Chapitre_18_-_Alcool..

Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
PCSI
CHAPITRE17:ACTIVATIONDEFONCTION:LESALCOOLS
PARTIE1:PRESENTATION
I. RELATIONSTRUCTURE/REACTIVITEPOURLESALCOOLSETLESPHENOLS
1.
Structuredesalcoolsetdesphénols.
• Lesalcools
Les alcools possèdent un groupe fonctionnel hydroxyle –OH , relié à un atome de carbone tétravalent (AX4). Ils peuvent être
regroupésen3classes:
Exemple
Butan-2-ol
2-méthylbutan-2-ol
Formule
topologiqueplane
Classedel’alcool
OH
Remarque:parfoisleméthanolCH3OHestqualifiéd’alcoolnullaire.
• Lesphénols
Lesphénolspossèdentungroupehydroxyle–OHestliéàunatomedecarboneAX3appartenantàuncycle
aromatique.
La plupart des phénols ont des noms courants consacrés par l’usage. Vous retiendrez au minimum le
phénol(ci-contre).
Phénol
2. Signatureinfrarougedesalcools
Enspectroscopieinfrarouge,lesalcoolsprésententune banded’absorption
-1
entre3000et3500cm dueàlavibrationd’élongationdelaliaisonO-H.
Danslecorpspur,oudansunesolutionconcentrée,lesfonctionshydroxyles
sontassociéesparliaisonhydrogène.Ceciexpliquequelabandesoitlarge.
Remarque:ensolutiontrèsdiluéedansunsolvantaprotiquecommeCCl4,les
groupeshydroxylesnesontplusassociésparliaisonHetonobserveunebande
Bandedevibration
-1
fineà3600cm .
d’élongationdelaliaisonO-H
3. Réactivitéattenduepourlesalcoolsetphénols
Exemple:Spectreinfrarougedel’hexan-1-ol
a.
Réactivitédesalcools
H
O
C
b.
Réactivitédesphénols
H
O
1
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
PCSI
II. PROPRIETESACIDO-BASIQUESDESALCOOLSETDESPHENOLS
Dupointdevueacido-basicitédeBronsted,lesalcoolssontdoncdesampholytes.
+
1. Unalcoolestunacide(peutcéderunH )
Couple:
pKaducouple:16-18
pKa
, Li+ 50
butyllithium (BuLi)
NH2-, Li+ 38
ion amidure
butane
NH3
ammoniac
Commentobtenirunalcoolate?
36
N
N +
H
Li
Diisopropylamidure de lithium (LDA)
H-, Na+ 35 H2
Hydrure de sodium Dihydrogène
R-O- 16-18 R-OH
Alcoolate
Alcool
HO 14 H2O
Autreméthoded’obtention:
parréactiond’oxydoréductionavecunmétalalcalin,parexemplelesodiummétalliqueNa(s) 10
Ph OH
Ph O
E° (V)
Exempleavecl’éthanol:
−
−
CoupleEt−OH/Et−O ,H2(g):
Et−OH+e =Et-O +½H2(g)
+
+
−
-1
CoupleNa /Na: Na(s)=Na +e R-O- + 1/2 H2(g)
R-OH
+
−
Bilan:R−OH+Na(s)=Na +RO +½H2(g)
-2,71
Na+
Na
+
2. Unalcoolestunebase(peutcapterunH )
Couple:
pKaducouple:-2
Commentobtenirunionalkyloxonium?
Résumé:diagrammedeprédominancedel’alcool:
Bilan
milieu
basique
_
_
_
R O
_
R OH
_
alcoolate
alcool
pKa 16-18
milieu acide
H
pKa -2
_ H
R O
H
alkyloxonium
2
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
3. Propriétésacido-basiquesduphénol
• Lephénolestunacide:peutcéderunprotonetformerl’ionphénolate:
Ph OH
Commentaire:
Explication:
Phénol
+H Phénolate
Ph O
PCSI
-
pKa(PhOH/PhO )=10
Commentobtenirl’ionphénolate?
•
LecaractèrebasiqueselonBrønstedneserapasétudiédanslecasdesphénols,cartrèsmauvaisebase.
III. PROBLEMATIQUELIEEALAREACTIVITEDESALCOOLSENCHIMIEORGANIQUE:ACTIVATIONNECESSAIRE
a. Exploitationdelanucléophiliedel’alcool
L’atomed’oxygènedelafonctionhydroxyleestunsitenucléophile:onpeutenvisagerd’utiliserunalcoolentantquenucléophile
danslaSNsuivante:
δ+
δ−
Enpratique,cetteréactionn’estpasobservéecartroplente
Problème
Solution
3
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
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b. Exploitationdel’électrophiliedel’alcool
Onavuquel’atomedecarboneportantlafonctionhydroxyleétaitunsiteélectrophile:onpeutenvisageruneSNouuneélimination
surunalcool:
SN:
Elimination:
S 2
N
Cl
δ+
Cl
OH
δ−
Cetteréactionn’estpasobservée(troplente)
HO
-
+HO +acideconjugué
Cetteréactionn’estpasobservée(troplente)
Problème
Solutions
4
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
PCSI
PARTIE2:UTILISATIONDESALCOOLSENTANTQUENUCLEOPHILE(APRESACTIVATION)
☹
base
R-O
R-OH ou métal alcalin
mauvais
bon
nucléophile
nucléophile
☺
1.
Synthèsed’étheroxydesparlaméthodedeWilliamson
a.
Conditionsopératoiresetbilan.
•
•
•
Réactifs:AlcoolateR-O DérivéhalogénéR’-Xprimaire(ousecondairepeuencombré)
Température:ambiante.
Solvant:polaire,aprotiquetypiquementleDMSO(utilisationdeRO ,doncsolvantnonaqueux)
Bilan:
-
Exemple:
b. Mécanisme
Ledérivéhalogénéestprimaire(ousecondairemaispeuencombré):lasubstitutionnucléophilesuitunmécanismedetype
Mécanisme:
c. Caractéristiquesdelaréactioncfchapitre8:SN
Rappelerlescaractéristiquesdelaréactionsurl’exempledelaréactiondel’éthanolatedesodiumavecle(S)-2-chlorobutane.
5
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
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d. Miseenévidencedeslimitesdecetteméthodedesynthèse
O
Aulaboratoire,unchercheursouhaiteobtenirl’étheroxydedisymétriqueci-contre:
Pourcefaire,ilenvisagedeuxméthodesenprenantdeuxcouplesalcoolate/halogénoalcanedifférents.Lesrésultatssontprésentés
ci-dessous:
Méthode1:
DMSO
I
O Na
O
T.ambiante
Méthode2:
majoritaire(+unpeud’éthène)
DMSO
O Na
I
Na I
OH
T.ambiante
Na
I
majoritaire(+unpeudel’étheroxydesouhaité)
Danschacunedesméthodes,interpréterlesrésultatsexpérimentaux.Concluresurlastratégieàadopter.
Conclusion:Aveclesdérivéshalogénéstertiaires,lacompétitionavecl’éliminationesttropdéfavorablepourlaSN:
lasynthèsed’étheroxydesparlaméthodedeWilliamsonn’estintéressantequ’avecdesdérivéshalogénésprimaires(ousecondaires
peuencombré)
Exemplesensynthèse:
Exemple1:
O
O
O
O
O
NaH, THF, DMSO
O
O
O
Cl
Ph
O
Exemple2:
_
OH
_
Ph
HO
O
_
DMSO, NaNH2
OMe
_
O
CH3Br
6
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
2. Quelquescasparticuliers
a. Obtentiond’étheroxydesaromatiques
O
PCSI
Exemple:Commentobtenir
?
b. Obtentiond’étheroxydescycliques
Onutiliseuncomposébifonctionnel:l’alcoolate(sitenucléophile)etlafonctionhalogénée(siteélectrophile)sontprésentsdansla
Cl mêmemolécule.Exemple: HO
Onobservealorsune SNintramoléculaire .
O
+ Cl- +H2O
Cl + HO
Bilan: HO
Mécanisme:
Remarque:Cetteréactionestengénéralréaliséeensolutiondiluéepourminimiserlaprobabilitéderencontreintermoléculaire(et
favoriserlaréactionintramoléculaire).
Remarque: Lorsquelegroupehydroxyleetl’atomed’halogènenesontséparésquepardeuxcarbones,lecycleàtroischaînons
forméestappeléépoxyde.
_
_
_
δ−
époxyde
_
Br
_
_
_
_
_
O
_
δ+
_O
_
Br
7
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
3. ApplicationdelasynthèsedeWilliamsonensynthèse:protectiondelafonctionalcool
a. Positionduproblème.
OnsouhaiteobtenirCàpartirdeA:
OH
O
A
+
MgBr
1) Et2O
2) H2O,
H+
OH
HO
B
Idéederétrosynthèse:
C
OH
O
A
+
PCSI
MgBr
1) Et2O
2) H2O, H+
B
HO
C
Problème:
Solution:
b. Protectiondelafonctionalcoolparformationd’unéther-oxydeetdéprotection
Laprotectiondel’alcoolconsisteenlaformationd’unéther-oxydequialaparticularitéd’êtrerelativementstable.
Noté–OBnavecBn=benzyle=-CH2-Ph
OH
Ph
O
NaH
O
O
Ph
A
O
A protégé
O
Ph
+
A protégé
HO
Protection
Ether-oxyde
Cl
O
Ph
MgBr
1) Et2O
2) H2O, H+
HO
B
Ph
Réactiond’AN
C (alcool protégé)
H2(g), Pd/C
HO
C (alcool protégé)
O
C
OH
+
Déprotection
Commentaires:
• L’éther-oxyde est formé par la méthode de Williamson selon une réaction A/B suivie d’une SN2 sur l’halogénoalcane
primaire.
• Ladéprotectionestréaliséepardudihydrogèneenprésenced’uncatalyseuraupalladiumsurcharbon(Pd/C),oubienen
présencedeHI.
8
OH
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
PCSI
PARTIE3:UTILISATIONDESALCOOLSENTANTQU’ELECTROPHILES(APRESACTIVATION)
_
☹
_
GP
OH
_
HO- est un mauvais
groupe partant
GP
OH
_
- est un mauvais
l'alcool
activé
l'alcool activé
HO
possède un
bon partant
possède un bon
groupe
groupeActivation
partant (GP)
groupe partant (GP) ☺
I.
ACTIVATIONINSITUPARPROTONATION
L’activationsepassedanslemêmeréacteurquelaréactionquilasuccède.
L’idéeestdetravaillerenmilieusuffisammentacide desorteàformerunionalkyloxoniumetobtenirunmeilleurnucléofuge.
bon GP
_
R OH
_
☹
H
milieu acide
_ H
R O
H
alkyloxonium
☺
1. Déshydratationintermoléculaired’alcoolsprimaireousecondaire:préparationd’unétheroxydesymétriqueparSN
Conditionsopératoires:
• AlcoolR-OHprimaire,éventuellementsecondairepeuencombré.Lesalcoolstertiairesnesontpasréactifs.
• Acidefortconcentrédontlabaseconjuguéeestunmauvaisnucléophile,parexempleH2SO4ouH3PO4
• Chauffage(modéré)
Bilan:
Exemple:
Mécanisme:
L’alcoolsubissantlaSNestprimaire(ousecondairemaispeuencombré):lasubstitutionnucléophilesuitunmécanismede
+
Ecrirelemécanismedelaréactiondel’exempleenmodélisantlemilieuacideparH .
9
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
PCSI
Justificationduchoixdel’acide:
Ilfautunacide:
• quicèdetrèsfacilementunproton(doncfortettrèsconcentré)
• dontlabaseconjuguéeestunmauvaisnucléophile.Eneffet,ilnefautpasquecelle-cientreencompétitionavecl’alcool
entantquenucléophilelorsdeladeuxièmeétapedumécanisme.
L’acidesulfuriqueH2SO4estparfaitementadaptécarsabaseconjuguée,présentantdesformulesmésomèresdonctrèsstable,est
unmauvaisnucléophile:
O
O
S
O
O
H
O
O
S
O
O
H
O
O
S
H
O
O
2. Déshydratationintramoléculaired’unalcooltertiaire:préparationd’unalcèneparunmécanismeβ-E1
Conditionsopératoires:
• AlcoolR-OHtertiaire,éventuellementsecondaireencombré.
• Acidefortconcentrédontlabaseconjuguéeestunmauvaisnucléophile,parexempleH2SO4ouH3PO4
• Chauffage
Bilan:
Exemple:
Mécanisme:Nousnesommespasenmilieubasique:ilnes’agitpasd’uneE2.
Il s’agit d’une réaction d’élimination qui suit un mécanisme E1 (Elimination monomoléculaire). Ce mécanisme passe par un
intermédiaireréactionneldetypecarbocation.
er
1 acteélémentaire:activationélectrophiledelafonctionalcool:
Profilréactionnel
ème
2 acteélémentaire:éliminationd’unemoléculed’eauetcréationd’uncarbocation:
ème
3 acteélémentaire:formationdel’alcèneetrégénérationducatalyseur:
10
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
PCSI
• EnraisonnantparanalogieaveclaréactiondeSN1surleshalogénoalcanes,justifierquelemécanismededéshydratationE1
n’estfavoriséquepourlesalcoolstertiairesetsecondairestrèsencombrés.
• Enobservantlesexemplesci-dessous,commenterlarégiosélectivitéetstéréosélectivitédelaβ–éliminationE1.
Exemple1
Exemple2
OH
E
Z
H2SO4
+
+
Δ
majoritaire
Compétitiondéshydratationintermoléculaire/intramoléculaire:
Enmilieuacide,l’électrophiliedel’alcoolestactivée.IlyaensuitecompétitionentreSNetE1:
déshydratation
intermoléculaire
_
_
OH
_
O
_
milieu acide
chauffage
déshydratation
intramoléculaire Influencedelaclassedel’alcool:
Classedel’alcool
Déshydratationintermoléculaire(SN)
Déshydratationintramoléculaire(E)
Primaire
Possible(SN2)
Neseproduitpas
Secondaire
Possible(SN2)
Possible(E1)
Tertiaire
Neseproduitpas
Possible(E1)
Influenceduchauffage:lechauffagefavorisetoujoursl’élimination.
11
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
3. Traitementd’unalcoolparunhydracideHX:préparationd’unhalogénoalcaneparSN
Conditionsopératoires:
• AlcoolR-OH:primaire,secondaireoutertiaire.
• HydracideH-X:enexcès
• Température:ambiante.
Bilan:
Exemples:
Mécanisme:
• Ecrirelemécanismedanslecasdel’exemple1:
• Ecrirelemécanismedanslecasdel’exemple2:
Classedel’alcool
Mécanismeàenvisagerlorsd’une
réactionavecHX
Primaire
PCSI
Secondaire
Tertiaire
Utilitédecettetransformation:R-OHàR-X:peutsubirSN,E,oudevenirR-MgX
12
Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
PCSI
II.ACTIVATIONPARFORMATIOND’UNESTERSULFONIQUE
L’alcoolesttransforméenestersulfoniqueafind’obtenirunmeilleurgroupepartant.
_
_
☺
_
_
_
ester sulfonique groupe partant stabilisé par mésomé
Pourquoilegroupesulfonateest-iluntrèsbongroupepartant?
_
_
_
S CH3
O
_
_
_
_
_
_
_
Cl
_
S
O
chlorure de tosyle
noté TsCl
_
Cl
_
_
_ O
_ O
Estersulfonique
Ms
_
_
Ts
_
O
Chlorured’alcanesulfonyl
Lespluscourammentutiliséssont:
_
HCl
_
_
Alcool
_ O
R O
_ S R'
O _
R' S Cl
_
O
_
R OH
_
_
_
_
Commentformerunestersulfoniqueàpartird’unalcool?
Bilan:
_
2.
•
chlorure de mésyle
noté MsCl
Exemple:
Remarque:Cetteréactionestengénéralréaliséedanslapyridine,quijouelerôledesolvantetdebasepour
N
capterl’acidechlorhydriqueformépourconduireauchloruredepyridinium(ci-contre)
Pyridine
• Régiosélectivité:formationd’estersulfoniqueenprioritésurlesalcoolslesmoinsencombrés(primaires)
OH
N
H
Ion pyridinium
OH
TsCl (1eq)
pyridine
OH
TsCl
pyridine
Lastéréochimiedel’alcoolestinchangéeaprèsl’activation
3.Réactivitéd’unestersulfonique
Lesesterssulfoniquessecomportentcommedesdérivéshalogénés:ilspeuventsubirdesSNoudeséliminations.
Exemple1:SN Exemple2:β–élimination
•
O
1) Cl
S
, pyridine
O
OH
2)
Br
Na
Br
Donnée:vitessedelaSNindépendantedelaconcentrationenBr H
OTs
_
_
S
H
diastéréoisomères
_
H
OTs
_
S S
O
_
_
HO
_
_
Exemple3:SNintramoléculaire(formationd’époxyde)
R
..
_
_
O
_
_
_
O
_
_
O
O S R'
O
_
_
1.
_
☹
l'alcool activé
possède un bon
groupeActivation
partant (GP)
_ O
O
_ S R'
_ O
R O
_ S R'
GP
HO- est un mauvais
groupe partant
_
très bon GP
_
OH
_
diastéréoisomères
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Chapitre17:Activationdefonction:lesalcools
Entrainement:donnerlemécanismedestroisexemples.
PCSI
III. CHOIXDUTYPED’ACTIVATION
Queltyped’activationélectrophileprivilégier?Activationin-situenmilieuacideouformationd’unestersulfonique?
Exemple:Considéronscettesynthèsemulti-étapes:
OR
BrMg
TsCl
OH
pyridine
OTs
OR
Lapremièreétapeconsisteàactiverlafonctionalcoolparformationd’unestersulfonique.
e
• Donnerlemécanismedela2 étape:
• Pourquoiuneactivationparprotonationenmilieuacidefortn’estpaspossibleici?
Moded’activationdu
groupepartant
Avantages
Insituparprotonation
simpleàmettreenœuvre
Formationd’unester
sulfonique
Inconvénients
-touslesOHsontprotonés(pasderégiosélectivité)
-incompatibleavecl’utilisationultérieuredebase
nucléophile
-régiosélectivité(OHlesmoinsencombrés)
-Rajouteuneétapedeformation
-utilisableenmilieuacideetbasique
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