Étudier la relation entre la structure et les propriétés des hydrocarbures - Session 3

Discutons des différents types de réactions de substitution électrophile du benzène. Mais avant de continuer, pouvez-vous nous dire ce que l’on entend par substitution électrophile ? L'électrophile est une espèce déficiente en électrons qui a une attraction pour les électrons. Le mot substitution signifie remplacement. Ainsi, la substitution électrophile du benzène signifie l’introduction d’un électrophile sur le benzène par substitution d’un ou plusieurs atomes ou groupes dans le benzène. Le benzène substitué est formé comme produit.

L'alkylation de Friedel Crafts est une réaction de substitution électrophile qui implique l'introduction d'un groupe alkyle sur un composé aromatique. Il doit son nom à ses découvreurs, Charles Friedel et James Crafts. La réaction se produit par l’interaction d’un composé aromatique, d’un halogénure d’alkyle et d’un catalyseur acide de Lewis. Les produits formés sont des composés aromatiques alkylés et des halogénures d’hydrogène. C'est une réaction de substitution électrophile. Dans cette réaction, le groupe alkyle agit comme électrophile. Il remplace l'atome d'hydrogène du composé aromatique.

Prenons l’exemple du benzène et du chlorure de méthyle pour comprendre le mécanisme d’alkylation de Friedel Crafts. Nous allons faire réagir le benzène avec du chlorure de méthyle et du chlorure d’aluminium. Le benzène est un composé aromatique. Le chlorure de méthyle agit comme agent alkylant. Le chlorure d'aluminium agit comme catalyseur acide de Lewis. Le produit formé est le toluène. Du chlorure d’hydrogène est également formé comme sous-produit.

Nous allons maintenant discuter du mécanisme détaillé de l’alkylation de Friedel Crafts du benzène. La première étape implique l’activation du chlorure de méthyle. Le chlorure d'aluminium réagit avec le chlorure de méthyle pour générer une espèce réactive appelée cation méthyle et AlCl₄⁻. Le cation méthyle agit comme électrophile car il est déficient en électrons.

L’étape suivante est la formation d’un carbocation stabilisé par résonance. Dans cette étape, le cation méthyle généré interagit avec la molécule de benzène. La double liaison du benzène attaque le cation méthyle. Le cation méthyle est ajouté au cycle benzénique. Un carbocation stabilisé par résonance est formé.

Prenons AlCl₄⁻à titre d'exemple. Il absorbe l'ion hydrogène de l'atome de carbone du carbocation auquel le groupe alkyle est attaché. En conséquence, le carbocation est transformé en benzène méthylé. Ce benzène méthylé est appelé toluène. Après avoir retiré l'ion hydrogène AlCl₄⁻L'ion est converti en chlorure d'aluminium et en chlorure d'hydrogène.

L'acylation de Friedel Crafts est une réaction qui implique l'introduction d'un groupe acyle sur un composé aromatique. La réaction se produit par l'interaction d'un composé aromatique, d'un chlorure d'acyle et d'un catalyseur acide de Lewis. Rdans le chlorure d'acyle représente n'importe quel groupe alkyle. Les produits formés sont des composés aromatiques acylés et des halogénures d’hydrogène. C'est une réaction de substitution électrophile. Dans cette réaction, le groupe acyle agit comme électrophile. Il remplace l'atome d'hydrogène du composé aromatique.

Nous allons maintenant discuter du mécanisme détaillé de l’acylation du benzène par Friedel-Crafts. La réaction commence par l’activation du chlorure d’acyle. Un catalyseur acide de Lewis, généralement du chlorure d'aluminium, est ajouté au mélange réactionnel. Le chlorure d'aluminium réagit avec le chlorure d'acyle pour générer des ions acylium et AlCl4-ion.

L’étape suivante est la formation d’un carbocation stabilisé par résonance. Dans cette étape, l’ion acylium interagit avec la molécule de benzène. La double liaison du benzène attaque l'ion acylium. L'ion acylium est ajouté au cycle benzénique. Un carbocation stabilisé par résonance est formé.

Considérons maintenant AlCl₄⁻ion. Il absorbe l'ion hydrogène de l'atome de carbone du carbocation auquel le groupe acyle est attaché. En conséquence, le carbocation est transformé en benzène acylé. Le benzène acylé est une cétone. Après avoir retiré l'ion hydrogène AlCl₄⁻L'ion est converti en chlorure d'aluminium et en chlorure d'hydrogène. Pouvez-vous dire quel produit sera formé si nous effectuons l'acylation de Friedel Crafts du benzène avec du chlorure d'acétyle CH₃COClen présence de AlCl₃?.

La nitration du benzène est une réaction chimique dans laquelle un -NO2est introduit sur le cycle benzénique. Il s’agit également d’une réaction de substitution électrophile. La réaction est réalisée en utilisant un mélange d'acide nitrique et d'acide sulfurique Ce mélange est appelé agent nitrant. Le produit formé est le nitrobenzène.

La réaction commence par la génération de l’ion nitronium. L'ion nitronium est l'espèce électrophile responsable de la nitration du benzène. L'ion nitronium est produit en mélangeant de l'acide nitrique concentré et de l'acide sulfurique concentré. L'acide sulfurique donne un ion hydrogène à l'acide nitrique. Il en résulte la formation d’ions nitronium et d’ions bisulfate.

L'ion nitronium agit comme un électrophile. Il attaque le cycle benzénique riche en électrons. Le cycle benzénique donne une paire d’électrons à l’ion nitronium. Cela entraîne la formation d’un complexe sigma, également connu sous le nom d’ion arénium. L'ion arénium est un intermédiaire stabilisé par résonance dans lequel la charge positive est délocalisée sur le cycle benzénique.

Le système aromatique retrouve sa stabilité par déprotonation de l'ion arénium. L'ion bisulfate extrait un proton de l'ion arénium. Cela conduit à la formation de nitrobenzène. L’acide sulfurique est également formé comme sous-produit.

L'halogénation du benzène est également une réaction de substitution électrophile. Il s’agit de l’introduction d’halogène dans le benzène. Le catalyseur utilisé dans ce procédé peut être du bromure de fer ou du chlorure de fer. Par exemple, lors de la bromation du benzène, le benzène réagit avec le brome en présence de chlorure de fer. Le produit formé dans cette réaction est le bromobenzène.

Discutons du mécanisme de cette réaction. Tout d’abord, le brome réagit avec le bromure de fer pour former un complexe. Dans ce complexe, le bromure de fer polarise l’atome de brome terminal. L'atome de brome terminal devient un cation brome. Le cycle benzénique donne une paire d’électrons au cation brome. Il en résulte la formation de carbocation. Après cela, le FeBr₄⁻L'ion absorbe l'ion hydrogène de l'atome de carbone du carbocation auquel l'atome de brome est attaché. Cela conduit à la formation de bromobenzène. Le bromure d’hydrogène est formé comme sous-produit.

L'hydrogénation catalytique du benzène est une réaction chimique dans laquelle le benzène réagit avec l'hydrogène gazeux en présence d'un catalyseur pour former du cyclohexane. L'hydrogénation catalytique du benzène n'est pas une réaction de substitution électrophile. C'est une réaction d'addition. Cette réaction implique l'ajout d'atomes d'hydrogène à travers les doubles liaisons carbone-carbone du benzène. Du nickel très finement divisé peut être utilisé comme catalyseur pour cette réaction.