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Chapitre 4 Mécanismes Réactionnels

Table des Matières

108

Introduction & Motivation

1. Le carbone comme base de la chimie organique

2. La nature de la liaison covalente 2.1. Orbitales atomiques et hybridation 2.2. Formation des liaisons simples 2.3. Formation des liaisons multiples 2.4. Délocalisation d’électrons, aromaticité, structures de résonance

3. La structure moléculaire 3.1. Règles de base de la nomenclature 3.2. Isomères

4. Mécanismes réactionnels 4.1. Thermodynamique et cinétique des réactions 4.2. Substitutions nucléophiles 4.3. Substitutions nucléophiles sur les carbonyles 4.4. Additions électrophiles sur liaisons multiples 4.5. Substitutions électrophiles sur les composés aromatiques 4.6. Réactions d’élimination 4.7. Réactions radicalaires

5. Quelques classes de composés organiques

1 h

1 h

8 h 2 h 1 h 1 h 4 h 4 h 2 h 2 h 8 h 1 h 3 h 1 h 1 h 1 h 1 h 6 h

4.1 Thermodynamique, Cinétique et Classification des Réactions

“Chimie Organique” de Paul Arnaud: chapitre 5, pp 105-114

Mécanismes réactionnels

Bilan et Mécanisme Réactionnel

110

acide alcool eau

bilan réactionnel

mécanisme réactionnel

réactifs produits

étape élémentaire

catalyseur

• le bilan réactionnel décrit les réactifs et les produits d´une réaction • le mécanisme réactionnel décrit les étapes élémentaires de la réaction • le catalyseur joue un rôle dans la réaction mais il ne change pas après la réaction

RO

OH+ HO R' R

O

O+

R'H2O

H

ROH

OH

H

HO R'R

OH

OHOH

R'R

O

OHOR'

HH

RO

OH

R'

+ H–

H~+ H2O–

ester

Thermodynamique des Réactions Chimiques (1)

111

RO

OH+ HO R' R

O

O+

R'H2O

¢GR =¢G�R +RT ln

[R–COOR’][H2O][R–COOH][R’–OH]

¢GR > 0

¢GR < 0

¢GR = 0

réaction exergonique, a lieu de gauche à droite

réaction endergonique, a lieu de droite à gauche

réaction en équilibre

• l´enthalpie libre de réaction ΔGR détermine le sens de la réaction • l´enthalpie libre standard de réaction ΔG°R correspond à des conditions standards (1 bar, 25°C, tous les

réactifs à 1 mol/L)

• la thermodynamique dépend des énergies mises en jeu lors des réactions chimiques



112

RO

OH+ HO R' R

O

O+

R'H2O

• la constante d´équilibre KR est le ratio des concentrations à l´équilibre des produits et des réactifs • l´enthalpie libre standard de réaction ΔG°R détermine la position de l´équilibre (à une température donnée)

• toutes les réactions chimiques dans un système fermé évoluent jusqu’à atteindre l’équilibre thermodynamique

¢GR =¢G�R +RT ln

[R–COOR’]eq[H2O]eq

[R–COOH]eq[R’–OH]eq

= 0

KR =[R–COOR’]eq[H2O]eq

[R–COOH]eq[R’–OH]eq

pKR =� logKR

¢G⇥R =�RT lnKR pKR /

¢G™R

RT



113

• l’équation de Gibbs-Helmholtz sépare l’enthalpie libre standard de réaction en une contribution enthalpique et entropie

¢G⇥R =¢H⇥

R �T¢S⇥R Équation de Gibbs-Helmholtz

réaction exothermique, si la somme des énergies de liaisons est négative

réaction endothermique, si la somme des énergies de liaisons est positive

réaction exotropique, le désordre/le degré de liberté diminue

réaction endotropique, le désordre/le degré de liberté augmente¢S�R > 0

¢S�R < 0

¢H�R > 0

¢H�R < 0


RO

OH+ HO R' R

O

O+

R'H2O

• enthalpie standard de réaction ΔH°R négative (avantageux) si les liaisons des produits sont plus fortes • entropie standard de réaction ΔS°R positive (avantageux) si le désordre augmente

• la cinétique d´une réaction correspond à la vitesse à laquelle se déroule une réaction chimique

Cinétique des Réactions Chimiques

114

• les vitesses de réaction r = dci/dt décrive l’évolution du rapport des concentrations réactifs/produits • les lois de vitesse décrivent les relations entre vitesses de réaction ri et concentrations ci

• les lois de vitesse sont des équations différentielles, dont les solutions sont polynomiales ou exponentielles

E

t

RO

OH+ HO R' R

O

O+

R'H2O

r = = −k ⋅ c(t ⋅ c(t = −k ⋅ c(t dc(t)RCOOH

dt)RCOOH )ROH )2

RCOOH

r = ∫ = −k ∫ dt dc(t)RCOOH

c(t)2RCOOH

c(t = )RCOOH

11 + kc(0 t)RCOOH

cRCOOR’ = cH2O

cRCOOH = cR’OH

• les vitesses de réactions r sont proportionnelles au produit des concentrations des réactifs selon leur molécularité

• le facteur de proportionnalité est la constante de réaction k

Ordre de Réaction et Molécularité

115

• la molécularité correspond au nombre de réactifs mis en jeu dans une réaction chimique • l’ordre d’une réaction est la somme de tous les exposants des concentrations des réactifs dans la loi de vitesse • pour des réactions simples à une seule étape, c’est la molécularité qui détermine l’ordre de la réaction

A B

A + B C + D

A + B + C D

r1r = k1r · [B ]r1f = k1f · [A]

r2r = k2r · [C ][D]r2f = k2f · [A][B ]

r3f = k3f · [A][B ][C ]

r4f = k4f · [A]2[C ]

r3r = k3r · [D]

premier ordre monomoléculaire monomoléculaire premier ordre

second ordre bimoléculaire bimoléculaire second ordre

troisième ordre trimoléculaire monomoléculaire premier ordre

troisième ordre trimoléculaire bimoléculaire second ordrer4r = k4r · [C ]22 A + B 2 C

• à l’équilibre thermodynamique, les concentrations des réactifs / produits ne changent plus • les deux réactions inverses ont une vitesse égale

Relation entre Thermodynamique et Cinétique

116

• le ratio des constantes de vitesse des deux réactions inverses détermine la constante d’équilibre K • plus la réaction directe est rapide (par rapport à la réaction inverse), plus K est grand • plus la réaction directe est rapide (par rapport à la réaction inverse), plus l’équilibre est déplacé vers le

produit de réaction

A + B C + D r2r = k2r · [C ][D]r2f = k2f · [A][B ]

r2f = r2r

k2f · [A][B ] = k2r · [C ][D]

k2fk2r

= [C ][D][A][B ]

= K

• les profils réactionnels sont des diagrammes énergétiques simplifiés. Ils décrivent le chemin de plus basse énergie allant des réactifs aux produits sur la surface d’énergie

Profils Réactionnels Simplifiés (1)

117

• les réactifs et les produits sont des composés stables, i.e. des minima sur la surface d´énergie • les états de transition (‡) sont des points selles de la surface d´énergie, i.e. des maxima.

P‡

S

E

dHBr

dHH

Br + H H H+Br H

S

‡E

Rkt

P

• les profils réactionnels sont des diagrammes énergétiques simplifiés. Ils décrivent le chemin de plus basse énergie allant des réactifs aux produits sur la surface d’énergie

Profils Réactionnels Simplifiés (2)

118

• les réactifs et les produits sont des composés stables, i.e. des minima sur la surface d´énergie • les états de transition (‡) sont des points selles de la surface d´énergie, i.e. des maxima.

P‡

S

E

dHBr

dHH

Br + H H H+Br H

‡

S

E

Rkt

P

• les profils réactionnels représentent à la fois la thermodynamique et la cinétique d’une réaction

Relation entre les Profils Réactionnels, la Thermodynamique, et la Cinétique

119

• l’enthalpie libre standard de réaction ΔG° est la différence entre les énergies (S) et (P) • ΔG° est aussi la différence entre les énergies libre de transition ΔG‡ des deux réactions inverses • la constante de vitesse k dépend de l’énergie d’activation EA (qui correspond à peu près à ΔG‡)

‡

S

E

Rkt

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

∆Gf‡ < ∆Gr

‡

KR =k f

kr

E A,r ⇥¢G‡r =�RT lnkr

E A, f ⇥¢G‡f =�RT lnk f

exergonique, rapide

¢G⇥R =¢G‡

f �¢G‡r

endergonique, lente

¢G⇥R =�RT lnKR

• à une température T, l’énergie des molécules est définie par la distribution de Boltzmann

Cinétique des Réactions et Énergie Themique

120

• à température élevée, plus de molécules ont une énergie supérieure à l’énergie d’activation EA

• les deux réactions inverses sont accélérées, mais la réaction directe l’est encore plus (si exergonique)

p

E

T1

T2

T3

p(E) = exp( ) ( )8kT

3/2( )E

π

1/2 – E

kT

Rkt

S

E

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡

• une réaction plus exergonique sera déplacée du coté des produits

Interprétation Cinétique de l’Équilibre

121

• le ratio des énergies d’activation change: réaction directe accélérée, réaction inverse ralentie • à une température donnée, cela résulte en un plus grand (petit) nombre de molécules avec une énergie

supérieure à l’énergie d’activation de la réaction directe (inverse)

¢G⇥R =�RT lnKR

S

E

Rkt

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡

Rkt

S

E

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡

• un changement d’énergie d’activation a un effet sur les vitesses de réactions mais pas sur l’équilibre

Profils de Réaction : Thermodynamique et Cinétique

122

• avec une énergie d’activation plus faible, les réactions directe/inverses sont accélérées pareillement • un catalyseur offre un (nouveau) parcours réactionnel avec une énergie d’activation plus faible, sans

changer l’équilibre

S

E

Rkt

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡∆Gf

‡ ∆Gr

‡

¢G‡f =�RT lnk f ¢G‡

r =�RT lnkret

S

E

Rkt

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡

∆Gf‡

∆Gr‡

• si l’énergie d’activation est beaucoup plus élevée que l’énergie thermique disponible, l’équilibre ne peut pas être atteint

États Métastables

123

• avec des énergies d’activation très grandes, les deux réactions inverses sont infiniment lentes • même les réactifs de plus haute énergie sont “stables cinétiquement”, “métastables”

métastable

S

E

Rkt

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

∆Gf‡

∆Gr‡

‡

S

E

Rkt

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡

∆Gf‡

∆Gr‡


r =�RT lnkret

• un changement de température entraine des changements cinétiques et thermodynamiques

Réactions à Différentes Températures

124

• un changement de la température change l’équilibre (du fait de l’équation de Gibbs-Helmholtz) • un changement de température provoque aussi une augmentation des constantes de vitesse à cause de

l’énergie thermique des molécules

S

E

Rkt

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡

∆Gf‡

∆Gr‡

Rkt

S

E

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

‡


r =�RT lnkretet ¢G⇥

R =�RT lnKR¢G⇥R =¢H⇥

R �T¢S⇥R

• Principe de Polanyi et Postulat de Hammond pour des réactions élémentaires de mécanismes similaires

Le Postulat de Hammond et le Principe de Polanyi

125

• Principe de Polanyi: la différence entre les énergies d’activation est proportionnelle à la différence entre les enthalpies libres

• Postulat de Hammond: la géométrie d’un état de transition est semblable à celle des espèces les plus proches en termes d’énergie libre

‡1

‡2

‡3

S

E

Rkt

P1

P2

P3

∆G3f° > ∆G2f° = 0 > ∆G3f°

∆G3f‡ > ∆G2f

‡ = ∆G2r‡ > ∆G3f

‡

état de transition “tardif” énergie d´activation élevée

état de transition “anticipé” énergie d´activation basse

exergonique

endergonique

• les réactions élémentaires sont les étapes entre différents niveaux de minimum d´énergie, cad, entre les réactifs(R), intermédiaires réactionnels (I), et les produits(P). Lénsemble est séparé par des états de transitions. (‡)

Réactions à Plusieurs Étapes

126

• la vitesse de réaction et la molécularité sont controlées par l´étape la plus lente, appelée l´étape cinétiquement déterminante.

• l´étape de génération de líntermédiaire réactionnel est l´étape cinétiquement déterminante. • líntermédiaire est une bonne approximation pour l´état de transition de l´étape déterminante

‡1

I

E

CR

R

‡2

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

∆G2f‡ < ∆G2r

‡

étape élémentaire1 étape élémentaire 2

lente rapide

∆G1f‡ > ∆G1r

‡

• classification suivant le type de réaction, le type de changement dans la topologie moléculaire.

Classification des Réactions Organiques

127

R1X R2R3

+ YR1

YR2 R3

+XSubstitution

Substitution

R3R1

R2 R4

Y

X

R2 R3R4

R1+ X + YAddition

Élimination

R3R1

R2 R4+ Y

Y

R2R3R4

R1

Addition

Élimination

R1X Y R3R2

X Y R3R2

R1

Réarrangement

Réarrangement

4.2 Substitutions Nucléophiles (Réactions SN)



Substitutions Nucléophiles (Réactions SN)

130Mécanismes réactionnels

R1C LG

R2 R3

+NuR1

CNuR2R3

+ LG

R1

R2R3

R1

R2R3

Nu LG

NuLG– +

substitution nucléophilenucléophile groupe partant

centre électrophile

Méchanisme SN1: Le groupe partant part le premier (et permet ainsi au nucléophile d´arriver)

Méchanisme SN2: le nucléophile attaque (et force simultanément le groupe partant à partir)

état de transition

intermédiaire réactionnel

• un nucléophile est donneur, un électrophile est accepteur d´une paire d´électrons

Réactions SN1

Mécanisme SN1: L’Etape Déterminante est Monomoléculaire

132Mécanismes réactionnels

• le départ du groupe partant génère un carbocation en tant quíntermédiaire réactionnel • la formation de líntermédiaire est énergétiquement défavorable; c’est l´étape déterminante • Un bon groupe partant et un carbocation stable diminuent l´énergie de líntermédiaire

‡1

I

E

Rkt

S

‡2

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

∆G2f‡ < ∆G2r

‡

slow fast

∆G1f‡ > ∆G1r

‡

R 1C LG

R2 R 3

R 1CNu

R2R 3

R 1

R2R 3

LG– Nu+

• si le centre electrophile est un stéréocentre, et le réactif de départ un énantiomère pur:

Mécanisme SN1: Perte de l’Information Stéréochimique

133

• le départ du groupe partant génère un carbocation qui est planaire, achiral, et hybridé sp2 • l’attaque du nucléophile peut se faire des deux cotés avec la même probabilité • le produit contient toujours un centre électrophile qui est un stéréocentre; mais en mélange racémique

R1C LG

R2 R3

R1CNu

R2R3

+R1

R2R3

sp3 sp3sp2

LG–

Nu+

R1C Nu

R2 R3

sp3

or

mélange racémiqueénantiomère pur planaire, achiral

• les réactions SN1 sont des dissociations cation-anion très similaires aux réactions acido-basiques

Analogie des Réactions SN1 et des Réactions Acido-basiques

134

• les valeurs pKA sont une mesure de l’acidité pour un acide de Brønsted • plus le pKA est faible, plus l’équilibre est déplacé du coté des ions dissociés • le pKA de l’acide correspondant au groupe partant est donc une bonne mesure de sa qualité

(plus bas = meilleur)

pK A = –logK A =� log[H+][LG�]

H–LG

R 1LGR 2 R 3

+ LG

R 1

R 2R 3

H LG + LGH

réaction SN1

réaction acido-basique

acide de Brønsted

acide de Lewis groupe partant

base conjuguée

Qualité du Groupe Partant

135

• approximativement la qualité dún groupe partant est línverse de la basicité de lánion obtenu • échelle suivant les valeurs de pKA des acides correspondants.

OH

5

O

Me>OH

–1

O

CF3>OH

–10

SO

Me>

–15

O

OH SO

CF3

O

>OH

–7

SO O

FHClHBrHIH >>>

–10 –9 –7 3

FH OHH NH2H CH3H> > >

3 16 38 48

• les résidus avec un pKA < 0 correspondant sont de bons groupes partants • les résidus avec un pKA < 10 correspondant des groupes partants modérés • les résidus avec un pKA < 20 correspondant sont des groupes partants mauvais • les résidus avec un pKA > 20 correspondant ne sont pas des groupes partants


Noms Usuels et Abbréviations de Groupes Partants Importants

136

OR

O

Me>OR

O

CF3>OR SO

Me>

O

OR SO

CF3

O

>OR SO O

OAcROTFAROMsROTfR OTsR

trifluorométhanesulfonate triflate

méthanesulfonate mésylate

4-toluènesulfonate tosylate

trifluoroacétate acétate


• les carbocations sont déficients en électrons, ils doivent être stabilisés par un groupe donneur en électrons

Stabilisation du Carbocation

137

• les réactions SN1 sont très favorisées en position benzyllique ou allylique • les réactions SN1 sont également observées sur des carbones sp3 fortement substitués • les réactions SN1 ne sont jamais observées sur un phényle (ou sur d’autres carbones sp2 ou sp)

H

H

H

R R

R

R R

H

R H

H> > > > >

R Si R

R

>>> CH

H>> >

>>

R Sn R

R

>>

>

H

H

D

H

H

>

A

triphénylméthyl trityl

diphénylméthyl

phénylméthyl benzyl

éthenylméthyl allyl

carbone tertiaire

carbone secondaire

carbone primaire

phényl (sp2)

• plus il y a de délocalisation (groupes donneurs, large système aromatique), meilleure est la stabilisation

• stabilisation des carbocations allyl ou benzyl par résonance (effet +M)

Stabilisation du Carbocation par Délocalisation d’Électron

138

• si groupe partant en position allylique ou benzylique, substitution nucléophile de type SN1 très probable

H

HHC

H

HHC

H

HCH

H

HH

H

comparé au cation phényl:

H

HHC

H

HC

H

H

H

H

RO RO RO RO CH

H

H

RO

• plus il y a de délocalisation (groupes donneurs, large système aromatique), meilleure est la stabilisation

Stabilisation du Carbocation par Hyperconjugation et sur des Éléments Électropositifs

139

• plus il y a de groupes alkyles (plus il est substitué), plus le carbocation est stabilisé • en particulier, les atomes électropositifs comme le silicone sont de bons centres électrophiles pour SN1

R Sn R

R

R Si R

R

R C R

R> >

C CH

HH

δ–

δ+

<

<

<

δ+

R

R< C C

H

HH

R

RC CH

HH

R

RC CH

HH

R

RC CH

HH

R

R

EN 1.9 EN 1.9 EN 2.5

• stabilisation par diminution de l’électronégativité (et de la taille) du centre cationique

Exemples de Réactions de type SN1

140

Cl + MeOH– Cl

+ MeOH OMe

H– H OMe

OTf +O

O

CH3NaOAc

–TfO CH2

Br Br

+

Na

OAc

Br

– Na

trityl chloride méthanol

bon groupe partant

cation très bien stabilisé

nucleophile modéré

benzylbromotriflate acétate de sodium

bon groupe partant

cation bien stabilisé

nucleophile modéré

Réactions SN2

Mécanisme SN2: Étape Déterminante Bimoléculaire

142

• l’attaque du nucléophile ne peut pas donner d’intermédiaire stable (carbone pentavalent) • les réactions SN2 se font en une seule étape, passant par un état de transition “pentavalent” • l’étape déterminante est donc bimoléculaire, et favorisée par de bons nucléophile et centre électrophilique

R1C LG

R2 R3

sp3R1

R2R3

Nu LGLG– R1

CNuR2R3

sp3

Nu

‡E

Rkt

S

P

ΔGf° = – ΔGr° < 0

ΔG1f‡ > ΔG1r

‡

• l’état de transition “pentavalent” est possible grace à la formation et scission simultanées d’une liaison

Visualisation des Orbitales Moléculaires de la Réaction et de l’État de Transition

143

• un nucléophile interagit avec les orbitales antiliantes σ* de la liaison C-LG

• attaque dorsale et simultanément départ du groupe partant

• état de transition “précoce” (ressemble plus au réactif; Hammond) pour éviter un état “pentavalent” • un bon nucléophile (et un bon groupe partant) favorise la réaction SN2

‡σ*

σ

σ*

σ

ENu LG

R1C

R2 R3

LGNuR1

CR2R3

LGNuR1C

R2 R3

Nu LGR1

CR2R3

ΣE/2(S)

(P)

• si le centre électrophile est un stéréocentre, et le composé de départ un énantiomère pur

Stéréoinversion au cours d’une Réaction SN2

144

• attaque dorsale, donc nucléophile et groupe partant de part et d’autre du centre électrophile • état de transition avec géométrie “trigonale-bipyramidale”, R1–R3 dans le même plan, puis passe de

l’autre coté • la stéréoconfiguration est inversée (Walden Umkehr), et l’information stéréochimique est préservée

énantiomère pur énantiomère pur stéréoinversion

R1C LG

R2 R3

sp3R1

R2R3

Nu LGLG– R1

CNuR2R3

sp3

Nu

énantiomère pur

• détermination de la nucléophilicité relative n selon Pearson:

Nucléophilicité

145

• les nucléophiles sont aussi des bases; mais nucléophilicité = cinétique; basicité = thermodynamique • il y a des tendances claires, mais il n´y a pas d´échelle simple pour la valeur d´un nucléophile!

n =� logkNu

kMeOH

kNu

kMeOH

Pearson et al., J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 3319.

Nu + H 3C I CH3Nu + I

MeOH + H 3C I CH3MeO + H I

• la nucléophilicité diminue quand l’électronégativité et la polarisabilité augmentent

I > Br Cl > F> R 3C > R2N RO > F>> >>

• nucléophiles anioniques toujours plus forts que les neutres; nucléophilicité réduite par effet stérique

R2P > R2N R 3P > R 3N>

RS > RO R2S > R2O>

C OR

RR

>C OH

RR

>C OH

RH

>C OH

HH

Où Va Se Produire la Substitution Nucléophile?

146

Br

Br

EtO OEt

Br

+

Br

Br

EtO Br

EtO

+

OTfClEtO+

OEtCl

Br–

Br–

TfO–

Si ClClEtO+

Si OEtClCl–

+

+

+

OEt

EtO

OEtEtO

Si OEtEtO

• Synthèse de Williamson des éthers

Exemples de Réactions SN2

147

• si réactions selon mécanisme SN2, la stéréochimie doit être respectée

• Synthèse de Gabriel des amines primaires

BrN

O

ON

O

O

NH2

HNHN

O

O

H2N NH2

–

hydrazine

K

–KBr

* *

S-amphetamine

RO OR

Br

HO OH

HO

2 +

pKA 11

pKA 17

+ 2 NEt 3

RO OR

OO

HO

ORRO

base pKA 11

– 2 HNEt 3Br

• considérer la qualité du groupe partant, la stabilisation du carbocation, et la nucléophilicité du nucléophile

Substitution Nucléophile: Mécanisme SN1 ou SN2?

148

• donnez des arguments pour justifier votre choix de mécanisme • prendre en compte explicitement les conséquences sur la stéréochimie (aussi dans la nomenclature)

excellent groupe partant carbocation bien stabilisé

nucléophile moyenSN1 perte de stéréochimie

OTf + NaOAc

– NaOTf

OAc OAc

*

OAc

+ OAc

OAc

*CH3

Cl*

+ NaSAc

– NaCl

OAc

*CH3

SAc*

groupe partant moyen carbocation non stabilisé

bon nucléophileSN2 inversion de la stéréoconfiguration

mélange racémique

4.3 Substitutions Nucléophiles sur les Carbonyles

• les atomes carbonyl sont intrinsèquement des centres électrophiles très réactifs

Réactions Nucléophiles sur les Composés Carbonyles

150

• l’oxygène (très électronégatif) donne une charge partielle positive (effet –I) • les structures de résonance de C=O donnent une charge positive formelle supplémentaire (effet –M) • l’orbitale π* (LUMO) a un grand lobe sur le carbone qui dépasse du plan moléculaire

R C R

O

R C R

O R

RO

R

RO

π (HOMO) π* (LUMO)

H C H

O

δ+

δ– –

π (HOMO) π* (LUMO)

Substitution Nucléophile sur les Composés Carbonyles: Mécanisme d’Addition–Elimination (SAE)

151

• les carbones carbonyl sont tétravalents, mais hybridés sp2 et donc insaturés • l’addition du nucléophile avant le départ du groupe partant est possible, il y a donc un vrai intermédiaire • l’attaque du nucléophile donne un mélange racémique d’intermédiaires, mais sans conséquence sur la

géométrie du produit

OCNu LGR

+

sp2 sp3

CO

LGR

Nu+

or

OC NuLGR

sp3

LG–

sp2

CO

LGR

Nu+

‡1

I

E

Rkt

S

‡2

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

∆G2f‡ < ∆G2r

‡

slow fast

∆G1f‡ > ∆G1r

‡

Réactivité des Composés Carbonyles

152

• les amides, acides, et carboxylates (très mauvais groupes partants) ne sont pas facilement substitués • les aldéhydes et cétones n’ont pas de groupe partant (H, R’) mais sont réactifs pour addition nucléophile

cétones aldéhydes esters amides acides carboxylates

• la réactivité de la première étape (pour un nucléophile donné) dépend de l’électrophilicité du carbone

• les deux substituants du carbone et les substituants sur le groupe partant potentiel ont une importance

R O

OAlkylR O

O

R O

O FF

F

FF

R O

O NO

ONO

O

R

O

O

≈ ≈ > >

Alkyl X

O

X

O

X

O

X

O

D

X

O

A

>>A X

O> > > >>

D X

O>>

esters actifs esters réguliers

effet –M et/ou –I effet +M

R R'

O

R OR'

O> > >

R H

O

R OH

O

R O

O> >

R' NR'2

O

R O

O> >

R Hal

O O

R>>>

halogénures d’acides anhydrides d’acides

153

• les amides, acides, et carboxylates (très mauvais groupes partants) ne sont pas facilement substitués • les aldéhydes et cétones n’ont pas de groupe partant, donc pas de substitution nucléophile

esters amides acides carboxylates aldéhydes cétones

• la réactivité de la seconde étape dépend de la qualité de groupe partant (voir SN1) du substituant

effet –M et/ou–I

R OR'

O>

R OH

O

R O

O> >

R' NR'2

O

R O

O>

R Hal

O O

R>>

R R'

O

R H

O>>>> > > >>>

proton acidique déprotonation

pKA (OH–) 23 pKA (H2) 35 pKA (CH4) 48pas de groupe partant

Cl

O

R

O

O

R

O

R O

O

R

FF

F

FF

NO

O

R

O

O

O

FF

F

FF

C

O

FF

F

FF

etc.

NO

O

O

NO

O

O

etc.

chlorures d’acides (pKA HCl –7)

anhydrides d’acide (pKA RCOOH 4) pentafluorophenyl esters (pKA PfPOH 6)

N-succinylimidyl esters (pKA SuOH 10)

R

O

ORO

O

Réactivité des Composés Carbonyles

halogénures d’acide anhydrides d’acide

Noms Usuels et Acronyme de Réactifs Importants

154

Cl

O

O

O

H3C

O

CH3

SOSO

F3C

O

CF3

O O

ClSOO

H3C

Chlorure de benzoyle (BzCl)

Chlorure de tosyle (TsCl)

Anhydride acétique (AcOAc, Ac2O)

Chlorure de mésyle (MsCl)

Anhydride triflique (TfOTf, Tf2O)

ClSO

H3C

O

Cl

O

H3C

Chlorure d’éthanoyle (AcCl)

Exemple: Protection par Acétylation, Activation Électrophile par Tosylation

155

acétylation amine protégée

OH

Cl SO O

CH3

NEt 3– HNEt 3 Cl

OTsClS

OO

CH3

OTsNHAc NHAc

tosylation alcool activé

SN2 SAE

OTs

– TsOH

OHNHAc NHAcH2O

–AcOH

NaOH OH NH2

NH2

NEt 3– HNEt 3 AcO

HNAc2O NHAcO

O

H 3C

O

CH3CH3

OOH HO OH

• la solution: un réarrangement par couplage peptidique

• la formation d´un amide (peptide) entre un acide carboxylique et une amine n´est pas possible

Exemple: Réaction de Couplage Peptidique

156

dicyclohexylcarbodiimide (DCC)

R

O

OH+ H2N R'

R

O

O+ H3N R'

R

O

OH

N C NNEt3

– HNEt3R

O

O

NHCN

O

O

R

+ HNEt3NEt3–

H2N R'NH

O

R R' +NH

CNH

O

peptide

Exemple: Estérification

157

acide alcool eau


ester

• comme OH– très mauvais groupe partant, catalyseur acide nécessaire pour activation électrophile • réaction par migration de proton, chacun des deux oxygènes peut partir

RO

OH+ HO R' R

O

O+

R'H2O

H

ROH

OH

H

HO R'R

OH

OHOH

R'R

O

OHOR'

HH

RO

OH

R'

+ H–

H~+ H2O–

H

réaction nette

activation électrophile

régénération du catalyseur

addition migration de proton

élimination

Exemple de Réactions des Cétones et Aldéhydes: Acétalisation

158

aldéhyde alcool eau acétalR

O

H+ HO R'

R

R'O OR'+H2O

H

ROH

H

H

HO R'R

OH

HOH

R'R

O

HOR'

HH

RO

H

R'

+

H~+ H2O–

2H

HO R'+R

OR'

HOH

R'

H–

• comme H– n’est pas un groupe partant, la réaction prend un autre chemin après la première addition • activation électrophile et migration de proton font de l’oxygène carbonyl un groupe partant • la réaction se termine par une seconde addition d’alcool

addition élimination addition


réaction nette

migration de proton

4.4 Additions Électrophiles sur Liaisons Multiples



• les oléines sont des nucléophiles faibles, qui réagissent avec des électrophiles pour former des carbocations

Réactions des Oléfines avec des Électrophiles

160

R REl El

HH

H

H

HH

Nu+ REl

H

HHNu

R R COOH Cl> > >R

PhRR

RR

RROR >>>>

• ordre de réactivité

densité électronique décroissante (effet ±M ou ±I)

Mécanisme des Substitutions Électrophiles

161

• l’électrophile s’ajoute à un côté de la double liaison pour former le carbocation intermédiaire • l’attaque du nucléophile est régiosélective (sur un carbone) et diastérosélective (attaque dorsale)

‡1

I

E

Rkt

S

‡2

P

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

∆G2f‡ < ∆G2r

‡

slow fast

∆G1f‡ > ∆G1r

‡

CR 3H C R 1

R2 CR 3H

C R 1

R2

ElEl Nu+

C C R 1El R2

HR 3 Nu

complexe σ

Régiosélectivité dans les Additions Électrophiles

162

• l´électrophile s´ajoute à la double liaison de manière à former le cation le plus stable • règle de Markovnikov: pour l´halogénation, l´halogène est ajouté sur le carbone le plus substitué

‡1

I

I’

E

Rkt

S

‡2

‡1’ ‡2’

P

P’ΔG°

ΔG°

slow

ΔG1‡

ΔG1’‡

H

HMeH

H

H

Me

H Br H H Me

H

Br

H Br

Br

MeH

H

H

H H Me

HBr

Br

• Les additions électrophiles sont des trans-additions

Stéréosélectivité dans les Additions Électrophiles

163

• les additions électrophiles sont diastéréospécifiques • un oléfine avec une configuration (E ou Z) donnée sera transformé spécifiquement en une paire

d’énantiomères de configuration particulière

MeHH Ph

Br

MeH

HPh

Br

+Br Br

(R)(R)(S)(S)

MeHBr

Br

PhH

CHMe C H

PhBr

(S)(S)(R)(R)

HMe

Br

Br

HPh

+

MePhH H

Br

MePh

HH

Br

+Br Br

(R)(R)(R)(R)

MeHBr

Br

HPh

CHMe C Ph

HBr

(S)(S)(S)(S)

HMe

Br

Br

PhH

+

(E)

(Z)

• hydrohalogénation des oléfines

Exemples

164

HOH

H HSO4

H2O

HBr

H Br

BrBr

Br Br

• hydratation

• addition d’halogène

4.5 Substitutions Électrophiles sur les Composés Aromatiques


• les systèmes aromatiques sont de faibles nucléophiles; l’électrophile s’ajoute à une des liaisons doubles

Les Liaisons Multiples des Composés Aromatiques ne Réagissent pas comme pour les Alcènes

166

• láddition électrophile amène la perte de láromaticité, ce qui est énergétiquement défavorable • la substitution électrophile rétablit láromaticité

ElEl

HH

H

Nu+

H

HEl

El

H HNu

H–

Addition électrophile

Substitution électrophile

Mécanisme de la Substitution Électrophile pour les Aromatiques

167

• le complexe π permet à l’électrophile de trouver le meilleur chemin réactionnel vers le complexe σ • la substitution électrophile est régiosélective: le proton le “plus acide” est remplacé

complexe σ

addition

substitution

ElH

HElH–El

HH

H

El

complexe π

‡1

E

CR

πR

‡2

P

P’

∆Gf° = – ∆Gr° < 0

∆G2f‡ < ∆G2r

‡

lente rapide

∆G1f‡ > ∆G1r

‡

‡0σ

• la régiosélectivité est dictée par les substituants déjà présents

Régiosélectivité dans les Substitutions Électrophiles pour les Aromatiques

168

• les substituants avec un effet +M dirigent l´électrophile dans une position ortho ou para • les substituants avec un effet +M augmentent la densité électronique, la nucléophilie et la réactivité

RO

HC

RO

CH

HCRORO

RO

RHN>

RO>

I>

Br>

Cl>

F>

para majoritaire

meta aucun

ortho minoritaire

BrBr Br

+ FeCl3RO RO+

RO+

ROBrBr

• la régiosélectivité est dictée par les substituants déjà présents

169

• les substituants avec un effet -M dirigent l´électrophile en position méta • les substituants avec un effet -M diminuent la densité électronique, la nucléophilie et la réactivité

para traces

meta majoritaire

ortho traces

BrBr Br

+ FeCl3O2N O2N+

O2N+

O2NBrBr

HC CH

HC

O

RO

O

RO

O

RO

O

ROO

RO

S>

N> > > >>

O

RO

O O

O

O

RO

O

RN

O

HO

O

OH

sulfonate nitro esters carboxyliques amides carboxyliques acides carboxyliques carboxylates

Régiosélectivité dans les Substitutions Électrophiles pour les Aromatiques

• bromation

Exemples

170

H Br+ AlBrCl3

R R

H ClR R

O O

Br AlCl3δ–δ+

R

Cl AlCl3δ–δ+

R

O

+ AlCl3

+ AlCl3+ AlCl4

H BrBr Br

+ FeCl3Br Br FeCl3

δ–δ+

+ FeBrCl3

H SO3HH2SO4

– H2O

H NO2HNO3 / H2SO4

– H2ONO2 H3O 2 HSO4

HSO3 HSO4

• alkylation et acylation de Friedel-Crafts

• sulfonation et nitration

4.6 Réactions d’Élimination

La β-Élimination

172

• les plus fréquentes sont les éliminations d’hydrogène (H) et de groupes partants (LG) sur des carbones adjacents

mécanisme E1: le groupe partant part le premier, et l´hydrogène part après

mécanisme E1bc: la base récupère l´hydrogène puis le groupe partant se détache

mécanisme E2: réaction simultanée

LG–

CR4R3

C R1

R2

CR3H

CH R1

R2

H – H

C C R1H R2

HR3 LG

+ Base

H Base–C C R1

R2

HR3 LG

C C R1

H R2

HR3

LG

Baseδ–

δ+

δ+δ–

δ–

αβ

LG–

• pour une réaction E1: bon/excellent groupe partant, proton adjacent, absence de base/nucléophile

Compétition entre les Réactions de SN1 et E1

173

• pour les deux : un bon groupe partant, un carbocation stabilisé ( intermédiaire identique) • les E1 sont des réactions secondaires inévitables aux SN1 • E1: nucléophile absent, base (s´il y en a une) non-nucléophilique , β-hydrogènes “acides” ou nombreux,

haute température (!) • SN1: nucléophile (bon et pas trop basique) présent, β-hydrogènes “non-acides” ou rares

LG–CR3

HCH R1

R2

H

C C R1H R2

HR3 LG

– H

Nu+

CR4R3

C R1

R2

C C R2

H

R1HR3

NuC C R1

H R2

HR3 Nu

+

(base)

E1 Elimination

SN1 Substitution

• pour réaction E1cb: base forte, déprotonation du composé de départ pour former la “base conjuguée”

Compétition entre les Réactions de SN2 et E1cb/E2

174

• les réactions E1cb et SN2 ne partagent pas le même intermédiaire • mais conditions similaires car tous les (bons) nucléophiles sont des bases, et vice versa • les éliminations E1cb ou E2 sont des réactions secondaires lors de réactions SN2 • E1cb/E2: groupe partant modéré/pauvre, base non nucléophile forte, β-hydrogènes “acides” • SN2: nucléophile non basique (par ex., I–, RS–, PR3, H2O), β-hydrogènes “non-acides” ou rares

C C R1H R2

HR3 LG

+ Base

H Base–C C R1

R2

HR3 LG

CR4R3

C R1

R2

Nu+C C

R1

H R2

HR3

LG

Nu

C C R2

H

R1HR3

Nu

LG–

Elimination E1cb

Substitution SN2

Bases Non-Nucléophiles

175

• les bases non-nucléophiles ont un pKA élevé mais sont fortement encombrées stériquement!

NLi

Si N Si

Li

N

N

N

N

N

N

N N

N N

lithium diisopropylamide LDA, pKA ≈ 40

lithium hexaméthyldisilazide LHMDS, pKA ≈ 40

diisopropyléthylamine DIEA, pKA ≈ 10

triisopropylamine TIPA, pKA ≈ 10

1,8-bis(diméthylamino)naphthalène proton sponge, pKA ≈ 12

1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane DABCO, pKA ≈ 12

1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ène DBN, pKA ≈ 12

1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène DBU, pKA ≈ 12

4.7 Réactions Radicalaires

Réactions de Substitution Radicalaire (SR)

178

initiation

CH3

Cl Cl 2 Cl

+ Cl CH2 + H Cl

CH2 + Cl Cl CH2Cl + Cl

2 Cl Cl Cl

CH2 + Cl CH2Cl

CH22 CH2 CH2

propagation

réactions de termination

produit

produit secondaire

produit

Réactions d´Addition Radicalaire (AR)

179

initiation

propagation

réactions de termination

Br Br 2 Br

+ BrHC

+ Br Br

2 Br Br Br

+ Br

2 CH CH

Br

HC Br + Br

BrBr

BrBr

HC Br

HC Br

BrH2C CH2Br

produit

produit secondaire

produit

chapitre 4 mécanismes réactionnels - epfllmom.epfl.ch/courses/class_organic_chemistry_4_fr.pdf ·...

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