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CATEGORIE PARAMEDICALE

Formation de bachelier en Biologie Médicale

1ère année CHU-B36/ Tour 4 / Bureau 4/35

Avenue de l'Hôpital, 1, B-4000 LIEGE

Tél. : 04 / 366 43 70 / Fax : 04 / 366 43 74

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Chimie Organique 2009-2010

Steve Gillet, D. Sc. Email : [email protected]

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Chimie Organique

Gillet Steve, D.Sc. -1-

Sommaire U1. Les composés carbonés : GénéralitésU ............................................................................... 12

U1.1. Introduction U .................................................................................................................. 12

U1.2. Tracer des structures U ................................................................................................... 12

UFormules empiriques et moléculaires U ............................................................................. 12

UFormule structurale et modèles « boules et bâtonnets »U ................................................ 12

U1.3. Types de composés carbonésU ..................................................................................... 14

UQu’est-ce qu’un hydrocarbone ? U ..................................................................................... 14

UGéométrie et hybridation U ................................................................................................. 15

UGroupes fonctionnelsU ...................................................................................................... 16

U1.4. Le squelette des hydrocarbones et la nomenclatureU ................................................... 20

ULes familles des hydrocarbones aliphatiquesU ................................................................. 21

ULes alcanes à chaîne droite U ............................................................................................ 21

ULes alcanes à chaîne branchée U ...................................................................................... 22

ULes alcènesU ..................................................................................................................... 22

ULes alcynesU ..................................................................................................................... 23

U1.5. Atomes de carbone primaires, secondaires, tertiaires et quaternairesU ........................ 24

U1.6. L’isomérisme structural U ................................................................................................ 24

ULes alcanesU ..................................................................................................................... 25

ULes substituants alkylesU .................................................................................................. 25

U1.7. Stéréoisomérisme : composés chirauxU ........................................................................ 26

UAtomes de carbone asymétriques et énantiomères U ........................................................ 26

URotation spécifique et notation des isomères U ................................................................. 28

ULes diastéréoisomères U .................................................................................................... 31

UMélanges racémiques et résolution d’énantiomères U ....................................................... 33

ULes composés mésoU ....................................................................................................... 34

U1.8. Conformation U ............................................................................................................... 35

ULes conformations décalées, éclipsées et intermédiaires U ............................................... 35

UProjection de Newman et utilisation de traits gras ou hachés U ......................................... 36

Chimie Organique


UModification de l’énergie stérique associée à la rotation autour d’une liaison U ................ 36

U1.9. Quelques notions importantes lorsque nous aborderons les mécanismes réactionnels U

............................................................................................................................................ 37

ULe clivage de liaisons U ...................................................................................................... 37

UElectrophiles et nucléophilesU ........................................................................................... 37

U2. Les alcanes cycliques et acycliques U ................................................................................... 38

U2.1. Les cycloalcanes : structure et nomenclature U .............................................................. 38

U2.2 Cycloalcanes : conformation de cycle et tension de cycleU ............................................ 39

ULa conformation de cycleU ................................................................................................ 39

ULa tension de cycle U ......................................................................................................... 41

URésumé U ........................................................................................................................... 42

U2.3. Les propriétés physiques des alcanes U ......................................................................... 43

ULes températures de fusion et d’ébullitionU ....................................................................... 43

UDensité et miscibilité avec l’eau U ...................................................................................... 44

U2.4. Combustion des alcanes à chaîne droiteU ..................................................................... 45

U2.5. La chloration du méthane : une réaction en chaîne radicalaireU ................................... 45

UCaractéristiques générales d’une réaction en chaîne radicalaire U ................................... 45

ULe mécanisme de chloration du méthane U ....................................................................... 46

U2.6. Des processus en compétition : la chloration du propane et du 2-méthylpropane U ...... 47

ULa réaction entre Cl2 et le propane U.................................................................................. 48

ULa stabilité des radicauxU .................................................................................................. 48

ULa réaction entre le Cl2 et le 2-méthylpropane U ................................................................ 49

U2.7. Les réactions des cycloalcanesU ................................................................................... 50

ULes réactions de substitution U ........................................................................................... 50

ULes réactions d’ouverture de cycleU .................................................................................. 50

U3. Les alcènes et alcynes U ....................................................................................................... 50

U3.1. GénéralitésU .................................................................................................................. 50

U3.2. Les cycloalcènes : structures et nomenclature U ............................................................ 51

UNoms et structuresU .......................................................................................................... 51

Chimie Organique


UConformation de cycleU .................................................................................................... 52

U3.3 Synthèse d’alcènes cycliques et acycliquesU ................................................................. 53

URéactions d’éliminationU ................................................................................................... 53

UCyclisation de Diels-Alder U ............................................................................................... 53

U3.4. Réaction des alcènes : Introduction U ............................................................................. 54

UHydrogénation U ................................................................................................................. 55

UAddition de X2 (X = Cl ou Br) : formation de dihalogénures vicinauxU .............................. 56

UAddition de HX (X = Cl, Br ou I) : formation d’halogénoalcanes U ..................................... 56

U3.5. Le mécanisme d’addition électrophileU .......................................................................... 57

UAddition de HBr à une liaison C=C symétrique U ............................................................... 57

UAddition de HBr à une liaison C=C asymétrique U ............................................................. 58

UAddition de X2 (X = Cl ou Br)U ........................................................................................... 59

UAddition syn- et anti-U ....................................................................................................... 60

U3.6. Réactions des alcènes : additions, oxydation des liaisons C=C et clivage U .................. 62

UAddition d’H2O : formation d’alcoolsU ................................................................................ 63

UAddition d’H2O et X2 (X = Cl ou Br) : formation d’halogénohydrines (halogénoalcool)U ... 64

UOxydation : formation de diolsU ......................................................................................... 65

ULe clivage des alcènes : réaction avec O3 (ozonolyse) U ................................................... 66

U3.7. Substitution et addition radicalaires dans les alcènes U ................................................. 67

USubstitution radicalaire : bromation U ................................................................................. 67

UAddition radicalaire : bromation U ....................................................................................... 68

U3.8. Polymérisation des alcènes U ......................................................................................... 70

UPolymérisation radicalaire U ............................................................................................... 70

U3.9. Migration de la liaison double et isomérisation des alcènes U ........................................ 70

ULe mécanisme de migration de la liaison C=C catalysée par l’acideU .............................. 71

ULe mécanisme de migration de la liaison C=C catalysée par l’acideU .............................. 71

U3.10. Hydroboration des alcènesU ........................................................................................ 72

UHydroboration avec BH3U .................................................................................................. 72

U3.11. Synthèse des alcynes U ................................................................................................ 73

Chimie Organique


U3.12. Réactions des alcynes U ............................................................................................... 74

UCombustion U ..................................................................................................................... 74

UHydrogénation U ................................................................................................................. 74

UAddition de X2 et HX (X = Cl, Br)U ..................................................................................... 75

UAddition d’H2O : formation d’une cétone U ......................................................................... 76

UOxydation : formation d’acide carboxylique et de dioneU .................................................. 77

ULes alcynes en tant qu’acidesU ......................................................................................... 78

URéactions de couplage pour donner des alcynes multi-fonctionnels U .............................. 80

U3.13. Protection d’un alcyne terminal : le groupe protecteur Me3Si U .................................... 80

U4. Les molécules organiques polaires : Introduction U .............................................................. 81

U4.1. Objectifs U ....................................................................................................................... 81

U4.2. Electronégativités et liaisons polairesU .......................................................................... 82

U4.3. Moments dipolaires moléculaires U ................................................................................ 82

UMolécules polaires et non polaires U .................................................................................. 82

ULimitation des prédictions quantitatives U .......................................................................... 84

U4.4. Effets inductifU ............................................................................................................... 85

UEffets des groupements électro-attracteurs sur les valeurs de pKaU ................................ 86

U5. Les halogénoalcanesU ......................................................................................................... 87

U5.1. Structure et nomenclature U ........................................................................................... 87

ULes halogénoalcanes avec un seul atome d’halogène U ................................................... 87

ULes halogénoalcanes avec plus d’un atome d’halogène U ................................................. 88

UHalogénoalcanes primaires, secondaires et tertiaires U .................................................... 88

U5.2. Synthèse des halogénoalcanesU ................................................................................... 89

U5.3. Les propriétés physiquesU ............................................................................................. 91

ULes liaisons C-XU .............................................................................................................. 91

UTempératures d’ébullition U ................................................................................................ 91

UChloro-, bromo- et iodoalcanes liquides U .......................................................................... 92

U5.4. Les réactions des halogénoalcanes : formation de réactifs de Grignard et

d’organolithiens U ................................................................................................................... 92

Chimie Organique


ULes réactifs de Grignard U .................................................................................................. 92

ULes organolithiensU ........................................................................................................... 94

U5.5. Les réactions des halogénoalcanes : substitution électrophile vs éliminationU ............. 96

U5.6. Substitution nucléophileU ............................................................................................... 96

ULe mécanisme de la SN1U ................................................................................................. 96

ULe mécanisme de la SN2U ................................................................................................. 97

ULes stéréochimies des réactions SN1 et SN2U .................................................................. 97

USN1 ou SN2 ? U ................................................................................................................... 98

ULe carbocation U ................................................................................................................. 99

ULes effets stériquesU ....................................................................................................... 101

ULe nucléophileU ............................................................................................................... 102

ULe groupement partant U .................................................................................................. 104

ULe solvant U ...................................................................................................................... 105

U5.7. Réactions d’élimination U .............................................................................................. 105

ULe mécanisme E1U .......................................................................................................... 106

ULe mécanisme E2U .......................................................................................................... 108

U5.8. Réactions de substitutions nucléophiles en compétition avec les éliminations U ......... 109

UE1 versus SN1U ................................................................................................................ 109

ULes halogénoalcanes tertiaires U ..................................................................................... 109

UE2 versus SN2U ................................................................................................................ 110

UHalogénures méthyliques U .............................................................................................. 110

U5.9. Réactions choisies des halogénoalcanesU .................................................................. 111

USynthèse des éthersU ..................................................................................................... 111

UCroissance de la chaîne carbonée U ................................................................................ 111

ULes agents alkylantsU ...................................................................................................... 112

U6. Les éthers U ......................................................................................................................... 112

U6.1. Introduction U ................................................................................................................ 112

U6.2. Structure et nomenclature U ......................................................................................... 113

ULes éthers acycliquesU .................................................................................................... 113

Chimie Organique


ULes éthers cycliquesU ...................................................................................................... 114

U6.3. Synthèse U .................................................................................................................... 115

ULes éthers acycliquesU .................................................................................................... 115

ULes éthers cycliquesU ...................................................................................................... 117

U6.4. Propriétés physiques U ................................................................................................. 119

UMoments dipolaires et points d’ébullition U ...................................................................... 119

ULes éthers en tant que solvants U .................................................................................... 120

U6.5. La réactivité des éthers U .............................................................................................. 120

UClivage des éthers U ........................................................................................................ 121

URéactivité des époxydes U ............................................................................................... 122

U7. Les alcoolsU ....................................................................................................................... 125


U7.2. Synthèse des alcools U ................................................................................................. 127

USynthèse des alcools : méthodes déjà envisagées dans les chapitres précédentsU ...... 127

USynthèse des alcools : réduction des composés carbonylesU ........................................ 128

USynthèse des alcools : utilisation des réactifs de Grignard U ........................................... 129

U7.3. Propriétés physiques U ................................................................................................. 131

ULes effets des liaisons hydrogène U ................................................................................. 131

UBasicité et aciditéU .......................................................................................................... 133

U7.4. Réactivité des alcoolsU ................................................................................................ 133

UCombustion U ................................................................................................................... 133

UClivage de la liaison R-OH : déshydratationU ................................................................. 134

URupture de la liaison R-OH : conversion en halogénoalcanes U ...................................... 135

URupture de la liaison R-OH : réaction avec les métaux alcalins U ................................... 135

UOxydation U ...................................................................................................................... 136

UFormation d’estersU ........................................................................................................ 137

U8. Les amines U ....................................................................................................................... 137


U8.2. Inversion de l’azote dans les aminesU ......................................................................... 140

Chimie Organique


U8.3. Synthèse U .................................................................................................................... 141

UConversion des halogénoalcanes en amines par substitution nucléophile U ................... 141

UConversion des halogénoalcanes en amines par la synthèse de Gabriel U .................... 142

UConversion des nitriles en amines U ................................................................................ 142

UAmination réductive des aldéhydes et cétonesU ............................................................. 143

U8.4. Propriétés physiques des amines U .............................................................................. 145

UPoints d’ébullitionU .......................................................................................................... 145

USolubilité dans l’eauU ...................................................................................................... 146

ULes amines en tant que base U ........................................................................................ 147

U8.5. Réactivité U ................................................................................................................... 148

UAmines en tant que bases faiblesU ................................................................................. 148

ULes amines en tant qu’acides faibles U ............................................................................ 149

UElimination de Hofmann U ................................................................................................ 149

UAlkylation et acylation d’amines U .................................................................................... 150

U9. Les composés aromatiquesU ............................................................................................. 151

U9.1. Une introduction aux hydrocarbones aromatiques U .................................................... 151

U9.2. La structure du benzène et ses liaisons délocaliséesU ................................................ 151

UHistorique du benzèneU .................................................................................................. 151

UDétermination structurale U .............................................................................................. 152

UPreuve chimique du fait que le benzène n’est pas un trièneU ......................................... 152

UUn modèle avec liaisons délocalisées U .......................................................................... 152

U9.3. Aromaticité et loi de Huckel (4n+2)U ............................................................................ 153

U9.4. NomenclatureU ............................................................................................................ 155

UDérivés du benzèneU ...................................................................................................... 155

UMotif de substitution ortho-, méta- et para-U ................................................................... 157

UPhényle versus benzyleU ................................................................................................ 157

U9.5. Propriétés physiques du benzèneU ............................................................................. 158

U9.6. Réactivité du benzène U ............................................................................................... 158

UHydrogénation U ............................................................................................................... 158

Chimie Organique


URéactions de substitution, une vue d’ensemble U ............................................................ 158

U9.7. Le mécanisme de la substitution électrophile U ............................................................ 160

UMécanisme général U ....................................................................................................... 160

UChloration et bromation U ................................................................................................. 163

UAlkylation de Friedel-CraftsU ........................................................................................... 163

UAcylation de Friedel-Crafts U ............................................................................................ 165

UNitration U ......................................................................................................................... 165

USulfonationU .................................................................................................................... 166

U9.8. Effets d’orientation et activation / désactivation des cyclesU ....................................... 166

UAniline et phénol U ............................................................................................................ 167

ULe nitrobenzène U ............................................................................................................ 169

ULes dérivés halobenzéniques U ........................................................................................ 171

UToluèneU ......................................................................................................................... 171

U9.9. ToluèneU ...................................................................................................................... 172

USynthèse U ....................................................................................................................... 172

UPropriétés physiques U ..................................................................................................... 172

URéactionsU ...................................................................................................................... 172

U9.10. Phénol U ...................................................................................................................... 174


URéactionsU ...................................................................................................................... 176

U9.11. Nitrobenzène et anilineU ............................................................................................ 179

USynthèse U ....................................................................................................................... 179


URéactionsU ...................................................................................................................... 181

U9.12. Substitution nucléophile dans les cycles aromatiques U ............................................. 187

U9.13. Pyridine : un aromatique hétérocycliqueU .................................................................. 188

UPropriétés physiques et utilisationU ................................................................................. 188

UStructure et liaisonU ........................................................................................................ 189

URéactivité U ...................................................................................................................... 189

Chimie Organique


UOutre la pyridine U ............................................................................................................ 190

U10. Les composés carbonylés U .............................................................................................. 191

U10.1. La famille des composés carbonylés U ....................................................................... 191

U10.2. Nomenclature des composés carbonylés U ................................................................ 192

ULes aldéhydes U ............................................................................................................... 192

ULes cétonesU ................................................................................................................... 192

ULes acides carboxyliques U .............................................................................................. 193

ULes amidesU .................................................................................................................... 194

ULes chlorures d’acideU .................................................................................................... 195

ULes estersU ...................................................................................................................... 195

U10.3. La liaison C=O polaireU ............................................................................................. 196

UPolarité et réactivité U ....................................................................................................... 196


U10.4. Structure et liaison U ................................................................................................... 198

UDétails structurauxU ........................................................................................................ 198

UDimérisation des acides carboxyliques U ......................................................................... 198

U10.5. Le tautomérisme céto-énoliqueU ............................................................................... 199

UTautomérisme céto-énolique et iona énolateU ................................................................ 199

URéaction d’un énol ou d’un ion énolate avec des électrophiles U .................................... 200

U10.6. Les aldéhydes et cétones : SynthèseU ...................................................................... 201

UOxydation des alcoolsU ................................................................................................... 201

URéduction des estersU .................................................................................................... 202

UAcylation de Friedel-Crafts : préparation de cétones aromatiques U ............................... 202

U10.7. Les acides carboxyliques : SynthèseU ....................................................................... 204

UOxydation des alcools primaires et aldéhydes U .............................................................. 204

UOxydation d’un dérivé alkylbenzèneU ............................................................................. 204

UUtilisation de réactifs de Grignard U ................................................................................. 205

UHydrolyse des nitriles catalysée par les bases ou les acidesU ....................................... 206

U10.8. Les esters : Synthèse et hydrolyse U .......................................................................... 206

Chimie Organique


USynthèse à partir d’un acide carboxylique et d’un alcool U .............................................. 206

UHydrolyse des estersU ..................................................................................................... 207

USynthèse à partir d’un chlorure d’acide et d’un alcoolU ................................................... 208

U10.9. Les amides : Synthèse U ............................................................................................ 208

U10.10. Les chlorures d’acide : Synthèse U ........................................................................... 209

U10.11. Les composés carbonylés en tant qu’acides U ......................................................... 210

ULes acides carboxyliques U .............................................................................................. 210

ULes amidesU .................................................................................................................... 213

UAldéhydes, cétones et esters U ........................................................................................ 214

U10.12. Les ions énolates en synthèse : réactions de substitution électrophileU ................. 216

UHalogénation des aldéhydes et cétones catalysée par les basesU ................................. 217

UHalogénation des aldéhydes et cétones catalysée par les acides U ................................ 218

UAlkylation d’une cétone via un énolate U .......................................................................... 219

UAlkylation d’un ester via un énolateU ............................................................................... 220

UAlkylation des β-dicétones ou diesters via un énolate U .................................................. 220

UAldol et réaction de Claisen U .......................................................................................... 221

U10.13. Attaque nucléophile sur l’atome de carbone d’une C=O U ....................................... 222

UHydrolyse des halogénures d’acideU .............................................................................. 222

UHydrolyse des amides U ................................................................................................... 223

ULa réaction des aldéhydes et cétones avec CN-U ........................................................... 224

URéaction des réactifs de Grignard avec les aldéhydes et cétones U ............................... 225

UAmination réductive des aldéhydes et cétonesU ............................................................. 226

URéactions de chlorures d’acides et d’esters avec NH3U .................................................. 227

ULes réactions des aldéhydes avec les alcools : formation d’hémiacétals et d’acétalsU .. 228

U10.14. Attaque nucléophile du C=O : la réaction aldol U...................................................... 229

ULes réactions aldolU ........................................................................................................ 229

ULes éliminations β accompagnant les réactions aldolU ................................................... 231

UVue d’ensemble des complications apparaissant dans les réactions aldol U ................... 232

UAttaque nucléophile du C=O : Condensation de Claisen U .............................................. 232

Chimie Organique


Chimie Organique


0B1. Les composés carbonés : Généralités

10BU1.1. Introduction

La chimie organique est l’étude des composés du carbone. Ce domaine de la chimie

est particulièrement important, lorsque l’on sait la place que prennent ces composés dans

l’industrie et la biologie, comme nous allons le voir ultérieurement.

11BU1.2. Tracer des structures

94BFormules empiriques et moléculaires

La formule empirique (ou brute) d’un composé donne la proportion des atomes des

éléments qui se combinent pour former ce composé. Cependant, ce n’est pas

nécessairement la même que la formule moléculaire qui donne le nombre d’atomes des

éléments constitutifs en conformité avec la masse molaire du composé. La relation entre la

formule moléculaire et empirique, peut être illustrée en utilisant l’éthane, dans lequel la

proportion d’atomes de carbones et d’hydrogènes est de 1 : 3. Ce qui signifie que la formule

empirique de l’éthane est (CH3)n. La masse moléculaire relative de l’éthane est 30,

correspondant à deux unités CH3 par molécule – la formule moléculaire est donc C2H6. Dans

le méthane, par contre, la formule empirique est (CH4)n et la formule moléculaire est CH4.

95BFormule structurale et modèles « boules et bâtonnets »

Ni la formule empirique, ni la formule moléculaire ne donnent d’information sur la

façon dont les atomes d’une molécule sont connectés. La formule moléculaire H2S n’indique

pas l’arrangement de ces trois atomes dans la molécule de sulfure d’hydrogène. Par contre,

la figure ci-dessous, elle, est informative. On peut également arriver à cette structure en

considérant le nombre d’électrons de valence disponibles pour la liaison.

Pour certaines formules moléculaires, il est possible de connecter les atomes de plus

d’une façon raisonnable et on dit alors de cette molécule, qu’elle possède des isomères. Un

exemple en est C4H10 pour lequel deux structures moléculaires peuvent être tracées.

et

HS

H

H

H H

H H

H H

H H

H

H H

HH

H H

HHH

H

Chimie Organique


Une information structurale détaillée peut être obtenue de modèles « boules et

bâtonnets ».

Notons dès à présent que le terme « stéréochimie » désigne la façon de laquelle les

atomes d’une molécule sont arrangés dans l’espace.

Dans ce cadre, il est évident que les modèles « boules et bâtonnets » sont d’une

grande utilité. Malheureusement, il n’est pas toujours possible et/ou pratique, de créer ces

modèles, que ce soit à l’aide de kits de montage ou de logiciels spécialisés.

En chimie organique, l’adoption de quelques conventions permet de facilement

dessiner une structure qui donne des informations quant à la stéréochimie d’une molécule.

Ainsi en voyant le dessin ci-dessous, il est possible de se rendre compte que, dans le

méthane, la structure du carbone est tétraédrique.

Dans ce dessin, l’atome central, le carbone, n’est pas représenté. C’est souvent le

cas et cela permet de simplifier la représentation (nous reviendrons sur ce point

ultérieurement). La liaison indiquée en gras signifie que l’atome d’hydrogène se trouve hors

du plan, du côté du lecteur, alors que la liaison indiquée en pointillée signifie que l’atome

d’hydrogène se trouve hors du plan, mais à l’opposé du lecteur, cette fois. Reprenons

l’exemple du butane, à présent le modèle « boules et bâtonnets » dessiné en haut, à gauche

de cette page sera souvent réduit au schéma suivant :

Sur ce schéma, les règles suivantes sont respectées :

• Des atomes de carbone forment le squelette de la molécule.

H

H HH

Chimie Organique


• Chaque position non spécifiée, dans la chaîne, y compris les fins, est occupée par un

atome de carbone.

• Chaque atome de carbone forme 4 liaisons.

• Tout atome restant, non spécifié, est un atome d’hydrogène.

12BU1.3. Types de composés carbonés

Il existe une multitude de composés organiques différents, des plus simples, ne

contenant que du carbone et de l’hydrogène, aux plus complexes, portant de nombreux

groupes fonctionnels et pesant plus de 50 000 Da. Commençons par les plus simples, les

hydrocarbones.

96BQu’est-ce qu’un hydrocarbone ?

Un hydrocarbone est un composé ne contenant que du carbone et de l’hydrogène.

Par facilité, on les classe souvent en aromatiques et aliphatiques, lesquels sont subdivisés

en composés saturés et insaturés :

Le terme aliphatique était initialement utilisé pour décrire les graisses et les

composés reliés, mais il est à présent utilisé pour désigner des hydrocarbones contenant

des chaînes carbonées ouvertes (composés acycliques) ou des composés avec une

Un hydrocarbone contient seulement

des atomes de C et H

Hydrocarbones aliphatiques Hydrocarbones aromatiques (cfr suite

du cours)

Hydrocarbones saturés : ne contiennent

que des liaisons simples C-C et C-H =

alcanes

Hydrocarbones insaturés : contiennent

au moins une liaison carbone – carbone

multiple en plus de liaisons simples

Un alcène contient le groupe fonctionnel

C=C

Un alcyne contient le groupe fonctionnel

C≡C

Chimie Organique


structure cyclique, mais possédant des propriétés similaires aux hydrrocarbones à chaînes

ouvertes (ex. : cyclohexane).

Le schéma, ci-dessus, montre deux classes d’hydrocarbones aliphatiques. Un

hydrocarbone saturé ne contient que des liaisons C-C et C-H et n’a pas de groupe

fonctionnel. On appelle également ces composés des alcanes. La formule générale, pour un

alcane acyclique est CnH2n+2, et chaque atome de carbone forme quatre liaisons simples. Un

hydrocarbone insaturé contient au moins une liaison double ou triple, en plus de liaisons C-H

simples. Les composés qui portent une liaison double, s’appellent alcènes et les composés

qui portent une liaison triple, s’appellent alcynes. Les liaisons doubles et triples sont

considérées comme des groupes fonctionnels parce qu’elles ont une réactivité particulière,

dont nous reparlerons ultérieurement.

En dépit du fait que nous ne venons de présenter qu’une poignée de classes de

composés, nous pouvons dès à présent illustrer les géométries communes dans lesquels le

carbone sera trouvé.

97BGéométrie et hybridation

Un hydrocarbone peut contenir des atomes de carbone tétraédriques, trigonal plan ou

linéaires en fonction du type de liaisons C-C qu’ils forment. Dans le cadre du modèle

ondulatoire de l’atome et de la liaison (dont vous parlerez peut-être avec LH), on parle

d’hybridation sp3 (tétraédrique), sp2 (trigonal plan) et sp (linéaire). Le point important à

retenir, est que le carbone respecte la règle de l’octet et ne peut former plus de quatre

liaisons localisées. Ce qui peut être réalisé des façons suivantes :

• Quatre liaisons simples : (tétraédrique)

• Une liaison double et deux liaisons simples (trigonal plan)

• Une liaison triple et une liaison simple (linéaire)

• Deux liaisons doubles (linéaire)

Notons dès à présent qu’il est courant, dans une formule organique, de représenter

un groupement organique général et que la méthode conventionnelle, pour ce faire, est

d’utiliser la lettre R pour désigner un groupe aliphatique et le « symbole » Ar pour un

groupe aryle (aromatique).

Chimie Organique


98BGroupes fonctionnels

On désigne par groupe(ment) fonctionnel (ou fonction) un ensemble d’atomes qui va

conférer, à une molécule organique, une réactivité particulière. Dans les hydrocarbones dont

nous venons de parler, nous avons déjà relevé que les liaisons doubles C=C et les liaisons

triples C≡C constituaient des groupes fonctionnels. Nous allons à présent voir que des

hétéroatomes (autres éléments que C et H, entrant dans la composition d’une molécule

organique) forment également des groupes fonctionnels. Les quelques exemples de

molécules que nous verrons sont utilisées en industrie, ou dans le vivant et nous permettront

de voir l’utilité des fonctions et d’illustrer le fait qu’une même molécule présente souvent

plusieurs groupes fonctionnels différents.

A part C et H, les éléments qui se retrouvent le plus souvent dans les composés

organiques sont N et O. Comme C, N et O obéissent à la règle de l’octet et sont donc limités

dans le nombre de liaisons qu’ils peuvent former (3 pour N et 2 pour O). Par contre,

contrairement au carbone, ces éléments présentent des paires d’électrons libres qui vont

jouer un rôle important à la fois au niveau de la forme, mais également de la réactivité des

centres N et O.

Etre capable de reconnaître les groupes fonctionnels d’une molécule est la clé de la

compréhension de ses propriétés chimiques, comme nous le verrons ultérieurement. Pour le

moment, nous allons commencer par apprendre le nom et la structure de quelques

groupements fonctionnels.

Un alcool contient le groupe –OH ; un exemple en est l’éthanol, qui est utilisé comme

solvant et qui représente l’ingrédient important des boissons alcoolisées. L’éthanol est un

exemple d’alcool primaire avec un groupe –CH2OH terminal. Les alcools secondaires et

tertiaires ont les structures générales R2CHOH et R3COH respectivement. Le propane-1,3-

diol contient deux groupements –OH (d’où le suffixe diol) et est utilisé industriellement dans

la fabrication du PET (polyéthylène téréphthalate). Le citronellol est une essence florale que

l’on retrouve dans les roses et qui contient à la fois les groupements fonctionnels alcool et

alcène.

OHOH OH OH

Chimie Organique


Dans un aldéhyde, le groupe fonctionnel est –CHO et un exemple d’aldéhyde naturel

est le cynnamaldéhyde, présent dans la cannelle. On appelle groupement carbonyle

l’ensemble C=O.

Dans une cétone, le groupe fonctionnel est également un carbonyl, mais cette fois,

attaché à deux groupements organiques, lequels peuvent être identiques, ou différents. Les

formules générales d’une cétone sont :

et

où R et R’ sont différents de H. L’acétone est un solvant commun en laboratoire et est utilisé

commercialement dans les peintures, les produits nettoyant et comme solvant d’enrobage.

La molécule qui présente à la fois un groupement fonctionnel cétone et alcène est

responsable, quant à lui, de l’odeur des fleurs de magnolia.

Un acide carboxylique est caractérisé par une fonction –CO2H, les acides

dicarboxyliques possèdent deux fonctions de ce type, etc. L’acide hexan-1,6-dioïque est l’un

des deux précurseurs du Nylon 66, l’autre étant l’hexan-1,6-diamine dont nous parlerons

ultérieurement. Les acides carboxyliques jouent un rôle important dans la nature, par

exemple, l’acide citrique se retrouve dans le citron, tout comme dans d’autres fruits tels que

les airelles.

Un ester ressemble à un acide carboxylique, mais l’atome d’hydrogène y est

remplacé par un groupement organique : le groupe fonctionnel dans un ester est donc –

O

H

R R'

O

R R

O

OO

OHOH

O

OOH OH

O OOH

OHO

Chimie Organique


CO2R. Beaucoup d’esters ont des odeurs caractéristiques, par exemple le méthyl salycilate

(communément appelé essence de wintergreen) possède un groupement fonctionnel ester

dans lequel un groupement CH3 correspond au groupement R de la formule générale.

Un éther a la formule générale R-O-R (éther symétrique) ou R-O-R’ (éther

asymétrique). Le diéthyl éther est un solvant communément utilisé pour les réactifs de

Grignard (dont nous parlerons éventuellement plus tard). Dans la nature, la vanilline,

présente dans l’huile de vanille, continent une fonction éther, ainsi qu’une fonction aldéhyde

et un groupement –OH aromatique (groupement phénolique ou phénol).

Une amine primaire est caractérisée par un groupement –NH2. La méthylamine est

responsable de l’odeur de décomposition du poisson, alors que l’hexan-1,6-diamine,

possède une grande importance commerciale, puisqu’elle intervient, comme nous l’avons

déjà signalé, dans la fabrication du Nylon 66. Les amines secondaires et tertiaires possèdent

les formules générales R2NH et R3N respectivement, les groupements R pouvant être

identiques, ou différents.

Le groupement caractéristique d’un amide primaire est –CONH2, qui contient un

groupement carbonyle (C=O). L’atome d’azote peut porter des groupements R à la place

d’atomes d’hydrogènes, on parle alors d’amides secondaires et tertiaires pour les formules

générales –CONRH et -CONR2 respectivement. Les groupements R peuvent être identiques,

ou non.

OO

OH

OHO

H O

NH2 NH2

NH2

RN

O

HH

RN

O

HR

RN

O

RR

Chimie Organique


Les amides sont d’une importance immense en biologie ; les polypeptides sont des amides

et comprennent, entre autre, les protéines (polypeptides de haute masse moléculaire).

Plusieurs polymères sont des polypeptides comme le Nylon 66 et le kevlar. Des amides de

petite masse moléculaire ont également une importance commerciale, comme le

diethyltoluamide qui est le composant actif de certains insecticides.

Dans les dérivés halogénés, les groupements fonctionnels sont des atomes

d’halogènes (F, Cl, Br ou I). On a beaucoup parlé des halogénoalcanes parce qu’ils

comprennent les CFCs (chlorofluorocarbones). Des composés organiques comprennent les

solvants de laboratoire tels que CH2Cl2 et CHCl3. Le chloroéthène, également appelé

chlorure de vinyle est important, puisqu’il s’agit du précurseur du PVC (chlorure de

polyvinyle). Le DDT, un dérivé du trichloroéthane avec des substituants aromatiques a été

largement utilisé comme insecticide à partir de 1939, jusqu’à ce que l’on se rende compte

que plusieurs insectes y devenaient résistants et qu’il était hautement toxique pour les

poissons. Il est maintenant banni de tout insecticide.

Le groupe fonctionnel dans un chlorure d’acide est le –COCl et contient un

groupement carbonyle (C=O). Ces composés sont très réactifs ; le chlorure d’acétyle est un

réactif de synthèse très utile en laboratoire.

O

NH

NH

O

n

N

O

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

O

Chimie Organique


Dans un nitrile, le groupe fonctionnel est -C≡N. L’acétonitrile, CH3CN, est un solvant

de laboratoire très utilisé. Un nitrile d’importance commerciale est par exemple, l’acrylonitrile

qui est un précurseur du polyacrylonitrile, une fibre synthétique.

Le groupe fonctionnel nitro est –NO2 ; le nitrométhane est parfois utilisé comme

solvant en laboratoire. Les structures de la méthylamine et du nitrométhane semblent

similaires, mais il faut se rappeler que l’azote obéit à la loi de l’octet. La représentation

correcte de la liaison de valence dans le nitrométhane est représentée par la paire de

résonance suivante :

Un grand nombre de composés utilisés comme explosifs possèdent un groupement

fonctionnel nitro, comme par exemple, le TNT (trinitrotoluène).

Le groupement fonctionnel thiol est –SH, et l’une de leur propriété caractéristique est

l’odeur nauséabonde. Le mécanisme de défense développé par les putois est d’émettre,

sous forme de jet, une mixture à l’odeur fétide qui contient notamment des thiols.

13BU1.4. Le squelette des hydrocarbones et la nomenclature

Dans un premier temps, nous allons nous attarder sur la nomenclature des chaînes

carbonées droites et branchées. Les noms des molécules dérivées sont basés sur ces

chaînes carbonées qui forment leurs squelettes. Bien qu’il existe une nomenclature

recommandée internationalement (IUPAC), de nombreux noms « triviaux » sont encore

d’usage commun. Des noms tels que acétone et acide acétique sont tellement fermement

ancrés dans le vocabulaire des chimistes qu’il est impossible de les ignorer. Le tableau qui

suit reprend certains de ces noms triviaux :

N

N+

O

O

N+

O

O

NO2

NO2

O2N

SH SH

Chimie Organique


99BLes familles des hydrocarbones aliphatiques

Un composé aliphatique appartient à l’une des trois familles : alcane, alcène ou

alcyne. Le nom d’un composé nous dit immédiatement à quelle famille le composé

appartient :

- ane (hydrocarbone saturé, alcane)

- ène (hydrocarbone insaturé avec une liaison C=C, alcène)

- yne (hydrocarbone insaturé avec une liaison C≡C, alcyne)

100BLes alcanes à chaîne droite

Le nom d’un alcane à chaîne droite indique le nombre d’atomes de C dans la chaîne.

Le tableau, ci-dessous, liste les préfixes qui sont utilisés pour indiquer le nombre de C dans

la chaîne. Ce tableau liste également les préfixes qui sont utilisés pour décrire le nombre de

groupes ou substituants sur des molécules branchées (cfr. suite du cours).

Nombre Préfix indiquant le nombre de carbone

d’une chaîne

Préfixe décrivant le nombre de

substituants ou groupes.

1 Méth- Mono-

2 Eth- Di-

3 Prop- Tri-

4 But- Tétra-

O

OH

O

H

O

Cl

O

NH2

O

acétoneacide acétique acétaldéhyde chlorure d'acétyleacétamide

H OH

O

H H

O

H NH2

O

acide formique formaldéhyde formamide

NH2OH

Ntoluène phénol aniline pyridine

OHOH

éthylène glycol

OO

monoglyme

OO

Odiglyme

H Hacétylène

Nacétonitrile

Chimie Organique


5 Pent- Penta-

6 Hex- Hexa-

7 Hept- Hepta-

8 Oct- Octa-

9 Non- Nona-

10 Déc- Déca-

11 Undéc- Undéca-

12 Dodéc- Dodéca-

13 Tridéc- Tridéca-

14 Tetradéc- Tetradéca-

15 Pentadéc- Pentadéca-

16 Hexadéc- Hexadéca-

17 Heptadéc- Heptadéca-

18 Octadéc- Octadéca-

19 Nonadéc- Nonadéca-

20 Icos- Icosa-

101BLes alcanes à chaîne branchée

Le nom de la racine d’un alcane branché est dérivé de la plus longue chaîne droite

d’atomes de C qui est présente dans ce composé. Souvenez-vous qu’une chaîne dite

« droite » peut ne pas avoir l’air droite (sur la formule structurale).

La plus longue chaîne est numérotée à partir de l’une de ses extrémités, laquelle est

choisie de sorte que les nombres désignant la position des chaînes latérales soit aussi petits

que possible.

Il est important de noter que l’on écrit un trait d’union entre la numérotation et le nom

du substituant et qu’il n’y a pas d’espace entre le nom du substituant et le nom de la racine

(ex : 2-méthylbutane).

Si plus d’un substituant est présent, leurs noms sont donnés dans l’ordre

alphabétique, chacun avec sa position respective. Les préfixes, di-, tri-, etc. sont utilisés pour

montrer la présence de plus d’un substituant du même type (ex : 2,4-diméthylhexane).

L’ordre alphabétique du groupe alkyle est prioritaire sur celui du préfixe multiplicateur (ex : 4-

éthyl-3,3-diméthyloctane).

102BLes alcènes

Lorsqu’une double liaison est présente dans un hydrocarbone, le nom du composé

doit indiquer :

Chimie Organique


• le nombre d’atomes dans la chaîne, et

• la position de la fonction alcène.

La géométrie de quatre groupes attachés à une liaison double est fixe (la rotation

autour d’une liaison double n’est pas possible), ce qui engendre la possibilité de rencontrer

des isomères géométriques E et Z (de l’allemand Entgegen = opposés et Zusammen =

ensembles). Donc, non seulement le nom de l’alcène doit contenir une information quant à la

position de la double liaison dans la chaîne, mais également permettre de faire la distinction

entre des isomères géométriques. Pour ce faire, on détermine l’ordre de priorité de chaque

substituant sur chaque carbone de la double liaison, en se basant sur la masse des

éléments liés à ces carbones (les plus lourds étant prioritaires), en cas « d’égalité » entre

deux éléments (ex : 2 carbones), on détermine la priorité des éléments qui lui sont

directement attachés (ex : éthyle prioritaire sur méthyle). Une fois la priorité des substituants

déterminée, si les deux substituants prioritaires sont du même côté de la double liaison, il

s’agit de l’isomère Z, tandis que s’ils sont de part et d’autre de la double liaison, il s’agit de

l’isomère E. A noter que dans les cas plus simples, où il y a un hydrogène sur chaque

carbone de la double liaison, la notation Z cède la place à la notation cis et la notation E

cède la place à la notation trans.

En cas de présence de plusieurs doubles liaisons, l’utilisation des préfixes

multiplicatifs habituels est d’application et il convient d’indiquer la géométrie de chacune de

ces doubles liaisons (ex : (2E, 4Z)-hepta-2,4-diène).

103BLes alcynes

Dans le cas des alcynes, les mêmes règles que celles décrites pour les alcènes sont

d’application, si ce n’est qu’il n’y a pas d’isomères de géométrie (la géométrie des carbones

hybridés sp étant linéaire).

Br

F H

F

prioritaires

Cl

(Z)-1-bromo-1,2-difluoroéthène trans-but-2-ène (E)-1-chloro-3-éthyl-4-méthylhept-3-ène

Chimie Organique


14BU 1.5. Atomes de carbone primaires, secondaires, tertiaires et

quaternaires

Un atome de carbone tétraédrique est souvent désigné comme primaire, secondaire,

tertiaire ou quaternaire en fonction du nombre d’autres atomes de carbones auxquels il est

connecté.

• Un atome primaire est connecté à un autre atome de carbone (et à 3 H).

• Un atome secondaire est connecté à deux autres atomes de C (et à 2 H).

• Un atome tertiaire est connecté à trois autres atomes de C (et à 1 H).

• Un atome quaternaire est connecté à quatre autres atomes de C.

La distinction entre ces différents types de centres deviendra particulièrement

importante lorsque nous aborderons la description des la réactivité des composés

aliphatiques.

15BU1.6. L’isomérisme structural

Nous avons déjà décrit deux types d’isomérisme chez les hydrocarbones :

• les alcènes et les alcynes peuvent présenter des isomères de position puisqu’il peut y

avoir plus d’une position pour la liaison C=C ou C≡C dans la chaîne carbonée, ex. :

hex-1-ène, hex-2-ène et hex-3ène.

• les alcènes (mais pas les alcanes ou alcynes) peuvent posséder des isomères

géométriques, ex. : (E)-but-2-ène et (Z)-but-2-ène.

Ces exemples permettent d’illustrer les deux classes principales d’isomérisme :

l’isomérisme structural et le stéréoismérisme. La figure ci-dessous résume les types

d’isomères exhibés par les composés organiques. Dans cette section, nous considérerons

l’isomérisme structural et nous aborderons le stéréoisomérisme dans la section suivante.

Chimie Organique


104BLes alcanes

Les alcanes CH4, C2H6 et C3H8 n’ont pas d’isomères structurels (ce qui peut être

facilement vérifié si vous tracez leur structure). Pour un alcane acyclique CnH2n+2, avec n ≥ 4,

plus d’une formule structurelle peut être tracée et le nombre de possibilités augmente

rapidement avec l’augmentation de n, comme l’illustre la réaction suivante :

L’illustration ci-dessous, tant qu’à elle, montre les isomères structuraux de C6H14. Un

mélange de ces isomères est utilisé comme solvant et est souvent appelé hexanes.

Hexane 2-Méthylpentane 3-Méthylpentane 2,3-Diméthylbutane 2,2-Diméthylbutane

105BLes substituants alkyles

Les substituants méthyle et éthyle dérivent de CH4 (méthane) et C2H6 (éthane) et il

n’y a pas d’isomères de ces groupes alkyles :

Dans la formation d’un groupe propyle à partir de propane, il y a deux possibilités et

les deux groupes propyles isomériques sont distincts dans leurs noms et abréviations :

H3C

H2C

CH3

propane

CH2

H2C

CH3

H3CCH

CH3

propyle (Pr)

isopropyle (iPr)

Chimie Organique


Si on part du butane (qui possède deux isomères structuraux) pour former les butyles

correspondant, quatre isomères peuvent être formés. Ils sont distincts dans leurs noms et

abréviations :

H3C

H2C

CH2

butane

CH2

H2C

CH2

H3CCH

CH2

butyle (Bu)

sec-butyle (secBu)

CH3

CH3

CH3

H3CCH

CH3

CH3

2-méthylpropane

CH2

CHCH3

H3CC

CH3

isobutyle (iBu)

tert-butyle (tBu)

CH3

CH3

Pour les chaînes plus longues, la difficulté de la situation augmente rapidement.

16BU1.7. Stéréoisomérisme : composés chiraux

106BAtomes de carbone asymétriques et énantiomères

Un composé qui n’est pas superposable à son image spéculaire (dans un miroir) est

dit chiral. Dans le cadre de la chimie organique, nous parlerons principalement de chiralité

en présence de carbones asymétriques (un atome de carbone avec 4 substituants

différents), mais d’autres éléments ou configurations spatiales peuvent être à l’origine de la

chiralité. Un carbone asymétrique peut également être appelé centre stéréogénique ou

centre chiral. L’objet et son image miroir sont des énantiomères (isomères optiques) et des

stéréoisomères (terme plus général). Les énantiomères d’un composé possèdent les mêmes

propriétés chimiques et ne diffèrent que par leur interaction avec d’autres objets chiraux. Les

mains et les gants sont chiraux : votre main droite est l’image miroir, non superposable de

votre main gauche (idem pour les gants) et une main droite ne peut être glissée que dans un

gant droit (idem pour la main gauche et le gant gauche).

Chimie Organique


Il y existe quelques tests qui permettent d’évaluer rapidement si une molécule semble

chirale ou non, mais ces tests ne sont pas infaillibles.

• La présence d’un atome de carbone asymétrique est largement utilisée comme test

pour la chiralité. Cependant, on connaît de nombreux composés chiraux qui ne

contiennent pas d’atome de carbone asymétrique. Plus important, il existe plusieurs

composés contenant deux ou plusieurs atomes de carbone asymétriques qui ne sont

pas chiraux.

• La recherche d’un plan de symétrie. Les composés avec un plan de symétrie ne sont

pas chiraux. Cependant, l’inverse n’est pas vrai : certains types de molécules qui ne

possèdent pas de plan de symétrie sont tout de même achirales pour des raisons de

symétrie moléculaire.

Dans le 3-méthylhexane, l’un des atomes de carbone porte un atome d’hydrogène, un

groupement méthyle, un groupement éthyle et un groupement propyle. C’est, dès lors, un

atome de carbone asymétrique. Les deux énantiomères du 3-méthylhexane sont montrés

dans la figure ci-dessous. La figure c montre que l’un des énantiomères ne peut être converti

en l’autre par une simple rotation et confirme que des énantiomères ne sont pas

superposables (prêtez une attention particulière à la perspective.

Chimie Organique


Si la position et la nature d’un substituant détruit un plan de symétrie dans une

molécule, alors cette substitution rend habituellement la molécule chirale. Pour les alcanes

qui possèdent déjà un grand nombre d’isomères structuraux, cela accroît significativement le

nombre total d’isomères.

107BRotation spécifique et notation des isomères

L’une des façons les plus simples de distinguer des énantiomères consiste à étudier

leur interaction avec la lumière polarisée. La lumière polarisée est une forme de lumière

dans laquelle l’onde électromagnétique se trouve dans un seul plan. Lorsqu’une lumière

polarisée interagit avec une molécule chirale, le plan dans lequel se trouve l’onde de la

lumière polarisée change. En effet, ce plan tourne autour de l’axe de propagation de la

lumière. Une façon adéquate de caractériser un composé chiral est de mesurer la déviation

de ce plan. La rotation, α, peut être mesurée dans un polarimètre.

Chimie Organique


En pratique, l’amplitude de la déviation de la longueur d’onde de la lumière, de la

température et de la quantité de composé en solution. La rotation spécifique [α], pour un

composé chiral en solution est défini par c × l

où α = rotation observée en degrés, c =

concentration (g cm-3) et l = longueur du trajet optique dans le polarimètre (dm).

Il est très utile d’utiliser de la lumière de longueur d’onde commune pour de telles

mesures et très souvent, l’une des raies du spectre d’émission atomique du sodium est

utilisée. Cette émission est connue comme étant la raie D du sodium et la rotation spécifique

à cette longueur d’onde (λ = 589 nm) est notée [α]D. Les rotations spécifiques

d’énantiomères sont égales (en valeur absolue) et opposées. Par exemple, les deux

énantiomères du glycéraldéhyde ont des valeurs d’[α]D de +11° et -11°.

HO H

O

H OH

HO H

O

HO H Cela mène à une façon commune de distinguer les énantiomères en précisant le

signe d’[α]D. Les deux énantiomères du glycéraldéhyde sont notés (+)-glycéraldéhyde et (-)-

glycéraldéhyde. Parfois les notations (+) et (-) sont remplacées par les préfixes dextro- et

laevo- (dérivé du latin droite et gauche) et indiquent une rotation de la lumière,

respectivement, dans le sens des aiguilles d’une montre et contraire aux aiguilles d’une

montre. Elles sont souvent abrégées par d et l. Les notations +/- ou d/l se réfèrent à des

Chimie Organique


rotations de la lumière observées et sont fonction de la température, concentration et

longueur d’onde. Elles ne donnent pas d’information sur la configuration absolue d’un

composé chiral.

La convention pour le label des carbones chiraux et l’attribution de la configuration

absolue (c'est-à-dire la structure exacte d’un composé) utilise la notation de Cahn-Ingold-

Prelog. Les quatre groupes attachés à un atome de carbone chiral sont classés en fonction

du nombre atomique, la plus grande priorité étant attribuée au nombre atomique le plus

élevé. Donc, pour les halogènes F, Cl, Br et I, I a la plus haute priorité et F la plus faible.

L’atome d’hydrogène a donc une priorité plus faible que tout autre atome ou groupe

d’atomes. La molécule est alors regardée suivant le vecteur C-X où X a la plus faible priorité

et est placé à l’opposé de vous. Les énantiomères peuvent à présent être notés suivant qu’il

y ait une séquence des substituants dans le sens des aiguilles d’une montre (rectus, notation

R) ou dans le sens contraire aux aiguilles d’une montre (sinister, notation S), en

commençant par le groupe de plus grande priorité. Comme exemple, considérons la

molécule CHFClBr. L’atome de plus faible priorité est H et la séquence de priorité est Br > Cl

> F > H. On trace les diagrammes structurels de sorte qu’ils puissent être vu suivant les

vecteurs C-H, avec H vers l’arrière.

Cl

Br

F

H

F

Br

Cl

H

1 1

2 2 33

R S Dans le diagramme de gauche, la séquence est dans le sens des aiguilles d’une

montre, dans ce cas, l’atome de carbone asymétrique est noté R. Dans le diagramme de

droite, la séquence est dans le sens contraire des aiguilles d’une montre, dans ce cas,

l’atome de carbone asymétrique est noté S. Ces notations nous indiquent la configuration

absolue d’une molécule. Si le substituant consiste en un groupe d’atomes, par exemple CH3

ou OH, la priorité dépend du nombre atomique de l’atome attaché à l’atome de carbone

asymétrique. Donc OH a une priorité plus élevée que CH3. Si les deux groupements ont le

même premier atome, par exemple CH3 et CO2H, alors les priorités des groupements sont

déterminées en regardant le second atome. Dès lors, CO2H a une plus haute priorité que

CH3. Le glycéraldéhyde illustre le dernier problème de priorité envisageable. Le carbone

asymétrique porte deux substituants liés par un carbone : CH2OH et CHO. Dans chaque cas,

l’atome suivant est O, mais dans CH2OH il y a une liaison C-O et dans CHO, il y a une

Chimie Organique


liaison C=O. La double liaison est comptée comme deux substituants O et prend donc la

priorité la plus élevée. Donc, pour assigner une configuration absolue aux énantiomères du

glycéraldéhyde, les étapes sont les suivantes :

• identifier l’atome de carbone asymétrique

• trouver le substituant avec la plus faible priorité, dans ce cas-ci, H

• tracer la molécule vue dans l’axe C-H avec H orienté vers l’arrière

• assigner une priorité aux substituants, ici OH > CHO > CH2OH

• assigner la notation R ou S

CHO

CH2OH

HO

H

1 2

3

S

HO H

O

OHH

Nous avons établi antérieurement que la rotation spécifique observée ne donnait pas

d’information sur la configuration absolue. Cela signifie qu’il n’y a pas de relation entre les

notations (+) ou (-) et R ou S. Donc certains composés avec une configuration S sont (+)

alors que d’autres sont (-), par exemple, l’acide (S)-(-)-méthylsuccinique et le (S)-(+)-2-

aminobutanol. Il en est, évidemment, de même pour des composés de configuration R.

108BLes diastéréoisomères

Nous sommes à présent familiers avec l’idée que si une molécule possède un centre

chiral, il possède une paire particulière de stéréoisomères appelés énantiomères. Si une

molécule possède plus d’un centre chiral, la situation devient plus compliquée et nous

amène à une autre classe de stéréoisomères appelés diastéréoisomères.

Considérons le 3-chloro-3,4-diméthylhexane. Cette molécule contient deux atomes

de carbone asymétriques marqués par des astérisques dans la structure ci-dessous.

Cl

* *

Si on représente cette structure en trois dimensions, on peut dessiner la structure A et son

image miroir B : A et B sont des énantiomères et sont également des stéréoisomères. On

Chimie Organique


peut tracer d’autres stéréoisomères de cette molécule et ils sont représentés comme les

structures C et D de la figure ci-dessous. C et D sont des énantiomères et des

stéréoisomères. Parce qu’il y a deux atomes de carbone asymétriques dans le 3-chloro-3,4-

diméthylhexane, il y a deux paires d’énantiomères A et B, et C et D. Mais qu’en est-il de la

relation entre les autres paires de stéréoisomères, par exemple entre A et C ? Alors que A et

C ne sont pas superposables, elles ne sont pas non plus des images spéculaires l’une de

l’autre et ce ne sont donc pas des énantiomères. Ces stéréoisomères sont appelés

diastéréoisomères.

Si on regarde attentivement les stéréoisomères du 3-chloro-3,4-diméthylhexane vous

serez capables de noter les points importants suivants qui sont des éléments clefs pour

distinguer des énantiomères et des diastéréoisomères :

• A et B sont des images miroir (énantiomères) et ont une configuration opposée au

niveau des deux carbones asymétriques.

• C et D sont des images miroir (énantiomères) et ont une configuration opposée au

niveau des deux carbones asymétriques.

• Les molécules dans chacune des paires A et D, A et C, B et C et B et D ne sont pas

des images miroir et sont des diastéréoisomères – ils ont des configurations

opposées à l’un des carbones asymétriques, mais la même à l’autre.

Les stéréoisomères du 3-chloro-3,4-diméthylhexane sont distingués par la notation R,

S de la même façon que nous l’avons appliquée à des molécules chirales avec un seul

centre asymétrique. Des indices de numérotation additionnels doivent être ajoutés pour que

le nom ne soit pas ambigu. Vérifiez l’exactitude des notations suivantes :

• A = (3S, 4S)- 3-chloro-3,4-diméthylhexane

• B = (3R, 4R)- 3-chloro-3,4-diméthylhexane

• C = (3S, 4R)- 3-chloro-3,4-diméthylhexane

Chimie Organique


• D = (3R, 4S)- 3-chloro-3,4-diméthylhexane

Souvenez-vous qu’une paire d’énantiomères doit présenter des configurations

opposées à chaque centre chiral.

109BMélanges racémiques et résolution d’énantiomères

Un mélange 50 : 50 de deux énantiomères d’un composé est appelé un mélange

racémique. Puisque le mélange contient des quantités égales d’énantiomères (+) et (-), il est

désigné (±). Alternativement, un préfixe dl- peut être utilisé pour indiquer des quantités

égales d’énantiomères d- et l-. Un mélange racémique ne provoque pas de rotation

spécifique puisque la rotation (+) de l’un des énantiomères annule la rotation (-) de l’autre

énantiomère.

Dans certains cas, il est possible de séparer une paire d’énantiomères. L’exemple

classique est la séparation du tartrate d’ammonium sodium par Louis Pasteur. Il a observé

qu’un échantillon de ce sel, recristallisé avec soin, consistait en deux formes cristallines

distinctes qui pouvaient être séparées en prélevant les cristaux à la main. Les solutions de

ces deux types différents de cristaux dévient le plan de polarisation de la lumière dans des

directions opposées, alors qu’une solution du sel cristallin initial ne donne pas de rotation,

c'est-à-dire qu’il est optiquement inactif alors que les cristaux individuels sont optiquement

actifs, mais dans le sens contraire. Ces résultats ont été le début de notre connaissance de

la chiralité et peuvent être interprétés en termes de tartrate d’ammonium sodium consistant

en un mélange racémique qui peut être résolue en ses énantiomères constitutifs.

La méthode classique pour séparer des énantiomères comprend la conversion du

composé en cation ou anion et la formation d’un sel avec un contre-ion chiral. Considérons

un composé chiral XA qui peut former une paire de cations énantiomériques (+)-A+ et (-)-A+.

Lorsqu’on le traite avec un anion énantiomériquement pur (-)-B-, une paire de sels

diastéréoisomériques est formée (+)-A(-)-B et (-)-A(-)-B. Alors que les énantiomères

possèdent des propriétés physiques identiques parce que les arrangements relatifs des

atomes dans l’espace sont identiques, les diastéréoisomères possèdent des propriétés

physiques différentes parce que les arrangements relatifs des atomes dans l’espace sont

différents. Très souvent des paires de diastéréoisomères diffèrent au niveau de la solubilité

et l’addition de (-)-B- à un mélange racémique de (+)-A+ et (-)-A+ résulte en la précipitation

sélective de l’un des sels diastéréoisomériques (+)-A(-)-B ou (-)-A(-)-B. Ce processus de

séparation des énantiomères est connu sous le terme de résolution. Des agents de

résolution chiraux sont disponibles commercialement. Des réactifs typiques qui sont utilisés

pour la résolution de composés chiraux comprennent des anions tel que celui dessiné ci-

dessous, ou encore des cations dérivés d’alcaloïdes tel que la strychnine.

Chimie Organique


O

SO3-

N O

N

H

H

O

H

Des méthodes de séparation plus moderne font intervenir des colonnes de

chromatographie utilisant une phase stationnaire chirale. La phase solide porte une espèce

énantiomériquement pure qui interagit spécifiquement avec l’un des énantiomères d’un

mélange. Une fois séparés, il arrive que certains énantiomères racémisent, c'est-à-dire

évoluent vers un mélange racémique.

La séparation des énantiomères est particulièrement importante dans l’industrie

pharmaceutique. L’exemple le plus connu est celui du Thalidomide, prescrit, dans les années

60, à des femmes enceintes pour lutter contre les nausées. Le Thalidomide était utilisé sous

forme de mélange racémique, mais seul l’un des énantiomères présente des propriétés anti-

nauséeuses. Plus grave, l’autre énantiomère a été à l’origine de nombreuses naissances à

complications. En outre, même si l’énantiomère adéquat avait été spécifiquement administré,

le Thalidomide racémise in vivo et des effets secondaires auraient été à nouveau observés.

De nombreux médicaments sont chiraux, avec un seul énantiomère possédant les propriétés

thérapeutiques désirées ; le second énantiomère peut être inactif pour la thérapie requise,

actif d’une façon différente ou produire des effets secondaires indésirables.

110BLes composés méso

Finalement, revenons à un élément que nous avons abordé au début de cette

section : les composés avec un plan de symétrie ne sont pas chiraux. Considérons le cas

d’une molécule qui contient deux atomes de carbone asymétriques et un plan de symétrie ;

considérons, par exemple la stéréochimie de l’acide tartrique. Nous sommes capables de

dessiner deux paires d’énantiomères.

HO2C

HO2C OH

OH

CO2H

CO2HHO

HO

HO2C

HO2C OH

OH

CO2H

CO2HHO

HO

Chimie Organique


Toutefois, si l’on étudie avec plus d’attention la deuxième paire de structures, on se

rend compte qu’elles sont identiques (en effectuant une rotation de 180° dans le plan de la

feuille). La propriété cruciale de cette structure est qu’elle possède un plan de symétrie. Cela

la rend achirale en dépit du fait qu’elle contient deux atomes de carbone asymétriques. Cette

forme de l’acide tartrique est appelée forme méso. L’acide tartrique possède donc une paire

d’énantiomères et une forme méso. La forme méso présente des propriétés physiques et

chimiques différentes de celles de la paire énantiomérique.

17BU1.8. Conformation

111BLes conformations décalées, éclipsées et intermédiaires

La rotation autour d’un axe internucléaire d’une liaison simple est habituellement

possible, mais la rotation autour de liaisons multiples est restreinte à cause de la

composante π.

Dans un alcane acyclique, les rotations autour de toutes les liaisons simples de la

molécule peuvent avoir lieu. Dans C2H6, les rotations autour des liaisons C-H n’affectent pas

la forme de la molécule, mais la rotation autour de la liaison C-C altère l’orientation relative

des deux groupements CH3. Ces différents arrangements sont appelés conformères.

Les deux conformères de C2H6 qui représentent les deux positions extrêmes des

groupements CH3 l’un par rapport à l’autre sont représentés en (a) dans la figure ci-dessous.

Entre les conformations décalée et éclipse, il existe un nombre infini de conformations

intermédiaires.

112B

Chimie Organique


113BProjection de Newman et utilisation de traits gras ou hachés

Il y a de nombreuses façons schématiques de représenter les conformations et deux

d’entre elles sont représentées ci-dessous (b et d) pour le cas de l’éthane.

Dans la projection de Newman, la stéréochimie est indiquée comme si l’on regardait

suivant l’axe C-C. Les atomes attachés au carbone le plus proche de l’observateur sont

dessinés devant un disque et les atomes attachés sur le carbone le plus distant sont

dessinés derrière le disque.

Vous êtes déjà familiarisés avec l’autre méthode (j’espère). Les traits gras

représentent des liaisons pointant vers le lecteur, alors que les traits hachés représentent

des liaisons qui « s’enfoncent » dans le papier.

L’utilisation de ces procédés permet de représenter des molécules de stéréochimie

complexe de façon relativement non ambigüe.

114BModification de l’énergie stérique associée à la rotation autour d’une

liaison

Lorsqu’une molécule d’éthane est dans une conformation décalée, les interactions

stériques entre les atomes d’H sur des atomes de carbone adjacents sont au minimum. Cela

correspond à un minimum d’énergie stérique. A mesure que la rotation autour de la liaison

C-C a lieu, les interactions stériques augmentent, puisque les atomes d’H deviennent plus

proches l’un de l’autre. L’énergie stérique varie donc avec le degré de rotation en passant

par un maximum lorsque les atomes d’H sont le plus proche l’un de l’autre, comme c’est le

cas dans la conformation éclipsée. Dans une rotation de 360°, la molécule passe par trois

conformations éclipsées identiques et trois conformations décalées identiques.

Chimie Organique


La différence d’énergie entre les conformations décalées et éclipsées dans l’éthane

est d’environ 12,5 kJ mol-1. C’est relativement peu et signifie qu’à 298 K, on peut considérer

que la molécule d’éthane subit une rotation libre autour de la liaison C-C.

Si on remplace les atomes d’H de la figure ci-dessus par des groupements alkyles,

une conformation décalée reste la plus favorable, mais la barrière à la rotation augmente.

Les substituants stériquement encombrants (par exemple un tert-butyle) défavorisent la

rotation.

Il est important de réaliser que la capacité des molécules d’alcanes de subir une

rotation autour de l’axe C-C signifie que ce que l’on appelle les « chaînes allongées »

peuvent en fait s’enrouler en « boules ».

18BU1.9. Quelques notions importantes lorsque nous aborderons les

mécanismes réactionnels

115BLe clivage de liaisons

Dans un clivage homolytique d’une liaison X-Y, un électron est transféré à chacun

des deux atomes et est représenté par une « demi-flèche ». Ce clivage résulte en la

formation de deux radicaux (espèces neutres, à la couche de valence incomplète très

réactionnelles). Attention que lorsque l’on dessine une flèche indiquant un mouvement

d’électron, comme c’est le cas dans le dessin ci-dessous, il est très important qu’elle soit

placée avec précision, partant toujours d’une paire d’électron, ou d’un électron célibataire.

Dans un clivage hétérolytique, les deux électrons sont transférés au même atome et

le transfert est représenté par une « flèche entière ». Un tel clivage provoque habituellement

l’apparition d’ions, mais ce n’est pas toujours le cas.

116BElectrophiles et nucléophiles

Un électrophile est une espèce qui recherche des électrons. Il est attiré par les

centres riches en électrons qui présentent une charge partielle (δ-), ou totale, négative.

Un nucléophile est une espèce qui peut donner des électrons. Il est attiré par les

centres qui présentent une charge partielle (δ+), ou totale, positive.

Nous reviendrons plus en détail sur ces concepts ultérieurement.

X Y X Y +

X Y X+

YO

+ HH

HO

H

HH

++ +

Chimie Organique


1B2. Les alcanes cycliques et acycliques

19BU2.1. Les cycloalcanes : structure et nomenclature

Un cycloalcane non substitué avec un seul cycle (monocyclique) a la formule

générale CnH2n. Le nom du composé indique le nombre de carbones dans la portion cyclique

de la molécule.

Un cycloalcane substitué avec un seul substituant n’a pas besoin de nombre de

position.

Lorsque le cycle a plus d’un substituant alkyle, il est nommé de sorte que les

numéros de position soient aussi petits que possible. Si les substituants alkyles sont

différents, c’est l’ordre alphabétique qui détermine quel carbone sera numéroté 1.

cyclohexane cyclopropane

méthylcyclohexane éthylcyclopentane

1,2-diméthylcyclohexane (et non 1,6-diméthylcyclohexane)

1-éthyl-2-méthylcyclohexane (et non 1-méthyl-2-éthylcyclohexane)

Chimie Organique


20BU2.2 Cycloalcanes : conformation de cycle et tension de cycle

117BLa conformation de cycle

Alors qu’il y a habituellement rotation atour des liaisons C-C dans les alcanes

acycliques, une telle rotation est limitée dans un cycloalcane, particulièrement dans les plus

petits. Dans le cyclopropane, il n’y a pas de rotation possible autour des liaisons C-C et le

cycle est contraint à être planaire. Cela impose une conformation éclipsée le long de chaque

liaison C-C. Cette conformation défavorable contribue à ce que le cyclopropane soit un cycle

tendu et que ça réactivité reflète ce fait.

Lorsque la taille du cycle augmente, des rotations partielles autour des liaisons C-C

deviennent possibles. Si les cyclobutane et cyclopentane adoptaient une conformation plane,

les groupements CH2 adjacents seraient éclipsés. Cependant, si une rotation partielle autour

d’une liaison C-C a lieu, le cycle devient non planaire et les contraintes stériques entre

atomes d’hydrogènes sur carbones adjacents diminuent, ce qui diminue également l’énergie

du système (stabilise). Dans le cas du cyclopentane, on parle alors de conformation

« enveloppe », à cause de sa forme qui n’est pas sans rappeler celle d’une enveloppe

ouverte.

Bien qu’il possède un certain degré de flexibilité, le cyclobutane est un cycle tendu.

De plus grands cycles ont de plus grands degrés de flexibilité. La rotation partielle autour des

liaisons C-C dans le cyclohexane résulte en une inversion entre les conformations « chaise »

et « bateau » ; l’énergie du conformère « chaise » étant beaucoup plus faible que celle du

conformère « bateau ». Le cyclohexane est un liquide à 298 K et la forme « chaise » est

favorisée dans un rapport de plus de 104 pour 1. Ceci est du au fait que les interactions

H…H sont plus importantes dans la forme « bateau » que dans la forme « chaise ».

Dans la forme « chaise », il y a deux sites différents pour les atomes d’H et ils sont

appelés axial et équatorial. Les origines des noms peuvent être facilement comprises en

conformation chaise conformation bateau

Chimie Organique


regardant la projection de Newman ci-dessous. Cette projection est vue suivant l’axe de

deux des six liaisons C-C du cyclohexane.

La présence de différents sites conduit à la possibilité d’isomérisme structural, mais il

est important de ne pas confondre isomères et conformères. Il y a deux conformères du

méthylcyclohexane parce que lorsque l’anneau à 6 pièces flippe d’une conformation chaise à

une autre, le groupe méthyle passe d’une position axiale à une position équatoriale. Les

représentations en espace rempli montrent que le site équatorial est stériquement moins

encombré que le site axial. Le conformère avec le substituant en équatorial est

énergétiquement favorisé, même si la différence d’énergie est faible, environ 7 kJ mol-1.

La figure ci-dessous montre les trois conformères des deux isomères du 1,3-

diméthylcyclohexane. De façon similiaire que pour le méthylcyclohexane, le conformère

équatorial, équatorial du 1,3-diméthylcyclohexane est stériquement favorisé.

Chimie Organique


118BLa tension de cycle

Dans un cycloalcane, chaque atome de carbone forme quatre liaisons et peut être

considéré comme hybridé sp3. L’angle idéal, pour une hybridation sp3 est de 109,5° comme

dans le méthane. Les alcanes acycliques ont des angles de liaisons H-C-C, C-C-C et H-C-H

proches de 109,5°. Pour les cycloalcanes, la situation est un peu différente. L’angle C-C-C

dépend de la taille du cycle. Mais il convient de faire bien attention ! Les représentations des

squelettes carbonés des cycloalcanes donnent souvent l’impression qu’ils sont plats, alors

que ce n’est pas le cas, à l’exception du cyclopropane. Les angles de liaisons dans les

cycloalcanes CnH2n avec 3 ≤ n ≤ 10 sont repris dans le tableau ci-dessous.

Cycloalcane Angle C-C-C

Cyclopropane 60°

Cyclobutane 88°

Cyclopentane 105°

Cyclohexane 111°

Cycloheptane 113-115°

Cyclooctane 115-117°

Cyclononane 115-118°

Cyclodécane 114-118°

Diverses choses sont à noter :

• l’angle C-C-C augmente de 60° pour n = 3 jusqu’à des valeurs d’environ 116° pour n

≥ 7 ;

• les cycles avec n = 3 et 4 ont des angles de liaison C-C-C qui sont significativement

plus petit que l’angle idéal pour une hybridation sp3.

A partir de ces valeurs, il est possible de déduire que :

• le cyclohexane ne présente pas d’énergie de tension ;

Chimie Organique


• le cyclopropane présente la plus grande énergie de tension, juste suivi par le

cyclobutane ;

• Les autres cycloalcanes présentent des énergies de tensions similaires et

relativement petites.

• Les cycloalcanes dont le n ≥ 15 ne présentent pas d’énergie de tension (comme

l’hexane).

119BRésumé

Deux facteurs contribuent à la tension dans le cyclopropane :

• Les atomes d’hydrogènes qui sont éclipsés dans les unités CH2 (contraintes de

torsion)

• Des angles de liaisons non favorables (contraintes d’angles)

Des effets similaires, mais moins prononcés contribuent à la tension de cycle dans le

cyclobutane. Les cycles avec plus de 3 carbones possèdent une certaine liberté de rotation

autour des liaisons C-C et ne sont donc pas obligés d’être plans, ce qui réduit sensiblement

la contrainte de torsion. En outre, lorsque la taille du cycle augmente, les angles de liaisons

C-C-C ne sont plus limités aux valeurs défavorables observées pour le cyclopropane et le

cyclobutane. Dans le cyclohexane, l’angle de liaisons est de 111° et la conformation chaise

mène à une situation qui n’est pas fondamentalement différente de celle des alcanes

acycliques et le cyclohexane ne présente donc pas de tension de cycle.

Le fait que le cyclopropane souffre de tension de cycle n’est pas une raison pour

supposer que ses dérivés soient chimiquement ou commercialement insignifiants. Le

pyréthrum a été utilisé comme insecticide depuis le début du 19ème siècle et est extrait de

fleurs voisines des chrysanthèmes. Le pyréthrum est un mélange de pyréthrine I, pyréthrine

II, cinérine I et cinérine II. Les pyréthroides synthétiques (comme leurs analogues naturels)

provoquent une paralysie rapide des insectes qu’ils ciblent. Bien qu’efficace, le pyrethrum

souffre d’instabilité à la lumière. Les analogues synthétiques, qui sont photostables,

comprennent la perméthrine.

O

O

O

Cl

Cl

O

OO

pyréthrine I perméthrine

Chimie Organique


21BU2.3. Les propriétés physiques des alcanes

120BLes températures de fusion et d’ébullition

Les électronégativités de C et de H sont de 2,6 et 2,2 respectivement, et le moment

dipolaire de la liaison C-H est faible. Les alcanes sont des molécules essentiellement non

polaires et, à la fois à l’état liquide et à l’état solide, les interactions intermoléculaires sont de

faibles forces de van der Waals. La figure suivante illustre les tendances de température de

fusion et d’ébullition pour les alcanes dont la longueur varie de 1 à 20 atomes de carbone.

Le méthane, éthane, propane et butane sont des gaz à 298 K et à pression

atmosphérique, alors que les alcanes du pentane jusqu’à l’heptadécane sont des liquides.

Ce ne sont que les alcanes de 18 carbones et plus qui sont solides à 298 K. La figure ci-

dessous illustre la façon dont les molécules d’icosane sont entassées à l’état solide.

L’augmentation générale du point de fusion avec la longueur de la chaîne carbonée

reflète le fait que les interactions intermoléculaires augmentent lorsque la surface des

molécules augmente.

On peut également voir sur la figure de température d’ébullition et de fusion en

fonction du nombre de carbones, les tendances pour les cycloalcanes de 3 à 8 atomes de C.

Chimie Organique


En général, les valeurs pour un cycloalcane avec un nombre d’atomes de carbone donné

sont supérieures à celles de son correspondant acyclique. Les forces de van der Waals

s’exercent entre les molécules de cycloalcane à l’état solide, mais la tendance au niveau des

températures de fusion n’est pas régulière. Cela peut se discuter en terme de variation de

forme moléculaire et de facilité d’empilement (plus l’empilement est facile, plus les

interactions intermoléculaires sont importantes, plus les températures de fusion sont

élevées).

Finalement, l’effet des substituants est illustré par la table ci-dessous, qui regroupe

les températures d’ébullition de différents isomères du cyclohexane.

Nom du composé Structure Point d’ébullition (K)

Hexane 341,7

2-Méthylpentane

333,3

3-Méthylpentane

336,3

2,3-Diméthylpentane

331,0

2,2-Diméthylbutane

322,7

En général, un isomère qui a une chaîne branchée a une température d’ébullition

plus faible qu’une molécule avec une chaîne droite. Les forces moléculaires décroissent à

mesure que le contact entre les molécules décroit. Un alcane a une forme de plus en plus

sphérique à mesure que son degré de branchement augmente.

121BDensité et miscibilité avec l’eau

La densité des alcanes à chaîne droite augmente à mesure que la longueur de la

chaîne augmente, mais les valeurs plafonnent aux environs de 0,8. Tous les alcanes sont

moins denses que l’eau.

Comme nous l’avons vu, les alcanes sont non polaires, alors que l’eau, elle, est

polaire. Les alcanes sont donc non miscibles à l’eau.

Chimie Organique


De ces deux observations, il résulte qu’un alcane liquide, lorsqu’il est mélangé à

l’eau, va former une couche à la surface de cette dernière.

22BU2.4. Combustion des alcanes à chaîne droite

Les alcanes brûlent en présence d’O2 pour donner du CO2 et de l’eau et ces

réactions sont exothermiques.

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

C9H20 + 14 O2 9 CO2 + 10 H2O

En pratique, la combustion est incomplète et des quantités variables de carbone

élémentaire et d’autres composés carbonés sont formées en plus du CO2. La présence de

carbone élémentaire et de grosses molécules aromatiques provoque l’épaisse fumée qui est

observée lors de la combustion d’hydrocarbones lourds.

Lorsque la quantité d’O2 est limitée (par exemple, lorsque l’on brûle de l’essence

dans une pièce close), la combustion peut mener à la formation de CO. De nombreux

accidents domestiques, liés à un mauvais fonctionnement de chauffage ou à une ventilation

insuffisante, peuvent résulter de cette réaction incomplète.

Les valeurs de variation d’enthalpie standard de combustion peuvent être trouvées

expérimentalement en utilisant une bombe calorimétrique et de là, les variations d’enthalpie

standard de formation peuvent être déduites en utilisant le cycle de Hess (comme nous le

verrons en chimie appliquée). La combustion peut également être utilisée pour déterminer la

formule moléculaire d’un composé comme illustré par l’exercice suivant :

Lorsqu’il est complètement brûlé, un alcane acyclique X donne 211,2 g de CO2 et

97,2 g d’H2O. Suggérez une possible identité pour X. (R : C8H18)

23BU2.5. La chloration du méthane : une réaction en chaîne radicalaire

122BCaractéristiques générales d’une réaction en chaîne radicalaire

Une réaction en chaîne radicalaire comprend une série d’étapes :

• L’amorçage

• La propagation

• La terminaison

Dans l’étape d’amorçage, des radicaux sont produits à partir d’un ou plusieurs

réactifs. La production de radicaux peut provenir du chauffage ou de l’irradiation du mélange,

ou encore de l’ajout d’un amorceur chimique. L’équation ci-dessous montre un exemple

classique d’amorçage dans lequel des radicaux X• sont formés à partir X2 par la rupture

homolytique de la liaison lors de l’irradiation de X2.

Chimie Organique


Etape d’amorçage

Les radicaux organiques ont souvent une durée de vie courte. Lorsqu’ils entrent en

collision avec d’autres espèces, des réactions peuvent avoir lieu qui peuvent résulter soit en

une propagation, soit en une terminaison. Si un radical entre en collision avec une espèce

non radicalaire, alors c’est l’étape de propagation qui a lieu, générant un nouveau radical.

Etape de propagation

Le radical nouvellement généré peut maintenant réagir avec une seconde espèce

pour produire un troisième radical.

Etape de propagation

Finalement, les radicaux peuvent entrer en collision entre eux pour former une

nouvelle espèce lors de l’étape de terminaison (les différentes étapes de terminaison

possibles sont illustrées ci-dessous).

2 X• X2

2 Y• Y2

2 R• R2

Y• + X• X-Y

Y• + R• R-Y

R• + X• R-X

L’ensemble de ces séquences d’évènements se combine pour donner une réaction

en chaîne avec les étapes de propagation qui gardent la chaîne « active ». La concentration

en radicaux dans le milieu réactionnel est faible à tout moment. Donc l’interaction entre un

radical et une espèce non radicalaire (c'est-à-dire la propagation) est de loin plus probable

que la réaction entre deux radicaux (c'est-à-dire la terminaison). Après le processus

d’amorçage, un grand nombre d’étapes de propagation peuvent avoir lieu avant que les

radicaux ne disparaissent en une étape de terminaison. Très souvent la production d’un seul

radical permet la formation de plusieurs milliers de molécules avant que la chaîne ne se

termine.

123BLe mécanisme de chloration du méthane

L’absorption de lumière par le Cl2 provoque une fission homolytique de la liaison Cl-

Cl. C’est ce qui est illustré dans l’étape d’amorçage suivante :

Cl2 2 Cl•

X2 X 2hν

Y R XX R Y +

R Y YY Y R +

Chimie Organique


Des collisions peuvent avoir lieu entre des radicaux Cl• et des molécules de méthane,

et une séquence d’étapes de propagation commence, comme illustré ci-dessous. Dans

chaque étape un radical est consommé et un autre radical est formé.

Cl• + CH4 HCl + CH3•

CH3• + Cl2 CH3Cl + Cl•

Cl• + CH3Cl HCl + •CH2Cl

•CH2Cl + Cl2 CH2Cl2 + Cl•

La terminaison de la chaîne a lieu lorsque deux espèces radicalaires se combinent.

Les équations ci-dessous illustrent quelques-unes des étapes de terminaison possible, mais

d’autres le sont également.

2 Cl• Cl2

Cl• + CH3• CH3Cl

2 CH3• CH3CH3

La première de ces étapes de terminaison illustre la réaction inverse de l’étape

d’amorçage, alors que la deuxième illustre la formation d’un produit désiré. La dernière, par

contre, complique le processus en allongeant la chaîne carbonée. La molécule de C2H6 peut

à son tour subir une chloration par un radical Cl• et la chaîne peut éventuellement s’allonger

à nouveau, ce qui peut produire, au final, des alcanes à longues chaînes. Une réaction

radicalaire est, dès lors, non spécifique.

24BU2.6. Des processus en compétition : la chloration du propane et du

2-méthylpropane

Pour les chaînes d’alcanes qui possèdent plus de deux atomes de C, une

complication supplémentaire voit le jour lors des réactions radicalaires : un radical peut

attaquer à différents endroits. Illustrons le problème en considérant la chloration du propane

et du 2-méthylpropane. Ces composés contiennent différents types d’atomes de C, comme

le montrent les structures suivantes :

CH3

H

HCH3 CH3

CH3

HCH3

Primaire

SecondaireTertiaire

Chimie Organique


124BLa réaction entre Cl2 et le propane

Lorsqu’un mélange de Cl2 et de propane est irradié, l’étape d’amorçage consiste en la

formation de deux radicaux Cl•. Les étapes de propagation suivent alors l’une des deux

séquences illustrées ci-dessous, suivant que l’hydrogène impliqué est attaché à un carbone

primaire ou secondaire. La première équation illustre l’arrachement d’un proton à partir d’un

carbone primaire, alors que la deuxième illustre l’arrachement d’un proton à partir d’un

carbone secondaire.

L’arrachement d’un proton pour donner un radical alkyl libre s’effectue

préférentiellement à partir d’un atome de carbone secondaire plutôt qu’à partir d’un atome de

carbone primaire. Donc, la seconde étape, illustrée ci-dessus prédomine sur la première. La

réaction entre un radical alkyle et le Cl2 mène soit au 1-chloropropane ou au 2-

chloropropane.

A cause des stabilités relatives des deux radicaux formés, le mélange final contient

plus de 2-chloropropane que de 1-chloropropane.

125BLa stabilité des radicaux

La réaction décrite ci-dessus conduit à un résultat plus général et plus important.

Dans une réaction radicalaire, un radical dérivé d’un carbone tertiaire est formé

préférentiellement par rapport à celui dérivé d’un carbone secondaire et un radical dérivé

d’un carbone secondaire est formé préférentiellement par rapport à celui dérivé d’un carbone

primaire. Ce qui peut se traduire par le schéma suivant :

R3C• > R2HC• > RH2C• > H3C•

Les stabilités relatives des radicaux alkyles et la formation préférentielle de l’un ou de

l’autre affecte la distribution finale en produits dans la réaction en chaîne que nous avons

déjà vu.

Cl C

Cl C

+ HCl +

+ HCl +

Cl Cl C

Cl

Cl C

Cl2

Cl2+

++

+

Chimie Organique


126BLa réaction entre le Cl2 et le 2-méthylpropane

Lorsqu’un mélange de Cl2 et de 2-méthylpropane est irradié, l’étape d’amorçage

consiste, à nouveau, en la formation de deux radicaux Cl•. Ces radicaux réagissent ensuite

avec le 2 méthylpropane en différentes étapes en compétition. L’une de ces étapes consiste

en l’arrachement d’un proton d’un carbone primaire, alors que l’autre consiste en

l’arrachement d’un hydrogène d’un carbone tertiaire.

Les radicaux alkyles peuvent alors réagir avec Cl2 pour donner du 1-chloro-2-

méthylpropane et du 2-chloro-2-méthylpropane.

Des données expérimentales montrent que le 1-chloro-2-méthylpropane prédomine

sur le 2-chloro-2-méthylpropane (65 % : 35 %) même si le radical intermédiaire formé par

l’arrachement d’un proton du carbone tertiaire est favorisé énergétiquement sur

l’arrachement du proton d’un carbone primaire. Les résultats expérimentaux peuvent

toutefois être expliqués par le fait qu’il y a neuf hydrogènes attachés à un carbone primaire,

pour seulement un atome d’hydrogène attaché à un carbone tertiaire. Ainsi, même si

l’arrachement de l’hydrogène du carbone tertiaire est favorisé énergétiquement et

cinétiquement, il y a statistiquement plus de chance que ce soit un hydrogène d’atome de

carbone primaire qui se fasse arracher. Il y a donc deux facteurs en compétition et la

distribution en produits observée confirme que l’arrachement d’un hydrogène d’un carbone

primaire l’emporte sur la réactivité accrue de l’atome de carbone tertiaire.

Cl C

C

HCl

+

HCl

+

+

Cl ClC

C

Cl2

Cl2 Cl Cl

+

+

+

+

Chimie Organique


25BU2.7. Les réactions des cycloalcanes

127BLes réactions de substitution

La figure ci-dessous illustre la monochloration du cyclopentane. Le mécanisme est

similaire à celui illustré dans les sections précédentes. Puisque tous les atomes d’H du

cyclopentane sont équivalents, un seul produit monosubstitué est envisageable. Si des

substitutions supplémentaires ont lieu, cela conduite à un mélange de plusieurs isomères.

Cl2hν

Cl

HCl

128BLes réactions d’ouverture de cycle

Le cyclopropane, en particulier, subit des réactions d’ouverture de cycle qui sont des

additions. Les réactions illustrées ci-dessous sont des exemples d’additions qui mènent à

l’ouverture de l’anneau carboné du cyclopropane et mettent en évidence sa tension de cycle.

H2Δ, [Ni]

H2OH2SO4 conc. OH

HBrBr

2B3. Les alcènes et alcynes

26BU3.1. Généralités

Rappelons quand dans les alcènes (C=C), les carbones adoptent une géométrie

trigonale plan, ce qui correspond à une hybridation sp2. Dans le cas particulier des allènes

(C=C=C), le carbone central présente une géométrie linéaire, ce qui correspond à une

hybridation sp, comme dans les alcynes. Il est important de noté qu’une liaison double est en

fait constituée d’une liaison σ (identique à celles rencontrées dans les alcanes) et d’une

Chimie Organique


liaison π ; et qu’une liaison triple est constitué d’une liaison σ et de deux liaisons π. La

distinction entre ces deux types de liaison est importante, puisque :

- Une liaison π, contrairement à une liaison σ ne permet pas de rotation autour de la

liaison.

- Une liaison π est formée d’électrons qui sont beaucoup plus facilement accessibles

que les électrons d’une liaison σ.

- Une liaison π est moins forte qu’une liaison σ.

Ces deux derniers points ont pour conséquence logique, le fait qu’une liaison π est

beaucoup plus réactionnelle qu’une liaison σ. Le premier point, quant à lui, explique que l’on

distingue les isomères E et Z dans le cas des alcènes.

27B

28BU3.2. Les cycloalcènes : structures et nomenclature

129BNoms et structures

La formule générale pour un alcène monocyclique non substitué contenant une seule

liaison double est CnH2n-2. Son nom doit indiquer à la fois le nombre de carbones, le fait que

la structure est cyclique et la présence d’une liaison double. En absence de substituant, s’il

n’y a qu’une double liaison, aucune numérotation n’est nécessaire.

Chimie Organique


Lorsqu’il y a plus d’une liaison double dans le cycle, des numéros de position sont

nécessaires pour distinguer entre les différents isomères possibles, par exemple le

cyclohexa-1,3-diène et le cyclohexa-1,4-diène. Les deux seules exceptions sont le

cyclobutadiène et le cyclopentadiène, puisque les deux doubles liaisons ne peuvent qu’être

adjacentes l’une de l’autre dans des cycles à 4 et 5 pièces.

Lorsque l’on nomme un cycloalcène substitué, la position de la double liaison est

prioritaire sur la position des substituants. Une double liaison occupe donc d’office la position

1, sont ensuite numérotés les éventuelles autres doubles liaisons, puis finalement les

substituants, en s’arrangeant pour que les numéros de position soient aussi petits que

possible.

130BConformation de cycle

La présence d’une double liaison dans un hydrocarbone cyclique signifie que deux

des atomes de carbones sont dans un environnement planaire. Cela rend les cycloalcènes

moins flexibles que leurs équivalents cycloalcanes. Les figures, ci-dessous illustrent bien la

partie linéaire imposée par la double liaison C=C. La partie du cycle qui possède des atomes

de carbone tétraédriques est décalée, pour éviter que les hydrogènes de carbones adjacents

soient en position éclipsée. Lorsque deux ou plusieurs doubles liaisons sont présentes, la

flexibilité du cycle est encore réduite. La figure ci-dessous, toujours, montre la structure du

cyclohexène cyclobutène

cyclobutadiène cyclopentadiène

cyclohexa-1,3-diène cyclohexa-1,4-diène

ClCl

3,5-dichlorocyclohexène 5-ethylcyclohexa-1,3-diène

Chimie Organique


cyclopentadiène. Le cycle à cinq pièces y est plan, à cause de la présence de quatre

carbones de géométrie trigonale plan.

En général :

• La conformation du cycle est nécessairement plane à chaque fonction alcène ;

• Des rotations partielles autour des liaisons simples C-C peuvent avoir lieu dans le

cycle (comme pour les cycloalcanes).

29BU3.3 Synthèse d’alcènes cycliques et acycliques

131BRéactions d’élimination

En laboratoire, la synthèse des alcènes met habituellement à profit des réactions

d’élimination. Nous reviendrons sur les détails de ces réactions dans le chapitre consacré

aux halogénoalcanes, mais pour le moment, nous allons simplement illustrer leur application

dans la synthèse des alcènes. L’élimination d’HX (X = Cl ou Br) à partir d’un halogénoalcane

ou d’H2O à partir d’un alcool conduit à un alcène. L’élimination de HX est habituellement

catalysée en milieu basique, alors que l’élimination d’H2O est catalysée par un acide fort. Le

rôle de la base dans la première réaction est d’éliminer un proton C-H, mais nous y

reviendrons ultérieurement.

132BCyclisation de Diels-Alder

Des cyclohexènes peuvent, par exemple, être synthétisés par cycloadditions [4+2],

lesquelles sont appelées « réactions de Diels-Alder ». La notation [4+2] provient du fait que

la réaction a lieu entre une espèce qui possède 4 électrons π (diène) et une espèce à 2

électrons π (diènophile). Cette réaction est amorcée thermiquement et inclut trois

mouvements simultanés (on parle de réaction « concertée ») de deux électrons suivant le

schéma représenté ci-dessous :

Cl

Base (ex. HO-)

OHOH

+ HCl

450K+ H2O

H2SO4 conc.

H2SO4 conc. +majoritaire minoritaire

Chimie Organique


Pour que cette réaction ait lieu facilement, il faut que le diénophile soit pauvre en

électrons, c'est-à-dire qu’il porte un substituant électro-attracteur. Par exemple, X pourrait

être Cl, CN, CH2Cl, CH2OH, CHO, CO2H ou CO2R. Si on se base sur la figure ci-dessus,

pour qu’une cycloaddition [4+2] puisse avoir lieu, il faut également que le diène puisse subir

une rotation autour de la liaison C-C de façon à adopter la conformation correcte pour

permettre la fermeture du cycle.

Notons également que les alcynes porteurs d’un groupement électro-attracteur

peuvent, eux aussi, jouer le rôle de diénophile. Dans ce dernier cas, le produit de la réaction

est un cyclohexa-1,4-diène substitué.

La réaction des Diels-Alder est utilisée en industrie pour la fabrication d’une famille

d’insecticides extrêmement efficaces dont l’aldrine et son dérivé époxy, la dieldrine. Ils ont

été largement utilisés à partir des années 50s pour contrôler les termites. Revers de la

médaille, ces insecticides ne se dégradent pas dans l’environnement, ce qui constitue le

facteur majeur de leur retrait de la commercialisation dans les années 80s.

30BU3.4. Réaction des alcènes : Introduction

Dans cette section, nous allons aborder quelques réactions des alcènes. Dans la

section suivante, nous poursuivrons en discutant le mécanisme d’addition électrophile et

dans la section 3.6, nous continuerons notre vue d’ensemble de la réactivité des alcènes en

utilisant ce que nous viendrons d’apprendre sur les mécanismes pour expliquer la sélectivité

observée de ces réactions.

X X

changement de conformation

par contre : pas de changement de conformation possible

O

O OEt

OEt

O

O

OEtOEt

Chimie Organique


Comme les alcanes, les alcènes brûlent en présence d’O2 pour donner du CO2 et de

l’H2O.

C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O

2 C6H10 + 17 O2 6 CO2 + 5 H2O

Alors que les alcanes subissent des réactions de substitution (ex. : substitution d’un

hydrogène par un chlore lors de la chloration radicalaire), les alcènes, eux, subissent des

réactions d’addition, donc le schéma général est représenté ci-dessous :

Les réactions d’addition peuvent être de nature radicalaire ou électrophile et peuvent

être résumées comme suit : Les réactions d’addition typique des alcènes sont :

• L’addition électrophile

• L’addition radicalaire

• La polymérisation

133BHydrogénation

L’hydrogénation d’un alcène comprend l’addition d’H2 et convertit un hydrocarbone

insaturé en un hydrocarbone saturé (en supposant que toutes les liaisons doubles

réagissent). Cette réaction nécessite un catalyseur, souvent une surface métallique de Ni,

Pd ou Pt.

La surface métallique est un exemple de catalyse hétérogène. Le dihydrogène est

adsorbé, fournissant une source d’atomes d’hydrogènes qui peuvent réagir avec l’alcène, lui-

même adsorbé. Ce chemin réactionnel possède une énergie d’activation inférieure à celui

qui consiste à faire réagir H2 directement avec l’alcène.

Des hydrogénations similaires convertissent des cycloalcènes en cycloalcanes.

X YY

X

+

H2, [Pd]

H2, [Pd]

Chimie Organique


134BAddition de X2 (X = Cl ou Br) : formation de dihalogénures vicinaux

L’addition de Cl2 ou Br2 à des alcènes mène à la formation de dérivés dichloro- ou

dibromo-. Dans les produits, les atomes d’halogène sont attachés à des carbones adjacents.

De tels composés sont connus sous le terme de dihalogénures vicinaux.

Les réactions avec F2 sont extrêmement violentes, alors que celles avec I2 sont

extrêmement lentes quand elles n’échouent pas, toutes deux. La chloration et la bromation

peuvent être réalisée à 298 K ou moins, sans besoin d’irradiation. Cela laisse supposer que

l’addition ne fait pas intervenir de radicaux. Toutefois, si une source de radicaux est

disponible, l’addition a toujours lieu, mais elle peut être complexifiée par la présence de

réactions de substitution radicalaires compétitives.

La décoloration d’une solution aqueuse de Br2 (eau de brome) est communément

utilisée comme test qualitatif de la présence de doubles liaisons C=C. Des mélanges de

produits sont obtenus, comme nous le verrons pour lors de la discussion des réactions des

alcènes avec Br2 et H2O ultérieurement.

135BAddition de HX (X = Cl, Br ou I) : formation d’halogénoalcanes

L’équation ci-dessous illustre la réaction entre un alcène et HCl, HBr ou HI. Le

substrat, dans cet exemple, est un alcène symétrique et lorsque HBr est ajouté, le produit ne

peut être que du 2-bromobutane.

Avec un alcène asymétrique, deux produits sont possibles, comme le montre

l’équation, ci-dessous, dans le cas de l’addition d’HBr au propène. En pratique, un des

produits prédomine et, dans le cas de cette réaction, c’est le 2-bromopropane qui est obtenu

majoritairement. Notez que la réaction favorise l’attachement de l’halogénure à l’atome de

carbone secondaire (plutôt qu’à l’atome de carbone primaire), dans le produit.

Cl2Cl

Cl

Br2Br

Br

+

+

Br

+ HBr

Chimie Organique


De façon similaire, lorsque HCl réagit avec le 2-méthylpropène, le produit majoritaire

est le 2-chloro-2-méthylpropane. L’atome de chlore préfère donc être attaché à un atome de

carbone tertiaire (plutôt qu’à un atome de carbone primaire) dans le produit.

Cette sélectivité que nous venons d’observer peut être expliquée si nous regardons le

mécanisme d’addition électrophile plus en détail.

31BU3.5. Le mécanisme d’addition électrophile

Les additions aux alcènes peuvent avoir lieu suivant un mécanisme radicalaire ou

électrophile. Un mécanisme électrophile est favorisé lorsque la réaction est réalisée dans un

solvant polaire, alors que le mécanisme radicalaire requiert un activateur radicalaire.

136BAddition de HBr à une liaison C=C symétrique

La double liaison des alcènes possède des électrons π facilement accessibles, ce qui

leur permet d’agir comme nucléophiles, capables de donner des électrons à des espèces qui

en sont demandeuses (électrophiles). Considérons la réaction entre l’éthène et HBr pour

donner du bromoéthane. La molécule de HBr est polaire, la valeur d’électronégativité de H

étant de 2,2 et celle de Br étant de 3,0. Il existe donc une charge partielle positive sur

l’atome d’hydrogène, qui est dès lors attiré par la région riche en électron qu’est la liaison π

de l’éthène, ce qui augmente encore la polarité de la liaison H-Br. La première étape de la

réaction est illustrée ci-dessous. Deux électrons π sont transféré à l’électrophile (H) ce qui

provoque la formation d’une nouvelle liaison C-H σ et le clivage hétérolytique de la liaison H-

Br.

L’atome de carbone qui ne forme pas une nouvelle liaison σ est électron-déficient et

porte donc une charge formelle positive. On appelle cette espèce un carbocation. Le

carbocation est un intermédiaire dans la réaction et est susceptible d’être attaqué par un

BrBr+ HBr +

majoritaire

ClCl+ HCl +

majoritaire

H Br

C+

H

H

H

H

H

Br+

Chimie Organique


nucléophile. Dans l’équation précédente, la clivage hétérolytique de la liaison H-Br provoque

l’apparition d’ions Br- qui peuvent agir comme nucléophile dans l’étape suivante de la

réaction, comme le montre l’équation ci-dessous.

137BAddition de HBr à une liaison C=C asymétrique

Lorsqu’un électrophile est attaqué par un alcène asymétrique, il est possible de

former deux carbocations différents. Considérons la réaction du propène avec HBr. La

première étape de la réaction est illustrée ci-dessous.

Nous avons vu dans la section 2.6 que les radicaux tertiaires étaient plus stables que

les radicaux secondaires, eux-mêmes plus stables que les radicaux primaires, eux-mêmes

finalement plus stables que les radicaux méthyliques. Il en va de même pour les

carbocations, ce qui peut se résumé de la façon suivante :

R3C+ > R2HC+ > RH2C+ > H3C+

Dans les deux étapes en compétition de la réaction illustrée plus haut, la formation du

carbocation secondaire est favorisée sur celle du carbocation primaire. L’étape suivante de

la réaction est l’attaque nucléophile du carbocation intermédiaire par l’ion bromure pour

donner le 1-bromopropane et le 2-bromopropane.

Comme le carbocation secondaire est plus stable que le primaire et est

préférentiellement formé, il en résulte que la formation de 2-bromopropane est favorisée par

rapport à celle de 1-bromopropane. Cela correspond aux résultats expérimentaux que nous

C+

H

H

H

H

H

:Br-Br

H Br

C+

C+

Br+carbocation primaire

carbocation secondaire

C+

C+

:Br- Br

Br:Br-

Chimie Organique


avions donnés à la section 3.4. La réaction est dite « régiosélective » parce que, bien que les

alcènes puissent former deux carbocations et donc deux produits, l’un d’eux est formé

préférentiellement.

Le mécanisme décrit pour l’addition de HBr au propène peut être étendu aux

additions de HX (X = Cl, Br, I ou d’autres groupements porteurs d’une charge partielle

négative) à d’autres alcènes asymétriques. L’observation générale est que l’hydrogène

s’attache au carbone le moins substitué et qu’il y a dès lors formation préférentielle d’un

carbocation tertiaire par rapport à un secondaire ou un primaire ; ou d’un carbocation

secondaire par rapport à un carbocation primaire. C’est ce que l’on appelle couramment une

addition « Markovnikov ».

138BAddition de X2 (X = Cl ou Br)

A la fois Cl2 et Br2 sont non polaires, mais l’approche du nuage d’électron de la liaison

p d’une C=C est capable d’induire l’apparition d’un dipôle.

Lors de l’étape cinétiquement déterminante de la chloration d’un alcène, les électrons

π de la liaison C=C attaquent un des chlores de Cl2. Cela provoque la formation d’une liaison

C-Cl et la rupture hétérolytique de la liaison Cl-Cl. Cette étape génère du Cl- qui est capable

d’agir comme nucléophile et d’attaquer le carbocation en une étape rapide.

Lorsque l’halogène est Br2, il existe des preuves expérimentales que l’intermédiaire

est un ion bromonium. Le mécanisme, en deux étapes, de la réaction entre Br2 et C2H4 est

représenté ci-dessous.

L’une des preuves de l’existence du bromonium est illustrée ci-dessous par la

stéréosélectivité par la réaction de bromation du cyclohexène.

Cl Cl

C+

Cl

H

H

H

H

Cl+

:Br Br

BrBr

+

:Br-Br

+ Br

Br

+ion bromonium

Chimie Organique


Br2

Br

Br

Br

Br En effet, cette sélectivité peut s’expliquer facilement par le fait que la formation du

cycle BrC2 bloque l’un des côtés de la liaison C-C et empêche donc l’attaque du nucléophile.

Br- n’a donc pas d’autre choix que d’attaquer le côté opposé de l’anneau BrC2 et lorsque le

cycle s’ouvre dans la seconde étape de la réaction, les deux substituants Br pointent dans

des faces opposées du cyclohexane. Cette addition stéréosélective est appelée addition anti,

c'est-à-dire que les atomes de brome sont sur des côtés opposés de la liaison C-C. Dans on

système cyclique, on peut voir cela clairement. Dans un système acyclique, l’interprétation

des données expérimentales doit tenir compte, en plus, qu’une fois qu’une molécule XY a

été additionnée à une liaison double, le produit peut subir une rotation autour de la liaison C-

C simple nouvellement formée.

139BAddition syn- et anti-

Considérons l’addition de HX sur l’alcène ABC=CAB illustrée dans la figure ci-

dessous. Les deux atomes de carbone de la liaison C=C sont hybridés sp2 et ils se trouvent

donc dans le même plan que les substituants A et B. On peut également voir dans la figure

l’addition syn- et l’addition anti- de HX à cet alcène.

Chimie Organique


Si tous les substituants avaient été équivalents (c'est-à-dire A = B), alors la

stéréochimie des produits formés par l’addition syn- et anti- auraient été identiques. Pour

vérifier cette allégation, tracez deux molécules planaires C2A4, à l’une d’elle, ajouter HX de

façon syn- et de l’autre, ajouter HX de façon anti-. Les produits seront identiques.

Par contre, lorsque les atomes de carbone portent des groupements non équivalents,

la situation est différente. En effet, l’addition syn- pousse tous les substituants A et B du

même côté du plan qui contient l’alcène. Une fois que l’addition a eu lieu, la molécule

contient une liaison C-C simple, autour de laquelle une rotation peut avoir lieu. Lorsqu’une

addition anti- de HX a lieu, l’une des paires de substituants A et B est poussé dans vers une

face, alors que l’autre paire est poussée vers l’autre face. Cela conduit à un arrangement

spatial des substituants qui est différent de celui obtenu lors d’une addition syn-. Les

stéréochimies des produits sont donc différentes.

Dans la plupart des cas, le nucléophile s’ajoute après l’électrophile, comme nous

l’avons vu dans les exemples décrits plus haut dans cette section. La nature du carbocation

intermédiaire est donc importante pour déterminer si l’addition va se dérouler suivant une

géométrie syn-, anti- ou les deux. Dans le cas d’un intermédiaire tel que le bromonium, nous

avons vu que l’un des côtés de la molécule est bloqué à l’attaque du nucléophile, avec

comme résultat une addition anti-. Si l’intermédiaire, par contre, est un carbocation tel que

celui illustré ci-dessous, le centre C+ est dans un environnement planaire et il peut être

attaqué de l’un ou l’autre côté.

Le nucléophile peut attaquer de l'un ou l'autre des côtés

Le résultat des additions syn- et anti- peut être représenté en termes de projections

de Newman, comme illustré ci-dessous.

B

A A

B

HXHX

addition syn- addition anti-

H

BA

A

X

BH

BA

B

X

A

Puisqu’il y a différents substituants sur chaque atome de carbone dans les alcènes,

l’addition de HX crée deux centres carbonés asymétriques dans le produit. Chaque produit

de l’équation ci-dessus consiste en une paire d’énantiomères qui sont illustrés dans la figure

ci-dessous. Les 4 stéréoisomères de cette figure correspondent à deux paires

d’énantiomères et 4 paires de diastéréoisomères.

Chimie Organique


La notation thréo- et érythro- permet de distinguer entre les stéréoisomères. Ces

noms ont pour origine les aldoses thréoses et érythroses.

CH2OH

OHH

OH

CHO

HCH2OH

HHO

OH

CHO

H

(2R,3S)-thréose (2R,3R)-érythrose L’attribution de la notation thréo- et érythro- s’effectue comme suit :

• Tracez les projections de Newman des énantiomères du produit d’addition dans une

conformation décalée. Regardez la molécule dans l’axe de la liaison C-C qui était

originellement la liaison C=C de l’alcène.

• Assurez-vous que les groupements H et X du réactif HX sont orientées vers le haut et

vers le bas de la projection de Newman.

• Deux des énantiomères ont des groupements identiques du même côté de la

projection de Newman et ces énantiomères forment une paire thréo-.

• Deux des énantiomères ont des groupements différents du même côté de la

projection de Newman et ces énantiomères forment une paire érythro-.

32BU3.6. Réactions des alcènes : additions, oxydation des liaisons C=C

et clivage

Dans cette section, nous continuons notre survol des réactions des alcènes en

envisageant d’autres réactions d’addition électrophile dans lesquelles on appliquera les

Chimie Organique


détails mécanistiques vus dans la section précédente. Nous considérerons également

quelques réactions d’oxydation et des réactions qui clivent la double liaison C=C.

140BAddition d’H2O : formation d’alcools

Les alcènes ne réagissent pas directement avec l’eau, mais si les réactifs sont

chauffés en présence d’acide sulfurique concentrée, l’alcène additionne l’eau et est converti

en alcool. Cette réaction est utilisée industriellement pour la production d’éthanol.

Il y a cependant un problème à utiliser cette réaction comme méthode générale de

préparation des alcènes : chauffer un alcool avec un acide fort peut déshydrater l’alcool en

donnant un alcène. Donc la réaction peut avoir lieu dans l’une ou l’autre direction. L’addition

d’H2O à un alcène, catalysée par l’acide, peut être utile en synthèse si l’intermédiaire est un

carbocation tertiaire. Par exemple, le 2-méthylpropène subit la réaction illustrée dans le

schéma ci-dessous. Deux produits sont possibles, suivant que c’est le carbocation primaire

ou tertiaire qui est formé. Ce dernier prédomine et le 2-méthylpropan-2-ol est le produit

favori. L’équation ci-dessous montre la formation du carbocation tertiaire et l’attaque

subséquente par H2O. L’eau est polaire et agit comme nucléophile en donnant une paire

d’électrons. La charge positive est transférée à l’atome d’O, ce qui conduit à la perte d’un

proton H+ pour donner un alcool.

Une stratégie alternative et efficace pour ajouter de l’eau à un alcène est d’utiliser un

acétate de mercure(II), Hg(O2CMe)2. La réaction d’un alcène avec Hg(O2CMe)2 donne un

complexe organométallique qui réagit avec H2O pour donner un composé organomercurique.

Après traitement avec du borohydrure de sodium, cela produit l’alcool désiré. Dans la

réaction suivante, le produit contient un substituant OH attaché à un atome de carbone

secondaire plutôt qu’un primaire.

Le mercure(II) agit comme un électrophile et est attaqué par la double liaison C=C

riche en électrons. Un intermédiaire cyclique est alors formé, comme l’illustre la première

étape de l’équation ci-dessous. L’H2O nucléophile attaque alors le carbone le plus substitué

OH+ H2O

[H2SO4], 520 K

C+

O+ HH

OHH+ :OH2

Hg(O2CMe)2, H2OOH

HgO2CMeNaBH4

OH

Chimie Organique


de l’intermédiaire, ce qui provoque l’ouverture du cycle. La charge positive réside alors sur

l’atome d’oxygène et un proton est éliminé pour donner le groupement OH.

141BAddition d’H2O et X2 (X = Cl ou Br) : formation d’halogénohydrines

(halogénoalcool)

Si Cl2 ou Br2 et de l’eau réagissent ensembles avec un alcène, les réactions se

déroulent comme illustré ci-dessous. Les produits sont des halogénohydrines : un

chlorhydrine dans le premier cas et un bromhydrine dans le second.

Le groupement OH s’attache préférentiellement à un carbone tertiaire ou secondaire

plutôt qu’à un carbone primaire, ce qui peut s’expliquer facilement en termes de stabilité des

carbocations intermédiaires. La première étape de la réaction est l’attaque de Cl2 par les

électrons π de la liaison C=C qui est exactement la même que l’étape cinétiquement

déterminante de la chloration des alcènes. Le carbocation secondaire est plus stable que le

carbocation primaire (et est donc formé préférentiellement).

OO Hg O

OHg

+O

OH2O:

O+

HgO2CMe

HH

HgO2CMeOH

ClOH

Cl2, H2O

BrOH

Br2, H2O

Chimie Organique


Si de l’eau est présente, elle entre en compétition avec Cl- durant la seconde étape

de la réaction. L’attaque nucléophile par Cl- sur l’un des deux carbocations de l’équation ci-

dessus conduit à la formation de 1,2-dichloropropane. L’attaque nucléophile par H2O mène

au 1-chloropropan-2-ol comme produit majeur et au 2-chloropropan-1-ol comme produit

mineur. Le mécanisme pour le chemin le plus favorable est illustré ci-dessous.

142BOxydation : formation de diols

L’oxydation d’un alcène par OsO4 mène à la formation d’un diol vicinal. La partie diol

du nom indique qu’il y a deux groupements OH et vicinal indique que les groupements OH

sont attachés à des atomes de carbone adjacents. La réaction ci-dessous illustre la

conversion de but-1-ène en butane-1,2-diol.

Le mécanisme proposé inclut la formation d’un intermédiaire constitué d’un OsO4

ponté qui est clivé par H2O dans l’étape suivante de la réaction. L’addition des deux

groupements OH est spécifiquement syn, ce qui signifie que les substituants OH sont

additionnés du même côté de la double liaison C=C. Durant la réaction, Os(VIII) est réduit en

Os(VI) et l’alcène est oxydé.

La conversion d’un alcène non terminal en diol peut également être réalisée en

utilisant du KMnO4 en milieu alcalin, à froid. Il est proposé que l’ion tétraédrique [MnO4]-

Cl ClC

+

Cl

C+

Cl

Cl

Cl

+

+

C+

Cl

:OH2

Cl

O+ HH

ClOH

OH

OH

OsO4, H2O

OOs

O

O O

OH OH

2 H2O, - H2OsO4

Chimie Organique


agisse de la même façon qu’OsO4, en formant un type d’intermédiaire similaire, et l’addition

syn est à nouveau observée. Pendant la réaction, Mn est réduit de Mn(VII) en Mn(V).

L’ancien nom pour un diol est glycol et ce nom est toujours utilisé. L’éthylène glycol

(éthane-1,2-diol) est d’une importance commerciale en tant qu’antigel pour les radiateurs de

véhicules à moteur ; il a un point de fusion faible (261 K), un point d’ébullition élevé (471 K)

et est complètement miscible avec l’eau. Industriellement, il n’est pas fabriqué par la

méthode que nous venons de décrire, mais plutôt par l’hydratation de l’oxyde d’éthylène

(oxirane). L’oxyde d’éthylène est un exemple d’époxyde, lui-même membre de la famille des

éthers cycliques. Nous discuterons de leur préparation et propriétés ultérieurement.

143BLe clivage des alcènes : réaction avec O3 (ozonolyse)

La réaction d’un alcène avec O3 conduit à un ozonide cyclique. Le produit d’addition

initial de l’alcène et de O3 s’isomérise rapidement en ozonide, tel que représenté dans

l’équation ci-dessous. La double liaison C=C est complètement clivée durant la réaction ; les

deux atomes de carbone dans le cycle C2O3 sont les carbones originaux de la fonction C=C.

Une application importante de cette réaction ne consiste pas en l’isolation des

ozonides, mais en leurs produits d’hydrolyse. L’hydrolyse réductrice mène à des aldéhydes

ou des cétones en fonction de la présence de substituants dans l’alcène original. Les

réactions ci-dessous en sont deux exemples. Le diméthylsulfure (Me2S) et la thiourée

(CS(NH2)2) agissent comme des agents réducteurs. Bien que le diméthylesulfure soit

efficace dans ce rôle, il présente le désavantage d’avoir une odeur désagréable.

O3 OO

O

O

OO Me2S ou thiourée

H

O

H H

O

O

OO Me2S ou thiourée O

H

O

+

+

Chimie Organique


33BU3.7. Substitution et addition radicalaires dans les alcènes

144BSubstitution radicalaire : bromation

De nombreux alcènes contiennent des groupements alkyles en plus de la double

liaison C=C, et des substitutions radicalaires sont possibles. Les atomes d’hydrogène

attachés directement à un carbone de la double liaison C=C sont appelés des atomes

d’hydrogène vinyliques et sont difficiles à arracher. Un atome d’hydrogène attaché à un

carbone adjacent à une double liaison C=C est appelé atome d’hydrogène allylique et est

plus facile à arracher.

Après l’amorçage, la réaction radicalaire du propène avec Br2 continue avec les

étapes de propagation représentées ci-dessous. Un H allylique est arraché plutôt qu’un H

vinylique.

Le radical formé dans la première étape ci-dessus est un radical allyle et il est plus

stable que tous les radicaux alkyles dont nous avons discuté à la section 2.6. L’ordre de

stabilité des radicaux est donc :

> R3C• > R2HC• > RH2C• > H3C•

Cette stabilité accrue peut être attribuée aux contributions apportées par les deux

structures de résonance ci-dessous.

En général, plus il est possible de tracer des structures de résonance, plus l’espèce

est stable.

La substitution radicalaire dans les autres alcènes suit le même principe que ce qui

est décrit ci-dessus avec l’arrachement préférentiel d’un atome d’hydrogène allylique. Par

exemple, dans la réaction ci-dessous, la substitution s’effectue spécifiquement sur le site

adjacent à la liaison C=C.

H

R

H

HHR

Br .C

.C Br Br2Br

+ HBr +

+ +

.C

.C C

H vinyliques

H allyliques

Chimie Organique


Bien que cet arrachement d’hydrogène soit spécifique, l’utilisation de Br2 en tant

qu’agent de bromation mène à un problème : l’addition radicalaire compétitive sur la liaison

C=C. Habituellement, le Br2 est remplacé par un agent de bromation tel que le N-

bromosuccinimide (NBS) en solution dans le CCl4.

L’amorçage de la réaction requiert l’utilisation d’un radical amorceur tel qu’un

peroxyde organique, souvent avec R = C6H5C(O).

145BAddition radicalaire : bromation

Nous allons illustrer l’addition radicalaire à une liaison C=C en considérant la réaction

entre HBr et le 2-méthylpropène, un alcène asymétrique. Pour favoriser une addition

radicalaire plutôt qu’électrophile, un amorceur radicalaire doit être présent. La photolyse d’un

peroxyde résulte en un clivage homolytique de la liaison O-O et en la formation de radicaux

RO•. L’étape de propagation illustrée ci-dessous produits les radicaux Br• nécessaires à la

réaction avec l’alcène.

Br2

Br

+ HBr +

N OO

Br

RO

OR

OO

O

O

Chimie Organique


Le radical Br• s’additionne alors à la double liaison C=C et deux chemins sont

possibles, comme l’illustre les équations ci-dessous. Le radical le plus stable est le plus

substitué (en encadré). Notons que la réaction de Br• avec l’alcène n’arrache pas un

hydrogène vinylique, mais que l’arrachement compétitif d’un proton allylique peut avoir lieu

(comme nous l’avons vu précédemment). La collision entre le radical alkyle et HBr conduit à

la formation d’un produit bromé. L’étape de terminaison dans la chaîne radicalaire inclut des

réactions entre deux radicaux.

Ce qu’il est important de noter, c’est que dans cette étape finale, l’addition radicalaire

d’HBr à un alcène asymétrique mène à un produit dans lequel l’atome de brome est attaché

à l’atome de carbone qui est le moins substitué. C’est le contraire de ce qui se passe avec

l’addition électrophile d’HBr qui conduit à la formation d’un produit dans lequel l’atome de

brome est fixé sur l’atome de carbone qui présente le plus grand nombre de substituants.

Dans les deux cas, la sélectivité du produit est contrôlée par la stabilité de l’intermédiaire et

les différences peuvent être résumées comme suit :

RO

OR

RO.

RO. H Br ROH Br

2

+

Br

C

Br

Ou

Br

C Br

C Br

H Br

Br Br +

Chimie Organique


Comme dans le cas de l’addition électrophile, on parlait de composé Markovnikov, on

parle, dans le cas de l’addition radicalaire de composé anti-Markovnikov.

34BU3.8. Polymérisation des alcènes

Un polymère est une macromolécule qui consiste en une répétition d’unités. Les

alcènes peuvent subir une polymérisation, un procédé dans lequel les unités alcènes

(monomères) s’additionnent l’une à l’autre pour donner un polymère. Cette réaction de

polymérisation est très importante d’un point de vue industriel, puisqu’elle permet, entre

autres, la formation du PVC, par exemple.

La polymérisation des alcènes peut avoir lieu suivant trois mécanismes :

• la polymérisation radicalaire

• la polymérisation cationique

• la polymérisation anionique

De ces trois mécanismes, nous ne verrons que le premier.

146BPolymérisation radicalaire

Illustration au tableau

35BU3.9. Migration de la liaison double et isomérisation des alcènes

Lorsqu’un alcène avec 4 atomes de carbone ou plus, est traité avec H+, il peut y avoir

isomérisation par migration de la double liaison le long de la chaîne carbonée. Une base

forte, telle que l’amidure de potassium (KNH2), peut également promouvoir l’isomérisation de

C+ Br

C Br Br

addition électrophilede HBr dans des conditionspolaires

Addition du proton, d'abordpour former le carbocationle plus substitué

Produit d'additionMarkovnikov

Addition radicalaire d'HBrnécessite un amorceur radicalaire

Addition du radical Br. d'abord pour former le radical alkyle le plus substitué

Produit d'additionAnti-Markovnikov

Chimie Organique


la double liaison. L’acide ou la base agit comme catalyseur. La double liaison C=C se

déplace vers une position plus substituée à l’intérieur de la chaîne carbonée, par exemple, le

but-1-ène s’isomérise en but-2-ène en présence de H+.

La préférence de la liaison double pour une position plus substituée provient de la

plus grande électronégativité d’un carbone sp2 par rapport à un carbone sp3. Le groupement

alkyle étant un groupement électro-donneur, un carbone sp2 sera d’autant plus stabilisé qu’il

sera substitué. (Nous reviendrons sur l’électronégativité des différents centres carbonés

dans la section 3.12 lorsque nous discuterons de l’acidité des alcynes terminaux.)

Plus la chaîne est longue, plus d’isomères différents peuvent être formés par

migration de la double liaison C=C. En pratique, des mélanges d’isomères sont

habituellement obtenus avec prédominance de l’isomère thermodynamiquement favorisé.

147BLe mécanisme de migration de la liaison C=C catalysée par l’acide

Nous avons déjà vu que l’ajout de H+ à un alcène promeut la formation d’un

carbocation. L’équation ci-dessous montre que la réaction du pent-1-ène avec H+ donne un

carbocation secondaire préférentiellement à un primaire.

Dans les exemples précédents, le carbocation formé réagissait avec un nucléophile

pour donner un produit final d’addition. En absence de nucléophile, le carbocation

intermédiaire peut perdre un H+. A partir du carbocation formé ci-dessus, il y a deux

éliminations compétitives pour donner du pent-1-ène ou du pent-2-ène. Clairement, l’une des

réactions est simplement l’inverse de l’étape de protonation, mais l’élimination compétitive

d’H+ donne le produit d’isomérisation et c’est le chemin qui est favorisé.

148BLe mécanisme de migration de la liaison C=C catalysée par l’acide

Un hydrogène allylique n’est pas seulement capable de subir un arrachement

radicalaire, mais il est également susceptible de subir une attaque par une base et de se

[H+]

H+

C+

C+

H

H

H

C+

H H

Chimie Organique


faire arracher sous la forme d’un H+ (un hydrogène allylique est donc relativement acide).

Dans la réaction ci-dessous, une base B- arrache un proton du carbone adjacent à la liaison

double C=C. L’intermédiaire est un carbanion.

Le carbanion formé dans l’étape ci-dessus est stabilisé par résonance des structures

contributives (mésomères) illustrées ci-dessous. Cela permet à la liaison π de se délocaliser

sur les trois atomes de carbone. La structure de droite, ci-dessous, représente l’hybride de

résonance de l’anion allylique (représentation alternative à la paire de résonance).

Le carbanion peut être protoné à deux endroits différents et le produit favorisé est

l’alcène avec le plus grand nombre de substituants attachés à la double liaison C=C. Le

résultat net de l’étape de déprotonation et de reprotonation est la migration de la double

liaison C=C le long de la chaîne carbonée. La source de proton, dans les équations, ci-

dessous, est la base protonée BH ; le catalyseur B- est donc régénéré à la dernière étape du

processus d’isomérisation.

36BU3.10. Hydroboration des alcènes

149BHydroboration avec BH3

La réaction d’un alcène avec BH3 conduit à l’addition de la liaison B-H à la double

liaison C=C. Cette réaction est appelée hydroboration.

H HCH

C C -

C

C

H B

H B

HB

H

HB+ 3

Chimie Organique


Si l’alcène est stériquement encombré par la présence de substituants organiques,

seul une ou deux liaisons seront impliquée dans l’hydroboration comme, par exemple, dans

la réaction ci-dessous.

Les réactions d’hydroboration peuvent dès lors être utilisées pour former des

composés organoborés du type général RBH2 et R2BH (R = alkyl) et leur réaction avec

d’autres alcènes peut conduire à des organoboranes avec différents substituants alkyles.

L’addition d’un borane à un alcène asymétrique est régiosélective. La régiosélectivité vient

du vient du fait que c’est B et non H, qui est l’électrophile et donc la réaction diffère d’une

addition électrophile d’HCl ou HBr, par exemple. Le mécanisme est résumé dans le schéma

ci-dessous ; la nature électrophilique de BH3 est due à son orbitale atomique 2p vacante qui

peut accepter une paire d’électrons. Notons que dans la première étape de ce schéma, il y a

formation d’un carbocation secondaire préférentiellement à un primaire et donc la règle

habituelle est respectée même si, en fin de compte, on se retrouve avec un produit anti-

Markovnikov.

L’importance des organoboranes réside dans leurs applications en synthèse. Par

exemple, leur traitement avec H2O2 oxyde un organoborane en alcool.

37BU3.11. Synthèse des alcynes

Tournons à présent notre attention sur les alcynes, dans lesquels le groupement

fonctionnel est une liaison triple C≡C. Dans cette section, nous allons étudier une méthode

de préparation des alcynes puis nous envisagerons leur réactivité.

HB

H

H

HB

H+

HB

H

HC

+B

H

H

H

C+

BH

H

H

BH2

BOH

OHB

OH

OH+ 3 H2O2 3 +

Chimie Organique


Dans la section 3.3, nous avons vu que l’élimination d’HCl à partir d’un chloroalcane

conduit à un alcène. Si on envisage cette réaction avec un dihalogénure vicinal, l’élimination

d’HX peut avoir lieu deux fois pour donner un alcyne. Une base forte est nécessaire (comme

dans la réaction ci-dessous) pour éliminer H+ et favoriser l’élimination de HX ; nous

étudierons les réactions d’élimination plus en détail dans le chapitre 5.

Cette méthode est la stratégie la plus commune pour la synthèse des alcynes.

38BU3.12. Réactions des alcynes

Dans cette section, nous considèrerons les réactions typiques des alcynes et nous

devrons souvent distinguer un alcyne interne d’un terminal.

150BCombustion

Comme les alcanes et les alcènes, les alcynes brûlent en présence d’O2 pour donner

du CO2 et de l’H2O.

2 H-C≡C-H + 5 O2 4 CO2 + 2 H2O

151BHydrogénation

L’addition de H2 pour donner des alcènes se réalise facilement en présence d’un

catalyseur métallique tel que Ni, Pd ou Pt. L’activation de H2 se déroule de la même façon

que dans la section 3.4. Contrairement à l’addition de H2 à un alcène où un seul produit est

possible, son addition à un alcyne interne peut donner des isomères E ou Z. Un problème

supplémentaire vient de la possibilité de la poursuite de la réduction jusqu’à l’alcane.

La sélectivité peut être atteinte par un contrôle minutieux des conditions de réaction.

La réaction de H2 avec un alcyne en présence de Pd/BaSO4 produit des isomères Z. Si la

réduction est menée en utilisant du sodium dans du NH3 liquide comme agent de réduction,

les produits sont des isomères E (notons que cette technique ne peut être utilisée sur des

alcynes terminaux pour des raisons que nous verrons ultérieurement). Un moyen sélectif

BrH Br

H OH- ou NH2-

- 2 HBr

RR HR

interne externe

H2 et catalyseur+

Chimie Organique


pour produire des alcènes (plutôt que des alcanes) est d’utiliser le catalyseur de Lindlar. Il

consiste en du palladium métallique supporté sur une surface de CaCO3/PbO qui est traitée

avec Pb(O2CMe)2. De plus, le catalyseur de Lindlar est sélectif pour la production d’alcènes

Z, c'est-à-dire que l’hydrogène subit une addition syn sur la liaison C≡C.

152BAddition de X2 et HX (X = Cl, Br)

Les mécanismes des additions électrophiles de X2 et HX aux alcynes sont similaires

à ceux décrits pour les additions aux alcènes. Il est possible d’arrêter les réactions après

ajout d’un équivalent de X2 ou HX, mais sous des conditions appropriées, la réaction

continue pour donner un produit saturé. L’addition de X2 à un alcyne peut, en principe,

donner des isomères E ou Z de produits dihalogénés. En pratique, l’isomère E est favorisé.

La réaction d’HX avec un alcyne donne un halogénure vinylique puis un dihalogénure

géminal, ce qui signifie que les deux atomes d’halogène sont attachés sur le même atome

de carbone. Le mécanisme d’addition est donné dans le schéma ci-dessous qui consiste en

la réaction entre le propyne et HCl. Seul le carbocation le plus favorisé est montré pour

chaque addition et cette préférence explique pourquoi le dihalogénure géminal est le produit

prédominant.

Br

Br

Br2 Br2

Br

BrBr Br

Isomère E favorisé

H Cl

C+

Cl

C+

:Cl-Cl

Cl

H ClC

+

ClCl

C+

Cl:Cl-

Cl

Cl

+

+

Chimie Organique


Lorsque HX s’additionne à un alcyne interne, des isomères E et Z peuvent, en

principe, être produits. Dans la plupart des cas, le mécanisme suit le schéma ci-dessous

avec une addition anti de HX sur la triple liaison favorisée.

153BAddition d’H2O : formation d’une cétone

Dans la section 3.6., nous avons décrit la conversion d’un alcène en alcool en

utilisant Hg(O2CMe)2 suivi par un traitement avec H2O et NaBH4. Cependant, la réaction

entre un alcyne et Hg(O2CMe)2 suivi par un traitement avec H2O conduit à une cétone plutôt

qu’à un alcool. Avant que nous ne discutions de cette réaction plus en détail, nous avons

besoin d’introduire le concept d’équilibre céto-énolique. Lorsqu’un groupement OH est fixé à

une double liaison C=C, l’espèce est instable et conduit à un réarrangement en composé

carbonylé. Le réarrangement inclut un transfert de proton et est appelé tautomérisme céto-

énolique. La partie céto- du nom vient de cétone et énol est la contraction d’alcène et alcool.

Les deux tautomères sont en équilibre et la forme céto- est habituellement favorisée.

Considérons à présent la réaction entre un alcyne et Hg(O2CMe)2 suivie par le

traitement avec H2O. La première étape est l’attaque nucléophile par la liaison riche en

électrons C≡C sur le centre Hg(II) pour former un cycle insaturé C2Hg. L’attaque nucléophile

par H2O est suivie par la perte d’un proton, ce qui est illustré dans le schéma ci-dessous et

qui peut être comparé au schéma donné dans la section 3.6.

H BrC

+

HBr

C+

H

:Br-Br

H

+

R

OH R

R R

O H

R

RTautomèreénol

Tautomèrecéto-

Chimie Organique


Le produit est un énol et est instable, comme nous l’avons plus haut. Il subit donc une

tautomérie. La liaison C-Hg dans le produit organomercurique est convertie en liaison C-H

par traitement avec de l’acide. Ces deux étapes de la réaction sont illustrées ci-dessous.

154BOxydation : formation d’acide carboxylique et de dione

L’oxydation d’un alcyne terminal en utilisant KMnO4 donne un acide carboxylique,

alors que l’oxydation d’un alcyne interne produit une α-dione. Les réactions avec KMnO4

peuvent être réalisées dans CH2Cl2 mais un agent de transfert de phase est requis pour

faciliter la dissolution de KMnO4 dans la phase organique. Les équations ci-dessous

montrent des exemples d’oxydation d’alcynes terminal et interne par le permanganate.

O Hg OO

O

Hg+O

OH2O:

HgO2CMeO

+ HH

HgO2CMe

OH

HgO2CMeO

H

HgO2CMeO

HgO2CMeO

H+

HgO2CMeO

+ H OH

O

KMnO4, H2O, H+

- CO2

OH

O

KMnO4, H2O, H+O

O

H+

Chimie Organique


Les produits d’oxydation des alcynes internes et terminaux par l’ozone sont

analogues à ceux provenant de l’oxydation par [MnO4]-. Comme avec l’oxydation des

alcènes par l’ozone, un agent réducteur est nécessaire pour la seconde étape de la réaction.

Les réducteurs adaptés à la formation d’α-diones comprennent le tétracyanoéthène (TCNE)

comme illustré dans la réaction ci-dessous.

155BLes alcynes en tant qu’acides

Classiquement, l’électronégativité du carbone est fixée à 2,6 et celle de l’hydrogène à

2,2. Cependant il est important de se rappeler que l’électronégativité d’un atome dépend de

son état d’oxydation et de son ordre de liaison. Comme l’hybridation d’un atome de carbone

change de sp3 à sp2 à sp, l’électronégativité change également (comme l’illustre la table ci-

dessous).

Composé Hybridation de C Electronégativité pKa

sp3 2,5 48

sp2 2,75 44

sp 3,3 25

La tendance des valeurs d’électronégativité signifie que la liaison C-H d’un alcyne est

plus polaire que dans un alcène, qui est elle-même plus polaire que dans un alcane. Ces

valeurs permettent également de prédire que l’ion [RC≡C]- devrait être plus stable que

[R2C=CR]- lui-même plus stable que l’ion [R3C]-. C’est effectivement le cas et des valeurs

approximatives de pKa sont listées dans la table ci-dessus. La diminution du pKa (et donc la

croissance correspondante du Ka) montre que l’alcyne terminal est le plus acide de la liste.

Notons que seuls les alcynes terminaux sont acides, puisque les alcynes internes ne

possèdent pas de liaison C-H. Dans la section 3.9, nous avons établi qu’un hydrogène

allylique était relativement acide ; cette acidité particulière résulte de la stabilisation du

carbanion allylique par résonance.

Bien que les réactions décrites ci-dessous mettent en évidence le caractère acide

des alcynes terminaux, il faut toutefois garder en tête qu’il s’agit d’acides extrêmement

H H

H

H

HH

HH

H H

Chimie Organique


faibles ; l’acéthylène est de loin un acide plus faible que H2O. Puisque l’acéthylène est un

acide faible, l’ion [RC≡C]- doit être une base forte.

Les alcynes terminaux réagissent avec l’amidure de potassium ou le sodium

métallique pour donner des sels métalliques alcalins d’acétylures.

La réaction peut avoir lieu également avec des ions Ag+ et des sels de Cu(I) peuvent

être formés par des réactions similaires.

Une utilisation importante des acétylures est la préparation d’alcynes avec une plus

longue chaîne carbonée. La force motrice de la réaction est l’élimination d’un halogénure

d’alcalin. En effet, une quantité significative d’énergie est libéré lorsqu’un sel ionique tel que

NaCl est formé (énergie de réseau cristallin).

Cette stratégie peut être utilisée pour augmenter la longueur d’une chaîne carbonée,

et la fonction alcyne peut réagir à son tour, en étant, par exemple, réduite, comme dans le

schéma ci-dessous.

Ce dernier schéma est un des premiers exemples que nous montrions, dans lequel

une suite de réactions se succède pour fournir un schéma de synthèse multi-étapes. Nous

H KNH2 C K+

NH3

H Na C Na+

+ +

+ + 1/2 H2

H Ag(NH3)2+ C Ag+

NH3 NH4++ + +

C Na+ Cl

KNH2C

Br

H2, Lindlar

Chimie Organique


en verrons beaucoup d’autres dans les chapitres à venir, mais également dans les exercices

à la fin de ce chapitre.

156BRéactions de couplage pour donner des alcynes multi-fonctionnels

Lorsque des alcynes terminaux sont chauffés avec des sels de Cu2+ dans la pyridine,

une réaction de couplage a lieu pour donner un diyne, c'est-à-dire une molécule dans

laquelle il y a deux fonctions C≡C. Les réactions ci-dessous en sont des exemples. C’est une

réaction assez générale avec de nombreuses applications ; il est par exemple, possible de

créer un cycle « hexyne » à partir de diynes terminaux.

Les alcynes terminaux peuvent également être couplés à des halogénures d’aryles

en utilisant la méthode de couplage de Sonogashira. Les conditions en sont une catalyse au

palladium, la présence de CuI et de triéthylamine. Le catalyseur au palladium est

habituellement [PdCl2(PPh3)2] (Ph = phényl).

39BU3.13. Protection d’un alcyne terminal : le groupe protecteur Me3Si

Comme nous l’avons vu, le groupe C-H d’un alcyne terminal est relativement réactif

et dans des synthèses multi-étapes, il peut être nécessaire de protéger cette liaison C-H.

C’est un exemple, parmi d’autres, dans lequel un groupement protecteur est introduit

temporairement dans une molécule et est clivé ultérieurement pour restaurer le groupement

fonctionnel d’intérêt, dans une synthèse multi-étapes. Des groupements protecteurs

habituels sont les trialkylsilyles tel que Me3Si (triméthylsilyl, abrégé TMS). La stratégie

générale est d’utiliser un réactif organométallique tel que le nBuLi pour réagir avec la liaison

C-H de l’alcyne terminal. Cela produit un composé organolithien qui réagit directement avec

HCu++ dans py

Cu++ dans py

2

3

I H REt3N

- HIR+

Pd(0), CuI

Chimie Organique


un halogénure de trialkylsilyle. L’équation ci-dessous montre la méthode générale, utilisant le

groupement TMS comme exemple.

Une fois que les réactions désirées ont été menées sur le groupement R du produit

du schéma ci-dessus, le composé peut être déprotégé en utilisant une base. Si nous

supposons que R est transformé en un nouveau substituant R’, alors l’équation ci-dessous

représente l’étape de déprotection.

Maintenant introduisons cette stratégie de protection-déprotection dans un exemple

concret où une protection est nécessaire parce que nous qu’une seule extrémité de la

molécule d’acétylène réagisse avec l’halogénure d’aryle (réactivité relative : I > Br >> Cl) lors

d’un couplage de Sonogashira. Le triméthylsilylacétylène est disponible commercialement.

Plus tard, dans les notes, nous décrirons d’autres exemples de protection de

groupements vulnérables dans les synthèses multi-étapes.

3B4. Les molécules organiques polaires : Introduction

40BU4.1. Objectifs

Dans les chapitres 2 et 3, nous avons discuté des hydrocarbones saturés et insaturés

contenant des liaisons C-C (simples, doubles et triples) et des liaisons C-H. La plupart de

nos discussions étaient basées sur la chimie de molécules contenant des liaisons non

polaires. Dans les prochains chapitres, notre attention va se porter sur des molécules

organiques polaires. L’objectif de ce chapitre 4 est donc de rappeler au lecteur des notions

R H R Li

SiCl

R SiBuLi

H Si I I SiSi

HH

2

une des extrémités de l'acétylèneest protégée et ne peut subirde réaction de couplage

+Pd(0), CuIEt3N

NaOH

Produit déprotégé dans lequel l'alcyne terminal est prêt à réagir

Chimie Organique


telles que l’électronégativité, la polarité des liaisons et les moments dipolaires, mais

également d’introduire de nouveaux concepts d’effets inductifs et de champ.

41BU4.2. Electronégativités et liaisons polaires

Des différentes échelles d’électronégativité existantes, c’est celle de Pauling qui est

la plus communément utilisée. Les valeurs d’électronégativité importantes pour les

molécules polaires organiques sont reprises dans le tableau ci-dessous.

Famille 14 Famille 15 Famille 16 Famille 17

H : 2,2

C : 2,6 N : 3,0 O : 3,4 F : 4,0

S : 2,6 Cl : 3,2

Br : 3,0

I : 2,7

En utilisant les valeurs d’électronégativité, nous pouvons déterminer si une liaison

hétéronucléaire est polaire ou non. Par exemple, les valeurs de la table ci-dessus permettent

d’aboutir aux conclusions ci-dessous concernant les liaisons C-O, C-N, C-F, C-Cl et O-H :

Cfr. Tableau classe

La direction de la flèche montrant le moment dipolaire pointe de la partie δ+ de la

liaison, vers la partie δ-. Dans les chapitres à venir, nous allons avoir à faire avec des

molécules qui contiennent ce type de liaisons : halogénoalcanes, éthers, alcools et amines.

42BU4.3. Moments dipolaires moléculaires

157BMolécules polaires et non polaires

Les moments dipolaires sont des vecteurs et un moment dipolaire moléculaire est la

résultante des dipôles de chaque liaison, dès lors, la présence d’une liaison polaire ne

signifie pas nécessairement qu’une molécule est polaire. Par exemple, le CCl4 tétraédrique

n’est pas polaire en dépit du fait qu’il possède quatre liaisons polaires C-Cl, parce que ces

dipôles s’annulent globalement.

Chimie Organique


De nombreuses molécules possèdent plus d’un type de substituant et les différents

moments dipolaires de chaque liaison agissent dans des directions différentes. Qu’il y ait ou

non un moment dipolaire moléculaire résultant dépend de :

• La forme de la molécule

• Des directions et amplitudes relatives de chaque dipôle de liaison

• De la présence de paires d’électrons libre

Considérons CH3F. La molécule est pratiquement tétraédrique et les seules paires

libres sont sur l’atome de F. Les valeurs d’électronégativité de la table donnée plus haut

montrent que chaque liaison C-H présente un moment dipolaire Cδ--Hδ+ et que la liaison C-F

est polaire dans le sens Cδ+-Fδ-. Les moments de liaison se renforcent l’un l’autre et le

moment dipolaire moléculaire résultant est montré en rouge dans la structure ci-dessous.

Considérons maintenant CCl3F. La molécule est polaire, mais présente un moment

dipolaire plus petit que celui de CH3F. Chaque liaison C-Cl est polaire dans le sens Cδ+-Clδ-

et la résultante de ces trois moments dipolaires de liaison s’oppose au moment de la liaison

C-F. Ceci explique l’amplitude et la direction du moment dipolaire moléculaire de CCl3F

illustré dans la figure ci-dessous.

Les effets de la géométrie moléculaire et des paires libres ne sont pas toujours faciles

à évaluer qualitativement. Dans l’éthanol, par exemple, le moment dipolaire moléculaire

dépend de la résultante des moments dipolaires des liaisons C-O et O-H, et des moments

dipolaires associés aux deux paires libres d’électrons sur l’atome d’O. Le schéma, ci-

dessous, illustre ce problème.

Qualitativement, tout ce que nous pouvons conclure, c’est que la molécule d’éthanol

est polaire et l’extrémité OH de la molécule sera globalement δ- par rapport à la chaîne

H H

F

HCl Cl

F

Cl

O H

µ = 1,86 D µ = 0,46 D

Chimie Organique


alkyle. La direction exacte du moment dipolaire moléculaire ne peut être déterminée sans

avoir recourt au calcul vectoriel.

158BLimitation des prédictions quantitatives

Il faut toutefois se montrer prudent lorsque l’on tire des conclusions sur l’amplitude et

la direction d’un moment dipolaire moléculaire. Bien que nous puissions utiliser les trois

critères vus ci-dessus pour prédire et rationaliser la polarité ou non d’une molécule, d’autres

facteurs contribuent à l’amplitude du moment dipolaire. Pour illustrer cela, considérons deux

exemples. D’abord, considérons la tendance des valeurs de moments dipolaires pour les

halogénoalcanes suivants, en phase gazeuse :

Chaque molécule est pratiquement tétraédrique et sur base des valeurs

d’électronégativités du tableau donné plus haut, on prédit des moments dipolaire dans l’ordre

CH3F > CH3Cl > CH3Br > CH3I avec CH4 non polaire. Cependant, les données

expérimentales pour les molécules en phase gazeuse révèlent que le moment dipolaire de

liaison de CH3Cl > CH3F, une observation qui n’est pas directement explicable.

Le second exemple concerne les moments dipolaires de CH3F, CH2F2 et CHF3, qui

sont de 1,86 ; 1,98 et 1,65 D pour les molécules en phase gazeuse. A première vue, on

pouvait s’attendre à ce que les moments dipolaires suivent un ordre qui reflète le nombre

d’atomes de F, mais ce n’est pas ce qui est observé. Chaque molécule a un angle de liaison

proche de 109,5°. Suivant la forme moléculaire et les valeurs d’électronégativité, on peut

prédire correctement que chaque molécule est polaire et la combinaison des vecteurs donne

les directions des moments dipolaires moléculaires comme suit :

Quantifions à présent ces affirmations. Une méthode approximative pour l’estimation

des valeurs d’un moment dipolaire moléculaire est d’estimé les moments dipolaires de

liaison en utilisant les valeurs d’électronégativité, puis de combiner les moments de liaison

pour donner le vecteur résultant. Par exemple :

• pour la liaison C-H, la valeur du moment dipolaire est de 2,6 – 2,2 = 0,4 D, dans le

sens H C

H H

H

HH H

F

HH H

Cl

HH H

Br

HH H

I

H

H H

F

HF H

F

HH F

F

F

µ = 1,86 D µ = 1,89 D µ = 1,82 D µ = 1,62 D

Chimie Organique


• pour la liaison C-F, la valeur du moment dipolaire est de 4,0 – 2,6 = 1,4 D, dans le

sens C F

Prenons le cas de CH2F2, on peut déterminer assez aisément le sens du moment

dipolaire moléculaire (celui de la figure ci-dessus). Reste à calculer la valeur du moment

suivant le raisonnement suivant :

• Contribution des liaisons C-F = 2 x (1,4 x cos(54,75)) = 1,6 D

• Contribution des liaisons C-H = 2 x (0,4 x cos(54,75)) = 0,5 D

Elles agissent toutes deux dans le même sens et le moment dipolaire moléculaires

estimé pour CH2F2 est donc de 1,6 + 0,5 = 2,1 D.

Dans le cas de CHF3, on peut estimer le moment dipolaire moléculaire comme suit :

L’angle entre les liaisons C-F et le moment dipolaire moléculaire global est de 180 –

109,5 = 70,5°. La contribution des liaisons C-F est donc de 3 (1,4 x cos(70,5)) = 1,4 D. En ce

qui concerne la contribution de C-H, elle est de 0,4 D, comme nous l’avons déterminé plus

haut.

Ces deux contributions agissent dans le même sens et le moment dipolaire

moléculaire estimé pour CHF3 est donc de 1,4 + 0,4 = 1,8 D.

Il est possible d’estimer de la même façon la valeur du moment dipolaire moléculaire

de CH3F (et on trouve 1,8 D). Bien que les valeurs estimées pour CH3F, CH2F2 et CHF3, à

savoir 1,8 ; 2,1 et 1,8 D, ne correspondent pas aux valeurs expérimentales de 1,86 ; 1,98 et

1,65 D, nous pouvons au moins commencer à comprendre pourquoi les moments dipolaires

moléculaires ne suivent pas simplement l’ordre CHF3 > CH2F2 > CH3F.

43BU4.4. Effets inductif

La présence d’une liaison polaire C-X peut influencer la chimie d’une molécule

organique de plusieurs façons. Nous allons, ici, nous concentrer sur deux d’entre elles :

• La distribution de charge dans la molécule est altérée et l’atome de carbone auquel X

est attaché devient un centre de réactivité.

• La distribution de charge dans la molécule est altérée et la réactivité, des autres

atomes de C que celui auquel X est attaché, est modifiée.

Le premier point est direct. Si X est δ- et le carbone auquel il est attaché est δ+, alors

l’atome de carbone est très susceptible de subir une attaque par des nucléophiles. Nous

verrons cela en détail dans des chapitres ultérieurs. Le second point concerne des effets à

longue distance dus à la présence d’un atome électronégatif. Considérons le chloroéthane.

Dans la liaison C-Cl, l’atome de chlore électronégatif attire les électrons vers lui, rendant

l’atome de carbone auquel il est attaché partiellement positif. Cependant cet atome peut

Chimie Organique


partiellement compenser ce mouvement d’électron en attirant, à son tour, les électrons de

son carbone voisin. Ce que l’on peut schématiser par C C Cl. C’est l’effet inductif.

L’effet inductif se produit le long des liaisons σ et est également décrit comme un

« effet σ ». Son amplitude dépend de la distance. La taille du dipôle induit sur un centre

carboné décroit habituellement à mesure que ce C est plus éloigné de l’atome électronégatif.

159BEffets des groupements électro-attracteurs sur les valeurs de pKa

L’effet inductif peut être utilisé pour rationaliser partiellement l’accroissement de force

des acides haloacétiques par rapport à l’acide carboxylique parent. Par exemple, les valeurs

de pKa de CH3CO2H et CCl3CO2H sont de 4,77 et 0,70, respectivement. Cela signifie que

l’acide trichloroacétique se dissocie bien plus en solution aqueuse que l’acide acétique.

L’effet inductif plus important du groupement CCl3 que celui du groupement CH3

facilite la perte d’un proton par le groupe fonctionnel CO2H et stabilise l’ion CCl3CO2-. A la

fois dans CH3CO2- et CCl3CO2

-, la charge négative est délocalisée sur les deux atomes de

carbones. Cela peut se représenter par la paire de résonance, ou l’hybride de résonance où

X = H ou Cl, ci-dessous. La charge négative est plus stabilisée si X est un électro-attracteur,

par exemple X = Cl, et cette stabilisation de CCl3CO2- encourage la réaction de

déprotonation dans l’équilibre de dissociation.

L’effet diminue si on augmente le nombre de liaison C-C entre la fonction CO2H et le

substituant électro-attracteur. C’est ce qui est illustré dans le tableau ci-dessous :

L’introduction d’un substituant Cl dans CH3CO2H en décroit significativement la valeur de

pKa, mais les différences entre paires de valeurs de pKa pour CH2Cl(CH2)nCO2H et

CH3(CH2)nCO2H (n = 1, 2 ou 3) sont plus faibles.

Acides pKa Dérivés chlorés pKa

4,77

2,81

4,87

4,09

O

OX

X

X X

X

X

O

O X

X

X

O

O-

O

OH

O

OHCl

O

OH

O

OHCl

Chimie Organique


4,81

4,52

4,85

4,72

Les exemples, ci-dessus se focalisent sur les acidités relatives d’acides

carboxyliques. Toutefois, l’introduction d’un groupement électro-attracteur sur un composé

tel que le méthane produit des effets encore plus spectaculaire. Le pKa du méthane est

d’environ 48, alors que celui du trichlorométhane est de 25. La base conjuguée de CH4 est

donc très faiblement stabilisée, alors que celle de CHCl3 l’est beaucoup plus grâce à la

présence des atomes de chlore qui attirent cette charge vers eux.

4B5. Les halogénoalcanes

44BU5.1. Structure et nomenclature

Dans cette section, nous allons donner les bases de la nomenclature organique pour

incorporer les groupes fonctionnels halogénoalcanes. La formule générale pour un

halogénoalcane (ou halogénure d’alkyle) est RX où R est un groupement alkyle et X un

halogène.

160BLes halogénoalcanes avec un seul atome d’halogène

Le groupement alkyle dans RX peut avoir une chaîne droite ou branchée. Lorsque

l’on nomme un composé relativement simple, les mêmes règles, que celles décrites dans la

section 1.4., sont d’application, en tenant compte, cette fois que l’on considère la plus longue

chaîne contenant l’atome de carbone sur lequel est attaché l’halogène. Le nom des

halogénoalcanes est formé en ajoutant à la racine alcane un préfixe fluoro-, chloro-, bromo-

ou iodo-. Les composés représentés ci-dessous sont des dérivés bromo du pentane, avec

une chaîne droite. Dans chacun d’eux, la chaîne principale de carbone est numérotée de

façon à ce que le substituant Br ait le numéro de position le plus petit possible.

O

OH

O

OHCl

O

OH

O

OHCl

BrBr

1-bromopentane2-bromopentane

Chimie Organique


Pour les composés dans lesquels il y a d’autres substituants en plus de l’atome

d’halogène, la chaîne carbonée est numérotée en commençant par la fin la plus proche du

premier substituant, que ce soit l’halogène ou non.

Quatre isomères de C6H13Cl sont représentés ci-dessous. La chaîne principale doit

contenir le carbone sur lequel est attaché le chlore :

Dans trois des isomères, la chaîne principale contient cinq carbones et le nom est

donc basé sur le pentane. Les substituants sont ordonnés alphabétiquement (ex : 1-chloro-3-

méthylpentane et non 3-méthyl-1-chloropentane). Dans le dernier isomère, la chaîne

principale (choisie pour contenir le carbone sur lequel est attaché Cl) contient quatre

carbones et son nom est donc basé sur le butane.

161BLes halogénoalcanes avec plus d’un atome d’halogène

Un halogénoalcane à chaîne droite avec deux substituants halogènes identiques est

numéroté de sorte que les numéros de position soient aussi petits que possible. Par

exemple :

Si des atomes d’halogènes différents sont présents, les préfixes correspondants sont

classés alphabétiquement, par exemple : 1-bromo-2-chlorobutane.

162BHalogénoalcanes primaires, secondaires et tertiaires

Lorsqu’un atome d’halogène est attaché à un carbone terminal, le composé est un

halogénoalcane primaire ; la formule générale est RCH2X. Un composé dont la structure

générale est R2CHX est un halogénoalcane secondaire. Finalement, dans un

halogénoalcane tertiaire, trois groupements alkyles sont attachés au carbone porteur de

l’halogène et la formule générale en est R3CHX. Les groupements R, dans ces formules

générales peuvent être identiques, ou non.

ClCl

ClCl

1-chloro-3-méthylpentane 2-chloro-3-methylpentane 3-chloro-3-méthylpentane 1-chloro-2-éthylbutane

Br Br

F

F1,5-dibromopentane 2,3-difluorohexane

Chimie Organique


45BU5.2. Synthèse des halogénoalcanes

En étudiant la chimie des alcanes et des alcènes, nous avons décrit la formation

d’halogènes dans un bon nombre de réactions et des détails peuvent être obtenus en se

référant aux sections adéquates :

• Réaction de X2 avec les alcanes.

• Formation de dihalogènures vicinaux par addition électrophile de X2 à un alcène.

• Formation d’halogénoalcanes par addition électrophile de HX à un alcène.

• Formation d’halogénoalcanes par addition radicalaire de HX à un alcène.

• Formation de gem-dihalogénures par réaction de HX avec un alcyne.

La première de ces méthodes n’est pas une technique utile pour la formation de

dérivés halogénés spécifiques. Il est difficile de contrôler les réactions de substitutions

radicalaires et des mélanges de produits sont obtenus. L’addition électrophile de X2 (X = Cl

ou Br) donne des dihalogénures vicinaux avec un bon rendement. Les monohalogénures

sont produits par addition de HX (X = Cl, Br ou I) à un alcène et, comme nous l’avons discuté

antérieurement, l’addition est régiosélective avec l’atome de X qui s’attache au carbone le

plus substitué (Markovnikov), comme on peut le voir dans la réaction ci-dessous.

L’addition de HX sous des conditions radicalaires donne un produit anti-Markovnikov

comme dans la réaction ci-dessous.

Nous avons également décrit la bromation allylique en utilisant le NBS, une réaction

qui permet la bromation d’un carbone adjacent à une double liaison C=C.

Les réactions entre les alcanes ou les alcènes et F2 sont explosives et donc les

fluoroalcanes sont habituellement préparés en utilisant un agent de fluoration alternatif.

L’équation ci-dessous illustre l’utilisation de HF/SbF5 avec fluoration par échange partiel d’un

halogène.

BrBr+ HBr +

majoritaire

BrHBr + amorceur radicalaire

Chimie Organique


Un groupement trifluorométhyle (CF3) est présent dans l’antidépresseur Prozac,

commercialisé par Lilley et qui fait partie des produits pharmaceutiques les mieux vendu

dans le monde.

Une voie commune et pratique pour la préparation d’halogénoalcanes consiste à les

synthétiser à partir de leur alcool correspondant, comme dans le schéma général ci-dessous.

ROH + HX RX + H2O (X = Cl, Br, I)

Les alcools tertiaires sont les plus réactifs et l’ordre de réactivité est :

R3COH > R2CHOH > RCH2OH

Il en résulte donc que cette réaction est plus souvent utilisée pour des alcools

tertiaires que pour des alcools secondaires ou primaires. Nous reviendrons sur le

mécanisme de cette réaction et sur les raisons de cette différence de réactivité dans un

chapitre ultérieur.

Pour la conversion d’alcools primaires ou secondaires en halogénoalcanes, les

réactions avec le chlorure de thionyle (SOCl2), les halogénures de phosphore (III) (PCl3,

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

HF, SbF5Cl

Cl

Cl

F

Cl

Cl HF, SbF5

F

Cl

Cl

F

Cl

Cl

HF, SbF5F

Cl

Cl

F

F

Cl

HF, SbF5F

F

Cl

F

F

Cl

O

NH

F

F

F

prozac

OH ClHCl conc ; 298 K

Chimie Organique


PBr3, PI3) ou le chlorure de phosphore (V) (PCl5) sont plus utiles. Les réactions ci-dessous

en sont des exemples. Un avantage d’utiliser SOCl2 est que les produits secondaires (HCl et

SO2) sont des gaz, ce qui rend l’isolation du produit organique aisée.

46BU5.3. Les propriétés physiques

163BLes liaisons C-X

Les valeurs d’électronégativité de la section 4.2. montre que chaque liaison C-X (X =

F, Cl, Br, I) est polaire dans le sens Cδ+-X δ-, et nous avons considéré l’influence de ce fait sur

les moments dipolaires moléculaires dans le chapitre 4.

164BTempératures d’ébullition

Un halogénoalcane présente, habituellement, une température d’ébullition plus haute

que l’alcane correspondant. La figure ci-dessous illustre la tendance en point d’ébullition

dans la série CH4-xClx et montre que l’accroissement du nombre d’atomes de Cl mène à

l’accroissement de la température d’ébullition : CH2Cl2, CHCl3 et CCl4 sont des liquides à

298, alors que CH4 et CH3Cl sont des gaz. La tendance en accroissement de point

d’ébullition suit l’accroissement en masse moléculaire.

OH ClSOCl2

OHPBr3, reflux

Br

Chimie Organique


165BChloro-, bromo- et iodoalcanes liquides

Les chloro-, bromo- et iodoalcanes liquides sont habituellement plus denses que l’eau

et la densité augmente avec l’augmentation du degré de substitution en halogène. Par

exemple, les densités de CH2Cl2, CHCl3 et CCl4 sont de 1,33 ; 1,48 et 1,59 respectivement.

Les halogénoalcanes liquides sont habituellement non miscibles à l’eau. C’est logique du fait

que l’eau est polaire, mais que les halogénoalcanes tels que CCl4 et CBr4 ne sont pas

polaires. A la fois CHCl3 et CH2Cl2 sont polaire, comme nous l’avons vu au chapitre

précédent. Pourtant, ces deux liquides ne sont pas miscibles à l’eau. Cela peut être attribué

au fait que les interactions dipôle-dipôle entre l’eau et l’halogénoalcane ne compense pas

suffisamment la perte de liaisons hydrogènes entre les molécules d’eau.

Bien que les halogénoalcanes liquides aient été largement utilisés comme solvant de

lavage à sec, il est maintenant établi que certains d’entre eux pouvaient causer des

dommages au foie et que d’autres sont suspectés d’être cancérigènes. Le dichlorométhane

et le trichlorométhane (chloroforme) sont des solvants de laboratoire communs, même si les

risques pour la santé associés aux solvants chlorés, particulièrement CCl4, on conduit à

réduire leur utilisation.

47BU5.4. Les réactions des halogénoalcanes : formation de réactifs de

Grignard et d’organolithiens

Les halogénoalcanes permettent habituellement les types généraux de réactions

suivants :

• Substitution nucléophile de X-

• Elimination de HX pour donner un hydrocarbone insaturé

• Formation de réactifs de Grignard

• Formation d’organolithiens

Dans cette section, nous allons étudier l’utilisation des halogénoalcanes pour la

formation de deux types de composés organométalliques : les réactifs de Grignard et les

organolithiens. Plus tard dans le chapitre, nous nous pencherons sur une vue plus détaillée

des réactions de substitution nucléophile et d’élimination.

166BLes réactifs de Grignard

Les réactifs de Grignard sont des composés organométalliques de type général

RMgX et sont de grande importance en chimie organique de synthèse comme réactifs

alkylant. La liaison Mg-C est hautement polaire dans le sens Mgδ+-Cδ- ce qui contribue à la

réactivité des réactifs de Grignard. Ils sont sensibles à l’air et à l’humidité et sont

Chimie Organique


habituellement préparés in situ, c'est-à-dire que les composés ne sont pas isolés, mais sont

préparés dans des solutions d’éther, comme requis, en travaillant sous atmosphère inerte

(sans oxygène, ni humidité). Alternativement, certains des réactifs de Grignard les plus

utilisés peuvent être achetés de compagnies commerciales. Les solvants habituels pour les

réactifs de Grignard sont le diéthyléther et le tétrahydrofurane (THF) anhydre. Le magnésium

métallique réagit avec une halogénoalcane suivant l’équation ci-dessous et une liaison MG-C

est formée.

La réaction peut être amorcée par ajout de I2 ; il réagit pour donner une surface de

magnésium pour donner une surface propre et hautement réactive. La vitesse à laquelle la

réaction ci-dessus se déroule suit l’ordre RI > RBr > RCl, et les halogénoalcanes primaires,

secondaires et tertiaires réagissent tous avec Mg. Les équations ci-dessous en illustrent

quelques exemples. La méthode peut être étendue aux halogénures d’aryles, par exemple le

chlorobenzène.

Nous verrons les utilisations de réactifs de Grignard dans des chapitres ultérieurs, et

leur utilité en synthèse est illustrée dans la figure ci-dessous. Cette figure montre les

réactions entre des réactifs de Grignard et des groupements carbonyles et des donneurs de

proton.

R X MgO

O

R Mg X+ou

Br MgEt2O

MgBr

ClMg

Et2OMgCl

+

+

Chimie Organique


Bien que l’on représente les structures des réactifs de Grignard comme ayant une

coordination de 2 pour le Mg, la formation d’adduits avec des solvants donneurs tels que le

THF ou l’Et2O conduit typiquement à une coordination de 4. Par exemple, EtMgBr cristallise

à partir de solutions dans le diéthyléther comme l’adduit illustré ci-dessous, lequel contient

un Mg approximativement tétraédrique.

167BLes organolithiens

Les composés organolithiens, RLi, sont des composés organométalliques qui se

comportent comme des sources de carbanions, R-, et ont de nombreuses utilités en

synthèse. Les alkyllithiens sont utilisés comme agent d’alkylation. Les alkyllithiens, comme

les aryllithiens, peuvent être préparés par traitement d’un halogénoalcane avec du lithium

sous atmosphère inerte. L’absence d’air et d’humidité est essentielle puisque le Li métallique

et les dérivés RLi réagissent avec H2O et O2. Les solvants doivent être anhydres.

MgBrO

O

Chimie Organique


RX + 2 Li RLi + LiX

Un réactif organolithien particulièrement important est le n-butyllithium, nBuLi, qui peut

être synthétisé par la réaction suivante :

Le n-butyllithium est également disponible commercialement sous forme de solution

dans l’hexane, scellé sous atmosphère d’azote ou peut être facilement synthétisé, à petite

échelle, dans un laboratoire. D’autres réactifs organolithiens commercialement disponibles

sont le MeLi et le PhLi. Les organolithiens peuvent agir comme nucléophiles et comme base.

La figure ci-dessous montre quelques exemples d’utilisation de RLi. Le MeLi et BuLi sont

communément utilisés comme agents de déprotonnation ; la valeur du pKa de CH4 est de 48

et donc Me- est une base très forte.

BrLi, pentane

Li LiBr+

Chimie Organique


48BU5.5. Les réactions des halogénoalcanes : substitution électrophile

vs élimination

Le fait que la liaison C-X est polaire dans le sens Cδ+-X δ− signifie que l’atome de

carbone dans un halogénoalcane est susceptible d’être attaqué par des nucléophiles ; le

carbone qui porte une charge partielle positive dans un halogénoalcane agit comme un

électrophile. Deux réactions peuvent avoir lieu lorsqu’un nucléophile attaque :

• Le nucléophile, Nu- peut s’attacher à l’atome de carbone de la liaison C-X et X- part,

ou

• Une base, B, peut arracher un atome d’H de l’atome de carbone adjacent de la

liaison C-X et il y a élimination simultanée de X- pour donner un alcène.

Dans les sections suivantes, nous étudierons les manières dont l’élimination et la

substitution ont lieu et la compétition qu’il peut y avoir éventuellement lieu entre elles.

49BU5.6. Substitution nucléophile

168BLe mécanisme de la SN1

Considérons la réaction de Me3CCl avec H2O qui obéit à une loi de vitesse d’ordre 1.

Pour qu’un mécanisme réactionnel puisse expliquer une loi de vitesse de ce type doit

comprendre une étape cinétiquement limitante faisant intervenir seulement Me3CCl. Le

nucléophile, H2O, doit être impliqué dans une étape rapide. Les étapes du mécanisme SN1

sont illustrées ci-dessous :

L’étape lente est le clivage dissociatifs spontané de la liaison C-Cl, c'est-à-dire une

étape unimoléculaire. Un ion chlorure part (Cl- est le groupement partant) et un carbocation

R X Nu- R Nu X

RX

H H

H H

RH

H

HBH+ X

+ +

+ B + +

ClC

+Cl

C+

H2O:O

+ HH OH

+

Chimie Organique


est formé. C’est un intermédiaire réactionnel, qui réagit en une étape rapide avec tout

nucléophile disponible. Dans la réaction ci-dessus, le nucléophile est H2O. Lorsque la liaison

C-O se forme, la charge positive est transférée du carbone vers l’oxygène, et il s’en suit,

rapidement, une perte de H+ pour donner le produit. Il est également, bien entendu possible

que le carbocation soit attaqué par Cl- pour régénérer le matériel de départ.

169BLe mécanisme de la SN2

Maintenant étudions la substitution nucléophile qui présente un second ordre global,

avec une vitesse de réaction qui dépend à la fois de la concentration en halogénoalcane et

en nucléophile. Un mécanisme qui permette d’expliquer ces données fait intervenir un

processus en une étape, c'est-à-dire que l’étape limitante est un mécanisme d’échange

bimoléculaire. C’est ce que l’on appelle un mécanisme de SN2 et c’est ce qui est illustré dans

le schéma ci-dessous :

La formation de la liaison C-Cl et la rupture de la liaison C-Br ont lieu en une seule

étape et le processus est dit « concerté ». Il n’y a pas formation d’un intermédiaire. Le

chemin réactionnel passe par un état de transition illustré ci-dessous :

170BLes stéréochimies des réactions SN1 et SN2

Nous venons de montrer qu’il existe deux mécanismes différents suivant lesquels une

substitution nucléophile peut avoir lieu. Des différences observables au niveau des

cinétiques chimiques fournissent quelques indices sur les mécanismes SN1 et SN2. Ces

mécanismes ne sont exclusifs que pour quelques rares molécules, et il y a habituellement

une compétition entre eux et avec l’élimination dont nous discuterons ultérieurement. En plus

des différences au niveau des lois de vitesse, des différences dans la stéréochimie des

produits par rapport au réactif permettent de distinguer les mécanismes SN1 et SN2.

Le 2-bromobutane contient un atome de carbone asymétrique (l’atome sur lequel le

brome est fixé) et lorsqu’un énantiomère optiquement pur subit une substitution nucléophile

avec HO-, la configuration absolue change de (R) en (S) ou de (S) en (R) en partant du

H H

Br

H:Cl-

HH

Cl

H

Br+

H

HHBrCl

‡

Chimie Organique


réactif vers le produit. Il y a inversion complète de la configuration, comme illustré ci-

dessous. C’est ce que l’on appelle une inversion de Walden.

BrH HHO

OH-

-HBr

L’inversion peut être expliquée par le mécanisme SN2 dont nous avons parlé

antérieurement. L’attaque du nucléophile et l’élimination du groupement partant se déroulent

linéairement et lorsque cela arrive, les trois substituants qui sont conservés durant la

réaction sont repoussés. Le processus est représenté ci-dessous, observez ce qui se passe

au niveau de la configuration absolue.

C Br

Me

HEt

HOMe

HEt

BrHOδ− δ− -Br-

HO

Me

HEt

Les cinétiques d’une réaction SN1 sont en adéquation avec la formation d’un

carbocation intermédiaire. Un tel intermédiaire contient un centre C+ plan qui peut être

attaqué par le nucléophile par l’une ou l’autre face. Les conséquences stéréochimiques de

cet état de fait peuvent être vues si on considère la réaction de l’halogénoalcane tertiaire

chiral 3-chloro-3-méthylhexane avec l’eau. Si on part de l’énantiomère optique pur (R),

l’équation ci-dessous montre que le produit est un mélange d’énantiomères. La conversion

de (R)-3-chloro-3-méthylhexane en (R)-3-méthylhexan-3-ol se déroule avec rétention de

configuration et celle de (R)-3-chloro-3-méthylhexane en (S)-3-méthylhexan-3-ol avec

inversion de configuration.

Cl OH HO

(R)-3-chloro-3-méthylhexane (R)-3-méthylhexan-3-ol (S)-3-méthylhexan-3-ol

171BSN1 ou SN2 ?

Nous venons de mettre en évidence les détails de deux mécanismes extrêmes de la

substitution nucléophile, mais qu’est-ce qui détermine que l’un des chemin est suivi plutôt

qu’un autre pour une réaction particulière ? Les deux mécanismes sont-ils en compétition au

sein de la même réaction ? Les réponses à ces questions ne sont pas simples parce qu’il y a

un nombre de facteurs contributifs important :

Chimie Organique


• La nature du carbocation qui est formé si la réaction se déroule suivant le mécanisme

SN1

• Des effets stériques

• Le nucléophile

• Le groupement partant

• Le solvant.

Nous étudierons chaque facteur séparément. Cependant, il est important de garder à l’esprit

que, en pratique, il y a une interaction entre ces facteurs et qu’en tirer des conclusions

générale n’est pas du tout aisé. Un point crucial à garder également à l’esprit est que pour

qu’un mécanisme dissociatif SN1 soit favorisé, un clivage hétérolytique de la liaison C-X doit

avoir lieu directement.

172BLe carbocation

Nous avons parlé des carbocations dans la section 3.5 et décrit la façon dont ils sont

stabilisés par les groupements attracteurs d’électrons. L’ordre général de stabilité des

carbocations ou R est un groupement alkyle est :

R3C+ > R2HC+ > RH2C+ > H3C+

Les carbocations formés par le départ de X- d’un simple halogénoalcane

correspondent à l’une des catégories ci-dessus, mais d’autres types de cations sont formés

si le composé de départ contient d’autres groupements fonctionnels. Deux carbocations, les

cations allyliques et benzyliques, présentent une stabilité particulière. Si le composé

halogéné de départ contient un substituant X attaché à un carbone adjacent à une double

liaison C=C, alors la perte de X- génère un carbocation allylique qui est stabilisé par les

contributions des deux structures de résonance. Alternativement, la stabilisation peut être

représentée en termes de délocalisation de liaison.

Lorsque le composé halogéné contient un groupe CH2X attaché à un cycle

benzénique, la perte de X- donne un carbocation benzylique. Nous discuterons de la chimie

du benzène et de ses dérivés ultérieurement, mais nous sommes ici intéressé par la

réactivité du substituant CH2X. La stabilité accrue du carbocation benzylique a pour origine

les contributions de chaque structure de résonance illustrées ci-dessous. Le résultat net en

est que la charge positive est délocalisée sur l’ensemble du cycle.

X C+- X-

Chimie Organique


Les carbocations allylique et benzylique sont des types de carbocations primaires

(RCH2+) mais leur stabilisation par résonance signifie que leur stabilité est plus importante

que celles de carbocations primaires où R = alkyle. Globalement, la stabilité des

carbocations peut être résumée comme suit, où R = alkyle :

Que signifient donc ces stabilités relatives en terme de mécanisme de substitution

nucléophile ? Le plus stable des carbocations est celui pour lequel la perte d’un X- comme

étape cinétiquement limitante est la plus probable. Dans ce cas, un mécanisme de type SN1

est donc le plus probablement favorisé. Alors que l’halogénoalcane tertiaire Me3CCl se fait

très rapidement hydrolyser, les composés secondaires et primaires Me2CHCl et MeCH2Cl

sont hydrolysés seulement lentement. L’hydrolyse est plus rapide si un intermédiaire

allylique peut être formé. Donc, dans les mêmes conditions (même température, solvant,

concentration, etc.), les vitesses relatives d’hydrolyse d’une série de chlorures sont :

La vitesse la plus élevée correspond à un halogénoalcane tertiaire subissant une SN1

avec l’eau ; souvenons-nous que la vitesse est indépendante du nucléophile. La seconde

vitesse la plus élevée correspond à un système qui peut former un carbocation allylique et

pour lequel un mécanisme SN1 est favorable. La vitesse d’hydrolyse du chloroalcane

secondaire est faible ; le mécanisme SN1 est possible, mais il n’est pas spécialement

favorisé et il y a compétition avec le mécanisme SN2. Le chloroalcane primaire présente la

vitesse d’hydrolyse la plus faible ; le mécanisme SN1 n’est pas favorable et la réaction se

déroule très probablement suivant un mécanisme SN2. Comme nous l’avons vu, la vitesse

de réaction d’une réaction SN2 dépend du nucléophile aussi bien que de l’halogénoalcane ;

la vitesse d’hydrolyse de MeCH2Cl est très faible, ce qui est cohérent avec le fait que H2O

est un nucléophile faible. Nous y reviendrons plus tard.

En résumé :

C+

H

HC

+

H

H

C+

H

H

C+

H

H

RC

+

R

R C+ HH

C+

RC

+

H

R

RC

+

H

H

HC

+

H

H> ~ ~ > >

Cl Cl Cl Cl> > > > >

Chimie Organique


• La formation d’un carbocation tertiaire favorise la SN1 sur la SN2

• La formation d’un carbocation allylique ou benzylique favorise la SN1 sur la SN2, mais

pas de façon aussi tranchée

• La formation d’un carbocation secondaire est suffisamment favorable pour permettre

à la SN1 d’avoir lieu, mais il y aura compétition avec la SN2

• Les carbocations primaires et méthyliques ne sont pas favorisés et une dissociation

spontanée de l’halogène du précurseur correspondant n’a pas lieu.

173BLes effets stériques

Si on retourne à la discussion concernant le mécanisme de la SN2, il est alors clair

que l’approche du nucléophile et la formation d’un état de transition est stériquement

défavorable si le carbone central porte des substituants volumineux. Le nucléophile doit être

capable d’attaquer l’atome de carbone au travers d’un « bouclier » de substituants. La figure

ci-dessous montre les structures à « espace rempli » de CH3Br, MeCH2Br, Me2CHBr et

Me3CBr. Chaque molécule est vue avec la liaison C-Br qui pointe vers le dos de la feuille, ce

qui correspond à la vue qu’a le nucléophile lorsqu’il se dirige vers l’atome de carbone central.

Les substituants les plus petits possibles sont les hydrogènes et l’attaque nucléophile

du carbone dans CH3X est aisée. Donc le mécanisme SN2 est favorisé pour les halogénures

de méthyle. Similairement, l’attaque par un nucléophile sur l’atome de carbone primaire de

MeCH2Br n’est pas très gênée stériquement et le mécanisme SN2 peut avoir lieu

directement. Il est plus difficile pour le nucléophile d’attaquer un carbone secondaire

Me2CHBr et plus encore d’attaquer un carbone tertiaire Me3CBr. Les halogénoalcanes

secondaires peuvent subir des réactions SN2, mais la réaction est généralement lente à

cause de l’encombrement stérique. Les halogénoalcanes tertiaires ne peuvent subir une

SN2. L’encombrement stérique joue un rôle, mais la vitesse à laquelle un carbocation tertiaire

se forme est tellement rapide que cette étape empêche de toute façon la SN2 d’avoir lieu.

Les deux derniers types d’espèces dont nous avons parlé dans le paragraphe

précédent sont les halogénures allyliques et benzyliques. Nous avons montré comment ils

Chimie Organique


pouvaient, tous deux subir une SN1. Cependant, tous deux sont des halogénoalcanes

primaires et ils peuvent également subir une SN2. Plus encore, le système π qui est adjacent

au site de l’attaque nucléophile aide à stabiliser l’état de transition.

En résumé :

• Les réactions de SN2 peuvent avoir lieu si l’attaque par un nucléophile sur le carbone

est stériquement possible.

• Les halogénures de méthyle et les halogénoalcanes primaires sont les meilleurs

candidats pour un mécanisme SN2, lequel est encore plus favorisé pour les

halogénures allyliques et benzyliques par délocalisation des électrons π dans l’état de

transition

• Les halogénoalcanes tertiaires ne subissent pas de réaction SN2.

174BLe nucléophile

La vitesse d’une réaction SN2 montre une dépendance du premier ordre vis-à-vis du

nucléophile. En outre, la vitesse de réaction est affectée par la nature du nucléophile. Toutes

les espèces attaquantes ne sont pas d’aussi bons nucléophiles les unes que les autres. La

constante de vitesse est caractéristique d’une réaction particulière et, si nous considérons

une réaction SN2 avec un substrat halogénoalcane fixé, nous trouvons que k varie avec le

nucléophile. Cette observation est habituellement discutée en termes de nucléophilie du

groupe entrant, toutes les autres conditions (halogénoalcanes, solvant, température) étant

fixées. Malheureusement, la nucléophilie n’est pas facile à définir, mais il est utile, de penser

à un bon nucléophile (dans le cadre de l’attaque d’un halogénoalcane) comme à une espèce

capable de facilement former une liaison avec un Cδ+ qui faisait originellement partie d’une

liaison C-X. Il est également utile de faire une comparaison entre nucléophilie et basicité,

puisqu’il est habituellement établi qu’une bonne base est une espèce qui capture facilement

un H+.

Ce dernier point nécessite quelques explications supplémentaires. Les réactions de

CH3Br avec HO-, CH3CO2- et H2O suivent un mécanisme SN2 et leurs vitesses suivent l’ordre

suivant : HO- > CH3CO2- > H2O. La nucléophilie de ces espèces est donc HO- > CH3CO2

- >

H2O. Considérons maintenant l’affinité de chaque nucléophile pour un proton, c'est-à-dire la

basicité de chaque espèce. Cela peut se faire en étudiant les valeurs de pKa de l’acide

conjugué : pKa H2O > pKa CH3CO2H > pKa H3O+, ce qui signifie que H3O+ donne plus

facilement un H+ et que H2O en accepte le moins facilement. Souvenons-nous que si un pKa

est grand, cela, alors le Ka pour l’acide est faible, l’équilibre est déplacé vers la gauche, et A-

est une base relativement forte. Plus le pKa est grand, plus la basicité de A- est importante.

HA ↔ H+ + A- pKa = -log Ka

Chimie Organique


Donc, les valeurs de pKa de H2O, CH3CO2H et H3O+ montrent que l’ordre de basicité

est HO- > CH3CO2- > H2O, un ordre qui est comparable à celui de leur nucléophilie. En

général, dans une série de nucléophiles qui contiennent le même atome donneur, on peut

utiliser les valeurs de pKa pour se faire une idée approximative des forces relatives des

espèces en tant que nucléophiles.

Lorsque les membres d’une série de nucléophiles contiennent des atomes donneurs

différents (à nouveau en supposant l’halogénoalcane, ainsi que les autres conditions fixés)

alors la tendance dans les valeurs de pKa ne peuvent servir de guide fiable à leur

nucléophilies. Cependant, à partir des données de cinétique, on peut tracer quelques

tendances utiles : les nucléophiles qui appartiennent à même groupe périodique deviennent

plus fort à mesure que l’on descend dans ce groupe. Par exemple, les nucléophilies suivent

habituellement l’ordre :

I- > Br- > Cl-

HS- > HO-

RS- > RO- (R = alkyle)

On peut se faire une vue d’ensemble des points dont nous venons de discuter en

étudiant les vitesses relatives des réactions de différents nucléophiles avec CH3Br (dans un

solvant commune, l’éthanol) ; les vitesses relatives sont exprimées par rapport à l’attaque

par l’eau :

Nucléophile HS- I- HO- Cl- CH3CO2- H2O

Vitesse relative ~125 000 ~100 000 ~12 000 ~1 000 ~800 1

Les termes nucléophiles durs et mous sont souvent utilisés, et l’application de ces

termes est similaire à celle qui est utilisée en chimie de coordination des ligands. Les

nucléophiles durs tendent à posséder un O ou N comme atome attaquant, par exemple HO-

et NH2-, alors que les nucléophiles mous portent des atomes moins électronégatifs qui sont

plus bas dans les groupes périodiques, par exemple RS- et I-. Tant que l’on envisage une

substitution SN2 avec des halogénoalcanes, les nucléophiles mous sont meilleurs que les

durs (il suffit de regarder les vitesses relatives ci-dessus pour en être convaincu). Mais la

situation peut être renversée pour l’attaque d’autres centres, comme nous le verrons

ultérieurement lorsque nous parlerons de l’attaque nucléophile sur des groupements

carbonyles.

En résumé :

Chimie Organique


• La tendance en nucléophilie des espèces est généralement comparable à celle de

leur basicité, en supposant que l’atome attaquant est constant dans la série de

nucléophiles

• Pour les espèces appartenant à un groupe périodique, la nucléophilie augmente

généralement lorsque l’on descend dans le groupe (ex. : I- > Br- > Cl-).

175BLe groupement partant

La nature du groupement partant est important à la fois pour les mécanismes SN1 et

SN2. Dans l’étape cinétiquement déterminante dans les deux mécanismes, la liaison C-X est

brisée et X- part. Dans la substitution nucléophile des halogénoalcanes, le groupement

partant peut être F-, Cl-, Br- ou I-. Le meilleur groupement partant est I-, et le moins bon est F-

: I- > Br- > Cl- > F-

Ces observations peuvent être corrélées avec les valeurs de pKa des acides

conjugués : pKa HF = +3,5, HCl = -7, HBr = -9 et HI = -11. Des valeurs négatives de pKa

signifient des acides forts, et donc Cl-, Br- et I- sont des bases faibles ; les ions sont stables

et sont de bons groupements partant. De l’autre côté, HF est un acide faible et F- est un

mauvais groupement partant.

Dans les prochains chapitres, nous étudierons des réactions de substitution

nucléophile dans lesquelles le groupement partant est autre chose qu’un ion halogénure, et il

est donc intéressant d’introduire d’autres groupements dans notre discussion actuelle. De

pauvres groupements partants comprennent HO-, H2N- et RO- et, comme F- ce sont des

bases conjuguées d’acides faibles. La faible capacité de OH- de partir dans une réaction de

substitution nucléophile faisant intervenir un substrat alcoolique peut être compensée par

protonation du groupement OH. Cela signifie que H2O (un bon groupement partant) est

expulsé plutôt que OH- (un mauvais groupement partant). Nous verrons cette stratégie à

l’œuvre dans les deux prochains chapitres. L’ion tosylate est également un excellent

groupement partant et nous reviendrons sur son utilisation au chapitre 7.

En résumé :

• Les groupements partant halogénures sont classé I- > Br- > Cl- > F-

• Les fluoroalcanes ne subissent pas de SN2 du fait que F- est un très mauvais

groupement partant.

S O

O

O

Chimie Organique


176BLe solvant

Le choix d’un solvant adéquat pour les réactions de substitution nucléophile est

important. Dans une réaction de SN1, l’étape cinétiquement limitante inclut la rupture

hétérolytique d’une liaison et un ion polaire accroit la vitesse de formation d’un ion par

stabilisation de l’état intermédiaire. La vitesse de réaction SN1 est donc accrue par

l’utilisation de solvants polaires tels que l’eau et l’éthanol.

Le choix du solvant est également important pour les réactions SN2, mais n’est pas le

même que celui pour les réactions SN1. Alors que la vitesse d’une réaction SN1 est

indépendante du nucléophile, celle d’une réaction SN2 en dépend. Nous devons donc

considérer quel effet aura le solvant sur l’approche du nucléophile vers l’halogénoalcane. Le

nucléophile dans une réaction de SN2 est habituellement un anion (ex. : Cl-, HO-, NC-). Les

anions sont fortement solvatés par les solvants protiques tels que H2O et MeOH. Ces

solvants forment des ponts hydrogènes avec un nucléophile anionique et nuisent

stériquement à son attaque du substrat halogénoalcane. Le nucléophile est stabilisé par

solvatation et cela accroit l’énergie d’activation pour la réaction de substitution.

Les solvants aprotiques polaires comprennent l’acétonitrile, l’acétone, le

diméthylsulfoxyde (DMSO) et le diméthylformamide (DMF). Etant polaires, ce sont de bons

solvants pour d’autres molécules polaires et pour certains composés ioniques. Par contre,

les solvants aprotiques ne contiennent pas d’atomes d’hydrogène attaché aux atomes

électronégatifs et sont incapables de former des liaisons hydrogènes avec le nucléophile. En

conséquence, la vitesse d’une réaction SN2 dans un solvant polaire aprotique excède de

beaucoup celle de la même réaction dans un solvant protique.

En résumé :

• La vitesse d’une réaction SN1 est améliorée par l’utilisation d’un solvant protique (ex.

H2O)

• La vitesse d’une réaction SN2 est améliorée par l’utilisation d’un solvant aprotique

polaire (ex. DMF, MeCN)

50BU5.7. Réactions d’élimination

Dans la section 5.5., nous avons établi qu’un halogénoalcane, RX, pouvait subir des

réactions de substitution nucléophile ou d’élimination. Dans la section 5.6., nous avons

NO

H N

O

SO

Acétonitrile Acétone DMF DMSO

Chimie Organique


discuté des réactions SN1 et SN2, et des préférences pour l’un des mécanismes ou pour

l’autre. Nous avons vu que la situation n’est pas simple, et qu’un nombre important de

facteurs contribuent à la compétition SN1 vs SN2. La situation est encore compliquée par le

fait que l’élimination de HX peut entrer en compétition avec la substitution de X- par un

nucléophile arrivant. Tout comme il y a deux mécanismes de substitution, il y a également

deux mécanismes d’élimination :

• E1 unimoléculaire

• E2 bimoléculaire

Tout d’abord considérons les mécanismes E1 et E2 séparément et considérons

ensuite leur compétition globale avec les réactions SN1 et SN2.

177BLe mécanisme E1

Nous avons vu antérieurement que la réaction du 2-chloro-2-méthylpropane avec

H2O donnait du 2-méthylpropanol. En fait, une quantité mineure de 2-méthylpropène est

également formée, et si le nucléophile est changé de H2O en HO-, le produit prédominant est

le 2-méthylpropène.

La réaction ci-dessus montre une dépendance de premier ordre pour

l’halogénoalcane et aucune dépendance pour OH-.

Les données de vitesse sont conformes avec la formation d’un carbocation dans

l’étape cinétiquement déterminante, c'est-à-dire un mécanisme unimoléculaire E1. La

première étape dans la voie E1 est dès lors la même que dans une réaction SN1 :

L’étape suivante est l’étape rapide de formation de 2-méthylpropène dans laquelle

HO- arrache H+ du carbocation intermédiaire.

Que le nucléophile agisse ou non de cette manière (voie E1) plutôt que de s’ajouter

au carbocation (voie SN1) dépend d’un ensemble de facteurs. L’arrachement de H+ est

facilité par une base forte qui soit un faible nucléophile, par exemple l’amidure

ClOH- Cl+ + + H2O

Cl

C+ Cl+

C+

H

H

H :OH-

Chimie Organique


Li{N(CHMe2)2}. Les facteurs stériques au niveau du substrat organique peuvent également

faire basculer le mécanisme en faveur de l’élimination ; la création de deux carbones

trigonaux plans à la place de tétraédriques peut, en effet, aider à réduire les tensions

stériques. Par exemple, un carbocation tertiaire Bu3C+ peut préférer éliminer H+ plutôt que de

réagir avec un nucléophile à son centre C+. Cette dernière option forcerait les trois

substituants butyle à être plus proches les uns des autres que dans le produit alcène.

En fait, cette réaction d’élimination aura lieu avec une base plus faible que HO-, pour

autant que cette base soit un nucléophile faible.

Les réactions E1 requièrent la formation d’un carbocation et dès lors sont favorisées

pour les halogénoalcanes tertiaires, allyliques et benzyliques. Les halogénoalcanes

secondaires peuvent subir des réactions E1, mais pas les halogénoalcanes primaires à

cause de la faible stabilité relative d’un carbocation primaire. Lorsqu’un choix est possible, la

perte de H+ favorisera la formation de l’alcène le plus substitué comme l’illustre le schéma

suivant :

Donc l’élimination est régiosélective.

Lorsque la dernière étape d’un mécanisme E1 peut conduire à des isomères E ou Z

d’un alcène, il favorisera la formation de l’isomère le moins tendu stériquement, comme par

exemple :

C+

HH:B

H

C+ +

Majoritaire

C+ +

Majoritaire

Chimie Organique


178BLe mécanisme E2

En présence d’une base, l’élimination de HX à partir d’un halogénoalcane peut obéir

à une cinétique du second ordre avec l’équation de vitesse de la réaction étant :

Vitesse de réaction = k [halogénoalcane] [base]

Un mécanisme qui est conforme avec ces résultats expérimentaux fait intervenir une

étape cinétiquement déterminante bimoléculaire. C’est la réaction E2 : perte de HX promue

par une base.

La base dans l’équation ci-dessus est montrée comme une molécule neutre B et

forme BH+, mais elle peut également être négativement chargée, ex. : EtO-.

L’élimination se déroule de façon à donner l’alcène le plus substitué. Dans l’état de

transition, la base commence à former une liaison avec le proton qui est en train de se faire

éliminer et, simultanément, le lien C-H commence à se briser, la liaison π de la double liaison

C=C commence à se former et le lien C-Br commence à se briser. Ces liaisons sont

indiquées en lignes pointillées dans la figure ci-dessous.

Pour que ce processus concerté ait lieu, tous les atomes de l’unité H-C-C-X impliqués

dans la formation et la rupture des liaisons doivent se trouver dans le même plan. La

géométrie est périplanaire.

En résumé :

• Les réactions E2 requièrent un arrangement périplanaire de l’unité H-C-C-X

• Lorsqu’un choix est possible, l’élimination favorise la formation de l’alcène le plus

substitué (régiosélectivité)

• Lorsqu’un choix est possible, l’halogénoalcane adopte la conformation la moins

stériquement encombrée et le produit d’élimination reflète ce fait.

R

X

R

R

H

R

:BR

RR

RBH+ X+ +

Chimie Organique


51BU5.8. Réactions de substitutions nucléophiles en compétition avec

les éliminations

Dans cette section nous allons étudier les facteurs qui favorisent l’une ou l’autre des

réactions SN1, SN2, E1 ou E2.

179BE1 versus SN1

Nous avons déjà vu que la formation d’un carbocation est favorisée par les solvants

protiques. Cela aide à la fois les réactions SN1 et E1, puisque l’étape cinétiquement

déterminante est identique pour les deux. Que le carbocation soit attaqué ou non par le

nucléophile sur son centre C+ pour donner un produit de substitution, ou soit sujet à

l’élimination d’un H+ pour donner un produit d’élimination dépend de la nature du nucléophile.

Si le nucléophile est fortement basique, le mécanisme E1 est préféré. Cependant, même une

base faible peut arracher un proton du carbocation intermédiaire, et dans ce cas, il y a une

compétition entre les mécanismes E1 et SN1 comme dans la réaction ci-dessous. Le ratio

des produits dépend des conditions de réaction et est affecté par la température, ex. à 340 K

et dans l’éthanol, cette réaction donne un mélange 2 : 1 de produits SN1 : E1.

180BLes halogénoalcanes tertiaires

Lorsque l’on a considéré les réactions de substitution, nous avons vu que les

halogénoalcanes tertiaires, R3CX, réagissaient suivant une SN1 et non une SN2. Il est

tentant, dès lors, de penser que pour les halogénoalcanes tertiaires, il est seulement

nécessaire de considérer la compétition avec la réaction E1. Mais ce n’est pas le cas. Si une

base forte est utilisée, la voie E2 peut être suivie, par exemple, la réaction ci-dessous produit

un alcène presque exclusivement avec un produit de substitution négligeable.

Comme nous l’avons vu plus tôt dans cette section, pour un halogénoalcane tertiaire,

la voie E1 peut être suivie avec une base forte, mais également avec une base faible.

Cependant, la vitesse de la réaction E2 dépend de la concentration et de la force de la base,

elle est donc favorisée à concentration élevée et en présence d’une base forte.

Cl OH

+

Br EtO-

Mécanisme E2

Chimie Organique


181BE2 versus SN2

Les halogénoalcanes primaires, RCH2X, réagissent suivant un mécanisme SN2 et

une compétition avec le mécanisme E2 peut apparaître si le nucléophile est une base forte

telle que EtO-. La réaction E2 est particulièrement favorisée sur le nucléophile est

stériquement encombré. Retournons voir la discussion concernant les effets stériques de la

section 5.6., et notamment la vue qu’a le nucléophile lorsqu’il essaye de s’approcher du

centre Cδ+. Un nucléophile tel que Me3CO- (tBuO-) est très encombré, comme le montre la

figure ci-dessous. C’est également une base forte qui réagit avec le 1-bromopentane pour

donner du pent-1-ène plutôt qu’un produit de substitution (équation ci-dessous).

La compétition entre E2 et SN2 est également observée lorsque le substrat est un

halogénoalcane secondaire. Nous avons déjà décrit comment l’élimination de HBr du 2-

bromobutane par une voie E2 donne du but-2-ène comme produit préférentiel sur le but-1-

ène, et que le (E)-but-2-ène est favorisé sur le (Z)-but-2-ène. L’élimination est favorisée par

rapport à la substitution nucléophile si une base telle que EtO- est utilisée ; un mélange de

produits de substitution et d’élimination est généralement attendu, comme l’illustre l’équation

ci-dessous, mais le produit d’élimination prédomine.

182BHalogénures méthyliques

Dans la discussion concernant les SN2, nous avons discuté, en particulier, du

composé MeX, mais nous ne l’avons pas mentionné dans nos discussions concernant les

réactions d’élimination. La raison en est évidente, la molécule de CH3X ne possédant qu’un

seul atome de carbone, il lui est impossible de subir une élimination pour former un alcène.

Br O

EtO-+

Brt-BuO-

Chimie Organique


52BU5.9. Réactions choisies des halogénoalcanes

Nous avons étudié une série de réactions de substitutions et d’éliminations dans les

sections précédentes. Nous allons nous focaliser, dans cette dernière section, sur quelques

réactions choisies des halogénoalcanes, qui présentent une importance particulière d’un

point de vue synthétique et biologique.

183BSynthèse des éthers

Les réactions entre des alkoxydes, RO-, et des halogénoalcanes sont utilisées pour

préparer des éthers ; cette méthode porte le nom de « synthèse de Williamson ». Un

exemple en a déjà été donné (avec une élimination compétitive). Pour réduire la probabilité

qu’une E2 ait lieu, on utilise généralement des halogénoalcanes primaires. La synthèse de

Williamson peut être utilisée pour préparer à la fois des éthers symétriques (ROR) et des

éthers asymétriques (ROR’), mais nous en discuterons plus en détail ultérieurement.

184BCroissance de la chaîne carbonée

La croissance d’une chaîne carbonée par formation d’une liaison C-C est une

stratégie de synthèse importante. Dans la section 3.12, nous avons montré des réactions

entre des anions acétylénures (RC≡C-) et des halogénoalcanes. Le schéma ci-dessous en

montre d’autres exemples.

La compétition avec les réactions d’élimination peut être minimisée si des

halogénoalcanes primaires sont utilisés ; un soin particulier doit être pris lorsque l’on choisit

l’halogénoalcane le plus adapté, puisque les anions RC≡C- sont des bases fortes.

Une autre façon d’étendre la chaîne carbonée réside dans la réaction d’un

halogénoalcane avec NC-. Le groupe fonctionnel cyano peut, par exemple, être réduit pour

donner une amine.

H Na C Na+

C Na+

Br

+

I NC- CN LiAlH4

ou H2/catalyseur NH2

Chimie Organique


185BLes agents alkylants

La capacité des composés RX à réagir avec les nucléophiles signifie que plusieurs

d’entre eux sont de puissants agents alkylants. L’alkylation de composés organiques de

l’ADN est fortement impliquée dans les processus de carcinogenèse et mutagenèse. Les

groupements amines et thiols des résidus acide-aminés des protéines peuvent agir en tant

que nucléophiles et attaquer les halogénoalcanes qui entre en contact avec ces protéines.

L’alkylation résultante de la protéine inhibe ses fonctions naturelles ; en d’autres termes, les

halogénoalcanes présentent des effets toxiques.

5B6. Les éthers

53BU6.1. Introduction

Les éthers jouent un rôle majeur en tant que solvant au laboratoire et nous avons

déjà vu quelques exemples de leur utilisation avec les organolithiens et les réactifs de

Grignard. Deux des éthers les plus communs en laboratoire sont le diéthyl éther (éther

acyclique) et le tétrahydrofurane (éther cyclique). Chaque atome d’oxygène porte deux

paires libres, comme le montre les structures suivantes :

O

OEt2O THF

Notons que ces électrons ne seront pas explicitement illustrés dans les structures ultérieures

de ce chapitre (ni des autres, a priori).

Les éthers couronnes constituent un groupe particulier d’éthers cycliques qui

possèdent des cavités à l’intérieur desquelles, par exemple, des ions métalliques alcalins

peuvent être coordonnés.

Des noms communs sont encore utilisés pour certains éthers et nous en reparlerons

dans la prochaine section. Retenez toutefois, dès à présent que « l’éther de pétrole » n’est

pas un éther du tout mais un mélange d’hydrocarbones. Il s’agit d’un bel exemple d’usage

incorrect du terme « éther ».

Chimie Organique



186BLes éthers acycliques

Donner un nom aux éthers acycliques n’est pas aussi direct que nommer les types de

composés organiques des chapitres précédents ; il y a plus d’une nomenclature qui est

admise. Il y a deux classes générales éthers acycliques :

- Les éthers symétriques de formule générale R2O (ou ROR) dans lesquels les

groupements R sont identiques.

- Les éthers asymétriques de formule générale ROR’ dans lesquels R et R’ sont

différents.

Un éther acyclique peut être nommé en préfixant le mot « éther » avec les

substituants alkyles ou aryles, par exemple : diéthyl éther ((CH3CH2)2O) ou diméthyl éther

((CH3)2O). Notons que ce nom est écrit en deux mots. Dans un éther asymétrique, les noms

des deux substituants alkyles ou aryles sont placés dans l’ordre alphabétique, par exemple,

éthyl méthyl éther ; notons l’utilisation d’espaces entre les noms constitutifs.

Une nomenclature alternative (également recommandée par la IUPAC) est de

considérer le groupe OR comme un substituant alkoxy. Le composé (CH3)2O peut donc être

nommé méthoxyméthane et le composé (CH3CH2)2O, éthoxyméthane. Pour le cas d’un éther

asymétrique, c’est le groupement le moins lourd qui est considéré comme étant le

substituant alkoxy, le composé CH3OCH2CH3 est donc nommé méthoxyéthane et non

éthoxyméthane. Dans cette nomenclature, il n’y a pas d’espaces entre les noms constitutifs.

La troisième méthode pour nommer les éthers est particulièrement utile lorsque plus

d’un motif –O- est présent dans la molécule, par exemple le composé CH3O(CH2)2OCH3 qui

contient deux fonctions éthers. Un atome d’oxygène dans un éther peut être considéré

comme remplaçant un groupe méthylène isoélectronique dans la chaîne aliphatique parente.

Le nom de l’éther est déduit en préfixant le nom de l’alcane parent avec oxa (pour un atome

d’oxygène), dioxa (pour deux atomes d’oxygène), trioxa (pour trois atomes d’oxygène), etc,

et un indicateur numérique montrant la position de remplacement. Par exemple :

hexane (alcane parent)

OO

2,5-dioxahexane

Comme nous l’avons déjà signalé, il existe également un certain nombre de noms

communs d’usage très courant :

Nom commun Nom systématique Structure

Chimie Organique


Ether ou éthyl

éther

Diéthyl éther O

Monoglyme 1,2-diméthoxyéthane

ou 2,5-dioxahexane OO

Diglyme 2,5,8-trioxanonane OO

O

Triglyme 2,5,8,11-

tétraoxadodécane

OO

OO

187BLes éthers cycliques

Les noms systématiques des éthers cycliques trouvent leur origine dans l’alcane

cyclique parent, avec un remplacement de CH2 par O, comme nous l’avons décrit ci-dessus

pour les éthers acycliques. Par exemple :

cyclononane

O

O

O

1,4,7-trioxacyclononane Notons que dans le cas d’un éther cyclique à 3 pièces (oxacyclopropane), on parlera

couramment de fonction époxyde. On se souviendra également que l’oxacyclopentane est

régulièrement utilisé en laboratoire sous l’appellation tétrahydrofurane (THF), comme nous

l’avons déjà signalé, ayant pour origine le furane (éther cyclique saturé à 5 pièces) :

O O

THF furane Finalement, on appelle souvent le 1,4-dioxahexane, tout simplement 1,4-dioxane, voir même

dioxane (sous entendu 1,4). Il est important toutefois de ne pas confondre le dioxane et la

dioxine qui correspond en fait à un groupe de molécules hautement toxiques, dont le TCDD

(2,3,7,8-tétrachlorobenzo-p-dioxine) est sans doute le plus nuisible. Cette dernière

substance provient de la combustion de déchets chlorés. Les dioxine sont liposolubles et

s’accumulent, via la chaîne alimentaire, au niveau de la graisse corporelle. Ces composés

ne sont pas excrétés par le corps et les femmes peuvent transmettre les dioxines à leurs

Chimie Organique


enfants, d’abord via le placenta, puis via l’allaitement. Les dioxines sont cancérigènes,

affectent le système reproducteur et sont dommageable pour le système immunitaire.

O

O

1,4-dioxane

O

O Cl

Cl

Cl

Cl

TCDD Les éthers cycliques et acycliques ne sont, évidemment, pas mutuellement exclusifs

comme la structure du pipéronyl butoxyde l’illustre. Ce composé est utilisé commercialement

comme synergiste (substance qui augmente l’efficacité) dans les insecticides basés sur le

pyréthrum ; ce dernier paralyse les insectes, mais en absence de synergiste, les insectes

récupèrent rapidement.

O

O

OO

O

55BU6.3. Synthèse

188BLes éthers acycliques

Les éthers symétriques peuvent être préparés à partir d’alcools en les chauffant en

présence d’acide. C’est la méthode qui est utilisée industriellement pour la préparation, par

exemple, d’éther diéthylique. L’acide sulfurique agit comme catalyseur de déshydratation.

OH2H2SO4, chaleur

O H2O Pour que cette méthode soit efficace, les conditions doivent être soigneusement

contrôlées, sinon il y a une compétition potentielle entre cette réaction et la déshydratation

intramoléculaire de l’alcool pour donner un alcène. Nous y reviendrons au prochain chapitre.

Dans la section 5.9., nous avons décrit comment des réactions entre des ions

alkoxydes, RO-, et des halogénoalcanes, RX, pouvaient être utilisées pour préparer des

éthers. Il s’agit de la synthèse de Williamson et elle est largement utilisée pour synthétiser, à

la fois des éthers symétriques et des éthers asymétriques.

RX + RO- ROR + X-

R’X + RO- R’OR + X-

Chimie Organique


Un ion alkoxyde est un bon nucléophile ET une base forte, les réactions ci-dessus

courent donc le risque d’être parasitées par des réactions d’élimination compétitives. Dans la

section 6.6. nous avons vu que les halogénoalcanes tertiaires (qui tendent à réagir par un

mécanisme SN1) sont plus propices à l’obtention de produits d’élimination et de

réarrangement lorsqu’ils sont attaqués par des nucléophiles. Par contre, lorsqu’un

nucléophile attaque un halogénoalcane primaire, la substitution est généralement

prédominante sur l’élimination. Ces observations doivent être considérées lors du choix des

réactifs pour la préparation d’un éther asymétrique par la synthèse de Williamson. Il y a

toujours deux combinaisons de réactifs possibles pour la formation de R’OR (c'est-à-dire RX

et R’O- ou R’X et RO-) et l’un des chemins réactionnel est habituellement meilleur que l’autre,

en terme de maximalisation du rendement en éther. Dans le schéma ci-dessous, on voit que

la réaction de Me3CCl avec l’ion méthoxyde donne des produits d’élimination et de

réarrangement, alors que la réaction entre le chlorométhane et l’ion tert-butoxyde produit

l’éther avec un bon rendement.

Cl

OK

OK

Cl

Bon choix

Mauvais choix

O

KCl

La réaction du dessous, dans le schéma ci-dessus, souffre de la compétition avec

l’élimination d’HCl pour donner le 2-méthylpropène.

Cl

MeO-MeOH Cl-

Chimie Organique


189BLes éthers cycliques

De nombreux éthers cycliques sont disponibles commercialement, et dans cette

section, nous allons nous focaliser sur les méthodes de préparation des époxydes et du

THF.

L’oxydation catalytique de l’éthène donne l’oxacyclopropane. Cette substance est

fabriquée en grandes quantités. Ses applications comprennent son utilisation comme

précurseur dans les résines époxy et la préparation industriel d’éthane-1,2-diol (éthylène

glycol) qui est utilisé comme additif antigel.

H

H

H

HO2, Ag, chaleur O

A plus petite échelle, les époxydes peuvent être synthétisés à partir d’halohydrines.

Cl

OHNaOH aqueux concentré-H2O, -NaCl

O La synthèse habituelle d’un époxyde, en laboratoire, s’effectue par la réaction d’un

alcène avec un peracide tel que l’acide perbenzoïque. La réaction ci-dessous montre la

conversion de 2,3-diméthylbut-2-ène en tétraméthyloxacyclopropane ; la stéréochimie a été

incluse dans le produit pour mettre l’emphase sur le changement du carbone sp2 trigonal

plan en carbone sp3 tétraédrique durant la réaction.

O

O

HO

O

La réaction ci-dessus correspond à l’addition d’un atome d’oxygène à la liaison C=C,

et c’est l’oxygène du groupe OH du peracide qui est spécifiquement transféré. La rupture de

la liaison O-O est facilitée par sa faiblesse. Le mécanisme de la réaction est illustré ci-

dessous et montre que la réaction est accompagnée par la conversion du peracide en acide

carboxylique.

Chimie Organique


O

O

OO

H

O

OH

La formation d’un époxyde à partir d’un alcène est stéréospécifique. Le mécanisme

est concerté, et les substituants de l’alcène « plient » vers l’arrière lorsque l’atome d’O

s’ajoute à la double liaison. L’addition est donc toujours syn.

En laboratoire, il est possible de synthétiser le THF via une réaction de Williamson

intramoléculaire à partir de 4-chlorobutan-1-ol. Dans ce cas, la réaction est facilitée par l’effet

de proximité (les deux fonctions devant réagir étant sur la même molécule) et il est alors

inutile d’utiliser une base forte (KOH suffit, par exemple).

ClOH KOH

-HClO

Industriellement, une méthode de fabrication du THF consiste en l’hydrogénation

catalytique du furane, lui-même fabriqué à partir de furfural, provenant lui-même de la

déshydratation en milieu acide de polysaccharides contenus dans les cosses d’avoine. Le

schéma ci-dessous résume les dernières étapes de ce procédé.

O

O

H

[Ni]550 K

O

[Ni], H2620 K

O

Le furane est un bloc de construction de l’un des médicaments le plus vendu dans le

monde, la ritidine (connu, entre autres, sous le nom d’Azantac, produit par GSK), qui est un

antagoniste des récepteurs H2 (antihistaminique) et prescrit comme antiulcéreux.

O

NMe2

S HN

NHMe

NO2

Chimie Organique


56BU6.4. Propriétés physiques

190BMoments dipolaires et points d’ébullition

L’introduction d’un atome d’oxygène dans une chaîne alcane résulte en la présence

d’un faible moment dipolaire comme l’illustre le schéma ci-dessous pour le diéthyl éther.

O

Les valeurs de moment dipolaire de différents éthers, en comparaison avec celles de

leurs analogues alkyles, sont indiquées dans les tables ci-dessous.

Ether M.M.

(g mol-1)

µ moléc.

φ gaz. (D)

T°éb.

(K)

Analogue

alcane

M.M.

(g mol-1)

µ moléc.

φ gaz. (D)

T°éb.

(K)

Diméthyl éther 46,07 1,30 248,3 Propane 44,09 0 231,0

Diéthyl éther 74,12 1,15 307,6 Pentane 72,15 0 309,2

Dipropyl éther 102,17 1,21 363,2 Heptane 100,20 0 371,6

Dibutyl éther 130,22 1,17 413,4 Nonane 128,25 0 424,0

Bien que les éthers soient polaires, les points d’ébullition montrent que les

interactions dipôle – dipôle entre les molécules d’un éther liquide ne sont pas

significativement différentes des forces de van der Waals entre les molécules d’alcanes

linéaires de masse moléculaire comparable. En outre, les éthers de faible masse moléculaire

sont fortement volatils ; si du diéthyl éther est versé sur la main, il s’évapore rapidement en

absorbant de la chaleur corporelle, ce qui explique la sensation de froid associée. A chaque

éther correspond un alcool isomérique, par exemple, le diméthyl éther et l’éthanol sont des

isomères. Toutefois, leurs points d’ébullition sont significativement différents (248 K et 351 K

respectivement) puisque les molécules d’alcool, contrairement à celles d’éther, peuvent

former, entre elles, des ponts hydrogènes. Nous reviendrons sur l’effet des ponts hydrogène

sur les propriétés des alcools au chapitre suivant.

Les propriétés physiques des éthers cycliques suivent des tendances similaires à

celles de leurs analogues acycliques, bien que les données du tableau suivant montrent

qu’un éther cyclique a un point d’ébullition plus haut qu’un éther acyclique de masse

moléculaire comparable. Ce comportement est similaire à celui observé pour les alcanes

cycliques et acycliques, et peut être attribué à des différences de forces d’empilement

associées aux formes moléculaires.

Chimie Organique


Ether Structure M.M.

(g mol-1)

µ moléc.

φ gaz. (D)

T°éb.

(K)

Oxacyclopropane

O

44,05 1,89 283,6

Diméthyl éther O

46,07 1,30 248,3

THF

O

72,10 1,75 338,0

Diéthyl éther O

74,12 1,15 307,6

Méthyl propyl éther O 74,12 1,11 312,1

Les données reprises ci-dessus permettent également une comparaison des

moments dipolaires d’éthers cycliques et d’éthers acycliques de masses moléculaires

comparables. Dans chaque cas, l’éther cyclique possède un moment dipolaire plus élevé

que son analogue acyclique, ce qui peut être rationalisé en terme de forme moléculaire.

191BLes éthers en tant que solvants

L’importance des éthers en tant que solvants résulte de leur capacité à former des

ponts hydrogènes avec les molécules contenant des atomes d’hydrogène liés à des atomes

électronégatifs et de leur propriétés de coordination. La coordination via l’atome d’oxygène

d’un éther lui permet d’agir comme ligand pour les cations.

L’éther diéthylique est largement utilisé pour l’extraction de composés organiques de

solutions aqueuses. Cependant, l’Et2O n’est pas totalement immiscible à l’eau et une

solution aqueuse saturée contient environ 8 g d’Et2O par 100 cm3. Bien que des ponts

hydrogène ne puissent se former entre des molécules de diéthyl éther, ils peuvent se former

entre des molécules d’eau et d’Et2O, comme l’illustre le schéma suivant :

O

H

OH

57BU6.5. La réactivité des éthers

A l’exception des époxydes, les éthers aliphatiques ne sont pas particulièrement

réactifs, et c’est l’une des raisons pour laquelle ils sont adaptés en tant que solvants. Les

Chimie Organique


éthers acycliques subissent un clivage lorsqu’ils sont traités avec HI ou HBr et la réactivité

des éthers cycliques de quatre pièces ou plus est similaire. Les époxydes, par contre,

présentent un comportement réactionnel différent et nous en discuterons donc séparément.

192BClivage des éthers

Les éthers, à l’exception des époxydes, sont clivés par traitement avec HI ou HBr

concentré.

ROR + HX ROH + RX

La première étape de cette réaction est la protonation de l’atome d’oxygène, laquelle

est suivie de l’attaque nucléophile par Br- ou I- avec substitution via un mécanisme SN1 ou

SN2. La protonation de départ a pour conséquence que le groupement partant de la réaction

de substitution est ROH (un bon groupement partant) ; sans protonation, c’est l’alkoxyde RO-

(une base forte et un mauvais groupement partant) qui devrait être expulsé. Le choix de HI

ou HBr plutôt que HCl en tant que réactif de clivage résulte de la plus grande nucléophilie de

I- et Br- par rapport à Cl- ; suivant cette logique, de HBr et HI, c’est ce dernier qui est le

meilleur réactif.

RO

R' H RO

R'

H

RO

R'

H

RO R'

H

R' X R' X

SN1

RO

R'

H

XR

O

H

R' X SN2

Le produit de la réaction de HX avec un éther asymétrique ROR’ peut être ROH et

R’X (comme illustré dans le schéma ci-dessus), ou R’OH et RX. Des mélanges de produits

sont donc souvent obtenus, mais si R ou R’ est un groupement méthyle, alors la formation

de MeX est généralement favorisée vis-à-vis de celle de MeOH, comme illustré dans

l’exemple suivant :

Chimie Organique


O HI MeI HO

193BRéactivité des époxydes

Dans la section 2.2. nous avons parlé de la tension de cycle des petits cycloalcanes,

en particulier du cyclopropane. L’anneau à trois pièces de l’époxyde est tendu de façon

similaire. Cela confère à l’époxyde une réactivité unique et son importance industrielle

résulte de cette caractéristique. L’ouverture de cycle d’un époxyde se déroule dans des

conditions plus douces que celle des autres éthers cycliques, et elle peut être menée par

traitement avec de l’acide aqueux dilué. La réaction illustrée ci-dessous relève une grande

importance au niveau industriel puisqu’elle permet la production d’éthane-1,2-diol, utilisé

comme antigel dans l’eau de radiateur des véhicules motorisés.

O

H+ aqueux

HO

OH

Le mécanisme de cette réaction inclut la formation d’un oxonium suivi d’une attaque

nucléophile par H2O, comme montré dans le schéma suivant :

OH

O

H

O

H

H2O

HO

O

H

H

H

HO

OH La stéréochimie de cette réaction est spécifique. Cela ne peut se remarquer dans la

réaction ci-dessus parce qu’il y a une rotation possible autour de la liaison C-C dans le

Chimie Organique


produit. Cependant, dans l’exemple illustré ci-dessous où la rotation est restreinte par la

structure cyclique, le produit possède la stéréochimie spécifique illustrée, avec les deux

groupements OH sur des côtés opposés de la liaison C-C. Vous pouvez faire une

comparaison directe entre l’attaque d’H2O sur l’époxyde protoné et l’attaque de Br- sur un ion

bromonium. Une fois formé, le produit diaxial flip immédiatement en produit diéquatorial

stériquement favorisé.

OH2O, H+

OH

OH

=

OH

OH

OH

OH

L’ouverture de cycle d’un époxyde peut également résulté du traitement par une

base, pour autant que cette base soit un nucléophile fort. Le schéma suivant illustre un

exemple d’utilisation du méthoxyde dans le méthanol.

O

MeO

O

MeO

O

MeO H

MeO

OH

MeO

MeO

Le choix de conditions basiques ou acides pour l’ouverture de cycle affecte la

régiosélectivité de la réaction. Une base attaque l’atome de C qui possède le plus petit

nombre de substituants, par exemple :

O

MeO-, MeOHOMe

OH

Chimie Organique


alors que lorsqu’un nucléophile attaque un époxyde protoné, il montre une préférence pour

l’atome de carbone le plus substitué :

O

H+, MeOHOH

OMe

OMe

OH

Produit majeur Produit mineur

Cette différence peut s’expliquer comme suit. Lorsqu’une base approche l’époxyde

elle attaque l’atome de carbone qui est le moins encombré stériquement. Donc l’attaque

s’effectue préférentiellement sur un carbone primaire par rapport à un carbone secondaire

ou tertiaire et l’attaque se fera, de même, préférentiellement sur un carbone secondaire par

rapport à un carbone tertiaire. Dans l’exemple ci-dessus, l’ion méthoxyde a le choix entre un

carbone primaire ou un secondaire. Le mécanisme se déroule suivant une SN2 et le produit

est spécifique. Dans les réactions où l’époxyde est protoné avant l’attaque par un

nucléophile, la charge positive sur l’intermédiaire peut être sur les atomes de carbone de

l’anneau à trois pièces. La stabilité des ions carbénium (carbocations) augmente avec le

degré de substitution, et donc, le produit majoritaire de la réaction d’un nucléophile avec un

époxyde protoné porte le nucléophile attaché au carbone le plus substitué. Cette description

suggère la participation d’un ion carbénium et donc un mécanisme SN1. Cependant, des

preuves expérimentales suggèrent un mécanisme qui est intermédiaire entre une SN1 et une

SN2.

O

H

O

H

δ+

δ+

Charge totale = 1+

O

H

δ+

δ+

Me O

H

O OHH

Me

MeO OHH+

Les époxydes réagissent avec une grande variété de nucléophiles et les réactions

suivantes en sont deux exemples :

Chimie Organique


ORNH2

NH

OH

R

OHBr

OH

Br

En dépit de leur réactivité, les époxydes existent dans la nature, par exemple dans

certaines phéromones et dans l’hormone juvénile des insectes JHIII. Ces hormones

conservent l’insecte à l’état de larve avant la métamorphose.

OO

H

OMe

6B7. Les alcools


Le groupement fonctionnel dans un alcool est l’hydroxyle –OH et les formules

générales des alcools primaires, secondaires et tertiaires sont :

R

OH

H

HR

OH

R

H R

OH

R

R

Alcool primaire Alcool secondaire Alcool tertiaire Cette introduction à la nomenclature concerne seulement les alcools dérivés

d’hydrocarbones saturés. Pour donner un nom à un alcool simple, on étend les règles déjà

décrites pour les hydrocarbones et les halogénoalcanes. Le nom, pour un alcool primaire

linéaire est obtenu en attachant le suffixe –ol à la racine de l’alcane parent, précédé d’un

numéro de position approprié, comme par exemple hexan-1-ol. La chaîne principale est

trouvée de la même façon que celle décrite pour les halogénoalcanes. Les noms indiqués

pour les structures suivantes suivent ces règles.

Chimie Organique


OH

OHOH

OH

Butan-1-ol Pentan-2-ol Hexan-3-ol Butan-2-ol Lorsqu’il y a plus d’un groupement OH, le nom doit préciser le nombre et la position

des groupes fonctionnels. Un alcool avec deux groupements OH est un diol, avec trois

groupements, c’est un triol, etc. Deux exemples sont illustrés ci-dessous. Notons que le ‘e’ à

la fin du nom de la racine alcane est conservé, contrairement aux alcools avec un seul

hydroxyle.

HOOH

OH

OH

OH

Ethane-1,2-diol Pentane-2,3,4-triol Plusieurs alcools portent encore des noms triviaux et certains d’entre eux sont

indiqués dans le tableau suivant :

Nom commun Nom systématique Structure

Ethylène glycol Ethane-1,2-diol HO

OH

Glycérol (glycérine) Propane-1,2,3-triol

HO OH

OH Tert-butyl alcool 2-méthylpropan-2-ol

OH Isopropanol Propan-2-ol

OH Des exemples d’alcools dérivés d’alcanes cycliques contenant un groupement OH

sont indiqués ci-dessous ; les indices de position concordent avec la groupement OH

présentant une priorité supérieure à celle d’un substituant alkyle.

Chimie Organique


OH

OH OH

Cyclopentanol Cyclohexanol 2-Méthylcyclohexanol Lorsque deux groupements OH sont présents et sont attachés à des carbones

différents d’un cycle saturé, différents stéréoisomères sont possibles. Considérons le

cyclohexane-1,4-diol. Les groupements OH peuvent être du même côté ou du côté opposé

de l’anneau à 6 pièces. Ces isomères sont appelés cis- et trans-cyclohexane-1,4-diol

respectivement :

OH

OH =

OH

OH

cis-cyclohexane-1,4-diol

OH =

OH

OH

trans-cyclohexane-1,4-diol

HO

59BU7.2. Synthèse des alcools

194BSynthèse des alcools : méthodes déjà envisagées dans les chapitres

précédents

Les alcools ont de nombreuses en synthèse et son souvent préparés comme

composés intermédiaires dans les synthèses multi-étapes. Ils peuvent être synthétisés à

partir d’une grande variété de substances et nous avons déjà décrit plusieurs façons de

préparer des alcools à partir des alcènes, halogénoalcanes et éthers. Un résumé de toutes

ces réactions de synthèse des alcools est illustré ci-dessous.

Chimie Organique


H+, H2O, chaleurOH

Hg(O2CMe)2, H2O HgO2CMe

OH

NaBH4

OH

OsO4, H2O

OH

OH

Cl2, H2OCl

OH

B H2O2

-B(OH)33 OH

BrH

HO-

-Br-

HHO

Inversion de configuration

Et

ClH

HO-

-Br-

Et

OHH

Rétention et inversion de configuration

Et

HHO

O HI

-MeIHO

O

H+ aqueux

HO

OH

195BSynthèse des alcools : réduction des composés carbonyles

La réduction des composés carbonyles (par exemple les aldéhydes, les cétones, les

acides carboxyliques et les esters) est une méthode commune de préparation des alcools.

Dans cette section, nous présentons les réactions simplement comme synthèse, nous

reviendrons sur les mécanismes ultérieurement, lorsque nous détaillerons la réactivité des

groupements carbonyles (C=O).

Les équations ci-dessous montrent, respectivement, la réduction d’un aldéhyde en

alcool primaire et d’une cétone en un alcool secondaire. La réduction implique l’addition de

deux atomes d’H qui sont fourni par des réactifs tels que LiAlH4, LiBH4 ou NaBH4.

R

O

HRéduction

R

OH

H

H R

O

RRéduction

R

OH

R

H

La réduction des aldéhydes et des cétones est habituellement conduite en utilisant le

borohydrure de sodium. L’hydrure d’aluminium lithium peut également être utilisé, mais il est

sensible à l’humidité, alors que le borohydrure de sodium est relativement stable à l’air, ce

qui le rend plus facile à utiliser. Ces deux réactifs sont des solides cristallins.

La réduction d’un ester en alcool est conduite en utilisant LiAlH4 ou LiBH4 ; NaBH4

n’est pas très efficace pour la réduction des esters. La réduction d’un ester conduit à une

Chimie Organique


rupture de la liaison ester ; le groupement carbonyle se modifie en un alcool et le

groupement R’O en un autre.

R

O

O R'LiAlH4 ou LiBH4

R

OH

H

H R'OH

La réduction de l’acide carboxylique peut être conduite en utilisant LiAlH4, mais BH3

est également un réactif utile. Nous avons vu dans la section 3.10. nous avons vu comment

le BH3 accepte une paire d’électrons d’un alcène et transfert, alors, un atome d’H à un

groupe organique. Similairement, le BH3 réduit les acides carboxyliques comme montré dans

l’équation ci-dessous ; le groupement C=O est converti en groupement CH2. En dépit de la

ressemblance structurale entre les acides carboxyliques et les esters, BH3 est un mauvais

réactif de réduction des esters parce que les esters sont de moins bons donneurs que les

acides carboxyliques, comme nous le verrons ultérieurement.

R

O

OHLiAlH4 ou BH3

R

OH

H

H

196BSynthèse des alcools : utilisation des réactifs de Grignard

Les réactifs de Grignard RMgX (X = Cl ou Br) réagissent avec des composés

carbonylés pour donner des alcools primaires, secondaires et tertiaires. Le produit dépend

des substituants attachés au groupement carbonyle. Si le réactif est le méthanal, le produit

est un alcool primaire, mais si un aldéhyde plus grand (R’CHO) est utilisé, on obtient un

alcool secondaire. Si le précurseur est une cétone, le produit est un alcool tertiaire.

Chimie Organique


H

O

H1. RMgX

2. H3O+R OH

méthanal alcool primaire

H

O

R'1. RMgX

2. H3O+R OH

aldéhyde alcool secondaire

R'

R''

O

R'1. RMgX

2. H3O+R OH

cétone alcool tertiaire

R' R''

Nous retournerons sur le mécanisme des ces réactions ultérieurement. Pour le

moment, les équations suivantes donnent quelques exemples de leur application en

synthèse.

O MgClH3O+

OH

H

O

MgClH3O+

OH

H

OMgCl H3O+

OH

Chimie Organique


60BU7.3. Propriétés physiques

197BLes effets des liaisons hydrogène

Les électronégativités d’O et H sont de 3,4 et de 2,2 respectivement, et donc la

liaison O-H est polaire. En conséquence de l’électronégativité élevée de l’oxygène, les

alcools forment des ponts hydrogènes entre eux et avec d’autres molécules adaptées tel que

l’eau. C’est ce qui est représenté par le schéma ci-dessous.

OH

OH

O

H

HO

HO

H HO

H Les points d’ébullition de certains alcools sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

Les valeurs relativement élevées (par exemple en comparaison avec des alcanes ou éthers

de masse moléculaire similaire) reflètent l’association intermoléculaire des molécules

d’alcool dans le liquide.

Composé Structure Masse

moléc.

Point ébull.

(K)

Water H

OH

18,02 373,0

Méthanol OH

32,04 337,6

Ethanol OH

46,07 351,3

Propan-1-ol OH

60,09 370,2

Propan-2-ol O

H

60,09 355,3

Butan-1-ol OH

74,12 390,7

Chimie Organique


Butan-2-ol OH

74,12 372,5

2-méthylpropan-1-ol

OH

74,12 380,9

2-méthylpropan-2-ol O

H

74,12 355,4

Pentan-1-ol OH

88,15 411,0

Hexan-1-ol OH

102,17 430,6

Les alcools de masse moléculaire faible (MeOH, EtOH, PrOH) sont complètement

miscibles avec l’eau grâce à la formation de ponts hydrogène. Les solubilités du butanol,

pentanol, hexanol et heptanol dans l’eau sont significativement plus faibles que celles du

méthanol, éthanol et propanol. Les alcools de masses moléculaires plus élevées sont

essentiellement non miscibles avec l’eau. Cela peut être expliqué par l’accroissement de la

longueur de la chaîne aliphatique de la molécule. Le groupement –OH est hydrophile, alors

que la portion hydrocarbonée de la molécule est hydrophobe. La figure ci-dessous illustre

cela pour l’heptan-1-ol.

A mesure que la masse moléculaire des alcools augmente, l’incapacité de la chaîne

hydrocarbonée à former des ponts hydrogène avec l’eau prédomine sur les effets de

formation de pont hydrogène par le groupement –OH. Cela a pour conséquence une

décroissance de la solubilité de l’alcool dans l’eau.

Chimie Organique


198BBasicité et acidité

L’eau peut agir à la fois comme acide et comme base de Brønsted. De façon

comparable, les alcools peuvent, à la fois, donner un proton (agir comme un acide de

Brønsted) et accepter un proton (agir comme une base de Brønsted). Les alcools

aliphatiques agissent comme des bases et acides faibles. Le pKa du méthanol est de 15,5,

une valeur proche de celle de l’eau ; pour comparaison, le pKa de l’acide acétique

(CH3CO2H) est de 4,77. Donc l’équilibre ci-dessous est déplacé vers la gauche.

MeOH + H2O MeO- + H3O+

En présence de bases fortes telles que l’hydrure de sodium (NaH) ou l’amidure de

potassium (KNH2), des réactions pour donner des alkoxydes peuvent avoir lieu. Le proton

(H+) de l’alcool se combine avec l’hydrure (H-) pour donner H2, ou avec l’amidure (NH2-) pour

donner NH3.

EtOH + NaH Na+EtO- + H2

EtOH + KNH2 K+EtO- + NH3

Dans un chapitre ultérieur, nous parlerons des alcools aromatiques (phénols), dont

l’acidité est plus élevée que celle des alcools aliphatiques.

La protonation des alcools par les acides est comparable à la formation de l’ion

oxonium par protonation de l’eau. L’équation ci-dessous montre la protonation de l’éthanol.

OH

HX OH

H

X-

Nous verrons dans la section 7.4. que la protonation d’un alcool est un moyen

important de d’obtenir un bon groupement partant (c'est-à-dire H2O) dans les réactions de

substitution nucléophile.

61BU7.4. Réactivité des alcools

199BCombustion

La combustion d’un alcool donne du CO2 et de l’H2O. L’éthanol brûle avec une

flamme bleue.

C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O

Le méthanol et l’éthanol sont proposés depuis quelques années comme une

alternative écologique aux combustibles fossile, puisqu’il est possible de les obtenir à partir

de la biomasse, c’est pourquoi on leur porte une attention particulière ici (même si tous les

composés organiques peuvent subir une combustion, en fait). Cela dit, tout n’est pas rose

Chimie Organique


(ou plutôt vert) dans l’utilisation des biocarburants (et il serait sans doute plus intéressant de

rediriger les efforts consentis dans ce domaine vers la fusion nucléaire, conceptuellement

beaucoup plus intéressante).

200BClivage de la liaison R-OH : déshydratation

Dans la section 6.3. nous avons décrit la synthèse d’éthers symétriques à partir

d’alcools par élimination d’eau intermoléculaire, mais les conditions de réaction doivent être

soigneusement contrôlées à cause de l’élimination d’eau intramoléculaire potentielle.

OH2H2SO4, chaleur

O H2O L’élimination intramoléculaire de H2O a lieu lorsqu’un alcool est chauffé avec de

l’acide sulfurique concentré, ou passé sur de l’alumine chaude (Al2O3).

OHH2SO4 conc., 450 K

H

H H

H

H2O

L’éthanol (un alcool primaire) est converti en éthène seulement sous des conditions

dures (450 K). Par contre, le 2-méthylbutan-2-ol est déshydraté sous traitement avec l’acide

à 298 K. Dans cette réaction, deux produits sont formés et, comme nous l’avons vu dans la

section 5.7., la perte d’un proton favorise la formation de l’alcène le plus substitué.

OH

H+, 298 K

-H2OProduit minoritaireProduit majoritaire

Il s’agit d’un mécanisme E1 et l’élimination finale de H+ est facilité par la présence

d’eau qui agit comme une base. La première étape de ce type de réaction est la protonation

du groupement OH et la perte subséquente de H2O (un bon groupement partant).

L’intermédiaire est un carbocation tertiaire qui perd un proton dans un processus assisté par

une base pour donner soit du 2-méthylbut-2-ène ou de 2-méthylbut-1-ène :

Chimie Organique


OH

Produit minoritaire

Produit majoritaire

H+O

H

H-H2O

H

-H3O+

-H3O+

H

OH2

OH2

201BRupture de la liaison R-OH : conversion en halogénoalcanes

Les alcools réagissent avec les halogénures de phosphore (III) (PCl3, PBr3, PI3),

phosphore (V) (PCl5) et le chlorure de thionyle (SOCl2) pour les convertir en alcools primaires

ou secondaires. Les réactions des alcools avec les halogénures d’hydrogène fournissent

également des halogénoalcanes.

ROH + HX RX + H2O avec X = Cl, Br et I

La réaction est plus efficace pour les alcools tertiaires, l’ordre de réactivité étant :

R3COH > R2CHOH > RCH2OH

C’est cohérent avec un mécanisme SN1, avec un carbocation intermédiaire. Nous

avons vu, précédemment que l’hyperconjugaison contribue à l’effet de stabilisation par les

groupements alkyles attachés au centre C+, rendant un carbocation tertiaire plus stable

qu’un carbocation secondaire et ce dernier plus stable qu’un carbocation primaire.

202BRupture de la liaison R-OH : réaction avec les métaux alcalins

Lorsqu’un morceau de sodium est placé dans de l’éthanol, il y a production

d’hydrogène dans une réaction moins violente que celle du sodium dans l’eau. L’alcool agit

comme un acide faible et forme un sel d’alkoxyde de sodium. Le pKa de l’éthanol est 16,

légèrement plus haut que le pKa de l’eau.

2 EtOH + 2 Na 2 Na+EtO- + H2

2 H2O + 2 Na 2 Na+OH- + H2

Chimie Organique


Les réactions du sodium et de l’alcool sont souvent utilisées pour détruire l’excès de

sodium, par exemple après que ce métal ait été utilisé comme agent desséchant pour des

solvants hydrocarbonés. Cependant, il y a des risques d’incendie dus à la production de

dihydrogène dans un milieu alcoolique inflammable. Choisir des alcools de masse

moléculaire plus élevée réduit les risques d’incendie, mais si l’alcool est trop encombré, la

réaction est très lente. Le propan-2-ol représente un bon compromis entre sécurité et vitesse

de réaction.

OH

Na

O Na+

1/2 H2

203BOxydation

Bien que la combustion soit un processus d’oxydation, des oxydations plus utiles,

d’un point de vue synthétique, sont celles qui permettent de convertir les alcools en

composés carbonylés : oxydation en aldéhydes, cétones et acides carboxyliques. Bien que

les alcools primaires, secondaires et tertiaires brûlent pour donner du CO2 et de l’eau, seuls

les alcools primaires et secondaires sont oxydés en composés carbonylés comme le schéma

général suivant le montre :

R OH

H HOxydation

H

R

OOxydation

HO

R

O

Alcool primaire Aldéhyde Acide carboxylique

R OH

R' HOxydation

R'

R

O

Alcool secondaire Cétone

R OH

R' HOxydation

Alcool tertiaire

Chimie Organique


Des agents d’oxydation adaptés pour ces réactions sont KMnO4, Na2Cr2O7, K2Cr2O7

et CrO3, tous dans des conditions acides.

OH

Na2Cr2O7, H2SO4 aq.

dans acétoneO

OH

Si l’aldéhyde est le produit désiré, l’agent d’oxydation le plus efficace, en laboratoire,

est le chlorochromate de pyridinium (PCC). Des conditions non aqueuses doivent être

utilisées et la réaction est habituellement conduite dans le dichlorométhane.

OH O

HN

H

O

CrO O

Cl

CH2Cl2

204BFormation d’esters

La réaction entre un alcool et un acide carboxylique ou un chlorure d’acyle produit un

ester. Nous détaillerons ce type de réaction dans un chapitre ultérieur, mais pour le moment,

la réaction générale d’un alcool avec l’acide carboxylique est résumée dans l’équation ci-

dessous. Les esters possèdent des odeurs caractéristiques, souvent fruitées.

RO

H H O

R'

O

R O

R'

O

H2O

7B8. Les amines


Le groupement fonctionnel d’une amine primaire est un groupement NH2, et la

formule générale d’une amine aliphatique est RNH2. Le composé est dérivé de l’ammoniac

par remplacement d’un atome d’hydrogène par un groupement alkyle, R. L’arrangement en

pyramide trigonale des atomes attachés à l’azote est la conséquence de la présence d’une

paire libre d’électrons sur l’azote. D’autres remplacements d’atomes d’hydrogène par des

Chimie Organique


groupements alkyles donnent des amines secondaires et tertiaires, comme illustré ci-

dessous, avec des groupements R qui peuvent être identiques ou non.

HN

HH

RN

HH

RN

HR

RN

RR

Ammoniac Amine primaire Amine secondaire Amine tertiaire Le nom des amines primaires à chaîne étendue est obtenu en ajoutant le suffixe

amine à la racine du nom de l’alcane parent. Des numéros indiquent la position du

groupement NH2. Les composés ci-dessous sont des exemples d’amines primaires. Lorsqu’il

y a des substituants alkyles, la numérotation de la chaîne s’effectue de sorte que le

groupement NH2 ait la plus haute priorité.

NH2

NH2NH2

NH2

1-Butylamine 3-Pentylamine 2-Butylamine 4-Méthyl-2-pentylamine Les amines primaires dérivées des alcanes sont nommés de façon similaire, toujours

avec le groupement amine qui est prioritaire sur les substituants alkyles.

NH2

NH2

Cyclohexylamine 3,5-diméthylcyclohexylamine Les amines primaires contenant plus d’un groupement NH2 sont nommés comme

dans l’exemple ci-dessous. Notez que, comme pour les alcools, dans ce cas, il y a rétention

du –e dans la partie alcane du nom.

H2NNH2

1,2-Ethanediamine Les amines secondaires et tertiaires peuvent être symétriques ou asymétriques

suivant que les groupements alkyles sont des groupements alkyles identiques ou non. Les

amines secondaires et tertiaires symétriques sont nommées en ajoutant le préfixe di- ou tri-

devant le nom du groupement alkyle, par exemple la diéthylamine et la tributylamine. Dans

une amine secondaire ou tertiaire asymétrique, le nom racine est choisi en trouvant le plus

Chimie Organique


grand substituant attaché à l’atome d’azote ; les chaînes plus petites sont classées comme

des substituants liés à l’azote. Par exemple, le dernier composé des exemples ci-dessous a

un groupement propyle et deux méthyles attachés au même atome d’azote. Le groupement

propyle est la chaîne parent et les groupements méthyles sont classés comme substituants

de l’atome d’azote. Le composé est nommé N,N-diméthylpropylamine.

NH

N

N

Diéthylamine Tributylamine N,N-Diméthylpropylamine

Les amines secondaires peuvent également être nommées comme des dérivés aza

des alcanes. Tout comme nous avons vu qu’un éther aliphatique pouvait être considéré

comme étant dérivé d’un alcane dans lequel un groupement CH2 est remplacé par un atome

d’oxygène isoélectronique, une amine peut être dérivée d’un alcane en préfixant le nom de la

racine alcane avec aza, accompagné d’un nombre indiquant la position du ou des

groupements NH. Cette nomenclature est particulièrement utilisée pour les composés

contenant plusieurs fonctions amines.

NH

NH

NH NH

HN

HN

3,5,7-Triazanonane 1,4,7-Triazacyclononane Vous rencontrerez également, peut-être, des sels de tétraalkylammoniums au

laboratoire, particulièrement en synthèse inorganique. Ils contiennent des ions ammonium

quaternaire de formule générale [R4N]+. Leurs noms indiquent les substituants alkyles

attachés à l’atome d’azote central. Par exemple, l’ion tétraéthylammonium Et4N+, l’ion

triéthylammonium Et3NH+, l’ion tétrabutylammonium nBu4N+ et l’ion diéthylammonium

Et2NH2+. Ces ions sont utiles pour la synthèse parce que leurs sels sont souvent soluble

dans les solvants organiques tels que CH2Cl2.

Chimie Organique


63BU8.2. Inversion de l’azote dans les amines

Dans la section 1.7., nous avons introduit le concept d’atome de carbone

asymétrique. Un tel atome porte quatre groupements différents. Un azote pyramidal d’une

amine porte seulement trois groupements, mais il a également une paire libre. Les structures

ci-dessous impliquent de la chiralité.

Les deux structures ci-dessous représentent donc deux énantiomères du EtMeNH,

images miroir l’un de l’autre qui ne sont pas superposables. A la fin de la section 1.7., nous

avons discuté des façons de résoudre les composés chiraux. Dans le cas des amines

chirales, une telle résolution n’est habituellement pas possible, à cause d’une inversion aisée

de l’atome d’azote qui a pour effet d’interconvertir les deux énantiomères. L’inversion de

l’atome d’azote, dans la plupart des amines, présente une faible barrière d’énergie.

Chimie Organique


64BU8.3. Synthèse

205BConversion des halogénoalcanes en amines par substitution nucléophile

Les halogénoalcanes peuvent être convertis en amines par substitution nucléophile

en utilisant NH3. L’ammoniac est un bon nucléophile pouvant déplacer facilement un

halogénure.

Br

NH3

NH3 Br

Base, p.ex. NaOH

NH2

Bien que cette réaction puisse sembler être une bonne méthode pour la préparation

des amines primaires, elle présente un problème inhérent : l’amine primaire est également

un bon nucléophile et peut attaquer une autre molécule d’halogénoalcane. Cela mène à la

formation d’une amine secondaire.

Br

NH2

H2N

Br

NaOH

HN

La réaction ne s’arrête pas encore à cette étape. L’amine secondaire peut également

agir comme nucléophile et réagir à son tour avec un halogénoalcane pour donner une amine

tertiaire. La poursuite de la réaction donnera un ion ammonium quaternaire.

Br NH

Br

NaOHHN

N

Chimie Organique


Br N

Br

N

Cette méthode est non spécifique et donne un mélange d’amines primaires,

secondaires et tertiaires, et de sels d’ammonium. Il n’est donc pas habituel d’utiliser cette

méthode pour synthétiser une amine déterminée.

206BConversion des halogénoalcanes en amines par la synthèse de Gabriel

Plutôt que d’utiliser NH3 ou une amine pour introduire un groupement amine, une

méthode alternative consiste à utiliser le phthalimide de potassium dans une réaction

appelée synthèse de Gabriel. Cette méthode conduite spécifiquement à l’obtention d’une

amine primaire. Le phthalimide de potassium est un sel d’imide et réagit avec les

halogénoalcanes pour donner un dérivé alkylé de l’imide.

BrN

O

O

K-KBr

N

O

O

NH2NH2(hydrazine)

NH2HN

HN

O

O

207BConversion des nitriles en amines

Les amines primaires peuvent être préparées par réduction de nitriles en utilisant de

l’hydrure d’aluminium lithium comme agent de réduction. L’atome de carbone qui était sur le

groupement fonctionnel cyano devient une partie de la chaine aliphatique dans l’amine ; cela

Chimie Organique


a pour effet l’allongement de la chaîne carbonée durant la réaction. Le schéma ci-dessous

illustre, par exemple, la préparation de butylamine à partir du cyanopropane.

R C N R

NH2LiAlH4

CNLiAlH4 NH2

Comme l’ion cyanure est un bon nucléophile, la réaction de réduction peut être

couplée à une substitution nucléophile d’un halogénure par le cyanure pour donner une

synthèse en deux étape d’une amine à partir d’un halogénoalcane. La réaction ci-dessous

illustre la transformation du bromoéthane en propylamine.

Br NC CN LiAlH4NH2

La réduction des nitriles produit seulement des amines primaires. Cela inclut la

formation de groupements NH2 attachés à des atomes de C terminaux ou en milieu de

chaîne.

CN

LiAlH4

NH2 L’utilisation d’ions azide N3

- représente une alternative à l’utilisation du cyanure en

tant que nucléophile. Le dérivé RN3 est réduit par LiAlH4 en l’amine correspondante. Notons,

cependant, que dans ce cas, il n’y a pas allongement de la chaîne carbonée.

208BAmination réductive des aldéhydes et cétones

Les amines primaires dans lesquelles le groupement NH2 est attaché à l’atome de

carbone terminal d’une chaîne aliphatique peuvent être préparées par amination réductive

d’aldéhydes. L’agent d’amination est l’ammoniac et l’un des agents de réduction utilisé à

échelle commerciale est le dihydrogène en présence d’un catalyseur au nickel. Le schéma

ci-dessous illustre l’amination réductive du pentanal.

O

H

H2, [Ni], NH3 NH2

Le mécanisme d’amination réductive comporte une attaque nucléophile du carbone

partiellement positif du groupement carbonyle par NH3. Nous regarderons aux détails de ce

Chimie Organique


mécanisme dans un chapitre ultérieur. Les cétones ressemblent, structurellement aux

aldéhydes et peuvent également subir une amination réductive. Le schéma suivant illustre

cette réaction.

O

H2, [Ni], NH3

NH2

Le groupement NH2 termine toujours à la position initialement occupée par le

groupement C=O.

Lorsque l’agent d’amination est une amine primaire, le produit est une amine

secondaire. De la même façon, lorsque l’agent d’amination est une amine secondaire, le

produit est une amine tertiaire. Des exemples sont donnés ci-dessous.

O

H

NH2

H2, [Ni] HN

O

H

NH

H2, [Ni]N

Chacune des réactions d’amination réductive donne un produit spécifique et cette

méthode de préparation des amines primaires, secondaires et tertiaires est supérieure aux

réactions de substitution nucléophile décrite antérieurement.

Bien que de l’hydrogène à haute pression soit utilisé en industrie, il est plus facile

d’utiliser NaBH3CN (cyanoborohydrure de sodium) en laboratoire (on n’utiliser pas le

borohydrure de sodium qui réduirait l’aldéhyde de départ.

HO

NH2NaBH3CN

NH

Chimie Organique


65BU8.4. Propriétés physiques des amines

209BPoints d’ébullition

Comme le NH3, les amines de faible masse moléculaire possèdent des odeurs

caractéristiques souvent décrites comme « de poisson ». Les amines sont des molécules

polaires ; la structure ci-dessous montre la direction approximative du moment dipolaire dans

MeNH2.

MeN

HH

La présence de liaisons N-H dans les amines primaires et secondaires signifie que

certaines de leurs propriétés physiques seront différentes de celles des amines tertiaires. A

l’état liquide ou solide, les amines primaires et secondaires forment des ponts hydrogène, ce

qui n’est généralement pas le cas pour les amines tertiaires. Le tableau ci-dessous reprend

les points d’ébullition de certaines amines.

Composé Structure Masse mol. T° éb.

Ammoniac NH3 17,0 239,7

Méthylamine MeNH2 31,1 266,7

Diméthylamine Me2NH 45,1 279,9

1-Propylamine EtNH2 59,1 320,2

2-Propylamine NH2

59,1 304,8

1-Butylamine BuNH2 73,1 350,0

2-Butylamine NH2

73,1 335,7

2-Méthyl-1-propylamine

NH2

73,1 340,7

2-Méthyl-2-propylamine NH2

73,1 317

Diéthylamine HN

73,1 328,5

Chimie Organique


1-Hexylamine HexNH2 101,2 405,8

Triéthylamine N

101,2 362,0

Les points notables sont les suivants :

• Il y a une augmentation générale de la température d’ébullition lorsque la masse

moléculaire augmente, dans le cas des amines à chaîne droite.

• Pour une série d’amines primaires avec une masse moléculaire constante, mais un

degré de branchement différent, la température d’ébullition est plus élevée pour les

membres à chaîne droite (empilement plus simple).

• Il y a une différence significative de température d’ébullition entre l’1-hexylamine et la

triéthylamine en dépit du fait qu’elles ont la même masse moléculaire.

Les valeurs d’électronégativité de N et H sont respectivement de 3,0 et 2,2 et des ponts

hydrogène peuvent se former entre les molécules d’amine. La force de ces pont hydrogène

est moindre que celle entre des alcools. La comparaison entre la température d’ébullition de

l’hexane (341,7 K) et la 1-hexylamine (405,8 K) illustre comment l’introduction d’un

groupement NH2 introduit des effets de liaison hydrogène. La différence de température

d’ébullition entre l’hexane et la 1-hexylamine reflète également un accroissement de la

masse moléculaire. Une vision plus réaliste de la contribution des ponts hydrogène peut être

obtenue en comparant les points d’ébullition de l’hexane (341,7 K et 86,2 g mol-1) et la 1-

pentylamine (377,3 K et 87,2 g mol-1).

210BSolubilité dans l’eau

Les amines forment des ponts hydrogène avec les molécules d’eau. Les amines

primaires, secondaires et tertiaires peuvent interagir comme illustré dans la figure ci-dessous

(en agissant comme « accepteur » d’hydrogène). En outre, les amines primaires et

secondaires peuvent former des ponts hydrogène d’une autre façon, comme illustré ci-

dessous également (en agissant comme « donneur » d’hydrogène). La structure de droite

rappelle la présence d’une paire libre d’électrons dans l’amine et dans l’eau.

N

R

XX

X = H ou R

H O

H

RN

HX

H

O

H

RN

HX

HO

H

Chimie Organique


Ces interactions ont pour conséquence que les amines de faible masse moléculaires

sont solubles dans l’eau. Elles sont également miscibles dans les solvants polaires tels que

l’éther et les alcools par formation de ponts hydrogène tels qu’illustré ci-dessous.

NH

HO

211BLes amines en tant que base

Comme l’ammoniac, les amines se comportent comme des bases de Brønsted

faibles. Les valeurs de pKa Udes acides conjugués U de certaines amines sont listées dans la

table ci-dessous.

Amine Structure pKa

Ammoniac NH3 9,25

Méthylamine MeNH2 10,66

Ethylamine NH2

10,81

1-Propylamine NH2

10,71

1-Butylamine NH2

10,77

2-Méthyl-2-propylamine NH2

10,83

Diéthylamine HN

10,49

Triéthylamine N

11,01

Plus les valeurs de pKa de l’acide conjugué d’une base sont faibles, plus l’acide

conjugué est fort et la base est faible. Les valeurs reprises dans le tableau ci-dessus

montrent donc que les amines aliphatiques sont des bases plus fortes que l’eau ou les

alcools, mais sont des bases plus faibles que les hydroxydes ou les alkoxydes.

Les composés avec deux groupements NH2 (diamines) sont caractérisés par deux

valeurs de pKa.

Chimie Organique


66BU8.5. Réactivité

212BAmines en tant que bases faibles

Le fait que les amines sont des bases faibles signifie qu’elles forment des sels

lorsqu’elles sont traitées avec des acides. Le schéma ci-dessous en donne quelques

exemples.

NH2 HClNH3

Cl

NH

HBrNH2

Br

N HNO3 NHNO3

La formation de sels peut être utilisée en laboratoire pour la purification des amines si

l’amine est dans un mélange de composés dont seule l’amine peut agir comme une base. Le

mélange de composés est dissous dans un solvant organique tel qu’un éther. De l’acide

hydrochlorique aqueux est alors ajouté à la solution contenue dans une ampoule à décanter.

L’amine forme un sel de chlorure et se dissous dans la solution aqueuse. L’éther et la

solution aqueuse ne sont pas miscibles et les deux phases sont séparées. L’ajout d’une

base à la solution aqueuse d’ammonium régénère l’amine.

Certaines amines commercialement disponibles peuvent être vendues sous la forme,

par exemple, d’un hydrochlorure, comme par exemple le dihydrochlorure de cétirizine, un

anti-histaminique.

N N

Cl

O

O

HO

.2 HCl

Chimie Organique


213BLes amines en tant qu’acides faibles

Les amines peuvent agir en tant qu’acide ou base, comme les alcools. Les amines

sont des acides très faibles, plus faibles que les alcools et beaucoup plus faible que les

acides carboxyliques.

Nom Structure pKa

Acide acétique CH3CO2H 4,77

Ethanol EtOH 16

Diisopropylamine iPr2NH 40

Plus tôt, dans ce chapitre, nous avons utilisé les valeurs de pKa des acides conjugués

des amines. La valeur de pKa de l’amine, ci-dessus, réfère plutôt à la perte d’un proton et

d’un ion amidure.

HN

H2O H3ON

Ion diisopropylamidure L’ion amidure est particulièrement important en chimie de synthèse. Puisque c’est la

base conjuguée d’un acide très faible, le diisopropylamidure est une base très forte. Elle est

également stériquement encocombrée. Cela permet à cet ion d’agir comme une base très

forte, mais pas comme un nucléophile. Le diisopropylamidure de lithium (LDA) est souvent

utilisé pour former des ions énolates à partir de composés carbonylés (nous en

rediscuterons dans un chapitre ultérieur).

214BElimination de Hofmann

Un ammonium quaternaire est susceptible d’être attaqué par une base forte telle

qu’un ion hydroxyde ou d’un amidure. Le résultat de cette élimination conduit à une amine

tertiaire et un alcène. L’amine tertiaire est un bon groupement partant et le mécanisme est

de type E2.

N

OH

-H2ON

H

H H

H

H

Si une réaction similaire était envisagée à partir d’une amine, le groupement partant

potentiel serait un ion amidure, lequel est un très mauvais groupement partant. Ce type de

réaction n’a donc pas lieu. Pour surmonter ce problème, l’amine est tout d’abord méthylée en

Chimie Organique


utilisant de l’iodure de méthyle pour donner un sel quaternaire. L’élimination provoquée par

la base peut alors avoir lieu avec une amine tertiaire comme groupement partant.

NH2 MeI N

I

N

I

H

-H2O

-NMe3

OH

215BAlkylation et acylation d’amines

L’alkylation d’une amine, c'est-à-dire la conversion d’un groupement NH en un

groupement NR, peut être réalisée par réaction avec un halogénoalcane, RX. Cependant,

comme nous l’avons vu précédemment, une telle réaction tend à donner un mélange de

produits.

Par contre, si une amine est acylée, c'est-à-dire si un groupement NH est converti en

groupement NCOR, la réaction est contrôlée. L’acylation a lieu lorsque l’ammoniac ou une

amine réagit avec un chlorure d’acide et donne une amide spécifique.

Cl

O

NH2-HCl

HN

O

Cl

O

NH3-HCl NH2

O

La réduction d’une amide par l’hydrure d’aluminium lithium donne l’amine

correspondante.

HN

O

LiAlH4HN

La combinaison d’acylation et de réduction permet donc d’effectuer une alkylation

spécifique, contrairement à l’alkylation directe non spécifique.

Chimie Organique


8B9. Les composés aromatiques

67BU9.1. Une introduction aux hydrocarbones aromatiques

Nous avons classé, au début de ce cours, les hydrocarbones en deux groupes

primaires : les composés aliphatiques et aromatiques. Les 8 premiers chapitres portent

principalement sur les composés aliphatiques. Nous allons à présent tourner notre attention

sur les composés aromatiques, dont l’archétype est le benzène (C6H6).

68BU9.2. La structure du benzène et ses liaisons délocalisées

216BHistorique du benzène

Le benzène a été découvert en 1825 par Faraday alors qu’il étudiait les liquides

condensés à partir de produits issus de la combustion de l’essence. Sa formule fut établie

comme étant C6H6 et dans les années qui suivirent, différentes structures furent proposées.

A cette époque les données structurelles ne pouvaient être confirmées par diffraction RX ni

par des techniques spectroscopiques.

La structure de Kékulé, illustrée ci-dessus, provient de l’observation du nombre

d’isomères des produits de disubstitution de la réaction du benzène avec Cl2 ou Br2. Si on

considère la structure de Kékulé pour le benzène : pour le produit de disubstitution 1,2-

dichlorobenzène, deux isomères sont possibles, suivant que les atomes de chlores sont

séparés par une liaison C-C simple ou une liaison C=C double. Toutefois, un seul isomère

est observé, en pratique. Kékulé expliquait cette observation en permettant au deux

isomères théoriques du 1,2-dichlorobenzène à être en équilibre rapide.

Cl

Cl

Cl

Cl

Bien qu’extrêmement valable pour cette époque, l’équilibre proposé par Kékulé est

une explication erronée. En fait, les deux structures proposées par Kékulé correspondent à

Chimie Organique


deux structures de résonance, la structure réelle correspondant à quelque chose

d’intermédiaire (hybride de résonance).

217BDétermination structurale

La structure du benzène a été déterminée par des méthodes de diffraction au milieu

des années 1900, et elle a confirmé l’équivalence des liaisons entre carbones. La molécule

est planaire et toutes les liaisons carbone-carbone ont une longueur de 140 pm. Cette valeur

est intermédiaire entre les valeurs typiques d’une liaison simple C-C (154 pm) et d’une

liaison double C=C (134 pm).

218BPreuve chimique du fait que le benzène n’est pas un triène

Une autre preuve de l’échec du modèle « triène » réside dans la réactivité du

benzène. Les alcènes avec des liaisons C=C localisées subissent facilement des réactions

d’addition. Par exemple, lorsque de l’éthène est bullé dans une solution aqueuse de Br2, la

solution est décolorée à mesure que la réaction d’addition suivante a lieu :

Br2

H

H H

H

BrBr

En contraste, le benzène ne réagit avec Br2 qu’en présence d’un catalyseur et la

réaction est une substitution, pas une addition.

Br2 [FeBr3]

-HBr

Br

219BUn modèle avec liaisons délocalisées

La représentation de l’hybride de résonance, dont nous avons parlé au début de ce

chapitre, illustre la délocalisation des électrons autour du cycle. Chaque atome de carbone

est dans un environnement trigonal plan et donc, une hybridation sp2 est appropriée. La

figure ci-dessous (gauche) illustre que les orbitales hybrides sp2 et les orbitales 1s des

hydrogènes se recouvrent pour donner un squelette de liaisons σ (C-C et C-H). Chaque

atome de carbone fournit, pour ce faire, trois de ses quatre électrons de valence et chaque

Chimie Organique


hydrogène contribue d’un électron. Après la formation des liaisons σ, chaque atome de

carbone a encore une orbitale 2p et un électron de disponibles. Les orbitales 2p peuvent se

recouvrir pour donner une orbitale moléculaire π délocalisée qui est continue autour du

cycle.

69BU9.3. Aromaticité et loi de Huckel (4n+2)

Au début de ce chapitre, nous avons précisé que le benzène est un composé

aromatique. Le terme aromatique signifie qu’il y a certaines caractéristiques spéciales

associées au cycle. Bien qu’il soit difficile de donner une définition simple d’un composé

aromatique, nous pouvons au moins en dire qu’il s’agit d’une molécule cyclique plane avec

un système π délocalisé. Il convient toutefois de faire attention, des représentations

schématiques de cycles pouvant présenter une alternance de liaisons doubles et simples

sans pour autant que ces molécules soient aromatiques. Par exemple, le cyclobutadiène,

bien que planaire, possède des liaisons C-C simples de 159 pm et des liaisons doubles C=C

de 134 pm. Le cyclobutadiène n’est donc pas aromatique. La plupart des cyclobutadiènes ne

sont stables que sur une très petite période (moins de 5 secondes).

Les composés aromatiques sont stabilisés, par rapport aux structures localisées, par

délocalisation des électrons π. Pour certaines molécules cycliques, le système délocalisé est

moins stable que le localisé, de tels composés sont dits anti-aromatiques. Nous avons déjà

vu que le benzène possède un système π délocalisé sur l’ensemble du cycle, mais cela ne

suffit pas à en faire un composé aromatique. Le nombre d’électrons π dans le cycle est

important, et la loi de Huckel établi qu’il doit y avoir (4n+2) électrons π, avec n entier. Le

benzène, avec 6 électrons π obéit à la loi de Huckel avec n = 1. Le cyclobutadiène est plan,

mais ne possède que 4 électrons π et n’obéit donc pas à la loi de Huckel. En effet, aucun

entier ne peut être trouvé tel que 4n+2 = 4. Le cyclobutadiène est anti-aromatique. Le

Chimie Organique


tableau ci-dessous regroupe une série de cycle, certains respectant la loi de Huckel alors

que d’autres ne la respectent pas.

Formule Structure Nbr. e-π n Commentaire

C6H6

6 1 Cycle plan

Obéit à la loi de Huckel

Aromatique

(C6H5)2CH2

6 (2 fois) 1 Chaque cycle est plan et porte

un système π séparé


Chaque cycle est aromatique

C10H8

10 2 Le système complet est plan


Aromatique

C18H18

18 4 Cycle plan


Aromatique

C8H8

8 - N’obéit pas à la loi de Huckel

Non planaire

Non aromatique

C10H10

10 2 Obéit à la loi de Huckel

Non planaire

Non aromatique

C8H8 n’obéit pas à la loi de Huckel et serait anti-aromatique s’il était planaire.

Cependant, la non planéité du cycle et les longueurs des liaisons C-C et C=C étant de 147 et

134 pm respectivement, fournissent des preuves de la nature localisée des liaisons.

La loi de Huckel s’applique aux molécules neutres, comme nous venons de le voir,

mais également aux anions et cations. Par exemple, le cyclopentadiène est un diène avec

Chimie Organique


quatre électrons π et des liaisons localisées. Par contre, l’anion cyclopentadiényle C5H5- est

un cycle plan, obéissant à la loi de Huckel avec ses 6 électrons π délocalisés. Cet anion est

donc aromatique.

Cyclopentadiène Anion Cyclopentadiényle

70BU9.4. Nomenclature

220BDérivés du benzène

Avant de discuter de la synthèse et de la réactivité du benzène, nous allons aborder

les règles de base pour donner un nom aux dérivés du benzène. Un groupement aromatique

est appelé un substituant aryle et a l’abréviation Ar, par exemple ArCl correspond à un

chloroarène, par opposition à RCl qui représente un chloroalcane. Les dérivés

monosubstitués du benzène, de structure générale illustrée ci-dessous, peuvent être

nommés de deux façons. Le groupement X peut être considéré comme substituant du noyau

benzénique et le composé est nommé en préfixant « benzène » avec le nom du groupement

foncitonnel. Par exemple, pour X = Cl, le composé est appelé chlorobenzène. Une exception

à cette règle est l’acide benzènesulfonique. X

F Br NO2 SOO

OH

Fluorobenzène Bromobenzène Ethylbenzène Nitrobenzène Acide benzènesulfonique Une autre façon de nommer ces molécules consiste à considérer le groupement C6H5

comme étant le substituant de X. C6H5 est appelé groupement phényle (abrégé Ph) et le

nom du composé est formé en préfixant le nom du groupement X avec « phényl ». Par

Chimie Organique


exemple, lorsque X = NH2 le composé est appelé phénylamine, même si le nom commun

aniline est souvent utilisé. D’autres exemples sont donnés ci-dessous pour Ph2NH et Ph3P.

HN

Diphénylamine

P

Triphénylphosphine Un nombre important de dérivés du benzène ont un nom commun qui est encore

d’utilisation, et vous devriez apprendre les noms et structures des composés suivants :

Toluène

OH

Phénol

NH2

Aniline Styrène Benzaldéhyde

O H

O

Acétophénone

O OH

Acide benzoïque

O Cl

Chlorure de benzoyle

OMe

Anisole Lorsqu’il y a plus d’un substituant sur le noyau benzénique, des indicateurs

numériques sont utilisés pour positionner les substituants. Quelques exemples sont donnés

ci-dessous.

Chimie Organique


Br

Br

1,2-Dibromobenzène 1,3,5-Triméthylbenzène

F

F

1,3-Difluorobenzène

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Hexachlorobenzène

221BMotif de substitution ortho-, méta- et para-

Un dérivé disubstitué du benzène tel que le dibromobenzène possède trois

isomères : 1,2-dibromobenzène, 1,3-dibromobenzène et 1,4-dibromobenzène. Ces

composés peuvent également être nommés en utilisant le préfixe ortho-, méta- et para-

respectivement. Les exemples ci-dessous illustrent l’utilisation de cette nomenclature pour

les isomères du diméthylbenzène (également appelé xylène) :

1,2-diméthylbenzèneortho-xylèneo-xylène

1,3-diméthylbenzèneméta-xylènem-xylène

1,4-diméthylbenzènepara-xylènep-xylène

222BPhényle versus benzyle

Il est important de faire la distinction entre les groupements phényles et benzyles :

• Phényle = C6H5 = Ph

• Benzyle = C6H5CH2 = PhCH2

Un composé tel que le chlorobenzène a un groupement chloro attaché directement

sur le noyau aromatique. Dans le chlorure de benzyle, le groupement chloro fait partie du

substituant alkyle. Donc le chlorure de benzyle se comporte comme un halogénoalcane.

Chimie Organique


ClCl

Chlorobenzène Chlorure de benzyle

71BU9.5. Propriétés physiques du benzène

Le benzène est un liquide incolore à température ambiante et présente une odeur

caractéristique (à ne pas vérifier, puisqu’il est cancérigène). Il est non polaire et non miscible

à l’eau, par contre, il est miscible à d’autres solvants non polaires et à des alcools. Il est

également moins dense que l’eau. Il fut largement utilisé comme solvant, par le passé, mais

sa toxicité limite beaucoup son utilisation de nos jours.

72BU9.6. Réactivité du benzène

223BHydrogénation

L’hydrogénation du benzène pour donner du cyclohexane peut être réalisée par

réaction à très haute pression en H2 et en présence d’un catalyseur au platine. La nécessité

de conditions aussi drastiques reflète la stabilité du système aromatique. Le schéma ci-

dessous permet de comparer les conditions nécessaires à l’hydrogénation d’un alcène

typique et du benzène.

H2, 1 bar, 298 K

[Pd] ou [Pt]

H2, 150 bar, 298 K

[Pt]

224BRéactions de substitution, une vue d’ensemble

Les réactions caractéristiques du benzène sont des substitutions d’un atome d’H par

un autre atome, ou un groupe fonctionnel, et la plupart de ces réactions nécessitent un

Chimie Organique


catalyseur. Cette introduction donne des exemples de réactions de substitution dans des

conditions de réaction appropriées.

La réaction du benzène avec Cl2 pour donner du chlorobenzène se déroule en

présence d’AlCl3. Le chlorure d’aluminium est un acide de Lewis et la chloration du benzène

est un exemple de réaction catalysée par un acide de Lewis. Au autre catalyseur acide de

Lewis est FeCl3.

Cl2, AlCl3

-HCl

Cl

De façon comparable, la bromation du benzène en utilisant Br2 ne peut avoir lieu

qu’en présence d’acides de Lewis tels que FeBr3 ou AlCl3. L’iodation, tant qu’à elle, est plus

difficile, I2 étant moins réactif que Br2 ou Cl2.

Des dérivés alkyles du benzène peuvent être produits par alkylation de Friedel-Crafts.

Cette réaction implique la réaction d’un bromo- ou chloroalcane, RX, avec le benzène en

présence d’un acide de Lewis comme catalyseur. Cette réaction présente toutefois plusieurs

désavantages, notamment à cause de possibles polyalkylations ou encore à cause de

réarrangements. Nous en discuterons plus en détail ultérieurement.

RX, AlCl3

-HX

R

X = Cl ou BrR = alkyle

Cl AlCl3

-HCl

Produit majoritaire L’acylation de Friedel-Crafts du benzène est une réaction avec un chlorure d’acyle

(RCOCl) en présence d’un acide de Lewis comme catalyseur pour donner une cétone. Les

acylations de Friedel-Crafts ne présentent pas les mêmes inconvénients que les alkylations.

Chimie Organique


R Cl AlCl3

-HCl

O

R

O

La nitration du benzène est réalisée en utilisant un mélange d’acide nitrique

concentré et d’acide sulfurique. Cette combinaison d’acides génère l’espèce réactive NO2+ ;

H2SO4 agit comme déshydratant dans cette réaction.

HNO3 + H2SO4 H2NO3+ + HSO4

-

H2NO3+ NO2

+ + H2O

HNO3 / H2SO4

-H2O

NO2

La réaction entre le benzène et l’acide sulfurique fumant (mélange d’acide sulfurique

et SO3) conduit à la sulfonation du noyau. L’espèce réactive est HSO3+ qui est généré

suivant l’équilibre indiqué ci-dessous.

H2SO4 + SO3 HSO3+ + HSO4

-

SO3 / H2SO4

SO3H

73BU9.7. Le mécanisme de la substitution électrophile

225BMécanisme général

Les réactions de substitution décrites dans la section précédente sont des

substitutions électrophiles. Le mécanisme comprend deux étapes :

• La réaction entre le noyau aromatique et un électrophile pour donner un carbocation

intermédiaire.

• La perte du groupement partant.

Chimie Organique


La première étape dans la réaction du benzène avec un électrophile X+ est illustré ci-

dessous. La direction de mouvement de la paire d’électrons montre que le noyau aromatique

se comporte comme un nucléophile et donne une paire d’électrons à l’électrophile. Cette

étape est l’étape cinétiquement limitante de la substitution électrophile.

H X+ H X

Le carbocation ainsi formé est un intermédiaire. Le système π délocalisé à 6

électrons a été détruit ; seuls quatre électrons π sont toujours présents et la loi de Huckel

n’est donc plus respectée. Bien que la charge positive de l’intermédiaire soit illustrée, ci-

dessus, comme si elle était localisée sur un seul atome de carbone, cette structure n’est que

l’une d’un ensemble de formes de résonance contributives et la charge est, en fait,

délocalisée sur l’ensemble du cycle. C’est ce qui est représenté par l’ensemble de structures

de résonances ou encore par la structure de l’hybride de résonance, ci-dessous. Nous

reviendrons à la distribution des électrons autour du cycle lorsque nous discuterons des

effets d’orientation plus tard dans ce chapitre. H X H X H X H X

Dans cette structure, tous les atomes de carbone sont hybridés sp2 sauf celui qui

porte l’électrophile X, qui est tétraédrique (sp3). Ce dernier utilise toutes ses orbitales de

valence pour former des liaisons σ (C-C, C-H et C-X).

Dans l’étape suivante de la réaction de substitution électrophile, l’intermédiaire perd

un proton par clivage hétérolytique de la liaison C-H du carbone tétraédrique. C’est ce qui

est représenté ci-dessous, et cette étape est rapide. Dans l’équation ci-dessous, on a

représenté une seule des structures de résonance pour l’intermédiaire.

Chimie Organique


H X X

H

Le diagramme ci-dessous illustre le profile de réaction pour une substitution

électrophile prise dans son ensemble. L’intermédiaire de réaction (le carbocation) se trouve

à un minimum local d’énergie. Chaque étape a une barrière d’activation associée, mais celle

de la première étape est la plus élevée. La seconde étape est accompagnée d’une

réhybridation d’un carbone sp3 en sp2. En même temps, une nouvelle interaction π est créée

et le système π délocalisé revient à l’anneau.

Le produit (tout comme l’est le réactif) est donc stabilisé par délocalisation de 6

électrons π. La substitution est donc énergétiquement préférable à l’addition sur le cycle, par

exemples, des deux réactions ci-dessous, c’est la substitution qui est la plus favorable

énergétiquement, puisque dans ce cas, l’aromaticité est conservée, alors que dans l’autre,

elle est détruite.

X2

X

X2

X

HX

X

Observé

Non favorisé

Chimie Organique


Nous allons à présent considérer les réactions de substitution électrophile spécifiques

et le rôle des catalyseurs dans la production des électrophiles.

226BChloration et bromation

Les réactions d’halogénations requièrent une catalyse par acide de Lewis pour

favoriser la formation de l’électrophile. Des catalyseurs adaptés sont AlCl3, FeCl3 et FeBr3.

Chacun réagit avec Cl2 ou Br2 comme illustré ci-dessous.

AlCl3 + Cl2

Cl

Cl Al

Cl

ClCl

Le schéma ci-dessous montre le transfert de Cl+ au benzène suivi de l’élimination de

H+ pour former le chlorobenzène. Notez comment le catalyseur est régénéré.

Cl

Cl AlCl3 Cl H

AlCl4

Cl H

AlCl4

Cl

+ HCl + AlCl3

La conversion du benzène en bromobenzène suit le même schéma.

227BAlkylation de Friedel-Crafts

Dans une alkylation de Friedel-Crafts, la catalyse par acide de Lewis se déroule de

façon comparable à celle décrite pour l’halogénation ci-dessus. Le traitement d’un chlorure

d’alkyle RCl avec AlCl3 génère un R+ comme dans l’équation ci-dessous.

Chimie Organique


AlCl3 + RCl

R

Cl Al

Cl

ClCl

R AlCl4

La réaction de R+ avec le benzène se déroule alors en deux étapes illustrées ci-

dessous. Bien que l’on représente R+ comme une entité séparée, il semble qu’il reste

associé à AlCl4- durant la première étape.

R

R H R

Dans la section précédente, nous avons vu que la réaction du 1-chloropropane avec

le benzène donnait un mélange de produits : l’isopropylbenzène (majoritaire) et le n-

propylbenzène. Ces produits sont le résultat d’un réarrangement du carbocation R+ avant sa

réaction avec le cycle aromatique. Rappelons-nous que la stabilité relative des carbocations

est la suivante tertiaire > secondaire > primaire.

Cela signifie que, lorsque l’agent d’alkylation est un halogénoalcane primaire, le

produit favorisé ne contient pas nécessairement une chaîne droite, parce qu’un

réarrangement du carbocation primaire peut avoir lieu, comme illustré ci-dessous.

H

La réaction du benzène avec le 1-chloropropane donne donc un mélange de produits

alkylés qui reflète les stabilités relatives des carbocations primaires et secondaires formés

après la perte de Cl-.

Un facteur de complication supplémentaire de l’alkylation des noyaux aromatiques

provient du fait que l’introduction d’un premier substituant alkyle active le cycle vis-à-vis

d’autres substitutions en ortho- et para-. Dans la synthèse du toluène à partir du benzène, un

mélange de produits est obtenu à cause de l’incorporation du premier méthyle qui va

encourager d’autres substitutions. Nous expliquerons ultérieurement l’origine de ce

phénomène.

Chimie Organique


MeCl, AlCl3

228BAcylation de Friedel-Crafts

L’acylation se déroule d’une façon similaire à l’alkylation. Le précurseur est un

chlorure d’acyle et il réagit avec un catalyseur acide de Lewis pour produire un électrophile.

Le schéma ci-dessous illustre la formation de l’électrophile et sa réaction subséquente avec

le benzène. Le groupement acyle désactive le cycle et il n’y a donc pas de risque de

substitutions multiples comme avec l’alkylation.

R O

H

R

O

O R

229BNitration

La nitration du benzène ne peut avoir lieu en utilisant seulement de l’acide nitrique.

Elle nécessite un mélange d’acide nitrique et d’acide sulfurique. L’acide sulfurique est un

acide plus fort que l’acide nitrique et un proton est transféré de l’acide le plus fort vers le plus

faible :

HNO3 + H2SO4 H2NO3+ + HSO4

-

L’ion H2NO3+ perd une molécule d’eau pour donner un ion nitrile NO2

+ :

H

O

NO

O

H

O N O H2O

Cet ion est un électrophile qui réagit avec le benzène pour donner du nitrobenzène.

Chimie Organique


O N O O2N H

-H

NO2

230BSulfonation

L’acide benzènesulfonique est fabriqué par sulfonation du benzène. L’électrophile

dans la réaction est soit SO3 soit HSO3+, ce dernier est formé par protonation de SO3 dans

l’acide sulfurique concentré. Le schéma ci-dessous illustre la réaction du benzène avec

HSO3+.

S HO3S H

-H

SO3H

OH

O O

74BU9.8. Effets d’orientation et activation / désactivation des cycles

Dans le reste de ce chapitre, nous allons considérer la chimie des dérivés du

benzène. Les réactions de substitution électrophile demeurent importantes. Cependant,

avant d’en discuter, nous devons étudier les effets de l’introduction de substituants sur

l’anneau benzénique. Nous avons déjà mentionné que les alkylations du benzène sont

compliquées par la substitution de plus d’un groupement alkyle.

Par exemple, un groupement méthyle dirige la seconde substitution par un méthyle

dans les positions ortho- et para-. Nous avons également introduit les termes d’activation et

de désactivation en fonction des effets des groupements alkyles et acyles, respectivement,

sur les substitutions subséquentes. Considérons la réaction ci-dessous. Bien qu’en théorie

trois isomères de C6H4XY peuvent être formés, en pratique, certains isomères particuliers

sont favorisés.

Chimie Organique


X

Y

X

Y

X

Y

X

Y

isomère ortho- isomère méta- isomère para- Le substituant X est :

• Soit donneur d’électron (ex. : X = alkyle) ou capteur d’électron (ex. : X = F, Cl ou NO2)

• Soit activant soit désactivant

L’interaction des ces deux facteurs détermine la position du second substituant. La

table ci-dessous liste les effets observés pour certains substituants. L’activation du cycle

tend à être associée avec des groupements orienteurs en ortho- et para-, alors que la

désactivation est habituellement associée à des groupements orienteurs méta-. Les dérivés

halogénés ont un comportement échappant à cette règle. Pour comprendre ces observations

nous allons étudier des exemples particuliers.

Substituant X Directeur o-, m- ou p- ? Activant ou désactivant ?

Me Ortho- et para- Activant

Et Ortho- et para- Activant

OH Ortho- et para- Activant

NH2 Ortho- et para- Activant

F Ortho- et para- Désactivant

Cl Ortho- et para- Désactivant

Br Ortho- et para- Désactivant

I Ortho- et para- Désactivant

NO2 Méta- Désactivant

CN Méta- Désactivant

SO3H Méta- Désactivant

CHO Méta- Désactivant

COMe Méta- Désactivant

CO2H Méta- Désactivant

231BAniline et phénol

L’aniline et le phénol contiennent des substituants avec une ou deux paires libres,

respectivement, sur l’atome attaché au cycle. Les structures de résonance pour ces

Chimie Organique


composés sont montrées ci-dessous et illustrent la distribution d’une charge négative sur les

atomes de carbone en ortho- et para- :

NH2 NH2 NH2 NH2

OH OH OH OH

Le don de la paire libre a lieu par conjugaison dans le système π comme le montre le

diagramme ci-dessous.

La charge partielle négative des positions ortho- et para- dans l’aniline et le phénol

sont activés par l’attaque d’un électrophile. Les vitesses de substitution sont relativement

élevées. Comme N est moins électrophile que O, la paire livre de l’aniline est plus disponible

que dans le phénol, rendant la stabilisation par résonance plus importante pour l’aniline. Il en

résulte que l’aniline est plus activante que le phénol pour l’attaque d’un électrophile aux

positions ortho- et para-.

Considérons à présent ce qu’il se passe lorsqu’un électrophile Y+ attaque l’aniline.

Les structures de résonance pour chacun des trois intermédiaires possibles sont illustrées ci-

dessous.

NH2

H

Y

NH2

H

Y

NH2

H

Y

NH2

H

Y

Chimie Organique


NH2NH2 NH2 NH2

NH2NH2 NH2

H

Y

H

Y

H

Y On voit que pour les substitutions ortho- et para-, on peut dessiner une forme de

résonance supplémentaire par rapport à la substitution en méta-. Cela a pour conséquence

une stabilisation plus importante de cet intermédiaire réactionnel et donc à une diminution de

l’énergie d’activation (ce qui augmente la vitesse de réaction).

Les groupements OH et NH2 sont donc activant et orienteur en position ortho- et

para-.

232BLe nitrobenzène

Le groupement nitro est électro attracteur. Les structures de résonance ci-dessous

montrent comment la charge est déplacée hors du cycle dans le nitrobenzène, laissant les

positions ortho- et para- avec une charge partielle positive. La charge est délocalisée par

conjugaison impliquant le système π.

NO O

NO O

NO O

NO O

Le cycle est donc désactivé vis-à-vis de l’attaque par des électrophiles. Les structures

de résonance indiquent qu’il y a plus de charge électronique ôtée en positions ortho- et para-

qu’en position méta-. Donc, lorsque le nitrobenzène réagit avec des électrophiles, c’est en

position méta- : le groupement nitro est donc orienteur en position méta-.

Chimie Organique


Considérons à présent le carbocation intermédiaire durant la réaction entre le

nitrobenzène et l’électrophile Y+ :

H

Y

NO O

H

Y

NO O

H

Y

NO O

NO O

Y

H

NO O

Y

H

NO O

Y

H

NO O

HY

NO O

HY

NO O

HY Les structures de résonance ci-dessus montrent que, lorsqu’Y+ entre en position

méta-, la charge positive est délocalisée en positions ortho- et para-. Lorsqu’Y+ entre en

position ortho- ou para-, la délocalisation de la charge peut avoir à nouveau lieu, mais il y a

alors contribution d’une forme de résonance dans laquelle la charge positive se trouve sur un

atome de carbone adjacent à un atome d’azote chargé, lui aussi, positivement. Cela a pour

conséquence de déstabiliser l’intermédiaire et donc d’augmenter son énergie. Cela

déstabilise également l’état de transition de la première étape de substitution électrophile, ce

qui augmente l’énergie d’activation et a pour conséquence que les substitutions en position

ortho- et para- sont plus lentes qu’en position méta-.

Chimie Organique


En résumé, les effets de résonance désactivent le cycle vis-à-vis de la substitution

électrophile. Ils sont également responsables de l’augmentation de la barrière d’activation

pour la substitution en ortho- et para-, rendant la substitution en position méta- plus rapide.

Le groupement NO2 est donc désactivant et orienteur en méta-.

233BLes dérivés halobenzéniques

Les substituants halogènes sont électronégatifs et peuvent attirer les électrons du

cycle dans les dérivés halogénés du benzène. C’est un effet inductif et il est d’autant plus

important que l’halogène est électronégatif : F > Cl > Br > I. Par contre, les halogènes

peuvent également utiliser une de leurs paires libres pour entrer dans le système π

délocalisé, comme nous l’avons décrit pour les groupements OH et NH2. On peut utiliser des

arguments basés sur la stabilisation par résonance analogues à ceux utilisés pour l’aniline et

le phénol pour expliquer pourquoi les halogènes orientent en positions ortho- et para- lors de

la substitution électrophile. Toutefois F, Cl, Br et I sont désactivant, contrairement à NH2 et

OH. Deux effets doivent être considérés pour expliquer ce phénomène :

• Le fluor hautement électronégatif attire les électrons du cycle rendant les carbones

porteurs d’une charge partielle positive qui s’oppose à l’attaque d’électrophiles. Les

effets inductifs l’emportent sur la conjugaison π et le cycle est désactivé dans le

fluorobenzène.

• L’efficacité de la conjugaison π dépend de la qualité du recouvrement des orbitales

2p du carbone avec une orbitale np de l’halogène X. Pour les derniers halogènes, le

recouvrement est faible (différence de taille importante, comme on peut le voir dans

le schéma ci-dessous). Pour Cl, Br et I, la conjugaison π est donc insuffisamment

efficace pour activer le cycle dans le chlorobenzène, bromobenzène et iodobenzène

vis-à-vis de la substitution électrophile. La substitution est donc plus lente que pour

l’aniline ou le phénol.

234BToluène

Le groupement méthyle dans le toluène injecte des électrons dans le cycle

aromatique par hyperconjugaison comme l’illustre le diagramme ci-dessous (cfr. Discussion

Chimie Organique


sur la stabilité des carbocations). Les électrons de la liaison σ C-H sont conjugués dans le

système π du cycle. Cela conduit les électrophiles à attaquer en positions ortho- et para-,

comme pour l’aniline ou le phénol.

75BU9.9. Toluène

235BSynthèse

Le toluène peut être synthétisé par méthylation de Friedel-Crafts du benzène bien

que cette réaction souffre de substitutions multiples puisque le premier groupement méthyle

active pour d’autres substitutions électrophiles en positions ortho- et para-. Industriellement,

le toluène est synthétisé par déshydrogénation du méthylcyclohexane.

Al2O3 / [Pt], chaleur

- 3H2

236BPropriétés physiques

Le toluène est un liquide incolore. Il est moins toxique que le benzène et a, dans la

mesure du possible, remplacé le benzène comme solvant de laboratoire. Tout comme le

benzène, le toluène est non polaire et non miscible à l’eau.

237BRéactions

Nous avons déjà vu que le groupement méthyle dans le toluène est activant et

directeur en ortho- et para-. La substitution électrophile, dans le toluène, s’effectue donc aux

positions 2-, 4- et 6-. Notons que les positions 2- et 6-, dans le toluène, sont identiques

(symétrie). La nitration du toluène donne donc d’abord un produit monosubstitué soit l’o- ou

p-nitrotoluène.

Chimie Organique


HNO3, H2SO4NO2

NO2 D’autres nitrations peuvent avoir lieu parce que, bien que le groupement nitro soit

désactivant, le groupement méthyle, lui, est activant. La position pour la substitution suivante

dépend, à la fois des effets du méthyle et du groupement nitro. Le groupement nitro oriente

en méta-, alors que le groupement méthyle oriente en ortho- ou para-. Si on part d’p-

nitrotoluène, les deux effets se combinent pour n’offrir qu’une seule possibilité à la seconde

substitution. Si on part d’o-nitrotoluène, par contre, deux produits sont possibles.

HNO3, H2SO4NO2

NO2 NO2

NO2

HNO3, H2SO4

NO2

NO2

O2N NO2

En présence de Cl2 ou Br2 et d’un acide de Lewis comme catalyseur, le toluène est

converti en o-chloro, p-chloro-, o-bromo- ou p-bromotoluène.

HNO3, H2SO4Br

Br

Chimie Organique


Contrairement au benzène, le toluène contient à la fois des atomes d’hydrogène

alkyles et aryles. L’halogénation d’un cycle aromatique requière une catalyse par un acide de

Lewis, comme nous venons de le voir. L’halogénation du méthyle se déroule, quant à elle,

lorsque le toluène réagit avec Cl2 ou Br2 dans des conditions photolytiques ou thermiques.

Cette substitution radicalaire est la même que dans le cas d’un alcane.

Cl2, hν

-HCl

Cl Cl Cl ClCl

Cl

Le groupement méthyle du toluène est oxydé par KMnO4 et K2Cr2O7 pour donner un

acide carboxylique. Cela contraste du benzène et des alcanes qui ne sont ni l’un, ni les

autres oxydés par ces réactifs. Cette réaction peut être étendue à d’autres dérivés alkylés

comme l’éthylbenzène. L’oxydation a, alors, toujours lieu sur le CH2 qui est directement

attaché au noyau aromatique pour donner l’acide benzoïque, quel que soit le réactif de

départ, comme l’illustre le schéma ci-dessous. Nous reviendrons à l’acide benzoïque et aux

molécules analogues dans le prochain chapitre.

KMnO4 aqueux

chaleur

O OH

76BU9.10. Phénol

Les phénols sont des composés dans lesquels le groupement OH est attaché

directement à un noyau aromatique et le parent de cette famille est appelé phénol.

Chimie Organique



Le phénol est un solide cristallin incolore et hygroscopique à température ambiante. Il

est polaire et soluble dans l’eau, ainsi que dans une grande variété de solvants organiques.

Le phénol est un acide faible (pKa = 9,89). D’autres phénols ont un comportement

similaire en solution aqueuse et cette propriété les démarque des alcools aliphatiques dont

les valeurs de pKa sont considérablement plus grandes (pour l’éthanol, pKa = 16). Notons

toutefois que les phénols sont des acides typiquement plus faibles que les acides

carboxyliques. Qu’y a-t-il de particulier à l’attachement d’un groupement OH directement sur

un noyau aromatique ? Considérons l’équilibre ci-dessous ; le facteur qui détermine l’acidité

d’un phénol est la stabilité de l’ion phénolate (ou phénoxyde) PhO-.

OH

H2O

O

H3O+

La charge négative du phénolate n’est pas localisée sur l’atome d’oxygène, mais sur

l’ensemble du cycle aromatique par conjugaison dans le système π. C’est ce qui est

représenté dans le schéma ci-dessous, dans lequel il y a un recouvrement entre une orbitale

2p de l’oxygène et les orbitales 2p des carbones adjacents.

La stabilité du phénolate peut être décrite en termes des structures de résonance

suivantes :

O O O O

Chimie Organique


239BRéactions

L’acidité du phénol discutée ci-dessus signifie que les réactions avec les hydroxydes

de métal peuvent donner des sels de phénolate. Par contre, le phénol n’est pas un acide

suffisamment fort pour neutraliser le NaHCO3. Cette observation peut être utilisée pour faire

la distinction entre un phénol et un acide carboxylique, qui lui, réagira.

OH

NaOH H2O

O Na

NaHCO3PhOH PhCO2H

O O Na

H2O CO2

L’activation du cycle aromatique vis-à-vis des substitutions électrophiles dans les

phénols a pour conséquence que la chloration et la bromation peuvent avoir lieu via

traitement avec Cl2 et Br2 aqueux respectivement (sans qu’il soit nécessaire d’utiliser une

base de Lewis, contrairement au benzène). La sulfonation requière seulement de l’acide

sulfurique plutôt que de l’acide sulfurique fumant. La bromation et la sulfonation du phénol

sont illustrés ci-dessous.

Chimie Organique


OH

Br2 aqueux

OH

BrBr

Br

OH

H2SO4, 290 K

OH

SO3H

H2SO4, 373 K OH

SO3H L’introduction du premier SO3H désactive le cycle pour les substitutions suivantes, il

est donc nécessaire d’utiliser des conditions plus dures pour encourager l’attaque d’un

second électrophile. Les halogénations sont rapides et les substitutions multiples sont

courantes.

Les alkylations et acylation de Friedel-Crafts du phénol sont affectées par le fait que

le groupement OH fonctionne comme une base, formant un adduit avec l’acide de Lewis

utilisé comme catalyseur. La réaction a toujours lieu, mais pas aussi facilement qu’on ne

pourrait le supposer. Nous retournerons à cette discussion pour la substitution dans le cas

de l’aniline.

Le phénolate est utilisé dans la synthèse de Williamson pour former des éthers

contenant le groupement PhO. Le schéma ci-dessous montre la formation de l’éthyl phényl

éther.

Chimie Organique


OH

NaOH

-H2O

O Na

-NaI

I

O

Comme les alcools aliphatiques, les phénols peuvent être convertis en esters. Alors

que les alcools aliphatiques réagissent avec les acides carboxyliques en présence d’un

catalyseur acide ou avec un chlorure d’acide, seule cette dernière possibilité peut être

appliquée effectivement aux phénols. La réaction ci-dessous illustre la formation de

propanoate de phényle.

OH

O

Cl

NaOH

-HCl

O

O

Les phénols et phénolates sont oxydés facilement et virent au brun. Les produits

d’oxydation sont des quinones. Les agents d’oxydation puissants convertissent les phénols

en p-benzoquinone.

OH

Oxydant fort

O

O

Chimie Organique


77BU9.11. Nitrobenzène et aniline

240BSynthèse

Le nitrobenzène est synthétisé par nitration du benzène. C’est un précurseur

industriel de l’aniline qui est largement utilisé dans l’industrie des colorants et l’industrie

pharmaceutique. La réduction du nitrobenzène en aniline est la meilleure façon d’attacher un

groupement NH2 à un noyau aromatique et peut être réalisée de différentes façons. Deux

d’entre elles sont illustrées ci-dessous :

NO2NH2 NH2

Fe, HCl aqueux H2, [Cu] ou [Pt]

A plus petite échelle, de l’étain sous forme de granulés dans de l’acide chlorhydrique

est un bon agent de réduction. Les conditions acides signifient que le produit initial est un sel

d’ammonium, lequel peut être neutralisé par une base pour donner l’aniline.

NO2 NH3

Sn, HCl aqueux NaOH aqueux,

-NaCl, -H2O

NH2


Le nitrobenzène est un liquide incolore. Il possède une odeur caractéristique,

comparable à celle du massepain, et est extrêmement toxique. L’aniline est un liquide

huileux incolore, également toxique. Il présente souvent une coloration brunâtre trahissant la

présence de produits d’oxydation. L’aniline est polaire et légèrement soluble dans l’eau : à

298 K, 100 cm3 d’eau dissolvent 3,7 g d’aniline.

L’aniline est une amine primaire aromatique et se comporte comme une base très

faible. La table ci-dessous liste les valeurs de pKa des acides conjugués de l’aniline et de

certains de ses dérivés. Comparez ces valeurs avec celles données pour certaines amines

aliphatiques. Rappelez-vous que plus la valeur de pKa est grande, plus l’acide conjugé est

faible et plus la base est forte.

Chimie Organique


Composé Structure pKa de l’acide conjugué

Aniline NH2

4,63

N-Méthylaniline NH

4,85

N,N-Diméthylaniline N

5,15

o-Chloroaniline NH2

Cl

2,65

p-Nitroaniline NH2

NO2

1,00

Chimie Organique


p-Méthylaniline NH2

5,08

On constate dès lors que les amines aromatiques sont généralement plus faibles que

les amines aliphatiques. En tant que base de Brønsted, l’aniline réagit avec les acides de

Brønsted.

La faible basicité de l’aniline peut être expliquée en termes de stabilisation par

résonance. Alors qu’une série de structures de résonance peuvent être tracées pour l’aniline,

il n’en va pas de même pour l’anilinium.

NH2 NH2 NH2 NH2

L’équilibre acido-basique est donc déplacé vers l’aniline plutôt que vers l’anilinium. Le

tableau repris plus haut comprend des dérivés de l’aniline dont le noyau aromatique porte

des substituants. On voit que les valeurs de pKa sont affectées par la nature des

substituants. Cl et NO2 sont des groupements attracteurs d’électrons et déstabilisent la

charge positive portée par l’azote dans l’anilinium. Cette déstabilisation va encore plus

déplacer l’équilibre vers la forme aniline plutôt que vers l’anilinium. Ces aniline substituées

avec un groupement électro attracteur sont donc moins basiques que l’aniline elle-même (ce

qui est confirmé par les valeurs faibles de pKa pour les acides conjugués de l’o-chloroaniline

et la p-nitroaniline.

Par contre, la p-méthylaniline est une base plus forte que l’aniline. C’est du au

groupement méthyl donneur d’électron qui stabiliser l’ion p-méthylanilinium.

242BRéactions

Nous avons déjà vu que la réduction du nitrobenzène donne l’aniline et c’est une

réaction importante. Le groupement NO2 est orienteur méta- et la substitution est dirigée

vers les positions 3 et 5. Cependant, NO2 est extrêmement désactivant et la substitution

Chimie Organique


électrophile du nitrobenzène est extrêmement difficile. Cela explique pourquoi la synthèse du

nitrobenzène n’est pas compliquée par la formation de produits disubstitués ; l’introduction

d’un second groupement nitro sur le nitrobenzène est bien plus compliquée que la nitration

initiale du benzène. Cette remarque est à comparer avec la nitration du toluène. Puisque le

noyau aromatique est désactivé dans le nitrobenzène vis-à-vis de la substitution électrophile,

les conditions doivent être dures pour qu’une telle réaction ait lieu. Par exemple, la

bromation requiert une catalyse par acide de Lewis et une température élevée. En

comparaison, la bromation du benzène nécessite une catalyse par acide de Lewis, mais pas

une température très élevée et la bromation du phénol a lieu, même an absence de

catalyseur.

NO2

Br2, FeBr3, 410 K

NO2

Br Le mécanisme de cette réaction est illustré ci-dessous. Notez la distribution de

charge sur le carbocation intermédiaire et comparez celle-ci avec les structures de

résonance tracées pour cet intermédiaire dans la section 9.8.

NO O

Br

Br FeBr3-FeBr4

NO O

Br

H

-H

NO O

Br

Le groupement nitro est tellement désactivant que certaines substitutions ne

marchent pas. Les alkylations et acylations de Friedel-Crafts du nitreobenzène ne peuvent

avoir lieu. En conséquence, le nitrobenzène est un solvant inerte adapté aux réactions de

Friedel-Crafts d’autres substrats.

Nous avons déjà décrit la réduction du nitrobenzène en aniline mais signalons qu’en

modifiant les conditions de réduction, il est possible de réduire le nitrobenzène en

azobenzène.

Chimie Organique


NO2

Zn, NaOH

NN

Le groupement NH2 dans l’aniline est fortement activant et oriente en ortho- et para-.

Les électrophiles attaquent donc en positions 2, 4 et 6. Les substitutions électrophiles telles

que l’halogénation se déroulent facilement et des produits multi-substitués sont obtenus.

NH2

Br2 aqueux

NH2

Br Br

Br En dépit de l’activation du groupement NH2, l’acylation et l’alkylation de Friedel-Crafts

n’ont pas lieu parce que le groupement NH2 agit comme une base de Lewis et interagit avec

l’acide de Lewis utilisé comme catalyseur. Un problème similaire est rencontré lorsque les

réactions nécessitent un milieu acide, comme la nitration, puisqu’il y a, alors, formation de

l’ammonium. Une façon d’éviter ce problème est de convertir le groupement NH2 en amide

avant de réaliser la réaction de Friedel-Crafts. La réaction ci-dessous illustre la conversion

de l’aniline en amide.

NH2

base (ex. pyridine)

-HCl

R O

Cl

NH

O

R

L’atome d’azote dans l’amide est moins basique que celui du groupement NH2 parce

que la charge négative est délocalisée sur l’atome d’oxygène du carbonyle comme le montre

la paire de résonance ci-dessous.

Chimie Organique


NH

R

O

HR

O

N

Donc, le catalyseur de la réaction de Friedel-Crafts reste libre et les alkylations et

acylations du noyau aromatique dans l’amide peuvent avoir lieu alors qu’elles échouent avec

l’amine. Le groupement amide est orienteur en ortho- et para- (c'est-à-dire la même chose

que le groupement NH2). Le groupement amide peut être hydrolysé pour redonner l’amine

après l’alkylation. Le schéma ci-dessous illustre l’alkylation de Friedel-Crafts de l’acétanilide.

NH

O

RCl, AlCl3

NH

O

R

NH

O

R

Hydrolyse basique

NH2

R

R

NH2

Chimie Organique


Les anilines réagissent avec les halogénures d’alkyles pour donner des dérivés N-

alkylés. Le schéma ci-dessous illustre la conversion de PhNH2 en PhNMe2.

NH2

MeCl

-HCl

NH

MeCl

-HCl

N

L’une des réactions les plus importantes des amines aromatiques primaire est leur

conversion en sels de diazonium (explosifs) par traitement avec de l’acide nitrique, préparé

in situ par action d’un acide (ex. HCl) avec du nitrite de sodium.

NH2

NaNO2, HCl aq.dans bain de glace

-NaCl, -2 H2O

N

N

Cl

Le cation diazonium est stabilisé par résonance avec la charge positive délocalisée

sur l’ensemble du cycle.

N

N

N

N

N

N

N

N

Les sels de diazonium subissent deux types généraux de réaction :

• Elimination de N2 ou

• Formation d’un groupement azo (-N=N-)

L’élimination de N2 a lieu lorsque l’ion diazonium est hydrolysé. Cela arrive seulement

lentement dans les conditions aqueuses utilisées pour la préparation des chlorures de

diazonium, mais les réactions de sels de diazonium avec de l’eau sont des méthodes

simples pour préparer des phénols.

Chimie Organique


N

N

H2O

OH

N2 H

Le chlorobenzène, bromobenzène et benzonitrile sont formés par la réaction de

Sandmeyer dans laquelle un sel de diazonium est traité avec CuCl, CuBr ou CuCN en

présence d’un excès de l’anion correspondant (Cl-, Br- ou CN-). Le sel de cuivre agit comme

catalyseur. L’iodobenzène, quant à lui, est obtenu par réaction directe avec NaI.

N

N

CuX et excès de X-

X

N2

Le couplage d’un ion diazonium avec les phénols ou les amines aromatiques a lieu

sans élimination de N2. Le produit est un composé azo : deux groupements aryles couplés

par une unité azo (-N=N-).

N2 X

-HN

N

X

La réaction est une substitution électrophile (PhN2

+ agit comme électrophile) qui

fonctionne parce que la paire libre des substituants OH et NH2 enrichissent le système π du

cycle. La substitution électrophile a lieu en ortho- et para- du phénol et de l’aniline. Le

mécanisme est illustré ci-dessous.

Chimie Organique


N

OH

NN

OH

H-H

NN

OHN

Le groupement –N=N- est un chromophore et certains composés azo absorbent la

lumière dans le spectre visible les rendant colorés et donc utilisables comme teintures,

colorants biologiques ou indicateurs.

78BU9.12. Substitution nucléophile dans les cycles aromatiques

Bien que les halogénoalcanes subissent des réactions de substitution nucléophile, les

halobenzènes, eux, ne le font pas. Toutefois, dans certains cas particuliers, un substituant

halo- d’un cycle aromatique portant d’autres substituants peut être déplacé par un

nucléophile. Pour ce faire, il est nécessaire que l’anneau contienne des substituants ortho-

ou para- qui soient attracteurs d’électrons et désactivant (ex. NO2 ou CN).

Le 2,4,6-trinitrochlorobenzène rempli ces critères et peut être converti en acide

picrique par traitement avec de l’hydroxyde ou en un dérivé du benzonitrile.

Cl

NO2O2N

NO2

NaOH aqueux

- NaCl

OH

NO2O2N

NO2

Br

NO2O2N

NO2

NaCN

- NaBr

CN

NO2O2N

NO2

Chimie Organique


Le mécansime associé n’est ni une SN1, ni une SN2, mais plutôt une addition suivie

d’une élimination :

• Addition d’un nucléophile pour donner un intermédiaire stabilisé par résonance, puis

• Elimination de l’halogénure

L’intermédiaire stabilisé par résonance est illustré ci-dessous et les formes de

résonance qui sont dominantes sont celles dans lesquelles la charge négative est

délocalisée sur les groupements nitro (c'est-à-dire celles du dessus).

N

N

NO

O

O

O

OO

NN

N

O

O

O O

O

O

N

NN

OO

O

O

O

O

NC Br NC Br NC Br

NO2O2N

NO2

NC Br

NO2O2N

NO2

NC Br

NO2O2N

NO2

NC Br

79BU9.13. Pyridine : un aromatique hétérocyclique

Dans cette section, nous allons considérer le composé aromatique hétérocyclique

qu’est la pyridine. La pyridine correspond à un benzène dont l’un des groupements CH serait

remplacé par un azote ; CH et N sont isoélectroniques. La numérotation du cycle commence

à l’azote.

243BPropriétés physiques et utilisation

La pyridine est un liquide incolore et possède une odeur caractéristique. Elle est

toxique et une exposition prolongée peut provoquer la stérilité chez l’homme. Il est polaire

avec un moment dipolaire de 2,22 D pour la molécule en phase gazeuse. La pyridine a une

densité comparable à celle de l’eau et est miscible avec cette dernière, ainsi qu’avec une

large variété de solvants organiques, dont les alcools, les éthers et le benzène.

La pyridine est largement utilisée comme solvant et a des applications dans l’industrie

du plastic et dans la fabrication de certaines substances pharmaceutiques. L’acide

nicotinique est un dérivé de la pyridine et est une vitamine essentielle dans le régime

Chimie Organique


alimentaire des mammifères. Le nom « acide nicotinique » dérive du l’alcaloïde nicotine qui

peut être oxydé en acide nicotinique. D’autres composés hétérocycliques contenant de

l’azote sont également important dans la nature, notamment au niveau des phéromones. La

Buprofézine, quant à elle, est un exemple d’insecticide basé sur la pyridine et introduit aux

USA en 1996 pour contrôler la mouche blanche qui affecte les cultures de cotton.

N

OH

O

N

N

H

Acide nicotinique Nicotine

N OO

O

Buprofézine

244BStructure et liaison

La molécule de pyridine est planaire avec des longueurs de liaison et des angles

similaires à ceux du benzène. Cependant, l’introduction d’un atome d’azote dans le cycle

signifie que toutes les liaisons dans le cycle ne sont pas équivalentes. La description des

liaisons que nous avons faite pour le benzène est valable également pour la pyridine. Deux

formes de résonance de type Kékulé peuvent être dessinées. On peut également

représenter la liaison sous forme d’un système π délocalisé consistant en 6 orbitales 2p se

recouvrant (une de N et 5 de C). Chaque carbone et azote est hybridé sp2. Après formation

des liaisons C-H et C-C σ, chaque atome de carbone fournit un électron au système π.

L’atome d’azote a 5 électrons de valence ; deux sont utilisés pour les liaisons σ C-N, deux

restent localisés à l’extérieur du cycle, sous forme d’une paire libre, et un électron est

impliqué dans la liaison π. La pyridine est donc un système à 6 électrons π répondant à la loi

de Huckle, c'est-à-dire aromatique.

245BRéactivité

La présence d’une paire libre sur l’atome d’azote permet à la pyridine d’agir comme

une base (de Lewis ou de Brønsted), ce n’est toutefois pas une amine ! La valeur de pKa

pour l’ion pyridinium est de 5,25. L’ion pyridinium est donc un acide plus fort que l’ion

Chimie Organique


ammonium (pKa = 9,25) mais un acide plus faible que l’ion anilinium (pKa = 4,63). Donc la

pyridine est une base plus faible que NH3 mais plus forte que l’aniline.

La pyridine forme des sels de pyridinium lorsqu’elle réagit avec des acides.

L’équation ci-dessous illustre la formation d’un chlorure de pyridinium.

N

HCl

N

HCl

Des sels d’ammonium quaternaires peuvent également être formés, comme l’illustre

l’exemple ci-dessous.

N

MeI

NI

Comparé au benzène, la pyridine est extrêmement désactivée vis-à-vis de la

substitution électrophile. C’est en partie à cause des effets électro-attracteurs de l’atome

d’azote, c'est-à-dire que l’effet inducteur d’attraction des électrons vers l’atome d’azote rend

les carbones partiellement positifs. La pyridine réagit avec Br2 mais seulement à haute

température. L’attaque en position 3 est typique d’une substitution électrophile.

N

Br2, 600K

-HBrN

Br

La pyridine ne subit pas de réactions de Friedel-Crafts, puisqu’elle forme un adduit

avec le catalyseur (acide de Lewis).

246BOutre la pyridine

La pyridine n’est que l’un des membres d’une grande famille d’hétérocycles azotés et

en biochimie, vous rencontrerez certains acides aminés contenant de telles unités :

l’imidazole est un hétérocycle à 5 pièces qui constitue la base de l’acide aminé appelés

histidine et l’indole est l’unité structurale du tryptophane. L’indole consiste en un anneau

benzénique fusionné à un noyau pyrrole et est un système aromatique (la paire libre de

l’azote est incluse dans la délocalisation). L’indole est un composant structural d’un grand

Chimie Organique


nombre de molécules naturelles (comme l’auxine) et de plusieurs médicaments. Un bon

nombre d’hallucinogènes sont également basés sur l’indole.

H2N CH C

CH2

OH

O

N

NH

H2N CH C

CH2

OH

O

HN

histidine

imidazole

tryptophane

indole

NH

CO2H

auxineNH

NMe2

OP

HO

OHO

Psilocybine (champignons hallucinogènes)

N

NH

HN

O

LSD

9B10. Les composés carbonylés

80BU10.1. La famille des composés carbonylés

Nous avons déjà mentionné certains aspects de la chimie faisant intervenir les

aldéhydes, cétones, acides carboxyliques et esters, dont :

• La réduction des composés carbonylés pour donner des alcools

• L’oxydation des alcools en aldéhydes, cétones et acides carboxyliques

• L’amination des aldéhydes et cétones

• La formation des esters

La composante structurale commune aux aldéhydes, cétones, acides carboxyliques,

amides, chlorures d’acyles (ou chlorures d’acide) et esters est la liaison C=O, un groupement

carbonyle. Dans la formule ci-dessous, R et R’ dans la cétone ou l’ester peuvent être

identiques ou différents :

Chimie Organique


R H

O

R R'

O

R OH

O

R NH2

O

R Cl

O

R OR'

O

aldéhyde cétone acide carboxylique amide chlorure d'acide ester

81BU10.2. Nomenclature des composés carbonylés

247BLes aldéhydes

Le nom systématique pour un aldéhyde aliphatique est construit en prenant comme

racine celle de la chaîne carbonée parente et en lui ajoutant le suffixe –al. Exemples :

O

HHMéthanal(Formaldéhyde)

O

HEthanal(Acétaldéhyde)

O

HPropanal

O

HButanal

Deux éléments à noter :

- Le groupement fonctionnel aldéhyde est noté CHO et non COH, ce qui évite la

confusion avec la fonction alcool.

- L’atome de carbone de la fonction fait partie de la chaîne parent ; donc le méthanal

ne contient pas de groupement méthyle et le butanal ne contient pas de groupement

butyle.

Les aldéhydes dans lesquels le groupement CHO est attaché à un benzène sont

nommés en ajoutant le suffixe –carbaldéhyde, par exemple, la molécule ci-dessous est

appelée benzènecarbaldéhyde, même si on utilise habituellement le nom commun

benzaldéhyde.

H

O

248BLes cétones

Les cétones sont nommées en utilisant le suffixe –one (ou –dione s’il y a deux

groupements fonctionnels C=O). La chaîne carbonée est numérotée à partir de la fin la plus

proche du groupement C=O. Dans la structure ci-dessous, la chaîne carbonée à 6 atomes

Chimie Organique


donne la racine du nom : hexan- à laquelle est ajouté le suffixe –one ainsi qu’un indice de

position -2- pour indiquer où se trouve le groupement C=O. Le composé de droite est un

isomère qui ne diffère que de la position du groupement C=O.

O

O

Hexan-2-one Hexan-3-one L’une des cétones la plus commune dans le laboratoire est l’acétone. Son nom

commun est tellement connu que son nom systématique, propanone, n’est pratiquement

jamais utilisé. L’acétylacétone est une dicétone, dont le nom systématique est pentane-2,4-

dione.

O O O

Acétone Acétylcétone Les cétones faisant intervenir des groupements aryles sont nommées en prenant le

groupement aryle comme substituant, comme par exemple la diphényl cétone. Les noms des

substituants sont placés par ordre alphabétique lorsqu’ils sont différents.

O

Diphényl cétone(benzophénone)

O

Ethyl phényl cétone

249BLes acides carboxyliques

Dans les noms systématiques des acides carboxyliques, la racine du nom est donnée

par le nombre d’atomes de carbone de la chaîne, y compris celui du groupement CO2H. On

ajoute à cette racine le suffixe –oïque et on précède le tout du terme acide. Les acides

méthanoïques et éthanoïques ont des noms triviaux très connus, à savoir l’acide formique et

l’acide acétique respectivement. Ces noms triviaux sont en général préférés aux noms

systématiques.

Chimie Organique


O

H OH

Acide méthanoïque(acide formique)

O

OH

Acide éthanoïque(acide acétique)

O

OH

Acide butanoïque

HO

O

Acide hexanoïque

L’acide benzoïque est le nom donné à PhCO2H.

O

OH

Les sels d’acides carboxyliques sont appelés carboxylates. Les noms des ions

carboxylates sont dérivés de ceux de leur acide conjugué comme suit :

Acide Base conjuguée (carboxylate)

Acide formique Formate

Acide acétique Acétate

Acide propanoïque Propanoate

Acide butanoïque Butanoate

Acide pentanoïque Pentanoate

Quelques exemples de sels sont repris ci-dessous : O

O NaO

O Na

O

O K

Acétate de potassium Butanoate de sodium Benzoate de sodium Bien que les structures ci-dessus montrent une charge localisée sur un des atomes

d’oxygène, nous verrons plus tard qu’elle est en fait délocalisée.

250BLes amides

Les amides primaires ont la structure illustrée ci-dessous. Leur nom est construit de

façon similaire à celui des acides carboxyliques, si ce n’est que le suffixe –amide qui

remplace le suffixe –oïque et l’absence du terme acide (évidemment).

Chimie Organique


O

R NH2

Structure généraled'une amide primaire

O

H NH2

O

NH2

O

NH2

O

NH2

Méthanamide(formamide)

Ethanamide(acétamide)

Butanamide Hexanamide

Les noms triviaux de formamide et acétamide restent d’utilisation commune. Si un

des hydrogène du groupement NH2 est remplacé par un alkyle (R) ou un aryle (Ar), le préfixe

N- est utilisé pour indiquer la position du substituant, par exemple la N-méthylformamide et

N,N-diméthylformamide (DMF). Ce dernier est un solvant courant en laboratoire.

O

H NH

O

H N

DMF

251BLes chlorures d’acide

Le nom des chlorures d’acide est dérivé de celui de l’acide correspondant en

remplaçant la structure acide alcanoïque par chlorure d’alcanoyle, le dérivé de l’acide

butanoïque, par exemple, devient le chlorure de butanoyle. Le chlorure d’éthanoyle est

habituellement désigné par son nom commun, le chlorure d’acétyle. Le chlorure d’acide

dérivé de l’acide benzoïque est le chlorure de benzoyle.

O

Cl

O

Cl

O

Cl

Cl

O

Chlorure d'éthanoyle(chlorure d'acétyle)

Chlorure de butanoyle Chlorure de pentanoyle Chlorure de benzoyle

252BLes esters

Les esters sont dérivés des acides carboxyliques par remplacement du H du

groupement OH par un substituant alkyle (R) ou aryle (Ar). Le nom de l’ester a deux parties :

la première dérivant du groupement R ou Ar, et la seconde de l’acide carboxylique. Par

exemple, on a :

Chimie Organique


O

OMe

Acétate de méthyle

O

O

Propanoate de propyle

O

O

Benzoate d'éthyle

O

O

Acétate de phényle

82BU10.3. La liaison C=O polaire

253BPolarité et réactivité

La différence d’électronégativité entre C (2,6) et O (3,4) signifie que la liaison C=O

est polaire avec une charge partielle positive sur le carbone et une charge partielle négative

sur l’oxygène. Cette polarisation a des conséquences importantes sur la réactivité des

composés carbonylés. Les électrophiles sont attaqués par les charge partielle négative de

l’oxygène, alors que les nucléophiles vont attaquer le carbone qui porte une charge partielle

positive.


La présence d’une liaison polaire C=O dans les composés carbonylés résulte en des

interactions dipôle-dipôle intermoléculaires significatives et ces composés possèdent des

températures d’ébullition relativement élevées. Les acides carboxyliques et les amides sont

capables de former des ponts hydrogènes intermoléculaires. Le schéma ci-dessous illustre

une partie de la structure à l’état solide du 3-fluorobenzamide. Les molécules sont alignées

grâce à la formation de liaisons hydrogènes intermoléculaires.

Nous reviendrons aux liaisons hydrogène entre molécules d’acides carboxyliques

dans la prochaine section. Le tableau suivant reprend les points d’ébullition, de fusion et les

moments dipolaires de quelques composés carbonylés. Comparez ces valeurs à celles

Chimie Organique


d’alcanes, alcools et éthers de masses comparables. Les alcools peuvent également former

des ponts hydrogènes intermoléculaires, mais les éthers simples ne le peuvent pas. Les

effets d’association intermoléculaire et les liaisons hydrogène en particulier sont évidente si

l’on se réfère au tableau suivant. Notez en particulier le moment dipolaire et les points

d’ébullition et de fusion élevés de l’acétamide.

Composé Structure Moment

Dipolaire

(D)

Masse

Molaire

(d mol-1)

T°Fus. (K) T°ébu. (K)

Acétaldéhyde O

H

2,75 44,05 150,0 293,2

Propanal O

H

2,52 58,08 193,0 321,0

Acétone O

2,88 58,08 178,3 329,2

Acide

acétique

O

OH

1,70 60,05 289,7 391,0

Chlorure

d’acétyle

O

Cl

2,72 78,49 161,1 324,0

Acétamide O

NH2

3,76 59,07 355,0 494,0

Formate de

méthyle

O

OH

1,77 60,05 174,0 304,8

Chimie Organique


83BU10.4. Structure et liaison

255BDétails structuraux

Dans un composé carbonylé, l’atome de carbone du groupement C=O est dans un

environnement trigonal plan. Une hybridation sp2 pour cet atome de carbone est appropriée

pour permettre la formation de 3 liaisons σ et d’une interaction π :

O CR

X

σ + π

σ

σ La composante π de la liaison C=O est formée par recouvrement d’orbitales 2p de C

et O. Les longueurs typiques pour les liaisons C=O des carbonyles tournent autour de 121

pm, et les trois angles de liaison autour de l’atome de carbone trigonal plan sont

habituellement proches de 120°.

256BDimérisation des acides carboxyliques

Nous avons déjà signalé que les acides carboxyliques étaient capables de former des

interactions via liaisons hydrogène intramoléculaires. Les groupements OH et C=O dans un

acide carboxylique sont parfaitement positionnés pour permettre la formation de dimères

pontés par des liaisons hydrogène, comme illustré ci-dessous.

R

O

O

R

O

O

H

H

La figure ci-dessous montre une partie de la structure à l’état solide de l’acide

téréphthalique, un exemple d’acide dicarboxylique. La présence de deux groupements CO2H

par molécule permet la formation d’une structure étendue à l’état solide, via formation de

ponts hydrogène.

Chimie Organique


A l’état liquide, c’est la température d’ébullition relativement élevée des acides

carboxyliques par rapport, par exemple, aux aldéhydes, qui reflète leur dimérisation.

84BU10.5. Le tautomérisme céto-énolique

257BTautomérisme céto-énolique et iona énolate

Lorsqu’un groupement OH est attaché à une liaison C=C, la molécule est instable et

conduit à un réarrangement en composé carbonylé. Le réarrangement est un tautomérisme

céto-énolique et les deux tautomères sont en équilibre avec la forme céto- habituellement

favorisée.

O

X R

R

H

HO

X R

R

Tautomère céto- Tautomère énol- La formation d’un énol à partir de la forme céto- est appelée énolisation et est

catalysée par acide ou base. La catalyse acide comprend la protonation de l’atome

d’oxygène du carbonyle, suivi par la perte d’un H+ par l’atome de carbone adjacent (carbone

α) :

O

X R

R

H

HO

X R

R

H

H H2O

-H3O+

HO

X R

R

Chimie Organique


La catalyse basique, elle, comprend l’abstraction d’un proton du carbone α par une

base telle que l’ion hydroxyde, suivie par protonation, par exemple par l’eau.

O

X R

R

H

OHO

X R

R

-OH-

HO

X R

R

HO

H

La paire céto-énolique est acide, avec le tautomère énol plus acide que le tautomère

céto-. La perte d’un proton par traitement avec une base donne la base conjuguée : un ion

énolate. Cet anion est également l’intermédiaire formé dans l’énolisation catalysée par base,

illustré ci-dessus. La structure de l’ion énolate peut être représentée par la paire de formes

de résonance ou l’hybride de résonance ci-dessous. Des deux formes de résonance, c’est

celle de gauche qui est la plus contributive, puisque la charge négative se trouve alors sur un

atome plus électronégatif.

O

X R

R O

X R

R O

X R

R Rappelons que les structures qui forment une paire de résonance ne sont pas des

entités séparées, mais sont deux formes contributives qui, ensemble, décrivent la liaison

dans l’ion énolate. Par contre, les formes céto- et énol- de l’acide conjugué sont des

composés chimiques différents. Il est important de bien faire cette distinction.

258BRéaction d’un énol ou d’un ion énolate avec des électrophiles

Nous avons décrit ci-dessus la protonation de l’atome d’oxygène du groupement

carbonyle. Bien qu’H+ soit un électrophile, les électrophiles peuvent attaquer l’atome de

carbone α plutôt que l’atome d’oxygène du carbonyle. Cela se comprend facilement si on

considère l’intervention du tautomère énol. Il est possible, alors de faire une analogie avec la

réaction d’un type particulier d’alcène avec un électrophile E+.

OH

E

OH

E-H+

O

E

Chimie Organique


La même chose est vraie pour l’attaque d’un électrophile par un énolate, comme le

schéma ci-dessous l’illustre :

O

E

O

E

Nous retournerons à ces mécanismes plus tard, lorsque nous les appliquerons à un

certain nombre de réactions.

85BU10.6. Les aldéhydes et cétones : Synthèse

Dans cette section et la prochaine, nous allons nous pencher sur les différentes

façons de synthétiser des composés carbonylés. Certaines réactions convertissent entre eux

différent composés carbonyles comme par exemple la formation d’esters à partir de

chlorures d’acides ou d’acides carboxyliques. C’est la raison pour laquelle la discussion

inclut nécessairement des aspects de la réactivité des composés carbonylés.

259BOxydation des alcools

L’oxydation des alcools peut mener à la formation d’aldéhydes, cétones ou acides

carboxyliques en fonction de :

• La position du groupement OH (primaire ou secondaire)

• Les conditions de réaction

Comme nous l’avons déjà vu, les alcools primaires et secondaires sont oxydés en composés

carbonylés. Des agents d’oxydation adaptés sont le KMnO4, Na2Cr2O7, K2Cr2O7 et CrO3, tous

dans des conditions acides. L’oxydation d’un alcool secondaire donne une cétone qui ne

peut pas facilement être oxydée à son tour, puisque l’oxydation d’une cétone nécessite le

clivage d’une liaison C-C.

OH

K2Cr2O7

H2SO4 aq.

O L’oxydation d’un alcool primaire donne initialement un aldéhyde, lequel peut être à

son tour oxydé en acide carboxylique.

OH O

Oxydation

H

Oxydation

O

OH

Le choix de l’oxydant affecte le résultat de la réaction. Avec KMnO4, Na2Cr2O7,

K2Cr2O7 et CrO3 en présence d’acide sulfurique dilué dans l’acétone, l’oxydation en acide

Chimie Organique


carboxylique a lieu. Pour arrêter la réaction à l’étape de l’aldéhyde, l’oxydant le plus efficace

est le chlorochromate de pyridinium (PCC) dans une solution non aqueuse (ex. CH2Cl2).

OH O

PCC, CH2Cl2

H

K2Cr2O7, H2SO4 aq.

dans acétone

O

OH

260BRéduction des esters

La réduction des esters par LiAlH4 conduit à des alcools mais si un réducteur plus

faible est utilisé, des aldéhydes peuvent être obtenus. Le DIBAL (hydrure de diisobutyl

aluminum), par exemple, permet de réduire les esters en aldéhyde.

O

OAl

H

Dans hexane à 195 KH

O

261BAcylation de Friedel-Crafts : préparation de cétones aromatiques

Nous avons décrit l’acylation de Friedel-Crafts en détail dans le chapitre précédent.

Cette réaction est utilisée pour préparer les cétones aromatiques, comme illustré ci-dessous.

Cl

O

Cl

O

[AlCl3]

-HCl

[AlCl3]

-HCl

O

O

Chimie Organique


Pour les composés aromatiques substitués, le choix du composé de départ peut être

critique puisque certains substituants désactivent le cycle vis-à-vis de la substitution

électrophile. Par exemple, considérons la formation de la molécule cible dans le schéma ci-

dessous. Le groupement NO2 dans PhNO2 est orienteur en méta- et donc nous pourrions

considérer l’acylation de nitrobenzène comme une voie de synthèse envisageable.

Cependant, le groupement nitro est fortement désactivant et le nitrobenzène ne réagit pas

avec le chlorure d’acétyle en présende d’un acide de Lewis. Une vois alternative pour obtenir

la molécule cible consiste à acétyler le benzène avant nitration. Tout comme le groupement

nitro, le groupement MeCO est orienteur en méta et est désactivateur. Toutefois, le

substituant acyle est moins désactivateur que le groupement nitro et l’étape de nitration peut

avoir lieu. NO2

Me

O

Cl [AlCl3]NO2

O

Molécule cible

Me

O

Cl

[AlCl3]

-HCl O

HNO3 / H2SO4 conc.

Chimie Organique


86BU10.7. Les acides carboxyliques : Synthèse

262BOxydation des alcools primaires et aldéhydes

Nous avons déjà vu que l’oxydation des alcools primaires par KMnO4, Na2Cr2O7,

K2Cr2O7 et CrO3 en présence d’acide sulfurique dilué dans l’acétone donne d’abord un

aldéhyde, puis un acide carboxylique. C’est une méthode pratique de préparation des acides

carboxyliques qui peut être appliquée aux alcools aliphatiques, y compris l’alcool benzylique.

Les mêmes conditions de réaction peuvent être utilisées pour préparer un acide carboxylique

à partir d’un aldéhyde.

HO

K2Cr2O7 acidifié

dans acétone

O OH

263BOxydation d’un dérivé alkylbenzène

L’oxydation d’un groupement alkyle d’un dérivé alkylbenzénique conduit à la

formation d’un acide carboxylique dans lequel le groupement CO2H est directement attaché

au noyau aromatique. L’oxydation prend place au groupement CH2 attaché au cycle et

l’oxydation, par exemple du toluène, de l’éthylbenzène, n-propylbenzène et n-butylbenzène

conduit au même produit : l’acide benzoïque.

KMnO4 aqueux

chaleur

O OH

n

nOH

O

La réaction peut être utilisée pour obtenir des acides avec plusieurs fonctions

carboxyliques. L’acide phthalique et ses isomères sont préparés à partir de l’o-, m- et p-

xylène et sont d’une grande importance commerciale (colorants, polymères, etc.)

Chimie Organique


KMnO4 aqueux

chaleur

O OH

HO

O

264BUtilisation de réactifs de Grignard

Les halogénoalcanes, RX, peuvent être convertis en acides carboxyliques en les

transformant d’abord dans le réactif de Grignard correspondant, RMgX.

Br MgEt2O

MgBr Le réactif de Grignard est alors traité avec du CO2 solide (glace sèche). Cette

réaction comporte une augmentation de la longueur de la chaîne carbonée : le précurseur

est RMgX et le produit est RCO2H.

CO2 solide dans Et2OMgBr

OH

O La liaison Mg-C dans le réactif de Grignard est polarisée avec une charge partielle

positive sur Mg et une charge partielle négative sur C et c’est ce qui permet à ce dernier

d’agir comme un nucléophile et d’attaquer le carbone portant une charge partielle positive

dans CO2.

MgBrMgBr

O C OO

O

H3O+

OH

O Les réactifs de Grignard peuvent être utilisés pour préparé une grande variété

d’acides carboxyliques, y compris des dérivés alkyles et aryles.

Chimie Organique


265BHydrolyse des nitriles catalysée par les bases ou les acides

Les nitriles RC≡N peuvent être produits par substitution nucléophile d’un groupement

halogénure dans un halogénoalcane par un cyanure. Le groupement C≡N peut alors être

hydrolysé en présence d’un acide ou d’une base et le produit habituel en est un acide

carboxylique. Le schéma ci-dessous représente un exemple de ces réactions. Notez au

passage l’accroissement de longueur de la chaîne.

BrNaCN

-NaBr CNH2O

[H+] ou [OH-]

OH

O

87BU10.8. Les esters : Synthèse et hydrolyse

266BSynthèse à partir d’un acide carboxylique et d’un alcool

Un ester peut être produit par une réaction de condensation (dans laquelle une

molécule d’eau est éliminée) entre un acide carboxylique et un alcool. La réaction est

catalysée par les acides et est illustrée ci-dessous.

RO

H H O

R'

O

[H+]

R O

R'

O

H2O

La réaction est générale et peut être réalisée avec des R et R’ alkyles ou aryles,

même si habituellement, l’alcool est un dérivé alkyle. Le mécanisme de la réaction inclut la

protonation du groupement carbonyle de l’acide, suivi de l’attaque nucléophile par l’alcool. La

protonation du diol qui est formé à la première étape facilite alors la conversion en ester par

perte d’une molécule d’eau (un bon groupement partant).

Chimie Organique


R'

OH

OH

R'

OH

O

H

H

O R

R' OH

HO O

H

R

R' OH

HO O R

H

R' O

H2O O RR'

O

O

R

H

-H3O+

Chaque étape de ce mécanisme est un équilibre et la réaction globale de formation

d’un ester est un équilibre. Cela a des conséquences pour la réussite (ou non) de la

synthèse. Si l’ester doit être formé avec un bon rendement, il faut déplacer l’équilibre vers la

droite. On peut y arriver en distillant éliminant continuellement l’ester ou l’eau par distillation

ou en ajoutant un excès d’alcool et d’acide carboxylique.

267BHydrolyse des esters

Les esters sont hydrolysés par NaOH aqueux. Ce processus est appelé la

saponification et représente l’étape clef de la manufacture du savon à partir des graisses qui

sont des esters de glycérol (propane-1,2,3-triol). Le schéma ci-dessous illustre la

saponification d’une graisse dans laquelle l’ester est dérivé de l’acide stéarique. L’acide

stéarique contient une longue chaîne aliphatique et est un exemple d’acide gras. Le produit

de cette saponification est le stéarate de sodium, lequel peut être utilisé comme savon.

O

O

O

O

O

O

NaOH aqueux

OH

OH

OH 3 Na+

O

O

Chimie Organique


268BSynthèse à partir d’un chlorure d’acide et d’un alcool

Une méthode alternative pour préparer des esters est la réaction de condensation

entre un chlorure d’acide et un alcool avec élimination d’HCl. La réaction générale ci-

dessous peut être appliqué à des dérivés alkyles et aryles y compris les phénols

(contrairement à la réaction de condensation entre un acide carboxylique et un alcool dans

laquelle l’alcool est habituellement aliphatique).

RO

H Cl

R'

O

[H+]

R O

R'

O

HCl

Les réactions ci-dessous fournissent des exemples de synthèses d’esters à partir de

chlorures d’acide.

Cl

O

HO-HCl

O

O

Cl

O OH

-HCl

O

O

88BU10.9. Les amides : Synthèse

Les esters réagissent avec l’ammoniac pour donner des amides même si une

meilleure méthode consiste à partir du chlorure d’acide. Nous reviendrons sur le mécanisme

de ces réactions plus tard dans ce chapitre.

O

O

NH2

O

OH

Cl

O

NH2

O

NH3

NH3

-HCl

Cette seconde réaction peut être étendue à la synthèse d’amides N-substituées en

utilisant des amines primaires ou secondaires à la place de NH3.

Chimie Organique


Cl

O

NH

-HCl-HCl

NH2

NH

O

N

O

Un amide particulier est l’urée (CO(NH2)2), qui est largement utilisée comme fertilisant

et qui fut découvert en 1773 comme étant l’un des composants de l’urine humaine. D’autres

amides particulièrement connus et provenant de l’industrie pharmaceutique sont le

paracétamol (un anti douleur) et le Tenormin (un β bloquant d’AstraZeneca prescrit pour le

traitement de l’hypertension). HN

OHO O NH2

OOH

HN

Paracétamol Tenormin

89BU10.10. Les chlorures d’acide : Synthèse

Les chlorures d’acide RCOCl peuvent être préparés à partir des acides carboxyliques

RCO2H par traitement avec PCl3, PCl5 ou SOCl2 (chlorure de thionyle). L’avantage de ce

dernier est que les produits secondaires sont gazeux, rendant l’isolement du chlorure d’acide

relativement simple. Les réactions ci-dessous sont des exemples de synthèses de chlorures

d’acides.

Chimie Organique


OH

O

PCl3

-H3PO3 Cl

O

OH

O

PCl5

-POCl3

Cl

O

OH

O

SOCl2

-SO2, -HClCl

O

90BU10.11. Les composés carbonylés en tant qu’acides

Dans cette section, nous allons considérer les valeurs de pKa de différents composés

carbonylés et nous verrons que les acides carboxyliques ne sont pas les seuls composés

carbonylés à se comporter comme des acides de Brønsted.

269BLes acides carboxyliques

L’équilibre ci-dessous montre un acide carboxylique se comportant comme un acide

de Brønsted faible.

RCO2H(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + RCO2

-(aq)

Les valeurs de pKa de différents acides sont reprises dans le tableau ci-dessous.

Composé Structure pKa

Acide formique

H

O

OH

3,75

Acide acétique O

OH

4,77

Chimie Organique


Acide propanoïque O

OH

4,81

Acide butanoïque O

OH

4,87

Acide chloroacétique O

OH

Cl

2,85

Acide dichloroacétique O

OH

Cl

Cl

1,48

Acide trichloroacétique O

OH

Cl

Cl

Cl

0,70

Acide benzoïque

OH

O

4,19

Acide o-chlorobenzoïque

OH

O

Cl

2,92

Chimie Organique


Acide m-chlorobenzoïque

OH

O

Cl

3,82

Acide p-chlorobenzoïque

OH

O

Cl

3,98

Les acides carboxyliques sont plus faibles que les acides minéraux tels que HCl,

H2SO4 et HNO3 mais plus forts que l’eau et les alcools. Un acide carboxylique RCO2H a une

valeur de pKa plus faible qu’un alcool aliphatique à cause de la plus grande stabilité de

l’anion carboxylate RCO2- par rapport à l’anion alkoxyde RO-. L’anion carboxylate est

stabilisé par résonance et peut être représenté par la paire de résonance ou l’hybride de

résonance ci-dessous.

R

O

O

R

O

O

R

O

O

La délocalisation résulte d’un recouvrement des orbitales 2p du carbone et des deux

oxygènes.

Les acides aliphatiques non substitués possèdent des valeurs de pKa similaires. La

présence d’un substituant électro-attracteur tel que Cl peut affecter significativement la

constante d’équilibre de l’équilibre décrit auparavant. Nous avons déjà rationalisé cette

tendance en termes d’effet inductif.

Des sels de carboxylates sont formés lorsqu’un acide carboxylique réagit avec des

bases, comme illustré ci-dessous.

Chimie Organique


O

O

O

OH

NaOH

-H2ONa

O

O

O

OH

K2CO3

-H2O, - CO2

K Deux sels peuvent être obtenus des acides dicarboxyliques comme l’acide oxalique,

KHC2O4 et K2C2O4. Les équilibres ci-dessous montrent la première et la seconde

dissociation de l’acide oxalique. Les valeurs de pKa montrent une tendance habituelle avec

pKa(1) < pKa(2).

HO

O OH

O

H2O

HO

O O

O

H3O pKa(1)=1,23

HO

O O

O

H2O

O

O O

O

H3O pKa(2)=4,19

270BLes amides

Tout comme les ions carboxylates sont stabilisés par résonance, les bases

conjuguées des amides le sont également. Par contre, dans ce cas, la stabilisation par

résonance est seulement suffisante pour rendre les amides très faiblement acides (pKa ≈

17).

R

O

NH

R

NH

O

R

O

NH

Dans le chapitre 8, nous avons décrit comment les amines agissaient comme bases

de Brønsted, via l’utilisation de la paire libre de l’azote. Les amides sont pratiquement non

Chimie Organique


basiques parce que la paire libre est conjuguée dans le système π. L’atome d’azote est

trigonal plan, hybridé sp2 avec la paire libre dans une orbitale 2p intervenant dans le système

π. Le groupement amide peut également être représenté sous forme d’une paire de

résonance, comme illustré ci-dessous.

R

O

N

R

N

O

H

H

H

H

Une conséquence importante de cette délocalisation est que les protéines (des

polypeptides avec des unités –CONH- qui seront abordées dans le cours de biochimie) ont

des structures tridimensionnelle bien définie.

271BAldéhydes, cétones et esters

Nous avons vu comment la stabilisation par résonance faisant intervenir le

groupement C=O est responsable des propriétés acides des acides carboxyliques et, dans

une moindre mesure, des amides. Des effets similaires sont responsables de l’acidité de

certaines cétones et aldéhydes. La dissociation par perte de proton est associée à l’acidité

de l’atome d’hydrogène α, c'est-à-dire de l’atome d’hydrogène attaché au carbone adjacent

au groupement C=O. La perte d’un H+ donne un carbanion, comme l’illustre le schéma ci-

dessous.

O

XH

H

R

B O

XH

RBH

Bien que la charge négative soit représentée comme localisée sur l’atome de

carbone, l’anion est en fait stabilisé par résonance et la charge négative réside

principalement sur l’atome d’oxygène. Il s’agit de l’ion énolate que nous avons déjà rencontré

antérieurement. Cette stabilisation par résonance des énolates signifie que les cétones et les

aldéhydes qui possèdent des H en position α peuvent se comporter comme des acides

faibles.

O

XH

H O

XH

H

Chimie Organique


Le tableau ci-dessous reprend les valeurs de pKa de quelques composés carbonylés.

Composé pKa

(valeur

approximative)

Base conjuguée (chacune est

stabilisée par résonance ; seule la

forme dérivée directement de la

perte du proton α est montrée).

H H

O O

HH

5

H H

O O

H

R R'

O O

HH

9

R R'

O O

H

R O

O O

HH

R'

11

R O

O O

H

R'

O O

O O

HH

R'R

13

O O

O O

H

R'R

RH

O

HH

16

RH

O

H

RR'

O

HH

19

RR'

O

H

Chimie Organique


RO

O

HH

R'

24

RO

O

H

R'

Notez en particulier la valeur de pKa du propanedial qui a une acidité similaire à celle

de l’acide acétique (pKa = 4,77). Les dicétones qui ont un CH2 entre les groupements C=O

sont appelées β-dicétones. Un exemple en est le pentane-2,4-dione (acétylacétone) qui a un

pKa ≈ 9. C’est un acide plus faible que l’acide acétique, mais un acide plus fort qu’une cétone

de type RCH2COR’. La déprotonation de l’acétylacétone donne un anion qui est stabilisé par

résonance impliquant deux atomes d’oxygène. C’est ce qui est illustré ci-dessous. Il s’agit

d’une situation particulièrement favorable ; la charge négative réside majoritairement sur les

atomes d’oxygène. Dans l’hybride de résonance, on voit bien que la charge est délocalisée

sur 5 atomes, par recouvrement d’orbitales 2p. L’acétylacétonate est un exemple de β-

dicétonate.

O O O O O O OO

Les esters sont plus faiblement acides que les cétones parce que la charge partielle

positive sur l’atome de carbone du carbonyle est délocalisé ; cela peut être compris en terme

de paire de résonance comme illustré ci-dessous :

R OR'

O

R OR'

O

Nous verrons dans la prochaine section que la nature acide du proton α dans certains

composés carbonylés produit des centres carbonés qui sont susceptibles de réagir avec des

électrophiles.

91BU10.12. Les ions énolates en synthèse : réactions de substitution

électrophile

Nous avons vu précédemment que des électrophiles tel que H+ peut attaquer l’atome

d’oxygène du groupement C=O, alors que les nucléophiles peuvent attaquer l’atome de

carbone. Nous allons à présent voir comment certaines substitutions électrophiles résultent

en la formation d’une liaison entre l’atome de carbone du carbonyle et l’électrophile.

Chimie Organique


272BHalogénation des aldéhydes et cétones catalysée par les bases

Lorsqu’un atome d’hydrogène α est présent dans un aldéhyde ou une cétone, la

réaction de Cl2, Br2 ou I2 avec le composé carbonylé en présence d’un acide ou d’une base

résulte en l’halogénation en position α comme illustré ci-dessous :

H H H H

O

Br2, H+ ou OH-

-HBr

O

Br

La réaction catalysée par les bases procède par abstraction initiale d’un proton α pour

donner un énolate. Dans le schéma ci-dessous l’anion est montré avec une charge négative

localisée sur un atome d’oxygène ; rappelons-nous qu’il s’agit là de la forme de résonance

dominante. L’attaque de Br2 suit ensuite pour donner un produit de substitution bromé.

O

HOH

O

Br Br

-BrO

Br

En pratique, on observe souvent des mélanges de produits. Dans la réaction

précédente, par exemple, il y a 4 atomes d’hydrogène α et à mesure qu’ils sont substitués

pour des atomes de chlore, brome ou iode, le pKa des composés décroit. Il devient donc de

plus en plus facile pour une base d’arracher séquentiellement les protons α et des

substitutions multiples peuvent donc avoir lieu. Dans la bromation de l’acétone, par exemple,

l’effet électro-attracteur de l’atome de brome dans le produit monosubstitué facile la

formation rapide de produits di- puis tri-substitués.

Br

O

BrBr

O

Br2, OH-

Une fois qu’une unité terminale CX3 s’est formée à côté d’un groupement carbonyle,

une autre réaction entre en jeu parce que CX 3- est un bon groupement partant. Dans la

formation des dérivés halogénés, le rôle de OH- est d’arracher H+. Toutefois, OH- peut

également agir comme nucléophile et attaquer le carbone porteur d’une charge partielle

Chimie Organique


positive du groupement carbonyle. Nous avons ignoré cette possibilité jusqu’à présent parce

que s’il n’y a pas d’autre groupement qui soit un bon groupement partant, cette attaque ne

mène à rien.

X

O

H

OH

X

X

O

HXHO

-OH-

X

O

HX

Cependant, lorsque le choix du groupement partant doit s’effectuer entre CX3

- et OH-,

la perte de CX3- est favorisée.

X

O

X

OH

X

X

O

XXHO

-CX3- OH

O Les produits isolés sont HCX3 et l’ion carboxylate :

X

XX

O

O

HH X

X X

O

O

Il s’agit d’une réaction générale des méthyl cétones qui porte le nom de réaction

haloforme.

273BHalogénation des aldéhydes et cétones catalysée par les acides

Le mécanisme de cette réaction inclut la formation d’un énol (étape lente) qui va

ensuite réagir avec Br2 en une étape rapide.

Chimie Organique


H

OH OH

Br Br

OH

-Br-Br

-H+

O

Br

Les complications liées à la multi-substitution qui se déroulent dans les réactions

d’halogénation catalysées par les bases sont évitées si une catalyse acide est utilisée.

274BAlkylation d’une cétone via un énolate

Si une cétone, ester, dicétone ou diester possède un atome d’hydrogène α, le

composé carbonylé peut être alkylé en position α, c'est-à-dire qu’une liaison C-C est formée

durant la réaction. La première étape est la formation d’un énolate de lithium à partir du

composé carbonylé. Il est important que la molécule de départ soit totalement énolisée, cela

évite toute réaction entre l’énolate et la forme céto qui donne des produits secondaires. Pour

y arriver, le composé est traité avec du diisopropylamidure de lithium (LDA) pour donner

l’énolate de lithium.

O

H HLi N

OLi

H

HN

Le traitement de l’énolate de lithium avec un halogénoalcane conduit à la formation

d’une liaison C-C et implique l’atome de carbone α. La réaction illustrée ci-dessous convertit

l’énolate de lithium formé à partir de l’acétone en pentan-2-one ; souvenez-vous que la

liaison C-X est polarisée avec une charge partielle positive sur C et une charge partielle

négative sur X, et que les halogénoalcanes subissent des réactions de substitution

nucléophile.

Chimie Organique


OLi

Br -LiBr

O

De telles réactions d’alkylation sont efficaces si l’halogénoalcane est primaire ou

secondaire. Les halogénoalcanes devraient être évités parce que leurs réactions sont

compliquées par les éliminations compétitives.

275BAlkylation d’un ester via un énolate

Les énolates de lithium dérivés d’esters réagissent avec les halogénoalcanes de

façon similaire à ce que nous venons de décrire ci-dessus. Une réaction compétitive est celle

de l’énolate de lithium avec l’ester ; c’est une condensation de Claisen que nous

considérerons plus en détail ultérieurement dans cette section. Pour minimiser cette réaction

secondaire non désirée, la concentration de LDA doit fortement excéder celle de l’ester de

départ durant la réaction initiale de l’ester avec le LDA :

O

O

H HLi N

OLi

O

H

HN

La réaction de l’énolate de lithium avec l’halogénoalcane a lieu sur le carbone α.

O

O

Li

Br -LiBrO

O

276BAlkylation des β-dicétones ou diesters via un énolate

Auparavant, dans cette section, nous avons vu que les composés dicarbonylés avec

des groupements C=O séparés par une unité CH2 étaient plus acides que les cétones ou les

esters dans lesquels le groupement CH2 était adjacent à un seul groupement C=O. Les ions

énolates des β-dicétones ou diesters peuvent dès lors être générés en utilisant des bases

plus faibles que le LDA. L’éthoxyde est une base adaptée et l’énolate est stabilisé par

délocalisation de la charge négative. L’équilibre ci-dessous est déplacé vers la droite parce

que le composé β-dicarbonylé (pKa ≈ 13) est plus fort que l’éthanol (pKa ≈ 16).

Chimie Organique


O

OO

H H

EtO O

OO

H

EtOH

La réaction de l’ion énolate avec un halogénoalcane primaire ou secondaire mène à

des produits alkyl-substitués comme illustré dans la réaction ci-dessous. Le mécanisme est

représenté comme partant de l’une des formes de résonance contributive de l’énolate.

O

OO

Br

O

OO

-Br

Le produit de cette réaction possède encore un proton α, la réaction peut donc se

répéter pour introduire un second substituant alkyle en position α.

O

OO

Br

O

OO

-Br

277BAldol et réaction de Claisen

Nous avons déjà vu que l’addition d’une base à un composé carbonylé avec un

hydrogène α résulte en son énolisation. Dans les énolisations décrites auparavant, nous

avons utilisé des bases fortes telles que LDA ou EtO- (LDA étant lui-même plus fort que

l’éthoxyde) pour effectuer l’arrachement du proton α du composé carbonylé. Pour chaque

réaction nous avons établi que l’énolisation devait être complète pour maximiser le

rendement en produit désiré, mais nous avons précisé qu’une réaction compétitive pouvait

poser problème. Si seule une partie du composé carbonylé est convertie en énolate, le

milieu réactionnel contient à la fois l’énolate et le parent carbonylé, et une réaction peut avoir

lieu antre eux. Il s’agit d’une réaction aldol. Le premier composé carbonylé peut être un

aldéhyde, une cétone ou un ester, mais le produit final d’une réaction aldol est

habituellement un aldéhyde ou une cétone. La réaction inclut l’attaque nucléophile de

l’énolate sur l’atome de carbone Cδ+ du groupement C=O. Une réaction comparable a lieu

Chimie Organique


entre un ester et son ion énolate, formé en présence d’une base forte telle que EtO-. Cette

réaction est la condensation de Claisen.

Nous reviendrons en détail sur la réaction aldol et la condensation de Claisen après

une petite introduction sur les attaques nucléophiles sur l’atome de carbone d’un

groupement C=O.

92BU10.13. Attaque nucléophile sur l’atome de carbone d’une C=O

Plusieurs réactions des composés carbonylés font intervenir des attaques

nucléophiles sur l’atome de carbone Cδ+ du groupement C=O. Nous en avons déjà vu un

exemple : la réaction haloforme. Le schéma ci-dessous montre une étape générale que vous

allez voir à plusieurs reprises dans cette section. Dans cette réaction, X- représente un

nucléophile et le centre carboné qui est attaqué passe d’une forme trigonale plan (sp2) à

tétraédrique (sp3).

XO

Y

R

X Y

R O

278BHydrolyse des halogénures d’acide

Les chlorures d’acide s’hydrolysent rapidement pour donner l’acide carboxylique

correspondant. Cette réaction est tellement simple que plusieurs chlorures d’acide doivent

être conservés dans des conditions anhydres.

Cl

O

H2O

-HCl OH

O

Le résultat net de cette réaction est la substitution d’un Cl- par OH-. Cependant, le

nucléophile est habituellement H2O, même si quelques chlorures d’acides requièrent des

bases aqueuses. Le mécanisme réactionnel est détaillé ci-dessous. L’attaque initiale par

H2O conduit à la formation d’une liaison O-C et à l’ouverture de la liaison C=O. La perte du

groupement partant, quant à elle, a lieu dans une seconde étape.

Chimie Organique


Cl

O

Cl

H2O

O O

H

H

-Cl-

O

O

H

H-H

O

O

H

279BHydrolyse des amides

Les amides peuvent être hydrolysés dans les acides carboxyliques correspondants

en présence d’une catalyse acide. Dans l’hydrolyse des chlorures d’acides, Cl- est le

groupement partant. De façon analogue, l’hydrolyse de l’amide implique la perte de NH2-,

mais ce dernier est un très mauvais groupement partant. En présence de H+, NH3 (un bon

groupement partant) quitte l’amide. Le mécanisme de l’hydrolyse catalysée par acide des

amides est illustré ci-dessous. Notez que dans la première étape, l’atome d’oxygène est

protoné préférentiellement par rapport à l’atome d’azote. Plus tard dans le mécanisme,

lorsqu’il y a compétition entre OH et NH2 comme site de protonation, le site azoté est préféré

sur base des forces relatives de basicité de ROH et RNH2 :

Chimie Organique


NH2

O

H

NH2

OH

H2O

NH2

HO O

H

H

-H

NH2

HO O H

H

NH3

HO O H

-NH3

O

OH

280BLa réaction des aldéhydes et cétones avec CN-

La réaction entre un aldéhyde ou une cétone et un cyanure nucléophile conduit à la

formation d’une cyanohydrine. Le mécanisme de la réaction inclut une attaque nucléophile

par un ion cyanure sur l’atome de carbone Cδ+ du groupement C=O, suivi par une

protonation. La source de cyanure est, par exemple, NaCN. Le mécanisme est illustré ci-

dessous dans le cas de la réaction du cyanure avec l’acétaldéhyde.

O

H

N C

CN

O HH

CN

HHO

Le problème avec la formation des cyanohydrines est qu’un équilibre est établi entre

les réactifs et les produits. En présence d’une base, CN- tend à être éliminé de la

cyanohydrine.

H+

NH4+

Chimie Organique


NC OH

-H2O

HONC O

-CNO

281BRéaction des réactifs de Grignard avec les aldéhydes et cétones

Les réactions des réactifs de Grignard RMgX (R = alkyle, X = Cl ou Br) avec les

aldéhydes et les cétones représentent des voies synthétiques importantes des alcools. Dans

chacune des réactions suivantes le solvant est habituellement du THF ou Et2O anhydre. Le

formaldéhyde réagit avec les réactifs de Grignard pour donner des alcools primaires dans

lesquels le groupement terminal CH2OH est dérivé de l’aldéhyde. La réaction ci-dessous

illustre la synthèse du butan-1-ol.

MgClO

H

H

O MgCl

H

OH Si le composé de départ est un autre aldéhyde que le formaldéhyde, alors la réaction

avec un réactif de Grignard donne un alcool secondaire. Un exemple en est la conversion de

propanal en pentan-3-ol.

MgClO

H

O MgCl

H

OH Lorsqu’une cétone réagit avec un réactif de Grignard, le produit est un alcool tertiaire.

L’exemple ci-dessous illustre la conversion de l’acétone en 2-méthylpentan-2-ol.

Chimie Organique


MgClO O MgCl

H

OH Ces réactions ont de nombreuses applications dans la synthèse des alcools et

peuvent être utilisées avec des substituants alkyles ou aryles.

282BAmination réductive des aldéhydes et cétones

Dans le chapitre 8, nous avons vu l’amination réductive des aldéhydes et des

cétones. L’amination réductive d’un aldéhyde en utilisant NH3 donne une amine primaire

avec le groupement NH2 attaché à l’atome de carbone terminal (c'est-à-dire un groupement

alkyle primaire). L’amination réductive d’une cétone en utilisant NH3 donne une amine

primaire avec le groupement NH2 attaché à un groupement alkyle secondaire. L’agent

aminant peut également être une amine secondaire ou tertiaire. Le mécanisme d’amination

réductive inclut une attaque nucléophile par NH3, RNH2 ou R2NH sur l’atome de carbone Cδ+

du groupement C=O de l’aldéhyde ou de la cétone. Considérons la réaction de

l’acétaldéhyde avec NH3 ; l’attaque par le nucléophile est suivie par un transfert de proton.

ONH3 O

H3N

OH

H2N

L’élimination d’H2O catalysée par un acide produit ensuite une imine :

H

OH

H2N

O

H2N

H

H

-H2O

NH H

-H

NH

En absence d’un agent réducteur, la réaction s’arrête à cette étape. En présence d’un

agent réducteur (ex. : H2 et [Ni] en industrie ou NaBH4 ou LiAlH4 en laboratoire), l’imine est

réduite en amine.

Chimie Organique


NH

réducteurH2N H

Des mécanismes analogues peuvent être écrits pour les réactions d’amines primaires

et secondaires avec des aldéhydes et des cétones.

283BRéactions de chlorures d’acides et d’esters avec NH3

Nous avons vu précédemment comment les amides pouvaient être préparés par

réaction de NH3 avec des chlorures d’acide ou des esters. La réaction entre NH3 et un

chlorure d’acide donne NH4Cl comme produit secondaire. Le mécanisme est illustré ci-

dessous dans le cas de la conversion du chlorure de propanoyle en propanamide.

O

ClNH3

-NH4

O

Cl

NH3

N

H

H

H

O

Cl

H2NO

H2N

-Cl

Notez que l’attaque par NH3 ne résulte pas directement en la perte de Cl-, mais plutôt

en l’ouverture de C=O. C’est le comportement général des exemples vus d’attaque

nucléophile sur le groupement carbone du groupement carbonyle. Dans la réaction entre

NH3 et un ester, la première étape est l’attaque par NH3 et l’ouverture de la liaison C=O ; elle

est suivie par la perte d’un alkoxyde ou aryloxyde en fonction de l’ester utilisé dans cette

réaction. Le mécanisme (illustré par la réaction entre le butanoate d’éthyle et NH3) est le

suivant :

Chimie Organique


O

ONH3

-BH

O

O

B

N

H

H

H

O

O

H2N -EtO

O

H2N

284BLes réactions des aldéhydes avec les alcools : formation d’hémiacétals

et d’acétals

Un aldéhyde réagit avec un alcool en présence d’une catalyse acide pour donner un

hémiacétal puis un acétal. La première étape dans la réaction est la protonation du

groupement C=O de l’aldéhyde.

HO

H

O

H

H

O

H

H

Les structures de résonance de l’aldéhyde protoné indiquent que la protonation rend

l’atome de carbone du groupement carbonyle plus sensible aux attaques des nucléophiles et

dans l’étape ultérieure, l’alcool agit comme un nucléophile. Notez que toutes les étapes de

cette voie réactionnelle sont réversibles :

Chimie Organique


-BH

B

O

H

HOH

O

HO

HH

O H

OH

La réaction ne s’arrête pas là. La protonation (rappelez-vous que le catalyseur acide

est toujours présent) du groupement OH de l’hémiacétal crée un bon groupement partant,

H2O, qui est éliminé. Cela fournit une espèce qui est susceptible d’être attaqué pas l’alcool

nucléophile et le produit final de la réaction est un acétal. Le mécanisme est le suivant :

H

-BH

B

O H

OH

O H

OH2 -H2O

O H

OH

O H

O

O H

O

H

Notez que, tout comme c’est le cas pour la formation des hémiacétals, chaque étape

de la formation des acétals est réversible. Des réactions similaires peuvent avoir lieu entre

les cétones et les alcools mais ne fonctionnent généralement pas aussi bien que celles

impliquant des aldéhydes.

93BU10.14. Attaque nucléophile du C=O : la réaction aldol

285BLes réactions aldol

Nous avons déjà rencontré la réaction aldol dans une section précédente. Nous

allons à présent regarder en détail le mécanisme de cette importante réaction de formation

de liaisons C-C. L’exemple illustré est la réaction entre deux aldéhydes en présence d’une

base, mais des réactions similaires peuvent avoir lieu entre deux cétones, un aldéhyde et

une cétone, un ester et une cétone ou un ester et un aldéhyde. Un des membres de chaque

paire doit posséder un atome d’hydrogène α.

Chimie Organique


La première étape de la réaction est la déprotonation d’un aldéhyde en position α.

Cela génère un ion énolate qui agit comme nucléophile et attaque la seconde molécule

d’aldéhyde pour donner un aldéhyde β hydroxy.

H

O

H H

-H2O H

O

HO

H

O

H

O

H

O

O

H O

H

-HO

H

O

OH

Un problème avec de telles réactions est la possibilité que l’énolate formé dans la

première étape de la réaction attaque une molécule de son aldéhyde parent (son acide

conjugué) plutôt que la molécule d’un second aldéhyde. Si la réaction est une auto-

condensation (c'est-à-dire si un seul aldéhyde est impliqué), la compétition ne pose pas de

problèmes puisque les produits sont les mêmes quoiqu’il arrive. Par contre, si la réaction

aldol a lieu entre deux aldéhydes différents, un mélange de produit en résulte. Nous

retournerons à cette complication ultérieurement.

Considérons à présent la réaction entre deux cétones dont l’un, au moins, contient un

hydrogène α. L’énolisation de la cétone est suivie par une attaque nucléophile sur la

Chimie Organique


seconde cétone. Le produit est une β hydroxycétone. Dans l’exemple ci-dessous, les deux

cétones sont identiques :

H

OHO

O

O O

O

H O

H

-HO

O

OH

Même si nous avons étudié les réactions entre aldéhydes et entre cétones, il faut

noter que les aldéhydes sont plus réactifs que les cétones. Cela affecte le résultat des

réactions aldol entre aldéhydes et cétones puisqu’un énolate formé à partir d’un aldéhyde

aura tendance à réagir plus avec un aldéhyde non isolé plutôt qu’une cétone.

286BLes éliminations β accompagnant les réactions aldol

Jusqu’à présent, lorsque nous avons considéré la réaction aldol, nous avons ignoré la

possibilité que plus d’un atome d’hydrogène α soit impliqué. En réalité, les réactions sont

compliquées par β éliminations. Un β hydroxyaldéhyde peut subir une élimination β promue

par base en perdant de l’eau et en formant un aldéhyde α,β-insaturé. C’est ce qui est illustré

ci-dessous :

HO -HO

H

O

OH

H

H

O

OH

H

O

De la même façon des cétones α,β-insaturées sont formées à partir de β

hydroxycétones possédant un atome d’hydrogène α.

Chimie Organique


287BVue d’ensemble des complications apparaissant dans les réactions aldol

De la discussion ci-dessus, il apparaît que des complications signifiantes ont lieu, par

exemple, lorsque deux aldéhydes différents subissent une réaction aldol. Prenons le cas

d’une réaction entre deux aldéhydes, dont l’un a deux atomes d’hydrogène α. L’équation ci-

dessous montre la formation potentielle de deux α,β hydroxyaldéhydes. Les deux produits

possèdent des atomes d’hydrogène α et peuvent donc subir des réactions de β élimination.

Donc la réaction est compliquée par la formation d’aldéhydes α,β insaturés.

RH

O

H H

O

HR'

R' H

OH O

R

HR

OH O

R

R' H

OH O

R

HR

OH O

R

H

R' O

R

H

O

R

R

288BAttaque nucléophile du C=O : Condensation de Claisen

La condensation de deux esters en présence d’une base forte (souvent EtO-) pour

donner un β cétoester est appelée condensation de Claisen. Nous avons déjà rencontré

cette réaction auparavant. Au moins un des esters doit posséder un hydrogène α, et la

première étape de la réaction est la déprotonation par l’ion éthoxyde pour donner un énolate.

Chimie Organique


HO

R

O

H H

-EtOH

-EtO

OR

O

Prenons le cas d’une autocondensation, c'est-à-dire d’une condensation entre un

énolate et l’ester parent. La réaction se déroule comme ci-dessous :

O

R O

O

OR

R

O

O

O

O

R R

O

O

O

-RO-

Ces équilibres sont déplacés vers la gauche, c'est-à-dire que la formation du produit

n’est pas favorable. Cependant, le β cétoester possède un atome d’hydrogène α faiblement

acide qui, en présence d’éthoxyde, est déprotonné. L’équilibre ci-dessous est déplacé vers la

droite et c’est cette dernière étape qui déplace la réaction vers la formation du produit désiré.

RO

O O

H H

RO

O O

ROH

RO

Pourquoi le produit, ci-dessus est-il favorisé ? Bien que les β cétoesters et les alcools

soient des acides faibles, la présence de deux groupements carbonyles stabilise la base

conjuguée. Le β cétonate est illustré sous la forme d’un hybride de résonance qui montre

bien la délocalisation. En conséquence, le β cétoesters (pKa ≈ 11) est un acide plus fort que

l’alcool (pKa ≈ 16 pour EtOH). L’équilibre est donc déplacé vers la droite. La présence de

deux hydrogènes α est donc cruciale pour la réussite de la condensation de Claisen. Le β

cétoester peut être obtenu en isolant le sel de la base conjuguée et en ajoutant de l’acide au

sel.

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