Réactions en compétition avec la substitution nucléophile (Clayden pp. 443-444)

Les réactions de S_N que nous venons de voir donnent souvent de bons rendements et peu de produits secondaires. Ce n'est pas toujours le cas. Il y a maintes complications pour certaines réactions ou pour certains substrats en particulier. Les deux types de réactions souvent en compétition avec la substitution sont l'élimination et les réarrangements. Par exemple, observons les résultats obtenus avec la substitution du 3,3-diméthylbutan-2-ol par l'acide bromhydrique.

C

Cette réaction conduit au 3,3-diméthyl-2-bromobutane B comme produit majoritaire mais aussi à une grande proportion de divers produits secondaires. Les 4 autres produits sont des produits de réarrangement et d'élimination. Nous allons maintenant voir d'où ils proviennent. D'abord établissons le mécanisme de la réaction comme étant S_N1 puisque le site d'attaque est encombré, le bromure est un nucléophile moyen et l'eau est un solvant polaire, donc favorisant la formation de charge. Le départ de l'eau, après protonation, constitue donc la première étape et ceci donne lieu au carbocation comme intermédiaire. Ce carbocation a un temps de vie appréciable et si l'attaque du nucléophile n'a pas lieu immédiatement, il peut être sujet à plusieurs autres réactions.

D'abord, il y a le réarrangement d'un méthyle qui migre sur le carbocation secondaire pour en donner un nouveau, celui-là tertiaire. Ce genre de réarrangement procède généralement à une vitesse légèrement plus faible que celle de l'attaque d'un nucléophile, mais il peut parfois y faire compétition.

La force motrice de ce réarrangement est bien sûr la stabilité accrue du carbocation tertiaire par rapport à celle du carbocation secondaire. Ce nouveau carbocation est, lui aussi, sujet aux mêmes lois que le premier, i.e. qu'il peut additionner l'ion bromure pour donner le second produit C, ou se réarranger encore, ou subir l'élimination d'un proton.

C

(Double cliquez sur la figure ci-bas pour visualiser l’alignement du lien C-H avec l’orbitale p du carbocation).

L'élimination d'un proton provient de la dualité nucléophilie - basicité. Chacun peut se comporter comme une base ou comme un nucléophile, et cela dépend des conditions de réaction et de la nature du nucléophile et de l'électrophile. L'ion bromure est un ion beaucoup plus nucléophile que basique puisque HBr est un acide fort. Cependant, l'eau dans le milieu peut servir de base pour arracher un proton et donner l'alcène correspondant. Chaque carbocation peut subir cette élimination pour donner les 3 différents alcènes observés D-F. Lorsque l'élimination se produit sur un carbocation, le mécanisme est appelé E1 par analogie à S_N1. La réaction E2 est aussi possible comme on va le voir plus loin. La réaction E1 a la même étape déterminante que la S_N1, i.e. la formation du carbocation, et sa vitesse est donc indépendante de la concentration de la base utilisée.

H₂O

Il est évident que seulement certains substrats donneront un mélange de produits aussi complexe.

D'abord, il doit y avoir des protons en β disponibles pour l'élimination. Ensuite, la migration doit produire un carbocation aussi stable ou plus stable que le premier. L'apparition des différents produits est explicable en termes d'énergies d'activation relatives des différents processus en compétition. La réaction présentée ici n'est pas à l'équilibre. Si elle l'était, les produits les plus stables seraient majoritaires. En conditions cinétiques, les produits formés le plus rapidement seront majoritaires.

Puisque le 3,3-diméthyl-2-bromobutane B est majoritaire, on doit conclure que sa formation est plus rapide que celle des produits de réarrangement ou d'élimination. Par contre, le 2,3-diméthyl-3-bromobutane C est produit en plus grande quantité que les 3 autres produits minoritaires et il faut donc que le réarrangement soit plus rapide que l'élimination. Le carbocation tertaire étant plus stable que le carbocation secondaire, sa formation est irréversible.

N'oubliez pas que l'étape lente est la formation du premier carbocation. Le reste ne contribue pas à la vitesse globale de la réaction. Cependant, le ratio des produits est nécessairement dépendant des vitesses des réactions subséquentes. La vitesse globale = k [R-X] seulement. Le ratio des produits de réarrangement C+E+F par rapport à B+D dépend seulement des vitesses relative de la migration du méthyle A⁺ C⁺ et de la formation des produits B et D. Le ratio des produits C, E et F dépend de leur vitesse relative de formation.

C l'élimination et les réarrangements sont souvent secondaires, le fait d'augmenter la température augmente la quantité de produits d'élimination ou de réarrangement. En fait, une plus haute température n'augmente que la quantité du produit normalement minoritaire.

Les réarrangements sont impossibles avec la réaction S_N2 puisqu'il n'y a pas d'intermédiaire carbocationique. Cependant, la réaction d'élimination est en compétition avec la substitution et elle peut même devenir majoritaire. La réaction S_N2 requiert souvent un nucléophile plus puissant que ceux utilisés pour les réactions S_N1, comme les alcoolates par exemple, qui sont alors aussi de bonnes bases.

L'arrachement du proton se fait donc de façon concertée avec le départ du groupe partant et, par analogie au mécanisme S_N2, on parle alors d'un mécanisme E2.

Br EtONa EtOH

H

Br O

Et

OEt

OH

Et Br

+ +

+

90% 10%

Le pourcentage de produits d'élimination varie avec la basicité du nucléophile. En contrepartie, la basicité d'un composé varie avec sa dureté. Le proton étant un électrophile dur, plus la base (nucléophile) est dure, plus elle a d'affinité pour le proton, i.e. plus elle est basique plutôt que nucléophile. Une base forte sur un substrat encombré donne donc beaucoup de produits d'élimination.

Un bon nucléophile sur un substrat peu encombré donne beaucoup de substitution.

F^- , MeO^-, Me₂N^-, R₃C^-, NC^-, Cl^-, Br^-, N_3-, I^-, PhS

-Forte basicité Forte nucléophilie

Comme la réaction S_N2, la réaction E2 est bimoléculaire, i.e. que sa vitesse dépend à la fois de la concentration de la base et de celle de l'électrophile. La température a le même effet que sur les autres réactions et une augmentation de celle-ci donne souvent un surcroît d'élimination. Le nucléofuge joue un rôle important sur le cours de la réaction. L'iode donne plus d'élimination que le brome et que le chlore avec des ratios relatifs d'environ 400 : 60 : 1. C'est pour cela que les iodures sont moins utilisés dans les réactions de substitution. On peut comprendre cet effet en pensant que l'iode étant un meilleur groupe partant, le proton adjacent devient un acide plus fort. L'acidité du proton est donc importante aussi. Par exemple, un substrat ayant un proton relativement acide donnera beaucoup, voire même exclusivement, d'élimination.

EtONa EtOH Br

O H H

OEt

O O

+

<1% >99%

Dans la prochaine section, nous verrons plusieurs exemples de chacun des facteurs dont nous avons parlé jusqu'ici. Ces facteurs n'agissent jamais seuls. Chacun affecte la réaction différemment mais le

chimiste ne voit que le résultat global de tous ces effets. C'est pourquoi la prédiction de ratio de produits ou de mécanisme de réaction est presque toujours difficile. Il est plus facile d'expliquer les différences entre deux résultats selon les variations des conditions de réaction.