudié l'oxydation ménagée des alcools. Rappelons ces résultats.

2-2.1 Oxydation ménagée des alcools

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.

 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) (12)

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

R - CH2OH R - CHO + 2 H+ + 2 e - (13) En multipliant par 5 le réducteur R - CH2OH donne 10 e -.

MnO4 - + 8 H + + 5 e - Mn + + + 4 H2O (14)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 (15)

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

Seconde étape : aldéhyde R - CHO acide carboxylique R - COOH (16)

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

R - CHO + H2O R - COOH + 2 H+ + 2 e - (17) On multipliera par 5 pour avoir 10 électrons donnés.

MnO4 - + 8 H + + 5 e - Mn + + + 4 H2O (18) 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 (19)

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 (20)

Red 1

Ox 2

Ox 1

Red 2

(20 bis)

b - Oxydation ménagée d'un alcool secondaire

alcool secondaire R1 - CHOH - R2 cétone R1 - CO - R2 (21)

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 - (22) En multipliant par 3 le réducteur donne 6 e - .

Cr2O7 - - + 14 H + + 6 e - 2 Cr + + + + 7 H2O (23) L'oxydant Cr2O7 - - reçoit 6 électrons e - .

________________________________________________

3 R1 - CHOH - R2 + Cr2O7 - - + 8 H + R1 - CO - R2 + 2 Cr + + + + 7 H2O (24)

c - Oxydation ménagée d'un alcool tertiaire : L'oxydation ménagée d'un alcool tertiaire est impossible. (25)


2-2.2 Autres réactions de modification du groupe caractéristique d'une molécule

Pae exemple un alcool peut subir une déshydratation (on opère vers 80 °C en présence d'acide sulfurique) :

:2-méthylpropan-2-ol 2-méthylpropène + eau (26)


3- GRANDES CATEGORIES DE REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE


Substitution, addition, élimination font partie des réactions fréquemment utilisées en chimie organique.


3-1 Les réactions de substitution

On remplace un atome (ou un groupe d'atomes) par un autre atome (ou groupe d'atomes).

Exemple 1 :

butan-2-ol + acide iodhydrique 2-iodobutane + eau (27) CH3 - CHOH - CH2 - CH3 + I - H CH3 - CHI - CH2 - CH3 + H2O

Exemple 2

benzène + acide nitrique nitrobenzène + eau (28) C6H6 + HNO3 C6H5 - NO2 + H2O


3-2 Les réactions d'addition

On ajoute des atomes ou des groupes d'atomes à une molécule possédant une liaison multiple.

 Exemple 1 :

propanal + dihydrogène propanol (29)

Exemple 2 :

éthène + chlorure d'hydrogène   chloroéthane (30) CH2 = CH2 + H - ClCH3 - CH2Cl


3-3 Les réactions d'élimination

On élimine des atomes ou des groupes d'atomes voisins dans une molécule et on forme une molécule ayant une liaison multiple.

Exemple 1 :

propan-2-ol propan-2-one + dihydrogène (31) CH3 - CHOH - CH3 CH3 - CO - CH3 + H2

Exemple 2 :

2-méthylbutan-2-ol 2-méthylbut-2-ène + eau (32)

 

A VOIR :

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

Exercice 17-B :

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