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LA SUBSTITUTION LA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE NUCLÉOPHILE
BIMOLÉCULAIREBIMOLÉCULAIRE
CHAPITRE 6CHAPITRE 6
Vollhardt – Chapitre 6
6.1 NOMENCLATURE DES 6.1 NOMENCLATURE DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES
Selon IUPAC => L’halogène est Selon IUPAC => L’halogène est considéré comme un substituantconsidéré comme un substituant
Exemples:Exemples:Br
F
FF
4-Bromo-1,1,1-trifluoropentane
Cl
Chlorocyclobutane
I
1-(Iodométhyl)-1-méthylcyclopentane
Br
Br
1,3-Dibromo-2-méthylbutane
6.1 NOMENCLATURE DES 6.1 NOMENCLATURE DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES
CCl2F2
(CFC-12)Dichlorodifluorométhane
(réfrigérant)
CH3CH2Cl(chlorure d’éthyle)
Chloroéthane(anesthésique local)
NB Les halogénures d’alkyle sont généralement cancérigènes.
6.1 NOMENCLATURE DES 6.1 NOMENCLATURE DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES
Règles :Règles :i) fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-i) fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-
ii) di, tri, tétra, …ii) di, tri, tétra, …
iii) les plus petits indicesiii) les plus petits indices
iv) si chaînes halogénées de longueurs iv) si chaînes halogénées de longueurs , choisir , choisir la + longuela + longue
v) si 2 chaînes de même longueur, choisir v) si 2 chaînes de même longueur, choisir l’halogénéel’halogénée
Cl
Br
3-bromo-1-chlorobutane
BrBr
2-bromo-4-(2-bromoéthyl)octane
Cl
1-chloro-2-méthylpentane
6.2 PROPRIÉTÉS PHYSIQUES6.2 PROPRIÉTÉS PHYSIQUES
La force de la liaison C-X diminue La force de la liaison C-X diminue parallèlement à l’augmentation du parallèlement à l’augmentation du gabarit de X (voir tableau 6.1)gabarit de X (voir tableau 6.1)
La liaison C-X est polariséeLa liaison C-X est polarisée Points d’ébullition plus élevés que Points d’ébullition plus élevés que
les alcanes correspondants (voir les alcanes correspondants (voir tableau 6.2)tableau 6.2)
C X
+
6.3 LA SUBSTITUTION 6.3 LA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILENUCLÉOPHILE
Lors d’une réaction chimique ionique, les é passent d’une site riche en é à un site pauvre en é.
Nucléophile riche en éÉlectrophile pauvre en é.
LE CARACTÈRE POLAIRE DE LA LE CARACTÈRE POLAIRE DE LA LIAISON C-XLIAISON C-X
C X
+
SSNN2: Exemples2: Exemples
Nu: + CH3Br CH3Nu + Br-
NaOH + CH3Br CH3OH + NaBr
NaOR + CH3Br CH3OR + NaBr
NaSH + CH3Br CH3SH + NaBr
NaSR + CH3Br CH3SR + NaBr
CH3CCH + LiBrLiCCH + CH3Br
-
SSNN2: Exemples (suite)2: Exemples (suite)
Nu: + CH3Br CH3Nu + Br-
KCN + CH3Br CH3CN + KBr
NaI + CH3Br CH3I + NaBr
:NH3 + CH3Br
(CH3)3P: + CH3Br
CH3OCH3 + HBrCH3OH + CH3Br
CH3N+H3Br-
CH3P+(CH3)3Br-
-
6.4 EMPLOI DE FLÈCHES INDIQUANT 6.4 EMPLOI DE FLÈCHES INDIQUANT LE MOUVEMENT DES ÉLECTRONSLE MOUVEMENT DES ÉLECTRONS
• reconnaissez l’atome nucléophile et l’atome électrophile• indiquez les charges• assurez-vous que la charge globale est conservée
6.5 ÉTUDES CINÉTIQUES6.5 ÉTUDES CINÉTIQUESCinétique de 2e ordrev = k [Hal][Nu]mol l-1 s-1
Ce qui va jouer sur la vitesse :• nucléophilicité• squelette carboné• nucléofugacité
Un état de transition n’est pas un intermédiaire ; on ne peut pas isoler un état de transition.
6.6 ATTAQUE FRONTALE OU 6.6 ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE?DORSALE?
ATTAQUE FRONTALE OU ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE? (suite)DORSALE? (suite)
Beaucoup de collisions ne mèneront pas aux produits
Attention, la figure du centre représente des liaisons se formant et se brisant ; le C ne peut pas avoir 5 liens !
ATTAQUE FRONTALE OU ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE? (suite)DORSALE? (suite) A1.MOV
ATTAQUE FRONTALE OU ATTAQUE FRONTALE OU DORSALE? (suite)DORSALE? (suite) A4EP.MOV
6.7 CONSÉQUENCES DE 6.7 CONSÉQUENCES DE L’INVERSION LORS DES L’INVERSION LORS DES
RÉACTIONS SRÉACTIONS SNN22
INVERSION DE CONFIGURATIONINVERSION DE CONFIGURATION
INVERSION DE CONFIGURATIONINVERSION DE CONFIGURATIONH OH
(+)-(S)-butan-2-ol
TsClpyridine
H OTs Bu4NOAc
DMF
AcO H
HO H
NaOHH2O
(-)-(R)-butan-2-ol
inversion
[]D27 = +13,5° []D
27 = -13,5°
Nomenclature des esters
6.8 APTITUDE NUCLÉOFUGE DU 6.8 APTITUDE NUCLÉOFUGE DU GROUPE SORTANT ET RÉACTIVITÉ GROUPE SORTANT ET RÉACTIVITÉ
SSNN22 L’aptitude nucléofuge du groupe sortant L’aptitude nucléofuge du groupe sortant
est est inversement proportionnelleinversement proportionnelle à la à la force de celui-ci en tant que base.force de celui-ci en tant que base.
Les bases faibles peuvent mieux Les bases faibles peuvent mieux s’accommoder d’une charge négative.s’accommoder d’une charge négative.
RÈGLE: Les bons groupe sortants sont RÈGLE: Les bons groupe sortants sont des bases conjuguées d’acides forts.des bases conjuguées d’acides forts.
(Pour les halogénures, on peut ajouter la force de la liaison C-X)(Pour les halogénures, on peut ajouter la force de la liaison C-X)
GROUPE SORTANTGROUPE SORTANT
Halogénure (X)Halogénure (X) Force de la Force de la liaison C-X liaison C-X
(kJ/mol)(kJ/mol)
pKa (HX)pKa (HX)
FF 118118 +3+3
ClCl 8181 -7-7
BrBr 6767 -9-9
II 5454 -10-10
HX VS ACIDITÉ / XHX VS ACIDITÉ / X-- VS BASICITÉ / VS BASICITÉ /XX-- VS GROUPE SORTANT VS GROUPE SORTANT
HI > HBr > HCl > HF
I- > Br - > Cl- > F -
I- < Br - < Cl- < F -
Acidité croissante
Basicité croissante
Aptitude nucléofuge croissante
HALOGÉNURE D’ALKYLES VS SHALOGÉNURE D’ALKYLES VS SNN22
RI > RBr > RCl > RF
Réactivité croissante
BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS
ROH O+H
HR
H+
ROHTsCl, CH2Cl2
PyridineROTs (ou Ac)
R OH
Nu
R Nu + HO
HO-, mauvais nucléofugeNu- arrachera un H+ plutôt qu’attaquer
BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS
Bien que les éthers soient de mauvais électrophiles, les époxydes sont de bons électrophiles
ON HN
OH
N
OH
BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS
L’oxyde d’éthylène est très utilisé dans l’industrie
Ex. :
OO
H
HO
OH
HHO
OH
~ 3,9 millions de tonnes aux USA en 2000
~ 2,7 millions de tonnes aux USA en 2000
BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS
C
CH3
CH3
HO OH
bisphénol A
+
O
Cl
épichlorohydrine
2
Colle « époxy »
C
CH3
CH3
HO O
O-
Cl
H
+
C
CH3
CH3
HO O
OH
Cl
BONS GROUPES BONS GROUPES SORTANTSSORTANTS
Colle « époxy »
C
CH3
CH3
HO O
OH
Cl bisphénol A
C
CH3
CH3
HO O
OH
C
CH3
CH3
OHO
C
CH3
CH3
HO OH
C
CH3
CH3
O O
OH
**
Colle époxy
6.9 INFLUENCE DE LA 6.9 INFLUENCE DE LA NUCLÉOPHILIE SUR LA VITESSE DE NUCLÉOPHILIE SUR LA VITESSE DE LA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILELA SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE
H2O vs HO-
NH3 vs -NH2
H2Se vs HSe-
LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEVS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE VS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE
(suite)(suite)
NH3 vs H2O
P(CH3)3 vs S(CH3)2
H2N- vs HO -
LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEEN DESCENDANT UNE COLONNE DU EN DESCENDANT UNE COLONNE DU
TABLEAU PÉRIODIQUETABLEAU PÉRIODIQUE
Cl- Br- I-
Basicité croissante
Pourtant,OMs
Ms = SO2CH3
+ Cl- Cl+ MsO-
OMs + Br- Br+ MsO-
OMs + I - I+ MsO-
lent
rapide
très rapide
MeOH
MeOH
MeOH
LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEVS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE VS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE
(suite)(suite) La nucléophilie est entravée par la La nucléophilie est entravée par la
solvatation.solvatation.
les petits ions sont mieux solvatés
LA NUCLÉOPHILIELA NUCLÉOPHILIEVS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE VS SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE
(suite)(suite)
Les solvants aprotiques ne peuvent pas Les solvants aprotiques ne peuvent pas réaliser des liaisons hydrogène avec les réaliser des liaisons hydrogène avec les nucléophiles (tableau 6-6).nucléophiles (tableau 6-6).
Ils accélèrent les réactions SIls accélèrent les réactions SNN2 parce 2 parce que les nucléophiles sont à nus, les que les nucléophiles sont à nus, les électrons sont plus disponibles.électrons sont plus disponibles.
L’acétone, le DMF, le DMSO sont des L’acétone, le DMF, le DMSO sont des exemples de solvants aprotiques exemples de solvants aprotiques polaires. polaires.
6.10 INFLUENCE DU GROUPE 6.10 INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE SUR LA RÉACTION SALKYLE SUR LA RÉACTION SNN22
INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE (suite)(suite)
INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE (suite)(suite)
INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE INFLUENCE DU GROUPE ALKYLE (suite)(suite)
SSNN2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE BIMOLÉCULAIREBIMOLÉCULAIRE
Cinétique de 2e ordre v = k [Hal][Nu]mol l-1 s-1
Réaction concertée = 1 étape
Existence d’un état de transition “pentavalent”
Attaque dorsale du Nu avec inversion de configuration
Stéréospécifique
C Br
‡
SSNN2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 2 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE BIMOLÉCULAIRE (suite)BIMOLÉCULAIRE (suite)
Halogénoalcanes: p > s >>> t (non-réactif)
La substitution en ou en ralentie la réaction
Solvants aprotiques polaires (DMF, DMSO, HMPA)
BrH
+
NCH
NaCN
+ NaBr
S
R
Nomenclature des nitriles
NUCLÉOPHILICITÉNUCLÉOPHILICITÉ
SH- CN- > I- > OH- > N3- > Br- > PhO- >
AcO- Cl- > F- > NO3- > H2O
La nucléophilie augmente: 1. Avec la charge négative 2. Plus l’élément est situé à gauche (basicité) et en bas du tableau périodique (polarisabilité) 3. Dans les solvants aprotiques polaires
(pas de ponts H => é + disponibles)
Importance de la SN2Importance de la SN2 Alkylation de la morphine en codéineAlkylation de la morphine en codéine
Pavot(Papaver somniferum)
Codéine(analgésique « doux »)
(1-2 %)
Morphine(analgésique « puissant»)
(12-20 %)
Extraction de la codéinePas commercialement viable
Importance de la SN2Importance de la SN2 Alkylation de la morphine en codéineAlkylation de la morphine en codéine
O
HO
NH
CH3H
HO
morphine
SO
O
O
O
H3C
H3C
O
H3CO
NH
CH3H
HO
codéine
- MeSO4-
HO- O
-O
NH
CH3H
HO
-H2O
Importance de la SN2Importance de la SN2 Aflatoxine Aflatoxine (toxine fongique)(toxine fongique) et et
dommage à l’ADNdommage à l’ADN
Aspergillus flavus (fungus)(s’attaque aussi aux noix)
O
O
O
O O
H3CO
Aflatoxine B1
Importance de la SN2Importance de la SN2 Aflatoxine et dommageAflatoxine et dommage
à l’ADNà l’ADN
O
O
O
O O
H3CO
H
H
Aflatoxine B1
oxydationcytochrome p-450
O
O
O
O O
H3CO
H
H
ONH
N
N
NH2
O
attaque d’uneguanine de l’ADN
SN2
O
O
O
O O
H3CO
H
H
NH
N
N
NH2
O
HO
Création d’un lien irréversible entre la toxine et l’ADN
+
Source de H+
Importance de la SN2Importance de la SN2 Aflatoxine et dommageAflatoxine et dommage
à l’ADN ; à l’ADN ; protection ?!?protection ?!?
O
O
O
O O
H3CO
H
H
O
HO2C
O
HN
HS
O
NH
CO2H
NH2
O
O
O
O O
H3CO
H
H
HO2C
O
HN
S
O
NH
CO2H
NH2
HO
glutation(e)
Création d’un lien irréversible entre la toxine et le glutathion(excrété par les reins)
SN2
SOMMAIRESOMMAIRE « flèches » de rx Diagramme d’E SN2 SN2 attaque dorsale = inversion Importance du nucléofuge Qu’est-ce qu’un bon nucléofuge ? Qu’est-ce qu’un bon nucléophile ? Importance de la solvatation Encombrement stérique
EXERCICESEXERCICES Vollhardt Chap. 6
5ième édition (p. 245)Nos 27, 28, 29, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 39, 40, 41, 42, 43,
47, 48, 49, 50, 51, 52, 53.
4ième éditionNos 27, 28, 29, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 39, 40, 41, 42, 43,
45, 46, 47, 48, 49, 50, 51.
3ième éditionNos 23, 24, 25, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38,
39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46.