Substitution électrophile aromatique

-1-

Chimie organique 7 :

Substitution électrophile aromatique

Conseils et Erreurs trop fréquentes



Toutes les conditions de la règle d’Hückel sont importantes pour conclure à l’aromaticité d’un composé : cyclique, plan avec 4 p + 2 (p

pas aromatique.



Il est important de pouvoir répondre aux questions suivantes concernant la justification des règles de Holleman :

Quelle est l’étape cinétiquement déterminante ?

o

A quel moment de la justification utilise-t-on le postulat de Hammond ?

Pourquoi s’intéresse-t-on à la stabilité de l’intermédiaire de Wheland ?

o

En quoi les effets électroniques des groupements déjà présents font-ils que la réaction est plus ou moins rapide que dans le cas du benzène ?



Dans le cas de l’acylation, une hydrolyse finale est nécessaire car les cétones formées complexent le catalyseur acide de Lewis. Il doit donc être introduit en quantité non stœchiométrique car il n’est pas ici régénéré.



Les effets électroniques des groupements doivent être connus. En particulier, tout groupement dont l’atome lié au cycle aromatique possède un doublet non liant est mésomère donneur.



Pensez au problème de réarrangement des carbocations particulièrement instables.

Exercices d’entraînement

1. Aromatique ?

1. Les composés suivants sont-ils aromatiques selon le critère de Hückel ?

N

N H

OH

A B

2. La pyridine A et le pyrrole B ont des propriétés basiques fort différentes : le pK

du couple de la pyridine vaut environ 5 quand celui associé au couple du pyrrole vaut – 4.

a) Quel est le composé le plus basique ? b) Proposer une explication à cette différence.

c) Dessiner l’environnement géométrique autour de l’atome d’azote dans les deux cas, en justifiant

l’emplacement du doublet non liant.

-2- 2. Acylation de l’aniline

Avant de réaliser une substitution électrophile aromatique sur l’aniline Ph-NH

, on procède souvent à une acylation avec du chlorure d’éthanoyle pour protéger le groupement -NH

.

1. Donner la formule développée de l’amide obtenu par acylation.

2. Le groupe formé présente le même effet orienteur que le groupement –NH

. Expliquer ce fait.

3. Pourquoi l’acylation est-elle nécessaire pour réaliser une nitration de l’aniline en conservant le même effet orienteur ?

4. Comment ôter la protection sous forme d’amide ?

3. Courtes synthèses

1. A quel(s) produit(s) majoritaire(s) doit-on s’attendre lors de chacune des réactions suivantes ?

2. A l’aide du benzène et de tout composé que vous jugerez nécessaire, synthétiser les composés suivants :

NH₂

CH₃ CH₃

NO₂ CH₃

CH₃ NO₂

CH₃

NO₂ Br

O CH₃

Br NO₂

COOH

4. Alkylation d’un composé aromatique

On se propose de synthétiser l’aldéhyde A ci-dessous à partir du propénal et de tert-butylbenzène.

O

1. Préparation du tert-butylbenzène Ph-C(CH

)

: décrire la préparation du tert-butylbenzène à partir du benzène : indiquer les produits de départ, le catalyseur éventuel, le mécanisme. Cette étape présente-t- elle un risque de polysubstitution ?

2. La condensation du propénal sur le tert-butylbenzène est effectuée en présence d’un acide de Lewis. Il s'agit d'une substitution électrophile. Pourquoi observe-t-on une substitution préférentielle en para ? 3. Pour simplifier l’action du catalyseur, on considère la réaction entre un proton et le propénal. Écrire cette

réaction et mettre en évidence l’existence de différentes formules mésomères pour le propénal protoné.

4. En déduire que le propénal protoné possède deux sites électrophiles. Compte tenu du produit A de la réaction, quel est le site sur lequel s’additionne le cycle benzénique ?

5. Donner le mécanisme de la réaction entre le propénal et le tert-butylbenzène en milieu acide.

-3- 5. Addition d’un époxyde sur le benzène

En milieu acide, on peut réaliser la réaction suivante :

O

H OH

+

1. Proposer un mécanisme plausible pour cette réaction. Pourrait-elle donner, même en faible quantité, un autre produit ?

2. Si l’époxyde possède la configuration (R), quelle est celle du produit obtenu ?

6. Synthèse de l’hydrindone

1. En présence de trichlorure d'aluminium, l'action du chlorure de propanoyle sur le benzène conduit, après hydrolyse, au composé A (C

H

O). Indiquer la structure de A. Prévoir l'allure du spectre RMN de A.

2. L'action du mélange sulfonitrique sur A conduit à B (C

H

NO

). Indiquer la structure de B. Quel est l'électrophile mis en jeu dans cette réaction ? Le nommer, donner sa formule de Lewis et préciser sa géométrie.

3. B traité par de l'étain en milieu acide conduit, après passage en milieu basique, au composé C (C

H

NO).

Indiquer la structure de C et écrire l'équation bilan de cette réaction. On indique que l'étain est oxydé au degré d'oxydation (+IV).

4. L'action de C sur l'iodométhane en excès conduit à D (C

H

NO). Indiquer la structure de D.

5. Proposer un mode de préparation de E à partir de D. On précisera les réactifs et conditions opératoires nécessaires.

6. E chauffé en présence de AlCl

conduit, après hydrolyse à l'hydrindone cherchée F. Proposer un mécanisme réactionnel pour cette réaction en mettant en évidence le rôle de AlCl

. Quel isomère F' accompagne la formation de F ?

Exercices d’approfondissement

7. Régiosélectivité d’une acylation

Par réaction intramoléculaire du composé A ci-contre en présence de chlorure d’aluminium anhydre suivie d’hydrolyse, trois produits isomères comportant tous un cycle à cinq atomes sont susceptibles de se former.

1. Donner les formules topologiques de ces trois produits isomères.

2. On admet que le produit le plus encombré des trois ne se forme pas. On note B le composé dans lequel le cycle à cinq atomes est accolé au cycle aromatique comportant les deux groupes -OMe et C celui dans lequel le cycle à cinq atomes est accolé au cycle aromatique non substitué par -OMe.

3. Lorsque la réaction est conduite avec 1,1 équivalents de chlorure d’aluminium anhydre par rapport au

composé A (c’est-à-dire 1,1 fois plus de chlorure d’aluminium anhydre que de composé A), le produit B est

-4-

obtenu majoritairement. Proposer une justification à ce résultat expérimental.

4. Lorsque la réaction est conduite avec 3,1 équivalents de chlorure d’aluminium anhydre par rapport au composé A (c’est-à-dire 3,1 fois plus de chlorure d’aluminium anhydre que de composé A), le produit C devient majoritaire.

a) Écrire la formule topologique du complexe obtenu par réaction acido-basique (au sens de Lewis) entre l’anisole (Ph–O–Me) et le chlorure d’aluminium.

b) En déduire une justification possible à la régiosélectivité de la réaction intramoléculaire de A en présence de 3,1 équivalents de chlorure d’aluminium.

8. Etude d’une alkylation

1. On traite du 1,4-diméthylbenzène par le 2-méthylpropan-2-ol en excès, en présence d’acide sulfurique concentré.

a) Quel devrait être le produit de la réaction, noté A ?

b) En fait, on observe que ce produit ne se forme pratiquement pas et qu’il se forme du 2-méthylpropène.

Justifier ces résultats.

2. En revanche, la même réaction, menée sur le 4-méthylisopropylbenzène, conduit à la formation d’un composé bicyclique B. Proposer un mécanisme d’obtention de ce produit, faisant apparaître la formation intermédiaire de 2-méthylpropène et une succession de carbocations stables.

t-BuOH

H

SO

B

Remarque :

On indique qu’un carbocation peut procéder à l’arrachement d’un atome d’hydrogène d’un hydrocarbure si le nouveau carbocation est plus stable que le premier (réarrangement du carbocation)

9. Synthèse du Rivotril

Le rivotril ci-contre est un hypnotique faisant partie de la famille des benzodiazépines. L’objet de cet exercice est d’étudier les premières étapes de sa synthèse.

Le début de la synthèse envisagée est présentée ci-après.

o

Première partie :

NO₂ NH₂ HN

O

O O O

HNO₃ H₂SO₄

1) Fe, HCl 2) HO^-

HNO₃ H₂SO₄

A

o

Deuxième partie :

SO₃H SO₃H

Cl Cl

SO₃H

Cl Cl Cl

OH O

Cl O Cl AlCl₃

Oléum Cl₂

AlCl₃ SO₃, H₂SO₄

Chauffage H₂O, H₂SO₄

Chauffage KMnO₄

NH

N Cl O₂N

-5-

Troisième partie :

Cl

O Cl

AlCl₃

A

+

A - Structure des produits A et B

1. Donner la structure du composé A (composé majoritairement obtenu). Justifier la régiosélectivité.

2. Donner la structure du composé B. Justifier la régiosélectivité.

3. Dans la première partie de la synthèse, quel est l’intérêt d’avoir transformé le groupe amine –NH

en groupe amide –NH-CO-CH

puisque dans la suite de la synthèse (non étudiée ici), le groupe amine est reformé ?

B – Etude de la deuxième partie de la synthèse

4. Quel produit aurait-on pu espérer obtenir lors de la première réaction d’alkylation avec le 1- chloropropane ? Préciser le mécanisme.

5. Pour justifier l’obtention du 2-phénylpropane, il est nécessaire d’envisager un réarrangement du carbocation intermédiaire. En raisonnant à partir de la structure du composé obtenu, déterminer la structure du carbocation qui a effectivement réagi avec le cycle benzénique. Justifier ce réarrangement.

Illustrer ce mécanisme au moyen d’un mécanisme.

6. La réaction suivante est une sulfonation. L’électrophile est le trioxyde de soufre SO

. Donner le schéma de Lewis de SO

. Proposer un mécanisme pour la réaction de sulfonation. Justifier la régiosélectivité.

7. Justifier la régiosélectivité de la chloration qui suit.

8. Lors de l’étape suivante, appelée désulfonation, le chauffage en milieu aqueux permet de substituer le groupe –SO

H par un atome d’hydrogène car la réaction de sulfonation est renversable. Expliquer l’intérêt d’avoir effectué une sulfonation suivie d’une désulfonation quelques étapes plus tard dans cette deuxième partie de synthèse.

9. Donner un réactif pour la dernière étape de la deuxième partie.