FC 9 - Hydrocarbures Partie 1 PDF

Chimie - Pr Baltora 26/10/23 FC 9 - Hydrocarbures Partie 1 : Définitions d’espèces permettant de nouvelles liaisons Electron ➔ L’élec...

Chimie - Pr Baltora 26/10/23 FC 9 - Hydrocarbures Partie 1 : Définitions d’espèces permettant de nouvelles liaisons Electron ➔ L’électron a une charge négative - ➔ Entité chimique qui « aime les électrons » (électro- = électron et -phile = Espèce aimer). électrophile ➔ Elle est chargée positivement. notée E+ ◆ Ex : Entité avec une case quantique vide (qui signale que l’on peut accepter des électrons pour former de nouvelles liaisons) ou H+ ➔ Entité chimique qui « aime les noyaux » (“nucléo-” = noyau (positif) et “- phile” = aimer) ➔ Elle est chargée négativement. Elle possède un excès d’électrons. ◆ soit une charge négative Espèce ◆ soit un doublet non liant (mettant en jeu deux électrons). nucléophile notée Nu- ◆ Il y a différentes façons de l’écrire: ◆ Ex : l’oxygène, car il possède deux doublets non liants, ou encore l’azote qui en possède un. Ils sont riches en électrons, ce qui va les attirer plus ou moins vers des espèces chargées positives. ➔ Entité chimique porteuse d’un électron célibataire. Espèce radicale notée R ➔ Capacité d’un élément à attirer les électrons vers lui (ainsi que la capacité à supporter les charges négatives) Electronégativité notée X ➔ Mesure avec des tables (pas besoin de connaître les valeurs, mais il faut savoir classer les éléments les uns par rapport aux autres). Types de liaisons ➔ On peut rompre cette liaison en apportant une énergie suffisante. ➔ Les électrons sont répartis au milieu de la liaison Liaison entre ➔ Lors de la rupture, chaque atome récupère un électron, ce qui transformera deux atomes la molécule en deux atomes radicaux. identiques ➔ La liaison n’est pas polaire. (A-A) éléments de ➔ Assez peu réactif même nature 1/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 ➔ On regarde l’électronégativité, si B est plus électronégatif que A alors les électrons seront plus proches de l’atome B que de l’atome A. ➔ Conséquence: l’atome B est porteur d’une charge partielle négative (δ- ) et l’atome A, porteur d’une charge partielle positive (δ+). La liaison entre A et B est dite polarisée. ◆ Il y a une asymétrie, les électrons de la liaison sont décalés vers B. ➔ Lors de la rupture de cette liaison, si électronégativité de B >> électronégativité de A, alors B récupère tous les électrons de la liaison et les atomes seront retrouvés sous la forme d’espèces ioniques, c'est-à-dire A+ B- (qui sont solubles dans l’eau). Liaisons entre deux atomes différents (A-B) ◆ Ex : acide chlorhydrique HCl (cas extrême) ➔ Très grande différence d‘électronégativité: 2,2 pour H et 3,2 pour le Cl donc on trouve HCl sous la forme: ➔ Attention !! Il existe de nombreuses exceptions !! ➔ Toutes les liaisons Carbone/ Halogène sont très polarisées et donc très réactives. ➔ Les liaisons C-O et C-N Exemple de réaction avec une espèce nucléophile ➔ Il y a une charge négative de chaque côté (réactifs et produits), il y a conservation de charge. ◆ A ne peut faire qu’une liaison simple, qui doit être rompue ici Avec XB>XA ➔ Le nucléophile attaque A avec sa charge négative (2 électrons) et crée une nouvelle liaison avec l’atome A. B récupère les 2 électrons de la liaison donc devient négatif, il est appelé groupe partant. ◆ Les halogènes sont de bons groupes partants. ➔ Il y a une conservation des charges. ➔ Les éléments électronégatifs supportent très bien d’avoir des charges positives dans leur formule. ➔ LES FLÈCHES DES MÉCANISMES RÉACTIONNELS VONT TOUJOURS DES ESPÈCES RICHES EN ÉLECTRONS VERS LES ESPÈCES PAUVRES EN ÉLECTRONS (du - vers le +). 2/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Exemple de réaction avec une espèce nucléophile ➔ Les électrons légers se déplacent facilement. Intermédiaires réactionnels ➔ Apparaissent au cours de la réaction qui se déroule en 1/plus étapes. Définition ➔ Disparaissent (on ne les retrouve pas en fin de réaction) ➔ Quand on forme lors d’une réaction plusieurs intermédiaires, on s’intéresse à leur stabilité. Stabilité ➔ -Les réactions chimiques vont se produire généralement en une ou plusieurs étapes, donc avant d’arriver au résultat final, on va avoir des intermédiaires réactionnels. ◆ Ex : carbocation (+) ou carbanion (-) ➔ Plus un intermédiaire est stable, plus sa formation sera facilitée. ➔ Critères de stabilité: ◆ nature des carbocations (plus il est substitué, plus il est stable) Principe ◆ nombre de mésomères possible (plus il est possible de former de mésomères, plus l’intermédiaire sera stable). ➔ Si dans une réaction, on peut former plusieurs intermédiaires réactionnels, on va regarder la stabilité des éléments mis en jeu dans la réaction et le plus stable sera majoritairement formé. Il en sera de même pour les produits. ➔ On regardera pour cela le degré de substitution (carbocation, carbanion, double liaison) mais également le nombre de formes mésomères lorsque les électrons seront délocalisables ➔ Pour un intermédiaire réactionnel, plus une espèce présente de formes Résumé mésomères, plus elle aura d’électrons délocalisables, plus elle a de liaisons doubles/triples, plus elle sera stable et plus elle sera formée. Généralités sur les hydrocarbures ➔ Espèce formée uniquement d’hydrogènes et de carbones. Définition ➔ Majoritairement trouvé dans Énergies fossiles (pétrole, gaz naturel dans la vie courante, dans le chauffage et transport). ➔ Base de la chimie organique. 3/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Généralités sur les hydrocarbures ➔ saturés s’ils ne sont formés que de simples liaisons ➔ insaturés s’ils sont formés de noyaux aromatiques, de liaisons multiples Alcanes ➔ Liaisons simples entre les atomes de carbone dans la molécule. ➔ Une ou plusieurs doubles liaisons entre les atomes de carbone dans la Alcènes molécule. Alcynes ➔ Une ou plusieurs triples liaisons entre les atomes de carbone dans la molécule. ➔ Aliphatiques: Alcanes, Alcènes, Alcynes 2 familles ➔ Aromatiques: squelette avec 6C = benzène Aliphatiques Définition ➔ Les hydrocarbures aliphatiques s’opposent aux aromatiques. Les deux catégories possèdent des propriétés chimiques très différentes. ➔ Repérer la chaîne carbonée principale (la plus longue), compter le nombre de carbones : trouver préfixe (“méth-”, “éth-”…) ➔ Préfixe suivit d’une terminaison: “-ane” pour les alcanes, “-ène” pour les alcènes et “-yne” pour les alcynes. Nomenclature ➔ Attribuer l’indice le plus faible aux doubles liaisons. ➔ Les doubles et triples liaisons doivent se trouver sur la chaîne principale ➔ La triple liaison est moins prioritaire que la double liaison !! ➔ Ordre de priorité : double liaison > triple liaison > simple liaison. Alcènes ➔ Une ou plusieurs doubles liaisons entre les atomes de carbone dans la molécule. ➔ Le 3-butylhex-1ène-5-yne : Exemple ➔ Chaîne de carbone avec le plus de liaisons (triple et double) est composée de 6C donc hex. ➔ En position 3, il y a 4 groupements méthyle donc butyl. 4/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Aliphatiques ➔ En position 1, il y a une double liaison. ➔ En position 5, il y a une triple liaison. ⇒ Donc 3-butylhex-1ène-5-yne Alcyne le plus simple est l’acétylène Nomenclature de la chaîne carbonée principale 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 8C 9C 10C méth- éth- prop- but- pent- hex- hept- oct- non- déca- Propriétés physiques des hydrocarbures aliphatiques aliphatiques benzène 6/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Les aromatiques substituant si plus de 2 atomes de carbone en général. Astuce ➔ Quand le noyau benzène possède 2 substituants (Attention pas 3 ou ➔ +!!) on utilise une nomenclature spécifique pour nommer les substituants par rapport aux autres. Les alcanes Propriétés ➔ Les alcanes sont très peu réactifs, par contre très bonne combustion. ➔ Le carbone d’un alcane est hybridé sp3, ses 4 orbitales (s, 2px, 2py et 2pz) sont orientées vers des 4 directions de l’espace. ◆ un électron par orbitale ➔ Les liaisons C-C et C-H sont des liaisons fortes (on ne peut pas casser les liaisons C-H) (350-400 kJ/mol donc très énergétique) ➔ Toutes les liaisons sont axiales. ➔ Les électronégativités du carbone et de l’hydrogène sont très proches (2,6 pour le carbone et 2,2 pour l’hydrogène). Cette proximité fait que les électrons de la liaison sont quasiment au centre de celle-ci, il n’y a donc pas de polarisation. ➔ Traitement au pétrole brut avec 600°C avec des catalyseurs permettent de casser ces liaisons (donc très difficile). ➔ Seules réactions possibles sont radicalaires Schéma 7/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Les alcènes Propriétés ➔ Les alcènes sont plus réactifs que les alcanes, car il y a présence de la liaison π faible. ➔ Il y a 3 orbitales (1s et 2p) ➔ Le carbone d’un alcène est hybridé sp2. Dans une double liaison, l’une des liaisons est formée par recouvrement axial et donne lieu à une liaison σ forte avec un recouvrement axial efficace. ➔ La seconde liaison est formée par recouvrement latéral de deux orbitales 2pz non hybridées; donne lieu à une liaison π. Les électrons de cette liaison sont facilement délocalisables. ➔ L’énergie de la liaison π est de 200 kJ/mol. Elle est donc plus facilement rompue que la liaison σ. ➔ Les liaisons C=C sont plus courtes que les liaisons C-C donc moins fortes. ➔ Les deux atomes de carbone en jeu dans la double liaison, et tous les atomes qui leur sont liés sont situés dans un même plan. Ils sont donc coplanaires. Schéma Ne sont indiqués que les recouvrements positifs. Les alcynes Propriétés ➔ Le carbone d’un alcyne est hybridé sp. ➔ L’une des liaisons est formée par recouvrement axial et donne lieu à une liaison σ forte. ➔ La deuxième et la troisième liaisons sont formées par des recouvrements latéraux et donnent lieu à deux liaisons π. Ces deux liaisons π ne sont pas dans le même plan. ➔ Les deux atomes de Carbone et les substituants sont dans un même plan, on dit qu’ils sont colinéaires. ➔ Les alcènes sont plus réactifs que les alcynes, car le longueur de la liaison entre 2 alcanes est d’environ 1,54 A. Pour un alcène 1,36 A et pour un alcyne 1,20 A. ➔ Liaison plus petite donc meilleur recouvrement des orbitales donc plus difficile de mobiliser les électrons pour donner lieu à des réactions. 8/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Les alcynes Schéma Ne sont indiqués que les recouvrements positifs. Ordre de grandeur des liaisons ➔ Simple liaison (1,54 Å) > Double liaison (1,36 Å)> Triple liaison (1,20 Å) NB ➔ Ces tailles de liaisons auront une importance pour la réactivité des espèces chimiques. Les aromatiques Propriétés ➔ Tous les atomes de carbones sont hybridés sp2 dans le benzène et les électrons des doubles liaisons sont délocalisés sur l’ensemble des atomes de carbone du cycle. ◆ Le noyau aromatique est plan ◆ 3 orbitales hybrides dans le ➔ Les atomes de carbone et d’hydrogène sont équivalents pour le benzène seul !! ➔ Le benzène n’est pas la simple juxtaposition de 3 doubles liaisons, la délocalisation électronique lui apporte une stabilité supplémentaires ◆ Ce sont des doubles liaisons conjuguées stabilité très importante. ➔ Toutes les longueurs liaisons sont identiques (CC,CH) ➔ Valeur environ égale à 1,42 A pour liaison simple et double ➔ Possibilité d’écrire des formes mésomères, donc les électrons sont délocalisés sur l’ensemble du cycle aromatique. ➔ Les électrons sont situés au milieu des liaisons donc délocalisées sur l’ensemble du cycle aromatique. 9/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Les aromatiques Schéma Stabilité des hydrocarbures Propriétés ➔ L’alcène le plus substitué va être le plus stable, donc le plus formé, c’est la règle de Zaïtsev. ➔ La configuration E est plus stable que la configuration Z, à cause de l’encombrement stérique. ➔ Pour comparer la stabilité, il faut la même formule brute. ◆ Moyen mnémotechnique : Z signifie en allemand zusammen qui veut dire ensemble, les substituants sont donc du même côté de la double liaison. E signifie en allemand Entgegen qui veut dire opposé, les substituants sont donc de côtés opposés par rapport à la double liaison Exemple 1 ➔ Le but-2-ène sera plus formé que le but-1-ène. Et le (E)but-2- ène sera plus formé que le (Z)but-2-ène Exemple 2 ➔ C 4 H6 ➔ Écrire les différents isomères: 10/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Réactivité des alcènes Propriétés ➔ Les alcènes sont très réactifs contrairement aux alcanes (très peu réactifs sauf si présence d’un halogène). Types de réactions ➔ addition : stéréoisomérie (R/S), régioselectivité (= se demander si l’atome qu’on additionne ira sur le carbone 1 oui 2) ➔ oxydation : passer des hydrocarbures à des composés oxygénés ➔ oxydoréduction Addition ➔ Peut avoir lieu en 1 étape avec l'hydrogène ➔ en 2 étapes avec H-X Régiosélectivité et Stéréosélectivité Définition ➔ Régioséléctivité concerne l’espace alors que stéréoséléctivité concerne la stéréochimie à savoir sp2, C*, l’activité optique… Réactivité des alcynes Rappel ➔ Les alcynes sont moins réactifs que les alcènes car sont plus liés et liaisons plus courtes Types de Réactions ➔ alcyne vrai : R – C ≡ C – H ➔ H acide donc réaction possible avec une base Réactivité des dérivés aromatiques Principe ➔ Les réactions d’addition sur les noyaux aromatiques sont très difficiles car elles induisent la perte du caractère délocalisable des électrons. (=perte d’aromaticité) ➔ Grosse densité électronique qui permet la réaction avec des composés électrophiles (qui vient se fixer sur un sommet du composé aromatique) Types de Réactions ➔ hydrogénation (réaction d’addition qui se fait dans des conditions très particulières) ➔ substitutions électrophiles aromatiques (SEAr) -> groupe 11/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre Chimie - Pr Baltora 26/10/23 Réactivité des dérivés aromatiques partant H+ remplacé par groupe substituant électrophile E+ ◆ On regarde si le groupement va se positionner en ortho, méta ou para + E+ -> + H+ Version non corrigée 12/11 Tutorat Santé Amiens-Deroussen Ambre