Introduction à l'ordre de réaction et aux voies

La synthèse organique est l'art et la science de construire des molécules complexes à partir de précurseurs plus simples.Le succès de toute voie synthétique dépend non seulement de la faisabilité de la transformation chimique souhaitée, mais aussi de la capacité de contrôler sa vitesse et sa sélectivité. Deux concepts fondamentaux qui guident ce contrôle sont l'ordre de réaction – un paramètre cinétique qui quantifie la façon dont la vitesse dépend des concentrations réceptives – et les voies de réaction, les mécanismes détaillés étape par étape qui décrivent le mouvement des électrons et des atomes pendant une réaction.La relation entre ces concepts est profondément entrelacée : l'ordre de réaction fournit souvent le premier indice expérimental sur la moléculaire de l'étape de limitation de vitesse, révélant ainsi la voie sous-jacente.

Ordre de réaction: La Fondation Kinetic

Définition et mesure de l'ordre de réaction

Pour une réaction générale avec une loi de vitesse k[A]m[B]n, l'ordre global est m+]n], où k] est la constante de vitesse. Les ordres peuvent être entiers (0, 1, 2) ou fractions, et ils ne sont pas nécessairement liés aux coefficients stœchiométriques de l'équation globale équilibrée. La détermination de l'ordre consiste généralement à mesurer les taux initiaux à différentes concentrations, à appliquer des lois de vitesse intégrées ou à analyser le comportement de la demi-vie.

Réactions de la commande zéro

Dans une réaction à ordre zéro, la vitesse est indépendante de la concentration de réactif (rate = k[). Cela se produit souvent lorsque la réaction est limitée par un facteur autre que la concentration, comme la disponibilité d'une surface de catalyseur dans une catalyse hétérogène ou la saturation d'une enzyme dans les systèmes biologiques. Dans la photochimie organique, la cinétique à ordre zéro peut survenir lorsque l'espèce absorbante est continuellement reconstituée, et le taux de réaction est régi par l'intensité lumineuse.

Réactions de la première commande

Les réactions de premier ordre ont un taux directement proportionnel à la concentration d'un réactif (rate = k[[A]). Les exemples classiques comprennent la décomposition des isotopes radioactifs et certains réarrangements thermiques. En chimie organique, la solvolyse des halogénures tertiaires d'alkyles dans les solvants protiques polaires suit souvent la cinétique du premier ordre, car l'étape de détermination du taux est la formation unimoléculaire d'une carbocation. Un autre exemple important est l'élimination des halogénures de benzyles pour générer des carbènes dans des conditions de base. La dépendance de premier ordre indique qu'une seule molécule participe à l'événement de limitation du taux, fournissant un indice mécaniste fort que l'étape implique une rupture de liaison sans l'aide d'une autre molécule réagissante.

Réactions de la deuxième commande

Les réactions de second ordre sont parmi les plus fréquentes en synthèse organique. Elles présentent un taux proportionnel au produit de deux concentrations de réactifs (rate = k[A][B]) ou au carré d'un seul réactif (rate = k[[A]2. La nature bimoléculaire de ces réactions suggère que deux particules doivent se coller dans l'étape de détermination de la vitesse. Les réactions représentatives comprennent la substitution nucléophile (SN2), de nombreuses réactions d'addition et la cycloaddition Diels-Alder. Par exemple, la réaction de l'iodure méthylique avec l'ion hydroxyde dans un solvant aprotique polaire se produit par une attaque concertée de l'arrière-plan, entraînant des cinétiques de second ordre qui sont de premier ordre dans chaque réactif.

Cinétique de l'ordre des Pseudo

Dans de nombreuses situations pratiques, un réactif est présent en excès, ce qui rend sa concentration effectivement constante tout au long de la réaction. Dans ces conditions, l'ordre observé dans le réactif limite peut être simplifié. Par exemple, une réaction intrinsèquement de second ordre global peut être étudiée en pseudo-premier ordre en ayant un réactif à une concentration au moins dix fois plus élevée que l'autre. Cette technique est largement utilisée dans les études mécanistes pour simplifier l'analyse cinétique et isoler la dépendance à l'égard du réactif d'intérêt.

Resource externe: équations de vitesse et ordre de réaction sur Wikipedia

Voies de réaction : des réactifs aux produits

Mécanismes progressifs et mécanismes concertés

Les voies de réaction en chimie organique sont généralement classées par étapes ou par concertation.Une voie par étapes implique une ou plusieurs espèces intermédiaires distinctes, stables ou métastables, qui existent pendant un temps fini, séparées par des états de transition.Par exemple, les réactions SN1, où se forme un intermédiaire de carbocation, et la substitution aromatique électrophile, qui se produit par un complexe sigma (ion arénium), sont des voies concertées qui se déroulent par un seul état de transition sans formation d'intermédiaires. La réaction Diels-Alder et de nombreuses réactions péricycliques entrent dans cette catégorie. La distinction entre ces deux types a de profondes implications pour le résultat stéréochimique, la regiosélectivité et la susceptibilité aux effets substituants.

Les intermédiaires et les États en transition

La stabilité des intermédiaires le long d'une voie dicte largement l'énergie d'activation et le taux global de la réaction. Par exemple, la stabilité de la carbocation augmente avec la substitution alkylique (tertiaire > secondaire > primaire), qui favorise énergétiquement les voies SN1 pour les halogénures alkyl tertiaires. De même, la stabilité de la carbanion est influencée par la résonance et les effets inductifs. Les états de transition, bien qu'ils ne soient pas isoles, sont souvent modélisés à l'aide de méthodes computationnelles pour comprendre les changements d'ordre de liaison et la distribution de charge.

Exemples de voies communes dans la synthèse organique

La voie SN2 est concertée, impliquant un seul état de transition où les attaques nucléophiles du côté opposé du groupe de départ, conduisant à l'inversion de la stéréochimie. La voie SN1 est progressive, avec la formation de limite de vitesse d'une carbocation planaire qui peut être attaquée de chaque visage, entraînant une racémisation. Les réactions d'élimination (E1 et E2) suivent des schémas similaires : E2 est concertée avec une base forte qui enlève un proton pendant que le groupe de départ s'en va, conduisant à une anti-élimination stéréospécifique ; E1 est progressive avec la formation de carbocation suivie d'une perte de proton. D'autres voies importantes comprennent l'addition électrophile aux alkènes, qui peut être progressive par des carbocations ou concertée par des intermédiaires à trois membres du cycle, et des réactions péricycliques comme les cycloadditions et les réarrangements sigmatropiques, qui sont généralement concertées et régies par des règles de symétrie orbitale.

La connexion entre l'ordre de réaction et les voies

Comment l'ordre révèle la molécularité

La réaction qui est de premier ordre global a une étape de détermination de vitesse unimoléculaire, ce qui signifie qu'une seule molécule est impliquée dans l'étape la plus lente. Ceci suggère des mécanismes où la rupture ou le réarrangement de liaison se produit sans collision avec une autre molécule réagissante. Par exemple, la cinétique de premier ordre d'une réaction SN1 implique directement que l'ionisation du substrat pour former une carbocation est l'étape lente. Inversement, une réaction de second ordre implique une étape de détermination de vitesse bimoléculaire. La réaction SN2, avec sa cinétique de second ordre, correspond à l'attaque concertée du nucléophile sur le substrat. Dans des réactions multiétapes plus complexes, l'ordre observé ne reflète pas directement la moléculaire de chaque étape, mais correspond toujours à la stoichométrie de l'état de transition de l'étape de limitation de vitesse.

Interprétation des ordonnances fractionnelles et complexes

Les ordres fractionnels, bien que moins fréquents, fournissent un éclairage supplémentaire. Ils surviennent souvent lorsqu'une réaction se produit par plusieurs voies concurrentes ou lorsqu'un pré-équilibre établit un intermédiaire qui subit alors une réaction supplémentaire. Par exemple, dans l'hydrolyse des esters catalysés par l'acide, le taux peut montrer une dépendance de premier ordre à l'ester mais un ordre fractionnel sur le catalyseur acide si le pré-équilibre de la protonation n'est pas complètement déplacé. De même, les réactions en chaîne radicales peuvent présenter des ordres entre 1 et 2 en raison de la longueur de la chaîne et des étapes de terminaison.

Études de cas: SN1, SN2, E1 et E2

La comparaison classique des réactions de substitution et d'élimination nucléophiles illustre la connexion cinétique-mécanique. Pour les halogénures alkyl tertiaires dans les solvants polaires sans bases fortes, les voies SN1 et E1 dominent, toutes deux présentant une cinétique de premier ordre dans le substrat. La concurrence entre la substitution et l'élimination dépend de la température et de la nature du solvant. En revanche, les halogénures alkyl primaires avec des nucléophiles forts ou des bases subissent des réactions SN2 ou E2 montrant une cinétique de second ordre. En mesurant l'ordre de réaction, un chimiste peut rapidement évaluer si une quantité catalytique d'un nucléophile suffira ou si une base stœchiométrique est nécessaire. Par exemple, si une réaction est trouvée de premier ordre dans l'halogénure alkyle mais de zéro ordre dans le nucléophile ajouté, elle indique fortement une voie SN1 ou E1 et les conditions pour stabiliser la carbocation (par exemple, le solvant protique polaire, la température modérée) doivent être utilisées.

Ressource externe: mécanisme de réaction SN1 sur Wikipedia

Incidences pratiques sur la synthèse organique

Optimisation des conditions de réaction

Pour une réaction de premier ordre, la vitesse peut être augmentée simplement en augmentant la concentration du réactif impliqué dans l'étape de détermination de la vitesse, mais cela doit être équilibré avec toutes les réactions secondaires qui peuvent également être de premier ordre. Pour les réactions de second ordre, l'augmentation de la concentration de l'un ou l'autre réactif peut accélérer la réaction, permettant souvent l'utilisation de températures plus basses, ce qui améliore la sélectivité. Dans les réactions de zéro ordre, la concentration de température et de catalyseur sont les leviers primaires.

Contrôle de la sélectivité par la cinétique

Dans de nombreuses synthèses, les voies concurrentes conduisent à différents produits. Par exemple, dans l'alkylation des énolates, le rapport de l'O-alkylation à l'C-alkylation peut être influencé par l'ordre réactionnel. Si l'O-alkylation est de premier ordre dans l'énolate et que l'alkylation C est de second ordre, les conditions diluées favorisent l'O-alkylation. De même, dans la concurrence entre substitution et élimination, des concentrations plus élevées de base favorisent généralement l'E2 bimoléculaire par rapport à l'E1 unimoléculaire, tandis que de faibles concentrations de base favorisent l'E1. En exploitant ces différences cinétiques, les chimistes peuvent orienter les réactions vers les produits désirés sans élaborer de stratégies de protection de groupe.

Exemples du monde réel : Synthèse pharmaceutique

Dans l'industrie pharmaceutique, il est essentiel de comprendre l'ordre des réactions et les voies à suivre pour développer des procédés de fabrication robustes et économiques. Considérons la synthèse de l'atorvastatine (Lipitor), un médicament qui abaisse le cholestérol par un blockbuster. Une étape clé consiste à modifier la condensation de l'aldole, optimisée en comprenant que la réaction était de second ordre dans l'aldéhyde et de premier ordre dans l'énolate. En ajustant la concentration de l'aldéhyde, la vitesse a été accélérée tout en minimisant la formation de produits aldoliques. Un autre exemple est la synthèse de l'oseltamivir (Tamiflu), où un réarrangement [3,3]-sigmatropique crucial procède à une cinétique de premier ordre.

Considérations avancées

Le rôle de la catalyse

Dans la catalyse homogène, la réaction devient souvent d'ordre zéro dans le substrat à forte charge de catalyseur si l'étape de limitation de vitesse est la libération du produit par le catalyseur. Par exemple, dans de nombreuses réactions de couplage croisé catalysées par des métaux de transition (par exemple Suzuki-Miyaura, Heck), l'étape d'addition oxydative peut être de détermination de vitesse, montrant une cinétique de premier ordre dans l'halogénure d'aryle et un premier ordre dans le catalyseur. Toutefois, si un prééquilibre tel que la dissociation de ligand se produit, l'ordre dans le ligand peut devenir inverse. Comprendre ces dépendances cinétiques permet une optimisation rationnelle de la structure du catalyseur et des concentrations additives.

Solvant et effets moyens

Pour les réactions SN1, les solvants protiques polaires stabilisent la carbocation naissante en état de transition, abaissant l'énergie d'activation et maintenant la cinétique du premier ordre. En revanche, les solvants aprotiques polaires accélèrent les réactions SN2 en désolvant le nucléophile, mais la dépendance du second ordre reste inchangée. La polarité du solvant peut également déplacer l'étape de détermination de la vitesse. Par exemple, en ajoutant le HBr aux alkènes, l'ordre de réaction change de premier ordre dans les solvants non polaires (où l'étape de détermination de la vitesse est l'addition électrophile) vers le second ordre dans les solvants polaires (où la formation de carbocation est assistée).

Approches informatiques pour relier l'ordre et le chemin

La chimie informatique moderne, en particulier la théorie fonctionnelle de densité (DFT), permet de calculer les états de transition et les voies de réaction avec une grande précision. En modélisant la surface énergétique, les chimistes peuvent prédire la moléculaire de l'étape de détermination de la vitesse et se comparer aux données cinétiques expérimentales. Par exemple, les études DFT sur le réarrangement de Claisen ont confirmé sa concertéité et sa cinétique de premier ordre. De même, l'analyse computationnelle de la réaction Baylis-Hillman a montré que l'étape de détermination de la vitesse passe d'un processus de second ordre à un processus de premier ordre selon la présence d'un catalyseur de liaison hydrogène.

Conclusion

La relation entre l'ordre des réactions et les voies de réaction est un principe fondamental qui sous-tend la pratique rationnelle de la synthèse organique. L'ordre des réactions fournit une empreinte cinétique empirique qui indique souvent directement la moléculaire de l'étape de détermination de la vitesse, guidant ainsi la proposition de mécanismes plausibles. De la dichotomie SN1/SN2 classique aux cycles catalytiques complexes, cette interaction informe tout de la sélection des solvants à la conception de catalyseurs. En maîtrisant les fondements théoriques et les applications pratiques de cette relation, les chimistes synthétiques peuvent transformer les observations empiriques en puissance prédictive, permettant la construction efficace et sélective même des molécules organiques les plus complexes.