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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
Mécanismes réactionnels
Thermodynamique des Réactions Chimiques (2)
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
Mécanismes réactionnels
Thermodynamique des Réactions Chimiques (3)
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
Mécanismes réactionnels
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‡
¢G‡f =�RT lnk f ¢G‡
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
‡
¢G‡f =�RT lnk f ¢G‡
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). L´ensemble 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 l´intermédiaire réactionnel est l´étape cinétiquement déterminante. • l´intermédiaire 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
128
4.2 Substitutions Nucléophiles (Réactions SN)
“Chimie Organique” de Paul Arnaud: chapitre 26, pp 609-618
“Chimie Organique” de Paul Arnaud: chapitre 13, pp 305-312
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 qu´intermédiaire réactionnel • la formation de l´intermédiaire est énergétiquement défavorable; c’est l´étape déterminante • Un bon groupe partant et un carbocation stable diminuent l´énergie de l´intermédiaire
‡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 d´un groupe partant est l´inverse de la basicité de l´anion 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
Mécanismes réactionnels
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
Mécanismes réactionnels
• 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
mécanisme réactionnel
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
mécanisme réactionnel
réaction nette
migration de proton
4.4 Additions Électrophiles sur Liaisons Multiples
“Chimie Organique” de Paul Arnaud: chapitre 9, pp 217-232
“Chimie Organique” de Paul Arnaud: chapitre 26, pp 619-621
• 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
“Chimie Organique” de Paul Arnaud: chapitre 12, pp 283-295
• 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
• l´addition électrophile amène la perte de l´aromaticité, ce qui est énergétiquement défavorable • la substitution électrophile rétablit l´aromaticité
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
176
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
180