Alcanes, alcènes et alcynes

Nature des chaînes hydrocarbonées

Les atomes de carbone peuvent s’enchaîner pour former une structure linéaire, ramifiée ou cyclique. Cette fiche porte principalement sur les chaînes ouvertes. La nomenclature systématique de ces chaînes relève de la fiche voisine consacrée à la nomenclature organique.

Une liaison multiple diminue le nombre maximal d’atomes d’hydrogène pouvant être portés par la chaîne. Elle constitue donc une insaturation. Chaque double liaison correspond à une insaturation, tandis qu’une triple liaison en représente deux.

Formules générales

Pour une chaîne ouverte comportant $n$ atomes de carbone, avec $n$ entier positif, la formule brute dépend du nombre de liaisons multiples.

Ces relations supposent une chaîne acyclique et, pour l’alcène ou l’alcyne, une seule liaison multiple. Une ramification ne modifie pas la formule brute, car elle change l’agencement des atomes sans changer leur nombre.

Les alcanes

Autour de chaque carbone d’un alcane, les quatre liaisons sont orientées vers les sommets d’un tétraèdre. Les angles de liaison sont proches de $109{,}5^\circ$. Cette géométrie est associée à un carbone hybridé $\mathrm{sp^3}$, notion développée dans la fiche consacrée à l’hybridation.

Une liaison simple carbone-carbone est une liaison $\sigma$, dite sigma. La densité électronique est distribuée autour de l’axe internucléaire, ce qui autorise une rotation autour de cet axe. Une même chaîne peut ainsi adopter plusieurs dispositions spatiales appelées conformations, sans rupture de liaison.

Les alcanes sont saturés en hydrogène. Ils ne peuvent donc pas fixer davantage de dihydrogène sans rupture préalable d’une liaison ou modification du squelette carboné.

Les alcènes

Une double liaison comporte une liaison $\sigma$ et une liaison $\pi$, dite pi. La liaison $\pi$ résulte d’un recouvrement situé de part et d’autre de l’axe carbone-carbone. Une rotation autour de cet axe détruirait ce recouvrement et exige donc une énergie importante.

Les deux carbones de la double liaison sont hybridés $\mathrm{sp^2}$. Chacun présente une géométrie trigonale plane avec des angles proches de $120^\circ$. Les deux carbones de la double liaison et les quatre atomes qui leur sont directement liés se trouvent approximativement dans un même plan.

Cette rigidité permet l’existence de configurations spatiales distinctes lorsque chaque carbone de la double liaison porte deux substituants différents. Leur description par les descripteurs $E$ et $Z$ appartient à la fiche de stéréochimie correspondante.

Les alcynes

Une triple liaison est constituée d’une liaison $\sigma$ et de deux liaisons $\pi$ disposées dans des plans perpendiculaires. Les deux carbones concernés sont hybridés $\mathrm{sp}$.

La géométrie autour de chaque carbone de la triple liaison est linéaire. L’angle formé par les liaisons adjacentes vaut donc $180^\circ$. La triple liaison est plus courte et globalement plus forte qu’une liaison double ou simple carbone-carbone.

Alcyne vrai et alcyne interne

Dans cette écriture, $\ce{R}$ désigne un groupe hydrocarboné relié au carbone de la triple liaison. Un alcyne dont les deux carbones de la triple liaison sont liés à des groupes carbonés est un alcyne interne, de motif $\ce{R-C#C-R'}$, où $\ce{R'}$ désigne un second groupe hydrocarboné.

L’hydrogène porté par un alcyne vrai présente une acidité faible mais supérieure à celle d’un hydrogène lié à un carbone d’alcane ou d’alcène. Le carbone hybridé $\mathrm{sp}$ possède un caractère orbitalaire $s$ plus important, ce qui stabilise davantage la charge négative obtenue après départ du proton.