Relation entre la structure et les propriétés des composés organiques

La résonance est un concept fondamental en chimie. Cela nous aide à comprendre comment les électrons sont répartis dans une molécule ou un ion. En chimie, nous utilisons les structures de Lewis pour représenter la disposition des électrons autour des atomes. Par exemple, la structure du benzène est généralement indiquée comme une structure de Lewis unique. Cette structure de Lewis contient des liaisons simples et doubles alternées. La structure de Lewis du benzène indique que les longueurs de liaison carbone-carbone dans le benzène ne sont pas égales. Entre-temps, nous avons déjà étudié que toutes les longueurs de liaison carbone-carbone dans le benzène sont égales.

Nous pouvons conclure qu’une seule structure de Lewis n’est pas suffisante pour décrire avec précision la structure électronique d’une molécule. C’est là que la résonance devient pertinente. La résonance se produit lorsqu'une molécule peut être représentée par plusieurs structures de Lewis valides appelées structures de résonance. Ces structures de résonance ne diffèrent que par la disposition des électrons. Les positions des atomes restent les mêmes. La molécule ou l’ion est l’hybride de ses structures de résonance.

Par exemple, deux structures de Lewis possibles du benzène sont illustrées ici. Ces deux structures de Lewis du benzène sont appelées structures de résonance. Ils ne diffèrent que par la position des liaisons pi. Les électrons Pi sont délocalisés sur tout le cycle benzénique. La molécule originale du benzène est un hybride de ces deux structures de résonance.

Prenons maintenant un exemple d’ion acétate. Il existe deux structures de Lewis possibles pour les ions acétate. Ces structures sont illustrées ici. L'électron sur l'atome d'oxygène peut se délocaliser entre deux atomes d'oxygène attachés au carbone. Ces deux structures de Lewis sont également appelées structures de résonance.

Le phénol est un alcool dans lequel le groupe hydroxyle est attaché à l'atome de carbone du cycle benzénique. La formule moléculaire du phénol est C₆H₅OH. Le phénol est plus acide que les autres alcools. Il peut se dissocier en ion phénoxyde et en ion hydrogène. Maintenant que nous avons étudié le concept de résonance, pouvez-vous expliquer pourquoi les phénols sont plus acides ? Eh bien, la réponse à cette question réside également dans la résonance.

Les phénols sont plus acides en raison de la stabilité de l’ion phénoxyde. Comme nous le savons, l’ion phénoxyde est formé par la dissociation du phénol. Cet ion phénoxyde est très stable en raison de la résonance. L'électron sur l'atome d'oxygène de l'ion phénoxyde est délocalisé sur tout le cycle benzénique. En raison de cette délocalisation de l'électron, l'ion phénoxyde possède plusieurs structures de résonance. En raison de la délocalisation de l'électron, l'électron n'est pas facilement disponible sur l'atome d'oxygène de l'ion phénoxyde. Cela rend l’ion phénoxyde moins réactif et donc plus stable.

Le décalage de densité électronique entre les atomes ou les groupes d'atomes est appelé effet inductif. Il décrit l’influence de l’attraction ou du don d’électrons. Il le fait pour des atomes ou des groupes d’atomes, sur des atomes ou des groupes d’atomes proches, au sein d’une molécule. Par exemple, dans les halogénures d’alkyle, la densité électronique est déplacée des atomes de carbone du groupe alkyle vers l’atome d’halogène. Cela est dû à la forte électronégativité de l’atome d’halogène par rapport à l’atome de carbone. L'atome d'halogène retire la densité électronique vers lui-même.

L'effet inductif négatif se produit lorsqu'un atome ou un groupe d'atomes retire la densité électronique du reste de la molécule. Cela conduit à une diminution de la densité électronique dans le reste de la molécule. Par exemple, dans le chlorobutane, l’atome de chlore est plus électronégatif que le carbone et l’hydrogène. Il présente un effet inductif négatif. Cela diminue la densité électronique de l’atome de carbone voisin.

Les atomes ou groupes d'atomes qui indiquent un effet inductif négatif sont appelés groupes attracteurs d'électrons. Les groupes attracteurs d’électrons ont une électronégativité élevée. Ces groupes ont tendance à retirer la densité électronique du reste de la molécule. Les exemples de groupes attracteurs d'électrons comprennent les halogènes, le groupe carbonyle, le groupe cyano et le groupe nitro.

L'effet inductif positif se produit lorsqu'un atome ou un groupe d'atomes donne une densité électronique au reste de la molécule. Cela entraîne une augmentation de la densité électronique sur le reste de la molécule. Par exemple, dans le toluène, le groupe méthyle augmente la densité électronique dans le cycle benzénique. Le groupe méthyle présente un effet inductif positif.

Les groupes donneurs d'électrons sont les atomes ou groupes d'atomes qui présentent un effet inductif positif. Les groupes donneurs d’électrons ont généralement une faible électronégativité. Quelques exemples de groupes donneurs d'électrons sont les groupes alkyles, les groupes amino et les groupes hydroxyles. Les groupes alkyles peuvent être des groupes méthyle ou des groupes éthyle.

Lorsqu'un groupe donneur d'électrons est attaché à un cycle benzénique, il donnera naissance à la densité électronique en position ortho et para du cycle benzénique. Un tel groupe est appelé groupe directeur ortho et para. Par exemple, dans les structures de résonance du toluène, nous pouvons voir que le groupe méthyle augmente sa densité électronique en position ortho et para.

Au cours des réactions de substitution électrophile, les groupes directeurs ortho et para dirigent l'électrophile entrant vers les positions ortho et para. Ceci est dû au fait que la densité électronique augmente en position ortho et para. Par exemple, la nitration du toluène entraîne la formation d’ortho nitrotoluène et de para nitrotoluène. Le groupe méthyle dans le toluène augmente la densité électronique en position ortho et para. En conséquence, le groupe nitro est attaché en position ortho et para.

Les groupes attracteurs d'électrons diminuent la densité électronique aux positions ortho et para du cycle benzénique. La densité électronique en position méta reste la même. Ces groupes sont appelés groupes de métadirection. Les positions ortho et para deviennent partiellement positives. La position méta devient partiellement négative. Le groupe nitro du nitrobenzène agit comme groupe directeur méta.

Dans le nitrobenzène, le groupe nitro retire la densité électronique des positions ortho et para. Maintenant, la position méta a une densité électronique plus élevée que les positions ortho et para. En conséquence, l’électrophile entrant se fixe en position méta. Par exemple, lors de la chloration du nitrobenzène Cl⁺l'ion agit comme électrophile. Il se fixe à la position méta du nitrobenzène. du métachloronitrobenzène est formé comme produit.