1 COURS De l’atome à la chimie organique 22 heures : 11 séances de 2 heures Chapitres: 1 Atome (4h) 2 Décrire une molécule (4h) 3 Interactions intermoléculaires (2h) 4 Introduction à la chimie organique et stéréochimie (5h) 5 Effets électroniques, intermédiaires réactionnels et notions cinétiques (3h) 6 Dérivés halogénés: substitutions nucléophiles – éliminations d’ordre 1 ou 2 (4h) Energie de résonance constatée Cas de butadiène 2 Energie de résonance constatée Cas de benzène 0 3 Conjugaison et Mésomérie 4 Conjugaison: des doubles liaisons et des simples liaisons sont en conjugaison si elles sont en alternance. Une double liaison peut être remplacée par une triple liaison, un doublet non liant et une case quantique (orbitale) vide. Ex: les deux doubles liaisons dans le butadiène. Dans un système conjugué, la délocalisation des e- p s’étend sur l’ensemble du système. Ex: les 4 e- p de butadiène sont délocalisés sur les 4 atomes de carbone. OA p butadiène formation de 4 OM p dont 2 liantes occupées (4 e- p venant des 4 OA p) 2 1 Energie de résonnance: énergie dégagée grâce à cette délocalisation étendue. Le système est plus stable car le niveau d’énergie est plus bas. Mésomérie: Le délocalisation des électrons génère des formes limites de résonance (formes mésomères). La structure réelle est une superposition de ces différentes formes, certaines ayant un « poids » plus important (ce sont celles qui correspondent aux énergies les plus basses). Ex: 3 formes mésomères de butadiène les plus représentatives Mésomères et représentation d’une molécule (planéité de la molécule impérative pour la mésomérie) OH OH OH O O O OH OH OH O OH C O C O CH 2 OH OH OH NH2 permet d’interpréter CH 2 O O O O OH Cl Cl OH CH2 OH OH NH2 d+ dC O La structure réelle de la molécule correspond à la résonance de toutes formes mésomères. Pour une question de simplicité, une molécule est toujours représentée par la forme la plus stable (non chargée). 5 Les effets électroniques 6 Pour comprendre la réactivité d’une molécule organique, il est important de connaître les effets électroniques des différents groupes. Il existe principalement deux types d’effets électroniques : inducteurs ou mésomères. Effets inductifs Les effets inducteurs concernent le « déplacement » des électrons s (répartition de la densité électronique d’une manière non homogène). Une liaison entre deux atomes C et A est généralement polarisée du fait de la différence d’électronégativité entre les deux atomes. Cette polarisation correspond à un « déplacement » des deux électrons le long de la liaison. Si A induit une charge partielle d- sur C, on dit que c’est un groupe à effet inducteur positif ou donneur (noté +I). Si A induit au contraire une charge partielle d+ sur C, on dit que c’est un groupe à effet inducteur négatif ou accepteur (noté -I). C A Charges partielles d- Effet du groupe A: d+ C A d+ +I d- C A -I Effets inductifs 7 On peut classer les groupements polarisants. On notera en particulier que les groupes alkyle ont un effet donneur. d- d+ C A d+ dC A Na MgX R H NH2 OH pouvoir électro-donneur augmente Effet +I R: Me Me C > Me tertiaire I < Br < Cl < F pouvoir électro-attracteur augmente Effet -I > Me CH > Me > H2 Me C > > H3C > secondaire primaire méthylique Effets inductifs et acidité 8 Soit dans l’acide ACH2CO2H, A est un groupe inductif attracteur, + A CH2 O 1 H2O O A < CH 2 < 2 < OH I + H3O O Base conjuguée Acide En présence du groupe A (-I), l’équilibre se déplace dans le sens 1, puisque la base conjuguée est mieux stabilisée (charge négative mieux dispersée par la délocalisation) A: groupe -I Acidité augmente Soit dans l’acide ACH2CO2H, A est un groupe inductif donner, + + A CH2 O 1 O Acide H 2O 2 A > CH2 > > OH I + H3O O Base conjuguée En présence du groupe A (+I), l’équilibre se déplace dans le sens 2, puisque la base conjuguée est moins stabilisée (charge négative dispersée difficilement par la délocalisation) A: groupe +I Acidité diminue Effets inductifs et acidité 9 + A CH2 O 1 H2O 2 O A < CH2 < < OH + H3O O Base conjuguée Acide • Les effets inducteurs se transmettent le long des liaisons s et s’affaiblissent rapidement Acides: pKa: CH3CH2CH2CO2HCH3CH2CHClCO2HCH3CHClCH2CO2H ClCH2CH2CH2CO2H 4,83 2,86 4,05 4,52 Cl2CHCO2H Cl3CCO2H • Les effets inducteurs sont additifs Acides: pKa: CH3CO2H 4,75 ClCH2CO2H 2,86 1,25 0,70 Effets mésomères Les effets mésomères concernent le « déplacement » des électrons p (ou p des doublets non liants) par résonance (délocalisation, mésomérie). Il sera d’autant plus intense que le nombre de formes mésomères est grand et le domaine de circulation des électrons étendu. Effet mésomère positif ou donneur (noté +M): un groupe +M induit une charge partielle d- sur un carbone voisin de celui auquel il est relié. Effet mésomère négatif ou accepteur, ou encore attracteur (noté -M): un groupe –M induit une charge partielle d+ sur un carbone voisin de celui auquel il est relié. O H2C O H2C H2C H2C Cl mésomère attracteur C O mésomère donneur Cl Cl L’effet mésomère peut se transmettre sur de longues distances sans affaiblissement. H2N H O pouvoir donneur augmente, Effet +M X H C N C N C R O O O O H pouvoir attracteur augmente, Effet -M 10 Effets mésomères et acidité 11 Soit dans l’acide p-(B=A)PhCO2H, (B=A) est un groupe mésomère attracteur, B A OH + H2O 1 B A 2 M O + H3O Base conjuguée Acide En présence du groupe (B=A) (- M), l’équilibre se déplace dans le sens 1, puisque la base conjuguée est mieux stabilisée (charge négative mieux dispersée par la délocalisation) A: groupe - M Acidité augmente Soit dans l’acide p-APhCO2H, A est un groupe mésomère donner, + A OH + H 2O M 1 2 A O + H3O Base conjuguée Acide En présence du groupe A (+ M), l’équilibre se déplace dans le sens 2, puisque l’effet mésomère donneur de A (+ M) empêche la délocalisation de la charge négative dans la base conjuguée, la rendant peu stable. A: groupe + M Acidité diminue Effets électroniques globaux. 12 Les effets mésomères sont en général plus importants que les effets inductifs. Groupements à effet globalement attracteur O -M -I HO N C N C O C O O +M -I Br Cl F I Attention, les halogènes sont très particuliers ! Groupements à effet globalement donneur par mésomérie, et attracteur par induction +M -I NH2 d+ H3C dOCH3 OH mais O- dH2C OR d+ CH OCH3 Attention, suivant l’existence ou pas d’un effet mésomère, le même groupement pourra être globalement attracteur ou donneur ! Intermédiaires réactionnels Rappel: Un intermédiaire de réaction est une espèce instable, réactive, dont le temps de vie est généralement très court, et qui est formée le long du chemin réactionnel dans une réaction conduisant d’un réactif stable à un produit stable. États de transition Energie potentielle (CH3)3C Loi d’Arrhénius : k = A e-Ea/RT Ea1 Cl HCl État initial État final (CH3)3CCl Coordonnée de réaction Une bonne connaissance sur les effets électroniques est essentielle non seulement pour la compréhension des propriétés chimiques d’une molécule (par ex acidité/basicité), mais aussi la stabilité relative des intermédiaires de réaction. Les principaux intermédiaires de réaction que nous allons rencontrer sont les radicaux (carbonés), les carbocations et les carbanions. 13 Les radicaux carbonés 14 Les radicaux sont des espèces portant un électron célibataire (ou non apparié). Ils sont formés par coupure homolytique d’une liaison simple peu polarisée. Coupure homolytique A A B RO OR' hn + RO + O CH3 B radical méthyle R'O radical phénoxy Les radicaux sont stabilisés par encombrement stérique et lorsque l’électron non apparié peut-être délocalisé sur une partie de la molécule. Les radicaux réagissent dans des réactions de dimérisation, de transfert d’atome, d’addition sur une liaison double. CH2 CH2 tertiaire R' R R" C « encombré » > CH2 secondaire primaire R' H R H > R H >> CH2 OA p vide Les carbocations 15 Les carbocations sont des espèces portant une charge positive sur un atome de carbone. Le carbone est donc entouré de 6e- seulement. Ils sont formés par rupture hétérolytique d’une liaison polarisée ou par attaque acide d’une double liaison. Coupure hétérolytique C Nu d+ C C carbocation méthyle C dH + Nu OA p vide CH3 H C C Les carbocations sont stabilisés par encombrement stérique et par effet électronique inducteur ou mésomère donneur. La géométrie est plane autour du carbone C+ (hybridation sp2). Les carbocations étant pauvre en e, réagissent facilement avec des molécules riches en e- et sont donc appelés électrophiles. Ils peuvent aussi libérer un proton H+ ou se réarranger par migration interne d’un hydrogène. Me Me > H2 H Me C C Me > H2 H2 Me C C CH2 Me Me Me primaire secondaire tertiaire Me H C C CH2 H C C Me allylique (allyle) > CH2 Me H2 C C Me CH3 tertiaire Les carbanions 16 Les carbanions sont des espèces portant une charge négative sur un atome de carbone. Ils sont formés par rupture hétérolytique d’une liaison polarisée en faveur du carbone. Ils sont stabilisés par des effets électroniques inducteurs ou mésomères attracteurs et déstabilisés par des effets électroniques inducteurs ou mésomères donneurs. Cl Cl C Cl > CH3 Me < C C fortement stabilisé par -M fortement stabilisé par -I Me O O H2 H Me C C Me < Me secondaire tertiaire H2 H2 Me C C CH2 primaire Me Me Me C CH Me CH2 C CH > Me CH2 C CH2 Me CH3 allylique (allyle) tertiaire Les carbanions ont une géométrie pyramidale autour du carbone C- (hybridation sp3). Etant riches en e-, ils réagissent facilement avec des centres déficients en e- et sont donc appelés nucléophiles. C C d+ d- C O C C O 17 Eléments de cinétique chimique 1 Généralités (conservation de la masse, conservation de la charge électrique) 2 Vitesse de réaction (définition, loi de vitesse et constante de vitesse, détermination de la loi de vitesse,) 3 Ordre de réaction (loi de vitesse intégrées, demi-vie d’une réaction) 4 Réaction élémentaire et réaction complexe, mécanisme 5 Influence de la température sur la vitesse d’une réaction 6 Catalyse Notions cinétiques 18 Généralités Une réaction chimique est une transformation de la matière au cours de laquelle des corps appelés réactifs sont consommés et de nouveaux corps appelés produits sont formés. A + B Réactifs C + D Produits Cette transformation est symbolisée par une flèche Conservation de la masse (Lavoisier): Au cours d’une réaction chimique, rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Conservation de la charge électrique: Au cours d’une réaction chimique, les charges électriques peuvent se déplacer d’un élément à un autre, mais elles ne peuvent être ni crées ni détruites. En tenant compte de ces lois fondamentales de conservation de la matière, les coefficients stœchiométriques (n) sont introduits. vAA + vBB vCC + vDD Antoine Laurent de Lavoisier (1743-93) Notions cinétiques 19 Vitesse de la réaction : vitesse de disparition ou d'apparition d’un constituant du milieu réactionnel vAA vBB + vCC + vDD v = - (1/nA)(d[A]/dt) = - (1/nB)(d[B]/dt) = (1/nC)(d[C]/dt) = (1/nD)(d[D]/ dt) v: vitesse volumique de la réaction (mol L-1 s-1) Avancement d’une réaction : On définie l’avancement x (en mole) d’une réaction par la relation: x= (ni-ni°)/ni ou ni = ni° + xni avec ni <0 pour les réactifs et >0 pour les produits aA + bB cC + dD t=0 nA° nB° nC° nD° t nA nB nC nD x = - (nA-nA°)/a = - (nB-nB°)/b = (nC-nC°)/c = (nD-nD°)/d Notions cinétiques 20 Relation entre la vitesse et l’avancement d’une réaction Admettons que la réaction a lieu dans un volume V constant Avantage d’utiliser l’avancement: Quelque soit le constituant utilisé, la vitesse de la réaction est exprimée par une même équation! Notions cinétiques 21 Loi de vitesse (van t 'Hoff): relation mathématique entre la vitesse de la réaction et les concentrations des différentes espèces. Pour les réactions en système fermé, isochore et homogène aA v = k [A]a [B]b + bB cC + dD k = constante de vitesse de la réaction a: ordre partiel pour le réactif A b: ordre partiel pour le réactif B a + b: ordre global de la réaction Important: k : indépendant des concentrations et du temps k : dépendant de la réaction étudiée et de la température L’unité de k: dépendant de l’ordre global de la réaction. Ordres partiels: aucun lien systématique avec les coefficients stœchiométriques a et b (valeurs entiers, fractionnaires ou nuls) La loi de vitesse est purement phénoménologique et doit être établie expérimentalement. Notions cinétiques 22 Interprétation graphique de la vitesse de réaction v2 v1 v3 La vitesse d’une réaction à un temps donne est proportionnelle à la pente de la tangente à la courbe de la disparition d’un réactif ou de l’apparition d’un produit. A: réactif C: produit Exemples de loi de vitesse Réaction 2 N 2O 5 2 HI + H 2O2 Vitesse 4 NO2 + O2 I2 + 2 H 2 O v = k [N 2 O5 ] 1 v = k [HI] [H2 O2 ] 2 [Br 2] 3/2 [ H 2] H 2 + Br2 2 HBr Ordre global v = k1 k 2 [Br 2] + k 3[HBr] sans ordre Notions cinétiques 23 Détermination de la loi de vitesse pour des réactions simples et loi de vitesse intégrée Cas des réactions à un seul réactif bB aA + cC Définition de la vitesse 1 d[A] 1 d[B] 1 d[C] = v== = k[A]a a dt b dt c dt Selon la valeur de a, on distingue trois cas principaux, Réaction d’ordre 0: a=0 Réaction d’ordre 1: a=1 Réaction d’ordre 2: a=2 Notions cinétiques 24 Détermination de la loi de vitesse pour des réactions simples et loi de vitesse intégrée Réactions d’ordre 0 bB aA Equation de vitesse 1 d[A] v== k[A]a = k[A]0 = k a dt d[A] = - k a dt ∫ d[A] = ∫ - k a dt = - k a ∫ dt [A] = - k a t + Cte A t = 0, [A] = [A]0 donc Cte = [A]0 Equation caractéristique d’une réaction de l’ordre 0 [A] = - k a t + [A]0 avec k en mol L-1 s-1 + cC Notions cinétiques: Ordre de réactions 25 Détermination de la loi de vitesse pour des réactions simples et loi de vitesse intégrée Réactions d’ordre 0 Représentation graphique caractéristique d’une réaction de l’ordre 0 t1/2 = [A]0 2ak Variation de la concentration du réactif A en fonction du temps Demi-vie par définition : soit [A]0 = [A] - a k t1/2 2 donc [A]0 t1/2 = 2ak Notions cinétiques 26 Détermination de la loi de vitesse pour des réactions simples et loi de vitesse intégrée Réactions d’ordre 1 aA bB + cC Equation de vitesse 1 d[A] v== k[A]a = k[A]1 a dt d[A] / [A] = - k a dt ∫ d[A] / [A] = ∫ - k a dt = - k a ∫ dt ln [A] = - k a t + Cte A t = 0, [A] = [A]0 donc Cte = ln [A]0 Equation caractéristique d’une réaction de l’ordre 1 Ln [A] = - k a t + ln [A]0 = ln [A]0 - k a t avec k en s-1 Notions cinétiques: Ordre de réactions 27 Détermination de la loi de vitesse pour des réactions simples et loi de vitesse intégrée Réactions d’ordre 1 Pour une réaction d’ordre 1, la demi-vie du réactif A est indépendante de la concentration initiale. Variation de la concentration du réactif A en fonction du temps Représentation linéarisée Demi-vie par définition : En utilisant la représentation linéarisée Ln [A]0/2 = - k a t1/2 + ln [A]0 soit t1/2 = ln 2/ a k Notions cinétiques 28 Détermination de la loi de vitesse pour des réactions simples et loi de vitesse intégrée Réactions d’ordre 2 bB aA + cC Equation de vitesse v=- 1 d[A] = k[A]a = k[A]2 a dt d[A] / [A]2 = - k a dt ∫ d[A] / [A]2 = ∫ - k a dt = - k a ∫ dt 1/[A] = k a t + Cte A t = 0, [A] = [A]0 donc Cte = 1 / [A]0 Equation caractéristique d’une réaction de l’ordre 2 1/[A] - 1/[A]0 = k a t soit [A] = [A]0 / (1 + k a t [A]0) avec k en L mol-1 s-1 Notions cinétiques: Ordre de réactions 29 Détermination de la loi de vitesse pour des réactions simples et loi de vitesse intégrée Réactions d’ordre 2 Représentation linéarisée Variation de la concentration du réactif A en fonction du temps Demi-vie par définition : donc, Pour une réaction de l’ordre 2, la demi-vie est inversement proportionnel à la concentration initiale. 1 1 1 = a k t1/2 = [A]0 [A]0 [A]0 2 t1/2 = 1 a k [A]0 Notions cinétiques 30 Réaction élémentaire: aucun intermédiaire, en une seule étape (un seul état de transition), ordre partiel égal au coefficient stœchiométrique Exemple: réaction entre 3 atomes d’hydrogène Ha + Hb–Hc Ha–Hb + Hc (CA # : Ha Hb Hc) ● ● Energie du système, représentée par une surface de potentiel, dépend de dab et de dbc Ha Hb Hc Au cours de l’évolution de I à F, l’énergie du système tend à rester au plus bas, ce qui correspond à la courbe en pointillé, appelée chemin réactionnel. Sur ce chemin d’énergie minimale, on remarque un col noté CA# = complexe activé, ou encore état de transition. Pour passer de I à F, le système devra avoir suffisamment d’énergie cinétique pour franchir ce col. Notions cinétiques 31 Au lieu de représenter ces diagrammes énergétiques en 3 dimensions, on tracera le diagramme énergétique, ou encore profil réactionnel du système: énergie potentielle en fonction de la coordonnée réactionnelle, notée CR. On voit ainsi très bien l’état de transition (le col de la figure en 3D) qui apparaît comme un maximum. Energie d’activation Ea : DE entre le point de départ du profil et l’état de transition (voir la loi d’Arrhénius plus loin). Signification microscopique de Ea : barrière d’énergie à franchir pour qu’une réaction soit possible. Chocs efficaces : seuls les chocs entre A et BC qui apportent suffisamment d’énergie cinétique initiale (Ec) permettant de franchir la barrière (Ec > Ea), sont efficaces. Température et chocs efficaces : plus la température est élevée, plus Ec est grande et plus le nombre de chocs efficaces est important (interprétation de la loi d’Arrhénius). Notions cinétiques 32 loi de vitesse et mécanisme Une même réaction et deux ou plusieurs mécanismes ! Exemple: substitution nucléophile sur les dérivés halogénés des alcanes (RX) Bilan général : RX + Y- RY + X(Y- est le nucléophile, il va substituer X) Cette réaction peut avoir lieu selon deux mécanismes (dits « limites ») : SN1 ou SN2 selon les conditions opératoires, et le type RX et de Y- choisis Ex: CH3Cl + Br- CH3Br + Cl- Mécanisme SN2 (une seule étape élémentaire qui s’écrit comme le bilan) v = k [RCl] [Br-] (ordre 2) Pas d’IR H Br H + Cl H Br + H Cl H H H H k1 Cl étapes 1 et -1 Mécanisme SN1 (trois étapes élémentaires) Un seul IR = R+ v1 = k1 [RCl] ; v-1 = k-1 [R+][Cl-] v2 = k2 [R+][Br-] H k H k-1 H H + Cl H H + étape 2 H H Br k2 H Br H Notions cinétiques 33 loi de vitesse et mécanisme Dans le cas d’un mécanisme complet, il y a souvent plusieurs étapes élémentaires et chacune a son profil réactionnel. Par exemple, le mécanisme SN1est en deux étapes et donne le profil suivant : L’étape la plus lente est celle qui a une énergie d’activation plus élevée (étape 1) Notions cinétiques 34 loi de vitesse et mécanisme Contrôle cinétique / contrôle thermodynamique contrôle cinétique: énergie d’activation moins élevée (ici le produit C est obtenu plus rapidement) contrôle thermodynamique: produit plus stable du point de vue thermodynamique (ici le produit B est le plus stable) Notions cinétiques 35 Vitesse de réaction et la température Loi empirique d’Arrhenius k = A exp{-Ea/(RT)} E A: facteur préexponentiel; Ea: énergie d’activation; R: constante universelle des gaz parfaits; T: température en K Ea Réactifs Nobel Chimie 1903 DH Produits Coordonnés d’avancement - Ea/R lnk = lnA - Ea/(RT) R: 8,314 J⋅mol-1⋅K-1 Notions cinétiques 36 Vitesse de réaction et la température Loi empirique d’Arrhenius Exemple: Variation de ln k en fonction de 1/T ln k y = -6,0702x + 17,373 R² = 0,9997 4 Détermination du facteur pré-exponentiel à l’aide de l’ordonnée à l’origine de la droite 3,5 3 2,5 soit ln A = 17,4 A = 3,5 107 s-1 2 1,5 1 0,5 0 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 1/T 2,7 Détermination de l’énergie d’activation à l’aide de la pente de la droite (K-1) La courbe obtenue est une droite, donc la loi d’Arrhenius est vérifiée. soit - Ea / R = - 6,07 Ea = 50,4 kJ mol-1 Notions cinétiques 37 Catalyse Un catalyseur permet d’augmenter sensiblement la vitesse d’une réaction chimique. Le catalyseur n’apparaît jamais dans l’équation bilan de la réaction. S’il est consommé au cours d’une étape de la réaction il est ensuite régénéré au cours d’une étape ultérieure. Le catalyseur peut agir de deux manières principales : Soit en stabilisant l’état de transition en abaissant son énergie et donc l’énergie d’activation Soit en remplaçant une réaction lente par deux réactions plus rapides Le catalyseur ne modifie que le mécanisme réactionnel et la vitesse de la réaction. Les grandeurs thermodynamiques restent inchangées ! Notions cinétiques 38 Catalyse Energie Réaction non catalysée Catalyse par stabilisation de l’état de transition Catalyse par remplacement d’une réaction lente par deux plus rapides réactifs énergie de réaction produits Coordonnée réactionnelle Notions cinétiques 39 Bilan Définition de la vitesse et de l’avancement d’une réaction Réaction élémentaire et réaction complexe Ordre de réaction (0, 1 et 2) et la loi de vitesse Produit cinctique et produit thermodynamique Etat de transition et intermédiaire réactionnel Température et vitesse de réaction (loi d’Arrhenius) Catalyse et role de catalyseur