CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION

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1 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION

2 RX Partie organique Halogène Les haloalcanes constituent la plaque tournante de la synthèse organique.

3 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile

4 Un groupe sortant, nucléofuge, est remplacé par un groupe entrant, nucléophile, chargé ou non. OH - - CH 2 Br CH 2 OH Br - Nu : R X R Nu X - + NH 3 CH 2 Br CH 2 NH 3 Br - Nu : R X R Nu + X - La réaction est en principe réversible : le groupe nucléofuge est aussi un nucléophile.

5 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes

6 2.1 Nucléophiles oxygénés : Force décroissante du nucléophile OH - X - R X R OH Synthèses d alcools - - R'O R X R'O R X Synthèses d éthers (Synthèse de Williamson) ROH Na - RO Na + ½H 2 R C O O - O R' X R C - X O R' Synthèses d esters RCOOH RCOO - Na + NaOH H 2 O

7 Force décroissante du nucléophile H H O - R X R O H X H Synthèses d alcools ROH H + R H O R' X R O H R' X - Synthèses d éthers ROR' H +

8 2.2 Nucléophiles azotés NH 3 R X R NH 3 X - B R NH 2 BH + Amine primaire B R NH 2 R X R NH 2 R R NH R BH + X - Amine secondaire R NH R R X R N R NH X - R R R X - R 4 N + X R R B R N R R Amine tertiaire Sel d ammonium quaternaire BH+

9 2.3 Nucléophiles halogénés : I - R X R I X - Iodoalcane Le plus nucléophile des halogénures est I -

10 2.4 Nucléophiles sulfurés : HS - BH + HS - R X RSH X - Thiol H 2 S B RS - BH RS R X R SR X RSH B Thiolate Thioéther (Sulfure d alkyle) + R 2 S R X R S R R X - Thioéther Sel de trialkylsulfonium

11 2.5 Nucléophiles carbonés : CN - R C N X - R X Cyanure Nitrile Cyanoalcane R' C C: - R X R' C C R X - Acétylure R C C: - NH 3 R' C C H NH 2 -

12 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N

13 Deux mécanismes différents : S N 1 et S N 2 nombre d étapes intermédiaires stéréochimie

14 3.1 S N 2 (substitution nucléophile bimoléculaire) Mécanisme en 1 étape (!!! S N 2 1 étape!!!) Etat de transition - Nu: C Nu C L L Nu C :L - Attaque par le côté opposé au groupe sortant Liaison en cours de formation Liaison en cours de rupture : SN2 - général Pas d intermédiaire Départ par le côté opposé au groupe entrant

15 Dans cette réaction, si on augmente la concentration en nucléophile ou en substrat, la vitesse de réaction répond par une augmentation proportionnelle. V = k [Nu] [R-L] La réaction est d'ordre 2 (S N 2) La réaction s'accompagne d'inversion de configuration. Nu - Attaque dorsale Inversion de Walden

16 La réaction s'accompagne d'inversion de configuration. OH - C* Br - C* H H Br HO CH 2 CH 2 (R)-2-bromobutane (S)-2-butanol : SN2 Inversion de configuration

17 En raison de l'attaque dorsale, la S N 2 est - plus rapide sur un carbone primaire peu encombré - très lente, voire impossible, sur un carbone tertiaire (-) Nu: L Encombrement stérique

18 3.2 S N 1 (substitution nucléophile monomoléculaire) Mécanisme en 2 étapes (!!! S N 1 2 étapes!!!) C :L - C + L : SN1 - général Carbocation (plan, sp2 ) Nu: - C + C Nu C Nu 50% 50%

19 Dans ces deux étapes, la première (départ du groupe sortant) est lente vis-à-vis de la seconde: c'est l'étape déterminante de vitesse. V = k [ R-L ] La réaction est d'ordre 1 (S N 1) La réaction provoque la racémisation dans la deuxième étape: attaque par les deux faces du carbocation. Nu: - Nu: - C + Le mélange obtenu est racémique (50/50)

20 La S N 1 est plus rapide lorsque le substrat est un carbone tertiaire: 1. Le carbocation tertiaire étant stabilisé ("no bond resonance") est plus facile à faire que les autres carbocations. 2. L'encombrement stérique diminue lors de la réaction et favorise l'expulsion de L -. + L :L -

21 3.3 S N 2 et S N 1 comparées S N 2 S N 1 Substrat Carbone primaire Carbone secondaire ± ± Carbone benzylique ± ± Carbone allylique ± ± Carbone tertiaire - + Stéréochimie Inversion Racémisation Vitesse fonction de [Substrat] et [Nucléophile] Nombre d étapes 1 2 [Substrat] Solvant Effet généralement plus faible Plus rapide en solvant polaire protique

22 Un substrat ayant son groupe sortant sur un carbone secondaire va réagir selon les 2 mécanismes S N 1 et S N 2. Dans un tel cas, H 3 C augmenter la polarité du solvant favorise la S N 1 CHBrCH 2 H 2 O CH3 CHOHCH 2 HBr Solvant : Acétone-eau (95/5) surtout S N 2 Acétone-eau (50/50) surtout S N 1 augmenter la nucléophilie du groupe entrant favorise la S N 2 H 3 C Br Br + H 2 O H 3 C H 3 C OH et H 3 C lent, S N 1 et S N 2 + S - Na + S OH + NaBr + HBr rapide, S N 2

23 FORCE DES NUCLEOPHILES Un ion négatif est plus nucléophile que la molécule neutre HO - > H 2 O RO - > ROH Un élément électronégatif à une forte affinité pour les électrons: électronégativité et nucléophilie sont donc des tendances opposées. Nucléophilie croissante: de haut en bas dans le tableau périodique I - > Br - > Cl - > F - RSH > ROH ( CH 2 ) 3 P > ( CH 2 ) 3 N Nucléophilie croissante: de droite à gauche dans le tableau périodique R - R R C - > N R R RNH 2 > ROH > RO - > F -

24 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N 4. Réactions d'élimination : E1 et E2

25 Mécanisme E2 (comme S N 2, bimoléculaire et 1 étape) Nu: - H C C β α L NuH :L - C C + + Tout est concerté : - formation du lien Nu-H - formation du lien double - rupture du lien C-L

26 Du point de vue géométrie: les orbitales p (lien π) de l alcène qui va se former doivent se présenter en position de recouvrement: ceci entraîne des contraintes stéréoélectroniques. Nu: - H a b d C C c β α L Nu: - a c H L b d a Nu: - Les éléments H et L sont transoïdes (antipériplanaires) La stéréochimie de l'alcène (E ou Z) est dictée par cette contrainte. c L H b d a c.. b d a b C C c d : E2 (Bromure d isobutyle) : E2 (sur diastéréoisomères SR-RR) : E2 (sur diastéréoisomère SR) : E2 (sur diastéréoisomères SR-RS)

27 Mécanisme E1 (comme S N 1, monomoléculaire et 2 étapes) C C β α L lent + C C + - :L Nu: - H + C C β α C C + NuH

28 Cinétiques comparées: S N 2 et E2 : V = k [Nu] [R-L] S N 1 et E1 : V = k [R-L]

29 Régiochimie de l'élimination : REGLE DE SAYTZEV Lorsque l'élimination permet le choix de la position du lien C=C, l'alcène formé est le plus substitué. CH 2 CHBr Base CH CH CH 2 CH CH 2

30 Eliminations successives : synthèses d'alcynes - - CH 2 CHBr 2 OH CH CHBr H 2 O Br - - CH CHBr OH C CH H 2 O Br - - CH 2 CHBr 2 2 OH C CH 2H 2 O 2Br

31 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N 4. Réactions d'élimination : E1 et E2 5. Compétition substitution et élimination

32 Il y a souvent COMPETITION : H Un nucléophile (Ex: OH -, NH 2 - ) peut aussi être une base. Les deux réactions, substitution et élimination, sont souvent concurrentes. C C β α X + Nu: - S N E H C C Nu + :X - C C + NuH + - :X La situation dépendra de plusieurs paramètres: - solvant - température - type de nucléophile entrant ou sortant - type de substrat

33 Ex 1 : Halogénure primaire avec OH - HO - H H C H 3 C - HO C H H Br S N 2 OH H H C H 3 C C OH H H H C H C H H Br E2 OH H H 3 C C C H H + H 2 O + Br - Le produit de la réaction sera en majorité le propanol (par substitution) malgré la force de la base. La substitution sur C primaire est très favorisée à température normale.

34 Ex 2 : Halogénure tertiaire avec OH - HO - C H 3 C HO - Br S N L'encombrement stérique des trois méthyles réduit la possibilité de substitution d'ordre 2. H CH 2 C H 3 C Br E2 H 3 C H 3 C C CH 2 + H 2 O + - Br La réaction ne produira que de l'isobutène par élimination. La base étant forte, l élimination est d ordre 2. Cette réaction est plus rapide qu'une éventuelle S N 1.

35 Ex 3 : Halogénure tertiaire avec H 2 O, base moins forte: S N 1 H 2 O ( ) 3 C + O H H H 2 O ( ) 3 COH + H 3 O + H 3 C C Br C + + Br - E1 H 2 O H 3 C C CH 2 H 3 C + H 3 O + Comme la base n est pas forte, l E2 n est pas efficace et la dissociation peut se faire, en donnant le carbocation. Ce dernier est l' intermédiaire commun de E1 et S N 1. Il y a compétition : S N 1 (80%) et E 1 (20%)

36 Pour pouvoir choisir entre la substitution et l élimination, il faudrait pouvoir corréler: - la force du nucléophile qui favorise la substitution. - la basicité du nucléophile qui favorise l élimination. La basicité du nucléophile s exprime en termes de pk b, valeur thermodynamique. La force du nucléophile ou nucléophilie peut être exprimée en comparant les vitesses de deux réactions de S N 2. CN - + CH 2 Cl CH 2 CN + Cl - I - + CH 2 Cl CH 2 I + - Cl La réaction donnant l iodoéthane est plus rapide que l autre: l anion iodure est plus nucléophile que le cyanure.

37 pk a Acide conjugué log K b Nucléophile Nucléophile log n Nucléophile Fort Faible Forte Base I x x Faible n = nucléophilie relative (rapport des constantes de vitesses de réactions S N 2) La nucléophilie est la plus forte pour la base la plus faible Br x 10 x Cl x-10 x F x x I- Br- Cl- F- Nucléophiles log n log Kb

38 pk a Acide conjugué log K b Nucléophile Nucléophile log n Nucléophile Fort Faible Forte Base Faible La nucléophilie est la plus forte pour la base la plus forte OH x x O x x C 6 H 5 O x x COO x x OH 0 x x H 2 O 0 x x !!! Les nucléophiles comparés font partie d une série très homogène de nucléophiles oxygénés!!! Nucléophiles OH- CH3O- C6H5O- CH3COO- CH3OH H2O log n log Kb

39 pk a Acide conjugué log K b Nucléophile Nucléophile log n Nucléophile Fort Faible Forte Base CH 2 S - >10 x x Faible C 6 H 5 S x x I x x CN x x ( CH 2 ) 3 N 6.7 x x OH x x O x x Br x x C 6 H 5 O x x NH x x Cl x x COO x-30 x F x x OH 0 x x H 2 O 0 x x I- Lorsque les nucléophiles appartiennent à diverses catégories, (O,N, S, X, etc) il n y a plus de corrélation nucléophilie / basicité. (CH3CH2)3N Nucléophiles NH3 CH3CH2S- C6H5S- CN- OH- CH3O- Br- C6H5O- Cl- CH3COO- F- CH3OH H2O log n log Kb

40 Pour l aide au "diagnostic" entre les substitutions et éliminations: Nucléophile Nucléophile Nucléophile Nucléophile Substrat faible fort très basique très basique Base faible Base faible encombré X (S N 2) S N 2 S N 2 S N 2 Primaire (S N 2) S N 2 S N 2 et E2 E2 > S N 2 Secondaire S N 1 E1 S N 2 E2 > S N 2 E2 Tertiaire S N 1 E1 S N 1 E1 E2 E2 Exemple OH CH 2 S - O - ( ) 3 CO -

41 La réaction peut dépendre de la base ou du nucléophile utilisé : un groupe ( ) 3 O - peut donner l élimination seule alors que O -, base comparable mais moins encombrée, donnera plus de substitution. La concentration d un réactif et la température peuvent aussi être des paramètres importants: Soude diluée à T ambiante : surtout substitution Soude concentrée et en chauffant : élimination Un carbocation ne peut pas survivre sur un carbone primaire. Les substrats benzyliques ou allyliques fonctionnent comme des substrats secondaires ou tertiaires. (!!! Souvent, l'élimination est impossible pour ces substrats).

42 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N 4. Réactions d'élimination : E1 et E2 5. Compétition substitution et élimination 6. Le groupe sortant

43 Substitution ou élimination : il faut un bon groupe sortant La qualité de bon groupe sortant d'un anion peut être corrélée avec plusieurs de ses propriétés: une électronégativité élevée est favorable: Cl - est un bon groupe partant une stabilisation par résonance élevée -SO 3 - est un bon groupe partant une faible force de liaison entre l'atome chargé et le carbone F- est un mauvais groupe sortant (malgré sa forte électronégativité) On voit que le dernier critère (force de la liaison) contrecarre le premier (électronégativité): il peut donc être difficile de caractériser clairement le groupe sortant.

44 Un autre critère: l'acidité de l'acide conjugué de l'anion permet d'évaluer plus facilement l'efficacité d'un anion en tant que groupe sortant. I - > Br - > Cl - > F - HI est l'acide le plus fort et HF le plus faible RS -, OH - et RO - : mauvais groupes sortants CF 3 -SO 3 - > SO 3 - > COO - RSH, H 2 O et ROH sont acides faibles Les acides sulfoniques (RSO 3 H) sont forts L'acide acétique ( COOH) est faible R-NH - et RCH - 2 ne sont pas groupes sortants RNH 2 et R ne sont pas des acides La protonation transforme un OH (mauvais groupe sortant) en OH 2 + (bon groupe sortant) H 3 O + est acide fort

45 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N 4. Réactions d'élimination : E1 et E2 5. Compétition substitution et élimination 6. Le groupe sortant 7. Carbocations et réarrangements cationiques

46 Plusieurs réactions - S N 1 et E 1 - Addition de HX sur alcène (Markovnikov) - Alkylation électrophile des aromatiques passent par un carbocation. Le carbocation peut: - additionner un nucléophile (S N 1 ou addition de HX). - perdre un proton (E1). - se réarranger (transposition de Wagner-Meerwein).

47 Le réarrangement de Wagner Meerwein se fait par migration d hydrure ou de groupe alkyle. Le réarrangement fonctionne si le nouveau cation formé est plus stable que le précurseur. Migration d hydrure: H 3 C H C C H Migration de groupe alkyle H 3 C H 3 C C C + + H H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C Cation secondaire Cation tertiaire (plus stable) + C + C : Migration d hydrure C H C H H

48 Exemple de réarrangement dans l alkylation de Friedel Crafts CH 2 + Al Cl4 - H 3 C C CH 2 Cl + AlCl 3 H 3 C C carbocation primaire: ne peut pas survivre H 3 C H 3 C + C CH 2 AlCl 4 - H 3 C C CH 2 Cl + AlCl 3 C CH 2 + HCl produit réarrangé

49 Exemple de réarrangement dans une S N 1 Br + + Br - O -H + H O + OH +

50 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N 4. Réactions d'élimination : E1 et E2 5. Compétition substitution et élimination 6. Le groupe sortant 7. Carbocations et réarrangements cationiques 8. Préparation des halogénoalcanes

51 Rappel : méthodes déjà rencontrées : Halogénation directe d alcanes H 3 C C hν Cl 2 H 3 C C CH 2 Cl HCl Addition de HX sur alcènes CH 2 CH 2 HCl CH 2 Cl Addition de X 2 sur alcènes CH 2 CH 2 Br 2 CHBrCH 2 Br

52 Synthèse au départ d'alcools ROH SOCl 2 RCl CH 2 CH 2 CH 2 OH HCl CH 2 CH 2 CH 2 Cl H 2 O

53 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N 4. Réactions d'élimination : E1 et E2 5. Compétition substitution et élimination 6. Le groupe sortant 7. Carbocations et réarrangements cationiques 8. Préparation des halogénoalcanes 9. Organométalliques : réactif de Grignard

54 Définition Les composés organométalliques comportent un métal lié à un ou plusieurs carbones. Préparations C C: - Na + MgCl O - Na + Réaction d'alcynes avec une base forte C CH + + NH 3 Na + NH 2 - C C: - Na + Métal + haloalcane 2 Li Cl LiCl : - Li + Mg CH 2 Br CH 2 MgBr

55 La liaison C-M - Avec Li, Na, K : la liaison a un caractère ionique prononcé. Il s'agit de composés très réactifs et difficiles à faire (-) (+) : Li - Avec Mg : la liaison n'est que partiellement ionique. RMgBr : Réactif de GRIGNARD δ (-) δ (+) MgBr

56 Réactif de Grignard : intérêt en synthèse La préparation se fait dans l'éther anhydre : on peut dissoudre du Mg dans l'éther sec s il contient un halogénoalcane ou un halogénoaromatique. I Mg éther + MgI Iodométhane Br + Mg Iodure de méthylmagnésium éther MgBr Bromobenzène Bromure de phénylmagnésium Il y a insertion du magnésium entre le carbone et l'halogène.

57 L'éther est un solvant indispensable pour cette préparation : CH 2 CH 2 O Mg Br Il y a stabilisation du réactif de Grignard par coordination du magnésium avec le solvant. O CH 2 CH 2

58 δ (-) δ (+) MgBr Le réactif de Grignard se comporte comme un carbanion (base) et comme nucléophile. MgX + H OH CH 4 + Mg X OH Br + Mg éther MgBr D 2 O D + Mg Br OD Utilisation pour le marquage au deutérium

59 CH 7. Composés halogénés et organométalliques. SUBSTITUTION ET ELIMINATION 1. S N : la substitution nucléophile 2. Substitutions nucléophiles sur halogénoalcanes 3. Mécanisme de la substitution nucléophile S N 4. Réactions d'élimination : E1 et E2 5. Compétition substitution et élimination 6. Le groupe sortant 7. Carbocations et réarrangements cationiques 8. Préparation des halogénoalcanes 9. Organométalliques : réactif de Grignard 10. Les composés halogénés et l'environnement

60 Les polyhalogénoalcanes ou polyhalogénoaromatiques (les "halocarbones" des journalistes) ont et à juste titre une réputation de composés toxiques. Leur place dans la synthèse organique et l'industrie chimique en général les rend cependant incontournables. Leur toxicité est à relativiser en fonction : - du degré d'exposition - de la nature du composé chloré (tétrachloroéthylène, chloroforme) - du fait qu'ils représentent des intermédiaires que normalement on ne conserve pas comme tels!!!!!!!! Dans une discussion qui concerne la toxicité, il est bon de rappeler que l'oxygène, vital pour notre existence, est aussi notre mortel ennemi puisque dès que nous commençons à le respirer, nous sommes condamnés à en mourir!!!!

61 Polyhalométhanes : CCl 4 (tétrachlorure de carbone) : solvant des graisses. (détachant) HCCl 3 (chloroforme) : solvant et anciennement anesthésique remplacé par halothane (CF 3 CHClBr). CH 2 Cl 2 (dichlorométhane ) : solvant. Polychloroéthylènes (tri et tétra) : CHCl=CCl 2 CCl 2 =CCl 2 : solvants de nettoyage industriel Téflon : n CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 n Polymère de tétrafluoroéthylène : un exemple d'usage totalement inoffensif de composé polyhalogéné.

62 Fréons : chlorofluorés à 1 ou 2 carbones CCl 3 F (11) CCl 2 F 2 (12) CClF 3 (13) CF 4 (14) Gaz ou liquides très volatiles, inertes et ininflammables, utilisés comme agents de réfrigération (conditionnements d'air et frigos) et propulseurs d'aérosols.!!! Inertes en conditions atmosphériques mais photoclivables dans la haute atmosphère!!! Les espèces réactionnelles issues de ce clivage photochimique sont responsables (dans l'état actuel des connaissances) de destructions périodiques (en hiver) et locales (en arctique et antarctique) de la "couche d'ozone".

63 Les insecticides : Cl CH CCl 3 Cl DDT Dichlorodiphényltrichlroéthane Produit aujourd'hui interdit... mais qui a tout de même sauvé l'europe de famine lors de la dernière guerre mondiale.

64 Les herbicides : OCH 2 COOH Cl OCH 2 COOH Cl Cl 2,4-D Cl Cl 2,4,5-T Acide 2,4 dichlorophénoxyacétique Acide 2,4,5 trichlorophénoxyacétique

65 Cl O Cl Cl O Cl 2,3,7,8-tétrachlorodibenzodioxine Cette molécule est un produit formé en faibles quantités (impureté) lors de la fabrication des herbicides précédents et de certains produits de structure analogue. Cette molécule, relâchée accidentellement pendant une fabrication du 2,4-D à Seveso en 1976, s'est révélé comme agent toxique lors des campagnes de défoliation par l'agent Orange (2,4,5-T) au Vietnam. Elle est invoquée en permanence mais pas toujours à bon escient, lorsqu'on parle du traitement des déchets par incinération.