1
D. Deffieux
1. Généralité, mécanisme
- réactions très courante de la chimie des composés aromatiques.- le cycle aromatique se comporte comme un nucléophile qui attaque un électrophile.- mécanisme général : formation d’un complexe sigma suivie d’une élimination qui restore l’aromaticité du cycle. E+ : électrophile ; B- : base
complexe sigma (σ) stabilisé
par résonance
II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
Intermédiaire de Wheland
E+
H
E
H
E
H
E
E
B-
2
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
2. Réactions d’halogénation du benzène2.1 Bromation
- le brome seul n’est pas suffisamment réactif pour induire une SEA ; un acide de Lewis doit lui être associé.
- la première étape est la formation du complexe Br2-FeBr3.
Br2
FeBr3
Br
+ HBr + FeBr3
Br Br FeBr3+ Br Br FeBr3
!-!+
3
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
2. Réactions d’halogénation du benzène2.1 Bromation
- la formation du complexe sigma est l’étape cinétiquement déterminante.- cette étape est endothermique, mais la réaction dans son ensemble est exothermique
- le complexe « Br2-FeBr3 » est alors l’électrophile
Étape lente Étape rapide
H
BrBr
FeBr3
Br2
H
BrBr
FeBr4-
+Br Br FeBr3
!-!+
Br- + FeBr3
+ HBr
+ FeBr3
4
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
2. Réactions d’halogénation du benzène2.1 Bromation
ETET
coordonnées de la réaction
énergie
FeBr3
Br2
H
Br+ FeBr4
-
Br
+ HBr + FeBr3
5
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
2. Réactions d’halogénation du benzène2.2 Chloration- mécanisme similaire à celui de la bromation. - l’acide de Lewis AlCl3 est utilisé comme catalyseur
2.3 Iodation- mécanisme différent HNO3 est ici un initiateur et non un catalyseur
- l’ion iodonium est formé à partir de l’acide nitrique
Cl2
AlCl3
Cl
+ HCl + AlCl3
I2
HNO3
I
+ NO2 + H2O
2 H+ + 2 HNO3 + I2
2 I+ + NO2 H2O
6
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
3. Nitration du benzène
- l’acide nitrique réagit avec l’acide sulfurique pour conduire à l’ion nitronium qui est l’espèce électrophile active dans cette réaction
- si l’acide nitrique est utilisé seul, la nitration du benzène est une réaction lentel’ajout d’acide sulfurique augmente la cinétique de cette réaction
L’ion nitronium
HNO3
H2SO4
NO2
+ H2O
N
O
O OH
S OHO
O
O
H N
O
O OH2
S OHO
O
O
O N O + H2O
7
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Sulfonation du benzène
- dans le cas présent la vitesse de déprotonation est du même ordre de grandeur que la vitesse de formation de l’intermédiaire de Wheland. C’est ce qui permet à la réaction d’être réversible
- l’électrophile semble être dans la plus part des cas le trioxyde de soufre SO3 qui provient soit de l’acide sulfurique pur soit d’oléum
Acide sulfonique
SO3
H2SO4
SO3H
+ H2O
SO3H2SO4
SO3H
+
!
8
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Alkylation de Friedel et Crafts (1877)
AlAl22ClCl66
Al
Cl
Cl
Cl
ClAl
Cl
Cl
9
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Alkylation de Friedel et Crafts
- Le réactif alkylant le plus souvent utilisé est le chlorure d’alkyle RCl ou plus généralement l’halogénure d’alkyle RX
- il n’est pas certain que le carbocation soit formé dans tous les cas, car le complexeIntermédiaire peut également jouer le rôle d’électrophile.Les nombreux réarrangements de Wagner-Meerwein accompagnant cette réaction plaident cependant en faveur d’un carbocation
- formation de l’électrophile
AlCl3R
+ HX+ RX
X = Cl, Br, I
R Cl AlCl3 R Cl AlCl3 R+ + AlCl4
-
10
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Alkylation de Friedel et Crafts (1877)
- Le réactif alkylant peut provenir de la protonation d’un alcool ou d’une double liaison
- mécanisme de la réaction
- dans la dernière étape, le proton est fixé par la base la plus forte du milieu, soit AlCl4-
lorsqu’on utilise RCl + AlCl3. On a alors formation d’HCl et régénération d’AlCl3
R+ + H2OR OH + H
+R OH2
+
+ H+
H+
H
RR
+ H+
R+
11
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Alkylation de Friedel et Crafts (1877)
- Intérêt et limites de la réaction-L’intérêt évident est le branchement de chaîne carboné sur le noyau aromatique.Cette chaîne latérale peut éventuellement par oxydation être convertie en groupe COOH.On peut, par exemple, utiliser le permanganate de potassium
-Trois limitations, les deux dernières étant les plus sérieuses
1) la réaction ne marche qu’avec le benzène, les halogénobenzènes et les cycles aromatiques activés2) les électrophiles sont des carbocations qui ont tendance à se réarranger3) des polysubstitutions sont généralement obtenus
H
R
R'
O
OHK+ MnO4
-
12
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Alkylation de Friedel et Crafts
- Intérêt et limites de la réaction
Réarrangement du carbocation intermédiaire
+ CH3C CH
CH3
H
Cl
CH3AlCl3
C
CH3
CH
H3C H
CH3+ AlCl3 + HCl
CH3
C
CH3
CH2 CH3
CH3C CH
CH3
H
Cl
CH3AlCl3
CH3C CH
CH3
H CH3
CH3C CH2
CH3
CH3
13
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Alkylation de Friedel et Crafts (1877)
- Intérêt et limites de la réaction
-les groupes alkyle sont donneurs et renforcent donc la nucléophilie du cycle aromatique.Les substitutions successives sont plus rapides que la première.
Comment obtenir le propylbenzène ?
CH2H3C
AlCl3
CH2CH3
CH2CH3
Cl
+SEA
CH2CH3
CH2CH3
H3CH2C
+SEA benzènes
trisubstitués
CH2CH2CH3
14
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Acylation de Friedel et Crafts- l’acylation est la fixation d’un groupe acyle R-C=O sur le cycle et peut s’effectuer le plus souvent à partir du chlorure d’acyle ou de l’anhydride d’acide en présenced’un catalyseur acide de Lewis
- un excès d’AlCl3 est nécessaire due à la basicité de la cétone formée
AlCl3++
O
ClR
O
R
O
OR
O
R
HCl
RCOOH
ouou
O
R H20 / H+
O
R
AlCl3
+ Al3+
+ 3 Cl-
15
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Acylation de Friedel et Crafts
- formation de l’ion acylium
- mécanismeIon acylium
AlCl3+
O
ClR
O
R
O
R
AlCl4-
AlCl3 +
O
OR
O
OR
O
R
O
RAlCl3
O
R
O
R
H
+ H+
O
R
O
R
16
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Acylation de Friedel et Crafts
- intérêt : l’ion acylium ne se réarrange pas, contrairement au carbocation classique.Le groupe acyle est électroattracteur, il désactive le cycle et évite la polyacylation.Cette réaction permet de synthétiser indirectement des alkylbenzènes.
Réduction de Clemmensen
CH2CH2CH3
AlCl3++
O
CH2CH3Cl
O
CH2CH3HCl
Zn(Hg)
O
CH2CH3
HCl
CH2CH2CH3
17
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Acylation de Friedel et Crafts
- Réaction de formylation de Gatterman-Koch
- il semblerait que le mécanisme fasse intervenir la formation du chlorure de formylequi est ensuite converti en cation formyle
O
HCO, HCl
CuCl, AlCl3pression
CO + HCl
O
Cl H
AlCl3
CuCl
O
H
+ AlCl4-
18
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
4. Acylation de Friedel et Crafts
Comment synthétiser ?
AlCl3+ O
O
O
O
O
OAlCl3
Zn(Hg)
HCl
O
OH
SOCl2
O
Cl
AlCl3
O
Zn(Hg)
HCl
19
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
5. Polysubstitutions
- Lorsque l’on introduit un second substituant sur un cycle déjà substitué,deux problème se posent :
1) La réaction est-elle favorisée ou défavorisée par la présence du substituant ? Ce problème est celui de l’activation
2) Où se fixe le second substituant ? Ce problème est celui de l’orientation
- On constate expérimentalement que la réponse à ces deux questions est peu dépendantedu substituant entrant (E) et dépend essentiellement du substituant fixé (Y).
YE+Y
E
20
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
5. Polysubstitutions5.1 nitration du toluène - effet des substituants alkyles
-le toluène régit 25 fois plus vite que le benzène
-la réaction donne trois produits dont deux sont majoritaires
p-nitrotoluène57%
m-nitrotoluène3%
o-nitrotoluène40%
-le groupe méthyle est un groupe activant.-si la nitration était statistique nous aurions la distribution suivante20:40:40 - para:méta:ortho. Le groupe méthyle est donc ortho, para orienteur.
CH3
O2N
CH3 CH3
NO2
NO2
21
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
5. Polysubstitutions5.1 nitration du toluène - effet des substituants alkyles
Nature du contrôleGénéralement, les SEA sont non renversables ce qui implique un contrôle d’ordrecinétique.Les proportions des différents régioisomères obtenus sont donc déterminées parles constantes de leurs vitesses de formation.
Etape déterminanteL’étape déterminante est la formation de l’intermédiaire de Wheland.D’après le postulat de Hammond, ces vitesses peuvent être comparées en comparantles stabilités des intermédiaires de Wheland.
ConclusionL’orientation de la réaction sera donc déterminée par la stabilité relative des différents intermédiaires de Wheland. De même, l’effet du substituant sur la vitesse sera fonction de son influence sur la stabilité de l’intermédiaire.
22
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
5. Polysubstitutions5.1 nitration du toluène - effet des substituants alkyles
ET
coordonnées de la réaction
énergie
Toluène + HNO3
Complexe σ conduisant au composé méta
Complexes σ conduisant aux composés para et ortho
H
NO2
+
H NO2
NO2
H
23
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
5. Polysubstitutions5.1 nitration du toluène - effet des substituants alkyles
o
m
p
Carbocations tertiaires
CH3
CH3
+
NO2H
NO2
H
CH3CH3
H
NO2
CH2
CH3
NO2H
NO2
H
CH3
H
NO2
CH3
CH3
NO2H
NO2
H
CH3
H
NO2
HNO3
H2SO4
24
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
5. Polysubstitutions5.2 Généralisation
ET
coordonnées de la réaction
énergie
Les substituants peuvent être classés en trois groupes :
- activant, ortho, para directeur
- désactivant, méta directeur
- désactivant, ortho, para directeur
25
D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)
5. Polysubstitutions5.3 Groupes activants, ortho para orienteurs
- Les groupes alkyles
- Les groupes alkoxyles (méthoxyle)
La nitration de l’anisole est 100 000 fois plus rapide que celle du benzène
ET
CH2CH3
Br2
FeBr3
CH2CH3 CH2CH3
CH2CH3
Br
BrBr
38% 62%< 1%
OCH3
HNO3
H2SO4
OCH3 OCH3
OCH3
NO2
NO2NO2
45% 55%< 1%
26
D. Deffieux
o
m
p
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.3 Groupes activants, ortho para orienteurs
II. Réactions de substitution aromatique
27
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.3 Groupes activants, ortho para orienteurs
II. Réactions de substitution aromatique
-L’effet mésomère donneur du groupe méthoxyle apporte une stabilité supplémentaire au complexe de Wheland.-l’anisole est si réactive que sa bromation ne nécessite pas de catalyseur
-l’aniline a un comportement similaire. Du bicarbonate de sodium est cependant nécessaire.
OCH3
Br2
OCH3
Br Br
Br
+ HBr
NH2
Br2
NH2
Br Br
Br
+ HBr
H2O
NaHCO3
28
D. Deffieux
Groupes activants
ortho-para orienteurs
-effet inductif donneur (+I)-effet mésomère donneur (+M)
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.3 Groupes activants, ortho para orienteurs
II. Réactions de substitution aromatique
ETortho
para
-alkyles-alkoxyles-amino
Z
29
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.4 Groupes désactivants, méta orienteurs
II. Réactions de substitution aromatique
ET
-le groupe nitro
Le groupe nitro diminue la densitéélectronique du noyau aromatiqueLa cinétique de réaction est donc diminuée
NO2
HNO3
H2SO4
NO2 NO2NO2
NO2
NO2NO2
6% 0.7%9%
100°C
NO O
NOO
30
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.4 Groupes désactivants, méta orienteurs
II. Réactions de substitution aromatique
-le groupe nitro
Très déstabilisants
NO2
N
+
NO2H
NO2
H
NO2NO2
H
NO2
N
NO2
NO2H
NO2
H
NO2
H
NO2
NO2
NO2
NO2H
NO2
H
NO2
H
NO2
HNO3
H2SO4
O O
O O
31
D. Deffieux
Groupes désactivants
méta orienteurs
-effet inductif accepteur (-I)-effet mésomère accepteur (-M)
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions
II. Réactions de substitution aromatique
ortho
para
5.4 Groupes désactivants, méta orienteurs
ET
-cétones-esters-nitriles-amoniums-sulfoniques
Z
32
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions
II. Réactions de substitution aromatique
5.4 Groupes désactivants, ortho-para orienteurs
ET
-les halogènes
Les halogènes ont deux effets opposés : -I et +M mais -I > +M
- Ils diminuent la densité électronique du noyau aromatique par effet -I La cinétique de réaction est donc diminuée.
- Ils augmentent la densité électronique du noyau aromatique par effet +M La substitution a donc lieu en ortho et para
Cl
HNO3
H2SO4
Cl ClCl
NO2
NO2NO2
35% 64%1%
33
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions
II. Réactions de substitution aromatique
5.4 Groupes désactivants, ortho-para orienteurs-les halogènes
o
m
p
34
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions
II. Réactions de substitution aromatique
5.5 Plusieurs Groupes activants ou/et désactivants-Lorsque le nombre de substituants est supérieur à un, la vitesse de réaction et la distribution des produits peut être prédis en combinant les effets de chaque groupes
(o, p orienteur)
(o, p orienteur)
(m orienteur)
(m orienteur)
m-xylèneactivant
1,3-dinitrobenzènedésactivant
NO2
NO2
CH3
CH3
35
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions
II. Réactions de substitution aromatique
5.5 Plusieurs Groupes activants ou/et désactivants-la substitution entre deux substituants est défavorisée pour des raisons stériques
(o, p orienteur)
(o, p orienteur)
m-xylèneactivant
défavorisée
favorisée
favorisée CH3
CH3HNO3
H2SO4
65%CH3
CH3
NO2
36
D. Deffieux
A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions
II. Réactions de substitution aromatique
5.5 Plusieurs Groupes activants ou/et désactivants-Si les deux substituants ont des effets opposés, la prédiction est plus difficile
(o, p orienteur)
(m orienteur)
-les groupes aux effets orienteur les plus forts : les o, p orienteurs (OR, NH2, OH) les intermédiaires : les autres o, p orienteurs (R, X) les plus faibles : m orienteur
Produits majoritairesOrientation o, p prédomine
SO3
H2SO4
NO2
OCH3
NO2
OCH3
SO3H
NO2
OCH3
HO3S
+