6.7 : Réaction S_N2: cinétique

Études cinétiques et signification

Dans une réaction chimique, il existe une relation entre la concentration des réactifs et la vitesse à laquelle la réaction se déroule. L’étude permettant de mesurer cette relation est connue sous le nom de cinétique d’une réaction chimique. Les études cinétiques sont utilisées pour déduire la loi de vitesse d'une réaction chimique, qui fournit des informations sur les espèces impliquées pendant l'état de transition de l'étape déterminant la vitesse. Ainsi, les études cinétiques aident à déduire le mécanisme d’une réaction.

Études cinétiques : comment mesurer la vitesse?

Une réaction chimique se déroule à une certaine vitesse à une température, une pression et un solvant donnés. La vitesse d'une réaction ne peut être identifiée qu'expérimentalement. Pour ce faire, on mesure la vitesse à laquelle les réactifs disparaissent ou la vitesse à laquelle les produits apparaissent dans le mélange réactionnel. À des intervalles de temps spécifiques, des aliquotes sont prélevées du mélange réactionnel et analysées pour déterminer la concentration des réactifs ou des produits formés. De plus, tout en gardant les mêmes conditions de température et de solvant, la concentration initiale de la réaction varie pour observer l'effet sur la vitesse de la réaction.

Réactions et cinétiques de substitution nucléophile

Dans les années 1930, les chimistes britanniques Sir Christopher Ingold et Edward D. Hughes ont étudié la cinétique de diverses réactions de substitution pour comprendre le mécanisme probable des réactions de substitution nucléophile. Ils ont observé qu'une réaction de substitution nucléophile d'un halogénure d'alkyle se déroulait selon deux mécanismes possibles: soit en une seule étape, soit en deux étapes.

Pour des réactions spécifiques, telles que le chlorométhane et l'hydroxyde de sodium, la vitesse de réaction dépendait de la concentration du nucléophile et de l'halogénure d'alkyle. Plus précisément, ils ont observé que lorsque la concentration de l’un ou l’autre des réactifs doublait, la vitesse de réaction doublait. De plus, lorsque la concentration des deux réactifs était doublée, le taux augmentait quatre fois, comme le montre le tableau 1.

Tableau 1. Étude de vitesse de la réaction entre le chlorométhane et les ions hydroxyde à 60 °C

Numéro d'expérience	Initial      [CH3Cl]	Initial      [HO−]	Taux initial (mol L−1s−1)
1	0.0010	1.0	4.9 × 10⁻7
2	0.0020	1.0	9.8 × 10⁻7
3	0.0010	2.0	9.8 × 10⁻7
4	0.0020	2.0	19.6 × 10⁻7

Ainsi, l’équation du taux s’avère être:

Rate ∝ [CH₃Cl][HO⁻]

Cela montre que le taux est du premier ordre par rapport à la concentration de chaque réactif et du second ordre globalement.

Réactions et cinétiques S_N2

• La cinétique de la réaction ci-dessus suggère que pour que la substitution se produise, le nucléophile et l'halogénure d'alkyle entrent en collision en une seule étape pour former le produit.
• La moléculaire de ces réactions est dite bimoléculaire, car deux espèces sont impliquées dans l'étape limitante.
• Ainsi, la réaction entre le chlorométhane et l'hydroxyde de sodium est une réaction S_N2, où S signifie Substitution, N pour Nucléophile et 2 pour une réaction bimoléculaire.