La substitution électrophile aromatique (ou SEA, voire SEAr d'après la notation de Hughes-Ingold) est une réaction organique au cours de laquelle un atome, en règle générale d'hydrogène, ou un groupe d'atomes, fixé à un cycle aromatique, est remplacé par un groupe électrophile. Cette réaction, la principale dans le groupe des substitutions électrophiles, est 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 groupes fonctionnels suivant le bilan : ArH + EX → ArE + HX avec ArH un composé aromatique et E un groupe électrophile.

Mécanisme général de la réaction

La première étape du mécanisme est une addition au cours de laquelle le composé réagit avec un doublet électronique du 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 WhelandG. W. Wheland, A Quantum Mechanical Investigation of the Orientation of Substituents in Aromatic Molecules, J. Am. Chem. Soc., 1942, 64(4), , . (ou , ou encore cation arénium). 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 atomes du cycle aromatique.

Au cours de la seconde étape, un atome d'hydrogène lié au cycle ayant subi l'addition électrophile part en tant qu'. Le doublet électronique qui était utilisé pour la 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 réactionnel est donné dans le cas particulier du benzène. Ce mécanisme est similaire pour d'autres types de 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 cycle aromatique est remplacé par un groupe nitro -NO2 pour former du nitrobenzène. L'électrophile utilisé pour la substitution est l'ion nitronium NO2+, produit .

Dans la pratique, pour effectuer la substitution, le benzène est chauffé à environ dans un mélange d'acide sulfurique et d'acide nitrique. Le schéma réactionnel est le suivant :

(1) 2H2SO4 + HNO3 → 2HSO4− + NO2+ + H3O+

(2) C6H6 + NO2+ → C6H5NO2 + H+

(3) H+ + H3O+ + 2HSO4− → H3O+ + H2SO4 + HSO4−

L'acide sulfurique joue en quelque sorte le rôle de catalyseur 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 tétrafluoroborate de nitronium , qui est un sel de nitronium obtenu à partir de fluorure d'hydrogène, d'acide nitrique et de trifluorure de bore.

Si la réaction est catalysée en présence d'acide sulfurique, l'étape cinétiquement déterminante est la nitration du 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 réduction :

C6H5NO2 + 3H2 → C6H5NH2

Sulfonation aromatique

La sulfonation aromatique est une substitution électrophile aromatique particulière au cours de laquelle un atome d'hydrogène lié à un atome de carbone du cycle aromatique est substitué par un groupe acide sulfonique. Dans le cas du benzène, la réaction permet de former de l'acide benzènesulfonique.

La substitution peut être réalisée de deux manières : le benzène est maintenu à dans un oléum, solution de SO3 dans l'acide sulfurique (H2SO4) ou mélange de SO3 et d'eau (avec SO3 majoritaire). Le bilan de la réaction est : C6H6 + SO3 → C6H5SO3H le benzène est chauffé dans l'acide sulfurique concentré. SO3 est alors formé par réaction de l'acide sulfurique sur lui-même. Le bilan de la réaction est : C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H +

Dans les deux cas, le mécanisme réactionnel est le suivant :

Pour la sulfonation, l'élimination de l'atome d'hydrogène se fait par une réaction intramoléculaire.

Cette réaction ne possède pas d'étape cinétiquement déterminante.

Il s'agit d'une réaction réversible : il est possible d'éliminer le groupe acide sulfonique et de régénérer le benzène en chauffant l'acide benzènesulfonique dans une solution diluée d'acide sulfurique dans de l'eau surchauffée. Le bilan est :

C6H5SO3H + (vapeur) → C6H6 + HSO4− + H3O+

L'acide benzènesulfonique formé au cours de cette réaction est un intermédiaire de synthèse important dans l'industrie, utilisé par exemple dans la fabrication de colorants et de produits pharmaceutiques. Par ailleurs, il est possible de le réduire en présence de soude fondue pour former du 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 cycle aromatique est substitué par un élément halogène suivant le bilan suivant :

C6H6 + X2 → C6H5X + HX

La réaction n'est pas spontanée, mais nécessite la présence d'un catalyseur 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 le phénol. L'halogénation aromatique permet de substituer un atome d'hydrogène par un atome de chlore, de brome ou d'iode. Cette réaction est difficilement réalisable avec le fluor (dans un solvant organique polaire, à faible température et à faible concentration des réactifs uniquement). Celui-ci est en effet un oxydant puissant qui entraîne une dégradation du composé aromatique. Le mécanisme réactionnel est le suivant (exemple dans le cas d'une chloration) :

Au cours de la première étape du mécanisme, l'acide de Lewis utilisé comme catalyseur forme un 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 acides de Lewis les plus couramment employés sont donc le chlorure de zinc ZnCl2, le chlorure d'aluminium AlCl3 et le chlorure de fer(III) FeCl3 dans le cas de la chloration, et le bromure de fer(III) FeBr3 dans le cas de la bromation. Dans le cas de l'iode, le mécanisme réactionnel est légèrement différent. En effet, le est trop peu réactif. Il doit d'abord réagir avec un oxydant (par exemple l'acide nitrique) pour former le , électrophile, qui interviendra dans l'iodation.

Les halogènes sont des éléments faiblement désactivants pour le cycle aromatique. En conséquence, si la réaction est catalysée et que l'halogène est présent en 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 cycle aromatique est alkylé (substitution d'un atome d'hydrogène par un groupe alkyle) ou acylé (substitution d'un atome d'hydrogène par un groupe acyle).

Alkylation

L'alkylation de Friedel-Crafts est une réaction d'alkylation d'un composé aromatique. Cette réaction nécessite une catalyse par un acide de Lewis.

Acylation

L'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 AlCl3 et le bromure d'aluminium AlBr3. Il y a en général plus besoin de catalyseur que les quantités stœchiométriques, car il complexe avec le produit formé, d'où la nécessité d'une hydrolyse après la réaction pour détruire le complexe.

Autres substitutions Réaction de Kolbe-Schmitt

La réaction de Kolbe-Schmitt (ou procédé de Kolbe) est une réaction de carboxylation mise au point par A. Kolbe et R. Schmitt. Au cours de cette substitution électrophile aromatique, du phénolate de sodium (sel de phénol) est chauffé à en présence de dioxyde de carbone sous une pression de , puis traité par de l'acide sulfurique. Le bilan de la réaction est le suivant :

C6H5OH + + NaOH + H2SO4 → C6H4OHCOOH + HSO4− + + Na+

Au cours de la première étape (absente sur le schéma), le phénol réagit avec de la soude pour former le phénolate de sodium et des . Le phénolate réagit ensuite avec le dioxyde de carbone par substitution électrophile aromatique, le centre électrophile étant ici l'atome de carbone du . Les 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 réaction acide-base avec l'acide sulfurique.

Le produit obtenu au cours de cette réaction est un aromatique [ici l'acide salicylique, précurseur de l'aspirine (acide acétylsalicylique)].

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 est un cycle aromatique substitué, subisse de nouveau une substitution électrophile aromatique, tant qu'il reste des atomes d'hydrogène liés à des atomes de carbone. En réalité, tous les composés aromatiques substitués ne pourront pas subir une nouvelle substitution électrophile aromatique, et le produit issu d'une seconde réaction est dépendant du produit de départ : le groupe présent sur le composé substitué de départ influence à la fois la réactivité de ce composé (il peut ou non subir une seconde substitution) et la régiosélectivité de la réaction (tous les produits possibles ne sont pas formés).

Réactivité vis-à-vis de la polysubstitution

Le groupe présent sur le composé substitué de départ influence fortement sa réactivité. Ces groupes sont classés en deux catégories : des groupes activants et des groupes désactivants. Un composé aromatique remplacé par un groupe activant est ainsi plus réactif que le composé aromatique non substitué. À l'inverse, un composé aromatique remplacé par un groupe désactivant est moins réactif. Ces règles ont été énoncées par le chimiste hollandais Arnold F. Holleman en 1910, elles sont connues sous le nom de règles de Holleman.

Groupes activants

Un groupe activant est un groupe dont la présence augmente la réactivité du cycle aromatique vis-à-vis de la substitution électrophile aromatique par rapport au cycle pour lequel ce groupe est absent. Une substitution d'un cycle aromatique non remplacé par un groupe activant conduit fréquemment à une polysubstitution. La réactivité du cycle aromatique augmente 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. C'est notamment le cas des composés mésomères donneurs, comme le . La figure ci-dessous montre la stabilisation par mésomérie du phénol et de l'intermédiaire de Wheland correspondant :