Physique-Chimie — Terminale
Chimie organique — Terminale Physique-Chimie
Cours complet de chimie organique : groupes fonctionnels, isomérie, réactions (estérification, saponification, substitution, addition, oxydation),…
Par ProfBot
Chimie Organique — Terminale Physique-Chimie
Introduction à la chimie organique
La chimie organique est la branche de la chimie qui étudie les composés contenant du carbone. Elle est au cœur de la biologie, de la pharmacologie, de l''industrie pétrolière et des matériaux.
Pourquoi le carbone est-il si spécial ?
L''atome de carbone possède 4 électrons de valence, ce qui lui permet de former 4 liaisons covalentes. Il peut se lier à :
- d''autres atomes de carbone (chaînes carbonées, cycles)
- l''hydrogène (H), l''oxygène (O), l''azote (N), les halogènes (F, Cl, Br, I)
Cette capacité unique donne naissance à une diversité quasi-infinie de molécules.
Représentation des molécules organiques
| Représentation | Description | Exemple (éthanol) |
|---|---|---|
| Formule brute | Nombre d''atomes | C₂H₆O |
| Formule développée | Toutes les liaisons | CH₃–CH₂–OH |
| Formule semi-développée | CH₃CH₂OH (les H sur C implicites) | |
| Formule topologique | Trait brisé, C aux angles, H implicites | zig-zag |
💡 En formule topologique, chaque angle ou extrémité représente un carbone. Les hydrogènes liés aux carbones ne sont pas écrits.
Les groupes caractéristiques (fonctionnels)
Un groupe caractéristique (ou fonctionnel) est un groupement d''atomes qui confère à la molécule ses propriétés chimiques. Il détermine la famille à laquelle appartient la molécule.
Tableau des groupes fonctionnels au programme
| Famille | Groupe caractéristique | Formule générale | Exemple |
|---|---|---|---|
| Alcool | –OH (hydroxyle) | R–OH | Éthanol C₂H₅OH |
| Aldéhyde | –CHO (carbonyle terminal) | R–CHO | Éthanal CH₃CHO |
| Cétone | >C=O (carbonyle interne) | R–CO–R'' | Propanone CH₃COCH₃ |
| Acide carboxylique | –COOH (carboxyle) | R–COOH | Acide éthanoïque CH₃COOH |
| Ester | –COO– | R–COO–R'' | Acétate d''éthyle |
| Amine | –NH₂ (amino) | R–NH₂ | Méthylamine CH₃NH₂ |
| Amide | –CONH₂ | R–CO–NH₂ | Éthanamide |
| Halogénoalcane | –X (X = F, Cl, Br, I) | R–X | Chloroéthane C₂H₅Cl |
⚠️ Attention : ne pas confondre aldéhyde (carbonyle en bout de chaîne) et cétone (carbonyle en milieu de chaîne).
Nomenclature des composés organiques
Règles générales
- Identifier la chaîne carbonée principale (la plus longue contenant le groupe fonctionnel)
- Numéroter les carbones pour que le groupe fonctionnel ait le plus petit numéro possible
- Nommer avec le préfixe (longueur de chaîne) + suffixe (famille)
Préfixes selon le nombre de carbones
| Nb de C | Préfixe |
|---|---|
| 1 | méth- |
| 2 | éth- |
| 3 | prop- |
| 4 | but- |
| 5 | pent- |
| 6 | hex- |
Suffixes selon la famille
| Famille | Suffixe |
|---|---|
| Alcane | -ane |
| Alcool | -ol |
| Aldéhyde | -al |
| Cétone | -one |
| Acide carboxylique | acide …-oïque |
| Ester | …-oate de … |
| Amine | -amine |
| Amide | -amide |
Exemples :
- CH₃CH₂CH₂OH → propan-1-ol (chaîne de 3C, alcool en C1)
- CH₃COCH₃ → propan-2-one ou acétone (chaîne de 3C, cétone en C2)
- CH₃CH₂COOH → acide propanoïque
- CH₃COOC₂H₅ → éthanoate d''éthyle (acide éthanoïque + éthanol)
L''isomérie
Deux molécules sont des isomères si elles ont la même formule brute mais des structures différentes.
Isomérie de constitution (structurale)
Les atomes sont liés différemment.
Types :
- Isomérie de chaîne : chaîne carbonée différente (linéaire vs ramifiée)
- Exemple : butane CH₃CH₂CH₂CH₃ et 2-méthylpropane (CH₃)₂CHCH₃ → même formule C₄H₁₀
- Isomérie de position : le groupe fonctionnel est sur un carbone différent
- Exemple : propan-1-ol et propan-2-ol → même formule C₃H₈O
- Isomérie de fonction : groupes fonctionnels différents (alcool et éther, aldéhyde et cétone…)
- Exemple : éthanal CH₃CHO et oxyde d''éthylène → C₂H₄O
Stéréoisomérie
Même formule brute et même enchaînement des atomes, mais disposition spatiale différente.
Isomérie Z/E (géométrique)
Possible autour d''une double liaison C=C quand chaque carbone porte deux substituants différents.
- Z (de l''allemand zusammen = ensemble) : groupes prioritaires du même côté
- E (de l''allemand entgegen = en face) : groupes prioritaires de côtés opposés
💡 La priorité est déterminée par la règle de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) : plus le numéro atomique est grand, plus la priorité est haute.
Chiralité et énantiomères
Un carbone est dit asymétrique (ou stéréogène) s''il porte 4 substituants différents.
- Deux molécules énantiomères sont des images l''une de l''autre dans un miroir, non superposables.
- Elles ont des propriétés physiques identiques (sauf rotation de la lumière polarisée).
- En biologie et pharmacologie, elles peuvent avoir des effets très différents !
Les réactions en chimie organique
1. Réaction d''estérification / hydrolyse
$\text{Acide carboxylique} + \text{Alcool} \underset{\text{hydrolyse}}{\stackrel{\text{estérification}}{\rightleftharpoons}} \text{Ester} + \text{Eau}$
Caractéristiques :
- Réaction lente, limitée (équilibre) et athermique
- Catalysée par un acide fort (H₂SO₄ concentré, H⁺)
- Taux d''avancement à l''équilibre ≈ 67% pour un mélange équimolaire acide + alcool primaire
Pour déplacer l''équilibre vers les esters :
- Utiliser un excès d''un réactif
- Éliminer l''eau au fur et à mesure
- Utiliser un agent desséchant
⚠️ L''hydrolyse est la réaction inverse : l''ester + l''eau donnent l''acide et l''alcool. Elle aussi est limitée.
Saponification : hydrolyse d''un ester en milieu basique (NaOH). Elle est totale (irréversible).
$\text{Ester} + \text{HO}^- \rightarrow \text{Carboxylate} + \text{Alcool}$
2. Substitution nucléophile
Un nucléophile (riche en électrons, porteur d''un doublet libre) attaque un électrophile et remplace un groupe partant.
Exemple : hydrolyse d''un halogénoalcane $R\text{–}X + \text{HO}^- \rightarrow R\text{–}OH + X^-$
- Le nucléophile HO⁻ attaque le carbone électrophile portant X
- X⁻ (halogénure) est le groupe partant
3. Addition sur les doubles liaisons
Les alcènes (C=C) subissent des réactions d''addition.
Hydratation d''un alcène : $\text{Alcène} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{Alcool}$
Règle de Markovnikov : l''hydrogène se fixe sur le carbone le plus hydrogéné.
Halogénation : $\text{Alcène} + \text{Br}_2 \rightarrow \text{Dibromoalcane}$
Test pratique : l''eau de brome (solution orangée de Br₂) se décolore en présence d''une double liaison.
4. Réactions d''oxydation
Oxydation des alcools
| Type d''alcool | Produit d''oxydation ménagée | Produit d''oxydation forcée |
|---|---|---|
| Primaire (–CH₂OH) | Aldéhyde (–CHO) | Acide carboxylique (–COOH) |
| Secondaire (>CHOH) | Cétone (>C=O) | Pas d''oxydation supplémentaire facile |
| Tertiaire (>COH) | Résistant à l''oxydation ménagée | — |
Oxydants courants : KMnO₄ (permanganate de potassium), K₂Cr₂O₇ (dichromate de potassium), CuO
Tests de reconnaissance :
- Réactif de Tollens (liqueur argentée) : oxyde les aldéhydes → miroir d''argent ✓, ne réagit pas avec les cétones
- Réactif de Fehling (bleu → précipité rouge brique Cu₂O) : même principe, aldéhydes seulement
5. Élimination
Perte de deux atomes (souvent H et X ou H et OH) pour former une double liaison.
Déshydratation d''un alcool → alcène : $\text{Alcool} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ conc., chaud}} \text{Alcène} + \text{H}_2\text{O}$
Déshydrohalogénation (élimination E2) : $R\text{–}CH_2\text{–}CH_2\text{–}Br + \text{KOH (alcoolique)} \rightarrow R\text{–}CH=CH_2 + \text{KBr} + \text{H}_2\text{O}$
Synthèse organique — stratégie
Une synthèse organique est une suite d''étapes qui permet de passer d''un réactif de départ à une molécule cible.
Étapes clés d''une synthèse
- Analyser la molécule cible : identifier le groupe fonctionnel, la chaîne carbonée
- Choisir les réactifs : quelle réaction permet d''obtenir ce groupe ?
- Identifier les conditions : catalyseur, température, solvant
- Purifier le produit : distillation, recristallisation, extraction liquide-liquide, chromatographie
Extraction liquide-liquide
Technique de purification exploitant les différences de solubilité dans deux solvants non miscibles (ex : eau + éther).
- On agite dans une ampoule à décanter
- Le composé se retrouve préférentiellement dans le solvant où il est le plus soluble
- On sépare les deux phases
Distillation
Séparation de liquides miscibles selon leur température d''ébullition différente.
- Distillation simple : différence de Te > 30°C
- Distillation fractionnée : mélanges proches en Te
Recristallisation
Purification d''un solide : dissolution à chaud dans un solvant, puis refroidissement → le produit pur cristallise, les impuretés restent en solution.
Les polymères
Un polymère est une macromolécule formée par la répétition d''un motif élémentaire : le monomère.
Polymérisation par addition
Le monomère doit posséder une double liaison.
$n \text{ CH}_2=\text{CH}_2 \rightarrow [-\text{CH}_2\text{–CH}_2-]_n$
- Polyéthylène (PE) : emballages, sacs plastiques
- Polychlorure de vinyle (PVC) : tuyaux, fenêtres
- Polypropylène (PP) : bouteilles, textiles
- Polystyrène (PS) : emballages, isolation
Polymérisation par condensation (polyaddition avec élimination)
Réaction entre deux monomères bifonctionnels avec élimination d''une petite molécule (eau, HCl…).
Polyester (condensation diol + diacide) : $n \text{ HO–R–OH} + n \text{ HOOC–R''–COOH} \rightarrow [-O\text{–R–O–CO–R''–CO}-]_n + 2n\text{H}_2\text{O}$
Exemple : PET (polyéthylène téréphtalate) — bouteilles, fibres textiles
Polyamide (condensation diamine + diacide) : $n \text{ H}_2\text{N–R–NH}_2 + n \text{ HOOC–R''–COOH} \rightarrow [-\text{NH–R–NH–CO–R''–CO}-]_n + 2n\text{H}_2\text{O}$
Exemple : Nylon — bas, cordes, tissus techniques
💡 Le lien entre les monomères est une liaison amide (–CO–NH–) dans les polyamides, une liaison ester (–CO–O–) dans les polyesters.
Propriétés et recyclage
| Propriété | Thermoplastique | Thermodurcissable |
|---|---|---|
| Comportement à la chaleur | Fond et se reforme | Ne fond pas, brûle |
| Recyclage | Possible | Non |
| Exemples | PE, PVC, PET | Bakélite, époxy |
Méthodes spectroscopiques d''identification
Spectroscopie infrarouge (IR)
L''IR permet d''identifier les groupes fonctionnels en mesurant l''absorption de rayonnement infrarouge (vibrations des liaisons).
| Liaison / Groupe | Nombre d''onde (cm⁻¹) | Remarque |
|---|---|---|
| O–H (alcool) | 3200–3550 | Large, intense |
| O–H (acide) | 2500–3300 | Très large |
| N–H (amine) | 3300–3500 | — |
| C–H | 2850–3000 | Intense |
| C=O (cétone) | 1715 | Très intense |
| C=O (aldéhyde) | 1720–1740 | + bande CHO vers 2720 |
| C=O (acide) | 1710 | + bande OH large |
| C=O (ester) | 1735–1750 | Intense |
| C–O | 1000–1300 | — |
| C=C | 1620–1680 | — |
⚠️ En IR, on observe les groupes fonctionnels, pas la chaîne carbonée entière.
Spectroscopie RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) ¹H
La RMN ¹H permet de localiser les environnements des protons (H) dans la molécule.
Déplacement chimique δ (ppm) :
| Proton | δ (ppm) |
|---|---|
| R–CH₃ (méthyle) | 0.8–1.0 |
| R–CH₂–R (méthylène) | 1.2–1.4 |
| R–CH–R (méthine) | 1.4–1.7 |
| –OH (alcool) | 1–5 (variable) |
| R–O–CH₃ (méthyle d''ester) | 3.5–4.0 |
| O=CH– (aldéhyde) | 9–10 |
| –COOH (acide) | 10–12 |
Multiplicité (couplage) — règle des n+1 : Un proton couplé à n protons voisins donne un signal divisé en n+1 pics.
- Singulet (s) : pas de voisin
- Doublet (d) : 1 voisin
- Triplet (t) : 2 voisins
- Quadruplet (q) : 3 voisins
Intégration : l''aire d''un signal est proportionnelle au nombre de protons équivalents.
Méthode de résolution d''exercices type Bac
Exercice 1 : Identification d''une molécule inconnue
Étapes :
- Analyser le spectre IR : quels groupes sont présents ? absents ?
- Analyser la RMN : combien d''environnements ? multiplicité ? intégration ?
- Recouper avec la formule brute et les données
- Proposer la structure, la nommer
Exercice 2 : Synthèse et choix de réactifs
Étapes :
- Identifier le groupe fonctionnel du produit cible
- Remonter à la famille de réaction qui le produit
- Choisir les réactifs et conditions adaptées
- Vérifier la compatibilité (éviter les réactions parasites)
Exercice 3 : Calcul de taux d''avancement pour une estérification
Données types : masse initiale d''acide, masse initiale d''alcool, masse d''ester obtenu à l''équilibre
Méthode :
- Calculer les quantités de matière initiales : n = m/M
- Établir le tableau d''avancement (ICF)
- Calculer l''avancement final x_f à partir de la masse d''ester
- Calculer x_max (réactif limitant)
- Taux = x_f / x_max × 100
Résumé — Ce qu''il faut retenir
✅ Groupes fonctionnels : alcool (–OH), aldéhyde (–CHO), cétone (>C=O), acide (–COOH), ester (–COO–), amine (–NH₂), amide (–CO–NH₂)
✅ Isomérie : de constitution (chaîne, position, fonction) et stéréoisomérie (Z/E, chiralité)
✅ Réactions clés :
- Estérification (lente, limitée, catalysée par H⁺) ⇌ Hydrolyse
- Saponification (totale, milieu basique)
- Oxydation des alcools (primaire → aldéhyde → acide ; secondaire → cétone)
- Substitution nucléophile (halogénoalcane + HO⁻ → alcool)
- Addition sur alcène (hydratation, halogénation)
- Polymérisation (addition sur alcènes ; condensation avec élimination d''eau)
✅ Spectroscopie :
- IR : identifier les groupes fonctionnels (position des bandes)
- RMN ¹H : environnements des H, déplacement chimique, multiplicité n+1, intégration
✅ Polymères : thermoplastiques (recyclables) vs thermodurcissables ; polyesters (liaison ester) et polyamides (liaison amide)