COURS De l atome à la chimie organique

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1 US De l atome à la chimie organique 22 heures : 11 séances de 2 heures hapitres: 1 Atome (4h) 2 Décrire une molécule (4h) 3 Interactions intermoléculaires (2h) 4 Introduction à la chimie organique et stéréochimie (5h) 5 Effets électroniques, intermédiaires réactionnels et notions cinétiques (3h) 6 Dérivés halogénés: substitutions nucléophiles éliminations d ordre 1 ou 2 (4h) 1

2 I- Généralités 1- Nomenclature LES DÉIVÉS ALGÉNÉS X 3 I iodométhane, chloroéthane, bromure de benzyle, chloroéthène, 1,2-dichloroéthane 2- aractéristique de la liaison -X F I Electronégativité 2,55 3,98 3,16 2,96 2,66 Liaison -X dans 3 X : + X X = F,,, I - Les dimensions de moment dipolaire sont charge distance. Longueur (Å) de liaison Energie (kj/mol) de liaison Moment dipolaire Me-F Me Me Me-I

3 assement bromobutane 2-bromobutane 2-méthyl-2-bromopropane bromocyclohexane 3-bromopropène chlorobenzène Exemples: N I I 2 N N 6,6 -dibromoindigo (Pourpre de Tyr) I I Thyroxine (hormone thyroïdienne) DDT (pesticide) Polarisation de la liaison -X due à l'effet inductif attracteur -I (électronégativité forte) de l'atome d'halogène. Polarisabilité des halogènes (X) : mesure de la capacité des électrons des halogènes à se polariser sous l'effet du champ électrique d'un réactif. Un gros atome est plus polarisable qu un petit, car les électrons de sa couche externe sont retenus plus faiblement par le noyau. Plus X est gros, plus il est polarisable et plus le départ de X- est facile. Polarisabilité des halogènes dans un composé organique : I > > > F. 3

4 3- onstat expérimental Nu + -X -Nu + X Nu + -X -Nu + X ou nucléophile substrat produit nucléofuge Plusieurs mécanismes sont possibles, suivant la nature des molécules réagissant, le solvant, la température Nous allons étudier plus précisément deux mécanismes typiques (limites) de ces réactions au cours desquels soit : - la rupture de la liaison -X et la formation de la liaison -Nu sont concertées - la rupture de la liaison -X précède la formation de la liaison -Nu qui a lieu dans une seconde étape S N 2 S N 1 Deux mécanismes totalement différents, donc deux lois de vitesse différentes 3 + Na, 3 + Na, v = k [ 3 ] [] ( 3 ) ( 3 ) 3 + v = k [( 3 ) 3 ] réaction bimoléculaire 4 réaction monomoléculaire S N 2 S N 1

5 II- éaction S N 2 1- Mécanisme - - =I + État de transition : trois - coplanaires Electrophiles peu réactifs: etc... 5

6 SN 2, réaction bimoléculaire Energie potentielle 1 Nu X Etat de transition 2 3 Nu X Nu X Vitesse : v = k [Nu - ] [X] oordonnée de réaction ( 3 ) 3 Ac ( 3 ) 3 dérivé cis exclusivement * Ts 3 * Ts : S 6 Ts

7 2- Stéréochimie de la réaction La réaction S N 2 se produit avec inversion de configuration : «Inversion de Walden» 3 D S 3 D + Na Na S D D + Na + Na Attention: la configuration est déterminée toujours selon la ègles séquentielles de IP N N

8 3- Facteurs influençant la vitesse de la réaction S N 2 choix du solvant 1 choix du nucléophile Nu degré de substitution du carbone X choix du nucléofuge a) choix du nucléophile, 2,, 3, 3 N 2, 2 N, 3 N N, > 2 N > N 2 > S > S > I > > > F S > S > S > 3 + Nu solvant 3 Nu + Nu S N I 3 N 3 2 k rel ,7 0,001 Une réaction SN2 est favorisée par un meilleur nucléophile (plus rapide). 8

9 b) encombrement stérique du carbone -X - + I -I ( 3 ) 2 ( 3 ) 3 k rel Ts > I > > > F >>, N 2, proche de 0 L'encombrement stérique du carbone déstabilise l'état de transition et diminue par conséquent la vitesse de la réaction. L'encombrement stérique du nucléophile diminue également la vitesse de la réaction. c) choix du nucléofuge X - est un bon groupe partant s il est stable, c'est à dire peu basique. Ts 3 S para-méthylbenzènesulfonate ou tosylate Une réaction SN2 est favorisée également par un meilleur nucléofuge. 9

10 d) choix du solvant Les solvants polaires protiques stabilisent le nucléophile par liaison hydrogène Les solvants polaires aprotiques, donc à forte constante diélectrique permet de solubiliser les sels, de dissocier le nucléophile de son contre-ion de solvater ce cation. Nu + N 3 solvant N 3 + solvant k rel MPT 3 N DMF DMS S diméthylsulfoxyde DMS 3 3 N N,N-diméthylformamide DMF N N P N hexaméthylphosphotriamide MPT 3 S 3 3 S 3 Na S S 3 solvatation de Na dans DMS Une réaction SN2 est favorisée par un solvant polaire aprotique et défavorisée par un solvant polaire protique. 10

11 4- Applications en synthèse La réaction S N 2 permet d introduire de divers groupements fonctionnels: Nu + X Nucléophiles S N 2 Nu + X ' alcynures ' alcynes N cyanure N nitriles 1 alcoolate 1 éthers 1 carboxylate 1 esters N 2 amines N 2 ammonium secondaire 11

12 III- éaction S N solvant 3 3 +, 3 1- Mécanisme ère étape lente ème étape rapide très rapide La formation du carbocation est l'étape cinétiquement déterminante : v = k [-] (ordre 1) 12

13 X E 2 X avancement de la rˇ e action S N ère étape lente ème étape rapide très rapide

14 2- Stéréochimie de la réaction S N 1 La réaction n'est pas stéréospécifique. Et Ph S Ph Et + Ph Et % 50% mélange racémique Sur le plan stéréochimique, les carbocations étant plans, on s attend à ce qu une réaction S N 1 sur un substrat chiral conduisent à un mélange racémique d un couple d énantiomères, l attaque du nucléophile sur chacune des faces du carbocation étant également probable. 14

15 En fait les deux faces ne sont pas strictement équivalentes, du fait de la formation possible d une paire d ions entre le carbocation et le groupe partant, ce qui favorise légèrement l inversion de configuration vis-à-vis de la paire d ions carbocation «libre» rétention. inversion racémisation Exemple Et Me ( 3 ) 2 ( 2 ) 3 (3)-3-chloro-3,7-diméthyloctane 40 % (rétention) 60 % S (inversion) 15

16 3- Facteurs influençant la vitesse de la réaction S N 1 3a- Encombrement stérique du dérivé halogéné de départ : k rel

17 Le postulat de ammond L'état de transition dont la structure est proche de celle du carbocation, a aussi une énergie proche de celle du carbocation. Par conséquent, plus le carbocation intermédiaire est stable et plus l'état de transition est stable, donc plus l'énergie d'activation est faible et plus la vitesse de réaction est grande. stabilisé par ef f et inductif donneur +I des de moins en moins stable 3 3 A carbocation allylique B carbocation benzylique 17

18 3b- Influence du solvant Les solvants protiques polaires ( 2, Me, Et...) solvatent bien le nucléofuge et le carbocation. - ette solvatation stabilise le carbocation et le nucléofuge.. - Les réactions S N 1 seront donc favorisées par des solvants polaires, comme l eau ou les mélanges eauéthanol. - ontrairement aux S N 2, les solvants protiques sont favorables pour une réaction S N Solvant éactivité relative Eau Ethanol Ethanol Ethanol aqueux (80%) aqueux (40%)

19 3c- Influence du nucléofuge Un meilleur nucléofuge favorise la réaction, Ts- > I- > - > - X est un bon groupe partant si X- est une base faible très stable : 4- éarrangement des carbocations migration

20 5- écapitulatif : S N 1 - S N 2 S N 1 S N 2 dérivés halogénés tertiaires dérivés halogénés primaires nucléophile indiff érent puissant nucléophile nucléofuge puissant : bon groupe partant solvants polaires et protiques solvants polaires et aprotiques 20

21 IV- éactions d'élimination E 2 1- mécanisme : B conformation anti -élimination B ET* B + 3 majoritaire 3 3 B ET* minoritaire + B + égiosélectivité: en faveur de l'alcène le plus substitué ègle de Zaytsev 21

22 2- éaction d'élimination sur un halogéno-cyclohexane + Et + Et conformation chaise la plus stable avec en position équatoriale conformation inactive en E2 conformation chaise la moins stable avec en position axiale conformation active en E2 22

23 onformations «chaise» du cyclohexane 3 - axiales vers le haut 3 - axiales vers le bas 3 - équatoriales vers le bas 3 - équatoriales vers le haut chaise 1 chaise 2 23

24 3- éaction d'élimination sur le trans et le cis 2-méthyl-chlorocyclohexane 3 + Et 3 Et 3 trans-2-méthylchloro-cyclohexane 3 Produit unique 3 + Et 3 Et 3 cis-2-méthylchloro-cyclohexane Min. Maj. 24

25 4- Stéréosélectivité L'élimination E 2 est diastéréospécifique : Ph Me Me Et Ph Me S S Me Et Me Ph S Me Me Ph Me alcène Z diastéréomère S,S diastéréomère,s alcène E 25

26 5- Facteurs influençant la vitesse de la réaction E2 par rapport à S N 2 La beta-élimination E2 entre en compétition avec la réaction de substitution nucléophile SN2 et les deux mécanismes se ressemblent complètement ( nucléofuge, effets de solvants, nature de substrat etc), mais à un détail près: E2 est favorisée par une base forte, tandis que S N 2 par un bon nucléophile B Et Et E2 S N 2 3 (pka = 4,76) 0% 100% force de la base 3 2 (pka = 16,3) 80% 20% 3 3 (pka = 17) 97% 3% 3 E2 est favorisée plutôt que S N 2 si la réaction a lieu à une température élevée. 26

27 3 3 3 _ V- éactions d'élimination E 1 La réaction E1 en compétition avec SN1 est favorisée par: une base forte, en particulier encombrée une température élevée un substrat encombré _ Et _ Et Et Et 80% (S N 1) 20% (E1) ésultat inversé si EtNa Et 3 2 Et % (S N 1) 32% (E1) 8% (E1)

28 5- écapitulatif : S N 1 / E1 - S N 2 / E2 S N 1: bon nucléophile E1: base foret et encombrée température élevée S N 2: bon nucléophile E2: base foret température élevée 28