LES HYDROCARBURES

(1)

A + B C + D

1. GENERALITES SUR LA CHIMIE ORGANIQUE

1.1. Historique :

—> 1690 : pour la première fois , on fait la distinction entre : la chimie minérale : chimie de la matière inerte la chimie organique : chimie des organismes vivants

—> jusqu’au XIX ^ème siècle, aucune synthèse de corps organique n’a pu être réalisée en laboratoire (“in vitro”), en dehors d’un organisme vivant.

—> 1828 : WOEHLER (savant allemand) réalise la première synthèse organique : celle de l’urée NH2 — CO — NH2 .

1.2. Caractères communs aux composés organiques :

—> Ils contiennent tous l’élément C (formation de chaînes carbonées plus ou moins longues).

—> ils contiennent un nombre restreint d’éléments : C , H , O , N , halogènes , ...

—> Ils sont très nombreux : la chimie minérale compte environ 40 000 composés, mais la chimie organique en compte plusieurs millions. On peut cependant les regrouper et les classer par familles, d’après leur groupement fonctionnel :

R - OH : famille des alcools R - COOH : famille des acides Cx Hy : famille des hydrocarbures ....

—> Ils forment souvent des macromolécules (par de longues chaînes carbonées).

Les polymères ont des masses molaires M = qques dizaines de kg/mol .

—> ils ont , en général, une faible stabilité thermique : θ < 400°C .

—> les réactions sont souvent lentes (cf. étude de la cinétique chimique) et réversibles :

elles conduisent à un équilibre chimique et la réaction n’est pas totale . 1.3. Règles de nomenclature :

Elles permettent, à partir du nom du corps, d’écrire facilement et rapidement la formule chimique du composé.

2. LES ALCANES : ce sont des hydrocarbures saturés

2.1. Le méthane : CH₄

La structure de la molécule est tétraédrique : l’atome de C occupe le centre d’un tétraèdre (pyramide à base triangulaire équilatérale) et les 4 atomes H occupent chacun un des sommets :

H

C

H H

HCH = 109° 28’

H

A + B C + D

(2)

CONVENTION de représentation : liaison dans le plan liaison en avant liaison en arrière

2.2. Chaînes “ linéaires “ :

* Formule brute pour les alcanes :

C

_n

H

_2n+2

* Formule développée :

Ethane : Propane :

Rq : c’est une formule qui fait apparaître clairement le nombre et le type de liaisons entre les atomes . Mais il ne faut pas oublier que chaque atome de C a une structure tétraédrique :

===> tous les angles valentiels :

* Formule semi-développée : c’est celle qui est la plus souvent utilisée

H C

H H

H

H C H H

H C H

H

H C H H

H C H

H C

H H

Heptane C

7

H

16

...

Octane C

₈

H

₁₈

CH

₃

— (CH

₂

)

₆

— CH

₃

(3)

2.3. Chaînes “ramifiées” :

—-> ISOMERES : deux isomères sont deux corps différents : ils ont la même formule brute, mais une formule développée différente . Cela veut dire que la structure spatiale est différente, l’arrangement des atomes dans l’espace n’est pas le même .

—-> C₄H₁₀ :

—-> C5H12 :

NOMENCLATURE :

Règle 1 :

le nom des alcanes est formé à partir d’un :

- préfixe qui indique le nombre d’atomes de carbone - suffixe : —- ane

Les 4 premiers corps ont gardés leur nom usuel : méthane, éthane, propane, butane .

les autres : pentane (5), hexane (6), heptane (7), octane (8), nonane (9), décane (10), ...

NOMENCLATURE :

Règle 2 :

le nom des groupements (ou radicaux) qui sont fixés sur la chaîne carbonée est formé à partir d’un :

- préfixe : le même que l’alcane correspondant - suffixe : —- yle

— CH

3

: Méth yle

— CH

2

— CH

3

: éth yle

— CH

2

— CH

2

— CH

3

: prop yle

butane

CH₃ CH₂ CH₂ CH₃

2-méthylpropane CH₃

CH₃

CH₃ CH

2 3

1

pentane

CH₃ CH₂

CH₂ CH₂

CH₃

1 2 3 4 4

2,2-diméthylpropane C

CH₃ CH₃ CH₃

CH₃

1 2 3

2-méthylbutane

1 2 3 4

CH₃ CH CH₃

CH₂ CH₃

(4)

Exemples :

2.4 Cycloalcanes :

* Formule brute pour les cycloalcanes :

C

_n

H

_2n

Cyclohexane : très stable ; tous les angles valentiels (109°28’) sont respectés : la molécule peut se présenter sous deux formes limites : CHAISE et BATEAU.

NOMENCLATURE :

Règle 3 : nom d ‘un alcane ramifié :

* déterminer et numéroter la chaîne la plus longue : elle donne le nom de l’alcane.

* nommer, devant le nom de l’alcane, le ou les radicaux latéraux en indiquant le numéro du carbone d’attache.

* la numérotation doit se faire dans un sens tel que la somme arithmétique de tous les numéros soit la plus petite possible.

NOMENCLATURE :

Règle 4 : nom d ‘un cycloalcane :

ce sont les mêmes règles que pour les alcanes “linéaires” et

“ramifiés” : le nom est simplement précédé du préfixe CYCLO—.

CH₂ CH₂ CH₂ Cyclopropane :

très instable (très forte tension sur les liaisons C — C

Cyclobutane : instable Cyclopentane :

moyennement stable CH₂ CH₂ CH₂ CH₂

CH₂ CH₃

CH₂ CH₂ CH₂ CH₂

2,3 - diméthylhexane

1 2 3 4 5 6

CH₃ CH₃

CH₃ CH₂ CH

CH₂

CH₃ CH

2,2,4 - triméthylpentane CH₃ CH₃

CH₃ CH₂ CH CH₃ C

5

1 2 3

4

(5)

FORME CHAISE FORME BATEAU

* Exemple de cycloalcane ramifié :

3. LES ALCENES : ce sont des hydrocarbures insaturés

3.1. L ‘éthène * formule brute :

C

₂

H

₄

( ancien nom : éthylène )

* la structure de la molécule est plane

* tous les angles valentiels ont la même valeur :

* la distance C = C : d = 0,133 nm

3.2. Autres composés :

* Hydrocarbures insaturés avec une seule double liaison

C

_n

H

_2n

* Hydrocarbures insaturés

avec deux double liaisons :

C

_n

H

_2n-2 CH₂ CH₂

CH₂

CH₂ CH₂ CH₂

CH₂ CH₂

CH₂

HCH = 120 ° HCC = CCC =

H

C H

H C

H

1,1,2 - triméthyl - 3 - éthylcyclopentane

CH₂ CH₃

C CH

CH₃ CH₃

CH₃

CH₂

CH₂ CH ¹

2 3 4

5

(6)

5

C C Exemples :

4. LES ALCYNES : ce sont des hydrocarbures fortement insaturés

4.1. L’éthyne ( ancien nom : acétylène )

C

₂

H

₂

* la molécule est linéaire

* la distance vaut : d = 0,110 nm

4.2. Autres composés : hydrocarbures avec une seule triple liaison :

C

_n

H

_{2n - 2}

NOMENCLATURE :

Règle 5 : nom d ‘un alcène :

* on applique les mêmes règles que pour les alcanes

* c’est simplement le suffixe qui change : —- ène pour les composés avec une seule double-liaison et —- diène pour les composés avec deux double-liaisons.

* on précise par un numéro, placé devant le suffixe, la position de la double-liaison.

H C C H

NOMENCLATURE :

Règle 6 : nom d ‘une alcyne :

* on applique les mêmes règles que pour les alcènes

* c’est simplement le suffixe qui change : —- Yne

* on précise par un numéro, placé devant le suffixe, la position de la triple-liaison.

but - 2 - ène CH CH CH₃

CH₃

1 2 3 4

3 - méthylpent - 2 - ène

CH₃ CH₃

CH₃ CH C CH₂

4 5 3 2

1

butadi - 1, 3 - ène

CH CH CH₂ CH₂

1 2 3 4

2, 2, 3 - triméthylpent - 4 - ène CH

CH₃

CH₂ C CH

CH₃ CH₃

CH₃

2 3 4

1 5

(7)

Exemples :

5. PROPRIETES CHIMIQUES

CH₃ C C CH₃ but - 2 - yne

lumière

Eau très salée

Mélange verdâtre de méthane

et dichlore

Un mélange de dichlore et de méthane (à volume égal) est placé à la lumière du jour, sur une cuve à eau salée :

• l’eau fortement salée ne dissout pratiquement pas le dichlore ; une expérience témoin avec du dichlore seul, sans méthane, peut la prouver

• Il faut éviter la lumière trop vive qui pourrait déclan- cher une réaction explosive

A l’obscurité complète, un témoin analogue est mis en place dans les mêmes conditions.

C CH CH₃ CH₂

but - 1 - yne

2, 2, 3 - triméthylpent - 4 - yne

1 2 3 4 5

CH₃ CH C CH CH₃

CH₃

CH₃ C

2, 5 - diméthylhept - 3 - yne

1 2 3 4 5

6

7

CH CH₃

CH₃ CH C C

CH₃

CH₂ CH₃

Exemples :

NOMENCLATURE :

Règle 7 : nom des composés halogénés (contenant Fluor, chlore,

brome, iode) :

* on applique les mêmes règles que pour les alcanes ramifiés

* les atomes d’halogène jouent le même rôle que les radicaux : leurs noms :

FLUORO—- chloro—- bromo—- iodo—-

* on précise par un numéro, placé devant le préfixe, le numéro du carbone d’attache.

CCl₂ CHCl

trichloroéthylène ou trichloroéthène

CH₂ CHCl

chlorure de vinyle ou chloroéthène

lumière

Eau très salée

Gaz et liquides incolores

Après quelques heures de réaction on constate les faits suivants :

• la couleur verte du dichlore a disparu

• Le niveau d’eau est monté dans le tube, ce qui veut dire que les gaz présents au début ont réagi .

• De fines gouttelettes de liquides nouveaux appa- raissent sur les parois

Enfin :

• le témoin laissé à l’obscurité est toujours dans le même état : la réaction, pour se faire , a besoin de rayons U.V.

1, 2 - dichloro - 3 - bromo - 2 - méthylpentane

1 2 3 4 5

CH₂Cl CCl CHBr CH₂ CH₃ CH₃

1, 1, 3 - trichlorobutane

1 2 3 4

CHCl₂ CH₂ CHCl CH₃

(9)

Importance industrielle de quelques dérivés halogénés :

• Chlorométhane CH3Cl : intervient dans certaines synthèses ( caoutchoucs, résines, silicones )

• Dichlorométhane CH2Cl2 : solvant, utilisé en particulier pour l’extraction de la caféine du café

• Trichlorométhane CHCl3 : c’est le chloroforme utilisé comme solvant

• Tétrachlorométhane CCl4 : bon solvant

• 1,1,1-trichloroéthane CCl3 - CH3 : solvant utilisé dans le passé dans les produits effaceurs Tipp-Ex

• Bromochlorodifluorométhane CBrClF2 : utilisé dans le passé dans les extincteurs comme agent d’expansion

• 1,2,3,4,5,6-hexafluorocyclohexane : utilisé comme insecticide

• Fréons : dérivés chlorés et fluorés qu’on essaye d’éviter parce qu’ils attaquent la couche d’ozone : fréon 012 : CF2Cl2 : fluide frigorigène

fréon 011 : CF2Cl2 : bombes aérosols

fréon 114 : CClF2-CClF2 : bombes aérosols

5.3.Réactions d’ ADDITION : avec les alcènes et alcynes (hydrocarbures insaturés) * Hydrogénation de l’éthène : avec catalyseur à base de Nickel

Molécule plane Molécule spatiale

Une réaction d’addition provoque une modification de la structure géométrique de la molécule de départ (ce qui n’est pas le cas pour une substitution).

* Chloruration de l’éthène : catalysée par les rayons U.V.

* Hydratation de l’éthène :

H

C H

H C

H

H H C C

H H

H H H

H +

H C H

H C

H

Cl Cl C C

H H

H Cl H

Cl +

éthène + dichlore 1,2-dichloroéthane

H C H

H C

H

H OH C C

H OH

H H H

H +

Ethène : molécule plane Ethanol : molécule spatiale

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5.4. Réaction de POLYMERISATION :

* Polymérisation = addition multiple de composés identiques les uns sur les autres : n MONOMERE POLYMERE

n : degré de polymérisation : 50 < n < 10.000 ou davantage Le monomère est un composé du type éthène * Principe de la polymérisation en chaîne :

* Arrêt de la polymérisation : la chaîne peut se refermer (rare) . Dès qu’on désire stopper la réaction en chaîne, on injecte un courant de dihydrogène qui sature la molécule.

* Polymères couramment utilisés :

C C

CH₂ CH₂

n

CH₂ CH₂ n

éthène polyéthène ou polythène

. . . CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ . . . C C +

C C + C C

. . . . + + . . . .

POLYSTYRENE : coffres, bacs,

ustensiles, jouets, isolant

H C C

H

n

POLYPROPENE : fils de haute

résistance Textile allié à d’autres fibres H

C C CH3

H H ⁿ

POLYMETACRYLATE DE METHYLE :

n

H C C

OOC-CH3

H CH3

POLYTETRAFLUOROETHENE : revêtement des poêles Tefal

F C C

F

F F

n

H C C

Cl

H H ⁿ

POLYCHLOROETHENE : P.V.C. PolyVinyleChlorid revêtements, tuyauteries, disques, textiles Rhovyl, ...

H C C

CN

H H ⁿ

POLYACRILONITRILE : Textiles synthétiques (Orlon-Crylor)

(11)

6. COMPOSES AROMATIQUES

6.A CHEF DE FILE : Benzène C6H6

* Comportement chimique : c’est un composé fortement insaturé : on s’attendrait logiquement à de nombreuses additions et aucune substitution. On constate un comportement inverse : il donne de très nombreuses substitutions et très difficilement des additions (uniquement avec H2 et Cl2).

Conclusion : le benzène, malgré sa forte insaturation, a plutôt un comportement de corps saturé : cette réalité est liée à la structure particulière du benzène.

* Structure du benzène :

• Composé plan, cyclique : les six atomes de carbone C forment un hexagone régulier ; tous les angles de liaisons valent 120 ° .

• Chaque atome C donne 3 liaisons simples : il reste alors 1e^- par atome de carbone

• Les 6 e^- restant sont DELOCALISES sur l’ensemble de la molécule ; chaque e^- n’appartient pas à un atome C particulier, mais les 6 e^- appartiennent à l’ensemble du cycle : ce cycle s’appelle NOYAU AROMATIQUE : c’est une structure très stable. Nous avons ainsi l’explication du comportement chimique du benzène.

* Convention de représentation du noyau aromatique : 6.B. Autres composés :

6.C. Addition : par exemple le dichlore : C6H6 + 3 Cl2 C6H6Cl6

C’est une réaction catalysée par les U.V. : il se forme un insecticide, appelé couramment le lindane, dont le nom officiel est 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane 6.D. Substitution : par exemple la nitration (action de l’acide nitrique en présence d’acide sulfurique concentré)

H

H H

H H H

C

C C

CH3 méthylbenzène

ou toluène CH CH2 vinylbenzène

ou styrène

CH3

+ 3 HNO₃ 3 H₂O + NO2

CH3

NO₂

NO2

La nitration du toluène conduit à la formation d’un composé trinitré : c’est le TriNitroToluène : TNT (explosifs)