Le squelette carboné
A / Diversité des chaînes carbonées
1 / Définition
On appelle chaîne carbonée ou squelette carboné l'enchaînement des atomes de carbone constituant une molécule organique.
C'est donc ce qu'il reste d'une molécule organique lorsqu'on l'a dépouillée de tout autre atome que ceux de carbone.
2 / Représentations des molécules (exemple : l’éthanol)
a / Formule brute
Du type CxHyOz (il peut y avoir d'autres éléments), elle nous renseigne sur la nature et le nombre des atomes constitutifs. Par exemple l'éthanol a pour formule brute C2H6O
b / Formule développée plane
Elle fait apparaître tous les atomes dans le même plan et toutes les liaisons entre ces atomes. Les angles entre les liaisons sont de 90°, exceptionnellement de 120° pour des raisons de clarté, ce qui ne représente pas la réalité géométrique de la molécule.
c / Formule semi-développée plane
Elle dérive de la précédente par suppression des liaisons mettant en jeu l'hydrogène (C—H; C—O; C—N;...).
d / Représentation de Lewis
Elle est du même type que la formule développée plane à laquelle on ajoute les doublets non liants.
e / Représentation topologique
La chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée. Chaque extrémité de segment représente un atome de carbone portant autant d'atomes d'hydrogène qu'il est nécessaire pour satisfaire à la règle de l'octet. Les atomes autres que C sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes d'hydrogène qu'ils portent.
3 / Les trois types de chaîne carbonées
a / Chaîne linéaire
b / Chaîne cyclique
c / Chaîne ramifiée
Remarque :
La chaîne carbonée (ou hydrocarbure) est dite saturée si elle ne présente que des liaisons simples C – C. Elle est dite insaturée si elle présente au moins une liaison multiple entre deux atomes de carbone.
Si la chaîne carbonée comporte une (ou plusieurs) liaison double C = C, la chaîne carbonée (ou hydrocarbure) porte le nom d’alcène.
B / Nomenclature des alcanes
1 / Nomenclature
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés. Cela signifie qu'ils ne sont constitués que d'atomes de carbone et d'hydrogène liés entre eux que par des liaisons simples C—C et C—H (pas d'insaturation). Leur formule brute générique est de la forme: CnH2n+2.
Cette nomenclature doit être maîtrisée car elle est à la base de toute la nomenclature systématique en chimie organique.
a / Noms des alcanes à chaîne linéaire
Les quatre premiers alcanes portent des noms consacrés par l'usage.
Les noms des suivants s'obtiennent en ajoutant la terminaison ane à un préfixe d'origine grecque indiquant le nombre d'atomes de carbone.
b / Noms des alcanes à chaînes ramifiées
Les groupes alkyle :
En enlevant un atome d'hydrogène à un alcane on obtient un groupe d'atomes appelé : groupe alkyle.
On obtient le nom du groupe alkyle en remplaçant la terminaison ane de l'alcane par la terminaison yle.
Noms des alcanes ramifiés :
Pour nommer un alcane à chaîne ramifiée, on fait précéder le nom de l'alcane linéaire correspondant à la chaîne la plus longue (chaîne principale) du nom du groupe alkyle correspondant à la ramification en élidant (supprimant) le e final du groupe alkyle. On place devant ce nom, en le séparant par un tiret, un nombre indiquant la position du groupe sur la chaîne principale. Les atomes de carbone de cette chaîne sont numérotés à partir de l'une de ses extrémités, de telle façon que l'indice de position du groupe alkyle soit le plus petit possible.
Si la chaîne principale porte plusieurs groupes alkyle, on indique leur nom par ordre alphabétique.
Lorsque plusieurs groupes alkyle sont identiques, on utilise les préfixes di, tri, tétra..
Pour déterminer le sens de numérotation des atomes de carbone de la chaîne principale, on écrit par ordre croissant (sans se préoccuper de l'ordre alphabétique) les indices de position des groupes alkyle en partant successivement des deux extrémités de la chaîne principale. On obtient deux nombres. On retient la numérotation de la chaîne qui conduit au plus petit de ces deux nombres.
C / Isomérie
1 / Définitions
Deux corps isomères sont des composés qui ont la même formule brute mais des structures différentes.
Des isomères de constitution ont la même formule brute mais des formules développées planes (ou semi-développées) différentes.
2 / Isomérie Z–E
Molécules concernées :
Cette isomérie concerne certaines molécules de dérivés éthyléniques, c'est-à-dire des molécules présentant non seulement au moins une double liaison entre deux atomes de carbone mais aussi une structure du type : AHC=CHB (les groupes A et B pouvant éventuellement être identiques).
Exemple :
La terminaison ane des alcanes est remplacée par la terminaison ène des alcènes. On précise le numéro (placé entre tirets) de l'atome de carbone de plus petit indice portant la double liaison, et on indique par les lettres Z ou E ( placées entre parenthèses devant le nom et séparée par un tiret) si les atomes d'hydrogène situés aux extrémités de la liaison C=C sont situés respectivement du même côté ou de part et d'autre de l'axe C=C.
Remarque :
Les dérivés éthyléniques donnent aussi lieu à une isomérie de position. C'est une isomérie de constitution qui n'est pas une isomérie de chaîne. Elle est due à la possibilité de rencontrer la double liaison C=C en différents endroits de la chaîne carbonée.
D / Influence de la chaîne carbonée sur quelques propriétés physiques
1 / Évolution de quelques propriétés physiques
Température d’ébullition :
La température d'ébullition croît avec le nombre d'atomes de carbone au sein d'une famille chimique.
Densité des alcanes liquides :
Les alcanes liquide (à partir du pentane) ont une densité par rapport à l'eau plus petite que 1. Cette densité croît avec le nombre d'atomes de carbone
Solubilité :
Les hydrocarbures sont insolubles dans l'eau comme dans tous les solvants polaires en général car ils sont apolaires. Si la chaîne carbonée porte un groupe caractéristique à caractère polaire (—OH, —NH2, —COOH ...) les molécules présentent une certaine solubilité dans l'eau (ou dans les solvants polaires). Cette solubilité diminue avec le nombre d'atomes de carbone.
2 / Application: Distillations
Distillation simple :
Lorsqu'on chauffe suffisamment un mélange liquide de plusieurs constituants, la vapeur qui s'en dégage est plus riche que le liquide en constituant le plus volatil. En condensant cette vapeur à l'aide d'un réfrigérant, on obtient donc un distillat plus riche que le mélange initial en composant le plus volatil (celui qui possède la température d'ébullition la plus basse). Simultanément le liquide initial s'est enrichi en composants les moins volatils.
Distillation fractionnée :
En recommençant un grand nombre de fois l'opération précédente, d'une part sur le distillat et d'autre part sur le liquide non distillé, on parvient à séparer les divers constituants d'un mélange liquide. C'est la distillation fractionnée.
Cette distillation fractionnée est mise en oeuvre pour séparer les divers constituants des pétroles dans de grandes colonnes, dites colonnes à plateaux.
E / Modification du squelette carboné
La modification du squelette carboné des composés organiques et plus particulièrement des hydrocarbures répond à des besoins.
Les coupes issues de la distillation fractionnée des pétroles conduisent, en général, à des composés qui ne sont pas directement utilisables ou dont les propriétés sont inadaptées à la demande des consommateurs (industries, grand public (essences)...).
Voici deux exemples de raisons pour lesquelles on est amené à modifier la chaîne carbonée des hydrocarbures issus de la distillation fractionnée des pétroles :
. Améliorer la qualité des essences en augmentant l'indice d'octane (IO : l'indice d'octane est un nombre caractérisant le pouvoir antidétonant d'un carburant),
. Produire des alcènes (hydrocarbures insaturés) à partir d'hydrocarbures saturés. Ces alcènes, beaucoup plus réactifs que les hydrocarbures saturés, sont des intermédiaires de synthèse très importants pour l'industrie.
F / Les techniques de modifications de la chaîne carbonée
1 / Le craquage thermique
Principe :
Le craquage thermique est une opération au cours de laquelle les molécules d'hydrocarbures saturés à longues chaînes sont cassées par l'agitation thermique pour produire des molécules à chaînes plus courtes.
La nature des produits obtenus dépend de plusieurs facteurs : la température (de 300°C à 850°C), de la pression, du choix du catalyseur (Substance, ajoutée au milieu réactionnel, qui a pour effet d'orienter la réaction et de la faciliter (la rendre plus rapide). Il ne participe pas au bilan réactionnel (ne figure pas dans l'équation de la réaction). Il est régénéré en fin de réaction) et éventuellement de la présence de vapeur d'eau (vapocraquage ou hydrocraquage).
Intérêt du craquage :
. Préparation des essences à partir des fractions lourdes (longues chaînes) issues de la distillation fractionnée des pétroles (on réalise le vapocraquage des fractions encore plus lourdes). On obtient des mélanges d'alcanes entrant dans la composition des essences.
. Production d'alcènes par vapocraquage des coupes légères (chaînes courtes) obtenues lors de la distillation fractionnée des pétroles ( par exemple: CH3—CH2—CH2—CH3(g) 2 CH2=CH2(g) + H2(g) ).
2 / Techniques ne modifiant pas le nombre d'atomes de carbone
a / Déshydrogénation
Une déshydrogénéation fait apparaître une double liaison entre deux atomes de carbone liés par une liaison simple par élimination d'un atome d'hydrogène porté par chaque atome de carbone concerné.
b / Ramification du squelette carboné
Il s'agit de la transformation, à température modérée (120°C à 200°C,) d'une chaîne linéaire en chaîne ramifiée. De ce point de vue c'est aussi une isomérisation.
c / Cyclisation
Dans des conditions voisines des précédentes, la cyclisation consiste à transformer un alcane linéaire en cyclane (alcane à chaîne fermée). Cette transformation n'est possible que pour des alcanes possédant au moins 5 atomes de carbone.
d / Cyclisation et déshydrogénation
La transformation précédente peut être réalisée à une température plus élevée (voisine de 500°C) et en présence d'un catalyseur (par exemple le platine Pt). Elle s'accompagne alors d'une déshydrogénation (élimination d'une molécule de dihydrogène) et conduit à l'apparition d'un cycle benzénique.
3 / Techniques permettant d'allonger la chaîne carbonée
a / L'alkylation
Cette technique consiste à substituer (remplacer) un atome d'hydrogène d'une chaîne carbonée par un groupe alkyle. On peut la réaliser en combinant un alcane et un alcène (opération inverse du craquage).
b / La polymérisation
Cette technique consiste en une addition répétée d'un très grand nombre de molécules insaturées appelées monomères. Elle conduit à une macromolécule appelée polymère.
n est appelé indice de polymérisation et le groupe —CH2—CHA— est appelé motif du polymère.
Voici quelques exemples de polymères et leurs principales applications :
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