SFC36104 CR 5e71ed6ca5bb3
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DE CHIMIE ORGANIQUE
Les grandes classes
de réactions organiques
1
Table des matières
2
Chapitre I
Effets de solvant
3
I) Introduction:
1) Définition:
Le solvant est un liquide qui a les propriétés de
dissoudre, de diluer ou d‘extraire d‘autres substances
sans provoquer de modifications chimiques .
4
2) Solvatation:
phénomène physico-chimique observé lors de
la dissolution d'un composé chimique ‗soluté‘
dans un solvant.
la nature des interactions dépend de la nature
du solvant et du soluté
5
3) Grandes familles de solvant:
Hydrocarbures aliphatiques et aromatiques
Alcools
Glycols
Hydrocarbures halogénés
Cétones
Esters
Ethers de glycol
Autres solvants: eau, acides minéraux, amines,
amides, nitroparaffines…..
6
II ) Propriétés des solvants:
1) Moment dipolaire:
Le moment dipolaire μ (mu) caractérise le dipôle du
solvant, il dépend de la distance qui sépare deux atomes
et de leurs charges:
μ=qxd
• q est la différence de charge ( en C )
• d est la distance entre les deux atomes (en m)
7
• Plus le moment dipolaire du solvant est élevé,
plus celui-ci favorise la formation et le
maintien des charges.
• On dit qu'il augmente son pouvoir ionisant.
8
2) Constante diélectrique ε (epsilon):
La constante diélectrique ou permittivité relative définit
le pouvoir dissociant .
Plus la constante diélectrique du solvant est élevée,
plus le solvant favorise la séparation des particules.
Exemple: H2O
10
4) Proticité:
• Un solvant est protique s'il peut former des liaisons
hydrogène, si non il est dit aprotique.
13
2) Solvants protiques polaires:
• Les solvants protiques polaires possédent des liaisons
hydrogène, solvatent ainsi les molécules chargées:
• les anions sont fortement solvatés grâce à des liaisons
hydrogène. Ils deviennent isolés et donc peu réactifs.
• Les cations sont aussi solvatés par le pôle électronégatif
du solvant. Cette solvatation est moins forte qu'avec une
liaison hydrogène. Les cations sont modérément réactifs.
14
Exemples de Solvants protiques polaires:
constante diélectrique ε et de moment dipolaire μ (en Debye).
15
3) Solvants aprotiques polaires
Il y a apparition de charges par effet mésomère. On observe que
la charge positive est diffusée, tandis que la charge négative est
concentrée sur un seul atome.
16
Exemples de Solvants aprotiques polaires:
constante diélectrique ε et de moment dipolaire μ(en Debye).
17
18
19
IV) EFFETS DE SOLVANT :
20
1) Effets du solvant sur les réactions:
• Processus simples: Un solvant polaire favorisera la
formation et la séparation des charges, tandis qu'un
solvant apolaire favorisera la disparition des charges.
22
2) Effets du solvant sur la réactivité
des molécules:
A: Basicité et nucléophilie
B: Théorie HSAB (Hard and Soft Acids and Bases)
C: Influence du solvant et du contre-ion
D: Solvatation
E: Nucléophilie
23
A. Basicité et nucléophilie
Une base attaque un atome d'hydrogène ( ex: OH- ), tandis
qu'un nucléophile (ex: CN- ) attaque un centre nucléophile
pauvre en électrons (ex: carbocation R+ ).
24
B. Théorie HSAB(Hard and Soft Acids and Bases)
On peut identifier sur des molécules des sites
mous et des sites durs. On les définit tels que :
• Une charge dense, petite et peu polarisable est un
site dur (ex: OH- ; H+ ).
• Une charge dispersée, _étendue et polarisable est
un site mou ( ex: R+ ; R ).
• Un site dur réagira en priorité avec un autre site
dur, tandis qu'un site mou réagira avec un autre
site mou (dur/dur, mou/mou).
• En général, les réactions entre sites durs sont des
réactions acide/base, et les réactions entre sites
mous sont des réactions nucléophile/électrophile.
25
C. Influence du solvant et du contre-ion
• Un ion est plus réactif, s'il est moins lié fortement
à son contre-ion, et inversement.
26
D. Solvatation en solvants protiques
27
E. Nucléophilie relative en solvant protique
• La nucléophilie est une mesure des vitesses
relatives de la réaction.
- Elle est basée sur la basicité
(un nucléophile plus basique est moins réactif )
- Elle est affectée par la solvatation
(un nucléophile plus solvaté est moins réactif )
Exemple : Nucléophilie relative en solvant protique.
-SH > -CN > I- > -OH > N3- > . . . > Br- > CH3CO2- > Cl- > F- > H2O
( les anions petits sont plus solvatés en solvant protique, donc moins
nucléophile et inversement )
28
3) Solvatation en solvants aprotiques polaires :
Les solvants aprotiques polaires n‘ont pas d‘hydrogéne lié
à un atome électronégatif « N ; O ;. . . » :
29
V) Nucléophilie relative en solvant aprotique:
• En absence de solvatation, les anions réagissent
fortement comme nucléophiles
• Les solvant aprotiques sont très utiles pour
effectuer une réaction SN2
• La nucléophilie suit la basicité.
- La nucléophilie relative en solvants aprotiques
F- > Cl- > Br- > I-
- La nucléophilie relative en solvants protiques
I- > Cl- > Br- > F-
30
1) Effets des solvants (SN1) :
A) Rappelle de la réaction SN1: Réaction en 3 étapes.
• Première étape : monomoléculaire, lente, au cours de
laquelle a lieu la rupture hétérolytique de la liaison C—X.
31
• Troisième étape : très rapide également, au cours de laquelle le
produit de la réaction se forme.
36
B) Influence du solvant dans SN2:
Pour un nucléophile chargé Nü- , un solvant polaire
protique diminue la vitesse de SN2 en solvatant le
nucléophile par établissement de liaisons hydrogène et
diminuant ainsi sa nucléophilie.
37
En revanche, un solvant apolaire ou polaire mais
aprotique (absence de liaisons hydrogène) augmente la
vitesse de SN2 en solvatant le cation du nucléophile.
La figure ci-contre montre la solvatation du cation K+
d'un nucléophile par le diméthylsulfoxyde (DMSO
solvant polaire aprotique).
38
En plus Pour le Nu-, la solvatation n‘est pas favorable à
cause du gène stérique des groupements CH3 de DMSO.
Le nucléophile restera alors libre dans le milieu réactionnel,
donc très réactif pour attaquer directement le dérivé
halogéné et favoriser le passage par l‘état de transition.
39
Conclusion
40
VI) Familles de solvants organiques:
1) Hydrocarbures halogénés:
41
3) Cétones:
Acétone MIBK (Methyl isobutyl Ketone)
4) Les ethers :
Éther Éthylique THF (Tétrahydrofuranne)
42
6) Les esters R-C-O-R‘:
Lactate d’éthyle Acétate d’éthyle Carbonate de propylène
43
8) Dérivés soufrés :
Sulfure de carbone DMSO (Dimethyl sulfoxide)
9) Dérivés azotés:
Triéthylamine DMF (N, N-Diméthylformamide)
Pyridine Acétonitrile
44
Chapitre II
Réactions de condensation
45
Généralités:
Une réaction de condensation est une réaction chimique au
cours de laquelle deux molécules, ou deux parties d'une même
molécule, se combinent pour former une nouvelle molécule (le
condensat) en éliminant une molécule simple (le sous-produit),
telle l'eau (le plus souvent).
46
Définition d‘aldolisation:
C'est une réaction d'auto-condensation, c'est-à-dire que deux
mêmes molécules avec des carbonyles réagissent entre elles, pour
donner une seule molécule avec une fonction aldéhyde (ou cétone) et
une fonction alcool, un aldol.
A. Mécanisme général:
47
B. Condensation aldolique en milieu acide ou basique:
48
énolate
50
2) Influence du pH: La régiosélectivité dépend du pH.
51
3) Stéréosélectivité de la crotonisation: Quelque soit la configuration
des carbones, on cherche à diminuer l'encombrement des groupements.
Stérioisomére E
52
4) Rétro-aldolisation: On observe parfois une rétro-aldolisation
lorsque la déshydratation n'est pas assez rapide.
53
D. Condensation aldoliques intramoléculaires:
Dans cette réaction, les deux groupements carbonyles
(cétones; aldéhydes ) nécessaires à la condensation se trouvent dans la
même molécule. On peut former ainsi des cycles à 5 ou 6 carbones.
Cis-jasmane
Exemple:
Contrôle cinétique
.
Contrôle thermodynamique
55
1) Réaction de Michael: La réaction ou l'addition de Michael
est une réaction qui permet la création de liaisons carbone-carbone.
Il s'agit de l'addition nucléophile d'un carbanion sur un composé
carbonylé α,β-insaturé (aldéhyde, cétone . . . etc). On obtient ainsi
une molécule avec deux centres carbonyles pour faire une
condensation intramoléculaire annélation de Robinson.
57
Mécanisme : La méthylvinylcétone accepteur de Michael prend
part à une condensation aldolique. La première étape de
l'annélation est une addition de Michael suivie par une addition
aldolique comme étape de cyclisation. La réaction continue par une
étape de déshydratation comme dans une condensation aldolique
classique pour former le cycle cyclohexènone.
Remarque:
Le réarrangement permet
l‘obtention d‘un cycle à
6 carbons plus stable .
58
3) Condensation avec une énamine:
On peut faire l'analogie d‘équilibre entre forme énol et cétone d'une
part, et forme énamine et imine d'autre part.
énamine iminium
acétylate
59
E. Condensation sur des imines des iminiums
et des énamines.
1) Introduction: Les amines primaires et secondaires, en raison de
leur caractère nucléophile, peuvent s‘additionner sur la double liaison
C=O des cétones et des aldéhydes pour donner un α-aminoalcool.
60
Si l'amine est primaire, l'α-aminoalcool se déshydrate
spontanément et donne une imine que l‘on appelle « base de Schiff » :
énamine
61
2) Condensation sur des imines ou des iminiums:
Préparation de l'iminium: Aminométhylation de Mannich
On mélange un aldéhyde avec
une amine secondaire, en milieu
acide. On utilise le plus souvent
les sels d'Eschenmoser.
-H2O
62
Réaction entre l'énol et l'iminium:
63
Application de la réaction par rapport à la cétone:
64
3) Condensation des énamines:
Rappel: Les énamines ont des similarités avec les énolates.
65
F. Réactions analogues à la condansation aldolique:
1) Réaction de Knovenagel:
La condensation de Knoevenagel est une réaction d‘un carbonylé avec
un carbanion en présence d'une base faible pour former un composé
carbonylé α,β-insaturé ou un composé apparenté après élimination.
Application:
66
Mécanisme:
H
Formation d’imine
suivie d’ iminium
67
Remarque: Lorsqu'une fonction acide carboxylique est présente,
on assiste aussi à une décarboxylation. Si deux fonctions sont
présentes, elle ne s'effectue qu'une fois.
68
2) Réaction de condensation de Claisen:
La réaction de Claisen est une condensation entre deux esters,
en passant par un énolate, c‘est une acylation des carbanions.
C‘est la déprotonation
de l‘acétoacétate qui
est la force motrice de
la réaction
69
3) Réaction de condensation de Claisen mixte:
C‘est une réaction de l'énolate d'un ester avec autre ester (un des
esters n'a pas d'hydrogène en α (benzoate; formiate; oxalate), c‘est
une condensation sélective.
70
4) Condensation de Claisen intramoléculaire:
Cyclisation de Dieckmann:
Ou H+
Mécanisme:
H+
Mécanisme:
72
Condensation apparentées à la benzoination.
Dimérisation catalytique des aldéhydes en α-hydroxycétone en
présence d‘ un sel de thiazolium ( du thiazole sur lequel on a
greffer une longue chaîne apolaire pour assurer la solubilité dans
une phase organique), ce sel servira de catalyseur
73
Mécanisme:
76
Mécanisme:
77
Remarque: Ce type de réaction est similaire a la dismutation du
benzaldéhyde en milieu basique , la réaction de Cannizzaro dans
lequel un hydrure est transféré de l‘hydrate a une deuxième molécule
de benzaldéhyde.
78
G. Réactions impliquant des ylures:
I) YLURES AU PHOSPHORE
Le Phosphore:
- Généralités
79
Nomenclature des composés phosphorés:
80
1) Préparation de l‘ylure:
Triphenylphosphine
82
Remarque:
* Avec un ylure stabilisé on obtient majoritairement un alcène E
(contrôle thermodynamique).
* Avec un ylure peu stabilisé, on obtient l'alcène Z (contrôle
cinetique).
42
83
3) Réaction de Wittig-Horner:
La réaction de Wittig-Horner permet de former un alcène à partir
d'un composé carbonylé et d'alkylphosphonates. Le carbanion, intérmediaire
est stabilisé par mésomérie, il est donc plus réactif qu'un ylure de phosphore.
De plus, on forme un sel de phosphate qui est facile à séparer des molécules
organiques. Le produit formé est généralement l'alcène E.
84
II) YLURES AU SOUFRE
Soufre: 1S2 2S22P6 3S23P43d0
A cause des orbitales 3d, c'est une molécule hypervalente
thioéther pour
sulfure les alkyles
sulfone
Hexafluorure de souffre
Bipyramide tétragonale
Hybridation sp3d2
85
Préparation
Sulfonium:
Sulfoxonium:
86
2) Attaque sur un dérivé carbonylé:
87
Réaction de COREY
On utilise un diphénylsulfure pour que ce soit spécifiquement
le groupement R qui soit ajouté au dérivé carbonylé.
• Ylure de sulfonium:
88
Réactivité: La réactivité du sulfonium est différente du sulfoxonium.
Le sulfonium est généralement un réactif plus fort, il a donc
tendance à plutôt former l'isomère cinétique.
89
Cas des cycles:
Remarque:
les ylures de sulfonium peu stables, conduisent au produit le plus vite formé
(qui est en même temps le moins stable) comportant une liaison C-C axiale sous contrôle cinétique
91
Découverte par le chimiste Jarousse J. en 1951 .
Découverte par le chimiste polonais Makosca en 1965 .
Le transfert de phase a été développé par C.M. Stark en 1970.
92
I) Généralités :
• Dans de très nombreux cas, la molécule organique à
transformer (le substrat) est insoluble ou peu soluble
dans l'eau tandis que le réactif l'anion d'un composé
minéral est soluble dans l'eau.
• Cette méthode, le "transfert de phase", consiste à faire
passer l'anion réactif de la phase dans laquelle il est
naturellement en solution vers la phase dans laquelle se
trouve le substrat à traiter.
• Pour cela on utilise un agent de transfert de phase qui est
un composé amphiphile (soluble dans deux milieux
"incompatibles").
93
1) Les catalyseurs:
Les catalyseurs sont des amphiphiles c‘est-à-dire à la
fois hydrophile et hydrophobe
94
2) Principe de la CTP :
Les ions sont faiblement solubles dans une phase organique . les
anions y sont véhiculés grâce à un contre-ion positif
(le catalyseur) qui partage son affinité entre la phase aqueuse et la
phase organique. Ces ions transporteurs (catalyseurs) sont recyclés au
fur et à mesure de la réaction.
95
3)Exemple:
• Excellents rendements
• Catalyseur recyclé
97
II) Mécanisme de catalyse par transfère de phase:
1) CTP par mécanisme d‘extraction:
Dans les réactions qui font intervenir des anions disponibles
sous forme de sels (cyanures, halogénures, azotures ou sels
d‘acides organiques « forts » comme les carboxylates...).
99
Exemple 1:
102
Exemple 2: C-alkylation du phénylacétonitrile
103
Mécanisme:
L 'anion se forme par action de la soude sur la
phénylacétonitrile.
L‘anion est extrait en milieu organique par association avec
le cation triéthyl benzyl ammonium (TEBA).
L'anion réagit en milieu organique anhydre (la soude jouant
le rôle de desséchant) sur le bromure de benzyle en formant
le benzyl-2 phénylacétonitrile.
Un anion bromure est libéré ; celui-ci s'associe avec le cation
triéthyl benzyl ammonium, ce qui régénère le catalyseur.
Les produits formés restent dans la phase organique.
En fin de réaction, les deux phases sont décantées et le
catalyseur est éliminé par lavage à l'eau du milieu organique.
104
III) Familles de catalyseurs par transfert de phase
Inconvénient: coûteux.
54
108
3)Les polyéthylène-glycols (PEG) :
• Les PEG ont été utilisés comme catalyseurs de transfert
de phase pour système solide-liquide avec ou sans
solvant organique (éthérifications, SN, oxydations,
réductions, carbonylations).
110
2) N-alkylation par CTP:
111
3) O-alkylation
112
4) S-alkylation
113
Chapitre IV
Les Réactions
d’Oxydo-Réduction
114
I ) Les réactions d‘oxydation:
1) Généralités:
Les réactions d'oxydation en chimie organique sont
classées selon 5 catégories .
A. Les réactions faisant intervenir le départ d'atomes
d'hydrogène :
115
C. Les réactions impliquant le remplacement d'un atome
d'hydrogène par un atome d'oxygène :
116
2) Les réactifs Oxydants:
Le choix du réactif dépend de la fonction à
oxyder (Alcool, carbonyle, oléfine…) et de la nature
du produit désiré (oxydation douce ou forte), on
distingue:
117
I-A) Réactions avec départ d'atomes d'hydrogène:
Remarque:
Pour faire ces oxydations il existe un très grand nombre d'agents
d'oxydation dont voici quelques une à base de chrome.
118
Oxydation au chrome :
Les sels de chrome sont très toxiques et polluants.
Liste des composés chromés du plus oxydant au moins oxydant
Abréviation Nom / Notes Formule développée
H2SO4 / CrO3 Réactif de Jones
CrO3 Pyridine Réactif de Collins
PCC Pyridinium
chlorochromate
Exemple:
• Pyridinium Chloro Chromate: (PCC)
• Réactif de Swern: ( DMSO, (COCl)2, en solvant CH2Cl2)
Réactif de Sarrett: ( CrO3, en solvant pyidine ).
Réactif de Collins: ( complexe CrO3 (pyridine)2, en CH2Cl2 )
• Oxydation d'Oppenauer:
(tri-tert-butoxyde d'aluminium /cétone ; Al(Oi-Bu)3/CH3COCH3)
122
Mécanisme d‘oxydation au Pyridinium Chloro Chromate (PCC):
DMSO
Cl
127
Réactions d'époxydation : Les époxydes peuvent être formés
de deux façons, soit par action d'un agent d'oxydation sur une double
liaison, soit par substitution nucléophile intramoléculaire.
129
I-B) Réaction impliquant la rupture d'une liaison C-C:
Coupure d'une double liaison C-C par l'ozone:
130
Coupure de la liaison C-C dans le cas des diols :
Mécanisme:
• Avec Pb(OAc)4 (tétra-acétate de plomb) cette méthode marche bien sur les cycles
avec des diols cis et trans:
• Avec HIO4(ou NaIO4) (acide métaperiodique, orthoperiodate de sodium) ne
marche qu‘avec les cycles avec des diols cis (car il y a formation d'un cycle)
131
Coupure de la liaison C—C des cétones:
c‘est une oxydation forte par le biais des chromates
en milieu sulfurique ( oxydant très puissant ):
Réaction:
2.
132
Mécanisme d‘oxydation des carbonyles par CrO3/H2SO4:
133
I-C) Réactions impliquant le remplacement
d'un hydrogène par un oxygène:
Oxydation des composés aromatiques : la chaîne latérale
(aliphatique) est coupée pour donner l'acide benzoïque.
134
Oxydations possibles:
Pas de réaction
135
Mécanisme possible:
136
Oxydation des amines en dérivés carbonylés :
Le nitrate d’argent
Ag2+ Le persulfate de sodium
Mécanisme:
• Les amines primaires sont oxydées en imines par action
de l'ion Ag2+ formé in situ. (obtention de Ag+ et 1/2H2)
• L'imine intermédiaire est alors hydrolysée par NaOH
pour donner le carbonylé correspondant. 137
I-D) Réaction où un oxygène est ajouté au substrat:
• Oxydation du soufre en sulfoxyde et en sulfone
Remarques:
• les sulfoxydes sont des composés chiraux. Le soufre du sulfoxyde est
un centre asymétrique (ou centre stéréogène), on aura donc deux
énantiomères
139
Mécanisme Baeyer-Villiger:
140
I-E) Réactions de couplage oxydant:
• Les réactions de couplage oxydant les plus répandues sont
des réactions de dimérisation :
Remarques:
• Il y a dans ce cas formation d'une liaison S-S ce qui est
important pour les protéines. On parle alors de pont
disulfure.
• Mécanisme radicalaire: les radicaux RS° vont réagir entre
eux pour former le produit de dimérisation
141
II ) Réactions de réduction:
Comme pour les oxydations, il existe plusieurs
catégories de réactions de réduction :
A. Les réactions impliquant le remplacement d'un
oxygène (ou d'un halogène) par un hydrogène .
B. Les réactions dans lesquelles un oxygène est
enlevé du substrat
C. Les réductions par addition d'hydrogène.
D. Les réactions par rupture de liaison.
E. Les couplages réducteurs (réaction de couplage
par action des métaux dissous).
142
II-A) Réactions impliquant le remplacement d'un
oxygène (ou un halogène) par un hydrogène:
Ce sont des réactions de transfert d'hydrure. Il existe
divers réactifs dont les plus courants sont ici rangés par
ordre de réactivité :
Exemple:
143
Remarque : Le Tetrahydruroaluminate de Lithium LiAlH4 réduit en plus du groupe
carbonylé, les esters; chlorure d‘acyles; acides carboxyliques en alcools primaires.
144
Le DiBAl (aussi noté DiBAlH:DiisoButylAluminiumHydrid)
est un agent de réduction moins fort, plus sélectif que LiAlH4.
145
Réduction d‘un alcool en alcane:
Les alcools peuvent être réduits en alcanes à l'aide de tributylétain
par une substitution radicalaire appelée réaction de Barton-Mc Combie.
• La première étape consiste en la formation d'un alcoolate.
• La réaction avec CS2 donnera un xanthate ou dithiocarbonates.
• l'alkylation à l'iodure de méthyle va permettre d'avoir le substrat.
• Réduction du substrat par voie radicalaire avec AIBN.
146
Mécanisme de la réduction d‘un alcool en alcane:
Azobisisobutylonitrile ( AIBN) :
147
II-B) Réduction dans laquelle un oxygène est
enlevé du substrat :
• Pour ce genre de réactions, à nouveau on pourra utiliser
des hydrures tels que LiAlH4. C'est le cas notamment
lorsque l'on veut réduire un sulfoxyde en sulfure.
• Les groupes nitro peuvent eux aussi être réduit mais cette
fois par action d'hydrogène formé in situ.
148
Réduction de Wolff-Kishner:
Mécanisme:
149
Réduction de Clemmensen:
Mécanisme:
150
II-C) Réduction par addition d'hydrogène:
• Substrats insaturés:
Remarques:
• 1- pour stopper l‘hydrogénation d‘un alcyne en alcène il faut des
catalyseurs spécifiques tel que le catalyseur de Lindlar (Pd + CaCO3)
il est alors possible de réduire une triple liaison en une double liaison
de stéréochimie Z.
• 2- La double liaison de stéréochimie E est obtenue par un mécanisme
radicalaire utilisant le sodium métallique dans l‘ammoniaque:
151
76
152
II-D) Réduction par rupture de liaison:
• Cas des peroxydes : Deux types de ruptures possibles, dans un cas
on a une réduction avec formation de deux molécules d'alcool, alors
que dans l'autre cas on a formation d'un éther.
• Cas des disulfides : Dans ce cas on forme deux thiols, mais il est à
noter qu'il existe plusieurs agents de réduction tels que (LiAlH4,
KBH(OiPr)3).
153
II-E) Couplages réducteurs:
L'action des métaux sur un carbonyle dépend de
la nature du solvant:
155
Mécanisme:
156
Réduction de Cétone:
En milieu protique: Na/ROH, avec ou sans cosolvant
(THF), Na dissous génère des électrons solvatés.
157
Mécanisme:
158
Chapitre V
159
Définition:Une réaction péricyclique se définit comme une
réaction concertée (ruptures et formations simultanées des liaisons)
au cours de laquelle l'état de transition forme un cycle, on
distingue:
Réactions de Diels-Alder
3
2
4
diène diènophile cycloaddition
163
Aspects expérimentaux et mécanisme:
La première réaction de ce type à été effectuée
en 1928, par Otto Diels et son élève Kurt Alder dans
des conditions draconiennes (P = 1bar et T = 200°C)
avec un très faible rendement.
Pratiquement:
164
Règles d‘Alder:
Expérimentalement, on observe que la vitesse de
réaction augmente quand elle se fait entre un diène enrichi
et un diénophile appauvri en électrons.
Exemple : constantes de vitesse ki pour la réaction entre le
cyclopentadiène et quelques diénophiles appauvris:
165
1) Première règle d'Alder
Pour que la réaction ait une vitesse assez élevée, une des molécules
doit être nucléophile, et l'autre électrophile ( effet push-pull ).
Dans la plupart des Diels-Alder, on enrichit le diène (nucléophile)
par des groupement donneurs d‘électrons et on appauvrit le diénophile
(électrophile) par des groupement attracteurs d‘électrons.
De nombreuses Diels-Alder sont catalysées par des acides de Lewis.
167
168
Mécanisme.
On observe une syn addition (du même côté) par rapport
à l‘alcène, ce qui exclu les mécanismes de type radicalaires
ou ioniques.
Il s‘agit d‘un mécanisme concerté à 6 centres.
170
Remarque: La symétrie est inversée avec l‘introduction d‘une surface
nodale (symétrie par rapport à un plan miroir m, et symétrie par
rapport à un axe de symétrie d‘ordre 2, C2).
171
Dans le cas des système allyliques, selon qu‘il s‘agit d‘un carbocation,
d‘un radical ou d‘un carbanion, il existe alors une orbitale moléculaire
supplémentaire dite non-liante. L‘énergie de cette OM est égale à celle d‘une
orbitale 2pz d‘un radical méthyle. L‘atome central ne participe pas à l‘OM.
172
Pour simplifier, on utilise l‘approche des orbitales frontières (HOMO ;
LUMO). Dans ce cas, les électrons de la « Highest Occupied Molecular
Orbital » (HOMO), les orbitales moléculaires occupées de plus haute énergie
se recouvrement avec la « Lowest Unoccupied Molecular Orbital » (LUMO),
orbitale moléculaire inoccupée de plus basse énergie de l‘autre réactif.
- - - - LUMO- - - -
- - - - HOMO- - - -
173
Principe de la méthode OMF (Règle de Woodward-Hoffmann):
• les interactions entre lobes de mêmes signes sont liantes
(recouvrement), donc stabilisantes, d'où une énergie
d'activation faible et une réaction «permise»,
• les interactions entre deux lobes de signes différents est
antiliante (pas de recouvrement), donc déstabilisantes, d'où
une énergie d'activation élevée et une réaction «défendue».
Exemple:
174
Diagramme montrant l'interaction entre les orbitales
frontières du butadiène et de l'éthylène :
176
Stéréochimie de la réaction:
177
Stéréospécificité de la réaction.
L‘approche particulière des réactifs (il s‘agit d‘une syn addition)
explique que la réaction de Diels-Alder est stéréospécifique à la fois
vis-à-vis du diène et vis-à-vis du diénophile. En fonction de la
configuration initiale des deux molécules (cis/trans), la molécule finale
aura une conformation bien définie (cis/trans).
178
Stéréospécificité vis-à-vis d‘une diène:
179
Règle endo. Réaction entre un diène cyclique et un diénophile
appauvri, deux produits peuvent se former:
181
Régiosélectivité de la réaction.
Dans le cas d‘une réaction entre un diène et un diénophile
tous deux dissymétriques, on obtient principalement l‘un des
régioisomères.
Exemple:
Minoritaire Majoritaire
182
Explication: L‘énergie de chacune des orbitales moléculaires
est influencée par la nature et la position des substituants. Il faut
pour cela trouver les orbitales frontières qui ont les énergies les
plus proches et le meilleur coefficient d'interaction pour trouver
la liaison qui s'effectue en premier.
183
B) Réactions 1,3-Dipôlaires:
Ce sont des réactions concertées, ressemblant aux Diels-Alder.
Elles mettent en jeu un dipôle 1-3 et un dipôlarophile. Ces réactions
sont très utiles pour synthétiser des hétérocycles à 5 atomes.
Schéma:
184
Exemples de dipôles 1-3 fréquents: Ce sont des molécules
généralement très réactives, elles sont souvent générées in situ.
185
Dipolarophiles :
Exemples:
186
a) Stéréochimie:
Ces réactions sont analogues aux réactions de Diels-Alder, ce sont
des additions syn stéréospécifiques.
187
b) Régiosélectivité:
Il faut là encore connaître les coefficients d'interaction des orbitales frontières
de plus proche énergie des deux molécules. Généralement c'est le dipôle 1-3
qui attaque le dipôlarophile (porteur d'un groupement électroattracteur).
Exemples:
1) Série cyclique
188
2) Série acyclique :
Les nitrones acycliques s'isomérisent facilement. On favorise
généralement la forme Z à cause des répulsions stériques de la forme E.
189
Application des réactions 1,3-Dipôlaires:
Synthèse des agents anti-hyperglycemiants (qui sont des
médicaments pour le diabète) par cycloaddition 1,3-dipolaire d‘oxydes
de nitrile sur le méthylène.
192
a) Cycloadditions SUPRA :
193
Exemples : Synthèse de cube (Cubane).
195
Exemple des Cétènes: La plupart des cycloadditions [2+2] mettent en jeu des
cétènes. D‘un point de vue structural, les cétènes sont semblables aux allènes.
Les allènes ne sont pas réactifs car l‘énergie de la LUMO est trop élevée.
Sel de phosphonium
ylure
198
a) Migration [1,3]H:
Migration [1,3]H: migration d‘hydrogène (ou proton shift)
Explication:
R R R R R
200
c) Migration [1,7]H:
202
2) Migration [3,3]
Réarrangement de Claisen:
Réarrangement de Cope:
Ce réarrangement σ[3,3] s‘effectue sur les diènes 1,5
203
Quelques réarrangements:
204
III) Réactions Electrocycliques:
• Formation d'une liaison σ aux extrémités d'un système
d'électrons π délocalisés
• Les réactions électrocycliques peuvent être des fermetures
mais également des ouvertures.
• Ces réactions peuvent être thermiques ou photochimiques
205
a) Réactions Electrocycliques à 4 e π:
• Exemple d‘une fermeture de cycle à 4 e π (4n) dans
deux conditions différentes.
• Les réactions électrocycliques sont réversibles
H 206
1) En conditions thermique, c‘est l‘HOMO.
207
Exemple : Les cyclobutènes sont peu stables (forte tension de
cycle). Si on poursuit le chauffage, le cycle s‘ouvre à nouveau.
208
b) Réactions électro cycliques à 6 e π .
Dans ce cas, le processus thermique est disrotatoire alors
que le processus photochimique est conrotatoire : inverse du cas
précédent à 4 électrons π
209
Les réactions électrocycliques font preuve d'une très grande
stéréosélectivité. On l'explique à l'aide des orbitales frontières.
210
Les réactions électrocycliques peuvent aussi avoir lieu par
voie photochimique. Cette fois-ci les orbitales doivent effectuer
une conrotation ; la stéréosélectivité s'en trouve inversée.
211
Exemples : Dans le cas des cycles, les plus stables sont les cycles à 5
et 6 carbones, tandis que les cycles à 7 et 8 sont très instables.
212
IV) Réactions chélétropiques:
Définition: formation de deux liaisons σ par réaction entre deux
molécules impliquant deux sites de l'une et un seul site de l'autre ou la
réaction inverse.
213
Exemple 2: Addition de SO2 ou l‘inverse (« extrusion » de SO2 )
108
214
Chapitre VI
Les Réarrangements
Moléculaires
215
I ) Généralités
Un réarrangement (transposition ou déplacement) est une
réaction par laquelle un atome ou un groupe Z se déplace d‘un
atome A vers un autre atome B d‘une même molécule (Z-A-B
devient A-B-Z) ce qui correspond a priori et dans la plupart
des cas à un mécanisme intramoléculaire. Toutefois, certains
réarrangements impliquent un mécanisme intermoléculaire.
216
Le réarrangement intermoléculaire suppose que deux
groupes ou atomes Z migrent simultanément d‘un atome
A d‘une molécule Z-A-B vers l‘atome B d‘une seconde
molécule en formant deux molécules A-B-Z en
interchangeant les groupes Z.
217
1 ) Réarrangements principaux :
Réarrangements nucléophiles: c‘est un réarrangement
très fréquents. Le groupe qui migre est nucléophile (riches
en électrons), tel que R-, H-.
Exemple 1 : réarrangement du carbocation n-propyle
primaire en carbocation isopropyle secondaire
218
Exemple 2: réarrangement du cation 3,3-diméthyl-but-2-yle
par transposition d‘un groupe méthyl.
221
Exemple 1:
Dans l‘exemple suivant le passage de carbocation tertiaire à
secondaire est compensé par la baisse de tension de cycle (4 à 5) :
222
Exemple 2:
Cas des terpènes bicycliques, cas de la transformation
de l'isobornéol en camphène.
223
Exemple 3:
Réarrangement qui conduit à une contraction du cycle qui passe
ainsi de 6 à 5 carbones, d‘un cyclohexane à un cyclopentane.
224
Obtention du carbocation par diazotation:
La diazotation d‘une amine primaire conduit à la formation d‘un
ion carbénium R «chaud» peu solvaté.
Exemple:
225
Application: Le réarrangement par diazotation d‘une
amine primaire permet des expansions de cycles.
226
Exemple 4: un mécanisme semblable à partir d‘amines
dérivées d‘hétérocycliques tels que pyrrolidine,
tétrahydrofurane, et tétrahydrothiophène.
227
2 ) Réarrangement Pinacolique:
C‘est un réarrangement qui affecte certains 1,2-diols
(glycols) comme le pinacol, en milieu acide, et qui fournit
des cétones, et dans le cas du pinacol, la pinacolone.
228
Mécanisme: Cas du glycol symétrique
229
Mécanisme: Cas d‘un glycol non symétrique
231
Exemple 2: La migration du phényle respecte
l‘ordre de priorité des groupements migrants.
232
Exemple 3: Si R = C6H5, la seconde voie conduit à
un carbocation intermédiaire mieux stabilisé donc la
cyclohexanone sera majoritaire.
233
3 ) Réarrangement Semi-pinacolique (Tiffeneau-Demjanov):
C‘est tous les réarrangements non pinacolique au cours desquels se
produit une migration [1,2] d‘un atome d‘hydrogene ou d‘un groupe
hydrocarboné partant d‘un carbon oxygéné vers un atome voisin.
Exemple 1:
Par diazotation, le réarrangement se fait par le départ d‘azote.
234
Exemple 2: L‘extention de cycle de cétone de 7 à 8 carbons.
235
Exemple 3: Réarrangement avec intervention d‘effets électroniques,
réaction stéréospécifique.
237
Exemples 4: Le monotosylate comme groupement partant,
pour spécifier le réarrangement moléculaire souhaité.
Préparation du
groupement Ts
238
Exemples 5: Réarrangement des époxydes lorsqu‘ils sont
traités par des acides de Lewis ou des acides protiques.
239
4) Réarrangement benzylique:
Le benzyle est une α-dicétone aromatique, PhCO-COPh, qui en
présence de soude ou de potasse, est transformée en sel de l‘acide
benzylique, Ph2C(OH)COOK, et en présence d‘ions alcoolate (RO-),
en esters correspondants de cet acide.
1. RO-
240
Mécanisme:
241
Remarque:
Lorsque le groupe méthyle substitue l‘un des deux groupes
phényles, son effet électrodonneur +I augmente la densité
électronique du carbone du carbonyle le plus proche et l‘attaque de
la base s‘effectue totalement sur l‘autre groupe carbonyle.
242
5 ) Le réarrangement de Wolff :
Le réarrangement 1,2 de Wolff, est la transformation de
α-diazo-cétone en cétène, étape-clé de la synthèse d‘homologation
d'Arndt-Eistert.
243
Synthèse d‘Arndt-Eistert (réaction d‘homologation):
Le processus consiste à préparer la diazocétone pour former un
acide ayant un carbone de plus que celui du chlorure d‘acide d‘origine.
244
B- Homologation des aldéhydes et des cétones:
245
N.B: * Lorsque la cétone est dissymétrique, en présence de BF3,
c‘est le groupe dont le carbone est le moins substitué qui migre.
246
6 ) Réarrangement de Favorski:
Obtention d‘acide (ester) à partir d‘une cétone α halogénée.
247
III ) Réarrangements de carbone à azote:
1 ) Réarrangement de Schmidt et Schmidt modifié:
Le réarrangement de Schmidt est la formation d‘amine à partir
des acides libres par action d‘acide azothydrique.
Isocyanate
248
Mécanisme:
Azoture de sodium
Acylazide
Isocyanate
Réarrangement
carbone-azote
Carbamate
Amine
Nucléophiles
Urée N,N’-disub
252
3) Réarrangement de Beckman:
C‘est le réarrangement des oximes, en amides, il s‘effectue sous
l‘action d‘agents acides, comme les acides de Lewis et plus
particulièrement le pentachlorure de phosphore, PCl5.
253
Production d‘un oxime.
Hydroxylamine
254
La cétone se transforme en amide. C‘est le groupement
volumineux qui migre.
255
N.B.: Le réarrangement de Beckmann peut aussi se faire
avec une cétone cyclique, on a agrandissement de cycle.
Exemple:
OH OH2
N N
N :OH2
H2SO4
OH O
N :OH2 N N
-H ±H
256
4 ) Réarrangement d‘Hofmann:
C‘est la conversion d‘une amide primaire (résultat de
l‘action de l‘ammoniac sur un ester) en amine primaire
257
Mécanisme: Sous l‘action d‘un hypobromite alcalin (Br2
, NaOH), il se forme un N-bromoamide qui perd un proton
sous l‘action de la base. Par élimination d‘un ion bromure, un
acylnitrène est formé son réarrangement fournit isocyanate.
nitrène
258
Un second mécanisme, concerté. L‘isocyanate additionne
une molécule d‘eau pour former un acide carbamique instable
qui se décarboxyle en fournissant l‘amine.
259
IV ) Réarrangement de carbone à oxygéne:
1 ) Réarrangement de Baeyer-Villiger:
C‘est une oxydation qui conduit à partir d‘une cétone RCOR‘
à un ester RCOOR‘, via un réarrangement intramoléculaire.
[1,2]
261
Exemple 2:
Les cétones cycliques sont oxydées en lactones.
262
Exemple 3: On obtient un estercyclique, ou lactone.
Cette réaction libère un acide carboxylique ; c'est une espèce assez
réactive, il faut donc faire attention avec certains groupements.
263
Chapitre VII
Les Réactions
Radicalaires
264
I Généralités
A. Définitions
Exemple :
265
B. Stabilité
Exemple :
Exemple :
266
C. Nucléophile / Électrophilie des radicaux
Ses caractéristiques dépendent des groupements environnants du radical.
De manière générale, des groupements électroattracteurs rendent la molécule
électrophile (électron plus attirés), tandis que des groupements donneurs la
rendent nucléophiles (électrons peu liés).
Souvent la réaction radicalaire conduit au produit inverse qu'aurait donné la
réaction en milieu aqueux avec un nucléophile.
II Préparation
A. Formation du radical
Ce sont des espèces hautement réactives, il faut donc fournir beaucoup
d'énergie. On peut provoquer une coupure homolytique des dihalogènes par
irradiation, mais cette méthode demande beaucoup d'énergie. De plus les
halogènes radicalaires présentent des défauts :
268
Après avoir formé facilement un premier radical, appelé radical
initiateur, on forme souvent un deuxième radical encore plus réactif grâce
au premier formé.
B. Réactions sur le même radical:
1) Couplage pinacolique:
2) Réaction de Mc Murry:
3) Dismutation:
269
C. Réactions en chaîne:
Les réactions radicalaires s'effectuent souvent en chaînes. On définit
alors plusieurs étapes. Ils se produisent un certain nombre de fois après
chaque initiation. Ce sont des molécules très réactives, ces cycles
s'effectuent donc très rapidement. Lorsque l'on veut limiter la longueur
de la chaîne, on ajoute un antioxydant pour stabiliser les radicaux.
270
III Réactivité
A. Réaction de Hunsdiecker:
C'est une réaction qui se déroule très bien, dans des conditions
relativement douces.
271
C. Réduction décarboxylante
C'est une réaction en chaîne, permettant la réduction des aldéhydes.
D. Réaction de Glaser
Elle permet de substituer deux alcynes entre eux.
272
E. Halogénation des hydrocarbures
On utilise très peu l'halogénation directe des hydrocarbures, car c'est
une réaction qui n'a aucune sélectivité. L'atome d'halogène se fixe un
peu n'importe où sur la molécule.
273
Elle présente cependant un inconvénient ; une réaction
compétitive peut avoir lieu.
274
G. Réaction d'autoxydation
C'est la réaction de formation d'un peroxyde en présence d'oxygène. La
réaction peut s'effectuer à l'air libre.
C'est une réaction en chaîne. Cette réaction est parfois responsable de
l'explosion de stocks d'hydrocarbures.
275
H. Décomposition de l'ozone dans l'atmosphère
Cette réaction décompose l'ozone de l'atmosphère. C'est une réaction en
chaîne, auto-accélérée ; c'est pourquoi ces molécules ont beaucoup d'effets
sur la couche d'ozone. La molécule initiatrice est un chlorofluorocarbone,
une molécule organique possédant à la fois un Chlore et un Fluor.
Ces molécules se décomposent facilement dans l'ozonosphère (irradiée
par des rayons Solaires énergétique) en libérant du Chlore.
276
I. Substitution radicalaire aromatique SRN1
Cette réaction permet de substituer un halogène sur une molécule
aromatique par un nucléophile. Elle ne requiert pas d'initiateur. C'est
une réaction en chaîne.
277
IV Polymérisation radicalaire
Définition:
Les polymères, sont des matériaux organiques composés de
macromolécules (molécules géantes). Ces macromolécules sont
formées de la répétition d‘un même motif ou monomère n fois .
n est appelé « degré de polymérisation »
n peut être très élevé : de l‘ordre de plusieurs millions
Masse moléculaire molaire M d‘un polymère :
M = n x Masse molaire du monomère
M peut être très élevée pour un polymère :
de l‘ordre de plusieurs millions de g.mol-1
C‘est une moyenne car toutes les chaines n‘ont pas la même
longueur exactement
278
Schéma général
Longueur cinétique l
Dt 1s
CH3 CN
O OH O O
CH3
O OH O O
Oléfines acide méthacrylique méthacrylate de méthyle
éthylène,
butadiène, isoprène
280
Formation des radicaux primaires
Sel de Fenton .
OH + OH- + Fe 3+
H2O2 + Fe 2+
Eau oxygénée / OH OH OH OH
acide ascorbique H2 C HC
O
O
2 H2O2
H2 C HC
O
O + 2 H2O + 2 OH
.
HO OH O O
Amorçage
CH3
CH3
H3C C
H3C C
Styrène CN
CN
Méthacrylate de méthyle
CH3 CH3 CH3
CH3
H3C C O H3C C
CH3
CN O CN O O
CH3 281
Propagation
CH3 CH3
H3C C H3C C
CN CN
CH3 CH3
H3C C H3C C
CN CN
Terminaison
m m m n
282
Longueur cinétique
+M +M
Amorceur A AM AM2 AMn P
Dt 1s
283
Copolymérisation radicalaire
Polymérisation simultanée de plusieurs monomères :
AIBN
C H2 C H
CN
R *
C H2 C H CN C 6H 5 C N CN C 6H 5
C 6H 5
285
Copolymérisation radicalaire :
La problématique
copolymérisation
A R A * (A *)
Amorçage radicalaire : R *
B R B * (B *)
A A A * (A *) kaa k
A* ra = aa
B A B * (B *) kab kab
Propagation :
A B A * (A *) kba k
B* rb = bb
B B B * (B *) kbb k ba
287
Exemples de polymères
Polymères synthétiques
(les « matières plastiques »)
La cellulose
L‘amidon
Linéaire :
amylose (a)
Ramifié :
amylopectine (b)
289
EXEMPLES DE POLYMERES NATURELS
Protéines naturelles :
Exemple : la fibroïne
(soie d’araignée)
290
EXEMPLES DE POLYMERES SYNTHETIQUES
291
Polymères naturels modifiés chimiquement :
Viscose
obtenue par
traitement de
La cellulose
cellulose
292
Historique
1838 : Payen extrait et isole la cellulose du bois
1844 : vulcanisation du caoutchouc (Goodyear)
1846 : synthèse de la nitrocellulose (Schonbein)
1907 : premiers caoutchoucs synthétiques (Hofmann)
1910 : synthèse de la Bakélite (Baekeland)
293