La structure et les propriétés des molécules en synthèse organiqueCours

I

La structure et les propriétés des molécules organiques

Les molécules organiques sont composées d'un squelette carboné et d'un groupe caractéristique qui détermine leur famille fonctionnelle (avec qui elle partage des propriétés chimiques similaires). Les règles de nomenclature lient le nom d'une molécule organique à sa structure. Les isomères de constitution sont des molécules possédant les mêmes atomes mais organisés différemment, ces molécules n'ont pas la même structure. La formule topologique des molécules isomères permet d'avoir un aperçu de leur géométrie. Les polymères sont des espèces chimiques possédant une longue chaîne carbonée.

A

Les squelettes carbonés des molécules organiques et leur nomenclature

Toutes les molécules organiques sont composées d'atomes de carbone liés entre eux. Cet enchaînement est appelé squelette carboné et il peut être cyclique, insaturé ou non.

Squelette carboné

On appelle squelette carboné l'enchaînement d'atomes de carbone liés entre eux que possèdent toutes les molécules organiques.

Le squelette carboné de la molécule de butane est composée de 4 atomes de carbone (en gris foncé sur le schéma), comme l'illustre son modèle moléculaire :

définition squelette carboné
Modèle moléculaire de la molécule de butane

Le squelette carboné d'une molécule organique peut être de différentes natures :

squelette carboné molécule organique différentes natures

Les squelettes carbonés

Une molécule composée uniquement d'un squelette carboné, sans groupe fonctionnel, appartient à la famille des alcanes. Le nom d'un alcane s'obtient en accolant :

  • un préfixe, lié au nombre d'atomes de carbone dans la chaîne principale.
  • un suffixe, indiquant la famille: -ane.

 

Nombre de carbones formant

la chaîne principale

Préfixe

1

méth-

2

éth-

3

prop-

4

but-

5

pent-

6

hex-

7

hept-

8

oct-

9

non-

10

déc-

On considère la molécule dont la formule semi-développée s'écrit \ce{CH3-CH2-CH2-CH3}.

Sa chaîne principale est composée de 4 atomes de carbone donc son préfixe est but- et elle n'a pas de groupe fonctionnel donc son suffixe est -ane.

C'est une molécule de butane.

Le nom d'un alcane portant des ramifications s'obtient en indiquant, dans l'ordre :

  • les noms des ramifications, placés dans l'ordre alphabétique et précédés d'un indice donnant le numéro de l'atome de carbone porteur de la ramification en question (qui doit être le plus petit possible) ;
  • le nom de la chaîne principale.

 

Le nom d'une molécule ne peut contenir d'espaces, donc les chiffres et les noms sont séparés par des tirets.

On considère la molécule dont la formule semi-développée s'écrit :

nom alcane portant ramifications

Son nom est 2-méthylpentane car :

  • sa chaîne principale, composée de 5 atomes de carbone, est associée au nom « pentane » ;
  • sa ramification, correspondant à un groupe méthyle, est liée au deuxième carbone de la chaîne principale.
2-méthylpentane chaîne principale ramification

Si une molécule est cyclique, on ajoute le préfixe « cyclo- » devant le nom de sa chaîne principale. Si la molécule possède des ramifications, le préfixe est ajouté après les noms des ramifications et avant le nom de la chaîne principale.

Le méthylcyclohexane est une molécule cyclique :

méthylcyclohexane molécule cyclique

On n'indique pas le chiffre lorsque la ramification est sur le premier carbone du squelette carboné.

On écrit méthylcyclohexane à la place de 1-méthylcyclohexane.

B

La formule topologique d'une molécule organique

La formule topologique d'une molécule organique permet de simplifier sa représentation. Cette formule topologique donne aussi un aperçu de la géométrie de la molécule, car elle respecte les angles entre les liaisons.

Formule topologique

La formule topologique d'une molécule est une représentation dans laquelle les atomes de carbone et d'hydrogène du squelette carboné ne sont pas représentés. 

définition formule topologique
Formule topologique de la vitamine C

Pour représenter la formule topologique d'une espèce chimique, on vérifie que :

  • les liaisons entre deux atomes de carbone sont représentées par des segments ;
  • les doubles liaisons sont représentées par des segments doubles ;
  • seuls les atomes d'hydrogène portés par d'autres atomes que les atomes de carbone sont représentés ;
  • les 4 liaisons autour d'un atome de carbone s'inscrivent dans un tétraèdre. Pour donner une indication sur la géométrie des molécules.

La formule semi-développée du pentan−3-ol est :

formule semi-développée pentan-3-ol

Formule semi-développée du pentan−3-ol

Ce qui donne la formule topologique suivante :

formule topologique pentan-3-ol

Formule topologique du pentan−3-ol

Dans une formule topologique, les atomes de carbone portent autant d'hydrogènes que nécessaire pour établir au total 4 liaisons covalentes.

Les formules topologiques sont souvent représentés en ligne brisée (ou en « zig-zag »).

C

Les familles fonctionnelles et leur nomenclature

Le groupe caractéristique que possède une molécule organique définit sa famille fonctionnelle et ses propriétés chimiques. Les règles de nomenclature permettent de déterminer de manière systématique le nom d'une molécule organique à partir de sa structure.

Lorsqu'une molécule possède un groupe caractéristique, elle appartient à une famille fonctionnelle. Son nom est alors formé :

  • du nom de son squelette carboné ;
  • d'un suffixe lié à sa famille fonctionnelle, précédé éventuellement d'un indice indiquant l'atome de carbone portant le groupe caractéristique.
molécule possède groupe caractéristique appartient famille fonctionnelle

Les indices donnant les positions des atomes de carbone fonctionnels ne sont pas indiqués quand ils sont évidents.

Il inutile de préciser les indices de position du groupe caractéristique pour les molécules faisant partie des familles des aldéhydes, des acides carboxyliques et des amides car l'atome de carbone qui porte ces groupes est obligatoirement le numéro 1.

D

Les isomères de constitution

Les isomères de constitution sont des molécules constituées des mêmes atomes mais avec un arrangement différent. Leurs propriétés chimiques sont donc différentes.

Isomères de constitution

Deux molécules sont isomères de constitution si elles possèdent la même formule brute mais un arrangement d'atomes différents. Ces molécules isomères n'auront pas les mêmes propriétés physico-chimiques.

Le propan−1-ol et le propan−2-ol sont des isomères de constitution :

définition isomères de constitution
Deux isomères de constitution
E

Les polymères

Les polymères sont de grandes molécules composées d'un motif moléculaire qui se répète un grand nombre de fois. Les polymères sont obtenus par des réactions de polyaddition.

Polymère

Un polymère est une grande molécule composé d'un motif, appelé « monomère », qui se répète un grand nombre de fois.

Le polystyrène est un polymère, composé de n motifs dérivés de la molécule de styrène.

définition polymère
Molécule de polystyrène

Un polymère est obtenu par une réaction de polyaddition, au cours de laquelle les monomères se lient les uns aux autres.

Le polystyrène est obtenu par l'addition de n molécules de styrène :

polymère obtenu réaction polyaddition

Synthèse du polystyrène

II

L'optimisation d'une étape de synthèse

Il est possible d'optimiser la vitesse d'une synthèse organique en modifiant un ou plusieurs facteurs cinétiques. Le rendement d'une synthèse peut être optimisé en introduisant un réactif en excès ou en éliminant un produit du milieu réactionnel au fur et à mesure qu'il se forme.

A

L'optimisation de la vitesse de formation d'un produit

Il est possible d'optimiser la vitesse d'une synthèse organique, en modifiant un ou plusieurs facteurs cinétiques (concentration des réactifs, température, emploi d'un catalyseur).

Pour augmenter la vitesse d'une synthèse organique, on modifie l'un des facteurs cinétiques. Ainsi, on peut :

  • augmenter la concentration initiale des réactifs ;
  • augmenter la température ;
  • ajouter un catalyseur.

Généralement, on réalise les synthèses organiques en utilisant un montage de chauffage à reflux. Ce montage permet d'augmenter la température du mélange réactionnel, donc d'augmenter la vitesse de la réaction.

Chauffage à reflux

Le chauffage à reflux est un montage dans lequel le mélange réactionnel est contenu dans un ballon à la sortie duquel est fixé un réfrigérant. Lorsque le mélange est chauffé, les vapeurs qui se forment se condensent dans le réfrigérant et retombent dans le milieu réactionnel. Le chauffage à reflux permet de chauffer sans perte de matière.

définition chauffage à reflux
Montage de chauffage à reflux

Lors de la synthèse de l'aspirine, on utilise un montage de chauffage à reflux :

synthèse aspirine montage chauffage à reflux
B

L'augmentation du rendement d'une synthèse

Il est possible d'optimiser le rendement d'une synthèse organique en introduisant un réactif en excès ou en éliminant un produit du milieu réactionnel au fur et à mesure qu'il se forme.

Pour augmenter le rendement d'une synthèse organique, il faut favoriser la formation des produits. Ainsi, on peut :

  • introduire l'un des réactifs en excès ;
  • éliminer un produit du milieu réactionnel pendant la synthèse.

Lors de la synthèse d'un ester \ce{R-COOR'}, de l'eau est formée :
\ce{R-COOH} + \ce{R'-OH} \ce{<-> } \ce{R-COOR'} + \ce{H2O}

En éliminant la vapeur d'eau du mélange réactionnel, on diminue le quotient de réaction Q_r (proportionnel à la concentration en \ce{H2O}. Ce phénomène éloigne Q_r de la constante d'équilibre K. La réaction souhaitée est dans le sens direct donc \ce{Q_{r}} \lt K. La réaction continue donc de se dérouler pour que le quotient de réaction Q_r atteigne la valeur de la constante d'équilibre K.

Donc, la réaction forme davantage d'ester et son rendement est optimisé.

III

Les stratégies de synthèse

Les stratégies de synthèse permettent de former une espèce chimique. Elles sont élaborées à partir de différents types de transformations chimiques. Ces stratégies consistent à préparer une séquence réactionnelle de synthèse d'une espèce chimique à partir d'une liste de réactions connues. On privilégie des synthèses dont l'impact environnemental est faible.

A

Les différents types de transformations

Les stratégies de synthèse consistent à préparer une séquence réactionnelle de synthèse d'une espèce à partir d'une liste de réactions connues. Pour une synthèse, des modifications de chaîne carbonée ou de groupes caractéristiques sont utilisées.

1

Les modifications de chaîne carbonée

La synthèse peut conduire à modifier la chaîne carbonée de la molécule de différentes façons : par craquage thermique ou par reformage. Le reformage peut provoquer la formation de ramifications ou de cycles.

Le craquage et le reformage sont des techniques qui permettent de modifier la chaîne carbonée d'une molécule organique :

propriétés craquage reformage
Les modifications de chaîne carbonée
2

Les modifications de groupes caractéristiques

La synthèse peut conduire à modifier le groupe caractéristique de la molécule. Ces modifications peuvent être des réactions d'oxydo-réduction, acido-basiques, de substitution, d'addition ou d'élimination.

Certaines molécules organiques peuvent être modifiées par une réaction d'oxydoréduction. C'est notamment le cas des alcools qui sont des réducteurs. Lorsqu'ils sont oxydés, leur groupe caractéristique, le groupe hydroxyle \ce{C-OH}, est alors transformé :

  • en groupe carbonyle \ce{C=O}, caractéristique des aldéhydes et des cétones si l'oxydation a lieu avec un défaut d'oxydant ;
  • en groupe carboxyle \ce{O=C-OH}, caractéristique des acides carboxyles si l'oxydation a lieu avec un excès d'oxydant et si l'alcool le permet.

Avec un excès d'ions dichromate qui sont des oxydants, l'éthanol peut être oxydé en acide éthanoïque, c'est en groupe carboxyle que son groupe hydroxyle originel est transformé :

synthèse modification groupes caractéristiques molécule
Oxydation de l'éthanol

Certaines molécules organiques peuvent être modifiées par une réaction acidobasique. C'est notamment le cas des acides carboxyliques \ce{R-COOH} qui peuvent se transforment en ions carboxylate \ce{R-COO^{-}} par l'action d'une base. 

L'action d'une solution d'hydroxyde de sodium (\ce{Na+} + \ce{HO^{-}}) sur l'acide éthanoïque \ce{CH3-COOH} produit sa base conjuguée, l'ion éthanoate \ce{CH3-COO^{-}} :
\ce{CH3-COOH} + \ce{HO^{-}} \ce{->} \ce{CH3-COO^{-}} + \ce{H2O}

Certaines réactions en chimie organique peuvent être classées en trois catégories en fonction de la nature des réactifs et des produits :

réactions chimie organique classées trois catégories fonction nature réactifs produits
Réactions d'addition, élimination et substitution
B

Les stratégies de protection/déprotection

Il peut être nécessaire de protéger un des groupes caractéristiques d'une molécule pour qu'il ne soit pas modifié par la synthèse. La protection consiste à modifier le groupe caractéristique, à faire la réaction voulue et ensuite à déprotéger le groupe caractéristique pour le restituer.

Une synthèse organique nécessite une stratégie de protection/déprotection quand l'une de ses étapes comprend une réaction chimique qui pourrait modifier un groupe caractéristique à conserver. La protection d'une fonction se déroule en trois étapes :

  • Protection de la fonction : on fait réagir la molécule de façon à ce que le groupe fonctionnel à protéger soit rendu inactif chimiquement pour la suite.
  • Réalisation de la réaction chimique : seuls les groupes fonctionnels non protégés réagissent.
  • Déprotection de la fonction : on réalise la réaction inverse de celle de protection pour rendre les groupes protégés de nouveau actifs.

Soit la molécule de 3-hydroxybutanal :

stratégies protection/déprotection

3-hydroxybutanal

On souhaite oxyder le groupe carbonyle sans oxyder le groupe hydroxyle.

oxyder groupe carbonyle sans oxyder groupe hydroxyle

Pour protéger le groupe hydroxyle, on peut le transformer en ester en le faisant réagir avec un acide carboxylique, comme l'acide éthanoïque :

protéger groupe hydroxyle transformer ester réagir avec acide carboxylique acide éthanoïque

Ainsi, on peut réaliser la seule oxydation du groupe carbonyle de la molécule :

seule oxydation groupe carbonyle molécule

Finalement, on régénère le groupe hydroxyle en faisant la réaction inverse à celle qui a permis de le protéger, ce qui permet d'obtenir le produit voulu :

régénère groupe hydroxyle réaction inverse à celle qui a permis de le protéger
C

Les synthèses écoresponsables

On privilégie des synthèses dont l'impact environnemental est faible en termes d'énergie, de formation et de valorisation de sous-produits et de choix des réactifs et des solvants. Il est possible de proposer des améliorations à envisager sur un protocole existant.

Il est important de privilégier les protocoles de synthèse dont l'impact sur l'environnement est le plus faible. Ainsi, il faut veiller aux précautions suivantes :

Précautions Descriptions Exemples
Économiser les ressources naturelles L'utilisation de certains réactifs permet d'économiser des ressources naturelles. L'utilisation d'acide salicylique dans la synthèse de l'aspirine permet d'éviter l'abattage quotidien de milliers de saules.
Optimiser le coût énergétique Certaines techniques permettent de consommer moins d'énergie tout en étant aussi efficaces. Pour augmenter la vitesse d'une synthèse, il est énergétiquement plus économique d'ajouter un catalyseur plutôt que de chauffer le mélange réactionnel.
Choisir des réactifs moins toxiques Il est parfois possible d'utiliser des réactifs moins nocifs. Les polyuréthanes (des polymères très répandus), peuvent être obtenus par action du phosgène sur une amine. Or, le phosgène est un gaz extrêmement toxique. Un nouveau procédé de synthèse permet de remplacer le phosgène par du dioxyde de carbone, non toxique.
Valoriser les sous-produits Certains sous-produits peuvent être réutilisés au lieu d'être rejetés. Certaines industries exploitent le dioxyde de carbone formé par une synthèse, au lieu de le rejeter dans l'air.
Limiter les rejets dans l'environnement Il faut éviter la formation de produits toxiques. Si elle est inévitable, ces produits doivent être recueillis séparément afin d'être traités. Des entreprises sont spécialisées dans le traitement des déchets chimiques. C'est notamment le cas des entreprises de recyclage.