Substitution électrophile aromatique
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31467407
2008-07-10T13:54:41Z
79.219.99.56
/* Références */
La '''substitution électrophile aromatique''' (ou '''SEA''') est une [[réaction chimique]] du domaine de la [[chimie organique]], au cours de laquelle un [[atome]], en règle générale d'[[hydrogène]], fixé à un [[composé aromatique|cycle aromatique]] est substitué par un groupement [[électrophile]]. C'est une réaction très importante en chimie organique, tant dans l'industrie qu'en laboratoire. Elle permet de préparer des composés aromatiques substitués par une grande variété de [[Groupe fonctionnel|groupements fonctionnels]] suivant le bilan :
:: ArH + EX → ArE + HX
avec Ar un [[composé aromatique]] et E un groupement [[électrophile]].
== Mécanisme général de la réaction ==
[[Image:mecanisme SEA.png|Mécanisme général de la substitution électrophile aromatique|400px|thumb|right]]
La première étape du mécanisme est une addition au cours de laquelle le composé [[électrophile]] A<sup>+</sup> réagit avec un doublet électronique du [[composé aromatique|cycle aromatique]]. Cette étape nécessite généralement une [[catalyse]] par un [[acide de Lewis]]. Cette addition conduit à la formation d'un [[carbocation]] cyclohexadiénil connu sous le nom d’''intermédiaire de Wheland'' (ou ''complexe σ'', ou encore ''ion arhénium''). Ce carbocation est instable, puisqu'il correspond à la fois à la présence d'une charge sur la [[molécule]] et à une perte d'aromaticité. Il est néanmoins stabilisé par [[mésomérie]] : la charge est en réalité délocalisée sur plusieurs [[atome]]s de [[carbone]].
Au cours de la seconde étape, la base conjuguée de l'acide de Lewis (ou un anion présent dans le milieu réactionnel, par exemple dans le cas de la sulfonation) attaque l'atome d'[[hydrogène]] lié au carbone ayant subi l'addition électrophile. L'[[électron]] qui était utilisé pour la [[liaison chimique|liaison]] C-H permet alors au système de retrouver son aromaticité.
== Principales substitutions électrophiles aromatiques ==
Ce chapitre détaille les principales substitutions électrophiles aromatiques utilisées dans l'industrie et en laboratoire. Pour chacune d'entre elles, le mécanisme de la [[réaction chimique|réaction]] est donné dans le cas particulier du [[benzène]]. Ce mécanisme est bien entendu similaire pour d'autres types de [[composé aromatique|composés aromatiques]], aux conditions opératoires ([[température]], [[solvant]]...) près.
=== Nitration aromatique ===
La ''nitration aromatique'' est une substitution électrophile aromatique particulière au cours de laquelle un [[atome]] d'[[hydrogène]] lié à un atome de [[carbone]] du [[composé aromatique|cycle aromatique]] est substitué par un groupement nitro -[[azote|N]][[oxygène|O<sub>2</sub>]] pour former du [[nitrobenzène]]. L'[[électrophile]] utilisé pour la substitution est NO<sub>2</sub><sup>+</sup> ([[ion]] [[nitronium]]), produit in-situ.
Dans la pratique pour effectuer la substitution, le [[benzène]] est [[Chauffage à reflux|chauffé à reflux]] (à 50°C environ) dans un mélange d'[[acide sulfurique]] et d'[[acide nitrique]]. Le schéma réactionnel est le suivant :
::(1) 2H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + HNO<sub>3</sub> → 2HSO<sub>4</sub><sup>-</sup> + NO<sub>2</sub><sup>+</sup> + H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>
::(2) C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> + NO<sub>2</sub><sup>+</sup> → C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>NO<sub>2</sub> + H<sup>+</sup>
::(3) H<sup>+</sup> + H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> + 2HSO<sub>4</sub><sup>-</sup> → H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> + H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + HSO<sub>4</sub><sup>-</sup>
L'[[acide sulfurique]] joue en quelque sorte le rôle de [[catalyse]]ur pour la formation de l'ion [[nitronium]]. La réaction est également possible avec l'[[acide nitrique]] seul, mais elle est alors beaucoup plus lente. Parmi les autres réactifs utilisables pour la nitration aromatique, on peut citer le [[tetrafluoroborate de nitronium]], qui est un [[sel (chimie)|sel]] de [[nitronium]] obtenu à partir de [[fluorure d'hydrogène]], d'[[acide nitrique]] et de [[trifluorure de bore]].
[[Image:formation nitronium.png|thumb|600px|center|Mécanisme de formation de l'ion [[nitronium]]]]
[[Image:Mécanisme nitration aromatique.png|600px|thumb|center|Mécanisme de la nitration aromatique]]
Si la réaction est [[catalyse|catalysée]] en présence d'[[acide sulfurique]], l'[[cinétique chimique#Cinétique des réactions complexes|étape cinétiquement déterminante]] est la nitration du [[benzène|cycle benzénique]] pour former l'intermédiaire de Wheland. En présence d'[[acide nitrique]] seul, il s'agit de la formation de l'ion [[nitronium]].
Le [[nitrobenzène]] formé au cours de cette réaction peut notamment être utilisé pour fabriquer de l'[[aniline]] par [[oxydo-réduction|réduction]] :
::C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>NO<sub>2</sub> + 3H<sub>2</sub> → C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>NH<sub>2</sub>
=== Sulfonation aromatique ===
[[Image:mecanisme formation SO3.png|rigth|thumb|350px|Mécanisme de formation de SO<sub>3</sub> dans l'acide sulfurique]]
La ''sulfonation aromatique'' est une substitution électrophile aromatique particulière au cours de laquelle un [[atome]] d'[[hydrogène]] lié à un atome de [[carbone]] du [[composé aromatique|cycle aromatique]] est substitué par un groupement [[acide sulfonique]]. Dans le cas du [[benzène]], la réaction permet de former de l'[[acide benzène sulfonique]].
La substitution peut être réalisée de deux manières :
* Le benzène est maintenu à 25 °C dans un ''oléum'', solution de SO<sub>3</sub> dans l'[[acide sulfurique]] (H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>) ou mélange de SO<sub>3</sub> et d'eau (avec SO<sub>3</sub> majoritaire). Le bilan de la réaction est alors :
::C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> + SO<sub>3</sub> → C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>SO<sub>3</sub>H
* Le benzène est chauffé dans l'[[acide sulfurique]] [[Concentration molaire|concentré]]. SO<sub>3</sub> est alors formé ''in-situ'' par réaction de l'acide sulfurique sur lui-même. Le bilan de la réaction est alors :
::C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> + 2 H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> → C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>SO<sub>3</sub>H
Dans les deux cas, le mécanisme de la réaction est le suivant :
[[Image:mecanisme sulfonation aromatique.png|550px|center|Mécanisme de la sulfonation électrophile aromatique]]
Pour la sulfonation, l'élimination de l'atome d'hydrogène se fait par une réaction intramoléculaire.
Cette réaction ne possède pas d'[[cinétique chimique#Cinétique des réactions complexes|étape cinétiquement déterminante]].
Il est intéressant de noter qu'il s'agit d'une réaction réversible : il est possible d'éliminer le groupement [[acide sulfonique]] et de régénérer le [[benzène]] en chauffant l'[[acide benzène sulfonique]] dans une solution diluée d'[[acide sulfurique]] dans de l'eau surchauffée. Le bilan est alors :
::C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>SO<sub>3</sub>H + H<sub>2</sub>O<sub>(vapeur)</sub> → C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> + HSO<sub>4</sub><sup>-</sup> + H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>
L'[[acide benzène sulfonique]] formé au cours de cette réaction est un intermédiaire de synthèse important dans l'industrie, utilisé dans la fabrication de [[teinture|colorants]] et de produits [[médicament|pharmaceutiques]]. Par ailleurs, il est possible de le [[oxydo-réduction|réduire]] en présence de [[soude]] fondue pour former du [[Phénol (molécule)|phénol]].
=== Halogénation aromatique ===
L’''halogénation aromatique'' est une substitution électrophile aromatique au cours de laquelle un [[atome]] d'[[hydrogène]] lié à un atome de [[carbone]] du [[composé aromatique|cycle aromatique]] est substitué par un [[élément chimique|élément]] [[halogène]] suivant le bilan suivant :
::C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> + X<sub>2</sub> → C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>X + HX
La réaction n'est pas spontanée, mais nécessite la présence d'un [[catalyse]]ur de type [[acide de Lewis]]. Elle s'effectue donc en milieu [[anhydre]]. Elle est possible sans catalyseur (mais est alors lente) dans le cas de cycles activés, comme par exemple le [[Phénol (molécule)|phénol]]. L'halogénation aromatique permet de substituer un atome d'hydrogène par un atome de [[chlore]], de [[brome]] ou d'[[iode]]. En revanche, elle n'est pas possible avec le [[fluor]]. Celui-ci est en effet un [[oxydant]] puissant qui entraîne une dégradation du [[composé aromatique]]. Le mécanisme de la réaction est le suivant (exemple dans le cas d'une chloration) :
[[Image:mécanisme halogénation aromatique.png|none|center|510px|Mécanisme de l'halogénation aromatique (exemple de la chloration)]]
Au cours de la première étape du mécanisme, l'[[acide de Lewis]] utilisé comme [[catalyse]]ur forme un [[complexe (chimie)|complexe]] avec le dichlore, ce qui rend la liaison Cl-Cl polarisée. L'un des deux atomes de chlore devient donc électrophile, et peut subir l'attaque nucléophile du cycle aromatique, conduisant ainsi à la formation de l'intermédiaire de Wheland. L'[[anion]] formé contribue ensuite dans la deuxième étape à l'élimination de l'atome d'hydrogène et à la restauration de l'aromaticité.
Le catalyseur utilisé est généralement constitué du même élément halogène que celui agissant dans la substitution. Les [[acide de Lewis|acides de Lewis]] les plus couramment employées sont donc ZnCl<sub>2</sub>, AlCl<sub>3</sub> et FeCl<sub>3</sub> dans le cas de la chloration, et FeBr<sub>3</sub> dans le cas de la bromation. Dans le cas de l'[[iode]], le mécanisme de la réaction est légèrement différent. En effet, le [[diiode]] I<sub>2</sub> est trop peu réactif. Il doit d'abord réagir avec un agent d'[[oxydation]] (par exemple l'[[acide nitrique]]) pour former l'[[ion]] I<sup>+</sup>, [[électrophile]], qui interviendra dans l'iodation.
Les halogènes sont des éléments faiblement désactivant pour le cycle aromatique. En conséquence, si la réaction est catalysée et que l'halogène est présent en [[stoechiométrie|excès]], il pourra se produire des polysubstitutions.
=== Réactions de Friedel-Crafts ===
Les ''réactions de Friedel-Crafts'' sont des substitutions électrophiles aromatiques particulières au cours desquelles un [[composé aromatique|cycle aromatique]] est alkylé (substitution d'un [[atome]] d'[[hydrogène]] par un groupement [[alkyle]]) ou acylé (substitution d'un atome d'hydrogène par un groupement [[acyle]]).
:''Article détaillé : [[Réaction de Friedel-Crafts]].''
==== Alkylation ====
L'[[Réaction de Friedel-Crafts#Alkylation de Friedel-Crafts|alkylation de Friedel-Crafts]] est une réaction d'[[alkylation]] d'un composé aromatique. Cette réaction nécessite une [[catalyse]] par un [[acide de Lewis]].
[[Image:friedel-craft-alk.png|center|500px|thumb|Bilan de l'alkylation de Friedel-Crafts]]
==== Acylation ====
L'[[Réaction de Friedel-Crafts#Acylation de Friedel-Crafts|acylation de Friedel-Crafts]] est une réaction d'[[acylation]] d'un composé aromatique. Comme l'alkylation, elle nécessite une [[catalyse]] par un [[acide de Lewis]]. Les principaux [[catalyseurs]] utilisés sont le chlorure d'aluminium et le bromure d'aluminium. Il y a en général plus besoin de catalyseur que les quantités stoechiométriques, car il complexe avec le produit formé, d'où la nécéssité d'une hydrolyse après la réaction pour détruire le complexe.
[[Image:Friedel-Crafts acylation of benzene by ethanol chloride.png|center|thumb|400px|Bilan de l'acylation de Friedel-Crafts]]
== Autres substitutions ==
=== Réaction de Kolbe-Schmitt ===
La ''réaction de Kolbe-Schmitt'' (ou ''procédé de Kolbe'') est une réaction de [[Acide carboxylique|carboxylation]] mise au point par [[Adolph Wilhelm Hermann Kolbe|A. Kolbe]] et R. Schmitt. Au cours de cette substitution électrophile aromatique, du phénolate de sodium ([[sel (chimie)|sel]] de [[Phénol (molécule)|phénol]]) est chauffé à 125°C en présence de [[dioxyde de carbone]] sous une [[pression]] de 100 [[atmosphère (unité)|atm]], puis traité par de l'[[acide sulfurique]]. Le bilan de la réaction est le suivant :
::C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>OH + NaOH + H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> → C<sub>6</sub>H<sub>4</sub>OHCOOH + HSO<sub>4</sub><sup>-</sup>
[[Image:mecanisme synthese Kolbe Schmitt.png|right|530px|thumb|Mécanisme de la synthèse de Kolbe-Schmitt]]
Au cours de la première étape (pas montrée sur le schéma), le [[Phénol (molécule)|phénol]] réagit avec de la [[soude]] pour former le phénolate de sodium et des [[ion]]s OH<sup>-</sup>. Le phénolate réagit ensuite avec le [[dioxyde de carbone]] par substitution électrophile aromatique, le centre [[électrophile]] étant ici l'atome de [[carbone]] du CO<sub>2</sub>. Les [[ion]]s OH<sup>-</sup> formés au cours de la première étape assistent la restauration de l'aromaticité. Le composé obtenu étant la [[base conjuguée]] de l'[[acide carboxylique]], la dernière étape consiste en une [[acide|réaction acide-base]] avec l'[[acide sulfurique]].
Le produit obtenu au cours de cette réaction est un hydroxy-acide aromatique (ici l'[[acide salicylique]], précurseur de l'[[aspirine]]).
== Réactions avec des cycles aromatiques déjà substitués : les polysubstitutions ==
Le produit d'une réaction de substitution électrophile aromatique est lui-même un [[composé aromatique]] : l'élimination d'un atome d'[[hydrogène]] permet de restaurer l'aromaticité de l'intermédiaire de Wheland (le [[carbocation]] intermédiaire). Rien ne s'oppose donc à ce que ce produit, qui un est cycle aromatique substitué, subisse de nouveau une substitution électrophile aromatique, de prime abord tant qu'il reste des atomes d'hydrogène liés à des atomes de carbone. En réalité, tout les composés aromatiques substitués ne pourront pas subir une nouvelle substitution électrophile aromatique, et le produit issu d'une seconde réaction sera dépendant du produit de départ : le [[groupe fonctionnel|groupement]] présent sur le composé substitué de départ influence à la fois la ''réactivité'' de ce composé (il peut ou non subir une seconde substitution), ainsi que la ''[[régiosélectivité]]'' de la réaction (tous les produits possibles ne sont pas formés).
=== Réactivité vis à vis de la polysubstitution ===
Le [[groupe fonctionnel|groupement]] présent sur le composé substitué de départ influence fortement sa réactivité. Ces groupements sont classés en deux catégories : des groupements ''activants'' et des groupements ''désactivants''. Un composé aromatique substitué par un groupement activant est ainsi ''plus réactif'' que le composé aromatique non substitué. A l'inverse, un composé aromatique substitué par un groupement désactivant est ''moins réactif''.
==== Groupements activants ====
Un [[groupe fonctionnel|groupement activant]] est groupement dont la présence augmente la réactivité du cycle aromatique vis à vis de la substitution électrophile aromatique par rapport au cycle pour lequel ce groupement est absent. Une substitution d'un cycle aromatique non substitué par un groupement activant conduira fréquemment à une polysubstitution. La réactivité du cycle aromatique sera augmentée s'il faut fournir moins d'[[énergie]] pour passer du composé de départ à l'intermédiaire réactionnel (intermédiaire de Wheland), autrement dit si l'écart énergétique entre le composé de départ et l'intermédiaire réactionnel est plus faible. Ce sera notamment le cas des composés [[mésomérie|mésomères]] donneurs, comme par exemple le groupement [[hydroxyde|alcool]] -OH. La figure ci-dessous montre la stabilisation par [[mésomérie]] du [[Phénol (molécule)|phénol]] et de l'intermédiaire de Wheland correspondant :
[[Image:SEA groupement activant.png|center|700px|Stabilisation par mésomérie du phénol et de l'intermédiaire de Wheland]]
Le [[Phénol (molécule)|phénol]] et l'intermédiaire de Wheland sont tous deux stabilisés par mésomérie en délocalisant les [[électron]]s du cycle aromatique. Par ailleurs, il est possible d'écrire des formules mésomères mettant en jeu un doublet d'électron de l'atome d'[[oxygène]]. Dans le cas du phénol, ces formes mésomères font apparaître des charges formelles sur l'oxygène et un atome de carbone, elles n'induisent donc qu'une faible stabilisation. Au contraire, dans le cas de l'intermédiaire de Wheland, aucune charge supplémentaire n'apparaît : la stabilisation est importante. L'intermédiaire de Wheland est donc plus stabilisé que le phénol par la présence du groupement -OH.
[[Image:SEA groupement activant energie.png|thumb|right|500px|Écart énergétique entre le produit de départ et l'intermédiaire de Wheland pour le benzène et le phénol]]
Cette situation est résumée sur la figure ci-contre, par comparaison avec la [[benzène]] ([[composé aromatique|cycle aromatique]] non substitué). Les états fictifs (pointillés) correspondent à une situation où la présence du groupement -OH serait neutre, c’est-à-dire une situation où il n'interviendrait par l'intermédiaire des doublets portés par l'oxygène. Dans ce cas, l'énergie du [[Phénol (molécule)|phénol]] et de l'intermédiaire de Wheland serait la même que dans le cas du benzène. Les traits pleins correspondent à la situation réelle : l'intermédiaire de Wheland est plus stabilisé que le phénol (son [[énergie]] est plus abaissée). En conséquence, l'écart énergétique entre le [[Phénol (molécule)|phénol]] et l'intermédiaire de Wheland ΔE<sub>2</sub> est plus faible que cet écart dans le cas du benzène ΔE<sub>1</sub>. Le phénol est donc plus réactif que le benzène vis à vis de la substitution électrophile aromatique.
Globalement, seront activants tous les groupements qui pourront stabiliser la charge positive de l'intermédiaire de Wheland, soit par [[mésomérie]], soit par [[effet inductif]], donc les groupements mésomères donneurs et inductifs donneurs.
==== Groupements désactivants ====
Un [[groupe fonctionnel|groupement désactivant]] est groupement dont la présence diminue la réactivité du cycle aromatique vis à vis de la substitution électrophile aromatique par rapport au cycle pour lequel ce groupement est absent. Une substitution d'un cycle aromatique non substitué par un groupement désactivant ne conduira que très rarement à une polysubstitution. La réactivité du cycle aromatique sera diminuée s'il faut fournir plus d'[[énergie]] pour passer du composé de départ à l'intermédiaire réactionnel (intermédiaire de Wheland), autrement dit si l'écart énergétique entre le composé de départ et l'intermédiaire réactionnel est plus important. Ce sera notamment le cas des composés [[mésomérie|mésomères]] attracteurs, comme par exemple le groupement [[nitro (chimie)|nitro]] -NO<sub>2</sub>. La figure ci-dessous montre la stabilisation par [[mésomérie]] du [[nitrobenzène]] et de l'intermédiaire de Wheland correspondant :
[[Image:SEA groupement desactivant fr.png|600px|center|Stabilisation par mésomérie du nitrobenzène et de l'intermédiaire de Wheland]]
Le [[nitrobenzène]] et l'intermédiaire de Wheland sont tous deux stabilisés par mésomérie en délocalisant les [[électron]]s du cycle aromatique. Cependant dans le cas de la forme mésomère '''3''' de l'intermédiaire de Wheland, l'atome de carbone lié au groupement nitro (très [[électronégatif]]) est chargé positivement. Cette forme mésomère est donc très peu stabilisante : l'intermédiaire de Wheland est moins stabilisé que le nitrobenzène, et la présence du groupement nitro induit une déstabilisation par rapport à une situation où il serait absent. Par ailleurs, il est possible d'écrire des formules mésomères mettant en jeu un doublet d'électron de l'atome d'[[azote]] ('''a''', '''b''', '''c''' et '''a'''', '''b'''', '''c''''). Cependant dans le cas des formes mésomères '''b'''' et '''c'''' de l'intermédiaire de Wheland, deux charges positives sont portées par des atomes de carbone conjoints, ce qui correspond à une configuration très peu stable. De nouveau, l'intermédiaire de Wheland est moins stabilisé que le nitrobenzène.
[[Image:SEA groupement desactivant energie.png|thumb|500px|right|Écart énergétique entre le produit de départ et l'intermédiaire de Wheland pour le benzène et le nitrobenzène]]
Cette situation est résumée sur la figure ci-contre, par comparaison avec la [[benzène]] ([[composé aromatique|cycle aromatique]] non substitué). Les états fictifs (pointillés) correspondent à une situation où le groupement -NO<sub>2</sub> n'interviendrait par l'intermédiaire des doublets portés par l'[[azote]]. L'état fictif de l'intermédiaire de Wheland est déstabilisé par rapport au benzène (à cause charge positive dans la formule mésomère '''3'''). En revanche, le nitrobenzène n'est pas déstabilisé par rapport au [[benzène]]. Les traits pleins correspondent à la situation réelle : l'intermédiaire de Wheland est mois stabilisé que le nitrobenzène (son [[énergie]] est moins abaissée) à cause des charges portées par les atomes de carbone conjoints dans les formules mésomères '''b'''' et '''c''''. En conséquence, l'écart énergétique entre le [[nitrobenzène]] et l'intermédiaire de Wheland ΔE<sub>2</sub> est plus élevé que cet écart dans le cas du benzène ΔE<sub>1</sub>. Le nitrobenzène est donc moins réactif que le benzène vis à vis de la substitution électrophile aromatique.
Globalement, seront désactivants tous les groupements qui pourront déstabiliser la charge positive de l'intermédiaire de Wheland, soit par [[mésomérie]], soit par [[effet inductif]], donc les groupements mésomères attracteurs et inductifs attracteurs.
==== Bilan : réactivité relative de quelques composés substitués ====
La réactivité d'un [[composé aromatique]] substitué vis à vis d'une nouvelle substitution électrophile aromatique dépend donc fortement de la nature du [[groupe fonctionnel|substituant]] déjà présent. La réactivité est d'autant plus grande que le substituant apporte des [[électron]]s au système et stabilise les charges positives (effet mésomère donneur et inductif donneur). Le tableau ci-dessous donne ainsi quelques ordres de grandeurs de réactivité (rapportée à celle du [[benzène]], fixée à 1) de quelques benzènes substitués. Le [[Phénol (molécule)|phénol]] est ainsi 1000 fois plus réactif que le [[benzène]], et le [[nitrobenzène]] 10 000 fois moins.
{| border="0" align="center" style="border: 1px solid #999; background-color:#FFFFFF; width:90%;"
|align="center" bgcolor="#CCCCCC" |'''substituant'''
|align="center" | -N(CH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
|align="center" | -OH
|align="center" | -CH<sub>3</sub>
|align="center" | -'''H'''
|align="center" | -Cl
|align="center" | -COOH
|align="center" | -NO<sub>2</sub>
|-----------bgcolor="#EFEFEF"
|align="center" bgcolor="#CCCCCC" |'''réactivité'''
|align="center" | 9000000
|align="center" | 1000
|align="center" | 25
|align="center" | '''1'''
|align="center" | 0,3
|align="center" | 4.10<sup>-3</sup>
|align="center" | 1.10<sup>-4</sup>
|}
=== Régiosélectivité ===
[[Image:benzene nomenclature positions.png|right|thumb|200px|Nomenclature des positions du benzène substitué]]
Lorsqu'un [[composé aromatique]] substitué subit une seconde substitution électrophile aromatique, l'attaque peut a priori se faire depuis cinq positions. Parmi ces positions, deux sont des positions ''ortho'', deux des positions ''méta'' et une position ''para'' (voir figure de droite).
De prime abord, on pourrait donc penser que le produit de la réaction est un mélange constitué à 40 % d'[[isomérie|isomère]] ortho, à 40 % d'isomère méta et à 20 % d'isomère para, selon une répartition [[statistique]] (2 - 2 - 1). En réalité, ce n'est pas du tout le cas, et la [[régiosélectivité]] de la réaction (et donc la nature du produit final) dépend fortement du [[groupe fonctionnel|groupement]] déjà présent sur le cycle aromatique substitué. Suivant la nature de ce groupement, la seconde substitution pourra se faire quasi exclusivement en ''meta'', ou selon un mélange ''ortho'' + ''para''.
==== Groupements ortho-para orienteurs ====
Expérimentalement, une substitution électrophile aromatique utilisant comme produit de départ un cycle aromatique substitué par un groupement donneur ([[mésomérie|mésomère]] donneur ou [[effet inductif|inductif]] donneur) conduira à un mélange d'isomères ortho et para, avec une quantité très faible d'isomère méta. Ce résultat s'explique par des considérations énergétiques simples.
[[Image:SEA ortho para orienteur.png|right|thumb|500px|Stabilisation par mésomérie des intermédiaires de Wheland ortho, para et meta pour le phénol]]
Pour passer du composé de départ à un [[intermédiaire de réaction|intermédiaire réactionnel]] au cours d'une [[réaction chimique]], il faut fournir de l'[[énergie]] pour franchir une [[Réaction chimique#Réaction chimique et énergie|barrière de potentiel]]. La [[cinétique chimique|vitesse de la réaction]] sera d'autant plus grande que cette barrière sera faible, et donc que l'intermédiaire réactionnel sera stable. Dans le cas de la substitution électrophile aromatique, on peut considérer avec une bonne approximation que le produit final formé le plus rapidement sera celui dont l'intermédiaire de Wheland sera formé le plus rapidement (réaction sous contrôle cinétique). Il doit donc correspondre à l'intermédiaire de Wheland le plus stable.
La figure de droite montre les intermédiaires de Wheland correspondant aux composés ortho, méta et para dans le cas où le produit de départ est le [[Phénol (molécule)|phénol]] (mésomère donneur). Dans les trois cas, l'intermédiaire de Wheland est stabilisé par [[mésomérie]] en délocalisant la charge positive sur trois atomes de [[carbone]]. Dans le cas des composés ortho et para, la charge est également stabilisée par une mésomérie mettant en jeu un doublet d'[[électron]]s de l'atome d'[[oxygène]]. Ces deux intermédiaires sont donc nettement plus stables que l'intermédiaire meta, et la réaction conduit à un mélange constitué principalement des isomères ortho et para.
Globalement, un groupement donneur ([[mésomérie|mésomère]] donneur ou [[effet inductif|inductif]] donneur) sera donc ortho para orienteur. Si ce groupement est très volumineux, le composé final sera majoritairement para (les positions ortho seront difficilement accessibles). Au contraire s'il est faiblement volumineux, la composé ortho sera statistiquement favorisé (2 positions ortho pour une seule position para). Ainsi par exemple, la nitration du [[toluène]] (φ-CH<sub>3</sub>) conduira à un mélange d'isomères ortho (60 %), para (37 %) et méta (2 %) (le substituant est peu volumineux), alors que la nitration du méthoxybenzène (φ-O-CH<sub>3</sub>) conduira à un mélange d'isomères ortho (34 %), para (65 %) et méta (1 %) (le substituant est relativement volumineux).
==== Groupements méta orienteurs ====
[[Image:SEA meta orienteur.png|thumb|right|500px|Stabilisation par mésomérie des intermédiaires de Wheland ortho, para et meta pour le nitrobenzène]]
Expérimentalement, une substitution électrophile aromatique utilisant comme produit de départ un cycle aromatique substitué par un groupement attracteur ([[mésomérie|mésomère]] attracteur ou [[effet inductif|inductif]] attracteur) conduira principalement à l'isomère méta, avec une faible quantité d'isomères ortho et para.
Comme dans le cas des groupements ortho-para orienteurs, ce résultat s'explique par des considérations énergétiques simples en raisonnant sur la stabilité de l'intermédiaire de Wheland. La figure de droite montre les intermédiaires de Wheland correspondant aux composés ortho, méta et para dans le cas où le produit de départ est le [[nitrobenzène]] (mésomère attracteur). Dans les trois cas, l'intermédiaire de Wheland est stabilisé par [[mésomérie]] en délocalisant la charge positive sur trois atomes de [[carbone]]. Le groupement nitro étant attracteur, il ne stabilise jamais la charge positive par mésomérie. Pour l'une des formes mésomères des intermédiaires ortho et para, l'atome de [[carbone]] lié au groupement nitro porte une charge positive. Le groupement nitro étant très électronégatif, cette situation est très instable, et cette forme mésomère n'est quasiment pas stabilisante. Les intermédiaires ortho et para sont donc moins stables que l'intermédiaire méta, qui sera donc formé plus rapidement.
Globalement, un groupement attracteur ([[mésomérie|mésomère]] attracteur ou [[effet inductif|inductif]] attracteur) sera donc méta orienteur. Ainsi par exemple, une seconde nitration du [[nitrobenzène]] conduira à 92 % d'isomère méta, 7 % d'ortho et 1 % de para.
==== Cas particuliers des halogènes ====
Les [[halogène]]s (principalement [[chlore]], [[brome]] et [[iode]]) constitue un cas particulier, étant à la fois faiblement mésomère donneur et faiblement inductif attracteur. Ces groupements sont faiblement désactivant (le [[chlorobenzène]] est environ 3 fois moins réactif que le [[benzène]]) mais ortho-para orienteurs.
=== Tableau récapitulatif ===
En résumé, les [[groupe fonctionnel|groupements]] donneurs sont activants (la réactivité est plus importante) et ortho-para orienteurs, et les groupements attracteurs sont désactivants et méta orienteurs. En règle générale, l'effet activant ou désactivant est d'autant plus important que le groupement est plus donneur ou attracteur. Le tableau ci-dessous répertorie les effets sur la réactivité et la régiosélectivité de quelques groupements fréquemment utilisés.
{| border="0" align="center" style="border: 1px solid #999; background-color:#FFFFFF; width:90%;"
|- align="center" bgcolor="#CCCCCC"
!
!Activant
!Désactivant
|-----------
|align="center" bgcolor="#CCCCCC" |'''Puissant'''
|align="center" | -O<sup>-</sup>, -OH <br/> ortho-para orienteurs
|align="center" | -NO<sub>2</sub>, -NR<sub>3</sub><sup>+</sup> (R=H ou [[alkyle]]), -CCl<sub>3</sub>, -CF<sub>3</sub> <br/> méta orienteurs
|-----------bgcolor="#EFEFEF"
|align="center" bgcolor="#CCCCCC" |'''Moyens'''
|align="center" | -O-R, -NH-CO-R (R=[[alkyle]]) <br/> ortho-para orienteurs
|align="center" | -CN, -SO<sub>3</sub>H, -COOR, -CO-R (R=H ou [[alkyle]]) <br/> méta orienteurs
|-----------
|align="center" bgcolor="#CCCCCC" |'''Faibles'''
|align="center" | [[alkyle]]s, [[aryle]]s <br/> ortho-para orienteurs
|align="center" | [[halogène]]s <br/> ortho-para orienteurs
|}
== Substitutions mettant en jeu des composés hétérocycliques ==
Les [[composé aromatique|composés aromatiques]] [[hétérocycle|hétérocycliques]], comme par exemple le [[furane]], le [[pyrrole]] ou la [[pyridine]], peuvent également réagir par substitution électrophile aromatique. Leurs comportements vis à vis de polysubstitutions (réactivité et régiosélectivité) sont déterminés par les mêmes considérations énergétiques que dans l'exemple du [[benzène]].
== Références ==
;Réaction de Kolbe-Schmitt
* {{de}} H. Kolbe, ''Annalen der Chemie und Pharmacie'' {{numéro}}113, 1860, p. 125 ;
* {{de}} R. Schmitt, « Beltrag zu Kenntniss der Kolbe'schen Salicylsäure-Synthese », in ''Journal für praktische Chemie'' {{numéro}}31 [2], 1885, p. 397 <small>[http://visualiseur.bnf.fr/Visualiseur?Destination=Gallica&O=NUMM-90794 texte sur Gallica]</small>.
;Présentations de la SEA
* [[Référence:Traité de chimie organique (Vollhardt)|Peter Vollhardt, ''Traité de chimie organique'', chap. 15-8]] ;
* {{pdf}} [http://www.u-bordeaux1.fr/lcsv/teaching/CO6a-chap2.pdf La SEA, site de l'université Bordeaux I] ;
* {{pdf}} [http://www.univ-orleans.fr/sciences/chimie/cours/L4%20CI-02%20aromatiques.pdf La SEA, site de l'université d'Orléans].
== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Composé aromatique]] ;
* [[Mésomérie]] ;
* [[Effet inductif]].
{{portail chimie}}
{{Article de qualité|oldid=6135097|date=14 avril 2006}}
[[Catégorie:Réaction organique|Substitution electrophile aromatique]]
[[de:Elektrophile Substitution]]
[[en:Electrophilic aromatic substitution]]
[[it:Sostituzione elettrofila]]
[[zh:亲电取代反应]]