mésomérie - chimie.

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mésomérie - chimie.
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PRÉSENTATION

mésomérie, propriété d'une molécule qui présente plusieurs structures -- appelées formes mésomères -- dont aucune, prise séparément, ne permet de représenter la structure réelle de la molécule. Dans ce cas, la structure de la molécule ne peut
être schématisée par une formule unique, mais par un ensemble de structures. En fait, deux formes mésomères d'une même substance ne diffèrent l'une de l'autre que par la répartition des électrons qui lient leurs atomes. La structure réelle de la
molécule est alors décrite comme l'intermédiaire entre ces structures limites. C'est pourquoi l'on parle aussi de résonance.
La mésomérie a permis de décrire précisément les structures aromatiques, ainsi que la couleur de certains colorants, comme le vert malachite. Expérimentalement, le caractère mésomère d'une substance peut être vérifié par la mesure des liaisons
chimiques interatomiques. La mésomérie permet d'expliquer et de caractériser de nombreuses stabilisations énergétiques qui étaient incompatibles avec les formules chimiques classiques. De ce fait, elle conduit à l'interprétation des propriétés
chimiques de nombreuses molécules.

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LE 1,3-BUTADIÈNE

La molécule du 1,3-butadiène se note :

Les résultats expérimentaux indiquent que la distance entre les atomes de carbone 1 et 2 et celle entre les atomes 3 et 4 (liaisons C 9 C) sont égales à 1,36 Å, la liaison entre les atomes de carbone 2 et 3 mesure 1,48 Å (liaison C 8 C), alors qu'une
liaison double classique C 9 C mesure 1,34 Å et une liaison simple C 8 C, 1,54 Å. Ainsi, on ne peut décrire la structure du butadiène en terme de liaisons carbone-carbone localisées. En effet, la liaison C2 8 C3 est plus courte qu'une liaison simple
C 8 C localisée ; elle présente donc un caractère partiel de liaison double.
D'après la théorie de la mésomérie, cela s'explique par une délocalisation des électrons des liaisons carbone-carbone sur la molécule, ce que l'on schématise par :

Les flèches indiquent le déplacement des électrons d'une liaison à une autre. Ainsi, les formes (I) et (II) -- qui n'ont pas de réalité physique -- sont les formes mésomères du 1,3-butadiène et la structure réelle de la molécule est décrite par une
« moyenne « de ces structures. De plus, comme (I) et (II) sont symétriques, elles apportent la même contribution dans la structure réelle. L'existence des formes mésomères est donc ici due à la présence de deux doubles liaisons C 9 C séparées par
une liaison simple C 8 C ; c'est le phénomène de conjugaison, qui se traduit par une stabilisation énergétique de la molécule par rapport à celles du 1-butène (CH2 9 CH 8 CH2 8 CH3) et du butane (CH3 8 CH2 8 CH2 8 CH3).

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LE BENZÈNE

L'exemple de la molécule de benzène (C6H6) est intéressant ; c'est son étude qui permit de dégager les caractéristiques générales de la mésomérie. Dans cette molécule, chaque atome d'hydrogène est lié à un atome de carbone par une liaison
simple. Le problème porte sur les liaisons qui lient entre eux les six atomes de carbone du cycle. Initialement, les chimistes proposèrent plusieurs structures pour le benzène dans lesquelles les liaisons étaient parfaitement localisées. En 1865, le
chimiste allemand Kekulé proposa deux formules structurales planes et hexagonales, les atomes de carbone étant placés aux sommets de l'hexagone :

En 1867, le chimiste allemand Ladenburg représenta le benzène par une formule structurale parallélépipédique ; Claus décrivit la molécule par un hexagone plat avec une liaison centrale. On peut également donner les représentations de Dewar qui
retint, en 1867, trois formules structurales à liaison quinonique :

Toutefois, aucune des formules données précédemment, prises individuellement, ne permet de décrire la molécule de benzène. L'étude des propriétés chimiques de la substance a très rapidement conduit à rejeter les formules de Ladenburg et Claus
pour ne retenir que celles de Kekulé et Dewar. La molécule de benzène a donc été représentée comme un hybride de résonance entre les cinq structures de Dewar et de Kekulé. La molécule est stabilisée par cette résonance, et son énergie est
inférieure à celle de chacune des structures admises.
Cette description de la molécule est arbitraire, puisque aucune de ces formes n'existe réellement. Elles n'ont de sens que par leur utilité. L'utilisation de la chimie quantique permet de formuler la mésomérie en termes de probabilité de présence des
électrons dans l'espace de l'hexagone plan formé par les six atomes de carbone. En résolvant l'équation de Schrödinger pour le benzène, on peut montrer que le composé réel est plus stable que les formes théoriques écrites a priori (la différence
énergétique entre ces formes et la forme réelle étant appelée énergie de résonance). La forme réelle de la molécule de benzène a pu être définie grâce à la spectroscopie de rayons X, qui a révélé un hexagone plan régulier dans lequel les atomes de
carbone sont séparés d'une distance de 1,34 Å. Les électrons qui assurent la liaison entre les atomes sont totalement délocalisés (ils ne sont plus réellement associés à un atome donné). Ainsi, on représente généralement la molécule de benzène par :

Le cercle intérieur représente les électrons délocalisés sur les six atomes de carbone du cycle aromatique.

Voir aussi Benzène.
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