Mécanismes SN1, SN2, E1 et E2
Les réactions de substitution nucléophile (SN) et d'élimination (E) sont au cœur de la chimie organique des dérivés halogénés. Comprendre quand chaque voie est favorisée est fondamental pour prédire les produits et concevoir des synthèses.
Substitution nucléophile bimoléculaire (SN2)
Le mécanisme SN2 est concerté (une seule étape) : le nucléophile attaque par derrière la liaison C−X (côté opposé au groupe partant), les liaisons se forment et se rompent simultanément.
- Loi de vitesse : v = k [substrat][nucléophile] — ordre 2.
- Stéréochimie : inversion de Walden — la configuration absolue est inversée (R → S ou S → R).
- Substrats favorables : halogénures primaires et méthyliques (pas d'encombrement stérique). Les tertiaires réagissent très lentement en SN2.
- Nucléophiles forts : HO⁻, I⁻, RS⁻, CN⁻, N₃⁻.
Exemple : (R)-2-bromobutane + HO⁻ → (S)-butan-2-ol (inversion).
Substitution nucléophile unimoléculaire (SN1)
Le mécanisme SN1 est stepwise (deux étapes) : (1) ionisation lente du substrat en carbocation (étape limitante) ; (2) attaque rapide du nucléophile sur le carbocation plan.
- Loi de vitesse : v = k [substrat] — ordre 1 (indépendant du nucléophile).
- Stéréochimie : racémisation partielle (le carbocation planaire est attaqué des deux faces), avec souvent un léger excès d'un énantiomère (effet de paire d'ions).
- Substrats favorables : halogénures tertiaires et benzyliques/allyliques (carbocations stabilisés).
- Solvants polaires protiques (EtOH, H₂O) stabilisent le carbocation par solvatation.
Éliminations E1 et E2
| Critère | E1 | E2 |
|---|---|---|
| Étapes | 2 (carbocation intermédiaire) | 1 (concertée) |
| Loi de vitesse | v = k [substrat] | v = k [substrat][base] |
| Stéréochimie | non spécifique | anti-périplanaire (Zaitsev si base faible ; Hofmann si volumineuse) |
| Substrats | tertiaires, T° élevée | primaires → tertiaires avec base forte |
| Base | faible ou absente | forte et non nucléophile (t-BuO⁻, DBU) |
La règle de Zaitsev prédit que l'alcène le plus substitué (le plus stable) est le produit majoritaire. La règle de Hofmann s'applique avec les bases volumineuses (t-BuO⁻) qui arrachent le proton le plus accessible : l'alcène moins substitué (cinétique) est alors favorisé.
Compétition entre les quatre voies
Les conditions expérimentales déterminent la voie :
- Halogénure primaire + nucléophile fort → SN2 majoritaire.
- Halogénure tertiaire + nucléophile faible, solvant polaire protique → SN1.
- Halogénure tertiaire + base forte, solvant aprotique → E2.
- Halogénure tertiaire + base faible, T° élevée → E1.
- La polarité du solvant joue un rôle crucial : les solvants polaires aprotiques (DMF, DMSO, acétone) favorisent SN2 en solvatant peu le nucléophile.
La maîtrise de ces quatre mécanismes permet de prédire le produit principal d'une réaction d'un dérivé halogéné et de choisir les conditions optimales pour orienter la synthèse.