CHAPITRE 5 : Acidité, basicité et pKa

Selon Brønsted et Lowry:- acide: donneur de proton (H+)- base: accepteur un proton

Selon Lewis:- acide: accepteur d’une paire d'électrons- base: donneur d’une paire d'électrons

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DéfinitionsSelon Lewis

Acide : Molécule qui peut accepter une paire d’électrons Base : Molécule qui peut donner une paire d’électrons

(Ces liens ne sont que des possibilités non confirmées)

CHAPITRE 5 : Acidité, basicité et pKa

Selon Brønsted et Lowry:- acide: donneur de proton (H+)- base: accepteur un proton

Selon Lewis:- acide: accepteur d’une paire d'électrons- base: donneur d’une paire d'électrons

Acide/base, base conjuguée/acide conjugué, Kéq, Ka, pKa

- exemple de l’acide acétique- pKa + pKb = pKeau = 14

Constante d’équilibre

BA

DCréactifsproduitsKéq

OHCOOHCH

OHCOOCHKdis23

33

En général:

Dans le cas d’une réaction acido-basique:

CH3COOH H2O CH3COO- H3O++ +

A + B C + D

acide base conjuguée

constante

Constante de dissociation

Constante d’acidité

OHCOOHCH

OHCOOCHKdis23

33

Dans le cas d’une réaction acido-basique:

CH3COOH H2O CH3COO- H3O++ +acide base conjuguée

constante

Constante de dissociation

COOHCH

OHCOOCHOHKK disa3

332

Définition des pKa et pKb

bbaa KpKKpK log log

OHCOOHCH

OHCOOCHKdis23

33

OHCOOCH

HOCOOHCHKdis23

3

5

3

33 1076.1

COOHCH

OHCOOCHKa

10

3

3 106.5

COOCH

HOCOOHCHKb

75.4)1076.1log()log( 5 aa KpK

25.9)106.5log()log( 10 bb KpK

CH3COOH H2O CH3COO- H3O++ +

CH3COOHH2OCH3COO- OH-+ +

Relation entre pKa et pKb

bbaa KpKKpK log log

75.4)1076.1log()log( 5 aa KpK

25.9)106.5log()log( 10 bb KpK

CH3COOH H2O CH3COO- H3O++ +

CH3COOHH2OCH3COO- OH-+ +

1425.975.4 ba pKpK

Relation entre pKa et pKb

14

log

log

)log( )log()log(

3

3

eau

ba

baba

pKOHOH

AOHAH

AHOHA

KKKKpKpK

14 eauba pKpKpK

Acidité, basicité et pKa

Pourrait-on utiliser l'ammoniaque (NH3, pKa=9)?Pourrait-on utiliser l'amidure de sodium (NaNH2, pKa=36)?

pKa=20

- Décrire toutes les équations de Ka et Kéq pour trouver la relation entre Kéq et Ka.

- Équilibre qualitatif vs Kéq.

Exemple

Énergie libre de Gibbs

G˚ = -[8.31x10-3] x 298 x ln(1x1016) = -91.2 kJ/mol (~-21.8 kcal/mol)Réaction exergonique

G˚ = -[8.31x10-3] x 298 x ln(1x10-11) = 62.7 kJ/mol (~15 kcal/mol)Réaction endergonique

Énergie libre de Gibbs

... ,K ,K ,K K Kelvinen T T

molJ/K 8.31 Roù ln

baéq

o

KRTGo

équilibrel' àréaction 0 ue)(exergoniq spontanéeréaction 0

que)(endergoni spontanée-nonréaction 0

o

o

o

GPourGPourGPour

<>

ueexothermiqréaction 0H queendothermiréaction 0H

ST-HG : Note o

<>

Exemple

À noter : la dissociation est considérée totale pour tout pKa ≥ 2

Déterminer la constante d’équilibre pour:

pKa = 17 pKa = 25

pKa communs

Alcane

Amine

Ester/amide

Cétone

Alcool/eau

Acide carboxylique

50

35

25

20

15

5

Identifier le proton acideet la base conjuguée

Notes

- Le pKa est fonction de la stabilité intrinsèque des ions en présence

- Le pKa est fonction du solvantla solvatation des ions, la polarité du solvantvont influencer la constante de dissociationd’un acide

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs

- Effets stériques

- Effets électrostatiques

- Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:• Force de liaison• Hybridation

Effets inductifsAu travers du « squelette » de la molécule

Ils augmentent en fonction de l’électronégativité

Ces effets sont additifs

Ils diminuent avec la distance

Exercices des notes, p.43

Effets inductifs - électronégativité

En fonction de l’électronégativité de Z:

2

H R Si R2.20 1.90électronégativité :

C2.55

pKa (DMSO) : 26.5 27.1 28.3

Effets inductifs

HX R

X

pKa : 15.5 16.0 17.1 19.2

pKa : 4.8 4.5 4.1 2.8

Effets inductifsZ électroattracteur:

X électrodonneur:

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs

- Effets stériques

- Effets électrostatiques

- Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:• Force de liaison• Hybridation

Effets stériques

pKa (DMSO) : 26.5 27.1 28.3

Considérer l’encombrement stérique auniveau de l’acide et de la base

- +

Effets stériques (acide) sur le pKa

Notes

-Plus l’acide est fort, plus sa base conjuguée est faible

-Plus la base est forte, plus son acide conjugué est faible

-Un ion bien solvaté est moins acide/basique

- Un ion moins bien solvaté est plus acide/basique

Effets stériques (base)

Représentation tridimensionnelle:- l’alignement du doublet de N- planéité

Effets stériques (base)

6x + basique que diméthylaniline

Exercice, notes p.48

Effet stérique sérieux

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs

- Effets stériques

- Effets électrostatiques

- Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:• Force de liaison• Hybridation

Effets électrostatiques

- L’acidité peut être augmentée ou diminuée par la présence d’unecharge formelle sur la molécule.

- La répulsion électrostatique entre deux charges de même signe estdéstabilisante:

Effets électrostatiques- La possibilité de pont hydrogène peut :

Augmenter l’acidité de X-H

Diminuer l’acidité X-H

Effets électrostatiques

2 2

2

2

Effets électrostatiques

pKa = 4.5 pKa = 9.3

pKa = 3 pKa = 13.4

Déterminer facilité relative des premières et des deuxièmes protonations pour:

Effets électrostatiques

Moinsacide

Plusacide

Quel composé es plus acide?

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs

- Effets stériques

- Effets électrostatiques

- Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:• Force de liaison• Hybridation

Résonance (aromaticité)

La résonance, et davantage l’aromaticité, ont un effet stabilisant pour les charges (-, +)

Un doublet d’électron impliqué dans la résonance sera stabilisé :Un acide sera plus fort si le doublet d’électron libéré est

en résonanceUne base sera plus forte si son doublet d’électron n’est

pas en résonance

Résonance des carbonyles (acidité)

horizontalement:verticalement:

résonanceélectronégativité

pKa:

Résonance des carbonyles (acidité)

CH3CN pKa = 25NCCH2CN pKa = 11CH(CN)3 pKa = 5

Résonance

Effet additif:

Résonance

Planaire Planaire Non-planaire

Aromatique Non-aromatiqueAnti-aromatique

Résonance

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs

- Effets stériques

- Effets électrostatiques

- Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:• Force de liaison• Hybridation

TautomérieInterconversion réversible des isomères associés avec le mouvement d'électrons et d'un ou plusieurs atomes d'hydrogène

Les tautomères sont en équilibre par réaction intermoléculaireavec un autre tautomère ou le solvant

510énol

cétone

a

aéq K

KK

510log

log

loglog

5

énol

ald

énolaldénolald

a

a

aaaaa

KK

KKpKpKpK

OH

H Me

Me

O

H Me

MeH

Kéq ~ 10-5

La forme énol est généralement plus acide que la forme céto

TautomérieInformations:

Facteurs influençant l’acidité/basicité

- Effets inductifs

- Effets stériques

- Effets électrostatiques

- Résonance

- Tautomérie

- Facteurs orbitalaires:• Force de liaison• Hybridation

OrbitalesForce de liaison

- Plus la liaison H-X est forte, plus l’acide est faible.- Habituellement, une charge – est plus stabilisée sur un atome électronégatif pour une même rangée.- Dans une colonne, une charge – est plus stabilisée sur ion plus volumineux (meilleure dispersion de la charge à la surface, donc moins de répulsion é-é).

HybridationPlus une orbitale a de caractère «s», plus elle pourra accommoder une charge négative.

sp est plus acide que sp2 qui est plus acide que sp3

Orbitales

Orbitales – force de liaison

CH3-CH3 pKa = 42CH2=CH2 pKa = 36HC CH pKa = 25

Orbitales - hybridation

Généralités sur les mécanismes

- Valence H, C, N, O, X pour expliquer les charges- Règle de l’octet (électrons s+p) pour expliquer les sites

nucléophiles et électrophiles, de concert avec les formeslimites de résonance

Exemple:

CHAPITRE 6: Substitution nucléophile aromatique

Généralités sur les mécanismes

Flèchesa)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Trucs de base pour les mécanismes

Deux types généraux de réaction:1. Acide-base2. Nucléophile-électrophile

Définir nucléophile et électrophile

1 inclus dans 2

Ne pas oublier les formes limites de résonance!

Mécanisme d’addition – éliminationH- est un mauvais nucléofuge, donc il faut un substituant

6.2: Substitution nucléophile aromatique

Qualité du nucléofuge:

Hautes températures parfois nécessaires

Substitution nucléophile aromatique

Effet d’activation

2

2

2 2

2

2

3 2 o -3

p -2

3 2

3 2

Mécanisme

Effet d’activation2

2

Effet du solvant

Un solvant polaire aprotiquestabilise l’intermédiaire anionique

Postulat de Hammond(explication pour les krel de formation du complexe-)

Effet de substitution

Plus lent

2

2

-

-

2

2

Plus rapide

Explication par la résonance !

Nucléofuges et groupements activants

Nucléofuges habituels: halogènes, cyano, nitro (NO2),mais aussi des moins bons tels -OR, -F et -SO3

-2.

-NR2 et -H ne fonctionnent pas: trop mauvais nucléofuges

Groupements activants: groupements électroattracteurs tels nitro, carbonyles, cyanos et sulfones.

Problème potentiel: réaction d'addition directement sur le groupement attracteur

Exemples

Exemples

Dessiner les diagrammes d’énergie pour les substitutions ipso du -OEt et du -NO2

Comparer les énergies des complexes et discuter du cheminréactionnel favorisé

Exemples

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Exemples

Exemples

2 2+

SNA sur hétérocycles

Pyridine: N assez électronégatif pour activer le cycle et subirl’attaque d’un nucléophile et déplacer le Cl-, contrastantavec les noyaux benzéniques.

SNA sur hétérocyclesOn peut activer la pyridine par N-alkylation afin de permettre l’attaque

de nucléophiles plus doux

SNA sur hétérocycles

e.g. Sel de Mukaiyama pour couplage peptidique

SNA sur hétérocyclesOn peut activer la pyridine par N-oxydation puis acylation/alkylation

Précision – Stabilité vs Réactivité

Stabilité: énergie totale des orbitales moléculaires

remplies

Réactivité: énergies relatives des orbitales moléculaires

frontières (HOMO pour un nü et LUMO pour un E+)

CHAPITRE 7: Substitution électrophile aromatique

Différence entre les alcènes et le benzène: l’aromaticité!

X = -NO2, -NO, -N=N-Ar, -SO3H, -SO2Ar, -HgOAc, -C(O)R.

Clayden, chapitre 22, pp.547-571

Mécanisme de la SEA

Mécanisme de la SEA Complexe

Mécanisme de la SEA

Majorité des cas

Complexes stables

Complexes stables

Quelle est l’étape déterminante?

Dérivé du benzène

BenzèneToluène1,4-Diméthylbenzène1,2-Diméthylbenzène1,3-Diméthylbenzène1,2,4-Triméthylbenzène1,2,3-Triméthylbenzène1,2,3,4-Tétraméthylbenzène1,3,5-Triméthylbenzène1,2,3,5-TétraméthylbenzènePentaméthylbenzène

Vitesse relativede bromation

1605

2 5005 300

514 0001 520 0001 670 00011 000 000

189 000 000420 000 000810 000 000

Stabilitérelative ducomplexe

171112290700770

4 400145 000178 000322 000

Stabilitérelative ducomplexe

11,511,651,852,062,232,402,682,602,74---

Pouvoir orienteur o/p et m

Stabilisation de la charge positive dans le complexe !

Exemples:

Solvatation du complexe !!!

Pouvoir orienteur o/p et m

On peut aussi regarder la résonance dans le produit de départ pour déterminer les sites activés et ceux désactivés

Exemples:

Sélectivité o /m /pFacteur -I

L’effet inductifattracteur est additif

L’effet inductifattracteur diminue

avec la distance

Sélectivité o vs p

- Statistique

- Stérique

- Effet donneur inductif

Favorise ortho

Favorise para

Favorise ortho

Sélectivité o vs p

1:6.71:6.11:0.81:0.6

Le cas spécial des halogènesPour les halogènes:L’effet inductif prédomine pour désactiver le cycleL’effet de résonance prédomine pour le pouvoir orienteur

Plus réactif, moins sélectifDiagrammes d’énergie: somme substrat + réactif; + réactif = E.T. + tôt

Habituellement, plus les espèces présentes sont réactives, moins la réaction est sélective.

Sélectivité ortho et para dépend donc aussi de l'électrophile.

En général, la chloration (AlCl3) est moins sélective que la nitration, la bromation ou la sulfonation du chlorobenzène.

Changer le pouvoir orienteur d’un même substituant

Changer le pouvoir orienteur d’un même substituant

amines très o,p-directeurs, mais…

Tableau des pouvoir orienteurs

Page 67 des notes de cours

À comprendre en général…(krel est la vitesse relative de nitration de PhX p/r à PhH)

OR > NH2 > OH > OC=O > I ~ Br ~ Cl > Me > C=O > +NR3

Même ordre pour un aromatique polysubstitué

7.3 Halogénation

Catalyseur nécessaire pour noyaux

désactivés

Mécanisme avec catalyse

Meilleurnucléofuge

7.3 Halogénation

Désactivation partielle pour éviter la polysubstitutionMême truc

avec les phénols

7.4 Nitration

7.4 NitrationContrôle assez facile de la mononitration

7.4 Nitration

Les conditions de nitration sont très acides, ce qui peut amener des sélectivités inattendues…

7.4 NitrationDésactivation partielle pour un meilleur régiocontrôle.

7.5 Sulfonation

7.5 Sulfonation

La sulfonation est réversible!

Elle est donc utile en synthèse d’aromatiquespour protéger la position para

7.5 Sulfonation

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Alkylation sur un aromatique où l’espèce électrophile est un carbocation sur un alkyle

Le carbocation peut être généré par différentes manières:

- Halogénure d’alkyle avec acide de Lewis fort- Déshydratation d’alcool- Protonation d’alcènes

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

- Halogénure d’alkyle avec acide de Lewis fort

Acides de Lewis généralement utilisés:

AlCl3 > SbCl5 > FeCl3 > SnCl4 > ZnCl2

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

- Déshydratation d’alcool

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts- Protonation d’alcènes

2 4

4

4

2 4

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Formation du carbocation libre pas toujours évidente…

7.6 Alkylation de Friedel-CraftsFormation du carbocation libre pas toujours évidente…

Seulement le produit deréarrangement avec AlCl3:

implique le carbocation libre

Alkylation au carboneprimaire avec FeCl3

7.6 Alkylation de Friedel-CraftsLes réarrangements de carbocations mènent à des

réactions secondaires souvent indésirables.

Stabilité des C+: primaire < secondaire < tertiaireHyperconjugaison!

7.6 Alkylation de Friedel-Crafts

Autre source de produits secondaires:Le produit final est plus réactif que le produit de départ!

Solution: utiliser un large excès de l’aromatique…s’il n’est pas trop précieux!

7.6 Alkylation de Friedel-CraftsLa version intramoléculaire est plus sélective et plus «propre»

(moins de produits secondaires)

4

2 4

- Attaque intramoléculaire plus rapide que le réarrangement- Seulement la monoalkylation est possible si dilué- Régiosélectivité (o,m, p) parfaitement contrôlée

7.6 Alkylation de Friedel-CraftsPolysubstitution d’alkyles polyhalogénés

7.7 Les détergents synthétiques

insoluble dans l'eausoluble dans l'eau

Il faudrait avoir un sel de calcium ou de magnésiumqui soit soluble dans l’eau:

Les sels d’acide sulfonique

7.7 Les détergents synthétiques

Chaîne alkyle avec C tertiaires dure à digérer par les bactéries:remplacement par des chaînes modifiées

7.8 L'acylation de Friedel-Crafts

Chlorure d’acyle + acide de Lewis = carbocation acyle (cation acylium)

La résonance stabilise le cation:limite les réactions secondaires

7.8 L'acylation de Friedel-Crafts

Le produit finalest désactivé:

monoacylation assezfacile à contrôler

Les anhydridesdonnent les

mêmes résultats

7.8 L'acylation de Friedel-Crafts

L’acylation de Friedel-Crafts est sensible aux effets stériques(mais pas autant que la sulfonation) et donne une bonne

sélectivité para pour des aromatiques monosubstitués

7.8 L'acylation de Friedel-CraftsLa version intramoléculaire peut être utilisée pour cette réaction aussi:

elle offre l’avantage de construire des molécules polycycliques

En version intramoléculaire, on peut utiliser un acide fort directementsur l’acide carboxylique pour générer le cation acylium

(pas besoin de passer par le chlorure d’acyle)

7.9, 7.10 et 7.11

À la fin, si on a le temps

7.12 Substitution ipso

Substitution ipso d’un alkyle seulementsi le nucléofuge a un C+ stabilisé

2

7.12 Substitution ipso

Le bore est prédestiné à la substitution ipso:Orbitale vide électrophile

Nucléofuge pour redevenir neutre

7.12 Substitution ipso

Le silicium peut subir une attaque de Cl-

à cause de ses orbitales d vides

7.12 Substitution ipso

CO2H peut subir une substitution ipsoseulement quand il est ortho à un OH:

condition pour qu’il y ait décarboxylation

7.13 Molécules aromatiques polycy-cliques et hétéroaromatiques p.81

7.13 Molécules aromatiques polycy-cliques et hétéroaromatiques

On fait la réaction qui produira le cation le plus stabilisé

7.13 Molécules aromatiques polycy-cliques et hétéroaromatiques

On brise le moins de cycles aromatiques possible

L’alcène se comporte pratiquement comme un alcène normal

7.14 Résumé des réactivités

Substituant

O-, NH2, NR2, OH, OR, NCOR, OCOR, OCO2R

alkyle, aryle

F, I < Cl, Br

CN, CO2H, CHO, COR, SO3H, NO2, < +NR3

Effet

Fortementactivant

Faiblementactivant

Faiblementdésactivant

Fortementdésactivant

Électrophiles capablesde réagir

NO+, Ar-NN+,HCN+-H

R3C+ ou RCH2X--MX3,R-CO+, H+, R2C=O+-H

voir ci-bas

NO2+, Br2 et Cl2 avec MX3, HOBr, HOCl, SO3

p. 81

CHAPITRE 8: Synthèse de composés aromatiques

CHAPITRE 8: Synthèse de composés aromatiques

À voir de façon personnelle

Constitue une révision et une applicationde la chimie aromatique

8.3 Problèmes à faire en classe portant sur les chapitres 6, 7 et 8

a) Indiquez le produit majoritaire de la réaction suivanteet proposez un mécanisme.

8.3 Problèmes à faire en classe portant sur les chapitres 6, 7 et 8

b) Expliquez clairement pourquoi le m-xylène subit lachloration 200 fois plus vite que l'o-xylène ou le p-xylène.

8.3 Problèmes à faire en classe portant sur les chapitres 6, 7 et 8

c) Prédisez et expliquez le pouvoir orienteur du groupe nitroso.Est-il désactivant ou activant?

8.3 Problèmes à faire en classe portant sur les chapitres 6, 7 et 8

d) Faites la synthèse du produit de droite à partir du produit de gauche.

8.3 Problèmes à faire en classe portant sur les chapitres 6, 7 et 8

3

3

e) Prédisez le produit majoritaire.

8.3 Problèmes à faire en classe portant sur les chapitres 6, 7 et 8

f) Proposez un mécanisme pour la réaction suivante.

8.3 Problèmes à faire en classe portant sur les chapitres 6, 7 et 8

g) Proposez une synthèse du produit de droite à partirdu produit de gauche.