Tutorat Santé Lyon Sud UE1 Alcools Cours du Professeur N.Walchshofer L ensemble des cours du Professeur N.Walchshofer fait habituellement l objet de 5 QCMs au concours. Le présent support de cours fourni par le Tutorat Santé Lyon Sud est destiné à faciliter votre prise de notes mais ne constitue en aucun cas une référence pour le concours. Seuls les cours ayant été dispensés par les enseignants et les supports mis à disposition par leurs soins sont légitimes. Veuillez prendre note que seul les polycopiés directement téléchargés depuis Spiral Connect sont certifiés en provenance du tutorat, toute autre source est potentiellement compromise. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 1/13
Alcools Chimie organique UE1 SOMMAIRE I. STRUCTURE... 3 II. REACTIVITE... 3 II.A. RELATIONS STRUCTURE-REACTIVITE...3 1. Nucléophiles et électrophiles...3 2. Relation structure-réactivité des alcools...4 II.B. FORMATION D ESTERS PAR REACTION AVEC LES ACIDES CARBOXYLIQUES...4 1. Conversion fonctionnelle...4 2. Détermination du mécanisme réactionnel...5 II.C. FORMATION D ETHERS PAR REACTION DE WILLIAMSON...7 1. Les 2 Etapes sucessives...7 2. Mécanisme réactionnel de la substitution nucléophile SN1 ou SN2...8 II.D. FORMATION D ALCENES PAR DESHYDRATATION D UN ALCOOL...10 1. Conditions réactionnelles : traitement d un alcool en milieu acide et à chaud...10 2. Réaction d élimination : mécanisme E1 ou E2...11 3. Impact du mécanisme E1 ou E2 sur la configuration de l alcène...13 4. Exemples...13 2/13 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)
I. STRUCTURE Alcool : caractérisé par un groupement fonctionnel hydroxyle (OH) directement lié à un carbone sp3. (et non sp2) Classification : subdivisés en 3 classes en fonction du degré de substitution du C lié à l O : Type d alcool Alcool primaire Alcool secondaire Alcool tertiaire Propriétés Substituants 1 2 3 Formule R = H ou H R H R H II. REACTIVITE II.A. RELATIONS STRUCTURE-REACTIVITE 1. Nucléophiles et électrophiles Pour que deux composés réagissent ensembles, ils doivent être de signes contraires (+ ou -). Dans 90% des cas, un nucléophiles réagit avec un électrophile. Électrophile : entité positive ou d+, jamais négative, pouvant disposer d une orbitale vacante pour créer une liaison avec un nucléophile. Nucléophile : entité négative ou d, jamais positive, pouvant disposer d un doublet d électrons pour créer une liaison avec un électrophile. Exemples : Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 3/13
Alcools Chimie organique UE1 Carbocation : un ion possédant une charge + dur l un de ses C. Ce C a donc 3 liaisons et 1 orbitale vacante. Exemple : Le brome attire les électrons de la liaison, ce qui entraîne la cassure de la liaison. L orbitale du carbone engagé avec le brome initialement devient vacante. Le carbone peut alors créer une liaison avec OH. OH est une base car il réagit avec H+, un acide. 2. Relation structure-réactivité des alcools Les différentes possibilités de réaction d un alcool en fonction du milieu dans lequel il est placé : propriétés Acide Basique Nucléophile Particularité : Présence d un H porté par un atome d O Conséquences : Polarisation de la liaison O-H. attire les e- de la liaison. H, à caractère acide susceptible d être arraché par une base. Présence d un doublet e- libres au niveau de l 0. 0 très électronégatif donc l intermédiaire réactionnel chargé + est non isolable. Possibilité de capter un H+ donc OH se comporte comme une base. Présence d un doublet d e- libre au niveau de l atome d 0. Possibilité de capter un carbocation ou autre entité positive. II.B. FORMATION D ESTERS PAR REACTION AVEC LES ACIDES CARBOXYLIQUES 1. Conversion fonctionnelle Conversion fonctionnelle : on part d une fonction pour arriver à une autre fonction. 4/13 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)
H+ cat : ajout d une très petite quantité, donc une quantité catalytique. La réaction est en équilibre : - réaction jamais totale car l ester re-réagit avec l eau une fois formé, pour reformer un acide carboxylique + un alccol. - élimination de l eau en cours de réaction pour un bon rendement chimique. - L apport des H + est assuré par l ajout de quelques gouttes (quantité catalytique) de HCl ou H 2 SO 4 dans le milieu réactionnel. Exemples : 2. Détermination du mécanisme réactionnel Un mécanisme réactionnel explique pas à pas 1 transformation chimique à l aide de flèches courbes allant toujours du nucléophile à l électrophile. Il y a différents moyens de prouver un mécanisme, par exemple marquage isotopique d atomes pour suivre leur devenir : Dans cette réaction : Alcool : nucléophile Acide carboxylique : électrophile De plus, la liaison C O n est jamais rompue, les liaisons qui se cassent sont C OH de l acide et O H de l alcool. Ainsi la stéréochimie est conservée. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 5/13
Alcools Chimie organique UE1 Mécanisme réactionnel : Protonation de l oxygène de la liaison C = O de l acide carboxylique : existence d une mésomérie (écrire plusieurs formes pour une même structure). Réaction d addition nucléophile Elimination d une molécule d eau après transfert de H + intramoléculaire Elimination de H + (catalyseur généré) Explications du procédé : Le mécanisme de cette réaction débute par une protonation de l'oxygène doublement lié de l'acide carboxylique grâce au catalyseur. On retrouve donc ici les propriétés basiques du doublet d'électrons libres. Cette protonation a pour conséquence d'augmenter le caractère électrophile du carbone de la fonction acide carboxylique. Ce phénomène est facilement explicable grâce à la mésomérie, qui permet de mettre en évidence que la charge positive apparaissant à la suite de la protonation n'est pas centrée sur le seul atome d'oxygène, mais partagée avec l'atome de carbone. Cette augmentation de l'électrophilie du carbone est mise à profit lors de l'étape suivante, qui consiste en l attaque d'un doublet libre de l'oxygène de l'alcool sur le carbone électrophile de l'acide carboxylique protoné. Lors de cette étape, c'est le caractère nucléophile de l'atome d'oxygène de l'alcool qui est mis en jeu. Ici nous sommes bien en présence d'une réaction d'addition (= on ajoute des atomes à un substrat sans lui en retrancher aucun) puisque l'acide carboxylique subit un ajout d'atomes sans en perdre aucun. De plus, cet ajout se faisant par l'action d'un nucléophile, il s agit d'une réaction d'addition nucléophile. L'intermédiaire obtenu à la suite de cette réaction donne alors lieu à un échange de proton, ce qui conduit à la forme protonée d'un groupement hydroxyle. Ce motif est connu pour être facilement éliminable sous la forme d'une molécule d'eau, c est un bon groupe partant car on obtient des molécules plus stables. On aboutit ainsi à un ester. Globalement, cette réaction d estérification est intéressante, cependant, toutes les étapes en sont réversibles, ce qui en limite souvent le rendement. H+ est bien un catalyseur car on le récupère à la fin du mécanisme réactionnel. H+ peut alors repartir en réaction, le même sert plusieurs fois, on n en a pas besoin en grande quantité. Mésomérie : écrire plusieurs formes pour une même structure. Exemples : 6/13 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)
Cependant les conversions fonctionnelles permettent de trouver la formule développée mais pas de connaitre la configuration des C*. Pour définir la stéréochimie il faut regarder le mécanisme réactionnel (coupure + formation des liaisons). On ne touche pas aux liaisons du C* donc l orientation des liaisons ne changent pas. (Ici, le C* reste S). II.C. FORMATION D ETHERS PAR REACTION DE WILLIAMSON La réaction de Williamson est une Substitution nucléophile (on substitue des atomes au substrat de départ sans en retrancher). L alcool est un nucléophile mais il n est pas suffisamment nucléophile, on a donc une transformation au préalable en alcoolate plus nucléophile (permet d accélérer la réaction car O est δ-, si on le transforme 0-, la charge négative sera encore plus réactive). 1. Les 2 Etapes sucessives 1) Formation de l alcoolate en milieu basique : réaction acide-base 2) Réaction de l alcoolate sur RX : substitution nucléophile (SN) Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 7/13
Alcools Chimie organique UE1 Exemples : 2. Mécanisme réactionnel de la substitution nucléophile SN1 ou SN2 Mécanisme SN1 Le mécanisme SN1 est composé de 2 étapes successives : Formation d un carbocation plan C + à partir du dérivé halogéné (par rupture de la liaison C X) Fixation de l alcoolate par l une ou l autre de la face du carbocation (50% R/50% S) et formation de l éther. Mécanisme SN1 : si le carbocation est suffisament stable pour se former par rupture de la liaison C X : Dérivés halogénés tertiaires lié à 3 entités autres que H Carbocation conjugué hybridé sp2 en α: Le carbocation est plat car hybridé sp2. La liaison de de l alcoolate, O- sur le carbocation peut donc se faire de manière aléatoire au-dessus ou en-dessous du plan du carbocation. Si on forme un C*, on peut le former dans les 2 configurations R ou S ce qui forme 50% d énantiomères R et 50% d énantiomères S, soit un mélange racémique. 8/13 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)
Stéréochimie : Absence de sélectivité due à la géométrie plane du C + hybridé sp2 Quelle que soit la configuration de RX (R ou S), on obtient un mélange racémique : 2 énantiomères avec 50% S et 50% R (si présence d un C*) Mécanisme SN2 : Le mécanisme SN2 est composé d une seule étape : Rupture (C-X ) et formation de liaisons simultanées (C-O) : mécanisme concerté il y a donc un seul angle d approche du nucléophile à l opposé de la liaison qui se coupe. Pas de passage par un carbocation C + Ce mécanisme produit une inversion géométrique de Walden au niveau de l atome de carbone lié à l atome d halogène X (comme le retournement d un parapluie au vent). La géométrie tétraédrique de l atome de carbone est donc respectée. Mécanisme SN2 si : Carbocation non stable dérivé halogéné RX secondaires II et primaires I Stéréochimie : la configuration R ou S de l éther obtenu est fonction de la configuration du C* du composé halogéné R-X. Sachant qu il se produit une inversion de Walden : inversion de la configuration de RX originelle. SN1 - Dérivé halogéné tertiaire - Carbocation conjugué hybridé sp2 en α (dl) SN2 - Dérivé halogéné secondaire - Dérivé halogéné tertiaire Exemples : Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 9/13
Alcools Chimie organique UE1 Mécanisme concerté SN2 avec inversion de Walden II.D. FORMATION D ALCENES PAR DESHYDRATATION D UN ALCOOL 1. Conditions réactionnelles : traitement d un alcool en milieu acide et à chaud Un alcool est traité en milieu acide (acide sulfurique) et à chaud ( ). Il se produit une réaction d élimination (E) : on retranche des atomes à une molécule sans en ajouter. Stéréochimie : Réaction régiosélective : lorsque plusieurs élimination peuvent être envisagées sur l alcool de départ et peuvent conduire à plusieurs alcènes régioisomères, on obtient majoritairement l un d entre eux La déshydratation des alcools suit la règle générale de Zaitsev Règle de Zaitsev : quand on forme une double liaison par élimination d un H et d un autre groupe, c est l hydrogène porté par le carbone le plus substitué (= celui qui porte le moins d hydrogène) qui s élimine de façon majoritaire, de façon à former la double liaison la plus substituée (= celle dont les C sp2 portent globalement le plus de groupes autres qu un hydrogène). Cette règle ne donne pas les proportions exactes des alcènes isomères obtenus. Régioisomères : produits de formules développées différentes issus du même mécanisme de réaction. /!\ Ne pas en déduire les réactions d élimination sont toutes régiosélectives (contre-exemple 1): Une réaction est régiosélective : - Réaction régiosélective si on obtient des régioisomères - il y a une disproportion de quantité entre les deux régioisomères obtenus. Exemples : 10/13 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)
Stéréochimie des alcènes obtenus : Ce sont des isomères de formules développés différents, issus du même mécanisme réactionnel et de formule brute identiques. Ces alcènes régioisomères sont des isomères de constitution 2. Réaction d élimination : mécanisme E1 ou E2 La première étape est commune aux deux mécanismes : capture de H+ apporté par le milieu acide par l oxygène électronégatif. Mécanisme E1 : Le mécanisme E1 est le plus courant : H 2 O est un bon groupe partant. La formation du C + est favorisée. Le mécanisme E1 est composé de 2 étapes : Formation d un carbocation C + par perte d une molécule d eau H2O après protonation de l alcool de départ (l oxygène électrophile attire les e-). Elimination d un proton H + avec formation simultanée de la double liaison C = C H+ est récupéré à la fin de la réaction donc il n intervient pas dans le bilan réactionnel. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 11/13
Alcools Chimie organique UE1 E1 : Alcools secondaires II Alcools tertiaires III Stéréochimie : mélange de 2 isomères de configuration (Z + E) si la double liaison de l alcène est stéréogène. Cependant on ne peut pas prédire les proportions de chacun d entre eux. Mécanisme E2 : Le mécanisme E2 est composé d une seule étape : Rupture et formation de liaisons simultanée : mécanisme concerté (C-H se casse pour former la double liaison et C-0+ se rompt). Pas de passage par un carbocation Particularité d E2 : ce départ de H+ et d eau ne peut se faire que quand la structure est dans une certaine conformation dite «réactive». Pour que le mécanisme soit concerté, il faut absolument que le H soit en position anti par rapport à H2O, c est à dire dans le même plan en zigzag. Si ce n est pas le cas, la réaction ne peut avoir lieu. Comme C-C est une liaison sigma à libre rotation, les molécules passent forcément à un moment donné dans la bonne conformation. C est une réaction qui marche donc quasi à 100%. E2 : Alcools primaires I Stéréochimie : alcène sans double liaison stéréogène, quelle que soit la configuration absolue (R ou S) de l alcool de départ. Elimination E1 - alcool secondaire - alcool tertiaire Obtention d isomères de configuration Z/E si la dl est stéréogène. Elimination E2 - alcool primaire Pas de double liaison stéréogène. 12/13 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)
3. Impact du mécanisme E1 ou E2 sur la configuration de l alcène Mécanisme E1 : le carbocation formé existe sous deux formes dans le milieu réactionnel. Lorsque H+ se détache pour former La double liaison, on peut obtenir deux structures différentes car la liaison est stéréogène. Le fait de passer par un carbocation implique que s il y a une double liaison stéréogène, alors on obtient le mélange de E et de Z. Mécanisme E2 : l alcène obtenu ne possède pas de double liaison stéréogène donc on obtient un seul et unique composé. 4. Exemples 3 produits sont obtenus : L ensemble (Z) et (E)-but-2-ène est majoritaire dans le mélange (règle de Zaïtsev), la réaction est régiosélective, mais il est difficile de prévoir à l avance lequel des 3 produits sera présent en quantité la plus importante. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 13/13