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Transformation en chimie organique

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Introduction :

Ce cours traite de la transformation en chimie organique.

Dans un premier temps nous étudierons l'aspect macroscopique des réactions, puis dans un second temps, nous verrons le détail microscopique de ces réactions.

Aspect macroscopique des réactions de chimie organique.

Modification de chaîne carbonée

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À retenir

Une partie des réactions en chimie organique impliquent une modification de la chaîne carbonée.

Une chaîne carbonée peut être :

  • Linéaire, ramifiée ou cyclique :

  • Saturée ou insaturée :

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À retenir

Il y a conservation du nombre d’atomes de carbone dans la molécule. C’est le type de la chaîne qui est modifié.

On appelle cette réaction un reformage, qui est très utilisé par l’industrie pour passer des hydrocarbures à faible valeur ajoutée à d’autres plus intéressants.

Il peut s’agir d’une :

  • Isomérisation, on passe d’un alcane linéaire à un alcane ramifié :

Isomérisation

  • Déshydrogénation, on passe d’un alcane à un alcène :

Déshydrogénation

  • Cyclisation, on passe d’un alcane linéaire à un alcane cyclique :

Cyclisation

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À retenir

Si on a affaire à une modification de la chaîne carbonnée, il peut y avoir diminution du nombre d’atomes de carbone.

C’est alors un raccourcissement de chaîne, ou craquage.

On passe d’un alcane de grande taille à un alcane plus petit et à un alcène pour équilibrer le nombre d’atomes de carbone.

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Exemple

Par exemple :

Raccourcissement de la chaîne, ou craquage

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À retenir

La modification de la chaîne carbonée peut aussi être une augmentation du nombre d’atomes de carbone, c’est un allongement de la chaîne, ou polymérisation.

On passe d’un monomère à des polymères.

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Exemple

Par exemple le polystyrène est un polymère de styrène :

Le polystyrène est un polymère de styrène

Grandes catégories de réactions en chimie organique

Il se peut que ce soit le groupe caractéristique de la molécule qui soit touché par la réaction.

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Exemple

Le groupe hydroxyle de l’éthanol est oxydé par les ions permanganate en groupe carboxyle de l’acide éthanoïque :

Le groupe hydroxyle de l’éthanol est oxydé par les ions permanganate en groupe carboxyle de l’acide éthanoïque

En terminale, on classera les réactions en trois grandes catégories, autour de la liaison qui a été modifiée :

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Définition

Substitution :

Un atome ou groupe d’atomes lié simplement à un atome de carbone est remplacé par un autre. On passe de réactifs avec des liaisons simples à des produits avec des liaisons simples.

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Exemple

Hydrolyse de l’iodométhane

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Définition

Addition :

Une fonction avec une double liaison se transforme en fonction à simple liaison. On passe d’un réactif avec une liaison double à un produit avec des liaisons simples.

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Exemple

Hydratation de l’éthène :

Hydratation de l’éthène

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Définition

Élimination :

Une liaison simple se transforme en liaison double.
On passe d’une molécule avec des liaisons simples à deux molécules, une éliminée et une avec une liaison double. C’est l’inverse d’une réaction d’addition.

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Exemple

Déshydratation de l’éthanol en éthène (aussi appelé éthylène selon la nomenclature) :

Déshydratation de l’éthanol en éthène

Aspect microscopique des réactions de chimie organique

Électronégativité et polarisation de liaison

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Définition

Électronégativité :

L’électronégativité est une grandeur sans dimension, c’est la tendance qu’a un élément à attirer ou à capter un ou plusieurs électrons à travers les liaisons covalentes dans lesquelles il est engagé.

On utilise l’échelle de Pauling, où l’électronégativité augmente de bas en haut et de gauche à droite le long du tableau périodique. Ainsi, l’atome le plus électronégatif est le Fluor.

Tableau périodique échelle électronégativité Pauling terminale SPC Tableau périodique avec échelle d'électronégativité de Pauling

On voit sur cette échelle que la valeur d’électronégativité peut être comprise entre 0,7 et 3,98.

C’est la différence d’électronégativité entre deux atomes liés qui va conditionner la nature de la liaison :

  • Si la différence est faible, c’est-à-dire inférieure à 0,4, cela signifie que les deux noyaux liés ont une capacité à attirer le nuage électronique qui est très proche : on dira que la liaison est covalente apolaire (ou liaison covalente parfaite).
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Exemple

Dans le cas du diiode $I_2$, les deux atomes étant identiques, la liaison ne sera pas polarisée.

  • Si la différence est comprise entre 0,4 et 1,7, on parle de liaison polarisée. Le doublet d’électrons n’est pas réparti de manière symétrique entre les deux atomes.

L’atome le plus électronégatif a une charge partielle négative (on la note $\delta -$), puisqu’il a un excès relatif d’électrons.

De même, l’atome le moins électronégatif a une charge partielle positive (on la note $\delta +$). Ce sont des fractions de la charge élémentaire.

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Exemple

Le chlorure d’hydrogène $\text{HCl} : \text{H}^{d+} - \text{Cl}^{d-}$.

  • Si la différence d’électronégativité est supérieure à 1,7, on dit que la liaison est ionique : l’atome le plus électronégatif capte les deux électrons du doublet et les deux éléments sont ionisés.
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Exemple

Le chlorure de sodium, $\text{NaCl}$.

Sites donneurs et accepteurs de doublet d’électrons

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Définition

Représentation de Lewis :

La représentation de Lewis d’une espèce chimique permet de représenter toutes les liaisons : les doublets liants et les doublets non-liants des atomes.

En classe de terminale, les espèces étudiées respectent la règle du duet et de l’octet, voici la répartition des atomes usuels qui est à connaitre :

Atome H C N O Cl
Doublets liants 1 4 3 2 1
Doublets non-liants 0 0 1 2 3

Lorsqu’un atome porte une charge, les atomes gagnent un électron lorsqu’ils sont négatifs et ont un doublet non-liant de plus. Ils perdent un électron lorsqu’ils sont positifs et ont un doublet liant de moins.

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Définition

Site donneur de doublet d’électrons :

Un site donneur de doublet d’électrons est un site de forte densité électronique, et se trouve sur un atome avec un ou plusieurs doublets non-liants ou une double liaison.

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Exemple

L’ion $\text{HO}^-$, l’atome d’oxygène, a trois doublets non-liants : c’est un site donneur d’électrons.

L’éthène possède une double liaison carbone-carbone qui est un site donneur d’électrons.

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Définition

Site accepteur de doublets d’électrons :

Un site accepteur de doublets d’électrons est un site de faible densité électronique, c’est un atome qui a une charge partielle, donc lié à un atome plus électronégatif, ou totale positive.

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Exemple

L’ion $\text{H}^+$ ou l’iodométhane : comme on peut le voir le carbone lié à l’iode est un site accepteur d’électron car il porte une charge $\delta^+$

Alt texte Iodométhane

Mouvement d’un doublet d’électrons

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Définition

Mécanisme réactionnel :

Un mécanisme réactionnel est le déroulement de chaque étape d’une réaction chimique. Il s’agit du déplacement des électrons consécutifs à la formation ou à la rupture des liaisons.

Ces déplacements d’électrons sont modélisés par une flèche courbe qui part d’un donneur d’électrons vers un accepteur d’électrons.

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Attention

Il faut faire attention à l’état de charge après le déplacement. Ainsi, un donneur d’électrons neutre aura perdu un électron et deviendra positif, alors qu’un donneur d’électron chargé deviendra neutre.

Du côté de l’accepteur d’électron, si celui-ci est positif, alors il devient neutre après avoir gagné un électron.

Tandis que s’il est neutre, il reste neutre et il y a une rupture de liaison consécutive à l’arrivée du donneur, car l’atome doit respecter la règle de l’octet.

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Exemple

Voici par exemple la réaction des ions hydroxyles avec le bromométhane, et celle du cyanure avec la propanone :

Réaction des ions hydroxyles avec le bromométhane

Réaction du cyanure avec la propanone