Université Mohammed V Faculté des Sciences Rabat

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Université Mohammed V Faculté des Sciences

Rabat

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Filière SVT

Cours de Chimie Organique

Réalisé par les Professeurs : Redouane ACHOUR

Bahia DJERRARI Mostafa EL GHOUL

Année Universitaire 2019-2020

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Introduction

La chimie organique est en relation étroite avec tout ce qui nous entoure.

La biologie nécessite une connaissance approfondie de cette discipline.

De nos jours tous les domaines de la vie sont liés au développement de la chimie organique. La nourriture, l’industrie agroalimentaire, la santé, le textile,

l’environnement et les nouvelles technologies se sont développés grâce aux connaissances acquises en chimie organique.

Bref historique :

1820 : Joseph Caventou et Pelletier isolent la quinine et la caféine.

1825 : Michael Faraday isole le benzène, le premier composé aromatique.

1825 : Friedrich Wöhler et Justus Von Liebig réalisent la première découverte confirmée d'isomères.

1827 : William Prout classe les biomolécules en divers groupes, toujours utilisés aujourd'hui : glucides, protéines et lipides.

1965 : Robert B.Woodward : Prix Nobel pour ses travaux sur la synthèse de la cortisone.

1969 : Sir Derek Harold Richard Barton et Odd Hassel ont été récompenséspour leur contribution au développement du concept de conformation et son

application en chimie organique.

1975 : Vladimir Prelog a été récompensépour ses travaux sur la stéréochimie des molécules organiques.

John Warcup Cornforth a été récompensépour ses travaux sur la stéréochimie des réactions enzymatiques.

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Le carbone :

Les substances organiques sont assez instables et carbonisent facilement : Toutes les substances organiques renferment du carbone !

Actuellement les substances connues à base de carbone, naturelles ou synthétiques, se comptent par millions, ce qui justifie qu’elles occupent une place spéciale dans l’édifice de la chimie.

Le carbone est l’élément central. Sa situation dans le tableau périodique, sa structure et son électronégativité le rendent capable de s’associer à presque tous les éléments.

Le carbone possède 4 électrons sur sa couche externe. Ces électrons peuvent s’apparier avec les électrons d’autres atomes pour former des liaisons (voir cours d’atomistique et liaison chimique).

H C H H

H

H C H ou CH

₄

H

H Liaison covalente

Le carbone peut aussi former des liaisons doubles ou triples avec d’autres carbones (voir rappels sur la liaison chimique à la fin du polycopié).

Dans chaque cas la représentation spatiale est différente :

Tétraèdre C sp³ : CH4 Triangle C sp² : CH2=CH2

H

^{C C H}

Linéaire C sp : C

₂

H

₂

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Règle de valence ( Kékulé et Cooper 1858 ) :

« La valence est le nombre de liaisons que peut contracter un atome. » La valence du carbone est 4.

La valence de l’azote est 3.

La valence de l’oxygène est 2.

La valence de l’hydrogène est 1.

Exemples :

Degré d’insaturation ( DI ) : Soit la formule générale :

Cx Hy Nz Ot DI = x - ½ y + ½ z + 1 Exemple 1 : C2H6O DI = ……

Exemple 2 : C₃H₆O DI = ……

Remarque-1 : On ne tient pas compte de l’oxygène O et du soufre S C2H4O2 DI = ……

C2H4S DI = …….

Remarque-2 : On remplace les halogènes par les hydrogènes C2H5Cl C2H6 DI = …….

C2H4Cl2 C2H6 DI = ……..

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Chapitre 1 : Nomenclature

Il y a longtemps les noms des produits organiques étaient liés à leurs sources naturelles :

 Acide formique---fourmi ( formica en latin )

 Acide acétique---vinaigre ( acétum en latin )

 Acide butyrique---beurre ( butyrum en latin )

Plus on avance en chimie organique, plus le nombre des produits devient important et la plupart de ces produits sont fabriqués au

laboratoire. Il devient alors impératif d’inventer de nouvelles règles pour nommer les différents produits, ce qui permet de les classer et de faciliter la recherche bibliographique. Ainsi, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée ( UICPA ) a établi les règles permettant de donner à un composé un seul nom adaptable à tous les langages et qui correspond à sa structure propre, c’est le nom systématique (Nomenclature systématique).

Cependant quelques noms courants (triviaux) ou semi-systématiques n’ont pu être éliminés car d’usage courant.

Soit la molécule :

CH ₃ -CH ₂ OH R F

Elle se compose de deux parties :

- La partie R appelée radical organique

- La partie F appelée groupement fonctionnel ou groupe fonctionnel

* Radical organique : C’est la partie en général hydrocarbonée possédant une relative inertie chimique.

* Groupement fonctionnel : C’est l’atome ou groupe d’atomes qui caractérise une classe de composés organiques et en détermine les propriétés.

* Substituant : Remplaçons, dans l’alcool éthylique, un hydrogène par CH3 :

CH

₃

-CH-OH

H

CH

₃

-CH-OH

CH₃ Le groupe CH3 est appelé substituant.

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* Notion d’homologie : Les homologues sont des composés qui ne diffèrent que par la présence d’un groupe CH₂.

Exemple :

CH

₃

-CH

₂

-OH et CH

₃

-CH

₂

-CH

₂

-OH sont homologues

* Notion de carbone primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire :

CH₃ CH₂ CH C CH₃ CH₃

CH₃ CH₃

Primaire

Secondaire

Tertiaire

Quaternaire

* Radical libre : Un radical libre est une espèce chimique possédant aux moins un électron célibataire. C’est une entité instable, de courte durée de vie et très réactive.

. . Exemple CH3 et CH3-CH2

1.1. Alcanes ( simples ou ramifiés ) :

Règle 1 : On choisit la chaîne carbonée la plus longue dite chaîne principale ou structure fondamentale. Elle doit éventuellement contenir le plus grand nombre de substituants.

Règle 2 : Les substituants sont affectés des indices les plus bas : le sens de numérotation est tel que l’ensemble des indices de position obtenus comporte l’indice le plus petit dès qu’apparaît la première différence avec l’ensemble obtenu par la numérotation inverse.

Règle 3 : Quand il y a un choix dans la numérotation, on donne aux groupes énoncés les premiers les plus bas indices.

Règle 4 : Les indices sont placés immédiatement devant la partie du nom à laquelle ils se réfèrent.

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Règle 5 : Les substituants sont classés par ordre alphabétique. Un même groupe présent plusieurs fois est affecté d’un préfixe multiplicateur. Ce dernier n’est pas pris en compte dans l’ordre alphabétique.

Règle 6 : Lorsqu’une chaîne latérale est elle même ramifiée, on applique les mêmes règles ( 1 ;2 ;3 et 4 ) mais la numérotation de la chaîne latérale se fait à partir du carbone directement lié à la chaîne principale .

Exemples :

CH₃-CH₂-CH-CH-CH₂ -CH -CH₃

CH₂-CH₃ CH₂-CH₃

CH₃

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH-CH₂ -CH₂ -CH₂ -CH₂ -CH₂ -CH₃

CH -CH₂ -CH₃ H₃C

* Remarques :

a- L’ordre alphabétique tient compte des préfixes iso et néo mais pas des préfixes multiplicatifs di, tri, tétra, sec et ter.

b- Un groupement alkyle s’obtient en enlevant un hydrogène à

l’hydrocarbure correspondant ; son nom dérive de celui de l’alcane en remplaçant la terminaison ane par yle.

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1.2. Alcènes :

Trois autres règles s’ajoutent à celles déjà énoncées dans le cas des alcanes .

Règle 7 : On choisit la chaîne carbonée la plus longue contenant la double liaison.

Règle 8 : La double liaison est affectée de l’indice le plus petit ; celui-ci est placé avant la terminaison ène.

Règle 9 : Si la double liaison a le même numéro quelque soit le sens choisi, il faut alors tenir compte de la Règle 2.

Nom = substituant classé + Préfixe indiquant + ène par ordre alphabétique le nombre de carbones

Exemple :

CH₃-CH=CH-CH₂-CH-CH₃

CH₃

Remarque : Deux groupes alcényles importants :

1.3. Alcynes :

Les règles sont les mêmes que dans le cas des alcènes.

Règles complémentaires :

Règle 10-a : La terminaison ène précède toujours la terminaison yne (on notera la disparition de la lettre e de ène et le remplacement de l’accent grave de è dans ène par un accent aigüé), ce qui donne én.

Règle 10-b : Les liaisons multiples sont affectées des plus bas indices (Règle 2).

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Règle 10-c : Lorsqu’il existe un choix dans la numérotation, on donne aux doubles liaisons les indices les plus bas.

Exemples :

C C

H₃C CH₂ CH CH₂-CH₂-CH₃ CH₂-CH₃

HC C CH CH CH=CH₂ CH₃

H₃C

CH=C-CH =CH-CH₃

CH₃-CH=CH-CH=CH₂

1.4. Hydrocarbures cycliques :

Tout en gardant les mêmes règles que pour les hydrocarbures non cycliques, on ajoute le préfixe cyclo.

Exemples :

CH₃

C₂H₅

C₂H₅

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1.5. Hydrocarbures aromatiques :

Le terme général utilisé pour ces composés est arène . Les radicaux dérivant des arènes sont appelés aryles :

Benzène ( C6H5 ) phényle ( C6H5- ), noté Ph ou  Règle générale pour le benzène disubstitué :

Soit on numérote les atomes de carbones du cycle pour indiquer la position des substituants, soit on utilise les mots ortho ( o ), méta ( m ) et para ( p ) pour indiquer les positions relatives des substituants .

Note : Dans le cas du benzène polysubstitué on utilise plutôt la numérotation en respectant la règle des plus bas indices et en donnant au carbone portant la fonction principale, si elle existe, le plus petit indice .

Exemples :

Remarque : On utilise souvent les noms à usage courant :

OH NH₂

CH₃

Toluène Phénol Aniline

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1.6. Composés possédant un groupe fonctionnel :

Règle 11 : On choisit la chaîne carbonée la plus longue contenant le groupe fonctionnel principal.

Règle 12 : On donne le plus bas numéro au carbone du groupe fonctionnel ou on numérote la chaîne principale de telle sorte que le carbone portant la fonction ait le plus bas indice.

Règle 13 : Les indices de position sont placés immédiatement avant le terme indiquant la fonction à laquelle ils se réfèrent.

1.7. Halogénures : R-X ou -X :

Les halogénures et les polyhalogénures se nomment comme les hydrocarbures ramifiés.

CH₃-CH-CH₂-CH₂-CH₃

Br

1.8. Alcools : R-OH

On remplace e dans les alcanes par oleton numérote la chaîne principale de telle sorte que le carbone portant la fonction ait l’indice le plus bas.

C₂H₅-OH

CH₃-CH₂-CH-CH₂-CH₂-CH₃

OH

1.9. Amines :

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Les amines primaires se nomment comme les alcools : on remplace e dans les alcanes par amine et on numérote la chaîne principale de telle sorte que le carbone portant la fonction ait le plus bas indice

Dans le cas des amines secondaires et tertiaires, on choisit la chaîne carbonée la plus longue qui donnera le nom à la structure fondamentale puis on énonce les groupes les plus simples, portés par l’azote de l’amine, précédés de la lettre N majuscule en respectant l’ordre alphabétique.

Exemples :

CH₃-NH₂

CH₃-NH-CH₂-CH₃

CH₃-N-CH₂-CH₃

CH₃

1.10. Ethers : R-O-R’

a- On ajoute au terme oxyde les noms des groupes à gauche et à droite de l’oxygène en respectant l’ordre alphabétique.

CH₃-O-CH₂-CH₂-CH₃

b- Lorsque la chaîne carbonée est complexe, on utilise le terme alkoxy . méthoxy : O-CH3

éthoxy : O-C₂H₅

CH₃-CH-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

OCH₃

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1.11. Aldéhydes : RCH=O

On remplace e dans les alcanes par al.

Dans le cas des cycles, on ajoute le terme carboxaldéhyde au nom du cycloalcane correspondant.

CH₃-C

O

H

CH₃-CH-CH₂-C C₂H₅

O

H

CHO

R-C-R' 1.12. Cétones:

O

On remplace e dans les alcanes par one et on numérote la chaîne

principale de telle sorte que le carbone portant la fonction ait le plus bas indice

CH₃-CH₂-C-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

O

O

C₂H₅

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R-C-OH 1.13. Acides carboxyliques:

O

On remplace e dans les alcanes par oïque et le nom est précédé du terme acide .

Dans le cas d’un cycle, le nom de celui-ci est suivi du terme carboxylique.

CH₃-COOH

CH₃-CH-CH₂-COOH Br

Note : dans le cas d’un cycle le nom du cycle est suivi du terme carboxylique.

COOH

R-C-OR' 1.14. Esters:

O

Le nom est composé de deux parties :

La première partie se réfère à l’acide dans lequel on remplace ique par ate.

La deuxième partie se réfère à l’alcool : c’est le nom du radical alkyle provenant de cet alcool.

Exemple :

CH₃-CH₂-CH₂-C

OC₂H₅ O

16 R-C-NH₂

1.15. Amides:

O

On remplace la terminaison oïque dans les acides par le terme amide.

Exemple :

CH₃-CH₂-CH₂-C

NH₂ O

R-C=N

1.16. Nitriles:

Pour les composés non cycliques, on ajoute au nom de l’alcane correspondant la terminaison nitrile.

Pour les composés cycliques, on remplace ique dans l’acide

correspondant par nitrile ou on remplace carboxylique par carbonitrile.

Exemple :

CH₃-CH₂-CH₂-C N

Pour les composés cycliques, on remplace ique dans l’acide

correspondant par nitrile ou on remplace carboxylique par carbonitrile.

Exemple :

C C₂H₅ N

C N

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1.17. Composés à plusieurs groupes fonctionnels :

Quand une molécule organique contient deux ou plusieurs groupes fonctionnels, la chaîne principale doit contenir le groupe principalqui constituera la terminaison et le maximum de groupes fonctionnels. Les fonctions non prioritaires seront considérées comme substituants (préfixes).

La fonction principale doit être choisie dans l’ordre suivant :

---

Fonction prioritaire non prioritaire

--- Acide carboxylique oïque - Nitrile nitrilecyano

Aldéhyde al formyl Cétone one oxo Alcoololhydroxy

Amine amineamino

Dérivé halogéné - halogéno

Exemples :

CH₃-CH-CH-CH-COOH NH₂

OCH₃

OH

CH₂=C-C-CH-COOH CH₃

O

CN

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1.18. Hétérocycles :

Considérons le cycle suivant :

Remplaçons un atome de carbone du cycle par un atome d’azote :

N

L’atome d’azote est appelé hétéroatome et le cycle contenant l’azote est nommé hétérocycle.

Il y a des hétérocycles simples, qui contiennent un seul hétéroatome et un seul cycle et il y a des hétérocycles plus compliqués qui peuvent contenir plusieurs atomes de même nature ou différents voir plusieurs cycles.

N

N

N O

N N

N

N N N

N H

H pyrrole

H

Imidazole Pyranne

Pyridine pyrimidine purine

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Chapitre 2 : Représentations des molécules

2.1. Représentation en coin volant ou représentation de Cram:

……… ………..

CH4 C2H6

C4H10

2.2. Représentation en perspective :

……….

C₃H₆ C₆H₁

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2.3. Représentation de Haworth :

2.4. Représentation de Newmann :

« On choisit l’axe de rotation ( C-C par exemple ), on regarde vers cet axe et projette la molécule sur un plan perpendiculaire à cet axe. Les liaisons provenant du carbone en avant traversent le cercle vers son centre ; celles en arrière s’arrêtent à la circonférence du cercle. »

H

H H

H H₃C H H CH₃

H

H H

H

H

HH

HCH₃

H

H

CH₃ H

H

H H

CH₃

H

H H

H

H

forme décalée forme éclipsée

2.5. Représentation de Fischer : Conventions :

- La chaîne hydrocarbonée la plus longue est placée verticalement.

- Le carbone de plus bas indice est placé en haut.

- Les liaisons dirigées vers l’avant sont projetées horizontalement.

- Les liaisons dirigées vers l’arrière sont projetées verticalement.

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Exemples :

2.6. Représentation topologique :

Une formule topologique fait abstraction de la représentation des atomes d'hydrogène et de carbone pour ne montrer que la structure du squelette.

Ce type de formule est très utilisé en biochimie pour représenter les grosses molécules.

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2.7. Modèles moléculaires :

Modèle à Boules : Caféine

Modèle Compact : Phénol

Autres modèles :

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Toutes ces représentations sont réalisées avec modèles moléculaires ou par ordinateur à l’aide de logiciels de chimie tels que Chemdraw, Chemwind, Chemsketch. Certains logiciels très simples sont disponibles sur internet.

On peut faire des simulations par ordinateur des réactions chimiques ou même biologiques en utilisant des logiciels très puissants.

2.8. Structures moléculaires naturelles-médicaments :

Cholesterol

Dompéridone (nausées et vomissements) Itraconazole (Médicament

antifongique)

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Chapitre 3 : Isomérie plane

On parle d’isomérie plane lorsque deux structures de même formule moléculaire diffèrent par l’enchainement des atomes dans le plan. Ils ont des formules semi-développées différentes.

3.1. Isomérie de position :

Deux isomères de position différent par la position d’un atome, d’un groupe fonctionnel ou d’une insaturation.

Exemple 1 : C3H8O

……….

Exemple 2 : C6H12

……….

Note : L'isomérie de position intervient de façon importante dans l'activité biologique. Par exemple la clozapine et l'isoclozapine sont deux neuroleptiques qui se comportent différemment.

3.2. Isomérie de squelette :

Deux isomères de squelette ou d’enchainement diffèrent par le squelette ou par l’enchainement des atomes dans le plan.

Exemple

:

C5H12

……….

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3.3. Isomérie de fonction :

Deux isomères de fonction diffèrent par la nature de la fonction.

………

3.4. Tautomérie :

“ Lorsqu’une espèce chimique peut se transformer en une autre, isomère, par déplacement localisé d’un hydrogène, de manière réversible et rapide, on dit qu’il y a tautomérie.”

Les deux espèces sont isomères de fonction.

C H₃-C -C H₃ C H₃-C =C H₂

O O H

O O H

C H₃-C -NH-C H₃ C H₃-C =N-C H₃

O O H

Note : Le donépézil, un inhibiteur d'acétylcholinestérase utilisé dans le

traitement de la maladie d'Alzheimer, possède une fonction cétone énolisable.

La forme cétone est extrêmement prédominante.

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Chapitre 4 : Isomérie géométrique

La présence de la double liaison confère à la molécule une géométrie très précise. En effet l’hybridation sp² des deux carbones de la double liaison donne à la molécule une structure plane avec un angle de liaisons de 120°.

C C

120°

120°

120°

D’autre part il y a empêchement à la libre rotation autour de la double liaison.

Ces observations ont pour conséquence l’existence de plusieurs configurations.

4.1. Cas d’une seule double liaison : Exemple : But-2-ène :

………..

Considérons le cas général :

^b

a c

d

avec : a # b # c # d

Dans ce cas, on classe les substituants par ordre de priorité selon les règles de CAHN, INGOLD et PRELOG puis on vérifie la position des groupes

prioritaires sur chaque carbone de la double liaison. Si les deux groupes prioritaires sont du même côté de la double liaison alors le composé est dit Z, sinon il est désigné par la lettre E.

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Règles de CAHN, INGOLD et PRELOG : 1. Les atomes son classés d’après leur numéro atomique : I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>H

2. Si les atomes sont identiques, on considère ceux auxquels ils sont eux mêmes liés, etc…

3. Dans le cas de plusieurs atomes identiques, c’est leur nombre qui est pris en considération.

4. Une double liaison est équivalente à deux liaisons ; une triple liaison est équivalente à trois liaisons.

-C=C- -C-C-

C C

-C N -C N C

N C

N

5. Les substituants isotopiques sont classés selon leur masse atomique :

T>D>H

Exemple 1 :

………

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Exemple 2 :

……….

Classement des groupes -C2H5 et -CH(CH3)2 :

……….

Note : Le rétinal E, peut être isomérisé en néorétinal Z, sous l'action d'une enzyme de la famille des isomérases.

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Remarque :

On continue à utiliser, dans le cas des cycles, l’ancienne nomenclature cis et trans :

CH₃ CH₃

CH₃

CH₃

et

CH₃ CH₃

CH₃

CH₃

et

Cis Trans

; et

Cis Trans Cis Trans

4.2. Cas de plusieurs doubles liaisons : Exemple 1 :

CH₃

CH₃ H H

H H

E

Z

……….

Exemple 2 :

CH₃ CH₃

H

H

H H

H

H Z

E

E

(2E,4Z,6E)-octa-2,4,6-triène

E E

Z

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Chapitre 5 : Isomérie conformationnelle

« Les conformations sont les différentes positions que peut prendre, dans l’espace, une molécule lorsqu’on tourne autour d’une liaison simple C-C ou C-O ou C-N. Ces différentes formes sont appelées conformères ou rotamères ou isomères conformationnels.»

^H

H H

H Br Br

H H

Br H H

r ot a t ion d e Br 180°

L’étude conformationnelle des molécules est facilitée par la représentation de Newman.

……….

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5.1. Cas de l’éthane : CH3-CH3

Considérons l’angle  représenté dans le schéma ci-dessous :

Plan A

Plan B



H H

H

H H

H

 = Angle dièdre

Dans le cas de l’éthane, deux conformations privilégiées sont possibles :

forme décalée forme éclipsée

H

H H

H

H H H

H HH

H H

plus stable moins stable

 = 0  = 180

 

V (  )









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5.2. Cas du butane : CH3-CH2-CH2-CH3

ou

H

H H

H CH₃ CH₃

CH₃

H HCH₃

H H

 = 0

H

H CH₃ CH₃

H H

………..

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La conformation décalée C4 est la plus stable.

La conformation C1 est la moins stable.

Les autres sont de stabilité intermédiaire.

L’ordre de stabilité précis est :

C3

C5 C2

C6

C4 C1

Stabilité croissante

5.3. Cas des cycles :

La fermeture d’un cycle provoque des tensions plus importantes que dans les composés acycliques. Les contraintes sont mesurées par la différence entre l’énergie réelle calculée par combustion et celle calculée à partir des énergies de liaisons (sans tenir compte des contraintes car l’énergie de liaison ne s’intéresse qu’aux liaisons et pas à la géométrie.)

En plus des tensions du cycle, Il faut tenir compte des différentes interactions liées à la géométrie de la molécule elle-même.

Ces contraintes poussent les cycles à adopter des conformations non planes qui minimisent les interactions.

Les composés cycliques à 6 chaînons sont les plus importants. Nous étudierons en particulier le cyclohexane et ses dérivés.

Le cyclohexane est aussi stable que l’hexane normal. Ceci est dû au fait que le cyclohexane adopte des conformations dans lesquelles l’angle valentiel normal de 109°5 est conservé. On distingue plusieurs conformations :

chaise bateau

bateau croisé enveloppe

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Le diagramme d’énergie potentielle en fonction de l’angle dièdre  présente l’allure suivante :

V()





Nous allons nous intéresser par la suite uniquement à la forme chaise car c’est la plus stable.

On distingue dans la forme chaise deux types de liaisons : les liaisons équatoriales et les liaisons axiales :

liaisons axiales

liaisons équatoriales

enveloppe

bateau

enveloppe

chaise

bateau croisé

chaise

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Observons le schéma ci-dessous :

On remarque que l'on peut passer facilement d'une forme chaise à l'autre en passant par une conformation intermédiaire, la forme bateau. On parle alors de forme chaise et de chaise inverse. Les formes chaises sont nettement plus stables que la forme bateau (6.9 kcal/mol de différence de stabilité).

La grande stabilité de la forme chaise par rapport à la forme bateau vient du fait que les hydrogènes sont plus proches dans la forme bateau (éclipsés) que dans la forme chaise où ils sont décalés.

La projection de Newman nous permet de mieux voir et donc de

comprendre la différence de stabilité entre les conformations bateau et chaine :

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Observons maintenant les liaisons quand on passe d’une forme chaise à l’autre :

Les liaisons axiales deviennent équatoriales et vice versa. Ceci a une

conséquence importante sur la stabilité relative des conformations dans le cas des cyclohexanes substitués.

* Cas d’un cyclohexane monosubstitué : le méthylcyclohexane.

CH₃

CH₃

I II

Ces deux conformations sont en équilibre. La forme II est la plus stable à température ambiante ( 19/1 ) à cause de la distance plus importante dans II entre les méthyles et les hydrogènes. A chaque substituant en position axiale dans la forme I correspond deux interactions dites 1-3 diaxiales ( de Van Der Waals ) qui sont répulsives d’où la préférence pour les conformations à substituants équatoriaux.

H H

C

H H H

1 3'

3

1-3

1-3'

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* Cas du cyclohexane disubstitué : le 1,2-diméthylcyclohexane

I et II I et III

Sont deux conformations ; Sont deux configurations

III et IV II et IV

L’ordre de stabilité croissante , sur la base des interactions diaxiales, est le suivant :

stabilité croissante I III IV II

*Configurations cis et trans dans le cyclohexane disubstitué :

CH₃ CH₃

CH₃ CH₃

Trans Cis

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Ainsi, on dira : I est un trans a-a II est un trans e-e III est un cis a-e IV est un cis e-a

Note : Certains composés d'intérêt thérapeutique peuvent toutefois se révéler davantage actifs sous l'une ou l'autre de leurs conformations.

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Chapitre 6 : Isomérie optique

A la fin du 19^ème siècle, on a constaté qu’il existait des paires de composés ayant la même formule moléculaire, des propriétés chimiques et physiques

identiques, qui semblaient avoir des structures identiques mais dont les effets sur la lumière polarisée sont opposés. De tels composés sont optiquement actifs. On les appelle isomères optiques ou inverses optiques ou énantiomorphes ou

énantiomères.

Schéma expérimental :

L’interaction d’une substance optiquement active avec la lumière

polarisée se traduit par une rotation du plan de la lumière polarisée d’un angle .

Si pour un observateur qui reçoit le rayon, la rotation se fait dans le sens des aiguilles d’une montre, la substance est dextrogyre.

Si la rotation se fait dans le sens inverse, alors la substance est lévogyre.

Dextrogyre ( du latin dexter = droit = d = ( + )

Lévogyre ( du latin laevus = gauche ) = gauche = l = ( - ) Principe de pasteur :

« Pour qu’un composé soit optiquement actif, il faut et il suffit que sa molécule ne soit pas superposable à son image dans un miroir. »

40

Remarques importantes :

* Une molécule qui n’est pas superposable à son image dans un miroir est dite Chirale. Dans le cas contraire elle est Achirale.

* La chiralité est la propriété d’une molécule qui peut exister sous deux variétés énantiomères.

* Les énantiomères sont deux isomères séparables.

* Les énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques et physiques.

Seule leur action sur la lumière polarisée est différente.

* Deux stéréoisomères qui ne sont pas énantiomères sont diastéréoisomères.

* Un mélange 50/50 de deux énantiomères est dit racémique. Son action sur la lumière polarisée est nulle. On le note (d,l) ou (±).

* Le dédoublement ou la résolution du racémique est la séparation des deux énantiomères.

* Une molécule qui admet un centre ou un plan de symétrie n’est pas chirale.

CH₃

Cl H

Cl H

CH₃

Br H

H Cl

i

Centre de symètrie

Plan de symètrie

41

Le Bel et Vant’Off ont précisé que ce phénomène était lié à l’existence dans la molécule du carbone tétraédrique asymétriquement substitué.

6.1. Chiralité centrale :

 Cas d’un seul centre de chiralité :

Projection de Fischer :

………..

42

 Cas de n centres de chiralité :

Dans le cas général où nous avons n carbones asymétriques, le nombre de stéréoisomères est égal au maximum à 2 ⁿ.

Exemple : Cas de deux carbones asymétriques :

CH3-CH-CH-CH2-CH3

Cl Cl

* *

2 C* 2 ² = 4 stéréoisomères Représentation en coin-volant :

III IV I II

H Cl

HEt ClMe

Cl H

EtH Cl

Me

Cl Cl

Me Et

H H

Cl Cl

EtH H

Me

III IV I II

H

Et Cl H MeCl

Cl H

EtH ClMe

Cl

Cl Me

HEt H

Cl Cl

EtH HMe

ou

Représentation de Fischer

………..

43

I et II ; III et IV : Couples d’énantiomères

I et III ; II et III ; I et IV ; II et IV : Couples de diastéréoisomères

Note:Certaines molécules présentent un nombre de stéréoisomères inférieur à 2 ⁿ * *

Exemple : CH3-CH(OH)-CH(OH)-CH3

………..

I et II sont identiques à cause du plan de symétrie. On les appelle forme méso.

Il y a donc ici en tout 2 ² -1 = 3 stéréoisomères ; III et IV sont deux énantiomères ; (I et III) ou (I et IV) sont des couples diastéréoisomères.

6.2. Détermination des descripteurs stéréochimiques R et S :

1. On classe les substituants entourant le carbone asymétrique selon la règle de Cahn-Ingold-Prelog.

2. On place le substituant classé dernier à l’arrière du C*.

3. On regarde la molécule en plaçant l’œil en avant du carbone asymétrique dans le prolongement de la liaison C* plus petit substituant : Si l’œil de l’observateur voit défiler les substituants classés 1^er, 2^ème,3^ème dans le sens des aiguilles d’une montre, la configuration est dite R ( Rectus ), dans le cas contraire elle est dite S ( Sinister ).

44

Exemple-1 : Acide 2-aminopropanoïque

……….

Exemple-2 : Acide 2-amino-3-hydroxybutanoïque:

CH3-CH-CH-COOH OH NH₂

* *

………..

Il s’agira donc de l’Acide (2S,3R)-2-amino-3-hydroxybutanoïque.

45



Notion de famille (R*,R*) ou Like et (R*,S*) ou Unlike :

Lorsqu’on ne connaît pas la configuration absolue mais seulement la configuration relative, on utilise une autre notation :

Exemple : pentane-2,3-diol

CH3-CH-CH-CH2-CH3

OH OH

* *

Quatre stéréoisomères : RR ; SS ; RS et SR

La nomenclature internationale: Like / Unlike est la plus simple à définir.

Chaque carbone est dénommé selon la règle séquentielle :

Si les deux centres asymétriques ont le même descripteur R ou S, le stéréoisomère est dénommé LIKE ou (R*R*)

Si les deux centres asymétriques ont un descripteur différent, le stéréoisomère est dénommé UNLIKE ou (R*S*)

*Notion d’érythro et de thréo :

Les termes érythro et thréo proviennent des aldotétroses ( fonction aldéhyde et 3 carbones).En effet, on connaît l’érythrose et le thréose :

Erythrose Thréose

On constate que les deux groupes OH sont du même côté pour l’érythrose et de part et d’autre pour le thréose.

Pour éviter toute ambigüité, on classe les substituants sur chaque carbone

asymétrique d’après la règle de CIP et regarde le sens de rotation quand on passe du substituant prioritaire à celui qui l’est le moins.

Une rotation dans le même sens conduit à la forme érythro. Une rotation dans le sens contraire conduit à la forme thréo.

46

6.3. Chiralié axiale :

* Allènes :

Composés qui possèdent deux doubles liaisons cumulées.

C= C=C

A

B

C D

avec A # B et C # D

Axe de chiralité

………..



Biphényles :

A

B D

Axe de chiralité C

avec A # B et C # D A et C

B et D Volumineux

………

47

6.4. Chiralié hélicoïdale :

Certaines molécules aromatiques comportant plusieurs noyaux peuvent être optiquement actives du fait d'une structure en hélice due à des raisons stériques. On a ainsi synthétisé des hélicènes (à 7,8,9 ou plus, noyaux aromatiques ).

Le 7^ème noyau recouvre le l ^er .On a une structure en hélice qui peut-être droite ou gauche ce qui entraîne la chiralité.

La chiralité liée à l'hélicité est un phénomène très général qu'on retrouve dans de nombreux polymères d'origine biologique comme les protéines et les acides nucléiques

Les acides aminés constituent généralement, dans les composés naturels, de longues chaînes, dites chaînes peptidiques, qui ont souvent des structures en hélice (hélice droite de l'ADN). On peut alors avoir du fait de cette structure chirale, deux antipodes optiques.

48



Certains médicaments sont depuis longtemps utilisés sous la forme d’un seul de leurs stéréoisomères actifs. C'est le cas par exemple de

l'énantiomèrelévogyrede la dopa, un précurseur de la dopamine utilisé dans le traitement de la maladie de Parkinson.



Le limonène dans la nature :

Le limonène est utilisé dans l'industrie des parfuns

Odeur de citron Odeur d'orange Isomère R Isomère S

49

Chapitre 7 : Effets électroniques

7.1. Polarisation des liaisons.

Il est connu qu’une liaison peut aller de la covalence pure (symétrie de répartition des charges comme dans Cl–Cl) à une liaison purement ionique (transfert d’électron d’un atome sur un autre atome comme dans Na⁺Cl^–). Entre ces deux extrêmes, tous les intermédiaires sont possibles. Il existe une

dissymétrie de la répartition du nuage électronique, qui crée des charges partielles positives (δ⁺) et négatives (δ^-) sur chacun des atomes.

Exemple: CH3

δ+_ Cl^δ-.

Une telle liaison sera dite polarisée.

Il est important de connaître cette répartition des charges partielles pour comprendre le déroulement d’une réaction organique.

PLAN

Rappel : L’électronégativité selon Pauling mesure la tendance qu’a un atome dans une molécule à attirer vers lui le nuage électronique. Elle augmente de la gauche vers la droite sur une même période et du bas vers le haut sur une même colonne.

F O N Cl Br S C H Mg 3,98 3,44 3,04 3,16 2,96 2,58 2,55 2,20 1,25

7.2. Effets Inductifs

Considérons la molécule suivante :

Br CH ₂ CH ₃

1 2

Le brome, très électronégatif, va attirer les électrons de la liaison C₁-C₂ ; celle-ci devient donc polarisée sous l’influence de l’effet attracteur du brome.

Ce phénomène qui tend à rendre la distribution électronique dissymétrique d’une liaison σ est appelé effet inductif.

On classe les atomes ou les groupements d’atomes qui provoquent ce phénomène de polarisation à distance en deux catégories :

50

a) Groupements à effet inductif donneur (+I) : ce sont des atomes ou

groupements donneurs (moins électronégatifs que le carbone) qui exercent un effet (+I).

Exemple : les métaux (Na, Mg,..), les groupes alkyles (CH3, C2H5, …) b) Groupements à effet inductif attracteur (-I) : ce sont des atomes ou

groupements attracteurs (plus électronégatifs que le carbone) qui exercent un effet (-I).

Exemple : F^-, Cl^-, Br^-, OH^-, NH₂^-, CN^-, NO₂^-.

7.2.1. Influence de l’effet inductif sur l’acidité des acides carboxyliques.

La présence d’un groupement donneur (+I) aura tendance à diminuer l’acidité du composé par augmentation de la densité

électronique sur l’oxygène du groupement O-H. La polarisation de la liaison O-H diminuera. La rupture de cette liaison sera moins favorisée et l’acidité baissera.

Inversement la présence d’un groupement attracteur (-I) va

augmenter l’acidité car l’oxygène, avide d’électrons, attirera le doublet de la liaison O-H ; ce qui facilitera le départ de H.

Exemple :

CH₃

C

O

O H

CH₂

C

O

O H

Cl

pka = 4,7 Effet +I du CH₃

pka = 2,8

Effet -I du chlore

7.2.2. Influence du nombre d’atomes électronégatifs : L’effet (-I) augmente avec le nombre d’atomes électronégatifs.

ClCH2-COOH Cl2CH-COOH Cl3C-COOH

Pka 2,87 1,26 0,6

51

7.2.3. Propagation de l’effet inductif.

- L’effet inductif décroit rapidement avec le nombre de liaisons C-C.

CH₃-CH₂-CH-COOH CH₃-CH-CH₂-COOH CH₂-CH₂-CH₂-COOH

Cl Cl Cl

pka = 2,86 pka = 4,05 pka = 4,53

-L’effet inductif se transmet facilement à travers une double liaison.

Cl-CH₂-CH₂-CH=CH-COOH est plus acide que Cl-CH₂-CH₂-CH₂-COOH 7.3. Effet mésomère- résonance.

En chimie organique, on rencontre souvent des molécules qui sont décrites correctement par plusieurs structures de Lewis.

CH₃-C O O

CH₃-C O O

Ces deux structures ne diffèrent que par la localisation des électrons π ou n (doublet libre). On passe d’une formule à une autre par simple déplacement de ces électrons.

Les 2 représentations de Lewis sont équivalentes et sont appelées structures de résonance ou formes mésomères.

La molécule réelle, qui propose une délocalisation des électrons (Pauling) appelée hybride de résonance, est la moyenne de toutes les formes limites.

CH₃-C O

O

La mésomérie permet de décrire la délocalisation des électrons π, des doublets d’électrons libres n et des charges dans les molécules conjuguées.

52

7.3.1. Différents types de systèmes conjugués Système [π−σ−π]

Système [n−σ−π]

Système [orbitale vacante−σ−π]

Système [orbitale vacante−σ−n]

Système [électron non apparié-σ−π]

Comme l’effet inductif, il existe un effet mésomère attracteur (– M) et un effet mésomère donneur (+M).

Groupements attracteurs (-M):

-N2, -NO2, -COOH, -COOR, -SO3H, -CN, -CHO, -COR Groupements donneurs (+M):

-O^-, -NH2, -NHR, -NR2, -OR, -OH, -NH-COR, -C6H5, -F, -Cl, -Br, -I

53

Remarques importantes :

 Tous les atomes impliqués dans la résonance sont coplanaires.

 La disposition spatiale des atomes doit être la même dans toutes les formes mésomères. Seule la répartition électronique diffère.

 La couche de valence ne peut admettre plus de 4 doublets d’électrons (Règle de l’octet).

 Plus il y a de formes limites, plus le système est stable. La résonance est un facteur de stabilisation énergétique.

 Toutes les formes mésomères doivent avoir la même charge totale.

 La résonance concerne les électrons π et n.

 Lorsque les effets inductif et mésomère sont opposés, c’est l’effet mésomère qui l’emporte :

Br-CH=CH₂ l'effet (+M) du brome l'emporte sur l'effet (-I)

7.3.2. Calcul de l’énergie de résonance – Cas du benzène :

La formation du cycle benzénique correspond à un gain d’énergie d’environ 36 kcal/mole qu’on appelle énergie de résonance.

Le calcul de l’énergie de résonance se fait à partir des chaleurs d’hydrogénation

H

₂

2H

₂

3H

₂

28,6 kc a l/ m o le

55,4 "

49,8 "

Nous constatons donc qu’il faudrait normalement 3 x (- 28,6) = - 85,8 kcal pour l’hydrogénation du benzène. Mais dans la pratique cette réaction libère 49,8 kcal (- 49,8). La différence de 36 kcal [ -49,8 –(-85,8)] est l’énergie de résonance .

54

7.3.3. Hyperconjugaison : parle alors d’hyperconjugaison.

Cet effet est d’autant plus important qu’il y a d’hydrogènes en position de la double liaison :

C CH CH₂ H C

H

CH CH₂ H⁺







L’hyperconjugaison permet par exemple d’expliquer la stabilité des alcènes : CH3-CH=CH-CH3 est plus stable que CH3-CH2-CH=CH2

6 H en β 2 H en β

7.3.4. Notion d’aromaticité :

Un composé est dit aromatique s’il satisfait aux conditions suivantes :

 Cyclique et plan

 Non saturé

 Système conjugué

 La délocalisation des électrons englobe tout le cycle

 Le nombre des électrons mis en jeu obéit à la règle de Hückel et est égal à 4n + 2 avec n entier.

Exemples :

………

55

Chapitre 1 : Hydrocarbures non aromatiques

Le pétrole et le gaz naturel sont les deux principales ressources des hydrocarbures, surtout les alcanes. Les alcènes sont plus rares.

Le raffinage conduit à des fractions qui contiennent différents types d’hydrocarbures.

On distingue trois classes :

- Les alcanes ou paraffines ou hydrocarbures saturés (de formule générale (C_nH_2n+2) .La structure du carbone dans ces composés est de type tétraédrique.

- Les alcènes ou oléfines ou hydrocarbures insaturés (de formule générale (CnH2n). La structure de ces composés est plane autour du carbone (les trois liaisons sont dans le plan).

- Les alcynes ou hydrocarbures acétyléniques (de formule générale C_nH_2n-2). La structure autour du carbone est linéaire.

Exemples :

alcanes : CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ alcènes:CH₃-CH=CH-CH₃

alcynes : CH₃-C C-CH₃

1.1. Préparations :

1.1.1. Dégradation des alcanes (Craquage ou Cracking ) :

A cause de la longueur de la chaîne, presque la moitié des hydrocarbures provient du pétrole (ils sont lourds et non utilisables directement). On les

transforme en hydrocarbures plus légers :

CH₃-CH₂-CH₂-CH-CH₂-CH-CH₃ CH₂ CH3

CH3-CH2-CH CH₃

CH3-CH2-CH2-CH=CH2 + CH3-CH=CH-CH3 + CH3-CH-CH3

CH₃ 500°C ou AlCl₃ à 120°C

56

1.1.2. Hydrogénation :

1.1.3. Réactions mettant en jeu une liaison C-X ( X = Cl, Br, I) : 1.1.3.1. Synthèse des alcanes :

H₂

Pd

H₂O

R-X HX Zn

* +

* R-X + Mg Ether anhydre

* +

* Réaction de Wurtz : 2 RX +2 Na R-X

* Réaction de Clemensen: R C O

R'

amalgame Zn-Hg HCl conc /

57

1.1.3.2. Synthèse des alcènes :

* A partir d’un dérivé monohalogéné :

R-C-C-R' R-C=C-R'

H

X

Base

- HX

Règle de SAYTZEV :

« Si la base a le choix entre deux hydrogènes en β, c’est celui qui conduira à l’alcène le plus substitué ( le plus stable par hyperconjugaison ) qui sera

éliminé de préférence. » Exemple :

* A partir d’une réaction d’addition :

C C

Pd désactivé

-CH=CH- H₂

58

1.1.3.3. Synthèse des alcynes :

* A partir de dérivés dihalogénés :

1.2. Propriétés chimiques :

Les hydrocarbures se divisent en deux parties :

 Hydrocarbures saturés : alcanes

 Hydrocarbures insaturés : alcènes et alcynes

Cette division se justifie par le comportement particulier des alcanes d’une part : toutes les liaisons sont covalentes de type σ ( 80 kcal/mole ), difficiles à rompre, ce qui se traduit par une faible réactivité.

D’autre part, l’existence des liaisons π ( 44 kcal/mole ) dans les

hydrocarbures insaturés, liaisons moins solides que les liaisons σ, et donc pouvant s’ouvrir facilement, conduit à des réactions d’additions.

59

1.2.1. Alcanes :

 Les réactions sont radicalaires. Les ruptures de liaisons sont homolytiques.

 Les réactions se font en chaîne. Elles sont difficiles et non sélectives.

 Les mécanismes sont très mal connus.

1.2.1.1 Nitration :

CH

₄

+ HNO

₃

CH 400°C

₃

-NO

₂

1.2.1.2 Oxydation :

1.2.1.3. Isomérisation :

* CH

3

-CH

₂

-CH

₂

-CH

₃

CH AlCl

_{3 3}

-CH-CH

₃

CH

₃

1.2.2. Alcènes et alcynes :

1.2.2.1. Réactions d’additions :

1.2.2.1.1. Hydrogénations (voir préparations) 1.2.2.1.2. Addition des hydracides HX :

60

Deux étapes :