Benzène et aromaticité - Cours de chimie générale

Benzène et aromaticité
Structures proposées pour le benzène
Benzène
de Dewar
Benzène
de Claus
Prismane de Landenburg
Benzène
de Kékulé
Benzvalène
E
I. Généralités
Cyclohexa­1,3,5­triène
Cyclohexa­1,3­
diène
Cyclohexène
E résonance
123,7 kJ/mol
­229,7 kJ/mol
­119,7 kJ/mol
­206,3 kJ/mol
Benzène
Cyclohexane
Calcul:
­300 kJ/mol
Les énergies Ei des orbitales moléculaires d'un [p]­annulène sont données par la formule de C. A. Coulson :
 < 0 est l'intégrale coulombienne,  < 0 est l'intégrale de recouvrement
i est un entier variant de 1 à p. Les coefficients des orbitales moléculaires d'un [p]­annulène sont donnés par:
Cela permet d'obtenir la représentation suivante des orbitales moléculaires du benzène:
LUMO
HOMO
Aromatique, anti ou non aromatique?
On compare l'énergie des électrons  du polyène cyclique avec celle du composé à chaîne ouverte équivalent (correction si le cycle est tendu).
+ H2 Chaîne linéaire de C sp2 on enlève un H à chaque extrémité
Cycle de C sp2 Calcul du niveau d'énergie des électrons  E dans la cycle
E dans la chaîne
''
''
''
''
''
''
>
=
<
Conclusion
anti aromatique
non aromatique
aromatique
Règle de Hückel
Anti aromatique: cycles à électrons , déstabilisés par conjugaison (E correspondant au cycle > E associée à la chaîne)
Aromatique: polyènes conjugués cycliques plans (une orbitale p sur chaque atome du cycle) qui possèdent 4n+2 électrons . (n = 0,1, 2, ...)
Non aromatique: systèmes non coplanaires dans lesquels le recouvrement cyclique est suffisamment interrompu pour conférer à la molécule des propriétés comparables aux alcènes (// polyène normal) critères: nbre électrons  ≠ 4n+2 et/ou non plan
Pourquoi 4n+2 électrons ?
(Méthode de Frost et Musulin)
Représenter le polygone régulier, pointe vers le bas, dessiner autour un cercle qui passe par les sommets. Les cercles doivent êtres de même taille.
Les niveaux d'énergies des orbitales moléculaires sont là où les sommets touchent le cercle.
Le diamètre horizontal représente l'énergie d'une orbitale p du C, si les niveaux d'énergie se trouvent sur cette droite ils doivent être non liants, en dessous ils sont liants, au dessus ils sont antiliants
Méthode valable pour arrangements plan moncycliques d'atomes identiques, en général le C. La droite pointillé représente le niveau d'énergie  et le rayon du cercle est 2.
Pourquoi 4n+2 électrons ?
(Méthode de Frost et Musulin)
E
2 électrons  non apparié dans des orbitales non liantes dégénérées. Celle­
ci est levée si la molécule adopte une structure moins symétrique.
E
Les 4n+2 électrons  sont apparié dans des orbitales liantes. Les OM liantes sont remplies.
E
O.M. antiliantes
non liantes
liantes
pointe vers le bas: 1 seul état complètement liant!
Si le cyclooctatétraène était plan, il aurait 2 électrons  non apparié dans des orbitales non liantes dégénérées. Celle­ci est levée si la molécule adopte une structure moins symétrique.
Levée de dégénérescence du cyclobutadiène:
Hypothèse de l'aromaticité: toutes les liaisons ont la même longueur
⇒ Frost­Musulin
Système non aromatique: liaison simple > l. double
⇒ Diagramme d'énergie avec 2 OM liantes
Spectre IR du cyclobutadiène:
Le spectre infrarouge du cyclobutadiène a été réalisé à très basse température (4 K) dans des matrices de gaz inerte (Ar ou Xe). On peut représenter schématiquement la structure par les formes mésomères suivantes :
Spectre RMN des annulènes et courant de cycle:
En spectroscopie RMN les H aromatiques donnent un signal a une faible valeur de champ appliqué (protons déblindés). La circulation des e­ aromatiques (courant de cycle) crée un champ magnétique induit Bi qui s'additionne au champ magnétique extérieur Be. La résonance est obtenue pour un champ appliqué Be plus faible.
[18] annulène = aromatique Règle de Hückel « Les systèmes monocycliques entièrement conjugués contenant (4n+2) électrons  ont une couche complète d'électrons tous dans des orbitales liantes, et sont exceptionnellement stables. Ces systèmes sont dits aromatiques. Les système analogues ayant 4n électrons  sont dits anti­aromatiques. » (Clayden de boeck 2003)
Seuls les polyènes conjugués cycliques contenant 4n + 2 électrons  sont aromatiques. n = 0, 1, 2, 3, 4, ....
Si les cycles à électrons pi sont déstabilisés par conjugaison, ils sont anti­aromatique (cas cyclobutadiène)
Les systèmes non coplanaires dans lequel le recouvrement cyclique est suffisamment interrompu pour conférer à la molécule des propriétés comparables aux alcènes sont, non aromatiques.
Importance du caractère monocyclique du système?
4n+2 avec n=0?
Généralité de la règle des 4n+2? Peut­on l'utiliser pour des hétérocycles, pour des carbocations, des carbanions, des liaisons exocycliques?
Quid des liaisons pi (C=C ou C=O) exocycliques?
Comment comptabiliser les électrons pi dans la 1,2­ benzophénone?
Toutes les bases azotées sont elles aromatiques? Etudiez le cas de la cyctosine.
Les composés suivants sont­ils aromatiques, non aromatiques ou anti­
aromatiques?
∙ les [10] annulène (travaillez avec des modèles moléculaires et envisagez les différentes configurations cis ou trans)
∙ trans­trans­cis­trans­trans­cis­tran­trans­cis­[18] annulène
∙ cis­cis­cis­cis­cis­cis­cis­cis­cis­[18] annulène
∙ azulène
∙ trans­15,16­dihydropyrène
∙ S­indacène
Les ions suivants sont­ils aromatiques, non aromatiques ou anti­
aromatiques?
∙ Ion tropyllium (cation cycloheptatriènyle)
∙ Anion cycloheptatriènyle
∙ Dianion du cyclooctatétraène (cyclooctatétraène + K ds THF)
∙ [16] annulène, dianion du [16] annulène, dication du [16] annulène
Quel composé est le plus basique? Expliquez.
∙ le pyrrole ou la pyridine (précisez les hybridations de l'N)
Quel composé est le plus acide? Expliquez.
∙ le cyclopentadiène ou la 1,4­cyclohexadiène
Expliquez par des formes de résonances pourquoi l'azulène est facilement attaqué par des électrophiles en C1 et par des nucléophiles en C4.
Surface de potentiel electrostatique de l'azulène
C
1
C4
rouge: positif
bleue: négatif (voir échelle)
Surface de potentiel de la forme diionique
rouge: négatif
bleue: positif
Noms IUPAC des principaux carbocyles
II. SE sur le benzène
ETAPE 1: Attaque électrophile, formation de l'ion arénium (complexe de Wheland)
H
E H
lent
+
+ E +
ETAPE 2: Perte d'un proton, restitution de l'aromaticité
E
E H
rapide
+ H+ +
Complexe de Wheland
Calculs semi­empiriques de mécanique quantique (Mulliken):
Exemple de la formation du chlorobenzène
H
Cl 0,260
­ 0,011
0,260
+
­ 0,011
0,360
a) LUMO du benzene. b) Surface de potentiel électrostatique du benzene (rouge = négatif, bleue = positif) c) Surface de potentiel électrostatique du cation chlorobenzyle
d) LUMO du cation chlorobenzyle.
III. Réactions de SE sur le benzène
X
X2, FeX3 (X = Cl, Br)
Halogénation
NO2
HONO2, H2SO4 Nitration
SO3H
SO3, H2SO4 Sulfonation
R
RCl, AlCl3 (via CC)
O
C­R
R­CO­Cl, AlCl3
Alkylation de Friedel­Crafts
Acylation de Friedel­Crafts
III.1. Halogénation
X2, FeX3 (X = Cl, Br)
X
Sans acide Lewis pas de réaction
Formation d'un complexe X2.....FeX3 qui polarise la liaison X­X
FeBr4­ agit comme base et déprotonne l'ion arénium
Réaction exothermique
Réaction endothermique
F2
Cl2
Br2
I2
réaction explosive réaction à l'aide FeCl3
réaction à l'aide FeBr3
pas de réaction (sauf avec HNO3)
Mécanisme
X2, FeX3 (X = Cl, Br)
X
Etape 1: formation de l'électrophile Br+ Etape 2: addition Br+ au benzène (étape lente) ­> ion arénium Etape 3: restitution de l'aromaticité par déprotonation par FeBr4­ basique Cl2, FeCl3, 25°C
90 %
Br2, FeBr3, ∆
Br
75 %
I
I2, HNO3
86 %
Cl
III.2. Nitration
HONO2, H2SO4 conc.
NO2
50 ­ 55°C
Electrophile = ion nitronium NO2+ formé grâce à H2SO4 concentré (protone groupe ­OH de HNO3 puis départ H2O)
Pas de polynitration car le groupe nitro électro­attracteur désactive le cycle
Groupe orientateur
Mécanisme
HONO2, H2SO4 conc.
NO
2
50 ­ 55°C
Etape 1: acide nitrique accepte un H+ de l'acide sulfurique (Ac. + fort)
Etape 2: l'acide nitrique se dissocie pour former l'ion nitonium
Etape 3: addition E+ de NO2+ (lent) ­> ion arénium
Etape 4: restitution de l'aromaticité par perte d'un H+ cédé à une base de Lewis (H20)
III.3. Sulfonation
SO3, H2SO4, 25°C
SO3H
Electrophile = SO3, (SO3, H2SO4 = oléum)
Attaque E+ du S puis transfert d'un H+ de H2SO4 Substitution réversible, si on chauffe l'acide benzène sulfonique dans une solution aqueuse d'un acide dilué, on forme le benzène et H2SO4
Pas de polysulfonation car le groupe électro­attracteur désactive le cycle
Groupe blocquant et orientateur
SO3H
NaOH SO3­
SO2Cl
PCl5 ....
.
Mécanisme
SO3, H2SO4 SO3H
Etape 1: formation de l'électrophile SO3 ou HSO3+, réversible
Etape 2: Addition E+ (lente) réversible de SO3 ou HSO3+, réversible
Etape 3: restitution de l'aromaticité, perte d'un H+ cédé à HSO4­, réversible
Etape 4: protonation du benzène sulfonate, réversible
Toutes les étapes sont réversibles,
 H2SO4 concentré ou oléum (mieux)
 H2SO4 dilué et on chauffe (vapeur eau dans milieu réactionnel)
SO3H
+ H2SO4 + H2O La sulfonation dans l'acide sulfurique concentré seul est plus lente l'électrophile est le SO3, 2 H2SO4 SO3 + H3O+ + HSO4­ Si on dilue la solution en ajoutant de l'eau (a chaud) l'équilibre est déplacé vers la formation de benzène et H2SO4
III.4. Alkylation de Friedel­Crafts
RCl, AlCl3 (via CC)
R
+ HX
C Electrophile en présence d'acide de Lewis (BF3, SbCl5, FeCl3, AlCl3, AlBr3)
Formation d'un complexe R­Cl.....AlCl3 qui polarise la liaison Formation d'un CC avec les halogénoalcanes secondaires et tertiaires
Réarrangements possible
R­I < R­Br < R­Cl < R­F (fct polarité de la liaison)
Souvent problème de polyalkylation car le groupe alkyl électro­donneur active le cycle
Mécanisme
Etape 1: formation d'un carbocation électrophile (R­Cl + AlCl3) ou d'un complexe R­CH2...ClAlCl3 Etape 2: Addition E+ (lente) et formation de l'ion arénium
Etape 3: restitution de l'aromaticité, perte d'un H+ cédé à AlCl4 Les alkylations de FC peuvent se faire avec toute espèce pouvant former un carbocation ou à caractère carbocationique:
● Propène 0°C / HF
● Cyclohexène 0°C / HF 60°C / BF 3
Exercice
Décrivez les étapes du mécanisme vraisemblable menant à la formation de l'isopropylbenzène à partir du propène et du benzène dans HF liquide. Le mécanisme doit tenir compte du fait qu'on obtient seulement l'isopropylbenzène et non du propylbenzène. III.5. Acylation de Friedel­Crafts
O
1) R­CO­Cl, AlCl3 (1,7 éq.)
C­R
2) H2O, H+ Electrophile cation acylium (R­C≡O+) formé en présence d'acide de Lewis
On peut utiliser des chlorures d'acyle ou des anhydrides comme réactif mais pas H­CO­Cl (instable)
Il faut 2 équivalents de AlCl3 car la cétone formée = complexée, celle­ci est liberée par hydrolyse
Pas de polyacylation car le groupe acyl électro­attracteur désactive le cycle
⇒ acylation puis réduction C=O en CH2 est mieux que l'alkylation car il n'y a pas de réarrangements
Mécanisme
Etape 1: formation d'un complexe R­CO­Cl+Al­Cl3 Etape 1: formation d'un carbocation acylium (R­C≡O+) stabilisé par résonance (2 formes limites)
Etape 3: Addition E+ (lente) et formation de l'ion arénium
Etape 4: restitution de l'aromaticité, perte d'un H+ cédé à AlCl4­
Etape 5: formation d'un complexe entre AlCl3 (acide Lewis) et la cétone (base Lewis)
Etape 6: traitement avec H2O pour libérer la cétone ( Al(OH)3 + 3HCl)
Aucun réarrangement de la chaîne de carbone n'a lieu au cours de l'acylation.
Application des acylation de FC en synthèse
Production des alkylbenzènes non ramifiés via acylation suivie d'une réduction du groupe >C=O en groupe ­CH2­ Réduction de Clemmensen
Faire refluer la cétone dans HCl contenant un amalgame de Zn
O
C­R
CH2­R
Zn(Hg)
HCl, reflux
Réduction de Wolf­Kichner
L'hydrazine peut servir à réduire le groupe carbonyle des aldéhydes et cétones.
O
C­R
NH2­NH2
KOH, ∆
CH2­R
III.6. Réaction de Gatterman­Koch
Le chlorure de formyle H­CO­Cl est instable ( CO + HCl), la formylation directe du benzène est impossible.
rdt: 51%
CO sous pression, HCl
CHO
+
Electrophile = cation formyle H­C=O
Note: Benzène + H­CO­H + HCl  ­CH2­OH  ­CH2Cl (79%)
Traité de Chimie OrganiqueVollhardt ­ Schore, de Boeck 2004, p 668
IV. Attaque E+ s/ les dérivés du benzène
IV.1. Contrôle de la régiosélectivité et activation ou désactivation du cycle benzénique
IV.2. Attaque électrophile sur les composés benzéniques
disubstitués
IV.3. Stratégies de synthèse aboutissant à des benzènes substitués
IV.4. Réactivité des benzénoïdes polycycliques
IV.5. Aromatiques polycycliques: substances cancérigènes
IV.1. Régiosélectivité lors de la polysubstitution
Vitesses relatives et orientation lors de la nitration de derivés mono­
substitués du benzène (R­C6H5)
R
Vitesse rel.
Ortho
Méta
Para
OH
CH3
H
CH2Cl
I
Cl
CO2CH2CH3
1000
25
1
0,71
0,18
0,033
0,0037
40 %
58
< 2 %
4
58 %
38
32
41
31
24
15,5
< 0,2
< 0,2
72
52,5
59
69
4
CF3
2,6 x 10­5
6
91
3
NO2
6 x 10­8
5
93
2
N(CH3)3+
1,2 x 10­8
0
89
11
IV.1.1. Orientation par le substituants lors de la SE sur aromatique
Groupements directeurs ortho et para:
∙ Activants modérés et fort: ­NH2, ­NHR, ­NR2, ­NH­CO­R ­OH, ­OR
∙ Activants faible: alkyle, phényle
∙ Désactivants faible: ­F, ­Cl, ­Br, ­I
Groupements directeurs méta:
∙ Désactivants fort: ­NO2, ­CF3, ­NR3+, ­COOH, ­COOR, ­COR (cétone), ­SO3H, ­CN
Accepteur
Donneur
ortho
ortho
méta
méta
para
La justification du pouvoir directeur se trouve dans la stabilité du cation arénium. Il suffit d'écrire les différentes formes limites mésomères de l'aromatique substitué et trouver les plus stables.
Expliquez par un diagramme d'énergie comment l'énergie de l'état de transition influence la vitesse de la réaction (utilisez le postulat de Hammond pour décrire l'état de transition).
Orientation ortho, para
Donneur
Donneur
E
Donneur
E
+ Donneur
+ E
E
Orientation méta
Accepteur
Accepteur
E
+ E
IV.1.2. Groupes activant
∙ Activants fort: ­NH2, ­NHR, ­NR2, ­OH, ­OR (donneurs mésomères)
∙ Activants faible: alkyl, phényle (donneurs inductifs)
Les groupes qui sont donneurs mésomères ou inductifs sont activants et orientent ortho et para.
IV.1.3. Groupes désactivant
∙ Désactivants faible: ­F, ­Cl, ­Br, ­I (capteurs inductifs, donneurs méso)
∙ Désactivants fort: ­NO2, ­CF3, ­NR3+, ­COOH, ­COOR, ­COR (cétone), ­SO3H, ­CN (capteurs mésomères)
Les groupes qui sont électro­attracteurs par résonance et par effet inductif sont désactivants et orientent en méta. IV.1.4. SE du chlorobenzène
Réaction
Produit
ortho
% Produit
Total des
para ortho et para
%
%
Produit
méta
%
Chloration
Bromation
Nitration
Sulfonation
39
11
30
55
87
70
100
6
2
94
98
100
100
Les substituants halogénés sont désactivants et orientateurs ortho­
para.
Pourquoi?
Chimie Organique, G. Solomons, C. Fryhle, Modulo 2000, p 602
Pourquoi le fluorobenzène est le plus réactif des halogénobenzènes? Expliquez.
IV.2. SE sur les composés benzéniques disubstitués
X
Y
On fait le bilan des orientations.
C'est le groupe plus activant qui l'emporte.
IV.2.1. Règles Règle 1: C'est l'activant le plus puissant qui contrôle la position de l'attaque.
Règle 2: Expérimentalement on peut classer la puissance d'orientation des substituants en 3 groupes:
NR2, OR
I
>
X, R
>
II
orientateurs en méta
III
Les substituants d'un même groupe entrent en compétition ce qui fournit éventuellement des mélanges d'isomères.
Règle 3: L'attaque ortho peut être minimisée par l'encombrement stérique
Règle 4: Les règles 1 à 3 sont applicables aux benzènes porteur d'un grand nombre de substituants.
IV.2.2. Exemples
Prédire le produit qui résulterait de la mononitration de:
OCH3 +
N(CH3)3
CHO
Br
Br NO2 NO2 IV.3. Stratégies de synthèse des benzènes substitués
Il est souvent nécessaire de modifier le sens de l'effet d'orientation des substituants:
groupe nitro
(orienteur m­)
alcanoyle
(orienteur m­)
Zn(Hg), HCl
ou H2, Ni ou Fe, HCl
CF3COOOH
H2, Pd, CH3CH2OH ou Zn(Hg), HCl, ∆
CrO3, H2SO4, H2O
groupe amino
(orienteur o­, p­)
groupe alkyle
(orienteur o­, p­)
Synthétisez la 3­bromobenzèneamine et la 4­bromobenzèneamine a partir du benzène.
IV.3.1. Sulfonation réversible
La sulfonation réversible permet de synthétiser de manière efficiente des benzènes disubstitués en ortho:
C(CH3)3
C(CH3)3
SO3, H2SO4 conc.
C(CH3)3
HNO3, H2SO4 SO3H
NO2
SO3H
C(CH3)3
H+, H2O, ∆ NO2
IV.3.2. Modification du pouvoir activant
Certaines stratégies de protection ont pour effet de modérer le pouvoir activant des groupes amino et hydroxyle:
OH
OCH3
O
NHCCH3
NH2
CH3COCl
pyridine
NaOH, CH3I
dans de nombreuses réactions, le gr. acétamido est orienteur para exclusivement
Ex: nitration de l'aniline avec acide nitrique peut oxyder le cyle et provoquer sa destruction.
Pourquoi ne peut­on réaliser une nitration en ortho ou para de l'aniline dans les conditions classiques?
Comment réaliser cette nitration?
IV.3.3. Inertie des systèmes fortement désactivés
Expliquez le résultat suivant:
1) CH3COCl, AlCl3 2) H+, H2O 3) HNO3, H2SO4 COCH3
3) H+, H2O NO2
1) HNO3, H2SO4 2) CH3COCl, AlCl3 IV.4. Réactivité des benzénoïdes polycycliques
Br
Br2, CCl4, ∆
NO2 HNO3, AcOH, ∆
NO2 +
Majoritaire
Minoritaire
Expliquez la réactivité du naphtalène en examinant minutieusement les structures de résonance de l'ion arénium.
Régiosélectivité de la SE sur naphtalène substitué
OH
HNO3, H2SO4
NO2
HNO3, H2SO4
Le cycle substitué est le plus affecté par le substituant déjà présent.
Habituellement un groupe activant oriente l'E+ vers le même cycle alors que le groupe désactivant l'oriente sur l'autre cycle.
IV.5. Aromatiques polycycliques cancérigènes
Benzo[a]pyrene
Benzo[a]antracène
Dibenz[a,h]antracène
combustion matières organiques (essence gazoil, mazout chauffage, ...)
incinération ordures, feux forêts
combustion cigarette
rôtissage des viandes
3.000 tonnes/an aux USA
enzymes
enzyme
oxydase
(hépatique)
enzyme
hydrase
O
enzyme
oxydase
HO
cancérigène
OH
O
N
NH
HC
ADN­guanine
N
ADN
HO
NH
HO
cancérigène
N
OH
 accroc lors de la réplication
V. Chimie des benzènes substitués
V.1. Réactivité du C phénylméthylique
V.2. Oxydations et réductions benzyliques
V.3. Les phénols
V.4. Les halogénoarènes
V.5. Les sels d'arènediazonium
V.1. Réactivité du C phénylméthylique
V.1.1. C phénylméthylique et résonance
La résonance benzylique stabilise le C benzylique de type C∙, C ­ ou C+ vide
∙
Radical benzyle
H
H
H
H
cation benzylique
∙∙
H
H
anion benzylique
∙ Explique le résultat suivant:
CH2Br
CH2CN
NaCN
Réaction SN2 ~ 100 fois plus rapide que les réactions SN2 ­
+ Br des bromoalcanes primaires.
80 % X­ H
H
Nu- ∙ Quelle réaction sera la plus rapide?
CH2L
Nu­ mécanisme SN1 CH2L
Nu­ mécanisme SN1 OCH3
Halogénures allyliques et benzyliques et SN
CH3­X
R­CH2­X
SN2
R­CH­X
R'
Ar­CH2­X
R
CH2­X CH­X
C=C
C=C
SN1 ou SN2
R
R'
C­X
C=C
SN1
Ar­CH­X
R
R
R'­C­X
R''
R
Ar­C­X
R' V.1.2. Acidité des H benzyliques Expliquez le résultat suivant:
Composé pKa toluène
~ 41
CH3CH=CH2
propène
~ 40
CH3CH2CH3
propane ~ 50
CH3
V.1.3. Halogénation de la chaîne latérale
Conditions favorisant la formation de radicaux:
∙ NBS = source de Br2 CH3 +
O
O
N­Br
h
CCl4 O
CH3
+ HBr
N­H
O
64 %
CH2Br
Br2, ∆
CH2Br +
CBr3
Br2, ∆
Mécanisme radicalaire via Br∙ et ­CH2∙ Idem avec le Cl2 Br2, ∆
+ 2 HBr
V.2. Oxydations et réductions benzyliques
Suivant les agents d'oxydations on obtient différents produits:
CH2­OH
SeO2 CH3
MnO2, H2SO4 1) KMnO4, HO­, ∆
2) H+, H2O
COOH
CHO
L'oxydant arrache un H benzylique puis convertit le C benzylique en C=O éliminant du même coup les atomes de C de la chaîne latérale. Seul le tert­butylbenzène résiste à l'oxydation
CH2CH2CH3
CH=CHCH3
1) KMnO4, HO­, ∆
2) H+, H2O
C≡CCH3
O
C­CH2CH3
COOH
Synthétisez l'acide p­nitrobenzoïque et l'acide m­nitrobenzoïque à partir de benzène
Réalisez la synthèse du m­chloroéthylbenzène à partir de benzène
Décrivez brièvement comment, à partir du toluène vous pourriez synthétiser les composés suivants:
a) 1­bromo­2­triclorométhylbenzène
b) 1­bromo­3­triclorométhylbenzène
c) 1­bromo­4­triclorométhylbenzène
Oxydation sélective d'un alcool benzylique:
OH
CH3O
O
OH
MnO2, acétone,
25°C, 5 h
CH3O
CH3O
OH
CH3O
94 %
// Oxydation d'un alcool allylique:
OH
MnO2, CHCl3 25°C, 5 h
O
Clivage des éthers benzyliques par hydrogénolyse:
CH2OR
CH3CH2OR
H2, Pd­C, 25°C
H2, Pd­C, 25°C
CH2H
+ HOR
CH3CH2H + HOR
Exercices
Benzène + anhydride succinique ­> tétralone
Expliquez
O
A partir du benzène et d'un composé approprié, proposez une synthèse de chacun des composés suivants:
a) n­butylbenzène
b) (CH3)2CHCH2CH2C6H5
c) benzophénone
d) 9,10­dihydroantracène
V.3. Les phénols
V.3.1. Acidité des phénols
Expliquez les données suivantes:
Composé pKa phénol
8 ­ 10
R­COOH
acides carboxyliques
3 – 5
R­OH
alcools
16 ­ 18
OH
Expliquez les données suivantes:
Composé pKa OH
phénol
8 – 10
CH3 OH
4­méthylphénol (crésol)
10,26
NO2 OH
2,4­dinitrophénol
4,09
2,4,6­trinitrophénol
(acide picrique)
0,25
NO2 NO2 NO2 OH
NO2 V.3.2. Synthèse des phénols
L'addition E+ directe aux arène est difficile (HO+ rare)
Au labo: hydrolyse des sels d'arènediazonium (conditions douces)
Ar­NH2 HONO
Ar­N2+ Cu2O
Cu2+, H2O
Ar­OH
Ex:
NH2 CH
∙ 3 Br
1) NaNO2, H2SO4 0° à 5°C
2) Cu2O, Cu2+, H2O
OH CH3 Br
Synthèses industrielles:
1. Hydrolyse du chlorobenzène (procédé DOW)
Cl + NaOH
ONa 350°C
P élevée
HCl
ONa + NaCl + H2O
OH + NaCl
2. Fusion alcaline du benzènesulfonate de sodium
SO3Na + 2 NaOH
350°C
ONa + Na2SO3 + H2O
Autre mode de préparation: substitution ipso
La SN est très difficile sur les aromatiques mais peut se faire sur des composés aromatiques avec au moins un substituant fortement électroattracteur en o­ ou p­ Cl
Nu
NO2
NO2
+ Cl­ + Nu
NO2
NO2
Cl
NO2
NO2
Na2CO3, H2O, 100°C
NH3, ∆
2,4­dinitrophénol
2,4­dinitroaniline
Suggérez un mécanisme d'addition­élimination pour la substitution aromatique ipso et justifiez la présence des groupes électroattracteurs.
Formulez un mécanisme pour la transformation suivante. En admettant que la première étape est déterminante de vitesse, esquissez un diagramme d'énergie potentielle qui décrit l'évolution de la réaction.
NO2
O­
CH3
O
SO2
CH3
NO2
SO2­
L'Ofloxacine est un antibiotique de la classe des quinolones utilisé dans le traitement de diverses infections. Les dernières étapes de la synthèse de l'ofloxacine sont présentées ci­dessous. Formulez des mécanismes pour ces transformations.
O
O
O
F
F
O
F
O
NaH, 80°C
F NH
F
O
CH3
O
N
CH3
O
F
O
N
toluène, 100°C
N
N
N
O
CH3
CH3
N
F
OH
CH3
O
NaOH, H2O
V.3.4. Toxicité des chlorophénols
La SN directe sur les chloroarènes  herbicides, pesticides, antibactériens irritants et toxiques
Cl
Cl
Cl
Cl
1) NaOH, 150°C
2) H2O, H+ Cl
OH
Cl
Cl
ClCH2COOH
Cl
OCH2COOH
NaOH, H2O, ∆ Cl
Cl
ac 2,4,5­trichlorophénoxyacétique (2,4,5­T)
Une dioxine est formé comme impureté pendant la synthèse:
Cl
OH
Cl
Cl
500­600°C
Cl
O
Cl
Cl
O
Cl
2,3,7,8­tétrachlorodibenzo­p­dioxine
(TCDD une Dioxine bcp + toxique (500x) que strychnine et NaCN (105X)
1976: fuite au niveau d'un réacteur (Seveso, Italie) libération nuage de 2,4,5­T surchauffé et contaminé par la TCDD (~ 60 kg vaporisés)
⇒ mort nombreux animaux, sévères irritations cutanées
⇒ «normes Seveso»
TCDD: ­ tératogène (malformations foetales)
­ cancérigène
­ chloracné si doses < doses létales
1984: explosion de l'usine «Union Carbide» de pesticides à Bophal en Inde ⇒ dégagement 40 tonnes d'isocyanate de méthyle (CH3NCO tuant entre 16 000 et 30 000 personnes (?)
2001: explosion à l'usine AZF de Toulouse d'un stock de nitrate d'ammonium ⇒ mort de 30 personnes
V.3.5. Réactivité de la fonction hydroxyle des phénols
Réactions typiques des alcools:
∙ protonation
∙ synthèse de Williamson des ethers
∙ esterification
∙ sulfonation
∙ oxydation
V.3.5.1. L'oxgène des phénols n'est que faiblement basique:
CH3­OH2+
OH2+
Composé pKa méthyloxonium
­ 2,2
phényloxonium
­ 6,7
La liaison phényle­O est difficile à rompre Par contre la liaison alkyle­O des alkoxybenzènes se laisse facilement cliver en présence de HBr ou HI
COOH
COOH
HBr, ∆
OH
OCH3
V.3.5.2. Les alkoxybenzènes sont préparés par synthèse de Williamson
Les ions phénoxyde sont de bons nucléophiles
OCH2CH2CH3
OH
+ CH3CH2CH2Br
Cl
NaOH, H2O
Cl
halogénoalcane ou sulfonate d'alkyle
V.3.5.3. L'estérification des phénols aboutit à des alcanoates de phényle
Les ions phénoxyde sont de bons nucléophiles
O
OCCH2CH3
OH
O
+ CH3CH2CCl
CH3
NaOH, H2O
halogénure d'acide
ou anhydride
(avec acide réaction endo)
CH3
V.3.5.4. Réaction de Kolbe
OH
OH
+ CO2
KHCO3, H2O, pression
Formulez un mécanisme pour cette réaction.
COOK
V.3.5.5. Réaction de sulfonation
OH
SO3H
25 °C
OH
H2SO4
H2SO4 conc, 100°C conc.
OH
100 °C
SO3H
Examinez la stabilité des acides sulfoniques et expliquez les résultats ci­dessus au moyen d'un diagramme d'énergie.
V.3.5.6. Oxydation des phénols en benzoquinones
Oxydation en dérivés carbonylés selon des mécanismes de transfert monoélectroniques:
OH
OH
O
faible rendement o­benzoquinone
catéchol
OH
Na2Cr2O7, (CH3CH2)2O OH
O
O
hyroquinone
O
AgO, (CH3CH2)2O 92 % p­benzoquinone
= Couples rédox, séquence de transferts de H+ et d'e­ (via ion phénoxyde puis radical phénoxyle.
Réactivité des entités énones:
O
+ HCl
O
O
C6H6, 20°C, 48h
+ O
La 1,4­benzoquinone est­elle aromatique ou non­aromatique? Justifiez.
Les ubiquinone sont des médiateurs biochimiques qui permettent de réduire l'oxygène en eau.
O
OH
CH3 CH3 H3CO (CH2CH=CCH2)nH H3CO (CH2CH=CCH2)nH H3CO CH3 H3CO CH3 O
Enzyme avec NADH, agent réducteur
Ubiquinone (n = 6,8, 10)
Coenzyme Q
OH
Forme réduite de la Coenzyme QH2 Le couple rédox benzoquinone­hydroquinone fait partie de la cascade compliqué de consommation de O2 lors des dégradations biochimiques.
QH participe à une chaîne de réactions rédox ou interviennent les cytochromes, protéines ou réduction du Fe3+ en Fe2+ amorce un transfert d'e­. La chaîne s'achève avec la réduction de O2 en eau.
O2 + 4 H+ + 4 e­ 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e­ 2 H2O Fe3+ + 1 e­ Fe2+ Q + 2H+ + 2 e­ QH2 NAD+ + 2H+ + 2 e­ NADH + H+ 0,82 V ~ 0,2 V
0,1 V
­ 0,32 V
V.3.6. Particularités de la SE sur les phénols
∙ L'acylation de FC est parasitée par la formation d'esters, on utilisera des dérivés alkoxyde
∙ Les phénols sont très activés, souvent aucun catalyseur n'est nécessaire (tribromation se réalise dans l'eau à 20°C)
∙ Pour éviter les polysubstitution il faut utiliser des T basses et des solvants moins polaires
V.3.7. Utilisation de l'acidité des phénols
L'acidité modérée des phénols est souvent utilisée en laboratoire pour séparer ou caractériser certains composés.
∙ Proposez une méthode de séparation des alcools à 6 C ou plus, des phénols et des acides carboxyliques en utilisant un milieu aqueux et du NaOH et du NaHCO3.
∙ Au laboratoire, on vous remet un mélange de 4­méthylphénol, d'acide benzoïque et de toluène. En supposant que vous disposiez de tous les acides, bases et solvants courants, expliquez comment séparer les composés du mélange en utilisant leurs différences de solubilité.
V.4. Les halogénoarènes
V.4.1. Formation d'intermédiaires benzynes
Sans substituants électroattracteurs pas de SN ipso mais en milieu basique (NaOH) à T et P ➚ réaction via un intermédiaire benzyne
Cl
1) NaOH, H2O, 340°C, 150 atm
OH
2) H2O, H+ Cl
NH2 1) KNH2, NH3 liq.
2) H2O, H+ intermédiaire benzyne
Expérience menée avec un chlorobenzène marqué au 14C:
Cl
NH2 1) KNH2, NH3 liq.
+
2) H2O, H+ NH2 Mécanisme:
NH2­
Cl
H
NH2­
NH2 H2O
(­)
Cl
∙∙ (­)
NH2­
(­)
H2O
NH2 NH2 NH2 Benzyne = espèce fugace
 2 C sp très tendus (et donc réactifs) car non linéaire
 = piégé par tout Nu du milieu
 peut être observé par spectroscopie UV et IR à 77K dans l'Ar congelé (Tfus = ­189 °C) O
h, 77K
+ 2 CO
O
IR: 1846 cm­1 (éthène 1655 cm­1 et éthyne 1974 cm­1)
13C:  = 182,7 ppm (éthyne  = 71,9 ppm)
Contribution de la forme de résonance avec diènes cumulés:
Du point de vue des orbitales:
 mauvais recouvrement des orbitales p formant la triple liaison
∙
1,42 Å
1,42 Å
1,24 Å
∙
1,40 Å
V.5. Les sels d'arène diazonium
V.5.1. Des sels stabilisés par résonance
Ar­NH2 HNO2 0 ­ 5°C
Ar­N2+ Donnez les formes de résonance du cation benzènediazonium:
N
N+
A une température > 50°C, expulsion de l'azote et formation du cation phényle très réactionnel.
+
Pourquoi le cation phényle est­il si réactionnel? N'est­il pas stabilisé par résonance comme le benzyle?
+
V.5.2. Transformation en benzènes substitués
Ar­NH2 HNO2 + Nu
Ar­N2+ Ar­Nu
En présence d'eau → formation de phénol
En présence d'autres Nu → formation de benzènes substitués
CH3 CH3 CH3 N2+Cl­ CuCl, 60°C NH2 HCl, NaNO2, 0°C Cl 79 % au total
CH3 CH3 1) HCl, NaNO2, 0°C 2) CuCN, KCN, 50°C
CN NH2 70 % V.5.3. Enlèvement par voie réductrice du groupe diazonium
CH3 CH3 CH3 NaNO2, H+, H2O
H3PO2, H2O, 25°C
Br
NH2 Br
N2+ Br
H Application de la diazotation lors de stratégies de synthèse:
∙ Le groupe amino oriente o­ ou p­ puis est éliminé via la diazotation.
∙ Une nitration méta suivie de la diazotation et de la SN permet d'introduire des groupes orienteur o­, p­ et méta. Utilisez la diazotation pour synthétiser du 1,3­dibromobenzène à partir du benzène (4­5 étapes).
V.5.4. SE avec les sels d'arènediazonium: copulation azoïque
Les ions d'arènediazonium ont un caractère électrophile mais sont peu réactionnels. Ils peuvent réaliser des SE sur des arènes activés tels que phénol et aniline.
N
N+
H+, H2O
pH = 5­7*
N(CH3)2 N
+
N(CH3)2 Cl­
N
fonction azoïque
­ HCl
Position para privilégiée si elle est libre, so­inon substution ortho.
N
N
N(CH3)2
diméthylaminoazobenzène
(Jaune de beurre)
* conc. en cation arène diazonium = maxi à ce pH, si pH plus acide risque de protonner l'amine tertiaire
Les colorants contiennent habituellement des groupes acide sulfonique qui les rendent hydrosolubles et permet un lien ionique avec les sites chargés des tissus par exemples.
(CH3)2N
N
SO3­Na+
N
Méthylorange pH = 3,1 rouge
pH = 4,4 jaune
Le couplage azoïque avec le phénol se fait plus efficacement en présence de NaOH mais à pH modérément basique. Expliquez.
Cl­
N
N+
O°C
NaOH, H2O
N
pH < 10
p­(phénylazo)phénol (solide orange)
OH
N
OH
Ecrire les produits qui résulteront de la copulation azoïque du chlorure de benzènediazonium avec les molécules suivantes:
a) 1­chloro­3­méthoxybenzène
b) 1­(diméthylamino)­4­(1,1­diméthyléthyl)benzène
Note: les copulations diazoïques sont très sensibles aux effets stériques
V.5.3. Les sulfanilamides (antibiotiques «sulfamidés»)
SO2R
NH2
R = pyridine, acétamide, hétérocycle,...
6,9 Å
NH2
6,7 Å
SO2R
NH2
COOH
acide p­aminobenzoïque
L'acide p­aminobenzoïque joue un rôle important dans la synthèse de l'acide folique précurseur du tétrafolate, transporteur d'entités mono­
carbonées nécessaires à la croissance cellulaire.
Pas d'acide folique Pas de croissance et de division des micro­organismes
VI. Oxydation et réduction du cycle benzénique
VI.1. Ozonolyse
VI.2. Hydrogénation du benzène
VI.3. Réduction de Birch
VI.4. Wurtz­Fittig
VI.1. Ozonolyse
Rappel:
R
C C
H
R' O
3
R''
R'
O O
C C
R''
O
H
R
R'
H2, Pd
R
ou Zn
ou H3P
H
R''
R
R'
H2O2
C O + O C
C O + O C
HO
1) O3
2) Zn, H2O
1) O3, CH3COOH
2) H2O2, ∆
R''
O O
3 H–C–C – H oxaldéhyde
O O
3 HO–C–C–OH
acide oxalique
R
1) O3, CH3COOH
2) H2O2, ∆
O O
O O
R­C–C –OH + 2 HO–C–C–OH
VI.2. Hydrogénation du benzène
H2 / Ni
lent
+
H2 / Ni
H2 / Ni
rapide
rapide
cyclohexadiènes
cyclohexène
hexane
L'hydrogénation du benzène se fait sous pression en présence d'un catalyseur métallique comme le Ni.
VI.3. Réduction de Birch
Le benzène peut être réduit en cyclohexa­1,4­diène si on le traite par un métal alcalin (Na, Li ou K) dans un mélange d'ammoniac liquide et d'alcool.
Na
NH3 liq, ETOH
cyclohexa­1,4­diène
Le mécanisme correspond à une série de transfert d'électrons provenant du Me alcalin et de protons provenant de l'alcool.
Les groupes substituants du cycle influencent le déroulement de la réaction:
OMe
OMe
Li
H3O+, H2O
O
NH3 l iq, ETOH
84 %
La réduction de Birch du toluène donne un produit dont la formule moléculaire est C7H10. L'ozonolyse, suivie d'une réduction par le Zn et l'eau transforme ce produit en CH3­CO­CH2­CHO et OHC­CH2­CHO. Quelle est la structure du produit de la réduction de Birch?
VI.4. Réaction Wurtz­Fittig
Br + CH3­Br + 2 Na
CH3 + 2 NaBr
2 R­X + 2 Na 2 R­R + 2 NaX
Mécanisme:
R­X + 2 Na  R­ + Na+ + NaX
R­ + Na+ + R­X  R­R + NaX