Structure et réactivité | Chimie organique 1

La structure et la réactivité en chimie organique sont étudiées dans ce chapitre : les acides / bases de Bronsted, la force des acides, les acides / bases de Lewis, les nucléophiles et les électrophiles, les groupes fonctionnels chimiques, les types d'isomères, les types de flèches, la rupture hétérolytique et homolytique.

Acides / Bases de Bronsted

Acide de Bronsted :

Un acide de Bronsted est un donneur de proton et contient donc un atome d'hydrogène. Une perte de proton de l'acide forme sa base conjuguée. Des exemples courants d'acides de Bronsted sont HCl, H2SO4, H3O+, acide acétique (CH3COOH), acide p-toluènesulfonique (TsOH)

Base de Bronsted :

Une base de Bronsted est un accepteur de proton. Elle doit être capable de former une liaison avec un proton en donnant une paire d'électrons disponible. Un gain de proton par une base forme son acide conjugué. Des exemples courants de bases de Bronsted sont HO-, RO-, H2N-, R2N-, H-

 

Force des acides

A strong acid readily donates a proton, forming a weak conjugate base. The more easily an acid donates a proton, the smaller its pKa, the stronger it is. An acid can be deprotonated by the conjugate base of any acid with a higher pKa
 

Base stability:

The more stable a base is, the weaker the base and the stronger the conjugate acid. The effects that affect the stability of a base are:

  • Resonance effects: the more forms a chemical compound has, the more stable it is
  • Hybridization effect: lone pairs of electrons are stabilized by the s character of the orbital (25 % in sp3, 33 % in sp2, and 50% in sp). Therefore, the increase in basicity correlates with hybridization as follows: sp < sp2 < sp3
  • Inductive effect: bases are stabilized by electron-withdrawing inductive effect (-I effect)
     

How to compare the acidity of 2 acids:

  1. Draw the conjugate bases corresponding

  2. Determine which conjugate base is more stable

  3. Determine which acid is stronger: the more stable the conjugate base, the stronger the acid

 

Compare the acidity of the 2 following acids:
 

 

1. Draw the conjugate bases:


 

2. Compare their stability:


A stabilized by resonance effect

3. Determine the strongest acid:

 

Acides / Bases de Lewis

Acide de Lewis :

Un acide de Lewis est un accepteur de paire d'électrons. Il doit avoir une couche de valence incomplète, une charge partielle positive ou un proton. Parmi les exemples courants d'acides de Lewis, on trouve BF3, AlCl3, +CR3, H+.

Base de Lewis :

Une base de Lewis est un donneur de paire d'électrons et contient donc une paire d'électrons libre ou une liaison π. Elle fait don de cette paire d'électrons à n'importe quel composé en déficit d'électrons. Parmi les exemples courants de bases de Lewis, on trouve HO-, RO-, NH3, NR3, -NH2, H2O.

Nucléophile vs. Électrophile

Nucléophile :

Une espèce riche en électrons qui peut former une liaison covalente en donnant une paire d'électrons à un atome appauvri en électrons. Un nucléophile peut être neutre ou chargé négativement et est généralement symbolisé par Nu-. Les bases de Lewis sont des nucléophiles, et les paires d'électrons et les liaisons π sont des sites nucléophiles
 

 

Électrophile :

Une espèce appauvrie en électrons qui peut former une liaison covalente en acceptant une paire d'électrons d'un nucléophile. Un électrophile peut être neutre ou chargé positivement et est généralement symbolisé par E+. Les acides de Lewis sont des électrophiles. Les hétéroatomes électronégatifs tels que N, O ou les halogènes X créent des atomes de carbone électrophiles
 

Groupes fonctionnels

Groupe fonctionnel: 

Un atome ou un groupe d'atomes avec des propriétés chimiques et physiques caractéristiques. C'est la partie réactive de la molécule


 

Groupe carbonyle (composé avec une liaison C=O):

Types de stéréoisomères

Les isomères sont des molécules qui ont le même nombre et le même type d'atomes, mais diffèrent par la manière dont leurs atomes sont arrangés. Ils ont des propriétés chimiques et physiques différentes.
 

Isomères constitutionnels :

Les espèces chimiques qui ont la même formule moléculaire, mais diffèrent par la manière dont les atomes sont liés entre eux. On les appelle également isomères structuraux.

 

Stéréoisomères :

Les isomères sont des molécules qui ont la même formule moléculaire, les mêmes liaisons, mais diffèrent par la manière dont les atomes sont orientés dans l'espace (géométrie 3D différente). Les structures en ligne hachurée sont utilisées pour représenter l'arrangement 3D.

  • isomère cis : isomère dont les 2 substituants sont du même côté du cycle ou de la double liaison
  • isomère trans : isomère dont les 2 substituants sont situés de part et d'autre du cycle ou de la double liaison

Types de flèches

  • Flèche de réaction: dessinée entre les réactifs et les produits dans une équation

  • Double flèches de réaction: dessinées entre les réactifs et les produits dans une équation d'équilibre

  • Flèche à deux têtes: dessinée entre les structures de résonance

  • Flèche courbe à tête pleine: indique le déplacement d'une paire d'électrons

  • Flèche courbe à demi-tête: indique le déplacement d'un seul électron

Clivage hétérolytique vs. clivage homolytique.

Clivage hétérolytique:

Une rupture de liaison dans laquelle la paire d'électrons de la liaison est divisée de manière inégale entre les produits. Une flèche en double barbe normale montre le déplacement de la paire d'électrons. Le clivage hétérolytique d'une molécule neutre résulte en la formation d'un cation et d'un anion.

 

 

Clivage homolytique:

Une rupture de liaison dans laquelle la paire d'électrons de la liaison est divisée également entre les produits. Une flèche à simple barbe montre le mouvement d'un seul électron. Le clivage homolytique d'une liaison résulte en la formation de radicaux.

 

 

Vérifiez vos connaissances sur ce chapitre

La clivage homolytique est une rupture de liaison dans laquelle la paire d'électrons de la liaison est divisée également entre les produits. Une flèche à barbe unique montre le déplacement d'un seul électron. Le clivage homolytique d'une liaison conduit à la formation de radicaux.

L'ouverture hétérolytique est une rupture de liaison dans laquelle la paire d'électrons de la liaison est divisée de manière inégale entre les produits. Une flèche double normale montre le déplacement de la paire d'électrons. La rupture de liaison hétérolytique d'une molécule neutre entraîne la formation d'un cation et d'un anion.

  • Fleche de réaction : dessinée entre les réactifs et les produits dans une équation

  • Double flèches de réaction : dessinées entre les réactifs et les produits dans une équation d'équilibre

  • Double flèche à deux têtes : dessinée entre les structures de résonance

  • Flèche courbe pleine: indique le mouvement d'une paire d'électrons

  • Flèche courbe à demi-tête: indique le mouvement d'un électron unique

  • Un isomère cis est un isomère dont les 2 substituants se trouvent du même côté du cycle ou de la double liaison
  • Un isomère trans est un isomère dont les 2 substituants sont situés de chaque côté du cycle ou de la double liaison

Les isomères constitutionnels sont des espèces chimiques qui ont la même formule moléculaire mais diffèrent dans la manière dont les atomes sont liés entre eux, tandis que les stéréoisomères sont des isomères qui ont la même formule moléculaire, les mêmes liaisons mais diffèrent dans la manière dont les atomes sont orientés dans l'espace (géométrie 3D différente)

Les isomères sont des molécules qui ont le même nombre et type d'atomes mais diffèrent par la manière dont leurs atomes sont agencés. Ils ont des propriétés chimiques et physiques différentes.

Le groupe carbonyle est composé de diverses espèces chimiques présentant une double liaison C=O. Les principales familles du groupe carbonyle sont les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, les esters et les amides.

Les groupes fonctionnels les plus courants en chimie sont : alcène, alcyne, arène, halogénure d'alkyle, éther alcool, thiols, amine, et le groupe carbonyle (aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amide)

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Un groupe fonctionnel est un atome ou un groupe d'atomes ayant des propriétés chimiques et physiques caractéristiques. C'est la partie réactive de la molécule

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Un nucléophile peut être neutre ou négativement chargé et est généralement symbolisé par Nu-. Les bases de Lewis sont des nucléophiles, et les paires d'électrons non liants et les liaisons π sont des sites nucléophiles.

Un nucléophile est une espèce riche en électrons qui peut former une liaison covalente en donnant une paire d'électrons à un atome pauvre en électrons, tandis qu'un électrophile est une espèce pauvre en électrons qui peut former une liaison covalente en acceptant une paire d'électrons d'un nucléophile

Des exemples courants de bases de Lewis sont HO-, RO-, NH3, NR3, -NH2, H2O

Exemples courants d'acides de Lewis sont BF3, AlCl3, +CR3, H+

  • Un acide de Lewis est un accepteur de paire d'électrons. Il doit avoir une couche de valence non remplie, une charge partielle positive ou un proton.
  • Une base de Lewis est un donneur de paire d'électrons et contient donc une paire d'électrons isolée ou une liaison π. Elle donne cette paire d'électrons à n'importe quel composé en déficit d'électrons.
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  1. Tracer les bases conjuguées correspondantes
  2. Déterminer quelle base conjuguée est plus stable
  3. Déterminer quel acide est plus fort: plus la base conjuguée est stable, plus l'acide est fort
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Les effets qui affectent la stabilité d'une base sont :

  • Effets de résonance : plus un composé chimique possède de formes, plus il est stable
  • Effet d'hybridation : les paires d'électrons se trouvent stabilisées par le caractère s de l'orbitale (25 % en sp3, 33 % en sp2, et 50 % en sp). Ainsi, l'augmentation de basicité est corrélée avec l'hybridation de la manière suivante : sp < sp2 < sp3
  • Effet inductif : les bases sont stabilisées par l'effet inductif attracteur d'électrons (-I)
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Plus une base est stable, plus elle est faible en tant que base et plus elle est forte en tant qu'acide conjugué

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Un acide fort donne facilement un proton, formant une base conjuguée faible. Plus un acide donne facilement un proton, plus petit est son pKa, plus il est fort. Un acide peut être déprotoné par la base conjuguée de tout acide ayant un pKa plus élevé.

Des exemples courants de bases de Bronsted sont HO- (NaOH), RO- (KOtBu), H2N- (LiNH2), R2N- (R2NLi), H- (KH)

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Des exemples courants d'acides de Bronsted sont HCl, H2SO4, H3O+, acide acétique (CH3COOH), acide perchlorique (HClO4), p-toluènesulfonique acide (TsOH)

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  • Un acide de Bronsted est un donneur de proton et contient donc un atome d'hydrogène. Une perte de proton de l'acide forme sa base conjuguée
  • Une base de Bronsted est un accepteur de proton. Elle doit être capable de former une liaison avec un proton en donnant une paire d'électrons disponible. Un gain de proton par une base forme son acide conjugué