Notions de cours

mécanismes réactionels

On appelle mécanisme réactionnel l'ensemble supposé des étapes élémentaires justifiant la transformation observée expérimentalement. Le mot "supposé" n'est pas anodin...En effet , la réalité des phénomènes ne sera jamais vraiment élucidée. La représentation d'un mécanisme est relative à un modèle choisi. Si le modèle est bon, en plus de justifier les résultats expérimentaux, il permettra au mieux de prévoir un résultat. A défaut, il permettra d'influencer une recherche dans un but précis...Le mécanisme représente donc la réalité relative au modèle choisi.

Différentes modélisations existent :
Le schéma Energie / Coordonnée de réaction traduit les variations relatives d'énergie du système au cours de la réaction. Il permet de définir l' (les) étape(s) lente(s). Ces schémas permettent de distinguer les états d'activation, hypothétiques, correspondant à un maximum d'énergie, des états intermédiaires, isolables ou à défaut, observables, qui sont des minimums d'énergie. Ils permettent aussi de visualiser quelles sont les étapes lentes (d'énergie d'activation élevée) et les étapes rapides (d'énergie d'activation faible).

 
            L'influence de la modification de certains paramètres s'étudie de façon élégante par ce genre de diagramme.
Par exemple l'influence du choix du solvant sur une SN₁ ou sur une SN₂ peut facilement se montrer:
Soit la SN du 1-chloro propane par l'iodure I^_- . Cette réaction est a priori d'ordre 2 dans la mesure où le dérivé halogéné de départ est primaire.
Bilan: CH₃-CH₂-CH₂-Cl  +   I^-    -->  CH₃-CH₂-CH₂-I   +  Cl^-
Etudions cette réaction supposée d'ordre 2 dans deux solvants différents , l'eau et un mélange eau/acétone. Une réflexion nous incite à penser que l'état initial sera plus stable dans ce solvant: en effet, RCl est plus soluble (cad mieux solvaté, cad plus stable) dans l'acétone , solvant organique,que dans l'eau pure. I^- quant à lui sera mieux solvaté dans l'eau pure mais il reste bien solvaté dans ce mélange.

 

---

           La notion de contrôle cinétique, opposé au contrôle thermodynamique, est le résultat de l'analyse de résultats expérimentaux à l'aide de ce genre de diagrammes.

Analysons un processus sous contrôle thermodynamique:

Par exemple, l'élimination de HBr à partir d'un dérivé halogéné, conduit expérimentalement systématiquement à l'alcène le plus stable, indépendamment de l'acidité du H arraché. Comparons les schéma E/CR selon les deux processus possibles dans le cas d'une élimination de type E2 sur le 2-bromo 3-méthyl butane. Deux alcènes sont envisageables.


Ces alcènes sont obtenus via la rupture de deux liaisons C-H, dont la force peut être comparée grâce à l'étude des couples A/B correspondants:

L'hydrogène qui donnerait le carbanion le moins stable est a priori lié par une liaison plus forte que l'autre, mais conduit à l'alcène le plus stable.


L'expérience montre que le chemin réactionnel donnant l'alcène le plus stable, malgrè la plus grande énergie nécessaire pour arracher l'H, est largement prioritaire. C'est donc le gain d'énergie la plus grand entre l'état initial et l'état final qui décide du produit de la réaction. C'est donc un raisonnement d'ordre thermodynamique qui permet de prévoir le résultat de la réaction: la réaction est dite sous contrôle thermodynamique.
La réaction se produit majoritairement par une étape de grande énergie d'activation, malgrè la possibilité d'une voie plus rapide. Les considérations cinétiques sont sans intérêt pour une réaction sous contrôle thermodynamique. Toutefois, on conçoit que la voie thermodynamique nécessite une température minimale pour franchir la barrière d'activation élevée.
 
Toutes les réactions d'élimination du programme sont ainsi sous contrôle thermodynamique. Les éliminations de HX ou de H₂O, quelles que soient les conditions expérimentales, se produisent sous contrôle thermodynamique, c'est à dire donnant l'alcène le plus stable.

---

Pour prévoir l'alcène obtenu, on compare les stabilités des alcènes possibles .
Un alcène est d'autant plus stable que :

---

Analysons un processus sous contrôle cinétique:
L'addition électrophile de HBr sur un alcène disymétrique conduit toujours au dérivé bromé tel que le brome est fixé sur le carbone fournissant le carbocation le plus stable:


                                                                        énergie E1                               énergie E2

Le carbocation en alpha du benzène est stabilisé par résonance et donc E2 < E1

Un schéma énergie / coordonnées de réaction permet alors de visualiser l'aspect énergétique du "choix" réactionnel.



L'énergie d'activation qui conduit au carbocation d'énergie E2 est donc plus faible que l'énergie d'activation qui conduit au carbocation d'énergie E1.
Le carbocation stabilisé par résonnance est donc obtenu  plus vite que le carbocation ne présentant pas de résonance.
L'expérience montre que le dérivé bromé majoritaire est celui issu du carbocation le plus stable, et ce systématiquement quelquesoit le choix. La réaction obéit donc à un choix cinétique, elle est dite sous contrôle cinétique.

De nombreuses réactions du cours sont sous contrôle cinétique :
Pour prévoir le produit de réaction via des  intermédiaires radicalaires ou via des carbocations sous contrôle cinétique, on compare donc les énergies des radicaux ou carbocations formés dans l'étape lente pour choisir le plus stable.

---

Un radical ou un carbocation est d'autant plus stable que , dans l'ordre :

On remarquera la particularité des nitriles conjugués capables de fournir des carbanions stables en alpha de CN, au même titre que un carbanion est stable en alpha de C=O:

---

La réaction de Diels Alder est aussi sous contrôle cinétique mais c'est le modèle de Hückel qui permet de prévoir quel est l'état de transition le plus bas (car la réaction est en une étape) .

On peut aussi représenter les mécanismes en se focalisant sur les changements de structure électronique, le ruptures ou formations de liaisons. Deux modèles existent.

Le modèle de Lewis appliqué à la réaction chimique tente de représenter les mouvements électroniques, obéissant à des principes électrostatiques, ou de recherche de minimum d'énergie, dans la formation de la liaison la plus stable.
Les électrons sont associés en doublets, représentés par un trait . Un électron célibataire est représenté par un point.

Une transformation chimique traduite par un bilan de réaction se produit par une succession de transformations élémentaires, passant soit par des états d'énergie maximum (états de transition) que le modèle de Lewis ne tente pas de représenter (voir schéma E/CR) , soit par des entités de faibles durée de vie que sont les espèces intermédiaires, que le modèle de Lewis représente.

Exemple :
    
Bilan de l'estérification de l'acide acétique par le méthanol en présence de H+:
                                            (H⁺)
CH₃COOH +  CH₃OH       =        CH₃COOCH₃   +   H₂O

Mécanisme dans un formalisme de type étude cinétique : plusieurs étapes élémentaires :
CH₃COOH +   H⁺     =      CH₃COOH₂⁺   .
 CH₃COOH₂⁺    +    CH₃OH       =     CH₃COH(CH₃OH ) OH⁺    
CH₃COH(CH₃OH ) OH⁺    =       CH₃CO(CH₃OH ) OH₂⁺  
 CH₃CO(CH₃OH ) OH₂⁺     =     CH₃CO(CH₃OH ) ⁺     +     H₂O
 CH₃CO(CH₃OH ) ⁺     =     CH₃COOCH₃   +  H⁺
   
Chaque étape élémentaire écrite représente un bilan réellement "vécu" par le système en réaction . Les techniques modernes ont permis de les observer, malgrè leur faible durée de vie. En plus , le modèle de Lewis propose pour ces étapes élémentaires de justifier des transformations dans les répartitions électroniques, par des flèches très codifiées:



Une flèche représente un mouvement électronique : elle part TOUJOURS d'un doublet d'électrons vers un centre d'accueil dit électrophile (ou acide s'il s'agit d'un H).
Le doublet d'électron au départ de la flèche est un doublet dit nucléophile (ou basique s'il se dirige vers un H). On dit qu'il est porté par une entité nucléophile (ou basique s'il attaque un H).
Peu importe qu'il soit un doublet libre ou un doublet lié, de type sigma ou de type pi...

Au cours de ces mouvements électroniques, les règles de consruction des atomes doivent absolument être respectées , en particulier la règle de l'octet . Les éléments de la première et deuxième période de la classification périodique ne supportent pas de dépassement de la règle de l'octet . Un déficit par rapport à la règle de l'octet est forcément un centre électrophile (parmi d'autres) et est indiqué obligatoirement par un rectangle signifiant une lacune électronique (associé ou pas à une charge +, peu importe...)

Ainsi, même un mécanisme en une seule étape peut être développé selon le modèle de Lewis :
La SN₂ , la décarboxylation ou la réaction de Diels Alder en sont de bons exemples.

---

Classement des mécanismes 
Les mécanismes peuvent alors être classés, en fonction de leur bilan d'une part et du type d'action intervenant dans l'étape lente .  

Le premier mot dans le nom d'un mécanisme est relatif au bilan de la réaction étudiée.

Le deuxième mot s'il existe caractérise le type d'attaque sur l'entité organique de référence dans l'étape lente.


Exemple : H₂C=CH₂   +    HBr   =    H₃C=CH₂Br  
                        Bilan : addition  (de HBr sur l'entité de référence alcène)

                   Mécanisme:


L'étape lente consiste en l'action de H+ regardé comme un électrophile  .

Le mécanisme sera donc une addition électrophile (ce qui signifie bilan= addition  , dans l'étape lente = action d'un électrophile sur l'entité de référence)

Autre exemple:    Ph   +    E+   =    Ph-E    +    H+
                                     Bilan : substitution d'un H du benzène par E

                    Mécanisme:

                       action de l'électrophile E+                               élimination de H+

                         L'étape lente consiste en l'action de E+ électrophile
Le mécanisme sera donc une substitution électrophile  (ce qui signifie bilan = substitution, dans l'étape lente = action d'un électrophile )

Autre exemple :   Ph-(C=O)-CH₃   +    R-   + EtOH  =   Ph-C(OH)(CH₃)-R  + EtO-  
                                           Bilan : addition de R et H sur la cétone
 
                     Mécanisme :  

                                   étape lente   car rupture de liaison            étape rapide A/B
                                    action du nucléophile R-

L'étape lente consiste en l'action du nucléophile R-
Le mécanisme sera donc une addition nucléophile sur un carbonyle ( ce qui siginifie bilan = addition, étape lente = action d'un nucléophile )

Le terme concerté est relatif à des mécanismes où toutes les transformations électroniques se font dans le même temps de sorte qu'il soit difficile de nommer un électrophile, un nucléophile ou même un radical. C'est le cas pour la réaction de Diels Alder:



Où ni le diène ni le diénophile ne sont identifiés comme électrophile ou nucléophile selon le modèle de Lewis : c'est un mécanisme d'addition concerté en une étape.


D'autre dénominations existent : réactions de type A/B dans laquelle un atome gagne ou perd un proton via un doublet libre , sans rupture de liaison chimique autre que celle dans laquelle l'H est engagé.

Ainsi la première étape de l'addition électrophile de HBr sur un alcène n'est pas une réaction A/B car la liaison pi C=C a été rompue (voir) . Mais la deuxième étape de l'addition nucléophile du nitrile sur la cétone dans le solvant éthanol est typiquement de type A/B (voir)
Il arrive qu'un mécanisme possède plusieurs étapes lentes...on les nomme alors les deux: c'est le cas du mécanisme de l'estérification dans lequel la deuxième étape d'addition nucléophile est lente alors que la quatrième étape d'élimination de H2O est lente aussi, alors que le bilan est celui d'une substitution...On nomme ce mécanime de type "addition élimination" plutôt que substitution...pour signaler les deux étapes lentes...et on ne précise pas nucléophile relative à la première étape lente...délicat, je vous l'accorde...

Les réactions d'oxydoréduction par des espèces minérales ne sont pas représentées en Lewis , sauf les réductions par les borohydrures et les alumino hydrures :
Sur les esters ce sont des mécanismes d'addition élimination alors que sur les aldéhydes ce sont des mécanismes d'addition (bilan d'addition de H₂) nucléophile (action du nucléophile H^- dans l'étape lente) :

---

Le modèle des orbitales frontières de Hückel utilise les orbitales moléculaires et recherche la combinaison d'OM favorable en terme d'énergie en réfléchissant uniquement sur les orbitales frontières.

C'est ainsi que la formation des liaisons lors de la réaction de Diels Alder sera représentée ainsi :



Le recouvrement entre lobes de même signe deux à deux (ou de même couleur deux à deux )  traduit la formation d'une liaison sigma si le recouvrement est dans l'axe de la liaison ou formation d'une liaison pi si le recouvrement a lieu de part et d'autre de l'axe de la liaison.

Seules les réactions sous contrôle cinétique peuvent être modélisées de cette façon.

La prévision de la réaction provient des règles suivantes :
Contrôle orbitalaire:

Après avoir trouvé les OF de chaque réactif :
        -on cherche le couple (HO / BV) des deux réactifs les plus proches en énergie car plus les énergies sont proches et meilleur est le recouvrement.
        - On vérifie, si plusieurs sites d'une même molécule réagissent en même temps, que la réaction est permise par symétrie , c'est à dire que tous les recouvrements souhaités sont constructifs (entre lobes de même signe deux à deux )
        - On cherche alors le + gros coefficient en valeur absolue de la HO et de la BV...ce sont les sites réactifs prioritaires qui imposent la régiosélectivité de la réaction.

Si l'expérience est conforme à ces règles, on en déduit que la réaction est sous contrôle orbitalaire.

La réaction de Diels Alder est sous contrôle orbitalaire. L'addition d'un cuprate lithié sur une alpha-énone est sous contrôle orbitalaire (attaque du nucléophile sur le carbone en position 4 car porteur du + gros coeff de la BV, position par rapport à l'O numéro 1), soit une addition 1-4 .

Après hydrolyse et tautomérie cétoénolique, on obtient un aldéhyde.

Contrôle de charge :

Si l'expérience donne un résultat NON conforme au contrôle orbitalaire, on peut chercher un contrôle de charge : la réaction serait-elle contrôlée par des données électrostatiques ? On cherche donc , pour la molécule ayant la BV active, l'atome portant la plus grande charge +, alors que pour la molécule intervenant par sa HO, on cherche l'atome ayant la plus grande charge - , le tout grâce à la formule :  
Le calcul ainsi fait donne la charge en électron, il faut retrancher cette valeur au nombre de protons du noyau relatif aux électrons pz engagés dans la résonance (soit 1 pour C ou tout hétéroatome à 1 électron cad doublement lié et 2 pour tout hétéroatome à 2 électrons cad simplement lié)    .

Toute réaction pouvant être justifiée par l'action de l'atome de charge + la plus forte sur l'atome de charge - la plus forte de l'autre molécule réactante sera dite sous contrôle de charge.

L'action d'un organolithié sur une alpha-énone est sous contrôle de charge (attaque du nucléophile sur le carbone en position 2, car porteur de la + grosse charge+, position par rapport à l'O en position 1 ), soit une addition 1-2.

Après hydrolyse , on obtient un alcool.

---

L'aspect stéréochimique des réactions , c'est-à-dire leur étude dans un espace à 3 dimensions, prend une grande importance, particulièrement pour la synthèse de molécules médicamenteuse. La nature, grâce aux enzymes est capable de stéréosélectivité extrêmement précise que le chimiste tente laborieusement de reproduire...

En règle générale, c'est le caractère CONCERTE des réactions qui leur donne une propriété stéréochimique, que ce soit de la stéréosélectivité ou de la stéréospécificité. Toutefois, des effets stéréochimiques, peuvent donner à des réactions non concertées, une propriété de stéréosélectivité.

Une réaction est stéréosélective, si , quelle que soit la caractéristique stéréochimique du réactant, le produit obtenu présente une propriété stéréochimique unique.

La réaction typiquement stéréosélective de votre cours de chimie organique est l'addition de H₂ sur un alcyne, en présence d'un catalyseur solide empoisonné :

L'alcyne de départ ne présente aucune stéréochimie . Alors que l'alcène obtenu peut exister  sous une configuration Z ou E, seule , (ou du moins très majoritairement) , la configuration Z est obtenue.

Une autre réaction partiellement stéréosélective peut être l' élimination de type E₁ sur un dérivé halogéné :

        isomère SR

Quelquesoit l'isomère de départ, l'alcène majoritairement obtenu est l'alcène E présentant la moindre gêne stérique. La réaction est bien stéréosélective.

La réaction est stéréospécifique, si , dans la mesure où le réactant présente plusieurs formes stéréochimiques, la stéréochimie du produit obtenu est dépendant de la forme stéréochimique du réactant.

Les réactions typiquement stéréospécifiques sont la SN₂ (dite énantiospécifique), la E₂  ,  l'hydrogénation des alcènes , l'addition de Br₂ sur les alcènes , l'époxydation des alcènes, l'hydrolyse basique des époxydes, la dihydroxylation d'un alcène par le tétraoxyde d'osmium (toutes diastéréospécifiques), la réaction de Diels Alder.

On remarquera que toutes ces réactions sont concertées :

Stéréochimie de la SN2



Stéréochimie de la E2