Cours: Chimie Organique 1er Annee Médecine 2024-2025 PDF

1A MEDECINE 2024-2025 Cours: Chimie Organique Pr. Anass EL OUADDARI Année universitaire : 2024-2025 Chimie Organique Pr. Anass EL OUADDARI  GENERALITES les composés organiques sont des composés principalement con...

1A MEDECINE 2024-2025 Cours: Chimie Organique Pr. Anass EL OUADDARI Année universitaire : 2024-2025 Chimie Organique Pr. Anass EL OUADDARI  GENERALITES les composés organiques sont des composés principalement constitués de carbone lié à d’autres éléments : O S Br H…. N Cl P La chimie organique joue le rôle principal dans l’industrie chimique tels que les industries pharmaceutique, cosmétique, alimentaire, l’industrie des plastiques La chimie organique est partout  Synthèse organique Médicament  Synthèse de l’aspirine Acide 2-hydroxybenzoïque acide acétylsalicylique présent dans l'aspirine  Les objectifs fondamentaux du cours o Nomenclature en chimie organique o Isomérie et stéréoisomérie o Effets électroniques : effets inducteurs et mésomères o Notion de mécanismes réactionnels L’atome de carbone L’élément « carbone » est situé dans le milieu de la seconde période du tableau de Mendéléiev (tableau) entre le bore (B) et l’azote (N). Le carbone appartient à la 4ème famille des éléments. Son numéro atomique, (Z) est 6. Sa configuration électronique est : 1s2 2s2 2p2 Hybridation sp3 Dans le cas où un atome de carbone forme 4 liaisons simples σ avec d’autres atomes, celui-ci est dans l’état d’hybridation « sp3 ». Hybridation sp2 Dans le cas où un atome de carbone forme 3 liaisons simples σ et 1 liaison  avec d’autres atomes, celui-ci est dans l’état d’hybridation « sp2 » Hybridation sp Dans le cas où un atome de carbone forme 2 liaisons simples σ et 2 liaison  avec d’autres atomes, celui-ci est dans l’état d’hybridation « sp2 »  Représentations des molécules Le chimiste utilise plusieurs représentations des molécules afin d’en exprimer différents points de vue. L’intérêt de ces représentations est d’indiquer la nature et l’enchaînement des liaisons dans une molécule. Formules Planes Exemple : Butane : Formule brute : C4H10 Formules Développée Semi Développée Simplifiée Remarque : la formule plane ne représente pas la structure spatiale  Nomenclature en chimie organique Trouver le nom d’une molécule connaissant la structure Trouver la structure d’une molécule connaissant le nom. Afin de nommer les molécules, des règles très précises ont été élaborées par un organisme international appelé IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). En général, le nom d'un composé fonctionnel se forme à partir de celui de l'hydrocarbure correspondant y compris les instaurations, auquel on rajoute des préfixes et / ou des suffixes. Le nom d'un composé fonctionnel peut comporter quatre parties : I- Hydrocarbure saturés acycliques : les alcanes Ce sont des hydrocarbures acétyléniques de formule brute CnH2n+2 Nom : préfixe correspondant au nombre de carbone de la chaine + terminaison ane II- Hydrocarbure saturés ramifier La chaine principale est celle qui possède le nombre de carbone. Les indices indiquant l’emplacement des radicaux doivent être les plus petits possibles. Exemple: Dans le nom, les substituants ne prennent pas de e ; terminaison yl Les substituant sont placés avant le groupe principal. S’il y a plusieurs groupes de substituants, ils sont placés par ordre alphabétique.  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5-( )-décane 1 2 1-Méthylpropane 3 Méthylpropyl III- Hydrocarbures insaturés acycliques 1- les alcènes Ce sont des hydrocarbures acétyléniques de formule brute CnH2n Le nom d’un hydrocarbure insaturé avec double liaison est formé par le préfixe de l’hydrocarbure saturé. La terminaison ane devient ène. Exemple: S’il y a plusieurs doubles liaisons, le compose est nommé de manière à donner l’indice le plus bas à l’ensemble des doubles liaisons. On ajoutera la lettre « a » et le nom sera : alca-x,y,z,......-polyène. 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Dénomination nom systématique : Exemple: 5 1 4 4-vinylocta-1,5-diène  2- les alcynes Ce sont des hydrocarbures acétyléniques de formule brute CnH2n-2 Les règles exposées pour nommer les composés éthyléniques sont appliquées pour les alcynes  Composés comportant des doubles et des triples liaisons : Lorsque des doubles et des triples liaisons se trouvent simultanément dans la même molécule, la chaîne principale est numérotée de manière à donner les indices les plus petits à l’ensemble des liaisons multiples. Le suffixe est : « p-én-q-yne ». Exemple CH3-CH=CH-C≡CH HC≡C-CH=CH-CH=CH2 pent-3-én-1-yne hexa-1,3-dién-5-yne  IV- Hydrocarbures monocycliques saturés et insaturés - Hydrocarbures monocycliques saturés Les alcanes cycliques sont simplement désignés par le préfixe « cyclo » suivi du nom de l’alcane linéaire correspondant aux nombres de carbones du cycle : cyclopropane, cyclobutane, cyclohexane, cycloheptane Hydrocarbures monocycliques insaturés Exemple Hydrocarbures aromatiques Les fonctions chimiques Déterminer la fonction principale : suffixe Déterminer la structure de base : chaine ou cycle Nommer les substituants Numéroter la chaine Assembler les noms des substituants selon l’ordre alphabétique  Fonctions monovalentes Fonction alcool (R-OH) Exp Fonction dérivées Les éther-oxydes, appelés aussi plus simplement éthers: R-O-R’ Les thiols: R-SH Exp CH3SH méthanethiol Fonction halogénée: R-X avec X= F, Cl, Br ou I Exp Fonction Amine: R-N- avec azote trivalent Exp Ethanamine N-métyléthanamine Amine secondaire  Fonctions bivalentes Fonctions bivalentes oxygénées: fonctions carbonyles (-C=O) 3-methylpentanal  Fonctions trivalentes Fonctions trivalentes oxygénées Les acides carboxyliques L'acide est nommé en remplaçant le "e" final du nom de l'hydrocarbure correspondant par "oïque" et en faisant précéder le nom ainsi obtenu du mot acide. La chaîne principale de l'hydrocarbure est choisie de telle façon qu'elle contienne le groupe -COOH, puis d'après les critères habituels. L'atome de carbone du groupe -COOH (carbone fonctionnel) porte toujours le numéro 1. Exp acide hexanoïque acide 3-méthylpentanoïque Les anhydrides d'acides Les anhydrides mixtes (substituants différents) sont nommés en faisant suivre le mot anhydride du nom des deux acides, privés du mot acide, séparés par un tiret et cités dans l'ordre alphabétique. Exp anhydride éthanoïque-propanoïque  Les esters Les esters sont nommés en remplaçant, dans le nom de l'acide, la terminaison « oïque » par la terminaison "ate " (Alcanoate d’alkyle). Exp pentanoate de methyl Fonctions trivalentes azotée: fonction nitrile Exp éthanenitrile hexanedinitrile Fonctions trivalentes mixtes Exp N-éthyl-N-méthylbutanamide Exp Chlorure de butanoyle  Méthode de construction du nom d’une molécule comportant plusieurs groupes fonctionnels On détermine Exercice 1 NOMENCLATURE nonane 3-Ethyl-3-isopropyl-2,2-dimethylnonane Une seule Héx Héx-1-ène,5-yne 3-Ethylidéne,2-Methyl,hex1éne,5yne  4-Hydroxy 1’ 2’ Ethyl 3-(2’hydroxy-Ethyl) Pentane Acide …………….Pentanoïque Acide 3-(2’hydroxy-Ethyl), 4-hydroxy, Pentanoïque Exercice 1 Corrigés 1 Isomérie  Isomérie plane: Isoméres de constitution Deux isomères plans sont deux corps purs séparables (ayant des propriétés physiques et /ou chimiques différentes) avec une formule brute identique mais des formules planes différentes. On distingue trois types d’isomérie : isomérie de chaîne, de fonction et de position) Isomérie de chaine Deux isomères de chaîne ont la même formule brute mais ont des squelettes carbonés différents. Exemple : C4H10 Isomérie de fonction Deux isomères de fonction ont la même formule brute mais des fonctions chimiques différentes. Exemple : Alcool Cétone Isomérie de position Deux isomères de position ont la même formule brute, des fonctions chimiques identiques mais sont différents par la position de la fonction sur la chaîne carbonée. Exemple : Alcool Alcool Degré d’insaturation Les insaturations sont de trois sortes : liaisons multiples doubles (C=C ; C=O, C=N…) ou triples (C≡C, C≡N….) ou cycles. Remarque : Une liaison triple est équivalente à deux liaisons doubles Le calcul du DI se fait selon la formule suivante : α doit être un entier positif Exercice d’application Corrigés Lorsqu'on considère une molécule dans l'espace à trois dimensions, de nouveaux cas d'isomérie peuvent apparaître. On parle alors d'isomérie spatiale ou de stéréo isomérie. On appelle stéréoisomères, des isomères qui ont la même formule développée plane mais qui diffèrent par l'arrangement spatial (disposition géométrique) de leurs atomes. Stéréochimie La stéréochimie, est une sous-discipline de la chimie ; elle implique l'étude de l'arrangement spatial relatif des atomes au sein des molécules. Représentations conventionnelles des molécules organiques Convention de Cram Modèle éclaté Modèle compact  REPRÉSENTATION PROJECTIVE : pour les molécules cycliques on assimile le cycle à un plan. REPRÉSENTATION PERSPECTIVE (OU PERSPECTIVE CAVALIÈRE) La représentation en perspective est essentiellement utilisée pour des molécules cycliques. Arrière Exemple : avant Conformations du Cyclohexane (I) conformation chaise conformation bateau (II) conformation chaise inversée Cyclohexane monosubstitués : R en position axiale R en position équatoriale Règle de BARTON : Les gros substituants se mettent en position équatoriale plus tôt qu’en position axiale.  Représentation de Newman Dans la représentation de Newman, la molécule est regardée dans l’axe d’une liaison simple C-C entre deux atomes de carbone voisins. Les liaisons issues des deux atomes sont projetées sur un plan perpendiculaire à l’axe de la liaison étudiée : Les liaisons de l’atome le plus proche (de l’observateur) sont représentées par des segments partant du même point, formant des angles de 120 ;Le second carbone (le plus éloigné de l’observateur), éclipsé par le premier, est représenté par un cercle. Les liaisons de cet atome sont représentées par des segments s’arrêtant à la périphérie du cercle. Exp but-1,3-diol  Projection de Fischer Cette représentation est utilisée, essentiellement en biochimie pour représenter les sucres et les acides aminés En projection de Fischer, les liaisons sont représentées par des traits pleins verticaux et horizontaux, selon les conventions suivantes : - Les traits verticaux représentent les liaisons en arrière du plan - Les traits horizontaux représentent les liaisons en avant du plan - La chaîne carbonée la plus longue est placée verticalement et numérotée de haut en bas. - Le chaînon de plus faible indice (le plus souvent associé au carbone le plus oxydé) est placé en haut. Exp * butane-1,3-diol Forme développée  * * Forme développée  stéréoisomères de conformation Les stéréoisomères diffèrent par la disposition des atomes dans l’espace. Deux stéréoisomères de conformation (conformères) ne diffèrent que par rotation(s) autour de liaison(s) σ. La déformation associée est généralement peu coûteuse en énergie. Exemple : Cas du butane : CH3-CH2-CH2-CH3 Décalée gauche Eclipsée Eclipsée Décalée anti Eclipsée Décalée gauche Eclipsée  Décalée anti La plus Stable  Les conformations les plus stables sont les conformations décalées, la plus stable de toutes étant la conformation anti (D2). C'est celle dont l'énergie est minimale (les deux groupes méthyle -CH3 sont le plus loin possible l’un de l’autre, l’effet de gêne stérique entre les deux est moindre). Dans le cas général, la conformation décalée anti est la plus stable. Cependant la possibilité de la formation de la liaison (L.H) impose la stabilité de la conformation décalée gauche (conformation oblique). La liaison hydrogène est une attraction de type électrostatique entre un hydrogène lié à un hétéroatome (O, N ou S) et un autre atome électronégatif (O, N, S, Cl, Br, …) Donner en projection de Newman la conformation la plus stable du 2-chloroethanol. Décalée gauche La plus Stable Exemple: la projection de Fischer Passage de la projection de Newman vers la projection de Fischer Configuration absolue du carbone asymétrique Un carbone asymétrique, appelé aussi centre chiral, ou stéréocentre est un carbone tétraédrique hybridé (sp3) lié à quatre substituants différents. Exemple :  Règles de Cahn-Ingold-Prelog (C.I.P.) La façon dont les molécules s'organisent dans l'espace permet d'attribuer par convention une configuration dite absolue à chacun carbone asymétrique. Ces configurations sont dites (R) (rectus) ou (S) (sinister). La configuration adoptée, sur la base d'un classement par rang de priorité des substituants (règles de Cahn, Ingold et Prelog), Règle1 : la priorité des atomes diminue avec leur numéro atomique Z Exemple : I > Br ; Cl > F ; OR > CR3 Règle 2 : Si les atomes directement attachés à un centre chiral sont identiques, on compare alors les atomes de 2ème rang. Exemple : 2,3-dihydroxypropanal  Détermination de la configuration absolue Les quatre substituants 1, 2, 3, 4, de l'atome de carbone asymétrique (C*) sont placés par ordre de priorité décroissante : 1 > 2 > 3 > 4. L'observateur étant placé de façon opposée à la liaison C*4 : Si l’ordre de priorité des groupes 1 2 3 suit la rotation des aiguilles d’une montre, la configuration est R (rectus, latin, droit). Si l’ordre de priorité suit la rotation inverse des aiguilles d’une montre, la configuration est S (sinister, latin, gauche). Le symbole est ajouté sous forme de préfixe au nom de la molécule. Exp 2,3-dihydroxypropanal 2 1 3 R (R)-2,3-dihydroxypropanal S R  La détermination des configurations absolues R et S peut se faire directement sur la projection de Fischer. Pour cela il faut suivre les règles suivantes : o 1er cas : 4 se trouve en position verticale, le sens de rotation 1 => 2 => 3 donne directement la configuration absolue. 2ème cas : 4 se trouve en position horizontale, la séquence 1 => 2 => 3 indique l'inverse de Exp 2 1 3 S R  Chiralité Un objet, tel qu'une molécule dans une conformation ou une configuration donnée, est appelé chiral lorsqu'il est différent de son symétrique par rapport à un plan (miroir). Exemple : Une main est un objet chiral. La main droite et la main gauche sont symétriques par rapport à un plan mais elles ne sont pas superposables. Pour qu'une molécule soit chirale, il faut qu'elle n’ait: - ni plan de symétrie - ni centre de symétrie  Exemple Cette molécule possède un plan de symétrie donc elle est achirale Cette molécule possède un plan de symétrie donc elle est achirale Exemple  Activité optique On dit qu'un composé est doué de pouvoir rotatoire, ou encore optiquement actif lorsque traversé par un rayon de lumière polarisée plane, il provoque une rotation du plan de polarisation de ce rayon. L'expérience est la suivante : Une source émet une radiation monochromatique non polarisée où toutes les ondes vibrent dans un plan quelconque. Après traversée du prisme polariseur, la lumière est polarisée : seules ont été transmises les ondes vibrant dans un plan parallèle. Ce rayon de lumière traverse alors un tube contenant une solution de produit à analyser, puis est "analysé" par un prisme analyseur. Si le plan de polarisation a tourné d'un angle , la substance est dite optiquement active. La mesure de l'angle de rotation  permet de définir le pouvoir rotatoire spécifique, caractéristique d'une substance optiquement active, à une température donnée et pour une longueur d'onde donnée.  Si la déviation est à droite (pour l'observateur), la substance est dextrogyre notée (D) et le pouvoir rotatoire est compté positivement(+). Si la déviation est à gauche, la substance est lévogyre notée (L) et le pouvoir rotatoire est compté négativement (-). Remarque: Il n y’a aucune relation entre la configuration absolue R et S et le signe du pouvoir rotatoire (+) et (-)  Les stéréoisomères de configuration Les stéréoisomères de configuration sont des molécules qui ne sont pas superposables. Ce sont des espèces isolables qui possèdent des propriétés physico-chimiques différentes. On distingue deux types de stéréoisomères de configuration : les énantiomères, les diastéréoisomères.  Enantiomérie Deux structures symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan et non superposables sont dites énantiomères (du nom grec énantio : opposé) ou inverses optiques. S R S R Les deux structures ne sont pas superposables, elles sont énantiomères. Deux énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques et physiques sauf leur action sur la lumière polarisée (isomères optiques). Un mélange de deux énantiomères en quantité équimolaire est appelé mélange racémique (mélange inactif par compensation) (-α; +α). Exemple 1 : Seul l'énantiomère L-DOPA a une activité thérapeutique L-DOPA: 3,4-dihydroxyphénylalanine Exemple 2 : Le limonène est constitué de deux énantiomères qui sont utilisés dans l'industrie des parfums le (R)-limonène possède une odeur d'orange le (S)-limonène a une odeur de citron Remarque: Il n y’a aucune relation entre la configuration absolue R et S et le signe du pouvoir rotatoire (+) et (-) Diastéréoisomérie Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères de configuration qui ne sont pas image l'un de l'autre dans un miroir. Les diastéréoisomères, à la différence des énantiomères, ne possèdent pas les mêmes propriétés physico-chimiques ; ils peuvent donc être plus facilement séparés par distillation, recristallisation ou chromatographie. La diastéréoisomérie peut être due, soit à : o Présence d’une double liaison. o Existence de plusieurs carbones asymétriques.  Molécules contenant plusieurs carbones asymétriques Dans le cas général, lorsqu'une molécule renferme n atomes de carbone asymétriques, le nombre maximum de stéréoisomères est 2n. Parmi les stéréoisomères, on peut distinguer des composés énantiomères et d'autres diastéréoisomères qu'on peut considérer comme de véritables isomères géométriques car ils peuvent présenter des propriétés physiques et chimiques différentes. Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères qui ne sont pas énantiomères. Exemple 1 : 2,3,4-trihydroxybutanal Exemple 1 : 2,3,4-trihydroxybutanal Des diastéréoisomères sont des stéréoisomère qui ne sont pas énantiomères (c’est-à-dire qui ne sont pas images l’un de l’autre dans un miroir).  Nomenclature érythro et thréo o Erythro : Quand les substituants identiques se trouvent du même côté de la chaîne carbonée, o Thréo : Si par contre ces substituants se trouvent de part et d'autre de la chaîne carbonée, Les deux formes (Erythro et thréo) sont dites diastéréoisomères. Erythro Thréo  Cas de molécules symétriquement substituées Lorsqu'une molécule symétriquement substituée possède n atomes de carbone asymétriques, le nombre maximum de stéréoisomères est 2n-1. Exemple : (Acide tartrique) HOOC-CHOH-CHOH-COOH A1 et A2 sont identiques le nombre de stéréoisomère se réduit en trois stéréoisomères.  Configurations relatives D, L La configuration relative est employée pour nommer les sucres et les acides aminés. Exemple :  Stéréométrie Géométrique La Stéréométrie géométrique concerne: les composés éthylénique les composés cyclique : Cis -Trans Cis Z-E Cis –Trans Z–E 1 2 Cis-dichloro-1,3-cyclobutane Trans-dichloro-1,3-cyclobutane Exp: Composés cycliques : On considère le plan moyen du cycle et on dit que deux substituants 2 1 sont cis s'ils sont placés du même côté de ce plan et trans dans le cas contraire. E Trans Si les groupes les plus volumineux sont du même côté de la double liaison, il s'agit de l'isomère Z. S'ils sont du côté opposé de la double liaison, il s'agit de l'isomère E.  Résumé FORMULE CONSTITUTION CONFIGURATION CONFORMATION BRUTE Même formule brute Même formule brute Même formule brute Même Constitution Même Constitution Même configuration ISOMERES DE ISOMERES DE ISOMERES DE CONSTITUTION CONFIGURATION CONFORMATION ENANTIOMERES si non DIASTEREOMERES STEREOMERES Les isomères Z/E appartiennent à la famille des stéréoisomères de configuration. Comme ce sont des molécules qui ne sont pas des images l'une de l'autre dans un miroir, on précise ainsi que ce sont des diastéréoisomères Effet électronique  Effet électronique Ils sont à la base de la réactivité. On note 2 types d’effets électroniques, les effets inductifs qui sont liés à la polarisation d'une liaison σ, et les effets mésomères, qui sont dus à la délocalisation des électrons π et les électrons n. Les deux effets peuvent exister ensemble dans une même molécule. Dans le cas d’une coexistence de 2 effets inductif et mésomère de signes opposés, c’est toujours l’effet mésomère qui l’emporte Effet inductif C’est la transmission de la polarité d’une liaison le long de la chaîne carbonée. Cette transmission est gouvernée par l’électronégativité des atomes. Le centre de densité électronique est déplacé du milieu de la liaison vers l’atome le plus électronégatif (Y). La charge (-) représente une charge formelle négative et la charge (+) représente une charge formelle positive.  On classe les atomes ou les groupements d'atomes qui provoquent ce phénomène de polarisation à distance en deux catégories : oGroupements à effet inductif donneur (+I). oGroupements à effet inductif attracteur (-I) Les effets inductifs donneurs +I C'est-à-dire des atomes ou groupements donneurs (moins électronégatifs que le carbone) qui exercent un effet (+I) Exemples : les métaux (Na, Mg, …), les groupes alkyles (CH3, C2H5, (CH3)3C…) les effets inductifs attracteurs -I Des atomes ou groupements attracteurs (plus électronégatifs que le carbone) qui exercent un effet (-I) Exemples : F, Cl, Br, OH, NH2, CN, NO2.  La polarité se transmet de proche en proche le long des liaisons, d’autant mieux qu’elles sont polarisables. Cette transmission de la polarité constitue l’effet inductif. Il est représenté par des flèches sur les liaisons : − + + − Cl