À propos de cette page
Ce cours de spécialité physique-chimie en terminale sur « Réactions et transformations en chimie organique » suit le programme officiel de spécialité physique-chimie de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Rappels : liaisons, groupes caractéristiques et polarité, Notion de mécanisme réactionnel — notations flèches courbes, Substitution nucléophile (SN2), Addition électrophile sur les alcènes. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en spécialité physique-chimie.
Au programme
1 · Rappels : liaisons, groupes caractéristiques et polarité
2 · Notion de mécanisme réactionnel — notations flèches courbes
3 · Substitution nucléophile (SN2)
4 · Addition électrophile sur les alcènes
5 · Élimination et déshydratation
6 · Oxydation des alcools et synthèse organique
7 · Réactions acido-basiques en chimie organique
8 · Stratégie de synthèse multi-étapes
1Rappels : liaisons, groupes caractéristiques et polarité
La chimie organique étudie les composés carbonés. Les propriétés chimiques d'une molécule dépendent de ses groupes caractéristiques (ou groupes fonctionnels) et de la polarité des liaisons.
| Famille | Groupe caractéristique | Exemple |
|---|
| Alcool | $\text{–OH}$ (hydroxyle) | Éthanol $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ |
| Halogénoalcane | $\text{–X}$ (X = F, Cl, Br, I) | Chloroéthane $\text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$ |
| Aldéhyde | $\text{–CHO}$ | Éthanal $\text{CH}_3\text{CHO}$ |
| Cétone | $\text{C=O}$ (entre deux carbones) | Propanone $\text{CH}_3\text{COCH}_3$ |
| Acide carboxylique | $\text{–COOH}$ | Acide acétique $\text{CH}_3\text{COOH}$ |
| Amine | $\text{–NH}_2$ | Méthanamine $\text{CH}_3\text{NH}_2$ |
| Ester | $\text{–COO–}$ | Acétate d'éthyle $\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$ |
Polarité d'une liaison. Une liaison $\text{A–B}$ est polarisée lorsque les électronégativités de A et B diffèrent : le centre le plus électronégatif porte une charge partielle $\delta^-$ et l'autre $\delta^+$. La liaison $\text{C–Cl}$ est ainsi polarisée $\text{C}^{\delta+}\text{–Cl}^{\delta-}$.
Astuce. Mémorisez l'échelle d'électronégativité (Pauling) pour les éléments courants : $\text{F} > \text{O} > \text{N} > \text{Cl} > \text{Br} > \text{C} > \text{H}$. Elle guide la prédiction des sites réactifs.
2Notion de mécanisme réactionnel — notations flèches courbes
Un mécanisme réactionnel décrit, étape par étape, comment les liaisons se forment et se rompent. On utilise des flèches courbes pour représenter les déplacements d'électrons.
Conventions.- Une flèche courbe double (→) représente le déplacement d'un doublet électronique (2 e⁻).
- Une flèche simple (half-arrow) représente le déplacement d'un seul électron (radical).
- La flèche part de là où les électrons se trouvent et va vers là où ils vont.
Deux types de rupture de liaison :
| Rupture | Description | Espèces formées |
|---|
| Hétérolytique | Le doublet part entièrement vers un atome | Ions (carbocation, carbanion) |
| Homolytique | Un électron part de chaque côté | Radicaux (espèces à e⁻ non apparié) |
Réactifs selon leur rôle électronique.- Électrophile : espèce lacunaire en électrons, accepteur de doublet. Ex. : $\text{H}^+$, $\text{Br}_2$, $\text{NO}_2^+$.
- Nucléophile : espèce riche en électrons, donneuse de doublet. Ex. : $\text{HO}^-$, $\text{NH}_3$, alcènes ($\pi$).
Attention ! Ne confondez pas électrophile/nucléophile (rôle réactionnel) et acide/base (transfert de proton). Un nucléophile peut être une base selon le contexte.
3Substitution nucléophile (SN2)
La substitution nucléophile est caractéristique des halogénoalcanes. Un nucléophile attaque le carbone électrophile portant le groupe partant (halogène).
Réaction SN2 (bimoléculaire). Le nucléophile $\text{Nu}^-$ attaque par derrière le carbone portant le groupe partant $\text{X}$ ; la liaison $\text{C–Nu}$ se forme tandis que $\text{C–X}$ se rompt, en une seule étape (concertée).
$$\text{R–X} + \text{Nu}^- \rightarrow \text{R–Nu} + \text{X}^-$$
Exemple. Hydrolyse alcaline du chloroéthane :
$$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Cl} + \text{HO}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} + \text{Cl}^-$$
Le groupe partant est $\text{Cl}^-$ ; le nucléophile est $\text{HO}^-$.
Facteurs influençant la SN2 :
- Accessibilité du carbone : la SN2 est favorisée pour les carbones primaires (peu encombrés).
- Qualité du groupe partant : l'ordre de réactivité est $\text{I} > \text{Br} > \text{Cl} > \text{F}$ (liaison C–I plus faible, meilleur départ).
- Nucléophilie : HO⁻ est un meilleur nucléophile que H₂O.
Astuce mémo. SN2 = « Substitution Nucléophile Bimoléculaire » — deux réactifs interviennent dans l'étape cinétiquement déterminante (vitesse ∝ [R–X]·[Nu]).
4Addition électrophile sur les alcènes
Les alcènes possèdent une double liaison $\text{C=C}$ riche en électrons (liaison π), ce qui en fait de bons nucléophiles vis-à-vis des électrophiles.
Addition électrophile (AE). Un électrophile $\text{E}^+$ attaque la liaison π de l'alcène : la double liaison se rompt, l'électrophile se lie à un carbone, et un carbocation intermédiaire se forme. Le nucléophile $\text{Nu}^-$ attaque ensuite le carbocation.
$$\text{C=C} + \text{E}^+ \rightarrow \text{carbocation} \xrightarrow{\text{Nu}^-} \text{produit d'addition}$$
Exemple 1 : addition de HBr sur l'éthylène.
$$\text{CH}_2\text{=CH}_2 + \text{HBr} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{Br}$$
Première étape : $\text{H}^+$ (électrophile) attaque la double liaison ; deuxième étape : $\text{Br}^-$ (nucléophile) attaque le carbocation.
Règle de Markovnikov. Lors de l'addition d'un acide $\text{H–X}$ sur un alcène non symétrique, H⁺ se fixe sur le carbone portant le plus grand nombre d'hydrogènes (carbone le moins substitué), de façon à former le carbocation le plus stable.
Exemple 2 : addition de HBr sur le propène.
$$\text{CH}_3\text{–CH=CH}_2 + \text{HBr} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_3 \text{ (produit majoritaire)}$$
Le carbocation secondaire $\text{CH}_3\text{–CH}^+\text{–CH}_3$ est plus stable que le primaire.
Attention ! L'addition de $\text{Br}_2$ (dibrome) sur un alcène produit un dibromure vicinal et suit aussi un mécanisme AE (Br₂ polarisé par la liaison π).
5Élimination et déshydratation
L'élimination est le processus inverse de l'addition : on élimine un petit fragment de la molécule pour former une double liaison.
Déshydratation d'un alcool. En présence d'un acide fort ($\text{H}_2\text{SO}_4$ concentré, chaleur), un alcool peut perdre une molécule d'eau pour former un alcène.
$$\text{R–CH}_2\text{–CH(OH)–R'} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4,\,\Delta} \text{R–CH=CH–R'} + \text{H}_2\text{O}$$
Exemple : déshydratation de l'éthanol.
$$\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–OH} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4,\,170°\text{C}} \text{CH}_2\text{=CH}_2 + \text{H}_2\text{O}$$
Règle de Zaïtsev (ou Saytzeff). Dans une élimination, c'est l'alcène le plus substitué (liaison double la plus stable) qui est obtenu préférentiellement.
Conditions.- Alcool → alcène : $\text{H}_2\text{SO}_4$ conc., T° élevée (≥ 170 °C).
- Halogénoalcane → alcène : base forte (ex. $\text{KOH}$ dans l'éthanol).
Compétition substitution / élimination. Avec les halogénoalcanes, la substitution est favorisée à basse température et par les nucléophiles forts ; l'élimination est favorisée à haute température et par les bases fortes encombrées.
6Oxydation des alcools et synthèse organique
L'oxydation ménagée ou totale d'un alcool permet d'accéder à d'autres familles de composés.
| Type d'alcool | Oxydation ménagée | Oxydation totale |
|---|
| Primaire (–CH₂OH) | Aldéhyde (–CHO) | Acide carboxylique (–COOH) |
| Secondaire (–CHOH–) | Cétone (>C=O) | Cétone (résiste à l'oxydation totale) |
| Tertiaire (–C(OH)–) | Pas d'oxydation ménagée | Coupure de chaîne |
Exemple 1 : oxydation ménagée.
$$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{[\text{O}],\text{ ménagé}} \text{CH}_3\text{CHO} \xrightarrow{[\text{O}],\text{ total}} \text{CH}_3\text{COOH}$$
Réactifs oxydants courants : $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7/\text{H}_2\text{SO}_4$ (dichromate), $\text{KMnO}_4$, $\text{CuO}$.
Test de Tollens. Pour distinguer aldéhyde et cétone : le réactif de Tollens ($[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$) oxyde les aldéhydes en acides (miroir d'argent) mais ne réagit pas avec les cétones.
Méthode. Pour réaliser une synthèse organique :
- Identifier le groupe fonctionnel à créer.
- Choisir la réaction appropriée (substitution, addition, élimination, oxydation…).
- Sélectionner les réactifs et conditions (solvant, température, catalyseur).
- Prévoir les sous-produits et purifier le produit.
7Réactions acido-basiques en chimie organique
De nombreuses molécules organiques peuvent se comporter comme des acides ou des bases au sens de Brønsted-Lowry (transfert de proton H⁺).
Couples acide/base courants en chimie organique.- Acides carboxyliques : $\text{R–COOH} / \text{R–COO}^-$ (pKa ≈ 4–5)
- Phénols : $\text{ArOH} / \text{ArO}^-$ (pKa ≈ 10)
- Alcools : $\text{R–OH} / \text{R–O}^-$ (pKa ≈ 16–18)
- Amines : $\text{R–NH}_3^+ / \text{R–NH}_2$ (pKa ≈ 10–11)
Exemple : réaction d'un acide carboxylique avec une base.
$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{HO}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$$
La réaction est totale car pKa(acide acétique) = 4,8 $\ll$ pKa(H₂O) = 15,7.
Règle du dominateur. Dans un mélange eau/acide organique, comparer les pKa pour savoir quelle forme domine à pH donné. Si pH < pKa, la forme acide domine ; si pH > pKa, la forme basique domine.
8Stratégie de synthèse multi-étapes
La synthèse organique multi-étapes consiste à transformer un réactif de départ en un produit cible en enchaînant plusieurs réactions. La démarche de rétrosynthèse permet de travailler « à rebours » du produit vers les réactifs.
Rétrosynthèse. On part du produit cible et on identifie des précurseurs accessibles en appliquant les réactions connues à l'envers. La flèche de rétrosynthèse est notée $\Rightarrow$.
Exemple. Pour synthétiser l'acide propanoïque $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}$ à partir du propanol :
$$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH} \Leftarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CHO} \Leftarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$$
Étape 1 : oxydation ménagée du propan-1-ol en propanal ; Étape 2 : oxydation totale du propanal en acide propanoïque.
Critères de choix.- Rendement : choisir les conditions qui maximisent la conversion.
- Sélectivité : éviter les réactions parasites sur d'autres groupes fonctionnels.
- Économie d'atomes : minimiser les pertes de matière (chimie verte).
- Sécurité : limiter les réactifs dangereux.
Protection de groupes. Lorsqu'un réactif possède plusieurs groupes fonctionnels, il peut être nécessaire de protéger temporairement certains groupes pour éviter des réactions indésirables.
★À retenir
En bref :
• Un nucléophile donne un doublet ; un électrophile en accepte un.
• SN2 : substitution nucléophile sur un halogénoalcane ; favorisée sur les carbones primaires.
• Addition électrophile sur les alcènes : la règle de Markovnikov détermine la position d'addition de H.
• Élimination : l'alcool perd H₂O (ou l'halogénoalcane perd HX) pour former une double liaison (règle de Zaïtsev).
• Oxydation des alcools : alcool primaire → aldéhyde → acide ; alcool secondaire → cétone.
• La rétrosynthèse guide la construction d'une synthèse multi-étapes.