Chimie Organique

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Chimie Organique

• Généralités sur les grandes fonctions organiques
  et les mécanismes réactionnels

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Objectifs

• Connaître les règles de nomenclature en chimie
  organique.
• Distinguer les différents groupes fonctionnels
  propres aux composés organiques.
• Avoir les bases nécessaires pour commencer à
  aborder les différentes réactions (sans trop
  rentrer dans les détails).
• Se familiariser avec les belles têtes de vos
  (futurs) tuteurs préférés Lucie, Jérémy et José.

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Plan

• Généralités.
• Nomenclature.
• Hydrocarbures saturés.
• Hydrocarbures insaturés.
• Composés contenant des fonctions organiques.
• Principales fonctions organiques.
• Alcools.
• Thiols.
• Aldéhydes/cétones.
• Acides carboxyliques.
• Amines.
• Dérivés halogénés
• Principaux mécanismes réactionnels.
• Effets électroniques
• Effet inductif.
• Effet mésomère.

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Généralités

• Définitions
• La chimie organique est la branche de la chimie
  qui concerne la description et létude des
  composés organiques.
• Attention ne pas confondre avec la biochimie,
  qui étudie les molécules fabriquées par les
  organismes vivants.
• Les composés organiques sont des molécules
  composées datomes de carbone et dhydrogène.
• En plus des atomes de carbone et dhydrogène, les
  molécules organiques peuvent contenir des atomes
  doxygène, dazote, de soufre, des halogènes
  (chlore, fluor, brome,) ainsi que plus rarement
  autres atomes.
• Les atomes qui composent ces molécules sont
  toujours liés entre eux par des liaisons
  covalentes elles peuvent être simples, doubles
  voire triples!
• Exemple de molécule organique

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Généralités un peu de vocabulaire

• Saturation une molécule saturée nest composée
  que par des liaisons simples, alors quune
  molécule insaturée possède au moins une liaison
  double.
• Conjugaison un composé conjugué est un composé
  où se produisent des déplacements délectrons le
  long des liaisons covalentes. Exemple une
  molécule où deux doubles liaisons sont séparées
  par une simple liaison
• CH2CH-CHCH2 CH2-CHCH-CH2-
• Polarité une liaison covalente polarisée voit
  ses électrons se rapprocher dun des atomes sous
  linfluence de plusieurs facteurs
  (électronégativité, effets inductif ou mésomère).
  Ceci a un grand impact sur la réactivité de la
  liaison.
• Aliphatique une chaîne aliphatique ne contient
  aucune conjugaison (linéaire ou cyclique).
• Aromatique une molécule aromatique contient un
  cycle d'atomes de carbone similaire à celui du
  benzène (doubles liaisons conjuguées). Exemple
  aniline

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Plan

• Généralités.
• Nomenclature.
• Hydrocarbures saturés.
• Hydrocarbures insaturés.
• Composés contenant des fonctions organiques.
• Principales fonctions organiques.
• Alcools.
• Thiols.
• Aldéhydes/cétones.
• Acides carboxyliques.
• Amines.
• Dérivés halogénés
• Principaux mécanismes réactionnels.
• Effets électroniques
• Effet inductif.
• Effet mésomère.

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Nomenclature des hydrocarbures saturés

• Pour pouvoir nommer un composé organique, il faut
  suivre des règles précises, qui sont à la base de
  la chimie organique.
• Dabord, il faut trouver la chaîne hydrocarbonée
  la plus longue à considérer comme l'alcane de
  base et lui donner un nom. Les plus communs
  1Cméthane, 2Céthane, 3C propane, 4Cbutane.
  Après, les préfixes habituels pent-, hex-,
  hept-, oct-, non-, Si la molécule forme un
  cycle, faire suivre lalcane du préfixe cyclo-.
• Ensuite il faut identifier tout groupe alkyl (ex
  éthyl CH3-CH2-) branché sur l'alcane et lui
  donner un nom (radical) placer ce nom en préfixe
  devant le nom de l'alcane de base.
• Finalement, faire suivre le nom de chaque radical
  par un chiffre indiquant la position de la
  ramification sur l'alcane de base (sil y a
  plusieurs ramifications, alors il faut prendre la
  somme des indices la plus faible). 
• Exemple éthyl-4 méthyl-3 heptane

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Nomenclature des hydrocarbures insaturés

• Suit les mêmes règles que pour un hydrocarbure
  insaturé, il suffit de changer le suffixe.
• Pour un alcène simple (double liaison CC) le nom
  de la molécule termine par ène, suivi par le
  chiffre indiquant la position de linsaturation.
  Sil y a deux doubles liaisons, alors le suffixe
  est diène. Exemple butadiène-1,3
  CH2CH-CHCH2
• Les molécules cycliques aromatiques ont une
  nomenclature particulière dont la plus connue est
  celle du benzène

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Nomenclature des composés contenant au moins un
groupement fonctionnel

• Lorsque le composé contient un seul groupement
  fonctionnel, alors il est généralement signalé en
  suffixe (suivi de sa position si nécessaire).
• Si le composé contient deux ou plus groupements
  fonctionnels, alors seule la fonction principale
  est indiquée en suffixe, les autres apparaissant
  en tant que préfixes (une hiérarchie existe entre
  les fonctions).
• Exemple des alcools si principale alors suffixe
  ol, si secondaire alors préfixe hydroxy-
  (suivies si nécessaire du numéro indiquant leur
  position).
• Certaines fonctions sont toujours indiquées en
  préfixe. Exemple les dérivés halogénés (fluoro-,
  chloro-, bromo-, iodo-).

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Plan

• Généralités.
• Nomenclature.
• Hydrocarbures saturés.
• Hydrocarbures insaturés.
• Composés contenant des fonctions organiques.
• Principales fonctions organiques.
• Alcools.
• Thiols.
• Aldéhydes/cétones.
• Acides carboxyliques.
• Amines.
• Dérivés halogénés
• Principaux mécanismes réactionnels.
• Effets électroniques
• Effet inductif.
• Effet mésomère.

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Alcools

• Formule générale R-OH
• Trois classes
• Alcool primaire R-CH2-OH (OH en bout de chaîne)
• Alcool secondaire R-CHOH-R
• Alcool tertiaire
• Liaison polarisée en faveur de loxygène (effet
  inductif attracteur).
• Nomenclature suffixe ol ou préfixe hydroxy-
  (suivis du chiffre indiquant la position si
  nécessaire).
• Acidité très faible départ du H très difficile,
  ne réagit pas avec la soude.
• Subissent des réactions doxydation

Alcool primaire ? aldéhyde ? acide
carboxylique Alcool secondaire ? cétone
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Thiols

• Composés soufrés avec des propriétés très
  similaires à celles des alcools (en effet, O et S
  sont situés sur la même colonne du tableau
  périodique).
• Liaison polarisée en faveur du soufre (effet
  inductif attracteur).
• Formule générale R-SH
• Nomenclature suffixe thiol.
• Oxydation modérée, conduit à la formation de
  thioéthers R-S-S-R (rôle dans les protéines au
  niveau des ponts disulfure).

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Aldéhydes cétones

• Composés carbonylés double liaison avec un
  carbone.
• Aldéhydes oxygène en bout de chaîne R-CHO
• Cétones oxygène en milieu de chaîne
• Liaison polarisée en faveur de loxygène (effet
  mésomère attracteur).
• Nomenclature suffixe al pour un aldéhyde (pas
  de numéro car toujours en bout de chaîne) et one
  pour une cétone (suivie du chiffre de sa position
  si nécessaire).
• Réduction dun aldéhyde en alcool primaire,
  dune cétone en alcool secondaire.
• Oxydation dun aldéhyde en acide carboxylique.
  Une cétone ne peut soxyder que sil y a rupture
  de la chaîne.
• Exemples butanone CH3-CO-CH2-CH3,
  propanal CH3-CH2-CO

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Acides carboxyliques

• Composés carboxylés un carbone lié à deux atomes
  doxygène (une simple liaison et une double
  liaison).
• Formule générale R-COOH
• Nomenclature acide au début du nom suivi du
  suffixe oïque.
• Acidité en solution dans leau, lacide se
  dissocie partiellement pour donner des ions
  carboxylate R-COO- (départ dun proton H).
• Mésomérie
• Dérivés nombreux, par exemple les esters et les
  amides

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Amines

• Composés azotés simple liaison avec un atome
  dazote.
• Formule générale R-NH2
• Trois classes (attention différent aux alcools)
• Amine primaire R-NH2
• Amine secondaire R1-NH-R2
• Amine tertiaire
• Liaison polarisée en faveur de lazote (effet
  inductif attracteur).
• Nomenclature suffixe amine ou préfixe amino-.
• Basicité dans leau les amines sont des bases
  faibles (captent un proton H).
• Autres composés azotés les imines (double
  liaison avec lazote), les nitriles (triple
  liaison), les amides (cf. ci-dessus).

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Dérivés halogénés

• Halogènes atomes de la septième colonne de la
  classification périodique (fluor, chlore, brome,
  iode).
• Formule générale R-X
• Liaison polarisée en faveur de lhalogène (effet
  inductif attracteur).
• Nomenclature toujours en préfixe (lhalogène est
  considéré comme un substituant) halogéno- ou
  halogénure de-. Exemple dichlorométhane CH2-Cl2.

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Plan

• Généralités.
• Nomenclature.
• Hydrocarbures saturés.
• Hydrocarbures insaturés.
• Composés contenant des fonctions organiques.
• Principales fonctions organiques.
• Alcools.
• Thiols.
• Aldéhydes/cétones.
• Acides carboxyliques.
• Amines.
• Dérivés halogénés
• Principaux mécanismes réactionnels.
• Effets électroniques
• Effet inductif.
• Effet mésomère.

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Principaux mécanismes réactionnels

• Toutes les réactions en chimie organique sont le
  résultat dun mécanisme simple ou de la
  combinaison de mécanismes simples.
• Addition seffectue sur une insaturation. Un
  réactif et son substrat se combinent pour former
  un seul produit (AB?A-B)
• Exemple CH2CH2 Cl2 ? CH2Cl-CH2Cl
• Élimination un réactif donne deux produits, avec
  la formation dune insaturation (A-B ?AB),
  souvent sous linfluence dune température
  élevée.
• Exemple CH3-CH2-OH ? CH2CH2 H2O
• Substitution un réactif modifie et se lie sur
  son substrat pour obtenir une nouvelle molécule
  (A-B C ? A-C B).
• Exemple CH3-CH2-OH Cl- ? CH3-CH2-Cl OH-
• Exemple de combinaison de plusieurs mécanismes
  estérification (cf. lycée) addition suivie dune
  élimination.

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Rupture des liaisons simples

• Selon la polarisation de la liaison covalente
  simple (s), plusieurs cas de figure sont
  possibles.
• Liaison non polarisée atomes de même
  électronégativité, par exemple dans les alcanes.
  Il se produit une rupture homolytique chaque
  atome prend un électron célibataire du doublet
  liant, ce qui produit des radicaux libres.
  Leffet des UV est souvent nécessaire.
• R-R ? R R (R représente un radical libre)
• Liaison polarisée atomes délectronégativité
  différente. Il se produit une rupture
  hétérolytique latome le plus électronégatif
  garde les électrons du doublet liant (exemple
  dérivés halogénés). Il se produit une ionisation.
• R-Br ? R Br-

Rappel lélectronégativité augmente de la gauche
vers la droite sur une même période, et du bas
vers le haut sur une même colonne.
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Electronégativité
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Sites électrophiles/nucléophiles

• Un site électrophile (symbolisé E) est pauvre en
  électrons, il va donc essayer de  gagner  des
  électrons provenant dun composé nucléophile
  (noté Nu-).
• Un site nucléophile possède une densité
  électronique élevée, il est donc susceptible de
  réagir avec un composé électrophile avide
  délectrons.
• Toute liaison polarisée contient un site
  nucléophile correspondant à latome le plus
  fortement électronégatif (charge partielle d-) et
  un site électrophile (charge partielle d).
• Exemple au niveau dune liaison alcool,
  loxygène très électronégatif est le site
  nucléophile, alors que le carbone moins
  électronégatif constitue le site électrophile.
• En chimie orga, les réactions portent souvent un
  nom selon la nature du réactif qui attaque le
  substrat.
• Exemple dans une addition électrophile, un
  alcène (substrat) subit dabord une attaque par
  un réactif électrophile (H, Cl, Br,).

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Plan

• Généralités.
• Nomenclature.
• Hydrocarbures saturés.
• Hydrocarbures insaturés.
• Composés contenant des fonctions organiques.
• Principales fonctions organiques.
• Alcools.
• Thiols.
• Aldéhydes/cétones.
• Acides carboxyliques.
• Amines.
• Dérivés halogénés
• Principaux mécanismes réactionnels.
• Effets électroniques
• Effet inductif.
• Effet mésomère.

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Effet inductif

• Concerne uniquement les électrons s et traduit
  laction de déformation du nuage électronique s
  le long dune liaison simple. Il peut être
  attracteur (I-) ou donneur (I)
• Il augmente avec la différence délectronégativité
  entre les deux atomes. Ex leffet inductif
  attracteur du fluor dans F-CH3 est supérieur à
  celui du chlore dans Cl-CH3.
• Il se propage le long dune chaîne en satténuant
  (disparaît au bout de trois liaisons covalentes).
• Il est cumulatif et est représenté par une flèche
  au niveau de la liaison indiquant le sens du
  déplacement des charges.
• Exemples de groupements exerçant un effet
  inductif
• Donneurs CH3-, CH2-CH3-, Li-, Na-,
• Attracteurs Cl-, OH-, Br-,
• Exemples H3C CHCH2 F CH2 CH2 CH3
  

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Effet mésomère

• Concerne les électrons ? et les électrons non
  liants (p). Leffet mésomère peut être donneur
  (M) ou attracteur (M-).
• Il traduit laction de déformation du nuage
  électronique ? dans un système conjugué
  permettant une délocalisation électronique.
• Il est plus intense quun effet inductif.
• Il se propage le long des liaisons conjuguées
  sans atténuation.
• Le phénomène de mésomérie (résonance) correspond
  à une stabilisation du système.
• Exemple de groupements impliqués dans un effet
  mésomère
• Donneurs halogènes (par un de leurs doublets non
  liants), oxygène dun alcool (idem), azote dune
  amine (idem)
• Attracteurs oxygène dun aldéhyde ou dune
  cétone, azote dune imine

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QCM nº1 correction

• La molécule suivante porte le nom dacide
  chloro-3 butanoïque 
• Faux le nom de cette molécule est lacide
  chloro-2 butanoïque.
• Le suffixe correspondant à un alcool est
  hydroxy.
• Faux hydroxy- correspond au préfixe, le suffixe
  est ol.
• Loxydation dun alcool primaire conduit toujours
  à la formation dune cétone.
• Faux on obtient en général un aldéhyde.
• Les amines, les imines et les thiols sont des
  composés azotés.
• Faux les thiols sont des composés soufrés.
• Les liaisons entre atomes de carbone du butane
  sont très peu ou pas polarisées.
• Vrai alcane donc liaisons peu polaires (rupture
  homolytique).
• Réponse E (seule e est
  vraie).

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QCM nº2 correction

• Mésomérie, conjugaison et résonance tiennent
  compte du même phénomène électronique.
• Vrai délocalisation électronique le long des
  liaisons ?.
• Une rupture hétérolytique se produit toujours au
  niveau dune liaison entre atomes de même
  électronégativité.
• Faux le plus souvent entre atomes
  délectronégativité différente (mais peut se
  produire entre atomes de même électronégativité
  dans des cas particuliers par linfluence
  deffets inductif ou mésomère).
• Une addition se produit sur des liaisons simples.
  
• Faux se produit sur des insaturations pour
  former des liaisons simples.
• Un réactif nucléophile a tendance à réagir avec
  un composé dense en électrons.
• Faux le nucléophile est déjà dense en électrons,
  il cherche donc un site électrophile pauvre en
  électrons pour réagir.
• Sur le carbone a de la molécule ci-dessous
  sexercent à la fois des effets inductifs donneur
  et attracteur.
• Vrai Cl attracteur, groupement alkyl donneur.
• Réponse B

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• Bon courage