Chapitre 14 Organomagnésien et addition nucléophile (An) Contents 14.1 Les Organomagnésiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 A B Données structurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Nucléophilie et basicité de l’organomagnésien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 14.2 Synthèse d’un organomagnésien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 A B C D La réaction de synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Le choix du solvant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Le choix de l’halogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Démarrages di ciles et autres précautions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 14.3 Application en synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 A B C D E La stratégie de synthèse organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Rallonger le squelette carboné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Réaction avec l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Réaction avec le dioxygène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Réaction avec les aldéhydes et les cétones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 187 188 CHAPITRE 14. ORGANOMAGNÉSIEN ET ADDITION NUCLÉOPHILE (AN ) 14.1 Les Organomagnésiens A Données structurales ⌘Liaison carbone-métal Les organomagnésiens appartiennent à la catégorie des composés organométalliques. Ces composés comportent une liaisons entre un atome de carbone et un métal. Il convient de comparer les électronégativités de ces composés aÆn de décrire avec le bon modèle (covalent ou ionique) cette liaison. Figure 14.1 – Eléctronégativité dans l’échelle de Alled-Rochow La Ægure 14.1 montre que le carbone est plus électronégatif que les métaux, et en particulier plus électronégatif que le magnésium. De ce fait dans une liaison Carbone-métal, le carbone portera une charge partielle . On peut estimer cette charge partielle par une formule empirique : = 0, 016 + 0, 0035( )2 L’application de cette formule donne les résultats du tableau 14.2. Figure 14.2 – Pourcentage d’ionicité des liaisons carbone-métal On voit que le pourcentage d’ionicité bien qu’important reste loin de 1, la description de la liaison carbonemétal en terme de liaison covalente semble donc appropriée. ⌘Structure de Lewis d’un organomagnésien Les organomagnésiens mixtes de Grignard possède la structure présentée ci-après où X désigne un halogène et R un groupe alkyl. R Mg X Figure 14.3 – Structure de Lewis d’un organomagnésien La nomenclature de ces composés est du type halogénure d’alkylemagnésium ou d’arylmagnésium 14.1. LES ORGANOMAGNÉSIENS 189 Figure 14.4 – Exemples d’organomagnésiens mixtes (a) est l’iodure d’isopropylmagnésium (b) est le bromure de phénylmagnésium (c) bromure de benzyl magnésium (d) chlorure de 2-méthylprop-1-énylmagnésium (e) chlorure de 2-méthylprop-2-énylmagnésium (f) Bromure de hex-1-ynylmagnésium Lors de la synthèse des organomagnésien, ceux-ci ont tendance à réagir entre eux dans le milieu réactionnel si bien qu’on peut les trouver sous forme de dimères (notamment en présence de chlore comme halogène) Outre Figure 14.5 – Structure dimérique cette structure dimérique, il s’établit un équilibre entre la forme décrite par la Ægure 14.3 et un dialkylmagnésium. ces formes montrent la complexité du composé étudié ici, toutefois nous adopterons la structure simple de la Figure 14.6 – Equilibre de Schlenk Ægure 14.3 pour la suite de ce cours. B Nucléophilie et basicité de l’organomagnésien ⌘Basicité de l’organomagnésien La basicité de l’organomagnésien peut tout d’abord s’expliquer par les lacunes présentes sur l’atome de magnésium. ces lacunes rendent l’organomagnésien accepteur de doublets électroniques donc base de Lewis. 190 CHAPITRE 14. ORGANOMAGNÉSIEN ET ADDITION NUCLÉOPHILE (AN ) Figure 14.7 – Description Ionique et caractère basique d’autre part, comme l’a mis en évidence l’étude de la liaison carbone-magnésium, cette liaison est fortement polarisée si bien que dans un cas limite, on pourra s’appuyer sur une description ionique de la liaison. On voit apparaitre dans cette description l’anion R , base du couple RH/R . Cette base est une base forte et le pKa du couple considéré dépasse 14, il doit donc être déterminer dans un autre solvant que l’eau. Le pKa du couple ainsi déÆni dépend de l’alkyle ou de l’aryle auquel est lié l’atome de magnésium. Figure 14.8 – pKa de quelques organomagnésiens la Ægure 14.8 montre que les organomagnésiens réagissent quantitativement avec les acides, même avec les acides très faibles dans l’eau. On constate notamment que les organomagnésien peuvent donner une réaction acido-basique avec les alcools, les amines non tertiaires, les aldéhydes et les cétones (notamment avec les hydrogènes en ↵ du groupe caractéristique.) La Ægure 14.9 donne comme exemple la réaction d’un chlorure de magnésium avec l’eau. Figure 14.9 – Exemple de réaction acido-basique On constate que cette réaction aboutit à un alcane, cette fonction étant peu prisée lors d’une stratégie de synthèse, il s’agit souvent d’une réaction parasite. D’autre part, il se forme outre cet alcane, les ions HO et + M gX. Nous avons noté entre guillemets cette paires d’ions aux vues de la di érence d’électronégativité entre l’oxygène et le magnésium mais cette structure n’a pas été mise en évidence. En milieu acide, il se forme les ions M g 2+ et chlorure Cl . Tandis qu’en milieu basique, il se forme le précipité M g(OH)2 ⌘Nucléophilie Pour comprendre la réactivité des organomagnésiens il faut encore une fois s’intéresser à la di érence d’électronégativité entre le carbone et le magnésium. Le carbone étant plus électronégatif il porte une charge partielle ce qui en fait un nucléophile. Les organomagésiens sont des nucléophiles ils sont très réactifs vis à vis des sites électrophiles. On citera pour l’heure l’exemple de la réaction entre un organomagnésien et un halogénoalcane. Cette réaction porte le nome de réaction d’alkylation ou de couplage. 14.2. SYNTHÈSE D’UN ORGANOMAGNÉSIEN 191 Figure 14.10 – Réaction d’alkylation de Würtz 14.2 Synthèse d’un organomagnésien A La réaction de synthèse Il est possible de synthétiser une grande variété d’organomagnésiens, mais quelque soit l’espèce synthétisée il s’agit toujours d’une opération délicate. On utilise pour réaliser l’organomagnésien, un montage à reØux avec un ballon bicol. Une ampoule de coulée contenant l’halogénoalcane dans le solvant et fermée par une garde sèche (au CaCl2 ) pour empêcher toute entrée d’eau. Le ruban de magnésium est introduit dans le ballon puis juste recouvert de solvant parfaitement sec. Un agitateur magnétique est introduit lorsque la quantité de métal est importante. Quelques gouttes d’halogénoalcanes sont introduites et la réaction si elle ne démarre pas spontanément peut être amorcée par un léger chau age (la paume de la main ou un sèche cheveux). Une fois la réaction amorcée, celle-ci étant exothermique, il n’est plus nécessaire de chau er. Le schéma du montage est donné Ægure 14.11 Figure 14.11 – Montage pour la synthèse d’un organomagnésien B Le choix du solvant L’organomagnésien doit être synthétisé dans un solvant parfaitement anhydre, l’eau étant protogène, et l’organomagnésien une base forte, l’eau ne peut pas servir de solvant. Outre cette précaution, le magnésium comporte deux lacunes et sera donc stabilisé par un solvant comportant des doublets d’électrons. On utilise principalement deux solvants : 192 CHAPITRE 14. ORGANOMAGNÉSIEN ET ADDITION NUCLÉOPHILE (AN ) — l’éther diéthylique ou ethoxyéthane. C2 H5 O C2 H5 . La stabilisation de l’organomagnésien se fait alors sous la forme d’un adduit acide-base de Lewis. Figure 14.12 – Interaction de l’organomagnésien avec le solvant — Certains organomagnésiens tels que les organomagnésien vinylique (CH2 = CH2 M gX) sont plus di ciles à synthétiser et on utilise un solvant dont les doublets sont plus disponibles : le THF C Le choix de l’halogène Lors de la synthèse, le milieu réactionnel s’obscurcit à cause du magnésium Ænement divisé ou des impuretés. Une teinte trop foncée du milieu réactionnel caractérise tout à fait autre chose : une alkylation. Il est nécessaire d’introduire l’halogénoalcane su samment lentement pour éviter l’alkylation et su samment rapidement pour maintenir l’entretien de la réaction. La Ægure 14.10 est d’autant plus favorable que la liaison carbone-halogène est mobile. Ainsi les composés iodés sont plus réactifs que les composés bromés eux-mêmes plus réactif que les composés chlorés. L’idéal pour éviter l’alkylation serait d’utiliser des composés chlorés mais ceux-ci sont particulièrement couteux, on prendra donc des composés bromés en séance de travaux pratiques. D Démarrages di ciles et autres précautions Comme nous l’avons dit c’est une synthèse délicate, non pas que les rendement soient faibles, loin de là mais parce que les organomagnésiens sont des espèces très réactives. A cet égard, on peut être amené à prendre les précautions suivantes : — Toujours en rapport avec l’eau, on assèche le solvant organique en le passant sur tamis moléculaire, sur chlorure de calcium et en bi-distillant ce solvant — Nous le verrons un peu plus tard, les organomagnésiens peuvent réagir avec le dioxyde de carbone et le dioxygène de l’air, de ce fait on peut être amené à travailler sous atmosphère inerte en faisant circuler dans le milieu réactionnel du diazote. En séance de travaux pratique le fait de travailler à reØux a tendance à chasser l’air résidant au dessus du milieu réactionnel Malgré ces précautions, il peut arriver que la réaction ne s’amorce pas. Il faut alors se rappeler que la réaction se fait entre un solide et un liquide, cette réaction a lieu à la surface du magnésium. Or si celui-ci est oxydé ce qui est souvent le cas, la réaction a du mal à démarrer, on peut alors avoir recours à divers procédés : — introduire un cristal d’iode dans le milieu réactionnel, l’iode réagit avec la couche d’oxyde et attaque le magnésium "pur" — Placer la ballon dans un bain ultrasonique qui a pour action de décaper le magnésium. — L’ajout de 1,2-dibromoéthane qui réagit très facilement avec le magnésium selon la réaction BrCH2 CH2 Br + M g ! CH2 = CH2 + M gBr2 14.3. APPLICATION EN SYNTHÈSE 14.3 193 Application en synthèse A La stratégie de synthèse organique Les molécules organiques trouvent leur applications dans divers domaine de la pharmaceutique à l’industrie cosmétique. Le problème du chimiste organicien est de trouver une voie de synthèse d’une molécule bien précise. On procède souvent à rebours de sorte à obtenir un point de départ constitué de molécules simples donc peu couteuse. On distingue deux grandes catégories de réactions : — La modiÆcation du squelette carboné, es étapes consistent souvent à rallonger une chaine carbonée par un moyen ou un autre — La modiÆcation de la nature et/ou de la position des fonctions dans la molécule. L’élaboration d’une voie de synthèse est un exercice complexe qui demande une connaissance large des réactions chimiques mais qui est facilitée par les bases de données. Les réactions avec les organomagnésiens permettent d’aborder cette stratégie. B Rallonger le squelette carboné On peut envisager de rallonger une chaine carbonée en faisant réagir un organomagnésien avec un halogénoalcane. Cette réaction qui parasite la synthèse de l’organomagnésien donne de bons rendement avec des halogénoalcanes allyliques ou benzyliques. On peut améliorer le rendement de ces réactions par présence de Figure 14.13 – Création de liaison Carbone-Carbone nickel. C Réaction avec l’eau Nous avons croisé précédemment la réaction d’un organomagnésien avec l’eau. Cette réaction aboutit à un alcane, il est rare qu’elle soit utilisée en synthèse mais peut parfois s’avérer utile. D Réaction avec le dioxygène Les organomagnésiens mixtes réagissent avec le dioxygène pour former des peroxydes ou des alcools. Peu utilisés en synthèse en dépit de la création de la fonction alcool, il faut surtout tenir compte de cette réaction dans la conservation des organomagnésiens qui seraient détruits en présence d’oxygène. E Réaction avec les aldéhydes et les cétones 194 CHAPITRE 14. ORGANOMAGNÉSIEN ET ADDITION NUCLÉOPHILE (AN ) Figure 14.14 – Réaction avec le dioxygène ⌘Caractéristiques des aldéhydes et des cétones O Les aldéhydes et les cétones sont caractérisés par un groupe carbonyle C . Le carbone de ce groupe est particulièrement électrophile comme l’illustre la forme mésomère de la Ægure 14.15 Figure 14.15 – Site électrophile des aldéhydes et cétones La Ægure 14.16 donne à titre d’exemple quelques aldéhydes te cétones couramment rencontrées Figure 14.16 – Exemples d’aldéhydes et de cétones ⌘Mécanisme et bilan La réaction ici est une addition nucléophile de l’organomagnésien sur le carbone du groupe carbonyle suivi d’une hydrolyse (réaction acide base) entre l’alcoolate initialement formé et un acide. On retiendra que la réaction entre un organomagnésien et un aldéhyde ou une cétone produit un alcool L’alcool formé est un alcool primaire si l’organomagnésien réagit avec le méthanal. On obtiendra un alcool secondaire avec tout autre aldéhyde et un alcool tertiaire avec une cétone. La Ægure 14.19 donne quelques exemples de formation d’alcool ⌘Conditions expériemntales Il est nécessaire de travailler en solvant éthéré pour ne pas détruire le magnésien. En ce qui concerne les cétones la réaction a généralement lieu au reØux du solvant alors qu’elle se déroule à 0°C pour un aldéhyde. D’autre part, il faut acidiÆer le milieu car le pKA de l’alcoolate voisin de 16 ne donne pas lieu à une réaction quantitative avec l’eau. On introduit généralement de l’acide chlorhydrique ce qui limite la déshydratation de l’alcool formé. ⌘Aspect stéréochimique Le groupe carbonyle avec les deux atomes liés au carbone du groupe constitue un plan. Si les deux espaces délimités par ce plan sont identiques l’attaque du magnésien se fait de manière équiprobable d’un coté ou de 14.3. APPLICATION EN SYNTHÈSE 195 Figure 14.17 – Mécanisme de la réaction d’un organomagnésien sur une cétone Figure 14.18 – Bilan de la réaction d’un organomagnésien sur une cétone l’autre. En revanche si l’un des espaces est encombré, le magnésien attaquera pas le coté le plus accessible et la réaction sera stéréospéciÆque. ⌘Réactions parasites Nous avons considérés jusqu’ici les aldéhydes et les cétones uniquement par leur groupe caractéristique, or les atomes liés à ces groupes inØuent sur leur réactivité. Un premier exemple est donné par les aldéhydes et les cétones porteurs d’un hydrogène sur le carbone en ↵ du carbonyle. Cet hydrogène a un caractère acide. Le pKa du couple acide-base correspondant est voisin de 20. De ce fait le magnésien peut se laisser aller à jouer son rôle de base au lieu du rôle de nucléophile qu’on aimerait le voir jouer. Comme le montre la Ægure 14.22 cette réaction parasite aboutirait à la formation d’un alcane (destruction du magnésien) et reformerait la cétone initiale. Une autre réaction parasite concerne cette fois ci les organomagnésien ayant un hydrogène sur le carbone en ↵ du carbone lié au magnésium. Cet hydrogène est susceptible de se libérer en emportant avec lui le doublet d’électron. On assiste alors à l’addition d’un hydrure sur le carbonyle aboutissant à la formation d’un alcool comme le montre la Ægure 14.23 196 CHAPITRE 14. ORGANOMAGNÉSIEN ET ADDITION NUCLÉOPHILE (AN ) Figure 14.19 – Exemples de la réaction d’un organomagnésien sur une cétone ou un aldéhyde Figure 14.20 – Addition non stéréospéciÆque Figure 14.21 – Acidité du H en ↵ du carbonyle Figure 14.22 – Réaction acido-basique Figure 14.23 – Réaction de réduction
