Acide de Lewis

Acides et bases de Lewis : Électron

Acide de Lewis : Liaison covalente

Dans une réaction acide-base de Lewis, la base "attaque" l'acide et donne un doublet d'électrons. Cela entraîne la formation d'une liaison covalente entre les deux.

Cette réaction générale est illustrée ci-dessous :

Fig.1- La base de Lewis "attaque" l'acide et forme une liaison.

Parlons maintenant de cette réaction au niveau orbital. La paire d'électrons solitaires de la base (électrons non liés) se trouve dans son orbitale moléculaire la plus occupée (appelée HOMO). La base prend ces électrons et interagit avec l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse de l'acide (appelée LUMO). Lorsqu'ils interagissent, ils forment une liaison à un niveau d'énergie inférieur, comme illustré ci-dessous :

Fig.2- Le HOMO de la base interagit avec le LUMO de l'acide pour former une liaison.

Acides et de bases de Lewis : Espèce chimique

Maintenant que nous savons à quoi ressemble la réaction générale, examinons quelques exemples :

Fig.3- Acide de Lewis.

Dans l'exemple du haut, l'ion fluorure \( F^- \) est notre base, qui attaque le composé acide trifluorure de bore \( BF_3 \) . Après la réaction, une nouvelle liaison \( B-F \) est formée (en rouge) pour donner le nouveau composé tétrafluorure de bore \( BF_4^- \) .

Dans l'exemple du bas, l'ammoniac \(NH_3 \) est notre base et réagit avec le proton acide/l'ion hydrogène \( H^+ \) . Cela forme une nouvelle liaison \( N-H \) et le nouveau composé ammonium \( NH_4^+ \) .

Fig.4- Base de Lewis.

En général, si une espèce a une charge négative, il s'agit d'une base. En revanche, si une espèce a une charge positive, il s'agit d'un acide.

Réfléchis à ce que cette charge nous apprend. Par exemple, les espèces à charge positive manquent d'électrons, ce qui signifie qu'elles sont probablement des acides puisqu'elles veulent plus d'électrons.

Complexes de coordination

La théorie de Lewis des acides et des bases est importante, car elle est capable d'expliquer la formation des complexes de coordination, alors que d'autres théories n'y parviennent pas.

Les complexes de coordination se forment à partir de réactions acide-base répétées, comme indiqué ci-dessous :

Fig.5- Formation du complexe de coordination tétracyanure de zinc

Ici, l'ion cyanure \( CN^- \) attaque l'ion zinc chargé positivement \( Zn^{2+} \) , ce qui forme une liaison entre eux. Cette réaction se produit \( 4 \) fois, pour un total de \( 4 \) liaisons \( Zn-CN \) . On considère qu'il s'agit d'un ion complexe puisqu'il s'agit d'un composé de coordination chargé.

En général, la base de Lewis sera ton (tes) ligand(s), tandis que ton acide de Lewis sera l'atome/l'ion métallique.

Acides de Lewis : Force

Les acides de Lewis sont électrophiles, leur force est donc basée sur l'électrophile.

Électrophile

L'électrophilie repose (principalement) sur deux éléments :

• la charge ;
• L'électronégativité.

Examinons ces deux concepts séparément :

Les électrophiles ont tendance à avoir une charge positive. Une charge positive indique un manque d'électrons/de densité d'électrons, ce qui signifie qu'elle souhaite fortement obtenir des électrons. C'est pourquoi les espèces chargées positivement seront plus électrophiles que leurs homologues neutres.

D'une manière générale, les espèces chargées positivement sont plus électrophiles que leurs homologues neutres :

$A^+ > AX$

Où \( A \) est une espèce chargée positivement et \( X \) une espèce chargée négativement.

Par exemple :

$Mg^{2+} > MgCl_2$

Qu'est-ce que l'électronégativité ?

En d'autres termes, les espèces très électronégatives veulent/peuvent manipuler plus d'électrons.

Le tableau ci-dessous indique les valeurs d'électronégativité de la plupart des éléments :

Fig.5- Tableau des électronégativités

Les éléments les plus proches en haut à droite \( (fluor:F) \) du tableau périodique sont plus électronégatifs, ils sont donc des électrophiles plus forts.

Par exemple, voici la tendance de l'électrophilie pour le groupe \( 2 \) :

$\text {plus électrophile} \> Be^{2+} > Mg^{2+} > Ca^{2+} > Sr^{2+} \text {moins électrophile}$

Bases de Lewis : Force

Les bases de Lewis sont des nucléophiles, leur force est donc basée sur la nucléophilie.

Nucléophile

La nucléophilie repose sur quatre éléments

• la charge ;
• l'électronégativité ;
• Résonance/localisation de la charge ;
• l'entrave stérique.

Décortiquons ces éléments un par un

Les nucléophiles ont tendance à avoir des charges négatives. En effet, les charges négatives indiquent une densité d'électrons (c'est-à-dire un excès d'électrons). Les charges négatives nous disent : "J'ai des électrons en trop et je dois m'en débarrasser !".

Donc, en général :

$A^- > AH$

Où \( A^- \) est l'espèce négative (base conjuguée) de l'acide \( AH \) .

Par exemple, \( HS^- \) est plus nucléophile que \( H_2S \) .

Électronégativité des bases de Lewis

L'électronégativité étant la tendance à attirer les électrons. En fait, les espèces fortement électronégatives "aiment" avoir une charge plus négative/une densité d'électrons plus élevée, de sorte qu'elles ne veulent pas "céder" autant leurs électrons.

Par exemple, voici à quoi ressemble cette tendance pour nos halogénures (groupe \( 17 \) ) :

$\text {plus nucléophile} > I^- > Br^- > Cl^- > F^- \text {moins nucléophile}$

Résonance/localisation de la charge

Les espèces sont plus nucléophiles lorsque la charge est localisée plutôt que délocalisée, comme indiqué ci-dessous :

Fig.6- Les charges localisées sont plus nucléophiles

Le terme \( "R" \) désigne tout groupe contenant un composant carbone-hydrogène.

Lorsqu'une charge est délocalisée, comme illustré à droite, la charge est essentiellement affaiblie en étant dispersée. Comme la charge est "plus faible", elle est moins réactive et donc moins nucléophile.

Entrave stérique

Les "stériques" se rapportent à la disposition spatiale des atomes, de sorte que l'"entrave stérique" signifie que "la façon dont les atomes sont disposés signifie qu'ils sont dans le chemin".

Par exemple :

Fig.7- Plus il y a de groupes R, plus il y a d'"encombrement".

Fondamentalement, lorsqu'un nucléophile est "encombrant", la réaction est plus lente, car son encombrement est "gênant". C'est pourquoi un nucléophile encombrant est moins nucléophile.

Problèmes pratiques sur les bases et les acides de Lewis

Maintenant que nous avons couvert une grande partie des acides et des bases de Lewis, nous allons travailler sur quelques problèmes pratiques :

Essayons maintenant une réaction plus délicate :