Physique-ChimieTerminaleConstitution et transformations de la matiereFiche de cours
Mécanismes réactionnels et stratégies de synthèse
Lire et écrire le déplacement des électrons pour prévoir et concevoir toute transformation organique.
1 L'idée
Un mécanisme réactionnel décrit étape par étape le déplacement des électrons lors d'une transformation chimique. On le visualise par des flèches courbes : chaque flèche part d'un site donneur d'électrons (doublet non liant, liaison $\pi$ ou $\sigma$) vers un site accepteur. Trois familles de mécanismes sont au programme de Terminale : substitution nucléophile, addition électrophile et substitution radicalaire.
La stratégie de synthèse planifie la préparation d'une molécule cible : choix des réactifs, ordre des étapes, conditions opératoires et calcul de rendement. L'analyse rétrosynthétique (symbolisée par $\Rightarrow$) part de la cible et remonte vers des précurseurs disponibles.
2 Espèces réactives et outil quantitatif
Nucléophile
\(\text{Riche en }e^-\,(\text{doublet libre ou }\pi)\;\longrightarrow\;\text{attaque un site }\delta^+\)
Électrophile
\(\text{Pauvre en }e^-\,(\text{lacune ou site }\delta^+)\;\longrightarrow\;\text{attaque un site }\delta^-\)
Radical
\(\text{Espèce à électron célibataire, notée }X^{\bullet}\)
Rendement
\(r = \dfrac{n_{\text{obtenu}}}{n_{\text{théorique}}} \times 100 \quad (\%)\)
3 Les trois mécanismes fondamentaux
Substitution nucléophile SN2
Réactifs : $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br}$ + $\text{HO}^-$.
Liaison $\text{C}^{\delta+}\text{-Br}^{\delta-}$ polarisée : le carbone $\alpha$ est le site électrophile.
Flèche 1 : doublet de $\text{HO}^-$ vers $\text{C}_\alpha$. Flèche 2 : liaison C-Br vers $\text{Br}^-$ (groupe partant).
Bilan : $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br} + \text{HO}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + \text{Br}^-$
Addition électrophile AE (alcène + HBr)
Réactifs : propène $\text{CH}_3\text{-CH=CH}_2$ + $\text{HBr}$.
La liaison $\pi$ est nucléophile ; $\text{H}^{\delta+}$ de HBr est électrophile.
$\text{H}^+$ s'additionne sur C3 (le moins substitué) : carbocation secondaire en C2, plus stable qu'un carbocation primaire en C3 — règle de Markovnikov.
Bilan : $\text{CH}_3\text{-CH=CH}_2 + \text{HBr} \rightarrow \text{CH}_3\text{-CHBr-CH}_3$ (2-bromopropane, produit majoritaire).
Substitution radicalaire SR (méthane + Cl₂)
Initiation : $\text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\,\text{Cl}^{\bullet}$ (rupture homolytique sous UV).
Propagation 1 : $\text{Cl}^{\bullet} + \text{CH}_4 \rightarrow \text{CH}_3^{\bullet} + \text{HCl}$.
Propagation 2 : $\text{CH}_3^{\bullet} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}^{\bullet}$ (le radical $\text{Cl}^{\bullet}$ est régénéré).
Terminaison : recombinaison de deux radicaux, ex. $2\,\text{Cl}^{\bullet} \rightarrow \text{Cl}_2$.
Méthode — Analyse rétrosynthétique en 5 étapes
Exemple : propan-1-ol $\Rightarrow$ 1-bromopropane $+$ $\text{NaOH}_{(aq)}$ (SN2).
- Identifier la fonction clé de la molécule cible (alcool, halogénure, amine…).
- Trouver la réaction qui crée cette fonction et écrire la déconnexion : cible $\Rightarrow$ précurseur.
- Identifier le précurseur direct et les réactifs associés (nature, rôle nucléophile/électrophile, conditions).
- Répéter jusqu'à atteindre des matières premières disponibles.
- Rédiger la synthèse dans le sens direct en précisant les réactifs, le solvant, la température et le rendement estimé.
Erreurs fréquentes
- La flèche courbe part TOUJOURS du donneur d'électrons (doublet, $\pi$) vers l'accepteur — jamais dans le sens inverse.
- Vérifier la conservation des charges et du nombre d'atomes à chaque étape intermédiaire.
- Ne pas confondre nucléophile et base : le nucléophile attaque un carbone électrophile, la base arrache un $\text{H}^+$ (les deux rôles peuvent coexister).
- Règle de Markovnikov : $\text{H}$ se fixe sur le carbone le moins substitué — et non le plus.