Fiche de révision : Fonctions chimiques et hydrocarbures

📋 Plan du Cours

1. Hydrocarbures et chaîne carbonée
2. Familles d’hydrocarbures
3. Fonctions chimiques et valence
4. Halogénoalcanes et substitution nucléophile
5. Alcools et réactivité
6. Thiols
7. Propriétés et oxydation des thiols
8. Classification et propriétés des amines
9. Réactivité des aldéhydes et cétones
10. Acides carboxyliques et dérivés

📖 1. Hydrocarbures et chaîne carbonée

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction chimique : Une fonction chimique, ou groupement fonctionnel, est un atome ou un groupe d’atomes qui caractérise une famille de composés organiques et détermine leurs propriétés et leur réactivité.
• Hydrocarbure : Composé organique constitué uniquement d’atomes de carbone et d’hydrogène, de formule brute générale CxHy.
• Chaîne carbonée : Ensemble des atomes de carbone liés entre eux.

📖 2. Familles d’hydrocarbures

🔑 Notions clés & Définitions

• Alcane : Hydrocarbure qui ne présente que des liaisons simples C–C.
• Alcène : Hydrocarbure qui présente une double liaison C=C.
• Alcyne : Hydrocarbure qui présente une triple liaison C≡C.

★ À maîtriser

• Le benzène, de formule C6H6, est la molécule aromatique la plus simple.

• Les préfixes des dérivés disubstitués du benzène correspondent aux positions suivantes :

  • positions 1,2 : ortho (o-)
  • positions 1,3 : méta (m-)
  • positions 1,4 : para (p-)

Compléments

• Les alcanes cycliques sont appelés cycloalcanes ou cyclanes.

• Les alcanes sont très peu réactifs.

• Un composé qui possède plusieurs doubles liaisons est un polyène ; un diène en possède deux et un triène en possède trois.

• Les alcènes cycliques sont appelés cycloalcènes.

📌 La stéréochimie E ou Z d’une double liaison peut être indiquée entre parenthèses avant les substituants du nom.

• La double liaison d’un alcène est plus réactive qu’une liaison simple.

📌 Les alcynes vrais sont monosubstitués, tandis que les alcynes disubstitués portent deux substituants autour de la triple liaison.

• L’éthyne, appelé couramment acétylène, est l’alcyne le plus simple et correspond à R1 = R2 = H.

📌 Le groupement phényle correspond à un noyau benzénique privé d’un hydrogène, tandis que le groupement benzyle comprend un méthylène entre le noyau benzénique et le point d’attache.

💡 Astuce mémo

Simple C–C pour les alcanes, C=C pour les alcènes, C≡C pour les alcynes.

📖 3. Fonctions chimiques et valence

🔑 Notions clés & Définitions

• Valence fonctionnelle : La valence d’une fonction correspond au nombre d’atomes d’hydrogène substitués sur le carbone fonctionnel par un ou plusieurs hétéroatomes.
• Hétéroatome : Un hétéroatome est un atome autre que le carbone et l’hydrogène ; les exemples donnés sont O, N, S et les halogènes F, Cl, Br et I, notés X.

📝 Points essentiels

• Les fonctions monovalentes, divalentes et trivalentes sont classées selon le nombre d’atomes d’hydrogène substitués sur le carbone fonctionnel.

📖 4. Halogénoalcanes et substitution nucléophile

🔑 Notions clés & Définitions

• Halogénoalcane : Un halogénoalcane résulte du remplacement d’un ou plusieurs atomes d’hydrogène d’un alcane par un halogène et se note souvent R–X, où X est F, Cl, Br ou I.
• Nucléofuge : Dans un halogénoalcane, l’halogène X est le nucléofuge, c’est-à-dire le groupement partant lors d’une substitution nucléophile.

★ À maîtriser

📌 Les halogénoalcanes sont classés en primaires, secondaires ou tertiaires selon le nombre d’atomes de carbone liés au carbone fonctionnel.

• La liaison C–X est polarisée parce que l’halogène est électronégatif ; le carbone porte une charge partielle δ+ et devient électrophile.

📌 Une substitution nucléophile d’un halogénoalcane requiert un bon nucléophile et un bon groupe partant : le nucléophile attaque le carbone électrophile et remplace X selon R–X + Nu⁻ → R–Nu + X⁻.

Compléments

• La polarité de la liaison C–X augmente dans l’ordre C–I < C–Br < C–Cl < C–F.

• La qualité des groupes partants halogénés décroît selon I > Br > Cl >>> F, car une liaison carbone–halogène plus faible facilite le départ du groupe.

📌 Les dérivés halogénés aromatiques ou vinyliques n’ont pas la même réactivité que les halogénoalcanes dans les substitutions nucléophiles.

💡 Astuce mémo

La liaison C–X polarisée rend le carbone électrophile → attaque nucléophile.

📖 5. Alcools et réactivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Alcool : Un alcool est une espèce chimique dans laquelle un carbone saturé porte un groupe hydroxyle OH ; il se note souvent R–OH.
• Phénol : Un phénol est une espèce chimique dans laquelle un cycle aromatique porte un groupe hydroxyle OH ; l’hydroxybenzène est le phénol.

★ À maîtriser

• Les alcools sont amphotères et se comportent comme des acides faibles et des bases faibles.

• La polarisation de la liaison O–H est à l’origine du caractère acide des alcools, dont le pKa est compris entre 16 et 18.

• L’oxydation ménagée d’un alcool primaire donne un aldéhyde, puis un acide carboxylique si l’oxydant est en excès.

Compléments

📌 Une base ne peut déprotoner un alcool que si le pKa de son acide conjugué est supérieur à celui de l’alcool.

• NaH, dont l’acide conjugué a un pKa de 35, et n-BuLi, dont l’acide conjugué a un pKa de 50, peuvent déprotoner un alcool.

• Le caractère basique des alcools vient des doublets non liants de l’oxygène ; le pKa des oxoniums, leurs acides conjugués, est d’environ −2.

📌 Seul un acide très fort peut protoner un alcool, et cette protonation exalte le caractère électrophile de l’alcool.

📌 La liaison C–O polarisée rend les alcools sensibles aux substitutions nucléophiles, mais OH est un mauvais groupe partant.

• Une réaction d’oxydoréduction implique un transfert d’électrons entre réactifs ; une oxydation est une perte d’électrons et une réduction un gain d’électrons.

• Un oxydant est une espèce susceptible de gagner un ou plusieurs électrons, tandis qu’un réducteur est susceptible d’en perdre.

• L’oxydation ménagée d’un alcool secondaire conduit à une cétone.

📌 Les alcools tertiaires ne peuvent pas être oxydés.

💡 Astuce mémo

Alcool primaire → aldéhyde → acide carboxylique si oxydant en excès.

📖 6. Thiols

🔑 Notions clés & Définitions

• Thiol : Un thiol est l’analogue d’un alcool dans lequel l’atome d’oxygène est remplacé par un atome de soufre ; il porte le groupe sulfhydryle SH et se note souvent R–SH.

💡 Astuce mémo

Le thiol porte –SH, l’alcool porte –OH.

📖 7. Propriétés et oxydation des thiols

★ À maîtriser

📌 La liaison S—H est moins polarisée que la liaison O—H, mais les thiols sont plus acides que les alcools parce que la liaison S—H est plus longue et que le rayon du soufre est supérieur à celui de l’oxygène.

📐 Formule - L’oxydation de deux thiols forme un disulfure selon $2\,\mathrm{RSH} \rightarrow \mathrm{RSSR} + 2\,\mathrm{H}^{+} + 2\,\mathrm{e}^{-}$.

• Les groupes —SH libres des résidus cystéine peuvent s’oxyder pour former des ponts disulfure, qui contribuent à l’assemblage et à la stabilité de certaines protéines.

Compléments

• Le pKa des thiols est d’environ 10.

• Les thiols sont de meilleurs nucléophiles que les alcools, avec RSH > ROH.

• La réduction des disulfures s’effectue en présence d’un métal alcalin ou de mercaptoéthanol.

💡 Astuce mémo

S–H est moins polarisée que O–H, mais le thiol est plus acide

📖 8. Classification et propriétés des amines

🔑 Notions clés & Définitions

• Amine : Dérive de l’ammoniac par remplacement d’un, deux ou trois atomes d’hydrogène par des groupes alkyles.

★ À maîtriser

📌 Les amines primaires, secondaires et tertiaires portent respectivement un, deux et trois groupes alkyles sur l’atome d’azote.

• Les amines sont amphotères et leur caractère basique provient du doublet non liant de l’atome d’azote.

📌 La basicité augmente avec le nombre de groupes alkyles attachés à l’azote par effet +I, mais l’encombrement stérique diminue légèrement la basicité des amines tertiaires; les amines aromatiques sont moins basiques que les amines aliphatiques.

Compléments

• Une aniline est une espèce chimique dans laquelle un cycle aromatique porte un groupe amino NH₂; l’aminobenzène est l’aniline.

• Lorsque l’azote d’une amine porte trois groupements différents, il constitue un centre stéréogène, mais l’inversion de configuration est trop rapide pour séparer les deux énantiomères.

• Le pKa des ions ammonium, acides conjugués des amines, est d’environ 10.

• La liaison N—H des amines primaires et secondaires leur confère un caractère acide, mais le pKa des alkylamines est supérieur à 35 et seule une base extrêmement forte peut les déprotoner.

• Les amines sont de meilleurs nucléophiles que les alcools grâce à leur doublet non liant sur l’azote.

• L’alkylation d’une amine par un dérivé halogéné remplace un hydrogène par un groupe alkyle et fait passer à la classe d’amine supérieure, mais la réaction peut se poursuivre jusqu’à l’ion ammonium.

📖 9. Réactivité des aldéhydes et cétones

🔑 Notions clés & Définitions

• Aldéhyde : Dérivé carbonylé dont le carbone du carbonyle est lié à un atome d’hydrogène.
• Cétone : Dérivé carbonylé dont le carbone du carbonyle est lié à des substituants carbonés.

★ À maîtriser

• Le carbone du carbonyle porte une charge partielle positive et est sensible aux attaques nucléophiles.

📌 Les cétones sont moins réactives que les aldéhydes en raison de l’encombrement stérique plus important des groupes alkyles et de leur effet inductif donneur, qui atténue la charge partielle positive du carbone carbonylé.

Compléments

• Les aldéhydes et les cétones portant un hydrogène en position α sont en équilibre avec leur forme énol, selon la tautomérie céto-énolique.

• Les aldéhydes peuvent être oxydés par des oxydants doux en acides carboxyliques.

• La réduction d’un aldéhyde forme un alcool primaire, tandis que la réduction d’une cétone forme un alcool secondaire.

💡 Astuce mémo

Aldéhyde plus réactif que cétone : moins encombré et plus électrophile

📖 10. Acides carboxyliques et dérivés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide carboxylique : Caractérisé par la présence du groupe fonctionnel carboxyle —COOH.

★ À maîtriser

• Les dérivés pouvant être hydrolysés en acides carboxyliques sont :

  • les nitriles
  • les esters
  • les amides
  • les anhydrides d’acide
  • les chlorures d’acyle

• Les acides carboxyliques ont un pKa d’environ 4 à 5, et leur ion carboxylate est stabilisé par mésomérie.

Compléments

📌 Les amides sont classés en amides primaires, secondaires et tertiaires selon le nombre d’hydrogènes portés par l’azote.

• Les atomes d’oxygène des carbonyles portent des doublets non liants qui leur confèrent des propriétés basiques; leur protonation augmente l’électrophilie du carbone.

📌 Plus le groupe R stabilise la charge négative, notamment par un effet attracteur −I, plus l’acide carboxylique est fort et son pKa faible.