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Chimie du carbone · Structure et réactivité en chimie organique

Principales réactions organiques

Tu as intérêt à maîtriser : Hydrocarbures (classe de première générale (avec la spécialité mathématiques))
Tu as intérêt à maîtriser : Composés oxygénés (classe de première générale (avec la spécialité mathématiques))

Une bouteille de vin oubliée, ouverte depuis des semaines, a viré au vinaigre : l'éthanol s'est transformé en acide éthanoïque. Une molécule a changé de famille sans que la chaîne carbonée soit touchée. Comment décrire, prévoir et enchaîner de telles transformations ? Il n'y a pas des centaines de réactions à apprendre par cœur : on les range en quelques types, et c'est le groupe caractéristique qui dit ce qui peut se passer. Dans un sujet, une banque de réactions est fournie.

Pour la suite, retiens : l'éthanol du vin devient de l'acide éthanoïque.

Familles, formules et nomenclature

Pour parler de réactions, il faut d'abord savoir lire une molécule : son squelette carboné et son groupe caractéristique.

Formule topologique du butan-2-ol : chaîne en zigzag de quatre carbones avec un groupe hydroxyle sur le deuxième carbone. OH C1 C2 C3 C4 butan-2-ol CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃

Voici les familles à connaître. Le groupe caractéristique donne la terminaison du nom.

Famille Groupe caractéristique Nom Exemple
Alcool –OH …anol éthanol $\mathrm{CH_3CH_2OH}$
Aldéhyde –CHO (en bout de chaîne) …anal propanal $\mathrm{CH_3CH_2CHO}$
Cétone C=O (dans la chaîne) …anone propanone $\mathrm{CH_3COCH_3}$
Acide carboxylique –COOH acide …anoïque acide éthanoïque $\mathrm{CH_3COOH}$
Ester –COO– …anoate de …yle éthanoate d'éthyle $\mathrm{CH_3COOCH_2CH_3}$
Amine –NH₂ (ou –NH–, –N–) …anamine éthanamine $\mathrm{CH_3CH_2NH_2}$
Amide –CO–N …anamide éthanamide $\mathrm{CH_3CONH_2}$
Halogénoalcane –Br, –Cl… bromo…, chloro… 1-bromopropane $\mathrm{CH_3CH_2CH_2Br}$
Alcène C=C …ène propène $\mathrm{CH_3CH=CH_2}$

Le début du nom donne le nombre d'atomes de carbone de la chaîne principale : méth- (1), éth- (2), prop- (3), but- (4), pent- (5), hex- (6). On numérote la chaîne pour que le groupe caractéristique (ou la double liaison) ait le plus petit numéro : propan-2-ol, but-1-ène.

Reconnaître le type d'une réaction

Face à une équation, on ne cherche pas à deviner un mécanisme : on compare les réactifs et les produits, et on regarde ce qui est gagné, perdu ou échangé. On range alors la transformation dans une banque de réactions, en général fournie par le sujet : il faut justifier le type choisi. Une synthèse peut aussi modifier la chaîne carbonée (allongement, raccourcissement, cyclisation), pas seulement le groupe caractéristique.

Type Ce qui se passe Exemple
Addition une liaison double C=C (ou C=O) s'ouvre, deux groupes s'ajoutent, aucun atome n'est perdu $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 \longrightarrow CH_3CH_3}$
Substitution un atome ou un groupe est remplacé par un autre $\mathrm{CH_3CH_2Br + HO^- \longrightarrow CH_3CH_2OH + Br^-}$
Élimination une petite molécule (H₂O, HBr) est perdue, une liaison double apparaît $\mathrm{CH_3CH_2OH \longrightarrow CH_2{=}CH_2 + H_2O}$
Oxydoréduction des électrons sont échangés ; le carbone gagne des liaisons avec O (oxydation) ou avec H (réduction) $\mathrm{CH_3CH_2OH + [O] \longrightarrow CH_3CHO + H_2O}$
Acide-base un ion $\mathrm{H^+}$ est transféré $\mathrm{CH_3COOH + HO^- \longrightarrow CH_3COO^- + H_2O}$

L'addition sur un alcène

Les alcènes donnent surtout des additions : hydrogénation ($+\mathrm{H_2}$, catalyseur nickel ou platine), addition de dibrome ($+\mathrm{Br_2}$), de bromure d'hydrogène ($+\mathrm{HBr}$) et hydratation ($+\mathrm{H_2O}$, catalyseur acide sulfurique dilué).

Hydratation du propène en milieu acide : le propan-2-ol est le produit majoritaire, le propan-1-ol est minoritaire. CH₃–CH=CH₂ + H–OH H₂SO₄ dilué (catalyseur) CH₃–CH(OH)–CH₃ propan-2-ol : produit majoritaire CH₃–CH₂–CH₂OH : propan-1-ol, minoritaire

Substitution ou élimination ?

Un halogénoalcane peut réagir de deux façons selon les conditions.

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Le propène ($\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$) subit une réaction d'addition électrophile lorsqu'il est traité par l'eau en présence d'acide sulfurique dilué comme catalyseur,…

Le propène ($\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$) subit une réaction d'addition électrophile lorsqu'il est traité par l'eau en présence d'acide sulfurique dilué comme catalyseur, selon la règle de Markovnikov (le proton s'additionne de préférence au carbone portant le plus d'atomes d'hydrogène).

  1. a) Écrire la formule et nommer le réactif de départ et le produit organique majoritaire obtenu lors de cette hydratation.
  2. b) Justifier pourquoi le propan-1-ol n'est pas obtenu de façon majoritaire.
Résoudre
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Les halogénoalcanes peuvent subir des transformations sélectives selon la nature du réactif et du solvant utilisés. a) Écrire l'équation équilibrée de la réaction de…

Les halogénoalcanes peuvent subir des transformations sélectives selon la nature du réactif et du solvant utilisés.

  1. a) Écrire l'équation équilibrée de la réaction de substitution nucléophile entre le 1-bromopropane ($\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2Br}$) et une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium à température modérée, en nommant le produit organique formé.
  2. b) Indiquer la structure semi-développée et le nom du produit obtenu si le propène formé lors d'une réaction secondaire est soumis à une hydrogénation catalytique avec $\mathrm{H_2}$ en présence de nickel.
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On souhaite synthétiser de la propanone en laboratoire par une séquence en deux étapes à partir du propène. À l'étape 1, le propène est hydraté en présence d'acide…

On souhaite synthétiser de la propanone en laboratoire par une séquence en deux étapes à partir du propène. À l'étape 1, le propène est hydraté en présence d'acide sulfurique aqueux selon la règle de Markovnikov, ce qui donne un alcool secondaire comme produit majoritaire. À l'étape 2, cet alcool est purifié puis oxydé par le dichromate de potassium en milieu acide pour obtenir de la propanone.

  1. a) Écrire les équations des deux étapes, en classant chaque réaction, en justifiant, selon le type de transformation organique (addition, substitution, élimination, oxydoréduction).
  2. b) Si l'on part de $84{,}0\,\text{g}$ de propène et que l'étape 1 a un rendement de $75{,}0\,\%$ tandis que l'étape 2 a un rendement de $80{,}0\,\%$, calculer la masse finale de propanone pure obtenue. Masses atomiques : $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{H}=1{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$.
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Modifier un groupe caractéristique : oxydation, réduction, combustion

La classe d'un alcool décide de ce qu'il devient face à un oxydant comme l'ion dichromate $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ (orange, qui devient $\mathrm{Cr^{3+}}$ vert) ou l'ion permanganate $\mathrm{MnO_4^-}$ (violet, qui devient $\mathrm{Mn^{2+}}$ incolore), en milieu acide.

Oxydation d'un alcool primaire en aldéhyde puis en acide carboxylique, et d'un alcool secondaire en cétone. alcool primaire R–CH₂OH oxydant, distillation R–CHO (aldéhyde) excès, reflux R–COOH alcool secondaire R–CH(OH)–R' R–CO–R' (cétone) alcool tertiaire : pas d'oxydation ménagée

Pourquoi parle-t-on d'oxydoréduction ? L'alcool cède des électrons : $\mathrm{CH_3CH_2OH \longrightarrow CH_3CHO + 2\,H^+ + 2\,e^-}$. L'oxydant les capte, par exemple $\mathrm{MnO_4^- + 8\,H^+ + 5\,e^- \longrightarrow Mn^{2+} + 4\,H_2O}$.

Contrôler le produit : distillation ou reflux

L'aldéhyde est plus volatil que l'alcool et l'acide, car il n'a pas de liaison hydrogène entre molécules. En distillant le mélange au fur et à mesure, on retire l'aldéhyde du milieu oxydant avant qu'il soit oxydé. Pour aller jusqu'à l'acide, on utilise un oxydant en excès et le chauffage à reflux : les vapeurs sont condensées et retombent dans le ballon, rien ne s'échappe et la réaction se poursuit.

Reconnaître la famille par des tests

Test Résultat positif Famille
dibrome (rouge-orangé) décoloration rapide alcène (C=C)
2,4-DNPH précipité jaune-orangé aldéhyde ou cétone
liqueur de Fehling ou réactif de Tollens précipité rouge brique ou miroir d'argent aldéhyde (pas la cétone)
hydrogénocarbonate de sodium effervescence de $\mathrm{CO_2}$ acide carboxylique

Réduction

L'opération inverse existe : un aldéhyde est réduit en alcool primaire, une cétone en alcool secondaire (par exemple avec $\mathrm{NaBH_4}$). On note $[\mathrm{H}]$ l'apport de réducteur : $\mathrm{CH_3COCH_2CH_3 + 2\,[H] \longrightarrow CH_3CH(OH)CH_2CH_3}$ (butan-2-one → butan-2-ol).

Combustion

La combustion complète d'un composé de C, H et O produit du dioxyde de carbone et de l'eau et libère de l'énergie. C'est une oxydoréduction, avec le dioxygène comme oxydant.

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La combustion complète des alcools produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, en libérant une quantité notable d'énergie thermique. a) Écrire et équilibrer,…

La combustion complète des alcools produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, en libérant une quantité notable d'énergie thermique.

  1. a) Écrire et équilibrer, avec des coefficients stœchiométriques entiers, l'équation de la réaction de combustion complète de l'éthanol ($\mathrm{CH_3-CH_2OH}$).
  2. b) Calculer le volume de dioxyde de carbone, mesuré à $25\,^{\circ}\text{C}$ et $1{,}0\,\text{atm}$, qui se dégage lors de la combustion complète de $23{,}0\,\text{g}$ d'éthanol. Données : masses atomiques relatives : $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{H}=1{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$ ; constante des gaz parfaits $R = 0{,}082\,\text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.
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Le comportement chimique d'un alcool primaire face à un oxydant puissant comme le dichromate de potassium en milieu acide dépend des conditions expérimentales utilisées.…

Le comportement chimique d'un alcool primaire face à un oxydant puissant comme le dichromate de potassium en milieu acide dépend des conditions expérimentales utilisées. Observer le schéma de transformation suivant :

Éthanol + K₂Cr₂O₇ / H⁺ Chauffage (Δ) Distillation immédiate (élimination continue de la vapeur) Produit A ? Reflux prolongé (oxydant en excès) Produit B ?
  1. a) Identifier, en justifiant, les formules semi-développées et les noms systématiques des produits organiques $\mathrm{A}$ et $\mathrm{B}$.
  2. b) Justifier pourquoi la distillation immédiate du milieu permet d'isoler sélectivement le composé $\mathrm{A}$, alors que le reflux prolongé avec un oxydant en excès conduit à $\mathrm{B}$.
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Dans un compte rendu historique d'analyse organique, on décrit quatre flacons sans étiquette ($\mathrm{A}$, $\mathrm{B}$, $\mathrm{C}$ et $\mathrm{D}$), contenant chacun…

Dans un compte rendu historique d'analyse organique, on décrit quatre flacons sans étiquette ($\mathrm{A}$, $\mathrm{B}$, $\mathrm{C}$ et $\mathrm{D}$), contenant chacun l'un des liquides purs suivants : propanal, propanone, acide propanoïque et hex-1-ène. Pour les identifier, on a réalisé trois tests chimiques indépendants, que l'on analyse comme des données sans les reproduire :

  1. Ajout d'une solution rougeâtre de dibrome dans le tétrachlorométhane : seule la substance $\mathrm{C}$ décolore la solution de façon rapide et immédiate, sans dégagement gazeux.

  2. Ajout d'une solution aqueuse saturée d'hydrogénocarbonate de sodium ($\mathrm{NaHCO_3}$) : seule la substance $\mathrm{D}$ produit un net dégagement gazeux avec effervescence.

  3. Test au réactif de Tollens (solution ammoniacale de $\mathrm{Ag^+}$) : la substance $\mathrm{A}$ forme un miroir d'argent métallique sur les parois du tube lorsqu'on chauffe doucement, tandis que $\mathrm{B}$ ne produit aucun changement visible.

  1. a) Attribuer, en justifiant, chaque substance aux lettres $\mathrm{A}$, $\mathrm{B}$, $\mathrm{C}$ et $\mathrm{D}$.
  2. b) Écrire les équations chimiques correspondant aux tests positifs décrits pour $\mathrm{C}$ et $\mathrm{D}$.
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Estérification, hydrolyse et saponification : vitesse et rendement

Quand on chauffe de l'acide éthanoïque (odeur de vinaigre) avec de l'éthanol et quelques gouttes d'acide sulfurique concentré, l'odeur piquante laisse place à une odeur fruitée : un ester s'est formé.

Équilibre entre acide carboxylique plus alcool d'une part, et ester plus eau d'autre part : estérification et hydrolyse. R–COOH + R'–OH estérification hydrolyse R–COO–R' + H₂O

L'état final est un équilibre dynamique : à l'équilibre, les deux réactions opposées se déroulent à la même vitesse, et le quotient de réaction vaut la constante d'équilibre : $Q_{r,f} = K$. Pour l'estérification de l'acide éthanoïque par l'éthanol, $K(T) \approx 4$ (valeur fournie dans les sujets, à la température de l'expérience, par exemple 25 °C). Cette valeur ne dépend que de la température : à l'équilibre, $Q_{r,f} = K$ quelle que soit la composition initiale.

Comment agir sur la vitesse et sur le rendement ?

  • Le chauffage à reflux et le catalyseur (acide sulfurique) accélèrent la réaction, mais ne changent pas $K$ ni l'état final.

  • On améliore le rendement en mettant un des réactifs en excès, ou en éliminant un produit (l'eau, par exemple) : l'équilibre est déplacé dans le sens direct, car $Q_r$ devient inférieur à $K$.

Saponification

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Dans un réacteur fermé de $1{,}00\,\text{L}$ à une température constante de $25\,^{\circ}\text{C}$, on mélange $2{,}00\,\text{mol}$ d'acide acétique (acide éthanoïque)…

Dans un réacteur fermé de $1{,}00\,\text{L}$ à une température constante de $25\,^{\circ}\text{C}$, on mélange $2{,}00\,\text{mol}$ d'acide acétique (acide éthanoïque) et $2{,}00\,\text{mol}$ d'éthanol en présence d'une quantité catalytique d'acide sulfurique concentré.

  1. a) Écrire la réaction d'estérification en indiquant les noms de l'ester et du sous-produit inorganique formés.
  2. b) Sachant que la constante d'équilibre sans dimension de cette estérification en solution est $K_c = 4{,}00$ à cette température, calculer la quantité d'ester (en moles) présente à l'équilibre et le rendement en pourcentage du processus. Initialement, il n'y a ni ester ni eau. Supposer un milieu idéal à volume constant préparé avec des réactifs anhydres et, si nécessaire, un solvant inerte ; inclure l'eau formée dans l'expression de l'équilibre.
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L'hydrolyse basique, ou saponification, de l'éthanoate d'éthyle, $\mathrm{CH_3-COO-CH_2-CH_3}$, consomme une base forte. a) Écrire l'équation de sa réaction avec une…

L'hydrolyse basique, ou saponification, de l'éthanoate d'éthyle, $\mathrm{CH_3-COO-CH_2-CH_3}$, consomme une base forte. a) Écrire l'équation de sa réaction avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium et nommer les deux produits organiques obtenus, dont l'un sous forme de sel. b) On traite $17{,}6\,\mathrm{g}$ d'ester avec $250\,\mathrm{mL}$ de $\mathrm{NaOH}$ $1{,}00\,\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$. Identifier le réactif limitant et calculer la masse d'éthanoate de sodium isolée si le rendement par rapport au maximum stœchiométrique est de $85{,}0\,\%$. Données : masses atomiques relatives, C = 12,0 ; H = 1,0 ; O = 16,0 ; Na = 23,0.

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Stratégie de synthèse en plusieurs étapes

Pour fabriquer une molécule, on enchaîne des étapes. À chaque étape, on se pose trois questions : quel groupe caractéristique faut-il modifier ? Quelle réaction de la banque convient ? Quelles conditions (réactifs, catalyseur, chauffage, solvant) ?

Plus il y a d'étapes, plus le rendement global chute. Quand une étape ne concerne qu'une partie de la molécule, on utilise éventuellement une protection : on transforme temporairement un groupe qui gênerait en un groupe inerte, on réalise la réaction voulue, puis on le restaure par déprotection. Ces deux opérations ajoutent des étapes, donc des pertes.

Une synthèse plus respectueuse de l'environnement

Une synthèse écoresponsable cherche à limiter les déchets, les solvants, les dépenses d'énergie et les produits dangereux. Les ions chrome(VI) du dichromate sont toxiques : on préfère souvent un autre oxydant ou un procédé catalytique. Un catalyseur permet de travailler à plus basse température, de réduire les étapes et de diminuer les déchets.

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On conçoit une voie de synthèse en trois étapes consécutives pour obtenir de l'éthanoate d'éthyle à partir de l'éthène ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) : Étape 1 : hydratation…

On conçoit une voie de synthèse en trois étapes consécutives pour obtenir de l'éthanoate d'éthyle à partir de l'éthène ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) :

Étape 1 : hydratation acide de l'éthène pour obtenir de l'éthanol avec un rendement de $80{,}0\,\%$.

Étape 2 : oxydation forte à reflux de la moitié des moles d'éthanol obtenues à l'étape 1 par $\mathrm{KMnO_4/H^+}$ en excès jusqu'à l'acide éthanoïque, avec un rendement de $90{,}0\,\%$.

Étape 3 : condensation (estérification de Fischer) entre l'acide éthanoïque obtenu à l'étape 2 et l'autre moitié de l'éthanol mise de côté à l'étape 1.

  1. a) Écrire les équations des trois étapes en indiquant les conditions et les catalyseurs habituels.
  2. b) Si l'on démarre le processus avec $112\,\text{g}$ d'éthène et que le rendement de l'estérification finale (étape 3) par rapport au réactif limitant est de $70{,}0\,\%$, calculer la masse d'éthanoate d'éthyle obtenue. Masses atomiques : $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{H}=1{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$.
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Retour au début : pour retrouver la bouteille de vin qui vire, il suffit de suivre la chaîne des transformations. L'éthanol, alcool primaire, est oxydé en aldéhyde puis en acide éthanoïque (oxydoréduction). Avec de l'éthanol en excès, en milieu acide, l'acide donne l'éthanoate d'éthyle (estérification).

L'essentiel

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