Réactions de substitution nucléophile

De nombreuses réactions de chimie organique se déroulent dans des conditions catalysées par des acides ou des bases, y compris les réactions de substitution nucléophile.

Considérons une simple réaction acide-base de l’acide chlorhydrique avec de l’hydroxyde de sodium. Ici, l’ion hydroxyde est une espèce riche en électrons et agit comme une base de Lewis. Il déprotone l’hydrogène acide, formant de l’eau et des ions chlorure comme base conjuguée du HCl.

Considérons maintenant une réaction de substitution nucléophile entre le chlorométhane et l’hydroxyde de sodium. L’hydroxyde de sodium reste le composant riche en électrons appelé nucléophile. L’ion hydroxyde est la base conjuguée de l’eau, qui est un acide faible avec un pK_a de 15,7. Ainsi, il s’agit d’une base conjuguée forte et d’un nucléophile fort.

Le chlorométhane, quant à lui, est un halogénure d’alkyle primaire. Ici, le composant déficient en électrons est analogue à un acide de Lewis et est appelé électrophile.

Semblable à une réaction acide-base, l’ion hydroxyde réagit avec l’électrophile en donnant son doublet non liant d’électrons et en formant une nouvelle liaison avec le carbone.

Simultanément, la liaison entre le chlorure, appelé groupe partant, et le carbone se rompt, et l’ion chlorure s’en va, emportant les deux électrons avec lui.

Cependant, une substitution nucléophile peut également se dérouler d’une manière différente. Considérez la réaction entre le 2-bromo-2-méthylpropane, un substrat tertiaire, et l’eau, où il fonctionne comme un solvant ainsi qu’un nucléophile. Une réaction où un solvant se comporte comme un nucléophile est connue sous le nom de solvolyse.

Lors de l’ionisation dans le solvant polaire, la liaison entre le substrat tertiaire et le groupe de départ se rompt en premier. Le groupe partant prend les deux électrons de la liaison, formant un carbocation stabilisé.

L’eau, ayant deux doublets non liants, agit comme le nucléophile et donne une paire d’électrons à la carbocation électrophile formant une espèce d’oxonium. Après la déprotonation, le 2-méthylpropan-2-ol se forme.

Mais qu’est-ce qui dicte le mécanisme de réaction ? Comme montré dans les leçons suivantes, le mécanisme d’une substitution nucléophile est influencé par la nature du substrat, la polarité du groupe de départ, du nucléophile, de l’électrophile et du solvant.