Chimie organique 1A - Université de Montréal

Chimie organique 1A
Introduction à la chimie organique
Université de Montréal
Faculté des arts et des sciences
Département de chimie
Chapitre 8
Chapitre 8
Réactions d’addition
des alcènes et des alcynes
Université de Montréal
Faculté des arts et des sciences
Département de chimie
Chapitre 8
Additions aux alcènes
„
conversion d’une liaison π et d’une liaison
σ en deux liaisons σ :
H
C
C
π
+
X
Y
σ
σ
σ
presque
toujours
exothermique
C
C
X
Y
H
C
X
OSO3H
C
H
X
OH
X
C
C
H
X
C
C
H
OSO3H
C
C
H
OH
C
C
X
X
Réactivité des liaisons π
„
„
haute densité électronique accessible
réactive vers des électrophiles
‰
H+, acides de Lewis, liens polarisés
H
H
H
C
C
H
H
H+
H+
C
H
C
X-
H
H
H
LUMO
(orbitale p vide)
C
C
H
X
HOMO
(orbitale Cp-Cp)
X
H
-
H
H
H
Addition d’halogénures d’hydrogène
H
C
„
X
C
C
X
ordre de reactivité :
‰
„
C
H
HI > HBr >> HCl > HF
seulement HI et HBr sont utiles en synthèse
‰
en général, HCl et HF réagissent trop lentement
Règle de Markovnikov
„
addition de HX à un alcène dissymétrique :
‰
deux produits de différente régiochimie
H3C
H
C
H
H
C
H
C
C
H
H
H
Br
C
C
H
H
Br
H3C
H
Br
majeur
H
+ H3C
très mineur
• « l’atome d’hydrogène s’additionne
majoritairement au carbone auquel sont liés le
plus grand nombre d’atomes d’hydrogène »
H
Mécanisme d’addition de HX
„
„
similaire à celui de la réaction SN1
formation lente d’un carbocation intermédiaire (+ H+)
‰
„
protonation de la liaison double pendant l’étape limitante
réaction rapide du carbocation (+ X-)
XH+
H3C
H
C
X
H
H
C
lente
C
H
H
H+
rapide
H3C
C
C
C
H
H3C
H
H
H
2° : plus stable
lente
H
X
H
majeur
-
X
H
H
rapide
C
H3C
H
C
C
H
H
1° : moins stable
C
H3C
H
H
H
mineur
Vitesses relatives
la réaction la plus rapide prédomine :
‰
entraîne la formation du carbocation le plus stable :
∆G‡1°
H3C
Énergie libre
„
H2C
H
C
H
∆G‡2° < ∆G‡1°
~16 kcal
H3C
C
H
H3C
Br
+
HC
∆G‡2°
CH3
H
Br
CH2
H3C
∆G°
CH2
CH2
Br
~1 kcal
Coordonnées de la réaction
H3C
CH
CH3
Formulation moderne de la règle
„
« la partie positive du réactif se fixe de façon
de former le carbocation intermédiaire le plus
stable »
‰
même si l’électrophile n’est pas H+
Cl
I
+
I
δ+
Cl
δ−
lente
+
Cl
I
Stéréochimie de l’addition ionique
„
le carbocation intermédiaire formé est plan et peut
réagir par les deux faces
CH3CH2CH
H
CH2
+
*
HBr
CH3CH2CHCH3
Br
CH3
Br
CH3CH2CH CH2
CH3CH2C
CHCH3
Br
H
CH2CH3
Br
CH3
CH3
Br
H
CH2CH3
50 %
(+)-2-bromobutane
H
CH3CH2
Br
50 %
(-)-2-bromobutane
Addition de l’acide sulfurique
„
le traitement des alcènes avec l’acide
sulfurique concentré à froid mène à la
formation des hydrogénosulfates d’alkyle
H
O
C
C
+ H
O
S
OH
C
C
+
O
S
OH
O
O
plus stable
carbocation
O
HO3SO
H
C
C
addition
Markovnikov
Synthèse des alcools
„
les hydrogénosulfates d’alkyle sont
facilement hydrolysés en alcools lors du
chauffage
CH3CH
CH2
H2SO4
à froid
CH3CHCH3
OSO3H
H2O
∆
CH3CHCH3
OH
• addition nette de H-OH selon la règle de
Markovnikov
Addition d’eau
„
hydratation des alcènes par catalyse acide
‰
addition Markovnikov de H-OH
C
H3O+
C
R
C
C
H
H2O
H2O
H
R
H
R
lente
C
HO
C
+
H2O
H
HO
H
C
C
R
Possibilité de réarrangements
„
le réarrangement des carbocations a lieu
lorsqu’un carbocation plus stable peut être
formé
CH3
H3C
C
CH
CH3
CH2
H3O+
CH3
CH
CH3
C
CH
+ H2O
- H+
CH3
C
CH3
CH3
CH3
+
+H
H3C
H3C
OH
migration-1,2
de méthyle
carbocation 2°
moins stable
H3C
CH3
C
CH
CH3
CH3
carbocation 3°
plus stable
Synthèse pratique des alcools
„
d’autres méthodes (Ch. 11) où il n’y a pas de
réarrangements :
‰
oxymercuration-démercuration (Markovinkov)
C
1) Hg(OAc)2/THF-H2O
C
2) NaBH4, -OH
R
‰
HO
H
C
C
R
hydroboration-oxydation (anti-Markovnikov)
C
R
C
1) THF:BH3
2) H2O2, -OH
H
HO
C
C
R
Addition du Br2 et Cl2 aux alcènes
„
les alcènes réagissent rapidement avec Br2
ou Cl2 dans les solvants non polaires
X
X
C
X
C
C
C
X
dihalogénoalcane
vicinal
Br
+
Br2
+ énantiomère
rougeâtre
incolore
Br
incolore
Mécanisme de l’addition d’halogène
„
entraîne la formation d’un ion halonium
intermédiaire
C
δ+ Br
C
C
C
+
Br
C
Br
Br
Br
anti
δ− Br
ion bromonium
inversion
C
Structure de l’ion bromonium
„
en utilisant un alcène très encombré (Ad=Ad),
Brown a réussi à isoler l’ion bromonium :
Br
Br
adamantylidèneadamantane
(Ad=Ad)
Br
+
Br
Stéréochimie de l’addition de X2
„
l’attaque nucléophile par l’arriére sur l’ion
halonium donne une addition anti
+
δ+ Br
H
Br
H
Br
Br
Br
mélange racémique
δ− Br
ion bromonium
achiral
Br
Br
Réactions stéréospécifiques
„
formation des produits de configuration définie
‰
e.g. : bromination de cis et de trans-2-butène
H
H
H
C
H3C
C
H3C
H
H3C
CH3
C
C
H
S
Br
+
Br
C
CS
CH3
Br
Br
Br
H
CH3
Br
achiral
Br
H
R
C
CH3
H
H
H
CH3
C
C
C
H3C
H3C
C
H
Br
Br
CR
H
H3C
Br
H
Br
H3C
+
CH3
C
Br
S
CR
CH3
Br
Br
H
chiral
Br
CH3
H
R
C
H
H3C
mélange
racémique
CS
Br
même
composé
méso
Formation d’halogénoalcools vic
„
aussi appelé des halogénohydrines
OH
X
C
C
X
C
HOH
C
X
X
X
HOH
H
OH
C
C
X
+
C
X
X
sous-produit :
dihalogénoalcane
C
Formation d’halogénoalcools vic
„
synthèse alternative (en prime!!!)
OH
C
O
NBS
C
Br
δ+
N
δ−
C
HOH
C
Br
O
H
OH
N-bromosuccinimide
C
HOH
C
O
C
Br
+
C
Br
N
O
bon groupe partant;
moins nucléophile;
moins de sous-produit
Régiospécificité de la réaction
„
l’attaque d’un nucléophile sur un ion bromonium
dissymétrique suit la règle de Markovnikov
H
C
H
H
H
H
C
C
H
CH3
H
H
H
C
CH3
C
C
CH3
Br
Br
Br
Br
Br
Br
Régiospécificité de la réaction
„
l’attaque d’un nucléophile sur un ion bromonium
dissymétrique suit la règle de Markovnikov
H
C
H
H
H
H
C
C
H
H
C
C
C
CH3
Br
Br
Br
Br
H
H
H
C
H
C
C
CH3
CH3
H
CH3
H
Br
H
C
C
H
H
H
C
H
C
Br
H
majeur
C
+
CH3
CH3
H
HO
OH
C
H
NaOH
NaOH
OH
C
Br
Br
NaOH
Br
H
CH3
Br
H
C
H
Br
H
H
CH3
H
H
H
C
C
Br
H
mineur
OH
Br
C
CH3
CH3
exclusif
presqu’un
cation
tertiaire!
Carbènes
„
composés carbonés divalents et très réactifs
‰
e.g. : méthylène, :CH2
„
H2C
généré à partir du diazométhane :
N
H2C
N
N
N
H2C
∆ ou hv
CH2
C
C
+
CH2
+
N
N
C
C
CH2
N
N
Dihalogénocarbènes
„
aussi utilisés pour synthétiser des
cyclopropanes à partir des alcènes
‰
e.g. : dichlorocarbène, :CCl2
„
R
O
généré à partir du chloroforme (élimination α) :
K
+ H
R
CCl3
OH
+
K
CCl3
CCl2
H
KOC(CH3)3
CHCl3
Cl
C
Cl
H
+
Cl
Carbénoïdes
„
analogues aux carbènes, :CH2
‰
e.g. : réactif de Simmons-Smith, ICH2ZnI
„
généré à partir du diiodométhane :
CH2I2
C
C
+
Zn(Cu)
+
ICH2ZnI
ICH2ZnI
C
C
CH2
Dihydroxylation syn des alcènes
„
la formation stéréosélective (syn) des diols vicinaux
peut se faire avec des oxydes métalliques
C
KMnO4
froid
OH, H2O
C
C
C
OH
OH
diol-1,2
O
O
Mn
O
O
-
OH, H2O,
plusieurs
étapes
C
C
O
O
Mn
O
O
Dihydroxylation syn des alcènes
„
la formation stéréosélective (syn) des diols vicinaux
peut se faire avec des oxydes métalliques
C
1) OsO4, pyridine
2) Na2SO3/H2O
ou
NaHSO3/H2O
C
C
C
OH
OH
diol-1,2
OsO4
C
C
O
O
Os
O
O
NaHSO3, H2O,
plusieurs
étapes
Clivage oxydatif des alcènes
„
lorsqu’on utilise le KMnO4 à chaud, les liasons doubles
monosubstituées sont oxydées en cétones, en acides
carboxyliques ou en dioxyde de carbone, selon le degré de
substitution :
R
R"
C
R
KMnO4
chaud
OH, H2O
C
R'
R'"
R"
O
C
+ O
R'
R'"
O
R
CH
CH
R'
KMnO4
chaud
OH, H2O
R
R
O
+
C
O
C
R'
O
R
C
R'
C
CH2
KMnO4
chaud
OH, H2O
C
R'
O
+ O
C
O
Ozonolyse des alcènes
„
clivage oxydatif des alcènes lors de leur
réaction avec l’ozone (O3)
C
1) O3, CH2Cl2, -78°C
2) Zn/HOAc
ou
CH3SCH3
C
C
+ O
O
C
Zn/HOAc ou CH3SCH3
O
O
O
O
C
C
O
O
ozonide
ozonide
initial
C
C
O
O
O
C
C
+
O
O
O
Ozonolyse des alcènes
„
clivage oxydatif des alcènes lors de leur
réaction avec l’ozone (O3)
H3C
H3C
CH
CH2
1) O3, CH2Cl2, -78°C
2) Zn/HOAc
ou
CH3SCH3
H
C
+ O
O
C
H
H
Zn/HOAc ou CH3SCH3
O
H3C
O
O
H
C
C
O
O
H3C
H
H
O
H
H
C
H
H
C
C
O
C
+
O
O
H
CH3
O
O
O
H
Localisation des liaisons doubles
„
on peut localiser des liaisons doubles dans un alcène
inconnu à l’aide de l’analyse des produits d’un clivage
oxydatif (KMnO4 à chaud ou ozonolyse)
‰
il faut raisonner à rebours
C7H12
O
1) KMnO4,-OH, H2O, ∆
O
+
2) H3O
deux
insaturations
Réponse :
carbone disubstitué
d’une liaison double
OH
carbone monosubstitué
d’une liaison double
Localisation des liaisons doubles
„
on peut localiser des liaisons doubles dans un alcène
inconnu à l’aide de l’analyse des produits d’un clivage
oxydatif (KMnO4 à chaud ou ozonolyse)
‰
il faut raisonner à rebours
O
C6H12 1) O3, CH2Cl2, -78°C
2) Zn/HOAc
Réponse :
carbone
monosubstitué
d’une liaison double
CHCH3
+
C
H3C
une
insaturation
O
H
carbone disubstitué
d’une liaison double
Addition du Br2 et Cl2 aux alcynes
„
comme les alcènes, les alcynes réagissent
rapidement avec Br2 ou Cl2 dans les solvants non
polaires (stéréosélectivité : anti)
‰
si X2 est présent en excès, deux réactions d’addition
consécutives peuvent avoir lieu
X
X
C
C
X (1éq)
CCl4
C
C
X
dihalogénoalcène trans
X
C
C
X (excès)
CCl4
X
X
C
C
X
X
tétrahalogénoalcane
Additions de HX aux alcynes
„
les alcynes subissent deux réactions
consécutives d’addition de HX, selon la règle
de Markovnikov
‰
donnent des dihalogénoalcanes géminés
H
H
C
X (1éq)
C
C
C
X
halogénoalcène trans
H
C
C
X (excès)
H
X
C
C
H
X
dihalogénoalcane géminé
Clivage oxydatif des alcynes
„
les mêmes conditions utilisées pour les
alcènes mènent à la formation des acides
carboxyliques:
O
O
R
C
C
R'
1) KMnO4,-OH, H2O, ∆
+
R
+
C
2) H3O
C
C
R'
1) O3, CH2Cl2, -78°C
2) Zn/HOAc
R
O
+
C
OH
R'
HO
OH
O
R
C
C
HO
R'
Stratégies de synthèse
„
il faut considérer quatre aspects :
‰
‰
‰
‰
„
1) la construction du squelette carboné
2) l’interconversion des groupes fonctionnels
3) le contrôle de la régiochimie
4) le contrôle de la stéréochimie
l’ensemble des réactions de synthèse (apprises par
coeur) est :
‰
‰
une boîte à outils pour la construction des molécules
des techniques d’alpinisme pour franchir un sommet
La synthèse par rapport à…
„
„
rappel : il faut faire la rétroanalyse de la synthèse d’une molécule
pour déterminer la façon la plus simple pour synthétiser une
molécule (Ch. 4.20)
‰ cf. l’analyse «rétro» en alpinisme pour déterminer le chemin le plus
simple pour franchir un sommet
‰ cf. l’ingénierie «rétro» en construction pour déterminer comment
construire un objet
il faut savoir beaucoup de réactions pour effectuer les différentes
étapes d’une synthèse totale et pour faire la meilleure rétroanalyse
‰ cf. techniques à savoir (e.g. randonée, crampons, piolet canne,
piolet traction) pour réaliser les différentes étapes du chemin
‰ cf. outils à avoir pour faire les différentes étapes de la construction
Analyse «rétro» en alpinisme…
„
analyse à partir
du sommet, au
sentier
d’approche...
…donne le
chemin le plus
simple…
selon les
techniques
qu’on possède !
Analyse rétrosynthétique
„
e.g.: synthèse du mélange racémique ((S,S) +
(R,R)) du butane-2,3-diol à partir des composés de
deux carbones ou moins
H
S
HO
H3C
CH3
OH
S
H
+
H3C
HO
R
R
H
H
OH
CH3
dihydroxylation
syn
hydrogénation
anti
diméthylation
Synthèse déroulant de l’analyse
„
H
détails des conditions à
utiliser pour effectuer les
différentes étapes prévues
H
+
H3C
H
1) NaNH2
2) CH3I
OH
H3C
HO
1) NaNH2
2) CH3I
CH3
HO
H
OH
CH3
1) Li, NH2
2) NH4Cl
1) OsO4
2) NaHSO3, H2O
H
HO
H3C
CH3
H
OH
+
H3C
OH
H
HO
H
CH3
Biosynthèse du cholestérol
„
„
implique beaucoup de la chimie qu’on a déjà vue
effectuée par des enzymes qui contrôlent surtout la
stéréochimie des transformations
oxydation
enzymatique
O
squalène
2,3-oxydosqualène
Biosynthèse du cholestérol
H
CH3
squalène
oxydocyclase
H
O
H
H
CH3
B
H
CH3
HO
H
H
CH3
B
CH3
H
H
lanostérol
H
HO
CH3
Sommaire des réactions des alcènes
R
H
C
X
H
C
C
X
R
C
X = Cl, Br, I ou OSO 3H
addition Markovnikov
C
C
H3O+
R
HO
H
C
C
R
addition Markovnikov
C
C
HO
H
C
C
1) Hg(OAc)2/THF-H2O
2) NaBH4, -OH
R
R
addition Markovnikov
C
R
C
1) THF:BH3
2) H2O2, -OH
H
HO
C
C
R
addition anti-Markovnikov
Sommaire des réactions des alcènes
X
X
C
X
C
C
X = Cl, Br
C
X
addition anti
OH
X
C
C
X
C
HOH
X = Cl, Br
C
X
addition anti,
selon Markovnikov
OH
C
C
NBS
C
HOH
C
Br
addition anti,
selon Markovnikov
Sommaire des réactions des alcènes
CH2I2/Zn(Cu)
C
C
C
C
C
etc.
1) OsO4, pyridine
2) NaHSO3/H2O
C
C
C
HO
OH
addition syn
C
C
KMnO4
froid
OH, H2O
C
HO
C
OH
addition syn
Sommaire des réactions des alcènes
R
R"
C
C
R'
R'"
R
KMnO4
chaud
OH, H2O
R"
C
O
+ O
R'
R'"
O
R
CH
CH
R'
KMnO4
chaud
OH, H2O
R
C
R
O
+
C
O
C
R'
O
R
C
CH2
R'
C
C
KMnO4
chaud
OH, H2O
1) O3, CH2Cl2, -78°C
2) Zn/HOAc
ou
CH3SCH3
C
O
+ O
C
R'
C
O
+ O
C
O
Sommaire des réactions des alcynes
X
X
C
C
X (1éq)
C
CCl4
X
C
C
C
X
(excès)
CCl4
X
dihalogénoalcène trans
H
X (1éq)
C
C
X (excès)
H
C
X
C
C
X
X
tétrahalogénoalcane
H
C
X
C
C
H
X
C
C
H
X
X
halogénoalcène trans
dihalogénoalcane géminé
O
O
1) KMnO4, OH, H2O, ∆
-
R
C
C
R'
2) H3O+
R
+
C
C
C
R'
1) O3, CH2Cl2, -78°C
2) Zn/HOAc
R
O
+
C
OH
R'
HO
OH
O
R
C
C
HO
R'
Exercices recommandés
„
Problèmes :
‰
„
8.1-8.18, 8.20-43, 8.45-49
fiches des réactions :
C
C
1) O3, CH2Cl2, -78°C
2) Zn/HOAc
C
O
+ O
C