Chp 0. Effets électroniques

Chimie organique / Cours – TD
Chapitre 0
Effets électroniques dans les composés organiques
I. Stabilité relative des intermédiaires réactionnels ioniques
Dans un composé ionique, la charge est d’autant plus stabilisée que celle-ci est délocalisée sur un grand nombre
d’atomes. En conséquence :
 tout effet électrodonneur stabilise une charge positive, déstabilise une charge négative ;
 tout effet électroattracteur déstabilise une charge positive, stabilise une charge négative.
Exercice n° 1 : Stabilité relative des carbocations et des carbanions
1. Classer par ordre de stabilité décroissante les carbocations ci-dessous.
A
B
C
D
2. Classer par ordre de stabilité décroissante les carbocations ci-dessous.
Br
A
Br
B
C
D
3. Classer par ordre de stabilité décroissante les carbanions ci-dessous.
H
H
H
H
A
H
B
C
D
II. Propriétés acido-basiques
La force d’un acide ou d’une base est mesurée à l’aide d’une constante thermodynamique d’équilibre (d’acidité
ou de basicité) dont la valeur dépend des stabilités relatives de l’acide et de sa base conjuguée.
L’étude des effets électroniques permet d’identifier les facteurs de stabilisation et de déstabilisation, et ainsi
d’établir un ordre relatif d’acidité ou de basicité.
Que l’on s’intéresse à l’acidité ou à la basicité comparée de composés organiques, nous raisonnerons ici sur la
stabilisation ou déstabilisation de la base du couple considéré par rapport à son acide conjugué.
Echelle d'acidité
pKA
Déstabilisation de la base augmente le pKA du couple
Stabilisation de la base diminue le pKA du couple


Acidité comparée : Un acide est d’autant plus fort que sa base conjuguée est stabilisée.
Basicité comparée : Une base est d’autant plus forte qu’elle est déstabilisée.
Il est bon de signaler que l’on pourrait également choisir de raisonner sur les facteurs de stabilisation et de déstabilisation des acides des
couples acido-basiques (on suivrait la même démarche), mais cela est souvent moins évident.
Exercice n° 2 : Acidité et basicité relative
1. Attribuer les valeurs des pK aux acides carboxyliques ci-dessous : 0,3 ; 0,7 ; 2,9 ; 4,8
O
O
OH
Cl
O
Cl
OH
Cl
O
OH
Cl
F
F
OH
F
2. Attribuer les valeurs de pK aux bases ci-dessous : 4,6 ; 10,8 ; 11,1 ; 35
NH 2
NH 2
N
H
N
3. L’imidazole est un ampholyte (ou espèce amphotère) dont les pK sont de 7,0 et 14,9. Représenter l’acide
conjugué et la base conjuguée de l’imidazole et attribuer les pK sans ambiguïté.
H
N
N
III. Propriétés électrophiles et nucléophiles
 Un nucléophile (« qui aime les nucléons » donc les noyaux) est une espèce riche en électrons et réactive visà-vis des sites pauvres en électrons aussi appelés sites électrophiles.
 Un électrophile (« qui aime les électrons ») est une espèce pauvre en électrons et réactive vis-à-vis des sites
riches en électrons aussi appelés sites nucléophiles.
Afin de repérer les sites réactifs, il faut garder à l’esprit que :
 un atome porteur d’une charge partielle positive est un potentiel site électrophile.
 un atome porteur d’une charge partielle négative est un potentiel site nucléophile.
Un électrophile est d’autant plus fort qu’il est appauvri électroniquement. En conséquence :
 tout effet électroattracteur exalte l’électrophilie ;
 tout effet électrodonneur inhibe l’électrophilie.
Un nucléophile est d’autant plus fort qu’il est enrichi électroniquement. En conséquence :
 tout effet électroattracteur inhibe la nucléophilie ;
 tout effet électrodonneur exalte la nucléophilie.
Rappelons que les notions de force d’électrophilie ou de nucléophilie sont des notions de nature cinétique.
Exercice n° 3 : Electrophilie et nucléophilie comparée
1. Après avoir mis en évidence l’existence d’un site électrophile dans les composés carbonylés ci-dessous, classer
les par ordre décroissant d’électrophilie. Donner ensuite un exemple d’activation électrophile en expliquant.
O
O
O
O
O
H
O
NH2
Cl
2. Indiquer la structure du produit de cette réaction et expliquer clairement la chimiosélectivité de cette réaction.
O
O
NaBH 4
EtOH
OEt
?
3. Comparer la nucléophilie de ces trois anions (les deux premiers étant qualifiés de « donneurs d’hydrure »).
H
H
B
H
H
H
H
ion tétrahydruroborate
Al
H
H
H
ion tétrahydruroaluminate
ion hydrure
4. Expliquer alors les résultats ci-après.
O
NaH, THF
O
O
1. LiAlH 4 , THF
O
OEt
OEt
OH
OH
2. Hydrolyse
5. Proposer une stratégie mettant en jeux plusieurs étapes pour réaliser la synthèse suivante.
O
O
?
O
OH
OEt
6. Lors de cette étape, on observe les résultats suivants : en spectroscopie IR, 1 possède entre autres deux bandes
d’absorption intenses à 1690 cm et 1730 cm alors que dans cette zone, 2 ne possède qu’une bande à
1690 cm . Expliquer ces observations et représenter le composé 2.
O
NaBH 4
1
O
EtOH, 0 °C
2
Exercices d’entraînement
Exercice n° 4 : Synthèse de l’héroïne
L’héroïne peut facilement être synthétisée à partir de la morphine via la réaction d’acétylation suivante.
HO
O
O
O
H
H
O
+2
N
N
O
O
+2
O
O H
HO
O
H
H
N
+2
N
O
O
Morphine
Anhydride acétique
Pyridine
Héroïne
Acétate de pyridinium
1. Nommer les différents groupes fonctionnels présents dans les réactants et les produits de la réaction.
2. Identifier les potentiels sites nucléophiles de la morphine.
3. Identifier les sites électrophiles de l’anhydride acétique.
4. Comparer la nucléophilie de CH OH et CH NH .
5. Pourquoi l’atome d’azote de la morphine n’a-t-il pas réagit avant les atomes d’oxygène ?
6. Quel produit obtient-on à priori si on n’utilise qu’un seul équivalent d’anhydride acétique ?
7. Expliquer la formation de l’acétate de pyridinium.
8. Que dire de la solubilité de la morphine dans différents solvants ?
9. Décrire une méthode de purification de la morphine.
Données sur la morphine :
 T = 250 °C ;
 Solubilités de la forme la plus acide : dans l’eau 64 mg. mL
; dans l’éthanol 1,8 mg. mL .
Exercice n° 5 : Synthèse de la méthamphétamine
La (+)-méthamphétamine (ou N-méthyl-1-phénylpropan-2-amine) est une drogue synthétique psycho-stimulante
qui provoque une euphorie, une forte stimulation mentale, elle est hautement addictive. Pure, elle se présente
sous forme de cristaux qui peuvent faire penser à de la glace pilée, d’où ses dénominations crystal et ice.
1) Synthèse à partir de la 2-phénylpropanone (P2P)
La méthamphétamine peut être synthétisée à partir de la P2P selon la séquence suivante.
1.a) Ecrire l'équation de réaction de la première étape. Par analogie avec la réaction d’acétalisation, proposer un
mécanisme réactionnel.
1.b) Indiquer la nature de la seconde transformation et proposer un réactif susceptible de mener à bien cette
transformation.
1.c) Expliquer un inconvénient majeur de cette synthèse.
2) Synthèse à partir de l'éphédrine
Une autre méthode de synthèse utilise comme matériel de départ la (-)-L-éphédrine.
Cette dernière est mise en réaction avec un mélange d'acide iodhydrique et de phosphore rouge pour conduire,
après traitement, à la méthamphétamine.
OH
NH
CH3
HI / P(red)
NH
CH3
(-)-L-éphédrine
2.a) Indiquer la nature de cette transformation et le rôle du phosphore rouge.
2.b) Les pKa de l'éphédrine et de la méthamphétamine valent respectivement 9,5 et 9,9. Expliquer.
2.c) Interpréter le spectre RMN du proton de la (-)-L-éphédrine.
2.d) La (+)-méthamphétamine peut également être obtenue à partir d'un stéréoisomère de configuration de la (-)L-éphédrine, appelé pseudoéphédrine. Représenter la pseudoéphédrine et indiquer la relation de stéréoisomérie
entre l'éphédrine et la pseudoéphédrine.
2.e) Expliquer quel est l'avantage de cette méthode de synthèse par rapport à la précédente.
Spectre RMN de la (-)-L-éphédrine sous forme de chlorhydrate
Données sur la méthamphétamine :
 T = 173,8 °C (chlorhydrate)
 T = 212 °C (pur)
 M = 149,2 g/mol
Exercice n° 6 : Les phénols
On appelle phénols les dérivés hydroxylés du benzène et des hydrocarbures aromatiques, dans lesquels le groupe
OH est lié à un atome de carbone du cycle benzénique. Le composé le plus simple appartenant à la famille des
phénols est appelé phénol et est représenté ci-dessous, c’est un désinfectant d’usage général.
OH
Données sur le phénol :
 pKa(PhOH⁄PhO ) = 9,95
 T = 43 °C
 T = 182 °C
 Solubilité dans l’eau : s(25 °C) = 9,8 g. L
Phénol
1. Solubilité du phénol
1.a. En vous appuyant sur les interactions intermoléculaires, expliquer la solubilité partielle du phénol dans l’eau.
On rappellera les ordres de grandeur des énergies correspondant aux interactions considérées.
1.b. De manière générale, indiquer comment on peut augmenter la solubilité du phénol dans l’eau.
1.c. Proposer une méthode expérimentale pour purifier le phénol. Décrire succinctement son principe.
2. Acidité
On se propose de comparer l’acidité du phénol avec celle du cyclohexanol (l’ordre de grandeur du pKa des alcools
doit être connu).
2.a. Définir un acide fort, un acide faible et un acide indifférent. Qu’en est-il du phénol et du cyclohexanol ?
2.b. En raisonnant sur les effets électroniques, justifier la différence d’acidité entre ces deux composés.
2.c. Ecrire l’équation de la réaction entre le phénol et la soude ainsi que le mécanisme associé. Déterminer la
valeur de la constante d’équilibre thermodynamique de cette réaction.
2.d. Pourquoi ne peut-on pas former quantitativement l’ion cyclohexanolate en milieux aqueux ?
3. Nucléophilie
3.a. Repérer les sites nucléophiles de la molécule de phénol.
3.b. L’atome d’oxygène est-il plus nucléophile dans le phénol ou dans le cyclohexanol ?
4. Acidité comparée des phénols substitués : En raisonnant sur les effets électroniques, classer les pK
phénols substitués A, B et C.
OH
OH
OH
Cl
CH3
NO2
A
B
C
des
5. Spectroscopie RMN du proton : Interpréter les spectres RMN du proton du phénol et du para-nitrophénol
aussi précisément que possible. Au minimum, votre réponse devra être accompagnée d’un tableau dans lequel
apparaîtront les colonnes : déplacement chimique δ (ppm), intégration, multiplicité et enfin attribution (mise en
lien avec un schéma de la molécule).
Il est conseillé de s’aider des formules mésomères pour attribuer les différents signaux.
Commenter l’influence du groupement nitro.
Spectre RMN du phénol
Spectre RMN du para-nitrophénol C
Annexes
Acide / Base
/
à 25 °C
Alcane / Carbanion
RH / R
40 – 50
Amine / Amidure
RNH / RNH
35
Dihydrogène / Hydrure
H /H
35
Alcyne vrai / Alcynure
R−C≡C−H/R−C≡C
25
Cétone / Enolate
RCOCH / RCOCH
18 – 20
Alcool / Alcoolate
ROH / RO
16 – 18
Eau / Hydroxyde
H O / HO
14
Phénol / Phénolate
PhOH / PhO
10
Ammonium / Amine
RNH / RNH
10
Acide carboxylique / carboxylate
RCOOH / RCOO
4–5
Acide fluorhydrique / Fluorure
Acide chlorhydrique / Chlorure
Acide bromhydrique / Bromure
Acide iodhydrique / Iodure
HF / F
HCl / Cl
HBr / Br
HI / I
3,2
-7
-9
- 10
Les nucléophiles
Molécules neutres avec atome
porteur d’une charge partielle
négative et d’un doublet non
liant
Anions
H 3C
Molécules neutres polarisables et
riches en électrons (présence de
liaison )
1 liaison 
+ 1 liaison  nucléophile
CH3
H 3C
C
H

N
CH3
H3 C
C
H
Site nucléophile
Site nucléophile
CH3
C
H
CH3
Sites nucléophiles
Autres exemples :
- Ions hydroxyde et alcoolate
- Ions amidure
, ions azoture
- Ions thiolate
- Ions halogénures ,
,
,
- Carbanions
, cyanures
Autres exemples :
- Alcools ROH
- Amines RNH
- Thiols RSH
- Phosphines PR
Autres exemples :
- Alcènes
- Alcynes
- Dérivés benzéniques
Les électrophiles
Molécules neutres possédant au moins
une lacune électronique (acides de Lewis)
Cations
O
N
O
Cl
Molécules neutres polarisables et
avides d’électrons
O
Cl
Al
Site électrophile
Site électrophile
Cl
H3C

C 
CH3
Site électrophile
Autres exemples :
- Carbocations
- Ion nitronium
- Ion oxonium
(ou
)
Autres exemples :
- Borane BH
- Trichlorure d’aluminium AlCl
- Chlorure de zinc ZnCl
- Chlorure de magnésium MgCl
Autres exemples :
- Dihalogènes Cl , Br , I
- Halogénoalcanes RCl, RBr, RI
- Composés à liaison C = O (cétones,
aldéhydes, chlorures d’acyle, esters,
anhydrides d’acide …)
Groupements à effet + I (
<
)
>
Groupements à effet – I (
)
O
Métaux
Mg
Li
Nitro
N
O
Alcoolates
Amino
NH2
Ammonium
NH3
Hydroxy
OH
Alkyloxy
O
O
Halogéno
Alkyles
X
Alkyle
X = F, Cl, Br, I
alkyle
O
Cyano
Cas particulier (le seul effet inductif
qu'il faut connaître par coeur!) : Effet
+ I bien queC >H à cause d'un effet
orbitalaire (non étudié) appelé
hyperconjugaison
C
N
Carbonyles
C
R
Alkényles
Phényles
C
H
CH2
Alkynyles
C
CH
Groupements à effet + M
Groupements à effet – M
Le premier atome est porteur d’un doublet non
liant
Le premier atome est engagé dans une liaison
multiple avec un atome plus électronégatif que
lui
O
Alcoolates
Alkyloxy
O
O
Nitro
Alkyle
N
O
Amino
NH2
Hydroxy
OH
O
Halogéno
X
Carbonylés
X = F, Cl, Br, I
C
R
Cyano
C
N
Effet +M ou – M selon les cas
Le premier atome est engagé dans une liaison multiple avec un atome de même électronégativité
Ethènyle
C
H
CH2
Ethynyle
C
CH
Phényle
Solvants apolaires
Solvants polaires aprotiques
Solvants polaires protiques
- Tétrachlorométhane
- Hydrocarbures
(cyclohexane, éther de
pétrole, benzène, toluène…)
- Ethoxyéthane CH CH OCH CH
- Tétrahydrofurane (THF)
- Dichlorométhane CH Cl
- Propanone CH COCH
- Diméthylsulfoxyde CH SOCH (DMSO)
- Diméthylformamide (CH ) NCHO
(DMF)
- Acétonitrile CH CN
- Triéthylamine Et N
- Pyridine C H N
- eau H O
- alcools ROH
- acides carboxyliques RCOOH
- ammoniac liquide NH ( )
Les effets électroniques ont la même influence sur la basicité et sur la nucléophilie des molécules. Cependant :
- la basicité est une notion thermodynamique : l’analyse des effets électroniques suffit pour établir un ordre
relatif de basicité.
- la nucléophilie est une notion cinétique : en plus des effets électroniques, il faut prêter attention à la possibilité
d’approche des réactants dans l’espace, c’est-à-dire à l’encombrement stérique (se référer au cours sur la
stéréochimie de conformation).
H
Effet + I
H
3 Effet + I
C
H3 C
O
Ethanolate
Base forte et nucléophile fort
H3C
CH3
C
H3C
O
tert-butanolate
Base plus forte que l'ion éthanolate mais très
faible nucléophile à cause de -C(CH3)3 très
volumineux