Fiche explicative de la leçon: Réactions d’addition des alcènes Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les réactions d’addition des alcènes, et à prédire les produits formés.

Les alcènes sont généralement considérés comme plus réactifs que les alcanes car ils contiennent une double liaison carbone-carbone riche en électrons (). La double liaison carbone-carbone réagit avec les molécules et les ions qui ont une charge électrostatique positive totale ou partielle.

Les électrophiles sont des espèces chimiques qui peuvent accepter une paire d’électrons. Les électrophiles ont habituellement une charge électrostatique positive totale ou partielle, et ils sont attirés par les zones de forte densité d’électrons. Les ions de charge positive et les molécules polaires sont de bons exemples d’électrophiles qui sont attirés par des zones de forte densité d’électrons et peuvent réagir avec celles-ci. Certaines molécules de gaz diatomiques peuvent également jouer le rôle d’électrophiles car elles peuvent générer une charge positive partielle temporaire lorsqu’elles interagissent avec une zone de forte densité d’électrons.

Les alcènes réagissent avec les substances électrophiles lors des réactions d’addition. Les réactifs se combinent lors de la réaction d’addition, et ils forment un nouveau produit. Les alcènes peuvent subir différents types de réactions d’addition. Ils peuvent subir des réactions d’hydrogénation, d’hydrohalogénation, d’halogénation et d’hydratation.

Lors d’une réaction d’hydrogénation, une molécule d’hydrogène gazeux est combinée avec une molécule d’alcène. Le produit de la réaction d’addition est alors un hydrocarbure saturé. L’exemple le plus simple serait peut-être la réaction entre l’éthène et l’hydrogène gazeux pour donner l’éthane.

L’équation suivante montre un exemple un peu plus complexe d’une réaction d’hydrogénation. L’équation montre comment des molécules de 2-méthylpropène peuvent être combinées avec des molécules d’hydrogène gazeux pour former le produit 2-méthylpropane.

Le 2-méthylpropène ne réagit généralement pas avec l’hydrogène dans des conditions normales, mais à des températures comprises entre et en présence d’un catalyseur à base de platine ou de nickel.

Les chimistes ont réalisé il y a longtemps qu’ils pouvaient utiliser des réactions d’hydrogénation pour fabriquer de la margarine à partir d’huiles végétales. Ils ont trouvé qu’ils pouvaient faire passer de l’hydrogène gazeux à travers une huile végétale pour saturer la plupart ou la totalité de ses doubles liaisons carbone-carbone. La réaction d’hydrogénation forme un produit plus ferme et plus visqueux, la margarine. Les chimistes ont alors réalisé qu’ils pourraient accélérer ces réactions d’hydrogénation s’ils mélangeaient des huiles végétales avec un catalyseur à base d’alliage nickel-aluminium finement divisé appelé le nickel de Raney.

Les molécules d’alcènes peuvent également être combinées avec des halogènes gazeux, molécules diatomiques, pour former un dihalogénoalcane. L’équation suivante montre comment des molécules d’éthène peuvent être combinées avec des molécules diatomiques de chlore lors d’une réaction d’addition pour former le produit 1,2-dichloroéthane.

Les chimistes n’ont pas besoin d’utiliser une température ou une pression élevées pour faire réagir les alcènes avec les halogènes. Les alcènes peuvent réagir avec le chlore (), le brome (), ou l’iode () à température ambiante et à pression atmosphérique. On peut aussi faire réagir les alcènes avec le fluor () à température ambiante et à pression atmosphérique, mais cette réaction est légèrement plus complexe et ne peut être qualifiée de simple réaction d’addition.

L’eau de brome (un mélange de et de ) a une couleur orange caractéristique, et cette couleur orange disparaît lorsque l’eau de brome est combinée avec une substance hydrocarbonée contenant au moins une double liaison carbone-carbone. La couleur orange disparaît lorsque toutes les molécules de brome dissoutes réagissent avec les doubles liaisons carbone-carbone de l’hydrocarbure liquide. Cette réaction est généralement appelée réaction de bromation ou test au brome.

Cette réaction de bromation peut être utilisée pour déterminer si un hydrocarbure inconnu appartient aux alcènes ou aux alcanes. L’eau de brome conservera sa couleur orange caractéristique si l’hydrocarbure est un alcane, et elle perdra sa couleur orange caractéristique si l’hydrocarbure est un alcène. L’équation chimique suivante montre comment la réaction de bromation peut être utilisée pour convertir un réactif éthène en un produit 1,2-dibromoéthane : 

Un exemple de bromation du propène qui montre la différence entre le propène et le propane est représenté par la figure ci-dessous.

Il y a d’autres solutions qui peuvent être utilisées pour tester la présence d’une double liaison carbone-carbone. Les chimistes utilisent parfois une solution de brome et de tétrachlorure de carbone () pour déterminer si un composé organique inconnu contient une double liaison carbone-carbone. Le mélange perd sa couleur caractéristique rouge-orangé foncé si la substance organique inconnue a au moins une double liaison carbone-carbone. Le mélange conserve sa couleur caractéristique si la substance inconnue n’a pas de double liaison carbone-carbone.

Exemple 1: Identifier ce qui se passe lorsque de l’eau de brome est combinée avec du propène

Que se passe-t-il lorsqu'on ajoute de l'eau de brome au propène ? 

1. La couleur du brome disparaît avec la formation de 1,2-dibromopropane.
2. La couleur du brome ne change pas et aucune réaction ne se produit.
3. La couleur du brome disparaît avec la formation de 1-bromopropène.
4. La couleur du brome disparaît avec la formation de 1-bromopropane.
5. La couleur du brome disparaît avec la formation de 1,3-dibromopropane.

Réponse

Le propène est une molécule d’alcène de formule . Les molécules de brome peuvent être combinées avec des molécules d’alcène lors d’une réaction d’addition. La molécule de brome est ajoutée sur la double liaison carbone-carbone. Chacun des atomes de carbone de la double liaison carbone-carbone reçoit ainsi un atome de brome.

L’eau de brome est une solution orange foncé qui contient des molécules de brome et d’eau. L’eau de brome perd sa couleur orange caractéristique lorsque ses molécules de brome sont consommées par des réactions avec des doubles liaisons carbone-carbone. L’eau de brome va réagir avec un échantillon de propène car les molécules de propène contiennent une double liaison carbone-carbone.

La couleur du brome disparaît lorsque le propène réagit avec le brome pour former le produit 1,2-dibromopropane. Nous pouvons utiliser ces assertions pour déterminer que l’option A est la bonne réponse à cette question.

Le test de Baeyer peut également être utilisé pour tester la présence d’hydrocarbures insaturés tels que les alcènes. Le test de Baeyer consiste à combiner un réactif contenant du permanganate de potassium avec un composé inconnu. Le permanganate de potassium a une couleur violet foncé caractéristique, et cette couleur disparaît lorsque le permanganate de potassium réagit avec un composé insaturé.

Le permanganate de potassium agit en tant qu’oxydant lors du test de Baeyer. La réaction peut finir par produire différents types de diols ou composés carbonylés et même du dioxyde de carbone. La composition finale en molécules formées dépend de l’emplacement de la double liaison carbone-carbone, de la longueur des molécules, ainsi que de la concentration et de la température de la solution de permanganate de potassium.

Pour détecter les alcènes, le test de Baeyer est utilisé moins fréquemment que le test de bromation, car la solution de Baeyer peut se décolorer en réagissant avec tous types d’alcènes et mêmes d’autres groupes fonctionnels.

L’équation chimique suivante montre comment les molécules d’éthène peuvent réagir avec une solution froide, diluée et acide de permanganate de potassium ; cependant, cette réaction est également possible dans des conditions acides. Le symbole [] est utilisé pour représenter les atomes d’oxygène fournis par les ions permanganate. Cette équation est une simplification d’un schéma réactionnel plus compliqué qui dépasse le cadre de cette fiche explicative.

La figure ci-dessous montre comment il réagit avec l'éthène tandis qu'il ne réagit pas avec l'éthane.

Les molécules d’alcène sont des substances relativement réactives, et elles peuvent aussi réagir avec des molécules d’halogénure d’hydrogène pour former une nouvelle molécule unique.

L’équation chimique suivante montre comment une molécule d’iodure d’hydrogène peut être combinée avec une molécule d’éthylène pour former le produit iodoéthane. La molécule d’iodure d’hydrogène s’ajoute à la double liaison carbone-carbone.

Il est facile d’identifier le produit qui se forme lorsqu’un petit alcène symétrique se combine avec une molécule d’halogénure d’hydrogène, mais il peut être plus difficile d’identifier le produit qui se forme lorsqu’un halogénure d’hydrogène réagit avec une plus grande molécule d’alcène asymétrique. L’équation chimique suivante montre comment l’iodure d’hydrogène peut réagir avec le propène pour former deux produits moléculaires différents.

On peut alors utiliser la règle de Markovnikov pour identifier le produit qui se forme majoritairement lorsqu’une molécule d’halogénure d’hydrogène réagit avec une molécule d’alkène asymétrique telle que le propène ou le pent-2-ène.

Le propène a une double liaison carbone-carbone qui est contenue entre l’atome de carbone central et l’un des atomes de carbone terminaux. On peut appliquer la règle de Markovnikov pour comprendre que l’atome d’hydrogène doit se lier à l’atome de carbone terminal. La règle de Markovnikov peut être appliquée de la même manière pour déterminer que l’atome d’iode doit se lier à l’atome de carbone central du propène. Les molécules de propène formeront principalement le produit 2-iodopropane, et non le produit 1-iodopropane, lorsqu'elles seront combinées avec un réactif iodure d'hydrogène.

Exemple 2: Déterminer quel produit se forme lorsque le but-1-ène réagit avec le chlorure d’hydrogène

Considérez la réaction du but-1-ène avec  : 

Quel est le produit majoritaire de cette réaction ? 

Réponse

Le but-1-ène est un alcène asymétrique. Un alcène asymétrique possède une double liaison carbone-carbone plus proche de l’une des extrémités de la molécule que de l’autre. On peut faire réagir un halogénure d’hydrogène avec le but-1-ène, asymétrique, pour former potentiellement différentes molécules. L’atome de chlore peut se lier soit à l’un, soit à l’autre des deux atomes de carbone de la double liaison carbone-carbone. On peut utiliser la règle de Markovnikov pour identifier le produit qui sera majoritairement formé lorsque des molécules de chlorure d’hydrogène sont combinées avec des molécules asymétriques de but-1-ène.

La règle de Markovnikov stipule que l’atome d’hydrogène de la molécule ou s’ajoute à l’atome de carbone de la molécule d’alcène lié au plus grand nombre d’atomes d’hydrogène. À partir de la règle de Markovnikov, on peut dire que l’atome d’hydrogène s’ajoutera à l’atome de carbone terminal de la double liaison carbone-carbone. L’atome de chlore doit s’ajouter à l’autre atome de carbone de la double liaison carbone-carbone. On peut ainsi déterminer que le 2-chlorobutane est le produit majoritaire de cette réaction chimique.

Exemple 3: Déterminer quel produit est formé lorsque l’hydrocarbure but-2-ène est combiné au chlorure d’hydrogène

La réaction de avec le but-2-ène est représentée ci-dessous : 

Pourquoi cette réaction ne peut-elle former qu’un seul produit ? 

Réponse

Le but-2-ène peut être combiné avec le chlorure d’hydrogène pour former un produit chloroalcane de formule chimique . Nous pouvons visualiser cette réaction en désignant chaque atome de carbone par un nombre de couleur rouge. La figure suivante montre à quoi ressemble le but-2-ène si nous désignons pour chaque atome de carbone un nombre de couleur rouge qui va de un à quatre.

L’atome d’hydrogène peut se lier au 2ème ou au 3ème atome de carbone, et l’atome de chlore devrait alors se lier à l’autre atome de carbone contenant la double liaison carbone-carbone. Il y a deux réactions différentes qui peuvent se produire, mais le produit sera la molécule de 2-chlorobutane dans les deux cas. La figure suivante montre comment la molécule de but-2-ène forme une molécule de 2-chlorobutane, quel que soit le sens dans lequel les atomes d’hydrogène et de chlore s’ajoutent à la double liaison carbone-carbone.

On peut conclure que la réaction ne peut former qu’un seul produit moléculaire, puisque les molécules de but-2-ène sont symétriques par rapport à leur double liaison carbone-carbone centrale ().

La dernière réaction d’addition que nous allons étudier dans cette fiche explicative est l’hydratation. Dans une réaction d’hydratation, de l’eau sous forme de vapeur est ajoutée à une double liaison carbone-carbone pour produire un alcool. Le schéma ci-dessous montre comment l’éthène peut être combiné avec de la vapeur d’eau lors d’une réaction d’hydratation pour former de l’éthanol.

Les chimistes utilisent l’acide phosphorique () en tant que catalyseur ainsi qu’une température et une pression élevées pour accélérer cette réaction d’hydratation et favoriser la formation de l’éthanol.

L’acide sulfurique ( ou ) peut être utilisé de manière similaire pour déclencher une réaction d’hydratation indirecte. La réaction d’hydratation se produit lorsqu’une molécule d’alcène est mise à réagir avec l’acide sulfurique catalytique pour produire un intermédiaire hydrogénosulfate d’alkyle. L’équation suivante montre comment les molécules d’éthène peuvent réagir avec l’acide sulfurique catalytique pour former l’intermédiaire hydrogénosulfate d’éthyle.

L’hydrogénosulfate d’éthyle peut ensuite être hydrolysé par de l’eau pour former l’éthanol désiré. L’équation suivante montre comment l’acide sulfurique catalytique est régénéré lorsque l’intermédiaire hydrogénosulfate d’éthyle est transformé en éthanol.

Ce schéma réactionnel est généralement condensé sous la forme de l’équation suivante, beaucoup plus simple à écrire et plus facile à comprendre.