TD8 : SN

Chapitre8:Substitutionsnucléophiles
PCSI3
TDCHAPITRE8:SUBSTITUTIONSNUCLEOPHILES
Cequ’ilfautsavoir:
Définitiondesmots:stéréosélective,stéréospécifique
Bilan,conditionsopératoires,sélectivitéetmécanismedesréactionsdeSN1etSN2
Influencededifférentsparamètres(classedusubstrat,nucléofuge,nucléophile,solvant…)surlavitessederéaction.
Cequ’ilfautsavoirfaire:
Identifierlessitesélectrophileset/ounucléophilesd’uneentitéchimique
Utiliserleformalismedesflèchescourbespourdécrireunmécanismeenchimieorganique
Prévoirlaréactionetlemécanismemajoritaireàpartirdesconditionsopératoiresoupardesinformationssurleproduit
Savoirtrouverlesproduitsissusd’uneréaction(entenantcomptedelastéréosélectivitééventuelle).
_
_
R
HO
_
Cl
_
H
CH3
Enantiomères
SN2
_
_
S
HO
_
Cl
_
_
_
_
_
H3C
SN2
_
_
_
_
Erreursàéviteretconseils
Comment montrer qu’une réaction est (ou n’est Exemple:Casd’uneSN2
pas)stéréospécifique?
δ+ _ δ_
S
Cl
_
HO
_
*
Ilfautréaliserlamêmeréactionàpartirdedeuxsubstrats
H
H3C
(=réactifs)stéréoisomèresdeconfiguration.
Enantiomères
Si la stéréochimie des produits dépend de celle des
réactifs,alorslaréactioneststéréospécifique.Sinon,elle
δ+ _ δ_
nel’estpas.
R
Cl
_
HO
_
*
CH3
La configuration des produits dépend de celle des réactifs: la
réactioneststéréospécifique.
H
H
Lorsd’unesubstitutionnucléophile:
Ø Commentpeut-onsavoirquelseralemécanismeprivilégié?(SN1ouSN2)
*
1) L’énoncé donne des indications cinétiques (ordre 1àSN1 ou ordre 2àSN2) ou stéréochimiques (réaction
stéréosélectiveàSN2ounonàSN1)
2) L’énoncénedonnepasd’indicationssurlerésultat:ilfautexploiterlesconditionsexpérimentales,etprincipalementla
naturedusubstrat.S’ils’agitd’undérivéhalogénéprimaire,doncpeuencombré,ils’agiraplutôtd’unmécanismede
SN2;s’ils’agitd’undérivéhalogénétertiaireousilecarbocationéventuellementforméeststabiliséparmésomérie,il
s’agiraplutôtd’unmécanismedeSN1.
*
ouSN2avecdégénérescenced’ordre!(cfcoursdecinétique)
Ø Commentsavoirquelsserontlesproduitsformés?
Exempledebiland’uneSN:
Bilan2D:Lorsd’unesubstitutionnucléophilesurundérivé HO +CH3-ClàCl +CH3-OH
halogéné,l’halogèneestremplacéparlenucléophile.
Stéréochimie des produits: (Question à se poser si un ExempledeSNavecformationd’uncarboneasymétrique:
carboneasymétriqueestformélorsdelaréaction)
Ø SN2
_
H
H3C
_
S
HO
_
Cl
_
_
_
Cl
_
_
H
CH3
100%
Ø
SN1
H3C
R
C 3H 7
C2H5
_
Br
_
_
HO
_
_
C*
_
• Silaréactionsuitunmécanismemonomoléculaire(SN1),
elle n’est pas stéréosélective. Donc si un carbone
asymétrique est formé suite à la substitution, les deux
configurationsserontobtenuesenquantitéségales.
_
_
HO
_
_
• Silaréactionsuitunmécanismebimoléculaire(SN2),elle
est stéréosélective à 100%. Donc si un carbone
asymétrique est formé suite à la substitution, une seule
des deux configurations sera obtenue. Elle résultera de
l’inversiondeWalden.
H3C
_
HO
_ *C
R
C 3H 7
C 2H 5
50%
CH3
_
C* OH
_
S
+ Br
C3H7
C2H5
50%
1
Chapitre8:Substitutionsnucléophiles
PCSI3
Exercice1:Produitd’uneSN2
IndiquerleproduitobtenulorsdesréactionsdesubstitutionnucléophileSN2suivantes.Préciserlastéréochimieducomposéde
départetd’arrivéesinécessaire.
a)
C6H5-CH2-Cl + C6H5-S
H
R
b)
+ H2N
d)
*
CH3-CH-I
C 2H 5
Cl
+ HO
Br
e) H
+ CH3-Mg-Br
+ MeO
c)
Br
Exercice2:Mécanismesdesubstitutionnucléophile
1.Onfaitréagirdelasoudediluéesurl’isomère(R)du2-chlorobutane.Lavitessedelaréactionaugmentesilaconcentrationde
lasoudeaugmente.
a. Quel est le mécanisme suivi par cette réaction? Ecrire le mécanisme de la réaction et commenter la sélectivité de la
réaction.
b.Onremplacele2-chlorobutaneparle2-bromobutane.Quelleestlaconséquencesurlavitessedelaréaction?
2.UncomposéA,le(S)-1-chloro-1-phényléthane,esttraitépardelasoudediluéeensolutionaqueuse.Leproduit,B,estobtenu
enmélangeracémique.
a.ReprésenterAetBenconventiondeCram.
b.Ecrirelemécanismedelaréactionmiseenjeuetexpliquerl’obtentiondumélangeracémique.
c.Discuterdel’activitéoptiquedumilieuenfinderéaction.
3.LecomposéCci-dessous,traitéparunesolutiondesoudedansl’éthanolàtempératureambiantesubituneréactiondetype
SN1.Ecrirelemécanismedelaréactionetdiscuterdupouvoirrotatoireenfinderéaction.
Cl
C:
Exercice3:SN1ouSN2?
Expliquerlesrésultatssuivants:
a.Le(R)-2-chlorobutanetraitéparducyanuredesodiumdanslapropanonedonneunproduitAchiral.DéterminerA.
b.Le(R)-2-iodobutaneensolutiondansleméthanoldonneunmélangeracémiquedeBetB’.DéterminerBetB’.Ecrirele
mécanismedelaréaction.
Exercice4**:Réarrangement
+
La réaction de la potasse (K , HO ) sur le (3R)-3-bromobut-1-ène conduit à un mélange de trois alcools: le but-1-èn-3-ol en
mélangeracémique,le(Z)-but-2-èn-1-oletle(E)-but-2-èn-1-ol.
1. Quelleestlamolécularitédesréactionsayantlieu?
2. Expliquerpardesmécanismesl’obtentiondestroisproduits.
3. Lasolutionprésente-t-elleuneactivitéoptiqueenfinderéaction?
Pointméthode:commentexpliquerlerésultatd’uneréactionquisemblepeuclassique?
Il ne faut pas inventer de toute pièce un mécanisme. En général, ce produit «peu classique» est issu d’une variante d’un
mécanisme connu. Pour expliquer sa formation, commencer à écrire le mécanisme habituel. Le phénomène expliquant
l’apparitionduproduitauralieuaucoursd’unedesétapes.
2
Chapitre8:Substitutionsnucléophiles
PCSI3
Exercice5:Etudedequelquesétapesdelasynthèseduclovène
LeclovènenotéAestunsesquiterpènenatureldeformulebruteC15H24présentdansdenombreuseshuilesessentiellescomme
l’essencedevétiverutiliséeenparfumerie.Sastructuretricycliquepontée(unpontCH2),représentéeci-dessousenprojection
planeetdansl’espace,rendsasynthèsedélicateetimpliqueuneapprocheparticulièreaucoursdesapréparation.
A
1. IndiquerquelssontlesatomesdecarboneasymétriquesduclovèneetreprésenterundiastéréoisomèrepossibledeA.
2. Combiend’autresstéréoisomèresdeconfigurationdelamoléculeprésentéeicipeut-ondénombrer?Justifier.Onne
demandepasdelesreprésenter.
LecomposéCdontlastructureestpréciséeci-dessouspossèdedesatomesd’hydrogènesacidesenpositionαdelafonction
carbonyle.
Onappelle«positionα»l’atomedecarbonesituéjusteàcôtédelafonctionconsidérée(icilafonctioncarbonyle),cfschémaC.
C est traité par du diisopropopylamidure de lithium D (LDA, une base très forte) dans le THF (tétrahydrofurane) à basse
températurepourdonnerlecarbanionE.
O
O
α
N
Li
Cl 3.
C
D
ExpliquerpourquoilecarbanionEestconsidérécommerelativementstable.
Cl E
On ajoute un équivalent du 2-(bromométhyl)-but-1-ène F sur le carbanion E. On obtient le composé G de formule brute
C15H23OClsuiteàuneréactiondesubstitutionnucléophile.
Br
F
LecomposéG,portantunatomed’hydrogènetrèsacideenpositionαdugroupecarbonyle,estàsontourtraitéparleLDAà
basse température dans le THF. La température du mélange réactionnel est ensuite ramenée à la température ambiante et
l’agitationestprolongéeunejournée.Aprèsuntraitementapproprié,H,dontlastructureestdonnéeci-dessous,estfinalement
majoritairementforméetisolé.
O
H
3
Chapitre8:Substitutionsnucléophiles
4.
5.
PCSI3
DonnerlastructuredeG.
QuelestlemécanismevraisemblabledelaSNconduisantaucomposéG?Discuter.Lechimistesepréoccupera-t-ildu
mécanismemisenjeu?Expliquer.L’écrituredumécanismen’estpasdemandée.
LecarbanionEestégalementsusceptibled’évoluerselonuneréactiondeSNintramoléculaire,conduisantalorsauproduitG’.
6. Donner la structure de G’. Pourquoi le chimiste a-t-il utilisé du 2-(bromométhyl)-but-1-ène plutôt que du 2(chlorométhyl)-but-1-ènelorsdelatransformationE+FàG?
7.
8.
−
ProposerunmécanismeenplusieursétapespourjustifierlaformationdeHàpartirdeG.LabaseLDAseranotée B (le
traitau-dessusreprésenteundoubletnonliant)afind’allégerlemécanisme.
Dans cette réaction, pourquoi faut-il travailler à basse température et utiliser une base telle que le LDA plutôt que
l’hydroxydedesodiumparexemple?
ARENDRE
Exercice6:Réactionssurquelquesdérivéshalogénés(d’aprèsCCP)
On considère les dérivés halogénés suivants: le (R)-1-chloro-1-phénylbutane (composé A), le (S)-2-chloro-1-phénylbutane
(composéB),etle(R)-1-bromo-1-phényléthane(composéC).
1. ReprésenterA,BetC.Identifierlescarbonesasymétriques.
2. DonnerlareprésentationdeLewisdel’ioncyanureCN .
+
Aesttraitéparducyanuredepotassium(K ,CN ).Unmélangeracémiqueestobtenu.
3. Ecrirelebilandelaréactionetproposerunmécanismeréactionnel.
4. Quelleestl’expressiondelavitesseprévueparlemécanisme?
5. Pourquoicemécanismeest-ilprivilégiéici?
6. Laréactionest-ellestéréosélective?Justifierprécisément.
+
Besttraitéparducyanuredepotassium(K ,CN ).Lavitessedelaréactionestproportionnelleàlaconcentrationencyanure.
7. Ecrirelebilandelaréactionetproposerunmécanismeréactionnel.
8. Quelleestl’expressiondelavitesseprévueparlemécanisme?
9. Le milieu réactionnel en fin de réaction est-il optiquement actif? La réaction est-elle stéréosélective?
Stéréospécifique?
+
On traite le composé C par le méthanolate de sodium (Na , CH3O ) dans le méthanol. On obtient un mélange de 58% d’un
isomèredestéréodescripteurSet42%d’unstéréoisomèredestéréodescripteurR.
10. Donnerlesformulestopologiquesdesproduits.
11. DéterminerlesproportionsdesmécanismeslimitesSN1etSN2quipermettentd’expliquerlesproportionsobtenues.
12. Commentjouersurlesolvantpouraugmenterlaproportiond’isomèreRparrapportàl’isomèreS?
4
Chapitre8:Substitutionsnucléophiles
PCSI3
ACTIVITEDOCUMENTAIRE:EFFETDESOLVANTSURLASN2
Document1:Solvatation
Quanduncomposésedissout,lesionsoumoléculeslibéréesinteragissentaveclesmoléculesdesolvant.Ceprocessusest
appelésolvatation,etlesionsoumoléculessontditssolvatés.
Un ion ou une molécule en solution est entourée de molécules de solvants avec lesquelles il établit des interactions non
covalentes.Cesmoléculesdesolvant,arrangéesautourdelamoléculeoudel’ion,formentunesphèredesolvatation.
Document2:Solvatationdesions
Lesmoléculesdesolvant,polaires,sepositionnentautourdel’iondefaçonàoptimiserl’interactionélectrostatique(casdu
cationàgauche,del’anionàdroite).
Lorsquelesolvantestprotique,lepôlepositifdudipôleconstituéparlesolvantestunatomed’hydrogène,biendégagéen
boutdechaîne;ilestsusceptibledes’approcherprèsdel’anion:onditquelesanionssontbiensolvatésparlessolvants
protiques.Ceciestd’autantplusvraiquel’anionestpetit.
Parcontre,silatêtepositiveestdifficiled’approche(encombrée),ladistanceentrel’anionetlepôlepositifseragrandeet
l’anionseraalorspeusolvaté,«nu».C’estlecaspourlamajoritédessolvantsaprotiquespolaires.
anions
Document3:Résultatsexpérimentaux
Lesnucléophilesencombrésstériquementréagissentpluslentement:
H 3C I
H 3C I
+
+
H 3C O
CH3
H3C O CH3 +
CH3
HC O
CH O CH3 +
CH3
CH3
I
I
Rapide
Plus lent
5
Chapitre8:Substitutionsnucléophiles
PCSI3
Al’aidedesdocumentsci-dessus,expliquerlesrésultatsci-dessous:
1. VitesserelativederéactiondeSN2danslediméthylformamide Nucléophile
Constantedevitesserelative
Cl 2
-
Br
1
2.VitesserelativederéactiondeSN2dansleméthanol
Nucléophile
Constantedevitesserelative
F
1
Cl 100
-
Br
1000
-
I
>10000
3.VitessesrelativesderéactionsdeSN2del’iodométhaneavecl’ionchloruredansdeuxsolvants
H 3C I
+
Cl
Solvant
Méthanol
Diméthylformamide
H3C Cl +
I
Constantedevitesserelative
1
1200000
Représenterlesmodificationsduprofilréactionnelaveclechangementdesolvant.
6