Chimie organique et nouveaux matériaux

 

 

I. Groupes caractéristiques, aldéhydes, cétones

1. Groupe caractéristique

Définition: Un groupe caractéristique est un groupe d'atomes qui donne des propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent. On dit que ces molécules forment une famille chimique.

 

2. Familles des composés carbonylés

On rencontre deux familles chimiques de composés présentant le groupe carbonyle :

a. Famille des aldéhydes

Un aldéhyde possède le groupe carbonyle situé en bout de chaîne carbonée.

La formule générale d’un aldéhyde s’écrit :

Nomenclature: On nomme un aldéhyde 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).

Exemples:

 

b. Famille des cétones

Une cétone possède le groupe carbonyle situé dans la chaîne carbonée.

La formule générale d’une cétone s’écrit :

Nomenclature: On nomme une cétone en remplaçant le e final de l'alcane dont elle dérive par la terminaison one précédée éventuellement de l'indice de position du carbone fonctionnel (carbone du groupe carbonyle).

Exemples:

 

3. Famille des acides carboxyliques

Les molécules de cette famille présentent toutes le groupe carboxyle en bout de chaîne.

La formule générale d’un acide carboxylique s’écrit :

Nomenclature: On nomme un acide carboxylique 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).

Exemples:

 

 

II. Caractérisation des familles

1. Composés carbonylés

a. Test commun aux aldéhydes et aux cétones

Les composés carbonylés (aldéhydes et cétones) se caractérisent à l'aide de la 2,4-dinitrophénylhydrazine (DNPH) avec laquelle ils donnent un précipité jaune orangé.

Exemple : On prépare deux tubes à essai contenant respectivement environ 1mL de DNPH. On ajoute dans le premier tube quelques gouttes d’une solution d'éthanal et dans le second tube quelques gouttes de propanone (de gauche à droite sur l'image). On observe la formation d'un précipité jaune dans les deux tubes.

 

b. Test complémentaire des aldéhydes

En présence d'un aldéhyde le réactif de Schiff prend une teinte rose violacée (voir ci-contre).

 

2. Acides carboxylique

a. Caractère acide

L'eau distillée est une solution neutre : elle contient autant d'ions hydrogène H (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaadIeadaqhaaWcbaGaaiikaiaadggacaWGXbGaaiykaaqaaiabgUcaRaaaaaa@3CDD@  que d'ions hydroxyde O H (aq) − MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaad+eacaWGibWaa0baaSqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeaacqGHsislaaaaaa@3DBC@ .

Une solution est dite acide si elle contient plus d'ions H (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaadIeadaqhaaWcbaGaaiikaiaadggacaWGXbGaaiykaaqaaiabgUcaRaaaaaa@3CDD@  que d'ions O H (aq) − MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaad+eacaWGibWaa0baaSqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeaacqGHsislaaaaaa@3DBC@ .

Définition : On appelle acide une espèce chimique qui libère des ions H (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaadIeadaqhaaWcbaGaaiikaiaadggacaWGXbGaaiykaaqaaiabgUcaRaaaaaa@3CDD@ .

Un acide carboxylique est un acide car lors de sa mise en solution aqueuse, il libère des ions H (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaadIeadaqhaaWcbaGaaiikaiaadggacaWGXbGaaiykaaqaaiabgUcaRaaaaaa@3CDD@  selon la réaction:

R−COO H (aq) →RCO O (aq) − + H (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaadkfacqGHsislcaWGdbGaam4taiaad+eacaWGibWaaSbaaSqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeqaaOGaeyOKH4QaamOuaiaadoeacaWGpbGaam4tamaaDaaaleaacaGGOaGaamyyaiaadghacaGGPaaabaGaeyOeI0caaOGaey4kaSIaamisamaaDaaaleaacaGGOaGaamyyaiaadghacaGGPaaabaGaey4kaScaaaaa@4FB8@

On obtient alors une solution acide qui contient des ions H (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqaaeaadaabauaaaOqaaiaadIeadaqhaaWcbaGaaiikaiaadggacaWGXbGaaiykaaqaaiabgUcaRaaaaaa@3CDD@

L'acidité d'une solution est mesurée par le pH ; le pH d'une solution acide est plus petit que 7.

Remarque : Ne pas confondre « un acide » et « une solution acide ».

 

b. Solubilité et pH

Les acides carboxyliques de petite chaîne carbonée (c'est-à-dire possédant moins de quatre atomes de carbone) sont très solubles dans l'eau. Leur solubilité décroît au fur et à mesure que la chaîne carbonée s'agrandit.

Cette solubilité s'explique par:

    Le  caractère polaire du groupe carboxyle.

    La possibilité du groupe carboxyle de former des liaisons hydrogène avec l'eau.

 

 

III. Oxydation des alcools

1. Oxydation d'un alcool primaire

L'oxydation d'un alcool primaire conduit dans un premier temps à l'aldéhyde correspondant, puis, si l’oxydant est en excès, à l'acide carboxylique correspondant:

Remarque: Les oxydants réagissent à la fois avec l'alcool et l'aldéhyde formé. Il est donc très difficile d'oxyder un alcool primaire en aldéhyde sans avoir formé un peu d'acide carboxylique correspondant.

 

2. Oxydation d'un alcool secondaire

L'oxydation d'un alcool secondaire conduit à la cétone correspondante:

 

3. Oxydation d'un alcool tertiaire

II n'est pas possible de réaliser une oxydation d'un alcool tertiaire autre qu'une combustion.

 

4. Exemple pratique: oxydation d’éthanol par le permanganate de potassium

a. Manipulation:

On prépare deux tubes à essai contenant respectivement 1mL d'eau et 1mL d'éthanol (de gauche à droite sur l'image). On ajoute à chaque tube environ 1mL de la solution acidifiée de permanganate de potassium (éventuellement tiédit légèrement au bain marie). Dans le tube contenant l'éthanol, il y a décoloration de la solution de permanganate de potassium.

 

b. Exploitation:

L’éthanol est un alcool primaire.

La réaction consiste en l'oxydation de l'éthanol par l'ion permanganate. Les couples rédox mis en jeu lors de la réaction sont:

C H 3 −CHO/C H 3 −C H 2 −OH MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadoeacaWGibWaaSbaaSqaaiaaiodaaeqaaOGaeyOeI0Iaam4qaiaadIeacaWGpbGaai4laiaadoeacaWGibWaaSbaaSqaaiaaiodaaeqaaOGaeyOeI0Iaam4qaiaadIeadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccqGHsislcaWGpbGaamisaaaa@474D@  et Mn O 4 − /M n 2+ MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2eacaWGUbGaam4tamaaDaaaleaacaaI0aaabaGaeyOeI0caaOGaai4laiaad2eacaWGUbWaaWbaaSqabeaacaaIYaGaey4kaScaaaaa@40F0@  ainsi que C H 3 −COOH/C H 3 −CHO MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadoeacaWGibWaaSbaaSqaaiaaiodaaeqaaOGaeyOeI0Iaam4qaiaad+eacaWGpbGaamisaiaac+cacaWGdbGaamisamaaBaaaleaacaaIZaaabeaakiabgkHiTiaadoeacaWGibGaam4taaaa@4575@  et Mn O 4 − /M n 2+ MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2eacaWGUbGaam4tamaaDaaaleaacaaI0aaabaGaeyOeI0caaOGaai4laiaad2eacaWGUbWaaWbaaSqabeaacaaIYaGaey4kaScaaaaa@40F0@  si l'oxydant est en excès.

Équations bilan de la réaction

 

En présence d'un excès d'oxydant, l'aldéhyde peut, à son tour, subir une oxydation en acide carboxylique.

 

 

IV. Synthèse et hémisynthèse de molécules biologiquement actives

1. Obtention de molécules biologiquement actives

Une molécule biologiquement active est une molécule qui a la propriété d'interagir avec l'organisme.

Il est possible de produire ces espèces :

        soit par synthèse, à partir de molécules simples.

        soit par hémisynthèse, à partir d'espèces chimiques naturelles ayant une structure proche, appelées précurseurs.

 

2. Rendement d'une synthèse

Lors d'une synthèse, la masse de produit obtenue est toujours inférieure à la masse attendue car les différentes étapes entraînent des pertes de produits.

Définition: Le rendement r d'une transformation chimique est le rapport, exprimé en pourcentage, entre la masse de produit effectivement obtenu et la masse maximale attendue, calculée avec l'hypothèse d'une réaction totale.

r= m expérimentale m théorique MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaamaaL4babaGaamOCaiabg2da9maalaaabaGaamyBamaaBaaaleaaciGGLbGaaiiEaiaacchacaWGPdGaamOCaiaadMgacaWGTbGaamyzaiaad6gacaWG0bGaamyyaiaadYgacaWGLbaabeaaaOqaaiaad2gadaWgaaWcbaGaamiDaiaadIgacaWGPdGaam4BaiaadkhacaWGPbGaamyCaiaadwhacaWGLbaabeaaaaaaaaaa@528A@

 

3. Nanochimie

La nanochimie étudie les objets dont les dimensions sont comprises entre quelques nanomètres (nm) et quelques centaines de nm: les nanoparticules. Elles présentent un comportement spécifique du fait de leur structure et de leur géométrie.

Les scientifiques cherchent à exploiter les propriétés électriques, optiques, magnétiques et chimiques particulières de ces nanoparticules.