Chimie organique

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Écriture topologique d'un composé organique.

La chimie organique est la chimie du carbone et de ses composés^[1], naturels ou synthétiques^[2]. Certains composés du carbone peuvent faire exception, ils sont examinés dans l’article « composé organique ».

Une caractéristique du carbone consiste en l’aptitude qu’ont ses atomes à s’enchaîner les uns aux autres, par des liaisons covalentes, d'une façon presque indéfinie, pour former des chaînes carbonées d’une grande diversité^[3]. Les composés organiques sont ainsi constitués de molécules caractérisées par des enchaînements carbonés propres aux molécules dites « organiques ».

L'aptitude caractéristique du carbone implique qu'« il suffit alors de quelques autres éléments [...] pour former avec lui des millions de molécules différentes, dont la masse moléculaire peut atteindre 100 000 ou même 1 000 000 ; on parle alors de macromolécules »^[4].

Les molécules organiques contiennent fréquemment des atomes d’hydrogène et souvent des atomes d'oxygène ou d'azote^[4] et les molécules synthétiques proviennent souvent du pétrole.

La chimie organique étudie en particulier leur structure, leurs propriétés, leurs caractéristiques, leur composition, leurs réactions et leur préparation (par synthèse ou autres moyens). Ces composés peuvent comprendre d'autres éléments, comme les halogènes (fluor, chlore, brome, iode) ainsi que le bore, le silicium, le phosphore, le soufre, ; plus rarement, le lithium, le sodium, le magnésium, le cuivre, le titane, le potassium, le fer, le cobalt, le zinc et le plomb. Cette dernière chimie est appelée organométallique.

La première définition de la chimie « organique » par Nicolas Lémery dans son Cours de chimie publié en 1690, était due à la conception erronée selon laquelle les composés organiques seraient les seuls entrant en jeu dans les processus du vivant. Cependant, les molécules organiques peuvent être produites par des processus sans rapport avec le vivant et le vivant dépend aussi de la chimie inorganique. Par exemple, de nombreuses enzymes ont besoin de métaux de transition comme le fer ou le cuivre pour être actifs; et des matériaux comme les coquillages, les dents ou les os sont constitués en partie de composés organiques et en partie de composés inorganiques.

Bien qu'il y ait un recouvrement avec la biochimie, cette dernière s'intéresse spécifiquement aux molécules fabriquées par les organismes vivants. La matière organique ainsi que les composés organiques sont au cœur de ces disciplines. On les désignera sous le terme de « substances » organiques qui peuvent aussi être des macromolécules comme les protéines.

Historique

La chimie organique s'oppose par ailleurs à la chimie inorganique (minérale ou « générale »), laquelle s'occupe de l'étude des substances issues du monde minéral (la Terre, l'eau et l'atmosphère). Cette séparation tient au fait que jusqu'au début du XIX^e siècle, les chimistes pensaient généralement que les composés des organismes vivants étaient trop complexes de par leur structure et que l'homme ne pouvait les synthétiser. Car leur formation avait nécessité l'intervention d'une « force vitale » (voir vitalisme). Ces composés étaient également particuliers du fait qu'ils pouvaient se reproduire. Ils appelèrent ces composés « organiques » et continuèrent à les ignorer.

L'essor de la chimie organique commença lorsque les chimistes découvrirent que ces composés pouvaient être abordés de façon similaire aux composés inorganiques et pouvaient être recrées en laboratoire sans avoir recours à la « force vitale ». Aux alentours de 1816, Eugène Chevreul commença une étude des savons à partir de différents corps gras et alcalis. Il sépara les différents acides qui, en combinaison avec les alcali, produisaient le savon. Ainsi, il démontra qu'il était possible de changer chimiquement les graisses afin de produire de nouveaux composés sans l'aide d'une « force vitale ». En 1828, Friedrich Wöhler fut le premier à produire l'urée, un constituant de l'urine qui est une molécule organique, à partir du cyanate d'ammonium NH₄OCN qui est un réactif inorganique. Cette réaction fut ensuite appelée la synthèse de Wöhler. Il fut très prudent et ne déclara pas, ni à ce moment ni plus tard, la fin de la « théorie de la force vitale », mais ceci est maintenant considéré comme le tournant historique.

De 1850 à 1865, le chimiste français Marcellin Berthelot (1827-1907), professeur au Collège de France, se consacre à la synthèse organique et reconstitue le méthane, le méthanol, l'éthyne et le benzène à partir de leurs éléments, et expose ses théories dans son livre La Chimie Organique Fondée sur la Synthèse. Actuellement, on peut synthétiser près d'un million de composés, parmi lesquels rares sont les produits que l'on trouve dans la nature.

Un autre grand pas fut franchi en 1856 lorsque William Henry Perkin, alors qu'il cherchait à produire de la quinine, synthétisa de manière accidentelle la teinture organique maintenant appelée mauvéine. Cette découverte rapporta beaucoup d'argent et augmenta l'intérêt pour la chimie organique. Une autre étape fut la préparation en laboratoire du DDT par Othmer Zeidler en 1874, mais les propriétés insecticides de la molécule ne furent découvertes que beaucoup plus tard.

Une avancée cruciale pour la chimie organique fut le développement du concept de structure chimique, de manière indépendante et simultanée par Friedrich August Kekule et Archibald Scott Couper en 1858. Les deux hommes suggérèrent que les atomes de carbone tétravalent pouvaient se lier les uns aux autres afin de former un squelette carboné et que les détails des liaisons entre les atomes pouvaient être découverts par une interprétation de certaines réactions chimiques.

Le développement de la chimie organique continua avec la découverte du pétrole et sa séparation, grâce à une distillation fractionnée, en composés chimiques de points d'ébullition différents. La transformation des différents composés chimiques du pétrole grâce à des procédés chimiques de plus en plus nombreux engendra l'industrie pétrochimique qui réussit ensuite la synthèse du caoutchouc, de plusieurs adhésifs organiques et des plastiques.

L'industrie pharmaceutique débuta pendant la dernière décennie du XIX^e siècle lorsque la production d'acide acétylsalicylique, plus connu sous le nom d'aspirine, commença en Allemagne par Bayer. La première fois que l'on améliora de manière systématique un médicament, ce fut avec l'arsphénamine (Salvarsan). De nombreux dérivés de la molécule très toxique atoxyl furent synthétisés et testés par Paul Ehrlich et son équipe, et le composé le plus efficace et le moins toxique fut sélectionné pour la production.

Les premières réactions organiques furent souvent le résultat de découvertes fortuites mais, à partir de la seconde moitié du XIX^e siècle, l'étude systématique des composés organiques se développa. Au début du XX^e siècle, les progrès en chimie organique permirent la synthèse de molécules complexes en suivant un protocole par étapes. Au même moment, on découvrit que les polymères et les enzymes étaient des molécules organiques de grandes tailles et que le pétrole était d'origine biologique.

Le processus permettant de trouver de nouvelles façons de synthétiser une molécule donnée est appelé synthèse totale. La synthèse totale de composés naturels complexes commença avec l'urée, augmenta en complexité avec le glucose et le terpineol, et en 1907, la synthèse totale fut commercialisée pour la première fois par Gustaf Komppa avec le camphre. Les avancées pharmaceutiques ont été conséquentes et l'on commença à synthétiser des hormones humaines complexes et leurs dérivés. Depuis le début du XX^e siècle, la complexité de la synthèse globale n'a cessé d'augmenter, avec par exemple l'acide lysergique et la vitamine B12. De nos jours, les composés synthétisés peuvent comporter des dizaines de Centres stéréogènes qui doivent être synthétisés correctement grâce à la synthèse asymétrique.

La chimie organique se définit maintenant simplement par l'étude des composés à base de carbone autres que les oxydes de carbone, les cyanures, les carbonates et les carbures autres que les hydrocarbures. On l'appelle également la chimie du carbone (voir aussi Composé organique).

Caractéristiques

La raison pour laquelle il existe autant de composés carbonés est la capacité du carbone de former des liaisons covalentes avec lui-même et donc de former de nombreuses chaînes de différentes longueurs, ainsi que des cycles de différentes tailles. La plupart des composés organiques sont fort sensibles à la température et se décomposent généralement au-dessus de 200 °C. Ils ont tendance à être peu solubles dans l'eau, en tout cas moins solubles que les sels inorganiques. En revanche, et à l'inverse de tels sels, ils ont tendance à être solubles dans les solvants organiques tels que l'éther diéthylique ou l'éthanol. D'une manière générale, on peut retenir que les semblables (molécules plus ou moins polaires, protiques…) dissolvent les semblables.

Représentation

Les composés organiques sont constitués d'atomes de carbone et d'hydrogène ; leur structure peut posséder d'autres atomes. Dans un souci de simplification, les chimistes ont pris l'habitude de représenter les molécules qu'ils manipulent sans faire figurer les atomes de carbone et d'hydrogène. Cette représentation est appelée formule topologique.

Familles

Composés aliphatiques

Les composés aliphatiques comportent des structures carbonées qui peuvent être modifiées par des groupes fonctionnels.

• Composés hydrocarbonés (hydrocarbures):
  • alcanes
  • cycloalcanes
  • alcènes
  • alcynes
  • allènes

• Composés oxygénés:
  • alcools
    • alcools allyliques
    • alcools homo-allyliques
  • éthers
  • époxydes
  • oximes
  • cétals (et hémi-cétals, acétals, hémi-acétals)
  • cétones
    • cétones α,β-insaturées
    • énols
  • aldéhydes
  • acides carboxyliques et leurs dérivés :
    • esters (et lactones)
    • amides (et lactames)
    • halogénures d'acyle
    • anhydrides
  • cétènes
  • isocyanates
  • ortho-esters
  • glucides

• Composés azotés:
  • amines
  • imines
  • énamines
  • nitriles
  • isonitriles
  • amides (et lactames)
  • isocyanates
  • oximes
  • azotures
  • triazènes

• Composés halogénés:
  • hydrocarbures halogénés
  • halogénures d'acyle

• Composés phosphorés:
  • phosphines
  • phosphites
  • phosphates
  • phosphonates

Composés aromatiques

Un composé aromatique doit répondre à trois critères:

• il doit être une molécule cyclique contenant des atomes de carbone et il peut contenir des hétéroatomes;
• avoir un système conjugué de types π-σ-π ou p-σ-π (avec σ = simple liaison, π = double liaison et p = doublet non liant);
• respecter la règle de Hückel.

Si le cycle contient un atome autre que du carbone, on parle d'hétérocycle.

• Composés benzéniques:

• • benzène et ses dérivés
  • benzoïdes (benzènes polycycliques)
  • fullerènes
  • phénols
  • amines aromatiques

• Hétérocycles:

• • pyridine
  • furane
  • thiophène
  • pyrrole
  • porphyrine
  • chlorine

Autres

On peut également citer les composés issus d'autres branches reliées à la chimie organique:

• polymères;
• composés organométalliques;
• ylures de phosphore;
• bases très fortes (20<pK_a<60) utilisées spécialement en chimie organique:
  • hydrures,
  • amidures,
  • alcoolates.

Réactions

Règles élémentaires

• Règle de Markovnikov
• Règle de Zaïtsev

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Chronologie de la chimie
• Représentation des molécules
• Chiralité
• Biophysique
• Carbone

Liens externes

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• Site éducatif
• chimie-organique.net (Paul Arnaud, 2010) - Enseignement de la chimie, quiz, lexique, photos-reportages, révisions
• Exercices résolus de chimie organique (gratuit, site université Paris 11)
• Histoire du Carbone et du CO2

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