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Pourquoi les mécanismes comptent

Une équation de réaction dit ce qui entre et ce qui sort. Un mécanisme dit comment : quelles liaisons se rompent, lesquelles se forment, dans quel ordre et par quels intermédiaires. C'est ce qui permet de prévoir des produits jamais vus, d'expliquer la stéréochimie et de choisir les conditions.

Presque toute réaction organique polaire répète le même événement : un atome riche en électrons partage un doublet avec un atome pauvre en électrons. Apprenez à repérer ces deux partenaires et vous lirez la plupart des mécanismes.

Nucléophiles, électrophiles et flèches courbes

Un nucléophile est riche en électrons et cède un doublet : doublet non liant sur un oxygène ou un azote, charge négative ou liaison π. Hydroxyde, cyanure, amines, énolates et alcènes en sont des exemples. Un électrophile est pauvre en électrons et accepte le doublet : carbone d'un carbonyle, carbocation, carbone d'un halogénoalcane ou proton.

Les flèches courbes montrent le déplacement d'un doublet. Chaque flèche part des électrons, doublet non liant ou liaison, et aboutit là où ils vont, un atome ou l'espace entre deux atomes où se forme une liaison. Une flèche ne part jamais d'un noyau ni d'une charge positive. Comptez les charges après chaque étape : la charge totale doit être la même des deux côtés.

Substitution : SN2 et SN1

Dans une SN2, le nucléophile attaque le carbone du côté opposé au groupe partant, et l'ancienne liaison se rompt pendant que la nouvelle se forme, en une seule étape. La vitesse dépend des deux partenaires, v = k[substrat][nucléophile], et la configuration du carbone s'inverse. L'encombrement stérique la freine fortement : les substrats méthyliques et primaires réagissent le plus vite, les tertiaires pratiquement pas. Les solvants polaires aprotiques comme le DMSO ou l'acétone aident, car ils ne solvatent pas fortement le nucléophile.

Dans une SN1, le groupe partant s'en va d'abord, formant un carbocation plan que le nucléophile attaque ensuite par l'une ou l'autre face. La vitesse ne dépend que du substrat, v = k[substrat], et un stéréocentre est généralement en grande partie racémisé. Les substrats tertiaires, allyliques et benzyliques, qui donnent des carbocations stabilisés, suivent cette voie, surtout dans les solvants polaires protiques comme l'eau ou les alcools. Les carbocations peuvent aussi se réarranger par migration d'hydrure ou d'alkyle vers un cation plus stable avant l'arrivée du nucléophile.

Dans les deux cas, le groupe partant compte : les bons groupes partants sont des bases faibles. Iodure, bromure, tosylate et eau (issue d'un alcool protoné) partent bien ; hydroxyde et alcoolate non, d'où l'activation des alcools avant substitution.

Élimination : E2 et E1

Au lieu d'attaquer le carbone, une base peut arracher un proton voisin du carbone portant le groupe partant et former une double liaison C=C. En E2 cela se fait en une étape, et le proton et le groupe partant doivent être antipériplanaires. Les bases fortes la favorisent ; les bases encombrées comme le tert-butanolate de potassium privilégient l'élimination sur la substitution et donnent souvent l'alcène le moins substitué.

L'E1 passe par le même carbocation que la SN1 et lui fait concurrence ; la chaleur favorise l'élimination. En règle générale, l'E1 et la plupart des E2 donnent l'alcène le plus substitué et le plus stable (règle de Zaïtsev).

Chimie des carbonyles

Le carbone du carbonyle est l'électrophile le plus important de la chimie organique. Les nucléophiles s'y additionnent pour donner un intermédiaire tétraédrique. Avec les aldéhydes et les cétones, qui n'ont pas de groupe partant, l'intermédiaire est le plus souvent protoné en alcool ; c'est ainsi qu'agissent les organomagnésiens et les réductions par les hydrures.

Les dérivés d'acides carboxyliques portent un groupe partant : l'intermédiaire tétraédrique se réarrange et l'expulse. C'est la substitution nucléophile sur un acyle. La réactivité suit l'aptitude du groupe partant : chlorures d'acyle > anhydrides > esters > amides. Cet ordre indique les conversions faciles, comme chlorure d'acyle vers ester, et celles qui exigent des conditions dures, comme l'hydrolyse d'un amide.

Un carbone voisin d'un carbonyle est faiblement acide, et sa base conjuguée, un énolate, est un nucléophile carboné. Quand un énolate attaque un autre carbonyle, on obtient l'aldolisation, l'une des principales façons de créer des liaisons C–C.

Substitution aromatique

Les cycles benzéniques sont aussi nucléophiles, mais réticents, car réagir leur coûte leur stabilité aromatique. Dans la substitution électrophile aromatique, le cycle attaque un électrophile fort comme l'ion nitronium ; l'intermédiaire cationique perd vite un proton et redevient aromatique. Les substituants déjà présents décident où va le suivant : les groupes donneurs comme –OH ou –CH3 orientent en ortho et para et accélèrent la réaction ; la plupart des groupes attracteurs comme –NO2 orientent en méta et la ralentissent.

Comment aborder un mécanisme nouveau

Dessinez tous les doublets non liants et les charges. Trouvez le meilleur nucléophile et le meilleur électrophile dans les conditions données. Tracez une étape à la fois avec des flèches courbes et vérifiez charges et atomes après chacune. Demandez-vous si un intermédiaire serait stable ; si une étape crée un carbocation primaire, cherchez une autre voie. Enfin, confrontez le produit aux conditions : acide, base, chaleur et solvant laissent leur empreinte sur le mécanisme.