Réactions de substitution nucléophileEdit

Les réactions de substitution nucléophile (SN1 et SN2) sont très étroitement liées aux réactions d’élimination E1 et E2, discutées plus loin dans cette section, et c’est généralement une bonne idée d’apprendre les réactions ensemble, car il y a des parallèles dans le mécanisme de réaction, les substrats préférés, et les réactions sont parfois en concurrence.

Il est important de comprendre que les réactions de substitution et d’élimination ne sont pas associées à un composé ou à un mélange spécifique tant qu’elles sont une représentation de la façon dont certaines réactions ont lieu. Parfois, des combinaisons de ces mécanismes peuvent se produire ensemble dans la même réaction ou peuvent entrer en compétition les unes avec les autres, avec des influences telles que le choix du solvant ou du nucléophile étant le facteur déterminant pour savoir quelle réaction dominera.

Note

Dans la notation SN1 et SN2,

S signifie substitution (quelque chose prend la place d’autre chose)
N : signifie nucléophile (un nucléophile déplace un autre nucléophile)
1 : signifie unimoléculaire (la concentration d’un seul type de molécule détermine la vitesse de la réaction)
2 : signifie bimoléculaire (la concentration de deux types de molécules détermine la vitesse de la réaction)

Dans la substitution nucléophile, un nucléophile attaque une molécule et prend la place d’un autre nucléophile, qui part ensuite. Le nucléophile qui part est appelé groupe partant.

Les substitutions nucléophiles nécessitent

1. un nucléophile (tel qu’une base de Lewis)
2. un électrophile avec un groupe partant

Un groupe partant est un fragment (groupe) chargé ou neutre qui se libère.

SN1 vs SN2Edit

L’une des principales différences entre SN1 et SN2 est que la réaction SN1 est une réaction en 2 étapes, initiée par la dissociation du groupe partant. La réaction SN2, en revanche, est une réaction en 1 étape où le nucléophile attaquant, en raison de sa plus grande affinité et de sa liaison plus forte avec le carbone, force le groupe partant à partir. Ces deux choses se produisent en une seule étape.

Ces deux mécanismes différents expliquent la différence de vitesse de réaction entre les réactions SN1 et SN2. Les réactions SN1 dépendent du groupe partant qui se dissocie du carbone. C’est l’étape limitant la vitesse et donc, la vitesse de réaction est une réaction de premier ordre dont la vitesse dépend uniquement de cette étape.

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}

Alternativement, dans les réactions SN2, l’étape unique de la rencontre entre le nucléophile et le réactif du côté opposé au groupe partant, est la clé de sa vitesse. Pour cette raison, la vitesse dépend à la fois de la concentration du nucléophile et de la concentration du réactif. Plus ces deux concentrations sont élevées, plus les collisions sont fréquentes. Ainsi, la vitesse de réaction est une réaction du second ordre :

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}. (où Nu : est le nucléophile attaquant)

Réactions SN2Edit

Il y a principalement 3 choses qui affectent le fait qu’une réaction SN2 aura lieu ou non. La plus importante est la structure. C’est-à-dire si l’halogénure d’alkyle est sur un méthyle, un carbone primaire, secondaire ou tertiaire. Les deux autres composants qui déterminent si une réaction SN2 aura lieu ou non, sont la nucléophilie du nucléophile et le solvant utilisé dans la réaction.

Réactivité due à la structure du SN2

CH3X > RCH2X > R2CHX >> R3CX

La structure de l’halogénure d’alkyle a un grand effet sur le mécanisme. CH3X & RCH2X sont les structures préférées pour le SN2. R2CHX peut subir le SN2 dans les conditions appropriées (voir ci-dessous), et R3CX est rarement, voire jamais, impliqué dans les réactions SN2.

La réaction a lieu par le nucléophile attaquant du côté opposé de l’atome de brome. Remarquez que les 3 autres liaisons sont toutes dirigées à l’opposé du brome et vers le nucléophile attaquant. Lorsque ces 3 liaisons sont des liaisons hydrogène, il y a très peu d’entraves stériques à l’approche du nucléophile. Cependant, plus le nombre de groupes R augmente, plus l’empêchement stérique augmente, ce qui rend plus difficile pour le nucléophile de s’approcher suffisamment du carbone α, pour expulser l’atome de brome. En fait, les carbones tertiaires (R3CX) sont si stériquement encombrés qu’ils empêchent le mécanisme SN2 de se produire du tout.

Dans le cas de cet exemple, un α-carbone secondaire, il y a encore beaucoup d’encombrement stérique et et si le mécanisme SN2 se produira dépendra entièrement de ce que sont le nucléophile et le solvant. Les réactions SN2 sont préférées pour les halogénures de méthyle et les halogénures primaires.

Autre point important à garder à l’esprit, et on peut le voir clairement dans l’exemple ci-dessus, lors d’une réaction SN2, la molécule subit une inversion. Les liaisons attachées au carbone α sont repoussées à l’approche du nucléophile. Pendant l’état de transition, ces liaisons deviennent planes avec le carbone et, lorsque le brome s’en va et que le nucléophile se lie au carbone α, les autres liaisons se replient loin du nucléophile. Ceci est particulièrement important dans les molécules chirales ou pro-chirales, où une configuration R sera convertie en configuration S et vice versa. Comme vous le verrez ci-dessous, cela contraste avec les résultats des réactions SN1.

Exemples:

OH- + CH3-Cl → HO-CH3 + Cl-

OH- est le nucléophile, Cl est l’électrophile, HOCH3 est le produit, et Cl- est le groupe partant.

ou,

Na+I- + CH3-Br → I-CH3 + Na+Br-

La réaction ci-dessus, se déroulant dans l’acétone comme solvant, le sodium et l’iodure se dissocient presque complètement dans l’acétone, laissant les ions iodure libres d’attaquer les molécules de CH-Br. L’ion iodure chargé négativement, un nucléophile, attaque la molécule de bromure de méthyle, repoussant l’ion bromure chargé négativement et prenant sa place. L’ion bromure est le groupe partant.

NucléophilicitéModifié

La nucléophilicité est la vitesse à laquelle un nucléophile déplace le groupe partant dans une réaction. En général, la nucléophilie est d’autant plus forte que le nucléophile est plus grand, plus polarisable et/ou moins stable. Aucun chiffre ou unité de mesure spécifique n’est utilisé. Toutes choses égales par ailleurs, les nucléophiles sont généralement comparés les uns aux autres en termes de réactivité relative. Par exemple, un nucléophile fort particulier peut avoir une réactivité relative de 10 000 celle d’un nucléophile faible particulier. Ces relations sont des généralités car des choses comme le solvant et le substrat peuvent affecter les taux relatifs, mais elles sont généralement de bonnes lignes directrices pour savoir quelles espèces font les meilleurs nucléophiles.

Tous les nucléophiles sont des bases de Lewis. Dans les réactions SN2, le nucléophile préféré est un nucléophile fort qui est une base faible. Des exemples de ceux-ci sont N3-, RS-, I-, Br-, et CN-.

Alternativement, un nucléophile fort qui est aussi une base forte peut aussi fonctionner. Cependant, comme mentionné plus tôt dans le texte, parfois les mécanismes de réaction sont en compétition et dans le cas d’un nucléophile fort qui est une base forte, le mécanisme SN2 sera en compétition avec le mécanisme E2. Des exemples de nucléophiles forts qui sont aussi des bases fortes, incluent RO- et OH-.

Liste des nucléophilicités décroissantes

I- > Br- > Cl- >> F- > -SeH > -.OH > H2O

Groupe partantEdit

Le groupe partant est le groupe du substrat qui part. Dans le cas d’un halogénure d’alkyle, c’est l’ion halogénure qui quitte l’atome de carbone lorsque le nucléophile attaque. La tendance du nucléophile à partir est

Réactivité relative des groupes partants

I- > Br- > Cl- >> F-

Les ions fluorure sont de très mauvais groupes partants car ils se lient très fortement et sont très rarement utilisés dans les réactions de substitution des halogénures d’alkyle. La réactivité d’un groupe partant est liée à sa basicité, les bases plus fortes étant de moins bons groupes partants.

SolvantEdit

Le solvant peut jouer un rôle important dans les réactions SN2, en particulier dans les SN2 impliquant des substrats halogénures d’alkyle secondaires, où il peut être le facteur déterminant du mécanisme. Le solvant peut également avoir un grand effet sur la vitesse de réaction des réactions SN2.

Le mécanisme SN2 est préféré lorsque le solvant est un solvant aprotique, polaire. C’est-à-dire un solvant qui est polaire, mais sans hydrogène polaire. Les solvants polaires, protiques incluraient l’eau, les alcools, et généralement, les solvants avec des liaisons polaires NH ou OH. De bons solvants polaires aprotiques sont l’HMPA, le CH3CN, le DMSO et le DMF.

Un solvant polaire est préféré car il permet mieux la dissociation de l’halogénure du groupe alkyle. Un solvant protique avec un hydrogène polaire, cependant, forme une « cage » de solvant lié à l’hydrogène autour du nucléophile, empêchant son approche du substrat.

Réactivité relative des solvants

HMPA > CH3CN > DMF > DMSO >> H2O

Réactions SN1Edit

Le mécanisme SN1 est très différent du mécanisme SN2. Dans certaines de ses préférences, c’est exactement le contraire et, dans certains cas, les résultats de la réaction peuvent être significativement différents.

Comme le mécanisme SN2, la structure joue un rôle important dans le mécanisme SN1. Le rôle de la structure dans le mécanisme SN1, cependant, est tout à fait différent et à cause de cela, la réactivité des structures est plus ou moins inversée.

Réactivité due à la structure du SN1

CH3X < RCH2X << R2CHX < R3CX

Le mécanisme SN1 est préféré pour les halogénures d’alkyle tertiaires et, selon le solvant, peut être préféré dans les halogénures d’alkyle secondaires. Le mécanisme SN1 ne fonctionne pas sur les halogénures d’alkyle primaires ou les halogénures de méthyle. Pour comprendre pourquoi, regardons comment fonctionne le mécanisme SN1.

En haut du diagramme, la première étape est la dissociation spontanée de l’halogénure de l’halogénure d’alkyle. Contrairement au mécanisme SN2, où le nucléophile attaquant provoque le départ de l’halogénure, le mécanisme SN1 dépend de la capacité de l’halogénure à partir de lui-même. Cela nécessite certaines conditions. En particulier, la stabilité du carbocation est cruciale pour la capacité de l’halogénure à partir. Comme nous savons que les carbocations tertiaires sont les plus stables, elles sont les meilleures candidates pour le mécanisme SN1. Et dans des conditions appropriées, les carbocations secondaires fonctionneront également par le mécanisme SN1. Les carbocations primaires et méthyliques ne sont cependant pas assez stables pour permettre à ce mécanisme de se produire.

Une fois que l’halogénure s’est dissocié, l’eau agit comme un nucléophile pour se lier au carbocation. Dans les réactionsSN2, il y a une inversion causée par le nucléophile qui attaque du côté opposé alors que l’halogénure est toujours lié au carbone. Dans le mécanisme SN1, comme l’halogénure est parti et que les liaisons du carbone α sont devenues planes, la molécule d’eau est libre d’attaquer d’un côté ou de l’autre. Il en résulte, principalement, un mélange racémique. Dans l’étape finale, un des hydrogènes de la molécule d’eau liée est attaqué par une autre molécule d’eau, laissant un alcool.

Note : Les mélanges racémiques impliquent des quantités entièrement égales de mélange, cependant c’est rarement le cas dans le SN1. Il existe une légère tendance à l’attaque par le côté opposé de l’halogénure. Ceci est le résultat d’une certaine gêne stérique de l’halogénure partant qui est parfois assez proche du côté partant pour bloquer l’approche du nucléophile depuis ce côté.

SolventEdit

Comme le mécanisme SN2, le SN1 est également affecté par le solvant. Comme pour la structure, cependant, les raisons diffèrent. Dans le mécanisme SN1, un solvant polaire et protique est utilisé. La polarité du solvant est associée à la constante diélectrique du solvant et les solutions ayant une constante diélectrique élevée sont mieux à même de supporter les ions séparés en solution. Dans les réactions SN2, nous étions préoccupés par le fait que les atomes d’hydrogène polaires « encagent » notre nucléophile. Cela se produit toujours avec un solvant protique polaire dans les réactions SN1, alors pourquoi ne pas s’en inquiéter ? Il faut garder à l’esprit le mécanisme de la réaction. La première étape, et plus important encore, l’étape limitant la vitesse de la réaction SN1, est la capacité à créer un carbocation stable en faisant partir l’anion halogénure. Avec un solvant protique polaire, tout comme avec un solvant aprotique polaire, nous créons un cation stable, mais ce sont les hydrogènes polaires qui stabilisent l’anion halogénure et le rendent plus apte à partir. L’objectif est toujours d’améliorer l’étape limitant la vitesse. La « mise en cage » du nucléophile n’est pas liée à l’étape limitant la vitesse et même dans son état « en cage », la deuxième étape, l’attaque du nucléophile, est tellement plus rapide que la première étape, que la « mise en cage » peut simplement être ignorée.

RésuméEdit

SN1, SN2, E1, et E2, sont tous des mécanismes de réaction, pas des réactions elles-mêmes. Ce sont des mécanismes utilisés par un certain nombre de réactions différentes. Habituellement, en chimie organique, le but est de synthétiser un produit. Dans les cas où vous avez éventuellement des mécanismes en compétition, et c’est particulièrement le cas lorsqu’une réaction SN1 et une réaction E1 sont en compétition, le mécanisme dominant va décider de ce qu’est votre produit, donc connaître les mécanismes et les conditions qui favorisent l’un plutôt que l’autre, va déterminer votre produit.

Dans d’autres cas, connaître le mécanisme vous permet de mettre en place un environnement favorable à ce mécanisme. Cela peut faire la différence entre avoir votre produit en quelques minutes, ou quelque temps autour de la prochaine période glaciaire.

Donc, lorsque vous concevez une synthèse pour un produit, vous devez considérer, je veux obtenir le produit Y, alors quelles sont mes options pour arriver à Y ? Une fois que vous connaissez vos options et que vous avez décidé d’une réaction, alors vous devez considérer le mécanisme de la réaction et vous demander, comment créer des conditions qui vont faire en sorte que cela se produise correctement et rapidement ?

Réactions d’éliminationEdit

Les réactions de substitution nucléophile et les réactions d’élimination partagent beaucoup de caractéristiques communes, en plus de cela, les réactions E1 et SN1 ainsi que E2 et SN2 peuvent parfois être en compétition et, puisque leurs produits sont différents, il est important de les comprendre toutes les deux. Si l’on ne comprend pas ces deux types de mécanismes, il sera difficile d’obtenir le produit que l’on souhaite obtenir d’une réaction.

En outre, les réactions SN1 et SN2 seront référencées assez souvent à titre de comparaison et de contraste, donc il est probablement préférable de lire cette section en premier et de continuer ici.

Les réactions d’élimination sont les mécanismes de création de produits alcènes à partir de réactifs haloalcanes. Les mécanismes d’élimination E1 et E2, contrairement aux mécanismes de substitution SN1 et SN2, ne se produisent pas avec les halogénures de méthyle car la réaction crée une double liaison entre deux atomes de carbone et les halogénures de méthyle n’ont qu’un seul carbone.

Note

Dans la notation E1 et E2,

E signifie élimination
1 : signifie unimoléculaire (la concentration d’un seul type de molécule détermine la vitesse de la réaction)
2 : signifie bimoléculaire (la concentration de deux types de molécules détermine la vitesse de la réaction)

E1 vs E2Edit

Vitesses de réactionEdit

E1 et E2 sont deux voies différentes pour créer des alcènes à partir d’haloalcanes. Comme pour les réactions SN1 et SN2, l’une des principales différences réside dans la vitesse de réaction, car elle donne un grand aperçu des mécanismes.

Les réactions E1, comme les réactions SN1 sont des réactions en 2 étapes. Toujours comme les réactions SN1, l’étape limitant la vitesse est la dissociation de l’halogénure de son alcane, ce qui en fait une réaction de premier ordre, dépendant de la concentration de l’halogénoalcane, avec une vitesse de réaction de :

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}.

D’autre part, les réactions E2, comme les réactions SN2 sont des réactions à 1 étape. Et là encore, comme pour les réactions SN2, l’étape limitant la vitesse est la capacité d’un nucléophile à se fixer sur l’alcane et à déplacer l’halogénure. Il s’agit donc d’une réaction du second ordre qui dépend des concentrations du nucléophile et de l’haloalcane, avec une vitesse de réaction de :

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}. (où Nu : est le nucléophile attaquant)

Règle de ZaitsevEdit

La règle de Zaitsev (parfois orthographiée « Saytzeff ») stipule que dans une réaction d’élimination, lorsque plusieurs produits sont possibles, l’alcène le plus stable est le produit majeur. C’est-à-dire que l’alcène le plus fortement substitué (l’alcène ayant le plus de substituants autres que l’hydrogène) est le produit majeur.

Les réactions E1 et E2 produisent toutes deux un mélange de produits, lorsque cela est possible, mais suivent généralement la règle de Zaitsev. Nous verrons ci-dessous pourquoi les réactions E1 suivent la règle de Zaitsev de manière plus fiable et ont tendance à produire un produit plus pur.

L’image ci-dessus représente deux voies possibles pour la déshydrohalogénation du (S)-2-bromo-3-méthylbutane. Les deux produits potentiels sont le 2-méthylbut-2-ène et le 3-méthylbut-1-ène. Les images de droite sont des dessins simplifiés du produit moléculaire présenté dans les images du centre.

Comme vous pouvez le voir à gauche, le brome est sur le deuxième carbone et dans une réaction E1 ou E2, l’hydrogène pourrait être retiré du 1er ou du 3e carbone. La règle de Zaitsev dit que l’hydrogène sera retiré principalement du 3ème carbone. En réalité, il y aura un mélange, mais la plupart du produit sera du 2-méthylbut-2-ène par le mécanisme E1. Par la réaction E2, comme nous le verrons plus tard, ce ne sera pas forcément le cas.

E2Edit

Réactivité due à la structure de E2

RCH2X > R2CHX >> R3CX

Le mécanisme E2 est concerté et hautement stéréospécifique, car il ne peut se produire que lorsque le H et le groupe partant X sont en position anti-coplanaire. C’est-à-dire que dans une projection de Newman, le H et le X doivent être à 180°, ou dans l’anti-configuration. Ce comportement découle du meilleur chevauchement des orbitales 2p des carbones adjacents lorsque la liaison pi doit être formée. Si le H et le groupe partant ne peuvent pas être amenés dans cette position à cause de la structure de la molécule, le mécanisme E2 n’aura pas lieu.

Par conséquent, seules les molécules ayant des conformations H-X anti-coplanaires accessibles peuvent réagir par cette voie. En outre, le mécanisme E2 fonctionnera contrairement à la règle de Zaitsev si le seul hydrogène anticoplanaire du groupe partant donne lieu à l’alcène le moins stable. Un bon exemple de la façon dont cela peut se produire est de regarder comment le cyclohexane et les dérivés du cyclohexène pourraient fonctionner dans des conditions E2.

Reprenons l’exemple ci-dessus. Le réactif que nous utilisons est le 1-chloro-2-isopropylcyclohexane. Le dessin en haut à gauche est une conformation et le dessin en dessous est après un retournement de cycle. Au centre, ce sont les projections de Newman des deux conformations et les dessins à droite, les produits.

Si nous supposons que nous traitons le 1-chloro-2-isopropylcyclohexane avec une base forte, par exemple CH3CH2O- (éthanolate), le mécanisme qui domine est E2. Il y a 3 hydrogènes sur les carbones adjacents à notre carbone chloré. Les rouges et les verts sont deux d’entre eux. Le troisième serait difficile à montrer mais il est attaché au même carbone que l’hydrogène rouge, un peu plus bas que le plan et vers le spectateur. L’hydrogène rouge est le seul hydrogène qui est à 180° de l’atome de chlore, donc le seul éligible pour le mécanisme E2. De ce fait, le produit ne sera que le 3-isopropylcylcohex-1-ène. Remarquez que c’est contraire à la règle de Zaitsev qui dit que l’alcène le plus substitué est préféré. Selon cette règle, le 1-isopropylcyclohexène devrait être notre produit primaire, car il resterait l’alcène le plus substitué. Cependant, il ne peut tout simplement pas être produit à cause de l’encombrement stérique.

Les images ci-dessous montrent la molécule après un retournement de cycle. Dans cette conformation, aucun produit n’est possible. Comme vous pouvez le voir sur la projection de Newman, il n’y a pas d’hydrogènes à 180° de l’atome de chlore.

Il est donc important, lorsqu’on considère le mécanisme E2, de comprendre la géométrie de la molécule. Parfois, la géométrie peut être utilisée à votre avantage pour obtenir préférentiellement un seul produit. D’autres fois, elle vous empêchera d’obtenir le produit que vous voulez, et vous devrez envisager un mécanisme différent pour obtenir votre produit.

Note : On utilise souvent le mot périplanaire au lieu de coplanaire. Coplanaire implique précisément une séparation de 180 degrés et « péri », du grec pour « proche », implique près de 180 degrés. Le terme « périplanaire » peut en fait être plus précis. Dans le cas de l’exemple du 1-chloro-3-isopropylcyclohexane, en raison des forces moléculaires, l’atome de chlore est en fait légèrement inférieur à 180 degrés à la fois de l’hydrogène et du groupe isopropyle, donc dans ce cas, périplanaire pourrait être un terme plus correct.

E1Edit

Le mécanisme E1 commence par la dissociation du groupe partant d’un alkyle, produisant un carbocation sur le groupe alkyle et un anion partant. C’est de la même façon que la réaction SN1 commence, donc la même chose qui aide à initier cette étape dans les réactions SN1, aide à initier l’étape dans les réactions E1. Plus précisément, les carbocations secondaires et tertiaires sont préférées car elles sont plus stables que les carbocations primaires. Le choix du solvant est le même que pour le SN1 également ; un solvant protique polaire est préféré car l’aspect polaire stabilise le carbocation et l’aspect protique stabilise l’anion.

Ce qui fait la différence entre le fait que la réaction emprunte la voie SN1 ou E1 alors, doit dépendre de la deuxième étape ; l’action du nucléophile. Dans les réactions SN1, on préfère un nucléophile fort qui est une base faible. Le nucléophile va alors attaquer et se lier au carbocation. Dans les réactions E1, un nucléophile fort est toujours préféré. La différence est qu’un nucléophile fort qui est aussi une base forte, fait que le nucléophile attaque l’hydrogène du carbone β au lieu du carbocation α. Le nucléophile/base extrait alors l’hydrogène provoquant la chute des électrons de liaison et la production d’une liaison pi avec le carbocation.

Parce que l’hydrogène et le groupe partant sont perdus en deux étapes séparées et le fait qu’il n’a pas d’exigences quant à la géométrie, le mécanisme E1 produit de façon plus fiable des produits qui suivent la règle de Zaitsev.