Transcript Substitution aromatique électrophile

Substitution aromatique
électrophile
© E.V. Blackburn, 2013
Substitution?
Les réactions caractéristiques de benzène
comprennent une substitution dans laquelle le
système d’un cycle stabilisé par résonance est
conservé:
HNO 3/H2SO4
NO 2
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Réactivité
- source d’électrons, les composés avec lesquels il
réagit sont déficitaires d’électrons - réactifs
électrophiles.
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Substitution aromatique
électrophile
1. Nitration
ArH + HNO3/H2SO4
ArNO2 + H2O
2. Sulfonation
ArH + H2SO4/SO3
ArSO3H + H2O
3. Halogénation
ArH + X2/FeX3
ArX + HX
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Réactions de Friedel - Crafts
4. Alkylation de Friedel - Crafts
ArH + RCl/AlCl3
ArR + HCl
5. Acylation de Friedel - Crafts
ArH + RCOCl/AlCl3
ArCOR + HCl
Ar
R
O
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Effet des substituants
CH3
CH3
NO 2
HNO 3
+
H2SO4
25C
CH3
CH3
+
NO 2
NO 2
34%
63%
3%
On trouve que le toluène réagit plus vite que le benzène......
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Réactivité
Comment peut-on déterminer la “réactivité”?
• Comparer le temps nécessaire pour que les réactions
se produisent sous des conditions identiques.
• Comparer la sévérité des conditions.
• Faire une comparaison quantitative sous des
conditions réactionnelles identiques.
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Effet des substituants
En quelque sorte le groupe méthyle rend le cycle plus
réactif que le benzène non substitué.
Il oriente le réactif attaquant dans la direction des
positions ortho et para du cycle.
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Effet des substituants
NO 2
NO 2
NO 2
NO 2
NO 2
HNO 3
+
+
NO 2
H2SO4
25C
NO 2
2%
7%
91%
Le nitrobenzène subit la substitution plus lentement
que le benzène et il donne principalement l’isomère
meta.
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Effet des substituants
Un groupe qui rend le cycle plus réactif que le
benzène est appelé groupe activant.
Un groupe qui rend le cycle moins réactif que le
benzène est appelé un groupe désactivant.
Un groupe qui conduit aux isomères ortho et para de
façon prédominante est dit “orienteur en ortho - para.”
Un groupe qui conduit à l’isomère meta de façon
prédominante est dit “orienteur en meta.”
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Orientation o,p avec activation
fortement activant
-OH
-NH2 -NHR -NR2
A
relativement activant
-OR
-NHCOR
faiblement activant
-aryle -alkyle
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Orientation m avec désactivation
-NO2
-SO3H
-CO2H
-CO2R
-CONH2
-CHO
-COR
-CN

 O ou N
A
+
-NH3
+
-NR3
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Orientation o/p avec
désactivation
-F, -Cl, -Br, -I
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La substitution des dérivés
disubstitués
CH3
H2SO4
CH3
NO 2
HNO 3
NO 2
NO 2
Dans ce cas les effets des deux substituants sont
additifs.
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La substitution des dérivés
disubstitués
Quand les deux substituants exercent des
influences opposées quant à l’orientation, il n’est
pas toujours facile de prévoir les produits qui
seront obtenus. Cependant, on peut faire les
généralisations suivantes.......
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La substitution des dérivés
disubstitués
• Les groupes fortement activants exercent une
influence plus forte que les groupes désactivants ou
faiblement activants.
OH
OH
HNO 3/H2SO4
CH3
NO 2
CH3
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La substitution des dérivés
disubstitués
• Une différence appréciable de l’effet des deux
groupes est nécessaire pour des résultats évidents,
autrement un mélange peut se produire:
CH3
HNO 3
CH3
CH3
NO 2
+
NO 2
H2SO4
Cl
Cl
58%
Cl
42%
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La substitution des dérivés
disubstitués
• Souvent, il n’y a pas de substitution entre les
groupe qui sont méta l’un à l’autre:
37%
Cl
1%
Br
62%
......nitration
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Synthèse du mbromonitrobenzène
Pour concevoir une synthèse, nous devons considérer
l’ordre de l’introduction des substituants.....
NO 2
HNO 3
Br2/FeBr3
NO 2
H2SO4
Br
Si premièrement nous faisons la bromation et puis la
nitration, les produits seront les isomères o et p.
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Orientation et synthèse
Si notre synthèse comprend la conversion d’un
groupe en un autre, nous devons décider quand
nous devons faire la conversion, p.e. l’oxydation d’un
méthyle en acide carboxylique:
Examinons la préparation des acides nitrobenzoïques:
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Les acides nitrobenzoïques
KMnO 4
CO2H
HNO 3
CO2H
H2SO4
CH3
NO 2
acide m-nitrobenzoïque
HNO 3
CH3
CH3
NO 2
+
H2SO4
Eb 225oC
NO 2
Eb 238oC
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Les acides nitrobenzoïques
CH3
CH3
NO 2
+
K2Cr2O7
CO2H
NO 2
acide o-nitrobenzoïque
NO 2
K2Cr2O7
CO2H
NO 2
acide p-nitrobenzoïque
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La nitration
H3O+ + 2HSO4- + NO2+
ion
+
nitronium H
un acid de
NO 2
Lewis
HONO2 + 2H2SO4
+
NO2
-
+
HSO4
H
NO2
NO 2
H2SO4 +
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La structure du carbocation
+
H
NO 2
H
NO 2
+
O2N
+
H
NO2
H
+
La charge positive n’est pas localisée sur un atome de
carbone.
Elle est distribuée au-déla de la molécule et elle est
particulièrement forte sur les carbones ortho et para au
carbone qui porte le groupe nitro.
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La sulfonation
H3O+ + HSO 4- + SO3
2H2SO4
O
S O
O
+
SO3
H
HSO4
+
SO3H
-
SO3H2SO4 +
-
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L’halogénation
Br Br
FeBr3
+ Br Br FeBr3
+
Br
H
Br FeBr3
+
Br Br FeBr3
+ Br Br FeBr3
+
Br
H + FeBr4
Br
+ HBr + FeBr 3
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L’alkylation de Friedel - Crafts
R X
AlX 3
+
R
+
R
H
+
R + AlX 4
+
R
H
R
X AlX 3
+ AlX 3
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Un carbocation électrophile?
(CH3)3COH + H +
+
(CH3)3COH 2
(CH3)3COH/H +
+
(CH3)3COH 2
H2O + (CH3)3C+
C(CH3)3
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Un carbocation électrophile?
(CH3)2C=CH2 + H+
(CH3)2C=CH 2/H+
(CH3)3C+
C(CH3)3
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Un carbocation?
CH2CH2CH3
CH3CH2CH2Cl
CH(CH 3)2
+
AlCl 3
~33%
~67%
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Un carbocation?
Lorsque RX est un halogénoalcane primaire, le AlCl3
forme un complexe qui agit comme électrophile:
  H3C Cl AlCl 3
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Limitations
• Les cycles aromatiques moins réactifs que les
halobenzènes ne subissent pas les réactions de
Friedel - Crafts.
• Une polysubstitution est possible - la réaction
introduit un groupe qui est activant.
• Les composés aromatiques qui portent les groupes
-NH2, -NHR ou -NR2 ne subissent pas l’alkylation.
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L’acylation de Friedel - Crafts
- la réaction
Cl
O
+
AlCl 3
+ HCl
O
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L’acylation de Friedel - Crafts
le
mécanisme
O
R
X
+
RC O
+
cation acyle
O
+
R
H
O
O
H
+
RC O + AlX 4
+
RC O
+ AlX 3
R
X AlX 3
R
+ HX + AlX 3
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Limitations
Cl
NO 2
+
O
AlCl 3
?
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Le mécanisme
E
+ E+
E
+
lente
E
H
+
H
+ Nu:
rapide
Il n’y a pas d’effet isotopique significatif.
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Les effets isotopiques
Une différence de vitesse due à une différence de
l’isotope présent dans le système réactionnel est
appelée un effet d’isotope.
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Les effets isotopiques
Si un atome est lié moins fortement dans l’état de transition
que dans le réactif, la réaction comprenant l’isotope le plus
lourd de cet atome procédera plus lentement.
H
C H + Z
k
C H Z
C + HZ
Les isotopes d’hydrogène ont les plus grandes différences
proportionnelles de masse. Les effets d’isotope
hydrogène sont les plus grands et les plus faciles à
déterminer.
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Les effets d’isotope primaires
Les effets d’isotopes dus à la rupture d’une liaison à l’atome
isotopiques sont appelés effets d’isotope primaires.
C H + Z
C D + Z
kH
kD
C H Z
C + HZ
C D Z
C + DZ
kH
D = 5-8
k
La réaction est 5 à 8 fois plus rapide pour l’hydrogène
ordinaire que pour le deutérium.
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Un grand effet isotopique de
deutérium
kH
CH3CHCH 3
NaOEt
Br
kD
CD3CHCD 3
NaOEt
Br
CH3CH=CH 2
CD3CH=CD 2
kH/kD = 7
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Le mécanisme
E
+ E+
E
+
lente
E
H
+
H
+ Nu:
rapide
Il n’y a pas d’effet isotopique significatif.
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La réactivité des cycles
aromatiques
L’état de transition:
+
E
H
+
Les facteurs qui stabilisent le carbocation en
dispersant la charge positive doivent stabiliser le
carbocation naissant de l’état de transition.
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La stabilité des carbocations
E
H
+
E
H
+
CH3
E
H
+
NO 2
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L’orientation
Un groupe activant activera toutes les positions
du cycle mais il oriente en ortho et en para parce
qu’il les rend plus actives que la position méta.
Un groupe désactivant désactivera toutes les
positions du cycle mais il désactivera les positions
ortho et para plus que la position méta.
Pourquoi? Examinons l’état de transition de
l’étape déterminante de la vitesse de la réaction.
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CH3 - orienteur en o/p
E
H
CH3
+
ortho
E
H
CH3
E
+
H
E
+
H
CH3
+
3°
E
H
+
E
méta
H
+
CH3
CH3
E
para
H
+
E
H
CH3
E
+
H
+
CH 3
CH3
3°
CH3
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NO2 - orienteur en m
E
ortho
H
+
E
méta
NO 2
E
NO 2
E
+
H
E
+
H
NO 2
+
H
+
E
H
+
para
H
+
NO 2
E
H
E
NO 2
H
NO 2
E
+
H
+
NO 2
NO 2
NO 2
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NO2 - orienteur en m
E
H
+
para
E
H
E
+
H
+
NO 2
NO 2
E
H
+
+
N
O O
-
NO 2
E
H
+

C
H3C O 
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NH2 - orienteur en o/p???
E
H +
NH2
E
H
NH 2
+
E
E
H
E
H
+
H
+
NH 2
E
+
H
E
+
H
NH 2
+
E
H
+
NH 2
E
H
E
NH 2
H
NH 2
E
+
H
+
NH 2
+
NH 2
: NH 2
NH 2
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Les substituants halogénés
E
H
+
Ces substituants sont désactivants à cause de l’effet inductif:
E
H
+
Cl
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Les substituants halogénés
orientent en o/p!
Les orienteurs en ortho et para sont électrodonneurs...
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Les substituants halogénés
E
H
+
E
Cl
E
H
Cl
E
+
H
E
+
H
Cl
E
H +
Cl
E
H
+
H
+
E
+
Cl
E
H
+
H
E
Cl
H
Cl
E
+
H
+
Cl
Cl
Cl
+ Cl
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