CHIMIE ET DEVELOPPEMENT DURABLE Synthèses chimiques CHAPITRE I : DU MACROSCOPIQUE AU MICROSCOPIQUE DANS LES SYNTHESES I. Aspect macroscopique d une transformation Toutes les réactions (réactions d oxydo-réduction, réactions acide-base, autres réactions telles que estérification,.) sont classées en 3 grandes catégories : Addition, substitution et élimination. 1. L addition : Initialement, 1 atome de carbone est lié à 3 atomes. Il appartient à 1 double liaison. Après addition, l atome de C est lié à 4 atomes donc une double liaison est détruite. Exemples : 2. La substitution : Initialement, un atome de C est lié à quatre atomes. Après réaction, l atome de C est toujours lié à 4 atomes mais un des atomes a été substitué ou remplacé par un autre. Exemple : 3. L élimination : Initialement, un atome de C est lié à quatre atomes. Après réaction, l atome de C est lié à 3 atomes : une double liaison se crée. On peut parler d élimination si on forme un doublet non liant au lieu d une double liaison.
Exemple : 4. Rappels sur les réactions acide-base : Une réaction acido-basique est une réaction au cours de laquelle l'acide AH 1 d'un couple AH 1 /A 1 échange un proton avec la base conjuguée A 2 d'un couple AH 2 / A 2 qui s'écrit : AH 1 + A 2 AH 2 +A 1 Exemple : II. Polarité des liaisons 1. Électronégativité d un élément chimique. L électronégativité d un élément traduit la tendance d un atome A de cet élément à attirer le doublet d électrons d une liaison covalente qu il forme avec un autre atome B. Plus un élément est électronégatif, plus il attire à lui le doublet d électrons de la liaison covalente. L électronégativité varie selon la place de l élément dans la classification périodique, ceci à l exception des gaz nobles. Cette propriété est liée à la règle du duet et de l octet. Il existe plusieurs échelles d électronégativités. On utilise le plus souvent l échelle d électronégativité de Pauling. Sur une même ligne, l électronégativité augmente de gauche à droite. Dans une même colonne, elle augmente de bas en haut. Echelle d électronégativité (selon Pauling) 1 2 13 14 15 16 17 H 2,2 Li 1,0 Na 0,9 Be 1,6 Mg 1,3 B 2,0 Al 1,6 C 2,6 Si 1,9 N 3,0 P 2,2 O 3,4 S 2,6 F 4,0 Cl 3,2
2. Polarisation d une liaison. a. Apparition de charges partielles : Exemple : La molécule de chlorure d hydrogène. Le chlore est beaucoup plus électronégatif que l hydrogène. Il attire vers lui le doublet de liaison : on dit que la liaison H Cl est polarisée. Cette polarisation fait apparaître : Un excédent de charge positive, noté + q = 2,8 x 10 20 C, sur l atome d hydrogène. Un excédent de charge négative, noté q = 2,8 x 10 20 C, sur l atome de chlore. La charge q est inférieure à la charge élémentaire e = 1,6 x 10 19 C, q représente une charge partielle. La polarisation de la liaison peut être décrite par la donnée des charges partielles : On écrit : q = δ. e La charge δ. e est portée par l atome de moins électronégatif et est notée : La charge δ. e est portée par l atome de plus électronégatif et est notée : Représentation : b. Dipôle électrique : H Cl La molécule de chlorure d hydrogène a un caractère dipolaire : elle constitue un dipôle électrique. Un dipôle électrique est l ensemble constitué par 2 charges électriques opposées q et + q séparées par la distance d. c. Généralisation : Une liaison covalente est polarisée lorsque les deux atomes liés ont des électronégativités différentes. La détermination de la polarisation d une liaison A B se fait en attribuant à l atome le plus électronégatif une charge partielle négative δ - et à l atome le moins électronégatif une charge partielle positive δ +. Plus la différence d électronégativité est importante entre les atomes liés, plus la liaison est polarisée et plus les charges partielles portées par les atomes sont élevées.
III. Identifier un site donneur ou accepteur de doublet d électrons. 1. Site donneur de doublet d électrons (ou site nucléophile). a. L ion hydroxyde : HO. L atome d oxygène : - Possède trois doublets non liants et un doublet liant (il respecte la règle de l octet). - Porte une charge électrique négative. - Est un site riche en électrons b. La molécule d eau : L atome d oxygène constitue un site riche en électrons : c est un site donneur de doublet d électrons. c. Généralisation : Dans un édifice, un atome porteur de doublet(s) non liant(s) ou porteur d une charge électrique négative constitue un site donneur de doublet d électrons. Une liaison multiple constitue aussi un site nucléophile.(exemple éthène) 2. Site accepteur de doublet d électrons.(ou site électrophile) Dans un édifice, un atome porteur de charge électrique positive élémentaire (atome appauvri en électrons) constitue un site accepteur de doublet d électrons. IV. Aspect microscopique des transformations : Interactions entre site donneur et accepteur d électrons. 1. Mécanisme d une réaction chimique. À l échelle microscopique, le passage des réactifs aux produits peut nécessiter plusieurs réactions ou étapes. Ces étapes constituent le mécanisme réactionnel. L étude de l interaction entre sites donneur et accepteur de doublet d électrons permet d interpréter les étapes d un mécanisme réactionnel.
2. Déplacements électroniques au cours d un mécanisme réactionnel Dans un mécanisme réactionnel, on traduit la migration d électrons à l aide d une flèche courbe : 3. Méthodologie pour représenter les déplacements électroniques : Ecrire les représentations de Lewis des entités chimiques en faisant bien apparaître les doublets non liants, les lacunes électroniques et charges (+ ou -) et les charges partielles ( + et -, en tenant compte de l électronégativité). Reconnaître les sites nucléophiles et les sites électrophiles. Représenter la migration des électrons. 4. Exemple : Réaction entre la N,N-diéthyléthanamine et le chlorométhane. La N,N- diéthyléthanamine : - Le chlorométhane : Réaction chimique : (C 2 H 5 ) 3 N + CH 3 Cl + Mécanisme réactionnel : La réaction résulte de l interaction entre le site donneur de doublet d électrons et le site accepteur de doublet d électrons.
La flèche courbe (bleue), orientée du doublet non liant de l atome d azote vers l atome de carbone de la molécule de chlorométhane, représente le mouvement du doublet d électrons mis en jeu lors de l interaction entre le site donneur de doublet d électrons et le site accepteur de doublet d électrons. Elle permet d expliquer la formation de la nouvelle liaison C N dans le cation obtenu. La formation de cette liaison C N entraîne automatiquement la rupture de la liaison C Cl afin que l atome de carbone respecte la règle de l OCTET. La flèche courbe (rouge) orientée du doublet liant C Cl vers l atome de chlore Cl représente le mouvement du doublet d électrons correspondant : il se forme alors l ion chlorure Cl. 5. Bilan et généralisation : Sites donneurs et sites accepteurs de doublet d électrons : Mouvements d électrons au cours de la formation et de la rupture de liaisons :