La science des substances dérivées du carbone CHIMIE ORGANIQUE 1 La science des substances dérivées du carbone Pr. Peter GOEKJIAN, goekjian@univ-lyon1.fr, Anc. bat. CPE Lyon, 248A

La Chimie L’étude des substances Se place entre la physique (étude de la matière) et la biologie (étude des organismes) La chimie organique: la définition initiale était l’étude des substances liées aux organismes Apres l’abandon de la théorie de l’élan vital et du phlogiston, la définition a évoluée vers l’étude des dérives du carbone

Les substances Extractions

Les substances pures Separations (+)-cis-rose oxyde Cis-3-hexen-1-ol Acide gibberellique Chlorophyll Cellulose Damascenone (-) a-pinene Acetate de geranyle Nerol 2-methyl-3-buten-1-ol Separations Separation et purification identification

La structure: le lien entre le macroscopique et le microscopique Une substance pure est une substance constituée entièrement de molécules identiques La structure d’une molécule est l’arrangement de liaisons et d’atomes de la substance (+)-cis-rose oxyde 126g 6.02 1023 molécules

Le paradigme chimique TOUTES les propriétés d’une substance relèvent de sa structure STRUCTURE = PROPRIETES = IDENTITE (+)-cis-rose oxide acide giberellique chlorophylle a-pinene

L’Etude des substances Des produits naturels

L’Etude des substances Des produits pharmaceutiques

L’Etude des substances Des biomolécules

L’Etude des substances Des matériaux

Une idée qui se perd? Produit chimique = produit toxique, produit naturel = bon pour la santé? La nature fait beaucoup mieux les poisons que nous! Quel arrangement d’atomes est plus naturel que l’autre? As? toluène? Les propriétés relèvent de la structure, pas de l’origine Les produits issus du pétrole sont généralement plus hydrophobes  activité biologique/toxicité Quelle mesure de toxicité? Risque vs. menace

L’Etude des substances La structure et la réactivité de 10 million de molécules connues, des milliards inconnues La chimie organique moderne est une série de PRINCIPES qui permettent d’ANALYSER, de PREDIRE et de MANIPULER les propriétés d’une substance a partir de sa structure Isomeres de constitution C10H18O Stereoisomeres de configuration Stereoisomeres de conformation Orbitales moleculaires s et p Nom IUPAC Reactions Interactions Proprietes physiques (+)-cis-rose oxyde

Comment transformer une substance en une autre substance? LES REACTIONS Comment transformer une substance en une autre substance?

Une réaction Une réaction transforme une substance en une autre substance Structure = identité, donc changement d’identité = changement de structure Changement de structure = changement de liaisons Une réaction est un changement (simple) de liaisons

Comprendre (apprendre) une réaction Il faut considérer chaque réaction a 4 niveaux: N1: un changement de structure N2: un mode de réactivité N3: un mécanisme N4: un changement de fonctions N5: un changement de substances A chaque niveau, on rajoute du détail

Changement de structure Liaisons formées et brisées

Changement de structure Liaisons formées et brisées

Mode de reactivite Comment forme-t-on et brise-t-on les liaisons? 1 liaison = 2 électrons Polaire: un atome donne 2 électrons a l’autre Radicalaire: chaque atome donne 1 électron Pericyclique: chaque réactif donne 2 électrons et reçoit 2 électrons, avec 6 électrons qui tournent Catalysée par un métal de transition: le métal casse et forme les liaisons

Mécanisme La séquence des évènements: dans quel ordre est-ce qu’on forme et casse les liaisons? On casse le C-Cl, puis on forme le C-N (SN1) On forme le C-N, puis on casse le C-Cl (SAN) On forme le C-N et on casse le C-Cl en meme temps (SN2) Trois mécanismes différents

Changement de fonctions Ammoniaque + halogénure d’alkyle 1o  amine 1o Amine 2o + halogénure d’alkyle 3o  amine 3o Amine 1o + chlorure d’acide  amide 2o

Changement de substances Ammoniaque + chloromethane  methylamine Pyrrolidine + chlorure de trityle  N-tritylpyrrolidine Chlorure d’acide 2-(3,3-difluorocyclopentyl)-2-hydroxy-2-phenylacetique + 3-amino- 2-methylarylpiperidine  antagoniste de récepteur muscarinique

Apprendre une réaction Le niveau 5 (substances) est considérée comme un exemple. Ne pas apprendre! Une réaction est le niveau 1 a niveau 4, et s’applique a toutes molécules ayant ces fonctions Toute amine 1o ou 2o + tout chlorure d’acide donne l’amide correspondant Apprendre N1 a N4, l’appliquer au N5

Formation d’amides Même changement de structure (N1)

Formation d’amides Même mode de réactivité (N2) Electrophile + nucleophile Electrophile + nucleophile Même mode de réactivité (N2)

Formation d’amides Même mécanisme (N3) Addition de l’azote, puis perte du chlore Addition de l’azote, puis perte du chlore Même mécanisme (N3)

Formation d’amides Même changement de fonctions chlorure d’acide + amine  amide chlorure d’acide + amine  amide Même changement de fonctions

STRUCTURE, FONCTIONS ET FLECHES LES AUTOMATISMES STRUCTURE, FONCTIONS ET FLECHES

ATTENTION!!! Ce sont des idées extraordinairement simples, donc il faut être PARFAIT, INSTANTANE et IMPERTURBABLE La chimie organique est un SYSTEME, et les automatismes sont les règles de base. La moindre ambiguïté sera rédhibitoire. On fait toujours exactement la même chose, mais si on essaye de faire autrement, ca ne marche pas du tout!! Les idées les plus simples sont les plus importantes et les plus dangereuses!!

STRUCTURE Combien de carbones, d’hydrogènes, de paires non liantes, de centres stéréogènes, de carbones sp2?

FONCTIONS: Nombre de Valence Compter le nombre de liaisons a N, P, O, S, Cl, Br, I Une liaison C-C Pi compte pour 1 (C=C 1, C≅C 2). Si un coté a un nombre de valence plus élevé, le gagnant prend tout

FONCTIONS Donner les nombres de valence (état d’oxydation fonctionnel) et les fonctions

FONCTIONS Donner les nombres de valence (état d’oxydation fonctionnel) et les fonctions Lophotoxine Isolée des coreaux mous Blockeur irreversible a la jonction neuromusculaire

FLECHES Pour toutes les étapes de toutes les réactions polaires (il y en a beaucoup!!) on fait exactement de la même chose: On commence avec la paire d’électrons sur le nucléophile, on attaque l’atome électrophile Si octet, on fait une liaison, on casse une liaison (bis répétita) Nouvelle structure (produit des fleches) On monte d’une charge, on descend d’une charge C’est une mnémotechnique à réciter, pas une explication!

FLECHES electrophile nucleophile On commence avec la paire d’électrons sur le nucléophile, on attaque l’atome électrophile Si octet, on fait une liaison, on casse une liaison (bis répétita) Nouvelle structure (produit des fleches) On monte d’une charge, on descend d’une charge

Plan du cours N1 les changements de structure N2 les modes de réactivité N3 les mécanismes et l’énergie Addition/élimination aux cétones et aldéhydes (Mécanisme 1) N1 Changement de structure N2 Mode de réactivité N3 Mécanismes N4 Réactions (changements de structure) Substitution acyle nucléophile (Mécanisme 2) Additions aux alcènes (Mécanismes 3-4-5-6) Alpha Substitutions (Mécanisme 7) Condensations (Mécanisme 8)

Plan non-linéaire: une idée sur une idée sur une idée

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