Groupes caractéristiques et réactivité
A / Groupes d'atomes caractéristiques et familles chimiques
1 / Définitions
Un groupe caractéristique est un groupe d'atomes qui confère (donne) des propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent. On dit que ces molécules forment une famille chimique.
Ces groupes d'atomes peuvent se réduire dans certains cas à un seul atome. Voici quelques exemples d'atomes ou de groupes d'atomes à connaître :
2 / Les familles chimiques
a / Les alcools
Les molécules de cette famille présentent toutes un groupe hydroxyle fixé sur une chaîne carbonée. On pourra les noter d'une façon générale R—OH.
Leur nom s'obtient en remplaçant le e final du nom de l'alcane dont il dérive par le suffixe ol précédé de l'indice de position du carbone fonctionnel (le carbone qui porte le groupe hydroxyle) encadré par deux traits d'unions.
Exemple :
b / Composés halogénés
Les molécules présentant un groupe halogéno font partie de la famille des composés halogénés. Si R représente la chaîne carbonée, ces composés pourront être notés très généralement R—X (R—F pour les composés fluorés, R—Cl pour les composés chlorés, R—Br pour les composés bromés et R—I pour les composés iodés).
Leur nom s'obtient en faisant précéder le nom de l'alcane dont il dérive du préfixe fluoro, chloro, bromo ou iodo, précédé de l'indice de position de ce groupe suivi d'un tiret.
Exemple :
c / Les amines
Les molécules de cette famille présentent toutes un groupe amino fixé sur une chaîne carbonée. On pourra les noter d'une façon générale R—NH2.
Leur nom officiel s'obtient en remplaçant le e final de l'alcane dont il dérive par le suffixe amine. Une nomenclature plus courante (nomenclature usuelle ou nomenclature radicofonctionnelle) consiste à ajouter le suffixe amine au nom du radical alkyle —R après en avoir élidé (supprimé) le e final.
d / Composés carbonylés
On rencontre deux familles chimiques de composés présentant le groupe carbonyle.
Famille des aldéhydes :
Le groupe carbonyle est situé en bout de chaîne. On pourra les noter d'une façon générale R—CHO.
Leur nom s'obtient en remplaçant le e final de l'alcane dont il dérive par la terminaison al. La chaîne carbonée d'un aldéhyde est numérotée à partir du carbone fonctionnel (le carbone du groupe carbonyle).
Exemple
Famille des cétones :
Le groupe carbonyle est situé dans la chaîne. On pourra les noter d'une façon générale R1—CO—R2.
Leur nom s'obtient en remplaçant le e final de l'alcane dont il dérive par la terminaison one précédée éventuellement de l'indice de position du carbone fonctionnel (carbone du groupe carbonyle).
Exemple :
e / Les acides carboxyliques
Les molécules de cette famille présentent toutes le groupe carboxyle en bout de chaîne. On pourra les noter R—COOH ou plus simplement R—CO2H.
On obtient leur nom en remplaçant le e final de l'alcane dont il dérive par la terminaison oïque et en le faisant précéder du mot acide. On numérote la chaîne carbonée à partir du carbone fonctionnel (carbone du groupe carboxyle).
Exemple :
B / Caractérisation des familles
Voir T.P. de chimie
C / Réactivité des alcools
Dans cette partie, nous examinons trois types de réactions auxquels les alcools donnent lieu.
Ces réactions conduisent en général à de nouvelles fonctions chimiques. Elles doivent être maîtrisées car elles pourront servir d'exemples dans la suite qui traite d'une façon plus générale du passage d'une fonction à une autre.
1 / Classe d’alcool
Les alcools se répartissent en trois classes dites primaire (R—CH2OH), secondaire (R—CHOH—R') et tertiaire (R—CR'OH—R'').
Exemple :
2 / Oxydation des alcools
On distingue deux types d'oxydations.
a / Oxydation complète ou combustion
Il s'agit de la transformation au cours de laquelle le carbone de la molécule est converti en CO2. Elle s'accompagne donc de la destruction de la chaîne carbonée.
Exemple:
b / Oxydation ménagée
Comme son nom l'indique, la chaîne carbonée est ménagée c'est-à-dire conservée au cours de cette transformation. On n'observe alors que l'oxydation du carbone fonctionnel, c'est-à-dire du carbone portant le groupe hydroxyle —OH.
Oxydation d'un alcool primaire, l'éthanol, par O2 en présence de cuivre comme catalyseur.
Il s'agit de l'expérience dite de la lampe sans flamme.
On observe un passage d'une fonction alcool primaire à un aldéhyde puis éventuellement (si l'on dispose de suffisamment d'oxydant) à un acide carboxylique.
Rappelons que la présence d'un aldéhyde peut être mise en évidence par le test au réactif de Schiff et que celle de l'acide peut être mise en évidence à l'aide d'un papier pH ou d'un indicateur coloré.
Déshydrogénation catalytique de l'éthanol.
Par passage de l'éthanol gazeux sur du cuivre (catalyseur) à 300°C, on observe une déshydrogénation (élimination d'une molécule de dihydrogène) de l'éthanol en éthanal.
Oxydation ménagée du butan-1-ol par les ions permanganate en milieu acide.
Cette oxydation conduit au butanal et à l'acide butanoïque si l'oxydant MnO4– en milieu acide est en excès. D'une façon plus générale, un alcool primaire fait partie du couple redox: R—CH2—OH / R—CHO et l'ion permanganate fait partie du couple: MnO4– / Mn2+.
On a alors :
En présence d'un excès d'oxydant, l'aldéhyde peut, à son tour, subir une oxydation en acide carboxylique. Les couples mis en jeu sont alors: R—COOH / R—CHO et MnO4– / Mn2+.
On a alors :
Remarque:
Il est possible d'oxyder l'alcool R—CH2—OH directement en acide carboxylique soit en faisant la somme des deux dernières équations, soit en considérant les couples mis en jeu: R—COOH / R—CH2—OH et MnO4– / Mn2+. l'équation de cette oxydation est :
Oxydation ménagée d'un alcool secondaire, le butan-2-ol, par les ions permanganate en milieu acide.
Cette oxydation ménagée conduit à une cétone (mise en évidence par sa réaction avec la DNPH et son absence de réaction avec le réactif de Schiff). Elle ne se poursuit pas jusqu'à un acide carboxylique même en présence d'un excès d'oxydant.
Les couples mis en jeu sont : CH3—CH2—CO—CH3 / CH3—CH2—CHOH—CH3 et MnO4– / Mn2+.
On a alors :
Résumé.
3 / Déshydratation des alcools
C'est une réaction d'élimination d'une molécule d'eau qui conduit à un alcène.
Par exemple, en faisant passer du propan-2-ol sur de l'alumine (Al2O3) vers 300°C on obtient du propène.
4 / Passage d'un alcool à un composé halogéné
Par action d'un hydracide halogéné (HCl, HBr, HI) les alcools subissent une substitution (remplacement) de leur groupe hydroxyle —OH par un atome d'halogène. Les composés halogénés obtenus ont une densité plus élevée que celle de l'eau.
Exemple :
D / Passage d’un groupe caractéristique à un autre
La maîtrise du passage d'un groupe caractéristique à un autre ou d'une famille chimique à une autre est un enjeu capital en chimie organique. C'est cette maîtrise qui permet de recréer des molécules existant dans la nature ou d'en créer de nouvelles. Ces répliques et ces créations de molécules trouvent de nombreuses applications industrielles et pharmaceutiques.
1 / Passage des alcools à d'autres familles (rappel)
a / Par oxydation ménagée
b / Par déshydratation
c / Par substitution
2 / Réactions inverses
Les réactions précédentes peuvent en général être inversées. Certaines de ces inversions sont plus ou moins faciles à réaliser et présentent plus ou moins d'intérêt.
a / Réduction des acides carboxyliques et des composés carbonylés
La réduction des acides carboxyliques en aldéhydes est difficile car elle se poursuit en général par la réduction des aldéhydes en alcools primaires. La réduction des composés carbonylés s'effectuent en présence de dihydrogène sous une pression de 4 à 5 bar avec du platine ou du nickel comme catalyseur. Le schéma général de ces transformations est le suivant :
b / Hydratation des alcènes
C'est une réaction d'addition. Elle obéit au schéma suivant :
Cette hydratation donne en général un mélange de deux alcools avec une proportion supérieur de l'alcool de la classe la plus élevée.
c / Passage d'un dérivé halogéné à l'alcool
Il peut se faire par action de l'eau sur le dérivé halogéné (on parle alors d'hydrolyse) ou mieux par action des ions hydroxyde HO-. C'est une réaction qui présente peu d'intérêt industriel.
3 / Passage du groupe halogéno —X au groupe amino
On passe d'une famille à l'autre par action de l'ammoniac NH3 sur le dérivé halogéné R—X.
mais l'amine obtenue est une base qui réagit avec l'acide HX suivant le bilan :
l'amine est alors obtenue par action de l'ammoniac en excès (réaction du type acide base) :
l'équation de la réaction de ce passage est obtenue en faisant la somme des trois équations précédentes. On a alors :
4 / Rendement d'une réaction de synthèse
Lors d'une synthèse (comme lors de la plupart des transformations chimiques) la quantité de matière de produit obtenue est en général inférieure à la quantité de matière de produit que l'avancement maximal permet de calculer. Les raisons de cet écart sont multiples, on peut citer par exemple :
L'avancement maximal n'est pas toujours atteint, faute de temps (pour les réactions lentes en particulier).
Lors de différentes opérations telles que les lavages, les extractions, les purifications et les séchages, une partie du produit peut être perdue.
On définit alors le rendement r de la façon suivante :
Le rendement est un nombre sans unité (sans dimension) compris entre 0 et 1.
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