Les Halogénoalcanes
I. Propriétés physiques La force de la liaison C quand le gabarit de. C sp3 p gabarit orbitale p nuage e + diffus recouvrement La liaison C = polarisée Charge partielle négative sur l'halogène plus électronégatif et + sur le C
T eb des halogénoalcanes (R ) R = H F Cl Br I CH 3 161,7 78,4 24,2 3,6 42,4 CH 3 CH 2 88,6 37,7 12,3 38,4 72,3 CH 3 (CH 2 ) 2 42,1 2,5 46,6 71,0 102,5...
Usages > 15.000 composés organiques halogénés plastiques PVC (PolyChlorure de Vinyle = polychloroéthène) solvants (CH 2 Cl 2, C 2 Cl 4, C 2 HCl 3,...) lubrifiants industriels isolants (PCB,...) herbicides insecticides (chlordane, lindane,...)
Et l'environnement? > 15.000 composés organiques halogénés plastiques PVC (PolyChlorure de Vinyle = chloroéthène) solvants (CH 2 Cl 2, C 2 Cl 4, C 2 HCl 3,...) CO 2 supercritique lubrifiants industriels isolants (PCB,...) bioremédiation herbicides insecticides (chlordane, lindane,...) usage interdit ou limité depuis 1970
Comment préparer les dérivés halogénés? (3 grandes méthodes)
II. Préparation des dérivés halogénés Substitution radicalaire à partir d'un alcane: CH 3 Cl CH 3 CH 2 3 CH3 CH h 3 + Cl Cl 57 % 43 % Addition d'un hydracide sur un alcène: R HBr R HBr, ROOR R Br Halogénation d'un alcool: R Markovnikov SOCl 2 R effet Karash anti Markovnikov HBr R Br Cl ou PCl 3 HO Br
III. Réactivité des halogénoalcanes S N 1 S N 2 v rel v rel R Br + H 2 O R OH + HBr (solv. polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solv. aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Paramètres déterminants? R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Structure R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Aptitude nucléofuge R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Nucléophilie R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Solvant R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
III.1. Réactivité des halogénoalcanes primaires Nu R CH 2 R CH 2 Nu + C = électrophile *Nu ou Nu Les nucléophiles attaquent le C porteur de l'halogène qui est électrophile substitution nucléophile. = Substitution Nucléophile Biparticulaire (S N 2)
Une solution 0,01M en hydroxyde de sodium et 0,01M en iodométhane soumise à des mesures cinétiques à 0 C révèle les résultats suivants: CH 3 I + NaOH CH 3 OH + NaI [NaOH] i [CH 3 I] i vitesse production I 0,01 M 0,01 M 3 10 10 M/s 0,02 M 0,01 M 6 10 10 M/s 0,02 M 0,02 M 1,2 10 9 M/s Que pouvez vous en conclure?
Diagramme d'énergie potentielle de l'évolution du cours de la réaction S N 2. E a Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Exemple de la solvolyse du chloroforme: Illustrations: http://www.chemgapedia.de
HOMO LUMO et attaque du Nu HOMO: orbitale n du Nu (2 e ) LUMO: orbitale * de la liaison C Attaque frontale Attaque dorsale
Stéréochimie de la S N 2
Etat de transition et énergie libre G Etat transition G Réactifs Produits Réactifs Produits L'état de transition s'apparente au passage (chemin réactionnel) qui nécessite le moins d'énergie.
Etat de transition et entropie S Si S alors G et inversément Produits Réactifs Un passage large signifie que la réaction pourra se produire avec des réactifs présentant plusieurs orientations de même E. Passage étroit nombre restreint d'orientations.
III.2. Réactivité des halogénoalcanes tertiaires R' lent R' R C R C+ + R'' R'' R' rapide R C+ + Nu R'' R' R C Nu R'' R' R C= R'' 1) Formation d'un carbocation (étape déterm. v) 2) Réarrangement éventuel 3) Addition Nu en compétition avec l'élimination = Substitution Nucléophile Monoparticulaire (S N 1)
Diagramme d'énergie potentielle de l'évolution du cours de la réaction S N 1. Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Stéréochimie de la S N 1 Racémisation car passage par un carbocation plan. Illustrations: http://www.chemgapedia.de
III.3. Réactivité des halogénoalcanes secondaires? C'est à voir... selon l'aptitude nucléophuge du groupe sortant le nucléophile, la nature des substituants, l'encombrement stérique, le solvant,...
III.4. Encombrement stérique et S N 2 R Br + I R I + Br (selon mécanisme S N 2) CH 3 Br 145 CH 3 CH 2 Br 1 CH 3 CH 2 Br 1 CH 3 CH 2 CH 2 Br 0,8 CH 3 CH 3 CH 3 CH Br 0,0078 CH 3 CCH 2 Br 0,03 CH 3 CH 3 CH 3 C Br CH 3 CCH 2 Br 1,3 x 10 5 CH 3 CH 3
III.5. Aptitude nucléofuge du groupe partant R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) S N 1 nécessite un bon nucléofuge R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) S N 2 aptitude nucléofuge = paramètre parmis d'autres Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Aptitude nucléofuge du groupe partant et S N 2 CH 3 L + Nu CH 3 Nu + L Vitesses moyennes relatives de réactions: F 1 Cl 200 Br 10.000 l 30.000 TsO 60.000
Aptitude nucléofuge du groupe partant Pour qu'un groupe partant soit le meilleur possible liaison avec le C la + faible possible = I > Br > Cl >> F ( + gros lien + faible) Autres bons groupes partants: Mésylate (Ms) Triflate (Tf) Tosylate (Ts) O O O H 3 C S O R F 3 C S O R H 3 C S O R O O O Classement: OTs > I > Br ~ H 2 O > Cl >> F
Force des bases et qualité du groupe partant Acides conj. Gr. sortants Acides conj. Gr. sortants Forts pka Bons Faibles pka Mauvais HI 5,2 I HF 3,2 F H 2 SO 4 5,0 HSO 4 CH 3 CO 2 H 4,7 CH 3 CO 2 HBr 4,7 Br HCN 9,2 NC HCl 2,2 Cl CH 3 SH 10 CH 3 S H 3 O+ 1,7 H 2 O CH 3 OH 10 CH 3 O CH 3 SO 3 H 1,2 CH 3 SO 3 H 2 O 15,7 HO NH 3 35 HN 2 H 2 38 H
III.6. Effet de la nucléophilie R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
Influence de la nucléophilie sur la S N 2 CH 3 I + Nu CH 3 Nu + I Vitesses relatives de réactions: H 2 O 1 CH 3 O 25.000 CH 3 COO 500 I 100.000 NH 3 700 CN 125.000 Cl 1000 HS 125.000 HO 16.000
Nucléophilie et basicité Nu avec la charge pour un même atome: HO > H 2 O et H 2 N > H 3 N Nu quand l'électronégativité : R 2 N >> RO >> F et RS > RO Nu = entravée par la solvatation: I > Br > Cl > F le moins solvaté est + Nu H O CH 3 CH 3 O H O CH 3 H CH 3 CH 3 O H I H O CH 3 CH 3 O H F H O H O CH3
Nu stériquement encombrés = moins performants CH 3 O > (CH 3 ) 3 CO Chevauchement des orbitales autour du centre Nu et de l'atome voisin identique: HOO > HO Conclusion: Les bases fortes = bons Nu La nucléophilie est entravée par la solvatation et l'encombrement stérique ATTENTION! basicité = propriété thermodynamique (Ka) nucléophilie = phénomène cinétique (vitesse réaction)
III.7. Effet de solvant R Br + H 2 O R OH + HBr (solvant polaire protique) < 1 1 12 1.200.000 R Cl + R'O R OR' + Cl (solvant aprotique (DMF)) 30 1 0,02 ~ 0 Illustrations: http://www.chemgapedia.de
S N 1 et effet de solvant R L R + + L Création de charges stabilisation par solvant polaire
S N 2 et effet de solvant Nu R CH 2 R CH 2 Nu + Substrat Nu Etat trans. Solvant neutre chargé dispersion aprotique R L Nu charge apolaire neutre neutre création aprotique R L Nu charge polaire chargé chargé dispersion aprotique R L + Nu charge apolaire
III.8. Facteurs favorisant les S N 1 et les S N 2 Facteur S N 1 S N 2 Substrat tertiaire > sec. méthyle > prim. > sec. (CC stable) (peu encombré) Nu base Lewis faible base Lewis forte neutre, solvant conc. élevée Solvant protique polaire aprotique polaire (ou peu polaire) Groupe partant plus basicité = faible, meilleur il est OTs > I > Br ~ H2 O > Cl >> F
IV. Réactions des halogénoalcanes IV.1. Echange d'halogène par SN 2 H C Br CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 (R) 2 bromohexane I Br H I C CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 (S) 2 iodohexane Formation des iodohalogénures difficiles à synthétiser par halogénation directe de l'alcane (réact. endo)
H C F CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 (R) 2 bromohexane I H I C CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 (S) 2 iodohexane Suggérez une explication.
IV.2. Les S N peuvent être réversibles Cl, Br et I = bons nucléophiles = bons groupes sortants propanone (acétone) CH 3 CH 2 CH 2 I + LiCl CH 3 CH 2 CH 2 Cl + LiI H C Cl = 335 kj/mole H C l = 222 kj/mole propanone (acétone) CH 3 CH 2 CH 2 Cl + NaI CH 3 CH 2 CH 2 l + NaCl (s) soluble insoluble dans l'acétone
IV.3. Toxicité des «agents alkylants» CH 3 R S H + CH 3 Br R S + H + Br R S CH 3 + HBr CH 3 Br agent de fumigation insecticide insecticide du sol SANTE: alkylation aléatoire les fonctions NH 2 et SH des systèmes biochimiques et formation HBr toxique. Brûlures de la peau Lésions au niveau des reins, du foie et du SNC Oedème pulmonaire (mort)
IV.4. S N en synthèse organique
V. Réactions compétitives aux SN Elimination E 1 : (CH 3 ) 3 C Br Elimination E 2 : H 3 C CH 3 C+ CH 3 OH CH 3 + Br H 2 C (CH + H + + Br 3 ) 3 C OCH 3 80% par S N 1 CH 3 C + H + + Br CH 3 20% par E1 CH (CH 3 ) 3 C Br + Na + OH E2 3 H 2 C C base forte CH 3 attaque avant formation CC CH 3 CH 2 CH 2 Br CH 3 O Na + CH 3 OH H H CH 3 CH 2 CH 2 OCH 3 + C=C CH 3 H 92% de S N 2 8% de E2
V.1. Mécanisme de l'élimination E2 Mécanisme concerté en une étape: Etat de transition plus stable si double liaison = substituée. E2: tertiaire > secondaire > primaire E2 sur C primaire SSI base très forte non Nu
V.2. E et encombrement stérique CH 3 CH 2 O CH 3 CH 2 CH 2 Br CH 3 CH 2 CH 2 OCH 2 CH 3 + CH 3 CH=CH 2 CH Primaire 3 CH 2 OH 91% 9% CH 3 CH CH 3 3 CH 2 O CH 3 CHCH 2 Br CH 3 CHCH 2 OCH 2 CH 3 + (CH 3 ) 2 C=CH 2 CH Primaire 3 CH 2 OH 40% 60% avec ramification CH 3 CH CH 3 CH 2 O 3 CH 3 CHBr CH 3 CHOCH 2 CH 3 + CH 3 CH=CH 2 CH 3 CH 2 OH Secondaire 13% 87%
V.3. Comment favoriser les E Utiliser des bases fortes non nucléophiles, stériquement encombrées:
V.4. Mécanismes probables: R + Nu Type R Nu faible Bon Nu Nu non vol. Nu encombré base faible base Forte base Forte ex: eau ex: I ex: CH 3 O ex: (CH 3 ) 3 CO Méthylé pas réact. S N 2 S N 2 S N 2 Primaire non vol. pas réact. S N 2 S N 2 E 2 ramifié pas réact. S N 2 E 2 E 2 Second. S N 1 lente,e1 S N 2 E 2 E 2 Tertiare S N 1, E1 S N 1, E1 E 2 E 2 Volhardt p 263
VI. Exercices Quels sont les produits principaux obtenus par traitement des bromoalcanes A à D avec (a) à (e)? Br D Br A B C D D Br Br NaN 3 /DMF LDA/DMF NaOH/DMF CH 3 COONa CH 3 OH /CH 3 COOH (a) (b) (c) (d) (e)
Un des réactifs de la réaction suivante est le méso 2,4 dibromopentane. Quel est ce composé? Quelles sont les relations stéréochimiques entre les différents isomères? H Br 1 CH 3 Br H CH 3??? Br H 2 CH 3 H Br CH 3? Quelle est la relation entre le nombre de stéréocentres et le nombre de stéréoisomères maximum? H H CH 3 Br Br? Br Br 3 CH 3 4 CH 3 H H CH 3 Quelle est la particularité ici?
Ecrivez les structures des produits résultant de la réaction de l'ion cyanure avec le méso 2,4 dibromopentane. Aidez vous de modèles moléculaires.
L'octane 3 ol dextrogyre et certains de ses dérivés se trouvent dans l'alcool de menthe naturelle tandis que leurs pendant levrogyres sont isolés de l'essence de lavande. Montrer comment synthétiser des échantillons optiquement purs de chaque énantiomère d'acétate d'oct 3 yle au départ de (S) 3 iodooctane.