HYDROCARBURES
Une chimie brillante
L'hydrocarbure le plus simple, ayant un atome de carbone et un atome d'hydrogène, est la molécule CH. Elle est très instable et ne survit qu'à l'état isolé, dans l'espace interstellaire en particulier.
La molécule CH2, nommée méthylène, est le prototype des carbènes, très réactifs. L'atome de carbone y porte deux électrons de valence, non liés aux hydrogènes. Selon qu'ils sont appariés ou non, le méthylène se trouve dans un état singulet ou triplet. À l'état singulet, le méthylène est coudé, avec un angle HCH de 1100. À l'état triplet, le méthylène a un angle HCH plus ouvert, 1340. L'état triplet est celui de plus basse énergie, 9 kcal.mol–1 au-dessous de l'état singulet. Les carbènes s'additionnent aux liaisons éthyléniques C=C et s'insèrent dans les liaisons C-H et C-C. En présence de catalyseurs métalliques, les carbènes peuvent se fixer à l'atome de métal : de tels complexes métalliques des carbènes servent d'intermédiaires dans une réaction remarquable, utile en pétrochimie, et dénommée métathèse. Les hydrocarbures éthyléniques, ou alcènes, sont sujets à cette réaction de coupure de la liaison éthylénique et de recombinaison des fragments carbéniques issus de cette scission.
Trois composés distincts combinent un atome de carbone et trois atomes d'hydrogène. Le cation CH3+ est de géométrie trigonale plane. Avec un électron de plus, le radical libre CH3 est pyramidal tandis qu'avec deux électrons de plus, l'anion CH3– est tétraédrique : les trois paires d'électrons de liaison C-H et la paire d'électrons non liants pointent vers les quatre sommets d'un tétraèdre centré sur le carbone.
La molécule CH4, très stable, de géométrie tétraédrique, est le méthane, principale composante du gaz naturel. Si des observateurs d'une planète lointaine le détectaient dans l'atmosphère terrestre, ils seraient fondés à en inférer la présence de la vie sur Terre. En effet, le méthane, instable vis-à-vis de sa combustion, est produit par les bactéries méthanogènes. C'est aussi l'un des gaz à effet de serre, responsables du réchauffement global. Une idée reçue de longue date est qu'un atome de carbone fixe au maximum quatre autres atomes. Or CH5+ existe bel et bien. C'est une molécule très réactive. Sa géométrie est flasque, les cinq atomes d'hydrogène se meuvent constamment, ce qui les rend équivalents en moyenne.
Les hydrocarbures cycliques, à commencer par les cyclanes ou cycloalcanes, ont des tensions de cycle, dénommées tension de Baeyer, du nom du chimiste allemand Adolf von Baeyer (1835-1917) qui le premier les signala. Le cyclopropane C3H6 en est un exemple (fig. 1). Le cycle y a la forme d'un triangle équilatéral. Les angles CCC mesurent donc 600, alors que la valeur naturelle de cet angle pour un atome de carbone tétracoordiné et non contraint est 1090 28'. Or la tension angulaire croît comme environ le carré de la déviation, ce qui, pour le cyclopropane, équivaut au total à 26 kcal.mol–1 de tension angulaire. La tension angulaire est du même ordre de grandeur dans le cyclobutane C4H8. Elle est d'environ 150 kcal.mol–1 dans le [3]prismane et de 185 kcal.mol–1 dans le cubane. D'environ 64 kcal.mol–1 dans le bicyclobutane, la tension angulaire est du même ordre pour le spiropentane et de 100 kcal.mol–1 dans le [3]triangulane (fig. 1). Ces valeurs sont à mettre en rapport avec l'énergie d'une liaison C-H ou C-C, une centaine de kcal.mol–1 : si la tension du cubane, au lieu d'être répartie sur l'ensemble des liaisons dans cette molécule, était focalisée sur une seule, il y aurait coupure de cette liaison.
Autre tension que montrent les hydrocarbures, celle provenant d'une éclipse. En effet, la[...]
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Écrit par
- Pierre LASZLO : professeur honoraire à l'École polytechnique et à l'université de Liège (Belgique)
Classification
Médias
Hydrocarbures : classification
Encyclopædia Universalis France
Cyclanes
Encyclopædia Universalis France
Cyclènes
Encyclopædia Universalis France
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ALCYNES
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