Le portail a été désactivé. Veuillez contacter l'administrateur de votre portail.

Fiche explicative de la leçon : Réactions du benzène Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les réactions d’addition et de substitution du benzène et à prédire les produits formés.

Le benzène est un petit hydrocarbure aromatique. Il est volatil (point d’ébullition:80,1C), cancérigène et se consume en produisant une flamme très noire.

Le benzène (CH66) est l’exemple le plus courant d’un composé aromatique. Le benzène est considérablement plus résistant à l’hydrogénation qu’un simple alcène comme le cyclohexène, car la délocalisation des électrons dans le cycle lui confère une stabilité supplémentaire.

Le cycle aromatique peut être représenté en alternant des liaisons carbone-carbone simples et doubles, avec des liaisons en pointillés ou avec un cercle au centre de l’anneau. La première façon est parfois plus utile pour représenter des mécanismes, alors que les autres façons sont plus fidèles à la réalité, car toutes les liaisons carbone-carbone dans le benzène sont équivalentes.

Voici différentes représentations du benzène.

CCHCCHHCCHHHCCCHCHHCCHHH

Nous examinerons également les différentes réactions d’addition et de substitution conduisant à une halogénation.

Le benzène peut subir des réactions de substitution, telles que l’alkylation, la nitration et la sulfonation, ainsi que des réactions d’addition, telles que l’hydrogénation.

Une réaction de substitution du benzène implique le remplacement d’un ou de plusieurs atomes d’hydrogène par d’autres groupes fonctionnels.

Définition : Réaction de substitution

Une réaction de substitution est un type de réaction au cours de laquelle certaines parties d’une molécule sont enlevées et remplacées par d’autres groupes fonctionnels.

Définition : Groupe fonctionnel

Un groupe fonctionnel représente une partie d’une molécule ayant une composition et une disposition particulières;les groupes fonctionnels se comportent généralement de manière prévisible.

Nous examinerons les réactions de substitution du benzène par halogénation, alkylation, nitration et sulfonation.

Réaction de substitutionBenzène + CatalyseursProduits
ChlorationCl2AlCl3 ou FeCl3Benzènes chlorés + HCl
BromationBr2AlBr3 ou FeCl3Benzènes bromés + HBr
Alkylation (Friedel–Crafts)RClAlCl3 ou FeCl3Benzènes alkylés + HCl
NitrationHNO3 (NO+2)HSO24Benzènes nitrés + eau
SulfonationHSO24 (SO3) concentréAucunBenzènes sulfonés + eau

Nous n’examinerons pas ici les mécanismes spécifiques de ces réactions, qui font partie d’une classe appelée réactions de substitution électrophile. Au cours de ces réactions, des réactifs ou des parties de réactifs agissent comme des électrophiles (ils sont attirés par la charge relativement négative du cycle aromatique).

Au cours des réactions de substitution du benzène par un halogène, les atomes d’hydrogène sur le benzène sont remplacés par des halogènes, tels que le fluor, le chlore, le brome et l’iode. De nombreux halogénobenzènes sont utiles comme solvants ou comme intermédiaires dans la fabrication de certains autres produits.

Définition : Réaction de substitution par un halogène

Une réaction de substitution par un halogène est un type de réaction au cours de laquelle certaines parties d’une molécule sont enlevées et remplacées par des halogènes.

Le difluor (F2) est trop réactif pour être utilisé dans des applications pratiques, alors que diiode (I2) n’est pas assez réactif. Il existe cependant des méthodes pour fluorer ou ioder le benzène. Nous nous concentrerons donc uniquement sur la chloration et la bromation du benzène qui utilisent respectivement du dichlore (Cl2) et du dibrome (Br2).

Lorsque nous effectuons ces réactions, nous nous attendons à isoler des produits monohalogénés (soit le chlorobenzène ou le bromobenzène).

Les catalyseurs à base d’halogénure d’aluminium ou d’halogénure de fer(III) aident à affaiblir et à polariser les liaisons halogène–halogène, ce qui augmente la vitesse de la réaction.

La réaction de monochloration du benzène est représentée ci-dessous:

Des réactions subséquentes avec le dichlore peuvent produire des polychlorobenzènes, tels que le dichlorobenzène et le trichlorobenzène.

Voici l’équation de réaction équivalente pour la monobromation du benzène:

Les réactions de substitution par un alkyle constituent un type de réaction d’alkylation. Au cours de celles-ci, le benzène gagne des groupes alkyles en remplacement de ses atomes d’hydrogène. Le toluène, également connu sous le nom de méthylbenzène, est un alkylbenzène couramment utilisé comme solvant et comme intermédiaire dans la fabrication de certains autres produits, comme le trinitrotoluène (TNT).

Définition : Réaction de substitution par un alkyle

Une réaction de substitution par un alkyle est un type de réaction au cours de laquelle certaines parties d’une molécule sont enlevées et remplacées par des groupes alkyles.

Le type d’alkylation que nous examinerons ici s’appelle une alkylation de Friedel-Crafts.

Il existe de nombreux choix de réactifs et de catalyseurs pour l’alkylation de Friedel-Crafts. Une variante est l’alkylation de Friedel-Crafts du benzène par la réaction avec un chloroalcane qui est catalysée par le chlorure de fer(III):

Un chloroalcane (RCl) réagit avec le benzène, et cette réaction est catalysée par le chlorure de fer(III) (FeCl3). Le produit est semblable au benzène, mais avec un groupe R en remplacement de l’un de ses atomes d’hydrogène. En présence de conditions favorables, plusieurs alkylations peuvent se produire.

Le chlorure d’aluminium (AlCl3) est également un catalyseur approprié pour cette réaction.

Exemple 1: Prévoir le produit qui sera formé par l’alkylation du benzène selon l’équation de réaction

Déterminez le produit qui sera formé par l’alkylation du benzène telle qu’illustrée par l’équation réactionnelle.

+AlCl3?+HClCH3CCH3ClCH3

Réponse

Selon l’équation réactionnelle, nous pouvons constater que le benzène (CH66) réagit avec le 2-chloro-2-méthylpropane. Un autre réactif est également indiqué au-dessus de la flèche de réaction, soit le chlorure d’aluminium (AlCl3). Il s’agit d’un exemple classique d’alkylation de Friedel-Crafts.

AlCl3 est un catalyseur qui aide à affaiblir la liaison simple carbone-chlore, ce qui accélère la réaction avec le benzène.

Au cours d’une réaction de substitution par un alkyle comme celle-ci, on s’attend à ce que les atomes d’hydrogène sur le benzène soient remplacés par des groupes alkyles. Dans cette réaction spécifique, nous avons un équivalent de 2-chloro-2-méthylpropane pour chaque équivalent de benzène. Par conséquent, on s’attend à ce qu’un seul hydrogène sur le benzène soit remplacé par le groupe alkyle provenant du 2-chloro-2-méthylpropane.

La réponse est donc

CCH3CH3CH3

La nitration du benzène pourrait également être appelée la nitro-substitution du benzène, mais cette appellation est peu fréquente. Voici un groupe nitro:NO2. Le nitrobenzène est utilisé dans la production de nombreux produits chimiques, tels que les précurseurs de polymères, les lubrifiants, les colorants et le caoutchouc synthétique. Les composés polynitrés sont couramment utilisés dans les explosifs, car ils libèrent du dioxygène gazeux, qui peut participer aux réactions de combustion, ainsi que du diazote gazeux, qui génère une pression supplémentaire lorsqu’il est chauffé.

Définition : Réaction de nitro-substitution

Une réaction de nitro-substitution est un type de réaction au cours de laquelle des parties d’une molécule sont enlevées et remplacées par des groupes nitro (NO2).

La nitration du benzène est réalisée en le traitant avec un mélange d’acide sulfurique (HSO24) et d’acide nitrique (HNO3). Ces deux acides réagissent pour produire l’ion nitronium (NO+2), qui joue le rôle d’électrophile dans cette réaction de substitution.

La mononitration du benzène est illustrée ci-dessous:

Des réactions subséquentes avec l’acide nitrique sont possibles, ce qui produit des polynitrobenzènes, mais plus il y a de groupes nitro liés au benzène, moins il est réactif pour de nouvelles réactions de nitration.

Exemple 2: Identifier l’utilisation principale de l’acide picrique

L’acide picrique, également connu sous le nom de 2,4,6-trinitrophénol, est un dérivé du benzène contenant plusieurs groupes nitro. Compte tenu des groupements chimiques qu’il contient, quelle est l’utilisation principale de l’acide picrique?

NO2NO2NO2OH
  1. les carburants pour voitures
  2. les engrais
  3. les explosifs
  4. la conservation des aliments
  5. les peintures

Réponse

Les molécules d’acide picrique contiennent trois groupes nitro. Lorsque l’acide picrique est chauffé et se consume, beaucoup de chaleur et de gaz sont produits. Il s’agit d’une source compacte de dioxygène (qui réagit pour former de l’eau et des oxydes de carbone), et les atomes d’azote se combinent pour former du diazote gazeux.

La chaleur et l’énorme augmentation de la pression du gaz peuvent générer une explosion dévastatrice. L’acide picrique sec et pur est extrêmement dangereux, car il peut exploser si on le touche.

Nous pouvons donc supposer que l’application principale de l’acide picrique est dans les explosifs.

Alors que des composés contenant de l’azote et de l’oxygène peuvent être utiles comme additifs pour le carburant ou l’engrais, la concentration en groupes nitro instables de l’acide picrique le rend inapproprié pour ces applications.

Ainsi, l’utilisation principale de l’acide picrique est dans les explosifs.

La sulfonation du benzène pourrait également être appelée la sulfo-substitution du benzène, mais cette appellation est peu fréquente. Voici un groupe sulfo:SOH3. L’acide benzènesulfonique (un produit possible de la sulfonation du benzène) est utilisé comme produit de nettoyage dans les détergents à lessive.

Définition : Réaction de sulfo-substitution

Une réaction de sulfo-substitution est un type de réaction au cours de laquelle des parties d’une molécule sont enlevées et remplacées par des groupes sulfo (SOH3).

La sulfonation du benzène est réalisée en chauffant à reflux du benzène avec de l’acide sulfurique concentré (HSO24) pendant quelques heures.

La monosulfonation du benzène est illustrée ci-dessous:

Dans le cas d’une sulfonation, l’électrophile est le trioxyde de soufre (SO3) qui se forme en petites quantités dans l’acide sulfurique concentré.

De l’acide sulfurique fumant, également appelé oléum (HSO227), peut aussi être utilisé.

Les benzènes sulfonés ne sont pas appelés des sulfobenzènes, mais plutôt des acides benzènesulfoniques. Ceci est similaire à la carboxylation du benzène qui produit des acides benzoïques.

Une réaction d’addition sur le benzène impliquera l’addition de deux, quatre ou six groupes fonctionnels, en ne générant aucun sous-produit. Généralement, ces réactions d’addition impliquent l’ajout de deux parties d’une molécule simple aux atomes de carbone présents à chaque extrémité d’une liaison double carbone-carbone.

Définition : Réaction d’addition

Une réaction d’addition est un type de réaction au cours de laquelle deux molécules ou plus se combinent ensemble pour former une molécule plus grosse, en ne générant aucun sous-produit.

Nous examinerons les réactions d’addition impliquant l’hydrogénation et l’halogénation du benzène.

Réaction d’additionBenzène + ConditionsCatalyseurs
HydrogénationH2150C-190C
Pressions élevées
Catalyseur à base de Ni, Pd ou Pt
ChlorationCl2Rayons UV
Chaleur
Aucun
BromationBr2Rayons UV
Chaleur
Aucun

L’hydrogénation du benzène, ou la réaction d’addition d’hydrogène sur le benzène, implique l’addition de deux, quatre ou six atomes d’hydrogène sur les atomes de carbone du benzène. Le cyclohexane est produit lorsque le benzène est complètement hydrogéné. Le cyclohexane est un solvant utile et un précurseur dans la fabrication d’autres produits chimiques.

Définition : Réaction d’addition d’hydrogène

Une réaction d’addition d’hydrogène est un type de réaction au cours de laquelle une molécule se combine avec une ou plusieurs molécule(s) de dihydrogène pour former une molécule plus grosse, en ne générant aucun sous-produit.

La réaction suivante illustre l’hydrogénation successive du benzène:

Ces réactions sont réalisées en utilisant un catalyseur à base de nickel, de palladium ou de platine, et des températures et pressions modérées. Un minimum de 70C est nécessaire, mais ces réactions sont généralement réalisées à 150C-190C.

Voici l’hydrogénation complète du benzène:

Exemple 3: Prévoir le produit de l’hydrogénation du benzène en présence de dihydrogène en excès

Quel produit sera obtenu par l’hydrogénation du benzène en utilisant un catalyseur à base de nickel et du dihydrogène en excès?

  1. le cyclohexène
  2. le dioxyde de carbone
  3. l’éthyne
  4. le cyclohexane
  5. l’hexane

Réponse

L’hydrogénation du benzène implique l’addition d’une ou de plusieurs molécule(s) de dihydrogène à chaque molécule de benzène dans la réaction.

En présence de dihydrogène en excès, nous pouvons nous attendre à ce que le benzène soit complètement hydrogéné.

Le benzène (CH66) consiste en un noyau aromatique d’atomes de carbone portant chacun un atome d’hydrogène. Il peut être représenté de plusieurs façons, mais la plus utile pour le moment est probablement celle-ci:

CCCHHCHCHCHH

Chaque atome de carbone peut potentiellement gagner un autre atome d’hydrogène (les atomes de carbone peuvent former un maximum de quatre liaisons simples):

CCHCHCHHCHHHCHHHHH

Cette molécule est appelée cyclohexane (il s’agit d’un cycle contenant six atomes de carbone saturés en hydrogène).

On pourrait penser que la réponse est le cyclohexène, ou le cyclohexa-1,3-diène, mais ces produits se forment seulement lorsque la quantité de dihydrogène est restreinte. En présence de dihydrogène en excès, la réaction sera

+3NiCHHCCHHCHHCCHHHHHHCCCHHCCHHCHHHH

L’halogénation du benzène, ou la réaction d’addition d’halogène sur le benzène, implique l’addition de deux, quatre ou six halogènes sur les atomes de carbone du benzène. L’hexachloroéthane a déjà été utilisé pour fabriquer certains pesticides qui ont désormais été interdits.

Définition : Réaction d’addition d’halogène

Une réaction d’addition d’halogène est un type de réaction au cours de laquelle une molécule se combine avec une ou plusieurs molécule(s) d’halogènes pour former une molécule plus grosse, en ne générant aucun de sous-produit.

Théoriquement, on pourrait halogéner successivement le benzène avec n’importe quel halogène:

Cependant, comme pour la réaction de substitution, les réactions impliquant le difluor ou le diiode sont impossibles en raison de la réactivité trop élevée du difluor et de la réactivité extrêmement faible du diiode (du moins, c’est le cas si d’autres réactifs ne sont pas impliqués).

Par conséquent, nous examinerons uniquement les réactions d’addition de dichlore et de dibrome sur le benzène.

Le dichlore et le dibrome réagissent de la même manière. En l’absence de catalyseur, la lumière ultraviolette et la chaleur sont suffisantes pour obtenir une halogénation complète.

L’addition par chloration complète du benzène est illustrée ci-dessous:

Voici maintenant l’addition par bromation complète du benzène:

Points clés

  • Le benzène peut participer à des réactions de substitution par les halogènes (comme le chlore et le brome), les chloroalcanes, l’acide nitrique et l’acide sulfurique, ainsi qu’à des réactions d’halogénations, d’alkylations, de nitrations et de sulfonations.
  • Une réaction de substitution est un type de réaction au cours de laquelle des parties d’une molécule sont enlevées et remplacées par d’autres groupes fonctionnels.
    Réaction de substitutionBenzène + CatalyseursProduits
    ChlorationCl2AlCl3 ou FeCl3Benzènes chlorés + HCl
    BromationBr2AlBr3 ou FeCl3Benzènes bromés + HBr
    Alkylation (Friedel–Crafts)RClAlCl3 ou FeCl3Benzènes alkylés + HCl
    NitrationHNO3 (NO+2)HSO24Benzènes nitrés + eau
    SulfonationHSO24 (SO3) concentréAucunBenzènes sulfonés + eau
  • Le benzène peut participer à des réactions d’addition d’hydrogène et d’halogènes (comme le chlore et le brome) dans les hydrogénations et les halogénations.
  • Une réaction d’addition est un type de réaction au cours de laquelle deux molécules ou plus se combinent pour former une molécule plus grosse, en ne générant aucun sous-produit.
    Réaction d’additionBenzène + ConditionsCatalyseurs
    HydrogénationH2150C-190C
    Pressions élevées
    Catalyseur à base de Ni, Pd ou Pt
    ChlorationCl2Rayons UV
    Chaleur
    Aucun
    BromationBr2Rayons UV
    Chaleur
    Aucun

Nagwa utilise des cookies pour vous garantir la meilleure expérience sur notre site. En savoir plus sur notre Politique de Confidentialité.