Composés carbonylés en tant qu’électrophiles

-1-

O O

Chimie organique 1 :

Composés carbonylés en tant qu’électrophiles

Deux groupes fonctionnels sont rassemblés sous l’appellation composés carbonylés :

Aldéhyde Cétone

Groupe caractéristique = Groupe carbonyle –C(=O)- Carbone fonctionnel =Carbone portant l’atome d’oxygène

Beaucoup de similarités entre ces deux fonctions (d’où l’attribution d’un nom de groupe commun), mais l’existence de différences de réactivité justifie l’utilisation de deux termes fonctionnels distincts.

Le groupe caractéristique C=O est d’une très grande importance en synthèse organique. Très utilisés comme intermédiaires dans les synthèses, les composés carbonylés présentent deux réactivités majeures :

• Electrophilie du carbone fonctionnel (celui qui porte l’oxygène)

• Basicité de l’hydrogène porté par le carbone adjacent au groupe carbonyle (appelé carbone α).

Deux remarques préliminaires :

• Dans ce premier chapitre, on ne s’intéresse qu’à l’électrophilie du carbone fonctionnel. Le second aspect sera abordé dans un chapitre ultérieur.

• L’atome d’hydrogène porté par le carbone fonctionnel d’un aldéhyde (-CHO) n’est pas basique !!!!

1. Présentation

1.1. Nomenclature

Si le groupe carbonyle est la fonction principale :

• Pour un aldéhyde : le nom s’obtient en remplaçant dans le nom de l’alcane associé à la plus longue chaîne carbonée, la terminaison –e par –al

• Pour une cétone : le nom s’obtient en remplaçant dans le nom de l’alcane associé à la plus longue chaîne carbonée, la terminaison –e par –one, précédée de l’indicatif de sa position sur la chaîne carbonée.

Expl :

-2- O

OH

O O

O

O

Si le groupe carbonyle n’est pas la fonction prioritaire : l’indication de sa position est rejetée à l’avant du nom de la molécule, associée au préfixe « oxo » précédé par l’indicateur de sa position sur la chaîne carbonée.

Expl :

1.2. Propriétés physiques et spectroscopiques

a) Géométrie et polarité

• Environnement VSEPR : AX3

Géométrie autour du carbone fonctionnel : Triangulaire plane

• Polarité de la liaison C=O :

Expl : Moment dipolaire de l’éthanal : µ = 2,7 D.

Utilisation : en tant que solvant organique polaire

b) Propriétés spectroscopiques

-

Spectroscopie IR :

Elongation de la liaison C=O : Bande vers 1700-1800 cm^-1

Pour les aldéhydes uniquement : Bande supplémentaire vers 2700-2800 cm^-1 (Elongation de la liaison Cald-H) Remarque : La bande de vibration d’élongation de la liaison C=O apparaît à un nombre d’onde plus bas dans les cas où cette liaison est affaiblie. Par exemple :

Conjugaison : Liaison hydrogène intramoléculaire :

-3-

-

Spectroscopie RMN :

Effet du groupe C=O :Effet déblindant sur les H proches.

Pour les aldéhydes uniquement : H aldéhydique donné un signal vers 9 à 11 ppm

2. Propriétés électroniques

2.1. Orbitales moléculaires du méthanal -

Molécule de méthanal (carbonylé le plus simple) :

-

Le diagramme orbitalaire complet permet de décrire l’ensemble des OM σ et π de la molécule. Mais pour appréhender la réactivité des molécules, il faut s’intéresser aux OM qui sont à la limite entre HO et BV :

O H

E H

π

^∗

π σ

2.2. Conséquences sur la réactivité des carbonyles

a) Prévisions du modèle de Lewis

L’étude de la formule de Lewis d’un carbonylé permet de prévoir que le groupement carbonyle peut réagir de deux façons différentes :

→ Addition nucléophile (AN) ou Substitution nucléophile (SN) ?

-4- O

R1

R2

H

b) Réaction avec un acide de Brönsted ou de Lewis : Carbonyle = base

-

En présence d’un électrophile comme un acide de Lewis (composé possédant une lacune électronique) ou un acide de Brönsted (susceptible de céder un H⁺), les composés carbonylés réagissent par leur site le plus donneur d’électrons : le doublet non liant porté par l’atome d’oxygène :

Site basique d’un carbonyle = DNL de l’oxygène Expl :

Intérêt de la protonation des carbonylés : Confère l’atome de carbone fonctionnel une charge positive plus grande, ce qui le rend plus nucléophile.

Quand protoner un carbonylé ? Quand on l’oppose à un nucléophile insuffisamment fort. C’est le cas pour les nucléophiles oxygénés comme les alcools.

2.3. Comparaison de la réactivité des aldéhydes et des cétones

Vis-à-vis des AN : Les aldéhydes réagissent plus vite avec les nucléophiles que les cétones.

Justifications :

• Aspect stérique :

• Aspect électronique :

• Aspect orbitalaire : voir TD Info Hückel

-5-

OH O

K₂Cr₂O₇ H₂SO₄

(96 %)

OH CrO₃, H₂SO₄ O acétone

(80 %)

3. Préparation par oxydation ménagée des alcools

Oxydation ménagée ↔ Chaîne carbonée non modifiée

La fabrication des composés carbonylés par ozonolyse des composés à double liaison C=C ne sera pas étudiée ici. Elle a déjà été abordée en première année. Un rappel sera fait dans le chapitre concernant l’oxydation des dérivés éthyléniques.

3.1. Résultats expérimentaux

On met des alcools isomères mais de classes différentes en présence d’un oxydant puissant, le dichromate de potassium (2 K⁺,Cr2O7

2-). Les produits diffèrent selon la classe de l’alcool :

Classe Exemple Produit d’oxydation Cinétique à froid

Primaire Rapide

Secondaire Lente

Tertiaire ∅ Nulle

3.2. Oxydation des alcools secondaires -

Réactifs « historiques » = dérivés du chrome +VI :

Rendements excellents Rapidité

Mais haute toxicité (très fortement cancérigène) : ces réactifs ne sont aujorud’hui plus utilisés au laboratoire

Oxydants historiques pour l’oxydation des alcools secondaires :

• Ion dichromate en milieu acide sulfurique = Cr2O7

2−, H2SO4

• Réactif de Jones = CrO3 + H2SO4, solvant acétone

• Réactif de Collins = complexe CrO3(pyridine)2 dans le dichlorométhane

-

Réacitfs plus modernes :

Oxydants modernes pour l’oxydation des alcools secondaires :

• Permanganate de potassium = KMnO4

• Acide hypochloreux = HClO

• Réactif de Swern

Expl :

OH OH

O

OH O

OH

-6- K₂Cr₂O₇ H₂SO₄

OH OH

O (87 %) CrO₃(py)₂

CH₂Cl₂

OH O

(93 %)

3.3. Oxydation des alcools primaires

Oxydants pour l’oxydation des alcools primaires :

-

Pour transformer l’alcool primaire en acide carboxylique :

Les mêmes que ceux cités pour l’oxydation ménagée des alcools secondaires

-

Pour transformer un alcool primaire en aldéhyde : Réactif de Sarrett = complexe CrO3(pyridine)2

Réactif de Collins = complexe CrO3(pyridine)2 dans CH2Cl2 (encore plus efficace) Réactif de Swern

Expl :

4. Addition nucléophile sur les composés carbonylés

Comme on l’a vu, dans certains cas, une activation électrophile est nécessaire pour améliorer l’électrophilie du composé carbonylé.

4.1. Addition des organomagnésiens mixtes

-

Méthode de formation d’alcools dont la classe dépend du composé carbonylé utilisé :

Carbonylé Alcool obtenu Bilan après hydrolyse acide

Méthanal Alcool primaire

Méthanal + RMgX → Alcool primaire

Aldéhyde

Alcool secondaire

Aldéhyde + RMgX → Alcool secondaire

Cétone Alcool tertiaire

Cétone + RMgX → Alcool terCaire

-

Mécanisme :

O OH

R

O

OH R

O OH

R

-7-

-

Stéréosélectivité ?

-

Pourquoi l’activation électrophile des carbonylés n’est-elle pas nécessaire ici ?

4.2. Réduction des composés carbonylés par addition d’hydrure

A la différence de la réaction précédente qui forme un alcool en même temps qu’elle allonge la chaîne carbonée, les réactions envisagées dans ce paragraphe forment des alcools à partir des composés carbonylés, sans allongement de la chaîne carbonée.

Carbonylé + RMgX → Alcool avec allongement de la chaîne carbonée

Carbonylé + donneur d’hydrure → Alcool sans modificaCon de la chaîne carbonée

-

Réactifs donneurs d’hydrures usuels :

• NaBH4 utilisé dans l’éthanol : tétrahydruroborate de sodium

• LiAlH4 utilisé dans l’éther anhydre : tétrahydruroaluinte de lithium

Remarque : Est manipulé en milieu anhydre car réagit très violemment avec l’eau Production de dihydrogène H⁺(aq) + H^- = H2(g) (gaz qui explose facilement).

-

Exemples :

O

O

H₂ O H⁺

2) /

LiAlH₄ Et₂O

1) /

NaBH₄ EtOH

1) /

H₂ O H⁺

2) /

-

Prévision du donneur d’hydrure le plus réactif :

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-

Mécanisme très très simplifié :

-

Mécanisme un peu plus élaboré :

• Addition d’un ion hydrure sur le composé carbonylé : formation d’un alcoolate

• Transfert acido-basique entre l’alcoolate formé et le solvant (éthanol) : formation de l’alcool désiré

Rq : Le solvant étant la molécule la plus abondante du milieu, il est assez probable que le transfert de H⁺ s’opère principalement avec cette molécule.

• Formation d’un adduit de Lewis entre l’ion éthanolate et le borane formé à la première étape :

A ce stade, l’éthoxyborane (EtO)BH3 possède encore trois ions hydrures à céder : la séquence est donc répétée trois fois (en théorie seulement, car le transfert du dernier hydrure est cinétiquement très difficile) :

L’hydrolyse acide finale sert à détruire l’excès de NaBH4.

-

Equation de la réaction :

NaBH₄ EtOH Na B(OEt)₄

R

1

R² OH 4

R

1

R² O

+

4

+

⁼

+

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4.3. Réaction de Wittig

Wittig a reçu le prix Nobel en 1979. Il l’a partagé avec Brown, récompensé pour ses travaux sur la chimie des dérivés du bore (réduction des carbonylés par NaBH4, hydroboration des alcènes par BH3, …).

Réaction de Wittig :

Carbonylé → Dérivé éthylénique

La réaction de Wittig (Allemagne, 1897-1987) est utilisée en synthèse organique pour former des doubles liaisons C=C à partir de composés carbonylés et d’un ylure de phosphore.

-

Deux étapes :

• Formation de l’ylure de phosphore : SN2 de la triphénylphosphine PPh3 sur un dérivé halogéné, généralement primaire. L’action ultérieure d’une base très forte permet de former un ylure de phosphonium stabilisé par délocalisation électronique.

La formule mésomère avec les charges formelles est plus proche de la molécule réelle. Elle justifie le caractère nucléophile du carbone qui a cédé un hydrogène.

Quelques ordres de grandeurs de pKA pour les bases fortes utilisées en chimie organique :

• pKA ≈ 50 : Organométalliques (liaison carbone-métal : RMgX, RLi, …) dont : o Butyllithium (Bu-Li) : Bu-Li + H⁺ = BuH (butane, gazeux) + Li⁺

• pKA ≈ 35 : Amidures (N chargé négativement) dont : o Amidure de sodium (NaNH2) : NH2

- + H⁺ = NH3(g) o LDA (diisopropylamidure de lithium)

• pKA ≈ 35 : Hydrure de sodium o Na-H + H⁺ = Na⁺ + H2(g)

Ces bases donnent des acides conjugués gazeux après captation d’un H⁺. Ainsi, après avoir récupéré un proton, le sous-produit (BuH(g), NH3(g) ou H2(g)) quitte le milieu réactionnel, empêchant toute réaction dans le sens retour.

• Réaction de Wittig Addition nucléophile de l’ylure de phosphore sur le carbonylé, puis réarrangement : Equation :

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Mécanisme (hors-programme, indiqué pour montrer qu’il s’agit bien d’une addition nucléophile sur le carbonylé) :

La liaison P=O est une des plus fortes rencontrées en chimie organique. Sa formation, très favorable (on parle parfois de force motrice de la réaction), conduit à une très grande constante d’équilibre : les rendements obtenus sont généralement très bons.

-

Exercice d’utilisation de l’équation de la réaction : Trouver, selon le cas, les réactifs ou le produit formé.

O Ph₃P

+

Br

PPh₃ BuLi

A B O C

-

Intérêt en synthèse :

Méthodes vues en première année de formation de liaison C=C par élimination suivent la règle de Zaitsev. Mais, parfois, deux alcènes différant par la position de la double liaison peuvent être obtenus, ce qui diminue le rendement de fabrication de l’alcène souhaité.

Avec la réaction de Wittig, la position de la double liaison est totalement contrôlée.

Remarque : Généralement, un des diastéréoisomères Z ou E est obtenu majoritairement. La justification de cette stéréosélectivité dépasse le cadre du programme.

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4.4. Réaction avec les alcools : formation d’hémiacétal, puis d’acétal

Réaction très importante en chimie organique, notamment pour la protection des fonctions carbonylées ou alcools selon le cas, en raison de son caractère renversable.

Réaction d’acétalisation :

Carbonylé + Alcool en milieu acide → Acétal

-

Un peu de vocabulaire :

O OR OH OR OR

Carbonylé Hémi-acétal Acétal

Remarque : La règle voudrait qu’on utilise les noms « cétal » et « hémi-cétal » quand le carbonylé de départ est une cétone, « acétal » et « hémi-acétal » quand il s’agit d’un aldéhyde. En pratique, on utilise souvent « acétal » et

« hémi-acétal » pour décrire les deux situations.

-

Equation de la réaction : Acétalisation

O OR OR

H O₂

+

^{2 ROH [APTS]}

+

Expl :

Caractéristiques de l’acétalisation :

Catalyse acide nécessaire : l’APTS (acide paratoluène sulfonique) est le plus utilisé. C’est un acide fort soluble dans les solvants organiques classiques.

Sens direct généralement défavorable : il faut donc déplacer l’équilibre dans le sens direct :

• Soit en éliminant un produit comme l’eau au fur et à mesure de sa formation (via un appareil de Dean-Stark)

• Soit en mettant un réactif, généralement l’alcool, en grand excès.

Remarque 1 : Intérêt de l’APTS par rapport à l’acide sulfurique H2SO4 ?

-12- Remarque 2 : Pourquoi la catalyse acide est-elle nécessaire ?

Remarque 3 : Le montage avec appareil de Dean-Stark fonctionne sur le principe d’une distillation hétéroazéotropique (voir chapitre diagrammes binaires). La réaction s’effectue dans un solvant non miscible avec l’eau (à l’état liquide).

Tant que la réaction fabrique de l’eau, le chauffage du milieu réactionnel produit une vapeur hétéroazéotropique contenant l’eau formée par l’acétalisation et du solvant. Cette vapeur est liquéfiée au niveau du réfrigérant ce qui conduit à la formation de deux phases liquides non miscibles dans le tube collecteur. L’eau ne ne peut ainsi revenir dans le ballon où se déroule la réaction..

Remarque 3 : On utilise souvent un diol plutôt que de deux monoalcools car la formation d’un acétal cyclique est moins défavorable sur le plan thermodynamique (voir TD sur la réactivité pour la justification).

-

Mécanisme :

• Activation électrophile, puis addition nucléophile de l’alcool :

Commentaires :

-13-

• Prototropie (échange de H⁺ intramoléculaire), puis élimination d’une molécule d’eau : Commentaires :

• 2^ème addition nucléophile d’alcool, puis régénération du catalyseur :

Commentaires :

Remarque : Pour le mécanisme de formation de l’hémi-acétal, il suffit de s’arrêter avant l’élimination d’eau.

-

Application en synthèse à la protection de fonction :

Considérons une molécule qui possède deux fonctions pouvant toutes les deux réagir avec un même réactif :

O O O

Les fonctions cétone et esters peuvent toutes les deux réagir avec un nucléophile comme un organomagnésien. Si on souhaite épargner la fonction cétone, il va falloir la protéger car celle-ci est plus réactive que la fonction ester vis-à-vis des organomagnésiens mixtes...

Conditions pour réaliser une protection de fonction :

La réaction de protection doit être renversable : on doit pouvoir réobtenir la fonction de départ une fois le

« danger » passé.

La forme protégée ne doit pas réagir.

-14- Protection de fonction par formation d’un acétal :

Les acétals sont inertes chimiquement en milieu basique et vis-à-vis des nucléophiles.

On réalise la déprotection en effectant une hydrolyse acide de l’acétal : excès d’eau (pour déplacer l’équilibre en sens retour) + présence d’un catalyseur acide.

Expl :

5. Addition nucléophile sur les α -énones

5.1. Présentation et réactivité

-

α-énones : Deux fonctions (carbonyle et alcène) conjuguées Schéma général d’une α-énone :

La conjugaison entre les deux fonctions entraîne une influence réciproque de la réactivité des fonctions.

-

Mise en évidence de deux sites électrophiles par l’écriture des formules mésomères :

-15-

-

Conséquence : Un nucléophile peut potentiellement s’additionner sur l’un ou à l’autre de ces sites : Addition 1,2 : le nucléophile se lie au carbone de la fonction carbonylé

Addition 1,4 : le nucléophile se lie au carbone électrophile de la double liaison C=C

5.2. Action des composés organométalliques

-

Organométalliques : Composés à liaison C-Métal

Type Formule Réaction de formation

Organomagnésiens mixtes R-Mg-X R-X + Mg = R-Mg-X Organolithiens R-Li R-X + 2 Li = R-Li + LiX Organocuprates lithiés R2CuLi 2 R-Li + CuI = R2CuLi + LiI

Les réactions de formation sont données à titre d’information

-

Conditions opératoires :

De la même façon que pour les organomagnésiens, les réactions mettant en jeu les organométalliques nécessitent l’utilisation de solvants aprotiques et polaires comme l’éther diéthylique ou le THF.

Ici aussi, l’absence d’eau est indispensable (verrerie et solvants anhydres).

-

Régiosélectivité :

Type Régiosélectivité Sélectivité ?

Organomagnésiens mixtes 1,2 et 1,4 Non sélectif

Organolithiens 1,2

Sélectif

Organocuprates lithiés 1,4

Seuls les organomagnésiens sont non sélectifs et s’additionnent sur les deux sites électrophiles : ceci conduit à l’obtention de mélanges des produits 1,2 et 1,4.

-16-

-

Expl :

O

Li H O

2

H⁺

O Cu

H O₂ H⁺ Li⁺

O

MgBr H O

2

H⁺

Pour le dernier exemple, les résultats expérimentaux font état de 70 % d’addition 1,2 et 30 % d’addition 1,4.

Remarque 1 : La justification de la régiosélectivité n’est pas au programme.

Remarque 2 : L’hydrolyse du composé d’addition 1,4 a donné un énol (groupement hydroxyle –OH et double liaison conjugués). Comme nous le verrons dans la seconde partie du cours sur les carbonyles, l’énol obtenu est transformé, lors de l’hydrolyse acide, en carbonyle correspondant, généralement plus stable.

Ici, cela donne :