page i TABLE DES MATIÈRES I- INTRODUCTION 1.1 Rappels...... 1 1.2 Contexte. 6 II- SPECTROSCOPIE INFRAROUGE 2.1 Introduction.... 11 2.2 Théorie..... 12 Le spectre électromagnétique.. 12 Le principe... 13 Effet de la force de la liaison 14 Effet de la masse des atomes.. 14 Effet de la polarisation du lien.. 15 Modes vibrationnels... 15 2.3 Instrumentation..... 18 Spectromètre traditionnel à double faisceaux... 18 Spectromètre moderne à transformée de Fourier (FT-IR).. 19 Préparation des échantillons 20 2.4 Interprétation des spectres.... 21 Comment faire l'analyse d'un spectre infrarouge.. 21 Protocole à suivre pour déterminer la présence de groupes fonctionnels 22 2.5 Exercices suggérés..... 23 2.6 Références. 23 Annexe... 24 III- RÉACTIONS RADICALAIRES 3.1 Introduction... 27 3.2 Énergie de dissociation homolytique d'un lien.... 28 Chaleurs de formation... 30 Stabilité relative des radicaux alkyles. 30 3.3 Réactions des alcanes avec les halogènes... 31 Mécanisme de la réaction d'halogénation.. 31 Aspects thermodynamiques de la réaction d'halogénation. 33 Aspects cinétiques de la réaction d'halogénation. 35 3.4 Halogénation des alcanes supérieurs.... 39 La chloration 39 La bromation... 41 La fluoration. 41 3.5 Réactions d'halogénation créant des stéréocentres.. 42 Géométrie des radicaux alkyles.. 42 Réaction créant un seul centre stéréogénique. 42 Réaction créant un deuxième centre stéréogénique 44
page ii III- RÉACTIONS RADICALAIRES (suite) 3.6 Addition radicalaire sur les alcènes: Addition anti-markovnikov du HBr... 45 3.7 Polymérisation radicalaire des alcènes.. 47 3.8 Autres réactions radicalaires importantes... 50 L'auto-oxydation des composés organiques. 50 L'épuisement de la couche d'ozone 52 3.9 Exercices suggérés. 53 IV- LES ALCOOLS ET LES ÉTHERS 4.1 Structure et propriétés des alcools et des éthers... 54 Les alcools.. 54 Les éthers 55 Structure de l'eau, des alcools et des éthers. 55 Propriétés physiques de l'eau, les alcools et les éthers.. 55 4.2 Nomenclature des alcools et des éthers... 57 Nomenclature des alcools 57 Nomenclature des éthers. 59 4.3 Préparation des alcools.. 60 Hydratation des alcènes 60 Oxymercuration-demercuration des alcènes. 61 Hydroboration des alcènes... 63 4.4 Conversion des alcools en sulfonates... 67 4.5 Conversion des alcools en halogénures... 69 Déplacement d'une molécule d'eau par l'anion halogénure 69 Déplacement d'un tosylate par l'anion halogénure.. 70 Déplacement d'un groupe partant formé in situ par l'anion halogénure 70 4.6 Préparation des éthers... 72 Préparation de l'anion alkoxyde.. 72 Réaction de l'anion alkoxyde avec les électrophiles: Synthèse de Williamson 72 Déshydratation des alcools.. 74 4.7 Réactions des éthers.. 75 4.8 Préparation des époxydes. 76 4.9 Réaction d'ouverture des époxydes... 77 Réaction d'ouverture des époxydes en milieu acide.... 77 Réaction d'ouverture des époxydes en milieu basique 81 Formation stéréosélective de diols-1,2 trans à l'aide des époxydes. 82 4.10 Réactivité des époxydes en milieu biologique.. 83 4.11 Réactions d'oxydation des alcools... 85 Mécanisme général d'oxydation des alcools. 85 Oxydation des alcools à l'aide des réactifs du chrome (VI) 86 Oxydation de Swern.. 87 4.12 Spectroscopie infrarouge des alcools et éthers... 90 Effet des ponts hydrogènes.. 90 Modes vibrationnels... 90 Exemples de spectres.. 91 4.13 Exercices suggérés... 97
page iii V- LES ALDÉHYDES ET LES CÉTONES 5.1 Le groupement carbonyle.. 98 5.2 Nomenclature des aldéhydes et des cétones.. 99 Nomenclature des aldéhydes. 100 Nomenclature des cétones.... 101 5.3 Préparation des aldéhydes et des cétones.... 104 Oxydation des alcools.... 104 Ozonolyse des alcènes.. 105 Hydratation des alcynes. 105 Mécanisme de l'hydratation des alcynes. 106 5.4 Réactions de réduction des aldéhydes et des cétones... 107 Mécanisme 108 Réduction des composés carbonylés α,β-insaturés.. 109 Réduction asymétrique des composés carbonylés avec les réducteurs chiraux111 5.5 Réactions d'addition de carbones nucléophiles 112 Addition de l'anion cyanure. 112 Addition d'autres carbanions nucléophiles.. 113 5.6 Réactions des carbonyles avec les alcools... 119 L'équilibre entre les espèces. 119 Position de l'équilibre.. 120 Mécanisme de formation d'un cétal avec une catalyse acide.. 122 5.7 Réactions des carbonyles avec les amines... 123 5.8 Méthodes pour la réduction du groupement carbonyle en groupement CH 2 125 Réduction de Wolff-Kishner... 125 Réduction de thioacétals et thiocétals par le nickel de Raney. 127 5.9 Réaction des aldéhydes et cétones avec les ylures: La réaction de Wittig.. 128 Les ylures de phosphore. 128 La réaction de Wittig 128 La réaction de Horner-Wadsworth-Emmons.. 130 5.10 Oxydation des aldéhydes et cétones: Oxydation de Baeyer-Villiger 131 Mécanisme 132 5.11 Spectroscopie infrarouge des cétones et aldéhydes. 133 Modes vibrationnels. 135 Exemples de spectres. 136 5.12 Les groupes protecteurs en synthèse organique... 142 Problématique.. 142 Propriétés requises d'un groupe protecteur. 144 Groupe protecteur de la fonction alcool: Le groupe THP. 144 Autres groupes protecteurs de la fonction alcool: Les éthers silylés. 146 5.13 Planification d'une synthèse.... 147 Introduction 147 Problématique.. 148 L'analyse rétrosynthétique. 149 5.14 Exercices suggérés. 154
page iv VI- LES ACIDES CARBOXYLIQUES ET LEURS DÉRIVÉS 6.1 Structure et propriétés physiques.... 155 Les différents dérivés d'acides carboxyliques. 155 Structure et réactivité de la fonction carboxyle 155 Propriétés physiques des acides carboxyliques et de leurs dérivés... 159 6.2 Nomenclature des acides carboxyliques et de leurs dérivés. 162 Noms triviaux d'acides carboxyliques.. 162 Noms systématiques (IUPAC) des acides carboxyliques. 162 Nomenclature des anhydrides.. 164 Nomenclature des halogénures d'acyles. 165 Nomenclature des esters et des sels d'acides carboxyliques.. 166 Nomenclature des amides. 167 Nomenclature des nitriles.. 168 Autres classes de composés apparentés 169 6.3 Préparation des acides carboxyliques.... 170 Préparation des acides carboxyliques par oxydation. 170 Réaction des réactifs organométalliques avec CO 2... 171 6.4 Mécanisme d'addition-élimination sur les acides carboxyliques et dérivés.. 172 Mécanisme d'addition-élimination en milieu acide. 172 Mécanisme d'addition-élimination en milieu basique. 173 6.5 Conversion des acides en chlorures d'acyle et en anhydrides.. 173 Méthodes de préparation des chlorures d'acyle.. 174 Méthodes de préparation des anhydrides 175 6.6 Réactions des dérivés d'acides carboxyliques avec le nucléophile H 2 O.. 176 La réaction d'hydrolyse.. 176 Mécanisme de la réaction d'hydrolyse. 179 Importance biologique de la réaction d'hydrolyse des amides. 182 6.7 Réactions des dérivés d'acides carboxyliques avec le nucléophile ROH. 185 Les halogénures d'acyle et les anhydrides comme agents acylants. 185 Estérification directe des acides carboxyliques.. 187 Transestérification des esters... 187 Mécanisme commun d'estérification et de transestérification en milieu acide.. 188 Réactions de transestérification d'importance biologique. 189 6.8 Réactions des dérivés d'acides carboxyliques avec le nucléophile RNH 2. 191 6.9 Réactions des dérivés d'acides carboxyliques avec le nucléophile RM.... 192 Réaction des organométalliques avec les esters.. 193 Réactions des organométalliques avec les autres dérivés d'acides... 195 Réactions qui arrêtent au niveau de la cétone 196 6.10 Réactions de réduction des acides carboxyliques et leurs dérivés.. 197 Réductions avec l'hydrure d'aluminium et de lithium. 197 Réductions avec l'hydrure de diisobutylaluminium (DIBAL-H). 201 6.11 Les lactones et les lactames. 204 6.12 Les lipides, les gras, les huiles et les cires.. 206 6.13 Les surfactants. 208 6.14 Les dérivés de l'acide carbonique... 210 Les carbamates comme groupes protecteurs pour les amines... 211
page v VI- LES ACIDES CARBOXYLIQUES ET LEURS DÉRIVÉS (suite) 6.15 Spectroscopie infrarouge des acides carboxyliques et de leurs dérivés... 212 Spectres infrarouge des acides carboxyliques.... 213 Spectres infrarouge des sels de carboxylates.. 217 Spectres infrarouge des esters et des lactones 218 Spectres infrarouge des anhydrides.. 222 Spectres infrarouge des halogénures d'acyles. 223 Spectres infrarouge des amides. 225 6.16 Exercices suggérés. 229 VII- LES NUCLÉOPHILES ÉNOL ET ÉNOLATE 7.1 Les hydrocarbures acides... 230 Stabilisation des carbanions par effet inductif 230 L'acidité accrue des hydrogènes adjacents aux groupes électroattracteurs. 232 Les énols et les énolates 233 Les composés avec un méthylène actif.. 237 Racémisation ou épimérisation des composés carbonylés en position-α... 238 7.2 Les énols et énolates agissant comme nucléophiles.. 240 Introduction 240 Les halogènes comme électrophiles 241 La réaction d'haloforme.. 242 Les halogénures comme électrophiles. 244 Les composés carbonylés comme électrophiles 245 7.3 La régiosélectivité lors de la formation d'énolates 247 7.4 Alkylation des énolates des cétones et des esters.. 249 Alkylation régiosélective des cétones.. 249 Synthèse et alkylation des énamines... 251 α-sélénation: Synthèse de composés carbonylés α,β-insaturés 254 Alkylation des esters et des lactones 257 7.5 Réactions des énolates stabilisés.... 258 Alkylation des composés avec un groupe méthylène actif 258 Les dérivés de l'acide barbiturique 260 Décarboxylation des acides β-carbonylés 262 7.6 Réaction des énolates avec les composés carbonylés.. 264 La condensation d'aldol.. 264 Condensation des aldéhydes avec d'autres carbanions stabilisés. 271 Condensation des énols avec les imines: La réaction de Mannich 272 7.7 Réaction des énolates avec les esters.... 273 La formation de β-cétoesters par la condensation de Claisen. 273 Acylation d'autres énolates. 275 La condensation de Dieckmann 277 7.8 Exercices suggérés... 279
page vi VIII- LA SPECTROMÉTRIE DE MASSE 8.1 Le spectromètre de masse.. 280 Introduction... 280 Les modes d'ionisation 282 Les types d'analyseurs de masse. 288 8.2 Le spectre de masse. 291 Les pics de base et l'ion moléculaire... 291 Pics dûs à l'existence d'isotopes plus lourds.292 8.3 Détermination des formules moléculaires...... 294 À l'aide des pics isotopiques.. 294 Par spectrométrie de masse à haute résolution. 297 8.4 Calcul du degré d'insaturation... 298 8.5 Fragmentation. 299 Fragmentation suite au bris d'une liaison simple 300 Fragmentation suite au bris de plusieurs liens 305 8.6 Exemple d'analyse spectrale... 306 8.7 Exercices suggérés... 308