Acides carboxyliques

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10 avril 2002
Acides carboxyliques
Généralités
Les acides carboxyliques sont des composés comprenant un hydrogène mobile (c'est-à-dire un
proton qui est acide) et un carbone électrophile succeptible de recevoir des attaques de nucléophiles.
proton acide
O
C
O H
carbone électrophile
Pour faire certaines réactions, il est parfois préférable d'utiliser des dérivés des acides
carboxyliques. Leur réactivité peut être plus grande.
O
O
H3C
H3C
O
R
O
O
Cl
H3C H2C
H3C
O
O
Anhydride de l'acide éthanoïque. Ce
composé ne contient pas de H mobile,
contrairement à l'acide éthanoïque.
L'action de l'eau sur cet anhydride conduit
à la formation de deux molécules d'acide
éthanoïque.
Anhydride
mixte,
ici
composé
des
acides
éthanoïque
et
propanoïque.
Chlorure d'acide, de façon
générale on note qu'il est
possible d'avoir accès à des
halogénures d'acides. L'action
de l'eau à pour effet de détruire
le chlorure d'acide.
Comme les alcools et les amines, les acides carboxyliques forment des liaisons hydrogènes. La
conséquence directe de ces liaisons est une augmentation de la température d'ébullition par rapport à
l'alcane correspondant.
O H O
R
R
O H O
Liaison hydrogène
Tableau de comparaison des températures d'ébullition :
ALCANES
ALCOOLS
Formule
CH4
CH3-CH3
CH3-CH2-CH3
ACIDES
CARBOXYLIQUES
T eb (°C)
Formule
T eb (°C)
Formule
T eb (°C)
-161.7 CH3-OH
65.0 HCOOH
100.6
-88.6 CH3-CH2-OH
78.5 CH3-COOH
118.2
-42.1 CH3-CH2-CH2-OH 97.4 CH3-CH2-COOH 141.8
Les deux liaisons hydrogènes observées dans le cas des acides carboxyliques sont telles que la
température d'ébullition est supérieure à celle des alcools.
Les effets des certains groupes sur l'acidité ne seront pas étudiés ici, pour cela se repporter au
chapitre des effets électroniques dans la section généralités.
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Préparations des dérivés d'acides
•
Chlorures d'acides : Les chlorures d'acides, sont des entités tres réactives. Il faut éviter de les mettre
dans un milieu contenant de l'eau car sinon ils dégagent de l'acide chlorhydrique et reforment l'acide
carboxylique correspondant. Ils sont très intérressants car lorsqu'ils réagissent, ils ne forment pas
d'eau, mais de l'acide chlohydrique qui peut entrer en réaction avec le milieu, ce qui peut donc être
interessant, pour la formation de certains composés. Parmi les agents de chloration on retrouve SOCl2,
PCl3, PCl5 qui permettent de chlorer un alcool, mais aussi (ClCO)2.
O
SOCl2
R
O
O
Cl
R
O S
OH
Cl
•
R
O
O
S
Cl
R
Cl
Cl
O
O
Anhydrides d'acides : Les anhydrides d'acides sont aussi très réactifs, et plus réactifs que l'acide lui
même. Cet anhydride est préparé à partir de deux molécules d'acides par déshydratation ou à partir de
l'action d'un acide carboxylique sur un chlorure d'acide.
O
O
O
R
+ R'
R
OH
Cl
O
O
∆
O
+
R
R'
OH
OH
R'
- H2O
O
Estérification
Les esters sont préparés par action d'une molécule d'acide carboxylique sur un alcool. Il est à noter
que plutôt que d'utiliser de l'acide carboxylique on peut aussi prendre l'anhydride d'acide, ou le chlorure
d'acide. Dans le cas d'une réaction acide - alcool, on à une réaction équilibrée il faut donc déplacer
l'équilibre vers la formation de l'ester, pour cela il existe plusieurs méthodes dont une consiste à éliminer
l'eau qui se forme au cours de la réaction, à l'aide d'un appareil de Dean-Starck. Cependant, il est
préférable de faire la réaction avec le chlorure d'acide, car la réaction est alors totale.
•
Chlorure d'acide : ici dans le milieu réactionnel on introduit de la pyridine afin de pièger l'acide
chlorhydrique qui se forme.
O
R1
O
+
R2 OH
R1
Cl
O H
Cl
O
O
R1
R1
R2
+ H
O R2
O H
R2
N
N H
•
Anhydride d'acide : Le mécanisme invoqué est du même type. Le nucléophile (ici l'alcool) attaque sur
le carbone électrophile de l'anhydride.
O
O
R1
O +
R2 OH
O
+ R1
R1
OH
R1
O R2
O
•
Diazométhane : qui permet de faire uniquement l'ester méthylique. ATTENTION : sur le chlorure
d'acide le diazométhane forme une autre réaction, voir plus loin.
O
O
+ CH2N2
R1
OH
R1
O CH3
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•
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Transestérification : une transestérification permet de changer l'alcool présent dans l'ester par un autre
alcool. Cette réaction marche bien pour les petits groupements tels que les groupements Methyle et
Ethyle. Ainsi il peut être possible de passer d'un ester éthylique à un ester méthylique.
O
O
H
+
R1
R3 OH
+
R1
O R2
R2 OH
O R3
Hydrolyse des esters
L'hydrolyse permet à partir de l'ester d'obtenir à nouveau l'acide carboxylique et l'alcool de départ.
Pour cela il existe deux possibilités : soit on travail en milieu acide, soit on travail en milieu basique.
• milieu acide (2 mécanismes admis)
• Mécanisme 1
O
O H
H
R1
OH
R1
R1
R1
O R2
O R2
O R2
H
OH
H2O
O
R1
OR2
H
O
OH R2
O
H
H
Prototropie
O
H
+ R2 OH + R1
OH
• Mécansime 2
alcène
O
O
H
R1
R1
+ R2
R1
O R2
OH
+
O
H2
O R2
-H
O
H
•
R2 OH
milieu basique
O
O
R1
R1
O R2
OH
O
OR2
O
+ R2 O
R1
OH
OH
+ R2 OH
R1
O
Préparation des amides
Les amides (secondaires ou tertiaires) sont obtenus à partir d'une amine (primaire ou secondaire) et
d'un chlorure d'acide ou d'un anhydride d'acide, toujours selon le même mécanisme. C'est-à-dire que le
doublet libre de l'azote (le nucléophile) viens taper sur le carbone du dérivé carbonylé (l'électrophile). Les
amides primaires sont quand à eux obtenu à partir d'ammoniac. La réaction ne peut avoir lieu à partir
d'acide carboxylique, car elle est réversible et redonne donc l'acide et l'amine.
O
R
Cl
O
R1
+
R
HN
R2
Cl
N H
R2 R1
O
R
O
R
N H
R2 R1
N R1
R2
Les amides sont peu basiques (pKa = 17 pour le couple RCONH2/RCONH-) contrairement aux
amines (pKa = 35 pour le couple RNH2/RNH-). Cette faible basicité est due à la délocalisation de la paire
libre d'électrons sur l'atome d'azote par recouvrement avec l'orbitale π du carbonyle voisin. La paire non
liante du groupe NH2 est donc moins disponible pour former une liaison. En terme de résonance, les
amides sont plus stables et moins réactifs ques les amines parce qu'ils donnent des formes de résonances.
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O
O
H
N
N
H
H
H
Toutes les amines n'ont pas un pKa aussi élever il existe une exception, c'est le cas de l'aniline (pKa =
25). Car comme pour les amides, l'aniline présente des formes de résonances. Il y a donc délocalisation
dans tout le cycle aromatique. Le doublet libre de l'azote est donc moins disponible.
NH2
NH2
NH2
NH2
Organométalliques
•
Magnésiens : Les acides carboxyliques, sont des composés comportant un proton mobile (un H acide),
ils ne peuvent donc pas réagir sur le magnésien. La réaction que l'on observe est alors une réaction
acide - base, avec formation de la base conjuguée de l'acide.
R
+
R
R1 MgX
OH
STOP
R1 H
+
OMgX
R1
O R2
R3 MgX
1er équivalent
O
OH
R3
R3 MgX
R1
R1
2ème équivalent
R3
OMgX
NH4OH
NH4Cl
R3
R3
R1
OH
R3
Lithiens : La réaction avec les lithiens est différente. Lorsque l'on ajoute 2 équivalents de lithiens, on
observe la formation d'une fonction cétone.
O
2eq CH3Li
R
O
R
OH
•
O
R
Lorsque 2 équivalents de magnésien réagissent sur une fonction ester, il se forme un alcool
tertiaire. Si on ne met que 1 équivalent de magnésien, il se forme la même chose, mais la
réaction n'est plus totale, il y a donc dans le milieu de l'alcool tertaire ainsi que de l'ester qui n'a
pas réagi.
O
•
NH4OH
NH4Cl
O
O
CH3
Cuprates : L'avantage du cuprate comparé aux magnésiens c'est qu'ici on s'arrete à la fonction cétone.
O
R2CuLi
R
O
R
Cl
R
Réductions
•
Réduction de la fonction acide et des fonctions dérivées.
O
R
Y
LiAlH4
R
Y = OH, Cl, OR'
OH
O
R
OR'
R CN
O
DiBAlH 1eq
-78°C + H2O
O
R
R
B2H6
OH
R
OH
H
La réduction par le diborane est
sélective de la fonction acide
carboxylique.
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Réduction des amides en amines.
O
O
LiAlH4
R
R
H
N R1
R2
•
Réduction sélective : On peut réduire de facon sélective une fonction acide dans une molécule
contenant une fonction acide et une fonction ester, mais on peut aussi ne réduire que la fonction ester.
CH2OH
COOH
B2H6
R
R
R
COOR1
COOR 1
•
COOH
LiHAl(OtBu)3
CH2OH
Méthode de Rosemund
O
O
PCl5
R
R
OH
•
H2
Pd, BaSO4
O
R
Cl
H
Action des métaux dissous
O
R1
R1 CN
ou
OH
Na / EtOH
R1
O R2
•
Réaction de duplication
O
O
R
O
Na
2 R
OEt
OEt
OEt
R
OEt
R
OEt
R
O
R
O
R
O
2 Na
R
O
R
O
R
O
R
OH
O
Décarboxylation
La décarboxylation se produit lorsque l'on chauffe un acide. Si en β de la fonction acide, on a une
double liaison (alcène ou carbonyle) alors la décarboxylation se fait à température plus basse.
O
R
200°C
O
R H
O
H
O
R
O
R
OH
50°C
R
H
H
O
R
O
100°C
H
+ CO2
O
R
Passage d'une double liaison E à une double liaison Z, par une réaction de décarbocylation :
O
R
H
H
Br2
CO2H
R
H
Br
Br
H
CO2H
R
O
H
Br
R
Br
H
Isomère E
•
Isomère Z
Décarboxylationde Krapchau : La réaction de Krapchau, permet dans des conditions douces (c'est-àdire sans chauffer) de décarboxyler une focntion carbonyle.
O
OH
O
O
•
Br
O
LiI, εH2O
Collidine
CH3
Décarboxylation radicalire : Pour de plus amples détails voir le chapitre sur la chimie radicalire. Bien
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sur, le substrat ne doit pas contenir de fonction(s) sensible aux radicaux.
O
nBu3SnH
R
R H
OH
N
SH
O
Action du diazométhane ou réaction de Arndt-Eistert
On a vu précédement que le diazométhane pouvait réagir sur un acide carboxylique pour former
un ester méthylique. Par contre son action sur un chlorure d'acide est totalement différente.
O
R
H2O
Ag2O
O
CH2N2
R
O
R CH2
OH
CHN2
Cl
A noter que l'espèce formée au cours de la première étape peut réagir avec un acide HX pour
former un tout autre produit.
O
O
HX
R
R
CHN2
X
Dans la réaction de Arndt-Eistert, la seconde étape fait intervenir un réarrangement de Wolff. Si à
la place de mettre de l'eau, on utilise un alcool R'OH alors on isole directement l'ester (de même on peut
remplacer l'alcool par de l'eau, de l'ammoniaque, etc...)
O
R'
R CH2
O R'
O
OH
R'
O
R CH2
N R'
R
CHN2
R'N 2
R CH
R'
O
NH
2
H
NH
3
O
R CH2
OH
NH2
Le mécanisme de la réaction est classique, on passe par une fonction carbène qui se réarrange en
fonction cétène:
O
O
R
R CH C O
R
C N N
N2
H
H2O
O
R CH2
OH
CH3
Amides et Nitriles
•
Action d'un organomagnésien sur un nitrile.
O
C N
R MgX
C N MgX
H3O+
R
R
•
Hydrolyse d'une fonction nitrile : Les nitriles s'hydrolysent en milieu acide et en milieu basique pour
donner l'acide carboxylique correspondant. Mais dans ce mécanisme d'hydrolyse, on constate que les
deux mécanismes (milieu acide ou basique) passent par la formation de la fonction amide.
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•
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milieu basique
R C N
OH
O
H2O
R C N
R C NH
OH
OH
OH
R
R
NH2
NH2
OH
O
O
O
NH3 + R
NH2 + R
O
OH
• milieu acide
R C N H
R C N
R C N H
H
O
H
O
R C NH2
R
O
H
H
O
OH
NH2
R C N H
OH2
R
R
OH
H
H
OH
R
NH3
O
NH2
H
O
H
Réactivité en α
Réaction de Hell-Volhardt-Zelinski : Qui permet de mettre un Brome en α de la fonction
carbonyle. L'intérêt de cette réaction est que d'une part en même temps que l'on forme du produit, on
forme du réactif (flèche en pointillé). D'autre part, le brome en α peut facilement être fonctionnalisé en
fonction amine en rajoutant de l'ammoniac au produit formé, ou bien en fonction nitrile en ajoutant KCN
au produit formé.
O
R CH2
PBr3
(Br2 + P rouge)
O
R CH2
OH
OH
R CH
+ H3PO4
Br
R Br Br
Br2
Br
Br
O H
O
O
R CH2
OH
O
OH
+ R CH2
R CH
Br
O
R CH
Br
Br
Br
L'hydrogène en α d'une fonction carbonyle est acide. De ce fait, il est facile de déprotoner en α
d'une fonction carbonyle, pour faire agir un électrophile :
O
HC
1. LDA
2. O2, P(OEt)3
O
H2C
1. LDA
2. Me2S
OR
OH OR
O
HC
SMe OR
Dans la pratique, l'utilisation de O2 (qui est un gaz) n'est pas toujours aisée. Il peut alors être
nécessaire d'utiliser des composés plus appropriés :
• Réactif de Mimoun : Mélange de MoO5, Pyridine, HMPA (héxaméthylphosphotriamine). Le mélange
de ces trois réactifs donne le réactif de Mimoun noté MOPH.
O
H2C
OR
1. LDA
2. MOPH
O
HC
OH OR
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Un autre réactif permet lui aussi de réaliser la même réaction. Pour cela dans un première étape on
utilise le KHMDS qui est une base forte.
O
OR
O
Ph
O
KHMDS
O
N SO2Ph
+ Ph
OR
O
N
OR
SO2Ph
Condensations
•
Condensation de Claisen : Elle à lieu lorsqu'un ester contenant un hydrogène en α est traité par une
base forte, ce qui donne un β-céto-ester. Dans notre exmple, la réaction est faite en partant de 2 moles
d'un même ester. Si l'on part d'une mole de deux esters différents alors on obtient 4 produits différents.
R
O
OEt
OEt
R
EtONa
EtOH
O
O
O
EtONa
R
O
O
R
OEt
OEt
R
O
R
OEt
R
R
O
H2O
H
O
R
O
H
O
H2O / H
R
O
O
O
O
R
•
O
NaOH
R
R
R
O
R
OEt
R
Condensation de Dieckmann : Lorsque les deux fonctions esters sont contenus dans la même molécule
on à une condensation de Dieckmann. A noter que les meilleurs résultats sont obtenus pour la
formation des cycles à 5, 6, et 7 chaînons.
CH2 CO2Et
EtO-Na+
EtOH
O
O
O
CH2 CO2Et
CO2Et
CO2Et
Alkylation d'un ester
O
R1 CH2
1. LDA
2. R3X
O
R1 CH
OR2
R3
OR2
Système malonique
CO2Et
CO2Et
EtONa
CO2Et
R X
CO2Et
CO2Et
R
1. Saponification
2. Décarboxylation
CO2H
R
CO2Et
Hydroxyalkylation
•
Réaction de Knoevenagel
R1
CO2Et
NH
R1
CO2H
R2
H
O +
R2
CO2Et
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Acides Alcools
•
Préparation
O
R
HCN
OH
R
H
•
OH
H2O
R
CN
CO2H
Réactivités
H
R
CO2H
(R)
O
OCH3
NH2
CO2H
OH
R
O
CO2H
H3CO
O
O
(R)
N
H H
H
O
(R)
CO2H
N
H
H
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