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Modélisation microscopique de l'évolution d'un système
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1)-
Exercice
:
Déshydratation des alcools. (retour
Exercice 2)
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Modélisation microscopique de l'évolution d'un système
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1)-
Exercice
:
Déshydratation des alcools. (retour
Exercice 2)
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Énoncé : Déshydratation des alcools - En présence d’ion H+, à condition de travailler à température suffisamment élevée, le 3-méthylbutan-2-ol subit une transformation appelée
déshydratation pour former du 2-méthylbut-2-ène. -
À l’échelle des entités, cette transformation peut
être modélisée par le mécanisme réactionnel suivant : -
Étape 1 :
-
Étape 2 :
-
Étape 3 :
a)-
Déterminer l’équation de la réaction qui modélise la
transformation. b)-
Reproduire le mécanisme en faisant figurer les flèches
courbes des actes élémentaires. c)-
Identifier les deux intermédiaires réactionnels qui
interviennent dans le mécanisme. d)-
Préciser le rôle de l’ion H+. |
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Correction : a)-
Équation de la réaction qui modélise la transformation.
-
Entre les
trois réactions précédentes, on élimine les espèces chimiques qui
sont à la fois réactif et produit : -
L’espèce H+ ; -
L’intermédiaire :
-
Il s’agit d’un cation organique qui
se forme lorsqu’un alcool est protoné par un acide de Lewis tel que
l’acide sulfurique. -
L’intermédiaire :
- Un ion carbénium est un carbocation dont l’atome de carbone qui porte la charge électrique positive est trivalent. - Il a une structure
trigonale (configuration plane trigonale) Identification de la géométrie d’une molécule
b)-
Mécanisme en faisant figurer les flèches courbes des actes
élémentaires. -
Étape 1 : Acte 1
-
Étape 2 : Acte 2
-
Étape 3 : Acte 3
c)-
Identification des deux intermédiaires réactionnels qui
interviennent dans le mécanisme. -
L’intermédiaire :
-
Il s’agit d’un cation organique qui
se forme lorsqu’un alcool est protoné par un acide de Lewis tel que
l’acide sulfurique. -
Cet intermédiaire se forme lors de
l’étape 1 et il est consommé lors de l’étape 2. -
L’intermédiaire :
-
Cet intermédiaire se forme lors de
l’étape 2 et il est consommé lors de l’étape 3. - Un ion carbénium est un carbocation dont l’atome de carbone qui porte la charge électrique positive est trivalent. - Il a une structure trigonale (configuration plane
trigonale) d)-
Rôle de l’ion H+. -
L’ion H+ est
consommé lors de l’étape 1 et il est régénéré lors de l’étape 3. -
Il n’intervient pas dans le bilan
total de la réaction. -
Il agit comme un catalyseur. -
Lacune électronique. -
Une lacune électronique indique un
déficit de deux électrons par rapport à la règle de stabilité. -
Cette lacune électronique est
représentée par une case rectangulaire ( -
Schéma de Lewis de l’atome
d’hydrogène :
- L’ion H+ provient d’un atome d’hydrogène ayant perdu un électron- On remarque qu’il manque un doublet d’électrons à l’atome d’hydrogène pour s’entourer de deux électrons - (règle de stabilité : règle du duet). -
Il porte donc une lacune
électronique : -
On ajoute une case rectangulaire
autour de l’atome d’hydrogène pour signaler la présence cette lacune
électronique. -
Chap. N° 05 De la structure à la polarité d’une
espèce chimique.
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De la déshydratation à l’hydratation - La transformation décrite dans l’exercice 1 précédent peut s’effectuer en sens inverse, -
il s’agit alors de l’hydratation du 2-méthylbut-2-ène. - Pour obtenir le mécanisme de cette transformation, il suffit « d’inverser » aussi le mécanisme précédent, - c’est-à-dire de ranger les étapes dans l’ordre inverse et d’écrire chaque étape « à l’envers » -
(les réactifs deviennent produits et les produits deviennent
réactifs).
a)-
Représenter le mécanisme de l’hydratation du 2-méthylbut-2-ène. b)-
Le compléter à l’aide des flèches courbes. c)-
Identifier le rôle de l’ion H+. |
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De la déshydratation à l’hydratation a)-
Hydratation du 2-méthylbut-2-ène.
b)-
Mécanisme en faisant figurer les flèches
courbes des actes élémentaires.
-
Étape 1 : Acte 1
-
Étape 2 : Acte 2
-
Étape 3 : Acte 3
c)-
Rôle de l’ion H+.
-
L’ion H+ est
consommé lors de l’étape 1 et il est régénéré lors de l’étape 3.
-
Il n’intervient pas dans le bilan
total de la réaction.
-
Il agit comme un catalyseur. |
3)- Exercice : Rompre une liaison dans le bon sens.
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Rompre une liaison dans le bon sens. Énoncé : -
La transformation chimique modélisée par la réaction
d’équation suivante est décrite à l’échelle microscopique par un
mécanisme nommé SN1. (CH3)3C
– Cl + HO- = (CH3)3C
– OH + Cl– a)-
Identifier les liaisons rompues et formées lors de cette
transformation. b)-
Indiquer la polarité de la liaison rompue, sachant que l’atome de
chlore est plus électronégatif que celui de carbone. c)-
Justifier la formation d’un ion carbénium (CH3)3C+
lors de la rupture de la liaison C – Cl. d)-
Proposer un mécanisme en deux étapes et le compléter à l’aide de
flèches courbes. e)-
Le « S » de SN1 signifie « substitution ».
Justifier l’utilisation de ce terme pour le mécanisme étudié. f)- Le « 1 » de SN1 signifie monomoléculaire, ce qui veut dire que l’acte élémentaire le plus difficile du mécanisme ne fait intervenir qu’un seul réactif.
Identifier cet acte dans le mécanisme proposé précédemment. g)- Enfin le « N » de SN1 signifie « nucléophile ». Faire une recherche sur la signification de ce
mot et identifier l’espèce qui peut être qualifiée de « nucléophile »
dans le mécanisme. |
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Correction : -
Molécule de 2-chloro-2-méthylpropane ou
2-chlorométhylpropane.
-
La transformation chimique modélisée par la réaction
d’équation suivante : (CH3)3C
– Cl + HO- = (CH3)3C
– OH + Cl– -
Une autre écriture de cette réaction :
Sans les doublets non liants
a)-
Identification les liaisons rompues et formées lors de cette
transformation. -
Au cours de la transformation chimique : -
Une liaison C – Cl est rompue : -
Une liaison C – O est formée : b)-
Polarité de la liaison rompue.
- L’électronégativité d’un élément traduit la tendance d’un atome A de cet élément à attirer le doublet d’électrons d’une liaison covalent qu’il forme avec un autre
atome B. -
Plus un élément est électronégatif, plus il attire à lui
le doublet d’électrons de la liaison covalent. -
L’électronégativité varie selon la place de
l’élément dans la classification périodique, ceci à l’exception des gaz
nobles. -
On utilise le plus souvent l’échelle d’électronégativité
de Pauling. -
Sur une même ligne, l’électronégativité augmente de
gauche à droite. -
Dans une même colonne, elle augmente de bas en haut.
-
L’atome de chlore est plus électronégatif que l’atome de
carbone. -
Il attire vers lui le doublet de liaison : on dit que la
liaison C – Cℓ est polarisée. -
Cette polarisation fait apparaître : -
Une charge partielle positive, noté
+ q (ou
+ δ) sur l’atome de carbone. -
Une charge partielle négative, noté
– q (ou
–
δ) sur l’atome de chlore. -
La charge q est inférieure à la charge élémentaire
e = 1,6 × 10–19 C -
Représentation :
-
L’atome de chlore est un site riche en électrons : c’est
un site donneur de doublet d’électrons. -
L’atome de carbone est un site appauvri en électrons :
c’est un site accepteur de doublet d’électrons. c)-
Justification de la formation d’un ion carbénium (CH3)3C+
lors de la rupture de la liaison C – Cl. - Lorsque la liaison C – Cℓ est rompue, - le doublet d’électrons est emporté par
l’atome de chlore qui est l’élément le plus électronégatif.
-
L’atome de carbone concerné n’établit plus que trois
liaisons. -
Il présente une lacune électronique. -
Il porte une charge positive. -
On est en présence d’un ion carbénium.
2-méthylprop-2-ylium
-
On est en présence d’un atome de carbone trigonal :
d)-
Mécanisme en deux étapes et flèches courbes. -
Étape 1 : ou acte 1
-
Étape 2 : ou acte 2
e)-
Justification de l’utilisation du terme « substitution » pour le
mécanisme étudié. -
Sur l’atome de carbone concerné (fonctionnel), l’atome de
chlore – Cl est remplacé par le groupe hydroxyle – OH. -
Il s’agit bien d’une substitution. f)-
Identification cet acte dans le mécanisme proposé précédemment. -
Le « 1 » de SN1 signifie
monomoléculaire, ce qui veut dire que l’acte élémentaire le plus
difficile du mécanisme ne fait intervenir qu’un seul réactif. - La première étape (ou premier acte élémentaire) ne fait intervenir qu’une espèce chimique : le 2-chloro-2-méthylpropane. - Il s’agit donc d’un acte
monomoléculaire. - La second étape (ou second acte élémentaire) fait intervenir deux espèces chimiques : le 2-méthylprop-2-ylium et l’ion hydroxyde. - Il s’agit donc d’un acte
« bimoléculaire » (2 entités chimiques). -
L’acte le plus difficile est le premier acte. Il
correspond à la rupture de la liaison C – Cl. g)-
Identification de l’espèce qui peut être qualifiée de
« nucléophile » dans le mécanisme. -
Le « N » de SN1 signifie « nucléophile ». -
Espèce nucléophile : -
C’est une espèce qui « aime les noyaux », c’est-à-dire qui
aime les entités positives. -
Une espèce nucléophile est une espèce riche en électrons,
elle est attirée par les charges positives. -
Espèce électrophile : -
C’est une espèce qui « aime les électrons », c’est-à-dire
qui aime les entités négatives. -
Une espèce électrophile est une espèce pauvre en
électrons, elle est attirée par les charges négatives. -
Réactif nucléophile : -
L'ion hydroxyde OH– : -
L'atome d’oxygène constitue un site riche en électrons, il
peut réagir avec un site électrophile (site pauvre en électrons). -
Site électrophile : - le carbone fonctionnel du 2-chloro-2méthylpropane est un site pauvre en électrons du fait de la différence d'électronégativité
entre l'atome de carbone et l'atome de chlore. -
Le chlore étant situé à droite de l'atome de carbone, il
est plus électronégatif. -
Il résulte de ceci que l'atome de chlore déplace vers lui
les électrons du doublet de liaison. -
L'atome de carbone fonctionnel porte une charge partielle
positive et l'atome de chlore une charge partielle négative. -
Lors de l’étape 2 (acte 2), l’ion hydroxyde (réactif
nucléophile) est attiré par la charge positif du carbénium.
-
Un nucléophile est un réactif qui forme une
liaison chimique avec son partenaire de réaction (l'électrophile) en
donnant deux électrons. -
On parle de substitution nucléophile lorsqu'un atome ou un
groupement d’atomes est remplacé par un nucléophile. ►
Différence entre hydroxyle et hydroxyde : -
Le terme hydroxyde désigne un radical :
-
OH. -
On parle de groupe hydroxyle. -
Il est constitué d’un atome d’oxygène et d’un atome
d’hydrogène. -
Il est lié à une molécule par liaison covalente. -
On le représente par la formulation suivante dans une
molécule : -
OH -
On peut en donner la représentation suivante :
-
Il est électriquement neutre et peut se trouver dans
différentes molécules : -
l'eau (H2O) : -
les alcools (R
-
OH) :
-
les acides carboxyliques (R
-
COOH ou R - CO
- OH) : -
Remarque : lorsqu’il s’agit du radical hydroxyle isolé, on
le note : · OH ou HO
·. -
Le terme hydroxyde désigne un ion polyatomique
composé d'un atome d'oxygène O et d'un atome d'hydrogène H. -
L’ion est chargé négativement, c’est un anion :
-
On parle de l’ion hydroxyde. -
Formule chimique : HO- ;
-
Autre écriture : -
C’est un réactif nucléophile. -
Il est présent entre autres dans les hydroxydes :
hydroxyde de sodium, (NaOH), hydroxyde de potassium (KOH),
… -
Exemple : solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (soude)
-
La formulation NaOH (s) désigne le cristal. -
Il est constitué d’un assemblage compact et ordonnée d’ion
sodium. Na+ et d’ion hydroxyde HO-. -
La solution aqueuse de soude : {Na+
(aq) + HO-
(aq)} -
On est en présence d’une solution aqueuse d’ions solvatés
(entourés de molécules d’eau) -
Remarque : L’eau (H2O ou H
- OH) contient le groupe
hydroxyle (- OH), mais
ce n’et pas un hydroxyde. -
Alors que l’hydroxyde de sodium NaOH (s) est un
hydroxyde car le cristal contient un cation, l’ion sodium Na+
et un anion, l’ion hydroxyde HO-.
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:
(3-méthylbutan-2-yl)oxonium
: 3-méthylbut-2-ylium (ion carbénium)
ou 
