Introduction à la chimie organique niveau A

Au niveau A-Level, vous rencontrez davantage de familles de groupes fonctionnels 官能团, y compris le groupe amide 酰胺 et les composés aromatiques 芳香 (ceux construits sur un cycle benzénique). Comme auparavant, le groupe fonctionnel dicte les propriétés, et vous le lisez à partir de la formule générale, structurale, développée ou squelette.

Nomenclature des composés aromatiques

Une molécule de benzène 苯 est un anneau de six carbones. Pour nommer un composé aromatique, utilisez le cycle benzénique 苯环 comme parent et numérotez les positions des substituants. Par exemple, l'acide 3-nitrobenzoïque a un groupe $\text{–NO}_2$ sur le carbone 3, et le 2,4,6-tribromophénol a trois atomes de brome sur un cycle phénolique. Vous pouvez aussi nommer des composés cycliques avec un seul anneau de jusqu'à six carbones.

• substitution électrophile 亲电取代 : un électrophile remplace un atome d'hydrogène sur un cycle benzénique (c'est ainsi que réagit le benzène).
• addition-élimination 加成消去 : une molécule s'ajoute d'abord, puis une petite molécule est éliminée (observé avec le 2,4-DNPH et les chlorures d'acyle).

Le benzène est un hexagone régulier plat. Chaque carbone est hybridé sp², utilisant ses trois orbitales hybridation 杂化 pour former des liaisons sigma σ键 avec deux carbones voisins et un hydrogène. Cela forme l'anneau de liaisons σ.

Chaque carbone possède également un électron restant dans une orbitale p, orienté perpendiculairement à l'anneau. Ces orbitales p se chevauchent latéralement tout autour, formant un système unique de pi délocalisé 离域 π键 — un anneau d'électrons au-dessus et en dessous du plan. Comme les électrons sont partagés uniformément, les six liaisons C–C ont la même longueur, et le benzène est très stable.

Comment savons-nous que le benzène est vraiment délocalisé ? Une preuve forte est son changement d'enthalpie d'hydrogénation 氢化焓变. Ajouter de l'hydrogène à une double liaison C=C (comme dans le cyclohexène) libère environ $120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, donc un anneau de Kekulé de trois doubles liaisons séparées devrait libérer environ $3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Le vrai benzène ne libère que $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ — il est environ $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ plus stable que ce que le modèle prévoit.

Deux énantiomères 对映体 (isomères image miroir) ont des propriétés physiques et chimiques identiques, avec deux exceptions :

• ils font tourner la lumière polarisée plane 平面偏振光 dans des directions opposées. Une substance qui fait cela est actif optiquement 旋光活性.
• ils peuvent avoir des effets différents chez les êtres vivants (activité biologique).

Un mélange racémique 外消旋混合物 est un mélange 50:50 des deux énantiomères. Il ne fait pas tourner la lumière polarisée plane, car les deux rotations opposées s'annulent.

Pourquoi la chiralité est importante pour les médicaments

La chiralité 手性 est importante lors de la fabrication de médicaments. Une molécule ayant un centre chiral 手性中心 possède deux énantiomères, et ils peuvent se comporter très différemment dans l'organisme — l'un peut guérir tandis que l'autre cause des dommages. Ainsi, les fabricants de médicaments doivent soit :

• séparer un mélange racémique en les deux énantiomères purs, ou
• utiliser un catalyseur chiral 手性 catalyst pour ne produire qu'un seul énantiomère souhaité.

Exemple résolu. Lequel de l'alcool butan-1-ol, du butan-2-ol et du 2-méthylpropan-2-ol est chiral ? Une molécule est chirale si elle possède un carbone portant quatre groupes différents. Examinons les carbones un par un. Dans le butan-2-ol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, le carbone 2 porte $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ et $\text{C}_2\text{H}_5$ - quatre groupes différents, c'est donc un centre chiral et le butan-2-ol existe sous forme de deux isomères optiques. Le carbone 1 du butan-1-ol porte deux hydrogènes, et le carbone central du 2-méthylpropan-2-ol porte deux groupes méthyle identiques, donc aucun n'est chiral. Il suffit d'un seul groupe répété sur un carbone pour détruire la chiralité là-bas - et comparez correctement les groupes : $\text{CH}_3$ et $\text{C}_2\text{H}_5$ diffèrent, mais seulement lorsque vous regardez au-delà du premier atome.

• Les isomères optiques nécessitent un carbone chiral (quatre groupes différents) ; ce sont des images miroir non superposables qui tournent la lumière polarisée plane en sens opposé.
• Un mélange racémique se forme lorsqu'un intermédiaire planaire (carbocation ou $\text{C}=\text{O}$) est attaqué également des deux côtés.
• Le cycle délocalisé du benzène (longueurs de liaison égales, planaire) explique sa stabilité par rapport au modèle de Kekulé.
• Apprenez les deux nouveaux mécanismes : substitution électrophile des arènes et addition-élimination nucléophile.