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15/04/14

COURS DE CHIMIE ORGANIQUE

Licence Sciences de la Vie (LSV1) A. I. AYI LCMBA UMR 6001 CNRS UFR Sciences Parc Valrose – Bât. Recherches CHIMIE LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE I – LES ASPECTS GENERAUX I.1 – INTRODUCTION – DEFINITIONS FONDAMENTALES

L’

interaction

entre deux molécules identiques ou non, conduit souvent à des molécules différentes des premières. Cette interaction dont le résultat est la transformation des composés initiaux en d’autres substances, s’appelle

réaction chimique

. Les molécules initiales sont nommées

réactants

:

substrat

et

réactif

Les composés formés sont les

produits

. On représente les réactions chimiques de la manière suivante :

SUBSTRAT + REACTIF

Cette représentation s’appelle

équation-bilan

.

= PRODUITS

1

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE I – LES ASPECTS GENERAUX

Mais une question se pose :

Comment distinguer des deux composés en interaction, lequel est le substrat et lequel est le réactif ?

Plusieurs situations peuvent se présenter.

Exemple 1 Soit la réaction suivante : H 3 CCl + NaOH = H 3 COH + NaCl H 3 CCl

est

a priori

le

substrat

et

NaOH

est le

réactif

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE I – LES ASPECTS GENERAUX Exemple 2 Considérons la réaction ci-dessous : H 3 CCl + H 3 CONa = H 3 COCH 3 + NaCl

Les réactants sont tous les deux ici des composés organiques. Dans ce cas,

le substrat est le réactant dont une liaison impliquant le carbone a été modifiée

. Dans notre exemple, le substrat est : H 3 CCl. 15/04/14 2

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE I – LES ASPECTS GENERAUX Exemple 3 Soit la situation suivante: H 3 CCl + H 3 CLi = H 3 CCH 3 + LiCl

Dans ce troisième exemple, il y a ambiguïté. Par convention, on choisit le

substrat comme étant l’espèce carbonée la plus stable

. Dans la situation actuelle, c’est la molécule de

fragile que la liaison carbone-chlore (C-Cl). H 3 CCl qui est le substrat, car la liaison carbone-lithium (C-Li) est plus LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES

•   •   •   Une démarche en vue d’apporter un élément d’organisation dans l’étude des réactions de la chimie organique, consiste à tenter de les classer sur la base de envisagée selon

plusieurs critères trois critères fondamentaux

: . La classification des réactions en chimie organique, sera l’

équation-bilan

; le

mode de rupture des liaisons

; la

nature ou le type de réactif

. Pour une étude complète et systématique de ces transformations, il faudra faire intervenir un concept nouveau :

le mécanisme réactionnel

. 15/04/14 3

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II-1 CLASSIFICATION SELON L’EQUATION-BILAN

Si on rapproche le

résultat final d’une réaction de la situation initiale (

équation-bilan

)

, on peut instituer une classification des réactions organiques en

quatre grandes catégories : - les substitutions, - les additions, - les éliminations, - et les transpositions ou réarrangements.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.1.1- LES REACTIONS DE SUBSTITUTION

C’est l’une des catégories les plus importantes en chimie organique. Dans une substitution :

un atome ou un groupe d’atomes (Y) du substrat est remplacé par un autre atome ou groupe d’atomes

(

Z)

provenant d’une autre molécule (

réactif

). L’équation-bilan est :

R 1 R 2 R 3 C – Y + Z = R 1 R 2 R 3 C – Z + Y

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.1.1- LES REACTIONS DE SUBSTITUTION Voici trois exemples de réactions de substitution Exemple 1 + Cl 2 = CH 3 Cl CH 4 Exemple 2 CH 3 Br + Exemple 3 C 6 H 6 HBr CN + = CH Br 2 3 CN = + C 6 H 5 Br + Br HCl + LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.1.2- LES REACTIONS D’ADDITION

Dans ce cas,

la molécule initiale ne perd aucun de ses atomes

. En revanche, une réaction d’addition se traduit par :

l’introduction au sein de la molécule de départ, d’atomes ou de groupes d’atomes

. En fait, les fragments d’une molécule qui s’est scindée (

réactif

) se fixent sur une autre

molécule

(

substrat

) qui doit être

insaturée

. L’équation générale dans le

cas des alcènes

par exemple est :

R 1 R 2 C = CR 3 R 4 + Y – Z = R 1 R 2 CZ – CYR 3 R 4

15/04/14 5

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.1.2- LES REACTIONS D’ADDITION

Voici trois exemples de réactions d’addition

Exemple 1 CH 2 = CH 2 + H 2 = Exemple 2 CH 3 – CH = CH 2 + Br 2 = Exemple 3 CH 2 = CH 2 + H 2 O CH = 3 – CH 3 CH CH 3 3 – CHBr – CH – CH 2 OH 2 Br LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.1.3- LES REACTIONS D’ELIMINATION

Contrairement à une addition, une réaction d’élimination entraîne une

diminution du nombre d’atomes de la molécule initiale

(

substrat

). De cette réaction, il résulte une

insaturation

:

création d’une liaison multiple

(double liaison ou triple liaison) ou/et

formation d’un cycle

. L’équation-bilan est :

R 1 R 2 CY – CZR 3 R 4 = R 1 R 2 C = CR 3 R 4 + YZ

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.1.3- LES REACTIONS D’ELIMINATION

C’est sur ce critère que sont classées les réactions suivantes :

Exemple 1 : CH 3 CHClCH 3 NaCl + H 2 O Exemple 2 + NaOH = CH 3 CH = CH 2 + CH 3 CH 2 CH 2 OH + Exemple 3 CH 3 CHBrCH 2 Br H 2 SO4 = CH 3 CH = CH 2 + H 2 O + KOH = CH 3 C = CH + KBr + H 2 O LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.1.4- LES REACTIONS DE REARRANGEMENT

On regroupe dans cette catégorie,

structure initiale toutes les réactions

au cours desquelles,

certains atomes ou groupes d’atomes changent de place dans la

. On dit aussi qu’il s’agit de réactions de

transposition

. Par exemple, les molécules comportant dans leur structure un groupe fonctionnel

OH lié à un carbone hybridé sp 2

(

énols

) se réarrangent en dérivés carbonylés (

aldéhyde ou cétone

). Par exemple :

R 1 CH = CH – OH = R 1 CH 2 – CHO

Dans ce cas particulier, la réaction porte le nom de

Tautomérie

. 15/04/14 7

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.2- CLASSIFICATION SELON LE MODE DE RUPTURE DES LIAISONS

En examinant le

mode de rupture des liaisons du substrat d’une part et de formation des liaisons du produit d’autre part

, nous pouvons classer les réactions organiques en

deux types différents

. 15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.2.1 – LES REACTIONS IONIQUES OU HETEROLYTIQUES

Elles ont lieu lorsque les liaisons covalentes subissent une

rupture hétérolytique

, c’est-à-dire

dissymétrique

possède alors une lacune électronique.

. Le

doublet de covalence reste constitué, et il est conservé par l’atome le plus électronégatif, l’autre R : X = R + X :

Le processus inverse est la formation d’une liaison covalente par la mise en commun d’un doublet déjà constitué, appelé

coordination

. Les deux étapes élémentaires de rupture et de formation des liaisons peuvent être distinctes et successives ou encore simultanés (

réactions concertées

). 8

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.2.1 – LES REACTIONS IONIQUES OU HETEROLYTIQUES

Le résultat d’une telle coupure est la formation d’une paire d’ions (un

cation et

un

anion)

si elle s’est produite dans une molécule neutre.

Exemple

:

H 3 C : I = H 3 C + + I : -

L’un des fragments peut être une entité neutre et l’autre un ion, si la rupture s’est produite dans une espèce initialement chargée.

Exemple : H 3 C: NH + 3 = H 3 C + + : NH 3

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.2.2 – LES REACTIONS RADICALAIRES OU HOMOLYTIQUES

Elles ont lieu lorsque les liaisons covalentes subissent une

homolytique

, c’est-à-dire ayant chacun un

symétrique

.

partagé, et chacun des deux atomes conserve un électron

Le résultat d’une telle coupure est la formation de deux espèces chimiques

électron célibataire et électriquement neutre : radicaux libres

(ou plus simplement

radicaux

) .

rupture Le doublet de covalence est R : X = R .

+ X .

9

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.2.2 – LES REACTIONS RADICALAIRES OU HOMOLYTIQUES

•   La

formation

des liaisons peut résulter de deux processus : Réunion de deux radicaux, avec mise en commun de leurs deux électrons impairs :

Exemple : H 3 C .

+ .

CH 3 = H 3 C : CH 3

•   Réaction entre un radical et une molécule, pour donner un nouveau radical et une nouvelle molécule, par attaque soit sur une liaison σ , soit sur une liaison π .

Exemples : H 3 C – H + H 2 C = CH 2 + Br .

.

Cl = = H 3 C .

+ H : Cl .

CH 2 = CH - Br LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.2.2 – LES REACTIONS RADICALAIRES OU HOMOLYTIQUES

La

rupture homolytique,

peut être provoquée par

la chaleur (thermolyse)

ou par

le rayonnement électromagnétique (photolyse

). Ces réactions se produisent surtout en phase gazeuse et concernent les composés comportant des liaisons non ou peu polarisées comme les alcanes par exemple.

Les réactions radicalaires sont souvent des réactions en chaîne.

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3- CLASSIFICATION SELON LA NATURE DU REACTIF

Un autre critère peut être pris en compte pour classer les réactions organiques :

nature du réactif

. En raison de la différence d’

électronégativité

entre les atomes constituants les composés organiques et des molécule de substrat à un autre.

phénomènes de mésomérie

, la densité électronique varie souvent de manière importante d’un atome de la Voici quelques exemples .

Exemple 1 : Effet inductif (+I ou –I) Soit la molécule du chlorure d’éthyle : CH 3 – CH 2 – Cl LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II. 3- CLASSIFICATION SELON LA NATURE DU REACTIF Exemple 2 : Effet mésomère (+M ou –M) Soit la molécule de prop-2-énal : CH 2 = CH – CH = O

Dans ce composé, les deux liaisons π

sont conjuguées

(séparées par

une seule liaison

σ ). La structure est donc le siège d’une délocalisation, conduisant à des

formes mésomères limites, parmi lesquelles, l’une des plus probables est : + CH 2 – CH = CH – O -

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3- CLASSIFICATION SELON LA NATURE DU REACTIF

Au cours d’une réaction organique, les

centres (atomes) de forte ou de faible densité électronique

sont susceptibles d’être attaqués par des

réactifs spécifiques : les centres de forte densité électronique sont sensibles à l’approche des entités « pauvres » en électrons. les centres de faible densité électronique sont sensibles à l’approche des entités « riches » en électrons. Toute la chimie des réactions hétérolytiques est commandée ce principe : donneur-accepteur.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3.1 LES REACTIONS ELECTROPHILES

On parle de

réaction électrophile

électronique est élevée : On dit que le réactif est un , si le

réactif

cherche les centres (atomes de carbone) du substrat où la densité

agent électrophile

ou plus simplement un

électrophile

.

Réactif ou agent électrophile

(

E

) :

entité chimique capable d’accepter une paire d’électrons

pour former une liaison covalente : elle possède une

case quantique vide et peut être neutre ou chargée

. 15/04/14 12

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3.1 LES REACTIONS ELECTROPHILES Exemples de Réactifs électrophiles :

•  

Electrophiles chargés (cations) E + : H + , X + , R 1 R 2 R 3 C + , O 2 N + , …

•  

Electrophiles neutres E : X 2 , BH 3 , BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3 , ZnCl 2 , … LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3.2 LES REACTIONS NUCLEOPHILES

De même, on parle de

réaction nucléophile

, si le

réactif

cherche les centres (atomes de carbone) du substrat où la densité électronique est faible On dit que le réactif est un

agent nucléophile

ou plus simplement un

nucléophile

.

Réactif ou agent nucléophile

(

Nu

) :

entité chimique capable céder une paire d’électrons

(

électrons non-liants

) pour former une liaison covalente.

Il peut être neutre ou chargé.

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3.2 LES REACTIONS NUCLEOPHILES Exemples de Réactifs Nucléophiles

•  

Nucléophiles chargés (anions) Nu :

•  

H , X , R 1 R 2 R 3 C , HO , RO , RS , CN , N 3 , …

•  

Nucléophiles neutres Nu :

•  

NH 3 , H 2 O, ROH, R 1 OR 2 , RNH 2 , R 1 R 2 NH, RSH, R 1 SR 2 , … LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3.3 LES REACTIONS RADICALAIRES

Selon ce critère, les

famille

.

réactions radicalaires constituent une troisième

Dans cette classe, le

réactif apporte un électron célibataire

pour former une liaison covalente avec

le substrat, lui-même possédant un électron impair.

Le réactif est une entité chimique neutre, qui possède une orbitale atomique de valence à moitié remplie :

radical libre

. 15/04/14 14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE II – CLASSIFICATION DES REACTIONS ORGANIQUES II.3.3 LES REACTIONS RADICALAIRES Exemples de réactifs radicalaires

(

radicaux libres) Y .

:

H .

, X .

(X = F, Cl, Br, I), R 1 R 2 R 3 C .

, HO .

, RO .

, RS .

, …

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS

On appelle

intermédiaires réactionnels, des espèces chimiques peu stables pouvant se former au cours d’une réaction, entre deux étapes élémentaires

. Ces espèces de

durée de vie très courte ne sont pas isolables

, mais peuvent être

mises en évidence par différentes méthodes spectroscopiques

, la résonance magnétique nucléaire (

RMN

) en particulier. 15

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS

Plusieurs types d’intermédiaires réactionnels sont connus, mais nous nous limiterons ici à l’étude des plus importants en chimie organique. Ce sont : les

Carbocations : R +

les

Carbanions : R -

et les

Radicaux : R . LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.1 DEFINITION – STRUCTURE Un carbocation est une entité chimique dans laquelle un atome de carbone porte une charge positive

. Cet atome de carbone possède alors une

orbitale atomique vacante

.

R 1 R 2 R 3 C + Au niveau géométrique, d’après Gillespie, les carbocations sont plans : hybridation sp 2 L’orbitale atomique vacante est une OA p perpendiculaire au plan contenant les trois liaisons. pure : elle est

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.1 DEFINITION – STRUCTURE Les quatre familles de carbocations nullaire primaire : R

:

1 R = R 1 2 = R 2 = R 3 = H = H H 3 C +

et

R 3 différent de H R-CH 2 + secondaire

:

R 1 = H

et

R 2 , R 3 différents de H R 2 –CH + -R 3 tertiaire

:

R 1 , R 2 , et R 3 différents de H R 1 R 2 R 3 C + LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.2 MODES DE FORMATION

•   Les carbocations se forment par plusieurs voies.

rupture hétérolytique

d’une liaison σ entre un carbone et un atome ou un groupe d’atomes plus électronégatif que lui :

C + + Y - C-Y = Exemples : C – X C – N + (R) 3 C – OR liaison carbone-halogène liaison carbone-azote liaison carbone-oxygène

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.2 MODES DE FORMATION

•   Les carbocations se forment par plusieurs voies.

attaque d’une liaison

π

par un électrophile. C = C Exemple : + E + = E - C - C + C = C C = C + + H + Br + = = H - C - C + Br - C - C + LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE

•   •   La stabilité des carbocations dépend de leur peuvent intervenir : l’effet inducteur ou inductif (

effet I

) ;

constitution

. Deux effets l’effet mésomère (

effet M

). 15/04/14 18

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE

La stabilité relative des carbocations augmente avec le degré de substitution du carbone. On observe en général suivant :

Nullaire

<<

Primaires < Secondaires < Tertiaires

Par ailleurs, on constate très souvent, le

réarrangement

des carbocations :

Les Primaires se transforment en Secondaires et/ou Tertiaires LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE Exemples d

e

réarrangement

des carbocations :

par migration d’un H CH 3 -CH 2 -CH 2 + CH 3 -C + H-CH 3 par migration d’un groupe méthyle (CH 3 ) 3 C - CH 2 + (CH 3 ) 2 - C - CH 2 - CH 3

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE

Ces

importantes

différences de stabilité relative des carbocations s’expliquent par :

EFFET INDUCTIF DONNEURS (+I) DES GROUPES ALKYLES

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE

La stabilité relative des carbocations dépend aussi de la

nature et de la structure des groupes substituants

. On constate ainsi que certains

carbocations primaires sont très stables

. Voici par

exemples trois carbocations primaires très stables CH 2 =CH-CH 2 + C 6 H 5 -CH 2 + CH 3 COCH 2 +

20

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE

La grande stabilité relative de

mésomérie

.

ces trois carbocations primaires s’expliquent par la délocalisation au moyen de la résonnance ou Dans les trois exemples, l’OA p pure du carbocation (charge positive) est en conjugaison avec des électrons

π

. CH 2 =CH-CH 2 + C 6 H 5 -CH 2 + CH 3 COCH 2 + LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE Dans les trois exemples, l’OA p pure du carbocation (charge positive) est en conjugaison avec des électrons

π

. CH 2 =CH-CH 2 + C 6 H 5 -CH 2 + CH 3 COCH 2 +

On peut dans chacun des cas, écrire

un certain nombre de formes mésomères limites

ainsi

q

u’

un hybride de résonance (portrait « robot » de la structure).

15/04/14 21

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.1 LES CARBOCATIONS III.1.3 STABILITE RELATIVE

Prenons comme exemple le

carbocation allylique.

On peut envisager

deux formes mésomères limites équivalentes. CH 2 = CH - CH 2 + L’hybride de résonance est : + CH 2 - CH = CH 2 + --------------------------- CH 2 CH - CH 2 LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.1 DEFINITION – STRUCTURE

Un

carbanion est une entité chimique dans laquelle un atome de carbone porte une charge négative. Cet atome de carbone possède alors une paire non-liante d’électrons

.

R 1 R 2 R 3 C: -

Au niveau géométrique, d’après

Gillespie, les carbanions sont pyramidaux : hybridation sp 3

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.1 DEFINITION – STRUCTURE

Suivant le nombre d’atomes de carbone portés par l’atome de carbone chargé négativement, les carbanions sont qualifiés de :

nullaire : R 1 = R 2 = R 3 = H primaire

:

R 1 = R 2 = H H 3 C -

et

R 3 différent de H R-CH 2 - secondaire

:

R 1 = H

et

R 2 , R 3 différents de H R 2 –CH -R 3 tertiaire

:

R 1 , R 2 , et R 3 différents de H R 1 R 2 R 3 C LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.2 MODES DE FORMATION

•   Les carbanions se forment par plusieurs voies.

rupture hétérolytique

d’une liaison

σ

entre un carbone et un atome ou un groupe d’atomes moins électronégatif que le carbone: Exemple : C – M avec M = Li, Na, Mg, …

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS

•  

III.2.2 MODES DE FORMATION

Les carbanions se forment par plusieurs voies.

attaque d’une liaison

σ

nucléophile ou une base.

C - H (hydrogène labile) par un agent Exemple : C – C – H + Nu : = C – C : - + NuH

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS

•   •  

III.2.3 STABILITE RELATIVE

La stabilité relative des carbanions dépend de leur pour expliquer les différences de stabilité :

constitution

. Comme pour les carbocations, deux effets électroniques peuvent être pris en compte l’effet inducteur ou inductif (

effet I

) ; l’effet mésomère (

effet M

). 24

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.3 STABILITE RELATIVE

La stabilité relative des carbanions

diminue avec le degré de substitution du carbone

(par des groupes alkyles). On observe en général :

Nullaire

>>

Primaires > Secondaires > Tertiaires

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.3 STABILITE RELATIVE

Ces différences importantes de stabilité relative des carbanions s’expliquent par :

L’EFFET INDUCTIF DONNEURS DES GROUPES ALKYLES En revanche, la stabilité relative des carbanions augmente avec le degré de substitution du carbone par des groupes attracteurs d’électrons

25

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.3 STABILITE RELATIVE

La stabilité relative des carbanions dépend aussi de la nature et de la structure des groupes substituants. On constate ainsi que certains

carbanions primaires ont une stabilité renforcée

.

Exemples : Cl 3 CCH 2 : est un carbanion stabilisé par l’effet inductif –I lié à la présence de trois atomes de Cl. LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.3 STABILITE RELATIVE

La stabilité relative des carbanions dépend aussi de la nature et de la structure des groupes substituants. On constate ainsi que certains

carbanions sont très stables

.

Exemples : CH 2 =CH-CH 2 : C 6 H 5 -CH 2 : CH 3 COCH 2 : - Dans ces trois cas, c’est l’effet mésomère qui explique le renforcement de la stabilité des carbanions.

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.3 STABILITE RELATIVE Dans les trois exemples, le doublet non-liant du carbanion (porté par le carbone chargé négativement) est en conjugaison avec des électrons

π

. CH 2 =CH-CH 2 : C 6 H 5 -CH 2 : CH 3 COCH 2 : - On peut écrire pour carbanion des formes mésomères limites et un hybride de résonance LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.2 LES CARBANIONS III.2.3 STABILITE RELATIVE

Prenons comme exemple le

carbanion allylique.

On peut envisager

deux formes mésomères limites équivalentes. CH 2 = CH - CH 2 : L’hybride de résonance est : - --------------------------- CH 2 CH - CH 2 - :CH 2 - CH = CH 2

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.3 LES RADICAUX LIBRES III.3.1 DEFINITION – STRUCTURE

Un radical est une

entité chimique neutre

dans laquelle un atome de carbone porte

un électron impair ou non apparié

. Cet atome de carbone possède alors une

orbitale atomique à moitié remplie

.

R 1 R 2 R 3 C . Au niveau géométrique, les radicaux adoptent de préférence une structure plane : hybridation sp 2

L’orbitale atomique

p

pure, qui contient l’électron célibataire, est perpendiculaire au plan contenant les trois liaisons.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.3 LES RADICAUX LIBRES III.3.1 DEFINITION - STRUCTURE

Suivant le nombre d’atomes de carbone liés à l’atome de carbone portant l’électron impair, les radicaux sont qualifiés de :

nullaire primaire : R

:

1 R = R 1 2 = R 2 = R 3 = H = H H 3 C .

et

R 3 différent de H R-CH 2 . secondaire

:

R 1 = H

et

R 2 , R 3 différents de H R 2 –CH .

-R 3 tertiaire

:

R 1 , R 2 , et R 3 différents de H R 1 R 2 R 3 C .

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LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.3 LES RADICAUX LIBRES III.3.2 MODES DE FORMATION

Les radicaux se forment par

rupture homolytique

catalysée par le rayonnement électromagnétique ou la température, de liaisons σ de faible énergie dans certaines molécules.

Exemples : C - X C – C C – H LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.3 LES RADICAUX LIBRES III.3.3 STABILITE RELATIVE

•   •   La stabilité des radicaux dépend de leur constitution. Deux effets peuvent intervenir : l’effet inducteur ou inductif (

effet I

) ; l’effet mésomère (

effet M

). 15/04/14 29

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE III – LES INTERMEDIAIRES REACTIONNELS III.3 LES RADICAUX LIBRES III.3.3 STABILITE RELATIVE

La stabilité des radicaux est en tout point comparable à celle des carbocations à savoir : •   •   •  

Nullaire << Primaires < Secondaires < Tertiaires

l’effet

inducteur donneur

(

effet +I

)

augmente la stabilité

relative du radical libre ; l’effet

inducteur attracteur

radical libre; (

effet –I

)

diminue la stabilité

relative du L’effet mésomère

+M

ou

–M stabilise

le radical libre.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE

•   •   •   De nombreuses réactions organiques sont des interactions de type acide base, en référence à la définition des acides et des bases selon trois grands chimistes :

Arrhénius

;

Brönsted et Lowry

;

Lewis

. En effet, les notions d’acidité et de basicité ont considérablement évolué dans le temps, depuis la première théorie proposée par

Arrhénius

. 15/04/14 30

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.1 ACIDITE – BASICITE SELON ARRHENIUS

•  

Arrhénius

se limite aux

solutions aqueuses

. Un

acide est une substance capable de libérer des protons

(

H +

) lors de leur dissolution dans l’eau Une

base est une substance qui libère des ions hydroxydes

(

HO -

) dans les mêmes conditions.

Exemples : HCl, H 2 SO 4 , CH 3 COOH, … sont des acides NaOH, KOH, Ca(OH) 2 , … sont des bases. LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.1 ACIDITE – BASICITE SELON ARRHENIUS Une telle définition de l’acidité et de la basicité reste insuffisante

car : - de nombreuses réactions s’effectuant en milieu non aqueux sont des réactions acide-base. - par ailleurs, elle n’explique pas les propriétés basiques de molécules telles que

NH 3

,

CH 3 NH 2

, … 15/04/14 31

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Pour ces deux chimistes : - un

acide est une entité chimique susceptible de céder un proton

- une

base est une entité capable de fixer un proton

.

Différences

avec le concept d’

Arrhénius

: la présence de H 2 O n’est plus obligatoire et une base ne contient pas nécessairement le groupe OH.

Exemple : CH 3 -NH 2 LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Une conséquence importante de cette nouvelle approche, provient du fait que

tous les processus de perte ou de gain de proton sont réversibles

. Ainsi : - à tout acide

AH

, correspond une base

A : -

appelée sa

base conjuguée

; - et à toute base

B :

, correspond un acide

BH +

appelé

acide conjugué.

On peut en général écrire :

Acide = AH BH + = = Base A : B : + + + H + H + H +

15/04/14 32

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Un

acide et sa base conjuguée

forment un

couple acide-base

.

Exemples : AH/A : HCl/Cl CH 3 CO 2 H/CH 3 CO 2 BH + /B : NH 4 + /NH 3 CH 3 NH 3 + /CH 3 NH 2 LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Dans ce concept, on définit en règle générale la

force d’un acide

(ou d’une

base

) par sa

constante de dissociation dans un solvant protique

qui est généralement l’

eau

. Ainsi pour un

acide AH

, on a :

AH + H 2 O = [H 3 O + ] [A ] K eq = ---------------- [AH] [H 2 O] H 3 O + + A -

15/04/14 33

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Si la

solution est diluée

, la

constante et vaut 55,5 mol/L

.

concentration en eau est pratiquement

On a donc :

K eq .[H 2 O] = constante.

Cette nouvelle constante est appelée

constante d’acidité

notée

K a

.

[H 3 O + ] [A ] K a = ---------------- [AH] Cette constante K a mesure la force de l’acide. LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV – LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

La constante d’acidité

K a

varie dans des proportions très importantes. On préfère définir la force d’un acide par une autre constante : le

pK a

.

pK

a

= - log K

a

15/04/14 34

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV-LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

De manière similaire, on définit la constante de basicité départ de l’équilibre :

K b

(

pK b

), au

B : + H 2 O = HO + BH + [BH + ] [HO ] K eq = ----------------- [B] [H 2 O] LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV-LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Si la solution est diluée, on a :

[BH + ] [HO ] K eq . [H 2 O] = K b = ----------------- [B] K b = constante de basicité

15/04/14 35

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV-LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Pour une base en solution aqueuse, on a :

pK b = - log K b Le pK b définit la force de la base.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV- LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.2 ACIDITE – BASICITE SELON BRONSTED ET LOWRY

Il existe une relation simple entre le K a d’un acide et le K b de sa base conjuguée:

K a . K b = [H 3 O + ] . [HO ] = K e

Donc

pK a + pK b = pK e = 14 La gamme d’acidité et de basicité accessible en milieu aqueux est limitée car il ne peut exister d’acide plus fort que l’ion H 3 O + et de base plus forte que l’ion HO .

15/04/14 36

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.4 ACIDITE – BASICITE SELON LEWIS Lewis

ne considère plus la réaction acide-base comme un échange de proton, mais propose d’examiner le phénomène au

niveau des électrons

. Ainsi :

Toute substance capable de fixer un doublet électronique libre est un acide.

Elle

possède dans sa structure, un atome ayant une lacune électronique (case quantique ou orbitale atomique vide)

.

Toute espèce chimique capable de fournir un doublet électronique est une base.Une base selon Lewis est une entité possédant un ou plusieurs doublets électroniques non-liants.

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV- LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.4 ACIDITE – BASICITE SELON LEWIS

La théorie de

Lewis

,

autorise des extensions que les définitions précédentes ne permettent pas

. Elle explique le

comportement acide

de substances comme, le fluorure de bore (

BF 3

), le chlorure d’aluminium (

AlCl 3

), ... Ces molécules, sont des acides au sens de

Lewis

, alors qu’elles ne le sont ni dans la théorie d’

Arrhénius

, ni dans celle de

Brönsted et de Lowry

. 37

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.4 ACIDITE – BASICITE SELON LEWIS Les acides selon le concept de LEWIS peuvent être des ions (cations) ou des molécules neutres.

Voici quelques exemples d’acides

Lewis

.

H + , Li + , Na + , Mg ++ , Fe +++ , Al +++ , (R) 3 C + , … BH 3 , BF 3 , AlCl 3 , ZnCl 2 , Br 2 , … LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE IV- LES REACTIONS ACIDE-BASE IV.4 ACIDITE – BASICITE SELON LEWIS Les bases dans la théorie de LEWIS peuvent être des ions (anions) ou des molécules neutres.

Voici quelques exemples de bases de

Lewis

.

HO , RO , RS , SO 4 - , RCOO , H , Cl , CN , (R) 3 C , … H 2 O, ROH, RSH, R 2 O, R 2 S, NH 3 , RNH 2 , R 2 NH, R 3 N, …

15/04/14 38

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES INTRODUCTION

L’atome d’halogène (X = F, Cl, Br, I) d’un

halogénoalcane

(

R-X

) est lié à un

carbone hybridé sp 3

. En conséquence, l’arrangement des atomes ou groupes d’atomes autour du carbone concerné est

tétraèdrique

.

La réactivité des halogénoalcanes résulte des perturbations apportées dans la structure électronique de la molécule par l’électronégativité de l’halogène

. 15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES INTRODUCTION La liaison C – X est polarisée. Conséquences:

- le

carbone est porteur d’une charge électrique

δ

+ : il est sensible aux attaques de réactifs nucléophiles.

- les

liaisons C – H avoisinantes sont aussi polarisées : les atomes d’hydrogène voisins sont labiles (acides) et sensibles aux attaques des agents nucléophiles ayant des propriétés basiques

. 39

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES INTRODUCTION Les halogénoalcanes se prêtent à deux types principaux de réactions.

- les

réactions de substitution de l’halogène par un autre atome ou groupe d’atomes suite à une attaque d’un réactif nucléophile

- les

réactions d’élimination de l’halogène et d’un atome d’hydrogène porté par un carbone adjacent, avec formation d’une double liaison lors de l’attaque par des agents nucléophiles ayant des propriétés basiques

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES INTRODUCTION Les halogénoalcanes se prêtent à deux types principaux de réactions.

- les

réactions de substitution de l’halogène H – C 2 – C 1 – X + : X + Nu :

- les

réactions d’élimination H – C 2 – C 1 – X = H – C = – C 2 = C 1 – + HX 2 – C 1 – Nu

15/04/14 40

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1 LES REACTIONS DE SUBSTITUTION

Le remplacement de l’halogène organiques : les

X

d’un halogénoalcane par un autre atome ou groupe d’atomes, est une réaction couramment utilisée en synthèse organique. Ce type de réaction très importante, fait partie d’une des classes de réactions

substitutions nucléophiles

(S N )

. 15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1 LES REACTIONS DE SUBSTITUTION

Dans ce type de réaction, un

agent nucléophile

réagit avec un

halogénoalcane

afin de remplacer l’atome d’halogène. La

liaison C – X

du substrat subit une

hétérolyse

et une paire d’électrons libres du réactif nucléophile s’engage dans une nouvelle liaison avec l’atome de carbone halogéné. 41

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1 LES REACTIONS DE SUBSTITUTION

Parmi les nombreuses questions concernant

le déroulement, c’est-à-dire le mécanisme de cette réaction

,

l’une des plus importantes est

:

A quel moment la liaison C – X subit-elle la rupture hétérolytique ?

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1 LES REACTIONS DE SUBSTITUTION Il y a deux hypothèses ou réponses possibles

: •   1 ère hypothèse :

L’hétérolyse se produit pendant que la nouvelle liaison entre le nucléophile et le carbone se réalise

. •   2 ème hypothèse :

La liaison C- X se brise avant la formation de la nouvelle liaison

. A chacune des ces hypothèses correspond un

mécanisme

différent.

processus

ou 42

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1 LES REACTIONS DE SUBSTITUTION

La réponse

dépend de plusieurs paramètres :

- la

structure

(ou

nature

) de l’halogénoalcane, - les

caractéristiques du réactif nucléophile

, - la

nature de l’halogène X (F, Cl, Br ou I),

- et les

conditions expérimentales : solvant, température, concentrations, …

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1 LES REACTIONS DE SUBSTITUTION

La substitution nucléophile, désignée par le

symbole S N

, peut s’accomplir selon

deux mécanismes différents par la chronologie de deux évènements principaux :

- la

rupture de la liaison C – X

, - la

formation de la liaison C -Nu

. - Mécanisme

S N 1

- Mécanisme

S N 2

43

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1.1 Substitution Nucléophile Unimoléculaire ou S N 1

. •   •   Le processus réactionnel dans ce cas se fait en

deux étapes successives

: la

première étape est lente et réversible (renversable

) ; elle conduit par rupture hétérolytique de la liaison

C - X

à la

formation d’un ion X

(groupe

nucléofuge

) et d’un (intermédiaire réactionnel).

carbocation plan

la

deuxième étape est rapide et univoque

(

irréversible

) ;

l’attaque du réactif nucléophile sur le carbocation

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1.1 Substitution Nucléophile Unimoléculaire ou S N 1

. Sur le plan

cinétique, la vitesse de la réaction S N 1, ne dépend que de la première étape : la réaction est d’ordre 1. v = k . [R – X]

Sur le plan

de ses faces.

stéréochimique, l’attaque du nucléophile se produit sur un intermédiaire plan : le nucléophile peut avec une égale probabilité l’approcher par l’une ou l’autre

15/04/14 44

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1.1 Substitution Nucléophile Unimoléculaire ou S N 1

.

Si le carbone halogéné est un carbone asymétrique, et si la réaction conduite sur un des énantiomères, le produit obtenu est un mélange racémique.

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1.2 Substitution Nucléophile Bimoléculaire ou S N 2

. Dans ce mécanisme plus fréquent que le précédent,

les deux étapes

ne sont plus séparées, mais

se déroulent simultanément

. Il s’agit d’une réaction élémentaire : un seul «

acte

».

Le système en réaction passe par une état de transition dans lequel l’halogène X et le nucléophile Nu sont tous les deux liés au carbone par des « demi-liaisons ».

45

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1.2 Substitution Nucléophile Bimoléculaire ou S N 2

.

Dans ce cas, l’étude expérimentale montre que la réaction est d’ordre 2 et que la loi de vitesse est : v = k . [R – X] . [Nu] Le système en réaction passe par une état de transition dans lequel l’halogène X et le nucléophile Nu sont tous les deux liés au carbone par des « demi-liaisons » : le nucléophile doit s’approcher du carbone par le côté opposé à X.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.1.2 Substitution Nucléophile Bimoléculaire ou S N 2

. Si

l’atome de carbone siège de la substitution S N 2 est asymétrique et si la réaction est effectuée sur l’un des énantiomères pur, il se produit alors une inversion de la configuration de la molécule initiale : inversion de Walden

. •   •   NB

Cette inversion de configuration de la molécule initiale (substrat) ne se traduit pas nécessairement par un changement de signe du pouvoir rotatoire ;

•  

Si le carbone siège de la substitution était de configuration absolue R par exemple, la configuration absolue de ce même carbone dans le produit n’est pas obligatoirement S.

15/04/14 46

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2 Réactions d’Elimination (E)

. Dans certaines conditions, un autre type de réaction est possible lorsqu’un agent nucléophile interagit avec un halogénoalcane :

élimination d’une molécule de HX conduisant à la formation d’un (ou de plusieurs) alcène (s)

. 15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2 Réactions d’Elimination (E)

:

conditions

Les réactions d’élimination menant à un alcène sont possibles à plusieurs conditions : il doit avoir

au moins un atome d’hydrogène en position

β

de l’halogène

, c’est-à-dire sur l’un des atomes de carbones liés à celui qui porte l’halogène. 47

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2 Réactions d’Elimination (E) : conditions

Les réactions d’élimination se trouvent donc en

compétition

avec des réactions de substitution nucléophile lorsqu’il y a - le

nucléophile est au moins un H en

Les éliminations sont observées, si en plus :

une base forte,

β . Cette condition n’est toutefois pas suffisante ! - la

réaction est effectuée à température élevée LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2 Réactions d’Elimination (E) : les mécanismes

Tout comme pour les réactions de substitution, il existe

deux mécanismes

pour les réactions d’

élimination

β

(on dit aussi

élimination-1,2

). - mécanisme

E1

- mécanisme

E2

.

15/04/14 48

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.1 Elimination Unimoléculaire : mécanisme E1

La réaction se produit en

deux étapes

: - la première est identique à celle rencontrée avec la

S N 1

: c’est

l’étape cinétique

; elle est

lente et réversible

. - la deuxième étape,

rapide et univoque

, est la perte d’un proton en β par le

carbocation issu de l’étape précédente

. Cette extraction du proton β

peut se faire sous l’action du nucléophile ou d’une molécule de solvant

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.1 Elimination Unimoléculaire : mécanisme E1

Sur le plan

cinétique, la vitesse de la réaction E1, ne dépend que de la première étape : la réaction est d’ordre 1. v = k . [R – X]

15/04/14 49

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.1 Elimination Unimoléculaire : mécanisme E1

Sur le plan

stéréochimique, la réaction E1, est à la fois : - régio-sélective, - et stéréo-sélective.

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.1 Elimination Unimoléculaire : mécanisme E1 La réaction d’élimination E1, est régiosélective Si la double liaison peut se former en plusieurs positions, elle se forme

préférentiellement

avec le carbone le plus substitué : règle de Zaïtsev. Exemple : (CH 3 ) 2 CBrCH 2 CH 3

Ce substrat conduit par E1 à un mélange de

deux alcènes isomères

: le

2-méthylbut-2-ène

et le

2-méthylbut-1-ène

. Le

2-méthylbut-2-ène est fortement majoritaire

. 50

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.1 Elimination Unimoléculaire : mécanisme E1 La réaction E1 n’est pas stéréospécifique. Si l’alcène formé peut exister sous deux formes stéréoisomères

Z

et

E

, on obtient un mélange dans lequel l’isomère de configuration

E

est majoritaire en raison de sa plus grande stabilité. Exemple : CH 3 CHBrCH 2 CH 3

Ce substrat conduit par E1 à un

mélange de 3 alcènes

:

CH 2 =CHCH 2 CH 3 et CH 3 CH=CHCH 3 de configuration

Z

et

E

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.1 Elimination Unimoléculaire : mécanisme E1 La réaction E1 n’est pas stéréospécifique.

Les résultats expérimentaux s’expliquent par la

libre rotation

autour des liaisons simples. Le proton peut être arraché lorsqu’il se trouve en position parallèle aux lobes de l’orbitale atomique carbone

C +

par les substituants R 1 et R 2

p

pure du carbocation, au-dessus ou en dessous du plan formé par les avec formation de deux stéréoisomères de configuration : des

diastéréoisomères

. 15/04/14 51

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.2 Elimination bimoléculaire : mécanisme E2

Comme le mécanisme

S N 2

, la

réaction E2

se

déroule en une seule étape

. Le nucléophile

Nu -

ou

Nu

agit comme une

base

. Il arrache un proton situé en β de l’atome X (groupe sortant) avec lequel il forme une liaison covalente (

NuH +

ou

NuH

).

Simultanément

, l’atome X est éjecté avec le doublet électronique qui le liait au carbone et il se produit une réorganisation des orbitales

sp 3

en

sp 2

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.2 Elimination bimoléculaire : mécanisme E2

Comme le mécanisme

S N 2

, la

réaction E2

se

déroule en une seule étape

. Les deux orbitales

p

libérées, se recouvre pour former une

liaison

π . Cette réaction est qualifiée de

concertée

car : - l’arrachement du proton en position β , - le départ de X sous forme d’anion - et la formation de la

liaison

π se déroulent en même temps. 15/04/14 52

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.2 Elimination bimoléculaire : mécanisme E2 Le schéma ci-dessous montre la configuration optimale pour l’élimination E2. Les atomes : H

β

, C 1 , C 2 et X Il se trouvent dans un même plan avec H et X en position anti. Les liaisons H – C 1 et X – C 2 sont alors alignées :

l’

élimination E2 est stéréospécifique

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V.2.3 Compétition entre Substitution et Elimination Les conditions expérimentales utilisées pour effectuer les réactions de substitutions et d’éliminations sont en règle générale très voisines. Il se produit souvent une compétition entre substitution et élimination. Il est cependant possible dans certaines limites d’agir sur la balance entre ces deux réactions

. 15/04/14 53

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES

•  

V.2.3 Compétition entre Substitution et Elimination V.2.3.1 Nature de Nucléophile

•   •  

Un nucléophile (base) faible favorise la réaction de substitution. Un nucléophile (base) fort avantage la réaction d’élimination.

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES

•  

V.2.3 Compétition entre Substitution et Elimination V.2.3.2 Nature du Solvant

•   •  

Un solvant polaire protique (H 2 0, ROH, …), favorise les mécanismes unimoléculaires : réactions de substitution S N 1 et d’élimination E1. Un solvant polaire aprotique (Acétone, DMSO, DMF, …) favorise les mécanismes bimoléculaires : réactions de substitution S N 2 et d’élimination E2.

54

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES

•  

V.2.3 Compétition entre Substitution et Elimination V.2.3.3 La Température

•  

En travaillant à température élevée, on obtient surtout le produit d’élimination

•  

Une baisse de la température augmente la proportion du produit de substitution. LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES

•  

V.2.3 Compétition entre Substitution et Elimination V.2.3.4 La Concentration

•   •  

La proportion des produits dépend aussi de la concentration du nucléophile : A forte concentration, la réaction d’élimination est majoritaire A faible concentration, la réaction de substitution est prépondérante

. 15/04/14 55

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES

Prenons par exemple comme substrat, le 2-bromo-3 méthylpentane

: CH 3 -CHBr-CH(CH 3 )-CH 2 -CH 3

Cette molécule possède

deux carbones asymétriques

et existe sous la forme

quatre isomères optiques

: (2

R

, 3

R

), (2

S

, 3

S

), (2

R

, 3

S

) et (2

S

, 3

R

). On montre que : - les isomères (2

R

, 3

R

) et (2

S

, 3

S

) conduisent par une

élimination E2

à un alcène de

configuration E

, - alors que les isomères (2

R

, 3

S

) et (2

S

, 3

R

) donne un alcène de

configuration

Z

.

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES V-3 REGIOSELECTIVITE

Lorsque l’halogénoalcane possède plusieurs atomes d’hydrogène en β du carbone lié à l’atome X, l’élimination conduit à plusieurs alcènes isomères en proportions variables en fonction de la base (nucléophile) utilisée. 15/04/14 56

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES

Lorsque le nucléophile est une

base peu encombrée, c’est l’alcène le plus stable

, c’est-à-dire

substitué qui se forme majoritairement

.

le plus

Si le nucléophile est

préférentiellement

.

très encombrée, la proportion des produits est inversée

: l’alcène

le moins substitué est le produit qui se forme

15/04/14

LES REACTIONS EN CHIMIE ORGANIQUE V- REACTIVITE DES HALOGENOALCANES

•   Ces observations ont donné naissance à deux règles complémentaires qui ont reçu le nom de règle de

Zaïtsev

et de

Hoffmann

:

Règle de Zaïtsev

:

Dans la réaction d’élimination sur les halogénoalcanes, c’est l’alcène le plus substitué qui se forme préférentiellement pour autant que la base ne soit pas trop encombrée

. •  

Règle de Hofmann

:

Dans la réaction d’élimination sur les halogénoalcanes, c’est l’alcène le moins substitué qui se forme préférentiellement lorsque la base est encombrée stériquement

. 57