Chimie Organique et Synthese
Duree : 90 min · Difficulte : ⭐⭐⭐⭐
Objectifs du cours
- •Identifier et nommer les principaux groupements fonctionnels
- •Comprendre les mecanismes reactionnels (addition, substitution, elimination)
- •Maitriser les grandes reactions : esterification, saponification, amidification
- •Calculer le rendement d une synthese et connaitre les techniques de purification
- •Appliquer les principes de la chimie verte (économie d atomes, catalyse)
I. Introduction a la Chimie Organique
La chimie organique est la branche de la chimie qui etudie les composes contenant du carbone (a l exception de quelques composes simples comme CO₂, CO, carbonates). Le carbone est unique : il peut former 4 liaisons covalenteset se lier a lui-meme pour creer des chaines et des cycles.
Cette discipline est fondamentale car elle concerne les molecules du vivant (proteines, ADN, glucides, lipides) et la grande majorite des molecules synthetiques (medicaments, plastiques, colorants, parfums).
Le savais-tu ?
Plus de 10 millions de composes organiques sont connus ! Et on en decouvre ou synthetise des milliers de nouveaux chaque annee. L industrie pharmaceutique s appuie entierement sur la chimie organique pour creer de nouveaux medicaments.
II. Les Groupements Fonctionnels
Un groupement fonctionnel est un groupe d atomes responsable des proprietes chimiques caracteristiques d une famille de composes. Il determine la reactivite de la molecule.
| Famille | Groupement | Formule | Exemple | Suffixe/Prefixe |
|---|---|---|---|---|
| Alcool | Hydroxyle | —OH | Ethanol (CH₃—CH₂—OH) | -ol |
| Aldehyde | Carbonyle (C terminal) | —CHO | Ethanal (CH₃—CHO) | -al |
| Cetone | Carbonyle (C interne) | >C=O | Propanone (CH₃—CO—CH₃) | -one |
| Acide carboxylique | Carboxyle | —COOH | Acide ethanoique (CH₃—COOH) | acide...-oique |
| Ester | Ester | —COO— | Ethanoate d ethyle (CH₃—COO—C₂H₅) | -oate de...-yle |
| Amine | Amino | —NH₂ | Ethanamine (CH₃—CH₂—NH₂) | -amine |
| Amide | Amide | —CONH₂ | Ethanamide (CH₃—CONH₂) | -amide |
| Ether-oxyde | Ether | —O— | Diethylether (C₂H₅—O—C₂H₅) | -oxy- |
| Halogenoalcane | Halogeno | —X (Cl, Br, I) | Chloromethane (CH₃—Cl) | chloro-, bromo- |
Attention a la hierarchie !
Quand une molecule possede plusieurs groupements, on utilise l ordre de priorite : Acide > Ester > Amide > Aldehyde > Cetone > Alcool > Amine > Ether > Halogene. Le groupement prioritaire donne le suffixe, les autres deviennent prefixes.
III. Mecanismes Reactionnels
Un mecanisme reactionnel décrit etape par etape comment les liaisons se rompent et se forment lors d une transformation chimique. Les trois grands types de mecanismes en chimie organique sont :
1. Addition
Deux reactifs s unissent pour former un seul produit. Se produit typiquement sur les liaisons multiples (C=C, C≡C, C=O).
A=B + X—Y → A(X)—B(Y)
La liaison π se rompt, deux nouvelles liaisons σ se forment
Exemple : Hydrogenation d un alcene
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃—CH₃
Ethene + dihydrogene → Ethane (catalyseur Ni ou Pt)
• Addition electrophile : sur alcenes/alcynes (HBr, H₂O, Br₂)
• Addition nucleophile : sur C=O des aldehydes/cetones
2. Substitution
Un atome ou groupe d atomes est remplace par un autre. Le nombre de liaisons reste identique.
R—X + Y⁻ → R—Y + X⁻
Le groupe partant X est remplace par le nucleophile Y
Exemple : Substitution nucleophile
CH₃—Br + HO⁻ → CH₃—OH + Br⁻
Bromométhane + ion hydroxyde → Methanol + ion bromure
• SN1 : mecanisme en 2 etapes (carbocation intermediaire)
• SN2 : mecanisme concerte en 1 etape (inversion de Walden)
3. Elimination
Deux atomes ou groupes sont elimines de la molecule, creant une liaison multiple. C est l inverse de l addition.
A(X)—B(Y) → A=B + X—Y
Deux liaisons σ se rompent, une liaison π se forme
Exemple : Deshydratation d un alcool
CH₃—CH₂—OH → CH₂=CH₂ + H₂O
Ethanol → Ethene + Eau (catalyseur H₂SO₄, chauffage)
• E1 : mecanisme en 2 etapes
• E2 : mecanisme concerte (anti-periplanaire)
• Regle de Zaitsev : l alcene le plus substitue est favorise
⚡ Schema recapitulatif
ADDITION
2 reactifs → 1 produit
Sur liaisons π
SUBSTITUTION
Echange de groupe
Sur C-X
ELIMINATION
1 reactif → 2 produits
Creation liaison π
IV. Grandes Reactions de Synthese
🧪 A. Esterification
Reaction entre un acide carboxylique et un alcoolpour former un ester et de l eau.
R—COOH + R'—OH ⇌ R—COO—R' + H₂O
Acide carboxylique + Alcool ⇌ Ester + Eau
Caracteristiques :
- • Reaction lente et limitee (equilibre)
- • Catalysee par H⁺ (H₂SO₄, APTS)
- • Chauffage a reflux necessaire
Deplacer l equilibre :
- • Exces d un reactif
- • Elimination de l eau (Dean-Stark)
- • Elimination de l ester
Exemple : Synthese de l ethanoate d ethyle (arome de pomme) : CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O
🧼 B. Hydrolyse et Saponification
L hydrolyse est la reaction inverse de l esterification. La saponification est l hydrolyse d un ester en milieu basique.
Hydrolyse acide :
R—COO—R' + H₂O ⇌ R—COOH + R'—OH
Reaction lente et limitee
Saponification (hydrolyse basique) :
R—COO—R' + HO⁻ → R—COO⁻ + R'—OH
Reaction totale (irreversible) et plus rapide
Application : La fabrication du savon ! Un corps gras (triester du glycerol) reagit avec la soude (NaOH) pour donner du glycerol et des ions carboxylate = savon.
🔗 C. Amidification (Liaison Peptidique)
Formation d un amide par reaction entre un acide carboxylique(ou derive) et une amine. C est la base de la liaison peptidique.
R—COOH + R'—NH₂ → R—CO—NH—R' + H₂O
Acide carboxylique + Amine → Amide + Eau
• Reaction difficile (necessite activation de l acide ou chauffage intense)
• En pratique, on utilise des chlorures d acyle (R—COCl) plus reactifs
• La liaison peptidique entre acides amines est une liaison amide
Importance biologique : Les proteines sont des chaines d acides amines relies par des liaisons peptidiques (amide). Le nylon est aussi un polyamide !
⚡ D. Oxydation des Alcools
L oxydation des alcools permet d obtenir des aldehydes, cetones ou acides selon la classe de l alcool et les conditions.
| Alcool | Oxydation menagee | Oxydation forte |
|---|---|---|
| Primaire (R—CH₂—OH) | Aldehyde (R—CHO) | Acide (R—COOH) |
| Secondaire (R₂CH—OH) | Cetone (R₂C=O) | Cetone (pas d oxydation plus poussee) |
| Tertiaire (R₃C—OH) | Pas d oxydation (pas de H sur C—OH) | |
Oxydants courants : KMnO₄, K₂Cr₂O₇ (en milieu acide), PCC (oxydation menagee)
V. Rendement et Purification
A. Calcul du Rendement
Le rendement d une synthese compare la quantite de produit reellement obtenue a la quantite theorique maximale.
η = (nobtenu / ntheorique) × 100 %
ou η = (mobtenue / mtheorique) × 100 %
Exemple de calcul :
On fait reagir 0,50 mol d acide ethanoique avec exces d ethanol. On obtient 35 g d ester.
• ntheorique = 0,50 mol (l acide est le reactif limitant)
• M(ester) = 88 g/mol → mtheorique = 0,50 × 88 = 44 g
• η = (35/44) × 100 = 80 %
Pourquoi le rendement n est-il jamais 100% ?
- • Reactions limitees (equilibre)
- • Reactions parasites (produits secondaires)
- • Pertes lors de la purification et des transferts
- • Solubilite du produit (reste en solution)
B. Techniques de Purification
🧪 Extraction liquide-liquide
Separation basee sur la difference de solubilite entre deux solvants non miscibles. On utilise une ampoule a decanter.
🔥 Distillation
Separation basee sur les differences de temperatures d ebullition. Distillation simple ou fractionnee.
❄️ Recristallisation
Purification des solides : dissolution a chaud puis cristallisation lente par refroidissement. Les impuretes restent en solution.
📊 Chromatographie
Separation basee sur les affinites differentes avec une phase stationnaire. CCM, colonne, HPLC.
Verification de la purete :
- • Point de fusion : un solide pur fond a temperature precise
- • Chromatographie : une seule tache = produit pur
- • Spectroscopie : IR, RMN, masse pour confirmer la structure
VI. Synthese Multi-Etapes
La synthese de molecules complexes necessite souvent plusieurs etapes successives. Chaque etape doit etre optimisee pour maximiser le rendement global.
ηglobal = η₁ × η₂ × η₃ × ... × ηn
Le rendement global est le produit des rendements de chaque etape
Exemple : Synthese en 3 etapes
Si chaque etape a un rendement de 80% :
ηglobal = 0,80 × 0,80 × 0,80 = 0,512 = 51,2%
→ On perd presque la moitie du produit en seulement 3 etapes !
Strategies pour ameliorer le rendement global :
🔬 Exemple : Synthese de l aspirine
C₆H₄(OH)COOH + (CH₃CO)₂O → C₆H₄(OCOCH₃)COOH + CH₃COOH
C est une reaction d acetylation (formation d un ester) en une seule etape avec un bon rendement (~90%).
VII. Chimie Verte
La chimie verte (ou chimie durable) vise a concevoir des produits et des procedes chimiques qui reduisent ou eliminent l utilisation et la generation de substances dangereuses pour l environnement et la sante.
🌱 Les 12 Principes de la Chimie Verte
A. Economie d Atomes
L économie d atomes mesure le pourcentage de la masse des reactifs qui se retrouve dans le produit souhaite.
EA = (Mproduit utile / Σ Mreactifs) × 100 %
❌ Mauvaise économie d atomes
CH₃Br + NaOH → CH₃OH + NaBr
EA = 32/(95+40) × 100 = 24%
76% de la masse devient un sous-produit (NaBr)
✓ Bonne économie d atomes
CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH
EA = 46/(28+18) × 100 = 100%
Tous les atomes sont dans le produit !
B. Solvants Verts
| Solvant a eviter | Alternative verte | Avantages |
|---|---|---|
| Dichloromethane (CH₂Cl₂) | Acetate d ethyle | Biodegradable, moins toxique |
| Benzene | Ethanol, eau | Non cancerigene |
| Solvants organiques | CO₂ supercritique | Recyclable, non toxique |
| Tous solvants | Pas de solvant ! | Reactions sans solvant (broyage) |
C. Catalyse
Un catalyseur accelere une reaction sans etre consomme. Il permet de travailler a temperature plus basse et d augmenter la selectivite.
Catalyse homogene
Catalyseur dans la meme phase que les reactifs
Ex: acides, bases, complexes metalliques
Catalyse heterogene
Catalyseur solide, reactifs liquides/gaz
Ex: Ni, Pt, Pd sur support (facile a recuperer)
Catalyse enzymatique
Enzymes = biocatalyseurs ultra-selectifs
Conditions douces, haute selectivite
VIII. Applications Industrielles
💊 Medicaments
- • Paracetamol : amide (analgesique)
- • Aspirine : ester (anti-inflammatoire)
- • Ibuprofene : acide carboxylique
- • Penicilline : cycle β-lactame (antibiotique)
- • Synthese asymetrique pour molecules chirales
🧵 Polymeres
- • PET : polyester (bouteilles plastiques)
- • Nylon : polyamide (textiles, engrenages)
- • Polyethylene : addition (emballages)
- • PLA : polyester biodegradable (bio-plastique)
- • Reaction de polymerisation par condensation ou addition
🌸 Parfums et Aromes
- • Esters : odeurs fruitees (banane, pomme, fraise)
- • Aldehydes : notes florales (Chanel N°5)
- • Terpenes : odeurs naturelles (menthol, limonene)
- • Muscs : fixateurs de parfum
- • Synthese totale ou hemisynthese a partir de sources naturelles
🎨 Colorants et Peintures
- • Azo-colorants : groupement -N=N- (textiles)
- • Phtalocyanines : pigments bleus/verts
- • Indigo : colorant du jean
- • Chimie des composes aromatiques conjugues
🔬 Focus : Synthese de l Ibuprofene
Ancienne voie (6 etapes) :
- • Economie d atomes : ~40%
- • Beaucoup de sous-produits
- • Solvants toxiques
Nouvelle voie verte (3 etapes) :
- • Economie d atomes : ~77%
- • Catalyse au palladium
- • Prix Presidential Green Chemistry Award 1997
📊 Chiffres Cles a Retenir
4
Liaisons du carbone
10M+
Composes organiques
12
Principes chimie verte
100%
EA ideale (addition)
📝 Resume
- Groupements fonctionnels : alcool (-OH), aldehyde (-CHO), cetone (C=O), acide (-COOH), ester (-COO-), amine (-NH₂), amide (-CONH₂)
- 3 grands mecanismes : Addition (sur liaison π), Substitution (echange de groupe), Elimination (creation liaison π)
- Reactions cles : Esterification (acide + alcool → ester), Saponification (ester + base → savon), Amidification (acide + amine → amide)
- Rendement : η = nobtenu / ntheorique × 100%. Rendement global = produit des rendements de chaque etape
- Purification : extraction liquide-liquide, distillation, recristallisation, chromatographie
- Chimie verte : Economie d atomes, solvants verts, catalyse, matières renouvelables, reduction des dechets
