ch 12. amines et derives...
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CH 12. AMINES ET DERIVES AZOTES
CH 12. AMINES ET DERIVES AZOTES 1. Structure des amines
Amine = dérivé de l'ammoniac NH3
Ammoniac Amines
R = alkyle Amines aliphatiques
R = aryle Amines aromatiques
NHH H
NHH R
NHR R
NRR R
primaire secondaire tertiaire
Structure autour de l'azote :
3 substituants et 1 paire libre d'électrons
4 orbitales hybridées en sp3 : azote tétraédrique
Les 2 tétraèdres sont en équilibre rapide: l'interconversion supprime toute chiralité détectable.
NR1
R2R3
..
tétraédrique
NR1
R2R3
..
tétraédrique
NR1R2
R3..
plan
VSEPR
!! La chiralité de l’azote peut apparaître dans le cas d’édifices moléculaires rigides!!
Amines aromatiques: encore plus faiblement pyramidales et conjuguées
Structure autour de l'azote :
N HH
:
2. Nomenclature
CH 12. AMINES ET DERIVES AZOTES 1. Structure des amines
2.1 Aliphatiques et aromatiques
propylamine 1- aminopropane
CH3CH2CH2NH2
éthylméthylamine CH3CH2NHCH3
diméthylisopropylamine
N CH3H3CCH(CH3)2
NH2
aminocyclobutane cyclobutylamine
5-aminononane
NH2
3-éthylaminohexane
NHCH2CH3
NH3C CH2CH3
3-(N,N-éthylméthylamino)octane
NCH3H3C
N,N-diméthylaniline
aniline
NH2
2.2 Hétérocycles monoazotés
pyrrole pyrrolidine indole
pyridine pipéridine quinoléine isoquinoléine
NH
NH
NH
N N
H
NN
2.3 Hétérocycles polyazotés
imidazole pyrimidine purine
N
NH
N
N
N
N N
N
H
2. Nomenclature
CH 12. AMINES ET DERIVES AZOTES 1. Structure des amines
3. Préparations
3.1 Alkylation de l'ammoniac et des amines:
Deux réactions successives: substitution nucléophile par la paire libre de l ’azote échange acide base du proton
Avec 2 moles d'ammoniac et 1 d'halogénure → amine primaire
H3N: CH3 Br H3N+CH3 Br-
H3N: NH
HHCH3
+
2 NH3 CH3Br CH3 NH2 NH4+Br-
NH4+Br-CH3 NH2
bromure de méthylammonium
Avec 3 moles d'ammoniac et 2 d’halogénure → amine secondaire
CH3 BrCH3 NH2 Br-CH3 NH2+ CH3
H3N: Br-CH3 NH2+ CH3 CH3 NH CH3 NH4
+Br-
CH3BrNH33 2 2CH3 NH CH3 NH4+Br-
2 NH3 CH3Br CH3 NH2 NH4+Br-
bromure de diméthylammonium
Avec 4 moles d'ammoniac et 3 d’halogénure → amine tertiaire
CH3 BrCH3 NH CH3 NH3C
HH3C
CH3
+Br-
H3N: NH3C
HH3C
CH3
+Br- N
H3C
H3CCH3 NH4
+Br-
NH3 CH3Br34 NH4+Br-N
H3C
H3CCH3
CH3BrNH33 2 2CH3 NH CH3 NH4+Br-
bromure de triméthylammonium
En variant les rapports molaires des réactifs, on obtient des rendements valables de l'amine désirée, mais pas de produits purs !!
CH3 BrNH3C
H3CCH3
+N
H3C
CH3H3C
CH3Br-
NH3 CH3Br 34 NH4+Br-+
NH3C
CH3H3C
CH3
Br-
NH3 CH3Br34 NH4+Br-N
H3C
H3CCH3
La quaternisation des amines étant plus lente que les étapes qui précèdent, on peut assez facilement s'arrêter aux amines tertiaires.
NH2
CH3 Cl
NHCH3
CH3 Cl
NCH3H3C
nicotine
N
NCH3
-HBr
N
CHBr
NHCH3
Pour préparer un sel quaternaire d'amine, on utilise la réaction entre amine tertiaire et RX.
!!! Si la chaîne alkyle de RX est longue, ceci correspond à la synthèse d'un détergent cationique :
(CH3)3NCl
+(CH3)3N
Cl
NR3 X+ -
3.2 Réduction de composés azotés :
L'azote dans les amines est au degré d'oxydation le plus bas (-3) Un réducteur puissant va nécessairement ramener l ’azote à ce niveau et donc mener aux amines.
Les composés à réduire pour obtenir des amines : Nitroaromatiques Amides Imines Nitriles
3.2 Réduction de composés azotés :
Nitroaromatiques
Amides
Imines
Nitriles
(réduction de carbonyle)
(addition d’hydrogène)
NO2 NH2
H2Ni
CH2 C NH3C CH2 CH2 NH2H3CLiAlH4
CO
NH3C
CH3
CH3 CH2 NCH3
CH3H3C
LiAlH4
H2Pt
CH N CH3H3C CH2 NH CH3H3C
2. Nomenclature
CH 12. AMINES ET DERIVES AZOTES 1. Structure des amines
3. Préparations
4. Physico-chimie des amines
Les paires libres des amines participent à des liaisons hydrogène mais ces liens sont moins forts qu'avec les alcools. Ils assurent la solubilité dans les alcools.
4.1 Paires d ’électrons libres et ponts hydrogène
N HH3C
H3C
..:N
H
CH3CH3 N H
H3C
H3CO
CH3
H
..:..
NH
CH3CH3
:..O HCH3 ..
Les amines sont des bases faibles caractérisées par la basicité de l'amine elle-même (pKb) ou par l'acidité de l'acide conjugué (ammonium) correspondant (pKa).
4.2 Basicité des amines
[ ][ ][ ]
[ ][ ][ ]
KbCH NH OH
CH NHKa
CH NH H O
CH NH= =
+ − +
+
3 3
3 2
3 2 3
3 3
pKb = - log Kb pKa = - log Ka
Ka.Kb = H3O+ OH- pKa +pKb = 14
CH3 NH2 H OH CH3 NH3+ OH-
Kb
Ka H3O+H OHCH3 NH3
+ CH3 NH2
Quel que soit l'équilibre considéré (Ka ou Kb), si la basicité de l'amine augmente, l'acidité de l'acide conjugué diminue :
Basicité
Kb
pKb
Acidité
Ka
pKa
RNH3 +
RNH2
!!!!!
Kb pKb pKa
pyrrolidine 1.3 10-‐3 2.9 11.1
méthylamine 4.4 10-‐4 3.4 10.6
ammoniac 2 10-‐5 4.7 9.3
trimethylamine 6 10-‐5 4.2 9.8
imidazole 1.3 10-‐7 6.9 7.1
pyridine 2.3 10-‐9 8.9 5.1
N,N diméthylaniline 1.1 10-‐9 9.0 5.0
aniline 4.2 10-‐10 9.4 4.6
pyrrole 4 10-‐19 18.4
NH
CH3NH2
(CH3)3N
N
NH
N
N(CH3)2
NH2
NH
NH3
Un groupe alkyle sur l'azote augmente la basicité.
Triméthylamine et effet stérique. 3 groupements ne triplent pas l ’effet sur la basicité.
Imidazole : quelle est la fonction concernée?
Amines aromatiques: moins basiques que les aliphatiques.
Pyrrole : basicité nulle
Les amines sont beaucoup plus basiques que les amides :
CO
NH2CH3 C
O
NH2CH3
-
+
CH3CH2NH2 H2O OH-
CH3CH2NH3+
Kb = 4 x 10-4
pKb = 3.4+ +
pKb = 14
Kb = 1 x 10-14
CH3CONH3+H2OCH3CONH2 + OH
-+
En corollaire, l'amide (pKa = 15) est nettement plus acide que l'amine (pKa = 40).
!!!! L'acidité d'une amine est TRES FAIBLE !!!!
pKa = 40
Ka = 10-40
(CH3CH2CH2)N H3OH2O(CH3CH2CH2)2NH
CH3CONH2 H2O H3OCH3CONHKa = 1 x 10-14
pKa = 14
L'aniline est moins basique que la triéthylamine :
La paire d'électrons de l'azote, délocalisée dans le cycle, n'est plus disponible comme dans une alkylamine.
NH2 NH2 NH2+ + +
-
- -NH2
!!!! La paire d'électrons de l'azote fait partie intégrante de l'anneau aromatique!!!!
Le pyrrole n'est plus basique :
N
HPyrrole
Aromatique 6 e-πPaire libre de N : dans l'anneau
Délocalisation de la paire : faible disponibilité
NC
CC
C HH
H H
H
Malgré la paire localisée, la pyridine est moins basique qu'une alkylamine : l'hybridation sp2 sur l'azote rapproche les électrons du noyau : ils seront moins disponibles que sur une alkylamine sp3.
La pyridine :
N
Pyridine
Aromatique 6 e-πPaire libre de N : dans l'orbitale sp2
Paire localisée : disponibilité
N
C
CC
C
C
H
HH
H
H
La basicité de l'imidazole est plus élevée que celle de la pyridine.
L'imidazole : nettement plus basique que les autres bases hétérocycliques. Responsable
de la basicité
Aromatique 6 e-π
Une paire délocalisée et une autre localisée
Paires libres de l'azote : dans l'anneau π dans une orbitale sp2
CN
CC
NH
H H
HN
N
Himidazole
!! paire non aromatique sur l'azote!! +
!!!! symétrie de la résonance dans la forme protonée de l'imidazole !!!!
La basicité de l'imidazole est plus élevée que celle de la pyridine :
N
N
H
H+
- H+
cation imidazolium
N
N
H
HN
N
H
H+
+
La porphyrine, structure de base de la chlorophylle et de l'hémoglobine :
18 électrons dans le circuit
aromatique
4n + 2 n =4 porphyrine
NN
N NH
H
5. Réactions des amines
2. Nomenclature
CH 12. AMINES ET DERIVES AZOTES 1. Structure des amines
3. Préparations
4. Physico-chimie des amines
La réaction d'amines avec des acides produit des sels solubles dans l'eau : procédé utilisé pour extraire une amine d'un solvant organique.
A. Réactions acide-base
HClCH2NH3
+ Cl -CH2NH2
Résolution (séparation) de mélanges énantiomériques d'acides
Un des deux sels diastéréoisomère (R,S) est moins soluble que l'autre. Après filtrage, on récupère l'énantiomère acide pur par acidification : Lactate (R,S) + H+ Acide (R) + phényléthylammonium (S)
C
COOH
CH3HOH
C
COOH
CH3HHO
(R)
(S)
acides lactiques
énantiomères non séparables
diastéréoisomères séparables
CCH3HO
H
COO-
CCH3H
HO
COO-
CC6H5H
H3C
NH3+
CC6H5H
H3C
NH3+
(R,S)
(S,S)
lactates de 1-phénéthylammonium
1-phénéthylamine
C
NH2
C6H5HH3C (S)
B. Synthèse d’amides
Par réaction avec des dérivés activés d'acides : anhydrides ou chlorures d'acides
CO
H3C
CH3CO
O
NH2
CH3COOH
NHCOCH3
(CH3CH2)2NH
COCl
B BH+ Cl -
CON(CH2CH3)2
Un polyamide important : le nylon
NH2NH2COOH
HOOC+
T ° C
NHO
T ° C
NHNH CO
CO
nNylon 6,6
n
CONH
Nylon 6
D. Réactions avec l’acide nitreux : diazoniums, nitrosamines
L'acide nitreux est préparé in situ et sa formation s'accompagne de production du cation nitrosonium NO+.
Avec des amines primaires, il y a formation de cation diazonium :
NaNO2 HCl H O N O
H O N O H + OH N
H
O+ H2O NO +
CH3NH2 HNO2 H + CH3 N NH2O
CH3OH H + N2
La formation du diazonium passe par une nitrosamine.
N nitrosamine CH3 NH N O H+CH3 N N O H
H
CH3 N N O H
H
CH3+ N2H2O CH3OH H+
N OCH3 NH2 CH3 NH2 N O
CH3 NHN O H H+CH3 N N O H
CH3 N N H2O
Globalement, la réaction conduit aux produits issus du carbocation correspondant au groupe alkyle de l'amine primaire, et les mélanges obtenus sont souvent complexes :
-N2
CHH3C CH3+
H2O
CHH3C CH3
OH
H+
CHH3C CH2
CHH3C CH3
NH2 NaNO2
HClCHH3C CH3
N +
N
Avec les amines secondaires, on s'arrête à la nitrosamine.
!!!! Les nitrosamines sont cancérigènes !!!!
Les amines tertiaires ne donnent pas de réaction.
HONO+NH N N O + H2O
Avec les amines primaires aromatiques, les sels de diazonium sont plus stables et utilisables pour diverses synthèses :
NH2HCl
NaNO2
N
N
+
I
KI
OH
H2O
CN
CuCN
BrHBr
CuBr
Cl
HCl
Cu2Cl2
Réaction de Sandmeyer
Les diazoniums aromatiques permettent d'élargir considérablement la flexibilité de la synthèse de dérivés substitués:
NO2
FeBr3
Br2
NO2
BrHCl
SnCl2
NH2
BrNaNO2
N2+
Br
HCl
CuBrHBr
Br
Br
+FeBr3
Br2
Br BrBr
Br
Br
Rappel
E. Elimination de Hofmann
Un sel d’ammonium quaternaire, s’il est placé en milieu basique et s’il contient un H en β de l’azote, peut subir une élimination.
NCH3
H3CCH3
CH2 CH
H
I -
+ Ag2O
H2ONCH3
H3CCH3
CH2 CH
H
+
OH -
>100°C
NCH3
H3CCH3
CH2 CH+ + H2O
Si le choix existe, cette élimination donne l’alcène le moins encombré (Hofmann = anti Zaytsev).
N(CH3)3+
OH -
>100°C
95% 5%
Alternative entre 2 orientations: Br
CH3O -
>
1)
2)
(CH3)3N
Ag2O / H2O
+
OH -
N(CH3)3
>100°C <