Fonctions chimiques organiques — Cours PASS complet 🔬
Réactivité des alcools, amines, carbonylés et acides carboxyliques — SN, addition, élimination
Sites réactifs
Types de réactions
Substitutions nucléophiles
Éliminations
Additions
Alcools
Carbonylés
Acides carboxyliques et dérivés
Amines
Oxydoréduction
Exercices
FAQ
1. Sites réactifs : nucléophiles et électrophiles ⚡
1.1 Sites nucléophiles (donneurs d’électrons)
Un nucléophile est une espèce riche en électrons capable de donner un doublet d’électrons à un site déficitaire. Il est attiré par les charges positives (noyaux). On le reconnaît par la présence de doublets non liants, de liaisons π ou de charges négatives.
Exemples courants : OH⁻, CN⁻, NH₃, H₂O, R–OH, R–NH₂, ions halogénures (Cl⁻, Br⁻, I⁻), carbanions. Plus le nucléophile est riche en électrons et peu encombré, plus il est réactif.
1.2 Sites électrophiles (accepteurs d’électrons)
Un électrophile est une espèce pauvre en électrons capable d’accepter un doublet d’électrons. Il est attiré par les charges négatives. On le reconnaît par la présence de charges positives partielles (δ⁺) ou totales, de lacunes électroniques ou de liaisons polarisées.
Exemples courants : H⁺, carbocations (R⁺), carbone d’un groupe carbonyle C=O (δ⁺ sur C), carbone lié à un halogène (C–X, δ⁺ sur C), acides de Lewis (BF₃, AlCl₃).
1.3 Flèches courbes
Les mécanismes réactionnels en chimie organique sont décrits par des flèches courbes qui représentent le mouvement de doublets d’électrons. La flèche part toujours du doublet riche en électrons (nucléophile) et pointe vers le site pauvre en électrons (électrophile). C’est le formalisme universel pour écrire les mécanismes.
2. Les quatre types de réactions organiques 🔄
| Type | Définition | Bilan |
|---|---|---|
| Substitution | Un groupe est remplacé par un autre | A–B + C → A–C + B |
| Addition | Des atomes s’ajoutent sur une liaison multiple | A=B + C–D → A(C)–B(D) |
| Élimination | Des atomes sont retirés, une liaison multiple se forme | A(C)–B(D) → A=B + C–D |
| Réarrangement | Même formule brute, réorganisation des liaisons | A → A’ (isomère) |
L’addition et l’élimination sont des réactions inverses. La substitution et le réarrangement sont des réactions où le nombre total de liaisons dans les produits est identique à celui des réactifs.
3. Substitutions nucléophiles (SN) 🔀
La substitution nucléophile est le remplacement d’un groupe partant (nucléofuge) par un nucléophile sur un carbone électrophile. C’est la réaction clé des dérivés halogénés (R–X), des alcools activés et des dérivés d’acides.
3.1 SN2 — Bimoléculaire
La SN2 est un mécanisme concerté en une seule étape : le nucléophile attaque le carbone par la face opposée au groupe partant (attaque en backside), pendant que ce dernier part simultanément.
Caractéristiques de la SN2 :
— Cinétique d’ordre 2 : v = k[substrat][nucléophile].
— Inversion de Walden : la configuration du carbone est inversée (R → S ou S → R).
— Favorisée sur les carbones primaires et méthyle (peu encombrés).
— Favorisée par un nucléophile fort et un solvant apolaire aprotique (DMSO, acétone).
3.2 SN1 — Monomoléculaire
La SN1 se déroule en deux étapes : (1) départ du groupe partant pour former un carbocation intermédiaire, puis (2) attaque du nucléophile sur le carbocation.
Caractéristiques de la SN1 :
— Cinétique d’ordre 1 : v = k[substrat] (le nucléophile n’intervient pas dans l’étape lente).
— Racémisation : le carbocation plan est attaqué des deux côtés → mélange de R et S (avec légère inversion majoritaire parfois).
— Favorisée sur les carbones tertiaires (carbocation stabilisé par effet +I des alkyles).
— Favorisée par un solvant polaire protique (eau, éthanol) qui stabilise le carbocation et le groupe partant.
3.3 Stabilité des carbocations
L’ordre de stabilité des carbocations est : tertiaire > secondaire > primaire > méthyle. Les groupes alkyle stabilisent la charge positive par effet inductif donneur (+I) et par hyperconjugaison. Un carbocation allylique ou benzylique est encore plus stable grâce à la délocalisation par mésomérie.
4. Réactions d’élimination (E1, E2) ➖
L’élimination est le retrait d’un groupe partant et d’un hydrogène sur un carbone adjacent (carbone β), avec formation d’une double liaison C=C (β-élimination).
4.1 E2 — Bimoléculaire
Mécanisme concerté : la base arrache le H en β pendant que le groupe partant s’en va simultanément. Le H et le groupe partant doivent être en position anti-périplanaire (angle dièdre = 180°).
— Cinétique d’ordre 2 : v = k[substrat][base].
— Favorisée par une base forte et encombrée (tert-butylate).
— Règle de Zaïtsev : le produit majoritaire est l’alcène le plus substitué (le plus stable).
4.2 E1 — Monomoléculaire
Mécanisme en deux étapes : (1) formation du carbocation (comme SN1), puis (2) une base arrache un H en β du carbocation. La cinétique est d’ordre 1 : v = k[substrat].
E1 et SN1 sont souvent en compétition car elles passent par le même intermédiaire (carbocation). La température élevée favorise l’élimination (ΔS > 0 pour l’élimination : plus de molécules dans les produits).
4.3 Compétition SN / E
| Facteur | Favorise SN | Favorise E |
|---|---|---|
| Nucléophile/base | Bon nucléophile, peu basique | Base forte, encombrée |
| Substrat | Primaire (SN2) | Tertiaire (E2 ou E1) |
| Température | Basse | Élevée |
| Solvant | Polaire aprotique (SN2) | Polaire protique (E1) |
5. Réactions d’addition ➕
5.1 Addition électrophile sur C=C
Les alcènes (riches en électrons π) réagissent avec des électrophiles. Le mécanisme se fait en deux étapes : (1) l’électrophile attaque la double liaison pour former un carbocation intermédiaire, puis (2) un nucléophile attaque le carbocation.
Règle de Markovnikov : lors de l’addition de HX sur un alcène asymétrique, le H se fixe sur le carbone le moins substitué et le X sur le carbone le plus substitué. Explication : le carbocation le plus stable (le plus substitué) se forme préférentiellement.
Exemples : addition de HCl, HBr, H₂O (en milieu acide = hydratation), de Br₂ (addition anti, via un ion bromonium cyclique).
5.2 Addition nucléophile sur C=O
Le groupe carbonyle C=O est polarisé : Cδ⁺ = Oδ⁻. Le carbone est un site électrophile attaqué par les nucléophiles. C’est la réaction clé des aldéhydes et des cétones.
Exemples : addition d’hydrures (réduction en alcool), addition d’organomagnésiens (formation d’alcools), addition d’eau (hydratation → diol géminale), addition d’alcool (formation d’hémiacétal puis d’acétal). La formation d’hémiacétals est fondamentale en biochimie : c’est le mécanisme de cyclisation des glucides (glucose → glucopyranose).
6. Réactivité des alcools 🍷
6.1 Propriétés acido-basiques
Les alcools (R–OH, pKa ≈ 16) sont des acides très faibles. Les phénols (Ar–OH, pKa ≈ 10) sont plus acides grâce à la stabilisation de la base conjuguée par mésomérie avec le cycle aromatique.
Les alcools sont aussi des bases faibles (l’oxygène peut capter H⁺ en milieu très acide pour former R–OH₂⁺, ce qui active le départ de H₂O comme groupe partant).
6.2 Réactions des alcools
Déshydratation (élimination) : en milieu acide et à haute température, les alcools perdent H₂O pour former des alcènes. Mécanisme E1 pour les alcools tertiaires, E2 pour les primaires. Règle de Zaïtsev applicable.
Substitution nucléophile : le groupe OH est un mauvais groupe partant (OH⁻ est une base forte). Il faut d’abord l’activer : soit par protonation (H₂O part au lieu de OH⁻), soit par conversion en tosylate ou halogénure (réaction avec HX, SOCl₂ ou PBr₃).
Estérification : réaction avec un acide carboxylique pour former un ester + H₂O. Réaction équilibrée, catalysée par un acide. C’est une substitution nucléophile acylique.
Oxydation : voir section oxydoréduction ci-dessous.
7. Réactivité des composés carbonylés (C=O) 🧫
7.1 Aldéhydes vs cétones
Les aldéhydes (R–CHO) et les cétones (R–CO–R’) partagent le groupe carbonyle C=O. L’aldéhyde est plus réactif que la cétone car son carbone est moins encombré (un H au lieu d’un R) et moins stabilisé par l’effet +I des groupes alkyle.
7.2 Addition nucléophile — Mécanisme général
Le nucléophile attaque le carbone δ⁺ du C=O. La liaison π se rompt et l’oxygène capte un proton. C’est le mécanisme de base de la chimie des carbonylés.
7.3 Réactions importantes en PASS
Réduction par NaBH₄ ou LiAlH₄ : l’hydrure H⁻ attaque le carbone du C=O → formation d’un alcool (aldéhyde → alcool primaire, cétone → alcool secondaire).
Formation d’hémiacétal/acétal : addition d’un alcool sur le C=O. L’hémiacétal (–C(OH)(OR)–) peut réagir avec un second alcool en milieu acide pour former un acétal (–C(OR)₂–). En biochimie : cyclisation intramoléculaire des glucides (C5–OH attaque le C1=O du glucose → glucopyranose avec carbone anomérique).
Formation d’imine (base de Schiff) : addition d’une amine primaire (R–NH₂) sur un aldéhyde ou une cétone, suivie d’une déshydratation → C=N–R. Les imines sont des intermédiaires clés en biochimie (transamination des acides aminés, PLP).
Aldolisation : réaction entre un carbonylé avec un H en α et un autre carbonylé → aldol (β-hydroxy-aldéhyde ou cétone). Réaction importante en biosynthèse (aldolase dans la glycolyse).
7.4 Tautomérie céto-énolique
Les composés carbonylés possédant un hydrogène en position α (sur le carbone adjacent au C=O) existent en équilibre entre deux formes : la forme cétone (ou aldéhyde) et la forme énol :
R–CO–CH₂–R’ ⇌ R–C(OH)=CH–R’
Cet équilibre est appelé tautomérie céto-énolique. En général, la forme cétonique est très largement majoritaire (> 99 %). Cependant, certaines structures stabilisent la forme énol par conjugaison ou liaison hydrogène intramoléculaire (exemple : l’acétylacétone, 80 % d’énol).
La tautomérie est fondamentale en biochimie : elle intervient dans les mécanismes enzymatiques impliquant des intermédiaires énoliques (isomérases, aldolases) et dans la mutarotation des glucides.
7.5 Qualité du groupe partant
Un bon groupe partant (nucléofuge) est une espèce qui se détache facilement du substrat en emportant le doublet de la liaison. C’est la base conjuguée d’un acide fort — donc une base faible, stable une fois libre. Classement de qualité décroissante :
Excellents : I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > H₂O (après protonation de OH) > tosylate (OTs⁻).
Mauvais : F⁻ > OH⁻ > NH₂⁻ > H⁻. Ces espèces sont des bases fortes, donc de mauvais groupes partants.
Conséquence : un alcool (R–OH) ne subit pas de SN directement car OH⁻ est un mauvais groupe partant. Il faut d’abord le protoner (R–OH₂⁺, groupe partant = H₂O) ou le convertir en halogénure (R–X) ou en tosylate (R–OTs).
8. Acides carboxyliques et dérivés 🧬
8.1 Acidité des acides carboxyliques
Les acides carboxyliques (R–COOH, pKa ≈ 4–5) sont beaucoup plus acides que les alcools (pKa ≈ 16). La base conjuguée carboxylate (R–COO⁻) est stabilisée par mésomérie : la charge négative est délocalisée sur les deux oxygènes. Les effets −I des substituants (halogènes, NO₂) augmentent l’acidité.
8.2 Dérivés d’acides — Substitution nucléophile acylique
Les dérivés d’acides carboxyliques (esters, amides, anhydrides, halogénures d’acyle) réagissent par substitution nucléophile acylique : un nucléophile attaque le carbone du C=O, le groupe partant est éjecté. Le mécanisme passe par un intermédiaire tétraédrique.
L’ordre de réactivité décroissante des dérivés d’acides suit l’ordre de qualité du groupe partant : halogénure d’acyle > anhydride > ester > amide. L’amide est le dérivé le moins réactif car le doublet de l’azote est conjugué avec le C=O (mésomérie, caractère partiel de double liaison C–N).
8.3 Réactions biologiques clés
Estérification / hydrolyse d’ester : R–COOH + R’–OH ⇌ R–COO–R’ + H₂O. En biochimie : formation des triglycérides (estérification du glycérol par des acides gras).
Formation de la liaison peptidique : R–COOH + R’–NH₂ → R–CO–NH–R’ + H₂O. C’est une formation d’amide. La liaison peptidique est plane (caractère partiel de double liaison C–N par mésomérie) et possède une géométrie trans préférentielle.
Saponification : hydrolyse basique d’un ester → carboxylate (savon) + alcool. Réaction irréversible (le carboxylate est très stable).
9. Réactivité des amines 🧪
9.1 Basicité et nucléophilie
Les amines sont des bases (doublet libre sur N capte H⁺) et des nucléophiles (doublet libre attaque les sites électrophiles). L’ordre de basicité en solution : amine secondaire ≈ amine tertiaire > amine primaire > NH₃ > amine aromatique (aniline, doublet délocalisé dans le cycle).
9.2 Réactions importantes
Alkylation : réaction avec un dérivé halogéné (SN2) → amine de classe supérieure. Risque de suralkylation (l’amine produite est encore nucléophile).
Acylation : réaction avec un halogénure d’acyle ou un anhydride → amide. C’est la réaction de formation de la liaison peptidique in vitro.
Formation d’imines : réaction avec un aldéhyde ou une cétone → imine (base de Schiff) + H₂O.
9.3 Amines aromatiques
L’aniline (C₆H₅–NH₂) est l’amine aromatique de référence. Elle est beaucoup moins basique que les amines aliphatiques (pKb ≈ 9,4 vs pKb ≈ 3–4 pour les alkylamines) car le doublet de l’azote est délocalisé par mésomérie dans le cycle aromatique, ce qui le rend moins disponible pour capter un proton.
En revanche, cette délocalisation rend l’aniline nucléophile sur le cycle : le doublet de N enrichit le cycle en électrons, ce qui active les positions ortho et para vis-à-vis de la substitution électrophile aromatique. L’aniline est donc un activant du cycle (orienteur ortho/para).
9.4 Amines et pH physiologique
À pH physiologique (7,4), la plupart des amines aliphatiques (pKa du couple R–NH₃⁺/R–NH₂ ≈ 10–11) sont sous forme protonée R–NH₃⁺ (cation ammonium). C’est le cas du groupement α-amino des acides aminés (pKa ≈ 9–10) et de la chaîne latérale de la lysine (pKa ≈ 10,5). L’histidine, avec un pKa ≈ 6,0 pour l’imidazole, est partiellement protonée à pH 7,4 — c’est ce qui en fait un résidu clé dans les sites actifs enzymatiques et dans les systèmes tampons (hémoglobine).
10. Oxydoréduction en chimie organique 🔋
En chimie organique, l’oxydation correspond à une augmentation du degré d’oxydation du carbone (perte de H, gain de O ou d’halogène). La réduction est l’inverse.
10.1 Échelle d’oxydation du carbone
Du plus réduit au plus oxydé : alcane → alcool → aldéhyde/cétone → acide carboxylique → CO₂.
| Substrat | Oxydation douce | Oxydation forte |
|---|---|---|
| Alcool primaire (R–CH₂OH) | Aldéhyde (R–CHO) | Acide carboxylique (R–COOH) |
| Alcool secondaire (R₂CHOH) | Cétone (R₂C=O) | Cétone (pas d’oxydation supplémentaire sans coupure) |
| Alcool tertiaire | Résistant à l’oxydation (pas de H sur le C–OH) | |
Oxydants courants en PASS : KMnO₄ (fort), K₂Cr₂O₇ (fort), PCC (pyridinium chlorochromate, doux — s’arrête à l’aldéhyde). Réducteurs : NaBH₄ (doux, réduit aldéhydes et cétones), LiAlH₄ (fort, réduit aussi les esters et les acides).
10.2 Interconversions fonctionnelles — résumé
La maîtrise des interconversions entre fonctions est un objectif central du chapitre. Voici les passages clés à connaître :
Alcool primaire → (oxydation douce) → aldéhyde → (oxydation) → acide carboxylique → (+ alcool, catalyse acide) → ester. Ester → (hydrolyse basique) → carboxylate + alcool. Acide carboxylique → (+ amine) → amide. Aldéhyde ou cétone → (réduction NaBH₄) → alcool. Alcool → (déshydratation, acide, chaleur) → alcène. Alcène → (+ HX) → dérivé halogéné → (SN2 avec nucléophile) → produit substitué.
Chaque flèche correspond à un type de réaction (oxydation, réduction, addition, substitution, élimination, condensation) avec son mécanisme propre. Savoir « circuler » entre les fonctions est la compétence finale attendue en chimie organique PASS.
Exercices d’application ✏️
Exercice 1 — SN1 vs SN2
Le 2-bromobutane est traité par NaOH dans l’éthanol. Le carbone porteur du brome est secondaire. Quel mécanisme (SN1 ou SN2) est le plus probable ? Quelle est la conséquence stéréochimique ?
Voir la correction
Le carbone est secondaire → les deux mécanismes sont possibles. Cependant, NaOH est un nucléophile fort et l’éthanol est un solvant peu polaire → conditions favorables à la SN2.
Conséquence stéréochimique : inversion de Walden. Si le substrat est (R)-2-bromobutane, le produit est le (S)-butan-2-ol.
Remarque : dans ces conditions, une compétition E2 est aussi possible (NaOH est aussi une base forte). On obtient un mélange de SN2 et E2, mais la SN2 est majoritaire sur un carbone secondaire peu encombré.
Exercice 2 — Addition de Markovnikov
Le propène (CH₃–CH=CH₂) est traité par HBr. Donner le produit majoritaire en justifiant par la règle de Markovnikov.
Voir la correction
Règle de Markovnikov : H se fixe sur le carbone le moins substitué (CH₂), Br sur le carbone le plus substitué (CH).
Produit majoritaire : CH₃–CHBr–CH₃ (2-bromopropane).
Justification mécanistique : l’étape 1 forme le carbocation le plus stable. CH₃–C⁺H–CH₃ (secondaire) est plus stable que CH₃–CH₂–C⁺H₂ (primaire). Le Br⁻ attaque ensuite le carbocation secondaire.
Exercice 3 — Oxydation d’alcools
On oxyde le pentan-1-ol, le pentan-2-ol et le 2-méthylbutan-2-ol par K₂Cr₂O₇ en excès. Donner les produits pour chaque alcool.
Voir la correction
Pentan-1-ol (alcool primaire) : K₂Cr₂O₇ en excès = oxydant fort → le produit final est l’acide pentanoïque (CH₃(CH₂)₃COOH). L’oxydation passe par l’aldéhyde pentanal, mais en excès d’oxydant, il est immédiatement ré-oxydé.
Pentan-2-ol (alcool secondaire) → pentan-2-one (CH₃CO(CH₂)₂CH₃). La cétone ne s’oxyde pas davantage.
2-méthylbutan-2-ol (alcool tertiaire) → pas de réaction. Il n’y a pas d’hydrogène sur le carbone porteur du OH.
Exercice 4 — Liaison peptidique
Écrire la réaction de formation du dipeptide Ala-Gly à partir de l’alanine et de la glycine. Identifier le type de réaction et la nature de la liaison formée.
Voir la correction
La réaction est une condensation (substitution nucléophile acylique avec perte de H₂O) : le groupe –NH₂ de la glycine (nucléophile) attaque le carbone du –COOH de l’alanine (électrophile).
Ala–COOH + H₂N–Gly → Ala–CO–NH–Gly + H₂O.
La liaison formée est une liaison amide (= liaison peptidique). Elle est plane (mésomérie C=O ↔ C=N) et adopte préférentiellement la configuration trans (les chaînes latérales de part et d’autre de la liaison peptidique sont en position anti).
Questions fréquentes ❓
Comment distinguer rapidement SN1, SN2, E1 et E2 ?
Examiner deux facteurs : (1) le substrat — primaire favorise SN2/E2, tertiaire favorise SN1/E1 — et (2) le réactif — un bon nucléophile peu basique favorise SN, une base forte encombrée favorise E. La température élevée favorise toujours l’élimination par rapport à la substitution. Sur un carbone secondaire, les quatre mécanismes sont en compétition et le résultat dépend des conditions exactes.
Pourquoi la liaison peptidique est-elle plane ?
Le doublet non liant de l’azote est conjugué avec le groupe C=O par mésomérie : N–C=O ↔ N=C–O⁻. Cette délocalisation confère un caractère partiel de double liaison à la liaison C–N, empêchant la rotation libre. La liaison peptidique est donc rigide et plane, avec les substituants en configuration trans (les chaînes Cα de part et d’autre sont à l’opposé) dans la grande majorité des cas. Cette planéité est fondamentale pour la structure des protéines.
Qu’est-ce que la règle de Markovnikov en termes simples ?
Lors de l’addition d’un acide HX sur un alcène asymétrique, le proton H se fixe sur le carbone qui porte déjà le plus d’hydrogènes (le moins substitué), et le X se fixe sur l’autre carbone (le plus substitué). Le moyen mnémotechnique : « les riches s’enrichissent » — le carbone le plus substitué reçoit le substituant. La raison est la stabilité du carbocation intermédiaire : le plus substitué est le plus stable.
Pourquoi les amides sont-ils les dérivés d’acides les moins réactifs ?
Le doublet non liant de l’azote dans l’amide est fortement conjugué avec le C=O (mésomérie), ce qui réduit le caractère électrophile du carbone carbonylique et stabilise l’amide. Le groupe –NH₂ est aussi un très mauvais groupe partant (NH₂⁻ est une base extrêmement forte). C’est pourquoi les liaisons peptidiques (amides) sont très stables et nécessitent des enzymes (protéases) ou des conditions drastiques (acide concentré, haute température) pour être hydrolysées.
Quel est le lien entre ce chapitre et la biochimie ?
La quasi-totalité des réactions biochimiques sont des réactions organiques catalysées par des enzymes : l’estérification forme les triglycérides et les phospholipides, la substitution nucléophile acylique forme la liaison peptidique, l’aldolisation intervient dans la glycolyse (aldolase), la formation d’imine est la base de la transamination (PLP), l’addition nucléophile cyclise les glucides (hémiacétal). Comprendre les mécanismes de ce chapitre, c’est comprendre le fonctionnement moléculaire du vivant.