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Chapitre 2.1 : Les carbonyles Chapitre 2.1 : Les carbonyles

MOOCs : http://escomchimieorga3a.wordpress.com

Onglet : Chapitre 2.1

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partie 1 : réactions sur sitepartie 1 : réactions sur site

3

Structure géométrique et électroniqueStructure géométrique et électroniqueSite de protonation

● Un électrophile de bonne qualité dispose d’une BV relativement basse en énergie ● il interagit avec une molécule ayant une HO relativement haute en énergie.

E+ (H+ par exemple) interagira d'abord avec l'atome d'oxygène.

L’activation électrophile augmente la vitesse des additions nucléophiles sur les composés carbonylés.

4

Structure géométrique et électroniqueStructure géométrique et électroniqueRéactivité électrophile

● Un réactif nucléophile est caractérisé par une HO de relativement haute énergie. ● Il interagit avec la BV du composé carbonylé.

En ce qui concerne le méthanal, le coefficient le plus élevé dans la BV est sur l’atome de carbone et le nucléophile se fixe donc sur cet atome.

5

Structure géométrique et électroniqueStructure géométrique et électroniqueComparaison de la réactivité d’un aldéhyde et d’une cétone.

A structure équivalente, un aldéhyde est plus réactif qu'une cétone vis à vis d'une AN.

E(eV)

LNu

-1.58

-2.6

HNu

-11.9

-12.3

Nu

H3C H

O

H3C CH3

O

LUMO

LUMO

LUMO

HOMO

HOMO

HOMO

6

Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles1. Oxydation des alcoolsOxydation de Jones pour la préparation des cétones.Attention : suroxydation des aldéhydes en acide carboxylique

OHNa2Cr2O7, H2SO4

H2O

O

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Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles1. Oxydation des alcoolsPCC pour oxyder un alcool en aldéhyde ou cétone.Attention : suroxydation des aldéhydes en acide carboxylique (voir PCC en présence d'eau)

OH Pyridine, CrO3, HClO

H

N

HCl

N

H Cl

Na2Cr2O7+ HCl

CrO3 N

HCr

O

O

O Cl

PCC

N

HCr

O

O

O Cl

O

H

CH3

Cr

O O

HO OCH3

N

H Cl

H

O

H3C H

+ "CrIII"

8

Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles1. Oxydation des alcoolsAvec Jones ou si on prépare in situ son PCC, voici ce qui peut se passer :

La solution : si on prépare le PCC in-situ, le séparer et le sécher avant utilisation. Sinon, il existe tout prêt (environ 16€ les 25g chez Aldrich en 2010)

R

OH"CrVI"

R

O

H

H+/ -H+

H2O R

OH

OHhydrate

"CrVI"

R

O

OHalcool

aldéhydeacide carboxylique

H

9

Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles2. Oxydation des alcools de Moffatt et de SwernCe sont deux oxydations très semblables et ménagées qui permettent de s'arrêter à l'aldéhyde ou cétone.

R

OH Moffatt : DMSO, DCC, H+

R

O

Swern : DMSO, Chlorure d'oxalyle,Triéthylamine

Semestre 1

10

Mécanismes

Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles3. Rappels alcènes et alcynes.Ozonation/ozonolyse d'alcènes

Hydratation d'alcynes.

H

R1

H

R2O3

agent réducteurtype Zn/AcOH, PPh3 ou Me2S

R1CHO + R2CHO

R H

Hg(OAc)2/H2SO4R CH3

O

(Cy)2B-HH2O2OH-

R

O

11

Additions Nucléophiles sur le carbonyleAdditions Nucléophiles sur le carbonyleAddition des organomagnésiens

Formaldéhyde Alcool classe 1

Aldéhyde Alcool classe 2

Cétone Alcool classe 3

12

Additions Nucléophiles sur le carbonyleAdditions Nucléophiles sur le carbonyleMécanismesMécanisme simplifié :

Mécanisme réel :

Autocatalyse

13

Réduction de Meerwein-Ponndorf-VerleyLa réduction de Meerwein-Ponndorf-Verley constitue une méthode de réduction douce des composés carbonylés.

Réduction des composés carbonylésRéduction des composés carbonylés

14

Réduction des composés carbonylésRéduction des composés carbonylés

Mécanisme ?Rôle du solvant ?

15

Réduction des composés carbonylésRéduction des composés carbonylésRéduction duplicative, couplage pinacolique

O

CH3H3C

Mg2O

CH3H3C

O

CH3H3C

Mg

O

CH3H3C

O

CH3H3C

Mg

H2OO

CH3H3C

H3C CH3

O

H2O, H2SO4

Mg2+

O

CH3H3C

H3C

H3C

Réduction duplicative

transposition pinacolique

16

Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsCRAM en 1952 :

OPh

H CH3

1) CH3MgBr2) H3O+

OHPh

H CH3

OHPh

H CH3H3C H3C

H H

A (71%) B (29%)

+

plan3D

Attaque Devant/derrière

Statistique 50/50 MAIS C* Encombrement

17

Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de CRAM : Modèle de FELKIN

Ce modèle est pratique, mais largement insuffisant, car il ne tient pas compte des 107° d'attaque.

Modèle de FELKIN-ANH(Tetrahedron Lett.,1976, 155). Il s’applique quand il n’y a pas formation de complexe chélaté entre le réactif et le substrat.G (Gros), M (Moyen) et P (Petit).

● attaque dans la partie du plan ne comportant pas G,

● angle d’attaque de 107 degrés de BÜRGI-DUNITZ

● évite le groupe M plus encombrant que le groupe P.

Le carbonyle est placé perpendiculairement à G, tandis que le groupe R (H) est placé le plus loin de M. L'angle d'attaque de Nu est à 107° du C=O.

P = petitM = moyen

G = grosR = alkyl ou H

Nu = nucléophile

Ce modèle est pratique, mais largement insuffisant, car il ne tient pas compte des effets stériques entre les groupes.

18

Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de FELKINModèle de FELKIN-ANH

(Tetrahedron Lett.,1976, 155). Il s’applique quand il n’y a pas formation de complexe chélaté entre le réactif et le substrat.G (Gros), M (Moyen) et P (Petit).

● attaque dans la partie du plan ne comportant pas G,

● angle d’attaque de 107 degrés de BÜRGI-DUNITZ

● évite le groupe M plus encombrant que le groupe P.

Le carbonyle est placé perpendiculairement à G, tandis que le groupe R (H) est placé le plus loin de M. L'angle d'attaque de Nu est à 107° du C=O.

P = petitM = moyen

G = grosR = alkyl ou H

Nu = nucléophile

Ce modèle est pratique, mais largement insuffisant, car il ne tient pas compte des 107° d'attaque.

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P = petitM = moyen

G = grosR = alkyl ou H

Nu = nucléophile

Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de FELKIN-ANH(Tetrahedron Lett.,1976, 155).

● attaque dans la partie du plan ne comportant pas G,

● angle d’attaque de 107 degrés de BÜRGI-DUNITZ

● évite le groupe M plus encombrant que le groupe P.

Le carbonyle est placé perpendiculairement à G, tandis que le groupe R (H) est placé le plus loin de M. L'angle d'attaque de Nu est à 107° du C=O.

Il s’applique quand il n’y a pas formation de complexe chélaté entre le réactif et le substrat.

20

Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additions1) Passer la molécule en conf iguraton demandée puis en Newman :

CH3

H

OEt

S CH3

H

OEt

S

1

23

H CH3OEt

H CH3O Et

2) Placer G perpendiculairement au carbonyle3) Placer M le plus loin de R

OuiOui

OuiNon

4) Sur le bon modèle, f aire attaque le Nu à 107°5) Comparer les ef f ets stériques pour connaître les quota

H CH3OEt

Nu

Nu

CH3HNu

OHEtCH3HEt

OHNu

MAJORITAIRE

minoritaire

21

Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de CRAM chélaté

Ce modèle (J. Am. Chem. Soc. 1959, 81, 2748)

● atome de carbone en position α comporte un groupe possédant un doublet non liant

● réactif comporte un site acide de LEWIS.

Pour des raisons stériques élémentaires, le nucléophile attaque préférentiellement, selon l’angle de 107°, du côté le moins encombré du plan.

s’applique quand le réactif peut donner un complexe avec le substrat qui fige la conformation de la molécule.

22

Additions nucléophiles suivies d'éliminationAdditions nucléophiles suivies d'éliminationAcétalisation et cétalisation

Le composé obtenu est un acétal (respectivement cétal) lorsqu’il est issu d’un aldéhyde (respectivement d’une cétone).

heating

23

Hémiacétals et hémicétals. Le composé obtenu est un hémiacétal (respectivement hémicétal) lorsqu’il est issu d’un aldéhyde (respectivement d’une cétone).

Application particulière : Hémiacétalisation des sucres

Additions nucléophiles suivies d'éliminationAdditions nucléophiles suivies d'élimination

O

BuOHAPTStoluene

-H2O

OOH

24

Additions nucléophiles suivies d'éliminationAdditions nucléophiles suivies d'éliminationMécanismes :

Application de la réaction :

Protection / déprotection des carbonyles.

H3C O

H H+

H3C O

HH

Et-O-H

H3C OH

HOEt

-H+

Hémiacétal

H+

H3C O

HOEt

H

H

H3C

H

OEt

EtOH

H3C

H

OEt

OEt

Acétal

25

Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésGénéralités

Nous allons symboliser le composé azoté par ZNH2. Cette écriture permet de traiter simultanément plusieurs réactions qui procèdent d'un mécanisme semblable.

Z Réactif Produit RemarquesH ammoniac produit non isolableR produit isolable

hydrazine produit isolable produit isolable

OH produit isolable produit isolable

imine non substituée amine imine substituée

NH2 hydrazoneNHPh phénylhydrazine phénylhydrazone

hydroxylamine oximeNH-CO-NH2 semi-carbazide semi-carbazone

26

Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivés

PH = 4-5

27

Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésTransposition de BECKMANN

Transposition de Beckmann

NHO

H2SO4 (concentré) NH

O

caprolactameoxime

HN

O

nylon-6

28

Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésTransposition de BECKMANN sur des composés dissymétriques Attention! : le groupement

transposé est toujours celui en trans de l'hydroxyle!

29

Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésRéduction de WOLF-KISHNER

Sert à la réduction d'aldéhydes et de cétones à des alcanes.

30

Réactions sur l'atome de phosphoreRéactions sur l'atome de phosphoreRéaction de WITTIG

R' H

O

PR R

R

H R""R

R'

Diastéréosélectivité : Le composé majoritaire obtenu à partir d’un alkyltriphénylphosphonium est en général celui de descripteur stéréochimique Z. S’il s’agit d’un ylure stabilisé (Wittig-Horner par exemple, voir plus loin), l’alcène prépondérant est souvent de descripteur E.

31

Réactions sur l'atome de phosphoreRéactions sur l'atome de phosphore

CH3-Br + PPh3 PPh

PhH3CPh n-BuLi

PPh

PhH2CPh

Ylure de phosphore

R'

O

H

O

HR'

Ph3P

HH

Ph3P O

HH H R'

oxaphosphétane

R'+

PPh3O

32

Réactions sur l'atome de phosphoreRéactions sur l'atome de phosphore

33

Réactions sur l'atome de soufreRéactions sur l'atome de soufreRéaction de COREY-CHAYKOVSKY, la petite sœur de WittigLe début (préparation de l'ylure, réaction) est mécanistiquement identique à Wittig. Seule la fin de la réaction change.

Semestre 1

34

Fehling, Tollens

OxydationOxydationOxydation des aldéhydes

Jones, si hydratation En gem-diol

(présence d'eau)

35

l'insertion de l'atome d'oxygène s'effectue avec une rétention complète de la configuration.

OxydationOxydationOxydation des cétones

Oxydation de Baeyer-Villiger

t-alkyle > s-alkyle > phényle > n-alkyle > CH3

O BF3O

BF3

O

R O

OH

O

BF3

O

H

O

O R

H+O

BF3

OO

O R

O

O

RCOO- +

BF3

- BF3O

O

36

OxydationOxydationSi le substrat est une cétone cyclique, on obtient une lactone.

37

Partie 2 : réactivité en Partie 2 : réactivité en αα

38

Déprotonation en Déprotonation en ααAcidité en position α

Mésomérie :

O

H2C

H3C

H3CCH3

H

Base

O

CH2H3C

H3CCH3 Proton en alpha du carbonyle et

carbanion localement plan : déprotonation possible (pKa = 20)

Il faut que la molécule soit déprotonable !

39

Les composés carbonylés ayant en général un caractère acide très faible, il faut utiliser une base assez forte pour en réaliser la déprotonation totale.

Déprotonation en Déprotonation en αα

Attention ! La déprotonation totale des aldéhydes n’est pratiquement jamais mise en oeuvre, car ceux-ci donnent des réactions rapides avec l’énolate formé, c'est à dire qu'ils réagissent sur eux-même.

40

Déprotonation en Déprotonation en ααRégiosélectivité de la déprotonation :

Si le composé possède plusieurs sites énolisables, se pose le problème de la régiosélectivité de la déprotonation.

● Sous contrôle cinétique, l’énolate majoritaire correspond à l’atome d’hydrogène le plus facile à arracher, donc le plus dégagé stériquement et le plus acide (II).

● Sous contrôle thermodynamique, l’énolate majoritaire est le plus stable (I), correspondant à la double liaison C=C la plus substituée dans la formule mésomère énolate. Dans le cas où l’un des énolates est plus conjugué que l’autre, c’est le plus conjugué qui est majoritaire.

CinétiqueThermodynamique

41

Déprotonation en Déprotonation en ααQuelles sont les conditions permettant de favoriser l'un ou l'autre des deux contrôles ?

Conditions de la réaction I IICétone additionnée à un excès de base 28 72Excès de cétone additionnée à la base 78 22

Base (B) I IILDA 1 99

78 22Et3N

Base forte = arrachement cinétique

Base faible = temps d'équilibre long = thermodynamique

Excès base = arrachement immédiat = cinétique

Excès cétone = arrachement partiel = équilibre = thermodynamique

42

Alkylation en Alkylation en ααLa transformation consiste à remplacer, dans une cétone, un atome d’hydrogène porté par l’atome de carbone en α du groupe carbonyle par un groupe alkyle.

O

R1

R2

O

R1

R2

O

R1

R2

+

A

A

Régiosélectivité1) LDA2) A-Br

O

R1

R2

A

O

R1

R2

A

+

A

Polyalkylation

1) LDA2) A-Br

O

R1

R2Elimination

LDA

Compétition C/O1) LDA2) A-Br

O

R1

R2+O

R1

R2

A

A

43

Alkylation en Alkylation en αα• Compétition entre C- et O-alkylation

44

Réactions haloformesRéactions haloformesLa réaction entre une cétone et le dibrome dans l'acide acétique conduit à une cétone α bromée.

Il y a toujours polyhalogénation !

Milieu acide = atome de carbone

le plussubstitué

Milieu basique = atome de carbonele moinssubstitué

O

H

O

H

H

rapide

H2OOH

lente

H3O+

Br-Br

OBr

-HBr

O

H

O

rapide

OH

lente

OH- H2O

Br-Br

O

-HBr

Br

O

Br

BrBr

45

Réaction haloforme = cas particulier

Réactions haloformesRéactions haloformes

On forme un haloforme...Et un acide carboxylique

Cette reaction est utilisée comme test caracteristique des cétones méthylées.Si le precipite apparaît, le test est positif, la solution testée contient une cétone méthylée.

O

H

O

rapide

OH

lente

OH- H2O

I-I

O

-HI

I

O

I

IIOH-O

O+CHI3iodoforme

46

Transposition de FavorskiiTransposition de Favorskii

Lorsqu'on traite une α-halogénocétone par une base forte, on observe une transposition du squelette carboné .

Mécanisme :

Donc attention à La force de la

Base !

47

Partie 3 : La rencontre α-sitePartie 3 : La rencontre α-site

Bonjour, je suis l'énol Bonjour, je suis le carbonyle

48

AldolisationAldolisationCaractéristiques généralesL'aldolisation est une réaction d'addition entre deux aldéhydes. Elle conduit à un aldol (aldéhyde et alcool).

Le terme condensation aldolique est souvent utilisé

dans un sens générique, désignant à la fois l'aldolisation

et la cétolisation.

La réaction inverse qui correspond à la coupure d'un aldol s'appelle rétroaldolisation.

49

Aldolisation / CrotonisationAldolisation / CrotonisationMécanismeMilieu basique

OR

HH

OH- OR

H

OR

H H

OR

OR

H2O H

OR

HOR

OH-

H

H

OR

R

Aldolisation

Crotonisation

Les H en alphadu carbonyle restent

acides, mêmesur l'aldol !

Milieu acide ?

50

Cétolisation / CrotonisationCétolisation / CrotonisationElle conduit à un équilibre défavorable au produit appelé cétol. On peut préparer un cétol en utilisant un extracteur de Soxhlet. Cela permet de déplacer l'équilibre.

A : Base solide dans la capsule en celluloseE : Le réactif, volatile, s'évapore et se recondense. Il tombe dans A et réagit.F : Le produit est siphonné et retombe dans le bouilleur C.

Vidéo

OR

R'H

OH- OR

R'

OR

R' R'

OR

OR

H2O R'

OR

HOR

OH-

H

R'

OR

R

R' R'

R'

Cétolisation

Crotonisation

http://www.chem-ilp.net/labTechniques/SoxhletExtractionVideo.htm

51

Aldolisation croiséeAldolisation croisée

L'aldolisation croisée met en jeu un aldéhyde et une cétone. Elle conduit à un bilan simple lorsque l'un des composés n'est pas énolisable car il n'y a pas d'ambiguité sur le produit final.

Règle de Wittig : Si l'aldéhyde est ajouté goutte à goutte dans le mélange réactionnel contenant la cétone et la base, l'énolate dérivé de la cétone qui est le plus nucléophile, réagit de façon prépondérante avec l'aldéhyde le plus électrophile

Cf diapo 5!

L'aldolisation croisée est susceptible de donner a priori un mélange complexe de produits d'addition lorsque les deux sont énolisables.

52

DiastéréosélectivitéDiastéréosélectivitéComme il existe deux configurations pour l'énolate (cis et trans) et que le composé carbonylé comporte deux faces, cela conduit dans le cas général à la formation de deux centres chiraux.

à partir d'un énolate Z on obtient le couple

d'aldols syn

à partir d'un énolate E on obtient le couple

d'aldols anti

R1

O RCHO

R1

O

RCH3

OH

R1

O

RCH3

OH

R1

ORCHO

R1

O

RCH3

OH

R1

O

RCH3

OH

53

DiastéréosélectivitéDiastéréosélectivitéModèle d'état de transition de Zimmerman-TraxlerEnolate Z.

O

MO

R2H

CH3R1

H

O

MO

R2R1

CH3H

H

O

MO

R2H

CH3R1

HM

O

O

R2

H

CH3

H

R1

OM

CH3R2

H

O

R1

+

Deux états de transition diastéréoisomères sont possibles mais non équiprobables.

R2

O

R1CH3

OH

R2

O

R1CH3

OH

54

DiastéréosélectivitéDiastéréosélectivitéQuand forme-t-on les énolates Z et E?

R1

O RCHO

R1

O

RCH3

OH

R1

O

RCH3

OH

R1

ORCHO

R1

O

RCH3

OH

R1

O

RCH3

OH

base peu encombrée et gros groupe R

base très encombrée et petit groupe R

55

Exercices récapitulatifs du chapitre 6Exercices récapitulatifs du chapitre 6Partiel du 06/01/2012

Un réarrangement bien particulier découvert par un chimiste allemand en 1886 permet de passer d’une cétone à un amide facilement selon :

O

N (Majoritaire)+O (minoritaire)

M H2SO4 (conc.)

NH

O

1) Quel est le nom de cette réaction 2) Trouvez M, N, O et dites dans quel milieu nous devons nous trouver lors de la première étape

(justifiez).

56

Exercices récapitulatifs du chapitre 6Exercices récapitulatifs du chapitre 6Partiel du 06/01/2012

Une aldolisation croisée a lieu entre ces deux réactifs pour ne donner qu’un seul produit final après crotonisation:

O

+

O

NaOHaqP

Donnez le produit P et expliquez pourquoi il est le seul à être formé.

57

Exercices récapitulatifs du chapitreExercices récapitulatifs du chapitrePartiel du 03/05/2011

Expliquez sur cet exemple comment se construit le modèle de Felkin-Ahn. Trouvez G et H et expliquez.

O

a) Nu-

b) H2OG (MAJ) + H (min)(R)

Diapo 1Diapo 2Diapo 3Diapo 4Diapo 5Diapo 6Diapo 7Diapo 8Diapo 9Diapo 10Diapo 11Diapo 12Diapo 13Diapo 14Diapo 15Diapo 16Diapo 17Diapo 18Diapo 19Diapo 20Diapo 21Diapo 22Diapo 23Diapo 24Diapo 25Diapo 26Diapo 27Diapo 28Diapo 29Diapo 30Diapo 31Diapo 32Diapo 33Diapo 34Diapo 35Diapo 36Diapo 37Diapo 38Diapo 39Diapo 40Diapo 41Diapo 42Diapo 43Diapo 44Diapo 45Diapo 46Diapo 47Diapo 48Diapo 49Diapo 50Diapo 51Diapo 52Diapo 53Diapo 54Diapo 55Diapo 56Diapo 57