les aldéhydes et les cétones

CHM 1302
page 98
V- LES ALDÉHYDES ET LES CÉTONES
5.1. LE GROUPEMENT CARBONYLE
Les aldéhydes et les cétones comportent un groupement carbonyle dans lequel un atome de
carbone hybridé sp2 forme un lien double avec un atome d'oxygène.
πC-O
σC-H
σC-O
H
n
1.22 Å
C
σC-H
n
C (2sp2)
H
O
~120°
O (2sp2)
L'atome d'oxygène est plus électronégatif que l'atome de carbone; le groupement carbonyle
est donc polarisé.
Électronégativité
(échelle de Pauling)
O
3.44
C
2.55
O
O
C
C
O
δ-
C δ+
2.88 D
Le carbone sp2 d'un groupement carbonyle est conséquemment électrophile et est sujet à
des attaques par les nucléophiles.
O
O
C
C
Nu
Nu
© Richard Giasson
CHM 1302
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5.1. LE GROUPEMENT CARBONYLE (suite)
D'autre part, l'atome d'oxygène du groupement carbonyle possède deux doublets d'électrons
libres et est donc une base.
H
H
H
O
O
O
C
C
C
La basicité des aldéhydes et cétones en fait des accepteurs de ponts hydrogène;
conséquemment, les aldéhydes et cétones de faibles masses moléculaires sont solubles dans
l'eau.
H
O
H
O
H
O
H
H
H
O
C
5.2. NOMENCLATURE DES ALDÉHYDES ET CÉTONES
Les aldéhydes comportent un groupement carbonyle terminal alors que les cétones, un
groupement carbonyle interne.
O
O
C
C
R
R
H
un aldéhyde
(R = H, alkyle, aryle)
© Richard Giasson
R'
une cétone
(R, R' ≠ H)
CHM 1302
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5.2. NOMENCLATURE DES ALDÉHYDES ET CÉTONES (suite)
NOMENCLATURE DES ALDÉHYDES:
Noms triviaux:
Certains aldéhydes simples sont couramment identifiés par leurs noms triviaux.
O
O
CH3-C-H
H-C-H
formaldéhyde
acétaldéhyde
Noms systématiques:
Les noms systématiques (IUPAC) s'obtiennent en considérant les aldéhydes comme des
dérivés des alcanes; la terminaison "e" de ces derniers est alors remplacée par le suffixe "al".
Les aldéhydes deviennent donc des alcanals et le carbone aldéhydique (toujours terminal)
porte d'office le numéro un.
O
O
O
H-C-H
CH3-C-H
CH3-CH2-C-H
méthanal
éthanal
propanal
O
6
Cl-CH2-CH2-CH2-C-H
7
4
5
H
2
3
1
O
4,6-diméthylheptanal
4-chlorobutanal
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5.2. NOMENCLATURE DES ALDÉHYDES ET CÉTONES (suite)
NOMENCLATURE DES ALDÉHYDES (suite):
Les aldéhydes impossibles à nommer par référence aux alcanes sont plutôt décrits comme
des carbaldéhydes.
CHO
CH3
cyclooctanecarbaldéhyde
CHO
2-méthylcyclopentanecarbaldéhyde-trans
OH
4
CHO
OCH3
3
5
6
2
1
CHO
benzènecarbaldéhyde (IUPAC)
benzaldéhyde
(ACS)
4-hydroxy-3-méthoxybenzènecarbaldéhyde (IUPAC)
4-hydroxy-3-méthoxybenzaldéhyde
(ACS)
NOMENCLATURE DES CÉTONES:
Noms triviaux:
Certaines cétones simples sont couramment identifiées par leurs noms triviaux.
O
CH3-C-CH3
acétone
O
O
CH3-C
acétophénone
© Richard Giasson
benzophénone
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5.2. NOMENCLATURE DES ALDÉHYDES ET CÉTONES (suite)
NOMENCLATURE DES CÉTONES (suite):
Noms de classe fonctionnelle:
Certaines cétones ont également reçu des noms courants où l'identité des deux groupements
hydrocarbures précède le suffixe "cétone". Cette pratique doit être évitée.
O
O
CH3-C-CH3
CH3-C-CH=CH2
diméthyl cétone
méthyl vinyl cétone
Noms systématiques:
Les noms systématiques s'obtiennent en considérant les cétones comme des dérivés des
alcanes; la terminaison "e" de ces derniers est alors remplacée par le suffixe "one". On
numérote alors la chaîne la plus longue de façon à attribuer le plus petit numéro possible au
carbone du carbonyle, sans égard aux groupes fonctionnels OH, C=C ou C≡C.
O
O
CH3-CH2-C-CH3
CH3-C-CH3
3
2
1
4
propan-2-one
OH
4
O
3
2
2
1
butan-2-one
Br O
CH3-CH-CH2-C-CH3
5
3
1
CH3-CH2-CH-C-CH2-CH2-CH3
1
4-hydroxypentan-2-one
(non pas 2-hydroxypentan-4-one)
2
3
4
5
6
7
3-bromoheptan-4-one
(non pas 5-bromoheptan-4-one)
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CHM 1302
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5.2. NOMENCLATURE DES ALDÉHYDES ET CÉTONES (suite)
NOMENCLATURE DES CÉTONES (suite):
Les cétones peuvent aussi être serties dans un cycle. On obtient alors des cycloalcanones.
Le numéro un est alors attribué d'office au carbone du carbonyle.
O
O
1
Cl
5
2
4
cyclopropanone
3
2-chlorocyclopentanone
Finalement, les cétones substituées par un hydrocarbure cyclique sont considérées comme
des alcanones substituées par ce groupe.
O
O
C-CH2-CH3
C-CH3
1
1
2
3
1-phénylpropanone
2
1-cyclopentyléthanone
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CHM 1302
page 104
5.3. PRÉPARATION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES
OXYDATION DES ALCOOLS:
Nous avons vu, au chapitre précédent, que l'oxydation des alcools nous donne accès aux
aldéhydes et cétones.
L'oxydation des alcools primaires peut être arrêtée au niveau de l'aldéhyde si on utilise des
conditions appropriées, telles l'oxydation avec PCC ou l'oxydation de Swern.
OH
PCC
O
R-CH-R'
CH2Cl2
R-C-R'
OH
DMSO / (COCl)2
O
R-CH-R'
Et3N / CH2Cl2
R-C-R'
R, R' = H, alkyle ou aryle
Les alcools secondaires peuvent, quant à eux, aussi être oxydés en cétones par PCC et par
Swern. On peut cependant aussi utiliser le réactif de Jones avec les alcools secondaires.
OH
CrO3 / H2SO4
O
R-CH-R'
H2O / acétone
R-C-R'
R, R' ≠ H
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CHM 1302
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5.3. PRÉPARATION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES (suite)
OZONOLYSE DES ALCÈNES:
Les cétones et aldéhydes peuvent aussi être obtenus par ozonolyse des alcènes, selon le
patron de substitution de ces derniers. Un parachèvement réducteur est cependant requis
pour obtenir un aldéhyde (réf. CHM 1301).
R'
R
C
R"
C
H
3)
R"
H
C
O3
C
H
C
O2
H2
H
Zn
R'
+ O
(o
u
R
O
3S
/H
2O
C
/N
H
aO
R'
R
C
O
+
O
C
HO
R"
HYDRATATION DES ALCYNES:
Les alcynes sont hydratés en présence d'eau et d'acide, produisant ainsi des cétones (réf.
CHM 1301).
Exemple:
O
CH3-CH2-CH2-C
C-H
H2O
H2SO4 / HgSO4
Notez:
CH3-CH2-CH2-C-CH3
La réaction est régiosélective avec les alcynes terminaux, la méthyl cétone étant
formée majoritairement.
Une catalyse par des acides de Lewis (HgSO4) est souvent requise pour les alcynes
terminaux moins substitués et moins réactifs.
Exemple:
O
O
CH3-CH2-C
C-CH 3
H 2O
H2SO4
CH3-CH2-C-CH 2-CH3
+
CH3-CH2-CH2-C-CH 3
0°C
Notez:
Il y a perte de régiosélectivité avec les alcynes internes car la première protonation à
une ou l'autre des positions produit des carbocations également substitués (référezvous au mécanisme).
© Richard Giasson
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5.3. PRÉPARATION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES (suite)
MÉCANISME DE L'HYDRATATION DES ALCYNES:
formation du carbocation
le plus stable favorisée
R
C
C
H
R
H
C
C
H
H
H
O
O
H
H
H
R
C
H
R
H
H
C
C
O
O
H
H
C
H
H
H
intermédiaire énol
O
H
H
O
H
H
H
R
C
H
O
H
C
H
R
C
H
H
formation du carbocation
le plus stable favorisée
O
H
O
H
H
à retenir: le tautomérisme
entre formes énol et céto!
H
R
H
C
+
H3O régénéré
i.e. catalytique
H
C
O
H
H
© Richard Giasson
O
H
C
H
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5.4. RÉACTIONS DE RÉDUCTION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES
L'atome de carbone d'un groupement carbonyle est électrophile et réagira donc avec une
espèce nucléophile, tel un hydrure. Après protonation de l'atome d'oxygène, on obtient
l'alcool, le produit de réduction d'un carbonyle.
H
O
O
OH
C
C
C
H
H
H
Les sources d'hydrure communément utilisées pour réduire les cétones et les aldéhydes sont
le borohydrure de sodium (NaBH4) et l'hydrure de lithium et d'aluminium (LiAlH4).
H
H
B
H
Na
Al
H
Li
H
H
H
H
LiAlH4 réagit violemment avec l'eau ou les alcools. Il est donc plus difficile à manipuler
que NaBH4 qui lui ne réagit que très lentement.
LiAlH4
+
0
4 H2O
Li + Al(OH)4 -
+
4 H2 (gaz)
Na + B(OH)4 -
+
4 H2 (gaz)
violent
NaBH4
+
4 H 2O
lent
L'eau et les alcools sont d'ailleurs fréquemment utilisés comme solvant dans les réductions de
carbonyles avec NaBH4. Lorsqu'utilisés comme solvant, l'eau et les alcools servent aussi
comme source de protons; un parachèvement acide n'est alors plus nécessaire (voir le
mécanisme).
O
CH3-CH2-CH2-C-H
NaBH4
H2O
CH3-CH2-CH2-CH2-OH
85%
O
CH3-CH2-C-CH3
NaBH4
H2O
OH
CH3-CH2-CH-CH3
(racémique)
87%
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CHM 1302
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5.4. RÉDUCTION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES (suite)
MÉCANISME:
a
H
H
Na
B
H 3C
H
C
O
H3C-H2C
H
b
)
e
qu 0%
5
ta
at b.
ro
(p
a
(p tta
ro qu
b.
e
50 a
%
)
b
H
H
Na
H 3C
O
C
H
O
H3C-H2C
H 3C
H
O
H3C-H2C
C
H 3C
Na OH
H 3C
H3C-H2C
C
OH
H3C-H2C
OH
C
H
(S)-butan-2-ol
Notez:
Na
H
H
H
O
Na OH
(R)-butan-2-ol
Un seul hydrure est transféré dans ce mécanisme par simplification. Notez
cependant que NaBH4 (ou LiAlH4) sont des espèces capables de transférer 4
hydrures.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 109
5.4. RÉDUCTION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES (suite)
LiAlH4 est, quant à lui, utilisé dans un solvant aprotique i.e. l'éther ou le THF. On doit donc
acidifier le mélange réactionnel (avec précaution) au moment du parachèvement.
CH3
O
CH3-CH-CH 2-C-CH3
CH3
CH3
LiAlH 4
CH3-CH-CH 2-CH-O
éther
4
Al
Li
H 3O +
(parachèvement)
CH3
OH
CH3-CH-CH 2-CH-CH 3
RÉDUCTION DES COMPOSÉS CARBONYLÉS α,β-INSATURÉS:
NaBH4 et LiAlH4 ne réduisent pas les doubles liaisons C=C isolées (non-polarisées). Il est
donc possible de réduire un carbonyle en présence d'un double lien C=C isolé.
O
OH
NaBH4
(H3C)2C
CH-CH2-CH2-C-CH3
éthanol
(H3C)2C
CH-CH2-CH2-CH-CH3
95%
© Richard Giasson
CHM 1302
page 110
5.4. RÉDUCTION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES (suite)
Les doubles liaisons conjuguées au groupement carbonyle sont cependant polarisées et
susceptibles aux attaques d'un hydrure.
C
C
O
C
C
C
H
C
H
(addition-1,4)
H
H
H
C
O
C
(addition-1,2)
C
C
O
C
O
C
C
C
H
O
H
C
C
C
O
C
H
H
H
(addition-1,2) H , H
H
H
C
C
O
C
H
H
H
C
C
C
O
C
C
O
C
H
La réduction de composés carbonylés α,β-insaturés peut donner les produits de réduction
totale ou partielle selon la nature des substrats, des réactifs et des conditions de réaction.
OH
O
OH
NaBH4
+
méthanol
51%
© Richard Giasson
49%
CHM 1302
page 111
5.4. RÉDUCTION DES ALDÉHYDES ET DES CÉTONES (suite)
RÉDUCTION ASYMÉTRIQUE DES COMPOSÉS CARBONYLÉS AVEC LES RÉDUCTEURS CHIRAUX:
Les composés carbonylés peuvent être réduits de façon asymétrique à l'aide de réactifs
réducteurs chiraux optiquement purs tels le (R)- ou le (S)-Alpine borane. L'utilisation d'un
ou l'autre des énantiomères du réactif, tous deux disponibles commercialement, donne lieu à
la formation d'un ou l'autre des énantiomères du produit désiré, un alcool, avec un important
excès énantiomérique.
HO
O
ne
bora
e
n
i
Alp
nt)
)-(-)em e
v
R
(
è
)
h
1
c
+ (para
O
2) H 3
1) (S
)-(+)
-Alp
2) H
in e
+
bora
3O
ne
(par
ach
èv em
ent)
H
60-65% rend.; 97% ee
H
OH
H
% ee = % excès énantiomérique
= % énantiomère majeur - % énantiomère mineur
B
H
donc 97% ee = 98.5% énantio. maj. - 1.5% énantio. min.
(R)-(-)-Alpine borane
Le fait que le réactif soit chiral et optiquement pur fait en sorte que les états de transition
menant à l'un ou l'autre des énantiomères du produit ne soient pas équivalents. L'état
de transition favorisé, celui de plus basse énergie, est celui dans lequel des interactions
stériques entre les réactants sont minimisées.
O
G
C
G
G
P
C
C
H
H
H
H
B
H
H
O
B
P
H
H
O
H
H
P
B
H
© Richard Giasson
H
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5.5. RÉACTIONS D'ADDITION DE CARBONES NUCLÉOPHILES
ADDITION DE L'ANION CYANURE:
Le carbone d'un groupement carbonyle est électrophile et donc sujet à des attaques par les
nucléophiles, tel l'anion cyanure. Le produit de cette réaction est appelé une cyanohydrine.
OH
O
1) NaCN / H2O
CH3
C
CH3
2) H2SO4 / H2O
CH3
C
CH3
CN
O
CN
CH3
C
CH3
H
CN
Notez:
Des précautions particulières doivent être prises lors d'un parachèvement acide
avec l'anion cyanure….
H
+
CN
1
HCN (gazeux)
Cette réaction nous procure un moyen simple d'ajouter un atome de carbone additionnel sur
une molécule tout en obtenant deux groupes fonctionnels.
O
OH
1) NaCN / H2O
CH3-C-H
2) H2SO4 / H2O
CH3-CH-C≡N
H3O +
∆
OH O
CH3-CH-C-OH
H3O +
∆
© Richard Giasson
OH O
CH3-CH-C-NH2
CHM 1302
page 113
5.5. RÉACTIONS D'ADDITION DE CARBONES NUCLÉOPHILES (suite)
ADDITION D'AUTRES CARBANIONS NUCLÉOPHILES:
Préparation des réactifs organométalliques nucléophiles:
Une façon de générer des carbanions nucléophiles consiste à déprotoner un hydrocarbure
possédant un proton relativement acide, tel un alcyne terminal.
NaH / THF
R
C
C
H
R
C
C
Na
+
H2 (gazeux)
Une deuxième façon particulièrement versatile consiste plutôt à traiter les halogénures avec
des métaux réducteurs, tels le lithium ou le magnésium. Les halogénures aliphatiques,
aromatiques et vinyliques réagissent ainsi avec ces métaux.
Mg
CH3-I
CH3-MgI
éther
Mg
Br
MgBr
éther
CH3
CH3
2 Li
pentane
CH3-CH-Br
LiBr (précipité)
+
CH3-CH-Li
2 Li
Et
Cl
pentane
Et
Li
+
LiCl (précipité)
La réaction entre les halogénures et le magnésium a été développée par Victor Grignard
(Nobel 1912); on appelle donc ces réactifs organomagnésiens les "réactifs de Grignard".
© Richard Giasson
CHM 1302
page 114
5.5. RÉACTIONS D'ADDITION DE CARBONES NUCLÉOPHILES (suite)
ADDITION D'AUTRES CARBANIONS NUCLÉOPHILES (suite):
Préparation des réactifs organométalliques nucléophiles (suite):
Les liens carbone-métal sont très polarisés. Une importante densité électronique réside sur le
carbone. L'atome de carbone se comporte conséquemment comme un carbanion et est très
nucléophile.
Électronégativité
(échelle de Pauling)
M
C
2.55
C
Mg
1.31
Li
0.98
δ+
M
δ-
C
Cette réaction permet donc de transformer un carbone électrophile en carbone nucléophile.
δ+ δC X
M
δδ+
C M
site nucléophile
site électrophile
Ces organométalliques sont aussi des bases puissantes; elles doivent donc être préparées et
utilisées en absence d'espèces relativement acides, tels l'eau ou les alcools.
MgBr
+
H 2O
H
pKa ≈ 16
pKa ≈ 37
© Richard Giasson
+
Mg(OH)Br
CHM 1302
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5.5. RÉACTIONS D'ADDITION DE CARBONES NUCLÉOPHILES (suite)
ADDITION D'AUTRES CARBANIONS NUCLÉOPHILES (suite):
Réactions des réactifs organométalliques avec les carbonyles:
Le carbone nucléophile d'un organométallique réagira avec le carbone électrophile d'un
carbonyle. C'est une méthode très utile pour générer un nouveau lien C-C.
1) Mg / éther
H3C
H3C
2) CH3CHO
H3C-CH-Br
OH
H3C-CH-CH-CH 3
3) H3O+ (parachèvement)
(mélange racémique)
50%
1) 2 Li / THF
2)
Cl
CHO
OH
CH
3) H3O+ (parachèvement)
100%
Mécanisme:
O
C δ+
δ+
M
δ-
δO
C
M
C
C
H
H
O
H
O
C
M
H 2O
OH
H3O+
C
C
(parachèvement)
© Richard Giasson
C
M
CHM 1302
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5.5. RÉACTIONS D'ADDITION DE CARBONES NUCLÉOPHILES (suite)
ADDITION D'AUTRES CARBANIONS NUCLÉOPHILES (suite):
Réactions des réactifs organométalliques avec les carbonyles:
La réaction d'un organométallique avec le formaldéhyde donne donc, après parachèvement,
un alcool primaire.
1) R-M
CH2
O
2) H3O+
R-CH2-OH
Cette même réaction avec un aldéhyde donne un alcool secondaire.
OH
1) R-M
R'-CHO
2) H3O+
R'
CH
R
Finalement, un alcool tertiaire est obtenu avec une cétone.
O
OH
1) R-M
R'
C
R"
2) H3O+
R'
C
R
© Richard Giasson
R"
CHM 1302
page 117
5.5. RÉACTIONS D'ADDITION DE CARBONES NUCLÉOPHILES (suite)
ADDITION D'AUTRES CARBANIONS NUCLÉOPHILES (suite):
Réactions des réactifs organométalliques avec les époxydes:
Les organométalliques nucléophiles peuvent aussi réagir avec d'autres électrophiles.
époxydes, par exemple, sont des substrats particulièrement intéressants.
Les
1) Mg / éther
O
CH3-CH2-CH2-CH2-Br
2) H2C
CH2
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH
3) H3O+ (parachèvement)
60%
Ainsi les réactions entre les organométalliques et les carbonyles ou les époxydes nous
donnent accès toutes deux à des alcools avec un et deux atomes de carbone additionnels,
respectivement. Ces deux réactions nous permettent donc de générer un nouveau lien C-C à
proximité d'un groupe OH.
O
C
1)
2) H+
C
X
métal
C
C
C
OH
C
C
C
M
O
1)
2) H+
© Richard Giasson
OH
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page 118
5.5. RÉACTIONS D'ADDITION DE CARBONES NUCLÉOPHILES (suite)
ADDITION D'AUTRES CARBANIONS NUCLÉOPHILES (suite):
Les cuprates et leur réactivité particulière:
Les cuprates constituent une catégorie distincte de réactifs organométalliques.
obtenus par la réaction entre un organolithien et l'iodure cuivreux (CuI).
+
2 R-Li
Ils sont
R2CuLI
CuI
Dialkylcuprate de lithium
Les organocuprates sont des réactifs organométalliques moins basiques que les
organomagnésiens ou lithiens correspondants. Conséquemment, les cuprates réagiront avec
les halogénures peu encombrés via le mécanisme Sn2, sans qu'il n'y ait compétition
significative de la réaction d'élimination E2.
R2CuLI
+
R'
X
R
R'
+
RCu
+
LiX
R = méthyle, alkyle primaire, secondaire ou tertiaire
R' = méthyle, alkyle primaire ou cycloalkyle secondaire
Notez:
Un seul des deux groupements alkyles (R) de l'organocuprate est transféré
dans les réactions de ces espèces, l'autre étant inerte.
Les cuprates possèdent aussi la propriété particulière de réagir par addition-1,4, plutôt que
-1,2, avec les composés carbonylés α,β-insaturés.
O
O
H3O+
a et b
O
b
R
a
a
R2CuLi
4
-1,
n
)
io
dit ue a
d
a
taq
(at
ad
dit
(at ion-1
ta q
,
ue 2
b)
R
R
majeur
O
HO
R
R
H3O+
mineur
© Richard Giasson
CHM 1302
page 119
5.6. RÉACTIONS DES CARBONYLES AVEC LES ALCOOLS
L'ÉQUILIBRE ENTRE LES ESPÈCES:
L'atome de carbone électrophile d'un groupement carbonyle réagira avec les atomes
d'oxygène nucléophiles de l'eau ou des alcools.
Ainsi, lorsqu'un aldéhyde ou une cétone est dissout dans l'eau, un équilibre s'établit entre la
forme libre et hydratée du composé carbonylé.
OH
O
CH3-C-H
+
CH3-C-H
H 2O
OH
Un équilibre similaire existe lorsque les aldéhydes sont mis en présence d'un alcool, donnant
lieu à la formation d'hémiacétals et d'acétals.
O
CH3-C-H
OCH3
OH
2 CH3-OH
+
CH3-C-H
+
CH3OH
H2O
+
OCH3
OCH3
un aldéhyde
CH3-C-H
un hémiacétal
un acétal
Un tel équilibre existe aussi lorsque les cétones réagissent avec les alcools; les produits se
nomment alors "hémicétal" et "cétal'.
O
CH3-C-CH3
OCH3
OH
+
2 CH3-OH
CH3-C-CH3
+
CH3OH
OCH3
une cétone
un hémicétal
© Richard Giasson
CH3-C-CH3
OCH3
un cétal
+
H2O
CHM 1302
page 120
5.6. RÉACTIONS DES CARBONYLES AVEC LES ALCOOLS (suite)
POSITION DE L'ÉQUILIBRE:
Les hémiacétals et les hémicétals sont des composés instables. Ceux-ci ne peuvent être
isolés que dans les cas où les fonctions alcool et carbonyle sont toutes deux présentes sur
une même molécule (réaction intramoléculaire). La position de l'équilibre favorise la formation
d'un hémiacétal cyclique faisant partie d'un cycle à cinq ou six chaînons au détriment de la
forme ouverte.
O
HO
H
H
O
OH
à l'équilibre
11%
89%
Deux choses sont requises si l'on désire former de façon efficace un acétal ou un cétal:
1- Une petite quantité d'acide devra être ajoutée au mélange réactionnel pour catalyser (i.e.
accélérer) la réaction (voir le mécanisme).
2- Un artifice devra être utilisé pour déplacer la position de l'équilibre vers la formation des
produits.
Une façon d'y arriver, qui est quelquefois peu pratique, consiste à utiliser un excès d'alcool.
Une autre façon consiste à retirer l'eau au fur et à mesure de sa formation (azéotrope,
agent asséchant, etc.).
Exemple:
O
OR"
2 R"OH
R-C-R'
R-C-R'
p-TsOH (cat.)
benzène / ∆
OR"
© Richard Giasson
+
H 2O
(azéotrope)
CHM 1302
page 121
5.6. RÉACTIONS DES CARBONYLES AVEC LES ALCOOLS (suite)
POSITION DE L'ÉQUILIBRE (suite):
La formation de cétals (carbone quaternaire) est plus difficile que celle d'acétals (carbone
tertiaire) pour des raisons stériques.
La formation de cétals cycliques avec les diols est cependant plus facile à cause de facteurs
entropiques: (1) Conservation du nombre de molécules et (2) facilité accrue des réactions
intramoléculaires.
O
HO
+
3 molécules
O
+ 1 H2O
réaction intermoléculaire
2 molécules
O-CH2-CH2-OH
HO-CH2-CH2-OH
2 molécules
OCH3
+ 1 CH3OH
HO
+
H3CO
OCH3
2 CH3OH
O
réaction intramoléculaire
O
+
1 H2O
2 molécules
Finalement, l'équilibre peut aussi être déplacé en faveur de la cétone ou de l'aldéhyde en
ajoutant un excès d'eau et une petite quantité d'acide (catalyse). Les cétals et acétals peuvent
en effet être hydrolysés pour régénérer le composé carbonylé.
OR"
R-C-R'
HCl / H2O / ∆
O
R-C-R'
OR"
© Richard Giasson
+
2 R"OH
CHM 1302
page 122
5.6. RÉACTIONS DES CARBONYLES AVEC LES ALCOOLS (suite)
MÉCANISME DE FORMATION D'UN CÉTAL AVEC UNE CATALYSE ACIDE:
H
H
H
O
O
B
R
C
O
R
R'
C
R
R'
R"
R'
O
H
B
O
H
C
R"
B
Le départ d'une molécule d'eau
est facilitée par la stabilisation du
carbocation par résonance.
H
B
B
O
H
H
R
C
B
H
H
H
O
O
R
R'
C
R
R'
C
O
O
O
R"
R"
R"
R'
Le retrait de l'eau formée hors du mélange
réactionnel (azéotrope) déplace l'équilibre
vers la formation du produit.
B
H
B
O
R"
H
B
H
R"
R"
O
O
R
C
R'
O
R
C
R'
C
R'
O
O
R"
R
R"
© Richard Giasson
R"
CHM 1302
page 123
5.7. RÉACTIONS DES CARBONYLES AVEC LES AMINES
Les aldéhydes et cétones réagissent avec les amines et autres nucléophiles azotés, tels
l'hydroxylamine et les hydrazines, pour former des dérivés comportant un double lien C=N.
Ph
Ph
C
O
H2N-CH3
+
H
benzène
C
∆
C
une imine
1) HCl
O
+ H2N-CH2-CH2-CH3
CH3
O
+
H2N-OH
C
O
+
H2N-NH-Ph
H
+ H 2O
CH3
CH3COONa
C
CH3COOH / ∆
N-OH
H 2O
+
un oxime
CH3COOH
∆
(CH3)2CH
C
N-NH-Ph
+
H 2O
H
une hydrazone
une hydrazine
Notez:
N-CH2-CH2-CH3
une imine
hydroxylamine
(CH3)2CH
(azéotrope)
CH3
C
2) NaOH
(parachèvement)
une amine
C
H 2O
+
H
une amine
CH3
N-CH3
Un acide relativement faible ou un milieu tamponné est généralement utilisé pour
catalyser cette réaction. Les acides forts en quantité stoechiométrique ou en excès
doivent être évités car les amines basiques sont alors complètement protonées. Les
amines protonées ne sont plus nucléophiles, ce qui inhibe la réaction avec le
carbonyle électrophile.
© Richard Giasson
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page 124
5.7. RÉACTIONS DES CARBONYLES AVEC LES AMINES
Ces espèces se forment toutes via un mécanisme commun. La première partie de ce
mécanisme est apparentée à la formation d'un hémiacétal; la deuxième partie est cependant
différente.
Simplification:
2 étapes en 1
H
O
O
C
R
R'
H
H
R
C
R'
H
N
H
N
R"
R"
B
Catalyse par un acide faible
B
B
H
H
H
H
O
R
O
C
R'
R
R"
H
N
H
C
R'
N
R"
Participation du doublet libre
Le retrait de l'eau favorise
la formation du produit
H
H
O
R
R'
R
C
C
N
H
R'
N
R"
R"
B
B
© Richard Giasson
H
B
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page 125
5.7. RÉACTIONS DES CARBONYLES AVEC LES AMINES
Les aldéhydes et cétones peuvent être régénérés par hydrolyse de ces dérivés en milieu
acide.
R
C
H 3O +
N-R"
R
C
R'
O
+
H2N-R"
R'
5.8. MÉTHODES POUR LA RÉDUCTION DU GROUPEMENT CARBONYLE
EN GROUPEMENT MÉTHYLÈNE
Nous verrons dans cette section deux méthodes pour faire la transformation suivante:
O
H
H
C
C
RÉDUCTION DE WOLFF-KISHNER:
La première de ces méthodes est la réduction de Wolff-Kishner, basée sur la décomposition
des hydrazones en milieu basique protique.
O
CH3-(CH2)5-C-CH3
H2N-NH2 / NaOH
HO-CH2-CH2-O-CH2-CH2-OH
∆
CH3-(CH2)5-CH2-CH3
75%
Nous avons déjà vu le mécanisme de formation d'un hydrazone. Voyons maintenant comment
cette espèce se décompose dans les conditions de la réaction.
© Richard Giasson
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page 126
5.8. MÉTHODES POUR LA RÉDUCTION DU GROUPEMENT CARBONYLE
EN GROUPEMENT MÉTHYLÈNE (suite)
RÉDUCTION DE WOLFF-KISHNER (suite):
H
Le mécanisme de formation
de l'intermédiaire hydrazone
est similaire à celui pour la
formation d'une imine
N
C
R'
H
H
O
C
H
O
R
H
stabilisation de l'anion
par résonance
N
H
N
R
N
O
H
N
R'
N
H
H
C
R
R'
protonation
irréversible
O
O
N
N
R
C
H
N
N
H
R
R'
R
C
R'
H
H
C
R'
dégagement
irréversible
d'azote
N
protonation
irréversible
H
H
H
N
R
C
H
H
© Richard Giasson
R'
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page 127
5.8. MÉTHODES POUR LA RÉDUCTION DU GROUPEMENT CARBONYLE
EN GROUPEMENT MÉTHYLÈNE (suite)
RÉDUCTION DES THIOACÉTALS ET THIOCÉTALS PAR LE NICKEL DE RANEY:
Cette méthode en deux étapes nous permet de réduire le carbonyle en méthylène sans utiliser
un milieu fortement basique.
Il faut d'abord générer un thioacétal ou thiocétal i.e. l'analogue sulfuré des fonctions acétal
et cétal. Les liens C-S sont ensuite coupés par hydrogénolyse en utilisant le nickel de
Raney comme catalyseur et source d'hydrogène.
H
H
H
H
H
O
cholestan-3,6-dione
O
SH
HS
BF3•OEt2
acide acétique
H
H
H
H
S
S
S
H
S
les dithiocétals sont les
analogues sulfurés des
cétals (même mécanisme)
[H2]
Ni Raney
H
éthanol / ∆
H
H
H
H
hydrogénolyse
des liens C-S
H
H
H
H
© Richard Giasson
CHM 1302
page 128
5.9. RÉACTION DES ALDÉHYDES ET CÉTONES AVEC LES YLURES:
LA RÉACTION DE WITTIG
LES YLURES DE PHOSPHORE:
La réaction d'une phosphine, telle la triphénylphosphine, avec un halogénure mène à la
formation d'un sel de phosphonium via une réaction de substitution nucléophile Sn2.
R1
R2
Ph3P
C
R1
X
Ph3P
R2
C
H
X
H
sel de phosphonium
Le sel de phosphonium obtenu peut ensuite être déprotoné par une base forte, telle le PhLi,
pour donner un composé de type zwittérionique appellé ylure de phosphore. Les ylures de
phosphore sont aussi souvent appelés "réactifs de Wittig", du nom de leur inventeur.
R1
Ph3P
C
R2
R1
PhLi
X
Ph3P
H
+
LiX
+
benzène
R2
Li
Ph
C
un ylure du phosphore
L'acidité du proton s'explique par le fait que la charge négative résultant de son arrachement
par la base est stabilisée par la proximité de la charge positive sur l'atome de phosphore.
LA RÉACTION DE WITTIG:
La réaction entre un ylure de phosphore et un aldéhyde ou une cétone mène à la formation
d'un alcène. Cette réaction très utile est communément appelée "réaction de Wittig".
R1
C
R2
Notez:
R3
PPh3
+
O
C
C
R4
R3
R1
C
R2
+
R4
R4
R1
C
R2
C
+
O
PPh3
R3
Dans le cas où R1 ≠ R2 ou R3 ≠ R4, il y a généralement formation des deux isomères
(E et Z) de l'alcène.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 129
5.9. RÉACTION DES ALDÉHYDES ET CÉTONES AVEC LES YLURES:
LA RÉACTION DE WITTIG (suite)
LA RÉACTION DE WITTIG (suite):
Le mécanisme de cette réaction est le suivant:
R1
Ph3P
R3
C
Ph3P
C
R2
O
C
R1
R4
O
C
R2
R3
R4
intermédiaire
bétaïne
Le phosphore est un atome
pouvant étendre sa valence à 5
Ph3P
R1
C
R2
Ph
O
Ph
P
O
C
C
Ph
R3
R1
C
R2
R3
R4
R4
intermédiaire
oxaphosphétane
Cette méthode constitue donc une méthode d'accès aux alcènes particulièrement utile.
R3
R1
C
R2
C
R1
C
R4
R2
© Richard Giasson
R3
X
+
H
O
C
R4
CHM 1302
page 130
5.9. RÉACTION DES ALDÉHYDES ET CÉTONES AVEC LES YLURES:
LA RÉACTION DE WITTIG (suite)
LA RÉACTION DE HORNER-WADSWORTH-EMMONS:
Une variation de la réaction de Wittig, faisant appel aux esters de phosphonates, se nomme la
réaction de Horner-Wadsworth-Emmons. L'utilité particulière de cette méthode est qu'elle
mène majoritairement à la formation d'alcène trans.
Exemple:
O
CH2-Br
+
P(OEt)3
CH2
P
OEt
+
Et-X
OEt
Na
OEt
une phosphite
un ester de phosphonate
NaH
(-H2)
O
C
C
C
H
H
O
H
+
Na
O
P
OEt
OEt
84%
© Richard Giasson
O
CH
P
OEt
CHM 1302
page 131
5.10. OXYDATION DES ALDÉHYDES ET CÉTONES:
BAEYER-VILLIGER
Les composés carbonylés sont oxydés par les peracides.
dessous.
O
R'
C
OXYDATION DE
Cette réaction est illustrée ci-
O
RCOOOH
R"
R'
C
OR"
Insertion d'un atome d'oxygène entre
le carbonyle et un des groupes R
Dans le cas où R' ≠ R", l'aptitude migratoire des différents groupes est le suivant:
H > phényle > alkyle tertiaire > alkyle secondaire > alkyle primaire > méthyle
Ainsi, l'oxydation de Baeyer-Villiger d'un aldéhyde mène à la formation d'un acide
carboxylique…
O
O
C
H
RCOOOH
C
H
O
…et celle d'une cétone donne un ester.
O
C
O
CH3
RCOOOH
C
O
© Richard Giasson
CH3
CHM 1302
page 132
5.10. OXYDATION DES ALDÉHYDES ET CÉTONES:
BAEYER-VILLIGER (suite)
OXYDATION DE
MÉCANISME:
H
H
O
O
C
R'
C
R'
R"
R"
O
H
C
O
R
H
H
O
O
C
R'
O
O
O
R
C
C
R'
O
R
O
C
H
O
R"
R"
O
B
H
B
H
H
R
C
C
R'
O
O
O
O
O
C
R
R'
C
O
O
H
R"
R"
O
H
O
C
R'
© Richard Giasson
R"
O
CHM 1302
page 133
5.11. SPECTROSCOPIE INFRAROUGE DES CÉTONES ET ALDÉHYDES
La bande d'élongation du lien C=O est une des bandes les plus caractéristiques en
infrarouge. Selon la nature du composé contenant ce type de lien, cette bande généralement
intense apparaîtra entre 1870 et 1540 cm-1.
La bande C=O d'une cétone ordinaire apparaît vers 1715 cm-1. Tout ce qui augmentera ou
diminuera la force du lien C=O augmentera ou diminuera respectivement la fréquence de la
bande.
Alors que la conjugaison avec un groupe électrodonneur diminue le caractère de double
liaison du lien C=O, la conjugaison avec un groupe électroattracteur l'accroît.
O
X
O
O
X
X
forme limite de
résonance additionnelle
où le lien C-O est simple
O
Z
O
Z
forme limite de résonance
déstabilisée par un groupe
électroattracteur
Le groupement carbonyle d'un aldéhyde est lié à un groupe alkyle de moins que celui d'une
cétone. Il est connu que les groupes alkyles stabilisent davantage une charge positive voisine
qu'un atome d'hydrogène. Certains auteurs attribuent cette propriété des groupes alkyles à
leur plus grande polarisibilité, d'autres à la capacité des liens σ de stabiliser une charge
positive par hyperconjugaison. Quelque soit l'origine du phénomène, la forme limite de
résonance où le lien carbone-oxygène est simple est moins importante chez les aldéhydes
que chez les cétones. Conséquemment, un aldéhyde ordinaire aura un C=O plus fort et
donc une bande C=O à une fréquence plus élevée (1740-1720 cm-1) qu'une cétone.
Stabilisation d'un carbocation par
hyperconjugaison avec un lien σC-H
d'un groupe alkyle voisin.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 134
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
Tout comme la conjugaison avec un groupe électrodonneur, la conjugaison avec une ou
plusieurs doubles liaisons affaiblit le lien C=O. La bande apparaît alors à une fréquence
plus basse i.e. entre 1685 et 1666 cm-1.
O
O
C
O
C
C
C
C
C
forme limite de résonance
additionnelle où le lien C-O
est un lien simple
La présence de ponts hydrogène inter- ou intramoléculaires affaiblit aussi le lien C=O et
diminue légèrement la fréquence de la bande C=O.
H
O
H
O
O
O
Finalement, l'incorporation de l'atome de carbone d'un carbonyle dans un cycle tendu accroît
la force du lien C=O et, par conséquent, la fréquence de la bande C=O.
En réaction, le caractère s
de cette orbitale hybride sp2
sera accru.
Un angle θ < 120°
accroît le caractère p
de l'orbitale hybride sp2
de ces deux liens.
θ
C (2sp2)
O (2sp2)
L'angle θ normal pour un carbone sp2 est d'environ 120°. L'incorporation dans un cycle tendu,
tel celui d'une cyclopropanone, diminue considérablement (~60°) cet angle. En réaction, le
caractère "p" des orbitales sp2 impliquées dans les liens σC-C et le caractère "s" de celle
impliquée dans le lien σC-O seront accrus. C'est le caractère "s" accru du lien σC-O du
carbonyle qui renforce globalement le lien C=O et accroît la fréquence de la bande.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 135
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
MODES VIBRATIONNELS:
Élongation du lien C=O
C
O
•
Cétones ordinaires: Bande intense vers 1715 cm-1.
•
Aldéhydes ordinaires: Bande intense vers 1730 cm-1.
•
Aldéhydes ou cétones α,β-insaturés: La conjugaison affaiblit
le lien C=O et déplace la bande C=O vers de plus basses
fréquences i.e. entre 1685 et 1666 cm-1 pour une cétone
insaturée et entre 1720 et 1685 cm-1 pour un aldéhyde
insaturé.
•
Cétones cycliques tendues: Les cétones incorporées dans les
cycles tendus ont des liens C=O plus forts et donc une bande
C=O à plus haute fréquence i.e. vers 1850 cm-1 pour la
cyclopropanone et 1780 cm-1 pour la cyclobutanone.
•
Ponts hydrogène: La présence de ponts hydrogène inter- ou
intramoléculaire affaiblit le lien C=O et décroît quelque peu la
fréquence de la bande C=O.
Élongations du lien C-H
C
H
•
Cétones: Comme tous les composés organiques, les cétones
ont des bandes d'élongation des liens C-H. Cependant, ces
bandes n'ont rien de particulier.
•
Aldéhydes: En plus des bandes d'élongation des liens C-H
ordinaires, les aldéhydes présentent une ou deux bandes
caractéristiques pour l'élongation du lien C-H aldéhydique
entre 2830 et 2695 cm-1 (i.e. à la droite des autres élongations
C-H).
© Richard Giasson
CHM 1302
page 136
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
EXEMPLES DE SPECTRES:
Le butanal (un aldéhyde ordinaire en solution dans le CCl4):
Notez les portions manquantes du spectre qui ont été volontairement effacées à cause de
l'absorption du solvant dans ces régions. Notez aussi la finesse accrue des bandes lorsque
l'échantillon est en solution.
Notez la bande intense pour l'élongation du lien C=O à 1731 cm-1, soit à une fréquence plus
élevée que celle d'une cétone.
Notez aussi la présence de bandes d'élongation d'un lien C-H aldéhydique distinctes à droite
(<3000 cm-1) des autres élongations C-H.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 137
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
EXEMPLES DE SPECTRES (suite):
La butan-2-one (une cétone ordinaire sous forme de film):
Notez la bande intense pour l'élongation du lien C=O à 1718 cm-1, soit à une fréquence plus
basse que celle d'un aldéhyde.
Notez aussi l'absence de bandes d'élongation d'un lien C-H aldéhydique distinctes à droite des
autres élongations C-H.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 138
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
EXEMPLES DE SPECTRES (suite):
La 4-hydroxy-3-méthylbutan-2-one (une cétone avec un pont-H intramoléculaire):
Notez la bande intense pour l'élongation du lien C=O à 1708 cm-1. La présence d'un pont
hydrogène intramoléculaire abaisse donc la fréquence de la bande de 10 cm-1
comparativement à la butan-2-one.
Notez également la bande intense et large pour l'élongation du lien O-H (lié) centrée vers 3400
cm-1.
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CHM 1302
page 139
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
EXEMPLES DE SPECTRES (suite):
La cyclohexanone (une cétone cyclique ordinaire):
Notez la bande intense pour l'élongation du lien C=O à 1716 cm-1, soit une fréquence similaire
à celle d'une cétone acyclique. Il s'agit donc bien d'une cétone sertie dans un cycle non-tendu.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 140
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
EXEMPLES DE SPECTRES (suite):
La cyclohexénone (une cétone α,β-insaturée i.e. conjuguée):
Notez la bande intense d'élongation du lien C=O à 1685 cm-1, soit à une fréquence plus basse
que celle de la cyclohexanone (1716 cm-1). Ce phénomène est dû à la conjugaison qui
affaiblit le lien C=O.
Notez aussi le recouvrement entre la bande d'élongation du lien C=O et celle du lien C=C.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 141
5.11. SPECTROSCOPIE IR DES CÉTONES ET ALDÉHYDES (suite)
EXEMPLES DE SPECTRES (suite):
La cyclobutanone (une cétone cyclique tendue):
Notez la bande intense pour l'élongation du lien C=O à 1783 cm-1, soit à une fréquence plus
élevée que celle de la cyclohexanone (1716 cm-1). Cet accroissement de la fréquence est dû
à un renforcement du lien C=O qui est serti dans un cycle tendu.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 142
5.12. LES GROUPES PROTECTEURS EN SYNTHÈSE ORGANIQUE
PROBLÉMATIQUE:
Une étape d'une synthèse que vous planifiez est représentée ci-dessous:
HO
1) CH3-CH2-MgBr / THF
C
HO
CH
2) Br-CH2-CH2-CO-CH3
O
HO
C
C-CH 2-CH2-C-CH 3
HO
Vous réalisez rapidement que vous ne pourrez pas effectuer cette réaction avec succès car
vous identifiez deux problèmes:
1-
Vous ne pourrez pas déprotoner l'alcyne terminal (pKa ~ 26) avec le Grignard en
présence de deux fonctions hydroxyles plus acides (pKa ~ 16).
2-
Vous réalisez aussi que les fonctions bromure et cétones sont toutes deux des
électrophiles qui peuvent réagir avec un carbanion. Les deux réactions seront en
compétition et vous obtiendrez peut être un mélange de produits.
Ce genre de problèmes est courant en synthèse organique et peut être contourné par
l'utilisation judicieuse de groupes protecteurs i.e. des groupements qui sont temporairement
placés sur une molécule afin de préserver l'intégrité de certaines fonctions pendant une
transformation chimique et qui sont enlevés, plus tard dans la synthèse, une fois cette
transformation accomplie.
© Richard Giasson
CHM 1302
page 143
5.12. LES GROUPES PROTECTEURS EN SYNTHÈSE ORGANIQUE (suite)
La fonction cétal peut être utilisée pour protéger efficacement à la fois les fonctions diol1,3 et cétone présentes sur les deux substrats utilisés dans notre exemple. Notez que les
aldéhydes peuvent aussi être protégés sous forme d'acétals.
HO
O
C
CH
Br-CH2-CH2-C-CH3
HO
H2SO4 (cat.)
pTsOH (cat.)
CH3C(OCH3)2CH3
HO-CH2-CH2-OH
CH3COCH3
benzène / ∆
O
C
CH
O
O
Br-CH2-CH2-C-CH3
O
1) EtMgBr / THF
O
C
2)
O
O
C-CH2-CH2-C-CH3
O
HCl / H2O / THF
O
HO
C
C-CH2-CH2-C-CH3
HO
© Richard Giasson
CHM 1302
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5.12. LES GROUPES PROTECTEURS EN SYNTHÈSE ORGANIQUE (suite)
PROPRIÉTÉS REQUISES D'UN GROUPE PROTECTEUR:
1-
Étape de protection efficace et sélective.
2-
Résistance aux conditions de la transformation effectuée.
3-
Étape de déprotection efficace et sélective.
AUTRE CÉTAL UTILISÉ COMME GROUPE PROTECTEUR DE LA FONCTION ALCOOL: LE GROUPE THP
Le groupe tétrahydropyranyle (THP) peut être utilisé pour protéger la fonction hydroxyle
sous la forme d'un acétal. Comme les autres acétals, ce groupe résiste bien aux conditions
basiques, mais est fragile en milieu acide.
OH
O
CH3-CH-CH2-CH2-CH2-Cl
OTHP
OH
CH3-CH-CH2-CH2-CH2-CH-CH=CH-Ph
O
pTsOH (cat.)
1) Mg / éther
2) Ph-CH=CH-CHO
3) NH4Cl (parachèvement)
HClO4
H2O / CH3OH
OH
OH
CH3-CH-CH2-CH2-CH2-CH-CH=CH-Ph
© Richard Giasson
O
CH3-CH-CH2-CH2-CH2-Cl
OTHP
CH3-CH-CH2-CH2-CH2-Cl
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5.12. LES GROUPES PROTECTEURS EN SYNTHÈSE ORGANIQUE (suite)
GROUPE PROTECTEUR DE LA FONCTION ALCOOL: LE GROUPE THP (suite):
Bien qu'il ne s'agit pas d'une réaction entre une cétone et deux molécules d'alcool, il s'agit bel
et bien d'une réaction de cétalisation. En effet, le mécanisme de cette réaction comporte les
intermédiaires que l'on retrouve dans la deuxième partie du mécanisme d'une réaction
ordinaire de cétalisation d'une cétone.
B
H
H
H
O
La double liaison C=C est
particulièrement nucléophile
parce que le carbocation formé
est stabilisé par résonance
H
H
H
H
H
O
H
O
O
R
H
R-OTHP
H
H
H
H
H
H
R
O
O
R
O
O
H
H
B
© Richard Giasson
B
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5.12. LES GROUPES PROTECTEURS EN SYNTHÈSE ORGANIQUE (suite)
AUTRES GROUPES PROTECTEURS DE LA FONCTION ALCOOL: LES ÉTHERS SILYLÉS:
Ce n'est pas l'objectif de ce chapitre de recenser de façon exhaustive les différents groupes
protecteurs disponibles de nos jours pour protéger la panoplie de groupements fonctionnels; la
liste est en effet très longue. Il est cependant utile de vous donner une alternative pour ce qui
est de la protection de la fonction hydroxyle.
Les éthers peuvent être utilisés pour protéger la fonction hydroxyle. L'utilisation des éthers
"ordinaires" est cependant limitée car l'étape de déprotection consiste à cliver un lien C-O en
présence d'un autre lien C-O, ce qui est problématique.
Voilà pourquoi les éthers silylés, beaucoup plus facile à cliver sélectivement, sont
régulièrement utilisés pour protéger la fonction hydroxyle.
Les chlorosilanes sont de bons électrophiles qui peuvent facilement alkyler les alcools pour
former les éthers silylés.
Les éthers silylés encombrés, tel les éthers du groupe
t-butyldiméthylsilyle (TBDMS), résistent bien aux attaques des carbanions. Finalement, ces
éthers peuvent être clivés très efficacement et sélectivement avec l'ion fluorure avec lequel
l'atome de silicium forme un lien très fort.
Me
HN
HO-CH2-CH2-C
N
C-H
t-Bu
Si
Me
Cl
t-Bu
Me
(imidazole / TBDMSCl)
OH
TBDMSO-CH2-CH2-C
C-CH-CH 3
Si
O-CH2-CH2-C
CH
TBDMSO-CH2-CH2-C
CH
Me
1) CH3Li / THF
2) CH3CHO
3) NH4Cl (parachèvement)
DMSO
(COCl)2
Et3N
CH2Cl2
O
TBDMSO-CH2-CH2-C
C-C-CH 3
O
1) n-Bu4N F
/ THF
2) NH4Cl (parachèvement)
© Richard Giasson
HO-CH2-CH2-C
C-C-CH 3
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE
INTRODUCTION:
Vous avez maintenant vu un certain nombre de réactions vous permettant de créer de
nouveaux liens carbone-carbone. Ces réactions sont importantes en synthèse car ce sont
elles qui vous permettent de bâtir le squelette d'une molécule cible.
Exemple d'une réaction permettant de former un lien C-C:
OH
O
C
M
+
C
C
C
nouveau lien C-C créé
à côté d'un groupe OH
Vous avez aussi vu un certain nombre de réactions vous permettant de transformer un
groupe fonctionnel en un autre. Ces réactions sont aussi importantes car elles vous
permettent d'ajouter, d'enlever ou de modifier la fonctionnalité des intermédiaires
synthétiques pour obtenir, de façon ultime, le produit final avec la fonctionnalité désirée.
Exemple d'une réaction de transformation d'un groupe fonctionnel:
OH
C
O
C
C
transformation
d'un groupe
fonctionnel
© Richard Giasson
C
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE (suite)
INTRODUCTION (suite):
Finalement, vous venez de voir que l'introduction de groupes protecteurs est souvent requise
pour protéger temporairement certains groupements fonctionnels pendant la
transformation d'autres groupes fonctionnels.
Exemple d'utilisation d'un groupe protecteur:
OH
Y
C
C
Y
utilisation de groupes protecteurs
pour la protection temporaire
de groupes fonctionnels pendant
la transformation d'autres fonctions
OH
Z
C
OP
protection
C
C
transformation
OP
déprotection
C
Z
C
C
PROBLÉMATIQUE:
Vous désirez effectuer la synthèse de la (R)-6-hydroxy-4-méthyl-1-phénylhexan-1-one à partir
d'un produit commercial, le (R)-(+)-citronellol. Comment allez-vous vous y prendre?
CH3
CH3
O
H
HO
(R)-(+)-citronellol
H
HO
CH3
CH3
(R)-6-hydroxy-4-méthyl-1-phénylhexan-1-one
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE (suite)
L'ANALYSE RÉTROSYNTHÉTIQUE:
La première chose que je vous suggère de faire lorsque confronté à un tel problème est
d’analyser des structures des produits de départ et final afin d'identifier les éléments
structuraux communs, ceux qui devraient être éliminés du produit de départ, ainsi que ceux qui
devront être ajoutés avant d'arriver au produit final.
éléments à enlever
CH3
éléments à ajouter
liens à former
lien à couper
CH3
O
H
HO
H
HO
CH3
CH3
éléments structuraux communs
produit final
produit de départ
Le défi de cette synthèse apparaît maintenant plus clairement; il faut transformer une double
liaison C=C, comportant des atomes superflus, en une phényl cétone, qui comporte de
nouveaux atomes.
R
R
O
La tendance naturelle est d'approcher ce problème de façon linéaire i.e. essayer de trouver le
première modification à faire sur le produit de départ, puis la deuxième, etc. Ce n'est pas
obligatoire, ni généralement l'approche la plus efficace. En effet, il est souvent utile et plus
simple de planifier une synthèse à reculons; c'est ce qu'on appelle une analyse
rétrosynthétique.
© Richard Giasson
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE (suite)
L'ANALYSE RÉTROSYNTHÉTIQUE (suite):
Ainsi, plutôt que de vous demander "quelle transformation vous effectuerez sur l'alcène de
départ pour obtenir un intermédiaire qui vous rapproche de la cible"…
CH3
?
?
transformation
intermédiaire
CH3
H
HO
CH3
…vous pouvez vous demander "par quelle transformation de quel intermédiaire pouvez vous
obtenir votre produit final".
?
?
intermédiaire
O
transformation
H
HO
CH3
Une des méthodes de formation des cétones que nous avons vue est l'oxydation des alcools.
Vous pourriez donc générer cette cétone de la façon suivante:
oxydation
OH
O
H
HO
H
HO
CH3
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CH3
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE (suite)
L'ANALYSE RÉTROSYNTHÉTIQUE (suite):
Vous continuez l'analyse rétrosynthétique en vous demandant maintenant comment générer
cet alcool, tout en gardant en mémoire que vous aurez à créer, à un moment donné dans votre
synthèse, un nouveau lien C-C afin d'ajouter le groupe phényle. Votre arsenal de réactions
permettant la création de nouveaux liens C-C inclut justement l'addition de carbanions sur les
aldéhydes, vous permettant d'atteindre ces deux objectifs.
O
H
C
M
C
H
O
H
HO
M
H
HO
CH3
CH3
addition
intermédiaire pouvant
être préparé en une
étape à partir du
produit de départ!
OH
H
HO
CH3
Vous avez ici un choix à faire entre deux possibilités. La meilleure des deux devient évidente
lorsque vous vous demanderez comment générer un ou l'autre des intermédiaires requis à
partir du produit de départ…
© Richard Giasson
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE (suite)
L'ANALYSE RÉTROSYNTHÉTIQUE (suite):
Vous réalisez alors que vous pouvez non seulement générer un de ces aldéhydes directement
par ozonolyse de votre produit de départ, mais que cela vous procure aussi une façon de vous
débarrasser des atomes excédentaires sur celui-ci en une seule opération.
CH3
CH3
ozonolyse avec
parachèvement
réducteur
CH3
CH3
O
O
C
H
HO
H
H
CH3
HO
CH3
Voilà, vous avez tracé les grandes lignes de votre synthèse. Il est temps de récapituler à l'aide
d'un schéma rétrosynthétique détaillé où la synthèse est présentée à reculons et où les
larges flèches symbolisent "est obtenu à partir de"…
est obtenu à partir de
O
HO
OH
H
HO
CH3
H
CH3
CH3
M
CH3
O
H
HO
H
H
CH3
HO
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CH3
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE (suite)
L'ANALYSE RÉTROSYNTHÉTIQUE (suite):
Maintenant que les grandes lignes de notre synthèse sont tracées, il faut vérifier s'il y a des
problèmes d'incompatibilité entre les groupes fonctionnels présents sur nos intermédiaires et
les réactions que l'on veut effectuer sur ces derniers. C'est effectivement le cas ici puisque le
groupe hydroxyle terminal que l'on traîne tout au long de cette synthèse est incompatible avec
la réaction avec un carbanion, ainsi qu'avec la réaction d'oxydation de l'alcool secondaire.
O
+
problème de compétition entre addition et déprotonation
H
H
HO
CH3
solution: protection de l'alcool primaire pendant la synthèse
oxydant
+
problème de compétion entre les alcools vis-à-vis l'oxydation
OH
H
HO
CH3
Nous devrons donc protéger ce groupe hydroxyle. Il faudra tenir compte de ce que le groupe
protecteur devra résister aux conditions auxquelles il sera soumis pendant la synthèse i.e.
carbanion, oxydation, ozonolyse… Il faudra aussi le choisir de façon à ce que son introduction
et son clivage soient compatibles avec la fonctionnalité présente pendant ses étapes. Un
éther silylé TBDMS satisfait toutes ces contraintes.
imidazole
TBDMSCl
R-CH2-OH
R-CH2-OTBDMS
n-Bu4N F
THF
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5.13. PLANIFICATION D'UNE SYNTHÈSE (suite)
L'ANALYSE RÉTROSYNTHÉTIQUE (suite):
Les problèmes étant tous réglés, nous pouvons enfin écrire notre synthèse en détail.
CH3
CH3
imidazole
CH3
H
HO
CH3
TBDMSCl
CH2Cl2
CH3
H
TBDMSO
CH3
1) O3 /CH2Cl2
2) CH3SCH3
O
1) PhLi / THF
OH
H
TBDMSO
H
TBDMSO
H
2) NH4Cl
CH3
CH3
DMSO
(COCl)2
Et3N
CH2Cl2
n-Bu4NF
THF
O
O
H
TBDMSO
H
HO
CH3
CH3
5.14. EXERCICES SUGGÉRÉS
Je vous suggère de faire les exercices suivant dans Solomons & Fryhle: 12.4; 12.5; 12.9;
12.10; 12.12; 12.13; 12.17; 12.19; 12.25; 16.1; 16.4; 16.8; 16.9; 16.11; 16.15; 16.17; 16.21;
16.24; 16.38 et 16.46.
© Richard Giasson