Constante d’équilibre

CHAPITRE 5 : Acidité, basicité et pKa

Selon Brønsted et Lowry:

- acide: donneur de proton (H⁺) - base: accepteur un proton

Selon Lewis:

- acide: accepteur d’une paire d'électrons - base: donneur d’une paire d'électrons

Reproduction permise à des fins non-commerciales

Définitions

Selon Lewis

Acide : Molécule qui peut accepter une paire d’électrons Base : Molécule qui peut donner une paire d’électrons

(Ces liens ne sont que des possibilités non confirmées)

CHAPITRE 5 : Acidité, basicité et pKa

Selon Brønsted et Lowry:

- acide: donneur de proton (H⁺) - base: accepteur un proton

Selon Lewis:

- acide: accepteur d’une paire d'électrons - base: donneur d’une paire d'électrons

Acide/base, base conjuguée/acide conjugué, K_éq, K_a, pKa - exemple de l’acide acétique

- pKa + pKb = pKeau = 14

Constante d’équilibre

 

    

   ^{C A D B}

réactifs produits K

 

  

 ^{CH CH COOH COO}  ^{H H O O} 

K

2 3

3 3





En général:

Dans le cas d’une réaction acido-basique:

CH₃COOH + H₂O CH₃COO^- + H₃O⁺ A + B C + D

acide base conjuguée

constante

Constante de dissociation

Constante d’acidité

  

 ^{CH CH COOH COO}  ^{H H O O} 

K

2 3

3 3





Dans le cas d’une réaction acido-basique:

CH₃COOH + H₂O CH₃COO^- + H₃O⁺

acide base conjuguée

constante

Constante de dissociation

    

 ^{CH COO COOH H O} 

O CH H

K K

3

3 3

2







Définition des pK _a et pK _b

b b

a

a

K pK K

pK   log   log

  







K_dis

2 3

3 3



 

   



 



K_dis CH

2 3

3



 

  







  

 CH COOH O H COO

K_a CH

   





3 _ 5.6 10^

  

 CH COO HO COOH

K_b CH

75 . 4 )

10 76

. 1 log(

)

log(   







a

K

pK

25 . 9 )

10 6

. 5 log(

)

log(   







b

K

pK

CH₃COOH + H₂O CH₃COO^- + H₃O⁺

CH₃COOH H₂O

CH₃COO^- + + OH^-

Relation entre pK _a et pK _b

b b

a

a

K pK K

pK   log   log

75 . 4 )

10 76

. 1 log(

)

log(   







a

K

pK

25 . 9 )

10 6

. 5 log(

)

log(   







b

K

pK

CH₃COOH + H₂O CH₃COO^- + H₃O⁺

CH₃COOH H₂O

CH₃COO^- + + OH^-

14 25

. 9 75

.

4  





a

pK

pK

Relation entre pK _a et pK _b

  

     

    

 

14

log

log

) log(

) log

( )

log (

3

3









 

 



 























 



eau

b a

b a

b a

pK

OH O

H

A

OH AH

AH O H A

K K

K K

pK pK

 14





a

pK pK

pK

Acidité, basicité et pKa

Pourrait-on utiliser l'ammoniaque (NH₃, pK_a=9)?

Pourrait-on utiliser l'amidure de sodium (NaNH₂, pK_a=36)?

pK_a=20

- Décrire toutes les équations de K_a et K_éq pour trouver la relation entre K_éq et K_a.

- Équilibre qualitatif vs K_éq.

Exemple

Énergie libre de Gibbs

G˚ = -[8.31x10^-3] x 298 x ln(1x10¹⁶) = -91.2 kJ/mol (~-21.8 kcal/mol) Réaction exergonique

G˚ = -[8.31x10^-3] x 298 x ln(1x10^-11) = 62.7 kJ/mol (~15 kcal/mol) Réaction endergonique

Énergie libre de Gibbs

...

, K , K , K

K

Kelvin en

T T

mol J/K

8.31 R

où

ln

b a

éq o













 G

RT K

équilibre l'

à réaction

0

ue) (exergoniq

spontanée réaction

0

que) (endergoni

spontanée -

non réaction

0









o o o

G Pour

G Pour

G Pour

<

>

ue exothermiq réaction

0 H

que endothermi

réaction

0 H

S T - H G

:

Note ^o

<

>













Exemple

À noter : la dissociation est considérée totale pour tout pK_a ≥ 2 Déterminer la constante d’équilibre pour:

pK_a = 17 pK_a = 25

pKa communs

Alcane Amine Ester/amide Cétone Alcool/eau Acide carboxylique

50 35 25 20 15 5

Identifier le proton acide et la base conjuguée

Notes

- Le pK_a est fonction de la stabilité intrinsèque des ions en présence

- Le pK_a est fonction du solvant

la solvatation des ions, la polarité du solvant vont influencer la constante de dissociation d’un acide

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs - Effets stériques

- Effets électrostatiques - Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:

• Force de liaison

• Hybridation

Effets inductifs

Au travers du « squelette » de la molécule

Ils augmentent en fonction de l’électronégativité Ces effets sont additifs

Ils diminuent avec la distance

Exercices des notes, p.43

Effets inductifs - électronégativité

En fonction de l’électronégativité de Z:

2

H R Si R

2.20 1.90 électronégativité :

C 2.55

pKa (DMSO) : 26.5 27.1 28.3

Effets inductifs

H

X R

X

pKa : 15.5 16.0 17.1 19.2

pKa : 4.8 4.5 4.1 2.8

Effets inductifs

Z électroattracteur:

X électrodonneur:

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs - Effets stériques

- Effets électrostatiques - Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:

• Force de liaison

• Hybridation

Effets stériques

pK_a (DMSO) : 26.5 27.1 28.3 Considérer l’encombrement stérique au

niveau de l’acide et de la base

- +

Effets stériques (acide) sur le pK _a

Notes

-Plus l’acide est fort, plus sa base conjuguée est faible -Plus la base est forte, plus son acide conjugué est faible -Un ion bien solvaté est moins acide/basique

- Un ion moins bien solvaté est plus acide/basique

Effets stériques (base)

Représentation tridimensionnelle:

- l’alignement du doublet de N - planéité

Effets stériques (base)

6x + basique que diméthylaniline Exercice, notes p.48

Effet stérique sérieux

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs - Effets stériques

- Effets électrostatiques - Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:

• Force de liaison

• Hybridation

Effets électrostatiques

- L’acidité peut être augmentée ou diminuée par la présence d’une charge formelle sur la molécule.

- La répulsion électrostatique entre deux charges de même signe est déstabilisante:

Effets électrostatiques

- La possibilité de pont hydrogène peut : Augmenter l’acidité de X-H

Diminuer l’acidité X-H

Effets électrostatiques

2 2

2 2

Effets électrostatiques

pKa = 4.5 pKa = 9.3

pKa = 3 pKa = 13.4

Déterminer facilité relative des premières et des deuxièmes protonations pour:

Effets électrostatiques

Moins acide

Plus acide Quel composé es plus acide?

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs - Effets stériques

- Effets électrostatiques - Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:

• Force de liaison

• Hybridation

Résonance (aromaticité)

La résonance, et davantage l’aromaticité, ont un effet stabilisant pour les charges (-, +)

Un doublet d’électron impliqué dans la résonance sera stabilisé : Un acide sera plus fort si le doublet d’électron libéré est

en résonance

Une base sera plus forte si son doublet d’électron n’est pas en résonance

Résonance des carbonyles ^(acidité)

horizontalement:

verticalement:

résonance

électronégativité

pKa:

Résonance des carbonyles ^(acidité)

CH₃CN pKa = 25 NCCH₂CN pKa = 11 CH(CN)₃ pKa = 5

Résonance

Effet additif:

Résonance

Planaire Planaire Non-planaire

Aromatique Non-aromatique

Anti-aromatique

Résonance

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs - Effets stériques

- Effets électrostatiques - Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:

• Force de liaison

• Hybridation

Tautomérie

Interconversion réversible des isomères associés avec le

mouvement d'électrons et d'un ou plusieurs atomes d'hydrogène Les tautomères sont en équilibre par réaction intermoléculaire avec un autre tautomère ou le solvant

10





énol cétone

a a

éq

K

K K

 

 

 ^{log 10}  ⁵

log

log log

5







 





 





 





 



 

















énol ald

énol ald

énol ald

a a

a a

a a

a

K K

K K

pK pK

pK

OH

H Me

Me O

H Me

MeH

K_éq ~ 10^-5

La forme énol est généralement plus acide que la forme céto

Tautomérie

Informations:

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs - Effets stériques

- Effets électrostatiques - Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:

• Force de liaison

• Hybridation

Orbitales

Force de liaison

- Plus la liaison H-X est forte, plus l’acide est faible.

- Habituellement, une charge – est plus stabilisée sur un atome électronégatif pour une même rangée.

- Dans une colonne, une charge – est plus stabilisée sur ion plus volumineux (meilleure dispersion de la charge à la

surface, donc moins de répulsion é-é).

Hybridation

Plus une orbitale a de caractère «s», plus elle pourra accommoder une charge négative.

sp est plus acide que sp² qui est plus acide que sp³

Orbitales

Orbitales – force de liaison

CH

-CH

pKa = 42 CH

=CH

pKa = 36 HC CH pKa = 25

Orbitales - hybridation

Généralités sur les mécanismes

- Valence H, C, N, O, X pour expliquer les charges

- Règle de l’octet (électrons s+p) pour expliquer les sites nucléophiles et électrophiles, de concert avec les formes limites de résonance

Exemple:

CHAPITRE 6: Substitution

nucléophile aromatique

Généralités sur les mécanismes

Flèches

a) b) c) d)

e)

f)

g)

Trucs de base pour les mécanismes

Deux types généraux de réaction:

1. Acide-base

2. Nucléophile-électrophile Définir nucléophile et électrophile 1 inclus dans 2

Ne pas oublier les formes limites de résonance!

Mécanisme d’addition – élimination

H^- est un mauvais nucléofuge, donc il faut un substituant

6.2: Substitution nucléophile

aromatique

Qualité du nucléofuge:

Hautes températures parfois nécessaires

Substitution nucléophile aromatique

Effet d’activation

2 2

2 2

2

2

3 2 o ^-3

p ^-2

3 2

3 2

Mécanisme

Effet d’activation

2

2

Effet du solvant

Un solvant polaire aprotique stabilise l’intermédiaire anionique

Postulat de

Hammond

(explication pour les k_rel de formation du complexe-)

Effet de substitution

Plus lent

2

2

-

-

2

2

Plus rapide

Explication par la résonance !

Nucléofuges et groupements activants

Nucléofuges habituels: halogènes, cyano, nitro (NO₂), mais aussi des moins bons tels -OR, -F et -SO₃^-2. -NR₂ et -H ne fonctionnent pas: trop mauvais nucléofuges

Groupements activants: groupements électroattracteurs tels nitro, carbonyles, cyanos et sulfones.

Problème potentiel: réaction d'addition directement sur le groupement attracteur

Exemples

Exemples

Dessiner les diagrammes d’énergie pour les substitutions ipso du -OEt et du -NO₂

Comparer les énergies des complexes  et discuter du chemin réactionnel favorisé

Exemples

2

2 2

2

2

2 2 2

2

2

Exemples

Exemples

2 2+

SNA sur hétérocycles

Pyridine: N assez électronégatif pour activer le cycle et subir l’attaque d’un nucléophile et déplacer le Cl^-, contrastant avec les noyaux benzéniques.

SNA sur hétérocycles

On peut activer la pyridine par N-alkylation afin de permettre l’attaque de nucléophiles plus doux

SNA sur hétérocycles

e.g. Sel de Mukaiyama pour couplage peptidique

SNA sur hétérocycles

On peut activer la pyridine par N-oxydation puis acylation/alkylation

Précision – Stabilité vs Réactivité

Stabilité: énergie totale des orbitales moléculaires

remplies

Réactivité: énergies relatives des orbitales moléculaires frontières (HOMO pour un nü

et LUMO pour un E⁺)

CHAPITRE 7: Substitution électrophile aromatique

Différence entre les alcènes et le benzène: l’aromaticité!

X = -NO₂, -NO, -N=N-Ar, -SO₃H, -SO₂Ar, -HgOAc, -C(O)R.

Clayden, chapitre 22, pp.547-571

Mécanisme de la SEA

Mécanisme de la SEA

Complexe 

Mécanisme de la SEA

Majorité des cas

Complexes  stables

Complexes  stables

Quelle est l’étape déterminante?

Dérivé du benzène

Benzène Toluène

1,4-Diméthylbenzène 1,2-Diméthylbenzène 1,3-Diméthylbenzène 1,2,4-Triméthylbenzène 1,2,3-Triméthylbenzène

1,2,3,4-Tétraméthylbenzène 1,3,5-Triméthylbenzène

1,2,3,5-Tétraméthylbenzène Pentaméthylbenzène

Vitesse relative de bromation

1 605 2 500 5 300 514 000 1 520 000 1 670 000 11 000 000 189 000 000 420 000 000 810 000 000

Stabilité relative du complexe 

1 7 11 12 290 700 770 4 400 145 000 178 000 322 000

Stabilité relative du complexe 

1 1,51 1,65 1,85 2,06 2,23 2,40 2,68 2,60 2,74

---

Pouvoir orienteur o/p et m

Stabilisation de la charge positive dans le complexe !

Exemples:

Solvatation du complexe !!!

Pouvoir orienteur o/p et m

On peut aussi regarder la résonance dans le produit de départ pour déterminer les sites activés et ceux désactivés

Exemples:

Sélectivité o /m /p Facteur -I

L’effet inductif attracteur est additif

L’effet inductif attracteur diminue

avec la distance

Sélectivité o vs p

- Statistique - Stérique

- Effet donneur inductif

Favorise ortho Favorise para Favorise ortho

Sélectivité o vs p

1:6.7 1:6.1 1:0.8 1:0.6

Le cas spécial des halogènes

Pour les halogènes:

L’effet inductif prédomine pour désactiver le cycle

L’effet de résonance prédomine pour le pouvoir orienteur

Plus réactif, moins sélectif

Diagrammes d’énergie: somme substrat + réactif; + réactif = E.T. + tôt Habituellement, plus les espèces présentes sont réactives, moins la réaction est sélective.

Sélectivité ortho et para dépend donc aussi de l'électrophile.

En général, la chloration (AlCl₃) est moins sélective que la nitration, la bromation ou la sulfonation du chlorobenzène.

Changer le pouvoir orienteur

d’un même substituant

Changer le pouvoir orienteur d’un même substituant

amines très o,p-directeurs, mais…

Tableau des pouvoir orienteurs

Page 67 des notes de cours À comprendre en général…

(k_rel est la vitesse relative de nitration de PhX p/r à PhH)

OR > NH₂ > OH > OC=O > I ~ Br ~ Cl > Me > C=O > ⁺NR₃

Même ordre pour un aromatique polysubstitué

7.3 Halogénation

Catalyseur nécessaire pour noyaux

désactivés

Mécanisme avec catalyse

Meilleur nucléofuge

7.3 Halogénation

Désactivation partielle pour éviter la polysubstitution

Même truc avec les phénols

7.4 Nitration

7.4 Nitration

Contrôle assez facile de la mononitration

7.4 Nitration

Les conditions de nitration sont très acides, ce qui peut amener des sélectivités inattendues…

7.4 Nitration

Désactivation partielle pour un meilleur régiocontrôle.

7.5 Sulfonation

7.5 Sulfonation

La sulfonation est réversible!

Elle est donc utile en synthèse d’aromatiques pour protéger la position para

7.5 Sulfonation

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Alkylation sur un aromatique où l’espèce électrophile est un carbocation sur un alkyle

Le carbocation peut être généré par différentes manières:

- Halogénure d’alkyle avec acide de Lewis fort - Déshydratation d’alcool

- Protonation d’alcènes

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

- Halogénure d’alkyle avec acide de Lewis fort

Acides de Lewis généralement utilisés:

AlCl₃ > SbCl₅ > FeCl₃ > SnCl₄ > ZnCl₂

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

- Déshydratation d’alcool

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

- Protonation d’alcènes

2 4

4

4

2 4

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Formation du carbocation libre pas toujours évidente…

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Formation du carbocation libre pas toujours évidente…

Seulement le produit de réarrangement avec AlCl₃: implique le carbocation libre

Alkylation au carbone primaire avec FeCl₃

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Les réarrangements de carbocations mènent à des réactions secondaires souvent indésirables.

Stabilité des C+: primaire < secondaire < tertiaire Hyperconjugaison!

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Autre source de produits secondaires:

Le produit final est plus réactif que le produit de départ!

Solution: utiliser un large excès de l’aromatique…

s’il n’est pas trop précieux!

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

La version intramoléculaire est plus sélective et plus «propre»

(moins de produits secondaires)

4

2 4

- Attaque intramoléculaire plus rapide que le réarrangement - Seulement la monoalkylation est possible si dilué

- Régiosélectivité (o,m, p) parfaitement contrôlée

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Polysubstitution d’alkyles polyhalogénés

7.7 Les détergents synthétiques

insoluble dans l'eau soluble dans l'eau

Il faudrait avoir un sel de calcium ou de magnésium qui soit soluble dans l’eau:

Les sels d’acide sulfonique

7.7 Les détergents synthétiques

Chaîne alkyle avec C tertiaires dure à digérer par les bactéries:

remplacement par des chaînes modifiées

7.8 L'acylation de Friedel-Crafts

Chlorure d’acyle + acide de Lewis = carbocation acyle (cation acylium)

La résonance stabilise le cation:

limite les réactions secondaires

7.8 L'acylation de Friedel-Crafts

Le produit final est désactivé:

monoacylation assez facile à contrôler

Les anhydrides donnent les mêmes résultats

7.8 L'acylation de Friedel-Crafts

L’acylation de Friedel-Crafts est sensible aux effets stériques (mais pas autant que la sulfonation) et donne une bonne

sélectivité para pour des aromatiques monosubstitués

7.8 L'acylation de Friedel-Crafts

La version intramoléculaire peut être utilisée pour cette réaction aussi:

elle offre l’avantage de construire des molécules polycycliques

En version intramoléculaire, on peut utiliser un acide fort directement sur l’acide carboxylique pour générer le cation acylium

(pas besoin de passer par le chlorure d’acyle)

7.9, 7.10 et 7.11

À la fin, si on a le temps

7.12 Substitution ipso

Substitution ipso d’un alkyle seulement si le nucléofuge a un C

stabilisé

2

7.12 Substitution ipso

Le bore est prédestiné à la substitution ipso:

Orbitale vide électrophile

Nucléofuge pour redevenir neutre

7.12 Substitution ipso

Le silicium peut subir une attaque de Cl

à cause de ses orbitales d vides

7.12 Substitution ipso

CO

H peut subir une substitution ipso seulement quand il est ortho à un OH:

condition pour qu’il y ait décarboxylation

7.13 Molécules aromatiques polycy-

cliques et hétéroaromatiques

7.13 Molécules aromatiques polycy- cliques et hétéroaromatiques

On fait la réaction qui produira le cation le plus stabilisé

7.13 Molécules aromatiques polycy- cliques et hétéroaromatiques

On brise le moins de cycles aromatiques possible L’alcène se comporte pratiquement

comme un alcène normal

7.14 Résumé des réactivités

Substituant

O-, NH₂, NR₂, OH, OR, NCOR, OCOR, OCO₂R

alkyle, aryle

F, I < Cl, Br

CN, CO₂H, CHO, COR, SO₃H, NO₂, < +NR₃

Effet

Fortement activant Faiblement

activant Faiblement

désactivant Fortement désactivant

Électrophiles capables de réagir

N^{O+, Ar-N}^N+, HCN+-H

R₃C+ ou RCH₂X--MX₃, R-C^{O+, H+, R}₂^C=O+-H

voir ci-bas

NO₂+, Br₂ et Cl₂ avec MX₃, HOBr, HOCl, SO₃

p. 81

CHAPITRE 8: Synthèse de

composés aromatiques

CHAPITRE 8: Synthèse de composés aromatiques

À voir de façon personnelle

Constitue une révision et une application

de la chimie aromatique

8.3 Problèmes à faire en classe

portant sur les chapitres 6, 7 et 8

a) Indiquez le produit majoritaire de la réaction suivante et proposez un mécanisme.

8.3 Problèmes à faire en classe

portant sur les chapitres 6, 7 et 8

b) Expliquez clairement pourquoi le m-xylène subit la

chloration 200 fois plus vite que l'o-xylène ou le p-xylène.

8.3 Problèmes à faire en classe

portant sur les chapitres 6, 7 et 8

c) Prédisez et expliquez le pouvoir orienteur du groupe nitroso.

Est-il désactivant ou activant?

8.3 Problèmes à faire en classe

portant sur les chapitres 6, 7 et 8

d) Faites la synthèse du produit de droite à partir du produit de gauche.

8.3 Problèmes à faire en classe

portant sur les chapitres 6, 7 et 8

3 3

e) Prédisez le produit majoritaire.

8.3 Problèmes à faire en classe

portant sur les chapitres 6, 7 et 8

f) Proposez un mécanisme pour la réaction suivante.

8.3 Problèmes à faire en classe

portant sur les chapitres 6, 7 et 8

g) Proposez une synthèse du produit de droite à partir du produit de gauche.