Cours Chimie organique niveau L3

Chapitre IV :Isoméries et stéréoisoméries
Nadia BOULEKRAS
Isoméries et Stéréoisoméries
Isomérie
Stéréoisomérie
Isomérie de constitution
Fonction
Position
Isomérie de
conformation
Isomérie de
configuration
Chaîne
Diastéréoisomérie
Isomérie
éthylénique
Z/E
Enantiomérie
Un ou plusieurs
carbones asymétriques,
images l'un de l'autre
mais non superposables
Isomérie
cyclanique
cis/trans
Molécules comportant
plusieurs carbones
asymétriques et non
images l'un de l'autre
Les isomères sont des espèces chimiques de même formule brute qui diffèrent
par :
•
•
I.
l’ordre ou la nature des liaisons (isomérie de constitution),
ou par la disposition des atomes dans l’espace (stéréoisomérie).
ISOMÉRIE PLANE ou ISOMÉRIE de CONSTITUTION
1) Isomérie de constitution : on appelle isomères de constitution, deux
molécules qui possèdent la même formule brute mais ont des formules
développées planes différentes. Les isomères ont des propriétés
physiques, chimiques et biologiques différentes. On distingue trois types
d’isomérie :
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a) Isomérie de fonction : les isomères
groupements fonctionnels différents :
CH3
C
CH3
de
fonction
CH2
CH3
C3H6O
O
C
ont
des
H
O
Fonction cétone
Fonction aldéhyde
b) Isomérie de position : les isomères de position ont la même
fonction, mais le groupement fonctionnel ou une insaturation (une
double liaison entre deux carbones) est porté par des carbones
différents de la chaîne carbonée :
CH3
CH
CH2
CH3
CH3
CH2
OH
C3H8O
OH
Propan-2-ol
alcool II
Propan-1-ol
alcool I
c) Isomérie de squelette ou de chaîne : L’enchaînement des
atomes sur le squelette carboné est différent :
CH3
CH
CH3
CH3
CH2
CH2
CH3
C4H10
CH3
méthyl propane
Butane
2) Tautomérie : c’est la transformation d’un groupe fonctionnel en un autre
par déplacement (migration) facile et rapide d’un atome d’hydrogène entre
deux atomes.
Les deux formes tautomères coexistent et sont en équilibre chimique, ce
sont deux isomères de fonction particuliers :
C
CH
C
C
C
Y
C
YH
II. STÉRÉOISOMÉRIE
Lorsqu'on considère une molécule dans l'espace à trois dimensions, de nouveaux
cas d'isomérie peuvent apparaître. On parle alors d'isomérie spatiale ou de
stéréoisomérie.
On appelle stéréoisomères, des isomères qui ont la même formule développée
plane mais qui diffèrent par l'arrangement spatial (disposition géométrique) de
leurs atomes.
Il existe différentes manières de représenter les stéréoisomères dans l’espace:
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a) Représentation perspective (ou perspective cavalière) :
La représentation en perspective est essentiellement utilisée pour
des molécules cycliques:
b) Représentation projective ou convention de Cram :
Elle consiste à représenter une liaison par convention :
Liaison dans le plan du papier :
Liaison en avant du plan du papier :
Liaison en arrière du plan du papier :
On place généralement la chaîne hydrocarbonée la plus longue dans
le plan de la figure.
c) Projection de Newman :
Dans la représentation de Newman, la molécule est regardée dans
l’axe d’une liaison simple C-C entre deux atomes de carbone voisins.
Les liaisons issues des deux atomes sont projetées sur un plan
perpendiculaire à l’axe de la liaison étudiée :
Les liaisons de l’atome le plus proche (de l’observateur) sont
représentées par des segments partant du même point,
formant des angles de 120°.
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Le second carbone (le plus éloigné de l’observateur), éclipsé
par le premier, est représenté par un cercle. Les liaisons de
cet atome sont représentées par des segments s’arrêtant à la
périphérie du cercle.
La Projection de Newman d'un composé organique permet d'étudier
ses différentes conformations (on passe d'un conformère à un autre
par rotation autour d'une liaison simple C-C).
d) Projection de Fisher :
En projection de Fischer, les liaisons sont représentées par des traits
pleins verticaux et horizontaux, selon les conventions suivantes :
Les traits verticaux représentent les liaisons en arrière du
plan de la figure.
Les traits horizontaux représentent les liaisons en avant du
plan de la figure.
la chaîne carbonée la plus longue est placée verticalement et
numérotée de haut en bas.
Le chaînon de plus faible indice (le plus souvent associé au
carbone le plus oxydé) est placé en haut.
Cette représentation est utilisée, essentiellement en biochimie pour
représenter les sucres et les acides aminés.
Les stéréoisomères peuvent être des isomères de configuration ou des isomères
de conformation :
A. ISOMÉRIE de CONFIGURATION
Les stéréoisomères de configuration sont des molécules qui ne sont pas
superposables. Ce sont des espèces isolables qui possèdent des propriétés
physico-chimiques différentes. Pour passer d’une configuration à une autre, il
faudrait rompre des liaisons, ce qui demanderait beaucoup d’énergie.
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A température ordinaire, l’agitation thermique ne suffit pas. On peut donc
séparer les deux stéréoisomères.
On distingue deux types de stéréoisomères de configuration :
o
o
les ÉNANTIOMÈRES,
les DIASTÉRÉOISOMÈRES.
1) Isomérie optique & Énantiomérie :
a) Chiralité :
La chiralité d’un objet désigne sa propriété de ne pas être
superposable à son image dans un miroir plan. Plusieurs composés
qui existent dans les organismes vivants sont chiraux.
o
Une main est un objet chiral.
o
Une molécule contenant un carbone asymétrique (C*) est
chirale. Un C* est un carbone tétraédrique hybridé (sp3) lié à
4 atomes (ou groupements d’atomes) différents :
Les 2 stéréoisomères, images non superposables,
appelés énantiomères ou isomères optiques.
sont
Certaines molécules possèdent des carbones chiraux, mais sont
toutefois superposables à leur image dans un miroir. Les molécules
suivantes possèdent plusieurs carbones asymétriques :
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Par contre, elles possèdent aussi un centre de symétrie ou un
plan de symétrie. Posséder un centre de symétrie ou un plan de
symétrie implique qu’une molécule pourra toujours être superposée
à son image dans un miroir.
b) Activité optique :
La plupart des énantiomères possèdent des propriétés physicochimiques identiques, à l'exception de leur pouvoir rotatoire.
Deux énantiomères purs font dévier le plan de la lumière polarisée
d’une valeur égale mais en sens opposé. On dit que ces molécules
sont optiquement actives ou douées de pouvoir rotatoire :
•
L'énantiomère faisant tourner le plan de polarisation de la
lumière vers la droite est dit dextrogyre, noté (d) ou (+);
(« qui tourne à droite », en latin dextro : droite).
•
celui faisant tourner le plan vers la gauche est dit lévogyre,
noté (l) ou (-) ; (« qui tourne à gauche », en latin laevus :
gauche.).
•
Un mélange racémique est optiquement inactif car il
contient les deux énantiomères en quantité équimolaire et a
un pouvoir rotatoire nul. Le "racémique" est noté (±).
Expérience :
Quand une substance optiquement active est traversée par un
faisceau de lumière polarisée, elle provoque une rotation du plan de
polarisation de cette lumière d'un angle α qu'on peut mesurer
expérimentalement grâce à un polarimètre.
Le polarimètre est un appareil qui utilise la lumière dite polarisée
(lumière qui n’évolue que dans un plan, appelé le plan de
polarisation). Il est constitué d’une cuve de longueur l, remplie
d’une solution d’un énantiomère à la concentration C :
α est proportionnel à la longueur de la cuve contenant la substance
optiquement active et à la concentration de la solution.
α dépend également du solvant, de la longueur d’onde de la lumière
et de la température.
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Pour chacun des 2 énantiomères d'une molécule chirale, on définit
t
un pouvoir rotatoire spécifique [α ]λ donné par la loi de BIOT :
α : angle de rotation optique observée (en degrés)
l : longueur de la cuve contenant la solution (en dm).
c : concentration de la solution (en g/mL).
t : température (°C)
λ : longueur d’onde de la lumière incidente.
c) Enantiomérie :
Les énantiomères possèdent des propriétés chimiques identiques
vis-à-vis d'un réactif non chiral. Par contre, vis-à-vis d'un récepteur
chiral, leur réactivité peut être très différente (une chaussure droite
distingue un pied droit d'un pied gauche, alors qu'une chaussette ne
le fait pas). Cela induit des propriétés biologiques très différentes
voire opposés.
Pour qu'une molécule ait un effet biologique, elle doit interagir avec
un site récepteur particulier dans l’organisme (membranes,
enzymes…). Les systèmes biologiques récepteurs sont eux-mêmes
chiraux car ils sont constitués de molécules chirales (protéines,
glucides, acides nucléiques…), ils interagissent différemment avec
les deux énantiomères d'une molécule chirale externe : la forme du
site récepteur est telle que seule une molécule présentant une
forme complémentaire peut s'adapter correctement.
Le plus souvent, l'action pharmacologique d'un médicament n'est
portée que par un seul des énantiomères. Le second, dans le
meilleur des cas se révèle inactif, mais il peut arriver qu’il ait une
activité thérapeutique complètement différente de celle de l'autre :
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•
Le limonène est constitué de deux énantiomères qui sont utilisés
dans l'industrie des parfums :
-
•
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le (R)-limonène possède une odeur d'orange ;
le (S)-limonène a une odeur de citron.
Un précurseur de la dopamine, utilisé comme traitement dans la
maladie de Parkinson, existe sous deux formes énantiomères.
Seul l'énantiomère L-DOPA a une activité thérapeutique :
COOH
HO
H
NH2
HOOC
OH
H 2N
H
OH
HO
D-Dopa
•
L-Dopa
(agent antiparkinsonien)
La thalidomide, un anti-nauséeux utilisé dans les années 60 sous
forme racémique. Or, si un des énantiomères était effectivement
un anti-nauséeux, l'autre était un tératogène (malformation de
l’embryon). L’activité tératogène a été attribuée à l’énantiomère
(S).
d) Règles de Cahn-Ingold-Prelog (C.I.P.) :
La façon dont les énantiomères s'organisent dans l'espace permet
d'attribuer par convention une configuration dite absolue à
chacun d’eux. Ces configurations sont dites le plus souvent R
(rectus) ou S (sinister). En chimie des sucres et des acides aminés,
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ces configurations sont quelques fois dites L ou D. Dans tous les cas,
la nature de la configuration adoptée par convention, sur la base
d'un classement par rang de priorité des substituants (règles de
Cahn, Ingold et Prelog), est indépendante du pouvoir rotatoire
mesuré expérimentalement (un énantiomère de configuration S peut
être lévogyre ou dextrogyre et inversement).
Les règles qui permettent de déterminer l'ordre de priorité des
quatre substituants sont les suivantes :
•
•
•
la priorité des atomes diminue avec leur numéro atomique Z
(Br>F>C>H).
pour deux atomes isotopes, la priorité diminue avec la masse
(D>H).
Si les atomes directement attachés à un centre chiral sont
identiques, on compare alors les atomes de 2ème rang.
Si c'est nécessaire, on considérera les atomes en 3ème,
position…
•
4ème
Les doubles ou triples liaisons sont décomposées en 2 ou 3
liaisons simples.
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e) Détermination de la configuration absolue :
Les quatre substituants 1, 2, 3, 4, de l'atome de carbone
ordre
de
priorité
asymétrique
(C*)
sont
placés
par
décroissante: 1 > 2 > 3 > 4.
L'observateur étant placé de façon opposée à la liaison C*-4 :
•
•
Si l’ordre de priorité des groupes 1 → 2 → 3 suit la rotation des
aiguilles d’une montre, la configuration est R (rectus, latin,
droit).
Si l’ordre de priorité suit la rotation inverse des aiguilles d’une
montre, la configuration est S (sinister, latin, gauche). Le
symbole est ajouté sous forme de préfixe au nom de la molécule.
La détermination des configurations absolues R et S peut se faire
directement sur la projection de Fischer. Pour cela il faut suivre les
règles suivantes :
1er cas: 4 se trouve en position verticale, le sens de rotation 1 → 2 → 3
donne directement la configuration absolue.
2ème cas : 4 se trouve en position horizontale, la séquence 1 → 2 → 3
indique l'inverse de la configuration absolue.
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2) Isomérie géométrique & Diastéréoisomérie :
Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères de configuration qui ne
sont pas image l'un de l'autre dans un miroir. Les diastéréoisomères, à la
différence des énantiomères, ne possèdent pas les mêmes propriétés
physico-chimiques ; ils peuvent donc être plus facilement séparés par
distillation, recristallisation ou chromatographie.
La diastéréoisomérie peut être due, soit à :
•
•
Présence d’une double liaison.
Existence de plusieurs carbones asymétriques.
a) Isomérie géométrique des éthyléniques :
La présence d'une double liaison C=C (éthylénique), C=N (imine…)
ou N=N (diazonium) empêche la rotation des deux atomes l'un par
rapport à l'autre. Par conséquent, si chacun de ces deux atomes
porte 2 groupements différents, il peut exister deux configurations
distinctes
appelées
stéréoisomères
géométriques
ou
diastéréoisomères de type Z/E.
Pour les nommer, on utilise les règles (C.I.P) qui permettent de
classer les groupements sur chaque carbone :
o
o
si les deux groupements prioritaires a et a' sont du même
côté de l’axe de la double liaison, il s’agit de l’isomère Z (de
l’allemand Zusammen qui signifie ensemble).
si a et a' sont de part et d’autre de la double liaison, il s’agit
de l’isomère E (de Entgegen qui signifie opposé).
Nomenclature Z/E :
De manière générale, les configurations Z sont plus rares car les
groupements prioritaires (souvent les plus volumineux) sont
déstabilisés par leur encombrement stérique.
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b) Isomérie cyclanique Cis/Trans :
La diastéréoisomérie cis-trans est utilisée dans les composés
cycliques qui portent deux substituants R identiques.
Elle repose sur la position relative des deux substituants :
o
o
si les 2 substituants se trouvent du même côté d'un plan
défini par le cycle ; il s’agit de l’isomère " Cis".
Si les 2 substituants se trouvent de part et d'autre du plan
du cycle ; c’est l’isomère " Trans ".
Nomenclature cis/trans :
c) Molécules comportant plusieurs C* :
La diastéréoisomérie est dû à la présence de 2 (ou plus) C* dans une
molécule. De telles molécules sont fréquentes dans la nature et
notamment dans les composés naturels: sucres, acides aminés…
Une molécule contenant plus d’un carbone asymétrique n’est
pas nécessairement chirale. Pour une structure donnée, il n’existe
qu’une molécule image dans un miroir ; les autres structures possibles
sont des diastéréoisomères.
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Quand une molécule possède plusieurs carbones asymétriques, on
prévoit 2 configurations possibles pour chacun. Il peut donc exister
2n stéréo-isomères. Cette règle permet de prévoir le nombre
maximal de stéréo-isomères, mais si certains substituants sont
identiques ce nombre maximal ne sera pas atteint (car le nombre
d'arrangements possible est plus petit).
Règle : si une molécule contient n carbones asymétriques, le
nombre de stéréoisomères est 2n (des éléments de symétrie interne
diminuent ce nombre).
Nomenclature R/S pour une molécule à 2C* :
B. ISOMÉRIE de CONFORMATION
1) Définition :
Deux conformères représentent la même molécule, dans des dispositions
spatiales et état d’énergie différents. Le passage d'une conformation à une
autre se fait par simple rotation autour d'une liaison simple (liaison σ),
sans rupture de liaison. Ce passage ne nécessite que quelques KJ et se fait
rapidement à température ambiante et le même composé existe
successivement sous différentes conformations en équilibre entre elles.
D'une manière générale, les différents conformères d'une même molécule
ne constituent pas des espèces chimiques distinctes. En effet, la faible
barrière énergétique qui les sépare, ne permet pas de les séparer dans les
conditions ordinaires (25°C, 1 atm).
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L’isomérie de conformation, c’est-à-dire la possibilité que les molécules
peuvent subir des déformations (de longueurs ou d’angle de liaisons) sans
que leurs liaisons se cassent, a une énorme importance dans le vivant :
•
•
•
•
les réactions de synthèse des protéines
les réactions de duplication de l’ADN
l’efficacité des enzymes
les mécanismes biocatalytiques
Certains composés d'intérêt thérapeutique peuvent toutefois se révéler
davantage actifs sous l'une ou l'autre de leurs conformations.
2) Analyse conformationnelle :
C’est l’étude des équilibres entre les différentes conformations d’une
même molécule. La barrière d'énergie à franchir pour passer d'une
conformation à l'autre est faible, ce qui explique que les molécules
tournent librement autour de la liaison C-C.
a) Les conformations de l’éthane : CH3-CH3
Les deux structures de l’éthane (décalée et éclipsée) représentées
ci-dessous se déduisent l’une de l’autre par rotation, d’un angle σ,
autour de l’axe de la liaison C-C. L’expérience montre qu’à
température ordinaire, ces deux structures ne sont pas séparables
car la même molécule se présente successivement sous une infinité
de conformations :
Si σ = 0° ou 120° ou 240°, on a une conformation éclipsée.
Si σ = 60° ou 180° ou 300°, on a une conformation décalée.
Aspect énergétique: Si l'on considère l'énergie potentielle de cette
molécule, on s'aperçoit qu'elle varie suivant la position respective
des hydrogènes des deux carbones adjacents. D’un point de vue
énergétique, il existe deux positions extrêmes :
-
l'éthane éclipsé, conformation la moins stable
(énergie potentielle maximale)
l'éthane décalé, conformation la plus stable (énergie
potentielle minimale).
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Chapitre IV :Isoméries et stéréoisoméries
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Cela s’explique par les répulsions électroniques (des doubles liants)
qui sont minimales dans la forme décalée (lorsque les distances
entre les doublets sont maximales) et maximales dans la forme
éclipsée.
La différence d’énergie entre la valeur maximale et la valeur
minimale est appelée barrière d’énergie (elle est de l’ordre de 12
kJ.mol-1 pour l’éthane). Cette énergie est du même ordre de
grandeur que l’énergie d’agitation thermique : les molécules passent
d’une conformation à l’autre, à la suite des chocs intermoléculaires.
b) Les conformations du butane : CH3-CH2-CH2-CH3
Aspect énergétique: D'un point de vue énergétique, les
conformations les plus stables sont les conformations décalées, la
plus stable de toutes étant la conformation anti (α = 180°). C'est
celle dont l'énergie est minimale (les deux groupes méthyle -CH3
sont le plus loin possible l’un de l’autre, l’effet de gène stérique
entre les deux est moindre).
Les conformations éclipsées sont d'énergie supérieure. La
conformation la moins stable étant celle pour laquelle α = 0°
(conformation syn).
La barrière énergétique (25 kJ.mol-1) est suffisamment basse pour
qu’il y ait libre rotation.
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c) Les conformations du cyclohexane : C6H12
Le cyclohexane est un hydrocarbure cyclique saturé de formule
brute C6H12. La rotation autour des axes C-C permet d’adopter une
infinité de conformations (respectant les longueurs de liaison et
approximativement les angles valenciels). Cependant, deux
conformations remarquables sont obtenues pour le cyclohexane, il
s’agit des formes appelées "chaise" et "bateau" :
Diagramme énergétique du cyclohexane
Ces deux formes se transforment l’une en l’autre avec facilité.
Toutefois, la forme chaise est plus stable. La différence d'énergie
entre les conformations chaise et bateau est telle qu'à la
température ordinaire, 99 % des molécules de cyclohexane sont
sous forme chaise. Dans la forme chaise, les douze liaisons C-H se
divisent en deux groupes :
•
les liaisons axiales, perpendiculaires au plan moyen du cycle
(verticales sur le dessin).
62
Chapitre IV :Isoméries et stéréoisoméries
•
Nadia BOULEKRAS
les liaisons équatoriales, situées approximativement dans le plan
moyen du cycle.
Lorsque le cyclohexane est substitué, le substituant porté par un des
atomes de carbone peut occuper soit une position axiale, soit une
position équatoriale. La conformation qui sera privilégiée sera celle
pour laquelle il y aura, moins de gène stérique (substituant plus
dégagé du reste de la molécule).
Règle générale : on constate que les substituants volumineux se
placent préférentiellement en position équatoriale (interactions
faibles). Lorsque le cyclohexane est substitué, la forme chaise pour
laquelle le substituant se trouve en position équatoriale est la plus
stable.
Aspect énergétique: A température ambiante, l’agitation
thermique permet d’obtenir toutes les conformations. Les
conformations chaises sont de loin les plus stables et les plus
abondantes (99 % des molécules). En effet, pour les conformations
chaise, toutes les liaisons sont décalées, ce qui est favorable
énergiquement. Le cas est différent pour les autres conformations,
telles que des conformations bateau et des conformations croisées.
Références & Bibliographie conseillée
•
•
•
•
http://personnel.univ-reunion.fr/briere/
cecnbouvier.educanet2.ch/chimie4os/stereoisomeresepfl.pdf
http://www.orgapolym.com/accueil_caco.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Isom%C3%A9rie
•
•
McMurry, John, Chimie organique - les grands principes, Dunod, 2000.
Solomons, Graham et Fryhle, Craig. Chimie organique, Dunod. 7ème
édition, 2000.
Arnaud, Paul. Cours de chimie organique, Dunod, 18e édition, 2009.
•
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Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
Effets électroniques dans les molécules
organiques
On note 2 types d’effets électroniques, les effets inductifs qui sont liés à la
polarisation d'une liaison σ, et les effets mésomères, qui sont dus à la
délocalisation des électrons π. Les deux effets peuvent exister ensemble dans
une même molécule. Dans le cas d’une coexistence de 2 effets inductif et
mésomère de signes opposés, c’est toujours l’effet mésomère qui l’emporte.
I.
POLARITÉ et POLARISATION des LIAISONS
1) Répartition électronique dans les molécules organiques :
La répartition électronique au sein d’une molécule détermine en très
grande partie sa réactivité. Cette répartition n’est généralement pas
symétrique.
Lorsqu’une liaison covalente unit deux atomes identiques (X-X), le
doublet d’électrons est partagé entre les deux atomes. Le nuage
électronique se répartit équitablement sur les deux atomes. Il
n’existe donc pas de polarité (µ = 0).
Si les deux atomes sont différents (X-Y), c’est l’atome le plus
électronégatif qui attire le doublet d’électrons. Le nuage
électronique n’est plus symétrique : il est déplacé vers l’atome le
plus électronégatif : on dit que l'atome le plus électronégatif
polarise le nuage électronique. La liaison est alors polarisée.
Il se crée sur les atomes des charges partielles: δ+ sur l’atome le
moins électronégatif et δ- sur l’atome le plus électronégatif.
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Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
Rappel : L’électronégativité augmente de la gauche vers la droite sur une
même période, et du bas vers le haut sur une même colonne (voir tableau
ci-dessous) :
2) Moment dipolaire :
La polarisation d’une liaison donne naissance à un dipôle électrique
caractérisé par un moment dipolaire. Plus la différence d’électronégativité
des atomes (ou des groupements liés) est grande, plus le moment
dipolaire de la liaison est important.
Dans cette formule, µ est en Debye, ℓ est en (Angström Å), δ est sans
unité. La conversion en unité S.I. (Système International), en
Coulomb.mètre, est donnée par : 1Debye = 3,33.10-30 C.m
Exemple : le moment dipolaire mesuré de la molécule HCl est µ = 1,07 D.
Sachant que la longueur de la liaison vaut 0,136 Å, la charge partielle
calculée vaut alors 0,16.
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Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
Modèle de composition vectorielle des moments dipolaires
Dans le cas d’une molécule polyatomique, les moments dipolaires
s’additionnent comme des vecteurs. Une molécule peut avoir des liaisons
polarisées et être globalement apolaire :
Cl
Cl
H
H
µ = 2,95 D
Cl
H
H
Cl
µ=0D
Ainsi dans le cas de la molécule de CO2, on constate qu'en raison de sa
géométrie linéaire et symétrique, les deux moments de liaison C=O se
compensent. Le moment dipolaire résultant est donc nul.
Remarque : Toute molécule disposant d’un centre de symétrie, a un
moment dipolaire nul.
II. EFFET INDUCTIF
1) Définition et classification :
La polarisation de la liaison induit un déplacement d'électrons le long de la
liaison σ: c'est l'effet inductif. En d’autres termes, l’effet inductif est la
transmission par des groupements d’atomes, de la polarité d’une liaison σ.
Cette transmission est gouvernée par l’électronégativité des atomes.
Le centre de densité électronique est déplacé du milieu de la liaison vers
l’atome le plus électronégatif (Y).
δ- représente une charge formelle négative et δ+ représente une charge
formelle positive.
On classe les atomes ou les groupements d'atomes qui provoquent ce
phénomène de polarisation à distance en deux catégories :
66
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
o
o
Nadia BOULEKRAS
Groupements à effet inductif donneur (+I).
Groupements à effet inductif attracteur (-I).
2) Groupements à effet inductif attracteur (-I) et donneur (+I) :
les effets inductifs donneurs (notés +I), c'est-à-dire des atomes
ou groupements donneurs (moins électronégatifs que le carbone)
qui exercent un effet (+I).
Exemple : les métaux (Na, Mg, …), les groupes alkyles (CH3, C2H5,
(CH3)3C…)
les effets inductifs attracteurs (notés -I), c’est-à-dire des atomes
ou groupements attracteurs (plus électronégatifs que le carbone)
qui exercent un effet (-I).
Exemples : F-, Cl-, Br-, OH-, NH2-, CN-, NO2-.
Remarque : l’effet attracteur de A ou donneur de D décroît rapidement
avec la distance (pratiquement nulle au-delà de 3 à 4 liaisons).
3) Influence de l’effet inductif sur l’acidité des acides carboxyliques :
La présence d'un groupement donneur (Effet +I) aura tendance à diminuer
l'acidité du composé par augmentation de la densité électronique sur
l'oxygène du groupement O-H. La polarisation de la liaison O-H diminuera,
la rupture de cette liaison sera moins favorisée, et l'acidité sera diminuera.
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Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
Inversement, la présence d'un groupement attracteur (Effet -I) va
augmenter l'acidité car l'oxygène avide d'électron (très électronégatif) va
attirer d'autant plus fortement le doublet de la liaison O-H. La polarisation
de la liaison O-H augmentera, cette liaison sera donc d'autant plus facile à
casser, et le composé sera donc plus acide. Exemple :
Le même raisonnement s'applique pour expliquer l'acidité des alcools....
Effet inductif donneur (+I) : R-COOH
R-
H-
H3C-
H3C-CH2-CH2-
pKa
3,75
4,76
4,82
Le groupement alkyle induit un effet (+I) qui diminue l’acidité.
Effet inductif attracteur (-I) : Y-CH2-COOH
Y-
H-
Br-
pKa
3,17
2,90
Cl2,87
F-
NO2-
2,59
1,68
L’effet (-I) induit une augmentation de l’acidité. L’effet (-I) augmente avec
l’électronégativité de l’atome ou avec sa charge.
Influence du nombre d’atomes électronégatifs : ClxCH(3-x)-COOH
x
pKa
1
2,87
2
1,26
3
0,63
L’effet (-I) augmente avec le nombre d’atomes électronégativifs.
Propagation de l’effet inductif : R-COOH
RpKa
2,86
4,05
68
4,53
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
L’effet inductif décroît rapidement avec le nombre de liaisons C-C (effet nul
au-delà de 3 à 4 liaisons).
III. CONJUGAISON, RÉSONANCE et MÉSOMÉRIE
1) Mésomérie & Résonance :
En chimie organique, on rencontre souvent des molécules qui sont décrites
correctement par plusieurs structures de Lewis.
Ces deux structures ne diffèrent que par la localisation des électrons π ou n
(doublet libre). On passe d’une formule à une autre par simple
déplacement de ces électrons.
Les 2 représentations de Lewis sont équivalentes et sont appelées
structures de résonance ou formes mésomères.
La molécule réelle est appelée hybride de résonance : c’est une
combinaison, une hybride de toutes ces structures, c'est-à-dire que sa
structure réelle est une moyenne de toutes ces formes limites. Les formes
mésomères sont imaginaires mais l'hybride de résonance est bien réelle :
Remarque : Pour un composé donné, plus le nombre de formules
mésomères est élevé, plus grande est la stabilité de celui-ci.
La mésomérie permet de décrire la délocalisation des électrons π, des
doublets d'électrons libres n et des charges dans les molécules
conjuguées.
Remarque : la conjugaison est l’alternance entre double et simple liaison
dans les molécules insaturés.
69
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
2) La mésomérie des systèmes insaturés :
a) Les principaux systèmes conjugués :
Electrons π :
Electrons π et électrons n :
Electrons π et vacances électroniques :
Electrons n et vacances électroniques :
70
Nadia BOULEKRAS
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
Electrons π et électron célibataire :
b) Tautomérie : Contrairement à la mésomérie, la tautomérie est un
équilibre entre deux isomères ayant une existence propre.
L’équilibre tautomère peut être plus ou moins déplacé vers l’une des
deux structures en fonction de leur stabilité. Dans le cas de
l’équilibre céto-énolique, l’espèce prépondérante est généralement
la cétone, la double liaison C=O étant plus forte que la double
liaison C=C. Cependant dans certains cas, la forme énol peut être
favorisée:
71
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
3) Résonance & Stabilisation :
La résonance des électrons π dans les molécules insaturées, des systèmes
conjugués (aussi bien aliphatiques que cycliques) ; s'accompagne d'une
stabilisation énergétique supérieure à celle des systèmes non conjugués:
les molécules représentées par plusieurs formes de résonance sont
généralement plus stables et donc moins réactives que les molécules non
conjuguées.
Cet abaissement de l'énergie, appelé énergie de conjugaison ou énergie de
résonance, est illustré dans l’exemple suivant :
L’énergie de résonance du benzène peut être déterminée à partir de la
mesure de la chaleur d’hydrogénation de ce dernier.
L’hydrogénation du cyclohexène est exothermique et libère 120 kJ mole-1.
Le benzène comportant trois doubles liaisons devrait libérer 360 kJ mole-1.
La différence entre l’énergie réelle (expérimentale) et l’énergie calculée
conduit à l’énergie de résonance (150 kJ mol–1 ou 36 kcal mol–1).
Le benzène est donc, bien plus stable que l’hypothétique cyclohexa1,3,5-triène comportant des liaisons simples et doubles en alternance,
alors que ces deux espèces conjuguées comportent le même nombre
d'insaturations. Cette stabilisation particulière est caractéristique d'un
système aromatique (le terme aromatique utilisé à l'origine pour décrire
des molécules odorantes sert à présent à décrire ce type de composés).
4) Aromaticité :
Règle de Hückel : une molécule est aromatique si :
72
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
Elle est monocyclique.
Elle est plane.
elle est entièrement conjuguée.
Elle possède (4n+2) électrons π délocalisables (n entier :
0,1,2,3…).
Les molécules cycliques planes possédant (4n+2) électrons π ou π sont
aromatiques. Ces molécules possèdent une grande stabilité en raison de la
délocalisation des électrons π. Ces molécules sont donc peu réactives.
L’aromaticité est un concept applicable à d’autres molécules cycliques ne
possédant pas obligatoirement un cycle benzénique:
a) Cette règle peut être étendue à des systèmes polycycliques :
Anthracène
Naphtalène
Phénanthrène
-
-
14 e- délocalisables
n=3
14 e délocalisables
n=3
10 e délocalisables
n=2
b) L’aromaticité s’applique aussi à des systèmes ioniques :
Anion cyclopentadiényle
n=1
la charge négative sur le carbone
participe à la conjugaison
c) Cette règle peut être étendue à des systèmes hétérocycliques :
N
N
Pyridine
n=1
le doublet libre
de l'azote
ne participe pas
à la conjugaison
S
H
Thiophène
Pyrrole
O
Furanne
n=1
n=1
n=1
l'un des doublets libre
le doublet libre l'un des doublets libres
du soufre participe de l'azote participe de l'oxygène participe
à la conjugaison
à la conjugaison
à la conjugaison
73
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
IV. EFFET MÉSOMÈRE
1) Définition et classification :
Le déplacement des doublets d’électrons de liaison π ou des doublets non
liants (n) crée au sein de la molécule des sites riches ou pauvres en
électrons. C’est l’effet mésomère.
L’effet mésomère concerne :
o les électrons π
o les doublets d'électrons libres
o les charges.
La transmission de l’effet mésomère est assurée par la conjugaison.
Remarque : Pour une molécule de départ, qui est neutre, toutes les
formes mésomères doivent être globalement neutre (autant de charges
(+) que de charges (-)).
Contrairement à l’effet inductif, l’effet mésomère se propage à longue
distance dans une chaîne affectée par la délocalisation des électrons : les
e- π étant plus mobiles que les e- σ. L’effet mésomère est d’autant plus
important que la molécule est conjuguée.
On note deux types d'effets mésomères. Les effets donneurs d'électrons
(+M) et les effets attracteurs d'électrons (-M) :
2) Ecriture des formes mésomères :
74
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
a) Exemple de l’ion phénolate :
b) Exemple du cation benzyle :
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
cation benzyle
3) Effet mésomère et acidité :
Certains groupements peuvent avoir une très grande influence sur le pKa
des composés organiques. Dans le cas du phénol, on remarque que :
Plus, la liaison O-H est riche en électrons et plus il sera difficile
de la rompre, donc plus le pKa sera élevé.
En revanche, plus cette liaison sera pauvre en électrons et plus
il sera facile de la rompre, donc le pKa sera bas.
Ainsi, si l'on place un groupement électroattracteur sur le phényle, la
liaison O-H deviendra plus pauvre en électrons, donc plus facile à rompre
et la valeur de pKa diminuera (acidité plus forte).
Alors qu’un groupement électrodonneur sur le phényle, va augmenter la
valeur du pKa (donc diminuer l’acidité du phénol).
R
pKa
NH2
OMe
CH3
H
COCH3
11,28 10,86 10,25 9,89
+M
+M
+I
75
8,79
-M
CN
NO2
8,56 8,24
-M
-M
NH(CH3)3
8,08
-I
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
4) Classement des substituants à effet mésomère :
Effet mésomère donneur (+M) :
Effet mésomère attracteur (-M) :
Effet mésomère
Donneur (+M)
Attracteur (-M)
O-
S-
NR2
NO2
CHO
CN
NHR
NH2
NHCOR
COR
CO2H
SO2R
OR
OH
OCOR
CO2R
SO2OR
CONH2
SR
SH
Br
NO
CONHR
Ar
I
Cl
F
CONR2
R
Ar
Effet inductif
Donneur (+I)
-
O
-
COO
CR3
CHR2
CH2R
CH3
D
Attracteur (-I)
NR3+
COOH
OR
SR2+
F
COR
NH3+
Cl
SH
NO2
Br
SR
SO2R
I
OH
CN
OAr
Ar
SO2Ar
COOR
76
Chapitre V : Effets électroniques dans les molécules
Nadia BOULEKRAS
Références
•
•
•
•
•
biomimetic.crihan.fr/orga1/ORGA1B.ppt
http://www.uelpcsm.education.fr/consultation/reference/chimie/effelec1/apprendre/fa2.0
01/content/access.htm#sommaire
http://www.uel.education.fr/consultation/reference/chimie/effelec1/appren
dre/fa2.002/index.htm
http://perso.numericable.fr/chimorga
http://www.orgapolym.com/accueil_caco.html
77
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Réactions de Substitution Electrophile
Electrophile
I.
INTRODUCTION
Bien que le benzène soit un composé insaturé, il donne difficilement des
réactions d’addition (les arènes sont moins réactifs que les alcènes). Par
contre, les réactions de substitution y sont faciles.
Les réactions d'addition sont défavorisées car le produit d'addition n'est plus
aromatique (destruction d’une double liaison). De plus, dans la deuxième
étape, l’élimination de H+ (réaction 1) qui rétablit l'aromaticité est plus
rapide que l'addition de B- sur le carbocation (réaction 2).
Les substitutions électrophiles concernent les composés aromatiques. Dans
ces composés, la présence des électrons π délocalisés, fortement
polarisables, confère au cycle aromatique, un caractère nucléophile. L'action
des électrophiles sur ces composés conduit à des produits de substitution
d'un hydrogène par l'électrophile E. Le système conjugué des 3 doublets
d'électrons π est conservé.
40
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Le réactif peut être :
•
•
un électrophile possédant une déficience électronique réelle,
plus généralement, une molécule ayant un atome à caractère
électrophile (un dérivé halogéné, un composé insaturé polarisé...)
Les réactions de substitution électrophile sont catalysées par des :
o
o
acides protoniques forts (H2SO4, H3PO4)
acides de Lewis (AlCl3, FeCl3, FeBr3) où le métal présente une lacune
électronique.
Les diverses transformations que nous devons étudier sont rassemblées sur
le schéma suivant :
41
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Le mécanisme est identique pour toutes ces réactions. Ce qui diffère d'une
réaction à une autre, c’est la nature de l'électrophile.
II. SUBSTITUTION ÉLECTROPHILE
1) Mécanisme général de la substitution électrophile : le mécanisme se
déroule en 2 étapes principales, il se résume comme suit :
formation d’un complexe sigma
suivie d’une élimination qui restore l’aromaticité du cycle.
Remarque : Les différentes formes mésomères de l'ion intermédiaire
formé, contribuent à la stabilité de l'espèce.
2) Mécanisme de la Nitration : introduction d’un groupement nitro (NO2)
sur le noyau aromatique :
1ère étape : formation du réactif électrophile : l'ion nitronium NO2+ à partir
de l'acide nitrique fumant HNO3 ou par action de H2SO4 concentré sur
HNO3 concentré.
2ème étape (lente) : formation de l’intermédiaire de Wheland : Une fois
l’électrophile NO2+ formé, il attaque le noyau aromatique pour conduire à
un "complexe σ", peu stable, mais dont l’existence a été mise en évidence
à très basse température.
42
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
3ème étape (rapide): obtention des produits de substitution : L'élimination
rapide d'un proton permet de reformer le système conjugué des 3 doublets
d'électrons π.
3) Mécanisme de la Sulfonation : introduction d’un groupement (SO3) sur
le noyau aromatique :
1ère étape : formation du réactif électrophile neutre SO3 : l'électrophile
SO3 est formé en milieu acide sulfurique (H2SO4) concentré.
2ème étape (lente) : formation de l’intermédiaire de Wheland :
3ème étape (rapide): obtention des produits de substitution : L'élimination
rapide d'un proton permet de reformer le système conjugué des 3 doublets
d'électrons π.
43
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
4) Mécanisme de l’halogénation : Les halogènes sont Cl+, Br+ et I+ et les
produits obtenus sont respectivement le chlorobenzène, le bromobenzène,
l'iodobenzène.
•
Pour les réactions de chloration et de bromation, un catalyseur
(acide de Lewis) est nécessaire pour polariser la liaison X-X et
activer l'halogène en augmentant son électrophilie.
•
Dans le cas de l’iodation, l’ion iodonium est formé à partir d’un
agent oxydant tel : H2O2, CuCl2…
Cas de la Bromation :
1ère étape : formation du réactif électrophile Br+ :
2ème étape (lente) : formation de l’intermédiaire de Wheland :
3ème étape (rapide): obtention des produits de substitution : L'élimination
rapide d'un proton permet de reformer le système conjugué des 3 doublets
d'électrons π.
4ème étape : Régénération du catalyseur :
44
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
5) Mécanisme de l’alkylation de Friedel – Crafts : c’est la fixation d’une
chaîne carbonée, linéaire ou ramifiée. L'électrophile R+ est un carbocation
obtenu, à partir, d’un halogénure d’alkyle, d’un alcool ou d’un alcène.
Remarque : le carbocation intermédiaire qui se forme, peut subir un
réarrangement (par migration d'un groupement) pour donner un
carbocation plus stable.
1ère étape : formation du réactif électrophile R+ : Rδ+− Xδ- est polarisée
mais il n'y a jamais coupure spontanée en R+ et X-. Un catalyseur, acide
de Lewis, est nécessaire pour faciliter cette coupure.
2ème étape (lente) : formation de l’intermédiaire de Wheland :
3ème étape (rapide): obtention des produits de substitution : L'élimination
rapide d'un proton permet de reformer le système conjugué des 3 doublets
d'électrons π.
4ème étape : Régénération du catalyseur :
6) Mécanisme de l’acylation de Friedel – Crafts : L'électrophile est un
carbocation acylium R-CO+ obtenu, à partir, d’un chlorure d’acide, ou d’un
anhydride. L'acylation est une réaction semblable à l'alkylation, elle
nécessite un catalyseur : acide de Lewis.
45
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
1ère étape : formation du réactif électrophile R-CO+ :
2ème étape (lente) : formation de l’intermédiaire de Wheland :
3ème étape (rapide): obtention des produits de substitution : L'élimination
rapide d'un proton permet de reformer le système conjugué des 3 doublets
d'électrons π.
4ème étape : Régénération du catalyseur :
III. POLYSUBSITUTION ELECTROPHILE
1) Effets d’orientation et d’activation d’un substituant déjà présent
sur le cycle :
Lorsque l’on introduit un second électrophile (E) sur un cycle déjà
substitué, deux questions s’imposent :
La réaction est-elle favorisée ou défavorisée par la présence du
premier groupement (Y), c’est-à-dire : la vitesse de la réaction,
comparée à celle du benzène, augmente ou diminue ? C’est
l’activation.
46
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Où se fixe le second substituant (E) : en position ortho, méta ou
para ? C’est l’orientation.
L’expérience montre que la réponse à ces deux questions ne dépend pas
du substituant entrant (E) mais dépend du substituant fixé (Y).
Un groupement qui enrichit le noyau aromatique en électrons (donneur
d’électrons) et qui rend le cycle plus réactif que le benzène (réaction plus
rapide) est appelé groupe activant.
Un groupement qui diminue la densité électronique sur le noyau
aromatique (attracteur d’électrons) et qui rend le cycle moins réactif
que le benzène (vitesse plus petite) est appelé groupe désactivant.
•
L’orientation de la réaction sera donc déterminée par la stabilité
relative des différents intermédiaires de Wheland.
•
L’effet du substituant (Y) sur la vitesse sera fonction de son
influence sur la stabilité de l’intermédiaire de Wheland.
PolySubstitution
La régiosélectivité et la vitesse de la réaction sont imposées
par la stabilité des intermédiaires de Wheland mis en jeu.
47
Etude des mécanismes réactionnels
o
Nadia BOULEKRAS
Si (Y) est un donneur d’électrons (+I / +M) :
Les deux intermédiaires de Wheland substitués en ortho et para
sont les plus stables puisque l’effet donneur compense la charge
positive qui apparaît sur le carbone portant le groupement donneur,
ce qui n’est pas le cas pour l’intermédiaire méta, où le groupement
donneur ne peut pas participer à la délocalisation.
Ces groupements sont ortho et para-directeurs.
o
Si (Y) est un attracteur d’électrons (-I / -M) :
Les intermédiaires ortho et para sont défavorisés par le fait que leur
structure comporte une forme mésomère dans laquelle la charge
positive est proche du groupe attracteur. C’est donc l’intermédiaire
méta qui est le moins déstabilisé par l’effet électroattracteur.
Ces groupements sont méta-directeurs.
48
Etude des mécanismes réactionnels
o
Nadia BOULEKRAS
Si (Y) est un halogène (-I / +M) :
Les halogènes ont un comportement particulier, ils possèdent un
effet (-I) qui appauvrit le cycle en électrons, donc désactivants,
mais possèdent des doublets d'électrons libres qui peuvent stabiliser
le complexe intermédiaire σ lorsque l'électrophile se fixe en ortho
ou en para.
2) Les règles d’HOLLEMAN
Effets d'activation et d'orientation
dans la substitution électrophile aromatique
Règles d'HOLLEMAN
Un groupement donneur d’électrons est activant, ortho- et para-orienteur ,
l’orientation para étant en général favorisée.
Un groupement attracteur d’électrons est désactivant, méta-orienteur.
Les halogènes sont désactivants, ortho- et para-orienteurs.
Principaux groupements activants et désactivants
49
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
3) Cas des cycles polysubstitués :
Lorsque plusieurs substituants existent déjà sur le cycle : l'activant le plus
fort, est celui qui oriente la position de l'électrophile sur le cycle. Quelques
règles permettent de prédire la régiosélectivité :
Règle n°1 : Les groupes fortement activants exercent une influence plus
forte que les groupes désactivants ou faiblement activants. Ce sont donc
les donneurs les plus forts qui imposent l’orientation :
les plus forts : les ortho, para directeurs (OR, NH2, OH)
les moyens : les autres ortho, para directeurs (R, X)
les plus faibles : méta directeurs.
OH
OH oriente ici
OH
OH oriente ici
NO2
HNO3
H2SO4
CH3 oriente ici
CH3 oriente ici
CH3
p-méthylphénol
CH3
4-méthyl-2-nitrophénol
Règle n°2 : Lorsque le cycle aromatique porte des substituants donneurs
encombrants, la position para est favorisée par rapport à la position ortho,
car l’approche de l’électrophile en position ortho est rendue difficile du fait
de l’encombrement stérique.
Cl oriente ici
CH3 oriente ici
CH3
trop encombré
CH3
CH3
O2N
HNO3
H2SO4
+
Cl
Cl
Cl
NO2
CH3 oriente ici
Cl oriente ici
5-chloro-2-nitro
toluène
m-chlorotoluène
3-chloro-4-nitro
toluène
Remarque:le 3-chloro-2-nitrotoluène n’est pas formé pour des raisons stériques
Références & Bibliographie conseillée
•
•
•
www.edu.upmc.fr/sdv/docs_sdvbmc/Licence/chimieorga/LV233289.pdf
www.orgapolym.com/accueil_caco.html
www-chimie.u-strasbg.fr/~lcco/course/.../resume_deug2.pdf
50
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Réactions de Substitution Nuclé
Nucléophile
ucléophile
I.
INTRODUCTION
La substitution nucléophile résulte de l’attaque nucléophile sur un substrat
par une espèce riche en électrons (molécule neutre ou anion) et du départ
nucléofuge d’un groupement emportant un doublet d’électrons :
L’ouverture des liaisons est hétérolytique (ou ionique). Les dérivés
halogénés et les alcools se prêtent bien à ce genre de réactions, du fait de la
polarisation et de la polarisabilité des liaisons C-X et C-OH :
o
o
La polarisation est due à la différence d’électronégativité.
La polarisabilité qui est liée au volume de l’atome d’halogène
caractérise la déformation du nuage électronique de la liaison sous
l’action d’un champ électrique extérieur (solvant, réactifs…).
30
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
II. SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE MONOMOLÉCULAIRE (SN1)
1) Mécanisme de la réaction : réaction en deux étapes :
1ère étape (lente et limitante par sa vitesse) : départ du nucléofuge et
formation d’un carbocation plan
C
δ+
+
C
X
δ-
X
Halogénure d'alkyle
Carbocation (plan)
2ème étape (rapide) : attaque du réactif nucléophile sur le carbocation, des
deux côtés du plan
50%
C
Nu
C
Mélange racémique
C
Nu
Nu
31
50%
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Exemple :
2) Stéréochimie : Le carbocation formé est plan, il peut être attaqué des
deux côtés de ce plan. Si le composé est optiquement actif, on aura
formation d’un mélange d’énantiomères en quantités égales (perte de
l'activité optique) : Réaction non stéréospécifique.
3) Vitesse de réaction : La substitution nucléophile SN1 est dite d'ordre 1
car elle obéit à une loi de vitesse de premier ordre :
v = k [R-X]
Dans le cas d’une réaction d’ordre 1, la vitesse de réaction est
proportionnelle à la concentration du substrat et indépendante de la
concentration du réactif nucléophile.
32
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
4) Facteurs influençant la SN1 :
a) Classe du substrat : le mécanisme SN1 n’est possible que si le
carbocation formé est stable. La stabilité du carbocation est
favorisée par tout effet électronique permettant de diminuer la
charge positive sur le carbone central : effet inductif (+I) et
mésomère (+M) donneur.
Les carbocations les plus stables seront : CCIII > CCII ≈ benzylique
≈ allylique > CCI > Méthyle.
Remarque : les chaînes alkyles sont inductifs donneurs. Un cycle
aromatique ou une double liaison sont mésomères donneurs.
b) Le nucléofuge (groupement partant) : Plus la liaison est
polarisable (et plus longue), plus sa rupture est facile et plus la
réaction est rapide. La longueur de liaison croît quand le volume de
X augmente.
La réactivité des halogénures d'alkyle, dans un mécanisme de
substitution nucléophile, décroît selon la séquence :
TsO -
>
I-
>
Br -
>
Cl -
= H2 O
> F-
> HO -
Mauvais
groupements
partants
Meilleurs
groupements
partants
33
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
c) Le nucléophile : La vitesse de réaction est indépendante de la
concentration du réactif nucléophile. Par conséquent, sa nature
n'aura pas d'influence sur la vitesse de la réaction. Cependant, le
nucléophile doit être plus réactif que le nucléofuge.
Le réactif nucléophile correspond à des :
o
o
Anions: -OH-; RO-; -C≡N-; NO2-.
molécules neutres contenant un doublet non liant: H2O; NH3 ;
R-NH2 ; CH3-CH2-OH…
Dans ce dernier cas, le solvant peut jouer le rôle de nucléophile. On
parle alors de solvolyse (et d’hydrolyse si le solvant est H2O).
D’une manière générale, la nucléophilie augmente :
lorsqu’on descend dans le tableau périodique: dans un
solvant polaire protique, les petits anions sont plus
solvatés que les nucléophiles volumineux, donc moins
disponibles pour une attaque et moins réactifs.
RSH > ROH
I- > Br - > Cl - > FRS- > RO –
(CH3)3P > (CH3)3N
lorsqu’on augmente la charge portée par le nucléophile : les
anions sont plus nucléophiles que les molécules
neutres correspondantes :
HO- > HO-H
RO- > RO-H
RS- > RS-H
Echelle de nucléophilie dans les solvants polaires :
SH > CN > I > OH > N3 > Br > CH3CO2 > Cl > F > H2O
34
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
d) Le solvant : Un solvant polaire protique augmente la vitesse du
mécanisme SN1, en formant des liaisons hydrogène avec le
nucléofuge. Celles-ci vont polariser davantage la liaison C—X et
faciliter sa rupture, ce qui favorise la formation du carbocation.
Le solvant polaire protique "encage" le nucléophile et ralentit son
attaque. De plus, lorsque la liaison est rompue, le solvant "encage"
le nucléofuge, ce qui empêche la reformation de la liaison C-X.
III. SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE BIMOLÉCULAIRE (SN2)
1) Mécanisme de la réaction : La rencontre du substrat et du réactif se fait
simultanément selon un mécanisme concerté : le nucléophile s'approche
du carbone par le côté opposé au nucléofuge (attaque dorsale). L'état de
transition présente un carbone penta-coordiné (très instable), où la liaison
C—X commence à se rompre alors que la liaison Nu—C commence à se
former. Les trois autres liaisons sont coplanaires.
35
Etude des mécanismes réactionnels
Nu
C
δ+
δ-
X
Nu
Nadia BOULEKRAS
C
X
C
+
X
Nu
Etat de transition
Exemple :
36
Inversion de walden
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
2) STÉRÉOCHIMIE : la réaction se fait en une seule étape. Si le carbone est
asymétrique, la réaction conduit à une inversion de la configuration
(Inversion de Walden). On obtient un seul énantiomère : Réaction
stéréospécifique.
3) Vitesse de réaction : La substitution nucléophile SN2 est dite d'ordre 2
car elle obéit à une loi de vitesse de second ordre :
v = k [R-X] [Nu]
Dans le cas d’une réaction bimoléculaire (d’ordre 2), la vitesse de réaction
est proportionnelle à la concentration du substrat et du réactif nucléophile.
4) Facteurs influençant la SN2 :
a) Classe du substrat : l’encombrement stérique sur le substrat,
gène l’approche du nucléophile. L’encombrement croît avec la classe
du substrat. L’ordre de réactivité pour la SN2 est inverse de
celui observé pour la SN1 :
37
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
b) Nature du nucléofuge (groupement partant): de même que pour
la SN1, plus une liaison est polarisable et plus sa rupture est facile :
TsO - > I - > Br - > Cl - = H2O > F - > HO -, NH2 -, RO Mauvais
groupements
partants
Meilleurs
groupements
partants
c) Le nucléophile : La réactivité de la SN2 croît avec la nucléophilie du
réactif :
Dans les solvants polaires aprotiques, les anions sont moins
solvatés et leur nucléophilie est l’inverse de celle observée en
solvants polaires protiques :
Dans H2O : I- > Br- > Cl- > FDans DMF : F- > Cl- > Br- > I Les nucléophiles chargés (anions : RO-, HO-, CN-, X- ...) sont
plus forts que les nucléophiles neutres (NH3, H2O, ROH...).
Les petits nucléophiles sont plus réactifs que les anions
volumineux : moins d’encombrement stérique.
38
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
d) Le solvant : un solvant polaire protique diminue la vitesse de la
SN2 en solvatant le nucléophile par liaison hydrogène, diminuant
ainsi sa nucléophilie.
Par contre, un solvant polaire aprotique favorise la SN2 en solvatant
le cation associé au nucléophile mais pas celui-ci : la charge positive
étant à l’intérieur de la molécule de solvant et par conséquent,
moins accessible pour solvater le nucléophile. Ce dernier restera
alors libre dans le milieu, donc très réactif.
Références & Bibliographie conseillée
•
McMurry, John, Chimie organique - les grands principes, Dunod, 2000.
•
•
•
•
www.univ-orleans.fr/.../first%20page.htm
http://mon.univ-montp2.fr/claroline/course/index.php?cid=ULCH201
www.chups.jussieu.fr/polys/chimie/.../Dia5CO2007.pdf
http://www.uelpcsm.education.fr/consultation/reference/chimie/effelec1/apprendre/fa2.0
01/content/access.htm#sommaire
39
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Réactions d’Elimination
d’Elimination
I.
INTRODUCTION
En chimie organique, une élimination (ou β-élimination) est une réaction
qui transforme un alcane substitué (halogénoalcane, alcool...) en alcène.
Le bilan d'une élimination sur un substrat saturé
remplacement de deux liaisons σ par une liaison π :
correspond
au
X
β
C
B
C
α
C
C
+
BH + X
H
Exemple :
Les réactions d’éliminations sont favorisées par une élévation de
température et la présence de groupements basiques puissants : la soude
(Na+, HO-), la potasse (K+, HO-), les ions alcoolates (Na+, RO-), les ions
amidures (Na+, NH2-).
Comme pour la substitution nucléophile il existe une
unimoléculaire
et une
élimination
bimoléculaire
que
respectivement E1 et E2.
51
élimination
l'on note
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
II. ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE (E1)
1) Mécanisme de la réaction : réaction en deux étapes :
1ère étape (lente et limitante par sa vitesse) : la liaison C-X se rompt sous
l’influence d’un solvant polaire protique et un carbocation plan se forme :
2ème étape (rapide) : la base arrache un proton porté par un carbone
adjacent à la liaison C-X, pour conduire à un alcène :
Exemple :
Cl
H3C
C
CH3
H3C
Etape
limitante
H3C
CH3
H
H3C
C
H3C
C
Cl
H
C
C
H
H
B
H
H
52
Etape
rapide
H3C
-HB
H3C
H
C
C
H
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
2) Stéréochimie : La réaction est une β-élimination : le H arraché est en β
de l’atome de carbone portant l’halogène.
La réaction conduit à un mélange de stéréoisomères Z et E, à cause de la
libre rotation autour de la liaison C-C : Réaction non stéréospécifique.
Exemple :
53
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Règle de Zaïtsev: Lors d'une réaction d'élimination, le proton part
préférentiellement du carbone le moins hydrogéné pour donner l'alcène le plus
substitué (thermodynamiquement le plus stable) : Réaction régiosélective.
Exemple :
3) Vitesse de réaction : La réaction est dite d’ordre 1 ou unimoléculaire, car
elle obéit à une loi de vitesse de premier ordre :
v = k [R-X]
La vitesse de réaction est proportionnelle à la concentration du substrat et
indépendante de la concentration de la base.
54
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
4) Facteurs influençant le mécanisme E1 :
La 1ère étape du mécanisme E1 fait intervenir un carbocation, comme dans
le mécanisme SN1. Seule l’étape rapide va différencier les deux
mécanismes : on a donc compétition entre la SN1 et la E1.
1. Classe du substrat : la présence de groupes volumineux sur le
carbone lié à l’halogène accélère l’élimination de ce dernier : des
groupements alkyles encombrants et électro-donneurs favorisent
le mécanisme E1 (substrat tertiaire : carbocation plus stable).
H
H
H
H
H
H
C C
H 3C
H
H
C
C
C
H3C C
C
3
H
H
C
H
H
H
CH3
H
Méthyl <
Primaire <
Allylique ~
Benzylique ~ Secondaire <
Remarque : les groupements alkyles sont inductifs donneurs. Un
cycle aromatique ou une double liaison sont mésomères donneurs.
2. Le nucléofuge (groupement partant) : Plus la liaison C-X est
polarisable (et plus longue) et plus sa rupture est facile. La longueur
de liaison croît quand le volume de X augmente :
- >
TsO >
>
I
>
Br
>
= H 2O
Cl
F
HO
Mauvais
groupements
partants
Meilleurs
groupements
partants
3. La base : La vitesse de réaction est indépendante de la
concentration de la base. Cependant, la base doit être faible et
peu nucléophile: pour éviter l’arrachement du proton pendant la
1ère étape du mécanisme (NH3, R-NH2, R-OH…).
Pour un même atome nucléophile,
nucléophilie varient dans le même sens.
basicité
et
Pour des dérivés oxygénés ou carbonés, la basicité et la
nucléophilie diminuent quand l'atome porte des groupements
attracteurs (-I ou –M).
-
-
-
RO > OH > RCO2 > ROH> H2O
Dans une même colonne, la nucléophilie augmente
lorsqu’on se déplace vers le bas, alors que la basicité
diminue.
4. Le solvant : Un solvant polaire protique augmente la vitesse du
mécanisme E1, en formant des liaisons hydrogène avec le
nucléofuge. Celles-ci vont polariser davantage la liaison C—X et
faciliter sa rupture, ce qui favorise la formation du carbocation.
55
CH3
C
CH3
Tertiaire
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
III. ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE (E2)
1) Mécanisme de la réaction : le mécanisme est concerté : passage par un
état de transition.
L’attaque de la base et la rupture des liaisons C-X et C-H se font
simultanément : la base attaque la liaison C-H qui s’affaiblit, pendant que
la liaison C-X se polarise.
Les liaisons C-X et C-H doivent être antipériplanaires (même plan), X et H
doivent se trouver sur deux côtés opposés (en position anti).
56
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Exemple :
H
B
Ph
H
H3C
Br
Ph
H
δ+
B
Ph
H
H3C
H3C
Ph
Br-
Etat de transition
δ
(Z)
Ph
+Br
+HB
H
Ph
2) STÉRÉOCHIMIE : la réaction se fait en une seule étape. L’élimination se
fait exclusivement quand H et X sont dans un même plan, en position
antiparallèle. Obtention d’un seul alcène de configuration Z ou E : Réaction
stéréospécifique.
Règle de Zaïtsev: Lors d'une réaction d'élimination, le proton part
préférentiellement du carbone le moins hydrogéné pour donner l'alcène le plus
substitué (thermodynamiquement le plus stable) : Réaction régiosélective.
57
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
3) Vitesse de réaction : Le mécanisme E2 est bimoléculaire (ordre 2) car il
obéit à une loi de vitesse de second ordre :
v = k [R-X] [Nu]
La vitesse de réaction dépend des concentrations du substrat et de la base
4) Facteurs influençant le mécanisme E2 :
a) Classe du substrat : plus la classe du substrat est élevée et plus le
mécanisme E2 est facile: la formation de l’alcène correspond à une
décompression stérique.
b) Nature du nucléofuge (groupement partant): de même que pour
le mécanisme E1, plus une liaison est polarisable et plus sa rupture
est facile :
TsO - > I - > Br - > Cl - = H O >
>
2
F
HO , NH2 , RO
Mauvais
groupements
partants
Meilleurs
groupements
partants
c) Le nucléophile : Pour un substrat donné, plus la base est
concentrée et forte : OH- (soude, potasse), RO- (alcoolates), NH2(amidures), plus la réaction E2 est favorisée.
d) Le solvant : un solvant polaire aprotique accélère le mécanisme E2,
en solvatant le cation associé à la base forte mais pas celle-ci : la
charge positive étant à l’intérieur de la molécule de solvant et par
conséquent, moins accessible pour solvater la base. Cette dernière
restera alors libre dans le milieu, donc très réactive.
IV. TABLEAU COMPARATIF DES MÉCANISMES SN1, E1, SN2 et E2
Type de Réaction
Mécanisme
SN1 / E1
2 étapes
V= k[RX] : ordre 1
SN2 / E2
1 étape
V= k[RX][Nu] : ordre 2
V= k[RX][B] : ordre 2
Intermédiaire
Carbocation
Non stéréospécifique :
Etat de transition
stéréospécifique :
Attaque Nu des 2 côtés du plan
Libre rotation autour de C-C
Attaque dorsale du Nu
Inversion de Walden
H et X anticoplanaires
Stéréochimie
SN1 : Mélange racémique
E1 : 2 alcènes Z et E
58
SN2 : Inversion de
configuration. 1 seul
énantiomère
E2 : 1 seul alcène
Etude des mécanismes réactionnels
Influence
du substrat
Nadia BOULEKRAS
CCIII >> II > I
(stabilisation de l'intermédiaire)
SN2 : Substrat I > II >> III
(déstabilisation de l'état de
transition par encombrement
stérique)
E2 : plus la classe est élevée
et plus la réaction est rapide
Influence
du Nucléophile
Influence du
solvant
SN1 : nucléophile faible.
E1 : base faible diluée et mauvais
Nu
les solvants polaires protiques
facilitant la formation de
carbocation par liaisons
hydrogène
SN2 : bon nucléophile.
E2 : base forte concentrée et
mauvais Nu
les solvants polaires
aprotiques solvatant le
cation associé au nucléophile
Remarque : Toute molécule possédant un doublet d’électron est à la
fois une base et un nucléophile et toute espèce arrachant un proton
est une base. Par conséquent, une espèce nucléophile (caractère
cinétique) est aussi une espèce basique (caractère thermodynamique),
il y a donc parfois compétition entre ces deux caractères et l'issue d'une
réaction dépend de celui de ces deux caractères qui prédomine.
Références & Bibliographie conseillée
•
•
McMurry, John, Chimie organique - les grands principes, Dunod, 2000.
www.edu.upmc.fr/sdv/docs_sdvbmc/Licence/chimieorga/Chap2.pdf
59
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Réactions d’addition électrophile
I.
INTRODUCTION
L'addition électrophile est une réaction dans laquelle un alcène (centre riche
en électrons) réagit comme nucléophile avec une espèce chimique
électrophile (un cation ou une molécule présentant une lacune électronique)
Les alcènes peuvent subir des réactions d’addition (ouverture de la double
liaison C=C par rupture de la liaison π). La liaison π est plus fragile que la
liaison σ, c’est un site très réactif, de forte densité électronique. De plus, le
nuage électronique de la liaison π, situé au-dessus et au-dessous du plan de
la molécule est polarisable et peut réagir avec des espèces électrophiles.
Les principales réactions d'addition électrophile sur les alcènes sont :
o
Réactions d'hydratation :
o
Réactions d'hydrohalogénation :
13
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
o
Réactions de dihalogénation :
o
Réactions d'addition d'acides hypohalogéneux :
D’une manière générale, le bilan d’une réaction d’addition électrophile s’écrit
Cette réaction a lieu en 2 étapes :
Une étape lente qui correspond à l’attaque nucléophile de l’alcène
sur le site électrophile du réactif (A-B) : ce qui conduit à la formation
d'un intermédiaire réactionnel instable: un carbocation plan.
Une étape rapide qui correspond à l’attaque du nucléophile B- sur le
carbocation.
14
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
II. RÉACTIONS D’HYDRATATION sur les ALCÈNES
1) Mécanisme de la réaction : En présence de catalyseur acide, l'eau peut
s'additionner sur les alcènes (hydratation) pour conduire à des alcools :
1ère étape : Formation du carbocation (CC) intermédiaire :
2ème étape : Le (CC) réagit avec l’eau. La régénération du catalyseur par
déprotonation de l’intermédiaire formé, conduit à la formation de l’alcool :
Exemple : (E)-3,4-diméthylhex-3-ène
2) Régiosélectivité et Stéréosélectivité :
o
La réaction d’hydratation d’un alcène dissymétrique est régiosélective
; elle se fait préférentiellement avec fixation de H sur le carbone le
moins substitué, de manière à former le carbocation le plus stable : les
effets inductifs donneurs des groupements CH3 stabilisent le
carbocation (Règle de Markovnikov).
15
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Règle de Markovnikov: lors de l'addition électrophile ionique
d'un composé Aδ+-Bδ- sur un alcène dissymétrique,
B se fixe sur le carbone le plus substitué (le moins hydrogéné).
o
On n'observera aucune stéréosélectivité de la réaction car le
carbocation pourra être attaqué d’un côté ou de l’autre du plan.
III. RÉACTIONS D’HYDROHALOGÉNATION sur les ALCÈNES
1) Mécanisme de la réaction : Les différents acides halohydriques HX
(chlorhydrique, bromhydrique ou iodhydrique) s’additionnent sur les
alcènes pour donner des dérivés monohalogénés.
1ère étape : L'électrophile H+ réagit sur les électrons π de la double liaison
pour conduire à un carbocation (CC) intermédiaire :
2ème étape : L'ion halogénure vient alors attaquer le carbocation pour
finalement former la molécule halogénée :
16
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
17
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Exemple : (E)-3,4-diméthylhex-3-ène
2) Régiosélectivité et Stéréosélectivité :
o
L’hydrohalogénation d’un alcène dissymétrique obéit à la règle de
Markovnikov, le proton se fixe sur le carbone le moins substitué (le
plus hydrogéné) de manière à former le carbocation le plus stable : les
effets inductifs donneurs des méthyles stabilisent carbocation). La
réaction est régiosélective.
o
On obtient tous les stéréoisomères possibles. La réaction est nonstéréosélective.
o
On obtient les mêmes isomères de configuration à partir du (Z)-3,4diméthylhex-3-ène : la réaction est non-stéréospécifique.
IV. RÉACTIONS de DIHALOGÉNATION sur les ALCÈNES
1) Mécanisme de la réaction : Lorsqu'un dihalogène X2 (Cl2, Br2, I2) est
proche du champ des électrons π d'une double liaison, il se polarise ; ce
qui explique l'apparition d'une extrémité électrophile de la molécule
d'halogène.
1ère étape : L’atome de brome (X+) vient former sur le substrat un pont
halonium (bromonium) par dessus la liaison C-C :
18
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
2ème étape : L'halogénure (X-) libéré, attaque l’intermédiaire réactionnel en
anti, générant ainsi un composé dihalogéné (dibromé) :
Exemple 1 : Bromation stéréosélective du but-2-ène :
19
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Exemple 2 : Bromation stéréospécifique du (Z) et (E) but-2-ène :
2) Régiosélectivité et Stéréosélectivité :
o
La dihalogénation est une réaction non-régiosélective pour un
alcène symétrique, qui peut être attaqué d’un côté ou de l’autre de la
liaison C=C.
o Puisque la rotation autour de C-C est impossible à cause du pont
halonium, le nucléophile ne peut attaquer que d'un seul côté de la
double liaison : c'est-à-dire de façon antipériplanaire "anti" au pont. La
dihalogénation est donc une réaction stéréosélective.
o On obtient des produits différents à partir des deux diastéréoisomères
de départ (Z et E): la réaction est stéréospécifique.
V.
ADDITION D’ACIDES HYPOHALOGÉNEUX sur les ALCÈNES
1) Mécanisme de la réaction : Selon le même principe que les dihalogènes
X2, les acides hypohalogéneux (HO-X) se polarisent et s’additionnent aux
alcènes pour former des halogéno-alcools appelés : halohydrines.
1ère étape : L’atome de brome (X+) vient former sur le substrat un pont
halonium par dessus la liaison C-C :
20
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
2ème étape : L'ion (OH-) attaque le pont halonium en anti, générant ainsi
un halogéno-alcool :
Exemple :
OH
H
Br
Br
CH3
C1
H
CH3
H
CH3
H
C2
CH3
OH
L'attaque de OH- se fait de préférence
en C2 car c'est le carbone le plus substitué
21
Etude des mécanismes réactionnels
Br
Nadia BOULEKRAS
CH3
H
CH3
Br
C1
C2
H
CH3
H
CH3
CH3
+ H
H
OH
Br
H
OH
Majoritaire
CH3
OH
minoritaire
Bromoalcools
2) Régiosélectivité et Stéréosélectivité :
o
L’addition des acides hypohalogéneux est une réaction nonrégiosélective pour un alcène symétrique, qui peut être attaqué d’un
côté ou de l’autre de la liaison C=C.
o Puisque la rotation autour de C-C est impossible, le nucléophile ne peut
attaquer que d'un seul côté de la double liaison : c'est-à-dire de façon
antipériplanaire
"anti"
au
pont
halonium. La
réaction
est
stéréosélective.
Références
•
http://www.univ-orleans.fr/sciences/chimie/chimieorga/Cours%20L3CI-02/L3CI02%20Alcenes%20addition%20electrophile%20et%20radicalaire.pdf
•
•
http://mon.univ-montp2.fr/claroline/course/index.php?cid=ULCH201
http://www.unspf.fr/ressource.php?page=1_06_chimie_organique.htm
22
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Réactions d’addition nucléophile
nucléophile
Sur le groupement carbonyle
I.
INTRODUCTION
1) Réactivité de la liaison C=O :
Comme tous les composés à liaisons multiples, les composés carbonylés
peuvent subir des réactions d'addition.
Les aldéhydes et cétones peuvent subir des additions nucléophiles, grâce à
la forte polarisation de la double liaison qui rend l'atome de carbone très
réactif vis-à-vis des nucléophiles.
A cause de la différence d'électronégativité entre le carbone et l'oxygène,
la liaison C-O est fortement polarisée : le carbone présente un caractère
fortement électrophile et les hydrogènes fixés sur le carbone en α sont
mobiles caractère "acide".
De plus, la présence de doublets libres sur l'atome d'oxygène en fait un
site privilégié d'attaque pour les acides de Lewis et les électrophiles.
Remarque : D'une manière générale les aldéhydes sont plus réactifs que
les cétones dans les additions nucléophiles.
23
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
II. MÉCANISME GÉNÉRAL d’une ADDITION NUCLÉOPHILE
L’addition nucléophile sur les groupes carbonyles (C=O) conduit à un
changement de l’état d’hybridation du carbone et de l’oxygène de sp2
(trigonal plan) à sp3 (tétraédrique).
Les réactions d’addition nucléophile que subit le groupement carbonyle
sont nombreuses, nous n’aborderons que les 3 types suivants :
1) Addition d’eau (Hydratation) :
L’eau s’additionne aux aldéhydes et cétones pour former des diols :
24
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Cette réaction sera catalysée :
En milieu basique : OH- s'additionne au groupe carbonyle et l'ion
alcoolate (intermédiaire formé) arrache un proton à la molécule d'eau :
formation du diol (hydrate de carbonyle).
En milieu acide : le proton se fixe sur l’oxygène, l'addition d'eau
conduit à un diol protoné. La régénération du catalyseur par perte d'un
proton conduit à la formation d'un diol (hydrate de carbonyle).
1er cas : Catalyse basique
O
C
O
C
OH
OH
O
H
OH
OH
C
C
+
OH
OH
OH
Diol (Hydrate de cabonyle)
2ème cas : Catalyse acide
O
C
O
H
C
H
H
OH
H
O
H
OH
C
C
Remarque:
réversible.
L’hydrate
+
H
OH
H
Diol (Hydrate de cabonyle)
de
carbonyle
25
est
instable:
H
O
H
C
H
O
O
l’hydratation
est
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
2) Addition des amines :
a) Formation des imines (base de Schiff) :
L’addition d’amines primaires sur la fonction carbonyle conduit à
la formation d’imines (bases de Schiff) :
1ère étape : Activation de la cétone avec H+ :
C
O
C
H
O
H
C
O
O
H
H
2ème étape : Attaque nucléophile de l’amine :
C
O
H
+ H 2N
R
C
NH2
3ème étape : Transfert du proton de l’azote vers l’oxygène :
H
H
O
O
H
C
C
N
R
N
H
R
H
H
4ème étape : Déshydratation :
H
O
H
H
C
C
N
R
N
+ H2O
R
H
26
R
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
5ème étape : Régénération du catalyseur :
H
N
C
C
R
N
R
H
+
Imine
b) Formation d’énamines : L’addition d’amines secondaires sur la
fonction carbonyle conduit à la formation d’énamines:
1ère étape : Activation de la cétone avec H+ :
C
O
C
H
O
H
O
C
2ème étape : Attaque nucléophile de l’amine :
C
O
H
+
HN
O
H
HN
R
R
C
R
R
3ème étape : Transfert du proton de l’azote vers l’oxygène :
H
O
H
O
H
C
C
N
R
N
H
R
R
27
R
H
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
4ème étape : Déshydratation :
H
H
O
R
C
N
C
N
+ H2O
R
R
R
5ème étape : Régénération du catalyseur :
H
R
R
C
N
C
C
N
C
+
H
R
R
Enamine
3) Addition des alcools (acétalisation) :
L’addition d’alcools à la fonction carbonyle est une réaction réversible qui
conduit à la formation d’acétals, en milieu acide :
1ère étape : Formation d’un hémiacétal :
H
O
H
C
R
H
H
O
O
C
C
R
H
O
C
H
R
O
H
C
H
OR'
R'
Hémiacétal
28
C
H
OH
H
H R
H
O
R
OH
R
OH
R'
+H
R'
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
2ème étape : Formation de l’acétal:
OH
R
C
OH2
H
R
H
R
H
C
C
- H2 O
OR'
R"
O
OR"
R
C
H
+
R"
O
H
R
C
H
H
OR'
OR'
Acétal
Références
users.skynet.be/sb020785/.../ExercicesChimieOrganique.pdf
www.chimiegenerale.org/Cours/M1/SystBioch.pdf
29
C
OR'
OR'
OR'
•
•
R
H
H
H
Etude des mécanismes réactionnels
Nadia BOULEKRAS
Mécanismes
écanismes Réactionnels
éactionnels
L’écriture du bilan d’une réaction ne renseigne pas sur les différentes étapes
permettant la transformation des réactifs en produits. Il peut y avoir plusieurs
étapes élémentaires et un certain nombre d’intermédiaires réactionnels
formés pendant la réaction. Un mécanisme réactionnel correspond à la
succession d’étapes élémentaires ayant lieu lors du passage des réactifs aux
produits. Les intermédiaires réactionnels sont des espèces chimiques qui se
forment entre 2 étapes élémentaires, ils sont très peu stables et ont une durée
de vie très courte.
L’étude des mécanismes réactionnels a pour objet de rendre compte des
modifications électroniques, géométriques, énergétiques et cinétiques du
système en évolution.
I.
CLASSIFICATION DES RÉACTIONS
D’un point de vue bilan, on peut classer les réactions chimiques en 4 groupes
1) Réactions de Substitution : une liaison σ est remplacée par une autre
liaison σ
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2) Réactions d’Addition : 1 liaison π est rompue, 2 liaisons σ formées
3) Réactions d’élimination : formation d’une liaison π
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4) Réactions de transposition
d’atomes (tautomérie)
(ou
réarrangement) :
déplacement
II. ASPECT ÉNERGÉTIQUE des RÉACTIONS
1) Déroulement d’une réaction à l’échelle moléculaire : une réaction se
produit par suite de chocs efficaces entre le substrat A et le réactif B.
A
C
+ B
Un substrat : c’est la molécule principale qui subit une transformation.
Un réactif : c’est l’agent chimique capable de provoquer une réaction.
Un choc efficace est un choc dont l’énergie est suffisante pour que la
réaction se produise. Si la réaction s'effectue :
en une seule étape (un seul choc), il s'agit alors d'une RÉACTION
ÉLÉMENTAIRE,
en deux étapes ou plusieurs étapes, c'est-à-dire par une succession
de réactions élémentaires: RÉACTION COMPLEXE.
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2) Réaction élémentaire : Au moment de la collision de A et de B, il y a
formation d’un état de transition (très instable), qui évolue ensuite très
rapidement vers C. L’évolution de la réaction, à l’échelle moléculaire, est
représentée par le diagramme d’énergie suivant :
3) Réaction complexe : La réaction s’effectue en plusieurs étapes, qui sont
une succession de processus élémentaires. Elle passe par un (ou
plusieurs) intermédiaire(s) réactionnel(s) avant d’arriver au produit C.
Chaque intermédiaire est précédé et suivi d’un état de transition.
Les intermédiaires réactionnels sont des entités peu stables (durée de vie
très courte), par conséquent très réactifs.
L'étape ayant l'énergie d'activation la plus élevée, est l'étape la plus lente,
donc cinétiquement déterminante.
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III. ASPECT ELECTRONIQUE. INTERMÉDIAIRES RÉACTIONNELS
1) Coupure de liaisons σ : il existe 2 types de mécanismes, selon les
intermédiaires mis en jeu :
Mécanisme homolytique : rupture symétrique de la liaison
covalente (formation de radicaux). Cette rupture est initiée, le plus
souvent, par des radiations U.V.
Mécanisme hétérolytique : rupture dissymétrique de la liaison
covalente (passage par des intermédiaires ioniques : cations et
anions).
Dans ce cours, nous ne développerons que les réactions hétérolytiques.
2) Rôle du solvant dans les réactions en synthèse organique
Un solvant est un liquide non réactif, capable de dissoudre les réactifs et
les produits formés, d’une part ; d’autre part, il peut favoriser ou inhiber
certaines réactions en solvatant réactifs ou produits. Il existe 2 classes de
solvant :
•
Les solvants non polaires :
Ces solvants se caractérisent par un moment dipolaire nul : Benzène
(C6H6), toluène (C6H5-CH3), tétrachlorure de carbone (CCl4),
hydrocarbures (hexane, cyclohexane…)… Etant non chargés, ils ne
solvatent pas les ions du milieu réactionnel.
•
Les solvants polaires : ils sont divisés en 2 groupes :
o Solvants protiques : ils possèdent au moins un atome
d’hydrogène lié à un hétéroatome (O, N, S…) comme dans l’eau
(H-O-H), les alcools (R-O-H).
Du fait de la polarisation des liaisons (H-O, H-N, H-S…), ces
protons mobiles sont capables de former des liaisons hydrogène
avec des molécules portant des doublets libres ou des charges
négatives.
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Un solvant protique augmente la polarité de la liaison C-X
du substrat et facilite le départ du groupement partant (X)
Un solvant protique va solvater le nucléophile par
formation de liaisons hydrogène, et va diminuer son
pouvoir nucléophile : le solvant protique encage le
nucléophile et ralentit son attaque.
δ−
δ−
δ+
O
δ+
H
δ+
H
O
δ+
H
H
H
H+
Nu
H+
δ
H+
δ
O−
δ+
O−
δ
δ
δ
o Solvants aprotiques : ils comportent des atomes à doublets
libres mais ne possèdent pas d’hydrogène mobile: les atomes
d’hydrogène sont exclusivement liés à des atomes de carbone :
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O
O
O
1,4-dioxane
Tétrahydrofurane
Ces solvants dissolvent les composés ioniques par solvatation
des cations : l’effet stérique empêche la solvatation des anions
qui ne peuvent s’approcher de la charge positive à l’intérieur de
la molécule de solvant ; les anions, non encombrés, sont alors
très réactifs.
δ+
(CH3)2S
δ−
δ−
O
δ+
O
S(CH3)2
O
S(CH3)2
Na
(CH3)2S
δ+
O−
δ
δ−
δ+
3) Intermédiaires réactionnels :
Entre l'étape initiale et finale d'une réaction chimique, se forment des
intermédiaires réactionnels, peu stables, à durée de vie très courte.
Ces espèces chimiques sont entièrement consommées à la fin de la
réaction, ils ne figurent donc pas dans l’équation stœchiométrique.
a) Les radicaux libres : ce sont des atomes neutres possédant un
électron célibataire dans une orbitale atomique (•CH3).
Les radicaux résultent d’une rupture homolytique (symétrique)
d’une liaison covalente. Leur rupture s’effectue facilement par
chauffage en présence de peroxydes ou par irradiation
(rayonnement photochimique).
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La stabilité des radicaux carbonés est analogue à celle des
carbocations, c’est-à-dire que des effets inductifs ou mésomères
donneurs (+I, +M) peuvent les stabiliser en diminuant leur déficit
électronique.
b) Les carbocations : ce sont des cations dont la charge électronique
positive est portée par un atome de carbone.
Le carbocation possède 6 électrons, il est plan et hybridé sp2;
l'orbitale vacante est située perpendiculairement au plan formé par
les trois liaisons σ.
Le carbocation étant électrophile (charge positive), un nucléophile
pourra l’attaquer soit d'un côté du plan soit de l'autre, ce qui peut
avoir une influence sur la stéréochimie du produit obtenu.
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Les carbocations résultent d'une rupture hétérolytique entre un
carbone et un atome plus électronégatif :
Possédant un déficit électronique, ces espèces sont très réactives et
leur énergie est élevée. Des effets inductifs ou mésomères donneurs
(+I, +M) peuvent les stabiliser en diminuant leur déficit électronique
mais ce sont des espèces instables et non isolables.
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c) Les carbanions : ce sont des anions dont la charge négative est
portée par un atome de carbone. Ils ont une géométrie tétraédrique
donc hybridation sp3.
Les carbanions résultent d'une rupture hétérolytique entre un
carbone et un atome moins électronégatif que le carbone.
Les carbanions sont des espèces très instables de haute énergie et
non isolables. Ils possèdent un excédent électronique et une charge
négative; une de leurs orbitales possède un doublet d'électrons.
Les groupements alkyle, par leur effet donneur (+I) augmentent
l'excédent électronique et déstabilisent l'espèce. Un effet attracteur
(-I) a l'effet inverse. La délocalisation de la charge négative par
mésomérie est un facteur stabilisant comme pour les carbocations.
4) Réactifs électrophiles et nucléophiles :
a) Réactifs électrophiles : ce sont des réactifs pauvres en électrons.
Ils peuvent être électriquement neutres: molécules dont l'atome
central possède une lacune électronique :
Acides de Lewis : AlCl3, BF3, FeCl3…
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Ils peuvent être chargés, sous forme de cations :
Ils peuvent être polaires :
Ils peuvent être polarisable :
Au cours d’une réaction, l'électrophile (déficitaire en électrons) est
attaqué par un centre riche en électrons (nucléophile).
b) Réactifs nucléophiles : ce sont des réactifs riches en électrons.
Ils peuvent être électriquement neutres: molécules dont l'atome
central possède un (ou plusieurs) doublet(s) libre(s) :
Ils peuvent être chargés négativement (anions) :
Ils peuvent contenir une liaison multiple :
Remarque : les anions sont plus nucléophiles que les molécules
neutres correspondantes.
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Références & Bibliographie conseillée
•
McMurry, John, Chimie organique - les grands principes, Dunod, 2000.
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•
•
http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Carey.html#2
http://www.orgapolym.com/accueil_caco.html
www.univ-orleans.fr/.../first%20page.htm
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