Les analyses chimiques quantiques révèlent un contributeur jusque-là négligé à la tendance à la stabilité du carbocation


Il est plus facile de former plus de carbocations substitués en raison de la déstabilisation dans le substrat parent, plutôt que de la stabilisation dans l’intermédiaire réactif, selon de nouvelles recherches.1

De nombreuses transformations organiques impliquent des carbocations comme intermédiaires réactifs. Ceux-ci sont généralement formés via une dissociation de liaison hétérolytique C – X pour donner un carbocation C+ et un anion X. La compréhension actuelle est que l’énergie de dissociation des liaisons diminue avec l’augmentation de la substitution méthyle en raison de l’effet stabilisant des groupes méthyle, ainsi que du soulagement dû à la répulsion stérique : passer du substrat au carbocation donne aux substituants proportionnellement plus de place dans un système plus substitué. Cependant, une équipe aux Pays-Bas, dirigée par Matthias Bickelhaupt à VU Amsterdam, a étudié cela sous un angle différent.

Il y a près de 20 ans, Bickelhaupt s’est demandé pourquoi le chlore devrait mieux stabiliser un carbanion que le fluor. «Le fluor, en tant que groupe beaucoup plus électronégatif, devrait mieux stabiliser l’anion et éliminer la charge négative», explique-t-il. La sagesse reçue, dit Bickelhaupt, était basée sur « l’agitation de la main, [with] aucune donnée quantitative derrière cela ». « Tout revient à l’équation isodesmique, qui, pour plusieurs raisons, par les chimistes computationnels, mais surtout par les expérimentateurs, a été utilisée parce que le processus de dissociation des liaisons est souvent difficile à mesurer directement et que les gens mesurent toujours les équilibres. » Une réaction isodesmique est une réaction hypothétique utilisée pour mesurer la stabilité thermodynamique de molécules organiques ; les types de liaisons créées lors de la formation des produits sont les mêmes que celles rompues dans les réactifs.

Au lieu de regarder l’espèce réactive, l’anion, Bickelhaupt a concentré ses calculs de chimie quantique sur l’acide conjugué et a découvert que le chlore ne stabilise pas plus le carbanion que le fluor, mais l’inverse, comme il s’y attendait : FCH2 est plus basique que ClCH2 car le fluor a un effet stabilisant plus important que le chlore sur l’acide conjugué.2

Cela les a amenés à se demander si quelque chose de similaire valait pour les radicaux.3 Et puis les cations, où l’équipe a maintenant montré que la répulsion stérique déstabilisante entre les substituants alkyle et la liaison C–X entraîne une diminution de la force de liaison des liaisons C–X à mesure que le degré de substitution alkyle augmente. En effet, Trevor Hamlin, qui a également travaillé sur l’étude, conseille aux chercheurs de ne pas négliger les espèces « plus ennuyeuses » car elles peuvent apporter une contribution décisive aux tendances énergétiques de dissociation des liaisons.

«Étant donné que les carbocations sont étudiés depuis plus d’un siècle, on pourrait penser qu’il n’y a plus rien à découvrir», commente Dan Thomas Major de l’université Bar-Ilan, en Israël. «Il serait intéressant de voir si un tel effet existe également dans les systèmes biologiques. Une meilleure compréhension des effets des substituants pourrait avoir un impact sur la planification des voies de synthèse impliquant des mécanismes de carbocation et sur la manière dont nous pouvons exploiter les enzymes pour la biosynthèse à l’aide de substrats non naturels.

Références

1 T Hansen et al, Chim. Commun.2022, 5812050 (DOI : 10.1039/d2cc04034d)

2 FM Bickelhaupt, HL Hermann et G Boche, Angew. Chim., Int. Éd.2022, 45823 (DOI : 10.1002/anie.200501633)

3 blocs E et al, Angew. Chim., Int. Éd.2022, 61e202207477 (DOI : 10.1002/anie.202207477)

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