Réactivité et transformations en chimie organique 2 Chapitre 7

Réactivité et transformations en chimie organique 2
Chapitre 7 : Activation de groupes caractéristiques
Plan du cours
1. Activation nucléophile des alcools et phénols
1.1. Présentation des alcools et des phénols
1.2. Nucléophilies des alcools et alcoolates
1.3. Obtention des alcoolates
1.4. Synthèse de Williamson – Préparation d’étheroxydes
1.4.1. Bilan
1.4.2. Conditions opératoires, mécanisme
1.4.3. Réactions intramoléculaires
1.4.4. Présentation des étheroxydes
2. Activation électrophile des alcools
2.1. Le principe
2.2. Activation in situ par protonation
2.2.1. L’ion alkyloxonium
2.2.2. Transformation d’un alcool en dérivé halogéné par action de HX
2.2.3. Déshydratation intramoléculaire des alcools – Préparation de dérivés éthyléniques
2.2. Activation par formation d’esters sulfoniques
2.2.1. Le principe
2.2.2. Préparation des esters sulfoniques
2.2.3. Formation d’un halogénoalcane par substitution sur un tosylate ou un mésylate
2.2.4. Cas particulier des diols vicinaux : formation d’époxydes
2.2.5. Formation d’alcènes par élimination basique sur un mésylate
3. Activation électrophile du groupe carbonyle
3.1. Présentation des composés carbonylés
3.2. Principe de l’activation électrophile du groupe carbonyle
3.3. Acétalisation des aldéhydes et des cétones
3.3.1. Bilan et caractéristiques de la réaction
3.3.2. Mécanisme
3.3.3. Exemple de protocole
3.4. Hémiacétalisation du glucose
3.4.1. Forme linéaire du glucose
3.4.2. Formes cycliques du glucose
3.4.3. Mutarotation du glucose
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Programme officiel
Vocabulaire du chapitre
Activation, alcool, phénol, alcoolate, étheroxyde, ion alkyloxonium, test de Lucas, estre sulfonique, ion
sulfonate, époxyde, carbonyle, hémiacétal, acétal, APTS, Dean-Stark, glucose, anomère, mutarotation
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Chapitre 7 : Activation de groupes caractéristiques
Document n° 1 : présentation des alcools et des phénols
Les alcools
Définitions
On appelle alcool un composé dans lequel le groupe caractéristique hydroxyle –OH est lié à un atome de
carbone saturé. Les alcools sont très présents dans la nature : éthanol, menthol, citronellol…..
OH
OH
éthanol
OH
menthol
citronellol
La classe d’un alcool est déterminée par le nombre de carbones liés au carbone fonctionnel.
Nomenclature
Les alcools sont nommés comme des alcanols.
Propriétés
Les alcools sont des molécules polaires et protiques.
La capacité des alcools à établir des liaisons hydrogènes entraîne deux propriétés importantes :
- les températures de changement d’état des alcools sont plus élevées que celles des alcanes
correspondants.
- les alcools avec moins de 4 carbones de carbone sont très solubles dans l’eau. La solubilité des alcools
diminue avec le nombre croissant d’atomes de carbone dans la chaine carbonée de nature hydrophobe.
Réactivité
Les alcools présentent une réactivité très variée :
- un alcool peut se comporter comme un réducteur (voir chapitre 9).
- un alcool est un acide au sens de Brönsted : la liaison OH étant fortement polarisée, l’hydrogène peut être
arraché par une base convenablement choisie.
- un alcool est une base au sens de Brönsted : l’oxygène du groupement caractéristique est porteur de
doublets non liants et peut capter un proton.
- un alcool est un nucléophile toujours de par les doublets non liants présents sur l’oxygène.
- un alcool présente un site électrophile sur le carbone fonctionnel : la liaison C-O étant polarisée, celle-ci peut
être rompue lors de réactions de substitutions ou d’éliminations. Cependant, l’ion hydroxyde étant un
mauvais groupe partant ces réactions ne pourront se faire qu’après activation du groupe hydroxyle.
Les phénols
Définition
On appelle phénol un composé dans lequel le groupe hydroxyle est porté par un cycle benzénique.
Exemples
O
O
OH
OH
H
phénol
vanilline
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Les phénols
Propriétés
Comme les alcools les phénols présentent des températures de changement d’état plus élevées que les
hydrocarbures de masses molaires similaires. Le phénol lui-même est un solide dans les conditions usuelles.
La solubilité dans l’eau à 25°C est d’environ 80g.L-1 pour le phénol contre 1,80g.L-1 pour le benzène.
Réactivité
Les phénols présentent comme les alcools des propriétés acido-basiques et nucléophiles. En revanche, les
phénols ne sont pas des substrats électrophiles. La rupture de la liaison C-O ne pourra se faire sur un cycle
aromatique.
Document n° 2 : Nucléophilies des alcools et alcoolates
Les alcools ont des propriétés nucléophiles (présence de doublets non liants sur l’oxygène du groupe
hydroxyle) mais ce ne sont cependant pas de « bons » nucléophiles : l’atome d’oxygène du groupe hydroxyle
n’est pas chargé, est peu polarisable et très électronégatif. Les alcools peuvent cependant être facilement
activés par passage à l’ion alcoolate RO-.
La réactivité nucléophile des alcools et alcoolates diminue fortement avec la classe des alcools en raison de la
gêne stérique. Le méthanol CH3OH est par exemple meilleur nucléophile que le tertiobutanol (CH3)3COH.
Comparaison des vitesses relatives de SN2 mettant en jeu l’iodométhane et différents alcools ou alcoolates :
CH3OH + CH3I → CH3OCH3 + HI
vitesse relative 1
CH3O + CH3I → CH3OCH3 + I
vitesse relative 2.106
(CH3)3CO- + CH3I → (CH3)3COCH3 + Ivitesse relative 3.103
Document n° 3 : Présentation des étheroxydes
Définition
On appelle étheroxyde un composé dans lequel un atome d’oxygène forme des liaisons simples avec deux
groupes carbonés. On distingue les étheroxydes à chaînes ouvertes et les étheroxydes cycliques.
Exemples
O
O
O
O
O
O
O
O
O
ethoxyéthane
MTBE
THF
éther-18-couronne-6
Nomenclature
Les étheroxydes sont nommés comme des alkoxyalcanes : CH3OCH2CH3 est le méthoxyéthane.
Les étheroxydes cycliques sont nommés comme des oxacycloalacanes : le THF est de l’oxacyclopentane. Les
cycles comprenant deux atomes de carbones et un atome d’oxygène sont des époxydes.
Propriétés
Les étheroxydes sont des molécules moyennement polaires aprotiques. Les étheroxydes n’étant pas liés par
liaisons hydrogène, les températures de changement d’état sont faibles comparées à celles des alcools.
Les étheroxydes sont des bases de Lewis, propriété mise à profit pour la solvatation des RMgX.
Ce sont de mauvais nucléophiles (pas de possibilité d’activation) et la liaison C-O très difficile à rompre, le
groupe RO- étant un groupe nucléofuge encore moins bon que l’ion hydroxyde.
Les étheroxydes sont donc des molécules très stables.
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Document n° 4 : Test de Lucas
Le test de Lucas permet de différencier les trois classes d’alcool en jouant sur leur différence de réactivité visà-vis de la rupture de la liaison C-O. Le réactif de Lucas est une solution de ZnCl2 dans l’acide chlorhydrique
concentré. L’addition du réactif de Lucas sur un alcool tertiaire conduit quasi instantanément à l’apparition
d’un trouble et à la séparation de deux phases, traduisant la formation du RX insoluble dans le milieu aqueux
acide. Avec un alcool secondaire le trouble apparaît après quelques minutes, avec un alcool primaire rien ne
se passe si le mélange réactionnel n’est pas chauffé.
ZnCl2 est un acide de Lewis qui active également le groupe hydroxyle en générant l’excellent nucléofuge
HOZnCl.
Mécanisme :
Document n° 5 : Activation par formation d’esters sulfoniques
Formule générale d’un ester sulfonique :
Un soufre hexavalent est lié par deux liaisons doubles
à des oxygènes, par une liaison simple à un
groupement alkyle ou aryle R’ et par une deuxième
liaison simple à un groupement OR correspondant à
l’alcool ROH que l’on cherche à activer.
Dans le cas où R’ est le 4-méthylphényle, le
groupement SO2R’ est dit tosyle, noté Ts.
Le groupement OSO2R’ est dit tosylate, noté OTs.
L’ester sulfonique correspondant est un tosylate
d’alkyle.
Dans le cas où R’ est le méthyle, le groupement SO2R’
est dit mésyle, noté Ms.
Le groupement OSO2R’ est dit mésylate, noté OMs.
L’ester sulfonique correspondant est un mésylate
d’alkyle.
O
R'
S OR
O
O
S OR
O
O
S OR
O
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Document n° 6 : Présentation des composés carbonylés
Définitions
Les composés présentant une double liaison C=O sont appelés composés carbonylés. On distingue les aldéhydes
et les cétones.
Exemple
O
Camphre
Propanone
Nomenclature
Les aldéhydes sont nommés comme des alcanals, les cétones comme des alcanones.
Propriétés
La liaison C=O est forte, courte et fortement polarisée. Les composés carbonylés présentent des moments
dipolaires importants.
Réactivité
La forte polarisation de la double liaison C=O rend l’atome de carbone très réactif vis-à-vis des réactifs
nucléophiles. La présence de doublets libres sur l’atome d’oxygène en fait un site d’attaque pour les réactifs
électrophiles. Certains composés carbonylés présentent une réactivité particulière liée à la présence
d’hydrogène acide. Cette réactivité sera étudiée l’an prochain.
Document n° 7 : Exemple de protocole d’acétalisation
Réaction :
O
O
APTS
O
+
HO
OH
O
O
O
toluène
O
Mode opératoire d’après Chimie organique expérimentale, Blanchard, Fosset, Guyot, Jullien, Palacin:
Placer 10g d’acétoacétate d’éthyle (77mmol), 6 g d’éthanediol-1,2 (97mmol), 40 mg d’acide paratoluène
sulfonique et 40 mL de toluène dans le ballon. Réaliser alors avec celui-ci le montage d’entraînement
hétéroazéotropique grâce à l’appareil de Dean-Stark et au réfrigérant.
Le mélange est porté à reflux pendant environ une heure : la quantité théorique d’eau libérée par la réaction
d’acétalisation (1,4mL) est alors recueillie dans le tube graduée de l’appareil de Dean-Stark. Après
refroidissement, le mélange réactionnel est versé dans l’ampoule à décanter, lavé avec 15mL de soude à 10%
puis lavé avec deux fois 20 ml d’eau. Sécher la solution par agitation avec du carbonate de potassium anhydre.
Filtrer sur un papier. Le toluène est chassé à l’évaporateur rotatif. Le résidu, qui contient le cétal cyclique et
l’éthane-1,2-diol restant, est versé dans le ballon de 25 mL et distillé sous pression réduite (115°C sous 20 mm
Hg pour le cétal cyclique).
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Spectre RMN :
δ
Intégration
Allure du signal
Nombre de voisins
Attribution
4,03
2H
q
3,87
4H
s
2,48
2H
s
1,50
3H
t
1,40
3H
S
Montage Dean-Stark :
Intérêt d’un montage Dean Stark (densité du toluène = 0,87).
Le montage Dean-Stark permet de déplacer l’équilibre d’acétalisation
par retrait de l’eau formée.
Le toluène est un solvant non miscible avec l’eau. Le mélange toluèneeau bout à une température de 84°C sous pression atmosphérique,
température inférieure aux températures d’ébullition des deux liquides
purs (100°et 110°C) en émettant une vapeur de composition constante
(vapeur hétéroazéotropique). Cette vapeur se condense au contact du
réfrigérant. L’eau et le toluène liquide non miscibles retombent dans la
tubulure latérale et se séparent. L’eau plus dense constitue la phase
inférieure et le toluène la phase supérieure. Lorsque le tube est plein le
toluène retombe dans le ballon.
Pour que l’opération se déroule bien le choix du solvant est primordial
(non miscible à l’eau, de densité inférieure).
Retrouver la valeur du volume d’eau théorique.
Préciser l’intérêt des différentes phases de traitement.
Interpréter le spectre RMN.
Document n° 8 : Hémiacétalisation du glucose
Forme linéaire du glucose
Les sucres aussi appelés carbohydrates (la formule brute d’un très grande nombre d’entre eux s’écrit Cn(H2O)n)
sont synthétisés par les plantes grâce à la photosynthèse à partir de dioxyde de carbone, d’eau et d’énergie
solaire. Ce sont des polyhydroxyaldéhydes (aldoses) ou des polyhydroxycétones (cétoses). Les plus simples
d’entre eux possèdent des chaînes carbonées à 4,5 ou 6 atomes.
Le D-glucose, glucose naturel, est le (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal, aldohexose (aldose à 6
carbones) de formule brute C6(H2O)6.Il est présent dans la nature sous forme énantiomériquement pure.
OH
OH
OH
O
OH
OH
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Formes cycliques du glucose
La forme linéaire du glucose ne représente en solution aqueuse à 25°C que 0,02% des molécules de glucose. En
effet, le glucose peut donner lieu à la formation d’hémiacétals cycliques par réaction intramoléculaire des
groupements hydroxyle sur l’aldéhyde. En principe, chacun des cinq groupements hydroxyle peut s’additionner
sur l’aldéhyde et conduire à la formation de cycles à 3, 4,5, 6 ou 7 carbones. De manière plus générale, en chimie
organique, les formations de cycles à 5 ou 6 chaînons sont privilégiées ; les petits cycles sont en effet défavorisés
à cause des fortes tensions de cycle, les plus grands à cause de la faible probabilité de rencontre des extrémités.
Dans le cas du glucose, c’est le cycle à 6 chaînons appelé D-glucopyranose qui se forme quasi exclusivement par
addition du groupe hydroxyle du carbone 5. Cette addition conduit à la formation d’un nouveau carbone
asymétrique.
Bilan
OH
OH
OH
O
hémiacétalisation
HO
HO
O
HO
intramoléculaire
HO
OH
OH
OH
Mécanisme
HO
HO
OH
HO
O
OH
Aspect stéréochimique :
HO
HO
O
O
HO
HO
HO
OH
HO
HO
OH
OH
OH
OH
α-D-glucopyranose
OH
HO
O
OH
HO
HO
OH
O
O
HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
β-D-glucopyranose
L’anomère où l’hydroxyle anomérique est en position équatoriale est dit anomère β. L’autre est dit α.
Quel anomère est prédominant ?
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Mutarotation du glucose
Les deux anomères α et β du glucose sont isolables purs à l’état solide.
Si l’on dissout un gramme de cristaux d’α-D-glucopyranose dans un litre d’eau, le pouvoir rotatoire initial de la
solution pour une longueur de cuve de 10 cm à la température de 25°C est de 112°. Ce pouvoir rotatoire évolue
au cours du temps d’autant plus vite qu’une base ou un acide sont présents en solution pour se stabiliser à une
valeur de 52,7°.
De la même manière si l’on dissout un gramme de cristaux de β-D-glucopyranose dans un litre d’eau, le pouvoir
rotatoire initial de la solution est de 18,7°. La valeur évolue et se stabilise à 52,7°.
En solution aqueuse, les anomères α et β peuvent s’interconvertir, on a alors évolution du pouvoir rotatoire
jusqu’à l’établissement d’un équilibre. C’est la mutarotation du glucose qui traduit le caractère équilibré des
réactions d’hémiacétalisation.
La mutarotation du glucose est un exemple d’épimérisation c'est-à-dire l’isomérisation par inversion d’un seul
carbone stéréogène dans une molécule qui en possède beaucoup.
Proposer un mécanisme pour la mutarotation du glucose
HO
HO
O
HO
OH
OH
Déterminer la proportion de chacun des anomères à l’équilibre.
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TD 7 : Activation de groupes caractéristiques
Problème
Proposer une méthode de synthèse du composé A donné ci-dessous à partir de cyclopentanol.
COOH
Vrai-Faux
1. Un alcool peut être déprotoné par la soude.
2. La liaison simple C-O de l’alcool se rompt facilement car HO- est un bon groupe partant.
3. Le 1-bromopropane peut être obtenu par action d’une solution de bromure de sodium (Na+, Br-) sur le
propan-1-ol.
4. La déshydratation intramoléculaire des alcools est réalisée en utilisant de l’acide chlorhydrique.
5. La déshydratation intramoléculaire des alcools tertiaires en milieu acide procède par un mécanisme de type
E2.
6. On peut former un époxyde à partir d’un diol 1,2.
7. Les aldéhydes et les cétones ont peu d’intérêt en synthèse organique.
8. Tous les nucléophiles peuvent réagir sans activation sur le carbone du groupement carbonyle car celui-ci est
suffisamment électrophile.
9. La formation d’un acétal est favorisée en présence d’un excès d’eau.
Exercice n°1 –Synthèse du MTBE
L’oxyde de méthyle et de tertiobutyle (MTBE) est un additif des carburants. Il peut être synthétisé à partir du
méthanol et du 2-méthylpropan-2-ol de la façon suivante : on transforme d’une part le méthanol en
1-chlorométhane, d’autre part le 2-méthylpropan-2-ol en ion 2-méthylpropan-2-olate (ou ion tertiobutylate) ;
on fait alors réagir ensemble les deux produits obtenus.
1. Proposer des méthodes pour transformer : le méthanol en 1-chlorométhane et le 2-méthylpropan-2-ol en
ion 2-méthylpropan-2-olate.
2. Ecrire le mécanisme et le bilan de la réaction de formation du MTBE.
3. Aurait-on pu faire réagir l’ion méthanolate sur le 2-chloro-2-méthylpropane pour obtenir du MTBE ?
4. Le MTBE peut également être obtenu en mélangeant, en milieu acide, du méthanol et du
2-méthylpropan-2-ol. Quel est le type de la réaction mise en jeu ? Que pensez-vous de cette méthode ?
Exercice n°2 : Synthèse de Williamson
L’ion pentan-2-olate de configuration S réagit avec le 2-bromopentane de même configuration absolue pour
donner un etheroxyde. La solution obtenue est inactive optiquement. En déduire le mécanisme de la réaction
et préciser la configuration en nomenclature R,S de l’étheroxyde obtenu.
Exercice n°3 : Réarrangement…
Lors du traitement du 3-méthylbutan-2-ol par le bromure d’hydrogène à 0°C, on observe majoritairement la
formation de 2-bromo-2-méthylbutane.
1. Quel était le produit attendu ?
2. Expliquer la formation de 2-bromo-2-méthylbutane en écrivant le mécanisme correspondant.
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Exercice n°4 : Déshydratation
1. Donner les formules topologiques et les noms des alcènes isomères de formule brute C4H8.
Par déshydrobromation, du 2-bromobutane ou par déshydratation du butan-2-ol, on obtient trois des
isomères précédents.
2. Préciser les conditions de chacune de ces réactions.
3. Donner le mécanisme de la réaction de déshydratation et préciser quel est l’isomère majoritaire.
Exercice n°5 : Déshydratation et identification d’un alcool
1. Quels sont les produits obtenus par déshydratation intramoléculaire des alcools suivants :
2. Un alcool A, chiral, a pour formule brute C5H12O. Par déshydratation en milieu acide, A → B. La coupure
oxydante de la double liaison de l’alcène B fournit de l’éthanal et du propanal. Déterminer les formules
topologiques de A et B.
Exercice n°6 : Synthèse de l’acide ruménique (E3A)
La déshydratation de l’acide ricinoléique est l’une des approches industrielles permettant la préparation de
quantités substantielles d’acide ruménique.
2,50g d’acide ricinoléiqueA (M = 298g.mol-1) sont dissous dans un mélange contenant 15mL de
dichlorométhane et 5mL de triéthylamine (d = 0,728 ; M = 101 g.mol-1) ; 3,00g de chlorure de mésyle,
H3CSO2Cl (M = 114,5 g.mol-1) sont ajoutés sous agitation à 4°C. Une extraction liquide-liquide est faite en
plusieurs temps : 75 mL d’acide chlorhydrique (3mol.L-1) sont d’abord ajoutés. La phase organique est extraite
avec trois fois 60mL d’éthoxyéthane, puis séchée sur sulfate de sodium anhydre et filtrée ; le solvant est enfin
évaporé à l’évaporateur rotatif. Au final, 2,95g de produit B (M = 376 g.mol-1) sont récupérés.
O S O
O
OH
HO
A
Cl
CH2Cl2, Et3N
(CH3)3CO-,K+
C
B
chauffage
1. Ecrire l’équation de la réaction permettant de passer de A à B.
2. Quel est le rôle de la triéthylamine ?
3. Pourquoi ajoute-t-on de l’acide chlorhydrique ?
4. Que signifie « extraire la phase organique » ? Décrire l’opération en précisant la verrerie utilisée. Pourquoi
opère-t-on trois extractions avec 60mL de solvant plutôt qu’une seule avec 180 mL ?
5. Quel est l’intérêt d’utiliser un évaporateur rotatif par rapport à une distillation sous pression
atmosphérique ?
6. Calculer le rendement de cette première réaction.
7. Par chauffage à 80°C en présence de ter-butanolate de potassium puis extraction, est obtenu un mélange
de composés C dont l’acide ruménique. Quel est le nom de la réaction ? Quel est le produit majoritaire
obtenu ?
8. A partir de A, quelles autres conditions réactionnelles aurait-on pu utiliser pour former la double liaison
C=C ?
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Page 98
Exercice n°7 – Acétals
1. Préciser la nature (acétal ou hémiacétal) des composés présentés dans le tableau ci-dessous et retrouver
pour chacun d’eux le dérivé carbonylé et alcool qui permettent leur synthèse.
3. La brévicomine et l’acétogénine (formules données ci-dessous) sont deux phéromones, molécules
permettant la communication entre animaux ou végétaux. Donner la structure des précurseurs permettant
leur synthèse.
4.
Exercice n°8 – Etude d’un sucre (Centrale-Supélec)
Le rhamnose naturel est représenté à la figure suivante.
OH
OH
OH
O
OH
1. Donner le nom systématique du rhamnose en précisant le descripteur stéréochimique associé à chaque
carbone asymétrique.
2. Combien cette molécule possède-t-elle de stéréoisomères de configuration ?
3. Comme tous les sucres, le rhamnose n’est pas stable en chaîne ouverte et se referme pour former un hémiacétal cyclique à six maillons. Représenter cet hémiacétal en représentation topologique sans indiquer de
stéréochimie.
4. Indiquer combien de stéréoisomères de configuration peuvent se former. Représenter l’un d’eux en
représentation topologique.
5. Représenter en perspective un conformère stable du composé dessiné à la question 4.
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Page 99
Réactivité et transformations en chimie organique 2
Chapitre 8 : Protection de groupes caractéristiques
Plan du cours
1. Principe
2. Protection du groupe carbonyle
2.1. Etude d’une synthèse
2.2. Protection du groupe carbonyle par un diol
3. Protection d’un diol 1,2 ou 1,3
3.1. Etude d’une synthèse
3.2. Protection des diols par un carbonyle
4. Protection du groupe hydroxyle
4.1. Etude d’une synthèse
4.2. Protection du groupe hydroxyle par formation d’éther benzylique
4.3. Etude d’une synthèse multi-étapes – autres méthodes de protection du groupe hydroxyle
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Vocabulaire du chapitre
Protection, déprotection, éthylène glycol, etheroxyde benzylique, hydrogénolyse, éthers silylés
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Chapitre 8 : Protection de groupes caractéristiques
1. Principe
La protection d’une fonction consiste à transformer temporairement cette fonction en une forme non réactive
vis-à-vis de conditions réactionnelles visant à modifier un autre groupe de la molécule.
Lorsque les transformations souhaitée
s ont été réalisées, la fonction initiale est régénérée lors d’une étape de déprotection.
Schéma de principe illustrant l’intérêt d’une séquence protection-déprotection
Wikipédia article groupe protecteur
Qualités d’un groupe protecteur sélectif de la fonction à protéger. Les étapes de protection et de déprotection
doivent être faciles à mettre en œuvre et se faire avec
des rendements élevés.
Inconvénients des séquences protection-déprotection : ajoutent cependant nécessairement deux étapes dans
la synthèse ce qui implique entre autres une perte de temps, une baisse du rendement et de l’économie
d’atomes. L’utilisation de réactif chimiosélectif sera, lo
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Page 101
2. Protection du groupe carbonyle
2.1. Etude d’une synthèse
O
Br
OH
HO
O
APTS, toluène
Br
2.
O
O
O
O
O
O
O
1. Mg
O
O
O
O
O
O
,MgBr+
O
hydrolyse "douce"
O
O
,MgBr+
O
APTS (traces)
chauffage
élimination d'eau
OH
O
O
O
Br
O
O
OH
H 3O + , H 2O
O
O
O
O
O
H
Identifier les étapes de protection et déprotection présentes dans cette synthèse. Préciser la nature des
réactions mises en jeu.
Expliquer la nécessité de ces étapes de protection-déprotection.
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Page 102
2.2.
Protection du groupe carbonyle par un diol
Les acétals sont relativement inertes en milieu neutre, basique. En revanche ils sont instables en milieu acide,
milieu dans lequel ils s’hydrolysent pour conduire au carbonyle.
La fonction carbonyle peut donc être protégée sous forme d’acétal en milieu neutre ou basique. On utilise le
plus souvent des diols pour la protection du groupe carbonyle car les acétals cycliques sont plus stables que
leurs homologues linéaires et en particulier des diols 1,2 ou 1,3 comme l’éthane-1,2-diol aussi appelé
éthylèneglycol. La protection est réalisée en catalyse acide (APTS) avec un appareil de Dean Stark pour obtenir
de bons rendements.
La déprotection se fait par hydrolyse acide (l’excès d’eau permet de déplacer l’équilibre dans le sens de la
formation du carbonyle) par exemple à l’aide d’une solution aqueuse d’acide chlorhydrique concentré.
Mécanisme de la phase de protection :
Mécanisme de phase de déprotection :
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Page 103
3. Protection d’un diol 1,2 ou 1,3
3.1. Etude d’une synthèse
HO
HO
O
O
O
HO
O
OH
APTS
HO
O
O
OH
O
Br
HO
PBr3
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
Br
Br
H3
O
O
O+,
HO
O
O
O
H2O
OH
HO
O
OH
3.2. Protection des diols par un carbonyle
La formation d’un acétal cyclique peut également permettre la protection des diols 1,2 et 1,3.
La propanone est généralement utilisée, les conditions de protection et de déprotection étant les mêmes que
celles décrites au paragraphe précédent. Ce type de protection est particulièrement intéressant dans la chimie
des sucres.
4. Protection du groupe hydroxyle
4.1.
Etude d’une synthèse
O
OH
O
NaH, PhCH2Cl
OCH2Ph
O
O
OCH2Ph
HO
OCH2Ph
TsCl, pyridine
OCH2Ph
réduction
MgBr
OCH2Ph
TsO
HO
OCH2Ph
H2, catalyseur
OH
Identifier les étapes de protection et déprotection mises en jeu dans cette synthèse en précisant leur nature
et leur intérêt.
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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4.2. Protection du groupe hydroxyle par formation d’éther benzylique
Les étheroxydes sont des composés très peu réactifs pouvant être formés par synthèse de Williamson à partir
d’alcool. Par conséquent, ils peuvent constituer des groupes protecteurs de la fonction alcool.
Les éthers benzyliques sont particulièrement intéressant car stables en milieu acide, basique, nucléophile,
oxydant tout en pouvant, contrairement aux autres étheroxydes être clivés par hydrogénolyse.
La protection est réalisée par synthèse de Williamson par réaction de l’alcool à protéger avec le chlorure de
benzyle en présence d’une base forte :
NaH
OR
ROH
Cl
La déprotection se fait à température ambiante avec le dihydrogène gazeux en présence d’un catalyseur
métallique tel que le palladium :
H2(g), Pd, 25°C
Ph-CH3
+ ROH
Ph-CH2-OR
4.3. Etude d’une synthèse multi-étapes – autres méthodes de protection du groupe hydroxyle
Approche documentaire : synthèse de la Réserpine
Article RÉSERPINE de l’encyclopédie Universalis
Drogue antihypertensive et tranquillisante extraite des racines de certaines espèces de Rauwolfia, plantes
tropicales et semi-tropicales. La racine de Rauwolfia serpentina réduite en poudre a été utilisée en Inde
pendant des siècles pour son effet tranquillisant chez les malades mentaux. La réserpine, isolée en 1952, est le
principal alcaloïde du Rauwolfia. L'utilisation de la racine pulvérisée en médecine occidentale commença en
1954 et, peu après, la réserpine devint disponible pour les usages médicaux. Cette drogue a une action
sédative profonde et prolongée. D'abord utilisée comme dépresseur du système nerveux central dans le
traitement des psychoses, elle a été ensuite remplacée en psychothérapie par les phénothiazines (telles que la
chlorpromazine). La réserpine possède une action biochimique fondamentale ; elle provoque une diminution
très importante de la concentration en sérotonine et en catécholamines du cerveau. On n'a pas encore
prouvé que cette déplétion soit en rapport avec l'activité psychopharmacologique, ni que l'efficacité en
psychiatrie de la réserpine soit réelle.
En dehors de ses indications dans les maladies mentales en raison de ses propriétés neuroleptiques, la
réserpine est surtout utilisée, à faibles doses, dans le traitement de l'hypertension artérielle.
Les effets secondaires de la réserpine sont assez fréquents : vertiges, hypotension orthostatique, anorexie,
nausées, vomissements, diarrhée.
Bien que la réserpine ait été synthétisée, la drogue utilisée dans des buts médicaux est encore d'origine
végétale. De nombreuses préparations brutes, pures ou partiellement purifiées, sont utilisées. La formule
chimique brute de la réserpine est : C33H40N2O9.
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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Synthèse totale de la Réserpine par Hanessian (1997)
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Identifier les groupes hydroxyles dans les différentes structures intervenant dans la synthèse de la réserpine.
Identifier les étapes de protection et de déprotection des ces groupes hydroxyles
Recenser les groupes protecteurs du groupe hydroxyle mis en jeu dans cette synthèse en précisant les
conditions de déprotection.
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COMPLEMENTS : Protection de la fonction alcool par formation d’éthers silylés :
Un éther silylé possède un enchaînement C-O-Si. Les éthers silylés facilement obtenus à partir d’alcool sont
stables en présence de bases, oxydants, réducteurs ou nucléophiles carbonés ou azotés. Ils constituent les
groupes protecteurs les plus utilisés dans la protection du groupe hydroxyle en raison de leur grande
maniabilité (facilement installés, retirés ou purifiés).
Protection : l’éther silylé est préparé par action de l’alcool à protéger sur un chlorure de trialkylsilyle en
présence d’une base.
La déprotection s’effectue par SN des ions fluorure sur le silicium, substitution favorable en raison de la très
grande force de la liaison Si-F.
Il existe des groupes trialkylsilyle d’encombrement variable permettant de protéger sélectivement les groupes
hydroxyles les moins encombrés. Par ailleurs les éthers silylés les plus encombrés sont aussi les plus stables.
triméthylsilyle
TMS
CH3
terbutyldiméthylsilyle
TBDMS
CH3
terbutyldiphénylsilyle
TBDPS
Ph
Si CH3
Si
Si
CH3
CH3
Ph
RECAPITULATIF
Substrat à protéger Réactif protecteur
Carbonyle
O
R1
R2
Alcool
ROH
Ethane-1,2-diol
APTS
Dean Stark
Groupe protégé
Acétal
O
O
Contre
Déprotection
Nucléophiles,
bases
H2O,H+
Presque tout
H2(g), Pd(s)
ou HI
Nucléophiles,
bases
Bu4N+,F-
R2
R1
Ether benzylique
NaH,
Ph-CH2-Cl
OR
Ether silylé
Alcool
ROH
(CH3)3Si-Cl
NEt3
RO Si
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TD 8 : Protection de groupes caractéristiques
Problème
Proposer une voie de synthèse de la 6-hydroxy-6-méthylheptan-2-one à partir de la
5-bromopentan-2-one et de tout autre réactif minéral ou organique utile.
Vrai-Faux
1. Un acétal cyclique à 5 chaînons peut correspondre à un groupe carbonyle protégé.
2. Un acétal cyclique à 5 chaînons peut correspondre à diol 1,3 protégé.
3. Un acétal résiste à des conditions acides.
4. Une cétone peut être employée pour protéger un diol 1,2.
5. Une cétone peut être protégée par un diol 1,2.
6. Un étheroxyde benzylique permet la protection d’un alcool.
7. Un étheroxyde benzylique régénère le groupe protégé par hydrolyse basique.
8. Un étheroxyde benzylique est obtenu par réaction de Williamson.
9. Un étheroxyde benzylique est le seul groupe protecteur des alcools.
Exercice n° 1 : Etude d’un protocole
On étudie l’enchaînement réactionnel suivant:
O
Br
O
OH
HO
B
APTS
O
Li
BuLi, THF
1. CH2=O
2. H2O, NH4+
-LiBr
C
A
O
(CO2H)2
D
O OH
O
D
OH
H2O, CH2Cl2
E
pKA des couples acido-basiques : NH4+/NH3(aq) pKA = 9,2 et H2C2O4(aq)/HC2O4-pKA = 1,3.
Masses molaires (g.mol-1) : H 1,0 ; C 12,0 ; 0 16,0 ; Br 79,9.
1. Préparation de l’acétal B
Un protocole expérimental permet la formation du cétal B issu de la 2-bromocyclopent-2-énone A.
Une solution de 22,0 g (0,137 mol) de 2-bromocyclopent-2-énone A fraîchement distillée, 21,8 g
(0,351 mol) d’éthane-1,2-diol, 60 mg d’acide-4-méthylbenzènesulfonique monohydraté (APTS, encore noté
TsOH) dans 1,5 L de benzène, est portée à reflux pendant 64heures. Le ballon est muni d’un appareillage de
Dean-Stark, d’un réfrigérant ascendant et d’une garde à chlorure de calcium anhydre.
Cette durée écoulée, la solution est refroidie à température ambiante, séchée sur carbonate de potassium et
filtrée sur Célite (auxiliaire de filtration). Le solide est rincé par 150 mL de benzène. L’évaporation sous
pression réduite du solvant conduit à une huile qui est distillée sous une pression de 0,7 mm de mercure pour
conduire à 22,5 g du composé B.
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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1. Ecrire l’équation ajustée de réaction pour la transformation du composé A en composé B.
2. Quel est le rôle de l’appareillage de Dean-Stark ? Que se passerait-il si on procédait simplement par
chauffage à reflux du solvant, en l’absence de ce dispositif ?
3. Pour quelle raison le benzène devrait-il être remplacé par un autre solvant, si la manipulation était réalisée
au lycée ? On propose deux solvants de remplacement : le dichlorométhane, de densité 1,33 et le
cyclohexane, de densité 0,78. Lequel convient-il de choisir ?
4. Quel est le rôle de l’acide introduit ?
5. Quel est le rôle du carbonate de potassium.
6. Proposer un mécanisme pour la transformation.
7. Justifier la quantité d’éthane-1,2-diol utilisée.
8. Calculer le rendement de la transformation A→B.
2. Suite de la synthèse
Le composé B est transformé par la séquence indiquée en composé D (les composés C et D ne sont ni purifiés
ni isolés). Ce dernier est dissous dans du dichlorométhane en présence d’eau et d’acide oxalique (COOH)2.
Après agitation pendant cinq heures, le composé E est isolé avec un rendement de 46% en produit purifié,
calculé par rapport au composé B.
1. Pourquoi ces conditions expérimentales suffisent-elles pour l’hydrolyse de l’acétal, comparées à celles
mises en œuvre dans la synthèse du composé B ?
2. Pourquoi convient-il d’agiter énergiquement le milieu réactionnel pour obtenir un bon rendement en
composé E ?
3. Quel a été le mécanisme de la transformation du cétal D en cétone E ? Est-il utile de le réécrire ?
4. Considérons les deux conditions d’hydrolyse : étape (2) du passage de C à D et hydrolyse du cétal D.
Pourquoi l’acétal survit-il dans le premier cas et pas dans le second ?
5. Sachant qu’un organolithien RLi a le même comportement que l’organomagnésien correspondant, RMgBr,
proposer un mécanisme pour la première étape du passage de C à D.
6. Quel a été le rôle joué par l’éthane-1,2-diol dans la transformation globale permettant de passer de la
bromocyclopenténone au composé D ? Quelle réaction parasite a-t-on ainsi évité ?
Exercice n° 2 : Protection de la fonction alcool sous forme d’éther silylé (CCP)
Electronégativités de quelques atomes (échelle de Pauling) : C:2,5 ; Si:1,8 ; O:3,5 ; Cl:3,0
En synthèse totale, il est souvent nécessaire de protéger les groupes hydroxyle. Une protection classique
consiste à transformer un alcool ROH (par le chlorure de tert-butyldiméthylsilyle, en présence de
triéthylamine, dans le dichlorométhane) en éther silylé qui pourra ultérieurement être déprotégé
sélectivement par l’action d’ions fluorure (en particulier par le fluorure de tétrabutylammonium).
Ces deux réactions (protection et déprotection) sont dues à la forte affinité du silicium pour l’oxygène et pour
le fluor.
Si Cl
Si OR
R-OH
Bu4N+,F-
R-OH
NEt3
1. Quelle est la polarisation de la liaison Si-Cl ?
2. Quel est le type de réaction mis en jeu dans la formation de l’éther silylé ? Quel autre produit se forme au
cours de la réaction ?
3. Quel est le rôle de la triéthylamine ?
4. Propose un mécanisme pour la réaction de déprotection d’un éther silylé par le fluorure de
tétrabutylammonium sachant qu’il se forme un intermédiaire où le Si est pentacoordiné.
La présence d’eau dans le milieu ou une hydrolyse ultérieure permettent finalement d’isoler l’alcool. Pourquoi
ce type de réaction ne peut-il pas se rencontrer avec les RX ?
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5. Dans l’enchaînement réactionnel suivant, indiquer les formules de A, B et C. Justifier la régiosélectivité
proposée dans la première étape. Commenter l’utilisation du dérivé silylé.
O
Si Cl
Cl
Bu4N+,F1 équivalent
A
C
B
OH
NH
OH
N
N
imidazole
Exercice n°3 : Etude de la synthèse partielle d’un médicament
Le composé 1 réagit avec un équivalent d’acétone (propanone) en présence d’acide paratoluènesulfonique
(APTS) pour donner le composé 2. Ce dernier est enfin hydrogéné sur palladium de Lindlar et donne le composé
3.
Acétone, APTS
H
O
H
1
OH
H2, Pd Lindlar
C12H18O3
OH
O
H
2
H
O
O
3
1. Donner la structure du composé 2. Comment appelle-t-on la nouvelle fonction obtenue ?
2. Donner le mécanisme de la transformation 1 → 2.
3. Le passage du composé 2 au composé 3 consiste en l’hydrogénation ménagée de la fonction alcyne sur le
catalyseur de Lindlar, qui est dit « empoisonné ». Proposer une définition de catalyseur « empoisonné ».
Qu’aurait-on obtenu avec un catalyseur « non empoisonné » ?
4. Le composé 3 est ensuite transformé en 4 selon le bilan suivant :
HO
3
H
O
H
OH
O
O
4
Une des fonctions alcool du composé 4 est ensuite activée par le chlorure de tosyle (TsCl), pour former
sélectivement le composé 5, qui réagit avec un équivalent d’hydrure de sodium NaH pour donner le composé
6.
TsCl
4
5
O
H
O
H
O
O
6
Justifier en quoi une molécule de TsCl, en présence de pyridine, peut activer une fonction alcool.
5. Donner la structure du composé 5 obtenu, en justifiant la régiosélectivité observée.
6. Sachant que l’hydrure de sodium NaH agit ici comme une base, proposer un mécanisme pour la
transformation 5→6.
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Exercice n°4 : Synthèse de l’acide (2E)-9-oxodéc-2-ènoïque ou QMP
La synthèse du composé J est réalisée en introduisant dans un ballon un barreau magnétique est 1,2 équivalents
(1,2 éq) de copeaux de magnésium bien secs. On ajoute alors sous agitation et au goutte à goutte une solution
composée d’un mélange de H (1 éq.) et d’éther anhydre. Au début de l’addition, on observe une ébullition et
une opalescence de la solution. A la fin de l’addition, le ballon est chauffé pendant 1 heure de manière à
maintenir un léger reflux à l’aide d’un bain marie puis le mélange est refroidi. Le composé I est alors présent
dans le ballon. I est alors traité par le méthanal. Lorsque la réaction est terminée, on ajoute toujours à basse
température par l’ampoule de coulée une solution aqueuse glacée à 5% d’acide sulfurique (on observe un
dégagement gazeux). A l’aide d’une ampoule à décanter, on recueille la phase organique, on la traite par une
solution aqueuse de carbonate de sodium à 5% (on observe de nouveau un dégagement gazeux) puis elle est
lavée à l’aide d’eau distillée. La phase organique est alors séchée et le solvant est éliminé. On recueille le
composé J.
Ecrire les deux équations associées à la transformation I→J.
1.
2.
Pourquoi observe-t-on une ébullition du milieu réactionnel lors de la formation de I ?
3.
Pourquoi doit-on ajouter Hau goutte à goutte à l’aide de l’ampoule de coulée ?
4.
Donner le nom du composé J.
5.
Quels sont les rôles de la solution aqueuse d’acide sulfurique ? Quel est le gaz dégagé ? Justifier à l’aide
d’une équation.
6.
Quel est le rôle de la solution aqueuse de carbonate de sodium ? Quel est le gaz dégagé ? Justifier à
l’aide d’une équation.
7.
Identifier K sachant que le CrO3 dans la pyridine anhydre permet l’oxydation ménagée des alcools
primaires en aldéhydes.
8.
Donner la formule de L.
9.
M est un composé dibromé obtenu selon l’équation bilan C=C + Br2 → CBr-CBr. Nommer M sans tenir
compte de la stéréochimie.
10. Donner la formule de N.
11. N est traité pendant 3 heures dans le benzène par l’éthane-1,2-diol en excès en présence d’acide
paratoluènesulfonique (APTS) en quantité catalytique. Donner une formule de O.
12. O réagit à chaud avec deux équivalents d’amidure de sodium et conduit à la formation du composé P.
Donner la formule de P sachant qu’il possède une triple liaison ainsi que la nature de la réaction effectuée.
13. Le composé Q est un organomagnésien acétylénique du type R-C≡C-MgX. Ecrire l’équation de la
réaction de formation de Q. Quelle est la nature de la réaction effectuée ? Un gaz se dégage au cours de la
formation de Q, quel est ce gaz ?
14. Le composé R a pour formule brute C10H14O3. Donner sa formule topologique.
Une hydrogénation partielle du composé R réalisée dans des conditions spécifiques permet une trans-addition
d’un équivalent de dihydrogène afin d’obtenir le composé T qui est ensuite transformé en QMP.
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 113
Réactivité et transformations en chimie organique 2
Chapitre 9 : Oxydation en chimie organique
Plan du chapitre
1. Oxydoréduction en chimie organique
2. Oxydation des alcools
2.1. Oxydation d’un alcool secondaire en cétone
2.2. Oxydation d’un alcool primaire…
2.2.1. …en acide carboxylique
2.2.2. …en aldéhyde
2.3. Identification de produit d’oxydation
3. Oxydation des alcènes
3.1. Présentation des alcènes
3.2. Oxydation ménagée et coupure oxydante
3.3. Syn-dihydroxylation
3.3.1. Action du tétraoxyde d’osmium
3.3.2. Utilisation d’un cooxydant- cycle catalytique
3.4. Coupure oxydante des diols vicinaux
3.5. Séquence dihydroxylation-clivage
4. Réduction de la fonction carbonyle en alcool
4.1. Schéma général
4.2. Réduction par le tétrahydroborate de sodium NaBH4
4.3. Autre hydrure : le tétrahydroaluminate de lithium
Programme officiel
Vocabulaire du chapitre
Oxydant, réducteur, oxydation, réduction, nombre d’oxydation, oxydation ménagée, dérivé éthylénique,
dihydroxylation, co-oxydant, cycle catalytique, coupure oxydante
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB Page 114
Chapitre 9 : Oxydation en chimie organique
Les réactions d’oxydoréduction sont une catégorie importante de réactions d’interconversion de fonctions.
1. Oxydoréduction en chimie organique
Rappel des notions vues en chimie inorganique au lycée
Un oxydant (noté Ox) est une espèce susceptible de capter un ou plusieurs électrons.
Un réducteur (noté Red) est une espèce susceptible céder un ou plusieurs électrons.
Un oxydant est donc conjugué à un réducteur, les deux formant un couple rédox noté Ox/Red.
A chaque couple rédox est associé une demi-équation électronique : α Ox + n e- = β Red.
Comment ajuster une demi-équation rédox (en milieu acide aqueux) :
Equilibrer par rapport aux atomes autres que O et H
Equilibrer par rapport à O en ajoutant des molécules d’eau H2O
Equilibrer par rapport à H en ajoutant des ions H+
Equilibrer les charges en ajoutant des électrons eEn milieu basique une demi-équation fait intervenir les ions hydroxydes HO- à la place des ions oxonium.
Vocabulaire : une oxydation correspond à une perte d’électrons, une réduction à un gain d’électrons ; un
oxydant est réduit et un réducteur oxydé.
Les électrons ne pouvant exister libres en solution aqueuse, les réactions d’oxydoréduction sont des réactions
d’échanges d’électrons entre l’oxydant d’un couple et le réducteur d’un autre.
Complément
Pour identifier un oxydant ou un réducteur dans une réaction, on peut utiliser les nombres d’oxydation notés
no.
Le nombre d’oxydation caractérise l’état d’oxydation d’un élément chimique engagé dans un ion ou dans une
molécule. Il est conventionnellement écrit en chiffres romains.
Le n.o. d’un élément dans un corps simple est nul.
Le n.o. d’un élément dans un ion monoatomique est égal à la charge algébrique de l’ion.
Quand deux éléments sont unis par une liaison covalente, le doublet d’électrons liant est attribué à l’élément
le plus électronégatif ; le no de chacun des éléments est égal à la charge formelle qui lui est ainsi attribuée.
Autrement dit le n.o. d’un élément augmente de une unité pour chaque liaison établie avec un atome plus
électronégatif et diminue de une unité pour chaque liaison établie avec un élément moins électronégatif.
La somme des n.o. des éléments constituant un édifice polyatomique est égale à la charge de l’espèce.
Les nombres d’oxydation permettent d’identifier un oxydant ou un réducteur dans une réaction ou dans un
couple: l’oxydation d’un élément correspond à une augmentation de son n.o, la réduction d’un élément à une
diminution de son n.o.
Exemple :
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 115
En chimie organique, une réaction rédox peut également être définie comme une réaction d’échange
d’électrons entre deux couples :
Exemple :
Les variations des no des éléments permettent aussi d’identifier oxydants et réducteurs : une réaction qui
augmente le nombre d’oxydation des atomes de carbone affectés par la réaction ou le nombre d’oxydation
d’un hétéroatome est une oxydation, une réaction qui diminue le nombre d’oxydation des carbones modifiés
par la réaction ou le nombre d’oxydation d’un hétéroatome est une réduction.
Exemple : Une oxydation en chimie organique s’accompagne en général d’une diminution du nombre de
liaisons entre le c
arbone et des atomes moins éle
ctronégatifs et/u réaction de réduction est définie de manière inverse.
Méthane
Méthanol
Méthanal
Acide
méthanoïque
Dioxyde de
carbone
Formules planes
Nombre
d’oxydation du
carbone
Application 1: montrer de différentes manières que la réaction permettant de passer de l’acide méthanoïque
au méthanal est une réduction.
Application 2 : montrer que la réaction dont l’équation est donnée ci-dessous n’est pas une réaction
d’oxydoréduction.
CH3-CH2-CH2-CH2-OH + H-Br = CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H-OH
Application 3 : classer les composés ci-dessous suivant leur niveau d’oxydation croissant :
CH3-CH=CH2 , CH3-CH(OH)-CH3 , CH3-CO-CH3 , CH3-CH2-CH3 , CH3- CH2-COOH, CH≡C-CH3, CH3-CH(OH)-CH2OH .
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 116
3. Oxydation des alcools
L’oxydation ménagée des alcools est la principale méthode de synthèse des dérivés carbonylés, composés à la
réactivité très variée permettant entre autres la formation de liaison carbone-carbone.
Qu’est ce qu’une oxydation ménagée ? on entend une oxydation qui ne modifie pas le squelette carboné
comme pourrait le faire une combustion.
Produits de l’oxydation ménagée des alcools :
- Oxydation du méthanol : CH3OH → HCHO → HCO2H → CO2
- Oxydation d’un alcool primaire : R-CH2-OH → R-CHO → R-COOH
- Oxydation d’un alcool secondaire : R- CHOH-R’ → R-CO-R’
2.1. Oxydation d’un alcool secondaire en cétone
Les alcools secondaires peuvent être oxydés en cétone par de nombreux oxydants. Les plus usuels sont :
Application 1:
Quels sont les degrés d’oxydation du manganèse et du chrome dans les réactifs utilisés classiquement pour
oxyder les alcools ?
Application 2:
Ecrire l’équation bilan équilibrée de l’oxydation du propan-2-ol par l’ion permanganate ou l’ion dichromate.
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 117
2.2. Oxydation d’un alcool primaire…
2.2.1. …en acide carboxylique
Echelle de potentiel :
2.2.2. …en aldéhyde
Le choix de conditions ou réactifs particuliers peut permettre l’oxydation d’un alcool primaire en aldéhyde.
Les aldéhydes sont en généralement plus volatils que les alcools correspondants (absence de liaisons
hydrogène) et peuvent parfois être distillés au fur et à mesure de leur formation évitant ainsi la suroxydation.
Néanmoins le rendement de ce type d’opération reste limité.
Une autre technique d’isolement consiste à utiliser un milieu biphasique (eau-cyclohexane) par exemple. Au
fur et à mesure de sa formation, l’aldéhyde, plus soluble dans le cyclohexane, est extrait de la phase aqueuse
ce qui évite le contact avec l’oxydant.
Une étude du mécanisme de l’oxydation des alcools par le Cr(VI) permet de mettre en évidence l’importance
de la présence de l’eau dans la suroxydation.
L’alcool primaire est en effet d’abord oxydé en aldéhyde qui en présence d’eau est en équilibre avec sa forme
hydrate, forme susceptible d’être à son tour oxydée. En absence d’eau, cette forme hydrate n’est pas formée
et la suroxydation évitée.
OH
H
R
H
alcool primaire
O
H2O
CrO3
H
R
aldéhyde
HO
H
OH
R
hydrate d'aldéhyde
O
CrO3
HO
R
acide carboxylique
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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Différents oxydants du Cr(VI) sont donc utilisés en milieu organique anhydre:
Exemple :
OH
CrO3-pyridine
84%
CH2Cl2
2.3. Identification de produit d’oxydation
La spectroscopie IR est la technique de choix pour identifier le produit d’oxydation d’un alcool.
Application : l’oxydation par un dérivé chromé du 2-méthylpropan-1-ol conduit au composé A dont le spectre
est donné ci-dessous. Etablir la structure du composé A et proposer un réactif chromé utilisable.
http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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3. Oxydation des alcènes
3.1. Présentation des alcènes
Définitions
Alcène : un alcène est un hydrocarbure de formule brute CnH2n possédant comme seule insaturation une
double liaison carbone-carbone (C=C).
Les alcènes sont peu présents dans la nature. Les premiers termes se rencontrent dans l’industrie du pétrole.
Dérivé éthylénique : composé dont la structure possède au moins une double liaison C=C. Les dérivés
éthyléniques sont eux très présents dans la nature.
(+)-limonène
une phéromone d'alarme
Nomenclature
Le nom d’un alcène est établi en remplaçant la terminaison « ane » de l’alcane correspondant par la
terminaison « ène », précédée d’un numéro indiquant la position de la double liaison. La chaîne carbonée est
numérotée de façon à donner l’ensemble d’indices le plus bas. On précise éventuellement la configuration de
la double liaison.
Applications :
Remarque : la dernière molécule n’appartient pas à la famille des alcènes.
Caractéristiques de la double liaison C=C
Les atomes impliqués dans la liaison double sont coplanaires. Les deux atomes de carbone de la double liaison
sont trigonaux. La liaison double est constituée de deux liaisons de nature différente : une liaison σ analogue à
une liaison simple et une liaison π. La liaison π est moins forte que la liaisonσ.
dC=C = 134 pm et EC=C = 615 kJ.mol-1 (dC-C = 154 pm et EC-C = 346 kJ.mol-1).
La rotation autour de la double liaison n’est pas possible car incompatible avec une liaison π.
Stabilité
Toute délocalisation mettant en jeu les électrons π de la double liaison entraîne une augmentation de stabilité
de la molécule.
Un alcène est d’autant plus stable qu’il est plus substitué.
Un alcène E est plus stable qu’un alcène Z.
Réactivité
La double liaison est un site à forte densité électronique. Elle peut donc subir l’attaque d’acides de Lewis et
d’électrophiles. Elle peut également réagir avec un oxydant.
3.2. Oxydation ménagée et coupure oxydante
Les alcènes jouent le rôle de réducteurs dans diverses réactions utilisées en chimie organique. Deux types
d’oxydation sont à distinguer :
l’oxydation ménagée où le squ
elette sigma est inchangé et la coupure oxydante où la molécule est scindée en deux au niveau de sa double
liaison.
Couple alcène/oxydant associé
Demi-équation
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB Page 120
R1
R3
Couple alcène/diol
Oxydation
ménagée
+ 2 H2O =
R2
R1
R4
R3
R2
R1
Coupure
oxydante
Couple alcène/acide
carboxylique
R2
R4
R1
=
R1
H
R4
R2
H
+ 2 H+ + 2 e-
+ 2 H+ + 2 e -
R4
R3
O + O
+ 2 H2O =
R2
R1
R3
R2
R4
R3
Couple alcène/dérivé carbonylé
OH
R3
O
+ H2O
Couple alcène/époxyde
HO
R1
R2
R1
+ 4 H+ + 4 eR4
R2
+ 2 H2O =
HO
O + O
+ 8 H+ + 8 eOH
3.3. Syn-dihydroxylation
3.3.1. Action du tétraoxyde d’osmium
Exemples à compléter:
L’osmium est un métal de transition appartenant à la même colonne que le fer (5d66s²). Le téraoxyde
d’osmium est l’oxydant du couple OsO4/OsO4H2. Dans le tétraoxyde d’osmium, l’osmium est au no +VIII.
Le caractère syn de la dihydroxylation s’explique par la formation d’un intermédiaire cyclique lors de la
première étape de la réaction, l’osmium passe alors du no +VIII au no +VI.
O
O
Os
O
O
O
O
Os
O
O
HO
OH
Un peu plus difficile… Commenter les deux exemples de syn-dihydroxylation donnés ci-dessous.
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 121
OH
OsO4
65%
NMO
OH
O
OHO
O
OsO4
O
Ba(ClO3)2
H
O
O
HO
84%
O
H
O
3.3.2. Utilisation d’un cooxydant- cycle catalytique
Le tétraoxyde d’osmium est un réactif à la fois très couteux et extrêmement toxique. Il est de nos jours
employé comme catalyseur en présence d’un cooxydant tel que le peroxyde d’hydrogène H2O2 ou l’oxyde de
N-méthylmorpholine NMO. OsO4 oxyde l’alcène en étant lui même réduit sous la forme OsO4H2. Le cooxydant
oxyde alors OsO4H2 permettant de régénérer OsO4.
Cycle catalytique (version 1 et 2) :
D’après Chimie PCSI – Vuibert
3.4. Coupure oxydante des diols vicinaux
Structure de l’acide périodique et de l’ion iodate:
IO4-
IO3-
Exemple avec un diol cyclique :
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 122
OH
HIO4, H2O
OH
3.5. Séquence dihydroxylation-clivage
Cycle catalytique (version 1 et 2)
http://www.synarchive.com/named-reactions/Lemieux-Johnson_Oxidation
Exemples à compléter:
OsO4 (cat)
NaIO4
OsO4 (cat)
NaIO4
4. Réduction de la fonction carbonyle en alcool
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 123
4.1. Schéma général
Les aldéhydes peuvent être réduits en alcools primaires et les cétones en alcools secondaires. Ce sont les
réactions « inverses » des réactions d’oxydation des alcools :
- Aldéhyde : R-CHO → R-CH2-OH
- Cétone : R-CO-R’ → R-CHOH-R’
Le dihydrogène gazeux peut en présence d’un catalyseur tel que le palladium ou le platine s’additionner sur la
double liaison C=O mais cette réaction demande des pressions élevées et n’est pas sélective des C=O.
Une autre méthode, beaucoup plus utilisée, consiste à utiliser des réactifs donneurs d’hydrures, c'est-à-dire
des réactifs tels NaBH4 ou LiAlH4 où les hydrogènes sont polarisés δ-.
La réduction peut être décrite comme l‘addition nucléophile de l’ion hydrure sur le carbone fonctionnel de
l’aldéhyde ou de la cétone.
4.2. Réduction par le tétrahydroborate de sodium NaBH4
Le tétrahydroborate de sodium (ou borohydrure de sodium) NaBH4 est un donneur d’hydrure, chimiosélectif
des carbonyles. Il réduit
donc les aldéhydes et les cétones mais pas les esters, les amides ou les acides carboxyliques. Il est utilisé dans
un solvant protique le plus souvent un alcool ou un mélange eau-alcool.
Exemple :
NaBH4, EtOH
O
Mécanisme simplifié :
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 124
Stéréochimie :
4.3. Autre hydrure : le tétrahydroaluminate de lithium
Le tétrahydroaluminate de sodium (ou aluminohydrure de lithium) réduit également les carbonyles. Il est
cependant beaucoup plus réactif et beaucoup moins chimiosélectif : il réduit en effet les dérivés d’acide
comme les esters et les amides.
Les ions AlH4- réagissent violemment avec l’eau et rapidement avec les alcools, ils sont donc utilisés en solvant
aprotique.
Application :
O
O
NaBH4 , EtOH
O
O
O
1. LiAlH4
O
2. H2O, H+
Comment réduire chimiosélectivement l’ester ?
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
Page 125
TD 9 : Oxydoréduction en chimie organique
Problème : Ethylotest
Environ ½ heure après avoir été consommé, l’alcool parvient dans l’intestin grêle où il passe dans le sang. Le
cœur propulse le sang veineux vers les poumons pour qu’il s’y oxygène. Dans les alvéoles pulmonaires, les
échanges gazeux s’effectuent : le sang se charge en dioxygène et se libère du dioxyde de carbone ainsi que d’une
partie de l’alcool. Ces vapeurs sont expirées dans l’air.
Dans les stations-services ou en pharmacie, on peut acheter des alcootests jetables. Ils sont constitués d’un
sachet gonflable de capacité 1 L et d’un tube en verre contenant des cristaux jaunes de dichromate de
potassium en milieu acide. Ceux-ci se colorent en vert au contact de l’alcool. L’automobiliste souffle dans le
ballon et fait passer l’air à travers le tube. Si la coloration verte dépasse le trait témoin sur le tube, le seuil toléré
est dépassé.
Déterminer la masse de dichromate de potassium devant être placée avant le trait témoin afin que celui-ci
indique le seuil limite des 0,5g d’alcool par litre de sang ou 0,25mg par litre d’air expiré.
Vrai-Faux :
1. L’oxydation d’un alcool secondaire par les espèces du chrome (VI) en milieu aqueux permet d’obtenir une
cétone sans précautions opératoires particulières.
2. En présence de trioxyde de chrome dans la pyridine anhydre, le propan-1-ol est oxydé en acide
propanoïque.
3. En présence de tétraoxyde d’osmium en quantité stœchiométrique, un alcène est oxydé en diol vicinal.
4. En présence de tétraoxyde d’osmium en quantité catalytique avec un co-oxydant, un alcène est oxydé en
diol vicinal.
5. En présence de tétraoxyde d’osmium en quantité catalytique avec deux équivalents de périodate de
sodium, l’hept-2-ène est oxydé en éthanal et pentanal.
6. Le borohydrure de sodium permet la réduction en milieu protique d’un dérivé carbonylé.
7. La pentan-2-one est oxydée en pentan-2-ol par NaBH4
Exercice n° 1 : Oxydation ou réduction ?
Préciser pour chacune des réactions suivantes s’il s’agit d’une réduction ou d’une oxydation.
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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Exercice n° 2 : Diverses réactions
Donner les formules des composés A à E.
1. cyclohexène
OsO4(catalytique)
A
NaIO4
2. propan-2-ol
K2Cr2O7, H+
PCC
3.
butan-1-ol
4.
pentan-2-one
5.
E
NaBH4
KMnO4, H+
B
C
D
acide 3-méthylhexanedioïque
Exercice n°3 : Stéréochimie et dihydroxylation
On traite du but-2-ène par une quantité stœchiométrique de H2O2. Il ne se produit rien. On ajoute une quantité
catalytique de OsO4 et l’on observe la formation d’un mélange, l’une des molécules étant de configuration (2R,
3R).
1. Ecrire l’équation bilan ajustée de la réaction se produisant.
2. Déterminer la stéréochimie de l’acène de départ.
Exercice n°4 : Analyse par clivage
1. Déterminer la structure du dérivé éthylénique conduisant par oxydation de Lemieux-Johnson à la formation :
1.1. d’éthanal et méthanal
1.2. de propanone exclusivement
2. L’α-terpinène, de formule brute C10H16 présente deux doubles liaisons C=C. Par coupure oxydante suivant le
protocole de Lemieux-Johnson, on obtient deux produits : l’éthane-1,2-dial (glyoxal) et la 6-méthylheptane-2,5dione.
2.1. Quel est le nombre d’instaurations et/ou cycles de l’α-terpinène ?
2.2. Quel est le nombre de cycles de l’α-terpinène ?
2.3. Proposer une formule de α-terpinène.
Exercice n°5 : Réduction par NaBH4
Le 2-oxopropanoate de méthyle est soumis à l’action de deux hydrures complexes différents. Après traitement
du milieu réactionnel, on obtient A et B dont les spectres IR sont donnés ci-dessous.
Identifier A et Bet préciser la naturedes donneurs d’hydrures utilisés.
Exercice n°6 : Oxydation pat le dioxyde de manganèse (d’après Centrale)
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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L’oxydation du 3-méthylbut-2-èn-1-ol par le dioxyde de manganèse MnO2 conduit à un produit A de formule
brute C5H8Odont le spectre IR présente deux bandes caractéristiques à 1683 et 1623 cm-1. Le spectre RMN 1H
de A comporte 3 signaux : 1 doublet intégrant pour 1 H à 9,96 ppm ; 1 doublet intégrant pour 1 H à 5,88 ppm
et 1 singulet intégrant pour 6 H à 2,1 ppm.
1. Quelles sont les fonctionnalités du 3-méthylbut-2-èn-1-ol susceptibles de s’oxyder ?
2. A partir des données spectroscopiques, identifier A. commenter les valeurs des bandes d’absorption IR.
3. Calculer les nombres d’oxydation du carbone fonctionnel du 3-méthylbut-2-èn-1-ol et de A.
4. Equilibrer l’équation-bilan d’oxydation de A sachant qu’en fin de réaction le manganèse est récupéré sous la
forme d’ions Mn2+.
5. Proposer un autre réactif qui pourrait remplacer MnO2. Sachant que le 3-méthylbutan-1-ol ne réagit pas dans
des conditions similaires, proposer une application à l’utilisation de MnO2.
6. Une des étapes de la synthèse du phaséate de méthyle (métabolite de l’acide abscissique qui est une
hormone favorisant les dormances des graines de l’hiver) utilise l’intermédiaire B. Le traitement de B par le
tétrahydroaluminate de lithium LiAlH4, suivi d’une hydrolyse prudente, conduit à C (C11H18O4 ; en IR bande à
3400 cm-1, pas de bande autour de 1700 cm-1) qui réagit à son tour avec le dioxyde de manganèse pour conduire
à D, de formule brute C11H16O4, dont le spectre IR comporte entre autres, une bande large vers 3400 cm-1 et
une bande fine et intense à 1678 cm-1. Le spectre RMN de D indique l’absence de H aldéhydique.
O
O
O
O
O
B
6.1. Donner la formule de C. Quelle est la nature de la transformation B→C ?
6.2. Peut-on remplacer LiAlH4 par NaBH4 ?
6.3. Identifier D.
Exercice n°7 : Synthèse d’un terpène (d’après Centrale)
La synthèse débute avec le 3-bromopropanal, composé noté A. A basse température (5-10°C), l’action de
l’éthane-1,2-diol en milieu acide conduit au dioxalane B de formule brute C5H9BrO2.
1. Indiquer une méthode permettant de préparer l’éthane-1,2-diol à partir d’éthylène (éthène) et préciser les
conditions opératoires correspondantes.
2. Donner la structure de B et préciser le mécanisme de passage de A à B.La réaction est-elle renversable ? Si
oui, dans quelles conditions ?
On prépare l’organomagnésien mixte dérivé de B puis on ajoute la 4-méthylacétophénone C. Après réaction et
hydrolyse prudente, on obtient D de formule brute C14H20O3.
O
O
O
O
4-méthylacétophénone
E
O
F
3. Indiquer la structure de D et le mécanisme de formation à partir de de B et C.
4. On souhaite obtenir la molécule E de structure proposée à la figure précédente. Proposer le(s) réactif(s)
nécessaire(s) et les conditions opératoires requises.
Une réaction non décrite permet la synthèse de la molécule F. L’hydrolyse acido-catalysée de F conduit à G de
formule C12H16O.
5. Donner la structure de G. Pourquoi a-t-on formé le dioxalane ?
Réactivité et transformations en chimie organique II – documents de cours PC PGDG-ENCPB
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