Description générale de la réaction chimique

Rappels et généralités

Dans toute réaction, on a une conservation de la matière et une conservation de l'énergie. Une réaction chimique résulte d'un "impact" entre deux entités chimiques ayant une énergie cinétique assez importante, c'est l'énergie d'activation.

Si l'énergie des produits est inférieure à celle des réactifs, alors la réaction est exothermique. Si c'est l'inverse, alors elle est endothermique. Si les deux sont égales, alors on parle de réaction athermique.

Rupture et création de liaisons

La rupture d'une liaison covalente ($\sigma$) entre deux partenaires A-B peut se produire de deux façons :

• Hétérolytique : les deux électrons de la liaison sont réassignés à un seul partenaire. La réaction est ionique ou polaire.
• Homolytique : un électron reste avec chacun des partenaires, la réaction est dite radicalaire.

En général, la nature de la rupture dépend de la polarisation de la liaison $\sigma$.

Une flèche dite "hameçon" indique une rupture homolytique de liaison.

Une flèche dite "normale" indique une rupture hétérolytique de liaison.

Polarisation de la liaison $\sigma$ et électronégativité : si la différence d'électronégativité entre deux atomes formant une liaison est supérieure à $0{,}3$ et inférieure à $2{,}0$, la liaison covalente est dite polarisée et des charges partielles $\delta^+$ et $\delta^-$ sont créées en raison de la distribution non symétrique des électrons de la liaison.

• Si les électronégativités sont égales, la liaison covalente est dite non polarisée.
• Si la différence d'électronégativité est égale ou supérieure à 2, la liaison est dite ionique.

La nature de la rupture dépend également :

• de la nature des réactifs (acides-bases, nucléophiles...) ;
• des intermédiaires réactionnels (carbocations, radicaux libres...) ;
• du rôle du solvant (polaire, apolaire, protique, aprotique...).

Réactions radicalaires : ce type de réactions est moins fréquent que les réactions de type ionique.

Une espèce radicalaire réagit pour compléter à 8 électrons sa couche de valence.

• Une espèce radicalaire peut rompre une liaison d'une autre molécule pour s'associer à un nouveau partenaire, donnant un produit de substitution.
• Une espèce radicalaire peut s'additionner sur un alcène pour donner une nouvelle espèce radicalaire, causant une réaction d'addition.

Réactions ioniques :

• Électrophile : une espèce pauvre en électrons, se combine avec un nucléophile, une espèce riche en électrons.
• Nucléophile : une espèce chimique qui fournit les deux électrons qui vont former la nouvelle liaison.
• Électrophile : une espèce chimique qui accepte les deux électrons qui vont former la nouvelle liaison.

Un électrophile est un acide de Lewis alors qu'un nucléophile est une base de Lewis.

La flèche va toujours du $B^-$ vers le $A^+$.

Réactifs électrophiles et nucléophiles

Exemples de réactifs nucléophiles

Anions : $F^-$, $Cl^-$, $Br^-$, $I^-$, $HO^-$, $RO^-$, $CH_3COO^-$, $RS^-$, $R_2N^-$, $CN^-$.

Molécules neutres :

Exemples de réactifs électrophiles

Cations : $H^+$, $NO_2^+$, $R_3C^+$, $R\overset{+}{C}{=}O$, $Cl^+$, $Br^+$, $I^+$.

Molécules neutres, acides de Lewis : $BF_3$, $AlCl_3$.

Profils de réaction

Réaction en une étape ou concertée : la réaction s'accomplit en un seul acte, à la suite d'une collision qui déclenche à la fois la rupture et la formation des liaisons, et s'accompagne d'un état de transition. Ce processus est appelé réaction élémentaire.

$$A + B \rightleftharpoons C + D + \text{énergie}$$

Lorsque la transformation est dans l'état de transition, la liaison n'est pas encore rompue mais la nouvelle n'est pas complète, on la représente donc en pointillé.

On note l'état de transition entre crochets ; cet état n'a pas de durée de vie, il est représentatif.

$$[A \dots B \dots C]^{\#}$$

Réaction multiétape ou complexe : beaucoup de réactions s'effectuent en deux ou plusieurs étapes, par une succession d'actes élémentaires qui conduisent à la formation d'espèces intermédiaires. Ce sont alors des réactions complexes ou multiétapes.

$$A + B \rightleftharpoons [I] \rightarrow C + D + \text{énergie}$$

I est une espèce à courte durée de vie qui n'est généralement pas isolée. Elle sera très sensible à son environnement électronique (effets I et M).

Réaction catalysée : un catalyseur est un corps qui, par sa présence dans un système capable d'évoluer chimiquement, accélère la transformation sans participer à son bilan et en général sans être modifié lui-même. Le catalyseur ne change pas $\Delta E$ mais il diminue l'énergie d'activation et par conséquent le chemin réactionnel.

Types de réactions

Réaction de substitution : dans les réactions de substitution, un atome ou groupe d'atomes est remplacé par un autre. Le degré de substitution du carbone reste inchangé.

$$H_3C{-}CH_2{-}Br + OH^- \rightarrow H_3C{-}CH_2{-}OH + Br^-$$

Réaction d'addition : les réactions d'addition impliquent un accroissement du nombre de substituants liés à l'atome de carbone. Le degré de substitution du carbone s'accroît.

Réaction d'élimination : les réactions d'élimination impliquent une diminution du nombre de substituants liés à l'atome de carbone. Le degré de substitution du carbone décroît.

Réaction de transposition : dans les réactions de transposition, il y a réarrangement du squelette carboné.