RAPPEL — Hybridation et géométrie
L’hybridation, c’est l’idée qu’un atome mélange ses orbitales atomiques (une s + des p) pour fabriquer des orbitales « sur mesure », toutes identiques, orientées de façon à s’éloigner au maximum les unes des autres. Ce mélange dit deux choses très concrètes : quelle forme prend l’atome dans l’espace (donc la géométrie et la stéréochimie) et comment ses électrons sont tenus (donc l’acidité de certaines liaisons C–H).
Déterminer l’hybridation : compter les directions
La méthode tient en une phrase : on compte le nombre de « directions » autour de l’atome, c’est-à-dire liaisons σ + doublets non liants (une liaison multiple compte pour une seule direction, car ses partenaires π sont dans la même direction que le σ).
Nb de directions (σ + doublets libres) → hybridation
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4 → sp³
3 → sp²
2 → sp
Astuce express : une double liaison → sp² (les 2 carbones)
une triple liaison → sp
que des simples → sp³Les trois hybridations, leur forme et leurs angles
| Hybridation | Directions | Géométrie | Angle | Exemple |
|---|---|---|---|---|
| sp³ | 4 | tétraédrique | 109,5° | C du méthane, N d’une amine, O de l’eau |
| sp² | 3 | trigonale plane | 120° | C d’un C=O, C aromatique, C d’un C=C |
| sp | 2 | linéaire | 180° | C d’un alcyne, C d’un nitrile |
sp³ (109,5°) sp² (120°) sp (180°)
tétraèdre plan triangle ligne droite
| |
C \ C / — C —
/|\ \ / \ /
/ | \ \ / \ /
(tout dans un plan)
4 liaisons σ 3 liaisons σ 2 liaisons σ
0 liaison π + 1 liaison π + 2 liaisons π
σ et π : bien les distinguer
Une double liaison = 1 σ + 1 π ; une triple = 1 σ + 2 π. La liaison σ tient l’ossature (recouvrement axial, dans l’axe des noyaux) ; la liaison π est plus faible (recouvrement latéral des p) et c’est elle qui réagit (elle est riche, exposée, cassable). C’est pourquoi les doubles liaisons sont des sites nucléophiles.
Le caractère s, et l’acidité des C–H
Une orbitale s est sphérique et collée au noyau ; une orbitale p est en haltère, plus lointaine. Donc : plus une hybride contient de caractère s, plus ses électrons sont proches du noyau, donc fortement tenus et stabilisés.
Hybride % caractère s électrons...
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sp 50 % très près du noyau → très stabilisés
sp² 33 % intermédiaire
sp³ 25 % plus loin → moins stabilisésConséquence directe sur l’acidité : arracher le H d’une liaison C–H laisse un carbanion (doublet sur le carbone). Si ce carbone est sp, le doublet est proche du noyau → carbanion stable → la liaison C–H est plus acide.
Acidité des C–H : alcyne (pKa ≈ 25) > alcène (≈ 44) > alcane (≈ 50)
Un alcyne terminal (≡C–H) est donc « acide » à l’échelle organique : une base forte (l’amidure NaNH₂) l’arrache pour former un acétylure, nucléophile carboné très utile en synthèse (création de liaisons C–C). Impossible sur un alcane.
Savoir « lire » l’hybridation d’un médicament
L’exercice type : on te donne une molécule active et tu dois annoter l’hybridation de chaque atome important. Les réflexes :
- Un carbone de cycle aromatique ou de carbonyle : sp².
- Un carbone de chaîne saturée (CH₂, CH₃) : sp³.
- L’azote d’un amide : sp² — piège classique, on l’attend sp³, mais la conjugaison de son doublet avec le C=O le rend plan (sp²). C’est ce qui rend la liaison peptidique rigide.
- L’oxygène d’un –OH ou d’un éther : sp³ (2 liaisons + 2 doublets = 4 directions).
Pièges fréquents
- Compter la liaison π comme une direction : non ! Le C d’un C=O est sp² (3 directions), pas sp³.
- Oublier les doublets libres : l’azote d’une amine est sp³ car ses 3 liaisons + 1 doublet font 4 directions.
- Azote d’amide : sp² (conjugaison), pas sp³.
- Confondre σ/π : une triple liaison n’a qu’une σ ; les 2 π ne comptent pas comme des directions.
Exercices éclair
Exercice 1. Dans l’acide acétique CH₃–COOH, donne l’hybridation du carbone du CH₃ et de celui du COOH.
Correction
- CH₃ : que des liaisons simples (4 directions) → sp³ (tétraédrique, 109°).
- COOH : il porte un C=O (double liaison) → 3 directions → sp² (trigonal plan, 120°). Le carbone du groupe acide et ses deux oxygènes sont dans un même plan.
Exercice 2. Pourquoi un alcyne terminal est-il déprotonable par l’amidure NaNH₂, mais pas un alcane ?
Correction
Le C–H d’un alcyne est porté par un carbone sp (50 % s) : le carbanion (acétylure) formé est stabilisé par la proximité du noyau, pKa ≈ 25. L’amidure (base dont l’acide conjugué NH₃ a un pKa ≈ 36) est plus basique → il arrache donc ce H sans problème. Un alcane a un C–H sp³ de pKa ≈ 50 : aucune base courante n’est assez forte pour l’atteindre.
Exercice 3. Donne l’hybridation et la géométrie de l’azote dans l’ammoniac NH₃, puis dans l’ion ammonium NH₄⁺.
Correction
- NH₃ : 3 liaisons N–H + 1 doublet libre = 4 directions → sp³. Mais comme une direction est un doublet, la forme visible est pyramidale (les 3 H forment une pyramide, angle ≈ 107°).
- NH₄⁺ : 4 liaisons N–H, plus de doublet libre → 4 directions → sp³, géométrie tétraédrique parfaite (109,5°). Protoner l’azote « remplit » la direction du doublet et symétrise la molécule.
À retenir
- On détermine l’hybridation en comptant les directions (σ + doublets libres) : 4 → sp³, 3 → sp², 2 → sp.
- sp³ tétraédrique 109°, sp² plan 120°, sp linéaire 180°. Double ⇒ sp², triple ⇒ sp.
- Double = 1σ + 1π ; triple = 1σ + 2π ; la π est la partie réactive.
- Plus de caractère s = électrons plus tenus = C–H plus acide : alcyne > alcène > alcane.
- Pièges : l’azote d’un amide est sp² (conjugaison) ; ne pas compter la π comme une direction.