Mécanismes réactionnels : substitution, élimination, addition

Un mécanisme réactionnel décrit, étape par étape, les ruptures et les formations de liaisons qui transforment les réactifs en produits. Ce chapitre présente les acteurs (nucléophiles, électrophiles, intermédiaires) puis les grandes familles de mécanismes du programme de S2 : substitution nucléophile SN1/SN2, élimination E1/E2, addition électrophile sur les alcènes et substitution radicalaire. Savoir écrire ces mécanismes avec les flèches courbes est ce qui distingue une bonne copie.

1. Les acteurs : intermédiaires, nucléophiles et électrophiles

Les ruptures de liaisons engendrent des intermédiaires réactionnels, espèces très réactives à durée de vie brève. Le carbocation R₃C⁺ est plan (carbone sp², orbitale p vide) et stabilisé par les effets +I et +M : tertiaire > secondaire > primaire, allylique et benzylique très stables. Le carbanion R₃C⁻ est pyramidal et stabilisé par les effets attracteurs. Le radical R₃C• porte un électron célibataire et suit le même ordre de stabilité que le carbocation. Les réactifs se classent en deux familles : un nucléophile (Nu⁻ ou Nu:) est riche en électrons et attaque un site pauvre (HO⁻, RO⁻, CN⁻, X⁻, NH₃, H₂O, les alcènes) ; un électrophile (E⁺) est pauvre en électrons et accepte un doublet (H⁺, carbocations, Br₂ polarisé, NO₂⁺, le carbone δ⁺ d'un C=O ou d'un C–X). Par convention, les flèches courbes représentent le mouvement d'un doublet d'électrons, toujours du nucléophile vers l'électrophile.

2. La substitution nucléophile : SN1 et SN2

Sur un dérivé halogéné R–X (ou un alcool protoné), un nucléophile remplace le groupe partant : R–X + Nu⁻ → R–Nu + X⁻. Deux mécanismes limites existent. La SN2 (bimoléculaire) se fait en une seule étape : le nucléophile attaque le carbone du côté opposé au groupe partant pendant que la liaison C–X se rompt, en passant par un état de transition à cinq groupes. La vitesse dépend des deux réactifs (v = k[RX][Nu]) et la configuration du carbone est inversée (inversion de Walden : R devient S). La SN2 est favorisée par un substrat peu encombré (méthyle > primaire > secondaire), un nucléophile fort et concentré, et un solvant polaire aprotique (acétone, DMSO). La SN1 (unimoléculaire) se fait en deux étapes : ionisation lente de R–X en carbocation, puis attaque rapide du nucléophile. La vitesse ne dépend que du substrat (v = k[RX]). Le carbocation plan est attaqué des deux côtés : on obtient une racémisation. La SN1 est favorisée par un substrat tertiaire, allylique ou benzylique, un solvant polaire protique (eau, alcools) et un bon groupe partant (I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ ≫ F⁻).

3. L'élimination : E1, E2 et règle de Zaïtsev

En présence d'une base forte et à chaud, le dérivé halogéné perd H et X sur deux carbones voisins pour donner un alcène : c'est la β-élimination. La E2 est concertée : la base arrache le H_β pendant que X part, ce qui exige une géométrie anti-périplanaire (H et X en position anti, angle dièdre 180°) ; sa vitesse dépend de la base et du substrat. La E1 passe par le même carbocation que la SN1, puis perd un proton ; elle concerne les substrats tertiaires en solvant protique. Quand plusieurs alcènes peuvent se former, la règle de Zaïtsev prévoit le produit majoritaire : l'alcène le plus substitué, donc le plus stable (le but-2-ène plutôt que le but-1-ène à partir du 2-bromobutane). Substitution et élimination sont toujours en compétition : un nucléophile peu basique à froid favorise la SN, une base forte et encombrée (tert-butylate) à chaud favorise l'E2 ; les substrats primaires font surtout de la SN2, les tertiaires de la SN1/E1 en milieu neutre et de l'E2 en milieu basique. La déshydratation des alcools en milieu acide (H₂SO₄, chaleur) est une E1 qui suit aussi Zaïtsev.

4. L'addition électrophile sur les alcènes : règle de Markovnikov

La liaison π, riche en électrons, se comporte en nucléophile face aux réactifs électrophiles. L'addition de H–X se fait en deux étapes : protonation de la double liaison pour former le carbocation le plus stable, puis capture de X⁻. D'où la règle de Markovnikov : l'hydrogène se fixe sur le carbone le plus hydrogéné (et l'halogène sur le plus substitué) ; le propène et HBr donnent ainsi le 2-bromopropane. L'hydratation en milieu acide (H₂O, H₂SO₄) suit la même règle et conduit à l'alcool le plus substitué. En présence de peroxydes, l'addition de HBr (et de HBr seulement) devient radicalaire et donne le produit anti-Markovnikov : c'est l'effet Kharasch. L'addition de dihalogène Br₂ passe par un ion bromonium ponté, ouvert par Br⁻ du côté opposé : addition anti, stéréospécifique — le cyclohexène donne le trans-1,2-dibromocyclohexane et la décoloration de l'eau de brome est le test de l'insaturation. L'hydrogénation catalytique (H₂, Ni, Pd ou Pt) est au contraire une addition syn, les deux H se fixant du même côté.

5. Les réactions radicalaires : halogénation des alcanes

Les alcanes, sans liaison polarisée, ne réagissent ni avec les nucléophiles ni avec les électrophiles. Ils subissent en revanche la substitution radicalaire par les halogènes, à la lumière (hν) ou à chaud : CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. Le mécanisme en chaîne comporte trois phases. L'initiation : rupture homolytique de Cl₂ en deux radicaux Cl• sous l'effet de la lumière. La propagation : Cl• arrache un H à l'alcane (formation de HCl et d'un radical alkyle R•), puis R• réagit avec Cl₂ pour donner R–Cl et régénérer Cl• ; ces deux étapes se répètent des milliers de fois. La terminaison : deux radicaux se combinent (Cl• + Cl•, R• + Cl•, R• + R•). La régiosélectivité suit la stabilité des radicaux (H tertiaire > secondaire > primaire), et le brome, moins réactif, est nettement plus sélectif que le chlore. Les réactions radicalaires se distinguent par les flèches « en hameçon », qui déplacent un seul électron.

6. La substitution électrophile aromatique

Le benzène est très stable grâce à son aromaticité : il ne fait pas d'addition mais des substitutions électrophiles (SEAr) qui conservent le cycle. Le mécanisme est commun à toutes : formation de l'électrophile E⁺ avec un catalyseur, attaque du cycle et formation d'un intermédiaire cationique stabilisé par résonance (complexe σ ou ion arénium), puis perte d'un proton qui restaure l'aromaticité. Les réactions du programme : nitration (HNO₃/H₂SO₄, électrophile NO₂⁺), halogénation (Br₂/FeBr₃), sulfonation (H₂SO₄ fumant), alkylation et acylation de Friedel–Crafts (R–Cl ou R–CO–Cl / AlCl₃). Sur un benzène déjà substitué, le premier groupe oriente le second : les donneurs (+M ou +I : –OH, –NH₂, –OR, alkyles, halogènes) orientent en ortho et para et activent le cycle (sauf les halogènes, désactivants) ; les attracteurs −M (–NO₂, –CHO, –COOH, –CN, –SO₃H) orientent en méta et désactivent.