|
Richesse de la chimie organique Les composés azotés en chimie organique Règles de nommage des molécules organiques Représentation topologique des molécules organiques |
Propriétés des hydrocarbures
Comme nous l'avons vu dans un post précédent, les hydrocarbures forment une vaste famille de composés
organiques. Dans ce post, nous allons évoquer certaines de leurs propriétés physicochimiques. Les illustrations des exemples utilisent la représentation topologique des molécules organiques (voir post à ce sujet).
Réactions chimiques sur les hydrocarbures
Les hydrocarbures se prêtent à de nombreuses réactions chimiques. La chimie des dérivés du benzène est en particulier très riche. On peut classer ces réactions en différents types :
- substitution électrophile ou radicalaire,
- addition,
- combustion,
- polymérisation.
Nous allons passer en revue ces différentes réaction savant de parler plus en détail des trois types d'hydrocarbures : alcanes, alcènes et dérivés du benzène (alcènes et alcynes peuvent être classés dans la même catégorie).
Substitution électrophile
La liaison entre les atomes de carbone et les atomes d'hydrogène est polarisée : les atomes da carbone sont porteurs d'une fraction de charge négative -ke (k < 1). Ils sont donc nucléophiles et il est possible de les attaquer avec un agent électrophile, ce qui conduit à la substitution d'un atome d'hydrogène par cet agent électrophile.
Acylation
Dans le cas de l'acylation, l'agent électrophile est un groupe acyle. Un groupe acyle est un acide carboxylique (R-COOH) privé de son groupe hydroxyle. Un groupe acyle est donc électrophile (R-C+=O).
L'acylation s'obtient par exemple en faisant réagir un chlorure d'acide en présence d'un catalyseur avec l'hydrocarbure considéré. Le produit obtenu est une cétone (plus exactement une alkylophénilcétone), comme dans l'exemple qui suit :
Alkylation
Cette fois l'agent électrophile est un groupe alkyle (un alcane privé de l'un de ces atomes d'hydrogène). On fait par exemple réagir un halogénoalcane avec un hydrocarbure en présence d'un catalyseur :
Dans l'exemple qui précède, le produit est un alkylbenzène.
Nitration, sulfonation
Dans ce cas, l'agent électrophile est soit l'ion nitronium NO3+ (nitration) soit la molécule SO3 (sulfonation). Ces réactions nécessitent également la présence d'un catalyseur :
Dans les exemples qui précèdent, les produits obtenus sont respectivement le nitrobenzène et le sulfobenzène.
Substitution radicalaire
C'est un autre type de substitution très particulier. Il nécessite la présence d'un intermédiaire radicalaire (possédant au moins un électron non apparié dans sa couche externe). C'est une réaction qui se fait en plusieurs étapes, en présence d'UV ou d'un peroxyde.
On peut parler dans ce cas d'halogénation (nous verrons plus loin que ce n'est pas la seule forme d'halogénation). Le CH3C est appelé chlorure de méthyle ou chlorométhane.
Addition
Les réactions d'addition conduisent à l'ouverture d'une liaison double (ou triple) et à l'insertion de nouveaux composants. Dans le cas des hydrocarbures insaturés, il s'agit principalement de réactions d'hydrogénation ou d'halogénation.
Le produit de l'hydrogénation d'un alcène est un alcane :
L'halogénation se fait par l'action d'un dérivé halogéné d'alcane. Elle donne un autre dérivé halogéné. Elle se fait dans l'obscurité et en l'absence de peroxyde afin d'éviter une
substitution radicalaire :
L'Hydratation en milieu acide peut également être classée parmi les réactions d'addition (en l'occurrence addition d'eau). Le produit de l'hydratation d'un alcène en milieu
acide est un alcool (la plupart du temps un alcool secondaire). Par exemple, l'hydratation de l'éthène donne de l'éthanol en présence d'acide
sulfurique :
Oxydation
Comme on le verra plus loin, les hydrocarbures se prêtent à différents types d'oxydation en fonction de leur type. Le produit de ces réactions est assez divers. Ils sont néanmoins relativement stables à l'ambiante. Leur combustion conduit à leur destruction.
Polymérisation des hydrocarbures et de leurs dérivés
Les hydrocarbures et leurs dérivés polymérisent facilement. Ils sont très largement utilisés pour produire des matières plastiques. Nous ne citerons que quelques-uns de ces polymères :
Le polyéthylène est obtenu par polymérisation de l'éthylène. Les liaisons doubles s'ouvrent pour former des chaînes. La maille de base du polyéthylène est -CH2-CH2-.
Les résines époxydes sont synthétisées à partir de polymère époxyde et d'un agent durcisseur. Un époxyde (oxacycloalcane) est obtenu par oxydation d'un alcène (voir plus haut).
Le polychlorure de vinyle (PVC) est le polymère du chlorure de vinyle, ou chloroéthène. Sa maille de base est -CH2-CHCl-.
Le polystyrène est le polymère du styrène, un hydrocarbure aromatique dont la formule est C6H5-C2H3.
Le polyamide est le résultat de la polymérisation d'un amide. Le nylon est un tissu réalisé en fibres polyamides.
Nota : on trouvera une description plus complète dans le post consacré aux polymères.
Propriétés des alcanes
A température ambiante, le méthane, l'éthane, le propane et le butane sont des gaz. Au-delà de 4 atomes de carbone, les alcanes sont liquides, voire solides lorsqu'ils forment une longue chaîne polymère. Les alcanes liquides ne sont pas solubles dans l'eau (ils sont hydrophobes) et leur densité est faible (~0,7 g/cm3). Ils sont en général plutôt stables (la liaison covalente carbone-carbone est elle-même très stable).
Les alcanes existent à l'état naturel sous forme de gaz (principalement du méthane) ou comme composants du pétrole pour tous les autres alcanes. Les gisements de gaz et de pétrole résultent de la fermentation de la cellulose des végétaux.
La chimie des alcanes est beaucoup moins riche que celle des alcènes et du benzène.
Combustion complète
La combustion complète des alcanes produit du CO2 et de l'eau.
La combustion complète est fortement exothermique, ce qui explique le rôle joué par les alcanes comme carburant.
Combustion incomplète
La combustion incomplète (environnement pauvre en oxygène) produit principalement du carbone et de l'eau et parfois du
monoxyde de carbone (CO).
Substitution radicalaire
Ce sont principalement des réactions de chloration. L'exemple le plus connu est la chloration du méthane
qui produit du chlorométhane (ou chlorure de méthyle) :
Le chlorométhane est un fluide réfrigérant. Il est également utilisé dans la synthèse du silicone. Il est à noter qu'il est également produit par certains processus biologiques
Déshydrogénation
Les réactions de déshydrogénation conduisent introduire une liaison double en retirant deux atomes d'hydrogène. Elles produisent des alcènes.
Propriétés des alcènes
Les alcènes sont plus volatils et moins denses que les alcanes. Ils sont également présents dans le pétrole. La liaison double qui caractérise les alcènes est moins stable qu'une liaison simple. De nombreuses réactions permettent de la transformer en liaison simple (réactions d'addition) voire même de l'ouvrir complètement.
Addition de deux atomes d'hydrogène (hydrogénation)
Le produit de l'hydrogénation d'un alcène est un alcane.
Addition d'un halogène (dihalogénation) ou d'un dérivé halogéné (halogénation)
L'halogénation d'un alcène produit un halogénoalcane. C'est le cas par exemple de la production du dichloroéthane à partir de l'éthène (éthylène) en présence d'un catalyseur :
Substitution
La production du chloroéthène (plus connu sous le nom de chlorure de vinyle) à partir de l'éthène peut être considérée comme une réaction de substitution. En fait, elle se fait industriellement
en deux étapes. On produit tout d'abord du dichloroéthane par addition (voir ci-dessus) puis on obtient du chloroéthène par ébullition sous pression :
Le chlorure de vinyle est le composant de base (monomère) du PVC, le polychlorure de vinyle.
Hydratation en milieu acide (addition d'eau)
Le produit de l'hydratation d'un alcène en milieu acide est un alcool (la plupart du temps un alcool secondaire).
Les alcènes sont également très sensibles aux réactions d'oxydation qui conduisent le plus souvent, mais pas nécessairement, à l'ouverture pure et simple de le liaison double.
Oxydation par un oxydant faible
Ce type d'oxydation produit un glycol, une chaîne carbonée porteuse de deux groupes hydroxyles. La liaison double est transformée en liaison simple et cette réaction peur aussi être classée parmi les réactions d'addition. L'éthylène glycol HO-H2C-CH2-OH est le plus simple des glycols. Il est utilisé comme antigel ou comme liquide réfrigérant.
Oxydation par un oxydant fort en solution
Cette fois la liaison double est ouverte et l'alcène est coupé en deux. Les atomes d'oxygène se fixent aux atomes de carbone ainsi « libérés » pour former des groupes carbonyles. Cette réaction produit donc des aldéhydes.
L'oxydation du propène H2C=CH-CH3 par un oxydant fort en solution donne par exemple du méthanal H2C=O (plus connu sous le nom de formaldéhyde) et de l'éthanal CH3-CH=O.
Oxydation directe en présence d'un catalyseur
L'oxydation directe en présence d'un catalyseur conduit à la production d'époxyde. Dans cette réaction, la double carbone devient une liaison simple et un atome d'oxygène se fixe sur les deux atomes de carbone concernés pour réaliser une sorte de pontage entre les deux. Les époxydes sont très utilisés dans l'industrie du fait de leur capacité à polymériser facilement. L'araldite, une colle bien connue, est basée sur une résine époxyde à laquelle est ajoutée un durcisseur.
L'oxyde d'éthylène (C2H4O) est le plus simple des époxydes. Il est utilisé comme détergent ou comme agent stérilisateur. Il sert également à la production de l'éthylène glycol (voir ci-dessus).
Combustion
La plus radicale des réactions d'oxydation est la combustion qui produit du CO2 et de l'eau.
Propriétés des alcynes
La triple liaison se prête aux mêmes types de réaction (hydratation, hydrogénation, halogénation...) que les alcènes dans la mesure où elle constitue un point faible de la chaîne carbone. L'acétylène C2H2 par exemple donne du chlorure de vinyle en présence du chlorure d'hydrogène (c'est un autre procédé de production de ce composé organique) :
Propriétés des hydrocarbures aromatiques
La chimie des hydrocarbures aromatiques est très riche. Nous nous intéresserons plus particulièrement au plus simple d'entre eux, le benzène.
Réactions de substitution
Le sujet a été largement abordé en introduction de ce post. L'acylation par un chlorure d'acide ou un anhydride en présence d'un catalyseur produit une alkylphénylcétone. L'alkylation par un halogénoalcane en présence d'un catalyseur produit un alkylbenzène.
La nitration et la sulfonation produisent respectivement du nitrobenzène et du sulfobenzène. On peut également obtenir du chlorobenzène (C6H5Cl) ou de l'iodobenzène (C6H5I) par substitution radicalaire.
Réactions d'addition
L'hydrogénation par action du dihydrogène entraîne la perte du caractère aromatique et produit du cyclohexane C6H12. La chloration en présence d'UV donne de l'hexachlorohexane C6H6Cl6.
Oxydation
En présence d'un catalyseur, l'oxydation fait perdre au benzène son caractère aromatique et produit du benzoquinone C6H4O2. La benzoquinone est une quinone : un composé organique alicyclique dont deux atomes d'hydrogène sont remplacés par une liaison carbonyle. La benzoquinone est un composé de base de la naphtaquinone, une molécule utilisée en pharmacie.
Combustion
Le benzène est très stable. Il est néanmoins détruit par combustion. Si la combustion est complète, elle produit de l'eau et du CO2. Si elle est incomplète elle produit de l'eau et du carbone.
