Les alcools La fonction alcool est présente dans de nombreuses molécules naturelles comme la vitamine A ou le cholestérol. L éthanol, l alcool contenu dans les boissons alcoolisées, provient par exemple de la fermentation de jus de fruits. I. Présentation des alcools 1. Définitions Un alcool est un hydrocarbure dont un atome de carbone tétraédrique est lié au groupement hydroxyle OH. Formule générale : R-OH Exemples : Un phénol est un hydrocarbure dont un atome de carbone benzénique est lié au groupement hydroxyle OH. Formule générale : Ar-OH Exemples : 2. Nomenclature et classe des alcools a. Nomenclature Nomenclature systématique : alcan-i-ol Quand la fonction alcool n est pas la fonction oxygénée la plus oxydée : nomenclature substitutive avec le préfixe hydroxy. Nom systématique Formule topologique 1
b. Classe des alcools Tout comme pour les halogénoalcanes, la réactivité des alcools dépend du degré de substitution de l atome de carbone fonctionnel. On définit donc différentes classes d alcool. Classe Formule topologique 3. Propriétés physiques et spectroscopiques a. Etat physique et polarité La plupart des alcools sont des molécules dipolaires. Ils sont majoritairement liquides à température ambiante. Les alcools sont ainsi couramment utilisés comme solvants. b. Propriétés spectroscopiques En spectroscopie infrarouge, les alcools présentent une bande d absorption caractéristique entre 3000 et 3670 cm -1 qui correspond à la vibration d élongation de la liaison OH. c. Toxicité Les alcools sont souvent toxiques (le méthanol rend aveugle, l éthanol affecte le système nerveux ) et inflammables. 4. Prévision de la réactivité générale des alcools et phénols II. Activation nucléophile du groupement hydroxyle 1. Caractère nucléophile des alcools et phénols a. Mise en évidence expérimentale Comparaison des vitesses relatives de la réaction de S N 2 sur l iodométhane pour différents nucléophiles : Nucléophile CH 3 OH CH 3 O - (CH 3 ) 3 CO - Vitesse 1 2 x 10 6 3 x 10 3 2
_ IChO Chimie organique 2016-2017 b. Tendances générales et mode d activation Les doublets non liants de l atome d oxygène confèrent un pouvoir nucléophile au groupement hydroxyle. Cependant, la réactivité des alcools et phénols en tant que nucléophiles est très faible : Si la charge négative d un composé augmente, sa nucléophilie augmente fortement : RO - est un meilleur nucléophile que ROH les alcools et phénols peuvent être activés par déprotonation. La nucléophilie diminue avec la classe de l alcool ou de l alcoolate en raison de l effet stérique. 2. Formation d alcoolates et de phénolates a. Par réaction acido-basique Remarque : Les phénols sont beaucoup plus acides que les alcools car leur base conjuguée est stabilisée par mésomérie ce qui abaisse leur pk A. _ O O... Un alcoolate RO - est une base forte qui peut être préparée en milieu anhydre par réaction acido-basique avec une base forte plus forte que lui : CH! OH!"# CH! O! Un phénolate ArO - est une base faible : le phénol peut être déprotoné en solution aqueuse par les ions hydroxyde ou le carbonate de potassium : 3
b. Par réaction d oxydo-réduction Les alcoolates peuvent également être obtenus par réduction par un métal alcalin (Li, Na, K) : 3. Application à la formation d étheroxydes : synthèse de Williamson a. Bilan et conditions opératoires La synthèse de Williamson est la réaction de choix pour préparer des étheroxydes dissymétriques. Il s agit d une réaction de substitution nucléophile entre un ion alcoolate et un dérivé halogéné. Bilan général : Le rendement est très bon avec un halogénoalcane primaire, faible avec un halogénoalcane secondaire et nul avec un halogénoalcane tertiaire. Conditions opératoires : Milieu anhydre en utilisant comme solvant l alcool correspondant ou un solvant polaire aprotique tel que le DMSO (diméthylsulfoxyde). Il est possible de se placer en milieu aqueux pour les réactions avec les phénolates. Exemples : Remarques : - Nomenclature des étheroxydes : alcoxyalcanes Nom systématique méthoxypropane éthoxyéthane Formule topologique - Les étheroxydes sont parfois utilisés comme groupements protecteurs de la fonction alcool. 4
b. Mécanisme c. Synthèse de Williamson intramoléculaire : formation d étheroxydes cycliques Les halogénoalcools qui possèdent à la fois une fonction hydroxyle et un atome d halogène peuvent subir une substitution nucléophile intramoléculaire S N 2i pour former un étheroxyde cyclique. Remarques : Lorsqu on forme un cycle à trois atomes, ce dernier est appelé époxyde. Pour favoriser la voie intramoléculaire par rapport à la voie intermoléculaire, il faut travailler en milieu dilué. époxyde III. Activation électrophile du groupement hydroxyle 1. Caractère électrophile des alcools Les réactions de substitution nucléophile et de β-élimination sont difficiles sur les alcools. Rappel : Un groupement Z est un bon nucléofuge si la liaison C-Z est polarisable et si l entité Z - formée est stable c est-à-dire si Z - est une base faible. Dans le cas des alcools, HO - étant une base forte, le groupement OH est un mauvais groupe partant et un mauvais nucléofuge : 2. Activation in situ par protonation La protonation d un alcool en ion alkyloxonium active l électrophilie de l alcool en transformant le groupement hydroxyle en un bon nucléofuge OH + 2. En effet, le groupe partant est une molécule d eau stable : 5
Bon groupe partant a. Halogénation d un alcool par un hydracide HX L activation par protonation d un alcool le transforme en substrat de choix pour les réactions de substitution nucléophile avec un halogénure. Bilan général : La réaction est effectuée en solution aqueuse, à température ambiante ou avec un chauffage modéré. Réactivité : (> signifie «réagit plus vite que») - HI > HBr HCl - Alcool III > Alcool II > Alcool I Exemple : OH HCl Mécanismes : Alcools primaires : S N 2 6
Alcools tertiaires : Alcools secondaires : b. Déshydratation des alcools Déshydratation intramoléculaire des alcools en milieu acide : En milieu acide, le groupement hydroxyle étant activé et transformé en bon nucléofuge, les alcools peuvent subir une réaction d élimination appelée déshydratation intramoléculaire. - Bilan général : - Conditions opératoires : Utilisation d un acide dont la base conjuguée est non nucléophile pour éviter les réactions parasites de substitution (ex : acide sulfurique concentré H 2 SO 4, acide phosphorique concentré H 3 PO 4, acide paratoluènesulfonique APTS ) - Réactivité : Alcool III > Alcool II > Alcool I (la réaction concerne majoritairement les alcools tertiaires) - Exemple : OH H 2 SO 4 chauffage 7
Mécanisme : On se limite au cas des alcools tertiaires. Remarque : Toutes les étapes sont renversables. Un mécanisme analogue est observé dans la majorité des cas pour les alcools secondaires. - Sélectivité : La réaction de déshydratation moléculaire est régiosélective et suit la règle de Zaïtsev : La réaction est également diastéréosélective : dans le cas où deux stéréoisomères peuvent être obtenus, le composé E est majoritaire : Compétition avec la réaction de substitution nucléophile : Lors du chauffage modéré d un alcool primaire ou secondaire en présence d un acide fort, la réaction d élimination est en compétition avec une réaction de substitution nucléophile appelée déshydratation intermoléculaire. - Bilan général : 8
- Exemples : Mécanismes : Alcools primaires : Alcools secondaires : Remarques : - Contrairement à la synthèse de Williamson, cette réaction n est pas appropriée à la synthèse d éthers dissymétriques R-O-R, conduisant à un mélanges de trois produits (R-O-R, R-O-R, R -O-R ). - Plus la classe de l alcool est élevée et plus la température est grande, plus la réaction de déshydratation intramoléculaire est favorisée. 9
3. Activation par formation d un ester sulfonique a. Principe et préparation des esters sulfoniques Lorsque l activation d un alcool par chauffage en milieu acide n est pas adaptée, on peut activer l électrophilie des alcools par formation d esters sulfoniques : Les deux groupements les plus utilisés sont : Préparation des esters sulfoniques : La réaction est couramment réalisée dans un solvant basique tel que la pyridine ou la triéthylamine afin de neutraliser l acide chlorhydrique formé : De plus, elle est sensible à l encombrement stérique et fonctionne moins bien avec les alcools tertiaires. Avantages de l activation par un ester sulfonique : - Les ions tosylate TsO - et mésylate Ms - sont d excellents nucléofuges. TsO - et MsO - sont deux bases faibles (pk A (R SO 3 H/R SO 3 - < 0)) stabilisées par mésomérie : Ordre de réactivité des nucléofuges : OTs > OMs > I > Br, H 2 O > Cl - Les esters sulfoniques permettent d activer l électrophilie de l alcool sans passer par un milieu acide qui est parfois incompatible avec certains groupements fonctionnels (exemples : acétal, organomagnésien). 10
- Les esters sulfoniques sont souvent des solides cristallins qui peuvent être isolés et purifiés avant toute réaction ultérieure contrairement aux ions hydroniums. b. Formation d halogénoalcane par substitution nucléophile Les groupements -OTs et OMs étant de bons nucléofuges, les esters sulfoniques sont de bons substrats pour effectuer une réaction de substitution nucléophile par un halogénure ou un autre nucléophile même faible. Bilan général : La classe de l ester sulfonique influence le type S N 1 ou S N 2 du mécanisme de la substitution. Exemples : c. Formation d alcène par élimination en milieu basique Un mésylate peut conduire à un alcène par réaction de β-élimination en milieu basique. Bilan général : Exemple : Avantages : - Bonne efficacité avec les alcools primaires et secondaires. - Peu de risques de réarrangements de carbocations en milieu basique. d. Formation d époxyde par substitution intramoléculaire Un époxyde peut être préparé à partir d un diol par substitution nucléophile intramoléculaire S N i : 11
Remarque : La réaction de substitution nucléophile intramoléculaire implique les mêmes conséquences stéréochimiques que la réaction de S N 2 classique : elle est énantiospécifique. 4. Activation par un agent halogénant Les alcools peuvent également être transformés en halogénoalcanes en utilisant des agents halogénants inorganiques. SOCl 2 : PCl 3 : PBr 3 : IV. Oxydation des alcools 1. Principe et couples d oxydo-réduction Les alcools sont des composés réducteurs qui peuvent être oxydés dans notre organisme ou lors de synthèses en aldéhydes, cétones ou acides carboxyliques. Cette oxydation est appelée oxydation ménagée car on oxyde la fonction chimique sans modifier le squelette carboné. Les alcools primaires s'oxydent en aldéhydes, qui peuvent eux-mêmes s'oxyder en acides carboxyliques : Les alcools secondaires s'oxydent en cétones : 12
Les alcools tertiaires ne s'oxydent pas dans les conditions usuelles. Demi-équations électroniques : RCHO/RCH 2 OH : RCOOH/RCHO : 2. Oxydants métalliques classiques a. Oxydation ménagée complète Pour oxyder les alcools secondaires en cétones et les alcools primaires en acides carboxyliques, on peut utiliser des oxydes métalliques en milieu acide : le permanganate de potassium KMnO 4 le dichromate de potassium (très toxique) utilisé dans les alcootests Exemples : b. Arrêt au stade de l aldéhyde Un aldéhyde ne pouvant s oxyder en milieu acide qu en présence d eau, pour contrôler la réaction rédox et s arrêter au stade du dérivé carbonylé, il faut utiliser des oxydants non aqueux dans des solvants organiques comme le réactif de Sarrett (CrO 3, pyridine). 13
3. Identification du produit d oxydation d un alcool primaire Afin d identifier le produit d oxydation d un alcool primaire et de déterminer s il s agit d un aldéhyde ou d un acide carboxylique, on peut réaliser des tests caractéristiques ou analyser des données spectroscopiques. Exemples : L apparition d un précipité jaune-orangé lors d un test à la 2,4-DNPH met en évidence un dérivé carbonylé. En RMN 1 H, un aldéhyde peut être identifié par la présence d un singulet à 9-10 ppm et un acide carboxylique par la présence d un singulet à 10-12 ppm. En spectroscopie IR, un aldéhyde est caractérisé entre autres par une bande fine vers 2700-2800 cm -1 (liaison C-H) et un acide carboxylique par une bande large située entre 2500 et 3200 cm -1 (liaison O-H). Conclusion : schéma récapitulatif de la réactivité des alcools Ion alcoolate Site nucléophile et basique (synthèse de Williamson des étheroxydes) Milieu basique Alcool Si H en α : oxydation en aldéhyde (puis en acide carboxylique) ou cétone Milieu acide fort Site nucléophile faible (déshydratation intermoléculaire, activation par Ts) Ion alkyloxonium Site électrophile (déshydratation intermoléculaire ou halogénation) Déshydratatation intramoléculaire 14