Le secret chimique de l’aromaticité moléculaire

2025 sera le Année internationale de la science et de la technologie quantiques. Cela a été décidé par l’Organisation des Nations Unies, car cette année marque le centième anniversaire du développement initial du mécanique quantique.

L’un des soutiens reçus pour cette commémoration a été celui de l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UIPAC). Leur approbation n’est pas surprenante puisque la chimie est fondamentalement l’étude de la matière et des modifications qu’elle subit.

Au cœur de ces changements se trouve le rôle des électrons, acteurs clés dans la formation et la dégradation des liaisons chimiques qui à leur tour régissent les réactions chimiques et les propriétés des substances. Et le comportement des électrons ne peut être correctement décrit que par la mécanique quantique.

De la même manière, le l’aromaticité C’est une propriété de certaines liaisons chimiques qui ne peut être comprise qu’avec la mécanique quantique.

Considérons deux circuits, un ouvert et un fermé, de même longueur et supposons que le pilote Marc Márquez Avec sa Ducati, il les parcourt à la même vitesse constante. Puisqu’ils ont tous deux la même longueur, la quantité de carburant/énergie utilisée pour parcourir ces deux circuits sera la même. Ce résultat est attendu en mécanique classique.

Si nous avons maintenant un électron dans les deux circuits, l’électron qui se déplace dans le circuit fermé le fait avec une énergie inférieure à celui qui se déplace dans le circuit ouvert. Cette différence ne peut s’expliquer qu’avec la mécanique quantique.

Les molécules dont les électrons se déplacent dans des circuits fermés en deux ou trois dimensions ont une énergie inférieure à celles qui se déplacent dans des circuits ouverts et donnent donc naissance à des composés plus stables. C’est l’origine quantique de l’aromaticité.

odeur douce

Il benzènela molécule aromatique par excellence, a été décrite par Michael Faraday en 1825. Quelques années plus tard, Eilhard Mitscherlich Il a découvert que sa formule chimique était C₆H₆.

Des découvertes similaires ont proliféré au XIXe siècle, avec de nombreux autres composés présentant de faibles rapports carbone/hydrogène et des odeurs agréables qui semblaient liées au benzène.

A cette époque, en 1856, Août Wilhelm von Hofmann a été le premier à utiliser le terme « aromatique » pour désigner ce groupe de composés. L’étymologie du mot est incertaine, mais elle est liée à l’odeur particulière qu’ils dégagent.

Dans le benzène, nous différencions les paires d’électrons qui forment les liaisons C-H et C-C (qui sont localisées et ont une faible mobilité) de celles électrons πqui sont délocalisés sur tout l’anneau et sont très mobiles.

L’aromaticité du benzène provient de la stabilité apportée par les électrons π lorsqu’ils se déplacent dans le circuit fermé de ce molécule cyclique. Sa structure moléculaire est hautement symétrique avec toutes les liaisons C-C de même longueur. Parfois, il est représenté par un hexagone avec un cercle à l’intérieur, indication de la mobilité des électrons π.

La présence de ces électrons π rend la molécule plus stable et moins réactive que des molécules similaires dans disposition linéaire (au lieu de cyclique).

Des molécules plus stables

Un aspect important des composés aromatiques est leur plus grande stabilité énergétique et chimique (ce sont de petites molécules réactif) par rapport à leurs analogues linéaires.

Outre le benzène, un autre exemple emblématique est pyridinemolécule hétéroaromatique dans lequel un groupe CH du benzène a été remplacé par un atome d’azote. Ou le coronèneet hydrocarbure aromatique polycyclique formé par la fusion de sept cycles benzéniques.

Nous avons également le dianion aromatique tridimensionnel proche-hexaboranele B₆H₆²⁻, avec un géométrie moléculaire octaédrique. Ou la première molécule aromatique entièrement métallique, découverte en 2001, Al₄²⁻, avec un géométrie plan-carré.

En réalité, le nombre d’exemples de molécules aromatiques est énorme. Parmi les quelque 120 millions de composés connus à ce jour, les deux tiers sont aromatiques ou possèdent anneaux aromatiques dans sa structure.

Quelques exemples courants dans les laboratoires

Aromaticité et réactivité sont deux concepts profondément liés. Lorsque Michael Faraday obtint du benzène en 1825, il observa que celui-ci était beaucoup moins réactif que le composé linéaire. trans-2-butène. Cette réactivité réduite a depuis été considérée comme une caractéristique expérimentale des composés aromatiques.

Pour une réaction donnée, le énergie de réaction C’est la différence d’énergie entre les réactifs et les produits. Plus les produits sont stables, plus la réaction sera favorisée.

D’un autre côté, le barrière énergétique est la différence d’énergie entre les réactifs et la structure la moins stable (appelée état de transition) sur le chemin des réactifs aux produits. Plus la barrière énergétique est basse, plus la réaction est rapide.

Les énergies de réaction et les barrières énergétiques de nombreuses réactions sont influencées par les changements d’aromaticité. Si les chercheurs souhaitent accélérer une réaction donnée, ils rechercheront des réactifs non aromatiques ainsi que des états et produits de transition aromatiques. Car, si les états de transition et les produits sont aromatiques, ils seront plus stables et rendront la réaction plus efficace.

L’aromaticité est donc un concept largement utilisé par la communauté chimique. Pour preuve, le terme apparaît dans plus de 40 articles scientifiques publiés chaque jour !