Chimie Organique IV réactivité des chaines latérales et des fonctions aromatiques

L2 Pharmacie- Chimie Organique
18/11/2013- Pr C.Rochais
Groupe 18- M-A et A2
N°12
Chimie Organique
IV réactivité des chaines latérales et des fonctions aromatiques
3. Phénols
c) propriété et spectroscopiques
i. Propriétés physiques
ii. Propriétés spectroscopiques
d) Réactivité chimique
i. Réactivité du groupement OH
ii. Réactivité du cycle benzénique
iii. Propriétés et réactivité des quinones
4. Amines aromatiques : Anilines
a) Généralités
i. Nomenclature
ii. Acidité-Basicité
iii. Spectroscopie
b) Préparation
i. Réduction de dérivés nitrés
ii. Substitution Nucléophile Aromatique SNAr sur les halogénures
iii. Réarrangement de Curtius d’azotures d’acides
iv. Réarrangement d’Hofmann d’amides
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3. Phénols
c) Propriétés physiques et spectroscopiques
i. Propriétés physiques :
Structure :
L’énergie de résonnance est plus élevée que pour le benzène, cela est dû au doublet non liant
de l’oxygène qui va participer à l’aromaticité et donc à la stabilité de la molécule.
La liaison de l’oxygène a un carbone sp2 électroattracteur (-I) : la liaison C-O est plus courte
et l’atome d’oxygène est plus basique, le proton est plus acide.
Les phénols sont plus acides (8<pKa<10) que les autres alcanols (pKa 16-18) mais cependant
ils sont moins acides que les acides carboxylique (pKa 3-5)
L’effet mésomère (+M) de l’oxygène permet la délocalisation de la charge dans tout le cycle,
ce qui permet de faire quatre formes mésomères différentes et donc d’augmenter la stabilité
du phénolate ; augmentant ainsi son caractère acide. Car l’acidité augmente lorsque la stabilité
de a base augmente.
L’effet –I du carbone sp2 stabilise le phénate*
(pKa plus bas, acide plus fort)
(*phénate = phénolate)
Influence de la substitution sur l’acidité des phénols :
L’introduction de groupes
attracteurs
dans
certaines
positions
va
augmenter
l’acidité des dérivés.
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Un groupement donneur (+I) comme CH3 va faire baisser l’acidité à la différence des
groupements attracteurs (-I) qui rendent les molécules plus acide. De plus la position en
ortho/méta/para a aussi une influence une l’acidité. Comme on peut le voir un groupement
nitro en ortho ou en para rend plus acide que s’il était placé en métha. Si le groupement nitro
est en ortho ou en para de l’oxygène, on peut écrire une quatrième forme mésomère donc cela
augmente la stabilité et la rend plus acide que celle substitué en méta. De plus, plus les
électrons sont délocalisables, plus la structure est stabilité et donc plus la molécule sera acide
comme pour le 2,4,6-triNO2, qui est substitué par 3 groupements nitro et qui a donc 7 formes
mésomères différentes.
Les phénols sont des bases beaucoup plus faibles que les alcools : pKa (PhO+H2/PhOH) = -7
car la protonation de l’Oxygène est plus difficile que sur les alcools car le doublet de l’Ose
délocalise dans le cycle.
Intérêt, séparation du phénol, des alcools et des acides carboxyliques :
Dans un bécher on met du phénol pKa(PhOH/PhO-) = 10, un acide carboxylique pKa
(RCO2H/RCO2-) = 4 et de l’alcool pKa (H20/0H-) = 18. On dispose de deux solutions pour
effectuer les séparations : NaHCO3 : pKa (H2CO3/HCO3-) = 7 et NaOH avec un pKa
(H2O/OH-) = 15,75.
Comment on fait pour séparer un composé indépendament les uns des autres : il faut qu’on
passe un composé sous forme ionique pour que par la suite il passe en phase aqueuse. Il faut
pour ça qu’on choisisse en premier le composé le plus facile à déprotoner donc c’est celui qui
est le plus acide, qui a donc le pKa le plus bas, ici c’est l’acide carboxylique. Si on veut le
déprotoner sans déprotoner les autres molécules présentes on va utiliser le NaHCO3 qui un
pKa compris entre 4 et 10. Ainsi le COOH sous forme d’ions va rester dans la phase
organique. Puis pour séparer le phénol et l’alcool on utilise cette fois ci la soude qui a bien un
pKa compris entre 10 et 18. Ainsi on effectue des passages séquentiels en fonction des valeurs
de pKa.
Comme le phénol est un acide plus fort que l’eau (car son pKa est plus faible que celui de
l’eau), on observe en présence de soude la formation immédiate de phénate très soluble dans
l’eau.
Dans le cas du 1-hexanol, moins acide que l’eau, cette réaction n’a pas lieu et les alcools ne
sont pas solubles.
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ii. Propriétés spectroscopiques
On reconnait un phénol à l’infrarouge grâce à la bande large caractéristique de OH de 3000 à
3600 cm-1.
Pour le RMN, il y a trois signaux dont deux très visibles à 7-8 ppm, les pics sont blindés par
l’enrichissement en électrons en position ortho et para du cycle aromatique du phénol par
l’effet +M.
Les phénols ont une plus grande conjugaison, ils forment plus de formes mésomères
(phénate).
d) Réactivité chimique
i. Réactivité du groupement OH :
ia) formation d’éther, synthèse de Williamson
Les ions phénoxydes sont de très bons nucléophiles (halogénoalcanes).
Mécanisme SN2
Mécanisme SN1
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ib) réaction d’estérification
Selon les conditions choisies il y a une compétition entre une C-acylation (substitution
nucléophile) et une O-acylation (addition-élimination)
Les phénols sont acylés par les halogénures d’acyles et par les anhydrides.
Le produit résultant de la SEA, est obtenu en présence d’un acide de Lewis supplémentaire.
Il peut aussi se produire des réarrangements de Fries : c’est un réarrangement d’ester en
présence d’un acide de Lewis. Ces réarrangements se produiront en position ortho et para du
cycle aromatique.
ii. Réactivité du cycle benzénique
iia) Réaction de substitution électrophile
Le groupement OH est activant et les réactions sont donc beaucoup plus rapides qu’avec le
benzène. De ce fait des conditions plus douces sont généralement utilisées pour réaliser les
réactions donc au contraire des réactions avec le benzène on n’utilise pas d’acide de Lewis
pour activer (sauf pour l’acylation ou on utilise toujours un acide de Lewis). Le groupe OH
oriente en ortho et para car le cycle est enrichit en électron à cause de l’effet donner de
l’oxygène.
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Bromation :
Grâce à des conditions spécifiques qui vont permettre de diminution la réactivité de la
molécule, on peut avoir une halogénation sélective en para. Sinon dans les conditions
normales, à température ambiante à cause de l’effet +M de l’oxygène du phénol, il va y avoir
un problème de polyaddition car le noyau aromatique est riche en électrons.
Nitration :
Pour la nitration, les propriétés physiques sont différentes pour la position ortho et para. Ainsi
la position ortho est favorisée car il y a formation d’une liaison hydrointramoléculaire
(température d’ébullition est donc plus faible) (30%-40%) et une liaison intermoléculaire pour
l’isomère en para (15%). Ces deux produits peuvent donc être séparés par distillation.
Sulfonation :
Il existe de deux types de produits :
- Les produits thermodynamiques qui sont les plus composés les plus stables car ils
possèdent une énergie finale plus basse mais une énergie de transition plus importante.
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-
Les produits cinétiques qui sont les produits formés le plus rapidement mais ils sont
moins stables, ils ont donc une énergie de transition plus basse ce qui explique le fait
qu’il se forme plus facilement. (comme le montre le graphique)
Ces réactions sont réversibles : en effet on peut facilement passer de l’une à l’autre en
chauffant.
Polynitration : synthèse de l’acide picrique
Réaction de Kolbe : Carboxylation des phénols
L’ion phénoxyde attaque le dioxyde de carbone et engendre le sel de l’acide 2hydrobenzoique, on va former un tautomère puis on va arriver à la formation de l’acide
salycilique. Réaction régiosélective en ortho car le proton très acide est capté par l’oxygène.
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Application à la synthèse de l’aspirine
Pour former de l’aspirine on utilise de l’acide salycilique qui va réagir avec un anhydre
acétique.
La première synthèse de l’aspirine a été réalisée par Gehrardt en 1853 et c’est Bayer qui a
déposé le brevet le nom en 1899.
Réaction de Reimer-Tiermann :
Le mécanisme consiste à utiliser de la potasse, du chloroforme et un phénol pour former
l’aldéhyde salycilique. On va donc devoir former une liaison C-C en ortho du phénol qui est
nucléophile.
On arrache le proton du chloroforme grâce au milieu basique, on va donc libérer de l’eau et
former un anion avec trois atomes de chlore, qui seront donc plus électroattrateurs que le
carbone.
Formation du carbène, que ne respecte pas la règle de l’octet car il ne possède que 6 électrons,
il va donc posséder une lacune, qui va permettre l’attaque du phénol.
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Réaction de Mannich :
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Réarrangement de Claisen : particularité des éthers allykiques, substitution nucléophile
d’ordre 2.
iiia) Propriétés des diphénols et des quinones
Le catéchol et l’hydroquinone sont
souvent utilisés comme antioxydant car
il on la capacité de capter les électrons.
iiib) Réactivité des quinones
Réaction d’addition
L’addition nucléophile conjuguée de Cl- s’effectue comme un composé carbonylé α-βinsaturé ordinaire, en position ortho.
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iiic) Processus d’oxydo-réduction dans la nature
En milieu biologique, les ubiquinones (notées Q) peuvent être réduite en Ubiquinol (notée
QH2)
L’ubiquinone intervient dans la chaîne respiratoire en tant que transporteur de réducteurs.
L’ubiquinone Q est ensuite réduite en QH2 qui est réoxydée en Q.
QH2
Q + 2H+ + 2e½ O2 + 2H+ + 2eH2O
Les ubiquinones sont ainsi des médiateurs permettant la réduction de l’oxygène en eau.
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4. Amines aromatiques = Anilines
a) Généralités
On appelle aniline les dérivés du benzène substitué par une amine
i)
Nomenclature
ii)
Acidité – basicité
pKa = 4,62
La faible basicité de l’aniline
est liée à la délocalisation du
doublet vers le cycle donc il
sera moins disponible pour
capter un proton.
La différence d’acidité entre un cycle aromatique et un non aromatique est lié au fait que les
électrons peuvent entièrement se délocaliser dans les cycles aromatique ce qui entraine une
certaine stabilité.
Plus on peut faire de délocalisation, plus la molécule sera stable et plus elle sera acide
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Influence de la substitution :
- Les groupements –M diminuent la basicité
- Les groupements +M augmentent faiblement la basicité
- Les groupements –I diminuent la basicité
- Parallèle entre acidité des phénols et basicité des animes primaires
Donc les molécules contenant des cycles aromatiques sont plus acides que celles ayant des
cycles saturés. Ensuite il faut regarder la nature du groupement substituant le cycle.
iii)
Spectroscopie
 infrarouge
Il faut bien distinguer le spectre infrarouge d’une amine secondaire qui a un pic
caractéristique en 3400cm-1 et celui d’une amine primaire qui possède lui deux pics en
3400cm-1.
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
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RMN
On voit que les protons sont plus blindés sur les anilines que sur les phénols car l’azote est
moins électronégatif que l’oxygène et donc plus donneur d’électrons (il va céder plus
facilement ses électrons sur le cycle). L’azote a un effet blindant en position para et ortho du a
un enrichissement de la densité électronique.
b) Préparation
i)
Réduction de dérivés nitrés
On peut réduire un groupement NO2 en NH2 par :
- Des métaux en milieu acide : Fe/HCL, Sn/HCl, Zn/AcOH
- Hydrogénation catalytique : H2, Pd/C (pas si halogène), H2/Ni
ii)
Sustitution Nucléophile Aromatiques SNAr sur les halogénures
Les SNAr sur les anilines peuvent se faire par addition-élimination ou par éliminationaddition (avec un intermédiaire benzyle), cela dépend de la nature des substituants.
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iii)
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Préparation des azotures
Addition-Elimination sur CO
OU
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iv)
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Mécanisme :
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