Étude Cinétique de la Réaction SN2
Contexte : La Substitution Nucléophile Bimoléculaire (SN2)Un type de réaction en chimie organique où un nucléophile attaque un carbone électrophile, entraînant le départ d'un groupe partant, le tout en une seule étape concertée..
Les réactions SN2 sont fondamentales en synthèse organique. Elles permettent de former de nouvelles liaisons carbone-hétéroatome. Leur vitesse dépend de manière cruciale de plusieurs facteurs : la structure du substratLa molécule qui subit la transformation, portant le groupe partant et le site électrophile., la force du nucléophileUne espèce chimique riche en électrons (souvent un anion ou une molécule avec un doublet non liant) capable de donner une paire d'électrons pour former une nouvelle liaison., la qualité du groupe partantL'atome ou le groupe d'atomes qui se détache de la molécule de substrat en emportant une paire d'électrons. et la nature du solvant. Cet exercice vise à analyser l'impact de la structure du substrat sur la vitesse d'une réaction SN2 en identifiant un halogénoalcane inconnu à partir de données cinétiques.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à corréler la structure moléculaire (encombrement stérique) avec la réactivité chimique (cinétique de réaction) et à utiliser la loi de vitesse pour interpréter des résultats expérimentaux.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre et dessiner le mécanisme concerté d'une réaction SN2.
- Écrire la loi de vitesse d'une réaction SN2 (ordre 2).
- Analyser l'effet de l'encombrement stérique sur la vitesse de réaction.
- Interpréter des données de cinétique (vitesses relatives) pour identifier un substrat inconnu.
Données de l'étude
Fiche Technique
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Nucléophile | Iodure de sodium (NaI) |
| Solvant | Acétone (Propanone) |
| Température | 25 °C (298 K) |
Réaction Générale de type SN2
| Substrat Candidat (R-Br) | Structure | Classe | Vitesse Relative (k_rel) |
|---|---|---|---|
| (A) 1-Bromopropane | CH₃CH₂CH₂-Br | Primaire (1°) | 1.0 (Référence) |
| (B) 1-Bromobutane | CH₃CH₂CH₂CH₂-Br | Primaire (1°) | 0.8 |
| (C) 1-Bromo-2-méthylpropane | (CH₃)₂CHCH₂-Br | Primaire (1°) | 0.04 |
| (D) 1-Bromo-2,2-diméthylpropane | (CH₃)₃CCH₂-Br | Primaire (1°) | ~ 0.00001 |
Questions à traiter
- Dessiner le mécanisme détaillé (flèches courbes, état de transition) de la réaction SN2 entre l'ion iodure (I⁻) et le 1-bromopropane (A).
- Écrire la loi de vitesse générale pour cette réaction SN2. Quel est l'ordre global de la réaction ?
- Expliquer l'effet de l'encombrement stérique sur la vitesse de la réaction SN2 en classant les quatre substrats candidats (A, B, C, D) du plus réactif au moins réactif.
- L'expérience montre que le substrat inconnu R-Br réagit à une vitesse relative k_rel = 0.04. En utilisant le tableau de données, identifier le substrat inconnu.
- Que se passerait-il (en termes de mécanisme et de vitesse) si l'on essayait de faire réagir de l'iodure de sodium avec du 2-bromo-2-méthylpropane (un substrat tertiaire) dans l'acétone ?
Les bases sur la Réaction SN2
La substitution nucléophile bimoléculaire (SN2) est un pilier de la chimie organique. Comprendre ses caractéristiques est essentiel pour prédire l'issue des réactions.
1. Le Mécanisme SN2
C'est un mécanisme concerté, ce qui signifie que la rupture de l'ancienne liaison (C-Groupe Partant) et la formation de la nouvelle liaison (C-Nucléophile) se produisent en même temps.
- Le nucléophile effectue une attaque dorsale (à 180° du groupe partant).
- La réaction passe par un état de transitionUn maximum d'énergie sur le profil réactionnel. C'est un état fugace où l'ancienne liaison est à moitié rompue et la nouvelle à moitié formée. pentavalent (le carbone est lié à 5 "partenaires").
- Si le carbone est chiral, cela entraîne une inversion de configurationAussi appelée inversion de Walden. La configuration stéréochimique du carbone est inversée, comme un parapluie qui se retourne dans le vent..
2. La Cinétique SN2
Le terme "Bimoléculaire" (le "2" de SN2) signifie que l'étape limitant la vitesse (la seule étape, en fait) implique deux espèces : le substrat (RX) et le nucléophile (Nu⁻).
La loi de vitesse s'écrit donc :
\[ \text{Vitesse} = k \times [\text{RX}] \times [\text{Nu⁻}] \]
C'est une réaction d'ordre global 2 (ordre 1 par rapport à [RX] et ordre 1 par rapport à [Nu⁻]).
3. Les Facteurs Clés
La vitesse d'une SN2 est très sensible à :
- Le Substrat : L'encombrement stériqueLa gêne occasionnée par des groupes d'atomes volumineux qui empêchent physiquement l'approche du nucléophile. est le facteur n°1. Les substrats moins encombrés réagissent plus vite.
Ordre de réactivité : Méthyle > Primaire (1°) > Secondaire (2°) >> Tertiaire (3°) (ne réagit pas). - Le Solvant : Les solvants polaires aprotiques (ex: acétone, DMSO, DMF) sont idéaux. Ils solvatent le cation (ex: Na⁺) mais pas l'anion (le nucléophile, ex: I⁻), le laissant "nu" et très réactif.
Correction : Étude Cinétique de la Réaction SN2
Question 1 : Dessiner le mécanisme détaillé (SN2)
Principe
Le mécanisme SN2 est concerté. Nous devons montrer l'ion iodure (I⁻) attaquant le carbone portant le brome (Br) par l'arrière (attaque dorsale), tandis que la liaison C-Br se rompt simultanément. Les électrons sont montrés à l'aide de flèches courbes.
Mini-Cours
Une flèche courbe en chimie organique part toujours d'une source d'électrons (doublet non liant, liaison pi, anion) et pointe vers un site accepteur d'électrons (atome électrophile, noyau). Dans une SN2, le nucléophile est le donneur et le carbone porteur du groupe partant est l'accepteur.
Remarque Pédagogique
Il est crucial de dessiner l'état de transition. Ce n'est ni un réactif, ni un produit, mais un maximum d'énergie. On le représente entre crochets, avec un symbole "double dague" (‡), et les liaisons en formation/rupture en pointillés.
Hypothèses
On suppose que la réaction se déroule sans réactions secondaires (comme l'élimination E2, qui est de toute façon défavorisée pour I⁻, une base faible).
Donnée(s)
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Nucléophile | I⁻ (Iodure) |
| Substrat | CH₃CH₂CH₂-Br (1-Bromopropane) |
Astuces
Pour bien visualiser l'attaque dorsale, dessinez le 1-bromopropane avec la liaison C-Br pointant vers la droite. L'ion I⁻ arrivera alors par la gauche, en ligne droite avec la liaison C-Br.
Schéma
Voici le mécanisme complet, incluant l'état de transition avec la géométrie correcte.
Mécanisme de la SN2 (1-Bromopropane)
Réflexions
Le schéma montre clairement que la liaison I-C se forme en même temps que la liaison C-Br se rompt. L'attaque se fait du côté opposé au groupe partant (Br) à cause de la répulsion électronique et du recouvrement orbitalaire (le LUMO de la liaison C-Br est à l'arrière).
Points de vigilance
Ne jamais dessiner un intermédiaire réactionnel (comme un carbocation, qui est typique de la SN1). La SN2 est une seule étape. Ne pas oublier de montrer les charges (I⁻ et Br⁻).
Points à retenir
- SN2 = 1 étape (mécanisme concerté).
- Attaque dorsale (à 180°).
- État de transition pentavalent.
Le saviez-vous ?
L'inversion de configuration stéréochimique résultant de l'attaque dorsale est appelée "Inversion de Walden", du nom du chimiste Paul Walden qui l'a découverte en 1896. On la compare souvent à un parapluie qui se retourne sous l'effet du vent.
Résultat Final
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 1 :
- Concept Clé : Mécanisme concerté.
- Représentation : Attaque dorsale \(\rightarrow\) État de Transition \(\rightarrow\) Produits + Inversion.
Question 2 : Écrire la loi de vitesse
Principe
La loi de vitesse exprime la relation entre la vitesse d'une réaction et la concentration des réactifs. Pour une SN2, l'étape limitante implique les deux réactifs.
Mini-Cours
La "vitesse" d'une réaction (V) est proportionnelle au produit des concentrations des réactifs impliqués dans l'étape cinétiquement déterminante, chacune élevée à une puissance (l'ordre partiel). Le "2" de SN2 signifie "bimoléculaire", indiquant que deux espèces sont impliquées dans cette étape. L'ordre est donc 1 pour chaque réactif.
Remarque Pédagogique
La loi de vitesse ne peut pas être devinée à partir de l'équation bilan. Elle doit être déterminée expérimentalement. Cependant, pour les réactions élémentaires (en une seule étape) comme la SN2, la loi de vitesse correspond directement à la stœchiométrie de cette étape.
Formule(s)
La formule générale pour une SN2 est :
Hypothèses
On suppose que la réaction suit parfaitement le modèle SN2, sans contribution d'autres mécanismes (SN1, E1, E2).
Donnée(s)
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Substrat (RX) | 1-bromopropane |
| Nucléophile (Nu⁻) | Iodure |
Astuces
Rappelez-vous : SN2 \(\rightarrow\) 2 espèces dans l'étape limitante \(\rightarrow\) Ordre global 2.
Calcul(s)
La réaction SN2 est bimoléculaire (comme indiqué par le "2"), ce qui signifie que l'étape limitante de la vitesse implique les deux réactifs. L'ordre est donc 1 pour chaque. Nous écrivons d'abord la loi de vitesse générale :
Cette équation est la forme générique pour toute réaction SN2. Maintenant, nous la spécialisons pour les réactifs de notre exercice (1-bromopropane et iodure) :
Enfin, pour trouver l'ordre global, nous additionnons les exposants (les ordres partiels) de chaque concentration dans la loi de vitesse :
La réaction est donc bien d'ordre global 2, comme attendu pour un mécanisme SN2.
Réflexions
Cette loi de vitesse signifie que si l'on double la concentration du 1-bromopropane (en gardant [I⁻] constante), la vitesse double. Si l'on double la concentration de l'ion iodure (en gardant [substrat] constant), la vitesse double également. Si l'on double les deux concentrations, la vitesse quadruple (2 x 2 = 4).
Points de vigilance
Ne pas confondre avec la loi de vitesse d'une SN1, qui est `V = k [RX]` (ordre 1), car l'étape limitante est la formation unimoléculaire du carbocation, indépendante de la concentration du nucléophile.
Points à retenir
- Loi de vitesse SN2 : \(V = k [\text{RX}][\text{Nu⁻}]\).
- Ordre global : 2.
Le saviez-vous ?
En mesurant la vitesse à différentes concentrations initiales, les chimistes peuvent confirmer expérimentalement qu'une réaction est bien d'ordre 2 et donc qu'elle suit probablement un mécanisme SN2.
FAQ
Questions fréquentes sur la cinétique.
Résultat Final
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 2 :
- Concept Clé : Cinétique bimoléculaire.
- Formule Essentielle : \(V = k [\text{RX}][\text{Nu⁻}]\).
- Point Clé : Ordre global = 2.
Question 3 : Classer les substrats (encombrement stérique)
Principe
L'attaque dorsale du mécanisme SN2 est très sensible à l'encombrement stérique. Plus le chemin vers l'arrière du carbone électrophile est bloqué par des groupes volumineux (gêne stérique), plus l'énergie de l'état de transition est élevée, et plus la réaction est lente.
Mini-Cours
L'encombrement peut provenir du carbone \(\alpha\) (portant le Br) ou du carbone \(\beta\) (le voisin).
- Encombrement en \(\alpha\) : C'est l'effet principal. Ordre de réactivité : Méthyle > Primaire (1°) > Secondaire (2°) >> Tertiaire (3°).
- Encombrement en \(\beta\) : C'est le cas ici. Tous les substrats sont primaires (1°). Cependant, des ramifications sur le carbone \(\beta\) créent une gêne importante. Un groupe néopentyle ((CH₃)₃CCH₂-), bien que primaire, est extrêmement encombré en \(\beta\) et réagit des milliers de fois plus lentement qu'un substrat primaire non ramifié.
Remarque Pédagogique
Pensez au nucléophile comme à une personne essayant de passer une porte pour atteindre le carbone \(\alpha\).
- (A) et (B) sont des portes standards.
- (C) est une porte avec un meuble (un -CH₃) juste à côté (ramification en \(\beta\)). C'est plus difficile.
- (D) est une porte presque entièrement bloquée par une armoire (un -C(CH₃)₃) juste à côté. C'est quasi impossible.
Formule(s)
Il s'agit d'une relation qualitative :
Hypothèses
On suppose que l'encombrement stérique est le facteur dominant qui explique les différences de vitesse, car tous les substrats sont des bromoalcanes primaires et l'effet électronique (inductif) est similaire.
Donnée(s)
Analyse des structures des quatre candidats de l'énoncé :
| Candidat | Nom | Structure (Groupe alkyle) | Analyse en β |
|---|---|---|---|
| (A) | n-Propyle | CH₃-CH₂-(CH₂-Br) | Non ramifié |
| (B) | n-Butyle | CH₃-CH₂-CH₂-(CH₂-Br) | Non ramifié |
| (C) | Isobutyle | (CH₃)₂CH-(CH₂-Br) | 1 ramification en β |
| (D) | Néopentyle | (CH₃)₃C-(CH₂-Br) | 2 ramifications en β (groupe t-Bu) |
Astuces
Ne vous arrêtez pas à "tous sont primaires". Regardez toujours le carbone *voisin* (en \(\beta\)). C'est un piège classique. Plus le carbone \(\beta\) est substitué, plus la réaction SN2 est lente.
Calcul(s)
C'est une analyse qualitative basée sur les structures, et non un calcul numérique. Le "calcul" est un raisonnement logique :
- (A) et (B) : Ce sont des chaînes linéaires non ramifiées en \(\beta\). L'encombrement est minimal. Ils sont les plus réactifs. (B) est très légèrement plus lent que (A) (k_rel 0.8 vs 1.0) car la chaîne plus longue peut se replier, mais l'effet est minime.
- (C) Isobutyle : (CH₃)₂CH-(CH₂-Br). Il y a une ramification (un groupe méthyle) sur le carbone \(\beta\). Ce groupe crée une gêne stérique notable pour l'attaque dorsale. La réaction sera bien plus lente que (A) et (B).
- (D) Néopentyle : (CH₃)₃C-(CH₂-Br). Il y a *trois* groupes méthyles (un groupe t-butyle) sur le carbone \(\beta\). L'encombrement est extrême, rendant l'attaque dorsale presque impossible. C'est de loin le substrat le plus lent.
Conclusion du classement :
Le classement de réactivité (vitesse décroissante) est donc :
(A) \(\approx\) (B) > (C) >> (D).
Cette prédiction qualitative correspond parfaitement aux valeurs k_rel expérimentales données :
1.0 \(\approx\) 0.8 > 0.04 >> 0.00001.
Schéma : Comparaison de l'Encombrement Stérique en β
Réflexions
Le classement qualitatif (A \(\approx\) B > C >> D) est parfaitement confirmé par les données quantitatives du tableau (k_rel = 1.0 \(\approx\) 0.8 > 0.04 >> 0.00001). Cela démontre l'importance critique de l'encombrement en \(\beta\) pour la SN2.
Points de vigilance
L'erreur classique est de voir "Primaire (1°)" et de supposer qu'ils réagissent tous vite et de la même manière. Les substrats (C) et (D) sont des exemples classiques de substrats primaires *très peu réactifs* en SN2.
Points à retenir
- L'encombrement stérique est le facteur dominant pour le substrat en SN2.
- Réactivité : Méthyle > 1° > 2° >> 3°.
- L'encombrement en \(\beta\) (ramification) ralentit aussi massivement la SN2.
Le saviez-vous ?
La vitesse de réaction du 1-bromo-2,2-diméthylpropane (D) est si lente (k_rel ≈ 10⁻⁵) qu'elle est souvent considérée comme "non réactive" en SN2. Cette molécule est "piégée" : elle ne peut faire ni SN2 (trop encombrée) ni SN1 (le carbocation primaire est trop instable).
FAQ
Questions fréquentes sur ce sujet.
Résultat Final
(A) 1-Bromopropane \(\approx\) (B) 1-Bromobutane > (C) 1-Bromo-2-méthylpropane >> (D) 1-Bromo-2,2-diméthylpropane
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 3 :
- Concept Clé : Encombrement stérique (\(\alpha\) et \(\beta\)).
- Classement : Linéaire (A, B) > Ramifié en \(\beta\) (C) > Très ramifié en \(\beta\) (D).
Question 4 : Identifier le substrat inconnu (k_rel = 0.04)
Principe
Il s'agit d'une simple lecture et comparaison de données. Nous avons une valeur expérimentale (k_rel = 0.04) et une liste de valeurs de référence pour les candidats. Le substrat inconnu est celui dont la k_rel de référence correspond à la valeur mesurée.
Mini-Cours
La "vitesse relative" (k_rel) est une manière simple de comparer des constantes de vitesse (k). On choisit un composé de référence (ici, le 1-bromopropane) auquel on attribue la valeur 1.0. Toutes les autres constantes de vitesse sont divisées par la constante de vitesse de la référence (k_ref). \[k_{\text{rel}} = \frac{k_{\text{composé}}}{k_{\text{référence}}}\] Cette méthode permet d'annuler les facteurs constants (concentration, température) et d'isoler un seul effet (ici, l'effet de la structure du substrat).
Remarque Pédagogique
Cette approche est très courante en chimie physique organique. Elle permet de transformer des données de vitesse complexes en une simple échelle de comparaison. Si votre inconnu a un k_rel de 0.04, cela signifie qu'il réagit 0.04 fois plus vite que la référence (soit 25 fois plus lentement).
Formule(s)
Il ne s'agit pas d'un calcul mais d'une recherche dans le tableau :
Hypothèses
On suppose que les conditions expérimentales de la mesure (température 25°C, solvant acétone) sont identiques à celles qui ont servi à établir le tableau de référence, ce qui est le cas d'après l'énoncé.
Donnée(s)
Valeur expérimentale mesurée : k_rel(Inconnu) = 0.04.
Tableau des données de référence (issu de l'énoncé) :
| Substrat Candidat (R-Br) | Structure | Classe | Vitesse Relative (k_rel) |
|---|---|---|---|
| (A) 1-Bromopropane | CH₃CH₂CH₂-Br | Primaire (1°) | 1.0 (Référence) |
| (B) 1-Bromobutane | CH₃CH₂CH₂CH₂-Br | Primaire (1°) | 0.8 |
| (C) 1-Bromo-2-méthylpropane | (CH₃)₂CHCH₂-Br | Primaire (1°) | 0.04 |
| (D) 1-Bromo-2,2-diméthylpropane | (CH₃)₃CCH₂-Br | Primaire (1°) | ~ 0.00001 |
Astuces
Lisez simplement la ligne du tableau qui correspond à votre valeur expérimentale. C'est une question de reconnaissance de données.
Calcul(s)
Le "calcul" consiste à comparer la valeur expérimentale (0.04) avec le tableau de référence pour trouver une correspondance.
| Substrat Candidat (R-Br) | Vitesse Relative (k_rel) | Comparaison |
|---|---|---|
| (A) 1-Bromopropane | 1.0 | (1.0 \(\neq\) 0.04) |
| (B) 1-Bromobutane | 0.8 | (0.8 \(\neq\) 0.04) |
| (C) 1-Bromo-2-méthylpropane | 0.04 | (0.04 = 0.04) ✓ |
| (D) 1-Bromo-2,2-diméthylpropane | ~ 0.00001 | (0.00001 \(\neq\) 0.04) |
La valeur mesurée correspond exactement à celle du candidat (C).
Réflexions
La valeur de 0.04, bien plus faible que 1.0 (référence) mais bien plus élevée que 0.00001 (substrat très encombré), confirme l'analyse de la question 3. Le substrat inconnu est celui qui présente un encombrement en \(\beta\) modéré, ce qui correspond à la structure du 1-bromo-2-méthylpropane (bromure d'isobutyle).
Points de vigilance
Ne pas se tromper de ligne en lisant le tableau. Vérifier que la valeur mesurée (0.04) n'est pas proche de plusieurs candidats, ce qui n'est pas le cas ici (les valeurs sont très distinctes, séparées par des ordres de grandeur).
Points à retenir
- Les données cinétiques (vitesses relatives) sont une "empreinte digitale" qui permet d'identifier une structure ou un mécanisme de réaction.
Le saviez-vous ?
Ce type de raisonnement, liant structure et réactivité quantitativement, est au cœur des "relations linéaires d'énergie libre" (LFER). L'équation de Hammett est l'exemple le plus célèbre, elle corrèle les vitesses de réaction des composés benzéniques substitués.
FAQ
Questions fréquentes sur cette identification.
Résultat Final
A vous de jouer
Si la k_rel mesurée avait été de 1.0, quel substrat auriez-vous identifié ? (Entrez la lettre : A, B, C ou D)
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 4 :
- Concept Clé : Identification par comparaison de données.
- Donnée : k_rel(exp) = 0.04.
- Résultat : k_rel(C) = 0.04 \(\rightarrow\) Inconnu = (C).
Question 5 : Cas du 2-bromo-2-méthylpropane (substrat 3°)
Principe
Le 2-bromo-2-méthylpropane (aussi appelé bromure de t-butyle) est un substrat tertiaire (3°). Nous devons appliquer nos connaissances sur la réactivité SN2 aux substrats tertiaires pour prédire ce qui se passera.
Mini-Cours
Les substrats tertiaires (3°) ne réagissent jamais par mécanisme SN2. Le carbone \(\alpha\) (le carbone portant le Br) est lié à trois autres groupes alkyles (trois méthyles). Ces groupes volumineux forment un "mur" stérique qui bloque totalement l'accès du nucléophile pour une attaque dorsale. L'état de transition pentavalent serait beaucoup trop haut en énergie (trop "serré") et est donc inaccessible.
Remarque Pédagogique
Quand la voie SN2 est bloquée, d'autres mécanismes sont possibles :
- SN1 : (Substitution 1er ordre) Le groupe partant part d'abord, formant un carbocation 3° (très stable). Le nucléophile attaque ensuite ce carbocation.
- E2 : (Élimination 2e ordre) Le nucléophile agit comme une base et arrache un H sur un carbone \(\beta\), formant une double liaison.
Formule(s)
Pour la voie SN2, la vitesse est attendue comme nulle :
Hypothèses
On analyse la réactivité dans les mêmes conditions que l'exercice : Nucléophile = I⁻, Solvant = Acétone.
Donnée(s)
| Substrat | (CH₃)₃C-Br (Tertiaire) |
| Nucléophile | I⁻ (Bon nucléophile, base très faible) |
| Solvant | Acétone (Polaire aprotique) |
Astuces
Substrat Tertiaire = TROP encombré. Pensez "SN2 : Non". Ensuite, vérifiez les autres voies. Pour SN1, il faut un solvant polaire *protique* (eau, alcool). Pour E2, il faut une base *forte* (HO⁻, EtO⁻). Nous n'avons ni l'un ni l'autre.
Calcul(s)
C'est une analyse qualitative de la compétition des mécanismes basée sur les 3 facteurs : Substrat, Solvant, Nucléophile.
- Analyse de la Voie SN2 :
Substrat : (CH₃)₃C-Br. C'est un substrat tertiaire (3°).
Raisonnement : Le carbone \(\alpha\) est protégé par 3 groupes méthyles volumineux. L'attaque dorsale du I⁻ est stériquement impossible.
Conclusion : \(\rightarrow V_{\text{SN2}} \approx 0\). - Analyse de la Voie SN1 :
Substrat : 3° \(\rightarrow\) Forme un carbocation 3° (très stable). C'est favorable à la SN1.
Solvant : Acétone. C'est un solvant polaire *aprotique*. La SN1 a besoin d'un solvant *protique* (eau, alcool) pour stabiliser les deux ions formés : le carbocation (C⁺) ET le groupe partant (Br⁻). L'acétone ne stabilise pas bien l'anion Br⁻.
Conclusion : Le solvant défavorise fortement la SN1.
\(\rightarrow V_{\text{SN1}} \text{ est très faible}\). - Analyse de la Voie E2 :
Substrat : 3° (encombré) \(\rightarrow\) C'est favorable à l'élimination.
Nucléophile/Base : I⁻ (Iodure). C'est un excellent nucléophile mais une base très faible (son acide conjugué, HI, est un acide fort). L'E2 a besoin d'une base *forte* (ex: HO⁻, EtO⁻) pour arracher un proton.
Conclusion : La base est trop faible pour initier l'E2.
\(\rightarrow V_{\text{E2}} \text{ est très faible}\).
Réflexions
Dans ces conditions spécifiques (Substrat 3°, base faible/bon Nu⁻, solvant aprotique), la réaction est "piégée". Aucune des trois voies principales (SN1, SN2, E2) n'est efficace. La SN2 est impossible stériquement, la SN1 est étranglée par le solvant, et l'E2 est étranglée par la faible basicité du nucléophile. Par conséquent, la réaction serait extrêmement lente, voire inexistante.
Points de vigilance
Ne pas conclure trop vite "3° \(\rightarrow\) SN1". La SN1 est une compétition, et elle dépend aussi fortement du solvant ! L'acétone est un piège classique dans les QCM de chimie organique pour tester cette connaissance. La réponse principale reste : "Pas de SN2".
Points à retenir
- Les substrats tertiaires (3°) ne subissent pas de réaction SN2.
- La SN1 est favorisée par les substrats 3° ET les solvants polaires protiques (eau, alcools).
- L'E2 est favorisée par les substrats 3° ET les bases fortes (HO⁻, RO⁻).
Le saviez-vous ?
Si on remplaçait l'acétone par de l'eau ou de l'éthanol (solvants polaires protiques), la réaction SN1 (et sa concurrente E1) deviendrait rapide, car le solvant aiderait le Br à partir en formant le carbocation tertiaire stable. On obtiendrait un mélange de t-butanol (SN1) et de 2-méthylpropène (E1).
FAQ
Questions fréquentes sur ce cas.
Résultat Final
A vous de jouer
Si on utilisait ce substrat 3° dans de l'éthanol (solvant protique), quel mécanisme serait favorisé ? (Entrez SN1, SN2 ou E2)
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 5 :
- Concept Clé : Compétition des mécanismes.
- Substrat 3° : SN2 = NON (stérique).
- Conditions : Solvant aprotique (SN1 = lent), Base faible (E2 = lent).
- Conclusion : Aucune réaction significative.
Outil Interactif : Simulateur de Cinétique SN2
Utilisez cet outil pour voir comment la vitesse initiale d'une réaction SN2 (supposée avec k = 0.1 M⁻¹s⁻¹) change lorsque vous modifiez les concentrations initiales du substrat et du nucléophile. Le graphique montre la relation linéaire entre la vitesse et la concentration du substrat, pour une concentration donnée de nucléophile.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés (pour k = 0.1 M⁻¹s⁻¹)
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quelle est la molécularité d'une réaction SN2 ?
2. Que se passe-t-il au niveau d'un centre stéréogène (chiral) lors d'une SN2 ?
3. Quel type de solvant favorise le plus une réaction SN2 ?
4. Lequel de ces substrats réagit le PLUS RAPIDEMENT par SN2 ?
5. Quelle est l'ordre de réaction global pour une SN2 ?
Glossaire
- SN2 (Substitution Nucléophile Bimoléculaire)
- Réaction en une seule étape (concertée) où un nucléophile attaque un carbone et chasse un groupe partant. La vitesse dépend des deux réactifs.
- Nucléophile
- Espèce riche en électrons (anion ou doublet non liant) qui attaque un site pauvre en électrons (électrophile).
- Substrat
- La molécule (électrophile) qui subit l'attaque du nucléophile et porte le groupe partant.
- Groupe Partant (Nucléofuge)
- L'atome ou groupe d'atomes qui se détache du substrat lors de la réaction (ex: Br⁻). Un bon groupe partant est une base faible (stable en solution).
- Solvant Polaire Aprotique
- Un solvant polaire (ex: Acétone, DMSO) qui ne possède pas d'hydrogène acide (pas de liaison H-O ou H-N). Il favorise la SN2 en solvatant le cation mais en laissant le nucléophile anionique très réactif.
- État de Transition
- Maximum d'énergie sur le chemin réactionnel. État très instable et non isolable où les liaisons se font et se défont simultanément.
- Encombrement Stérique
- Gêne spatiale causée par des groupes atomiques volumineux, qui empêche ou ralentit l'approche des réactifs.
- Inversion de Walden
- L'inversion de la configuration stéréochimique (passage de R à S ou vice-versa) sur un carbone chiral lors d'une réaction SN2.
D’autres exercices de chimie organique:
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