Projet:Chimie organique/Brouillon

La chimie organique est une branche de la chimie centrée sur l’élément carbone et ses composés, naturels ou synthétiques. Certaines combinaisons, telles que le graphite, sont cependant considérées comme des substances inorganiques et examinées dans l’article composé organique.
Les molécules synthétiques proviennent essentiellement du pétrole (hydrocarbures, produits d’oxydation simples) mais la chimie organique est surtout à la base de la matière vivante, au moins sur notre planète.
La chimie organique a donc pour objet l’étude de la structure chimique des substances concernées et leur réactivité. Elle s’intéresse particulièrement à leur préparation au laboratoire (par la synthèse ou d’autres moyens, tels que la biotechnologie).

Caractéristiques générales

Composition des molécules organiques

Un échantillon de molécules organiques, toutes accessibles par voie de synthèse, montrant que l'imagination des chimistes ne le cède en rien aux fantaisies de la nature. A : un exemple de caténane (3 anneaux enlacés) ; B : la vitamine B12 et son atome de cobalt ; C : un poison de la famille des ciguatoxines ; D : le "nano-roi", une molécule anthropomorphique ou "nanoputien" ; D1 :D en version "boules et bâtons" ; D2 : D en version 3D compacte, la plus proche de la réalité - les "yeux" correspondent en réalité aux deux atomes d'oxygène

Une caractéristique essentielle de la chimie organique consiste en l’aptitude unique des atomes de carbone dits tétravalents à s’enchaîner les uns aux autres par des liaisons covalentes stables en milieu aqueux et oxydant (atmosphère terrestre), contrairement au silicium notamment.
Les molécules organiques sont ainsi constituées d’enchaînements carbonés, linéaires ou cycliques, couramment appelés « squelettes carbonés », d’une très grande diversité, qui les caractérisent.
Les liaisons covalentes du carbone avec des atomes, qui peuvent être d’une autre nature que lui-même, peuvent être simples (sp3), doubles (sp2) ou triples (sp) en fonction de l’état d’hybridation du carbone ; celui-ci est alors lié à, respectivement, trois, deux ou un autre(s) atome(s).

Les molécules comportant un atome de carbone lié à quatre substituants ne sont pas planes mais tétraédriques d'où l'existence d'isomères de différentes natures.

Au contraire, les molécules comportant un atome de carbone sp² (donc une double liaison) sont planes ; l'éthylène ou le formaldéhyde sont des archétypes de cette situation.

Les cumulènes font exception à cette règle s'ils comportent un nombre pair de liaisons doubles enchaînées qui les dotent éventuellement d'une chiralité axiale.

Les molécules comportant un atome de carbon sp (donc une triple liaison) sont linéaires. Deux termes simples illustrent cette série : l'acétylène et l'acide cyanhydrique.
Les molécules organiques contiennent presque systématiquement des atomes d’hydrogène (monovalent), d'oxygène (divalent) et d'azote (trivalent). Ces éléments sont désignés sous le terme générique d’hétéroatomes.
D’autres éléments très importants doivent être ajoutés à cette liste : soufre, halogènes (fluor, chlore, brome, iode) et phosphore pour les plus fréquents, mais aussi divers atomes métalliques (fer, cuivre, cobalt, zinc, plomb entre autres), métalloïdes (bore), métaux alcalins (lithium, sodium, potassium) et alcalino-terreux (magnésium, calcium).

Propriétés physiques

La plupart des composés organiques sont fort sensibles à la température et se décomposent généralement au-dessus de 200 °C.

Seuls les termes de bas poids moléculaire (tels que les solvants) peuvent se présenter sous forme liquide à 20°C. La majorité des produits organiques sont donc solides à cette température.
Ils ont tendance à être peu solubles dans l'eau, en tout cas moins solubles que les sels inorganiques.
En revanche, et à l'inverse de tels sels, ils passent facilement en solution dans les solvants dits organiques tels que l'éther diéthylique, le chloroforme ou le benzène en ce qui concerne les solvants apolaires ou l'éthanol, l'acétonitrile, le N,N-diméthylformamide comme exemples de solvants polaires. Pour être exhaustif, il faut ajouter à cette liste une catégorie très particulière de solvants organiques : les liquides ioniques.

D'une manière générale, on peut retenir que les semblables (molécules plus ou moins polaires, protiques…) dissolvent les semblables. Certaines molécules dites amphiphiles peuvent être solubles à la fois dans l'eau et dans certains solvants organiques.

Isomérie

A partir d'une formule brute saturée comprenant 4 atomes de carbone et 2 d'oxygène, il est possible d'écrire les formules développées de 10 diols, 11 éthers et diéthers, ainsi que de 7 peroxydes. De plus, parmi ces molécules, 7 contiennent un carbone asymétrique (repéré par un astérisque) et existent donc sous les formes spatiales de deux configurations énantiomères (images l'un de l'autre dans un miroir).

La notion d’isomérie est centrale en chimie organique puisqu’une même formule brute (décrivant la nature et les proportions relatives d’atomes composant toute molécule) peut correspondre à plusieurs structures possibles (ou formules développées) selon l’ordre dans lequel ces atomes sont liés les uns aux autres d’une part, tout en respectant les valences de chaque élément présent.

Ces caractéristiques expliquent qu'« il suffit alors de quelques autres éléments [...] pour former avec [le carbone] des millions de molécules différentes, dont la masse moléculaire peut atteindre 100 000 ou même 1 000 000 ; on parle alors de macromolécules »".

Un second niveau d'isomérie concerne la façon dont les atomes sont positionnés dans l’espace les uns par rapport aux autres. Ainsi, une même formule développée peut correspondre à plusieurs configurations (aspect descriptif statique). Le passage d'une configuration à une autre nécessite nécessairement de "casser" des liaisons.

De plus, dans une molécule, les différents groupements peuvent changer de position par rotation, les cycles se déformer (aspect descriptif dynamique) : les principaux états possibles (les plus stables dans les conditions expérimentales) sont appelées des conformations. Le passage d'une conformation à une autre ne nécessite aucune rupture de liaison.

Origine, but et spécificités

Chimie organique et chimie minérale

La première définition de la chimie « organique » par Nicolas Lémery dans son Cours de chymie publié en 1690, encore axée sur le principe de la « force vitale », était due à la conception erronée selon laquelle les composés organiques seraient l’apanage des seuls règnes animal et végétal.
Il s’est avéré que les molécules organiques pouvaient être produites par des processus sans rapport avec le vivant, même à partir de sels réputés inorganiques, mais aussi que le vivant dépend en partie de la chimie inorganique. Ainsi, par exemple, les enzymes appelées métalloprotéines nécessitent des métaux de transition comme le fer (cytochromes) ou le cuivre (laccase) pour être actives. Des matériaux comme les coquilles des mollusques, les dents ou les os sont constitués en partie de composés organiques et en partie de matière inorganique (minérale).

Chimie organique et biochimie

Il existe un large recouvrement de la chimie organique avec la biochimie mais cette dernière s'intéresse spécifiquement aux molécules fabriquées par les organismes vivants qui appartiennent aux grands groupes classiques (lipides, glucides, protides, acides nucléiques) ainsi qu'aux petites molécules produites par le métabolisme. Les composés organiques sont donc au cœur de ces deux disciplines. On les désignera sous le terme général de « substances » organiques qui inclut des macromolécules comme les protéines (polymères polypeptidiques) et les acides nucléiques (ADN et ARN : polymères de nucléotides).

La biochimie s'intéresse aux réactions chimiques qui ont trait aux processus vitaux et qui sont systématiquement catalysées par des enzymes ou des complexes multi-enzymatiques. Contrairement à la chimie organique, elle se propose de décrypter des mécanismes de régulation qui impliquent de nombreuses interactions macro-molécule / petite molécule (récepteur / ligand et enzyme / substrat).

Les deux disciplines se préoccupent de considérations mécanistiques communes. Par contre, seule la chimie organique se propose de fabriquer des molécules "artificielles", bien que la branche génie génétique de la biochimie soit apte à produire des oligonucléotides et des protéines recombinantes de synthèse.

L'approche de la chimie biomimétique rassemble les efforts de la chimie organique en vue de développer des outils synthétiques inspirés des catalyseurs biochimiques. L'idée générale est de reproduire le mécanisme enzymatique en s'affranchissant de l'enveloppe protéique : le catalyseur ainsi conçu doit présenter des propriétés catalytiques comparables à celles du site actif de l'enzyme modèle. L'un des avantages recherchés est la perte de spécificité qui permettra son utilisation avec une large gamme de substrats non naturels.

Dans les années 80, des chimistes organiciens ont introduit le concept d'abzyme, dont le principe est inversé : on utilise un antigène artificiel dont la structure, proche de celle de l'état de transition de la réaction d'intérêt, induit la production d'un anticorps monoclonal catalytique capable de réaliser la réaction désirée.

Buts et spécificités de la chimie organique

La chimie organique s’attache à développer l’introduction de nouvelles fonctions sur un squelette carboné - ou d’interconvertir les substituants déjà présents - au travers de l'aménagement fonctionnel d'une part et, d'autre part, à mettre au point des réactions capables de former des liaisons carbone-carbone, avec ou sans création de cycle.
Sur cette base se développent de nombreuses procédures pour répondre aux impératifs de la synthèse asymétrique.
Une partie de la chimie organique met en jeu des complexes de métaux de transition (palladium, titane, manganèse, nickel, rhodium, osmium, iridium, platine, or). Cette chimie organométallique est à l’origine de l’élaboration de nombreux catalyseurs utilisés notamment par la chimie fine pour la synthèse de produits à haute valeur ajoutée (molécules odorantes, médicaments).

La chimie organique dans son ensemble s'articule autour de trois grands principes :

• Economie d'atomes

L’idée est de ne plus déplorer de « perte » d’atomes lors des transformations, soit en travaillant de manière catalytique, soit en recyclant les sous-produits, soit - et de préférence - en imaginant des méthodes conservant l’ensemble des atomes présents dans les deux partenaires mis en réaction.

• Sélectivité

On distingue quatre types de sélectivités relatives à la préparation d’un isomère parfaitement défini, classés ici dans l’ordre de précision croissante (chimio-, régio-, diastéréo- et énantiosélectivité).
Les deux premiers critères permettent de cibler spécifiquement un site réactif parmi plusieurs possibles ; les deux derniers sont assez spécifiques aux composés organiques car ils concernent leur configuration spatiale (isomérie géométrique, chiralité).

• Chimie verte

Dans le cadre de la protection de l’environnement sont développés des procédés de synthèse à base de réactifs pas ou peu polluants, opérant à température ambiante et, idéalement, dans l’eau comme seul solvant.

Plusieurs secteurs de la chimie organique sont mis à contribution pour remplir ces objectifs : la chimie organométallique déjà citée (réductions, formations de liaisons C-C), la chimie bio-organique (biomimétique) et enzymatique, la chimie supra-moléculaire, le développement de techniques expérimentales (par exemple : activation micro-ondes, photochimie, électrosynthèse, synthétiseurs automatiques, chimie en parallèle, chimie sur support solide, conditions de transfert de phase, microchimie, microfluidique, radiochimie organique).

Historique

La chimie organique s'oppose à la chimie inorganique (minérale ou « générale »), laquelle s'occupe de l'étude des substances issues du monde minéral (la Terre, l'eau et l'atmosphère). Cette séparation tient au fait que jusqu'au début du XIX^e siècle, les chimistes pensaient généralement que les composés des organismes vivants étaient trop complexes de par leur structure et que l'homme ne pouvait les synthétiser car leur formation avait nécessité l'intervention d'une « force vitale » (voir vitalisme). Ces composés étaient également particuliers du fait qu'ils pouvaient se reproduire. Ils appelèrent ces composés « organiques » et continuèrent à les ignorer.

L'essor de la chimie organique commença lorsque les chimistes découvrirent que ces composés pouvaient être abordés de façon similaire aux composés inorganiques et pouvaient être recréés en laboratoire sans avoir recours à la « force vitale ». Aux alentours de 1816, Eugène Chevreul commença une étude des savons à partir de différents corps gras et alcalis. Il sépara les différents acides qui, en combinaison avec les alcali, produisaient le savon. Ainsi, il démontra qu'il était possible de changer chimiquement les graisses afin de produire de nouveaux composés sans l'aide d'une « force vitale ». En 1828, Friedrich Wöhler fut le premier à produire l'urée, un constituant de l'urine qui est une molécule organique, à partir du cyanate d'ammonium NH₄OCN qui est un réactif inorganique. Cette réaction fut ensuite appelée la synthèse de Wöhler. Il fut très prudent et ne déclara pas, ni à ce moment ni plus tard, la fin de la « théorie de la force vitale », mais ceci est maintenant considéré comme le tournant historique.

De 1850 à 1865, le chimiste français Marcellin Berthelot (1827-1907), professeur au Collège de France, se consacre à la synthèse organique et reconstitue le méthane, le méthanol, l'éthyne et le benzène à partir de leurs éléments, et expose ses théories dans son livre La Chimie Organique Fondée sur la Synthèse.

Un autre grand pas fut franchi en 1856 lorsque William Henry Perkin, alors qu'il cherchait à produire de la quinine, synthétisa de manière accidentelle la teinture organique appelée mauvéine. Cette découverte rapporta beaucoup d'argent et augmenta l'intérêt pour la chimie organique. Une autre étape fut la préparation en laboratoire du DDT par Othmer Zeidler en 1874, mais les propriétés insecticides de la molécule ne furent découvertes que beaucoup plus tard.

Une avancée cruciale pour la chimie organique fut le développement du concept de structure chimique, de manière indépendante et simultanée par Friedrich August Kekule et Archibald Scott Couper en 1858. Les deux hommes suggérèrent que les atomes de carbone tétravalents pouvaient se lier les uns aux autres afin de former un squelette carboné et que les détails des liaisons entre les atomes pouvaient être découverts par une interprétation de certaines réactions chimiques.

Le développement de la chimie organique continua avec la découverte des hydrocarbures et de leur séparation par distillation fractionnée en composés chimiques de points d'ébullition différents. La transformation des différents composants du pétrole grâce à des procédés chimiques de plus en plus nombreux engendra l'industrie pétrochimique dont dérive la synthèse du caoutchouc, de plusieurs adhésifs organiques et des plastiques.

L'industrie pharmaceutique débuta pendant la dernière décennie du XIX^e siècle lorsque la production d'acide acétylsalicylique, plus connu sous le nom d'aspirine, commença en Allemagne par Bayer.

La première tentative d'amélioration systématique d'un médicament eut lieu avec le développement de l'arsphénamine (Salvarsan). De nombreux dérivés d'une molécule active mais très toxique (atoxyl) qu'on qualifiera plus tard de lead compound, furent synthétisés et testés par Paul Ehrlich et son équipe. A l'issue de cette optimisation (un drug design embryonnaire), le composé présentant le meilleur index thérapeutique (rapport efficacité/toxicité) fut sélectionné pour la production.

Les premières réactions organiques furent souvent le résultat de découvertes fortuites mais, à partir de la seconde moitié du XIX^e siècle, l'étude systématique des composés organiques se développa. Au début du XX^e siècle, les progrès en chimie organique permirent la synthèse de molécules complexes en suivant un protocole par étapes. Au même moment, on découvrit que les polymères et les enzymes étaient des molécules organiques de grande taille et que le pétrole était d'origine biologique.

La synthèse totale de composés naturels, initiée avec la préparation de l'urée, gagna en complexité avec le glucose et le terpineol. En 1907, la synthèse totale fut utilisée dans un but commercial pour la première fois par Gustaf Komppa avec le camphre. Les avancées dans le domaine pharmaceutique ont été conséquentes : il devint possible de synthétiser des hormones humaines complexes (stéroïdes, insuline) et d'en obtenir des dérivés. Depuis le début du XX^e siècle, la puissance de la synthèse totale n'a cessé d'augmenter, rendant possible la préparation de molécules aussi complexes que la vitamine B12. De nos jours, les composés synthétisés peuvent comporter des dizaines de centres stéréogènes dont la stéréochimie peut être contrôlée grâce à la synthèse asymétrique.

Actuellement, plus de quarante-cinq millions de composés sont disponibles, souvent obtenus par voie synthétique et parmi lesquels rares sont les produits que l'on trouve dans la nature.

La chimie organique se définit maintenant simplement par l'étude des composés à base de carbone autres que les oxydes de carbone, les cyanures, les carbonates et les carbures autres que les hydrocarbures. On l'appelle également la chimie du carbone (voir aussi Composé organique).

Eléments de méthodologie

Introduction aux mécanismes réactionnels

En tant que discipline scientifique, la chimie organique s’appuie sur la description classique des molécules tant du point de vue structural (arrangement des atomes dans l’espace) que réactionnel (polarisation des liaisons par effet inductif ou mésomérie, réactions acide/base et rédox, considération des aspects cinétique et thermodynamique).
La synthèse organique, par essence de nature expérimentale, bénéficie néanmoins de règles de réactivité heuristiques, semi-empiriques que l’on groupe sous le terme de mécanismes réactionnels. Cet outil permet au chimiste organicien de décrire avec précision le chemin réactionnel d’une transformation quelconque et aussi de prévoir le ou les produits possibles y compris, dans de nombreux cas de figure, leur stéréochimie éventuelle.

Ces mécanismes réactionnels impliquent essentiellement des déplacements de charges entraînant ruptures ou formations de liaisons (que l’on symbolise conventionnellement à l’aide de « flèches courbes » - curving arrows en version anglaise - convenablement orientées) et la prise en compte des facteurs statistiques et d’encombrement stérique.

Au cours de cette analyse interviennent divers états de transitions, généralement peu stables car très réactifs, de nature radicalaire ou ionique (positifs : carbocations et négatifs : carbanions).

Le raisonnement est complété par d’autres règles spécifiques issues de la chimie théorique, basée sur les interactions entre orbitales moléculaires (dont l’effet stéréo-électronique est un exemple classique) et essentielles pour la compréhension de certaines réactions concertées, c’est-à-dire sans déplacement apparent d’électrons.
Dans les deux cas, il faut noter qu’aucun calcul formel n’est initialement nécessaire pour effectuer ces prévisions de réactivité qualitatives.

Lorsqu'un mécanisme présente une portée générale, il est parfois promu au rang de "règle" en hommage au chimiste qui l'a énoncé :

- règle de Markovnikov

- règle de Zaïtsev

- règles de Holleman

- règles de Baldwin

- règle de Bredt

Classement des mécanismes réactionnels

Il est d’usage de classer les mécanismes réactionnels selon la répartition des électrons de liaison lors de la coupure de celle-ci.

Mécanisme hétérolytique

Les deux électrons de liaison sont apportés (ou emportés) par le même atome et il y a donc généralement présence (ou génération) d’une paire d’ions. Du point de vue électronique, il s’agit donc d’une coupure asymétrique de la liaison.

• 1er cas : une liaison covalente se forme entre un réactif et un substrat

Le réactif chargé négativement est appelé nucléophile et il réalise une attaque nucléophilique d’un substrat.

Inversement, le substrat chargé positivement est appelé électrophile et il subit une attaque électrophilique de la part du réactif nucléophile.

• 2ème cas : une liaison covalente se coupe pour donner deux produits

Le produit chargé négativement, désigné aussi groupe partant, est appelé nucléofuge.

Inversement, le produit chargé positivement est appelé électrofuge.

Mécanisme homolytique

Les deux électrons de liaison sont apportés (ou emportés) par (ou sur) deux atomes différents. Du point de vue électronique, il s’agit donc d’une coupure symétrique de la liaison. La réaction est dite radicalaire car elle implique la présence de radicaux libres.

Réactions péricycliques

Dans ce dernier cas, le déplacement des électrons se fait de manière concertée et il n’y a pas d’intermédiaire ionique ni radicalaire en jeu.

Autre classification

Un classement alternatif prend en compte le type de transformation effectuée :

Substitution

Un groupement prend la place d’un autre (le groupe partant):

• Substitution radicalaire (SR)
• Substitution nucléophile (SN):

1. Substitution aliphatique nucléophile
   
2. Substitution aromatique nucléophile
   

• Substitution électrophile (SE):

1. Substitution aliphatique électrophile
   
2. Substitution aromatique électrophile
   

Addition

Un groupement est additionné sur un substrat (souvent insaturé)

• Addition nucléophile (AN)
  
• Addition électrophile (AE)
  
• Addition radicalaire (AR)
  

Elimination

Un groupement est éliminé d’un substrat (aboutissant souvent à une molécule insaturée).

Réarrangement (migrations)

Ce groupe comprend un ensemble de réactions hétérogènes impliquant par exemple un intermédiaire carbocation capable de se réarranger par migration interne de liaisons carbone-carbone (fréquemment un groupe méthyle). Cette catégorie générique regroupe, de manière générale, toutes les réactions qui n’entrent pas dans les catégories précédentes

Oxydation

Le substrat est oxydé par perte d’électrons. En chimie organique, il s’agit souvent d’un carbone qui perd ses hydrogènes au profit d’atomes d’oxygène, du CH₄ au CO₂ (état d’oxydation ultime).

Réduction

Le substrat est réduit par gain d’électrons. En chimie organique, il s’agit souvent d’un carbone qui gagne des hydrogènes aux dépens des hétéroatomes, du CO₂ au CH₄ (état de réduction ultime).

Beaucoup de réactions très utilisées portent le nom de leur inventeur (voir Liste des noms de réaction).

Un classement basé sur le type de liaison(s) formée(s) en fonction des éléments impliqués est disponible dans la liste Reaktionen in der organischen Chemie.

Structure électronique des principaux intermédiaires réactionnels de la chimie organique. Sur un atome de carbone, une charge positive correspond à la présence d'une orbitale vide sur la couche de valence, une charge négative à la présence d'un doublet non liant, un radical à la présence d'un électron non apparié.Conformément à la règle de Hund, les deux électrons non liants des carbènes et nitrènes sont de spins opposés dans l'état singulet et de spin identique (parallèle) dans l'état triplet qui se comporte donc comme un diradical.

Intermédiaires réactionnels

Carbocation

Ce terme désigne un cation carboné résultant de la coupure hétérolytique d’une liaison C-X (souvent après départ d’un groupe partant X^-). Sa stabilité est très dépendante de la nature des groupements portés par le carbone chargé positivement.

Carbanion

Ce terme désigne un anion carboné résultant de la coupure hétérolytique d’une liaison C-X (souvent après départ d’un proton X = H⁺)

Radicaux libres et ions radicalaires

Ces termes désignent des radicaux neutres ou chargés résultant de la coupure homolytique d’une liaison C-X, généralement sous l’influence de la chaleur, de la lumière (photochimie organique) ou de l’action d’initiateurs radicalaires. Les espèces radicalaires, paramagnétiques, sont facilement détectables avec une très grande sensibilité par la spectroscopie de résonance paramagnétique (RPE).

Carbène 

Ce terme désigne une espèce carbonée neutre présentant à la fois une lacune électronique et un doublet non liant. Un carbène peut exister sous deux formes (singulet et triplet diradicalaire) suivant que les deux électrons non liés sont appariés ou pas et cette différence peut avoir des conséquences stéréochimiques sur leurs produits d’addition.

Nitrène

Ce terme désigne une espèce azotée équivalente au carbène et présentant les mêmes caractéristiques électroniques (formes spectroscopiques triplet et singulet).

Eléments de thermodynamique appliquée à la chimie organique

La description complète d’une réaction passe par la caractérisation des intermédiaires (qui présentent une certaine stabilité) mais aussi par celle des états de transition qui, eux, ont par définition une durée de vie extrêmement courte.

Du point de vue thermodynamique, les intermédiaires correspondent à des puits de potentiel dans la courbe énergétique qui symbolise le chemin réactionnel alors que les états de transition sont placés sur des maximums d’énergie libre qui doivent être atteints pour que la réaction ait lieu.

Le postulat de Hammond remédie à l’inaccessibilité des états de transition. Il énonce que, pour chaque étape de la réaction, leur structure se rapproche du composé (substrat, produit ou intermédiaire) dont il est le plus proche en termes énergétiques.

Ainsi, par exemple, l’état de transition d’une étape exothermique sera d’une géométrie proche de celle du produit (ou de l’intermédiaire) de départ et celui d’une réaction endothermique plus proche de celle du produit (ou de l’intermédiaire) d’arrivée.

Eléments de nomenclature - représentations

La nomenclature utilisée en chimie organique, bien qu’elle soit d’une extrême rigueur, se révèle délicate à appliquer stricto sensu dès que l’on a affaire à un composé un tant soit peu complexe. Pour les composés polymériques (les protéines par exemple), la manipulation du nom systématique devient impossible en pratique compte tenu de sa longueur démesurée. De plus, plusieurs systèmes – seulement partiellement compatibles – cohabitent et, même pour des termes simples, des différences existent du fait de l’usage d’une langue différente.
Pour cette raison, un institut international, l’IUPAC, édite des règles admises par tous.
L’emploi des noms triviaux et abréviations (par exemple, glycidol plutôt que oxiranylmethanol et EDC à la place de 3-(Ethyliminomethyleneamino)-N,N-dimethylpropan-1-amine) est courant dans la communauté scientifique.
Les progrès de l'informatique graphique ont permis de s’affranchir dans une large mesure de cette nomenclature systématique. La manipulation des formules développées sous format électronique est largement utilisée pour conduire les recherches bibliographiques par structure et par sous-structure.
Les représentations symboliques revêtent donc une importance particulière et la chimie organique dispose de variantes pour décrire les molécules organiques de manière topologique. Pour plus de détails, on se reportera à l’article détaillé correspondant.

Eléments de synthèse organique

La collection de réactions à la disposition du chimiste organicien lui donne accès à virtuellement n’importe quelle structure connue (produit naturel complexe) - ou imaginée - pour peu que la cible présente une stabilité suffisante pour l’isoler physiquement.
De manière générale, les synthèses sont souvent multi-étapes et procèdent via autant d’intermédiaires qui ne sont pas tous purifiés avant d’être engagés dans l’étape suivante.
Il est donc nécessaire au préalable d’établir un plan théorique dit rétrosynthétique : partant de la molécule finale, la molécule cible est « démontée » étape par étape jusqu’à aboutir à des produits de départ très simples. On procède ensuite au laboratoire à la mise en pratique du schéma ainsi élaboré en choisissant les conditions de réaction précises aboutissant à chaque intermédiaire.
La chimie organique fait grand usage des catalyseurs de tous types (acides et bases de Brönsted, acides et bases de Lewis, métaux, agents de transfert de phase…).
Lorsque l’on a affaire à une molécule multifonctionnelle, il est nécessaire d’utiliser des groupes protecteurs pour masquer certains sites et orienter le réactif mis en œuvre vers le centre qui doit subir la transformation. Ces groupes mis en place de manière transitoire sont ensuite éliminés pour régénérer les fonctions initiales.
Les réactions aboutissant à des composés (énantiomères ou diastéréomères) présentant l’un ou l’autre de ces excès sont qualifiées de stéréospécifiques. Si, en plus, deux stéréoisomères du produit de départ aboutissent, dans les mêmes conditions réactionnelles, à des énantiomères ou diastéréomères différents, la réaction est dite stéréosélective.

Catégories de synthèses

Deux grandes catégories peuvent être distinguées :

• hémisynthèse : le produit de départ est un intermédiaire avancé (ou un intermédiaire-clé, comme expliqué ci-dessous) tel qu'un produit naturel disponible en grande quantité (dérivé glucidique, alcaloïde, etc.) et le produit final est souvent un dérivé plus ou moins élaboré de ce dernier ;
• synthèse totale : les produits de départ sont tous des produits organiques de base (typiquement ne comportant que quelques carbones) : le schéma synthétique, dans ce cas, est souvent plus long et plus complexe et le rendement plus faible. Il s'agit parfois d'un exercice de style académique destiné à tester les limites de l'ingéniosité des chercheurs mais il induit aussi la découverte de nouvelles réactions.

A l'intérieur de ces catégories peuvent être exploitées deux stratégies :

• linéaire : implique la conversion d’un produit A à un produit B, puis de B à C, etc. jusqu’au produit final Z ;
• convergente : on prépare en parallèle, par exemple, deux intermédiaires X et Y par les chemins A->B->…->X d’une part, et D->E->…->Y d’autre part, puis on couple X avec Y pour obtenir Z. Dans ce cas, Y et Y sont couramment qualifiés d’intermédiaires-clés.
  

Expression des rendements d'une synthèse

L'efficacité d’une réaction s’exprime sous la forme de son rendement (pourcentage du nombre de moles de produit obtenu sur le nombre de moles du produit de départ). Si le rendement est de 100 %, la réaction est dite quantitative.
Deux autres types usuels de rendement doivent être signalés :

• l'excès énantiomérique concerne uniquement les composés chiraux ; il s’exprime sous la forme ([énantiomère 1]-[ énantiomère 2])/([ énantiomère 1]+[ énantiomère 2]). Un énantiomère pur a donc un ee de 100 %, un mélange racémique de 0 %, un composé pur à 90% de 80 %. Une autre formulation de cet « excès » serait que l’on « soustrait » la quantité de racémique du produit désiré. Dans le dernier exemple, on est ainsi formellement en présence de 80 % de l’énantiomère désiré et 20 % de racémique.
• l’excès diastéréomérique se calcule de la même manière : ([dia 1]-[dia 2])/([dia 1]+[dia 2]). Il s’emploie pour tout type de diastéréoisomères, y compris géométriques.

Eléments d’analyse des composés organiques

Le succès d'une réaction chimique réside dans la possibilité d'isoler physiquement le produit synthétisé du milieu réactionnel (work-up : précipitation, extraction), de le purifier (par cristallisation, chromatographie, distillation s'il s'agit d'un liquide) et de le caractériser (analyse structurale et estimation de la pureté).
Les composés organiques se caractérisent par leurs propriétés physiques :

• Points de fusion et d’ébullition
  
• Analyse élémentaire
  
• Densité et pouvoir rotatoire le cas échéant (liquide).
  

Différentes techniques de chromatographie ou spectroscopiques sont exploitées pour la détection des impuretés et l'élucidation structurale:

• Chromatographie sur couche mince (CCM ou TLC en Anglais) ;
  
• Chromatographie en phase gazeuse (CPV ou GC en Anglais) ;
• Chromatographie en phase liquide appelée CLHP ou HPLC en Anglais ;
  
• spectroscopie de masse (MS en Anglais) ;
  
• Spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN ou NMR en version anglaise).
  
• Diffraction aux rayons X.

Techniques chromatographiques et spectroscopiques peuvent être couplées de manière à obtenir une information structurale, non plus sur un produit isolé, mais sur un pic chromatographique (par exemple : couplages TLC-MS, GC-MS, LC-MS, LC-NMR et LC-MS-NMR).

Applications spécifiques

La variété des applications de la chimie organique fait que les chercheurs se catégorisent en fonction de leur domaine de prédilection : ils se revendiquent ainsi "polimèristes", spécialistes des sucres, des peptides, des hétérocycles, de la chimie du fluor, etc. Chaque domaine constitue une communauté internationale qui se retrouve dans des congrès hautement spécialisés.

(voir polymères, chimie médicinale : à compléter)

Familles de composés organiques

Il existe deux types de classement systématique des substances organiques.

Classement par groupe fonctionnel

• Hydrocarbures sans groupe fonctionnel, à la base de la chimie organique et fondements de la nomenclature.

• Hydrocarbures halogénés : hydrocarbures substitués par un atome d’halogène (fluor, chlore, brome, iode).

• Dérivés oxygénés saturés et insaturés

       ◦ Alcool
       ◦ Aldéhyde
       ◦ Ester
       ◦ Ether
       ◦ Cétone
       ◦ Acide carboxylique

• Dérivés azotés saturés et insaturés

       ◦ Amine
       ◦ Amide
       ◦ Sels de diazonium
       ◦ Dérivés nitro, dont la TNT
       ◦ Dérivés nitroso
       ◦ Nitrile
       ◦ Azides

• Dérivés soufrés

       ◦ Thiol aliphatique
       ◦ Sulfure
       ◦ Disulfure
       ◦ Sulfonate (ester de l’acide sulfurique)
       ◦ Sulfoxyde
       ◦ Sulfone
       ◦ Thioamide
       ◦ Thioester
       ◦ Thioacide

• Dérivés phosphorés

       ◦ Ester phosphorique
       ◦ Phosphine, dont la triphénylphosphine

• Dérivés organométalliques, comme le ferrocène

Classement par squelette carboné

• Hydrocarbures aliphatiques

       ◦ alicycliques
           ▪ saturés (alcanes)
           ▪ insaturés (alcènes et alcines)
       ◦ cycliques

• Hydrocarbures aromatiques

       ◦ aromatiques simples
       ◦ aromatiques condensés

• Hétérocycles (contenant un ou plusieurs hétéroatomes, identiques ou différents)

• Composés biochimiques (alcaloïdes, aminoacides, carbohydrates, protéines, acides nucléiques (ADN et ARN), stéroïdes, terpènes, vitamines)

Prix Nobel de chimie liés à la chimie organique

Année	Lauréat(s)	Nationalité	Travaux récompensés
1902	Hermann Emil Fischer	Allemagne	Pour les services extraordinaires qu'il a rendus par ses travaux sur la synthèse des hydrates de carbone et des purines
1906	Henri Moissan	France	En reconnaissance des grands services qu'il a rendus par la découverte du fluor et de ses propriétés, et pour avoir mis à la disposition de la science le four électrique qui porte son nom
1905	Adolf von Baeyer	Allemagne	Pour les services rendus à l'avancement de la chimie organique et industrielle, grâce à ses travaux sur les colorants organiques et les composés hydroaromatiques
1910	Otto Wallach	Allemagne	En reconnaissance des services rendus à la chimie organique et à l'industrie chimique par ses travaux de pionnier dans le domaine des composés alicycliques
1912	Victor Grignard¹ et Paul Sabatier²	France France	¹ Pour sa découverte du réactif dit de Grignard, lequel a permis d'accomplir de grands progrès en synthèse organique ² Pour sa méthode d'hydrogénation des composés organiques en présence de métaux finement divisés, par laquelle de grands progrès en chimie organique ont été réalisés
1923	Fritz Pregl	Autriche	Pour son invention de la méthode de microanalyse des substances organiques
1927	Heinrich Otto Wieland	Allemagne	Pour ses recherches sur la constitution des acides biliaires et des substances apparentées
1928	Adolf Windaus	Allemagne	Pour les services rendus par ses recherches sur la constitution des stérols et leurs relations avec les vitamines
1930	Hans Fischer	Allemagne	Pour ses travaux sur la constitution de l'hémine et de la chlorophylle et spécialement pour la synthèse de l'hémine
1937	Walter Norman Haworth et Paul Karrer	Royaume-Uni Suisse	Pour ses recherches sur les hydrates de carbone et la vitamine C pour ses recherches sur les caroténoïdes, les flavines et les vitamines A et B2
1938	Richard Kuhn	Reich allemand	Pour ses travaux sur les caroténoïdes et les vitamines
1939	Adolf Butenandt et Leopold Ruzicka	Reich allemand Suisse	Pour ses travaux sur les hormones sexuelles pour ses travaux sur les polyméthylènes et les terpènes supérieurs
1947	Robert Robinson	Royaume-Uni	Pour ses recherches sur les substances végétales d'importance biologique, particulièrement les alcaloïdes
1950	Otto Diels et Kurt Alder	Allemagne de l'Ouest Allemagne de l'Ouest	Pour avoir découvert et développé la synthèse diénique
1954	Linus Carl Pauling	États-Unis	Pour ses recherches sur la nature de la liaison chimique et leurs applications à la détermination de la structure de substances complexes
1955	Vincent du Vigneaud	États-Unis	Pour ses recherches sur les composés soufrés d'importance biologique et particulièrement pour la première synthèse d'une hormone polypeptidique
1963	Karl Ziegler et Giulio Natta	Allemagne de l'Ouest Italie	Pour leurs découvertes dans le domaine de la chimie et de la technologie des hauts polymères
1965	Robert Burns Woodward	États-Unis	Pour ses réalisations remarquables dans l'art de la synthèse organique
1966	Robert Sanderson Mulliken	États-Unis	Pour son travail fondamental concernant les liaisons chimiques et la structure électronique des molécules par la méthode des orbitales moléculaires
1969	Derek Harold Richard Barton et Odd Hassel	Royaume-Uni Norvège	Pour leur contribution au développement du concept de conformation et son application en chimie
1970	Luis Federico Leloir	Argentine	Pour la découverte des nucléotides-sucres et de leur rôle dans la biosynthèse des hydrates de carbones
1971	Gerhard Herzberg	Canada	Pour ses contributions à la connaissance de la structure électronique et de la géométrie des molécules, et en particulier des radicaux libres
1973	Ernst Otto Fischer et Geoffrey Wilkinson	Allemagne de l'Ouest Royaume-Uni	Pour leurs travaux de pionniers, réalisés indépendamment, sur les composés organométalliques appelés composés sandwich
1975	John Warcup Cornforth¹ et Vladimir Prelog²	Royaume-Uni Suisse	Pour ses travaux sur la stéréochimie des réactions enzymatiques ² pour ses travaux sur la stéréochimie des molécules et des réactions organiques
1976	William Lipscomb	États-Unis	Pour ses travaux sur la structure des boranes, qui ont apporté un nouvel éclairage sur la liaison chimique
1979	Herbert C. Brown et Georg Wittig	États-Unis Allemagne de l'Ouest	Pour les progrès apportés, par leurs travaux respectifs, sur les composés du bore et du phosphore, aux méthodes de la synthèse organique
1981	Ken'ichi Fukui et Roald Hoffmann	Japon États-Unis	Pour leurs théories, développée chacune séparément, sur le cours des réactions chimiques
1983	Henry Taube	États-Unis	Pour ses travaux sur les mécanismes des réactions par transfert d'électrons, en particulier dans les complexes métalliques
1984	Robert Bruce Merrifield	États-Unis	Pour son développement de la méthodologie de la synthèse chimique sur matrice solide
1987	Donald J. Cram, Charles Pedersen et Jean-Marie Lehn	États-Unis États-Unis France	Pour l'élaboration et l'utilisation de molécules exerçant, du fait de leurs structures, des interactions hautement sélectives
1990	Elias James Corey	États-Unis	Pour le développement de la théorie et de la méthodologie de la synthèse organique
1994	George A. Olah	États-Unis	Pour ses contributions à la chimie des carbocations
1996	Robert Curl, Richard Smalley et Harold Kroto	États-Unis États-Unis Royaume-Uni	Pour leur découverte des fullerènes
2001	William S. Knowles¹, K. Barry Sharpless² et Ryoji Noyori¹	États-Unis États-Unis Japon	¹ Pour leurs travaux sur les réactions d'hydrogénation avec catalyse chirale ² Pour ses travaux sur les réactions d'oxydation en catalyse chirale
2005	Yves Chauvin, Robert Grubbs et Richard R. Schrock	France États-Unis États-Unis	Pour leurs travaux sur le développement de la méthode de la métathèse en synthèse organique
2010	Richard Heck, Ei-ichi Negishi et Akira Suzuki	États-Unis Japon Japon	Pour les réactions de couplage catalysées par le palladium en synthèse organique
2016	Jean-Pierre Sauvage James Fraser Stoddart Bernard L. Feringa	France Royaume-Uni Pays-Bas	Pour la conception et la synthèse de machines moléculaires

Notes et références

Bibliographie

Les traités de chimie organique générale sont organisés selon deux types de plan :
- structure des molécules organiques puis catalogue des réactions classées par fonctions (hydrocarbures, alcools, cétones, dérivés halogénés, etc.) ;
- structure des molécules organiques puis types de réaction (additions, éliminations, substitutions, réactions péricycliques, etc.), indépendamment des fonctions concernées.

Voir aussi

Articles connexes

• Chronologie de la chimie
• Représentation des molécules
• Chiralité
• Biophysique
• Biochimie
• Carbone

Liens externes

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• Site éducatif
• chimie-organique.net (Paul Arnaud, 2010) - Enseignement de la chimie, quiz, lexique, photos-reportages, révisions
• Exercices résolus de chimie organique (gratuit, site université Paris 11)