Étudier la relation entre la structure et les propriétés des hydrocarbures - Session 1

L'halogénation des alcanes est une réaction chimique dans laquelle un atome d'halogène remplace un atome d'hydrogène dans une molécule d'alcane. Dans ce processus, la liaison carbone-hydrogène est rompue. Après la rupture de la liaison, une nouvelle liaison carbone-halogène se forme. C'est une réaction de substitution. La substitution signifie le remplacement. L'halogénation des alcanes est spécifiquement appelée substitution radicale libre. Cela est dû au fait que cela implique la génération et l’utilisation de radicaux libres. Les radicaux libres sont des espèces chimiques hautement réactives qui contiennent un ou plusieurs électrons non appariés.

Concentrons-nous sur la chloration du méthane à titre d’exemple. La chloration du méthane comprend quatre étapes. La réaction commence par l’étape d’initiation. Dans cette étape, une molécule de chlore est décomposée en deux radicaux chlore hautement réactifs. Cette étape nécessite généralement de l’énergie sous forme de chaleur ou de lumière ultraviolette.

La deuxième étape est appelée propagation. Dans l'étape de propagation, un radical chlore réagit avec une molécule de méthane pour former un radical méthyle et du chlorure d'hydrogène. Le radical chlore remplace l'atome d'hydrogène dans le méthane. Il en résulte la formation de radicaux méthyliques et de chlorure d'hydrogène.

L’étape suivante est la propagation de la chaîne. Dans cette étape, le radical méthyle réagit avec une autre molécule de chlore pour former du chlorométhane et un autre radical chlore. Cette étape de propagation de la chaîne continue la réaction. Cela est dû au fait que le radical chlore nouvellement formé peut réagir avec des molécules de méthane supplémentaires.

L’étape finale est la résiliation. Lors de la terminaison, les radicaux réactifs se combinent pour former des molécules stables. Voici quelques exemples de réactions de terminaison qui peuvent avoir lieu lors de la chloration du méthane. Deux radicaux méthyles peuvent se combiner pour former de l'éthane. Un radical méthyle peut se combiner avec un radical chlore pour former du chlorométhane. Un radical méthyle peut se combiner avec un atome d'hydrogène pour former une molécule de méthane stable. Ces réactions de terminaison aident à réduire la concentration de radicaux réactifs et à mettre fin à la réaction de chloration.

L'hydrohalogénation des alcènes implique l'ajout d'un halogénure d'hydrogène à un alcène. L'halogénure d'hydrogène s'ajoute à travers la double liaison carbone-carbone de l'alcène. La double liaison des alcènes se brise au cours de ce processus. Le produit de cette réaction est un halogénure d’alkyle.

L'hydrohalogénation des alcènes se produit par un mécanisme par étapes qui implique la formation d'un intermédiaire carbocation. Prenons l’exemple de l’hydrochloration de l’éthylène pour illustrer le processus. La réaction est initiée par la dissociation du chlorure d'hydrogène en ses ions constitutifs. Cela génère un ion hydrogène chargé positivement et un ion chlorure chargé négativement.

L'éthène réagit ensuite avec l'ion hydrogène. La double liaison carbone-carbone dans l’éthène agit comme un nucléophile. Comme nous le savons, nucléophile signifie une espèce riche en électrons. Il attaque l'ion hydrogène. La liaison pi entre les deux atomes de carbone se brise. Ensuite, l’atome d’hydrogène se lie à l’un des atomes de carbone. L'ajout de l'ion hydrogène forme un intermédiaire carbocation. Le carbocation est un atome de carbone avec une charge positive et trois liaisons. Il manque un électron.

Après cela, l’ion halogénure chargé négativement attaque le carbone chargé positivement dans le carbocation. L'ion halogénure chargé négativement agit comme un nucléophile. Cette attaque nucléophile conduit à la formation d'une nouvelle liaison chlorure de carbone. La réaction se termine par la formation du produit halogénure d'alkyle. Dans ce cas, l'halogénure d'alkyle est le chloroéthane. L'halogénure d'alkyle contient une nouvelle liaison carbone-halogène et conserve le squelette carboné d'origine de l'alcène.

Lors de l'hydrohalogénation avec un alcène avec un plus grand nombre d'atomes de carbone, il existe une possibilité de formation de deux types de produits. Par exemple, lors de l'ajout de bromure d'hydrogène au propène, deux produits différents peuvent se former. Il s'agit d'un bromopropane et de deux bromopropanes. La formation de ces produits est expliquée par la règle de Markovnikov et la règle d'anti-Markovnikov.

Selon la règle de Markovnikov, le composant électrophile du réactif s'attache à l'atome de carbone avec le plus grand nombre d'atomes d'hydrogène qui lui sont attachés. Le composant nucléophile du réactif s'ajoute à l'atome de carbone avec moins d'atomes d'hydrogène qui lui sont attachés. Par exemple, lors de l'ajout de bromure d'hydrogène au propène, l'ion hydrogène est ajouté au carbone numéro un. C'est parce que le carbone numéro un possède un plus grand nombre d'atomes d'hydrogène attachés à lui que le carbone numéro deux. L'ion bromure est ajouté au carbone numéro deux.

Selon la règle d'Anti-Markovnikov, le composant électrophile du réactif s'attache à l'atome de carbone avec le moins d'atomes d'hydrogène qui lui sont attachés. Le composant nucléophile du réactif s'ajoute à l'atome de carbone avec un plus grand nombre d'atomes d'hydrogène qui lui sont attachés. Par exemple, lors de l'ajout de bromure d'hydrogène au propène, l'ion hydrogène est ajouté au carbone numéro deux. C'est parce que le carbone numéro deux a moins d'hydrogène attaché à lui que le carbone numéro un. L'ion bromure est ajouté au carbone numéro un. Cet ajout est conforme à la règle anti-Markovnikov.

Comme nous le savons, deux types de produits se forment lors de l’hydrohalogénation des alcènes. L'un est formé selon la règle de Markovnikov. L'autre produit est formé selon la règle d'Anti-Markovnikov. Pouvez-vous dire quel est le produit le plus susceptible d’être formé ? Eh bien, la réponse réside dans la stabilité de l’intermédiaire carbocation formé lors de l’hydrohalogénation des alcènes. Le carbocation stable forme un produit stable. Nous allons d’abord discuter des types de carbocations qui peuvent être formés lors de l’hydrohalogénation des alcènes.

Il existe trois types de carbocations. Carbocation primaire, carbocation secondaire et carbocation tertiaire. Un carbocation primaire n'a qu'un seul groupe alkyle lié à l'atome de carbone chargé positivement. Un carbocation secondaire possède deux groupes alkyles liés à l'atome de carbone chargé positivement. Un carbocation tertiaire possède trois groupes alkyles liés à l'atome de carbone chargé positivement.

Nous allons maintenant discuter du carbocation le plus stable. Les groupes alkyles attachés au carbone chargé positivement donnent des électrons à ce carbone chargé positivement. Ils contribuent à augmenter la densité électronique du carbone chargé positivement. Le caractère positif du carbone chargé positivement est ainsi réduit. Cela devient stable. Cela signifie que le carbocation le plus stable est celui qui possède le plus grand nombre de groupes alkyles attachés au carbone chargé positivement. Ainsi, le carbocation tertiaire est le plus stable. L'ordre croissant de stabilité du carbocation est montré ici.

Parlons maintenant des produits qui se sont formés lors de l’hydrobromation du propène. Le premier produit est du double bromopropane qui a suivi la règle de Markovnikov. Le deuxième produit est un bromopropane qui a suivi la règle anti-Markovnikov. L'intermédiaire carbocation de deux bromopropanes était un carbocation secondaire. L'intermédiaire carbocation d'un bromopropane était un carbocation primaire. Nous pouvons voir que le carbocation secondaire est plus stable. Le produit principal sera donc deux bromopropanes.