Alcènes et Alcynes : Structure et Réactivité

Alcènes et Alcynes : Guide Essentiel

Ce document fournit un aperçu concis des alcènes et alcynes, leurs propriétés, nomenclature et réactions clés.

Définitions Générales

• Hydrocarbures insaturés : Composés organiques contenant des liaisons doubles ou triples C-C.

I. Alcènes

1. Structure et Formule

• Formule brute : $\mathrm{C_nH_{2n}}$ (n≥2, n∈N).
• L'éthylène ($\mathrm{C_2H_4}$) est le plus simple.
• Contiennent une liaison double C=C (une liaison sigma et une liaison pi).
• La liaison pi empêche la rotation autour de l'axe C=C, ce qui conduit à la stéréoisomérie.
• Molécule plane.

2. Propriétés Physiques

• $\mathrm{C_2}$ à $\mathrm{C_4}$ sont gazeux (conditions normales).
• $\mathrm{C_5}$ à $\mathrm{C_{18}}$ sont liquides.
• Au-delà de $\mathrm{C_{18}}$, ils sont solides.
• Généralement peu solubles dans l'eau.

II. Alcynes

1. Structure et Formule

• Formule brute : $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$ (n≥2, n∈N).
• L'acétylène ($\mathrm{C_2H_2}$) est le plus simple.
• Contiennent une liaison triple C≡C (une liaison sigma et deux liaisons pi).
• Molécule linéaire : les quatre atomes sont alignés.
• Distances des liaisons typiques : C-H = 110 pm, C≡C = 120 pm.

2. Propriétés Physiques

• $\mathrm{C_2}$ à $\mathrm{C_4}$ sont gazeux (conditions normales).
• $\mathrm{C_5}$ à $\mathrm{C_{15}}$ sont liquides.
• Au-delà de $\mathrm{C_{15}}$, ils sont solides.
• Généralement peu solubles dans l'eau.

III. Nomenclature (IUPAC)

Le nom dérive de l'alcane correspondant en remplaçant la terminaison "-ane" par :

• "-ène" pour les alcènes.
• "-yne" pour les alcynes.

La terminaison est précédée de l'indice de position de la double/triple liaison (le plus petit possible). La chaîne principale est la plus longue contenant la liaison multiple.

Exemples :

IV. Isomérie

1. Isomérie de Constitution

• Les isomères de position (ex: but-1-ène et but-2-ène) diffèrent par la position de la double/triple liaison.
• Les isomères de chaîne (ex: but-1-ène et 2-méthylprop-1-ène) diffèrent par la structure du squelette carboné.
• Ces deux types font partie de l'isomérie de constitution.

2. Stéréoisomérie (Alcènes)

• Stéréoisomères : Diffèrent uniquement par l'agencement spatial des atomes.
• Exemple : But-2-ène
  • Configuration (Z) : Groupes méthyles du même côté de la double liaison.
  • Configuration (E) : Groupes méthyles de part et d'autre de la double liaison.
• Les configurations Z/E sont des diastéréoisomères.
• Anciennement appelées isomérie Cis/Trans quand les substituants sont identiques.

V. Réactions Chimiques

1. Combustion

• Alcènes : $\mathrm{C_nH_{2n} + \frac{3n}{2}O_2 \rightarrow nCO_2 + nH_2O}$
• Alcynes : $\mathrm{C_nH_{2n-2} + \frac{3n-1}{2}O_2 \rightarrow nCO_2 + (n-1)H_2O}$

2. Hydrogénation (Addition de $\mathrm{H_2}$)

• Alcène $\rightarrow$ Alcane :
  • Catalyseurs : Ni, Pt, Pd à $25^{\circ}\mathrm{C}$ et 1 bar.
  • Équation : $\mathrm{C_nH_{2n} + H_2 \rightarrow C_nH_{2n+2}}$
• Alcyne $\rightarrow$ Alcane :
  • Catalyseurs : Nickel de Raney, Pt, Pd.
  • Équation : $\mathrm{C_nH_{2n-2} + 2H_2 \rightarrow C_nH_{2n+2}}$
• Alcyne $\rightarrow$ Alcène :
  • Catalyseur : Pd de Lindlar ($\mathrm{Pd}$ sur $\mathrm{BaSO_4}$ empoisonné par quinoléine).
  • La réaction s'arrête au stade de l'alcène.
  • Équation : $\mathrm{C_nH_{2n-2} + H_2 \rightarrow C_nH_{2n}}$

3. Halogénation (Addition de $\mathrm{X_2}$)

• Alcène + $\mathrm{X_2}$ $\rightarrow$ Alcane dihalogéné ($\mathrm{X = Cl, Br, \ldots}$).
• Exemple : $\mathrm{CH_2 = CH_2 + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl-CH_2Cl}$ (1,2-dichlorométhane).
• Alcyne + $\mathrm{X_2}$ $\rightarrow$ Alcène dihalogéné.
• Exemple : $\mathrm{CH≡C-CH_3 + Br_2 \rightarrow CHBr=CBr-CH_3}$ (1,2-dibromoprop-1-ène).
• Alcyne + $2\mathrm{X_2}$ $\rightarrow$ Alcane tétrahalogéné.
• Exemple : $\mathrm{CH≡C-CH_3 + 2Br_2 \rightarrow CHBr_2-CBr_2-CH_3}$ (1,1,2,2-tétrabromopropane).

4. Hydratation (Addition de H₂O)

• Alcènes :
  • Conditions : Haute température, catalyseur acide sulfurique ($\mathrm{H^+}$).
  • Produit : Alcool.
  • Exemple : $\mathrm{CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2OH}$ (éthanol).
  • Règle de Markovnikov : Pour les alcènes dissymétriques, l'hydrogène se fixe sur le carbone le plus hydrogéné (moins substitué) de la double liaison.
  • Si l'alcène est symétrique, un seul produit; si dissymétrique, deux produits (majoritaire et minoritaire).
• Alcynes :
  • Conditions : En présence d'ions mercure ($\mathrm{Hg^{2+}}$).
  • Produit : Généralement une cétone.
  • Cas particulier de l'acétylène : donne un aldéhyde.
  • Exemples :
    • $\mathrm{CH≡C-CH_3 + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}} CH_3-CO-CH_3}$ (propanone).
    • $\mathrm{CH≡CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}} CH_3-CHO}$ (éthanal).
  • Suit également la règle de Markovnikov.

5. Addition d'un Hydracide Halogéné (H-X)

• Alcène + H-X : Fixation d'une molécule H-X sur la double liaison.
  • Exemple : $\mathrm{CH_3-CH=CH_2 + HCl \rightarrow CH_3-CHCl-CH_3}$ (2-chloropropane) ou $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2Cl}$ (1-chloropropane).
• Alcyne + H-X : Fixation d'une ou deux molécules H-X.
  • Exemple : $\mathrm{CH≡C-CH_3 + HCl \rightarrow CH_2=CCl-CH_3}$ (2-chloropropène) ou $\mathrm{CHCl=CH-CH_3}$ (1-chloropropène).
  • Exemple (deux molécules) : $\mathrm{CH≡C-CH_3 + 2HCl \rightarrow CH_3-CCl_2-CH_3}$ (2,2-dichloropropane) ou $\mathrm{CH_2Cl-CHCl-CH_3}$ (1,2-dichloropropane).

6. Polymérisation

• Polyaddition :
• Le monomère doit contenir au moins une liaison C=C.
• Polymérisation de l'éthylène : $\mathrm{n(CH_2=CH_2) \rightarrow (-CH_2-CH_2-)_n}$ (Polyéthylène).
• Polymérisation du chlorure de vinyle : $\mathrm{n(CH_2=CHCl) \rightarrow (-CH_2-CHCl-)_n}$ (Polychlorure de vinyle, PCV).

VI. Préparation

• Alcènes :déshydratation d'alcools en présence d'un catalyseur.
• Alcynes :
  • Au laboratoire : Action de l'eau sur le carbure de calcium ($\mathrm{CaC_2}$) pour obtenir de l'acétylène.
  • Industrie : Par alkylation à partir de l'acétylène.

Points Clés à Retenir

• Alcènes : Formule $\mathrm{C_nH_{2n}}$, liaison double, planaires, stéréoisomérie Z/E.
• Alcynes : Formule $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$, liaison triple, linéaires.
• Nomenclature : "ène" ou "yne" après l'alcane, avec indice de position.
• Règle de Markovnikov : L'hydrogène se fixe sur le carbone le plus hydrogéné lors des additions d'H-X ou H₂O sur des liaisons multiples dissymétriques.
• Catalyseurs spécifiques : Importance des catalyseurs (Ni, Pt, Pd, Lindlar, $\mathrm{Hg^{2+}}$) pour diriger les réactions.
• Polymérisation : Formation de macromolécules à partir de monomères insaturés.