LA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE BIMOLÉCULAIRE CHAPITRE 6 Vollhardt – Chapitre 6

LA SUBSTITUTION LA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE NUCLÉOPHILE

BIMOLÉCULAIREBIMOLÉCULAIRE

CHAPITRE 6CHAPITRE 6

Vollhardt – Chapitre 6

6.1 NOMENCLATURE DES 6.1 NOMENCLATURE DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES

Selon IUPAC => L’halogène est Selon IUPAC => L’halogène est considéré comme un substituantconsidéré comme un substituant

Exemples:Exemples:Br

F

FF

4-Bromo-1,1,1-trifluoropentane

Cl

Chlorocyclobutane

I

1-(Iodométhyl)-1-méthylcyclopentane

Br

Br

1,3-Dibromo-2-méthylbutane

6.1 NOMENCLATURE DES 6.1 NOMENCLATURE DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES

CCl2F2

(CFC-12)Dichlorodifluorométhane

(réfrigérant)

CH3CH2Cl(chlorure d’éthyle)

Chloroéthane(anesthésique local)

NB Les halogénures d’alkyle sont généralement cancérigènes.

6.1 NOMENCLATURE DES 6.1 NOMENCLATURE DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES

Règles :Règles :i) fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-i) fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-

ii) di, tri, tétra, …ii) di, tri, tétra, …

iii) les plus petits indicesiii) les plus petits indices

iv) si chaînes halogénées de longueurs iv) si chaînes halogénées de longueurs , choisir , choisir la + longuela + longue

v) si 2 chaînes de même longueur, choisir v) si 2 chaînes de même longueur, choisir l’halogénéel’halogénée

Cl

Br

3-bromo-1-chlorobutane

BrBr

2-bromo-4-(2-bromoéthyl)octane

Cl

1-chloro-2-méthylpentane

6.2 PROPRIÉTÉS PHYSIQUES6.2 PROPRIÉTÉS PHYSIQUES

La force de la liaison C-X diminue La force de la liaison C-X diminue parallèlement à l’augmentation du parallèlement à l’augmentation du gabarit de X (voir tableau 6.1)gabarit de X (voir tableau 6.1)

La liaison C-X est polariséeLa liaison C-X est polarisée Points d’ébullition plus élevés que Points d’ébullition plus élevés que

les alcanes correspondants (voir les alcanes correspondants (voir tableau 6.2)tableau 6.2)

C X

+

6.3 LA SUBSTITUTION 6.3 LA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILENUCLÉOPHILE

Lors d’une réaction chimique ionique, les é passent d’une site riche en é à un site pauvre en é.

Nucléophile riche en éÉlectrophile pauvre en é.

LE CARACTÈRE POLAIRE DE LA LE CARACTÈRE POLAIRE DE LA LIAISON C-XLIAISON C-X

C X

+

SSNN2: Exemples2: Exemples

Nu: + CH3Br CH3Nu + Br-

NaOH + CH3Br CH3OH + NaBr

NaOR + CH3Br CH3OR + NaBr

NaSH + CH3Br CH3SH + NaBr

NaSR + CH3Br CH3SR + NaBr

CH3CCH + LiBrLiCCH + CH3Br

-

SSNN2: Exemples (suite)2: Exemples (suite)

Nu: + CH3Br CH3Nu + Br-

KCN + CH3Br CH3CN + KBr

NaI + CH3Br CH3I + NaBr

:NH3 + CH3Br

(CH3)3P: + CH3Br

CH3OCH3 + HBrCH3OH + CH3Br

CH3N+H3Br-

CH3P+(CH3)3Br-

-

6.4 EMPLOI DE FLÈCHES INDIQUANT 6.4 EMPLOI DE FLÈCHES INDIQUANT LE MOUVEMENT DES ÉLECTRONSLE MOUVEMENT DES ÉLECTRONS

• reconnaissez l’atome nucléophile et l’atome électrophile• indiquez les charges• assurez-vous que la charge globale est conservée

6.5 ÉTUDES CINÉTIQUES6.5 ÉTUDES CINÉTIQUESCinétique de 2e ordrev = k [Hal][Nu]mol l-1 s-1

Ce qui va jouer sur la vitesse :• nucléophilicité• squelette carboné• nucléofugacité

Un état de transition n’est pas un intermédiaire ; on ne peut pas isoler un état de transition.

6.6 ATTAQUE FRONTALE OU 6.6 ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE?DORSALE?

ATTAQUE FRONTALE OU ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE? (suite)DORSALE? (suite)

Beaucoup de collisions ne mèneront pas aux produits

Attention, la figure du centre représente des liaisons se formant et se brisant ; le C ne peut pas avoir 5 liens !

ATTAQUE FRONTALE OU ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE? (suite)DORSALE? (suite) A1.MOV

ATTAQUE FRONTALE OU ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE? (suite)DORSALE? (suite) A4EP.MOV

6.7 CONSÉQUENCES DE 6.7 CONSÉQUENCES DE L’INVERSION LORS DES L’INVERSION LORS DES

RÉACTIONS SRÉACTIONS SNN22

INVERSION DE CONFIGURATIONINVERSION DE CONFIGURATION

INVERSION DE CONFIGURATIONINVERSION DE CONFIGURATIONH OH

(+)-(S)-butan-2-ol

TsClpyridine

H OTs Bu4NOAc

DMF

AcO H

HO H

NaOHH2O

(-)-(R)-butan-2-ol

inversion

[]D27 = +13,5° []D

27 = -13,5°

Nomenclature des esters

6.8 APTITUDE NUCLÉOFUGE DU 6.8 APTITUDE NUCLÉOFUGE DU GROUPE SORTANT ET RÉACTIVITÉ GROUPE SORTANT ET RÉACTIVITÉ

SSNN22 L’aptitude nucléofuge du groupe sortant L’aptitude nucléofuge du groupe sortant

est est inversement proportionnelleinversement proportionnelle à la à la force de celui-ci en tant que base.force de celui-ci en tant que base.

Les bases faibles peuvent mieux Les bases faibles peuvent mieux s’accommoder d’une charge négative.s’accommoder d’une charge négative.

RÈGLE: Les bons groupe sortants sont RÈGLE: Les bons groupe sortants sont des bases conjuguées d’acides forts.des bases conjuguées d’acides forts.

(Pour les halogénures, on peut ajouter la force de la liaison C-X)(Pour les halogénures, on peut ajouter la force de la liaison C-X)

GROUPE SORTANTGROUPE SORTANT

Halogénure (X)Halogénure (X) Force de la Force de la liaison C-X liaison C-X

(kJ/mol)(kJ/mol)

pKa (HX)pKa (HX)

FF 118118 +3+3

ClCl 8181 -7-7

BrBr 6767 -9-9

II 5454 -10-10

HX VS ACIDITÉ / XHX VS ACIDITÉ / X-- VS BASICITÉ / VS BASICITÉ /XX-- VS GROUPE SORTANT VS GROUPE SORTANT

HI > HBr > HCl > HF

I- > Br - > Cl- > F -

I- < Br - < Cl- < F -

Acidité croissante

Basicité croissante

Aptitude nucléofuge croissante

HALOGÉNURE D’ALKYLES VS SHALOGÉNURE D’ALKYLES VS SNN22

RI > RBr > RCl > RF

Réactivité croissante

BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS

ROH O+H

HR

H+

ROHTsCl, CH2Cl2

PyridineROTs (ou Ac)

R OH

Nu

R Nu + HO

HO-, mauvais nucléofugeNu- arrachera un H+ plutôt qu’attaquer

BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS

Bien que les éthers soient de mauvais électrophiles, les époxydes sont de bons électrophiles

ON HN

OH

N

OH

BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS

L’oxyde d’éthylène est très utilisé dans l’industrie

Ex. :

OO

H

HO

OH

HHO

OH

~ 3,9 millions de tonnes aux USA en 2000

~ 2,7 millions de tonnes aux USA en 2000

BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS

C

CH3

CH3

HO OH

bisphénol A

+

O

Cl

épichlorohydrine

2

Colle « époxy »

C

CH3

CH3

HO O

O-

Cl

H

+

C

CH3

CH3

HO O

OH

Cl

BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS

Colle « époxy »

C

CH3

CH3

HO O

OH

Cl bisphénol A

C

CH3

CH3

HO O

OH

C

CH3

CH3

OHO

C

CH3

CH3

HO OH

C

CH3

CH3

O O

OH

**

Colle époxy

6.9 INFLUENCE DE LA 6.9 INFLUENCE DE LA NUCLÉOPHILIE SUR LA VITESSE DE NUCLÉOPHILIE SUR LA VITESSE DE LA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILELA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE

H2O vs HO-

NH3 vs -NH2

H2Se vs HSe-

LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEVS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE VS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE

(suite)(suite)

NH3 vs H2O

P(CH3)3 vs S(CH3)2

H2N- vs HO -

LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEEN DESCENDANT UNE COLONNE DU EN DESCENDANT UNE COLONNE DU

TABLEAU PÉRIODIQUETABLEAU PÉRIODIQUE

Cl- Br- I-

Basicité croissante

Pourtant,OMs

Ms = SO2CH3

+ Cl- Cl+ MsO-

OMs + Br- Br+ MsO-

OMs + I - I+ MsO-

lent

rapide

très rapide

MeOH

MeOH

MeOH

LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEVS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE VS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE

(suite)(suite) La nucléophilie est entravée par la La nucléophilie est entravée par la

solvatation.solvatation.

les petits ions sont mieux solvatés

LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEVS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE VS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE

(suite)(suite)

Les solvants aprotiques ne peuvent pas Les solvants aprotiques ne peuvent pas réaliser des liaisons hydrogène avec les réaliser des liaisons hydrogène avec les nucléophiles (tableau 6-6).nucléophiles (tableau 6-6).

Ils accélèrent les réactions SIls accélèrent les réactions SNN2 parce 2 parce que les nucléophiles sont à nus, les que les nucléophiles sont à nus, les électrons sont plus disponibles.électrons sont plus disponibles.

L’acétone, le DMF, le DMSO sont des L’acétone, le DMF, le DMSO sont des exemples de solvants aprotiques exemples de solvants aprotiques polaires. polaires.

6.10 INFLUENCE DU GROUPE 6.10 INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE SUR LA RÉACTION SALKYLE SUR LA RÉACTION SNN22

INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE (suite)(suite)

INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE (suite)(suite)

INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE (suite)(suite)

SSNN2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE BIMOLÉCULAIREBIMOLÉCULAIRE

Cinétique de 2e ordre v = k [Hal][Nu]mol l-1 s-1

Réaction concertée = 1 étape

Existence d’un état de transition “pentavalent”

Attaque dorsale du Nu avec inversion de configuration

Stéréospécifique

C Br

‡

SSNN2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE BIMOLÉCULAIRE (suite)BIMOLÉCULAIRE (suite)

Halogénoalcanes: p > s >>> t (non-réactif)

La substitution en ou en ralentie la réaction

Solvants aprotiques polaires (DMF, DMSO, HMPA)

BrH

+

NCH

NaCN

+ NaBr

S

R

Nomenclature des nitriles

NUCLÉOPHILICITÉNUCLÉOPHILICITÉ

SH- CN- > I- > OH- > N3- > Br- > PhO- >

AcO- Cl- > F- > NO3- > H2O

La nucléophilie augmente: 1. Avec la charge négative 2. Plus l’élément est situé à gauche (basicité) et en bas du tableau périodique (polarisabilité) 3. Dans les solvants aprotiques polaires

(pas de ponts H => é + disponibles)

Importance de la SN2Importance de la SN2 Alkylation de la morphine en codéineAlkylation de la morphine en codéine

Pavot(Papaver somniferum)

Codéine(analgésique « doux »)

(1-2 %)

Morphine(analgésique « puissant»)

(12-20 %)

Extraction de la codéinePas commercialement viable

Importance de la SN2Importance de la SN2 Alkylation de la morphine en codéineAlkylation de la morphine en codéine

O

HO

NH

CH3H

HO

morphine

SO

O

O

O

H3C

H3C

O

H3CO

NH

CH3H

HO

codéine

- MeSO4-

HO- O

-O

NH

CH3H

HO

-H2O

Importance de la SN2Importance de la SN2 Aflatoxine Aflatoxine (toxine fongique)(toxine fongique) et et

dommage à l’ADNdommage à l’ADN

Aspergillus flavus (fungus)(s’attaque aussi aux noix)

O

O

O

O O

H3CO

Aflatoxine B1

Importance de la SN2Importance de la SN2 Aflatoxine et dommageAflatoxine et dommage

à l’ADNà l’ADN

O

O

O

O O

H3CO

H

H

Aflatoxine B1

oxydationcytochrome p-450

O

O

O

O O

H3CO

H

H

ONH

N

N

NH2

O

attaque d’uneguanine de l’ADN

SN2

O

O

O

O O

H3CO

H

H

NH

N

N

NH2

O

HO

Création d’un lien irréversible entre la toxine et l’ADN

+

Source de H+

Importance de la SN2Importance de la SN2 Aflatoxine et dommageAflatoxine et dommage

à l’ADN ; à l’ADN ; protection ?!?protection ?!?

O

O

O

O O

H3CO

H

H

O

HO2C

O

HN

HS

O

NH

CO2H

NH2

O

O

O

O O

H3CO

H

H

HO2C

O

HN

S

O

NH

CO2H

NH2

HO

glutation(e)

Création d’un lien irréversible entre la toxine et le glutathion(excrété par les reins)

SN2

SOMMAIRESOMMAIRE « flèches » de rx Diagramme d’E SN2 SN2 attaque dorsale = inversion Importance du nucléofuge Qu’est-ce qu’un bon nucléofuge ? Qu’est-ce qu’un bon nucléophile ? Importance de la solvatation Encombrement stérique

EXERCICESEXERCICES Vollhardt Chap. 6

5ième édition (p. 245)Nos 27, 28, 29, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 39, 40, 41, 42, 43,

47, 48, 49, 50, 51, 52, 53.

4ième éditionNos 27, 28, 29, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 39, 40, 41, 42, 43,

45, 46, 47, 48, 49, 50, 51.

3ième éditionNos 23, 24, 25, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38,

39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46.