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Vidéo de la leçon : Réactions du benzène Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les réactions d’addition et de substitution du benzène, et à prédire les produits qui se forment.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir les réactions d’addition et de substitution du benzène. Nous allons apprendre à prédire quels produits se forment dans ces réactions.

Le benzène est une molécule organique, un hydrocarbure de formule C6H6. Il est incolore à légèrement jaune clair et c’est un liquide à température ambiante. Il est très inflammable et connu pour être cancérigène. Les six atomes de carbone sont organisés en une structure cyclique, et chaque carbone est lié à un atome d’hydrogène. En raison des doubles et simples liaisons alternées dans le cycle carboné, les angles de liaison sont de 120 degrés. On peut représenter ce composé de différentes façons. Comme dessiné ici, ou avec toutes les doubles liaisons déplacées vers ces positions comme ceci, ou avec sa formule topologique, ou encore comme ceci.

Le benzène est aromatique. C’est-à-dire qu’il est plan, cyclique, avec des liaisons pi en résonance, la résonance faisant référence aux liaisons pi délocalisées en raison de la capacité des électrons pi à passer d’un atome de carbone à l’autre. La résonance fait du benzène un composé relativement stable et résistant à certaines réactions. Le benzène ne réagit pas comme les alcènes classiques, même ceux qui contiennent trois doubles liaisons carbone-carbone. Cependant, le benzène peut subir des réactions de substitution et d’addition dans les bonnes conditions. Voyons quelques-unes des réactions de substitution du benzène.

Une réaction de substitution est un type de réaction où des parties d’une molécule sont éliminées et remplacées par d’autres groupes fonctionnels. Ce schéma simple montre une particule rose qui déplace la particule bleue et la remplace. Dans le benzène, l’un des atomes d’hydrogène est remplacé par un autre élément ou groupe. Étudions quatre types de réactions de substitution pour le benzène. La première est l’halogénation, où l’hydrogène est remplacé par un halogène : le fluor, le chlore, le brome ou l’iode. Voici l’équation générale de la réaction du benzène avec un halogène. On a le benzène avec un atome d’hydrogène sur chaque carbone. Il réagit avec une molécule d’halogène, et l’un des atomes d’hydrogène du benzène est remplacé par un atome d’halogène pour donner un halobenzène et un halogénure d’hydrogène.

On utilise un catalyseur adapté pour effectuer cette réaction car rappelez-vous, le benzène est plutôt stable. Le chlorure d’aluminium et le chlorure de fer trois sont des exemples classiques de catalyseurs de type acide de Lewis. Voyons maintenant une réaction d’halogénation spécifique. Si le chlore est l’halogène, alors les produits sont le chlorobenzène et le chlorure d’hydrogène. Cette halogénation est spécifiquement appelée chloration. Si le brome est l’halogène, notre produit aromatique est le bromobenzène et nous obtenons également du bromure d’hydrogène. Ce type d’halogénation est une bromation. Dans ces conditions, on obtient un produit monosubstitué. On a besoin de conditions différentes pour qu’un plus grand nombre d’atomes d’halogène réagisse avec le benzène.

Jusqu’à présent, nous n’avons examiné que la chloration et la bromation du benzène. Mais dans ces conditions, le fluor est trop réactif et l’iode n’est pas assez réactif pour donner un produit aromatique monosubstitué. Le deuxième type de réaction de substitution que nous allons voir est l’alkylation, ou plus spécifiquement l’alkylation de Friedel-Crafts. Dans ce cas, un atome d’hydrogène du benzène est remplacé par un groupe alkyle. Les groupes méthyle et éthyle sont deux exemples de groupes alkyles simples, qu’on désigne par R dans l’équation générale de la réaction. Pour alkyler une molécule de benzène, on prend le benzène, un halogénure d’alkyle, un acide de Lewis comme catalyseur, et dans ces conditions, on forme un alkylbenzène monosubstitué et un halogénure d’hydrogène. Prenons un exemple spécifique.

Lorsque l’halogénure d’alkyle est le chlorure de méthyle, le produit aromatique est le méthylbenzène. On peut voir qu’un groupe méthyle a substitué un atome d’hydrogène. Le méthylbenzène est généralement appelé « toluène ». Le toluène est un excellent solvant et il est utilisé dans la production d’autres substances, comme la substance explosive TNT, le trinitrotoluène. Les conditions peuvent être modifiées pour donner plusieurs alkylations.

La réaction de substitution suivante est la nitration. L’hydrogène est alors remplacé par un groupe nitro, NO2. Voici l’équation de la réaction et les conditions. Le benzène est traité avec un mélange d’acide nitrique et d’acide sulfurique. Ce mélange d’acides produit des ions NO2+ ou ions nitronium. Ces ions positifs sont attirés par la charge relativement négative du cycle aromatique. Ces ions sont appelés électrophiles, ce qui signifie qu’ils sont attirés et qu’ils se lient potentiellement à des atomes ou molécules qui contiennent des paires d’électrons disponibles pour former une liaison. Dans cette réaction, le produit formé est le nitrobenzène. Ici aussi, c’est un produit monosubstitué. Il est possible d’obtenir des benzènes polysubstitués dans les conditions adéquates.

Voyons maintenant la dernière réaction de substitution de cette vidéo, la sulfonation. Lors de la sulfonation, un atome d’hydrogène du benzène est remplacé par un groupe sulfo, SO3H. Pour cette réaction, un mélange de benzène et d’acide sulfurique concentré est chauffé à reflux pour donner de l’acide benzènesulfonique et de l’eau. Ce composé contient un groupe sulfo. Il s’agit d’un agent nettoyant couramment utilisé dans les détergents à lessive. Le SO3 de l’acide sulfurique agit en tant qu’électrophile et il est attiré par les électrons délocalisés dans la molécule de benzène. Nous n’entrerons pas dans les détails du mécanisme de cette réaction, mais le produit final contient un groupe sulfo, SO3H.

Nous avons examiné quatre réactions de substitution du benzène. Voyons maintenant quelques réactions d’addition. Une réaction d’addition est un type de réaction où deux molécules ou plus se combinent pour former une molécule plus grande, sans formation de produits secondaires. Lorsque le benzène subit une réaction d’addition, disons avec cette substance ici, l’une des liaisons pi peut s’ouvrir, ce qui permet de lier deux nouveaux atomes au cycle et ainsi former un produit d’addition avec deux nouveaux substituants. Ou si une deuxième liaison pi s’ouvre, ou même la troisième, le produit contiendrait respectivement quatre ou six nouveaux substituants. Prenons un exemple spécifique.

Une hydrogénation se produit lorsque les atomes d’une ou plusieurs molécules d’hydrogène H2 s’ajoutent sur le cycle. Si une molécule d’hydrogène réagit avec une molécule de benzène en présence d’un catalyseur tel que le nickel, le platine ou le palladium, la délocalisation sur le cycle du benzène est perdue lorsqu’une double liaison s’ouvre et une fonction diène est formée, appelée 1,3-cyclohexadiène. Rappelez-vous, il y avait un atome d’hydrogène ici et ici, représenté par ces deux atomes d’hydrogène dans le produit. Les deux nouveaux atomes d’hydrogène qui ont été ajoutés sont ici.

Nous pouvons simplifier la structure comme suit. Dans cette structure topologique, nous savons qu’il y a deux atomes d’hydrogène ici et deux ici parce que ces atomes de carbone n’ont que des liaisons simples. Parfois, ce composé est appelé cyclohexa-1,3-diène. Quelle que soit l’appellation, cyclo- nous dit qu’il s’agit d’une structure cyclique et hexa- qu’il y a six atomes de carbone dans le cycle. Le un et le trois nous indiquent que les deux doubles liaisons, du diène, se trouvent sur les atomes de carbone un et trois.

Des hydrogénations successives produisent d’abord le cyclohexène, où un atome d’hydrogène a été ajouté ici et un ici pour saturer complètement ces deux atomes de carbone. Et finalement, le cycloalcane entièrement saturé, le cyclohexane, est produit, où deux autres atomes sont ajoutés ici et ici. Le cyclohexane est un excellent solvant et un produit de départ pour la production de nombreuses autres substances. Souvent, cette réaction d’hydrogénation est effectuée à haute température et pression. On peut simplifier ces étapes successives en écrivant la réaction globale comme ceci. Une molécule de benzène plus trois molécules d’hydrogène à haute température et pression et en présence d’un catalyseur produisent le cycloalcane entièrement saturé, le cyclohexane.

La dernière réaction d’addition que nous allons voir est très similaire à l’hydrogénation. Il s’agit de l’halogénation. Nous avons déjà parlé de l’halogénation dans les réactions de substitution. Cette halogénation est un peu différente. Les atomes d’une ou plusieurs molécules d’halogène s’ajoutent au lieu de se substituer aux atomes d’hydrogène. L’équation générale de l’halogénation complète du benzène est représentée ici. Les additions d’atomes d’halogène aux doubles liaisons sont successives. Mais globalement, lorsqu’on a trois molécules d’halogène par molécule de benzène, les trois doubles liaisons du benzène s’ouvrent et six atomes d’halogène sont ajoutés. Le résultat final de l’halogénation complète est l’ouverture des trois doubles liaisons carbone-carbone. Six atomes d’halogène sont ajoutés, un lié à chaque atome de carbone.

Pour que le benzène subisse une telle halogénation, la réaction doit se produire à haute température et en présence de lumière ultraviolette. Avec trois équivalents de chlore, de l’énergie thermique, de la lumière ultraviolette et suffisamment de temps, il se produit une chloration complète du benzène, ce qui nous donne un produit hexachloré. Si on avait le brome au lieu du chlore, la réaction serait similaire. Notez que cette réaction d’addition n’a pas besoin de catalyseur.

Maintenant, résumons ce que nous avons appris sur les réactions du benzène. Nous avons appris que, puisque le benzène est aromatique, il est stable, mais il peut subir des réactions d’addition et de substitution dans les bonnes conditions. Nous avons vu qu’une réaction de substitution est un type de réaction où des parties d’une molécule sont éliminées et remplacées par d’autres groupes fonctionnels, et qu’une réaction d’addition est un type de réaction où deux molécules ou plus se combinent pour former une molécule plus grande sans formation de produits secondaires.

Nous avons examiné quatre réactions de substitution du benzène et deux réactions d’addition. Dans une réaction de substitution par halogénation, le benzène réagit avec un halogène pour former un halobenzène. L’autre produit est un halogénure d’hydrogène HX. Les conditions nécessaires à cette réaction sont un acide de Lewis tel que le chlorure d’aluminium ou le chlorure de fer trois comme catalyseur. Dans une réaction de substitution par alkylation, le benzène réagit avec un halogénure d’alkyle. Ici aussi, un acide de Lewis comme catalyseur est nécessaire et les produits sont un alkylbenzène et un halogénure d’hydrogène.

La sulfonation du benzène est effectuée par reflux du benzène dans de l’acide sulfurique concentré. Un groupe sulfo est substitué sur le cycle du benzène, et l’eau est un produit secondaire. Pour nitrer une molécule de benzène, en d’autres termes, pour remplacer un atome d’hydrogène par un groupe NO2, de l’acide nitrique et de l’acide sulfurique sont mélangés au benzène et le mélange produit du nitrobenzène ainsi que de l’eau. Seuls les produits monosubstitués sont indiqués ici, mais des produits polysubstitués peuvent se former dans les bonnes conditions.

La première réaction d’addition que nous avons examinée est l’hydrogénation du benzène. La chaleur et un catalyseur métallique, tel que le nickel, le platine ou le palladium, sont nécessaires. Et lorsqu’il y a trois équivalents d’hydrogène, le produit formé est le cyclohexane, complètement saturé. La dernière réaction d’addition que nous avons examinée est la réaction du benzène chaud avec un halogène sous lumière ultraviolette. Il s’agit d’une réaction d’addition par halogénation. Avec trois équivalents de la molécule d’halogène et un temps de réaction suffisamment long, les trois doubles liaisons du benzène peuvent s’ouvrir pour ajouter six atomes d’halogène.

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