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 <