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Un secret caché de la chimie : pourquoi certaines paires d’électrons isolés conduisent-elles à la chiralité moléculaire ?
En chimie, une paire d’électrons non isolée est une paire d’électrons de valence qui n’est partagée avec aucun autre atome. Ces électrons non partagés sont parfois appelés paires non partagées ou paires non liantes, et ils sont généralement situés dans la couche électronique la plus externe d'un atome. La présence de paires d'électrons non isolés n'est pas seulement une considération de la configuration électronique, mais a également un impact significatif sur la géométrie et les propriétés chimiques des molécules, notamment en termes de chiralité moléculaire.
La présence de paires d’électrons isolés peut affecter la structure géométrique des molécules et conduire à la formation de molécules chirales.
Selon la théorie de la répulsion des paires d'électrons de la couche de valence (VSEPR), les paires d'électrons non liés présentent une polarité négative significative en raison de leur densité de charge élevée, et elles sont généralement plus proches du noyau que les électrons de la paire de liaison. Cette répulsion, à son tour, réduit l’angle entre les paires de liaisons. Par exemple, les atomes d’oxygène de la molécule d’eau possèdent deux paires d’électrons isolés, ce qui fait que l’angle de liaison H-O-H entre les atomes d’hydrogène est d’environ 104,5 degrés, ce qui est inférieur à la géométrie tétraédrique idéale de 109 degrés. La forte répulsion de la paire d'électrons non liants éloigne les atomes d'hydrogène.
En plus d'affecter la géométrie, les paires d'électrons isolés peuvent également contribuer au moment dipolaire de la molécule. Par exemple, l’ammoniac (NH3) forme une liaison N-H polaire parce que l’azote a une électronégativité plus élevée que l’hydrogène, et la paire d’électrons isolée renforce encore l’effet de ce moment dipolaire. En revanche, le fluorure d'azote (NF3) a un moment dipolaire plus faible en raison de l'électronégativité plus élevée du fluor, ce qui reflète le rôle des paires d'électrons isolés dans différentes structures.
Les paires d'électrons isolés peuvent donner aux molécules des caractéristiques polaires différentes, affectant ainsi leurs propriétés chimiques.
Dans certains cas, les paires d'électrons isolés contribuent non seulement à former la chiralité moléculaire, mais peuvent également créer de nouvelles structures chimiques. Par exemple, lorsque trois groupes différents sont attachés à un atome, si cet atome possède une paire d’électrons non liants, cet atome formera un centre chiral. Nous observons ce phénomène dans les amines, les phosphanes et de nombreux autres composés. Cependant, en raison de la faible barrière d’énergie d’inversion de l’azote, ces molécules chirales s’interconvertissent souvent rapidement à température ambiante, ce qui les rend difficiles à séparer.
De plus, les ions divalents de métaux lourds tels que le plomb et l'étain présentent également des effets stéréochimiques des paires d'électrons non liants. Les électrons de la paire isolée ns2 de ces métaux lourds peuvent affecter leur structure de coordination, conduisant à des formes cristallines asymétriques. Des études récentes ont montré que le comportement de cette paire d’électrons isolés n’est peut-être pas lié aux explications précédentes de l’hybridation des métaux lourds, mais est plutôt affecté par l’état électronique du ligand.
Les électrons libres des métaux lourds peuvent entraîner une distorsion de la structure de coordination, démontrant ainsi leurs propriétés chimiques complexes.
En chimie des solutions, la participation de paires d'électrons non isolés peut également conduire à la formation de réactions acido-basiques. Lorsqu'un acide est dissous dans l'eau, la paire d'électrons isolée sur l'atome d'oxygène attire l'hydrogène ionisé (ion hydrogène) pour former l'ion hydronium (H3O+). Ce processus, ainsi que l’interaction entre les paires d’électrons non isolés dans les molécules, démontrent clairement le rôle indispensable des paires d’électrons non isolés dans les réactions chimiques.
Dans les cours d'introduction à la chimie, la paire d'électrons isolée dans la molécule d'eau est souvent décrite comme des « oreilles de lapin », ce qui visualise quelque peu l'existence et l'impact de cette paire. Cependant, dans les recherches chimiques plus avancées, il existe des explications plus complexes qui analysent le comportement de ces paires isolées à travers la symétrie des molécules.
De plus, les propriétés des paires d’électrons non isolés affectent non seulement la forme géométrique du composé, mais sont également étroitement liées aux interactions telles que les liaisons hydrogène au sein de la molécule. Dans l’eau, des liaisons hydrogène se forment en raison de la grande disponibilité de ces paires d’électrons isolés. Ce phénomène peut également être l’une des sources des propriétés physiques et chimiques uniques de l’eau.
Lorsqu'il s'agit de décrire les structures moléculaires, il existe encore un débat au sein de la communauté chimique sur la manière de décrire avec précision les molécules contenant des paires d'électrons non isolés. Le lien intime entre la structure et les propriétés de ces molécules pourrait-il conduire à de nouvelles compréhensions ?
