Pour comprendre la façon dont les molécules réagissent entre elles, il faut étudier les phénomènes qui ont lieu au cours des réactions chimiques. Ainsi, il a été possible de définir des critères permettant de classer les réactions en fonction des modifications que subissent les molécules. Cependant, il a aussi fallu étudier le comportement des molécules au niveau microscopique pour comprendre les mécanismes impliqués dans la réactivité des différentes molécules afin d'améliorer les procédés de synthèse et d'en découvrir de nouveaux.
Les aspects macroscopiques des transformations
Les deux types de réactions
On distingue deux types de réactions chimiques :
- Les réactions de modification de la chaîne carbonée
- Les réactions de modification des groupes fonctionnels
Les modifications de chaîne
La chaîne carbonée est différente en fonction du type et de la famille de la chaîne. Ainsi, une chaîne peut être :
- De type linéaire (saturée ou insaturée)
- De type ramifiée (saturée ou insaturée)
- De type cyclique (saturée ou insaturée)
Les différents types de chaîne
Les réactions de modification de chaîne sont de trois natures différentes :
- Les réactions de polymérisation qui consistent à allonger une chaîne par assemblage de chaînes courtes.
- Les réactions de craquage qui consistent à réduire une chaîne en la "cassant".
- Les réactions de reformage qui consistent à modifier le type de la chaîne (en conservant le même nombre d'atomes).
Réaction de polymérisation du styrène
Réaction de craquage de l'hexane
Réaction de reformage avec la cyclisation de l'hexane
Les modifications de groupe fonctionnel
Les réactions de modification de groupe fonctionnel désignent des réactions qui font intervenir les groupes fonctionnels d'une molécule au cours desquelles ils sont transformés.
Voici une réaction au cours de laquelle la fonction alcool de l'éthanol est transformée en fonction acide carboxylique :
Réaction d'oxydation ménagée d'un alcool primaire
Les grandes catégories de réactions
Les réactions en chimie organique peuvent être classées en trois catégories en fonction de la nature des réactifs et des produits :
- Les réactions d'addition
- Les réactions d'élimination
- Les réactions de substitution
La réaction d'addition
Réaction d'addition
Une réaction d'addition est une réaction qui consiste à ajouter un groupe d'atomes à une molécule en transformant une liaison double en une liaison simple.
La réaction entre le but-2-ène et l'acide chlorhydrique est une réaction d'addition appelée halogénation :
Halogénation du but-2-ène
Un atome d'hydrogène se fixe à un des carbones de la double liaison et un atome de chlore se fixe sur l'autre.
La réaction d'élimination
Réaction d'élimination
Une réaction d'élimination est une réaction au cours de laquelle un groupe d'atomes est retiré d'une molécule pour former une liaison double. La réaction d'élimination est l'inverse de la réaction d'addition.
L'éthanol subit une réaction d'élimination, en présence d'acide sulfurique pour des températures de plus de 160°C, appelée déshydratation :
Déshydratation de l'éthanol
La molécule d'éthanol "perd" son groupement \ce{OH}, appelé groupement hydroxyle, et un hydrogène et il se forme une double liaison.
Les réactions de substitution
Réaction de substitution
Une réaction de substitution est une réaction au cours de laquelle un groupe d'atomes appartenant à une molécule est remplacé par un groupe d'atomes appartenant à une autre molécule.
L'éthanol peut subir une réaction d'halogénation par substitution :
Halogénation de l'éthanol par substitution
Le groupement hydroxyle \ce{OH} est remplacé par un atome de chlore.
Les aspects microscopiques des transformations
La polarité d'une liaison
Électronégativité
L'électronégativité est une grandeur sans dimension permettant d'évaluer la capacité d'un élément chimique à attirer vers lui les électrons de la liaison à laquelle il participe. L'échelle d'électronégativité la plus utilisée est l'échelle de Pauling.
Voici l'évolution de l'électronégativité pour les trois premières lignes du tableau périodique des éléments d'après l'échelle de Pauling :
| H 2,2 | ||||||
| Li 1,0 | Be 1,6 | B 2,0 | C 2,6 | N 3,0 | O 3,4 | F 4,0 |
| Na 0,9 | Mg 1,3 | Al 1,6 | Si 1,9 | P 2,2 | S 2,6 | Cl 3,2 |
Liaison polarisée (ou polaire)
Une liaison covalente entre deux atomes est polarisée si la différence d'électronégativité entre ces deux atomes est supérieure à 0,4. L'atome le plus électronégatif porte la charge partielle \delta ^-, et le moins électronégatif porte la charge partielle \delta ^+.
Voici quelques exemples de liaisons polarisées fréquemment rencontrées en chimie organique :
| Liaison | Différence d'électronégativité | Polarisation |
|---|---|---|
| \ce{C-H} | 0,4 | Pas de polarisation |
| \ce{C-N} | 0,4 | Pas de polarisation |
| \ce{C-Cl} | 0,6 | \ce{^{\delta^{+}}C-Cl^{\delta^{-}}} |
| \ce{C-O} | 0,8 | \ce{^{\delta^{+}}C-O^{\delta^{-}}} |
| \ce{N-H} | 0,8 | \ce{^{\delta^{-}}N-H^{\delta^{+}}} |
| \ce{O-H} | 1,2 | \ce{^{\delta^{-}}O-H^{\delta^{+}}} |
Ces valeurs ne sont pas à connaître. Les valeurs d'électronégativité sont données dans des tables.
Plus la différence d'électronégativité est grande (donc plus la liaison est polarisée), plus le groupe d'atomes sera réactif.
Il est plus facile d'éliminer un groupe hydroxyle qu'un groupe méthyle car, entre autres, la liaison C-OH est plus fortement polarisée que la liaison \ce{C-CH3}.
Les sites donneurs et les sites accepteurs de doublet d'électrons
Site donneur de doublet d'électrons
Un site donneur de doublet d'électrons est un site riche en électrons (forte densité électronique). Il peut être localisé :
- Sur un atome possédant au moins un doublet non liant
- Entre deux atomes engagés dans une liaison multiple
L'atome d'oxygène du groupement carbonyle (\ce{CO}) est un très bon site donneur de doublet d'électrons puisqu'il possède deux doublets non liants et est engagé dans une double liaison :
Site accepteur de doublet d'électrons
Un site accepteur de doublet d'électrons est un site pauvre en électrons (faible densité électronique). Il peut être localisé sur un atome possédant une charge positive (entière ou partielle).
Le carbone du groupement carbonyle (\ce{CO}) est un site accepteur de doublet d'électrons car l'oxygène a une densité électronique très forte au point que le carbone a une charge partielle positive presque entière :
Le mouvement des doublets d'électrons lors d'un mécanisme réactionnel
Mécanisme réactionnel
Un mécanisme réactionnel décrit la formation et la rupture des liaisons au cours d'une réaction chimique à l'échelle microscopique. Il se découpe en plusieurs étapes successives traduisant l'ordre chronologique des événements.
Au cours d'un mécanisme, la formation ou la rupture de liaisons sont dues aux déplacements des doublets d'électrons. Pour représenter ces déplacements, on utilise le modèle de la flèche courbe.
La modélisation des déplacements de doublet d'électrons lors d'une étape d'un mécanisme réactionnel par la flèche courbe respecte les règles suivantes :
- La flèche courbe part toujours d'un site donneur de doublet d'électrons pour aller vers un site accepteur de doublet d'électrons.
- Chaque flèche représente le mouvement d'un seul doublet.
- Au cours d'une même étape, il est possible que plusieurs doublets se déplacent afin de respecter la règle de l'octet. Il faut alors représenter le mouvement de tous les doublets.
On considère la molécule d'éthanol \ce{C2H5OH}. Le carbone portant la fonction alcool est un site accepteur car il porte une charge partielle \delta^+ et l'oxygène est un site donneur car il porte deux doublets non liants :
On veut substituer le groupement hydroxyle de l'éthanol par un atome de chlore. Pour cela, on utilise l'acide chlorhydrique. L'atome de chlore est un site donneur car il possède des doublets non liants :
Il y aura donc mouvement d'un doublet d'électrons de l'atome de chlore vers le carbone fonctionnel :
Le carbone se retrouvant avec cinq liaisons, il ne respecte plus la règle de l'octet. Le groupement d'atomes lié au carbone par la liaison la plus polarisée (donc la liaison \ce{C-O} ) se rompt, les électrons allant vers l'atome le plus électronégatif (donc l'oxygène) :
La molécule ainsi obtenue est le chloroéthane et le sous-produit de la réaction est l'eau.