Mécanisme A N + E sur acides carboxyliques et groupes dérivés

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1 Chimie organique 3 : Mécanisme A + E sur acides carboxyliques et groupes dérivés Les acides carboxyliques et les groupes fonctionnels qui en dérivent sont fréquemment rencontrés dans les synthèses organiques. La préparation des fonctions dérivées à partir des acides carboxyliques est généralement renversable. Cette caractéristique en fait un bon moyen de protéger temporairement le groupe fonctionnel acide carboxylique. L hydrolyse d un dérivé d acide forme l acide carboxylique correspondant : La chaîne carbonée reste exactement la même : même nombre de C, associés de la même façon. Préparation Acide carboxylique Dérivé d acide ydrolyse Expl : Dans la vie courante, de nombreux esters sont utilisés en parfumerie. La fonction amide constitue la liaison peptidique qui sert à lier entre eux les acides aminés dans les protéines. Ce chapitre s intéresse essentiellement à la préparation des dérivés des acides carboxyliques et à leur hydrolyse. Deux compléments seront faits : étude de couple acide/base des acides carboxyliques et leur réduction par les donneurs d hydrures. --

2 . Groupes caractéristiques, omenclature - Différence entre groupe carboxyle et fonction acide carboxylique: Groupe caractéristique carboxyle Fonction acide carboxylique - omenclature : La chaîne carbonée la plus longue (en comptant le carbone de la fonction) donne le nom de l acide. Le carbone fonctionnel correspond nécessairement à l atome numéroté. Acide 3-méthylbutanoïque Acide propanedioïque - Fonctions dérivées des acides carboxyliques = préparées à partir des acides carboxyliques : Fonctions dérivées Groupe caractéristique Exemple omenclature Ester C C 2 3 Alcanoate d alkyle Propanoate de méthyle Amide C 2 -alkylalcanamide -méthylethanamide Chlorure d acyle C Cl Chlorure d alcanoyle 3 2 Cl Chlorure de 2-méthylpropanoyle Anhydride d acide C C 2 2 Anhydridealcanoïque Anhydride éthanoïque itrile C C Alcanenitrile 3-méthylbutanenitrile - Formule générale des dérivés d acides (hors nitriles) : -2-

3 2. Etude générale des acides carboxyliques et des dérivés d acides 2.. Propriétés physiques a) Géométrie - Acide carboxylique : Environnement AX 3 autour du carbone fonctionnel Géométrie localement plane - Ion carboxylate (base conjuguée de l acide carboxylique) : même géométrie Trigonale plane Les 2 liaisons C sont identiques La charge négative est délocalisée b) Polarité - Acide carboxylique = Groupe carboxyle très polaire Liaison : possible et très forte Bonne solubilité dans l eau (miscibilité totale jusqu à 5 atomes de C) et dans les solvants polaires - En phase condensée ou dans un solvant aprotique : existence de dimères d acides carboxyliques - Beaucoup de dérivés d acides sont polaires. - Application : Les savons sont des carboxylates (à longue de chaîne carbonée R) de potassium (R-C -,K + ) ou de sodium (R-C -,a + ). Composés amphiphiles : une partie est hydrophile (groupe carboxylate polaire + possibilité de liaison hydrogène), une partie est lipophile (chaîne carbonée : interaction de London). eau savonneuse tâche de graisse tissu eau savonneuse micelle de graisse Les parties lipophiles se «lient» à la tache grasse par des interactions de type London, les parties hydrophiles étant orientées vers l extérieur (schéma ). Grâce à une action mécanique (manuelle ou machine), la tâche se décolle du tissu : on obtient alors une micelle, c est-à-dire une entité sphérique constituée en surface d agents tensio-actifs. Cette micelle est soluble dans l eau, contrairement à la tache grasse, puisque les têtes hydrophiles sont orientées vers l extérieur.n aboutit alors lors du rinçage à l évacuation de la tache grasse avec les eaux usées. -3-

4 - Spectroscopie IR : 2.2. Propriétés spectroscopiques Bande très élargie entre 2800 et 3300 cm Bande fine et intense entre 700 et 730 cm Vibration d élongation de la liaison - Vibration d élongation de la liaison C= - Spectroscopie RM : Signal vers = 0 2 ppm Proton C très déblindé 2.3. Réactivité des acides carboxyliques - Trois sites remarquables chez les acides carboxyliques : un site électrophile, un site basique et un site acide - Acidité : o rdre de grandeur : pk A du couple des acides aliphatiques : Expl : -4-

5 o Pourquoi le des acides carboxyliques est-il beaucoup plus acide que celui des alcools? 2.4. Réactivité comparée des dérivés d acides vis-à-vis des nucléophiles - Mécanisme-type d addition + élimination A + E d un nucléophile sur un dérivé d acide : Z + u u Z u + Z - Etude de la réactivité électrophile des dérivés d acide : Deux arguments à prendre en compte : Charge partielle positive du carbone fonctionnel Caractère nucléofuge de Z - o Charge partielle positive du carbone fonctionnel : Le groupement Z intervient par deux effets contradictoires Effet mésomère donneur : Comparaison effet inductif attracteur ( I) / effet mésomère donneur (+ M) : Electronégativité -5-

6 Cas des anhydrides d acides : o Pouvoir nucléofuge de Z - : L expérience montre que pour se souvenir de la capacité d un groupe à quitter facilement un site carboné (aspect nucléofuge), on peut se référer à la basicité du groupe partant. En général, plus le groupe partant est peu basique (pk A du couple faible), plus il part facilement. pk A du couple de la base Z - rdre de réactivité des dérivés d acides vis-à-vis de l addition d un nucléophile sur le carbone fonctionnel : C 2 Cl Réactivité vis-à-vis des itriles Amides Acides Anhydrides Chlorures nucléophiles Carboxyliques d acides d acyles Conséquences : o Chlorures d acyles et anhydrides d acides réagissent à froid et sans catalyseur. o Acides carboxyliques, Esters, Amides et itriles réagissent uniquement à chaud avec catalyse acide. - Catalyse acide : principe de l assistance électrophile (rappel) : A utiliser uniquement si : o Le nucléophile est faible (alcool, eau typiquement), o u si le dérivé d acide n est pas un bon électrophile (bref, tous sauf les chlorures d acyle et les anhydrides) + -6-

7 3. Préparation des dérivés d acides 3.. Préparation des esters à partir des acides carboxyliques La préparation des esters à partir des acides carboxyliques est couramment appelée estérification de Fischer. Equation de l estérification de Fischer : Expl : - Quatre caractéristiques de la transformation : Caractéristique Conséquence Athermique Lente Renversable Limitée - Mécanisme de l estérification de Fischer : La réaction est renversable : n oubliez pas de mettre des doubles flèches : Activation électrophile de l acide carboxylique par le catalyseur acide, Addition nucléophile de l alcool sur l acide carboxylique activé, Prototropie pour permettre l élimination d eau et la reformation de la double liaison C=, Régénération du catalyseur pour former l ester. -7-

8 - Avec quels alcools? 3.2. A partir des chlorures d acyle : acylation des alcools - Correction des problèmes de l estérification à partir des acides carboxyliques : A partir des acides carboxyliques : Lent Limitée Catalyse acide nécessaire A partir des chlorures d acyle : Rapide Quasi-totale Pas de catalyse Catalyse acide non nécessaire car les chlorures d acyles sont d excellents électrophiles. Equation de l acylation des alcools : - En pratique : n introduit dans le réacteur une base comme la pyridine (soluble en milieu organique) pour empêcher la formation de Cl (chlorure d hydrogène), gaz toxique. -8-

9 - Expl : - Mécanisme de l acylation des alcools : Addition nucléophile de l alcool sur le chlorure d acyle (sans activation) Elimination de Cl - qui permet la reformation de la double liaison C= Déprotonation du composé pour obtenir l ester - Avec les anhydrides d acide : Les anhydrides d acide sont également des composés intéressants pour réaliser l estérification des alcools avec un bon rendement. R' + CR' + R' Formation des amides Pas de réaction possible avec les amines tertiaires. Par bien des aspects, les alcools et les amines ont des réactivités similaires. n envisage donc d abord de former les amides par réaction directe avec les acides carboxyliques (comme pour fabriquer les esters par réaction entre les acides carboxyliques et les alcools). Ensuite, on propose par analogie, la réaction d acylation grâce aux chorures d acyles. -9-

10 - Méthode à partir des acides carboxyliques: ça ne marche pas vraiment! o Réaction à basse température : Réaction acide-base Alcools et amines sont tous deux nucléophiles (doublet non liant sur et ). Les amines sont mêmes de meilleurs nucléophiles que les alcools. Cependant, la réaction acide (acide carboxylique) + base (amine) se déroule plus vite : la formation «directe» d amide est donc impossible à partir des acides carboxyliques. o Réaction à plus haute température : Réaction de formation d amide Seul un chauffage fort et une forte pression permettent d inverser le sens de réaction acido-basique favorable (le sens direct exothermique devient défavorable à plus haute température). La réaction acide-base entre l acide et l amine s inverse : les deux réactifs peuvent donc former l amide. Cette méthode n est donc pas utilisée. - Méthode à partir des chlorures d acyle = Acylation= LA méthode L utilisation d une autre base pour éviter la formation de Cl n est pas toujours utile, car l amine en excès peut jouer le rôle de base pour capter l ion + (à condition d en introduire deux équivalents : un qui agit en tant que nucléophile, l autre qui agit en tant que base). - Mécanisme de l acylation des amines : Addition nucléophile de l amine sur le chlorure d acyle (sans activation) Elimination de Cl - qui permet la reformation de la double liaison C= Déprotonation du composé pour obtenir l amide -0-

11 Cl 2 Cl + + Cl + + Commentaires : - Avec les anhydrides d acides : Même chose qu avec les chlorures d acyle Formation des autres dérivés (uniquement les bilans réactionnels) a) Chlorures d acyles Formés à partir des acides carboxyliques, en utilisant un agent chlorant qui agit de la même façon que sur les alcools, en remplaçant par Cl : - Utilisation du chlorure de thionyle SCl 2 (chauffage) : + SCl 2 Cl + S 2(g) + Cl (g) Intérêt : Les sous-produits non désirés (S 2 et Cl sont gazeux : ils quittent le milieu sans qu il ne soit nécessaire de réaliser une opération de séparation) - Utilisation de chlorures de phosphore PCl x : 3 + PCl 3 3 Cl + P() 3 + PCl 5 Cl + PCl 3 + Cl (g) --

12 b) Anhydrides d acides - Préparation par déshydratation de deux molécules d acide carboxylique : o n peut chauffer l acide en éliminant l eau au fur et à mesure de sa formation (réaction analogue à l estérification : une molécule d acide carboxylique joue le même rôle qu un alcool par son groupement. o Améliorer ce processus en utilisant un agent déshydratant comme l anhydride phosphorique (P 4 0 ) avec chauffage P u par réaction entre un carboxylate (nucléophile ici) et un chlorure d acyle (électrophile) :, a + Cl + a, Cl Remarque : Les anhydrides non symétriques n ont aucun intérêt en synthèse organique. Une seule des «moitiés» sert. Si les deux sont différentes (anhydride non symétrique), on obtient un mélange de produits c) itriles - n peut les former par déshydratation des amides primaires, en présence d un déshydratant (anhydride phosphorique P 4 0 par exemple), avec chauffage fort et élimination d eau au cours de sa formation. 2 P 2 5 C u par S 2 par l ion cyanure C sur un dérivé halogéné peu encombré (primaire ou secondaire) : Cl C S 2 C + Cl - Constitue une méthode simple pour rajouter un atome de carbone à une chaîne carbonée 4. ydrolyse des dérivés d acide En présence d eau, tous les dérivés d acides sont transformés en acides carboxyliques. 4.. Sans catalyse acide : chlorures d acyle et anhydrides d acides - Les chlorures d acyle et anhydrides d acide sont d excellents électrophiles. Ils réagissent de façon totale avec l eau qui agit en tant que nucléophile. A manipuler en milieu anhydre au risque de les détruire (hydrolyse) -2-

13 - La réaction d hydrolyse fournit les acides carboxyliques correspondants (même chaîne carbonée) : 2, 20 C Cl - Cl Vue d ensemble : 4.2. Assistance pour les dérivés moins électrophiles (esters, amides, nitriles) Ester/Amide/itrile Mauvais électrophile + Eau Mauvais nucléophile Vitesse beaucoup trop faible! ère solution : chauffage fort 2 ème solution : améliorer la réactivité d un des réactifs Deux solutions : Améliorer le nucléophile Remplacer 2 par - ydrolyse basique Activer l électrophile Travail en milieu acide ydrolyse acide 4.3. ydrolyse basique des esters : la saponification Equation de la saponification : Deux erreurs fréquentes : o - est ici un réactif et non un catalyseur (il n est pas régénéré) -3-

14 o n obtient un carboxylate R-C -. Le passage à l acide R-C nécessite une réacidification du milieu. Expl :Fabrication d un savon à partir d un corps gras (triglycéride) et de soude (cendres) Caractéristiques de la saponification : o o Rapide (à condition de chauffer) Quasi-totale - Mécanisme de la saponification : Addition nucléophile de l ion hydroxyde - sur l ester (sans activation, car - est assez nucléophile) Elimination d un alcoolate R - pour reformer la double liaison C= Réaction acide-base quasi-totale entre l acide carboxylique et l alcoolate R - (base forte)

15 Pourquoi cette transformation est-elle totale contrairement à l hydrolyse acide des esters? Remarque : En remplaçant - par un alcoolate R -, on peut modifier sur l ester R-C-R, la partie provenant de l alcool R par celle d un alcool différent R. Cela s appelle une transestérification Remarque2 : L hydrolyse acide des esters (réaction inverse de l estérification de Fischer) est aussi possible, mais elle est limitée et lente. Un excès d eau permet de déplacer l équilibre dans le sens de la destruction de l ester. Un chauffage et un catalyseur acide aident à améliorer la vitesse de la réaction. Malgré tout, on lui préfère souvent la saponification puis réacidification ydrolyse acide des amides - Condition opératoires : o Se déroule en milieu acide pour activer l amide (l acide n est pas régénéré en fin de réaction). o Avec chauffage fort pour accélérer la réaction. o n favorise la réaction dans le sens de l hydrolyse en se plaçant en présence d un grand excès d eau. - Equation de la réaction : - Mécanisme de l hydrolyse des amides : Activation électrophile de l amide par réaction avec un acide Addition nucléophile d eau sur l amide activé Echange de + intramoléculaire pour permettre l élimination de l amine et reformation de la liaison C= Déprotonation par l amine formée pour obtenir l acide carboxylique

16 Remarque :L hydrolyse basique des amides donne d excellents rendements également ydrolyse des nitriles - Les nitriles aussi! Le cocktail «eau + chauffage + milieu acide» permet de passer d un nitrile à un acide carboxylique : la séquence fabrication d un nitrile puis hydrolyse est donc une excellente voie de synthèse d acides carboxyliques avec gain de C : Br C - Transformation en deux étapes : o ydratation du nitrile en amide primaire : + 2 = o ydrolyse de l amide en acide carboxylique (cf 4.3) : 2 - Mécanisme de l hydratation du nitrile : Le mécanisme de l hydrolyse de l amide intermédiaire, obtenu par cette hydratation, a déjà été vu en

17 5. Synthèse malonique 5.. Principe de la méthode La synthèse malonique permet de former des acides carboxyliques à partir de dérivés halogénés, avec un gain de 2 C. Br Acide malonique : 5.2. Etapes de la synthèse malonique om officiel : Acide propanedioïque - ère étape : Estérification de l acide malonique - 2 ème étape : Déprotonation par une base forte sur le carbone en α des doubles liaisons C= o Pourquoi ce est-il si acide (pk A 3)? Comme pour les composés carbonylés, le porté par l atome de C en α du groupe C= d un dérivé d acide carboxylique est acide car la base conjuguée est stabilisée par délocalisation de la charge (à condition que l environnement obtenu soit localement plan). o Quelle base forte pour déprotoner en alpha des groupes esters? Surtout pas - : Provoquerait une saponification (ou hydrolyse basique de l ester) -7-

18 n utilise : Une base non nucléophile (a, LDA) Pourquoi? u l alcoolate correspondant à l alcool de l ester (Et -,a + ) Pourquoi? Rappel : Comment former l éthanolate de sodium? (PCSI) - 3 ème étape : Substitution ucléophile bimoléculaire (S 2) de l énolate sur un dérivé halogéné peu encombré - 4 ème étape : Retour aux fonctions acide carboxylique : on utilise la séquence efficace : saponification puis acidification. -8-

19 - 5 ème étape : Décarboxylation (élimination de C 2 par départ d un des groupes acide carboxylique) : un chauffage suffit! 6. Réduction des esters par LiAl 4 - Réducteur : LiAl 4 (tétrahydruroaluminate de sodium) dans l éther anhydre Pourquoi pas ab 4 dans l éthanol? Pourquoi LiAl4 est-il manipulé dans l éther anhydre? - Exemple : Réduction du benzoate de méthyle par LiAl 4 : Spectre IR du réactif : -9-

20 Spectre IR du produit : Quels changements sont observés au niveau des bandes caractéristiques des spectres IR? Action de LiAl 4 dans le TF sur les esters : -20-