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Chimie organique 3 :
Mécanisme AN + E sur acides carboxyliques et groupes dérivés
Les acides carboxyliques et les groupes fonctionnels qui en dérivent sont fréquemment rencontrés dans les synthèses organiques. La préparation des fonctions dérivées à partir des acides carboxyliques est généralement renversable. Cette caractéristique en fait un bon moyen de protéger temporairement le groupe fonctionnel acide carboxylique.
L’hydrolyse d’un dérivé d’acide forme l’acide carboxylique correspondant : La chaîne carbonée reste exactement la même : même nombre de C, associés de la même façon.
Expl :
Dans la vie courante, de nombreux esters sont utilisés en parfumerie. La fonction amide constitue la liaison peptidique qui sert à lier entre eux les acides aminés dans les protéines. Ce chapitre s’intéresse essentiellement à la préparation des dérivés des acides carboxyliques et à leur hydrolyse. Deux compléments seront faits : étude de couple acide/base des acides carboxyliques et leur réduction par les donneurs d’hydrures.
Acide carboxylique
Préparation
Hydrolyse
Dérivé d’acide
-2-
OH
O HO
O O
OH
1. Groupes caractéristiques, Nomenclature
- Différence entre groupe carboxyle et fonction acide carboxylique:
- Nomenclature : La chaîne carbonée la plus longue (en comptant le carbone de la fonction) donne le nom de l’acide. Le
carbone fonctionnel correspond nécessairement à l’atome numéroté 1.
Acide 3-méthylbutanoïque Acide propanedioïque
- Fonctions dérivées des acides carboxyliques = préparées à partir des acides carboxyliques :
Fonctions dérivées
Groupe caractéristique
Exemple Nomenclature
Ester
O
OC
C 2
1
O
1
O
3
Alcanoate d’alkyle
Propanoate de méthyle
Amide
O
NC
2
1
NH
1
O
N-alkylalcanamide
N-méthylethanamide
Chlorure d’acyle
O
ClC 2
1
Cl
O
3
Chlorure d’alcanoyle
Chlorure de 2-méthylpropanoyle
Anhydride d’acide
O
O
O
C C 2
1
O1
O O
2
Anhydridealcanoïque
Anhydride éthanoïque
Nitrile NC C 2
13
N4
Alcanenitrile
3-méthylbutanenitrile
- Formule générale des dérivés d’acides (hors nitriles) :
Groupe caractéristique carboxyle Fonction acide carboxylique
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O
O
O
O
O
O
O
O
2. Etude générale des acides carboxyliques et des dérivés d’acides
2.1. Propriétés physiques
a) Géométrie
- Acide carboxylique : Environnement AX3 autour du carbone fonctionnel Géométrie localement plane
- Ion carboxylate (base conjuguée de l’acide carboxylique) : même géométrie Trigonale plane
Les 2 liaisons C−O sont identiques
La charge négative est délocalisée
b) Polarité
- Acide carboxylique = Groupe carboxyle très polaire
Liaison H : possible et très forte
Bonne solubilité dans l’eau (miscibilité totale jusqu’à 5 atomes de C) et dans les solvants polaires
- En phase condensée ou dans un solvant aprotique : existence de dimères d’acides carboxyliques
O
O H O
OH
- Beaucoup de dérivés d’acides sont polaires.
- Application : Les savons sont des carboxylates (à longue de chaîne carbonée R) de potassium (R-COO-,K
+) ou de sodium
(R-COO-,Na
+). Composés amphiphiles : une partie est hydrophile (groupe carboxylate polaire + possibilité de liaison
hydrogène), une partie est lipophile (chaîne carbonée : interaction de London).
Les parties lipophiles se « lient » à la tache grasse par des interactions de type London, les parties hydrophiles étant orientées vers l’extérieur (schéma 1). Grâce à une action mécanique (manuelle ou machine), la tâche se décolle du tissu : on obtient alors une micelle, c’est-à-dire une entité sphérique constituée en surface d’agents tensio-actifs. Cette micelle est soluble dans l’eau, contrairement à la tache grasse, puisque les têtes hydrophiles sont orientées vers l’extérieur.On aboutit alors lors du rinçage à l’évacuation de la tache grasse avec les eaux usées.
eau savonneuse
tâche de graisse
tissu
eau savonneuse
micelle de graisse
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2.2. Propriétés spectroscopiques
- Spectroscopie IR :
Bande très élargie entre 2800 et 3300 cm−1
Vibration d’élongation de la liaison O-H
Bande fine et intense entre 1700 et 1730 cm−1
Vibration d’élongation de la liaison C=O
- Spectroscopie RMN : Signal vers = 10−12 ppm Proton –COOH très déblindé
2.3. Réactivité des acides carboxyliques
- Trois sites remarquables chez les acides carboxyliques : un site électrophile, un site basique et un site acide
- Acidité :
o Ordre de grandeur :
pKA du couple des acides aliphatiques :
Expl :
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o Pourquoi le H des acides carboxyliques est-il beaucoup plus acide que celui des alcools ?
2.4. Réactivité comparée des dérivés d’acides vis-à-vis des nucléophiles
- Mécanisme-type d’addition + élimination AN + E d’un nucléophile sur un dérivé d’acide :
O
Z
+ Nu
O
Z
Nu
O
Nu
+ Z
- Etude de la réactivité électrophile des dérivés d’acide :
Deux arguments à prendre en compte :
Charge partielle positive du carbone fonctionnel
Caractère nucléofuge de Z-
o Charge partielle positive du carbone fonctionnel :
Le groupement Z intervient par deux effets contradictoires
Effet mésomère donneur :
Comparaison effet inductif attracteur (– I) / effet mésomère donneur (+ M) :
Electronégativité
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Cas des anhydrides d’acides :
o Pouvoir nucléofuge de Z- :
L’expérience montre que pour se souvenir de la capacité d’un groupe à quitter facilement un site carboné (aspect nucléofuge), on peut se référer à la basicité du groupe partant. En général, plus le groupe partant est peu basique (pKA du couple faible), plus il part facilement.
pKA du couple de la base Z-
Ordre de réactivité des dérivés d’acides vis-à-vis de l’addition d’un nucléophile sur le carbone fonctionnel :
Cl
O
O
O
O
OH
O
NH2
O
CN
Réactivité vis-à-vis des
Nitriles Amides Acides Anhydrides Chlorures nucléophiles Carboxyliques d’acides d’acyles
Conséquences :
o Chlorures d’acyles et anhydrides d’acides réagissent à froid et sans catalyseur.
o Acides carboxyliques, Esters, Amides et Nitriles réagissent uniquement à chaud avec catalyse acide.
- Catalyse acide : principe de l’assistance électrophile (rappel) : A utiliser uniquement si :
o Le nucléophile est faible (alcool, eau typiquement), o Ou si le dérivé d’acide n’est pas un bon électrophile (bref, tous sauf les chlorures d’acyle et les anhydrides)
H
OH
O H
OH
O
+
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3. Préparation des dérivés d’acides
3.1. Préparation des esters à partir des acides carboxyliques
La préparation des esters à partir des acides carboxyliques est couramment appelée estérification de Fischer.
Expl :
- Quatre caractéristiques de la transformation :
Caractéristique Conséquence
Athermique
Lente
Renversable
Limitée
- Mécanisme de l’estérification de Fischer :
La réaction est renversable : n’oubliez pas de mettre des doubles flèches : ⇆
Activation électrophile de l’acide carboxylique par le catalyseur acide,
Addition nucléophile de l’alcool sur l’acide carboxylique activé,
Prototropie pour permettre l’élimination d’eau et la reformation de la double liaison C=O,
Régénération du catalyseur pour former l’ester.
Equation de l’estérification de Fischer :
-8-
- Avec quels alcools ?
3.2. A partir des chlorures d’acyle : acylation des alcools
- Correction des problèmes de l’estérification à partir des acides carboxyliques :
Catalyse acide non nécessaire car les chlorures d’acyles sont d’excellents électrophiles.
- En pratique : On introduit dans le réacteur une base comme la pyridine (soluble en milieu organique) pour empêcher la formation de HCl (chlorure d’hydrogène), gaz toxique.
Equation de l’acylation des alcools :
A partir des acides carboxyliques :
Lent
Limitée
Catalyse acide nécessaire
A partir des chlorures d’acyle :
Rapide
Quasi-totale
Pas de catalyse
-9-
- Expl :
- Mécanisme de l’acylation des alcools :
Addition nucléophile de l’alcool sur le chlorure d’acyle (sans activation)
Elimination de Cl-qui permet la reformation de la double liaison C=O
Déprotonation du composé pour obtenir l’ester
- Avec les anhydrides d’acide : Les anhydrides d’acide sont également des composés intéressants pour réaliser l’estérification des alcools avec un bon rendement.
+ OHOCOR'
O
OH
O
O
O
R'
R'
O
O
O
O
H
+
O
O
H
N+
O
O
+N
H
3.3. Formation des amides
Pas de réaction possible avec les amines tertiaires.
Par bien des aspects, les alcools et les amines ont des réactivités similaires. On envisage donc d’abord de former les amides par réaction directe avec les acides carboxyliques (comme pour fabriquer les esters par réaction entre les acides carboxyliques et les alcools). Ensuite, on propose par analogie, la réaction d’acylation grâce aux chorures d’acyles.
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- Méthode à partir des acides carboxyliques: ça ne marche pas vraiment !
o Réaction à basse température : Réaction acide-base
Alcools et amines sont tous deux nucléophiles (doublet non liant sur O et N). Les amines sont mêmes de meilleurs nucléophiles que les alcools.
Cependant, la réaction acide (acide carboxylique) + base (amine) se déroule plus vite : la formation « directe » d’amide est donc impossible à partir des acides carboxyliques.
o Réaction à plus haute température : Réaction de formation d’amide
Seul un chauffage fort et une forte pression permettent d’inverser le sens de réaction acido-basique favorable (le sens direct exothermique devient défavorable à plus haute température). La réaction acide-base entre l’acide et l’amine s’inverse : les deux réactifs peuvent donc former l’amide. Cette méthode n’est donc pas utilisée.
- Méthode à partir des chlorures d’acyle = Acylation= LA méthode
L’utilisation d’une autre base pour éviter la formation de HCl n’est pas toujours utile, car l’amine en excès peut jouer le rôle de base pour capter l’ion H
+ (à condition d’en introduire deux équivalents : un qui agit en tant que nucléophile,
l’autre qui agit en tant que base).
- Mécanisme de l’acylation des amines :
Addition nucléophile de l’amine sur le chlorure d’acyle (sans activation)
Elimination de Cl-qui permet la reformation de la double liaison C=O
Déprotonation du composé pour obtenir l’amide
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O
NH HCl
O
N
HHNH
2
O
ClCl
O
NH H
NN
HO
NH
+ +
+ +
Commentaires :
- Avec les anhydrides d’acides : Même chose qu’avec les chlorures d’acyle.
3.4. Formation des autres dérivés (uniquement les bilans réactionnels)
a) Chlorures d’acyles
Formés à partir des acides carboxyliques, en utilisant un agent chlorant qui agit de la même façon que sur les alcools, en
remplaçant –OH par –Cl :
- Utilisation du chlorure de thionyle SOCl2 (chauffage) :
O
OH + SOCl2
O
Cl + SO2(g) + HCl(g)
Intérêt : Les sous-produits non désirés (SO2 et HCl sont gazeux : ils quittent le milieu sans qu’il ne soit nécessaire de réaliser une opération de séparation)
- Utilisation de chlorures de phosphore PClx :
O
OH + PCl3
O
Cl
+ POCl3 + HCl(g)
3 3 + P(OH)3
O
OH + PCl5
O
Cl
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b) Anhydrides d’acides
- Préparation par déshydratation de deux molécules d’acide carboxylique :
o On peut chauffer l’acide en éliminant l’eau au fur et à mesure de sa formation (réaction analogue à
l’estérification : une molécule d’acide carboxylique joue le même rôle qu’un alcool par son groupement –OH.
o Améliorer ce processus en utilisant un agent déshydratant comme l’anhydride phosphorique (P4O10) avec
chauffage
O
OHP4O10
O
O
O
+ H2O2
- Ou par réaction entre un carboxylate (nucléophile ici) et un chlorure d’acyle (électrophile) :
O
O
O
Cl, Na +
O
O
O+ Na , Cl
Remarque : Les anhydrides non symétriques n’ont aucun intérêt en synthèse organique. Une seule des « moitiés » sert. Si les deux sont différentes (anhydride non symétrique), on obtient un mélange de produits…
c) Nitriles
- On peut les former par déshydratation des amides primaires, en présence d’un déshydratant (anhydride phosphorique P4O10 par exemple), avec chauffage fort et élimination d’eau au cours de sa formation.
NH2
OP
2O
5NC + H2O
- Ou par SN2 par l’ion cyanure CN− sur un dérivé halogéné peu encombré (primaire ou secondaire) :
Cl C N
SN2
CN
+ Cl
- Constitue une méthode simple pour rajouter un atome de carbone à une chaîne carbonée
4. Hydrolyse des dérivés d’acide
En présence d’eau, tous les dérivés d’acides sont transformés en acides carboxyliques.
4.1. Sans catalyse acide : chlorures d’acyle et anhydrides d’acides
- Les chlorures d’acyle et anhydrides d’acide sont d’excellents électrophiles. Ils réagissent de façon totale avec l’eau qui ag it en tant que nucléophile.
→ A manipuler en milieu anhydre au risque de les détruire (hydrolyse)
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- La réaction d’hydrolyse fournit les acides carboxyliques correspondants (même chaîne carbonée) :
Cl
O H2O, 20 °C
- HCl OH
O
O
O O
OH
OH2O
2
4.2. Assistance pour les dérivés moins électrophiles (esters, amides, nitriles)
- Vue d’ensemble :
+
Deux solutions :
4.3. Hydrolyse basique des esters : la saponification
Deux erreurs fréquentes :
o HO- est ici un réactif et non un catalyseur (il n’est pas régénéré)
Equation de la saponification :
Ester/Amide/Nitrile
Mauvais électrophile
Eau
Mauvais nucléophile
Vitesse beaucoup trop faible !
1ère
solution : chauffage fort
2ème
solution : améliorer la réactivité d’un des réactifs
Améliorer le nucléophile → Remplacer H2O par HO
-
→ Hydrolyse basique
Activer l’électrophile → Travail en milieu acide
→ Hydrolyse acide
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o On obtient un carboxylate R-COO-. Le passage à l’acide R-COOH nécessite une réacidification du milieu.
Expl :Fabrication d’un savon à partir d’un corps gras (triglycéride) et de soude (cendres)
Caractéristiques de la saponification :
o Rapide (à condition de chauffer)
o Quasi-totale
- Mécanisme de la saponification :
Addition nucléophile de l’ion hydroxyde HO- sur l’ester (sans activation, car HO
- est assez nucléophile)
Elimination d’un alcoolate R’O-pour reformer la double liaison C=O
Réaction acide-base quasi-totale entre l’acide carboxylique et l’alcoolate R’O- (base forte)
OH
O
O
O
O
O
+ OH
O
OH
+
O
O
O
+
H
OH
O
O
+
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Pourquoi cette transformation est-elle totale contrairement à l’hydrolyse acide des esters ?
Remarque 1 : En remplaçant HO- par un alcoolate R’’O
-, on peut modifier sur l’ester R-CO-OR’, la partie provenant de l’alcool
R’OH par celle d’un alcool différent R’’OH. Cela s’appelle une transestérification.
O1
2
O
O1
O
1 O1
O
2
+ +
Remarque2 : L’hydrolyse acide des esters (réaction inverse de l’estérification de Fischer) est aussi possible, mais elle est limitée et lente. Un excès d’eau permet de déplacer l’équilibre dans le sens de la destruction de l’ester. Un chauffage et un catalyseur acide aident à améliorer la vitesse de la réaction. Malgré tout, on lui préfère souvent la saponification puis réacidification.
4.4. Hydrolyse acide des amides
- Condition opératoires :
o Se déroule en milieu acide pour activer l’amide (l’acide n’est pas régénéré en fin de réaction).
o Avec chauffage fort pour accélérer la réaction.
o On favorise la réaction dans le sens de l’hydrolyse en se plaçant en présence d’un grand excès d’eau.
- Equation de la réaction :
- Mécanisme de l’hydrolyse des amides :
Activation électrophile de l’amide par réaction avec un acide
Addition nucléophile d’eau sur l’amide activé
Echange de H+ intramoléculaire pour permettre l’élimination de l’amine et reformation de la liaison C=O
Déprotonation par l’amine formée pour obtenir l’acide carboxylique
O
NH2
+ H
O
NH2
HO
NH2
H
NH2
OH
OHH
O
NH2
H
+ OH2 NH3
O
OH
HO
OH
H
+ NH3
-16-
N+ H2O =
O
NH2
O
OH
H
+ NH3
O
OH
+ NH4
Remarque :L’hydrolyse basique des amides donne d’excellents rendements également.
4.5. Hydrolyse des nitriles
- Les nitriles aussi ! Le cocktail « eau + chauffage + milieu acide » permet de passer d’un nitrile à un acide carboxylique : la séquence fabrication d’un nitrile puis hydrolyse est donc une excellente voie de synthèse d’acides carboxyliques avec gain de 1 C :
Br CNO
OH
- Transformation en deux étapes :
o Hydratation du nitrile en amide primaire :
o Hydrolyse de l’amide en acide carboxylique (cf 4.3) :
- Mécanisme de l’hydratation du nitrile :
Le mécanisme de l’hydrolyse de l’amide intermédiaire, obtenu par cette hydratation, a déjà été vu en 4.3.
-17-
5. Synthèse malonique
5.1. Principe de la méthode
La synthèse malonique permet de former des acides carboxyliques à partir de dérivés halogénés, avec un gain de 2 C.
1
Br1
2
3OH
O
5.2. Etapes de la synthèse malonique
- Acide malonique :
Nom officiel : Acide propanedioïque
- 1ère
étape : Estérification de l’acide malonique
- 2ème
étape : Déprotonation par une base forte sur le carbone en α des doubles liaisons C=O
o Pourquoi ce H est-il si acide (pKA ≈ 13) ?
Comme pour les composés carbonylés, le H porté par l’atome de C en α du groupe C=O d’un dérivé d’acide carboxylique est acide car la base conjuguée est stabilisée par délocalisation de la charge (à condition que l’environnement obtenu soit localement plan).
o Quelle base forte pour déprotoner en alpha des groupes esters ? Surtout pas HO
- : Provoquerait une saponification (ou hydrolyse basique de l’ester)
-18-
On utilise :
Une base non nucléophile (NaH, LDA)
→ Pourquoi ?
Ou l’alcoolate correspondant à l’alcool de l’ester (EtO-,Na
+)
→ Pourquoi ?
Rappel : Comment former l’éthanolate de sodium ? (PCSI)
- 3ème
étape : Substitution Nucléophile bimoléculaire (SN2) de l’énolate sur un dérivé halogéné peu encombré
- 4ème
étape : Retour aux fonctions acide carboxylique : on utilise la séquence efficace : saponification puis acidification.
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- 5ème
étape : Décarboxylation (élimination de CO2 par départ d’un des groupes acide carboxylique) : un chauffage suffit !
6. Réduction des esters par LiAlH4
- Réducteur : LiAlH4 (tétrahydruroaluminate de sodium) dans l’éther anhydre
Pourquoi pas NaBH4 dans l’éthanol ? Pourquoi LiAlH4 est-il manipulé dans l’éther anhydre ?
- Exemple : Réduction du benzoate de méthyle par LiAlH4 :
Spectre IR du réactif :
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Spectre IR du produit :
Quels changements sont observés au niveau des bandes caractéristiques des spectres IR ?
Action de LiAlH4 dans le THF sur les esters :
