Sais-tu qu'environ un cinquième de tous les médicaments pharmaceutiques contiennent du fluor ? Cet élément se trouve le plus souvent dans une sorte de fluorure d'alkyle, un exemple d'halogénoalcane.
- Cet article porte sur les halogénoalcanes en chimie organique.
- Nous définirons l'halogénoalcane avant d'examiner la nomenclature des halogénoalcanes.
- Nous apprendrons ensuite comment classer les halogénoalcanes en primaires, secondaires ou tertiaires.
- Ensuite, nous nous concentrerons sur les propriétés des halogénoalcanes.
- Il sera alors temps d'explorer la production des halogénoalcanes, puis leur réactivité. Il s'agira de découvrir les réactions de substitution nucléophile.
- Enfin, nous terminerons par une discussion sur les utilisations des halogénoalcanes.
Définition
Les halogénoalcanes sont des molécules organiques formées à partir d'alcanes, où des atomes d'halogène ont remplacé un ou plusieurs atomes d'hydrogène.
Les halogénoalcanes sont également connus sous le nom d'haloalcanes ou d'halogénures d'alkyle. En termes simples, ce sont des alcanes, mais ils contiennent un atome d'halogène à la place d'un (ou de plusieurs !) de leurs atomes d'hydrogène. L'atome d'halogène est désigné par \( X \) .
Comme tu le sais peut-être dans Halogènes, les halogènes sont des éléments qui appartiennent au groupe 7 du tableau périodique. Ce groupe est également connu sous le nom de groupe 17. Les halogènes possèdent tous sept électrons dans leur enveloppe extérieure et ont tendance à avoir une électronégativité élevée. Le fluor est le plus petit membre du groupe, tandis que le plus grand est l'astate. Cependant, l'astate est radioactif et de courte durée de vie, et n'est donc pas couramment utilisé.
Halogénoalcane : formule
La formule moléculaire générale d'un halogénoalcane avec un seul atome d'halogène est \( C_nH_{2n+1}X \) . Les exemples incluent le chloroéthane, \( C_2H_5Cl \) , et le bromométhane, \( CH_3Br \) .
Fig.1- Chloroéthane, à gauche et bromométhane à droite avec l'halogène mis en évidence.
Nomenclature des halogénoalcanes
Les halogénoalcanes sont nommés en utilisant les règles de nomenclature standard et le préfixe approprié, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.
| Halogène présent | Préfixe |
| Fluor | fluoro |
| Chlore | chloro- |
| Brome | bromo- |
| Iode | iodo |
Si tu n'es pas familier avec les bases de la dénomination des molécules organiques, jette un coup d'œil rapide aux Composé organique.
Mais pour ceux d'entre toi qui se sentent en confiance, utilisons quelques exemples pour mettre en pratique nos connaissances en matière de nomenclature.
Halogénoalcane : exemples
Nomme la molécule suivante :
Fig.2- Un halogénoalcane inconnu.
Pour commencer, nous pouvons constater que cette molécule possède quatre atomes de carbone. Elle possède donc la racine -butane. Elle possède également un atome de chlore attaché à l'un des carbones et commencera donc par le préfixe chloro-. Tu sais que les positions des groupes fonctionnels sur la chaîne carbonée sont indiquées par des chiffres. Nous numérotons la chaîne carbonée à la fois de la gauche et de la droite, et nous essayons de faire en sorte que le groupe fonctionnel prenne le numéro le plus bas possible. Ici, le chlore est attaché au carbone 2 ou 3, selon l'endroit où l'on commence à compter. Le 2 est inférieur au 3, nous appelons donc cette molécule 2-chlorobutane.
Fig.3- Notre halogénoalcane inconnu, numéroté correctement (vert) et incorrectement (rouge).
Numérote la chaîne de carbone dans les deux sens de façon que le groupe fonctionnel soit attaché à l'atome de carbone ayant le numéro le plus bas.
Voici un autre exemple :
Nomme cet halogénoalcane :
Fig.4- Un deuxième halogénoalcane inconnu.
Nous pouvons voir que cette molécule possède quatre atomes de carbone et deux groupes fonctionnels : un atome de fluor et un atome de chlore. Cela lui donne le suffixe -butane et les préfixes chloro- et fluoro-. Tu dois te rappeler que si deux groupes fonctionnels sont présents, nous les énumérons par ordre alphabétique. Cependant, la règle de numérotation s'applique toujours : si nous additionnons les chiffres précédant chaque groupe fonctionnel, nous voulons obtenir le total le plus bas possible. Numérotons maintenant la chaîne carbonée.
Fig.5- Notre deuxième halogénoalcane inconnu, numéroté correctement (vert) et incorrectement (rouge).
Les groupes fonctionnels sont présents soit sur les carbones 1 et 3, soit sur les carbones 2 et 4.\( 1 + 3 = 4 \) , alors que \( 2 + 4 = 6 \) .4 est un total inférieur à 6. Dans ce cas, nous numéroterions donc la chaîne de carbone de droite à gauche, de sorte que les groupes fonctionnels soient attachés aux carbones 1 et 3. Si nous mettons tout cela ensemble, nous obtenons le nom
3-chloro-1-fluorobutane.
Énumérer les groupes fonctionnels par ordre alphabétique.
Halogénoalcanes primaires, secondaires et tertiaires
Les halogénoalcanes sont classés comme primaires, secondaires ou tertiaires. Cela dépend du nombre de groupes alkyle attachés au carbone lié au \( C-X \) . La classification est désignée par le symbole du degré \( (°) \) , comme indiqué ci-dessous. Les groupes alkyles sont souvent appelés groupes R lorsqu'on parle de molécules organiques.
- Dans un halogénoalcane primaire (1°), le carbone lié à l'atome d'halogène est également lié à un groupe R ou à aucun.
- Dans un halogénoalcane secondaire (2°), l'atome de carbone lié à l'atome d'halogène est également lié à deux groupes R.
- De même, dans un halogénoalcane tertiaire (3°), l'atome de carbone lié à l'atome d'halogène est également lié à trois groupes R.
Voici quelques exemples d'halogénoalcanes primaires, secondaires et tertiaires. Nous avons mis en évidence l'atome d'halogène en bleu et les groupes R en rouge, pour t'aider à les identifier dans la molécule.
Fig.6- Exemples de classification des halogénoalcanes.
Halogénoalcane : groupe caractéristique
Les halogénoalcanes ont des propriétés légèrement différentes de celles des alcanes en raison de leur liaison \( C-X \) polaire. Ceci est dû aux différentes électronégativités du carbone et des halogènes, qui sont indiquées dans le tableau ci-dessous.
Tu peux voir que tous les halogènes sont plus électronégatifs que le carbone. Cela signifie que l'atome d'halogène est partiellement chargé négativement et l'atome de carbone partiellement chargé positivement. Nous représentons les charges partielles à l'aide du symbole delta \( \delta \) , positionné au-dessus de chaque atome :
Fig.7- Polarité de la liaison C-X
En raison de cette polarité, les halogénoalcanes subissent des forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules. Ces forces sont plus fortes que les forces de van der Waal et nécessitent plus d'énergie pour être surmontées, ce qui influence certaines des propriétés physiques des molécules. Explorons-les maintenant.
Consulte la rubrique Forces intermoléculaires si tu n'es pas sûr de la signification des termes forces de van der Waal et forces dipôle-dipôle permanentes.
Points de fusion et d'ébullition
Les halogénoalcanes ont un point d'ébullition plus élevé que les alcanes de longueur de chaîne similaire. Cela est dû à deux facteurs.
- Les halogénoalcanes ont une masse moléculaire plus élevée que leurs alcanes respectifs. Par exemple, le méthane (dont la longueur de chaîne est d'un atome de carbone) a une masse moléculaire de \( 16,0 \) , mais le chlorométhane (dont la longueur de chaîne est également d'un atome de carbone) a une masse moléculaire de \( 50,5 \) . Cela signifie que le chlorométhane contient plus d’électrons et qu'il peut former des dipôles temporaires plus grands, et donc subir des forces de van der Waals plus importantes entre les molécules.
- Comme nous l'avons vu plus haut, les liaisons C-X sont polaires et contiennent un moment dipolaire. Cela signifie que les halogénoalcanes subissent en plus des forces dipôle-dipôle permanentes.
La force accrue des forces intermoléculaires signifie que davantage d'énergie est nécessaire pour séparer les molécules. Les halogénoalcanes ont donc un point d'ébullition plus élevé que les alcanes similaires.
Rappelle-toi que les forces de van der Waals existent entre toutes les molécules et sont causées par des dipôles temporaires, alors que les forces dipôle-dipôle permanentes n'existent qu'entre les molécules polaires avec des dipôles permanents.
Fig.8- Méthane et Chlorométhane. Note les dipôles permanents et la masse moléculaire plus élevée du Chlorométhane.
En outre, les halogénoalcanes longs ont un point d'ébullition plus élevé que les halogénoalcanes courts. Ce sont des molécules plus grandes et elles subissent une plus grande attraction de van der Waals. D'autre part, un hydrocarbure à chaîne ramifiée a un point d'ébullition plus bas qu'un hydrocarbure similaire non ramifié. Cela s'explique par le fait que les molécules ne peuvent pas s'assembler aussi étroitement et que l'attraction entre les molécules est donc plus faible.
Prenons par exemple le 1-chlorobutane et le 1-chlorométhylpropane. Tous deux ont la même masse moléculaire, mais alors que le premier est une molécule à chaîne droite, le second est ramifié. Cela signifie qu'elles ne peuvent pas s'assembler aussi étroitement - note comment trois molécules de 1-chlorobutane peuvent tenir dans le même espace que deux molécules de 1-chlorométhylpropane.
Fig.8- Halogénoalcanes linéaires et ramifiés.
Le point d'ébullition des halogénoalcanes varie également en fonction de l'halogène présent dans la molécule. Il est affecté par deux facteurs.
- À mesure que l'on descend dans le groupe du tableau périodique, la masse atomique des atomes d'halogène augmente. Cela signifie qu'ils seront soumis à des forces de van der Waals plus fortes.
- Nous avons vu plus haut que l'électronégativité de l'halogène diminue à mesure que l'on descend dans le groupe. Cela rend la liaison C-X moins polaire et réduit les forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules.
Ces deux facteurs semblent s'opposer l'un à l'autre, alors quelle est la tendance des points d'ébullition ?
Eh bien, les points de fusion et d'ébullition augmentent à mesure que l'on descend dans le groupe 7 du tableau périodique. La forte augmentation du nombre d'électrons est donc plus importante que la réduction de la force du dipôle permanent. Tu peux le constater dans le tableau ci-dessous. Bien que le chlore ait une électronégativité supérieure à celle de l'iode, le 1-iodopropane a un point d'ébullition plus élevé que le 1-chloropropane. Cela est dû au fait que le 1-iodopropane possède plus d'électrons et subit donc une plus forte attraction de Van der Waals.
| Nom | 1-chloropropane | 1-iodopropane |
| Électronégativité de l'halogène | 3,0 | 2,5 |
| Nombre d'électrons | 42 | 78 |
| Point d'ébullition \( (°C) \) | 46,6 | 102,6 |
Solubilité
Les halogénoalcanes sont insolubles dans l'eau, malgré leur polarité. Ils ne sont pas assez polaires pour se lier par hydrogène aux molécules d'eau. En revanche, ils sont très solubles dans les solvants organiques.
Production d'halogénoalcanes
On peut produire des halogénoalcanes à l'aide de différentes méthodes :
- Substitution radicalaire des alcanes, en utilisant \( Cl_2 \) ou \( Br_2 \) en présence de lumière UV.
- Addition électrophile des alcènes à l'aide d'un halogène, \( X_2 \) , ou d'un halogénure d'hydrogène, \( HX \) .
- Substitution d'alcools, en utilisant différents réactifs et conditions.
Ne t'inquiète pas, nous couvrons ces réactions plus en détail dans d'autres parties du cours. Visite la section Chlorination pour en savoir plus sur la substitution radicalaire, ou rends-toi dans la section Réactions des alcènes si tu es curieux des réactions d'addition électrophile. Tu peux également te renseigner sur les réactions de substitution de l'alcool dans Réactions de l'alcool.
Réactivité des halogénoalcanes
En raison de leur liaison \( C-X \) polaire, les halogénoalcanes sont couramment attaqués par des nucléophiles.
Un nucléophile est un donneur de paires d'électrons.
Les nucléophiles sont des molécules chargées négativement ou partiellement négativement avec au moins une paire d'électrons solitaires. Ils sont attirés par les atomes positifs, ou partiellement positifs, tels que le carbone de la liaison \( C-X \) .
Les réactions courantes impliquant des halogénoalcanes sont les suivantes :
- Substitution nucléophile avec : OH- pour former un alcool.
- Substitution nucléophile avec l'ammoniac pour former une amine.
- Substitution nucléophile avec : CN- pour former un nitrile.
- Élimination avec : OH- pour former un alcène.
Recherche d'halogénoalcanes Tu as une solution d'un halogénoalcane mais tu n'es pas sûr de son identité ? Heureusement pour toi, il existe un test simple que nous pouvons utiliser pour déterminer quel halogène est présent. Il implique une autre réaction de substitution nucléophile.
Nous faisons d'abord réagir l'halogénoalcane avec : \( OH^- \) pour former un alcool et un ion halogénure. C'est notre réaction de substitution nucléophile. Nous testons ensuite l'ion halogénure en utilisant une solution de nitrate d'argent ( \( AgNO_3 \) ), acidifiée avec de l'acide nitrique dilué ( \( HNO_3 \) ). L'ion halogénure réagit pour former un précipité \( AgX \) coloré, qui t'indique l'identité de l'halogène. Tu peux confirmer tes soupçons en ajoutant une solution d'ammoniaque \( NH_{3(aq)} \) . Avec un peu de chance, tu obtiendras les résultats suivants :
| Halogène présent | Réaction avec AgNO3 acidifié | Réaction avec NH3(aq) | Détails supplémentaires |
| Fluor | Pas de réaction observable | | Pas de précipité car \( AgF \) est soluble dans l'eau |
| Chlore | Précipité blanc | Se dissout dans du \( NH_{3(aq)} \) dilué | |
| Brome | Précipité crème | Se dissout dans le \( NH_{3(aq)} \) concentré | |
| Iode | Précipité jaune | Insoluble dans toutes les concentrations de \( NH_{3(aq)} \) | |
Tu peux également omettre le : \( OH^- \) et ajouter une solution de nitrate d'argent directement à l'halogénoalcane. Dans ce cas, l'eau contenue dans la solution joue le rôle de nucléophile. Cependant, cette réaction est beaucoup plus lente.
Facteurs affectant la réactivité des halogénoalcanes
Deux facteurs influencent la réactivité des halogénoalcanes :
- La polarité de la liaison.
- La force de la liaison.
Polarité de la liaison
Nous avons appris précédemment que l'électronégativité de l'atome d'halogène diminue à mesure que l'on descend dans le groupe du tableau périodique. Cela rend la liaison \( C-X \) moins polaire. L'atome de carbone, désormais moins chargé positivement, est moins susceptible d'être attaqué par les nucléophiles, la liaison est donc moins réactive.
Force de la liaison
Plus on descend dans le groupe 7 du tableau périodique, plus l'enthalpie de la liaison C-X diminue. Cela est dû au fait que l'atome d'halogène devient plus grand et que la paire d'électrons partagée est plus éloignée de son noyau. L'attraction entre les électrons et le noyau est donc plus faible, ce qui rend la liaison plus facile à rompre et plus réactive.
Tu te demandes peut-être quel facteur est le plus important. Eh bien, les expériences montrent que la réactivité augmente au fur et à mesure que l'on descend dans le groupe. Cela signifie que la force de la liaison est un facteur plus important que sa polarité lorsqu'il s'agit de réactivité.
Fig.10 - Un graphique montrant la force relative de la liaison C-X.
Utilisations des halogénoalcanes
Enfin, prenons un moment pour examiner certaines des utilisations des halogénoalcanes.
- Au début de cet article, nous avons vu comment les halogénoalcanes sont des composants utiles de nombreux médicaments, comme l'antidépresseur fluoxétine et l'anesthésique isoflurane.
- Les halogénoalcanes sont également utilisés comme solvants et fumigènes.
- Le revêtement anti-adhésif Teflon est un polymère à base d'un halogénoalcane, le tétrafluoroéthène.
- Les chlorofluorocarbones (CFC) sont devenus célèbres au 20e siècle en tant que composants de nombreux aérosols et réfrigérants. Cependant, les CFC sont extrêmement dangereux en raison de leur effet sur la couche d'ozone. C'est pourquoi ils sont désormais interdits dans de nombreux pays. Les alternatives sont les hydrochlorofluorocarbones (HCFC) et les hydrofluorocarbones (HFC).
Tu peux découvrir comment les CFC endommagent la couche d'ozone dans l'article Destruction de la couche d'ozone.
Halogénoalcanes - Points clés
- Les halogénoalcanes sont des alcanes dans lesquels un ou plusieurs atomes d'hydrogène ont été remplacés par un atome d'halogène, désigné par X. Ils sont également connus sous le nom d'halogénoalcanes ou d'halogénures d'alkyle.
- Les halogénoalcanes sont nommés selon les règles de la nomenclature standard. Ils prennent le préfixe fluoro-, chloro-, bromo- ou iodo-.
- Les halogénoalcanes sont classés comme primaires, secondaires ou tertiaires.
- La liaison C-X dans les halogénoalcanes est polaire en raison des différentes électronégativités des atomes de carbone et d'halogène. Cela signifie qu'ils subissent des forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules.
- Les halogénoalcanes ont un point d'ébullition plus élevé que les alcanes similaires.
- On prépare les halogénoalcanes à partir d'alcanes, d'alcènes ou d'alcools.
- En raison de leur liaison polaire, les halogénoalcanes sont susceptibles d'être attaqués par des nucléophiles.
- Les halogénoalcanes deviennent plus réactifs au fur et à mesure que l'on descend dans le groupe du tableau périodique.
- Les halogénoalcanes sont utilisés dans de nombreux médicaments, polymères et solvants.
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