Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées mésomérie

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1 Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées mésomérie I. Notion quantiques de la liaison chimique Notion d électrons délocalisables 1. Notion d orbitales moléculaires 2. Types de recouvrement entre OA 3. Électrons délocalisables et notion de mésomérie (formules résonnantes ou formules mésomères) II. Écriture des formules résonnantes ou mésomères d une molécule 1. Convention d écriture et symbole de mouvement électronique 2. Mouvements de base des électrons délocalisables 3. Formules mésomères les plus représentatives d un édifice polyatomique III. La mésomérie, un outil pour l analyse des propriétés physicochimiques 1. Analyse des propriétés géométriques réelles des édifices polyatomiques 2. Analyse de la stabilité des édifices polyatomiques ioniques 3. Analyse de la réactivité des édifices polyatomiques IV. Systèmes délocalisés en chimie organique : notion de système conjugué 1. Notion de système conjugué 2. Stabilisation particulière des systèmes conjuguées Notion d énergie de résonance 3. Cas des espèces aromatiques Extrait du programme de seconde et de 1 ère S Notions Molécules organiques colorées : structure moléculaires, molécules à liaisons conjuguées. Capacités exigibles Reconnaître si deux doubles liaisons sont en position conjuguée dans une chaîne carbonée Établir un lien entre la structure moléculaire et le caractère coloré ou non coloré d une molécule. Extrait du programme de BCPST 1 Notions Caractéristiques de la liaison covalente. Mésomérie. Conjugaison et conséquences structurales. Aromaticité ; critère de Hückel. Capacités exigibles Comparer les densités de probabilité de présence et les énergies dans les liaisons sigma et pi. Écrire les formules résonnantes d une molécule. Utiliser la mésomérie et la conjugaison pour interpréter la géométrie et la réactivité. Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 1

2 Ce qu il faut retenir de ce chapitre Savoirs Forme mésomères = différentes modélisations d une même molécule. Une charge formelle délocalisable sur une grande partie de la molécule est un facteur de stabilité. Notions quantiques de la liaison chimique (liaisons ). Système délocalisés de base et systèmes conjugués en chimie organique. Énergie de résonance (molécule linéaire et de type aromatique). Critère de Hückel de l aromaticité et critère en RMN. et Savoir-faire Passer d une forme mésomère à l autre en utilisant le formalisme des flèches courbes de mouvement électronique. Trouver les formes mésomères les plus représentatives d une molécule. Analyser la géométrie d une molécule (distances de liaison, angles, etc.) à l aide des formules mésomères. Savoir analyser la réactivité d une molécule à l aide des formes mésomères. Comparer la stabilité relative de composés grâce aux formes mésomères. Reconnaître un système conjugué, aromatique. Déterminer l énergie de résonance d un système conjugué. Extraits de rapports de jury du concours AGRO-VETO - Il ne faut pas confondre les flèches d écriture d un équilibre chimique avec la flèche d écriture des formes mésomères. - Le jury attache une importance particulière à la justesse des flèches courbes de déplacement d électrons, à l écriture des charges formelles et des doublets électroniques liants et non-liant d une molécule. - Le caractère coloré des molécules qui présentent un système conjugué étendu est généralement identifié. - Question sur la géométrie de l ion phosphate : si les formules mésomères sont, souvent écrites de façon correcte, l égalité des longueurs de liaison d une part et des angles d autre part sont moins bien perçues. Introduction La notion de liaison covalente localisée n est pas une bonne image de la réalité. Il n est pas possible de localiser avec précision un électron, même s il est engagé dans une liaison. Cependant certains électrons des liaisons ont des probabilités beaucoup plus fortes de se situer entre les atomes liés que d autres. Certains électrons seront donc considérés comme localisés et d autres comme délocalisables. Cette délocalisation sera modélisée grâce à la notion de mésomérie. Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 2

3 I. Notion quantiques de la liaison chimique Notion d électrons délocalisables 1. Notion d orbitales moléculaires La mécanique quantique permet de déterminer les différentes possibilités de placer des électrons autour d un atome, ces possibilités sont traduites par des orbitales atomiques (OA) associées à différents niveaux d énergie. De la même manière, grâce à l équation de Schrödinger on peut déterminer les niveaux énergétiques des électrons au sein d une molécule associés à des orbitales moléculaires (OM). Chaque orbitale moléculaire permet de décrire la densité de probabilité de présence de l électron s y trouvant. On combine les OA de valence des atomes liés. Règles : Comment se construisent les orbitales moléculaires? - On combine les OA de même symétrie et d énergie voisine. - La combinaison de deux OA conduit à deux orbitales moléculaires (OM) : une liante (+ stable que les OA de départ), une anti-liante (- moins stable que les OA de départ). Le doublet liant occupera l OM liante. Principe de recouvrement maximum Plus le recouvrement des nuages électroniques est important (distance internucléaire faible), plus la liaison formée est forte. 2. Types de recouvrement entre OA a. Recouvrement axial : OM de type Figure 1 : Représentation des orbitales de valence atomiques et moléculaires pour quelques molécules diatomiques Définition : Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 3

4 b. Recouvrement latéral : OM de type Figure 2 : Représentation des orbitales de valence atomiques et moléculaires dans la molécule de diazote Définition : c. Molécules polyatomiques La recherche d orbitale moléculaires des molécules polyatomiques est plus complexe. Nous nous contenterons de définir les types de liaisons grâce aux schémas de Lewis. Exemples sur la chimie du carbone : Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 4

5 d. Comparaison entre les deux types de liaison Analyse de la densité de présence de l électron Liaison Longueur de liaison moyenne (pm) Analyse de la densité de probabilité de présence de l électron : Tableau 1 : Longueur moyenne des liaisons CC Liaison Énergie de liaison moyenne ( ) Analyse de l énergie de liaison Tableau 2 : Énergie moyenne des liaisons CC Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 5

6 3. Électrons délocalisables et notion de mésomérie (formules résonnantes ou formules mésomères) a. Exemple : buta-1,3-diène b. Squelette de la molécule et électrons délocalisables Squelette de l édifice polyatomique Électrons délocalisables Un électron célibataire dans les radicaux peut être délocalisable, s il est placé dans une orbitale qui recouvre une orbitale. Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 6

7 Formules résonnantes (ou mésomères ou limites) d un édifice polyatomique II. Écriture des formules résonnantes ou mésomères d une molécule 1. Convention d écriture et symbole de mouvement électronique Pour obtenir l ensemble des formules mésomères d une molécule grâce au formalisme des flèches courbes, il suffit de représenter une structure de Lewis et de déplacer les doublets d électrons délocalisables afin d obtenir les autres représentations. Conventions - Le passage d une forme mésomère à une autre n est pas un équilibre chimique ( ), ni l étape d un mécanisme réactionnel ( ), on représente juste plusieurs structures modélisant la même molécule (d où l utilisation d un autre type de flèche ). - Une flèche courbe, de mouvement électronique, doit toujours partir d un doublet d électrons (ou d un électron célibataire dans le cas des radicaux), et JAMAIS d une lacune électronique ou d un atome. - La nouvelle forme mésomère représenté doit respecter les règles de Lewis : pas plus d un octet autour de chaque atome sauf quand l hypervalence est possible. - Vous devez penser à modifier les charges formelles sur la nouvelle forme de Lewis. Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 7

8 2. Mouvements de base des électrons délocalisables a. Doublet doublet Ex sans hypervalence : ion imminium Ex avec hypervalence : ion phosphate Attention : une lacune électronique n est pas toujours associé à une charge +, une charge + n est pas toujours associée à une lacune. b. Doublet doublet Exemple : méthanal c. Migration d un doublet Exemple : propénal d. Combinaison des mouvements de base Exemple : propénal Attention, on ne peut pas effectuer une migration s il n y a pas une lacune électronique ou possibilité de délocaliser un autre doublet. La migration nécessiterai la rupture d une liaison pour lui laisser la place : dans ce cas vous détruisez le squelette de la molécule (vous êtes donc en train de transformer la molécule). Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 8

9 3. Formules mésomères les plus représentatives d un édifice polyatomique Propriété Règles concernant le poids statistique des formules Les formules de plus fort poids statistique sont, dans l ordre : - celles qui font respecter la règle de l octet à un maximum d atomes (atomes hypervalents exclus), - celles qui comportent le moins de charges formelles, - celles qui attribuent les charges négatives aux atomes les plus électronégatifs et les charges positives aux moins électronégatifs, Reprendre les exemples précédents et appliquer ces règles III. La mésomérie, un outil pour l analyse des propriétés physicochimiques Représenter les formules mésomères d une molécule n est pas une fin en soit. On s attachera à représenter plusieurs formules mésomères d une molécule pour justifier des propriétés spécifiques 1. Analyse des propriétés géométriques réelles des édifices polyatomiques La géométrie réelle des molécules peut être différente de ce que la théorie VSEPR prévoit, l analyse des formules mésomères permet de prévoir ses différences. 2. Analyse de la stabilité des édifices polyatomiques ioniques Propriété Un ion polyatomique est d autant plus stable que sa charge est délocalisée sur un grand nombre d atomes 3. Analyse de la réactivité des édifices polyatomiques La détermination des sites réactifs d une molécule, en chimie organique en particulier, se fait à l aide de ses différentes formules mésomères. Deux cas classiques : - Les sites donneurs de doublet d électrons d une molécule (dits nucléophile) sont souvent des atomes possédant un doublet non liant : pour trouver tous les sites nucléophiles d une molécule il faut trouver toutes les formules mésomères (assez représentatives) permettant de délocaliser le doublet non liant (et uniquement celleslà). - Certains sites accepteurs de doublet d électrons d une molécule (dits électrophile) sont des atomes possédant une lacune électronique : pour trouver tous les sites électrophiles d une molécule il faut trouver toutes les formules mésomères (assez représentatives) permettant de délocaliser la lacune (et uniquement celles-là). Ex. d application 1 Ex. d application 2 Ex. d application 3 et 4 Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 9

10 IV. Systèmes délocalisés en chimie organique : notion de système conjugué 1. Notion de système conjugué Quatre systèmes délocalisés de base permettent d avoir une vue d ensemble des systèmes délocalisés sur les molécules organiques. Ils sont représentés dans le tableau 3. désigne le nombre d atomes impliqués dans le système (ou le nombre d orbitales atomiques impliquées dans le système) et le nombre d électrons impliqués dans la délocalisation). description exemple nom Représentation des orbitales double liaison liaison multiple + liaison simple + atome porteur d une lacune liaison multiple + liaison simple + atome porteur d un doublet non liant Liaison multiple + simple + multiple système simple système de type allylique à électrons système de type allylique à électrons système de type butadiène Tableau 3 : Quatre systèmes délocalisés de base A partir de ces éléments de base, on peut construire les formules mésomères de systèmes délocalisés plus complexes. On parle alors de systèmes conjugués. Les mouvements électroniques peuvent être représentés pas à pas, ou en cascade. Système conjugué Ex. d application 5 Exemple : Dans l exemple ci-dessous, le système conjugué comporte électrons délocalisations participant à un système conjugué sur atomes. On peut représenter plusieurs formules mésomères de cette molécule en représentant des mouvements électroniques pas à pas, ou uniquement les deux plus représentatives grâce à un mouvement en cascade. Figure 3 : Exemples de formules mésomères d un système conjugué Figure 4 : Représentation directe des deux formes mésomères les plus représentatives Figure 5 : Représentation des recouvrements latéraux des OA p Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 10

11 Propriétés Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 11

12 2. Stabilisation particulière des systèmes conjuguées Notion d énergie de résonance a. Observation expérimentales Le terme «énergie d une molécule» n a strictement aucun sens. L énergie est une grandeur définie à une constante près. Par conséquent, nous ne pouvons évaluer que des variations d énergie lors d une transformation de la molécule. Afin de pouvoir faire des comparaisons qui ont un sens, il faut se fixer, par exemple, une réaction identique pour tous les composés à comparer. Le plus simple pour des composés hydrocarbonés possédant au moins une double liaison, est d analyser la réaction d addition du dihydrogène sur la double liaison. L analyse thermodynamique du transfert thermique reçu par l ensemble des molécules au cours du processus permet de déterminer les variations d énergie. Tous les réactifs et produits étant en phase gazeuse. Au cours de la transformation d une mole de la molécule organique, on observe une variation d énergie molaire ordres de grandeur répertoriés dans le tableau suivant : réaction. On a alors les Figure 5 : Schéma général d une réaction d hydrogénation d une double liaison C=C Ces réactions font intervenir un composé avec une double liaison (réaction 1), deux doubles liaisons conjuguées (réaction 4) ou non conjuguées (réaction 3). Observations Les résultats précédents peuvent être réunis sur le graphique suivant : Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 12

13 b. Énergie de résonance Définition et propriété 3. Cas des composés aromatiques a. Présentation du benzène La molécule dite aromatique la plus simple est le benzène, dont les deux formules mésomères les plus représentatives sont représentées figure 6. Figure 6 : Formules mésomères du benzène Le système des liaisons du benzène est délocalisé sur les 6 atomes de carbone de la molécule. b. Énergie de résonance du benzène La variation d énergie lors de l hydrogénation du cyclohexène selon le processus présenté figure 7 est de. La variation d énergie lors de l hydrogénation du benzène est de. Figure 7 : Réaction d hydrogénation du cyclohexène Un graphique analogue au cas des molécules linéaires peut être construit et permet de déterminer l énergie de résonnance du benzène. Ces deux formes mésomères mettent clairement en évidence que chaque liaison CC est un intermédiaire entre une simple et une double liaison. Elle montre aussi que la molécule est parfaitement symétrique : toutes les liaisons CC ont la même longueur, et tous les atomes de carbone sont donc de même nature. On pourrait donc proposer un hybride de résonance : représentation qui n est plus utilisé aujourd hui. Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 13

14 Propriété c. Critères d aromaticité L application de la mécanique quantique à l étude des molécules a permis de dégager un critère théorique (dit critère de Hückel) pour reconnaître une molécule aromatique à la seule vue de sa structure de Lewis. Critère d aromaticité de Hückel Une espèce chimique est aromatique et possède une stabilisation supplémentaire si : Ex. d application 5 Le benzène possède bien ces trois caractéristiques (avec ), et est donc aromatique au sens de Hückel. La figure 8 propose quelques exemples de molécules et d ions possédant le critère d aromaticité. Figure 8 : Quelques molécules ou ions aromatiques L application du critère de Hückel peut parfois conduire à déterminer que des molécules sont aromatiques, alors que leur énergie de résonance est bien trop faible. Un critère plus moderne pour déterminer le caractère d aromaticité d une molécule est purement expérimental, et repose sur la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), car les atomes d hydrogène donnent un signal de résonance à une fréquence bien particulière liée aux propriétés magnétiques du cycle aromatique. Critère d aromaticité plus moderne : basé sur la RMN du proton effet de déblindage (cf. révision sur la RMN). Structure de la matière Chapitre 4 : Liaisons covalentes délocalisées Mésomérie Page 14