CH 7. Composés halogénés et organométalliques

CH 7. Composés halogénés et organométalliques.

SUBSTITUTION ET ELIMINATION

RX Partie organique Halogène

Les haloalcanes constituent la plaque tournante de la synthèse organique.

CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION

1. SN : la substitution nucléophile

La réaction est en principe réversible : le groupe nucléofuge est aussi un nucléophile.

CH3CH2 Br Br-OH-

CH3CH2 OH

X-R NuR X-Nu :

Br-CH3CH2 Br CH3CH2 NH3NH3

+

Nu : R X R Nu+ X-

Un groupe sortant, nucléofuge, est remplacé par un groupe entrant, nucléophile, chargé ou non.

2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes



2.1 Nucléophiles oxygénés :

Force décroissante du nucléophile

R X R OHOH-

X-

Synthèses d’alcools

R X R'O RR'O-

X-

Synthèses d’éthers (Synthèse de Williamson)

R' X X-

CO

O-R C

O

OR

R'Synthèses d’esters

ROH Na

RO-Na+ H2½

RCOOH NaOH

RCOO-Na+ H2O

ROH H+Synthèses d’alcools

OH

HR X X

-R O

H

H

R OH

R'X-

R' XOH

R

H+ROR'Synthèses d’éthers

Force décroissante du nucléophile

2.2 Nucléophiles azotés

Amine primaire

Amine secondaire

Amine tertiaire

Sel d�ammonium quaternaire

R XNH3

X-NH3R

B NH2R BH+

NH2R NH2R R

X-R X BH+NHR RB

NHR R R X

X-NHR

R

R B NRR

RBH+

NRR

RR X R4N+ X

-

2.3 Nucléophiles halogénés :

Le plus nucléophile des halogénures est I-

I-

R X R I X-

Iodoalcane

2.4 Nucléophiles sulfurés :

X-

R XHS-

RSH

R SRRS-

R X X-

Thiol

Thiolate Thioéther (Sulfure d’alkyle)

Thioéther Sel de trialkylsulfonium

X-

R XR2S R SR

R+

H2S B

BH+HS-

RS-BH+

BRSH

2.5 Nucléophiles carbonés :

CN-

R C N X-

R X

Cyanure Nitrile Cyanoalcane

R' C C R X-

R XR' C C:-

Acétylure

NH3

NH2-R' C C H

R C C:-

3. Mécanisme de la substitution nucléophile SN




Deux mécanismes différents :

SN1 et SN2

nombre d’étapes

intermédiaires

stéréochimie

3.1 SN2 (substitution nucléophile bimoléculaire)

Mécanisme en 1 étape ( !!! SN2 1 étape !!!)

Etat de transition

Liaison en cours de formation Attaque par le

côté opposé au groupe sortant

Départ par le côté opposé au groupe entrant

CL

Nu:-

C LNu CNu

:L-

Liaison en cours de rupture

Pas d’intermédiaire

: SN2 - général

http://www.afd.be/~fdp_chimie/video.php?them=chimie-organique&chap=composes-halogenes-et-organometalliques

Dans cette réaction, si on augmente la concentration en nucléophile ou en substrat, la vitesse de réaction répond par une augmentation proportionnelle.

Nu-

Attaque dorsale Inversion de Walden

La réaction est d'ordre 2 (SN2)

V = k [Nu] [R-L]

La réaction s'accompagne d'inversion de configuration.

La réaction s'accompagne d'inversion de configuration.

(R)-2-bromobutane

C

CH3

HCH3CH2

BrOH- * Br

-C

CH3

HHOCH2CH3

*

(S)-2-butanol

: SN2 – Inversion de configuration


En raison de l'attaque dorsale, la SN2 est - plus rapide sur un carbone primaire peu encombré - très lente, voire impossible, sur un carbone tertiaire

Encombrement stérique

Nu:

L

(-)

Mécanisme en 2 étapes ( !!! SN1 2 étapes !!!)

3.2 SN1 (substitution nucléophile monomoléculaire)

Carbocation (plan, sp2 )

CL

:L-

C+

Nu:-

C+ C

NuC

Nu

50% 50%

: SN1 - général


Dans ces deux étapes, la première (départ du groupe sortant) est lente vis-à-vis de la seconde: c'est l'étape déterminante de vitesse.

Le mélange obtenu est racémique (50/50)

La réaction est d'ordre 1 (SN1)

V = k [ R-L ]

Nu:- Nu:

-

La réaction provoque la racémisation dans la deuxième étape: attaque par les deux faces du carbocation.

C+

La SN1 est plus rapide lorsque le substrat est un carbone tertiaire:

L :L-+

2. L'encombrement stérique diminue lors de la réaction et favorise l'expulsion de L-.

1. Le carbocation tertiaire étant stabilisé ("no bond resonance") est plus facile à faire que les autres carbocations.

3.3 SN2 et SN1 comparées

SN2 SN1Substrat Carbone primaire ++ -- Carbone secondaire ± ± Carbone benzylique ± ± Carbone allylique ± ± Carbone tertiaire - +

Stéréochimie Inversion Racémisation Vitesse fonction de [Substrat] et

[Nucléophile] [Substrat]

Nombre d’étapes 1 2 Solvant Effet généralement

plus faible Plus rapide en solvant polaire protique

Un substrat ayant son groupe sortant sur un carbone secondaire va réagir selon les 2 mécanismes SN1 et SN2. Dans un tel cas,

HBrH2O CH3CHOHCH2CH3CH3CHBrCH2CH3

Solvant : Acétone-eau (95/5) surtout SN2 Acétone-eau (50/50) surtout SN1

augmenter la polarité du solvant favorise la SN1

augmenter la nucléophilie du groupe entrant favorise la SN2

Br

H3C+ H2O

OH

H3C

OH

H3C+ HBret

Br

H3C+ CH3S

- Na+

SCH3

H3C+ NaBr

lent, SN1 et SN2

rapide, SN2

FORCE DES NUCLEOPHILES Un ion négatif est plus nucléophile que la molécule neutre

Nucléophilie croissante: de droite à gauche dans le tableau périodique

Un élément électronégatif à une forte affinité pour les électrons: électronégativité et nucléophilie sont donc des tendances opposées.

Nucléophilie croissante: de haut en bas dans le tableau périodique

HO- > H2O RO

- > ROH

I- > Br

- > Cl

- > F

-

RSH ROH>(CH3CH2)3P > (CH3CH2)3N

C-R

RR > N

-R

R> RO

-> F

-

RNH2 > ROH

4. Réactions d'élimination : E1 et E2





Mécanisme E2 (comme SN2, bimoléculaire et 1 étape)

Tout est concerté : - formation du lien Nu-H - formation du lien double - rupture du lien C-L

C CL

H

β αNuH :L

-C C + +

Nu:-

Du point de vue géométrie: les orbitales p (lien π) de l’alcène qui va se former doivent se présenter en position de recouvrement: ceci entraîne des contraintes stéréoélectroniques.

Les éléments H et L sont transoïdes (antipériplanaires) La stéréochimie de l'alcène (E ou Z) est dictée par cette contrainte.

C C

ab

Lc

H

d β α

Nu:-

H

dcL

a b

Nu:-

H

dca b

L

Nu:-

dc

ba

..

C Ca

b

c

d

: E2 (Bromure d’isobutyle)

: E2 (sur diastéréoisomère SR)

: E2 (sur diastéréoisomères SR-RR)

: E2 (sur diastéréoisomères SR-RS)





Mécanisme E1 (comme SN1, monomoléculaire et 2 étapes)

C CLβ α

lentC C

+:L-

+

Nu:-

CH

C+

β α

NuHC C +

Cinétiques comparées: SN2 et E2 : V = k [Nu] [R-L]

SN1 et E1 : V = k [R-L]

Régiochimie de l'élimination : REGLE DE SAYTZEV

Base

CH3CH2CH CH2

CH3CH CHCH3CH3CH2CHBrCH3

Lorsque l'élimination permet le choix de la position du lien C=C, l'alcène formé est le plus substitué.

Eliminations successives : synthèses d'alcynes

H2OOH-

CH3CH CHBrCH3CH2CHBr2 Br-

H2OCH3C CHCH3CH CHBr OH-

Br-

CH3C CH2CH3CH2CHBr2 H2O Br-

2OH- 2

5. Compétition substitution et élimination

4. Réactions d'élimination : E1 et E2





Il y a souvent COMPETITION : Un nucléophile (Ex: OH-, NH2

-) peut aussi être une base.

La situation dépendra de plusieurs paramètres: - solvant - température

- type de nucléophile entrant ou sortant - type de substrat

β αNu:-

CH

CX

+

CH

CNu

:X-

+

NuHC C + + :X-

SN

E

Les deux réactions, substitution et élimination, sont souvent concurrentes.

Ex 1 : Halogénure primaire avec OH-

Le produit de la réaction sera en majorité le propanol (par substitution) malgré la force de la base. La substitution sur C primaire est très favorisée à température normale.

CH

H3CCHH

BrH

HO-

SN2CH3OH

CH

H3CCOH

HHH

CH

HCHH

BrCH3

E2CH3OH

HO-

H2OC CH

H3C

H

H+ + Br

-

Ex 2 : Halogénure tertiaire avec OH-

La réaction ne produira que de l'isobutène par élimination.

C

CH3

H3C BrCH3

SN

HO-

CH3

C

CH2

H3C

H

Br

HO-

E2 H2O+ + Br-

C CH2

H3C

H3C

L'encombrement stérique des trois méthyles réduit la possibilité de substitution d'ordre 2.

La base étant forte , l’élimination est d’ordre 2. Cette réaction est plus rapide qu'une éventuelle SN1.

Ex 3 : Halogénure tertiaire avec H2O, base moins forte:

Comme la base n’est pas forte, l’E2 n’est pas efficace et la dissociation peut se faire, en donnant le carbocation. Ce dernier est l' intermédiaire commun de E1 et SN1.

C

CH3

BrCH3

H3CC

CH3CH3

CH3

+

+ Br-

SN1H2O

H2OE1

(CH3)3C OH

H

+(CH3)3COH

+ H3O+H2O

H3OC CH2

H3C

H3C+

+

Il y a compétition : SN1 (80%) et E1 (20%)

Pour pouvoir choisir entre la substitution et l’élimination, il faudrait pouvoir corréler: - la force du nucléophile qui favorise la substitution. - la basicité du nucléophile qui favorise l’élimination.

La basicité du nucléophile s’exprime en termes de pKb, valeur thermodynamique.

La force du nucléophile ou nucléophilie peut être exprimée en comparant les vitesses de deux réactions de SN2.

CN-+ CH3CH2Cl CH3CH2CN + Cl

-

I- CH3CH2I+ CH3CH2Cl + Cl

-

La réaction donnant l’iodoéthane est plus rapide que l’autre: l’anion iodure est plus nucléophile que le cyanure.

n = nucléophilie relative (rapport des constantes de vitesses de réactions SN2)

La nucléophilie est la plus forte pour la base la plus faible. -10.7 -24.7 I- 7.4 x x

-7.7 -21.7 Br- 5.8 x x

-5.7 -19.7 Cl- 4.4 x x

3.5 -10.5 F- 2.7 x x

Nucléophile Nucléophile Base

Fort Forte Faible Faible log n log Kb

Nucléophile

pKa

Acide conjugué

-30-25-20-15-10

-505

10

I-

Br-

Cl- F-

Nucléophiles

log n log Kb

La nucléophilie est la plus forte pour la base la plus forte.

!!! Les nucléophiles comparés font partie d’une série très homogène de nucléophiles oxygénés !!! 15.7 1.7 OH- 6.5 x x

15.7 1.7 CH3O-

6.3 x x

9.9 -4.1 C6H5O-

5.8 x x

4.7 -9.3 CH3COO-

4.3 x x

-1.7 -15.7 CH3OH 0 x x-1.7 -15.7 H2O 0 x x



Nucléophile

pKa

Acide conjugué

-20

-15

-10

-5

0

5

10

OH-

CH3O-

C6H5O-

CH3COO-

CH3OH

H2O

Nucléophiles

log n log Kb

Lorsque les nucléophiles appartiennent à diverses catégories, (O,N, S, X, etc) il n’y a plus de corrélation nucléophilie / basicité.



Nucléophile

pKa

Acide conjugué

10.5 -3.5 CH3CH2S- >10 x x6.5 -7.5 C6H5S

-9.9 x x

-10.7 -24.7 I- 7.4 x x9.3 -4.7 CN- 6.7 x x10.7 -3.3 (CH3CH2)3N 6.7 x x15.7 1.7 OH- 6.5 x x15.7 1.7 CH3O

-6.3 x x

-7.7 -21.7 Br- 5.8 x x9.9 -4.1 C6H5O

-5.8 x x

9.5 -4.5 NH3 5.5 x x-5.7 -19.7 Cl- 4.4 x x4.7 -9.3 CH3COO

-4.3 x x

3.5 -10.5 F- 2.7 x x-1.7 -15.7 CH3OH 0 x x-1.7 -15.7 H2O 0 x x

-30-25-20-15-10

-505

1015

CH

3CH

2S-

C6H

5S- I-

CN

-

(CH

3CH

2)3N

OH

-

CH

3O-

Br-

C6H

5O-

NH

3

Cl-

CH

3CO

O-

F-

CH

3OH

H2O

Nucléophiles

log n log Kb

Pour l’aide au "diagnostic" entre les substitutions et éliminations:

Nucléophile Nucléophile Nucléophile Nucléophile Substrat faible fort très basique très basique

Base faible Base faible encombré

CH3X (SN2) SN2 SN2 SN2

Primaire (SN2) SN2 SN2 et E2 E2 > SN2Secondaire SN1 E1 SN2 E2 > SN2 E2

Tertiaire SN1 E1 SN1 E1 E2 E2

Exemple CH3OH CH3CH2S- CH3O- (CH3)3CO-

La réaction peut dépendre de la base ou du nucléophile utilisé : un groupe (CH3)3O- peut donner l’élimination seule alors que CH3O-, base comparable mais moins encombrée, donnera plus de substitution.

La concentration d�un réactif et la température peuvent aussi être des paramètres importants:

Soude diluée à T° ambiante : surtout substitution Soude concentrée et en chauffant : élimination

Un carbocation ne peut pas survivre sur un carbone primaire.

Les substrats benzyliques ou allyliques fonctionnent comme des substrats secondaires ou tertiaires. (!!! Souvent, l'élimination est impossible pour ces substrats).

6. Le groupe sortant

5. Compétition substitution et élimination 4. Réactions d'élimination : E1 et E2





Substitution ou élimination : il faut un bon groupe sortant

La qualité de bon groupe sortant d'un anion peut être corrélée avec plusieurs de ses propriétés:

une électronégativité élevée est favorable: Cl- est un bon groupe partant

une stabilisation par résonance élevée CH3-SO3

- est un bon groupe partant

une faible force de liaison entre l'atome chargé et le carbone F- est un mauvais groupe sortant (malgré sa forte électronégativité)

On voit que le dernier critère (force de la liaison) contrecarre le premier (électronégativité): il peut donc être difficile de caractériser clairement le groupe sortant.

Un autre critère: l'acidité de l'acide conjugué de l'anion permet d'évaluer plus facilement l'efficacité d'un anion en tant que groupe sortant.

HI est l'acide le plus fort et HF le plus faible

RSH, H2O et ROH sont acides faibles

Les acides sulfoniques (RSO3H) sont forts L'acide acétique (CH3COOH) est faible

RNH2 et RCH3 ne sont pas des acides

H3O+ est acide fort

I- > Br- > Cl- > F-

CF3-SO3- > CH3SO3

- > CH3COO-

R-NH- et RCH2- ne sont pas groupes sortants

La protonation transforme un OH (mauvais groupe sortant) en OH2

+ (bon groupe sortant)

RS-, OH- et RO-: mauvais groupes sortants







7. Carbocations et réarrangements cationiques

- SN1 et E1 - Addition de HX sur alcène (Markovnikov) - Alkylation électrophile des aromatiques

passent par un carbocation.

Le carbocation peut:

Plusieurs réactions

- additionner un nucléophile (SN1 ou addition de HX). - perdre un proton (E1). - se réarranger (transposition de Wagner-Meerwein).

Le réarrangement de Wagner Meerwein se fait par migration d’ hydrure ou de groupe alkyle.

Migration d’hydrure:

Cation secondaire Cation tertiaire (plus stable)

Le réarrangement fonctionne si le nouveau cation formé est plus stable que le précurseur.

C CCH3

H

CH3

H

H3C+

C C

H

CH3H

H3C

H3C

+

Migration de groupe alkyle

C CCH3

H

CH3

H3C

H3C+

C C

CH3

CH3H

H3C

H3C

+

: Migration d’hydrure


Exemple de réarrangement dans l�alkylation de Friedel Crafts

CH3C

CH3CH2Cl

CH3

AlCl3+

CH3C

H3CCH2CH3 AlCl4

-+

CH3C

CH3CH2Cl

CH3AlCl3

+

CH3C

CH3

CH2+ Al Cl4

-

CH3 carbocation primaire: ne peut pas survivre

CCH3CH3CH2CH3 + HCl

produit réarrangé

Exemple de réarrangement dans une SN1

Br+

+ Br-

+CH3OH

OHCH3+OCH3

-H+

8. Préparation des halogénoalcanes








Rappel : méthodes déjà rencontrées :

CH3C

CH3

CH3

CH3hνCl2

CH3C

CH3

CH3

CH2Cl HCl

Halogénation directe d’alcanes

CH2 CH2 HCl CH3CH2Cl

Addition de HX sur alcènes

CH3CH2 CH2 Br2 CH3CHBrCH2Br

Addition de X2 sur alcènes

Synthèse au départ d'alcools

ROHSOCl2 RCl

HClCH2CH2CH2OH

H2OCH2CH2CH2Cl

9. Organométalliques : réactif de Grignard 8. Préparation des halogénoalcanes








Les composés organométalliques comportent un métal lié à un ou plusieurs carbones.

CH3C C:- Na+ CH3MgCl CH3O

- Na+

Définition

Préparations

LiCl CH3:- Li+CH3ClLi2

Mg CH3CH2Br CH3CH2MgBr

Réaction d'alcynes avec une base forte

Métal + haloalcane

CH3 C C:- Na+Na+ NH2

-CH3 C CH + + NH3

- Avec Li, Na, K : la liaison a un caractère ionique prononcé. Il s'agit de composés très réactifs et difficiles à faire

La liaison C-M

δ (-) δ (+) CH3 MgBr

- Avec Mg : la liaison n'est que partiellement ionique. RMgBr : Réactif de GRIGNARD

(-) (+) :CH3

Li

La préparation se fait dans l'éther anhydre : on peut dissoudre du Mg dans l'éther sec s’il contient un halogénoalcane ou un halogénoaromatique.

Réactif de Grignard : intérêt en synthèse

Il y a insertion du magnésium entre le carbone et l'halogène.

Iodométhane Iodure de méthylmagnésium

CH3I Mg éther+ CH3MgI

Bromobenzène Bromure de phénylmagnésium

Br

Mg éther+

MgBr

L'éther est un solvant indispensable pour cette préparation :

OCH3CH2 CH2CH3

Mg BrCH3

OCH3CH2 CH2CH3

Il y a stabilisation du réactif de Grignard par coordination du magnésium avec le solvant.

δ (-) δ (+) CH3 MgBr

Utilisation pour le marquage au deutérium

Le réactif de Grignard se comporte comme un carbanion (base) et comme nucléophile.

CH3 MgX H OH CH4+ + MgX

OH

Br

CH3

Mg éther+

MgBr

CH3

D2O

D

CH3

+ MgBr

OD

10. Les composés halogénés et l'environnement 9. Organométalliques : réactif de Grignard 8. Préparation des halogénoalcanes








Les polyhalogénoalcanes ou polyhalogénoaromatiques (les "halocarbones" des journalistes) ont et à juste titre une réputation de composés toxiques. Leur place dans la synthèse organique et l'industrie chimique en général les rend cependant incontournables.

Leur toxicité est à relativiser en fonction : - du degré d'exposition - de la nature du composé chloré (tétrachloroéthylène, chloroforme) - du fait qu'ils représentent des intermédiaires que normalement on ne conserve pas comme tels !!!!

!!!! Dans une discussion qui concerne la toxicité, il est bon de rappeler que l'oxygène, vital pour notre existence, est aussi notre mortel ennemi puisque dès que nous commençons à le respirer, nous sommes condamnés à en mourir!!!!

CCl4 (tétrachlorure de carbone) : solvant des graisses. (détachant)

HCCl3 (chloroforme) : solvant et anciennement anesthésique remplacé par halothane (CF3CHClBr). CH2Cl2 (dichlorométhane ) : solvant.

Polyhalométhanes :

Polychloroéthylènes (tri et tétra) :

CHCl=CCl2 CCl2=CCl2 : solvants de nettoyage industriel

Polymère de tétrafluoroéthylène : un exemple d'usage totalement inoffensif de composé polyhalogéné.

n CF2 CF2 CF2 CF2 nTéflon :

Gaz ou liquides très volatiles, inertes et ininflammables, utilisés comme agents de réfrigération (conditionnements d'air et frigos) et propulseurs d'aérosols. !!! Inertes en conditions atmosphériques mais photo-clivables dans la haute atmosphère !!! Les espèces réactionnelles issues de ce clivage photochimique sont responsables (dans l'état actuel des connaissances) de destructions périodiques (en hiver) et locales (en arctique et antarctique) de la "couche d'ozone".

Fréons : chlorofluorés à 1 ou 2 carbones

CCl3F (11) CCl2F2 (12) CClF3 (13) CF4 (14)

Les insecticides :

CH

CCl3

Cl Cl

DDT Dichlorodiphényltrichlroéthane

Produit aujourd'hui interdit...... mais qui a tout de même sauvé l'Europe de famine lors de la dernière guerre mondiale.

Les herbicides :

Acide 2,4 dichlorophénoxyacétique

Cl

Cl

OCH2COOH

2,4-D

Cl

Cl

OCH2COOH

Cl

Acide 2,4,5 trichlorophénoxyacétique

2,4,5-T

Cette molécule est un produit formé en faibles quantités (impureté) lors de la fabrication des herbicides précédents et de certains produits de structure analogue. Cette molécule, relâchée accidentellement pendant une fabrication du 2,4-D à Seveso en 1976, s'est révélé comme agent toxique lors des campagnes de défoliation par l'agent Orange (2,4,5-T) au Vietnam. Elle est invoquée en permanence mais pas toujours à bon escient, lorsqu'on parle du traitement des déchets par incinération.

2,3,7,8-tétrachlorodibenzodioxine

O

O Cl

Cl

Cl

Cl

Documents

CH 7. Composés halogénés et organométalliques