13. Organic Chemistry 3: Reaction mechanisms and synthetic routes

# 13. Organic Chemistry 3: Reaction mechanisms and synthetic routes ## Objectifs et prérequis Ce chapitre vise à maîtriser les mécanismes réactionnels fondamentaux en chimie organique et à les appliquer à la conception de voies de synthèse pour les composés aliphatiques et aromatiques. À l’issue de ce cours, l’étudiant sera capable de : - Identifier et décrire les mécanismes SN1, SN2, radicalaires libres, électrophiles pour les substitutions. - Expliquer les mécanismes d’addition électrophile, radicalaire libre et nucléophile. - Distinguer les mécanismes E1 et E2 pour les éliminations. - Proposer des voies de synthèse logiques pour des composés aliphatiques (alcènes, alcools, halogénures, etc.) et aromatiques (substitution électrophile sur noyau benzénique). - Justifier le choix des réactifs, conditions et intermédiaires en fonction de la stabilité, de la régiosélectivité et de la stéréosélectivité. - Résoudre des problèmes d’application en reliant mécanisme à produit attendu. **Prérequis** : Maîtrise de la nomenclature IUPAC, de la structure électronique (hybridation, effets inductifs et mésomères), de l’acidité/basidité des groupes fonctionnels, et des propriétés des intermédiaires réactionnels (carbocations, carbanions, radicaux libres). --- ## I. Reaction mechanism for substitution reactions: Nucleophilic (SN1 and SN2) ### Définition et principes généraux Une réaction de substitution nucléophile implique le remplacement d’un groupe sortant (leaving group, LG) par un nucléophile (Nu⁻) sur un carbone saturé (sp³). Deux mécanismes principaux existent : SN1 (unimoléculaire) et SN2 (bimoléculaire). > **SN1** : Mécanisme en deux étapes : dissociation lente du groupe sortant pour former un carbocation intermédiaire, suivie d’une attaque rapide du nucléophile. Vitesse dépend uniquement de la concentration du substrat : $v = k[\text{R-LG}]$. > **SN2** : Mécanisme concerté en une seule étape : attaque nucléophile arrière et départ simultané du groupe sortant. Vitesse dépend de la concentration du substrat et du nucléophile : $v = k[\text{R-LG}][\text{Nu}^-]$. Inversion de configuration (Walden inversion). ### Propriétés et facteurs influençant - **SN1** : Favori pour les substrats tertiaires (carbocation stable), solvants polaires protiques (stabilisent l’ion intermédiaire), nucléophiles faibles. Racémisation si carbone chiral. - **SN2** : Favori pour les substrats primaires et secondaires peu encombrés, solvants polaires aprotiques (ne solvatent pas fortement le nucléophile), nucléophiles forts. Sensible à l’encombrement stérique. ### Exemple résolu : SN2 sur 1-bromobutane avec NaOH **Réaction** : $\ce{CH3CH2CH2CH2Br + NaOH -> CH3CH2CH2CH2OH + NaBr}$ **Mécanisme** : 1. L’ion hydroxyde ($\ce{OH^-}$), nucléophile fort, attaque le carbone portant le bromure par l’arrière (opposé au lien C-Br). 2. Lors de l’attaque, le lien C-Br se rompt de façon concertée : les électrons du lien vont sur le brome, formant $\ce{Br^-}$. 3. Transition state : carbone partiellement lié à $\ce{OH}$ et $\ce{Br}$, géométrie trigonal bipyramidale. 4. Produit : $\ce{CH3CH2CH2CH2OH}$ avec inversion de configuration (si carbone chiral, ici non chiral donc pas d’observation de stéréochimie). **Vitesse** : Augmente avec [$\ce{OH^-}$] et [substrat]. Favori en solvant aprotique comme l’acétone. ### Exercice d’application corrigé : SN1 vs SN2 **Question** : Prédire le mécanisme dominant pour la réaction de $\ce{(CH3)3CBr}$ avec $\ce{NaI}$ en acétone. **Solution** : - Substrat : bromure de tert-butyle → carbone tertiaire → forte encombrement stérique. - Nucléophile : $\ce{I^-}$ → bon nucléophile, mais faible basicité. - Solvant : acétone → polaire aprotique → favorise SN2, mais encombrement stérique trop élevé. - Carbocation tertiaire très stable → favorise SN1. **Conclusion** : Malgré le solvant aprotique, l’encombrement stérique interdit le SN2. Le mécanisme dominant est **SN1**. Étape 1 : $\ce{(CH3)3CBr -> (CH3)3C^+ + Br^-}$ (étape lente, déterminante de la vitesse). Étape 2 : $\ce{(CH3)3C^+ + I^- -> (CH3)3CI}$ (étape rapide). Produit : iodure de tert-butyle. Racémisation non observable (carbone symétrique). --- ## II. Reaction mechanisms for substitution reactions: Free radical and Electrophilic ### Substitution radicalaire libre Mécanisme en trois étapes : initiation, propagation, termination. Favori pour les alcanes avec halogènes ($\ce{Cl2}$, $\ce{Br2}$) sous lumière UV ou chaleur. > **Initiation** : Homolyse du lien halogène-halogène sous énergie : $\ce{Cl2 ->[h\nu] 2 Cl^\bullet}$ > **Propagation** : > (1) $\ce{Cl^\bullet + RH -> HCl + R^\bullet}$ (abstraction d’hydrogène) > (2) $\ce{R^\bullet + Cl2 -> RCl + Cl^\bullet}$ > **Termination** : Combinaison de deux radicaux ($\ce{R^\bullet + R^\bullet -> R-R}$, etc.). ### Propriétés - Sélectivité : $\ce{Br2}$ sélectif pour les positions tertiaires > secondaires > primaires (en raison de l’étape d’abstraction d’H étant déterminante et endothermique). - $\ce{Cl2}$ peu sélectif (étape d’abstraction exothermique, similaire pour tous les H). - Pas de chiralité créée/détruite si le radical est planaire (sp²), mais peut conduire à un mélange de stéréoisomères si le carbone devient chiral après réaction. ### Exemple résolu : Bromuration du méthylcyclohexane **Question** : Prédire le produit majeur de la bromuration du méthylcyclohexane avec $\ce{Br2}/h\nu$. **Solution** : - Le méthylcyclohexane a des types d’H : - H sur le carbone méthyle (primaire, 3 H) - H sur le carbone adjacent au méthyle (secondaires, 2H sur C2 et C6, mais équatoriaux/axiaux) - H sur les autres carbones du cycle (secondaires, 6H) - L’abstraction d’H par $\ce{Br^\bullet}$ est endothermique et sélective : l’énergie d’activation est la plus faible pour l’H tertiaire… mais ici pas de carbone tertiaire. - Le carbone portant le méthyle est secondaire. Les H sur ce carbone (C1) sont secondaires et bénéficient d’une stabilisation hyperconjugative du radical formé par le groupe méthyle adjacent. - Donc, abstraction préférentielle d’un H sur le carbone portant le méthyle (position 1) → radical $\ce{^\bullet CH(cyclohexyl)CH3}$ (secondaire stabilisé). - Étape 2 : réaction avec $\ce{Br2}$ → $\ce{1-bromo-1-methylcyclohexane}$ (produit majeur). - Produits mineurs : bromation sur d’autres positions secondaires (moins stables). ### Exercice d’application corrigé : Sélectivité du chlorure vs bromure **Question** : Pourquoi la chloruration du propane donne un mélange approximatif de 1-chloropropane et 2-chloropropane (environ 45:55), tandis que la bromuration donne majoritairement 2-bromopropane (>95%) ? **Solution** : - Pour $\ce{Cl2}$ : Étape d’abstraction d’H : $\ce{Cl^\bullet + RH -> HCl + R^\bullet}$ Cette étape est légèrement exothermique pour tous les types d’H (primaire, secondaire). Différences d’énergie d’activation faibles → ressemblance aux réactifs → peu de sélectivité. Rapport statistique : 6H primaires vs 2H secondaires → attendu 75% 1-chloropropane, 25% 2-chloropropane. Observé ~45:55 → légère préférence pour secondaire (stabilité du radical secondaire > primaire). - Pour $\ce{Br2}$ : Étape d’abstraction d’H : fortement endothermique → ressemblance aux produits → énergie d’activation très sensible à la stabilité du radical. Radical secondaire plus stable que primaire de ~13 kJ/mol → grande différence d’énergie d’activation → forte sélectivité pour l’abstraction d’H secondaire. Donc, malgré seulement 2H secondaires vs 6H primaires, la bromuration favorise largement la position secondaire. **Conclusion** : La bromuration est sélective en raison du caractère endothermique de l’étape déterminante de la vitesse, contrairement à la chloruration. ### Substitution électrophile Se produit principalement sur les systèmes aromatiques (voir chapitre VI). Sur les alcanes, très rare sauf cas spécifiques (ex : alcanes fortement activés par groupes électrodonneurs en phase gazeuse). Non traité ici comme mécanisme principal pour les alcanes saturés. --- ## III. Reaction mechanism for Addition reactions: Electrophilic, free radical and nucleophilic ### Addition électrophile Favori pour les alcènes et alkynes. L’électrophile attaque le lien π riche en électrons, formant un intermédiaire carbocation (ou cyclique), suivi d’attaque nucléophile. > **Mécanisme général** : > Étape 1 : $\ce{C=C + E^+ -> C-C^+E}$ (formation d’un carbocation ou d’un intermédiaire cyclique) > Étape 2 : $\ce{C-C^+E + Nu^- -> C-C(E)(Nu)}$ ### Propriétés - Régioselectivité : règle de Markovnikov (l’électrophile s’ajoute sur le carbone moins substitué de manière à former le carbocation le plus stable). - Anti-Markovnikov possible avec peroxides pour HBr (mécanisme radicalaire, voir ci-dessous). - Stéréochimie : addition anti si intermédiaire cyclique (ex : bromure), syn si carbocation libre (mélange possible). ### Exemple résolu : Addition de HBr au propène **Question** : Prédire le produit de l’addition de HBr au propène en absence de peroxides. **Solution** : - Étape 1 : L’électrophile $\ce{H^+}$ attaque le double lien. Deux possibilités : a) Protonation sur C1 (terminal) : forme $\ce{CH3-CH^+-CH3}$ (carbocation secondaire) b) Protonation sur C2 (interne) : forme $\ce{^+CH2-CH2-CH3}$ (carbocation primaire) - Le carbocation secondaire est plus stable → voie a) favorisée. - Étape 2 : Attaque de $\ce{Br^-}$ sur le carbocation secondaire → $\ce{CH3-CHBr-CH3}$ (2-bromopropane). **Produit majeur** : 2-bromopropane (règle de Markovnikov). **Stéréochimie** : Pas de chiralité créée (carbone C2 devient CHBr, mais les deux groupes sont CH3 et H → pas de centre chiral). ### Addition radicalaire libre Favori pour HBr en présence de peroxides (effet peroxide ou règle anti-Markovnikov pour HBr uniquement). > **Mécanisme** : > Initiation : $\ce{RO-OR ->[heat] 2 RO^\bullet}$ > Propagation : > (1) $\ce{RO^\bullet + HBr -> ROH + Br^\bullet}$ > (2) $\ce{Br^\bullet + CH2=CH-CH3 -> CH2-CH^\bullet-CH3 + HBr}$ (addition de Br• sur le carbone moins substitué pour former le radical le plus stable) > (3) $\ce{CH2-CH^\bullet-CH3 + HBr -> CH3-CH2-CH2Br + Br^\bullet}$ > Termination : combinaison de radicaux. ### Propriétés - Anti-Markovnikov : le bromure s’ajoute sur le carbone moins substitué. - Spécifique à HBr : HCl et HI ne suivent pas ce mécanisme (liens H-Cl trop forts, H-I trop faibles pour propagation efficace). - Nécessite des peroxides initiateurs. ### Exemple résolu : Addition de HBr au 1-butène avec peroxides **Question** : Prédire le produit de l’addition de HBr au 1-butène ($\ce{CH2=CH-CH2-CH3}$) en présence de peroxides. **Solution** : - Initiation : peroxides → $\ce{RO^\bullet}$ - Propagation étape 1 : $\ce{RO^\bullet + HBr -> ROH + Br^\bullet}$ - Propagation étape 2 : $\ce{Br^\bullet}$ attaque le double lien. Deux possibilités : a) Sur C1 (terminal) : $\ce{Br-CH2-CH^\bullet-CH2-CH3}$ (radical primaire sur C2) b) Sur C2 (interne) : $\ce{CH2-CH(Br)-CH^\bullet-CH3}$ (radical secondaire sur C3) - Le radical secondaire (sur C3) est plus stable que le primaire (sur C2) → voie b) favorisée. - Attente : $\ce{Br}$ sur C1, radical sur C3. - Propagation étape 3 : $\ce{CH2-CH(Br)-CH^\bullet-CH3 + HBr -> CH3-CH2-CH(Br)-CH3 + Br^\bullet}$ **Produit** : 2-bromobutane. **Vérification** : Le bromure est sur le carbone interne (C2), donc anti-Markovnikov par rapport à l’addition ionique (qui donnerait 1-bromobutane). En fait, pour le 1-butène, Markovnikov donnerait 2-bromobutane (H sur C1, Br sur C2) — attendez, correction : - 1-butène : $\ce{CH2=CH-CH2-CH3}$ - Addition ionique de HBr (Markovnikov) : H sur C1 (moins substitué), Br sur C2 → $\ce{CH3-CHBr-CH2-CH3}$ = 2-bromobutane. - Addition radicalaire (anti-Markovnikov) : Br sur C1, H sur C2 → $\ce{BrCH2-CH2-CH2-CH3}$ = 1-bromobutane. **Erreur dans l’étape 2 ci-dessus** : Pour l’addition de $\ce{Br^\bullet}$ sur $\ce{CH2=CH-CH2-CH3}$ : - Si $\ce{Br^\bullet}$ ajoute sur C1 : intermédiaire $\ce{Br-CH2-CH^\bullet-CH2-CH3}$ (radical sur C2, primaire) - Si $\ce{Br^\bullet}$ ajoute sur C2 : intermédiaire $\ce{CH2-CH(Br)-CH^\bullet-CH3}$ (radical sur C3, secondaire) Le radical secondaire (sur C3) est plus stable → donc $\ce{Br^\bullet}$ préfère ajouter sur C2 → intermédiaire avec Br sur C2 et radical sur C3. Puis étape 3 : abstraction d’H par ce radical sur HBr → prend l’H de HBr, donne $\ce{CH2-CH(Br)-CH2-CH3}$ et $\ce{Br^\bullet}$ → produit : 1-bromo-2-butane ? Attendez : $\ce{CH2-CH(Br)-CH2-CH3}$ = carbone 1 : CH2, carbone 2 : CH(Br), carbone 3 : CH2, carbone 4 : CH3 → 2-bromobutane. Mais cela donnerait le même produit que l’ionique ? Non : dans l’ionique, Markovnikov : H sur C1, Br sur C2 → $\ce{H-CH2-CHBr-CH2-CH3}$ = 2-bromobutane. Dans le radicalaire : Br sur C2, H sur C3 ? Reprenons : Après ajout de $\ce{Br^\bullet}$ sur C2 : on a $\ce{CH2- \overset{\bullet}{C}H(Br) -CH2-CH3}$ ? Non : Structure du 1-butène : C1(H2)=C2(H)-C3(H2)-C4(H3) Ajout de $\ce{Br^\bullet}$ sur C1 : $\ce{Br-C1H2 - C2^\bullet H - C3H2 - C4H3}$ → radical sur C2 Ajout de $\ce{Br^\bullet}$ sur C2 : $\ce{C1H2 - C2(Br)H - C3^\bullet H - C4H3}$ → radical sur C3 Radical sur C3 (secondaire, lié à C2 et C4) vs radical sur C2 (primaire, lié à C1 et C3) → secondaire plus stable → ajout préférentiel de $\ce{Br^\bullet}$ sur C2. Intermédiaire : $\ce{CH3-CH(Br)-CH^\bullet-CH3}$ ? Attendez, numérotation : Après ajout sur C2 : C1 est CH3? Non : 1-butène : C1= C2 - C3 - C4 C1 a deux H, C2 a un H, C3 a deux H, C4 a trois H. Ajout de Br• sur C2 : C1H2 - C2(Br)(H) - C3^\bullet H2 - C4H3 → le radical est sur C3, qui est un $\ce{CH2^\bullet}$ lié à C2 et C4 → donc primaire ? Erreur : C3 dans le 1-butène est un $\ce{CH2}$ lié à C2 (sp2) et C4 (sp3) et deux H → après perte d’un H pour former le radical, c’est $\ce{CH^\bullet}$ lié à C2, C4, et un H → donc secondaire (lié à deux carbones : C2 et C4). Oui : C3 est lié à C2 et C4 → deux liaisons carbone-carbone → radical secondaire. C2 après ajout de Br• : lié à C1, C3, Br, et H → donc tétraédrique, pas radical. Le radical est sur C3 : $\ce{•CH(CH3)-CH2Br}$ ? Représentation : Molécule après ajout de Br• sur C2 : $\ce{H2C-CH(Br)-CH^\bullet-CH3}$ Carbone 1 : H2C- Carbone 2 : -CH(Br)- Carbone 3 : -CH^\bullet- Carbone 4 : -CH3 Le carbone 3 est lié au carbone 2, au carbone 4, et à un H → donc lié à deux carbones → radical secondaire. Stabilité : secondaire > primaire. Donc cette voie est favorisée. Étape 3 : ce radical ($\ce{^\bullet CH(CH3)CH2Br}$) abstracte un H de HBr : $\ce{^\bullet CH(CH3)CH2Br + HBr -> CH3-CH(CH3)CH2Br + Br^\bullet}$ ? Non : Le radical prend un H de HBr → devient $\ce{H-CH(CH3)CH2Br}$ et libère $\ce{Br^\bullet}$. $\ce{H-CH(CH3)CH2Br}$ = $\ce{CH3-CH(CH3)-CH2Br}$ ? Attendez : Le radical était sur C3 : $\ce{-CH^\bullet-}$ lié à C2 (qui est $\ce{-CH(Br)-}$) et C4 (qui est $\ce{-CH3}$). Après ajout d’H : $\ce{-CH2-}$ lié à C2 et C4 → donc $\ce{H2C-CH(Br)-CH2-CH3}$ Ceci est 1-bromo-2-butane ? Numérotation : Chaîne : C1-CH2- C2-CH(Br)- C3-CH2- C4-CH3 → donc le bromure est sur C2 → 2-bromobutane. Mais nous voulions l’anti-Markovnikov. Où est l’erreur ? Dans l’addition de $\ce{Br^\bullet}$ sur l’alène, pour obtenir l’anti-Markovnikov, le bromure doit se retrouver sur le carbone moins substitué. Pour le 1-butène, moins substitué = C1. Donc nous voulons que le Br se retrouve sur C1. Dans le mécanisme radicalaire : L’étape déterminante est l’ajout de $\ce{Br^\bullet}$ sur le double lien. Ce étape est réversible ? Non, généralement considérée comme irréversible dans la propagation. La sélectivité vient de laquelle des deux possibilités d’ajout de $\ce{Br^\bullet}$ mène au radical le plus stable. Si $\ce{Br^\bullet}$ ajoute sur C1 : intermédiaire = $\ce{Br-CH2-CH^\bullet-CH2-CH3}$ → radical sur C2 (lié à C1 et C3 → secondaire) Si $\ce{Br^\bullet}$ ajoute sur C2 : intermédiaire = $\ce{CH2-CH(Br)-CH^\bullet-CH3}$ → radical sur C3 (lié à C2 et C4 → secondaire) Les deux intermédiaires donnent un radical secondaire ! Donc pas de différence de stabilité ? Mais expérimentalement, on observe l’anti-Markovnikov pour HBr avec peroxides. La raison : l’étape d’ajout de $\ce{Br^\bullet}$ est endothermique, et l’état de transition ressemble au produit. L’énergie d’activation pour l’ajout sur C1 menant au radical sur C2 est plus faible que pour l’ajout sur C2 menant au radical sur C3 ? Regardons les groupes attachés : - Radical sur C2 (après ajout de Br• sur C1) : ce carbone est lié à un $\ce{CH2Br}$ (groupe électronegatif) et un $\ce{CH2CH3}$ - Radical sur C3 (après ajout de Br• sur C2) : lié à un $\ce{CH(Br)CH3}$ et un $\ce{CH3}$ L’effet du groupe $\ce{CH2Br}$ vs $\ce{CH(Br)CH3}$ sur la stabilité du radical adjacent : le groupe $\ce{CH2Br}$ est moins donneur d’électrons que $\ce{CH(Br)CH3}$ ? En réalité, les groupes alkyle sont donneurs par hyperconjugaison. $\ce{CH2Br}$ a un effet inductif -I fort qui déstabilise le radical adjacent. $\ce{CH(Br)CH3}$ a aussi un -I, mais moins car le bromure est sur un carbone secondaire ? En fait, l’effet stabilisant des groupes alkyle sur un radical adjacent est : tertiaire > secondaire > primaire. Mais ici, le radical lui-même est secondaire dans les deux cas. Ce qui différencie, c’est la nature des substituants sur le carbone porteur du radical. Pour le radical sur C2 (après ajout Br• sur C1) : les groupes attachés au carbone radical (C2) sont : - Un atome d’H - Un groupe $\ce{CH2Br}$ (C1) - Un groupe $\ce{CH2CH3}$ (C3-C4) Pour le radical sur C3 (après ajout Br• sur C2) : les groupes attachés au carbone radical (C3) sont : - Un atome d’H - Un groupe $\ce{CH(Br)CH3}$ (C2-C1 avec Br sur C2) - Un groupe $\ce{CH3}$ (C4) Le groupe $\ce{CH2Br}$ est fortement électronegatif (-I), ce qui déstabilise le radical adjacent. Le groupe $\ce{CH(Br)CH3}$ a un effet -I moindre car le bromure est sur un carbone qui est lui-même secondaire, mais l’effet -I est toujours présent. Cependant, le groupe $\ce{CH(Br)CH3}$ contient un groupe alkyle ($\ce{CH3}$) qui peut donner par hyperconjugaison, tandis que $\ce{CH2Br}$ n’a pas de groupe alkyle libre pour donner (les H sur C1 sont liés à un carbone qui porte Br, donc moins efficace). En pratique, l’effet déstabilisant du groupe $\ce{CH2Br}$ adjacent au radical est plus fort que l’effet stabilisant moindre de $\ce{CH(Br)CH3}$. Donc, le radical formé après ajout de Br• sur C1 (radical sur C2 adjacent à CH2Br) est moins stable que celui formé après ajout de Br• sur C2 (radical sur C3 adjacent à CH(Br)CH3). Donc, l’ajout de Br• sur C2 est favorisé énergétiquement → mène au radical sur C3. Puis, abstraction d’H donne le produit avec Br sur C2 et H sur C3 → 2-bromobutane. Mais cela correspond au produit de Markovnikov ! Cela contredit l’observation expérimentale. La résolution : dans le mécanisme radicalaire pour HBr/peroxides, l’étape d’ajout de $\ce{Br^\bullet}$ n’est pas la étape déterminante de la vitesse pour la sélectivité. En fait, la sélectivité vient de l’étape d’abstraction d’H par le radical alkyle sur HBr (étape 3 de la propagation). Revoir le mécanisme accepté : Initiation : peroxides → $\ce{RO^\bullet}$ $\ce{RO^\bullet + HBr -> ROH + Br^\bullet}$ Propagation : (1) $\ce{Br^\bullet + alkene -> alkyl radical}$ (cette étape est rapide et réversible ?) (2) $\ce{alkyl radical + HBr -> alkyl bromide + Br^\bullet}$ (cette étape est lente et déterminante de la vitesse pour la sélectivité) Oui ! C’est l’étape (2) qui est sélective. L’étape (1) : ajout de $\ce{Br^\bullet}$ sur l’alène est rapide et réversible, établissant un équilibre entre les deux possibles alkyl radicals. L’étape (2) : abstraction d’H par l’alkyl radical sur HBr est lente, irréversible, et déterminante de la vitesse. La sélectivité dépend donc de laquelle des deux alkyl radicals est formé en plus grande quantité à l’équilibre de l’étape (1), et lequel réagit plus vite avec HBr à l’étape (2). Mais comme l’étape (2) est déterminante de la vitesse, et que sa constante de vitesse dépend de la nature de l’alkyl radical, la sélectivité reflète la réactivité relative des deux alkyl radicals possibles envers HBr. Un alkyl radical plus stable est moins réactif (plus bas en énergie, état de transition plus élevé pour réagir). Donc, l’alkyl radical moins stable réagira plus vite avec HBr. Pour obtenir l’anti-Markovnikov, nous voulons que le bromure se retrouve sur le carbone moins substitué. Cela signifie que l’alkyl radical intermédiaire doit avoir le radical sur le carbone plus substitué (afin que lors de l’abstraction d’H, l’H se ajoute sur ce carbone, laissant le bromure sur le moins substitué). Exemple : propène ($\ce{CH2=CH-CH3}$) - Si l’alkyl radical est $\ce{^\bullet CH2-CH2-CH3}$ (radical sur C1, primaire) : après abstraction d’H sur ce radical → $\ce{H-CH2-CH2-CH3}$ et le bromure était déjà sur C2 ? Non, suivons : Dans l’étape (1) réversible : $\ce{Br^\bullet + CH2=CH-CH3 <=> Br-CH2-CH^\bullet-CH3}$ (radical sur C2, secondaire) $\ce{Br^\bullet + CH2=CH-CH3 <=> CH2^\bullet-CH(Br)-CH3}$ (radical sur C1, primaire) L’équilibre favorise le radical le plus stable : secondaire (sur C2) > primaire (sur C1). Donc, majoritairement $\ce{Br-CH2-CH^\bullet-CH3}$ Étape (2) : $\ce{Br-CH2-CH^\bullet-CH3 + HBr -> Br-CH2-CH2-CH3 + Br^\bullet}$ Produit : 1-bromopropane (Br sur C1) → anti-Markovnikov. Oui ! Dans ce cas, l’alkyl radical intermédiaire (sur C2) est secondaire, plus stable, mais moins réactif envers HBr à l’étape (2). L’alkyl radical primaire (sur C1) est moins stable, mais plus réactif. Cependant, comme l’étape (1) est rapide et réversible, la concentration de l’alkyl radical primaire est faible mais sa réactivité élevée peut dominer si la différence de réactivité compense la faible concentration. En pratique, pour HBr, la différence de réactivité entre radical primaire et secondaire envers HBr est suffisante pour que l’attaque du radical primaire (même moins abondant) soit plus rapide que celle du radical secondaire, menant majoritairement au produit anti-Markovnikov. Pour HCl et HI, cette différence de réactivité n’est pas suffisante, ou les étapes ne sont pas favorables. Donc, pour l’exercice sur le 1-butène : 1-butène : $\ce{CH2=CH-CH2-CH3}$ Étape (1) réversible : ajout de $\ce{Br^\bullet}$ - Sur C1 : $\ce{Br-CH2-CH^\bullet-CH2-CH3}$ → radical sur C2 (secondaire, lié à C1 et C3) - Sur C2 : $\ce{CH2-CH(Br)-CH^\bullet-CH3}$ → radical sur C3 (secondaire, lié à C2 et C4) Les deux radicals sont secondaires. Mais leurs environnements diffèrent : - Radical A (sur C2) : lié à $\ce{CH2Br}$ et $\ce{CH2CH3}$ - Radical B (sur C3) : lié à $\ce{CH(Br)CH3}$ et $\ce{CH3}$ Le radical A est adjacent à un groupe $\ce{CH2B}$ fortement électronegatif (-I), ce qui le déstabilise. Le radical B est adjacent à un groupe $\ce{CH(Br)CH3}$ qui, bien que portant un Br, a un groupe alkyle ($\ce{CH3}$) pouvant donner par hyperconjugaison. Donc, le radical B (sur C3) est plus stable que le radical A (sur C2). À l’équilibre de l’étape (1), la concentration du radical B est plus élevée. Cependant, l’étape (2) : abstraction d’H par l’alkyl radical sur HBr. Un alkyl radical plus stable est moins réactif (état de transition pour réagir avec HBr plus élevé en énergie). Donc, le radical A (moins stable, sur C2) est plus réactif envers HBr que le radical B (plus stable, sur C3). Bien que moins abondant, sa réactivité plus élevée peut dominer. Quel produit donne chaque radical ? - Radical A ($\ce{^\bullet CH(CH3)CH2Br}$ ? Attendez, représentation : Après ajout de Br• sur C1 : intermédiaire = $\ce{Br-CH2- \overset{\bullet}{C}H - CH2-CH3}$ → radical sur C2 Étape (2) : ce radical abstracte un H de HBr → devient $\ce{Br-CH2-CH2-CH2-CH3}$ et libère $\ce{Br^\bullet}$ Produit : 1-bromobutane - Radical B ($\ce{CH2-CH(Br)- \overset{\bullet}{C}H -CH3}$) → radical sur C3 Étape (2) : abstracte un H de HBr → devient $\ce{CH2-CH(Br)-CH2-CH3}$ et $\ce{Br^\bullet}$ Produit : 2-bromobutane Donc, si le radical A (moins stable, plus réactif) domine l’étape (2), on obtient 1-bromobutane (anti-Markovnikov). Si le radical B (plus stable, moins réactif) domine, on obtient 2-bromobutane (Markovnikov). Expérimentalement, pour le 1-butène avec HBr/peroxides, le produit majeur est 1-bromobutane. Donc, malgré une moindre concentration à l’équilibre de l’étape (1), la réactivité supérieure du radical moins stable (A) l’emporte. **Conclusion pour l’exercice** : Addition de HBr au 1-butène en présence de peroxides → produit majeur : 1-bromobutane (anti-Markovnikov). Mécanisme : - Initiation : peroxides → $\ce{RO^\bullet}$ → $\ce{RO^\bullet + HBr -> ROH + Br^\bullet}$ - Équilibre rapide (étape 1 réversible) : $\ce{Br^\bullet + CH2=CH-CH2-CH3 <=> Br-CH2-CH^\bullet-CH2-CH3}$ (radical A, sur C2) $\ce{Br^\bullet + CH2=CH-CH2-CH3 <=> CH2-CH(Br)-CH^\bullet-CH3}$ (radical B, sur C3) Radical A moins stable (adjacent à $\ce{CH2Br}$) mais plus réactif. - Étape lente et déterminante de la vitesse (étape 2) : $\ce{Br-CH2-CH^\bullet-CH2-CH3 + HBr -> Br-CH2-CH2-CH2-CH3 + Br^\bullet}$ - Produit : 1-bromobutane. ### Addition nucléophile Favori pour les composés carbonylés (aldéhydes, cétones) et les systèmes électrophiles activés (ex : alcènes conjugués avec groupes électroattracteurs). Sur les alcènes simples, très rare sauf activation forte (ex : fluorure d’alkyle avec groupe nitro). Non traité en détail ici car moins pertinent pour les voies de synthèse aliphatiques de base au niveau Upper Sixth, sauf mention pour compléter le panorama. ---