Class Organic Chemistry 150513FR

Chapitre 1
Le Carbone comme base de la Chimie Organique
Clayden, Greeves, Warren, Wothers, Organic Chemistry, Oxford University Press, 2001, Chapter 4, pp. 81–110.
Arnaud, Chimie Organique, Paul Arnaud, Dunod Editeur, 2009, Chapitre 4, pp 73-103.
Définition de la Chimie Organique
• la chimie organique est la chimie des molécules (composés) contenant du carbone
molécules organiques contiennent du carbone lié de façon covalente à d’autres éléments (non• lesmétalliques)
group 4
Ia
IIa
IIIa
IVa
Va
VIa
VIIa
1
2
3
4
5
6
7
VIII
8
9
10
Ib
IIb
IIIb
IVb
Vb
VIb
VIIb
0
11
12
13
14
15
16
17
18
1
1
2
H
He
1.008
4.0003
Wasserstoff
3
Li
2
9.01
Beryllium
C
9
O
F
Ne
12.011
14.01
16.00
19.00
20.18
Bor
Kohlenstoff
Stickstoff
Sauerstoff
Fluor
14
N
10
10.81
13
Mg
8
15
16
Neon
18
Al
Si
S
Cl
Ar
24.31
26.98
28.09
30.97
32.06
35.45
39.95
Magnesium
Aluminium
Silicium
Phosphor
Schwefel
Chlor
Argon
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
39.10
40.08
44.96
47.90
50.94
52.00
54.94
55.85
58.93
58.71
63.55
65.37
69.72
72.59
74.92
78.96
79.90
83.80
Kalium
Calcium
Scandium
Titan
Vanadium
Chrom
Mangan
Eisen
Cobalt
Nickel
Kupfer
Zink
Gallium
Germanium
Arsen
Selen
Brom
Krypton
37
Ca
P
17
Natrium
K
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
85.47
87.62
88.91
91.22
92.91
95.94
98.91
101.07
102.91
106.4
107.87
112.40
114.82
118.69
121.75
127.60
126.90
131.30
Rubidium
Strontium
Yttrium
Zirconium
Niob
Molybdän
Technecium
Ruthenium
Rhodium
Palladium
Silber
Cadmium
Indium
Zinn
Antimon
Tellur
Iod
Xenon
5
55
56
57
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
132.91
137.34
138.91
178.49
180.95
183.85
186.2
190.2
192.22
195.09
196.97
200.59
204.37
207.2
209.98
208.98
209.99
222.02
Cäsium
Barium
Lanthan
Hafnium
Tantal
Wolfram
Rhenium
Osmium
Iridium
Platin
Gold
Quecksilber
Thallium
Blei
Bismut
Polonium
Astat
Radon
87
7
7
22.99
19
4
6
B
12
Na
3
5
2ème période
Be
6.94
Lithium
11
6
Helium
4
88
89
104
105
106
107
Fr
Ra
Ac
Rf
Db
Sg
Bh
223.02
226.03
227.03
261.11
262.11
263.12
262.12
Francium
Radium
Actinium
Rutherfordium
108
Hs
109
Mt
• le carbone est dans la 2ème période, 4ème groupe, il a donc 4 électrons de valence sur la 2ème couche
• le carbone est toujours tétravalent: 4 liaisons (paires d’électrons) avec d’autres atomes
Chapitre 1
18
L’Équation de Schrödinger
• les électrons (= ondes) autour d’un noyau doivent satisfaire l’équation de Schrödinger
Ĥ √ = E √
• l’équation de Schrödinger est une équation différentielle qui décrit les états permis (état stationnaire de
la fonction d’onde ψ) d’un électron dans le champ d’un noyau atomique
• si le résultat de l’opération du Hamiltonien Ĥ sur la fonction d’onde ψ est proportionnel à ψ, alors ψ est un état permis et la constante de proportionnalité (valeur propre) est son énergie E
• à une dimension:
h 2 d 2 √(x)
Ĥ √(x) = ° 2
+ V (x)√(x) = E √(x)
8º m d x 2
• à trois dimensions:
h2
Ĥ √(r ) = ° 2 r2 √(r ) + V (r )√(r ) = E √(r )
8º m
µ 2
∂
h2
@
@2
@2
Ĥ √(r ) = ° 2
+
+
√(r ) + V (r )√(r ) = E √(r )
8º m @x 2 @y 2 @z 2
• ! est le Laplacien, V(r) l’énergie potentielle, m la masse de l’électron, h la constante de Planck
2
Chapitre 1
19
Nombres Quantiques et Orbitales
• les orbitales atomiques sont les états stationnaires ψ d’un électron dans le champ d’un noyau atomique
Nom
NQ principal n
NQ azimuthal ℓ NQ magnétique m
NQ de spin s
électrons
1s
1
0
0
+½, –½
2
2s
2
0
0
+½, –½
2
2p
2
1
+1, 0, –1
+½, –½
6
3s
3
0
0
+½, –½
2
3p
3
1
+1, 0, –1
+½, –½
6
3d
3
2
+2, +1, 0, –1, –2
+½, –½
10
• chaque orbitale est décrite par un ensemble unique de nombres quantiques n, ℓ, et m
• n, ℓ, m correspondent à l’énergie de l’électron, au moment angulaire et ses composantes vectorielles
• chaque orbitale est remplie par deux électrons avec des spin s différents (principe d’exclusion de Pauli)
Chapitre 1
20
Représentation des Orbitales Atomiques
atomiques représente l’espace dans lequel l’électron a une certaine probabilité non-nulle
• lesd’êtreorbitales
observé
1s
2s
2pz
2px
2py
3s
3pz
3px
3py
3dz2
3pxz
3pyz
3pxy
3px2–y2
• les illustrations montrent |ψ| représentant la densité de probabilité pour trouver un électron
• représentations approximatives des surfaces de contour pour une densité de probabilité |ψ| = const.
• les représentations utilisent souvent un code couleur pour la phase (signe) de ψ
2
2
Chapitre 1
21
Électrons de Valence et Configuration Électronique du Carbone
• les orbitales atomiques sont remplies en commençant par le plus bas niveau d’énergie (principe d’Aufbau)
E
2px
2py
2pz
2pz
2s
2s
1s
1s
2px
2py
• la couche de valence est la couche remplie la plus externe et la plus haute en énergie (NQ n le plus élevé)
• seuls les électrons de la couche de valence sont utiles dans les liaisons chimiques et les réactions
• la configuration électronique du carbone à l’état fondamental est 1s 2s 2p
2
Chapitre 1
2
2
22
Les Différentes Formes (Allotropes) du Carbone
Graphite
Fullerènes, Nanotubes
Diamant
chaque carbone a 3 voisins
chaque carbone a 4 liaisons
chaque carbone a 3 voisins
chaque carbone a 4 liaisons
chaque carbone a 4 voisins
chaque carbone a 4 liaisons
• le carbone est toujours tétravalent (connectés par 4 liaisons à d’autres atomes)
• géométrie de coordination variable: tétraédrique (4 voisins), trigonal (3 voisins), linéaire (2 voisins)
Chapitre 1
23
Les Differents Types de Formule Chimique
nom usuel
nom IUPAC
formule
brute
formule
développée
formules topologiques
CH3 -CH(CH3 )-CH3
H
H
H C H
H C C C H
H H H
CH3 -CH(OH)-CH3
O
H C H
C C
H
H
H H
H
isobutane
acétone
2-methylpropane C4H10
propane-2-one
acide acétique acide éthanoïque
benzène
styrène
benzène
1-phényléthène
C3H8O
C2H4O2
C6H6
C8H8
CH3-C(O)-OH
CH3COOH
H
C
H
H
H
C6H6
H
C6H5-CH=CH2
H
H
Base
Chapitre 1
C
C
C
C
O
C
H
C
C
H
H
C
C
H
CH 3
H 3C
CH 3
O
H 3C
O
CH 3
O
OH
C
C
C
C
H 3C
H
H
H
H
H
C
H
C
H
H
O
OH
H
H
OH
H
H
CH2
24