5 Chapitre 16 : Chimie du Benzène : Substitution électrophile sur les

CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
Chapitre 16 : Chimie du Benzène : Substitution électrophile sur les aromatiques
16.0.Mécanisme général
35-36
Etape 1 : Attaque électrophile
E+
E
E
E
H
H
H
Carbocation cyclohexadiènyle
Il faut utiliser un électrophile fort puissant pour qu’il puisse attaquer le noyau
aromatique.
Etape 2 : perte d’un proton
E
E
E
H
H
H
+ H+
E
Diagramme d’énergie potentielle
16.1.Bromation des noyaux aromatiques
+ Br2
38-41
FeBr3
Br
+ HBr
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
Il faut impérativement utiliser un catalyseur (FeBr3, AlCl3 (acides de Lewis)) afin
d’augmenter le caractère électrophile de Br2 (sans catalyseur, il n’est pas assez électrophile
pour s’attaquer au noyau aromatique).
Action du catalyseur :
Mécanisme : cf. mécanisme général (16.0.)
N.B. Au labo, on va générer le catalyseur in situ en mettant un clou en fer par
exemple qui va générer des Fe3+.
16.2.Chloration et iodation des aromatiques
42-52
Chloration :
Attention : ne pas utiliser FeBr3 comme catalyseur sinon il pourrais y avoir des
échanges avec les Cl-.
Catalyseur : AlCl3, FeCl3.
Cl
FeCl3
+ Cl2
+ HCl
Iodation :
Cette réaction est très lente. Pour la catalyser on va utiliser de l’eau oxygénée et du
Cu+2 (en fait ce ne seront plus des catalyseurs mais presque des réactifs a part entière car on
va devoir les employés en « grande » quantité).
I2 + 2 Cu+2
2 "I+" + 2 Cu+
+
+
Mécanisme : cf mécanisme général (E = I ) et le H sera arracher par I-).
On peux aussi utiliser I2 avec AgNO3, ce qui créera le complexe acide base de Lewis
Ag+NO3- et en fin de réaction formera du AgI qui précipite.
Nitration des aromatiques :
Cette réaction est très lente. Il va falloir activer HNO3 grâce à l’acide sulfurique.
O
HO
N
H
OSO3H
H
HO
O
+ HSO4-
N
O
O
ion nitronium
H2O + O
N
O
Mécanisme : cf. mécanisme général (HSO4- ou H2O joue le rôle de base). Comme
c’est NO2+ qui produit l’attaque, on pourrait aussi utiliser du NO2+BF4- ou NO2+PF6-.
La nitration va permettre de synthétiser des diisocyanates qui servent ensuite a faire
des polymère (polyuréthane).
En plus d’un rôle de catalyseur, l’acide va permettre de dessécher le milieu. Il a
cependant quelques inconvénients. Le principal est la pollution qu’il cause, on tente donc
de plus en plus à le remplacer avec des zéolithes par exemple.
Réduction des composés nitrés (H2, Fe, SnCl2,…)
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NO2
NH2
1. SnCl2 ,H3O+
2. OH-
Le traitement basique permet de déprotonner l’amine.
Sulfonation :
SO3H
H2SO4 / SO3 (8%)
Mécanisme : cf. mécanisme général (attaque de SO3 ou +SO3H).
Cette réaction est quasiment thermoneutre, on a donc un processus équilibré et on
peux très bien désulfoné (les conditions sont un peu plus dures).
SO3H
H
H2O, H2SO4 (catalyseur)
+ HOSO3H
100°C
Dans des condition plus dure encore (NaOH, 300°C), on peux pratiquer une fusion
sodique de ces acides benzosulfonique (on change le –SO3H en –OH)
On va pouvoir aussi convertir (après déprotonation de l’acide) les acidesylfonique en
chlorure de sulfonyle en les faisant réagir avec du SOCl2 ou PCl5.
O
S
2
SO2Cl
+
O Na
+ POCl3 + 2NaCl
+ PCl5
O
OH
SO2Cl
+
N(Et)3
OSO2
CH3
H3C
On se place en milieu basique afin d’éviter la formation de HCl.
On utilise aussi ces chlorures de sulfonyle pour synthétiser des sulfamides (qui sont des
composés très important en pharmacie).
Ar
SO2Cl + NHR2
ArSO 2NR2 + HCl
16.3. Alkylation des noyaux aromatiques (réaction de Friedel Craft)
Schéma général :
H
+ RX
AlX3
53-56
R
+ HX
Réactivité de l’halogénoalcane : RI < RBr < RCl < RF
Réactivité de l’acide de Lewis : BF3 < SbCl5 < FeCl3 < AlCl3 < AlBr3
Cette réaction pose quand même quelques problèmes lorsqu’on utilise des dérivés
fort peu encombré, en effet, l’alkyl va enrichir le cycle en électron et donc le rendre plus
réactif, on aura donc des produits de polyalkylation (avec un dérivé tertiaires,
l’encombrement stérique empêche une seconde attaque).
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
Mécanisme : cf. mécanisme général de l’addition électrophile sur aromatiques (X—
AlX3 va déprotoner).
Action du catalyseur
Il y a différentes extensions possibles à la réaction de Friedel-Crafts.
Alkylation de Friedel-Crafts intramoléculaire
On va pouvoir aussi utiliser d’autres précurseurs de carbocations comme les alcool ou
encore un alcène.
Alcools :
H
H3C C CH2CH3
OH
H
BF3, 60°C, 9h
+ H3CCH2 C CH3
H
(CH3)3COH + SbF5
SO2 (solvant)
CH3
H3C
C
CH3
+ HOSbF5
Alcènes :
H2C
CHCH2
H+
H3C
H
C
CH3
Limitations de la réaction de Friedel-Crafts :
1. Les halogénures d’aryle ou de vinyle ne sont pas réactifs.
2. Les noyaux aromatiques désactivés par un groupement électroattracteurs ne donnent pas
de réactions.
N.B. : en général les groupements –NH2, --NHR et --NR2 sont des groupements activant,
mais dans ce cas non, en effet, l’acide de Lewis va attaquer la paire libre de l’azote et donc
la rendre électroattractrice.
3. Polyalkylation : les groupements alkyls sont électrodonneurs par effets inductifs, ils
enrichissent donc le cycle aromatique (des R—X suffisament encombré permettent de limiter
les dégâts).
4. Les carbocations peuvent se réarranger et donc diminuer le rendement en produits
attendu ainsi que de produire un mélange de produit assez difficile à séparer. Les
carbocations peuvent se réarranger de plusieurs manières : migration d’hydrure, migration
de CH3-.
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
16.4. Acylation ou alcanoylation de Friedel-Crafts
57-62
O
O
H
+
H3C
C
Cl
C
AlCl3
L’astuce qui permet cette réaction est la
formation d’un ion acylium :
R
C
CH3
R
O
C
O
Pour cela, on va tout d’abord faire réagir un halogénure d’alcanoyle ou un
anhydride carboxylique avec un acide de Lewis pour former un complexe qui sera un
précurseur d’acylium.
La réaction est similaire pour un anhydrine (R—C(O)—O—AlCl3 est le groupe partant).
On terminera toujours la réaction par un traitement aqueux car AlCl3 peut encore
réagir avec le produit de cette manière :
AlCl3
O
O
O
3H2O
+ AlOH3 + 3HCl
C +AlCl3
C
C
R
R'
R'
R
R
R'
L’avantage principal de cette réaction est que le groupe acyle va désactiver le
noyau aromatique et on n’aura donc pas de produits de polyacylation.
Il existe une extension de cette réaction : la réaction de Gatterman-Koch.
CH3
CH3
+ CO + HCl
AlCl3 , CuCl
CHO
H
Dans les 2 cas, on pourra réduire la fonction carbonylée afin de retrouver un alkyl
(réduction de Clemmensen en milieu acide, réaction de Wolff Kishner en milieu basique et
formation de thioacétal / réduction avec du Ni de Raney en milieu neutre).
16.5.Réactivité des noyaux aromatiques
62-66
On va faire la différence entre 2 types de substituants :
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
- Les substituants activant : ils augmentent la densité électronique du noyau aromatique
- Les substituants désactivant : ils diminuent la densité électronique du noyau aromatique.
1.Effets inductifs :
Un groupement électrodonneur (--CH3 par exemple) participera à l’enrichissement
du cycle. Par contre, un élément fort électroattracteur aura plutôt tendance à l’appauvrir
(--CF3 par exemple).
2.Effets de résonance :
Certains groupements peuvent aussi appauvrir le cyle par résonance (--COOH, --NO2 ,
--C(O)H par exemple).
Lorsque les effets inductifs et les effets de résonances vont dans le même sens, le
noyau aromatique sera désactivé.
Il y a d’autres cas ou les effets inductifs et les effets de résonance vont en sens
opposés. Par exemple, dans le cas de l’aniline, l’azote aura plutot tendance a pomper les
électrons du cycles par effet inductif, par contre, ce même atome pourra délocaliser sa
paire libre sur tout le cycle et donc participer a son enrichissement. Il en est de même pour le
phénol. Les contributions de la résonance vont donc surpasser les effets inductif et le cycle
sera activé.
Un autre cas particulier est celui des dérivés halogénés (s’en méfier !) :
Les effets inductifs l’emportent donc sur la résonance. L’atome de Fluor attire assez
bien les électrons par effets inductifs mais par contre, il en rend beaucoup par résonance.
Tandis que l’iode ne prends pas beaucoup par effets inductifs mais par contre ne rend rien
par résonance (il est beaucoup plus gros que l’atome de carbone et donc le recouvrement
orbitalaire n’est pas génial).
16.6.Orientation d’un second substituant
67-74
Groupe activant Î ortho et para
Groupe désactivant Î méta
Substituants halogéné (bien que désactivant) Î ortho et para
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
16.8.Synthèse de noyaux aromatiques trisubstitués
75-76
C’est l’effet du substituant le plus activant qui va l’emporter (dans une certaine
mesure, les effets stérique auront aussi un rôle dans le positionnement du nouveau
substituant). La sélectivité sera la meilleure lorsqu’il n’y a qu’un groupe activant en présence
d’autres groupes désactivant et si les orientations favorisées par les différents groupes
concordent.
16.9.Attaque sur un carbone aromatique déjà porteur d’un substituant
77-80
Schéma général de la substitution nucléophile IPSO sur aromatique :
Nu
Cl
NO2
NO2
+ Cl-
+ Nu-
NO2
NO2
Le mécanisme n’est pas du type SN1 ou SN2, il s’agit d’un mécanisme en 2 étapes :
addition puis élimination.
Nitro en –o et –p par rapport au Cl
Etape 1 : addition
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Etape 2 : Elimination
Quand le substituant est en –m par rapport au chlore, la réaction est beaucoup plus
difficille car aucune forme de résonance ne permet de stabiliser le NO2.
16.10.Benzyne
80-90
Benzyne = intermédiaire formé lors de substitution IPSO suivant un mécanisme
élimination-addition.
Mécanisme de la substitution nucléophile des halogénoarènes :
Etape 1 : Elimination
Etape 2 : addition
Le benzyne peux aussi réagir comme diènophile. Il n’est pas spécialement appauvri,
mais il est tellement instable qu’il réagit avec ce qui lui tombe sous la main.
Substitution nucléophile sur des complexe Ar—Cr(CO3)
Le groupe Cr(CO3) va diminuer la densité électronique du cycle aromatique (comme
les groupes nitro dont on a parler plus haut). Le mécanisme sera du type addition-elimination.
Cette réaction se fait même sans dérivé halogéné et permets donc de fonctionnaliser
un cycle qui ne l’est pas.
Groupe phényl-méthyl
Le groupe phényl-méthyl (benzyle) est un analogue du système allylique. On peux
aussi effectuer des bromation radicalaire (ou chloration) tout comme sur le système allylique
(le mécanisme est identique).
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
Le radical benzyle est stabilisé par résonance :
ON va pouvoir augmenter encore plus la stabilité de ce radical en substituant le
centre benzylique par 2 autres phényl. Ce radical est en équilibre avec une force dimère qui
est prédominante (98% contre 2% pour la forme monomère). Ce dimère n’as pas la forme a
laquelle on s’attends (ce n’est pas de l’hexa phényléthane) mais une molécule ou le groupe
triphénylméthyle est en position para d’un des substituant phényle d’un autre.
Cation benzylique
Le cation benzylique est aussi stabilisé par résonance :
Ce cation pourra aussi être stabilisé par d’autres phényl pour former le
triphénylméthyle qui forme des sels stables.
L’anion benzylique
L’anion benzylique est aussi stabiliser par résonance, ce qui rend l’hydrogène du CH3
relativement acide (pKa ≈ 41)
Comme dans les autres cas, d’autre groupement phényl augmente la stabilité. Le
triphénylméthane a un pKa de ≈ 31. Il peux servir d’indicateur coloré (il est rouge lorsqu’il est
sous sa forme anionique). Le point final d’une déprotonation d’un alcyne terminal peut ainsi
être détecté. Il suffit pour cela d’ajouter une ‘trace’ de triphénylméthane dans le milieu
réactionnel. Quand il vire au rouge, c’est que tout l’alcyne a été consommer (le pKa de
l’alcyne étant inférieur, c’est lui qui se fait déprotoner le premier).
16.11. Oxydation des composés aromatiques
91-92
Seul certains composés aromatiques permettent des réaction d’oxydation.
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
A l’échelle industrielle, on peux oxyder du p-xylène en acide téréphtalique (a la base
des polyesters) grâce à de l’oxygène moléculaire et un catalyseur a base de Co(III).
Bromation des chaînes latérales des alkylbenzènes
Mécanisme = bromation en position benzylique = bromation en position allylique.
16.12.Réduction des composés aromatiques
93-108
Hydrogénation catalytique des noyaux aromatiques
H2, 1atm., Pd, RT : réduction des oléfines mais pas des noyaux aromatiques.
H2,2000psi : réduction du noyaux aromatique
Réduction de Birch (transfert monoélectronique)
Dans NH3 liquide (-35°C), Na et Li sont solubles.
Mécanisme de la réaction de Birch :
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CHAPITRE 16 : CHIMIE DU BENZENE : SUBSTITUTION ELECTROPHILE SUR LES AROMATIQUES
Quand un des carbones du cycle est substitué par un groupement orienteur en –o et
--p, l’électron donner par le Na va attaquer en méta du C substitué (car les sites les plus
riches sont en ortho et para).
Tandis que lorsque d’un carbone du cycle est substitué par un groupement orienteur
en méta, l’attaque se fera en ortho et para.
Attention : les alcynes, les composés carbonylés, les esters et autres fonctions
facilement réduites ne sont pas compatibles avec les réactif employés dans la réduction de
Birch (ces fonctions se feraient réduire).
Réduction des aryl alkyl cétone
Seule les cétones en position benzylique peuvent être réduite (car elles sont activées
par le cycle) par du H2/Pd. Le groupe NO2 sera également réduit dans ces conditions.
Substitution électrophile sur le naphtalène
L’attaque en C-1 sera régie par le contrôle thermodynamique (c’est l’intermédiaire le
plus stable qui sera formé (5 formes de résonance laisse un cycle intact)). Tandis que
l’attaque en C-2 sera régie par le contrôle thermodynamique : c’est le produit le plus stable
qui sera formé (a cause des gènes stériques principalement).
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