HYDROCARBURES INSATURES : ALCENES ET ALCYNES

Le cours

1. Introduction aux hydrocarbures insaturés

Les hydrocarbures insaturés contiennent au moins une liaison multiple (double ou triple) entre atomes de carbone. Ils sont plus réactifs que les alcanes saturés. On distingue : - Alcènes (ou oléfines) : contiennent au moins une liaison double C=C - Alcynes : contiennent au moins une liaison triple C≡C

Importance en Côte d'Ivoire : - Acétylène : soudure et coupage des métaux - Éthylène : matière première pour plastiques (polyéthylène) - Propylène : polypropylène (emballages, textiles) - Caoutchouc naturel (isoprène) des hévéas

2. Structure des alcènes

2.1 Formule générale

Pour les alcènes non cycliques avec une seule double liaison :

$$\\text{C}_n\\text{H}_{2n}$$

Exemples : - Éthylène (éthène) : C₂H₄ - Propylène (propène) : C₃H₆ - But-1-ène : C₄H₈

2.2 Géométrie de la double liaison

La double liaison C=C consiste en : - Une liaison σ (sigma) : recouvrement axial - Une liaison π (pi) : recouvrement latéral

Conséquences : - Hybridation sp² des carbones de la double liaison - Géométrie trigonale plane (angles ≈ 120°) - Rotation restreinte autour de la double liaison - Isomérie Z-E (cis-trans) possible

2.3 Isoméries des alcènes

1. Isomérie de position : position de la double liaison - But-1-ène : CH₂=CH-CH₂-CH₃ - But-2-ène : CH₃-CH=CH-CH₃

2. Isomérie Z-E (cis-trans) : arrangement spatial des substituants - Z (zusammen, ensemble) : substituants similaires du même côté - E (entgegen, opposé) : substituants similaires de part et d'autre

Exemple but-2-ène : - Z (cis)-but-2-ène : CH₃ et H du même côté - E (trans)-but-2-ène : CH₃ et H de part et d'autre

3. Isomérie de chaîne : comme pour les alcanes

Description du schéma 1 : Isomérie Z-E du but-2-ène Représenter en 3D avec modèles : 1. Z-but-2-ène (cis) : CH₃ groupes du même côté, plan de la double liaison, angles 120°, pas de rotation. 2. E-but-2-ène (trans) : CH₃ groupes opposés. Montrer la barrière de rotation (250 kJ/mol pour éthylène). Propriétés physiques différentes : Z (Téb=3,7°C), E (Téb=0,9°C).

3. Structure des alcynes

3.1 Formule générale

Pour les alcynes non cycliques avec une seule triple liaison :

$$\\text{C}_n\\text{H}_{2n-2}$$

Exemples : - Acétylène (éthyne) : C₂H₂ - Propync : C₃H₄ - But-1-yne : C₄H₆

3.2 Géométrie de la triple liaison

La triple liaison C≡C consiste en : - Une liaison σ - Deux liaisons π perpendiculaires

Conséquences : - Hybridation sp des carbones de la triple liaison - Géométrie linéaire (angle 180°) - Pas d'isomérie Z-E (structure rigide linéaire)

3.3 Acétylène

C₂H₂ : H-C≡C-H - Masse molaire : 26 g/mol - Gaz (Téb = -84°C) - Légèrement soluble dans l'eau - Brûle avec flamme très chaude (3300°C avec O₂)

4. Nomenclature des alcènes et alcynes

4.1 Règles IUPAC pour les alcènes

1. Chaine principale : la plus longue contenant la double liaison
2. Suffixe : remplace -ane par -ène
3. Numérotation : donner le plus petit numéro possible à la double liaison
4. Position : indiquer le numéro du premier carbone de la double liaison
5. Substituants : comme pour les alcanes

Exemples : - CH₂=CH₂ : éthène (nom usuel : éthylène) - CH₃-CH=CH₂ : propène (propylène) - CH₃-CH=CH-CH₃ : but-2-ène - CH₂=CH-CH₂-CH₃ : but-1-ène - CH₂=C(CH₃)-CH₃ : 2-méthylpropène (isobutylène)

4.2 Règles IUPAC pour les alcynes

Mêmes règles, suffixe -yne

Exemples : - HC≡CH : éthyne (acétylène) - HC≡C-CH₃ : propyne (méthylacétylène) - HC≡C-CH₂-CH₃ : but-1-yne - CH₃-C≡C-CH₃ : but-2-yne

4.3 Alcènediynes, etc.

Quand plusieurs liaisons multiples : -adiène, -adiyne, -èneyne - CH₂=C=CH₂ : propadiène (allène) - HC≡C-C≡CH : buta-1,3-diyne - CH₂=CH-C≡CH : but-1-èn-3-yne

5. Propriétés chimiques des alcènes

5.1 Réactivité générale

Les alcènes sont plus réactifs que les alcanes à cause : - De la densité électronique de la liaison π - De la polarisabilité de la liaison π - De l'énergie de la liaison π plus faible que la σ

5.2 Réactions d'addition

Le mécanisme typique est l'addition électrophile : un électrophile s'attaque à la liaison π riche en électrons.

Addition de H₂ (hydrogénation) : $$\\text{CH}_2=\\text{CH}_2 + \\text{H}_2 \\xrightarrow{\\text{Ni, Pt ou Pd}} \\text{CH}_3-\\text{CH}_3$$ Catalyseur nécessaire, sinon réaction très lente.

Addition de halogènes : $$\\text{CH}_2=\\text{CH}_2 + \\text{Br}_2 \\rightarrow \\text{CH}_2\\text{Br}-\\text{CH}_2\\text{Br}$$ Décoloration du dibrome (test de reconnaissance).

Addition de HX (X = Cl, Br, I) : $$\\text{CH}_2=\\text{CH}_2 + \\text{HBr} \\rightarrow \\text{CH}_3-\\text{CH}_2\\text{Br}$$ Règle de Markovnikov : H s'attache au carbone le plus hydrogéné.

Addition de H₂O (hydratation) : $$\\text{CH}_2=\\text{CH}_2 + \\text{H}_2\\text{O} \\xrightarrow{\\text{H}^+} \\text{CH}_3-\\text{CH}_2\\text{OH}$$ Catalyse acide, suit la règle de Markovnikov.

5.3 Polymérisation

Les alcènes peuvent se lier entre eux pour former des polymères.

Polyéthylène : $$n \\text{CH}_2=\\text{CH}_2 \\rightarrow (\\text{CH}_2-\\text{CH}_2)_n$$

Polystyrène : $$n \\text{CH}_2=\\text{CH}-\\text{C}_6\\text{H}_5 \\rightarrow (\\text{CH}_2-\\text{CH}-\\text{C}_6\\text{H}_5)_n$$

5.4 Combustion

Comme les alcanes, mais souvent plus inflammables. $$\\text{C}_n\\text{H}_{2n} + \\frac{3n}{2}\\text{O}_2 \\rightarrow n\\text{CO}_2 + n\\text{H}_2\\text{O}$$

6. Propriétés chimiques des alcynes

6.1 Réactions d'addition

Les alcynes subissent des additions similaires aux alcènes, mais peuvent ajouter deux équivalents.

Hydrogénation : - Stade 1 : alcyne → alcène - Stade 2 : alcène → alcane

Addition de halogènes : $$\\text{HC}≡\\text{CH} + \\text{Br}_2 \\rightarrow \\text{CHBr}=\\text{CHBr}$$ $$\\text{CHBr}=\\text{CHBr} + \\text{Br}_2 \\rightarrow \\text{CHBr}_2-\\text{CHBr}_2$$

Addition de HX : Suit la règle de Markovnikov.

6.2 Acidité des alcynes terminaux

Les alcynes avec H terminal (RC≡CH) sont faiblement acides (pKa ≈ 25, contre pKa ≈ 50 pour les alcanes).

$$\\text{HC}≡\\text{CH} + \\text{NaNH}_2 \\rightarrow \\text{HC}≡\\text{C}^-\\text{Na}^+ + \\text{NH}_3$$

6.3 Combustion de l'acétylène

$$2\\text{C}_2\\text{H}_2 + 5\\text{O}_2 \\rightarrow 4\\text{CO}_2 + 2\\text{H}_2\\text{O}$$ ΔH = -1300 kJ/mol (très exothermique)

Description du schéma 2 : Réactions d'addition sur l'éthylène Représenter le mécanisme d'addition électrophile : 1. Attaque de l'électrophile E⁺ (H⁺, Br⁺) sur la double liaison → carbocation 2. Attaque du nucléophile Nu⁻ (Br⁻, OH⁻) sur le carbocation 3. Produit d'addition Montrer les trois additions principales : - H₂ (avec catalyseur) → éthane - Br₂ (décoloration) → 1,2-dibromoéthane - H₂O (avec H⁺) → éthanol Annoter : "Règle de Markovnikov", "Test alcène : décoloration Br₂".

7. Polymères et importance industrielle

7.1 Polymères à partir d'alcènes

Polyéthylène (PE) : - Basse densité (LDPE) : films, sacs - Haute densité (HDPE) : bouteilles, tuyaux

Polypropylène (PP) : - Emballages alimentaires - Textiles (moquettes, vêtements) - Pièces automobiles

Polystyrène (PS) : - Emballages - Isolation - Vaisselle jetable

PVC (polychlorure de vinyle) : - Tuyaux, profilés de fenêtres - Revêtements de sol - Câbles

7.2 Caoutchouc

Caoutchouc naturel : polyisoprène (Hevea brasiliensis, cultivé en Côte d'Ivoire) Caoutchouc synthétique : polybutadiène, SBR

7.3 Importance économique

• L'industrie pétrochimique transforme le pétrole en alcènes (craquage)
• Les polymères représentent une part importante de l'industrie chimique
• Recyclage crucial pour la durabilité

8. Applications en Côte d'Ivoire

8.1 Soudure à l'acétylène

Utilisée dans la construction, la réparation automobile, la fabrication de grilles et portails.

8.2 Industrie plastique

Production de sacs, bouteilles, films plastiques.

8.3 Caoutchouc naturel

La Côte d'Ivoire est le 7ème producteur mondial de caoutchouc naturel.

8.4 Textile

Fibres synthétiques (polyester, polyamide).

9. Méthodologie de résolution

Pour nommer un alcène/alcyne : 1. Trouver la chaîne principale contenant la liaison multiple 2. Numéroter pour donner le plus petit numéro à la liaison multiple 3. Indiquer position et type de liaison 4. Ajouter les substituants

Pour écrire une équation d'addition : 1. Ouvrir la liaison multiple 2. Ajouter les atomes de l'additif 3. Vérifier la règle de Markovnikov si applicable

Pour la polymérisation : 1. Identifier le monomère 2. Ouvrir la liaison multiple 3. Lier les monomères

10. Cas d'étude : Production de polyéthylène en Côte d'Ivoire

Problème : Une entreprise envisage d'installer une unité de production de polyéthylène à San-Pédro. La matière première serait de l'éthylène produit par craquage du naphta à la SIR.

Données : - Rendement craquage : 30% en éthylène - Capacité SIR : 3,8 millions de tonnes de pétrole brut/an - Rendement naphta : 15% du brut - Rendement polymérisation : 95% - Demande ivoirienne en polyéthylène : 50 000 tonnes/an

Questions : 1. Calculer la production potentielle d'éthylène 2. En déduire la production potentielle de polyéthylène 3. Comparer avec la demande 4. Écrire les équations du craquage et de la polymérisation 5. Calculer la masse de CO₂ produite si tout le polyéthylène est incinéré en fin de vie (vs recyclage) 6. Proposer des solutions pour réduire l'impact environnemental

Résolution :

1. Production d'éthylène : Pétrole brut : 3,8×10⁶ tonnes/an Naphta : 15% = 0,57×10⁶ tonnes/an = 570 000 tonnes/an

Craquage → éthylène : rendement 30% Éthylène produit : 570 000 × 0,30 = 171 000 tonnes/an

2. Production de polyéthylène : Rendement polymérisation : 95% Polyéthylène produit : 171 000 × 0,95 = 162 450 tonnes/an

3. Comparaison avec demande : Demande : 50 000 tonnes/an Production potentielle : 162 450 tonnes/an La production potentielle dépasse largement la demande (3,25 fois). L'excédent pourrait être exporté.

4. Équations : Craquage (simplifié) : C₁₀H₂₂ (décane) → C₂H₄ (éthylène) + C₈H₁₈ (octane) + autres produits

Polymérisation : n CH₂=CH₂ → (CH₂-CH₂)_n

5. CO₂ produit par incinération : Équation combustion polyéthylène : (CH₂-CH₂)_n + 3n O₂ → 2n CO₂ + 2n H₂O

Masse molaire unité CH₂-CH₂ : 28 g/mol Pour 1 tonne (10⁶ g) de polyéthylène : n(unités) = 10⁶/28 = 35 714 mol n(CO₂) = 2 × 35 714 = 71 428 mol M(CO₂) = 44 g/mol m(CO₂) = 71 428 × 44 = 3,14×10⁶ g = 3,14 tonnes

Pour 50 000 tonnes de polyéthylène incinéré : CO₂ produit = 50 000 × 3,14 = 157 000 tonnes

6. Solutions pour réduire l'impact : a) Recyclage mécanique : refonte et réutilisation b) Recyclage chimique : dépolymérisation en monomères c) Valorisation énergétique : incinération avec récupération de chaleur d) Biodégradables : développer des alternatives (biopolymères) e) Réduction à la source : sensibilisation, consigne g) Développement de l'économie circulaire

Conclusion : La Côte d'Ivoire a le potentiel pour devenir productrice de polyéthylène, mais doit mettre en place une stratégie de gestion des déchets plastiques pour minimiser l'impact environnemental.