Les groupes caractéristiques

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Tests
Dans le chapitre précédent, nous avons essentiellement parlé des hydrocarbures. Mais d'autres atomes interviennent dans la structure des molécules organiques et créent ce qu'on appelle des « groupes fonctionnels » ou « groupes caractéristiques ».
1. Identification des groupes caractéristiques
• Le tableau ci-dessous présente différentes familles de composés avec leur groupe caractéristique ainsi que leurs tests de reconnaissance.
Remarques :
  • dans l'écriture des groupes caractéristiques, la lettre R désigne un radical alkyle, c'est-à-dire une chaîne carbonée ;
  • le sigle DNPH désigne la 2,4-dinitrophénylhydrazine ;
  • il ne faut pas confondre le nom du groupe et celui de la famille qu'il caractérise ;
  • les aldéhydes et les cétones possèdent un groupe carbonyle \mathrm{C=O} ; on les appelle donc « composés carbonylés » ;
  • le carbone lié au groupe caractéristique porte le nom de « carbone fonctionnel » ;
  • pour la nomenclature, on numérotera la chaîne carbonée de sorte que le carbone fonctionnel porte le plus petit numéro possible : pour les aldéhydes et les acides carboxyliques, il portera forcément le numéro 1, on ne le précise donc pas dans le nom ; pour les autres fonctions, il faudra préciser la place de cet atome.
Test n°1Test n°2Test n°3
2. Les alcools
• Nous allons développer l'étude d'une famille de composés organiques : celle des alcools.
Ces composés sont caractérisés par la présence d'un groupe hydroxyle −OH lié à un carbone tétragonal.
On va devoir séparer cette famille en 3 sous-familles appelées « classes » : les alcools primaires, les alcools secondaires et les alcools tertiaires.
• Les alcools primaires sont de la forme R−CH2−OH (le carbone fonctionnel est lié à 1 groupe alkyle, d'où son nom de « primaire »).
Les alcools secondaires sont de la forme :
Les alcools tertiaires seront donc de la forme :
Nous allons voir que la réactivité d'un alcool peut dépendre de la classe à laquelle il appartient.
Test n°4
3. Oxydations des alcools
• On peut observer deux types d'oxydations des alcools : l'oxydation complète et l'oxydation ménagée.
L'oxydation complète d'une substance organique est sa combustion.
Les alcools sont fréquemment utilisés comme combustibles (alcool « à brûler », biocarburants : méthanol et éthanol, etc.).
Exemple : combustion de l'éthanol :
H3−CH2−OH(g) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g).
• L'oxydation ménagée conserve le squelette carboné de la molécule.
C'est l'expérience de la « lampe sans flamme » au cours de laquelle l'éthanol réagit avec le dioxygène de l'air pour former successivement de l'éthanal puis de l'acide éthanoïque. Cette réaction est catalysée par le cuivre métallique. Elle est exothermique, ce qui maintient le filament de cuivre à incandescence.
2 CH3−CH2−OH(g) + O2(g) → 2 CH3−CHO(g) + 2 H2O(g).
2 CH3−CHO(g) + O2(g) → 2 CH3−CO2H(g).
Remarque : Il s'agit de deux réactions d'oxydoréduction successives. Les couples mis en jeu sont :
CH3−CHO(g)/CH3−CH2−OH(g) ;
CH3−CO2H(g)/CH3−CHO(g) ;
O2(g)/H2O(g).
• L'oxydation ménagée d'un alcool peut aussi avoir lieu en solution aqueuse ; l'oxydant est alors l'ion permanganate (couple MnO4(aq)/Mn2+(aq)) ou l'ion dichromate (couple Cr2O72−(aq)/Cr3+(aq)) en milieu acide.
Exemple : oxydation ménagée du propan-2-ol par les ions permanganate.
• L'oxydation ménagée d'un alcool primaire conduit à un aldéhyde, puis à un acide carboxylique.
Si l'oxydant est en défaut, la réaction peut s'arrêter au stade aldéhyde.
L'oxydation ménagée d'un alcool secondaire conduit à une cétone.
Un alcool tertiaire ne peut pas subir d'oxydation ménagée.
Test n°5Test n°6
4. Déshydratation et déshydrogénation des alcools
• Ce sont des réactions d'élimination : une petite molécule (H2O dans un cas, H2 dans l'autre) est éliminée lors de la réaction.
• La déshydratation d'un alcool conduit à la formation d'un alcène (ou d'un mélange d'alcènes selon la place du groupe hydroxyle).
Elle nécessite généralement une température élevée et un catalyseur comme l'alumine Al2O3.
Exemple : déshydratation du propan-2-ol (à 300 °C en présence d'alumine).
• La déshydrogénation d'un alcool a lieu en faisant passer les vapeurs à haute température (300 °C) sur un catalyseur (cuivre ou argent divisé).
La déshydrogénation d'un alcool primaire conduit à un aldéhyde.
La déshydrogénation d'un alcool secondaire conduit à une cétone.
Un alcool tertiaire ne peut pas subir de déshydrogénation.
Exemple : déhydrogénation du propan-2-ol (Cu, 300 °C).
5. Substitution des alcools : formation de dérivés halogénés
• La substitution est le remplacement du groupe hydroxyde −OH par un autre groupe, ici le groupe −X qui caractérise un dérivé halogéné.
Il s'agit d'une réaction entre l'alcool et un hydracide halogéné (HCl, HBr, HI), parfois en présence d'un catalyseur (ZnCl2).
On peut aussi remplacer l'hydracide par un dérivé comme le chlorure de thionyle (SOCl2) ou l'oxychlorure de phosphore (POCl3).
• Les alcools tertiaires réagissent plus rapidement que les alcools secondaires, qui réagissent beaucoup plus rapidement que les alcools primaires.
Exemple : iodation du méthylpropan-2-ol en 2-chlorométhylpropane :
À retenir
• Les composés organiques sont répartis en familles de composés dont la réactivité est analogue.
Il faut savoir reconnaître, nommer et caractériser : les alcanes, les alcènes, les dérivés halogénés, les alcools (primaire, secondaire et tertiaire), les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, les amines.
• L'oxydation complète d'un alcool est sa combustion, qui forme du dioxyde de carbone et de l'eau.
L'oxydation ménagée d'un alcool conserve son squelette. Si l'alcool est primaire, elle conduit à un aldéhyde puis un acide carboxylique, s'il est secondaire à une cétone, s'il est tertiaire la réaction est impossible.
• La déshydratation et la déshydrogénation sont des réactions d'élimination.
La déshydratation d'un alcool conduit à un ou plusieurs alcène(s).
La déshydrogénation d'un alcène conduit à un aldéhyde s'il est primaire, à une cétone s'il est secondaire, elle est impossible s'il est tertiaire.
La substitution du groupe OH par un atome d'halogène X conduit à un dérivé halogéné.
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