HYDROCARBURES INSATURES : ALCENES ET ALCYNES

Le cours

1. Introduction\n\nLes alcènes et alcynes sont des hydrocarbures insaturés contenant respectivement des liaisons doubles C=C et triples C≡C. Ces composés sont extrêmement importants dans l'industrie chimique mondiale et ivoirienne : production de plastiques (polyéthylène, PVC), solvants, synthèse de médicaments, et soudage autogène (acétylène). Leur réactivité plus grande que celle des alcanes en fait des intermédiaires clés en synthèse organique.\n\n## 2. Structure des alcènes\n\n### 2.1 Définition\nUn alcène (ou oléfine) est un hydrocarbure insaturé contenant au moins une liaison double C=C.\n\n### 2.2 Formule générale\n- Alcène non cyclique à une double liaison : CₙH₂ₙ (n ≥ 2)\n- Alcène à k doubles liaisons : CₙH₂ₙ₊₂₋₂ₖ\n\n### 2.3 Hybridation et géométrie\n- Carbones sp² (liaison double) : trigonale plane, angle 120°\n- La double liaison est une liaison σ + une liaison π\n- La liaison π empêche la libre rotation → isomérie Z/E (cis/trans)\n\n### 2.4 Exemples simples\n- Éthylène (éthène) : C₂H₄, H₂C=CH₂\n- Propylène (propène) : C₃H₆, CH₃-CH=CH₂\n- But-1-ène : C₄H₈, CH₃-CH₂-CH=CH₂\n\nDescription du schéma 1: Représenter la molécule d'éthylène. Deux atomes de C sp² liés par une double liaison (une σ et une π). Chaque C lié à deux H. Angles de 120°, géométrie plane. Montrer la liaison π comme un nuage électronique au-dessus et en-dessous du plan moléculaire.\n\n## 3. Structure des alcynes\n\n### 3.1 Définition\nUn alcyne est un hydrocarbure insaturé contenant au moins une liaison triple C≡C.\n\n### 3.2 Formule générale\n- Alcyne non cyclique à une triple liaison : CₙH₂ₙ₋₂ (n ≥ 2)\n- Alcyne à k triples liaisons : CₙH₂ₙ₊₂₋₄ₖ\n\n### 3.3 Hybridation et géométrie\n- Carbones sp (liaison triple) : linéaire, angle 180°\n- La triple liaison est une liaison σ + deux liaisons π perpendiculaires\n\n### 3.4 Exemples\n- Acétylène (éthyne) : C₂H₂, HC≡CH\n- Propync : C₃H₄, CH₃-C≡CH\n- But-1-yne : C₄H₆, CH₃-CH₂-C≡CH\n\nDescription du schéma 2: Représenter la molécule d'acétylène. Deux atomes de C sp liés par une triple liaison (une σ et deux π perpendiculaires). Chaque C lié à un H. Géométrie linéaire (180°). Comparer les longueurs de liaison : C-C simple (154 pm), C=C (134 pm), C≡C (120 pm).\n\n## 4. Isomérie des alcènes et alcynes\n\n### 4.1 Isomérie de chaîne\nComme pour les alcanes : chaîne linéaire vs ramifiée.\nExemple : but-1-ène (CH₃-CH₂-CH=CH₂) et 2-méthylpropène (CH₂=C(CH₃)-CH₃)\n\n### 4.2 Isomérie de position\nPosition de la liaison multiple dans la chaîne.\nExemple : but-1-ène (CH₃-CH₂-CH=CH₂) et but-2-ène (CH₃-CH=CH-CH₃)\n\n### 4.3 Isomérie Z/E (cis/trans) pour les alcènes\nQuand chaque carbone de la double liaison porte deux substituants différents :\n- Forme Z (zusammen, cis) : substituants similaires du même côté\n- Forme E (entgegen, trans) : substituants similaires de part et d'autre\nExemple : but-2-ène Z (cis) et E (trans)\n\n### 4.4 Absence d'isomérie Z/E pour les alcynes\nLa géométrie linéaire autour de la triple liaison empêche cette isomérie.\n\n## 5. Nomenclature IUPAC\n\n### 5.1 Règles pour les alcènes\n1. Choisir la chaîne la plus longue contenant la double liaison\n2. Numéroter pour donner le plus petit numéro à la double liaison\n3. Terminaison « -ène » au lieu de « -ane »\n4. Indiquer la position de la double liaison par le numéro du premier carbone\n5. Substituants comme pour les alcanes\n\n### 5.2 Exemples d'alcènes\n- CH₃-CH=CH₂ : propène (pas de numéro car position 1 implicite)\n- CH₃-CH₂-CH=CH₂ : but-1-ène\n- CH₃-CH=CH-CH₃ : but-2-ène\n- CH₃-CH₂-CH=CH-CH₃ : pent-2-ène\n- CH₂=CH-CH₂-CH₃ : but-1-ène\n\n### 5.3 Règles pour les alcynes\nSimilaires, avec terminaison « -yne »\n\n### 5.4 Exemples d'alcynes\n- HC≡CH : éthyne (nom courant : acétylène)\n- CH₃-C≡CH : propyne\n- CH₃-CH₂-C≡CH : but-1-yne\n- CH₃-C≡C-CH₃ : but-2-yne\n\n## 6. Propriétés physiques\n\n### 6.1 Points d'ébullition\nComparables à ceux des alcanes de même masse molaire, légèrement plus élevés du fait de la polarisabilité des liaisons multiples.\n\n### 6.2 Solubilité\nComme les alcanes : insolubles dans l'eau, solubles dans les solvants organiques apolaires.\n\n### 6.3 Densité\nLégèrement supérieure à celle des alcanes correspondants, mais toujours < 1 (flottent sur l'eau).\n\n## 7. Réactivité des alcènes : réactions d'addition\n\n### 7.1 Mécanisme général\nLa liaison π, moins forte et plus exposée, est attaquée par des électrophiles (déficit électronique). Addition sur la double liaison : A-B + C=C → A-C-C-B\n\n### 7.2 Règle de Markovnikov (pour HX)\nQuand un alcène asymétrique réagit avec HX, l'hydrogène se fixe sur le carbone le plus hydrogéné (celui qui porte déjà le plus d'H).\n\n### 7.3 Additions importantes\n1. Hydrogénation : H₂ + C=C → C-C (catalyseur : Ni, Pd, Pt)\n2. Halogénation : Br₂ + C=C → CBr-CBr (test de reconnaissance : décoloration de l'eau de brome)\n3. Addition de HX : HCl, HBr, HI\n4. Hydratation : H₂O + C=C → alcool (catalyse acide)\n\n### 7.4 Exemples\n- Propène + HBr → 2-bromopropane (Markovnikov)\n- Éthylène + Br₂ → 1,2-dibromoéthane\n- Éthylène + H₂O → éthanol (catalyse H⁺)\n\nDescription du schéma 3: Mécanisme d'addition de HBr sur le propène. 1) Attaque électrophile de H⁺ sur la double liaison → carbocation le plus stable (secondaire). 2) Attaque nucléophile de Br⁻ sur le carbocation → 2-bromopropane. Montrer pourquoi le produit de Markovnikov est favorisé (stabilité des carbocations).\n\n## 8. Réactivité des alcynes\n\n### 8.1 Additions similaires aux alcènes\n- Hydrogénation : HC≡CH + H₂ → H₂C=CH₂ → CH₃-CH₃\n- Halogénation : HC≡CH + 2Br₂ → CHBr₂-CHBr₂\n- Addition de HX : HC≡CH + 2HBr → CH₃-CHBr₂\n\n### 8.2 Acidité des alcynes terminaux\nLes alcynes avec H terminal (RC≡CH) sont faiblement acides (pKa ~25) et peuvent donner des sels avec les bases fortes :\nHC≡CH + NaNH₂ → HC≡C⁻Na⁺ + NH₃\n\n### 8.3 Réaction de formation des alcools vinyliques\nAddition d'eau sur les alcynes (en présence de Hg²⁺) donne des éthanols instables qui se tautomérisent en aldéhydes ou cétones.\n\n## 9. Réactions de combustion\n\n### 9.1 Combustion complète\nComme pour les alcanes, mais avec moins de H par C → besoin de moins d'O₂ pour une même masse.\n\nÉthylène : C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O\nAcétylène : 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O\n\n### 9.2 Température de flamme\nL'acétylène brûle avec une flamme très chaude (~3000°C) dans l'oxygène pur, utilisée en soudage.\n\n## 10. Polymérisation\n\n### 10.1 Définition\nUnion de nombreuses molécules identiques (monomères) pour former une macromolécule (polymère).\n\n### 10.2 Polymérisation des alcènes\n- Polyéthylène : n CH₂=CH₂ → (CH₂-CH₂)_n\n- Polypropylène : n CH₃-CH=CH₂ → (CH(CH₃)-CH₂)_n\n- Polystyrène : n C₆H₅-CH=CH₂ → (CH(C₆H₅)-CH₂)_n\n- PVC : n CH₂=CH-Cl → (CH₂-CHCl)_n\n\n### 10.3 Applications des polymères en Côte d'Ivoire\n- Sacs plastiques, emballages\n- Tuyaux, revêtements\n- Textiles synthétiques\n- Matériaux de construction\n\n## 11. Importance industrielle\n\n### 11.1 Pétrochimie\nLes alcènes sont produits par craquage catalytique des alcanes du pétrole à la SIR d'Abidjan.\n\n### 11.2 Plastiques et polymères\nL'industrie des plastiques utilise massivement l'éthylène et le propylène.\n\n### 11.3 Solvants\nLe but-1-ène et autres alcènes légers sont utilisés comme solvants.\n\n### 11.4 Soudage\nL'acétylène pour le soudage autogène dans les ateliers et chantiers.\n\n### 11.5 Synthèse organique\nIntermediates pour médicaments, parfums, arômes.\n\nDescription du schéma 4: Schéma du procédé de craquage catalytique à la raffinerie SIR. Alcanes lourds → chauffage + catalyseur → alcènes + alcanes légers. Montrer la séparation : éthylène, propylène, butènes. Ces produits sont ensuite polymérisés pour donner polyéthylène, polypropylène, etc.\n\n## 12. Tests de reconnaissance\n\n### 12.1 Test à l'eau de brome\nLes alcènes et alcynes décolorent l'eau de brome (Br₂ orange/rouge) par addition sur la liaison multiple.\n\n### 12.2 Test au permanganate de potassium (KMnO₄)\nDécoloration du KMnO₄ violet (oxydation de la liaison multiple).\n\n### 12.3 Test de l'acétylène\nBrûle avec flamme très lumineuse et fuligineuse dans l'air, flamme très chaude dans O₂.\n\n## 13. Calculs pratiques\n\n### 13.1 Combustion de l'acétylène\nPour souder, on utilise un mélange C₂H₂/O₂. Calcul du volume d'O₂ nécessaire pour brûler 1 L d'acétylène :\n2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O\nDonc 1 volume C₂H₂ nécessite 2,5 volumes O₂ pour combustion complète.\nEn pratique, on utilise un rapport ~1:1 pour soudage (flamme réductrice).\n\n### 13.2 Masse molaire d'un polymère\nSi degré de polymérisation n = 1000 pour le polyéthylène :\nMasse molaire = 1000 × 28 = 28000 g/mol\n\n### 13.3 Rendement d'une addition\nRéaction de 56 g d'éthylène (2 mol) avec HCl donne théoriquement 129 g de chloroéthane (2 × 64,5). Si on obtient 115 g, rendement = 115/129 × 100 = 89%.\n\n## 14. Méthodologie de résolution\n\n### 14.1 Pour nommer un alcène/alcyne\n1. Trouver la chaîne la plus longue contenant la liaison multiple\n2. Numéroter pour minimiser le numéro de la liaison multiple\n3. Nommer les substituants\n4. Indiquer position et type de liaison multiple\n5. Pour alcènes avec isomérie Z/E, déterminer la configuration\n\n### 14.2 Pour prédire le produit d'une addition\n1. Identifier le type d'addition (H₂, Br₂, HX, H₂O)\n2. Pour HX sur alcène asymétrique, appliquer Markovnikov\n3. Vérifier la possibilité d'addition 1,2 ou 1,4 pour diènes\n\n### 14.3 Pour équilibrer une combustion\n1. Compter C → mettre devant CO₂\n2. Compter H → mettre devant H₂O\n3. Compter O à droite → déterminer O₂ nécessaire\n4. Pour les nombres fractionnaires, multiplier par 2\n\n### 14.4 Précautions\n- Les alcènes et alcynes sont plus réactifs que les alcanes\n- Les polymères de l'acétylène peuvent être explosifs\n- L'acétylène pur sous pression peut exploser spontanément\n- Les tests à l'eau de brome et KMnO₄ distinguent saturés/insaturés