LES COMPOSES AROMATIQUES

La molécule de benzène.

Le benzène, de formule C₆H₆, est liquide à la température ordinaire. C’est le composé le plus connu de la famille des composés aromatiques. A l’origine le terme aromatique désignait une famille de substances possédant une odeur caractéristique, souvent agréable.

· La molécule est plane : les centres des 6 atomes de carbone et des 6 atomes d’hydrogène sont dans le même plan. Les 6 atomes de carbone sont situés aux sommets d’un hexagone régulier. Les liaisons carbone-carbone ont toutes la même longueur :140 pm. Les longueurs des liaisons carbone-hydrogène vaut 110 pm. Les angles entre deux liaisons voisines valent 120,

· Chaque atome de carbone lié à deux atomes de carbone et à un atome d’hydrogène, engage 3 électrons dans des liaisons de covalence simple. Il reste donc pour l’ensemble de la molécule ,6 électrons célibataires non engagés dans des liaisons. Les 6 électrons se déplacent autour des 6 atomes de carbone, sans être situés autour de deux atomes donnés. On dit qu’ils sont délocalisés. Les électrons forment un nuage électronique qui s’étend sur l’ensemble de la chaine carbonée. Un ensemble de 6 atomes de carbones liés comme dans le benzène, par des liaisons simples et une liaison délocalisée, est appelé noyau benzénique ou noyau aromatique.

On représente schématiquement la molécule de benzène par la formule :

Ou par convention :

Exemples de composés aromatiques

On appelle composé aromatique tout composé organique comportant au moins un noyau benzénique. Le toluène ou méthyl benzène(C₆H₅-CH₃), Le phénol (C₆H₅-OH), l’aniline ou aminobenzene (C₆H₅-NH₂), le styrène ou phenylethylene (C₆H₅-CH=CH₂),le naphtalène (C₁₀H₈) et le diphényle (C₁₂H₁₀) sont des exemples de composés aromatiques.

Propriétés Physiques

Masse molaire 78,12 g.mol^-1
Température d’ébullition : 80,1°C
Température de fusion : 5,5°C
Densité : 0,8765 ^20/4
Indice de réfraction : 1,5011 ²⁰
Solubilité : éthanol, acétone, éther, acide acétique
Risque : Facilement inflammable et Toxique

Propriétés chimiques

La combustion, réaction de destruction

Dans le dioxygène le benzène brule dans le dioxygène pour donner le dioxyde et de l’eau.

2C₆H₆ + 15O₂→12CO₂+6H₂O

Cette réaction est exothermique. Ce fort dégagement de chaleur pourrait faire du benzène un excellent combustible, on ne l'utilise pas à cause de sa toxicité.

Les réactions d’addition

Hydrogénation

En faisant passer un courant gazeux riche en hydrogène dans du benzène contenant un catalyseur d’hydrogénation, chaque molécule de benzène fixe trois molécules d’hydrogène. On obtient ainsi le cyclohexane.

Catalyseur : Pt ou Ni

C₆H₆ + 3H₂→C₆H₁₂

_ou

Remarques :

-Dans les conditions normales de températures et de pressions, le mélange de dihydrogène et de benzène ne réagit pas. Il faut une température de 200°C et sous une pression de 40 bars.

-Les six atomes de carbone du cycle ne se trouvent plus dans le même plan. En effet, cette réaction s’accompagne d’un profond changement de structure de la molécule qui reste hexagonale, mais n’est plus plane. Le cyclohexane peut présenter de multiples conformations :

Addition du dichlore

Dans un flacon contenant du dichlore, versons quelques gouttes de benzène. La réaction n’a lieu que lorsque nous exposons le mélange à la lumière : on observe aussitôt une fumée blanche remplissant le flacon et au bout de quelques instants des cristaux blancs se déposent sur les parois du flacon : il s’agit du 1, 2, 3, 4, 5, 6-hexachlorocyclohexane.

C₆H₆ + Cl₂  →  C₆H₆Cl

ou

Cette réaction a lieu sous l'action des ultra-violets, à la température ordinaire ; le benzène se sature en une seule fois, on obtient le 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane (anciennement utilisé comme insecticide sous l'appellation commerciale HCH).

Remarque : les six atomes de carbone du cycle ne se trouve plus dans un même plan.

Conclusion : Ces réactions d'addition sont beaucoup plus difficiles à réaliser qu'avec les alcènes et les alcynes. Le benzène n’additionne ni l’eau, ni le chlorure d’hydrogène. Il ne donne pas non plus des réactions de polymérisation.

Les réactions d’addition se font en une seule étape et conduisent à la formation de molécules cycliques saturées, non planes. Au cours de ces réactions le noyau benzénique n’est pas conservé.

Les réactions de substitution

Une réaction de substitution sur le benzène consiste à remplacer un atome d’hydrogène par un atome ou un groupe d’atome, tout en conservant le noyau benzénique. Les réactions de substitution sont faciles et variées : nitration, sulfonation, halogénation… . Toutes conservent la structure très stable du noyau benzénique.

Halogénation 

La bromation

Il se forme essentiellement du bromobenzene, résultat de la substitution d’un atome de brome a un atome d’hydrogène.

C₆H₆+Br₂ →C₆H₅Br + HBr

La substitution conserve le noyau benzénique.

Chloration

 En présence d’un catalyseur, le chlorure d’aluminium, AlCl₃, le dichlore réagit avec le benzène pour donner  le chlorobenzène, d’après la réaction de substitution suivante :

C₆H₆ + Cl₂ →C₆H₅Cl + HCl

                                                                                                             ou

· Lorsque le dichlore n’est pas en excès, on obtient une monosubstitution.

· Lorsque le dichlore est en excès et que la réaction se poursuit, on obtient une di, tri, tétra, penta puis une hexasubstitution.

· La réaction de disubstitution fournit un mélange de trois isomères.

Remarque : Afin d’éviter une réaction d’addition, on opère à l’abri de la lumière

Nitration 

L’acide nitrique (HNO₃ ) concentré réagit sur le benzène avec pour catalyseur l’acide sulfurique (H₂SO₄) concentré. On obtient le nitrobenzene.

C₆H₆ +HNO₃ →C₆H₅-NO₂ +H₂O

                                                                                                        ou

Remarque

Les dérivés polynitrés (dont la molécule comporte plusieurs groupes nitro) sont des explosifs ; c’est le cas des produits suivants : 2,4,6-trinitrotoluène 1,3,5-trinitrobenzène 2,4,6-trinitrophénol

Remarque : Les régioisomères sont des isomères de constitution qui diffèrent par la position d’un groupe fonctionnel ou d’un substituant sur une même chaîne carbonée ou un même cycle.

Exemple : Lors de la nitration du benzène disubstitué, comme le toluène (C₆H₅CH₃), on peut obtenir trois produits différents selon la position du groupement NO₂ :

- Ortho- (adjacent au CH₃)

- Méta- (à une position d'écart)

- Para- (en face du CH₃)

Sulfonation 

L’action de l’acide sulfurique concentré sur le benzène conduit à la formation de l’acide benzenesulfonique selon l’équation bilan de la réaction suivante :

C₆H₆ + H₂SO₄ →C₆H₅-SO₃H  +   H₂O

                                                                                                            ou

Pour obtenir un bon rendement, on utilise un oléum, mélange d’acide sulfurique concentré et du dioxyde de soufre. Comme pour la nitration, on peut obtenir des dérivés di- et trisulfonés en position 3 et 5 respectivement.

Réaction de Friedel et Crafts (alkylation)

Il y a alkylation lorsqu’un groupe alkyle(R-X) se substitue à un atome d’hydrogène en présence d’un catalyseur, le chlorure d’aluminium

C₆H₆ + CH₃Cl  → C₆H₅-CH₃ +HCl

 On obtient le méthylbenzène ou toluène

D’une façon générale,

Conclusion : le benzène donne d’importants réactions de substitution au cours desquelles le noyau benzénique est conservé.

EXERCICES

EXERCICE I :

1.Ecrire les formules semi-développées des hydrocarbures dont les noms suivent :

a) 1, 3, 5-trinitrobenzène

 b) Orthodipropylbenzène

c) 1, 3, 5-trichlorobenzène

d) 2, 4, 6-trichlorotoluène

2.

 a) Ecrire tous les isomères aromatiques du diméthylbenzène. Donner leurs noms en nomenclature officielle.

 b) En déduire les isomères de tétraméthylbenzène, et les nommer.

3. Trouver les formules semi-développées des composés ayant pour formules brutes C₈H₁₀.

EXERCICE VII :

            Un corps A de masse molaire 78g/mol renferme en masse 92.3% de carbone et 7.7% d’hydrogène.

1) Trouver la formule brute du composé.

2) Ce composé réagit avec le dihydrogène et donne du cyclohexane.

a) Nommer le corps A et donner sa formule développée.

b) Ecrire l’équation de la réaction. Quel est le nom de la réaction correspondant ?

3) Quel volume de dihydrogène mesuré dans les CNTP faut-il utiliser au cours de la réaction si on utilise 19.5g du composé A ?

EXERCICE VI :

Un flacon de verre de volume 10L contient du dichlore à la pression normale et à la température de 27°C. On introduit dans le flacon quelques gouttes de benzène puis on l’expose au soleil.

1) Ecrire l’équation de la réaction qui se produit

2) Nommer le produit obtenu. Quel est le nom de cette réaction ?

3) Calculer la masse du produit obtenu sachant que le benzène est en excès.

On donne : masse molaire Cl : 35.5 g/mol ; R = 8.31 constante des gaz parfaits.

EXERCICE II :

1.En présence du chlorure d’aluminium, le dichlore réagit sur le benzène pour donner le chlorobenzène. Quel volume de chlorure d’hydrogène (mesure dans les CNTP) obtient-on par action du dichlore sur 11,7g de benzène ?

2. le trinitrotoluène (TNT), explosif puissant, est préparé à partir de l’acide nitrique.

a. écrire l’équation de la réaction

b. quelle masse de TNT peut-on obtenir a partir de 23 kg de toluène ?

3. La formule de dichlorodiphényltrichloroéthane (DDT)est présentée ci-dessous

a. Déterminer sa masse molaire ainsi que

b. Déterminer son pourcentage en masse de chlore.

c. le DDT est interdit dans de nombreux pays car c’est un compose très toxique. Une dose de 0,5 g par kg est mortelle pour l’homme.

Quelle masse de DDT peut entrainer la mort d’un homme pesant 75 kg ?

EXERCICE III :

1. On réalise la dinitration du benzène (obtention du dinitrobenzène).

a-Ecrire la formule semi développée des composés susceptibles de se former. 

b-On part de 50 g de benzène. Déterminer la masse d’ortho, para, méta dinitrobenzène obtenue (on suppose la réaction complète) sachant que leurs pourcentages dans le mélange sont : 6% pour l’ortho dinitrobenzène 93% pour le méta dinitrobenzène 1% pour le para dinitrobenzène.

2. On réalise la chloration du benzène, en présence de chlorure d’aluminium AlCl₃. La réaction est conduite de telle façon que son rendement par rapport au benzène est de 80%. A partir de 3,0g de benzène, combien a-t-on obtenu de monochlorobenzène (donner le résultat en mole et en gramme) ? On donne masse molaire du benzène = 78 g/mol

3.On fait réagir 5,0 g de toluène (C₆H₅CH₃) avec du dichlore Cl₂ en présence de AlCl₃, pour obtenir du chlorure de benzyle (C₆H₅CH₂Cl). 

Le rendement de la réaction est de 75 %.

Données : 

- M(toluène) = 92 g/mol 

- M(chlorure de benzyle) = 126,5 g/mol 

a. Écrire l'équation de la réaction. 

b. Calculer le nombre de moles de toluène utilisées. 

c. Calculer la quantité (en mole) et la masse de chlorure de benzyle obtenue.

EXERCICE IV :

1. On trouve dans le commerce des boules antimites constitues de paradichlorobenzène (1,4-dichlorobenzene). Quelle masse de benzène est nécessaire à la fabrication d’un sachet de 100 g de boules, sachant que la réaction -a un rendement de 60%

2. L’analyse de 12,3 mg d’un compose organique, de masse molaire 112,5 g.mol^-1, donne 289 mg de dioxyde de carbone et 4,9 mg d’eau. Par une méthode appropriée, on transforme le chlore qu’il contient en chlorure d’argent, 8.7 mg du compose donnent 11,1 mg de chlorure d’argent.

a- déterminer la formule brute et la formule développée du compose étudier.

b-quelle masse de dichlore faut-il pour 8.7 mg de de compose à partir du benzène ?

3. le naphtalène réagit avec l’acide nitrique concentre, en présence d’acide sulfurique concentre, en donnant un dérivé monosubstitué

Quelle masse de ce compose nitre peut-on obtenir si on fait réagir de l’acide nitrique en excès, sur 15 g de naphtalène, en admettant un rendement de 90% dans les conditions de l’expérience.

EXERCICE V :

1. Le xylène est le nom courant du diméthylbenzène. Combien a-t-il d’isomères ?

 2. Le propène peut fixer une molécule de chlorure d’hydrogène.

a) Quelles sont les formules développées des deux produits que l’on peut obtenir ?

b) En fait, on obtient un seul corps : le plus symétrique des deux. Donner son nom systématique.

3. Traité par le corps obtenu en 2- en présence de chlorure d’aluminium, le méta xylène donne une réaction de substitution au cours de laquelle un groupe isopropyl remplace un atome d’hydrogène du cycle benzénique.

 a) Combien d’isomères peut-on obtenir ?

b) Compte tenu de l’encombrement du groupe isopropyle, quel sera l’isomère le plus abondant ?

 4. La nitration de cet isomère conduit à un produit dont la composition massique centésimale est la suivante : C : 46,6 % ; H : 4,6 % ; N : 14,8 % ; 33,9 %. Déterminer sa formule brute, sa masse molaire et sa formule développée

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