Chimie organique et stratégie de synthèse

Cours · physique-chimie (terminale), chapitre 6 · terminale, spécialité physique-chimie · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Formule topologique d'un ester, l'éthanoate d'éthyle.

La chimie organique étudie les composés du carbone, à la base du vivant comme de très nombreux matériaux de synthèse (médicaments, plastiques, colorants, parfums). Comprendre la réactivité de ces molécules suppose d'identifier les groupes caractéristiques qu'elles portent, de savoir les nommer, puis de prévoir les transformations qu'elles subissent. Au-delà de la simple réaction, le chimiste organicien conçoit de véritables stratégies de synthèse : choix des réactifs, enchaînement d'étapes, protection de certaines fonctions, optimisation du rendement et limitation des déchets. Ce chapitre présente les familles fonctionnelles, les outils de la nomenclature, les principes de la stratégie de synthèse, l'analyse microscopique des mécanismes réactionnels à l'aide des flèches courbes, et enfin la synthèse des polymères par polyaddition.

6.1 Groupes caractéristiques et familles fonctionnelles

Une molécule organique est constituée d'un squelette carboné (chaîne d'atomes de carbone et d'hydrogène) sur lequel sont greffés des groupes caractéristiques. Ces groupes concentrent la réactivité de la molécule et définissent sa famille fonctionnelle.

Définition 6.1Groupe caractéristique et famille fonctionnelle

Un groupe caractéristique est un atome ou un groupe d'atomes responsable des propriétés chimiques particulières d'une molécule. L'ensemble des molécules possédant le même groupe caractéristique constitue une famille fonctionnelle. La réactivité d'une molécule dépend essentiellement des groupes caractéristiques qu'elle porte, et non de la longueur de son squelette carboné.

Proposition 6.2Principales familles fonctionnelles

On retiendra les familles suivantes, où R et R' désignent des groupes carbonés (chaînes ou cycles) :

Alcool : groupe hydroxyle $- OH$ porté par un carbone tétraédrique, $R - OH$ .
Aldéhyde : groupe carbonyle en bout de chaîne, $R - CHO$ .
Cétone : groupe carbonyle entre deux carbones, $R - CO - R^{'}$ .
Acide carboxylique : groupe carboxyle $- COOH$ , $R - COOH$ .
Ester : $R - COO - R^{'}$ .
Amine : groupe amino $- NH X_{2}$ (primaire), $R - NH X_{2}$ .
Amide : $R - CO - NH X_{2}$ (amide primaire).
Halogénoalcane : atome d'halogène X (F, Cl, Br, I) porté par un carbone, $R - X$ .

Définition 6.3Classe d'un alcool

Un alcool est dit :

primaire si le carbone portant $- OH$ est lié à un seul autre atome de carbone (ou à aucun, cas du méthanol) ;
secondaire s'il est lié à deux atomes de carbone ;
tertiaire s'il est lié à trois atomes de carbone.

Cette classe détermine le comportement de l'alcool lors de l'oxydation : un alcool primaire conduit à un aldéhyde puis à un acide carboxylique, un alcool secondaire à une cétone, tandis qu'un alcool tertiaire n'est pas oxydé dans les conditions usuelles.

Exemple 6.4Identification de familles

Considérons quelques molécules courantes.

L'éthanol $CH X_{3} - CH X_{2} - OH$ : famille des alcools (primaire).
Le propan-2-ol $CH X_{3} - CHOH - CH X_{3}$ : alcool secondaire.
L'éthanal $CH X_{3} - CHO$ : aldéhyde.
La propanone $CH X_{3} - CO - CH X_{3}$ : cétone.
L'acide éthanoïque $CH X_{3} - COOH$ : acide carboxylique.
L'éthanoate d'éthyle $CH X_{3} - COO - CH X_{2} - CH X_{3}$ : ester (odeur de dissolvant).

6.1.1 Formule topologique

Définition 6.5Formule topologique

La formule topologique est la représentation la plus utilisée en chimie organique : le squelette carboné est figuré par une ligne brisée dont chaque extrémité de segment représente un atome de carbone ; les atomes d'hydrogène portés par les carbones ne sont pas représentés (chaque carbone est complété à quatre liaisons par des H implicites) ; les hétéroatomes (O, N, Cl...) et les hydrogènes qu'ils portent sont écrits explicitement.

Proposition 6.6Squelettes carbonés insaturés et cycliques

Le squelette carboné peut être saturé (uniquement des liaisons simples C--C), insaturé (au moins une liaison double $C = C$ ou triple, comme dans le but-2-ène ci-dessus) ou cyclique (chaîne refermée sur elle-même, comme le cyclohexane). Ces caractéristiques du squelette, comme les groupes caractéristiques, se lisent directement sur la formule topologique.

6.1.2 Isomérie de constitution

Définition 6.7Isomères de constitution

Deux espèces sont isomères de constitution lorsqu'elles ont la même formule brute mais des enchaînements d'atomes différents : squelettes différents (isomérie de chaîne), position différente d'un groupe (isomérie de position) ou familles fonctionnelles différentes (isomérie de fonction). Leurs propriétés physiques et chimiques sont différentes.

Exemple 6.8Isomères de formule brute

C X_{4} H X_{10} O

La formule brute $C X_{4} H X_{10} O$ correspond notamment à :

le butan-1-ol $CH X_{3} - CH X_{2} - CH X_{2} - CH X_{2} - OH$ et le butan-2-ol $CH X_{3} - CHOH - CH X_{2} - CH X_{3}$ (isomères de position) ;
le 2-méthylpropan-1-ol $(CH X_{3}) X_{2} CH - CH X_{2} - OH$ (isomère de chaîne des précédents) ;
l'éthoxyéthane $CH X_{3} - CH X_{2} - O - CH X_{2} - CH X_{3}$ , un éther-oxyde (isomère de fonction, qui n'est pas un alcool).

Savoir représenter les formules topologiques de tels isomères, à partir d'une formule brute ou semi-développée, est une capacité exigible.

6.1.3 Reconnaissance par spectroscopie

Les groupes caractéristiques peuvent être identifiés expérimentalement. La spectroscopie infrarouge (IR) révèle les groupes par leurs bandes d'absorption, exploitées à partir de données tabulées : par exemple une bande large vers $3200$ – $3500 c m^{- 1}$ pour $O - H$ (alcools, acides), une bande fine et intense vers $1700 c m^{- 1}$ pour $C = O$ (aldéhydes, cétones, acides, esters, amides), une bande vers $3300$ – $3500 c m^{- 1}$ pour $N - H$ (amines, amides). La spectroscopie UV-visible permet quant à elle d'identifier une espèce par son spectre d'absorption (position de $λ_{m a x}$ ). Ces outils complètent les tests chimiques caractéristiques.

Exercices du chapitre

Classe d'un alcool et oxydation corrigé
Mécanisme par flèches courbes corrigé
Polyaddition corrigé
Problème — Synthèse de l'arôme de banane corrigé
Problème — Stratégie de synthèse et protection corrigé
Familles fonctionnelles corrigé

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