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Chimie organique en 27 fiches - 3e éd

De
160 pages
Ce livre concis traite en 27 fiches les notions essentielles de chimie organique abordées dans les deux premières années d'études supérieures. Chaque fiche comprend un rappel de cours et un exercice d'application avec corrigé détaillé et des conseils méthodologiques. Cette nouvelle édition remise à jour s'enrichit de nouveaux exercices d'application et d'une nouvelle fiche sur la chimie verte.
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Nadège Lubin-Germain Professeur à l’université de Cergy-Pontoise
Jacques Uziel Maître de conférences à l’université de Cergy-Pontoise
Chimie organique en 27 fiches
e 3 édition
© Dunod, 2011, 2016 re © Dunod, 2008, pour la 1 édition
5 rue Laromiguière, 75005 Paris www.dunod.com
ISBN 978-2-10-074705-4
Table des matières
Fiche 1Représentation des molécules Fiche 2Nomenclature Fiche 3Stéréochimie I Fiche 4Stéréochimie II Fiche 5Stéréochimie III Fiche 6Effets électroniques Fiche 7Réactions et intermédiaires réactionnels Fiche 8Thermodynamique et cinétique des réactions chimiques Fiche 9Spectroscopies infra-rouge et ultra-violet Fiche 10Résonance Magnétique Nucléaire Fiche 11Alcènes : réactions d’addition électrophile Fiche 12Alcènes : réactions de réduction et oxydation Fiche 13Diènes et alcynes Fiche 14Dérivés aromatiques Fiche 15Halogénoalcanes : substitutions nucléophiles et éliminations Fiche 16Organométalliques Fiche 17Alcools et éthers-oxydes Fiche 18Amines Fiche 19Aldéhydes et cétones : additions sur le carbonyle Fiche 20Acides carboxyliques et dérivés Fiche 21Réactivité enαdes C=O Fiche 22Acides aminés et peptides Fiche 23Les glucides Fiche 24Applications en synthèse Fiche 25Polymères Fiche 26Chimie organique expérimentale Fiche 27Chimie verte Tableau de la classification périodique des éléments Index © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
4 9 17 24 29 33 39 44 52 58 63 68 73 78 83 90 95 101 105 111 117 123 129 136 142 146 152 156 158
Ta b l e d e s m a t i è r e s
3
4
1 FICHE
I
Formules
Représentation des molécules
Les molécules organiques peuvent être représentées de différentes manières, plus ou moins détaillées. La simple indication des atomes et de leur nombre constitue laformule brutede la molécule. Par exemple, la formule brute C H indique que 4 10 la molécule contient 4 atomes de carbone et 10 atomes d’hydrogène, mais nous n’avons aucune indication sur l’enchaînement du squelette carboné.
La représentation dans laquelle le squelette carboné est détaillé constitue lafor-mule semi-développéede la molécule. Parmi les différentes possibilités corres-pondant à la formule brute précédente, la formule semi-développée CH -CH -CH -CH correspond à une molécule bien particulière dont on connaît 3 2 2 3 parfaitement l’enchaînement du squelette carboné.
Quand toutes les liaisons entre les atomes de la molécule sont indiquées sur la représentation, on parle deformule développée. Pour l’exemple ci-dessus, il s’agit de la représentation suivante :
H H H H H C C C C H H H H H
Afin de simplifier l’écriture de molécules de plus en plus compliquées, on utilise la représentation simplifiéeditetopologiquedans laquelle seuls les atomes de car-bone et les hétéroatomes (O, N, S, halogènes...) sont représentés. Les atomes d’hy-drogène sont éludés. Ainsi, la moléculeCH CH CH CHpeut être représentée par 3 2 2 3 , alors queCH2 2 2 3ut s’écrireN. CH NHCH CH CHpe 3 H
C h i m i e o r g a n i q u e e n 2 7 f i c h e s
II Isomérie Deux molécules ayant la même formule brute mais des formules développées dif-férentes sont appeléesisomères. Une isomérie due uniquement à une différence du squelette carboné est appelée isomérie de position. C’est par exemple le cas des deux molécules suivantes répondant à la même formule brute C H : 4 10
CH -C H - CH -C H 3 2 2 3
C H -CH -C H 3 3 C H 3
En revanche, des isomères correspondant à des fonctions chimiques différentes sont appelés desisomères de fonction. C’est par exemple le cas des trois molé-cules suivantes répondant à la même formule brute C H O : 4 8
CH =C H -C H -O-CH C H C CH CH C H -C H -CH -C H=O 2 2 3 3 2 3 3 2 2 O La première molécule est un éther-oxyde, la deuxième une cétone et la dernière un aldéhyde. Un cas particulier d’isomérie de fonction est latautomérie. Il s’agit d’un équilibre chimique entre deux formes (formes tautomères) par déplacement concomitant d’un atome d’hydrogène et d’une liaison double ou triple. L’exemple le plus courant est l’équilibre tautomérique entre une cétone (ou un aldéhyde) et un énol. De même, il existe un tel équilibre entre une imine et une énamine.
CH -CH=O 3
aldéhyde
CH -CH=N-CH 3 3
imine
CH =CH-OH 2
énol
CH =CH-NH-CH 2 3
énamine
III Insaturations Il est possible de calculer lenombre d’insaturationsnd’une molécule organique à i partir de sa formule brute. Le nombre d’insaturations pour une molécule de formule C H O S N X avec X un halogène (F, Cl, Br ou I) est donné par la formule mathé-x y z t v w matique suivante : © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
F I C H E 1é p r é s e n t a t i o n – R m o l é c u l e sd e s
1
5
6
2x+2y+vw ni= 2 (Le nombre d’atomes d’oxygène ou de soufre n’intervient pas dans le calcul du nombre d’insaturations.)
Remarque :Une insaturation correspond soit à une liaison double, soit à un cycle ne comprenant que des liaisons simples. Deux insaturations correspondent soit à une liaison triple, soit à deux doubles liaisons, soità une double liaison et un cycle, soit à deux cycles et ainsi de suite.
F o r m u l e b r u t e e t d é v e l o p p é e
L’analyse centésimale d’un composé organique indique la présence de 64,87 % de carbone, 13,51 % d’hydrogène et 21,62 % d’oxygène. Déterminez la formule brute correspondant à ces données sachant que les masses atomiques de C, H et O sont res-–1 pectivement de 12, 1 et 16 g.mol . Représentez toutes les molécules correspondant –1 à cette formule brute et ayant une masse molaire de 74 g.mol .
S o l u t i o n L’analyse centésimale correspond à des pourcentages massiques. Afin d’accéder à des pourcentages molaires, ces valeurs doivent être divisées par les masses atomiques res-pectives des éléments. On arrive ainsi aux valeurs suivantes :
64,87 13,51 21,62 C :=5,; H :41 moles =13,51 moles ; O :=1,35 moles 12 1 16 Pour obtenir le nombre de chacun des atomes constituant la molécule, on divise cha-cune des valeurs ci-dessus par le plus petit nombre à savoir 1,35. On obtient : 5,41 13,51 1,35 C :=4 ; H :=10 ; O :=1 1,35 1,35 1,35 On en déduit ainsi la formule générale (C H O) avecn=1,2,3... 4 10n –1 Étant donné que les structures demandées ont une masse molaire de 74 g.mol , on en déduit quen=1. Si on applique la formule donnant le nombre d’insaturations à la molécule de formule 2×4+210 brute C O, on 4H10obtient :ni= =ce qui correspond à une molé-0 , 2 cule saturée. Une telle molécule comportant un atome d’oxygène peut être soit un alcool, soit un éther-oxyde. Il existe quatre structures différentes correspondant à un alcool :
C h i m i e o r g a n i q u e e n 2 7 f i c h e s
CH CH CH CH OH CH -CH CH OH 3 2 2 2 3 2 CH 3
CH CH CH -OH CH 3 2 3 CH 3
Ces quatre molécules sont des isomères de position.
Il existe trois structures différentes correspondant à un éther-oxyde :
CH -O -C H -CH -C H 3 2 2 3
CH -O -C H CH 3 3 C H 3
CH 3 C OH CH 3
CH -C H -O-CH -C H 3 2 2 3
Ces trois molécules sont des isomères de position. La relation existant entre les quatre premières molécules et les trois suivantes est une relation d’isomérie de fonction. R e p r é s e n t a t i o n s s i m p l i f i é e s
Représentez la structure de toutes les molécules cycliques répondant à la formule brute C H . Utilisez pour ce faire les représentations simplifiées. 6 12 S o l u t i o n
1
Si on applique la formule donnant le nombre d’insaturations à cette molécule on 2×6+212 obtient :ni= =1 , ce qui correspond soit à une liaison double, soit à 2 un cycle. On nous demande de représenter les molécules cycliques correspondant à cette formule ; il s’agit donc de composés comportant un cycle saturé. On commence par le cycle à 6 atomes de carbone et on arrive au plus petit cycle comportant 3 atomes de carbone. Au total, il y a douze molécules cycliques correspondant à cette formule brute :
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
F I C H E 1m o l é c u l e sd e s é p r é s e n t a t i o n – R
7
8
F o r m u l e s s e m i - d é v e l o p p é e s
Une molécule comportant une fonction acide carboxylique et une triple liaison car-–1 bone-carbone a une masse molaire de 112 g.mol . Donnez la structure de toutes les molécules correspondant à ces indications. S o l u t i o n
Tout d’abord, déterminons la formule brute de la molécule d’après les indications don-nées dans l’énoncé. La molécule possède une fonction acide carboxylique – COOH, il y a donc deux atomes d’oxygène dans la formule. Le nombre d’insaturations est de 3 (une liaison C=O et une liaison CH O , onC). Si on considère la formule brute C x y 2 peut écrire les deux équations suivantes : 2x+2y 12x+y+2×16=112 et=3 2 La résolution de ce système de deux équations à deux inconnues conduit à : x=6 ety=8 D’où la formule brute recherchée : C H O . 6 8 2 Les formules semi-développées correspondant à cette formule brute et présentant une fonction acide carboxylique et une triple liaison carbone-carbone sont les suivantes :
COOH
COOH
COOH
C h i m i e o r g a n i q u e e n 2 7 f i c h e s
COOH
COOH
COOH
COOH
COOH
COOH
Nomenclature
2 FICHE
Pour une bonne communication, il est attribué aux molécules un nom dont la structure découle de règles édictées par l’IUPAC (Union InternationaledeChimiePure et Appliquée). Ce nom peut être composé de 5 parties, séparées par des tirets :
Éléments de stéréochimie: configuration de carbones asymétriques, de doubles liaisons.
Fonctions chimiques secondairesetsubstituantsclassés par ordre alphabétique. Des préfixes multiplicateurs sont utilisés pour indiquer la présence d’un élé-ment plusieurs fois. Chaîne carbonée principalela plus longue contenant la fonction chi-: c’est mique principale. Présence d’insaturations: doubles et triples liaisons. Fonction chimique principale: elle est indiquée par un suffixe. La numérota-tion de la chaîne est définie de manière à donner le plus petit indice possible à cette fonction.
Éléments de stéréochimie
– la configuration des C* et la géométrie des doubles liaisons y sont indiquées.
Substituants et fonctions chimiques secondaires
– substituants : nom selon le nombre de carbones les constituant +yl – fonctions chimiques secondaires : elles sont indiquées par leurpréfixe – substituants et fonctions chimiques sontclassées par ordre alphabétique – despréfixes multiplicateurssont utilisé
s
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
Chaîne carbonée principale
– considérez la chaîne carbonée la plus longue – le nom dépend du nombre de carbones
Insaturations
– indique la présence, le nombre et la position de doubles et triples liaisons
Fonctions chimiques principales
– elles sont nommées par unsuffixe – elles ont un ordre de priorité – elles définissent la numérotation de la molécule
F I C H E 2o m e n c l a t u r e– N
9
10
I Chaîne carbonée principale et substituants Le nom de la chaîne carbonée et des substituants dérivent de l’alcane correspondant. On changera la fin « ane » par le suffixe correspondant à la fonction chimique ou par « yl » pour les substituants :
Nombre de carbones
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 15 20
Nom
Méth Éth Prop But Pent Hex Hept Oct Non Déc Undéc Dodéc Pentadéc Eicos
Substituant R
Méthyl Éthyl Propyl Butyl Pentyl Hexyl Heptyl Octyl Nonyl Décyl Undécyl Dodécyl Pentadécyl Eicosyl
Substituant RO
Méthoxy Éthoxy Propoxy Butoxy Pentoxy Hexoxy Heptoxy Octoxy Nonoxy Décoxy Undécoxy Dodécoxy Pentadécoxy Eicosoxy
Lorsqu’un substituant présente plusieurs carbones, Ainsi, le groupement pentyle sera nommé :
Alcane
Méthane Éthane Propane Butane Pentane Hexane Heptane Octane Nonane Décane Undécane Dodécane Pentadécane Eicosane
Alcène
Alcyne
ÉthèneÉthyne PropènePropyne ButèneButyne PentènePentyne HexèneHexyne HeptèneHeptyne OctèneOctyne NonèneNonyne DécèneDécyne UndécèneUndécyne DodécèneDodécyne PentadécènePentadécyne EicosèneEicosyne
l’agencement peut-être ramifié.
H C 3 H C HC CH -CH 3 2 2 n-pentyl CH -CH -CH -CH -CH -isopentyl 3 2 2 2 2 CH 3CH 3 H C H C C CH -ter(tio)p entyl secpentyl23 2 C CH C 2-H 3 H ou néopentyl CH 3 Remarque : les préfixesn,sec,isoetterpte dans le classement alphabétiquesont pris en com
Notons trois substituants importants :
CH -2
benzyl
C h i m i e o r g a n i q u e e n 2 7 f i c h e s
ally l
vinyl