Prédire les Produits d’une Réaction d’Addition
Contexte : La Réaction d'AdditionUne réaction de chimie organique où deux (ou plus) molécules se combinent pour en former une plus grande, en "cassant" une liaison multiple (double ou triple)..
En chimie organique, les liaisons multiples (comme les doubles liaisons C=C des alcènesHydrocarbures contenant au moins une double liaison carbone-carbone (C=C).) sont des zones de haute densité électronique. Elles sont donc des cibles parfaites pour des espèces en manque d'électrons, appelées électrophilesEspèce chimique (atome ou ion) qui est attirée par les électrons et tend à les accepter. Souvent porteur d'une charge positive ou d'une lacune électronique.. La réaction d'addition électrophile est l'un des mécanismes les plus fondamentaux pour transformer ces liaisons.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à analyser une réaction d'addition sur un alcène dissymétrique. L'objectif est de prédire le produit majoritaire en appliquant la règle de MarkovnikovUne règle de régiosélectivité qui prédit le produit majeur lors de l'addition d'un réactif protique (comme H-X) sur un alcène dissymétrique., qui est basée sur la stabilité des intermédiaires réactionnels.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre le mécanisme général d'une addition électrophile sur un alcène.
- Identifier les rôles d'électrophile et de nucléophileEspèce chimique (atome ou ion) qui possède un excès d'électrons (ex: un doublet non liant) et est attirée par les centres positifs (noyaux)..
- Appliquer la règle de Markovnikov pour prédire la régiosélectivité de la réaction.
- Justifier la formation du produit majeur en comparant la stabilité des carbocationsUn ion dans lequel un atome de carbone porte une charge positive et n'a que trois liaisons. Sa stabilité dépend des groupes qui l'entourent. intermédiaires.
Réaction à Étudier
Réactifs Principaux
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Alcène de départ | Propène (\(\text{CH}_3\text{-CH=CH}_2\)) |
| Réactif d'addition | Bromure d'hydrogène (HBr) |
| Type de réaction | Addition électrophile |
Schéma de la Réaction
| Propriété | Description | Valeur (Échelle de Pauling) | Unité |
|---|---|---|---|
| Électronégativité (H) | Capacité à attirer les électrons de liaison | 2.20 | (sans unité) |
| Électronégativité (C) | Capacité à attirer les électrons de liaison | 2.55 | (sans unité) |
| Électronégativité (Br) | Capacité à attirer les électrons de liaison | 2.96 | (sans unité) |
Questions à traiter
- Analyser la polarité de la liaison H-Br en utilisant les données d'électronégativité. Quel atome est l'électrophile (porteur d'une charge partielle \(\delta^+\)) ?
- La double liaison C=C du propène est riche en électrons. Agit-elle comme un nucléophile ou un électrophile lors de la première étape ?
- Dessinez les deux carbocations intermédiaires possibles qui peuvent se former après l'attaque de la double liaison sur l'hydrogène du HBr.
- En utilisant la règle de Markovnikov (ou le principe de stabilité des carbocations), identifiez lequel des deux intermédiaires est le plus stable et se forme préférentiellement.
- Dessinez et nommez le produit final majeur de la réaction (après attaque de l'ion bromure \(\text{Br}^-\) sur le carbocation le plus stable).
Les bases des Réactions d'Addition
Les réactions d'addition impliquent la rupture d'une liaison \(\pi\) (pi), qui est plus faible et plus exposée qu'une liaison \(\sigma\) (sigma), et la formation de deux nouvelles liaisons \(\sigma\).
1. L'Addition Électrophile (AE)
C'est un mécanisme en deux étapes typique des alcènes :
- Étape 1 (Lente) : La double liaison (nucléophile) attaque un électrophile (E\({}^+\)). Cela casse la liaison \(\pi\) et forme un carbocation intermédiaire.
- Étape 2 (Rapide) : Un nucléophile (Nu\({}^-\)) attaque le carbocation (électrophile) pour former le produit final.
2. Stabilité des Carbocations
La vitesse de la réaction et l'orientation (régiosélectivité) dépendent de la stabilité de l'intermédiaire. La stabilité des carbocations suit l'ordre :
Tertiaire (3°) > Secondaire (2°) > Primaire (1°) > Méthyle
Cette stabilité est due aux effets inductifs donneurs et à l'hyperconjugaisonInteraction stabilisatrice entre une liaison C-H adjacente et l'orbitale p vide du carbocation. Plus il y a de C-H, plus le carbocation est stable..
Correction : Prédire les Produits d’une Réaction d’Addition
Question 1 : Analyser la polarité de la liaison H-Br. Quel atome est l'électrophile ?
Principe
L'électronégativité mesure la tendance d'un atome à attirer les électrons dans une liaison. Une différence d'électronégativité crée une liaison polarisée, avec des charges partielles (\(\delta\)). L'atome le moins électronégatif (le plus pauvre en électrons) sera \(\delta^+\) (électrophile) et servira de "cible" pour les espèces riches en électrons.
Mini-Cours
Polarité de Liaison : Quand deux atomes différents sont liés, l'atome le plus électronégatif (noté \(\chi\)) attire le doublet d'électrons de la liaison vers lui. Cela crée un dipôle : l'atome le plus électronégatif acquiert une charge partielle négative (\(\delta^-\)), et l'atome le moins électronégatif une charge partielle positive (\(\delta^+\)). En chimie organique, identifier ces centres \(\delta^+\) (électrophiles) et \(\delta^-\) (nucléophiles) est la clé pour prédire les réactions.
Remarque Pédagogique
Pour prédire une réaction, commencez toujours par "lire" les molécules. Ne les voyez pas comme de simples lettres, mais comme des objets avec des zones riches en électrons (nucléophiles) et des zones pauvres en électrons (électrophiles). La réaction est simplement "l'attraction des contraires".
Normes
Nous utilisons l'échelle d'électronégativité de Linus Pauling. C'est l'échelle la plus couramment enseignée. Elle est empirique (basée sur des mesures d'énergies de liaison) et assigne une valeur sans unité à chaque élément.
Formule(s)
La polarité est estimée en calculant la différence d'électronégativité (\(\Delta\chi\)). Une liaison est considérée comme covalente polaire si \(0.4 < \Delta\chi < 1.7\).
Formule de la Différence d'Électronégativité
On calcule la valeur absolue de la différence entre les électronégativités (\(\chi\)) des deux atomes liés.
Cette formule nous donne un nombre qui quantifie la polarité de la liaison.
Hypothèses
Pour cette analyse simple, nous considérons la molécule de HBr de manière isolée, sans tenir compte de l'effet du solvant qui peut accentuer ou diminuer la polarité.
Donnée(s)
Nous utilisons les valeurs de l'énoncé.
| Paramètre | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Électronégativité (H) | \(\chi(\text{H})\) | 2.20 |
| Électronégativité (Br) | \(\chi(\text{Br})\) | 2.96 |
Astuces
Une mnémonique courante pour mémoriser l'ordre des éléments les plus électronégatifs est : F > O > N > Cl > Br > I > S > C \(\approx\) H. (Prononcé "Fonne-Clé-Brisch"). Si H est lié à l'un des atomes avant lui dans cette liste (F, O, N, Cl, Br), il sera \(\delta^+\).
Schéma (Avant les calculs)
Visualisation de la polarisation de la liaison H-Br. La flèche \(\mu\) représente le moment dipolaire, pointant du \(\delta^+\) vers le \(\delta^-\).
Polarité de la liaison H-Br
Calcul(s)
On calcule la différence d'électronégativité (\(\Delta\chi\)). On soustrait la valeur de l'atome le moins électronégatif (H) de celle de l'atome le plus électronégatif (Br) pour trouver l'amplitude de la polarité.
Étape 1 : Poser l'équation
Nous appliquons la formule en identifiant l'atome le plus électronégatif (Br) et le moins (H).
Étape 2 : Remplacer par les valeurs
On utilise les valeurs du tableau de données : \(\chi(\text{Br}) = 2.96\) et \(\chi(\text{H}) = 2.20\).
Étape 3 : Résultat
Le résultat de la soustraction est 0.76.
Cette valeur (0.76), étant supérieure à 0.4, confirme que la liaison est covalente polaire.
Schéma (Après les calculs)
Le calcul de \(\Delta\chi = 0.76\) confirme que la liaison est polarisée et que lors de la réaction, la molécule se comportera comme une source d'électrophile (\(\text{H}^+\)) et de nucléophile (\(\text{Br}^-\)).
Résultat de l'analyse : Cibles de la réaction
Réflexions
Puisque \(\chi(\text{Br}) > \chi(\text{H})\), le Brome attire plus fortement les électrons de la liaison. Le Brome est donc partiellement négatif (\(\delta^-\)) et l'Hydrogène est partiellement positif (\(\delta^+\)). La valeur de \(\Delta\chi\) (0.76) confirme une liaison covalente polaire. En chimie organique, la partie \(\delta^+\) d'une molécule est celle qui est "électrophile" (qui "aime" les électrons).
Points de vigilance
Ne confondez pas "électrophile" (pauvre en électrons, \(\delta^+\) ou \({}^+\)) avec "nucléophile" (riche en électrons, \(\delta^-\) ou \({}^-\)). L'attaquant est toujours le nucléophile (ici, la double liaison) et la cible est l'électrophile (ici, le H).
Points à retenir
- L'atome le plus électronégatif porte la charge partielle négative (\(\delta^-\)).
- L'atome le moins électronégatif porte la charge partielle positive (\(\delta^+\)).
- L'électrophile est la partie \(\delta^+\) (ou \({}^+\)) d'un réactif.
Le saviez-vous ?
Linus Pauling, qui a défini l'électronégativité, est la seule personne à avoir reçu deux prix Nobel non partagés : le prix Nobel de chimie (1954) pour ses travaux sur la nature de la liaison chimique, et le prix Nobel de la paix (1962) pour sa campagne contre les essais nucléaires.
FAQ
Questions fréquentes sur ce sujet.
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle est la polarité de la liaison C-Cl ? (\(\chi(\text{C})=2.55\), \(\chi(\text{Cl})=3.16\)). Quel atome est électrophile ?
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 1 :
- Concept Clé : Électronégativité (\(\chi\)).
- Logique : \(\chi(\text{Br}) > \chi(\text{H})\) \(\Rightarrow\) \(^{\delta^+}\text{H} - \text{Br}^{\delta^-}\).
- Conclusion : H est l'électrophile.
Question 2 : La double liaison C=C agit-elle comme un nucléophile ou un électrophile ?
Principe
Un nucléophile est une espèce "aimant les noyaux", riche en électrons (ex: doublet non liant, liaison \(\pi\)). Un électrophile est une espèce "aimant les électrons", pauvre en électrons (ex: charge \({}^+\), charge \(\delta^+\)).
Mini-Cours
Un nucléophile (Nu:) est une "base de Lewis". Il possède un excès d'électrons (un doublet non liant, une charge \(\delta^-\) ou \({}^-\), ou une liaison \(\pi\)) qu'il peut donner pour former une liaison. Un électrophile (E\({}^+\)) est un "acide de Lewis". Il a une lacune électronique (une charge \(\delta^+\) ou \({}^+\), ou une orbitale vide) et peut accepter un doublet d'électrons. Une réaction se produit lorsque le nucléophile "attaque" l'électrophile.
Réflexions
La double liaison C=C du propène est une région de haute densité électronique (elle possède les 2 électrons \(\pi\)). Elle va donc être attirée par les centres positifs (électrophiles). Elle agit en tant que source d'électrons.
Points de vigilance
Ne confondez pas la nature d'une molécule (ex: propène) avec la nature d'une partie de la molécule. Le propène lui-même n'est ni l'un ni l'autre, mais sa double liaison C=C est un site nucléophile. De même, HBr n'est ni l'un ni l'autre, mais son atome H est électrophile et son atome Br (qui deviendra \(\text{Br}^-\)) est nucléophile. Identifiez toujours les sites réactifs !
Résultat Final
A vous de jouer
L'ion hydroxyde (\(\text{HO}^-\)) est-il un nucléophile ou un électrophile ?
Question 3 : Dessinez les deux carbocations intermédiaires possibles.
Principe
L'attaque de la double liaison sur le \(\text{H}^{\delta^+}\) peut se faire de deux manières sur le propène (qui est dissymétrique). L'hydrogène peut se fixer sur le Carbone 1 (C1) ou sur le Carbone 2 (C2) de l'ancienne double liaison.
Mini-Cours
La formation du carbocation est l'étape 1. La double liaison C=C utilise ses 2 électrons \(\pi\) pour former une liaison \(\sigma\) avec le \(\text{H}^+\). L'autre carbone de l'ancienne double liaison perd cet électron et devient un carbocation (\(\text{C}^+\)). Sur le propène (\(C^1\text{H}_2\text{=C}^2\text{H-CH}_3\)), il y a deux possibilités :
- Voie A : H\({}^+\) se lie à C1 \(\rightarrow\) le \(\text{C}^+\) est sur C2 (carbocation secondaire).
- Voie B : H\({}^+\) se lie à C2 \(\rightarrow\) le \(\text{C}^+\) est sur C1 (carbocation primaire).
Schéma (Résultats)
Nous visualisons les deux chemins réactionnels possibles.
Formation des intermédiaires
Points de vigilance
Une erreur très fréquente est de mal compter les hydrogènes ou de mal identifier la classe du carbocation. Un carbocation primaire (\(1^\circ\)) a son \(\text{C}^+\) lié à 1 seul autre carbone. Un secondaire (\(2^\circ\)) est lié à 2 autres carbones. Un tertiaire (\(3^\circ\)) est lié à 3 autres carbones. La stabilité (et donc la probabilité de formation) augmente : \(3^\circ > 2^\circ > 1^\circ\).
Résultat Final
Question 4 : Identifiez le carbocation le plus stable (règle de Markovnikov).
Principe
La règle de Markovnikov stipule que lors de l'addition d'un acide (HX) à un alcène, l'hydrogène (H) se fixe sur le carbone de la double liaison qui est déjà le plus hydrogéné. C'est une conséquence directe du fait que cette voie forme le carbocation intermédiaire le plus stable.
Mini-Cours
Stabilité des Carbocations : L'ordre de stabilité est Tertiaire (3°) > Secondaire (2°) > Primaire (1°). Le carbocation secondaire (Voie A) est stabilisé par hyperconjugaison avec les 6 liaisons C-H adjacentes (celles des deux groupes \(\text{CH}_3\)). Le carbocation primaire (Voie B) n'est stabilisé que par 2 liaisons C-H adjacentes (celles du groupe \(\text{CH}_2\)).
Réflexions
En appliquant la règle de Markovnikov : Le C1 du propène (\(=\text{CH}_2\)) a 2 hydrogènes. Le C2 (\(\text{-CH=}\)) a 1 hydrogène. L'électrophile \(\text{H}^+\) va donc se fixer préférentiellement sur le C1 (le plus hydrogéné) pour donner le carbocation sur le C2.
Points de vigilance
La règle de Markovnikov "originale" (H sur le C le plus H) ne fonctionne que pour les additions de HX. Il est plus robuste de *toujours* raisonner en termes de stabilité du carbocation intermédiaire, car cela fonctionne pour toutes les additions électrophiles.
Résultat Final
Question 5 : Dessinez et nommez le produit final majeur.
Principe
L'étape finale de la réaction est l'attaque du nucléophile (l'ion bromure \(\text{Br}^-\), riche en électrons) sur l'électrophile (le carbocation, pauvre en électrons) formé préférentiellement à l'étape précédente. C'est une réaction "Acide-Base de Lewis".
Mini-Cours
Attaque Nucléophile : Le carbocation secondaire (\(\text{C}^+\)) possède une orbitale \(p\) vide (lacune électronique). L'ion bromure \(\text{Br}^-\) possède des doublets non liants (excès d'électrons). L'un de ces doublets va attaquer l'orbitale \(p\) vide pour former une nouvelle liaison \(\sigma\) C-Br. Cette étape est très rapide car elle est exergonique (elle stabilise les charges).
Remarque Pédagogique
L'étape 1 (formation du carbocation) est lente et détermine la vitesse et l'orientation de la réaction (c'est l'étape cinétiquement déterminante). L'étape 2 (attaque du nucléophile) est rapide et "capture" simplement l'intermédiaire qui a eu le temps de se former. C'est pourquoi la stabilité de l'intermédiaire est si importante.
Normes
Pour nommer le produit final, nous utilisons la nomenclature IUPAC (Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée).
Formule(s)
L'équation bilan de cette étape finale est une combinaison Acide-Base de Lewis : le nucléophile (Base de Lewis) donne un doublet d'électrons à l'électrophile (Acide de Lewis) pour former une liaison.
Équation de l'Étape 2
Le carbocation (Acide de Lewis) accepte un doublet de l'ion bromure (Base de Lewis).
La formation de cette nouvelle liaison C-Br stabilise les charges et complète la réaction.
Hypothèses
Nous supposons qu'aucun réarrangement de carbocation n'a lieu. C'est le cas ici, car le carbocation secondaire est déjà plus stable qu'un primaire. Si un carbocation secondaire pouvait se réarranger en un tertiaire (plus stable), la réaction serait plus complexe.
Donnée(s)
Nous partons des résultats de la question 4 :
- Intermédiaire Majeur : Carbocation secondaire (\(\text{CH}_3\text{-}\text{C}^+\text{H-CH}_3\)).
- Nucléophile en solution : Ion Bromure (\(\text{Br}^-\)).
Astuces
Pour nommer rapidement, identifiez la chaîne principale (propane). Le brome s'est fixé sur le carbone "du milieu" (le C2). Le produit est donc le 2-bromopropane. Le produit mineur aurait été le 1-bromopropane.
Schéma (Avant les calculs)
Visualisation de l'attaque du nucléophile \(\text{Br}^-\) sur le carbocation secondaire, qui est plan (hybridation sp²).
Étape 2 : Attaque Nucléophile
Calcul(s)
Il s'agit de l'assemblage final des pièces. Le calcul ici n'est pas numérique, mais un assemblage logique des réactifs identifiés.
Étape 1 : Identifier l'électrophile (de Q4)
Nous avons déterminé que l'intermédiaire le plus stable (et donc majoritaire) est le carbocation secondaire.
Étape 2 : Identifier le nucléophile (de Q1)
Lorsque HBr a libéré \(\text{H}^+\), l'ion bromure \(\text{Br}^-\) est resté. C'est notre nucléophile.
Étape 3 : Combiner l'électrophile et le nucléophile
Le \(\text{Br}^-\) (nucléophile) attaque le \(\text{C}^+\) (électrophile) pour former le produit final neutre.
L'ion \(\text{Br}^-\) donne un doublet d'électrons au \(\text{C}^+\) pour former la nouvelle liaison C-Br, neutralisant les deux charges.
Schéma (Après les calculs)
Visualisation du produit final, le 2-bromopropane. Le carbone central est maintenant hybridé sp³ (tétraédrique).
Produit Majeur de la Réaction
Réflexions
La réaction est régiosélective : elle produit préférentiellement un isomère (le 2-bromopropane) plutôt qu'un autre (le 1-bromopropane). Cette sélectivité s'explique parfaitement par le mécanisme réactionnel et la différence de stabilité fondamentale entre un carbocation secondaire et un carbocation primaire.
Points de vigilance
Assurez-vous que votre produit final est neutre ! Les charges \({}^+\) et \({}^-\) des intermédiaires doivent s'annuler. De plus, vérifiez que chaque carbone respecte la règle de l'octet (il doit avoir 4 liaisons à la fin).
Points à retenir
- L'étape 2 est l'attaque du nucléophile (\(\text{Br}^-\)) sur le carbocation le plus stable.
- La nomenclature IUPAC est essentielle pour communiquer sans ambiguïté.
- La réaction est régiosélective car l'étape 1 favorise un intermédiaire.
Le saviez-vous ?
Il existe une réaction "anti-Markovnikov" ! Si on réalise l'addition de HBr en présence de peroxydes (ROOR), la réaction devient radicalaire (impliquant des radicaux \(\text{Br}\cdot\)) et le produit majeur est... le 1-bromopropane ! Le mécanisme change complètement.
FAQ
Questions fréquentes sur ce sujet.
Résultat Final
A vous de jouer
Quel serait le produit majeur de l'addition de HCl sur le 2-méthylpropène (\(\text{(CH}_3)_2\text{C=CH}_2\)) ? (Indice : quel carbocation se forme ?)
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 5 :
- Concept Clé : Attaque nucléophile sur carbocation.
- Logique : \(\text{Br}^-\) (Nucléophile) attaque \(\text{C}^+\) (Électrophile).
- Produit Majeur : 2-bromopropane (Règle de Markovnikov respectée).
Outil Interactif : Distribution des Produits (Loi de Boltzmann)
La distribution des produits (majeur vs. mineur) dépend de la différence d'énergie d'activation (\(\Delta E_a\)) entre les deux voies, qui est liée à la différence de stabilité des carbocations. Ajustez la différence de stabilité pour voir l'impact sur la sélectivité (à T = 298K).
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés (Distribution)
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Une réaction d'addition électrophile est typiquement :
2. La règle de Markovnikov est utilisée pour prédire :
3. Quel est le carbocation le plus stable ?
4. Dans la molécule de HBr, l'atome d'hydrogène agit comme...
5. Quel est le produit de l'addition de dibrome (\(\text{Br}_2\)) sur l'éthène (\(\text{CH}_2\text{=CH}_2\)) ?
Glossaire
- Addition Électrophile
- Réaction typique des alcènes où une liaison \(\pi\) est rompue pour former deux liaisons \(\sigma\), initiée par l'attaque d'un électrophile.
- Carbocation
- Intermédiaire réactionnel où un atome de carbone porte une charge positive formelle. Sa stabilité est cruciale (3° > 2° > 1°).
- Électrophile
- Espèce chimique "aimant les électrons", typiquement chargée positivement ou ayant une lacune électronique (ex: \(\text{H}^+\), \(\text{H}^{\delta^+}\)).
- Nucléophile
- Espèce chimique "aimant les noyaux", riche en électrons (ex: \(\text{Br}^-\), \(\text{HO}^-\), liaison \(\pi\)).
- Règle de Markovnikov
- Principe de régiosélectivité qui énonce que lors de l'addition de HX sur un alcène, l'atome H se fixe sur le carbone le plus hydrogéné, formant ainsi le carbocation le plus stable.
D’autres exercices de Chimie organique:
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