Substitutions et éliminations

Cinétique. Le mécanisme comporte une unique étape élémentaire, où interviennent simultanément le substrat et le nucléophile. La loi de vitesse d'un acte élémentaire suit sa molécularité : bimoléculaire ⟹

Stéréochimie. Le nucléophile approche le long de l'axe de la liaison $\mathrm{C}-\mathrm{X}$, à l'opposé du nucléofuge (attaque dorsale, sur le lobe arrière de l'orbitale ${\sigma }^{\ast }$). À l'état de transition, le carbone est penta-coordiné (bipyramide trigonale), les trois autres substituants dans un plan « parapluie » qui se retourne au passage : le carbone se retourne comme un parapluie dans le vent. Si le carbone est un stéréocentre, sa configuration est inversée ($R\to S$ le plus souvent — attention, le descripteur peut ne pas changer si les priorités changent).

Facteurs favorables. Substrat peu encombré ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3>$ primaire $>$ secondaire $\gg$ tertiaire : le tertiaire bloque l'attaque dorsale) ; nucléophile fort ; solvant polaire aprotique (DMSO, acétone : il ne solvate pas le nucléophile, qui reste « nu » et réactif) ; bon nucléofuge.

Cinétique. Étape 1 (lente, déterminante) : $\mathrm{R}-\mathrm{X}\to {\mathrm{R}}^{+}+{\mathrm{X}}^{-}$. Étape 2 (rapide) : ${\mathrm{R}}^{+}+\mathrm{N}{\mathrm{u}}^{-}\to \mathrm{R}-\mathrm{Nu}$. La vitesse globale est celle de l'étape cinétiquement déterminante, qui ne fait intervenir que le substrat :

Stéréochimie. Le carbocation ${\mathrm{R}}^{+}$ est plan (carbone $s{p}^2$, hybridation trigonale). Le nucléophile peut donc l'attaquer indifféremment par ses deux faces, avec des probabilités voisines : on obtient un mélange des deux configurations, soit une racémisation (idéalement 50/50 ; en pratique souvent une légère prédominance de l'inversion, le nucléofuge masquant une face juste après son départ).

Facteurs favorables. Carbocation stable (tertiaire $>$ secondaire $\gg$ primaire ; stabilisation allylique/benzylique par mésomérie) ; solvant polaire protique (eau, alcools : ils solvatent et stabilisent les ions formés) ; bon nucléofuge. La force du nucléophile importe peu (il n'intervient pas dans l'étape lente).

Cinétique. Acte élémentaire unique impliquant substrat et base : $v=k[\mathrm{R}-\mathrm{X}][{\mathrm{B}}^{-}]$, ordre 2.

Géométrie anti-périplanaire. Pour que la double liaison se forme, les orbitales de la liaison ${\mathrm{C}}_{\beta }-\mathrm{H}$ qui se rompt et de la liaison ${\mathrm{C}}_{\alpha }-\mathrm{X}$ qui se rompt doivent être parallèles (recouvrement continu conduisant à la liaison π). La disposition anti (H et X à $180°$ sur une projection de Newman) réalise ce recouvrement en minimisant la gêne stérique : c'est la géométrie exigée. Conséquence : sur des systèmes rigides (cyclohexanes), l'E2 impose H et X tous deux axiaux (trans-diaxial).

Régiosélectivité (Zaitsev). Quand plusieurs protons β existent, l'alcène le plus substitué, plus stable (hyperconjugaison), se forme préférentiellement via l'état de transition le plus bas. Exception Hofmann : une base très encombrée (tert-butanolate) arrache le proton le plus accessible et donne l'alcène le moins substitué.