Chimie organique en 25 fiches · 6. Chimie organique en 25 fiches. Représentation des molécules....

Nadège LUBIN-GERMAINJacques UZIEL

Chimieorganique

en 25 fiches

Chimie organiqueen 25 fiches

Chimie organiqueen 25 fiches

Nadège Lubin-GermainMaître de conférences à l’universitéde Cergy-Pontoise

Jacques UzielMaître de conférences à l’universitéde Cergy-Pontoise

5Ta b l e d e s m a t i è r e s

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Tabledes matières

Fiche 1 Représentation des molécules 6Fiche 2 Nomenclature 11Fiche 3 Stéréochimie I 19Fiche 4 Stéréochimie II 26Fiche 5 Stéréochimie III 31Fiche 6 Effets électroniques 35Fiche 7 Réactions et intermédiaires réactionnels 41Fiche 8 Thermodynamique et cinétique des réactions chimiques 46Fiche 9 Spectroscopies infra-rouge et ultra-violet 54Fiche 10 Résonance Magnétique Nucléaire 60Fiche 11 Alcènes : réactions d’addition électrophile 65Fiche 12 Alcènes : réactions de réduction et oxydation 70Fiche 13 Diènes et alcynes 75Fiche 14 Dérivés aromatiques 80Fiche 15 Halogénoalcanes. Substitutions nucléophiles et éliminations 85Fiche 16 Organométalliques 92Fiche 17 Alcools et éthers-oxydes 97Fiche 18 Amines 103Fiche 19 Aldéhydes et cétones : additions sur le carbonyle 107Fiche 20 Acides carboxyliques et dérivés 113 Fiche 21 Réactivité en α des C=O 119Fiche 22 Acides aminés et peptides 125Fiche 23 Les glucides 131Fiche 24 Applications en synthèse 138Fiche 25 Chimie organique expérimentale 144Tableau de la classification périodique des éléments 150Annexes 152Index 155

6 C h i m i e o r g a n i q u e e n 2 5 f i c h e s

Représentationdes molécules

I Formules

• Les molécules organiques peuvent être représentées de différentes manières, plusou moins détaillées. La simple indication des atomes et de leur nombre constituela formule brute de la molécule. Par exemple, la formule brute C4H10 indique quela molécule contient 4 atomes de carbone et 10 atomes d’hydrogène, mais nousn’avons aucune indication sur l’enchaînement du squelette carboné.

• La représentation dans laquelle le squelette carboné est détaillé constitue la for-mule semi-développée de la molécule. Parmi les différentes possibilités corres-pondant à la formule brute précédente, la formule semi-développéeCH3-CH2-CH2-CH3 correspond à une molécule bien particulière dont on connaîtparfaitement l’enchaînement du squelette carboné.

• Quand toutes les liaisons entre les atomes de la molécule sont indiquées sur lareprésentation, on parle de formule développée. Pour l’exemple ci-dessus, il s’agitde la représentation suivante :

FICHE 1

C C

H

H

H C C H

H

H

H

H

H

H

• Afin de simplifier l’écriture de molécules de plus en plus compliquées, on utilise lareprésentation simplifiée dite topologique dans laquelle seuls les atomes de car-bone et les hétéroatomes (O, N, S, halogènes...) sont représentés. Les atomes d’hy-drogène sont éludés. Ainsi, la molécule CH3CH2CH2CH3 peut être représentée par

, alors que CH3CH2NHCH2CH2CH3 peut s’écrire .NH

7F I C H E 1 – R é p r é s e n t a t i o n d e s m o l é c u l e s

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1

II Isomérie• Deux molécules ayant la même formule brute mais des formules développées dif-

férentes sont appelées isomères.

• Une isomérie due uniquement à une différence du squelette carboné est appeléeisomérie de position. C’est par exemple le cas des deux molécules suivantesrépondant à la même formule brute C4H10 :

CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3

CH3

• En revanche, des isomères correspondant à des fonctions chimiques différentessont appelés des isomères de fonction. C’est par exemple le cas des trois molé-cules suivantes répondant à la même formule brute C4H8O :

CH2=CH-CH2-O-CH3 CH3 C CH2

O

CH3-CH2-CH2-CH=OCH3

La première molécule est un éther-oxyde, la deuxième une cétone et la dernière unaldéhyde.

• Un cas particulier d’isomérie de fonction est la tautomérie. Il s’agit d’un équilibrechimique entre deux formes (formes tautomères) par déplacement concomitantd’un atome d’hydrogène et d’une liaison double ou triple.L’exemple le plus courant est l’équilibre tautomérique entre une cétone (ou unaldéhyde) et un énol. De même, il existe un tel équilibre entre une imine et uneénamine.

CH2=CH-OH

CH3-CH=N-CH3 CH2=CH-NH-CH3

aldéhyde énol

imine énamine

CH3-CH=O

III InsaturationsIl est possible de calculer le nombre d’insaturations ni d’une molécule organique àpartir de sa formule brute. Le nombre d’insaturations pour une molécule de formuleCxHyOzStNvXw avec X un halogène (F, Cl, Br ou I) est donné par la formule mathé-matique suivante :

ni = 2x + 2 − y + v − w

2

(Le nombre d’atomes d’oxygène ou de soufre n’intervient pas dans le calcul dunombre d’insaturations.)

Remarque : Une insaturation correspond soit à une liaison double, soità un cycle ne comprenant que des liaisons simples. Deux insaturationscorrespondent soit à une liaison triple, soit à deux doubles liaisons, soit àune double liaison et un cycle, soit à deux cycles et ainsi de suite.

F o r m u l e b r u t e e t d é v e l o p p é e

L’analyse centésimale d’un composé organique indique la présence de 64,87 % decarbone, 13,51 % d’hydrogène et 21,62 % d’oxygène. Déterminez la formule brutecorrespondant à ces données sachant que les masses atomiques de C, H et O sont res-pectivement de 12, 1 et 16 g.mol–1. Représentez toutes les molécules correspondantà cette formule brute et ayant une masse molaire de 74 g.mol–1.

S o l u t i o n

L’analyse centésimale correspond à des pourcentages massiques. Afin d’accéder à despourcentages molaires, ces valeurs doivent être divisées par les masses atomiques res-pectives des éléments. On arrive ainsi aux valeurs suivantes :

C :64,87

12= 5,41 moles ; H :

13,51

1= 13,51 moles ; O :

21,62

16= 1,35 moles

Pour obtenir le nombre de chacun des atomes constituant la molécule, on divise cha-cune des valeurs ci-dessus par le plus petit nombre à savoir 1,35. On obtient :

C :5,41

1,35= 4 ; H :

13,51

1,35= 10 ; O :

1,35

1,35= 1

On en déduit ainsi la formule générale (C4H10O)n avec n = 1,2,3...

Étant donné que les structures demandées ont une masse molaire de 74 g.mol–1, on endéduit que n = 1.Si on applique la formule donnant le nombre d’insaturations à la molécule de formule

brute C4H10O, on obtient : ni = 2 × 4 + 2 − 10

2= 0, ce qui correspond à une molé-

cule saturée. Une telle molécule comportant un atome d’oxygène peut être soit unalcool, soit un éther-oxyde.Il existe quatre structures différentes correspondant à un alcool :


Ces quatre molécules sont des isomères de position.

Il existe trois structures différentes correspondant à un éther-oxyde :

9F I C H E 1 – R é p r é s e n t a t i o n d e s m o l é c u l e s

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1

CH3CH2CH2CH2OH CH3 CH

CH3

CH2-OHCH OH

CH3

CH3-CH2 CH3 C

CH3

OH

CH3

CH3-O-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-O-CH2-CH3CH3-O-CH CH3

CH3

Ces trois molécules sont des isomères de position.La relation existant entre les quatre premières molécules et les trois suivantes est unerelation d’isomérie de fonction.

R e p r é s e n t a t i o n s s i m p l i f i é e s

Représentez la structure de toutes les molécules cycliques répondant à la formulebrute C6H12. Utilisez pour ce faire les représentations simplifiées.

S o l u t i o n

Si on applique la formule donnant le nombre d’insaturations à cette molécule on

obtient : ni = 2 × 6 + 2 − 12

2= 1, ce qui correspond soit à une liaison double, soit à

un cycle. On nous demande de représenter les molécules cycliques correspondant àcette formule ; il s’agit donc de composés comportant un cycle saturé. On commencepar le cycle à 6 atomes de carbone et on arrive au plus petit cycle comportant 3 atomesde carbone. Au total, il y a douze molécules cycliques correspondant à cette formulebrute :

F o r m u l e s s e m i - d é v e l o p p é e s

Une molécule comportant une fonction acide carboxylique et une triple liaison car-bone-carbone a une masse molaire de 112 g.mol–1. Donnez la structure de toutes lesmolécules correspondant à ces indications.

S o l u t i o n

Tout d’abord, déterminons la formule brute de la molécule d’après les indications don-nées dans l’énoncé. La molécule possède une fonction acide carboxylique – COOH, ily a donc deux atomes d’oxygène dans la formule. Le nombre d’insaturations est de 3(une liaison C=O et une liaison C≡C). Si on considère la formule brute CxHyO2, onpeut écrire les deux équations suivantes :

12x + y + 2 × 16 = 112 et 2x + 2 − y

2= 3

La résolution de ce système de deux équations à deux inconnues conduit à :

x = 6 et y = 8

D’où la formule brute recherchée : C6H8O2.

Les formules semi-développées correspondant à cette formule brute et présentant unefonction acide carboxylique et une triple liaison carbone-carbone sont les suivantes :


COOH

COOH COOH

COOH COOH

COOH COOH

COOH

COOH

11F I C H E 2 – N o m e n c l a t u r e

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Nomenclature

Pour une bonne communication, il est attribué aux molécules un nom dont la structuredécoule de règles édictées par l’IUPAC (Union Internationale de Chimie Pure etAppliquée). Ce nom peut être composé de 5 parties, séparées par des tirets :

– Éléments de stéréochimie : configuration de carbones asymétriques, de doublesliaisons.

– Fonctions chimiques secondaires et substituants classés par ordre alphabétique.Des préfixes multiplicateurs sont utilisés pour indiquer la présence d’un élé-ment plusieurs fois.

– Chaîne carbonée principale : c’est la plus longue contenant la fonction chi-mique principale.

– Présence d’insaturations : doubles et triples liaisons.

– Fonction chimique principale : elle est indiquée par un suffixe. La numérota-tion de la chaîne est définie de manière à donner le plus petit indice possible àcette fonction.

FICHE 2

I Chaîne carbonée principaleet substituants

Le nom de la chaîne carbonée et des substituants dérivent de l’alcane correspondant.On changera la fin « ane » par le suffixe correspondant à la fonction chimique ou par« yl » pour les substituants :


Nombre Substituant Substituant Alcane Alcène Alcynede carbones Nom R RO

1 Méth Méthyl Méthoxy Méthane2 Éth Éthyl Éthoxy Éthane Éthène Éthyne3 Prop Propyl Propoxy Propane Propène Propyne4 But Butyl Butoxy Butane Butène Butyne5 Pent Pentyl Pentoxy Pentane Pentène Pentyne6 Hex Hexyl Hexoxy Hexane Hexène Hexyne7 Hept Heptyl Heptoxy Heptane Heptène Heptyne8 Oct Octyl Octoxy Octane Octène Octyne9 Non Nonyl Nonoxy Nonane Nonène Nonyne

10 Déc Décyl Décoxy Décane Décène Décyne11 Undéc Undécyl Undécoxy Undécane Undécène Undécyne12 Dodéc Dodécyl Dodécoxy Dodécane Dodécène Dodécyne15 Pentadéc Pentadécyl Pentadécoxy Pentadécane Pentadécène Pentadécyne20 Eicos Eicosyl Eicosoxy Eicosane Eicosène Eicosyne

Lorsqu’un substituant présente plusieurs carbones, l’agencement peut-être ramifié.Ainsi, le groupement pentyle sera nommé :

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-

H2C CH

CH2-

CH3

H3C

HC CH2-CH2H3C

H3C

CH3

C

CH3

CH2-H3C

n-pentyl

secpentyl

Remarque : les préfixes n, sec, iso et ter sont pris en compte dans le classement alphabétique

isopentyl

ter(tio)pentyl

CH2-

benzyl allyl vinyl

Notons trois substituants importants :

D’autre part, lorsqu’un substituant est lui-même substitué, une sous-numérotation estintroduite pour préciser où se trouve cedeuxième substituant. Elle démarre par lecarbone lié à la chaîne principale.


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2

NH2

1

2

3

1

22-(3-méthylcyclohexyl)éthylamine

CO

OH

CO

OR

C

O

X

CO

NH2

C N

CO

H

CO

OH

SH

NH2

NH

OR

SR

Fonctions chimiques

Nom Formule chimique

Préfix e Suffix ePriorité

1 acide carboxylique carboxy acide ...........oïque

2 ester oxycarbonyl ...........oate de ....yle

3 halogénure d'acyle halogénoformyl halogénure de . .. oyle

4 amide carbamoyl amide

5 nitrile cyano nitrile

6 aldéhyde formyl al

7 cétone oxo one

8 alcool hydroxy ol

9 thiol mercapto thiol

10 amine amino amine

11 imine imino imine

12 éther-oxyde oxy oxyde de ....yle 13 sulfure thio sulfure

II Fonctions chimiques principaleset secondaires

La numérotation de la chaîne carbonée la plus longue se fait de sorte que la fonction chi-mique principale porte le plus petit indice. Dans le cas de fonctions carbonées terminales(aldéhyde, acide carboxylique, ester, amide, chlorure d’acyle), le carbone de la fonctionprend l’indice 1. La numérotation permettra d’indiquer la position des insaturations, deséléments de stéréochimie, des substituants et des fonctions chimiques secondaires.Si la fonction chimique est prioritaire, elle sera indiquée par son suffixe à la fin du nom.Si, par contre, elle n’est pas prioritaire, son préfixe sera introduit avec les substituants.Par exemple la molécule HO–CH2–CH2–C≡N sera appelée 3-hydroxypropanenitrileet non 2-cyanoéthanol.

III Les composés saturés cycliqueset hétérocycliques

Dans le cas de molécules cycliques, le nom est précédé du préfixe cyclo :


H2C

H2CCH2

CH2

CH2

H2C

cyclohexane

H2C

H2CCH2

CH2

CH

HC

cyclohexène

Si ces composés présentent un hétéroélément dans leur cycle, leur nomenclature estparticulière. À titre d’exemple :

OHN S O

HN

O O

O

O N

pyrane oxane dioxane

HN

pyridine pipéridine

furane pyrrole thiophène tétrahydrofurane pyrrolidine

O O

oxirane oxétane azir idine azétidine

HN HN

IV Les composés aromatiquesLes composés aromatiques dérivés du benzène ont un nom en « benz » lorsqu’ils por-tent un carbone. Mais, beaucoup de noms triviaux perdurent :


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2

CH2OH COOH CHO

CH3 OH

O

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

NH2

CH2B r Br

alcoolbenzyl ique

acidebenzoïque

benzaldéhyde

toluène phénol styrène

benzophénone

naphtalène ortho méta para

xylène

aniline

benzène bromure de benzyle

bromobenzène

noms triviaux

racine du nomen benz...

La polysubstitution des composés aromatiques est indiquée par des indices (les pluspetits possibles à partir de la fonction chimique principale) ou par les préfixes ortho,méta et para.

Méthode : pour nommer une molécule,

– cherchez la fonction principale– trouvez la chaîne carbonée la plus longue contenant la fonction prin-

cipale– numérotez en donnant l’indice le plus bas possible pour la fonction

principale– nommez, classez et numérotez les fonctions secondaires et les substi-

tuants

E x e r c i c e I

Nommez les molécules suivantes en nomenclature officielle et représentez les molé-cules dont les noms sont donnés ci-dessous :


OH

COOH

COOMe

OMe

NH2

HN

a. e. i. cyclohex-2-én-1-one

b. f. j. hex-3-yne-1-thiol

c. g. oxyde de diéthyle k. 3-isopropylhex-3-énal

d. h. éthoxycyclobutane l. 3-cyclohexylpropènènitrile ou 3-cyclohexylacrylonitrile

S o l u t i o n

a. La molécule présente cinq atomes de carbone et la fonction principale est un alcool. La numérotation commence par le carbone portant la fonction alcool : c’est lepentan-1-ol

b. C’est un acide carboxylique porté par une chaîne carbonéede six carbones ; la numérotation commence par le carbonede la fonction acide carboxylique ; sur le carbone 5, il y a unsubstituant méthyle : c’est l’acide 5-méthylhexanoïque

c. C’est un ester méthylique porté par une chaîne carbonée desept carbones. Le carbone 5 porte un méthyle : c’est le 5-méthylheptanoate de méthyle

d. C’est un alcène portant un groupement méthoxy. Lanumérotation est telle que l’alcène porte le plus petit indicepossible : c’est le 4-méthoxyhex-1-ène

e. C’est une amine primaire portant un substituant cyclopentyle : c’est la cyclopenty-lamine

COOH1

2

3

4

5

6

COOMe1

2

3

4

5

67

OMe

1

2

3

4

56

f. C’est une amine secondaire portant deux substituants cyclohexyle : c’est la dicyclo-hexylamine

g. La fonction principale est un éther-oxyde avec deux grou-pements éthyle : CH3–CH2–O–CH2–CH3

h. C’est un cycle à quatre carbones portant un groupementéthoxy :

i. C’est un cycle à six carbones portant une cétone. Ce car-bone définit la numérotation et entre le carbone 2 et le car-bone 3, il y a une double liaison :

j. Chaîne carbonée de six carbones ; le premier carbone portela fonction principale thiol -SH, puis sur le carbone 3, il y aune triple liaison :

k. Chaîne carbonée de six carbones. Le premier carboneporte la fonction principale aldéhyde, puis sur le carbone 3 ily a une double liaison ; un substituant isopropyle se trouvesur le carbone 3 :

l. Propènenitrile : il s’agit de trois carbones portant unedouble liaison et le carbone 1 est un nitrile. Sur l’alcène setrouve un substituant cyclohexyle.

E x e r c i c e 2

Donnez la formule développée des composés suivants et nommez selon la nomen-clature officielle les structures représentées ci-dessous :


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2

OCH2-CH3

O

1 2

34

5

6

HS

1

23

64

5

CN

O O

O

O

HO

PhOH

F

NH2

OHC O

NN N

1- N-éthyl-N-méthyl-3-terbutylpent-4-ynamide 5- 2-(3-fluorophényl)-N,N-diméthylbut-3-ynamide 9-

2- 2-méthylamino-1-phénylpropan-1ol 6- ortho-methoxyaniline 10-

3- acide 3,4-diméthylhexa-2,4-diénoïque 7- 11-

4- 4-méthoxy-3-nitrobenzoate d'éthyle 8- 12-

1

23 6O

H

4

5

CN

12

3

S o l u t i o n


O

N

OH

Ph

NHMe

COOH

O2N

MeO COOEt1-

2-

3-

4-

O

NMe2

F

NH2

OMe

123

123

5-

6-

7- p-isopropyloxybenzaldéhyde

8- 2,6-diméthylaminopyridine

9- 3-(3-méthylcyclohexyl)propanenitrile

10- 3-oxopent-5-énoate d'isopentyle

11- 5-(hex-1-ynyl)-2-hydroxy-3-phénylcyclopentanone

12- 2-amino-1-fluoro-4-terbutylphénol

19F I C H E 3 – S t é r é o c h i m i e I

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Stéréochimie I

I Géométrie des molécules

Pour déterminer la géométrie d’une molécule, il faut savoir comment les atomes selient entre eux dans l’espace. Les liaisons sont formées par recouvrement des orbitalesdes atomes. En ce qui concerne l’atome de carbone, il existe deux types d’orbitalesatomiques : les orbitales s et p . La configuration électronique de l’atome de carbone(Z = 6) est 1s22s22p2. Seules les orbitales de valence participent à la formation desliaisons.Pour rendre compte de la géométrie des molécules, une théorie a été élaborée, celle del’hybridation. Il s’agit d’hybrider (mélanger) les orbitales s et p d’un atome pour for-mer de nouvelles orbitales de type spn (avec n = 1, 2 ou 3). Lorsque l’on hybride l’or-bitale s de l’atome de carbone avec ses trois orbitales p , on obtient quatre nouvellesorbitales hybrides sp3 équivalentes, dont les axes des lobes forment entre eux desangles de 109,5° comme dans un tétraèdre régulier.

FICHE 3

+ + +

s pz py pxsp3

sp3

sp3

sp3

Lorsque l’on hybride l’orbitale s avec deux orbitales p on obtient trois nouvelles orbi-tales hybrides sp2 équivalentes, dont les axes des lobes forment entre eux des anglesde 120° comme dans un triangle équilatéral. Dans ce cas, une orbitale p reste inchan-gée et son axe est perpendiculaire au plan formé par les trois orbitales hybrides sp2.

++

+

s py px pz

sp2

sp2

sp2

Lorsque l’on hybride l’orbitale s avec une seule orbitale p, on obtient deux nouvellesorbitales hybrides sp équivalentes dont les axes des lobes forment entre eux un anglede 180°. Dans ce cas, deux orbitales p restent inchangées et leurs axes sont perpendi-culaires entre eux et avec l’axe des orbitales sp.


+ + +

px pypzs

sp

sp

Nous avons ainsi trois types de géométries pour l’atome de carbone : la géométrietétraédrique, la géométrie trigonale plane et la géométrie linéaire. Les liaisons chi-miques sont formées lorsqu’il y a recouvrement des lobes des orbitales des atomespartenaires. Ainsi, dans le méthane CH4 les liaisons C–H sont formées par recouvre-ment des orbitales sp3 avec les orbitales 1s des quatre atomes d’hydrogène. Ces liai-sons sont dites de type σ.

HC

H HH

HCC

H

H HC C HH

sp3 sp2 sp2 sp sp

méthane éthène(éthylène)

éthyne(acétylène)

liaison σ

liaison π

liaison π

liaison π

liaison σ

Dans l’éthène C2H4, chaque atome de carbone est hybridé sp2 et forme trois liaisonsde type σ par recouvrement avec les orbitales 1s des deux atomes d’hydrogène et uneorbitale sp2 de l’autre atome de carbone. Ainsi sur chaque atome de carbone, il resteune orbitale non hybridée p perpendiculaire au plan de la molécule qui par recouvre-ment latéral avec l’orbitale p de l’autre atome de carbone conduit à la formation d’uneliaison de type π. C’est la présence de ces deux liaisons entre les deux atomes quiconstitue la double liaison carbone-carbone. Dans l’éthyne C2H2, chaque atome decarbone est hybridé sp et forme deux liaisons de type σ par recouvrement avec l’orbi-tale 1s de l’atome d’hydrogène et une orbitale sp de l’autre atome de carbone. Ainsi,

sur chaque atome de carbone, il reste deux orbitales non hybridées p perpendiculairesentre elles et à l’axe de la molécule, qui par recouvrement latéral avec les orbitales pde l’autre atome de carbone conduisent à la formation de deux liaisons de type π. C’estla présence de ces trois liaisons entre les deux atomes qui constitue la triple liaison carbone-carbone.Du fait de la présence de la liaison π, on ne peut pas observer de rotation autour d’uneliaison double ou triple. Par contre dans les molécules possédant des carbones hybridéssp3, on peut mettre en évidence une libre rotation autour de la liaison carbone-carbone.

II Représentation des molécules dans l’espace

Afin de rendre compte de la disposition tridimensionnelle des atomes d’une molécule,on peut se servir de différents types de représentations :• la représentation en perspective dans laquelle on rend compte de la géométrie

tétraédrique des carbones sp3, de la géométrie trigonale plane des carbones sp2 etcelle linéaire des carbones sp.

• la projection de Newman : on regarde selon l’axe de la liaison C–C de sorte quele carbone frontal masque celui qui est en arrière, ces deux atomes étant représen-tés par un cercle. Les liaisons sur le carbone avant sont représentées par des traitspartant du centre du cercle, celles sur le carbone arrière par des traits partant de lacirconférence.

• la projection de Fischer : toutes les liaisons sont projetées sur le plan de la feuille.La chaîne carbonée est représentée verticalement avec la fonction la plus oxydéeen haut et la fonction la moins oxydée en bas. Les traits horizontaux correspondentà des liaisons pointant vers l’avant par rapport au plan, alors que les traits verticauxcorrespondent à des liaisons pointant vers l’arrière par rapport au plan de la feuille.

Différentes représentations de l’éthane C2H4 dans l’espace :


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3

H

H

H

H

H

H

H

H HH

HH

H

H H

H

H H

représentationen perspective

projection de Newman

projection de Fischer

HH H

HH H

A p p l i c a t i o n

Représentez la thréonine ci-dessous en projection de Fischer :


S o l u t i o n

Il faut tout d’abord effectuer une rotation de 180° autour de la liaison C–C afin de pla-cer les groupements –CH3 et –COOH en position éclipsée l’un par rapport à l’autre.L’observateur se place ensuite en regardant vers la fonction la plus oxydée, à savoir lafonction acide carboxylique, et de sorte à ce que la chaîne carbonée pointe vers l’ar-rière par rapport à lui. Il observe alors à sa gauche le groupement –NH2 et à sa droitele groupement –OH.

CH3

COOHHO H

NH2H

CH3

COOHHO H

NH2H

CH3

HHO H

COOH

NH2COOH

H2N H

CH3H OH

COOH

H2N H

CH3

H OH

180°

III ConformationÉtant donné qu’il peut y avoir libre rotation autour d’une liaison simple carbone-car-bone, une molécule peut prendre une infinité de structures différentes. Ces structuressont appelées conformations et une conformation particulière correspond à unconformère. De manière générale, les conformères s’interconvertissent très rapide-ment et on ne peut donc pas les isoler.Dans le cas de l’éthane on peut distinguer deux types de conformations :

HH

HH

HH

H

HHH

HH

conformation éclipsée(angle dièdre de 0°)

conformation décalée(angle dièdre de 60°)

H

H

H

H

HHH

H HH

HH

Dans la conformation éclipsée, tous les H sur l’atome de carbone de devant cachentparfaitement les H de l’atome de carbone arrière. L’angle dièdre est de 0°. Dans laconformation décalée un angle dièdre de 60° permet une moindre gêne stérique entreles atomes d’hydrogène. Par conséquent, une conformation décalée est thermodyna-miquement plus stable qu’une conformation éclipsée.

• Cas du cyclohexane

Le cyclohexane C6H12 n’est pas une molécule plane. Sa structure tridimensionnel-le correspond à ce que l’on appelle une conformation chaise. Dans cette confor-mation, tous les atomes de carbone ont une géométrie tétraédrique et toutes les liai-sons C–H sont décalées.Du fait de cette conformation chaise du cyclohexane, il existe deux types de posi-tions différentes pour les atomes d’hydrogène du cycle : les positions axiales et lespositions équatoriales. Les six hydrogènes axiaux sont perpendiculaires au planmoyen du cycle, alors que les six hydrogènes équatoriaux sont dans le plan moyen.


©D

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otoc

opie

non

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lit.

3

H

H

H H

HH

H HHH

H

H

Ce conformère du cyclohexane est en équilibre avec l’autre conformation danslaquelle les H équatoriaux deviennent axiaux et vice-versa.

HH

H

H H

HH

H HHH

H

H

H

HH

HH

H

H HHH H

• Cas du cyclohexane substitué

Considérons le méthylcyclohexane. Dans ce cas, l’équilibre conformationel estdéplacé vers le conformère de droite dans lequel le substituant méthyle est en posi-tion équatoriale :

HCH3 H

HH

CH3

La conformation de droite est de 7,5 kJ.mol–1 plus stable que celle de gauche. Eneffet, dans la conformation de gauche, il y a gêne stérique entre le groupementméthyle et les deux H axiaux qui se trouvent deux carbones plus loin. On dit quedans cette conformation, on a deux interactions 1,3-diaxiales, ce qui n’est pas lecas dans la conformation de droite. De manière générale, pour les cyclohexanesmonosubstitués la conformation la plus stable est celle où le substituant est enposition équatoriale. Plus le substituant est volumineux et plus la conformationpossédant le substituant en position équatoriale est majoritaire.

C o n f o r m a t i o n s d u c y c l o h e x a n e

À 25 °C, le cyclohexane carboxylate d’éthyle existe sous forme d’un mélange deconformères dans le rapport équatorial/axial de 7,5. D’autre part, dans le cas du chlo-rocyclohexane ce rapport est de 1,95.À partir de ces données, calculez le pourcentage de chacun des conformères du cis-et du trans-4-chlorocyclohexylcarboxylate d’éthyle.

S o l u t i o n

Commencez par écrire l’équilibre conformationnel du cyclohexane carboxylated’éthyle, puis du chlorocyclohexane.


C2H5OOC

COOC2H5

La variation d’enthalpie libre standard pour cet équilibre est :

�rG◦ = −RT ln[equatorial]

[axial]= −8,31 · 10−3 · 298 · ln 7,5 = −5 kJ·mol−1

Cl

Cl


�rG◦ = −RT ln[equatorial]

[axial]= −8,31 · 10−3 · 298 · ln 1,95 = −1,7 kJ·mol−1

Considérez maintenant l’équilibre conformationnel pour le cis-4-chlorocyclohexyl-carboxylate d’éthyle.

COOC2H5

C2H5OOCCll

Cl

A B


�rG◦ = −5 + 1,7 = −3,3 kJ·mol−1 .

On peut en déduire le rapport des deux formes A et B à l’équilibre :

[B]

[A]= e− �rG◦

RT = e− −3,3

8,31·10−3·298 = 3,8 d’où A : 20,8 % et B : 79,2 %

Suivez le même raisonnement pour le trans-4-chlorocyclohexylcarboxylate d’éthyle.


�rG◦ = −5 − 1,7 = −6,7 kJ·mol−1 .

On peut en déduire le rapport des deux formes A et B à l’équilibre :

[B]

[A]= e− �rG◦

RT = e− −6,7

8,31·10−3·298 = 15 d’où A : 6,2 % et B : 93,8 %

P r o j e c t i o n s d e N e w m a n

Représentez la conformation la plus stable du butane et de la 4-hydroxybutan-2-oneen projection de Newman.

S o l u t i o n

Pour le butane, il y a trois conformations décalées parmi lesquelles la conformationanti est la plus stable car les deux groupements –CH3 sont le plus éloigné possible l’unde l’autre.


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3

COOC2H5

C2H5OOC

Cl

Cl

A B

CH3 C C CH3

H H

H H

CH3

H HCH3

HHH

CH3 HCH3

HHH

H CH3

CH3

HH

anti gauche gauche

plus stable moins stables

Pour la 4-hydroxybutan-2-one les conformations gauches sont plus stables du fait dela liaison hydrogène intramoléculaire présente entre les groupements hydroxyle et car-bonyle.

HO C C CH H

H H

COCH3

H HOH

HHH

C HO

HHH

H CO

HH

anti gauche gauche

moins stable plus stables

CH3

O

H

CH3

O

CH3

OH


Stéréochimie II

I ChiralitéPlusieurs molécules comme plusieurs objets de la vie courante présentent une asymé-trie que l’on appelle chiralité. La chiralité (du grec χειρ qui signifie main) est la rela-tion qui existe entre la main droite et la main gauche. Ces deux objets très similaires,sont images l’un de l’autre dans un miroir et ne sont pas superposables. De même, unemolécule chirale n’est pas superposable à son image dans un miroir.Comment peut-on prévoir si une molécule est chirale ? Pour cela, il faut répondre à laquestion suivante : la molécule possède-t-elle ou non un plan de symétrie ? un centrede symétrie ? Dans l’affirmative, la molécule n’est pas chirale ; elle est dite achirale.Par contre, si la molécule ne possède ni plan de symétrie ni centre de symétrie elle estchirale.De plus, une molécule est chirale si elle possède un atome de carbone asymétrique,c’est-à-dire un atome de carbone tétraédrique lié à quatre substituants différents. Eneffet, il existe deux dispositions spatiales différentes des quatre substituants autour del’atome de carbone central. Les deux molécules qui en découlent ne sont pas superpo-sables et sont images l’une de l’autre dans un miroir.

FICHE 4

CH3

CC6H5 H

OH

CH3

C

C6H5HHO

Une propriété des molécules chirales est l’activité optique. Il s’agit du fait qu’unetelle substance fait tourner le plan de la lumière polarisée qui la traverse. Cette rota-tion peut être soit vers la droite (molécule dextrogyre, pouvoir rotatoire positif) soitvers la gauche (molécule lévogyre, pouvoir rotatoire négatif).La valeur du pouvoir rotatoire spécifique [α]D est donnée par la formule ci-dessous :

[α]D = αlu

l.c

27F I C H E 4 – S t é r é o c h i m i e I I

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4αlu est la rotation optique observée sur le polarimètre lorsqu’une lumière de longueurd’onde de 589 nm (raie D du sodium) traverse la substance placée dans une cellule,l la longueur en dm de la cellule et c la concentration de cette solution en g.mL–1.


Indiquez si les molécules suivantes sont chirales :

S o l u t i o n

La molécule 1 possède un plan de symétrie ; elle est donc achirale.Le plan de symétrie est le plan perpendiculaire à la feuille et qui coupe le cycle endeux. Les deux groupements méthyles sont de part et d’autre de ce plan du même côtédu cycle :

C C CH

H3CCH3

CH3C C C

H

H3CHCH3

CH3

CH3

CH3

CH3

1 2 3 4

CH3

CH3

Il s’agit du cas d’une molécule qui possède deux carbones asymétriques mais qui n’estpas chirale.Par contre, la molécule 2 ne possède pas de plan de symétrie ; elle est donc chirale.Les molécules 3 et 4 sont des allènes (diènes avec deux doubles liaisons cumulées).Dans les allènes, les deux doubles liaisons sont dans deux plans perpendiculaires.

C C CH

H3C

CH3

CH3

C C CH

H3C

H

CH3

3 4

La molécule 3 possède un plan de symétrie, le plan de la feuille qui contient les sub-stituants du carbone de gauche et qui sur la partie de droite coupe la molécule de sortequ’il y a un substituant méthyle de part et d’autre de ce plan. La molécule est doncachirale. Par contre, pour la molécule 4, il n’y a pas de plan de symétrie (ni le plan dela feuille ni celui perpendiculaire à la feuille ne sont plans de symétrie). La molécule

est donc chirale. Il s’agit du cas d’une molécule qui ne possède pas de carbone asy-métrique mais qui est chirale.

II ÉnantiomérieDeux molécules chirales présentant la relation d’images l’une de l’autre dans unmiroir, sont dites énantiomères. Leur relation est une relation d’énantiomérie. Deuxénantiomères présentent les mêmes propriétés physicochimiques (point de fusion,point d’ébullition...) ; leur seule différence est la valeur de leur pouvoir rotatoire spé-cifique : un énantiomère a une valeur de [α]D positive, alors que l’autre possède unpouvoir rotatoire spécifique de même valeur numérique mais de signe opposé.


CH3

C

C6H5 HOH

CH3

C

C6H5HHO

Eb = 210°C

Pf = 10°C

[α]D = - 45

Eb = 210°C

Pf = 10°C

[α]D = + 45

Afin de différencier les deux énantiomères d’une molécule chirale on définit la confi-guration absolue du carbone asymétrique. Pour cela, il faut tout d’abord classer lesquatre substituants du carbone asymétrique grâce à des règles séquentielles ditesrègles de Cahn, Ingold et Prelog. La priorité est donnée par ordre décroissant desnuméros atomiques des premiers atomes liés au carbone asymétrique. Si une prioriténe peut pas être attribuée au premier niveau, la comparaison doit être effectuée auniveau des deuxièmes atomes. Il est à noter que les atomes liés par des liaisons doublesou triples doivent être considérés comme reliés à autant d’atomes par de simples liai-sons que de liaisons multiples.Une fois la priorité des substituants attribuée, on se place de sorte à ce que le substi-tuant avec la priorité la plus faible se trouve à l’arrière du plan de la feuille. Si ensui-te, en décrivant une ligne allant du substituant de priorité 1 à celui de priorité 3 en pas-sant par le substituant de priorité 2, on tourne dans le sens des aiguilles d’une montre,on attribue à ce carbone asymétrique la configuration absolue R (rectus). Dans le cascontraire (rotation dans le sens contraire des aiguilles d’une montre) on attribue laconfiguration absolue S (sinister).

CH3

C

HO CH2CH3

H S

3

21

4

1 2

3

L’énantiomère d’une molécule de configuration R est de configuration S et vice-versa.Il n’y a aucune relation entre le signe du pouvoir rotatoire spécifique de la molécule et saconfiguration absolue. Une molécule de configuration absolue R peut être dextrogyre oulévogyre. Si l’énantiomère R est dextrogyre, l’énantiomère S sera lévogyre et si l’énan-tiomère R est lévogyre, l’énantiomère S sera dextrogyre.

Un mélange équimolaire de deux énantiomères est appelé mélange racémique. Il n’apas d’activité optique. Le pouvoir rotatoire spécifique d’un mélange racémique est nul([α]D = 0).


La L-méthionine est un acide aminé dont la représentation spatiale est donnée ci-dessous.

29F I C H E 4 – S t é r é o c h i m i e I I

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4

1) Déterminez la configuration absolue du carbone asymétrique de la L-méthionine.2) Lorsqu’une solution de 100 mg d’un échantillon de méthionine dissous dans 10 mL de HCl est introduite dans une cuve de polarimètre de 10 cm de longueur, larotation optique observée est de +0,189°. Calculez le pouvoir rotatoire spécifique decette solution de méthionine.3) Sachant que le pouvoir rotatoire spécifique de la L-méthionine optiquement pureest de +23,1 donnez la composition de l’échantillon en ses deux énantiomères.

S o l u t i o n

1) Commencez par attribuer les priorités aux substituants du carbone asymétrique. Legroupement amine est prioritaire car le numéro atomique de l’azote est le plus grand.Ensuite, entre les deux substituants carbonés, le groupement CH2SH est prioritaire car

COOH

C

CH2 NH2

HHS

COOH

C

HSH2C NH2

H

S

H

H

C

C

O

O

O

12

3

4

12

3

R

le carbone est lié à un atome de S (Z = 32) alors que le groupement COOH est lié « trois fois » à un O (Z = 16). En regardant le carbone asymétrique du côté opposé parrapport à H (n° 4 dans l’ordre des priorités) pour relier 1 à 3 en passant par 2, on tour-ne dans le sens des aiguilles d’une montre, d’où la configuration absolue R.

2) On utilise la formule : [α]D = αlu

l.cavec αlu = +0,189◦ , c = 10−2 g·mol−1 et l = 1 dm. On en déduit [α]D = +18,9

3) Puisque la valeur du pouvoir spécifique de l’échantillon est inférieure à celle de laL-méthionine optiquement pure, cela signifie qu’une partie de l’échantillon est consti-tuée de l’énantiomère S. On définit la pureté optique d’un échantillon comme le rapport entre le pouvoir rota-toire spécifique de celui-ci sur le pouvoir rotatoire spécifique du composé optiquementpur.Dans notre cas p.o. = 88 %.Cette valeur correspond à l’excès énantiomérique de l’échantillon, à savoir :

e.e. =∣∣∣∣

R − S

R + S

∣∣∣∣

avec R + S = 100

On en déduit que l’échantillon est composé de 94 % d’énantiomère R et 6 % d’énan-tiomère S.


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Stéréochimie III

I DiastéréoisomérieDeux stéréoisomères qui ne présentent pas de relation d’énantiomérie entre eux sontappelés diastéréoisomères. Prenons l’exemple de l’acide (2R,3S)-2-amino-3-hydroxybutanoïque et de l’acide (2R,3R)-2-amino-3-hydroxybutanoïque représentésci-dessous :

FICHE 5

COOHCH3

NH2H

HOH COOH

CH3NH2

H

HHO

2R, 3S 2R, 3R

Ces deux molécules ne sont pas images l’une de l’autre dans un miroir ; elles ne sontdonc pas énantiomères. Ce sont des diastéréoisomères. Pour qu’elles soient énantio-mères, deux molécules possédant deux carbones asymétriques doivent posséder laconfiguration absolue inverse pour chacun des carbones asymétriques. Ainsi, l’énan-tiomère de l’acide (2R,3S)-2-amino-3-hydroxybutanoïque est l’acide (2S,3R)-2-amino-3-hydroxybutanoïque.

Le nombre maximal de stéréoisomères pour une molécule comportant n atomes de car-bone asymétriques est de 2n.

Ainsi, l’acide 2-amino-3-hydroxybutanoïque comportant 2 carbones asymétriquespossède 4 stéréoisomères, soit deux couples d’énantiomères : 2R,3R et 2S,3S d’unepart et 2R,3S et 2S,3R d’autre part. Toutes les autres relations entre les stéréoisomèressont des relations de diastéréoisomérie.

2R, 3S 2R, 3R

2S, 3R 2S, 3S

E E

D

D

DE énantiomérie

D diastéréoisomérie


Représentez tous les stéréoisomères de l’acide tartrique HOOC–CH(OH)–CH(OH)–COOH et donnez les relations de stéréoisomérie les reliant.

S o l u t i o n

L’acide tartrique possède 2 carbones asymétriques, donc il existe a priori 4 stéréoiso-mères pour cette molécule. Représentez-les et déterminez la configuration absolue deleurs atomes de carbone asymétriques :


COOHHOOC OH

H

HOH COOH

HOOC OHH

HHO

R R S R

HOOCCOOHHO

H

OHH

S S

HOOC

HHO

COOH

HOH

On constate que le stéréoisomère de configuration absolue S,R n’est pas une molécu-le chirale car il existe un plan de symétrie (facilement visible si l’on effectue une rota-tion de 180° autour de la liaison C–C). N’étant pas chiral, ce stéréoisomère ne possè-de pas d’énantiomère. C’est ce que l’on appelle un composé méso. Pour l’acide tar-trique, il n’existe donc que 3 stéréoisomères : un couple d’énantiomères, plus un autrestéréoisomère ayant une relation de diastéréoisomérie avec les deux autres.

II Configuration relative• Cas des molécules cycliques

Dans le cas des molécules cycliques comportant deux carbones asymétriques,outre la configuration absolue de ces carbones, on peut introduire la notion deconfiguration relative cis/trans.Si dans une molécule cyclique comportant deux carbones asymétriques les substi-tuants prioritaires sur chacun de ces carbones se trouvent du même côté du plan ducycle (ou du plan moyen du cycle dans le cas du cyclohexane) on parle de confi-

guration cis, alors que si ces substituants sont de part et d’autre du plan du cycle,la configuration relative est trans.

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5

La relation entre les stéréoisomères cis et trans est une relation de diastéréoisomé-rie ; les deux molécules ne sont pas images l’une de l’autre dans un miroir.Dans un cas comme celui-ci, il existe deux molécules cis (la molécule de gaucheet son énantiomère) et deux molécules trans (la molécule de droite et son énantio-mère).

• Cas des molécules acycliques

Dans le cas des molécules acycliques on peut également parler de configurationrelative selon la position dans l’espace de deux substituants d’une molécule repré-sentée en zigzag.

CH3

C2H5

CH3

C2H5

cis trans

OH

NH2

OH

NH2

syn anti

Dans le stéréoisomère de gauche représenté en zigzag les groupements OH et NH2sont tous les deux vers l’avant : la configuration relative est syn. Dans le stéréoi-somère de droite les groupements OH et NH2 sont un vers l’avant et l’autre versl’arrière : la configuration relative est anti.La relation entre les stéréoisomères syn et anti est une relation de diastéréoisomé-rie ; les deux molécules ne sont pas images l’une de l’autre dans un miroir.Dans un cas comme celui-ci, il existe deux molécules syn (la molécule de gauche etson énantiomère) et deux molécules anti (la molécule de droite et son énantiomère).

III Configuration des doubles liaisonsPour déterminer la configuration d’un alcène substitué, on utilise les mêmes règlesséquentielles que celles utilisées pour la détermination de la configuration absolue (R ou S) d’un carbone asymétrique.En effet, dans le cas d’une molécule telle que l’acide but-2-énoïque, il existe deuxgéométries possibles pour la double liaison.

Afin de différencier ces deux stéréoisomères (qui sont des diastéréoisomères) on doitclasser par ordre de priorité selon les règles séquentielles les deux substituants de chaquecarbone de la double liaison. Si les deux substituants prioritaires se trouvent du mêmecôté de la double liaison la configuration de l’alcène sera Z (zusammen), par contre s’ilssont de part et d’autre de la double liaison la configuration sera E (entgegen).


H3C COOH

H H

H3C H

H COOH

H3C COOH

H H

H3C H

H COOH

1

2

1'

2'

1

1'2

2'

Z E


Donnez la configuration Z ou E des doubles liaisons dans les molécules suivantes :

H3C COOH

H CH3

HOCH2

CH3CH2

S o l u t i o n

On commence par déterminer les priorités des substituants de chaque atome de car-bone sp2. Dans le cas de la première molécule, le groupement CH3, prioritaire sur lecarbone de gauche et le groupement COOH, prioritaire sur le carbone de droite setrouvent du même côté de la double liaison. L’alcène est donc de configuration Z. La deuxième molécule comporte deux doubles liaisons dont on déterminera la confi-guration. Pour la première double liaison, le groupement CH2OH, prioritaire sur lecarbone sp2 de gauche et la chaîne carbonée portant la deuxième double liaison, prio-ritaire sur le carbone sp2 de droite se trouvent de part et d’autre de la double liaison.Cette double liaison est donc de configuration E. Pour la deuxième double liaison, lachaîne carbonée portant la première double liaison, prioritaire sur le carbone sp2 degauche et le groupement phényle, prioritaire sur le carbone sp2 de droite sont du mêmecôté de la double liaison. Cette double liaison est donc de configuration Z.

H3C COOH

H CH3

HOCH2

CH3CH2

Z E

35F I C H E 6 – E f f e t s é l e c t r o n i q u e s

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BA et B ont une électronégativité comparable ;les 2 électrons de la liaison sont centrés ; en général A = B

les 2 électrons de la liaison sont déplacés vers B ; polarisation de laliaison

A B est plus électronégatif que A (cas général) ;

A X

A B

X est un atome ou groupe d'atomes électropositif ; il enrichit la liaison A-B en électrons et déforme le nuage électronique :

il accentue la polarisation de la liaison A-B en déformant le nuage électronique :

effet donneur

effet attracteur

A XX est un atome ou groupe d'atomes électronégatif ;

A

B

B

B

Effets électroniques

Lorsque deux atomes du même élément sont liés entre eux, les deux électrons de laliaison sont localisés au centre de ces deux atomes. Par contre, sous l’influenced’atomes voisins, ces électrons peuvent se « déplacer ». Ces effets électroniques sontde deux types :

– soit il s’agit d’une simple polarisation de la liaison entre deux atomes liés

– soit il s’agit d’un déplacement d’électrons sur une (ou plusieurs) autre(s) liai-sons(s)

La simple polarisation correspond à ce que l’on appelle l’effet inductif alors que ledéplacement correspond à la mésomérie (ou effet mésomère).

I L’effet inductifIl s’agit d’une polarisation du nuage électronique d’une liaison σ, polarisation provoquéepar un atome ou groupe d’atomes voisins. Il n’intéresse donc que les molécules à sque-lette σ. Si un atome, ou groupe d’atomes, présente une électronégativité forte, celle-ciengendre un déplacement des électrons de la liaison voisine. La polarisation est inversesi cet atome est électropositif. Le nuage électronique de la liaison σ est « déformé ».

FICHE 6

C’est un effet créé par des différences d’électronégativité entre atomes et qui ne s’ob-serve qu’à courte distance, plus ou moins selon l’importance du caractère électroné-gatif (ou positif). La plupart des groupements présentent un effet attracteur (plus élec-tronégatifs que le carbone) :

– les halogènes I, Br, Cl, F– les groupements alkoxy (OMe, OEt,...)– les amines– les groupements insaturés COOR, CN, CONR2, NO2, COR.

A c i d i t é

Expliquez les valeurs de pKa des différents acides carboxyliques suivants :

Groupe 1 pKa Groupe 2 pKa Groupe 3 pKa

CH3–COOH 4,76 CH3–CH2CH2COOH 4,82 ClCH2–COOH 2,87ClCH2–COOH 2,87 CH3–CH2–CHCl–COOH 2,85 FCH2–COOH 2,58Cl2CH–COOH 1,3 CH3–CHCl–CH2–COOH 4,0 BrCH2–COOH 2,90Cl3C–COOH 0,7 ClCH2–CH2–CH2–COOH 4,52 ICH2–COOH 3,17

S o l u t i o n

Dans cet exercice, on regarde l’influence d’halogènes sur le pKa d’acides carboxy-liques ; il s’agit d’effets inductifs (aucun électron π ou doublet libre n’est impliquédans l’équilibre acide-base). Considérons l’équilibre acide-base :


R-COOH RCOO- + H +

acide base conjuguée

Il faut raisonner sur la stabilité de la base conjuguée. Comme il s’agit d’un équilibre,le déplacement de l’équilibre vers la base plus stable correspond à une augmentationde l’acidité et donc à une diminution de la valeur de pKa. Autrement dit :

R C

O

O

l’acide est plus fortstabilisation de la �⇒ déplacement de l’équilibre �⇒ il libère plus facilement �⇒ pKa baisse

base conjuguée vers la base son proton

Qu’est ce qui stabilise la base ? Tout groupement attracteur d’électrons, puisque labase est chargée négativement, dense en électrons :

R attracteur : baisse de la densité de charge O–

et stabilisation de la base conjuguée

Dans le groupe 1, le chlore est électronégatif et donc attracteur. Il baisse le pKa del’acide acétique. Plus il y a d’atomes de chlore, plus la stabilisation est grande. Leseffets s’additionnent.Dans le groupe 2, on voit que l’effet stabilisateur du chlore (baisse du pKa) est dépen-dant de la distance et du nombre de liaisons entre le chlore et le carboxylate. L’effetet plus important à courte distance.Dans le groupe 3, on voit que la stabilisation de la base conjuguée est fonction del’électronégativité de l’halogène.


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6

II La mésomérieCe sont des effets beaucoup plus forts que les effets inductifs et concernent le dépla-cement d’électrons le long des liaisons. Pour ce faire, la molécule doit présenter uneconjugaison, c’est à dire :

– une alternance simple liaison-double liaison :

χ(F) > χ(I) �⇒ stabilisation (F) > stabilisation (I) �⇒ pKa(F) <pKa(I)

– une alternance simple liaison-doublet libre. Dans ce cas, un atome ou grouped’atome est susceptible d’engendrer un déplacement d’électrons π le long duréseau de liaison conjuguée de la molécule :

conjugaison : alternance double-simple liaison ;délocalisation des élect rons π dans un sens ou dans l'autre avec apparition d'une forme chargée

A A

A A

A est donneur d'électrons par un doublet libre ;il peut le délocaliser sur la chaîne carbonéeconjuguée

A est attracteur capable de supporter uneaugmentation de densité de charge

L’écriture de ces deux formes mésomères qui correspondent à la même molécule, faitapparaître une forme plus générale, où les sites électrophiles et nucléophiles apparais-sent et expliquent la réactivité de la molécule :

A

Aδ−

δ−δ+

δ+

site électrophilesite nucléophile

De même, les effets électroniques de ces groupements stabilisent ou déstabilisent desintermédiaires réactionnels : un carbocation sera stabilisé par un groupement donneurd’électrons (compensation de sa faible densité électronique) et à l’inverse, un carba-nion sera stabilisé par un groupement attracteur d’électrons (abaissement de la densi-té de charge du carbanion).On peut résumer ces effets électroniques par le tableau suivant :


alkyle

halogènes *

alcools,

éther-oxydes

amines

thiols,

thioéthers

nitriles

nitro

aldéhydes,

cétones, imines

acides, esters,

amides

Me, Et, tBu

Br, I, Cl, F

–OH

–OR

–NHR

–SH

–SR

–C≡N

–NO2

–CO-H

–CO-R’

COOH

COOR

CONR2

Effet inductif

attracteur

attracteur

attracteur

attracteur

attracteur

attracteur

attracteur

attracteur

Effet mésomère

donneur

donneur

donneur

donneur

donneur

attracteur

attracteur

attracteur

attracteur

Remarques

effet inductif faible, effet mésomère

donneur par hyperconjugaison

χ (X) > χ(C)

effet mésomère donneur par leurs

doublets libres

χ(O) > χ(C)

effet mésomère donneur par le dou-

blet libre

χ(N) > χ(C)

mais effet mésomère donneur impor-

tant

χ(S) > χ(C)

effet mésomère donneur par le dou-

blet libre

* dans le cas du fluor, l’effet inductif est toujours supérieur à son effet mésomère ; ceci peut serencontrer aussi pour le chlore.

É c r i t u r e d e s f o r m e s m é s o m è r e s

Ecrivez les formes mésomères des composés suivants :


©D

unod

– L

a ph

otoc

opie

non

aut

oris

ée e

st u

n dé

lit.

6

S o l u t i o n

Toutes ces molécules présentent des systèmes conjugués, donc on observera des effetsmésomères :

CH3-CH2-CH=CH-CH=CH2 CH2=CH-CH=O CH2=CH-Cl

CH2=CH-OCH3 CH=CH2Cl

L i a i s o n s

Expliquez les observations suivantes :

a) les longueurs de liaison N–O et N=O sont respectivement de 1,36 Å et 1,18 Å ; legroupe NO2 présente deux liaisons identiques de longueur 1,21 Å.

b) dans CH2=CH–Cl, la liaison C=C est plus longue que dans l’éthylène (1,38 Åcontre 1,31 Å) et la liaison C–Cl plus courte que dans le dichloroéthane (1,68 Åcontre 1,78 Å).

CH3-CH-CH=CH-CH2CH3-CH=CH-CH=CH2

CH2=CH-CO

HCH2-CH=C

O

H

CH2=CH-Cl CH2-CH=Cl

CH2=CH-O-CH3CH2-CH=O-CH3

Cl CH=CH2 Cl CH CH2

CH3-CH-CH=CH-CH2

CHO attire les électrons

délocalisation dans un sensou dans l'autre

Cl est donneur d'électrons

OCH3 est donneur d'électrons

Cl est donneur d'électrons

+

b) Le chlore est donneur d’électrons. On voit dans la forme limite, que la liaison C–Cla un caractère de double liaison ; elle est donc plus courte qu’une simple liaison C–Cl.À l’inverse, la double liaison carbone-carbone a un caractère de liaison simple. Sa lon-gueur est plus grande que celle d’une double liaison carbone-carbone :

S o l u t i o n

a) Dans le groupement NO2, les deux liaisons N–O sont identiques et ont un caractèrede double liaison partiel à cause de la délocalisation des électrons ; d’où une longueurintermédiaire entre une simple et une double liaison :


N

O

O

N

O

O

C C

Cl

H

H

HC C

Cl

H

H

H

41F I C H E 7 – R é a c t i o n s e t i n t e r m é d i a i r e s r é a c t i o n n e l s

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lit.

Réactions et intermédiaires réactionnels

Dans les molécules, les atomes sont liés entre eux par des liaisons, c’est-à-dire la miseen commun d’une paire d’électrons. Inversement, la rupture d’une liaison se fait demanière homolytique (chaque partenaire récupère un électron) ou hétérolytique (undes partenaires récupère la paire d’électrons) :

FICHE 7

I Les intermédiaires réactionnelsLes transformations chimiques ne peuvent avoir lieu que s’il y a des sites présentantdes différences de densité électronique. Nous avons vu dans la fiche 6, les facteursfavorisant ces différences. La polarisation des liaisons entraîne la formation d’espècesriches en électrons dites nucléophiles Nu– et d’autres pauvres en électrons dites élec-trophiles E+. Une réaction chimique implique toujours, le déplacement d’électronsd’un site riche vers un site pauvre en électrons.

• Quels sont les électrophiles E+ ?

Ce sont les espèces chargées positivement ou présentant un défaut de charge dû àune polarisation d’une liaison.

X Y

X Y

X

X

+ Y ou X-Y liaison covalente

+ Y

coupure homolytique coupure hétérolytique

processus radicalaire processus ionique

+

C X

δ+ δ−Cou

Lorsqu’un atome de carbone chargé positivement apparaît dans le processus chi-mique, l’intermédiaire est un carbocation. Il est électrophile et cherchera à réagiravec un nucléophile, à éliminer un H+ sur le carbone en α ou à se réarranger en uncarbocation plus stable.


• Quels sont les nucléophiles Nu– ?

Ce sont les espèces chargées négativement ou partiellement en excédant de charge(doublet libre).

R-CH2 CH2

X

X R-CH2 CH2

R-CH CH2

R-CH CH3

R-CH2 CH2 Nu

+

carbocation électrophile

- cherche à capter un nucléophile (substitution nucléophile)

- se réarrange pour donner un carbocation plus stable

- élimine un H+ sur le carbone en α (élimination)

Nu

réarrangement

élimination

addition de Nu–

CR-O R-NH2 I

Lorsque dans la transformation chimique, un carbone chargé négativement appa-raît, il s’agit d’un carbanion. Il est nucléophile et basique.

R-CH2 CH2

H

R-CH2 CH3

R-CH2 CH2 Ecarbanion nucléophile- attaque un électrophile- se comporte comme une base

E

• Les radicaux

Un troisième intermédiaire réactionnel peut apparaître. Il est issu d’une coupurehomolytique ; il s’agit d’un radical noté C•. Notez l’apparition de demi-flèches quicorrespondent à des transferts monoélectroniques (par opposition aux flèches quiimpliquent le transfert de deux électrons).

R-CH2 CH2

X

X R-CH2 CH2+

II Les réactions chimiquesPlusieurs processus peuvent apparaître lors d’une réaction chimique :

• les additions :


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7

CH CHH3C CH2-CH3

C C C4H9H3C CH2 CH2 C4H9H3C

CH CH2H3C CH2-CH3

OH

+ H2O Hydratation

+ H2 Hydrogénation

• les éliminations :

CH CH2Ph CH3

Br

HC CHPh CH3 + HBr

• les substitutions :

CH CH2H3C CH3

Br

CH CH2H3C CH3

N3

+ NaBr+ NaN3

• les transpositions (ou réarrangements) :

RO

∆RO

• les oxydations et réductions :Ces transformations sont accompagnées d’un changement du degré d’oxydation ducarbone et correspondent à des échanges d’électrons :

CO

OH, OR, NH2

CO

H, R

OX

YD

ATIO

N

COH, OR

CH2

acide carboxyliqueamideester

aldéhyde, cétone

alcool I, II, IIIéther

alcane

RÉ

DU

CT

ION

R é a c t i o n s

Classez les réactions suivantes selon leur type (substitution, élimination, addition...) :a) CH3–CH2–CH2OH + HBr CH3–CH2–CH2Br + H2Ob) C6H5–SH + C6H5–CH2Br C6H5–S–CH2–C6H5 + HBrc) CH3–CHCl–CHCl–CH3 + Zn CH3–CH=CH–CH3 + ZnCl2d) CH2=CH2 + H2O + acide fort CH3–CH2OHe) CH3–CO–CH2–COOC2H5 + acide CH3–C(OH)=CH–COOC2H5

S o l u t i o n

a) Substitution de OH par Br : Br– est le nucléophile.b) Substitution de Br par HS–C6H5 : ce dernier est nucléophile par les doublets libresdu soufre et attaque le carbone portant le brome pour le substituer.c) Réaction d’élimination : on élimine un atome de chlore sur chaque atome de car-bone sp2. d) Réaction d’addition d’eau sur l’alcène (hydratation).e) Équilibre céto-énolique (tautomérie) : il ne s’agit pas d’une réaction chimique maisd’un équilibre avec déplacement d’une paire électronique et d’un proton.


H3C

O

COOCH2CH3

H

H H3C

OH

COOCH2CH3

H

forme cétone forme énol

E s p è c e s r é a c t i v e s

Parmi les espèces suivantes, quelles sont celles qui se comportent comme un nucléo-phile, un électrophile ? les deux ? ni l’un ni l’autre ?a) Cl– d) CH3Br g) (CH3)C+ j) CH2=CH2 m) NH3

b) CH3OH e) H2 h) Br+ k) H2C=O n) NH+4

c) CH3–NH2 f) BF3 i) H+ l) N−3 o) NH−

2

S o l u t i o n

Les nucléophiles sont des espèces chargées négativement (anions) soit Cl−, N−3 , NH−

2ou possédant des doublets libres CH3OH, CH3NH2, NH3, ou des électrons π commeCH2=CH2.

Les électrophiles sont des espèces chargées positivement (cations) soit (CH3)C+, Br+,H+, NH+

4 ou présentant un centre déficient en électron, tel que :

Il reste H2, molécule neutre.

R é a c t i v i t é

Complétez les équations suivantes :a) C2H5Br + ? C2H5OHb) C2H5Br + ? C2H5OCH3

c) C2H5Br + Ph–SH ?d) C2H5–NH2 + CH33I (excès) ?e) C2H5Br + ? C2H5CNf) C2H5Br + CH3–C≡C–, Na+ ?

S o l u t i o n

a) Il faut substituer le brome par OH, donc le nucléophile est OH–.b) Il faut substituer le brome par OCH3, donc le nucléophile est –OCH3.c) Le dérivé soufré est nucléophile par les doublets libres du soufre et peut attaquer lecarbone portant Br :

d) Idem, le doublet libre de l’azote vient substituer l’iode

e) Il faut remplacer Br par CN ; on utilise donc du cyanure –CNf) Substitution du bromure par l’acétylénure de sodium :


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7

O

H H

δ−

δ+H3C Br

δ−δ+BF3

CH3 CH2 Br Ph-SH CH3 CH2 SPh + HBrδ−δ+

+

CH3 CH2 I CH3-NH2 CH3 CH2 NH-CH3 + HIδ−δ+

+

CH3 CH2 Brδ−δ+

C C CH3 CH3 CH2 C C CH3 + NaBr+


Thermodynamiqueet cinétique des

réactions chimiques

I Diagramme énergétiqued’une réaction chimique

Il est possible de représenter les échanges d’énergie qui se produisent lors d’une réac-tion chimique à l’aide d’un diagramme représentant l’énergie en fonction de l’avance-ment de la réaction.

FICHE 8

∆G°

Avancement de la réaction

État de transition

réactif

produit

Ea

Sur ce diagramme on remarque le passage par une structure correspondant à un maxi-mum d’énergie ; il s’agit de l’état de transition de la réaction. L’état de transition, quine peut pas être isolé, peut être imaginé comme la structure dans laquelle les liaisonsdu réactif de départ sont en train de se rompre et où les liaisons du produit d’arrivéesont en train de se former.

47F I C H E 8 – T h e r m o d y n a m i q u e e t c i n é t i q u e d e s r é a c t i o n s c h i m i q u e s

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lit.

8Par exemple, dans la réaction d’hydrogénation d’un alcène en alcane, on passe parl’état de transition représenté sur le schéma ci-dessous :

H2H H H H

Pd/C

réactif état de transition produit

∆G°


État de transition 1

réactif

produit

Ea1

État de transition 2

intermédiaireEa2

L’énergie nécessaire pour atteindre l’état de transition est appelée énergie d’activa-tion Ea. Elle est directement liée à la vitesse de la réaction. Plus l’énergie d’activationest grande, plus la réaction sera lente (vitesse faible). Pour une réaction rapide, l’éner-gie d’activation est faible.La relation qui relie la constante de vitesse d’une réaction à l’énergie d’activation estl’équation d’Arrhenius :

k = A.e− EaR.T

avec A une constante dépendant de la réaction, R = 8,314 J.mol–1.K–1 et T la tempéra-ture (en K).Dans une réaction multi-étapes, il y a formation d’une ou plusieurs espèces intermé-diaires que l’on appelle intermédiaires réactionnels. Ci-dessous, est représenté undiagramme énergétique d’une réaction en deux étapes passant par un intermédiaireréactionnel. La première étape est plus lente que la deuxième (Ea1 > Ea2).

E x e r c i c e

Représentez le diagramme énergétique faisant apparaître les deux étapes de la réac-tion suivante :

S o l u t i o n

Il s’agit d’une réaction en deux étapes faisant apparaître un intermédiaire réactionnelde type carbocationique. Le diagramme présentera donc deux vagues. La premièreétape qui correspond à la formation du carbocation est l’étape lente de la réaction etaura une énergie d’activation plus grande que la seconde.


+ HBr

Br

∆G°


État de la transition 1

Ea1

État de la transition 2

intermédiaire

Ea2

Br

H

Br

+

La différence entre intermédiaire et état de transition est que le premier est uneespèce ayant une durée de vie bien définie correspondant au creux d’une vague dudiagramme énergétique, alors que le second est un état très instable qui correspondau sommet d’une vague du diagramme. Chaque intermédiaire est issu d’un état detransition.

II Contrôle cinétique et contrôlethermodynamique

Lors d’une réaction chimique pouvant conduire à deux produits différents selon deuxchemins réactionnels concurrents, la composition des produits peut être régie :

• soit par l’équilibre du système ; on dit qu’elle résulte d’un contrôle thermodyna-mique,

• soit par les vitesses concurrentes de formation des produits ; il s’agit d’un contrôlecinétique.

Dans le cas représenté sur le diagramme ci-dessous, le réactif R conduit à deux pro-duits A et B. A est thermodynamiquement plus stable que B (∆G°A < ∆G°B). Parcontre l’état de transition conduisant à A a une énergie plus élevée que l’état de tran-sition conduisant à B. Ainsi, l’énergie d’activation de A est plus élevée que celle de B. Sous contrôle cinétique (favorisé par des températures basses) la réaction conduira àun mélange de produits où B sera majoritaire. Par contre, sous contrôle thermodyna-mique (à température ambiante ou supérieure) c’est le composé A qui sera majoritai-re. Dans le premier cas, la composition du mélange dépend du rapport des constantesde vitesse des réactions conduisant à A et B. Dans le deuxième cas, la composition dumélange dépend de la différence des ∆G° de A et B.


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8

∆G°


R

A

EaA EaB

B

État de transitionconduisant à A

État de transitionconduisant à B

E x e r c i c e

On considère le diagramme énergétique représentant la transformation de A en Bet C.

a) Calculez le rapport des constantes de vitesse de ces deux réactions à 25°C et à– 40°C.

b) Que peut-on conclure de l’effet de la température sur la sélectivité de la réaction ?c) En laissant la réaction atteindre l’équilibre à température ambiante, quel sera le

rapport des composés B et C obtenu ?

S o l u t i o n

a) On utilise l’équation d’Arrhenius pour les deux réactions :

kB = e− EaBRT et kC = e− EaC

RT

Le rapport des deux constantes de vitesses s’écrit :kB

kC= e− EaB−EaC

RT

Donc, à T = 25°C = 298 K,kB

kC= e

−38,314.10−3.298 = 3,4

et à T = – 40°C = 233K,kB

kC= e

−38,314.10−3.233 = 4,7

Dans des conditions cinétiques, à des temps très courts, on obtient majoritairement lecomposé B.


∆G°


A

C

B

3 kJ.mol –1

5 kJ.mol–1

b) Lorsque la température est abaissée, la proportion en produit cinétique augmente.

c) Dans les conditions thermodynamiques la proportion des produits est donnée par laloi d’action de masse :

�G° = −RT ln[C]

[B]�⇒ [C]

[B]= e− �G°

RT = e−5

8,314.10−3.298 = 7,5

Le produit thermodynamique est C.

III Postulat de HammondNous venons de voir que l’énergie de l’état de transition permet de déterminer la vites-se d’une réaction chimique. Toutefois, l’état de transition n’ayant qu’une existencetransitoire, il n’est pas possible d’avoir des données précises sur cet état. Le postulatde Hammond dit que, dans des cas appropriés, on peut examiner la structure de l’étatde transition en termes de réactifs ou de produits. Ainsi :

• pour une réaction exergonique (∆G° < 0) l’état de transition ressemble aux réactifs,


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8

∆G°


réactif

produit

État de transition

• pour une réaction endergonique (∆G° > 0) l’état de transition ressemble aux pro-duits.


Grâce à ce postulat de Hammond, on peut donc « assimiler » l’état de transition auproduit ou à l’intermédiaire réactionnel (1er cas) et au réactif (2ème cas).

E x e r c i c e

On considère les deux réactions suivantes :

Sachant que la vitesse de la réaction (2) est supérieure à celle de la réaction (1),déduisez la stabilité relative des carbocations R1

+ et R2+.

S o l u t i o n

L’étape déterminante de la vitesse pour ces deux réactions est la première, celleconduisant à la formation du carbocation. Le fait que la vitesse de la réaction (2) soitplus grande que celle de la réaction (1) signifie que l’énergie d’activation de la pre-mière étape de la réaction (2) est plus faible que l’énergie d’activation de la premièreétape de la réaction (1). La première étape de ces deux réactions est une étape ender-gonique (∆G° > 0) car on passe d’un réactif stable (ROTs) à un intermédiaire instable,le carbocation R+. On est donc dans le cas où le postulat de Hammond dit que l’état

∆G°


réactif

produit

État de transition

R1-OTs(1) R1 + OTsCH3OH

R1-OCH3

R2-OTs(2) R2 + OTsCH3OH

R2-OCH3

de transition ressemble au produit de l’étape considérée, à savoir au carbocation inter-médiaire. Représentons le diagramme énergétique faisant figurer la première étape pour ces deuxréactions :


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8

∆G°


R1OTsR2OTs

E.T. (1)R1

+

R2+

Ea2 Ea1

E.T. (2)

Comme sur ce diagramme l’énergie de l’état de transition de la réaction (1) (E.T.(1))est plus élevée que celle de l’état de transition de la réaction (2) (E.T.(2)), d’après lepostulat de Hammond, l’énergie de l’intermédiaire de la réaction (1), le carbocationR1

+ sera plus élevée que celle de l’intermédiaire de la réaction (2), le carbocation R2+.

Donc le carbocation R2+ est plus stable que le carbocation R1

+.


Spectroscopiesinfra-rouge et

ultra-violet

Les spectroscopies sont des méthodes analytiques utilisées en chimie organique pourl’identification des molécules. L’énergie apportée par l’onde électromagnétique per-met le passage de la molécule, d’un état stable à un état excité. Lorsque l’énergieapportée correspond à l’énergie nécessaire au passage à l’état excité, la longueur d’on-de est absorbée. Seules ces longueurs d’onde sont absorbées, les autres sont transmisesou ne sont pas retenues (quantification).

I L’ultra-violetÀ quoi correspond un état excité dans le domaine de l’UV ? L’énergie apportée parl’onde électromagnétique dans l’UV est absorbée par la molécule et sert à exciter lesélectrons π d’un système insaturé. La longueur d’onde maximale et son intensité peu-vent être modifiées par la présence de conjugaison (environ 30 nm) :

FICHE 9

II L’infra-rougeÀ quoi correspond un état excité dans le domaine de l’IR ? Les atomes sont liés entreeux par des liaisons mais ils présentent des mouvements les uns par rapport aux autres.Ces mouvements que l’on appelle vibrations se font soit le long des liaisons (élonga-tion), soit par rapport à un plan de la molécule (déformation). La longueur d’ondeabsorbée est caractéristique d’une liaison chimique particulière.

chromophore excitation λ max, nm

C C

C C

C O

C Br

π π∗ 171

π π∗ 180

n π* 290π π∗ 180

n σ∗ 205

55F I C H E 9 – S p e c t r o s c o p i e s i n f r a - r o u g e e t u l t r a - v i o l e t

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9

Méthode : L’interprétation d’un spectre se fait de la manière suivante :– dans la zone 1 : repérez les doubles liaisons C=C et C=O.– dans la zone 2 : repérez la présence de liaisons O–H d’alcools ou

d’acides carboxyliques, éventuellement les liaisons N–H si la formu-le brute présente un azote ; repérez également juste au dessus de 3000 cm–1 la présence de liaison Csp2–H.

vibrations d'élongation ν

symétrique disymétrique

δ

p p p p

vibrations de déformation

-C-H

-C=C-H -C=C- -CH=CH-

C H C C

-C=C-H -C=C- -C=C-H

-O-H fine

-N-H prim.

-N-H sec.

-N-H

O=C-H O=C-H

O=C-

O=C-

O=C--O-H large

-N-H prim. O=C-

4000 3500 3000 2500 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1000 900 800 700 cm-1

Alcanes -----

Alcènes ----- ----- -- -- --

Alcynes ----- ----

Aromatiques ---- --- --- -------------------------

Alcools-Phénols -----

Amines -- -- ------------- ---

Cétones -------

Aldéhydes -- -- -------

Esters -----

Acides -------------------------- -----

Amides -- -- -------

EM

PR

EIN

TE

S

12 34

– dans la zone 3 : repérez la présence d’un aromatique (à confirmer parle nombre d’insaturations calculé à partir de la formule brute).

– dans la zone 4 : des petites bandes très caractéristiques d’alcynesvrais, de nitriles et d’aldéhydes sont éventuellement présentes.

I n t e r p r é t a t i o n d e s p e c t r e s

Attribuez à chaque spectre le composé correspondant :1- butanal 4- hexan-1-ol2- octa-1,7-diyne 5- acide nonanoïque3- pentan-2-one 6- pentylamine


S o l u t i o n s

La correspondance est la suivante : 1A, 2D, 3C, 4F, 5B, 6E.Tous les spectres présentent une bande correspondant à la liaison Csp3–H.Spectre A : il présente une bande de C=O vers 1700 cm–1 et deux petites bandes à

2800 cm–1 ; ceci est caractéristique d’un aldéhyde.Spectre B : il présente une bande de C=O vers 1700 cm–1 et une large bande O-H

caractéristique d’un acide carboxylique.

Spectre C : il présente une bande de C=O vers1700 cm–1 ; il s’agit de la cétone 3.Spectre D : il présente une fine bande intense au dessus des 3000 cm–1 marque d’une

liaison Csp–H, accompagnée d’une petite bande caractéristique de latriple liaison.

Spectre E : présence de deux bandes identiques et moyennes correspondant aux deuxliaisons N–H d’une amine primaire.

Spectre F : présence d’une bande intense d’un alcool au dessus des 3000 cm–1 (bandelarge en raison de liaisons hydrogène).

I n t e r p r é t a t i o n d e s p e c t r e s

Donnez une structure plausible pour les composés suivants :

C4H6O (UV λmax 220nm) C4H6O (UV λ max 215nm)


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9

C8H9NO C10H10

C8H8O3 C9H8O3

S o l u t i o n


IR : L’aldéhyde présente deux bandesvers 2800 cm–1 et une bande de C=Overs 1700 cm–1. Cette dernière estabaissée par la conjugaison. Présencede la C=C vers 1650 cm–1.UV : Système C=O conjugué.

IR : Bande C=O vers 1715 cm–1

abaissée par la conjugaison, doubléepar la bande C=C.UV : Système C=O conjugué.

Amide : présence de deux bandespour les liaisons N-H vers 3500 cm–1

et bande C=O vers 1680 cm–1.


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9Alcyne : liaison Csp–H vers 3300cm–1 et liaison C≡C vers 2200 cm–1.Aromatique monosubstitué : 750 et700 cm–1.

L’aldéhyde présente deux bandes vers 2800 cm–1 et une bande C=Overs 1700 cm–1. Cette dernière estabaissée par la conjugaison.Phénol : liaison O–H à 3500 cm–1.

Cétone et aldéhyde : deux bandesentre 1700 et 1800 cm–1.Aromatique disubstitué 1,4 :bande vers 960 cm–1.


RésonanceMagnétique Nucléaire

I GénéralitésLa RMN est une méthode spectroscopique qui date de la deuxième moitié du XXe

siècle. Son application principale est l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) uti-lisée pour la visualisation dans le domaine médical. L’autre grande applicationconcerne la détermination de structures chimiques, des petites molécules aux macro-molécules naturelles ou non.Le principe de la RMN est une excitation électromagnétique des noyaux. En effet, lesnoyaux sont en rotation sur eux-mêmes, créant ainsi un petit champ magnétique local.Leur moment magnétique aléatoire normalement, subit une orientation lorsqu’unchamp magnétique externe leur est appliqué. L’orientation est parallèle ou antiparallè-le au champ magnétique externe. Lorsqu’on applique un deuxième champ magnétiqueperpendiculaire au premier, la distribution des moments magnétiques des noyaux H estperturbée. On observe alors le retour à l’équilibre de l’aimantation macroscopique,somme de tous les petits moments magnétiques. Après une opération mathématique(transformée de Fourier), on observe le spectre.

II Le déplacement chimiqueLe déplacement chimique rend compte de l’environnement électronique des protonset il varie en fonction de l’hybridation du carbone et des effets électroniques desatomes environnants. Ces deux causes provoquent un environnement magnétique dif-férent pour chacun des noyaux d’hydrogène. Ainsi, lorsqu’on applique un champmagnétique Bapp, le champ magnétique effectif Beff autour du proton considéré estmodifié par l’environnement électronique des atomes voisins. Le champ magnétiqueeffectif est donc différent pour chacun des noyaux d’hydrogène : ils ont donc desdéplacements chimiques différents.

FICHE 10

61F I C H E 1 0 – R é s o n a n c e M a g n é t i q u e N u c l é a i r e

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oris

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st u

n dé

lit.

10Les déplacements chimiques sont exprimés en unité de fréquence correspondant à unepartie par million (ppm) de la fréquence du spectromètre :

δ(ppm) = �ν/B × 106

La référence correspondant à δ = 0 correspond au déplacement chimique des H dutétraméthylsilane (TMS).Lorsque le déplacement chimique est augmenté par un effet attracteur d’électron (élec-tronégativité), on dit que le proton est déblindé. À l’inverse, lorsque le déplacementchimique est faible, le proton est blindé.

Si- C-H

C H

O

H

C HX

CH

C-H

N

CH

C-H

OH

C X

H

HOH

R-COOH

R-C=O

H

TMSCHCl3

δ ppm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

7,2 ppm

sp3sp2

sp

MeOH3,5ppm

acétone2,1ppm

cyclohexane1,43ppm

III L’intégrationL’intégration correspond à la mesure de la surface du signal. Elle est quelque fois cali-brée et permet alors de connaître directement le nombre de protons identiques présentsdans le signal. Si cela n’est pas le cas, une indication numérique ou graphique permetde retrouver le nombre de protons par règle de trois, connaissant le nombre total deprotons dans la molécule.

IV La multiplicitéLa multiplicité, c’est-à-dire le nombre de raies formant le signal, dépend du nombrede voisins du proton considéré. Nous ne traiterons ici que les cas pour lesquels les voi-sins sont chimiquement et magnétiquement équivalents. Un proton présentera unsignal comprenant (n+1) pics où n est le nombre de protons voisins et l’intensité despics suit le triangle de Pascal :

La multiplicité des signaux s’explique par un dédoublement du signal pour chaquevoisin :


n voisins Forme du signal nom Intensité des pics

C

H

CH n = 1 doublet 1 1

C

H

CH2 n = 2 triplet 1 2 1

C

H

CH3 n = 3 quadruplet 1 3 3 1

H2C C

H

CH2 n = 4 quintuplet 1 4 6 4 1

H2C C

H

CH3 n = 5 sextuplet 1 5 10 10 5 1

H3C C

H

CH3 n = 6 heptuplet 1 6 15 20 15 6 1

doublet triplet quadruplet

1 1

1 2 1

H H H

1 3 3 1

J JJ

J J J

L’espacement entre chaque pic est exprimé en Hertz et cor-respond à la constante de couplage J. Elle dépend de l’angledièdre entre les liaisons C–H : C

H

H α

E x e r c i c e

Donnez la formule développée des six composés suivants possédant tous la mêmeformule brute C4H10O :

63F I C H E 1 0 – R é s o n a n c e M a g n é t i q u e N u c l é a i r e

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10

AB

C D

2H

2H

2H1H

1H

1H1H

4H

3H

6H

9H

3H

S o l u t i o n

Tout d’abord, par la formule brute, nous en déduisons qu’il s’agit de composés satu-rés (pas d’insaturation), d’alcools et/ou d’éthers-oxydes :


OH

CH2-CH2-O

CH3-CH2

CH3-CH2-CH2-CH2-OH

3H en triplet donc en α d'un CH2 : CH3-CH2-

2H en triplet donc en α d'un CH2

à 3,5 ppm donc déblindé par un oxygène

4H soit 2 X CH2 sous forme de multipletce sont ces 2 CH2

1H non couplé : OH

bilan :

: O-CH2-CH2

bilan :

La molécule ne présente que deux signaux de 5H au totalElle présente donc une symétrie et les intégrations doivent être doublées

2 X CH3 en triplet donc en α d'un CH2 :

2 x CH3-CH2

2 X CH2 en quadruplet donc en αd'un CH3 . De plus, le déplacement chimique indique un déblindage par un oxygène

2 x CH3-CH2-O

2 x CH3-CH2-O

2 x CH3-CH2

CH3-CH2-O-CH2-CH3

OH

H3C CHH3C

CH-CH2-O

H3C CHH3C

CH2-OH

CH-CH2-O

H3CCH

H3C

CH3-CH-CH3

OH

6H soit 2 x CH3 sous forme de doublet donc

1H en multiplet peu déblindé

typique d'un groupement isopropyle

2H sous forme de doublet donc en α d'un CH (isopropyle) et déblindé parun oxygène

bilan

9H équivalents soit 3 x CH3 dans le mêmeenvironnement et sans voisin :

CCH3

H3CCH3

OH

bilanCCH3

H3CCH3

OH

CCH3

H3CCH3

OH

2H

2H

2H

1H

1H

1H

1H

4H

3H

3H

6H

9H

65F I C H E 1 1 – A l c è n e s : r é a c t i o n s d ’ a d d i t i o n é l e c t r o p h i l e

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Alcènes :réactions d’additionélectrophile

I Addition de HX : réaction d’hydrohalogénation

Les alcènes réagissent sur les hydracides HX (avec X un halogène) pour conduire auxhalogénoalcanes. La réaction se fait par l’intermédiaire d’un carbocation obtenu paraddition de H+ sur la double liaison. Lorsque les atomes de carbone de la double liaison de l’alcène sont substitués de façondifférente, il se pose un problème de régiosélectivité. Sur quel atome de carbone se fixeral’halogène X ? Quel sera l’halogénoalcane obtenu ?

FICHE 11

H+

Cl Cl+ +

formé non forméplus

stablemoins stable

Cl

Seul l’halogénoalcane issu du carbocation le plus stable sera formé (règle deMarkovnikov). En effet, le carbocation de gauche étant tertiaire, est plus stable quecelui de droite qui est primaire. Selon le postulat de Hammond, il est aussi le plus faci-le à former, donc le chemin réactionnel passe par la formation de ce carbocation.Si l’on souhaite obtenir la régiosélectivité inverse, à savoir accéder à l’halogénoalca-ne avec l’halogène sur le carbone le moins substitué de la double liaison, il faut opé-rer dans des conditions radicalaires plutôt qu’en conditions ioniques. En présence d’uninitiateur de radicaux, tel que la lumière, un radical Cl· est formé et réagit avec ladouble liaison de l’alcène pour conduire à un radical. Seul le radical le plus stable etformé et conduit ensuite par réaction avec HCl au chloroalcane correspondant libérantun nouveau radical Cl· qui peut recommencer la réaction. On dit qu’il s’agit d’uneréaction radicalaire en chaîne.

II Addition de H2O : réaction d’hydratation

L’addition d’eau sur un alcène s’effectue par catalyse acide. La première étape de laréaction est la formation du même carbocation que dans la réaction d’hydrohalogéna-tion. Ensuite, le nucléophile s’additionnant sur ce carbocation n’est pas un ion halo-génure, mais une molécule d’eau. La régiosélectivité de l’hydratation est la même quecelle de l’hydrohalogénation, puisqu’elle est régie par la stabilité du carbocationintermédiaire.


Cl

ClCl+ +

formé non forméplusstable

moins stable

Cl Cl

HCl+ Cl

H2O

H+ cat. OH

Pour obtenir l’alcool avec le groupement hydroxyle sur l’atome de carbone primaire,il faut opérer en deux étapes, en commençant par une réaction d’hydroboration suivied’une oxydation par le peroxyde de dihydrogène en milieu basique.

BH3

BH

H

H2O2

NaOH OH

III Addition de X2 : réaction d’halogénation

L’addition d’un dihalogène sur un alcène conduit à un dihalogénoalcane-1,2. La réac-tion se fait par l’intermédiaire d’un ion ponté tel l’ion bromonium de l’exemple ci-dessous. L’attaque de l’halogénure se fait ensuite du côté opposé par rapport aupont. On obtient ainsi un composé dihalogéné issu d’une addition anti de X2 sur ladouble liaison.

R é g i o s é l e c t i v i t é

Donnez le produit d’addition de l’acide bromhydrique sur les alcènes suivants :


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11

CH3

H H

CH3

Br2

CH3H H

CH3

Br

CH3H

HCH3

Br

Br

+ Br

S o l u t i o n

La première étape de l’addition de HBr sur un alcène est la formation du carbocation.Écrivons, pour chaque cas, les deux carbocations possibles et comparons leur stabilité :•

Le premier carbocation est plus stable car il est tertiaire, le second étant secondaire.On obtient donc le 1-bromo-1-méthylcyclopentane.•

Le premier carbocation, bien que secondaire, est plus déstabilisé que le second du faitde l’effet inductif attracteur des trois atomes de fluor. On obtient donc le 1-bromo-3,3,3-trifluoropropane.

F F

FCH3O

Hou

plusstable

Br

Br

–

+

+ +

F F

F

H F F

Fou

F F

F

Br F F

FBr

plusstable

Bien que tous les deux secondaires, le deuxième carbocation est stabilisé par méso-mérie. On peut écrire deux formes de résonance pour cette espèce. On obtient doncl’oxyde de 1-bromopropyle et de méthyle.•


plusstable

H BrCH3OCH3OCH3O CH3O

Br

CH3O

ou

•

BrHou

plus stable

etc.

Br

Comme pour le cas précédent le deuxième carbocation est stabilisé par mésomérie dufait de la présence du noyau benzénique. On obtient donc le 1-bromo-1-phénylpropa-ne.

R é a c t i v i t é e t s t é r é o s é l e c t i v i t é

La réaction du (Z)-1,2-diphényléthène avec une solution de dibrome dans le métha-nol aqueux conduit à un mélange de trois composés A (C14H12Br2), B (C15H15OBr)et C (C14H13OBr). Expliquez la formation de ces composés. Ces composés sont-ilsoptiquement actifs ?

S o l u t i o n

Il s’agit de la réaction de bromation des alcènes dont la première étape est la forma-tion de l’ion ponté bromonium. Par la suite, cet ion est ouvert par tout nucléophile dansle milieu à savoir Br–, CH3OH ou H2O conduisant aux trois composés A, B et C.

Ces trois composés sont obtenus sous forme racémique car il faut considérer égale-ment la formation équiprobable de l’ion bromonium sur la face opposée de la doubleliaison de l’alcène conduisant ainsi à la formation de 50 % de l’énantiomère de cescomposés. L’activité optique de ces composés est donc nulle.


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11

Ph Ph

Br2

BH

PhBr

Ph

H

OCH3

CH3OH

HPh

Br

PhH

H2O

HPh

Br

Ph

H

OH

C

HPh

Br

Ph

H

Br

A

+ Br


Alcènes : réactions de réduction

et oxydation

Le terme réduction en chimie organique se réfère habituellement à l’addition d’atomesd’hydrogène ou au départ d’atomes d’oxygène. Au contraire, le terme oxydation cor-respond à un départ d’atomes d’hydrogène ou à l’addition d’atomes d’oxygène.

I Réaction d’hydrogénationPar addition de dihydrogène H2 sur un alcène, la liaison C=C est réduite en simple liai-son C–C conduisant ainsi à l’alcane correspondant. Cette réaction ne peut se fairequ’en présence d’un catalyseur métallique. En catalyse hétérogène, ce catalyseur esthabituellement soit du palladium, soit du platine.La stéréochimie de cette réaction est syn, c’est-à-dire que l’addition des deux atomesd’hydrogène se fait sur la même face de la double liaison carbone-carbone.

FICHE 12

CH3

CH3

H2

HCH3

CH3H

Pd/C

II Réaction de dihydroxylationLes alcènes sont transformés en diols-1,2 par addition à basse température d’une solu-tion diluée de permanganate de potassium KMnO4. Ici aussi la stéréochimie de l’ad-dition est syn. Plus efficacement, les réactions de dihydroxylation peuvent être réalisées à l’aided’une solution de tétroxyde d’osmium OsO4. Ce réactif étant onéreux et relativementtoxique, il est généralement utilisé en quantité catalytique. Il faut alors introduire dansle milieu une quantité stœchiométrique d’un oxydant peu onéreux qui ré-oxyde l’os-mium au fur et à mesure de sa réduction. L’oxydant le plus couramment utilisé estl’oxyde de N-méthylmorpholine (NMO).

71F I C H E 1 2 – A l c è n e s : r é a c t i o n s d e r é d u c t i o n e t ox y d a t i o n

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12

III Réaction d’époxydationPar action d’un peracide (RCO3H) les alcènes sont transformés en époxydes (appeléségalement oxiranes). Le peracide le plus couramment utilisé est l’acide méta-chloro-perbenzoïque (mCPBA).

H CH3

CH3 H

H CH3CH3 H

HO OH

N

O

Me

NMO

KMnO4 dilué

ou

OsO4 c at, NMO

O

H CH3

CH3 H

O

O OH

Cl

H CH3CH3 H

O

Les époxydes peuvent subir une réaction d’ouverture du cycle en milieu acide oubasique aqueux pour conduire aux diols-1,2 :

H CH3CH3 H

O H+

H CH3CH3 H

O

H

H

CH3

CH3

HHO

OH

H2 O

H CH 3CH 3 H

O

H

CH 3

CH 3

HO

H

CH 3

CH 3

HHO

O H

HO- H2O

OH

Comparez la stéréochimie de cette réaction à celle de la dihydroxylation : alors que ladihydroxylation est une addition syn, l’époxydation d’un alcène suivie d’une ouverture decelui-ci correspond à une addition anti.

IV CyclopropanationEn présence de diiodométhane et de poudre de zinc (activé par du cuivre), les alcènessubissent une réaction de cyclopropanation.

Le réactif qui se forme lors de cette réaction est ICH2ZnI, réactif de Simmons-Smithqui s’apparente au carbène qui conduit à la formation du cyclopropane :


CH3

CH3

CH2I2CH3

CH3Zn

CH2

carbène

ICH2ZnI

- ZnI2

V OzonolyseEn présence d’ozone O3, la double liaison carbone-carbone des alcènes est clivéeconduisant à deux dérivés carbonylés. La nature des composés obtenus dépend de lasubstitution de la double liaison. Dans le cas où un aldéhyde est obtenu celui-ci est sur-oxydé dans le milieu réactionnel pour conduire à l’acide carboxylique correspondant.Pour éviter cette suroxydation, l’ozonolyse doit être réalisée en présence d’un réduc-teur (Zn, (CH3)2S, PPh3...).

C2H5 CH3

CH3 H

O3

Zn

C2H5O

CH3+

CH3

HO

O3 C2H5O

CH3+

CH3

OHO"

1)

2)

O z o n o l y s e

Un hydrocarbure A de formule brute C10H12 conduit par ozonolyse en présence dezinc à de l’éthanal et de l’acétophénone C6H5–CO–CH3. Donnez la formule déve-loppée de cet hydrocarbure. Existe-t-il sous la forme d’un ou plusieurs isomères ? Un autre hydrocarbure B, isomère de A, conduit par ozonolyse en présence de zincà de l’éthanal et un autre composé aromatique C, isomère de l’acétophénone. Le

spectre IR de C présente deux bandes d’absorption à 2780 et 1690 cm–1 ; son spectreRMN 1H présente entre autres un singulet à 9,8 ppm. Quelle est la fonction caracté-ristique du composé C ? Plusieurs formules développées sont possibles. Dessinez-les.Sachant que l’oxydation complète de C dans des conditions drastiques conduit àl’acide benzène-1,4-dicarboxylique, déduisez la formule développée de C. Remontezensuite à la formule de B.

S o l u t i o n

La formule brute C10H12 correspond à ni = 5 insaturations. Considérant que la molé-cule comprend un noyau aromatique (4 insaturations) la cinquième insaturation cor-respond à une double liaison carbone-carbone qui subit l’ozonolyse.

73F I C H E 1 2 – A l c è n e s : r é a c t i o n s d e r é d u c t i o n e t ox y d a t i o n

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12

A peut exister sous forme de deux isomères selon la géométrie de la double liaison :Z et E. En ce qui concerne le composé C isomère de la benzophénone, les données spectro-scopiques indiquent la présence d’une fonction aldéhyde (IR 2780 cm–1 : νC–H deCH=O et 1690 cm–1 : νC=O de CH=O conjugué ; RMN 1H δ = 9,8 ppm proton aldé-hydique, multiplicité : singulet, CH=O porté par un carbone quaternaire). C possèdedonc l’une des trois structures ci-dessous :

CH-CH3CH3

O3

ZnA

CH3

O + O=CH-CH3

CH=O

CH3

CH=O CH=O

CH3

CH3

L’oxydation des deux substituants du noyau aromatique de C conduisant à l’acide ben-zène-1,4-dicarboxylique, on en déduit la structure de C :

CH=OCH3

oxydationCOOHHOOC

C

D’où la formule de B : CH=CH-CH3CH3

S t é r é o s é l e c t i v i t é d e l a d i h y d r o x y l a t i o n

Donnez la structure du produit obtenu lors de la réaction du (E)-1,2-diphényléthèneavec le tétroxyde d’osmium en présence de NMO. Le produit de la réaction présente-t-il une activité optique ?

S o l u t i o n

Il s’agit d’une réaction de dihydroxylation syn d’un alcène. On obtient donc le diol ci-dessous.


Ph

Ph OsO4

NMO Ph HPhH

HO OH

Ce composé est chiral puisqu’il ne possède ni centre ni plan de symétrie. Par contre ilne présente pas d’activité optique car dans le milieu, on obtient également une quan-tité identique de son énantiomère issu de la dihydroxylation sur l’autre face de ladouble liaison de l’alcène.

PhHPh H

OHHOénantiomère du diol ci-dessus

On est donc en présence d’un mélange racémique.

75F I C H E 1 3 – D i è n e s e t a l c y n e s

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Diènes et alcynes

Les diènes conjugués ou diènes-1,3 présentent une réactivité particulière du fait de laconjugaison entre les deux doubles liaisons carbone-carbone.

I Réaction d’addition conjuguéeRegardons ce qui se produit lors de l’addition de HBr sur le buta-1,3-diène. Outre le3-bromobut-1-ène, produit issu de l’addition classique de HBr sur la double liaisond’un alcène, on obtient également le 1-bromobut-2-ène.

FICHE 13

HBr Br

Br+

addition-1,2 addition-1,41

2

3

4

La formation de ce composé d’addition 1,4 (H et Br s’additionnent sur les carbones 1et 4 du diène) s’explique s’il on écrit la forme de résonance du carbocation intermé-diaire :

H

Braddition-1,2 addition-1,4

++ +

–

II Réaction de cycloadditionde Diels-Alder

La réaction entre un diène conjugué et un alcène ou un alcyne (diénophile) est uneréaction de cycloaddition qui se produit dans des conditions thermiques selon le sché-ma ci-dessous :

+∆

+∆

Dans le cas de la formation d’un composé bicyclique, comme dans l’exemple ci-des-sous, le produit majoritairement obtenu est celui issu d’une attaque endo. La sélectivi-té de la réaction de Diels-Alder est régie par des facteurs orbitalaires.


III Acidité des alcynes vraisLes alcynes vrais ou alcynes terminaux présentent un certain caractère acide (pKa ≈25) de sorte qu’en présence d’une base forte ils peuvent être déprotonés. L’anion acé-tylénure ainsi formé peut réagir avec différents électrophiles.

CH=O

CH=O

CH=O

+ +

endomajoritaire

exominoritaire

C2H5 CH3

C2H5 CH3

H2

2C2H5-CH2CH2CH3

CH3

H

C2H5

H

Pd/C

catalyseurde Lindlar

H

IV Addition de H2 et H2O sur les alcynes

L’hydrogénation catalytique des alcynes se déroule de la même façon que pour lesalcènes. En présence de Pd/C, la réaction ne s’arrête pas après l’addition d’un seuléquivalent de dihydrogène mais se poursuit jusqu’à la formation de l’alcane corres-pondant. Pour s’arrêter à l’alcène, le catalyseur doit être désactivé, comme dans le casdu catalyseur de Lindlar (il s’agit de palladium déposé sur du carbonate de calcium etdésactivé par de l’acétate de plomb).

C CC3H7

C C HC3H7

Na

C CC3H7

C CC3H7 CH3

Na+ Na NH2 + NH3

+ CH3-I + NaIδ+ δ−

Dans le deuxième cas, étant donnée la stéréochimie syn de la réaction d’hydrogéna-tion, la configuration de la double liaison de l’alcène obtenu est toujours Z.

Pour obtenir un alcène de configuration E à partir d’un alcyne on ne procède pas parhydrogénation catalytique, mais selon une réduction par le sodium métallique dans l’am-moniac liquide.


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13

C2H5 CH3H

CH3

C2H5

H

Na / NH3 liq

L’addition d’eau sur un alcyne se produit en milieu acide en présence d’une quantitécatalytique de sulfate mercurique. Comme pour les alcènes, le groupement hydroxylese fixe sur le carbone le plus substitué de la triple liaison. L’énol ainsi formé est enéquilibre tautomérique en faveur de la cétone correspondante.

C2H5 H + H2OH

HgSO4C2H5

OH

C2H5 C

O

CH3

+

A d d i t i o n c o n j u g u é e s u r l e s d i è n e s

Donnez la structure des deux composés que l’on obtient par action d’un équivalentde dibrome sur le butadiène. Expliquez leur formation.

S o l u t i o n

La première étape de la bromation d’une double liaison est la formation de l’ion pontébromonium. Ensuite celui-ci est ouvert par attaque de l’ion bromure soit sur le carbo-ne 2, soit sur le carbone 4.

Br2 BrBr

Br

BrBr

+ Br +

+–

R é a c t i o n d e D i e l s - A d e r

Complétez la suite réactionnelle suivante en précisant la stéréochimie des différentesétapes :

O

O

O

+∆

AO3

ZnB

S o l u t i o n

La première étape est une cycloaddition de Diels-Alder entre le cyclopentadiène etl’anhydrique malique qui est le diénophile. On obtient majoritairement le composé Aissu d’une attaque endo. La deuxième étape est une ozonolyse en milieu réducteurconduisant à l’ouverture du cycle et formation d’un dialdéhyde par coupure de ladouble liaison.


A

O

O

O

B

O

O

O

H

H

O=HC

O=HC

R é a c t i v i t é d e s a l c y n e s

Indiquez les différentes étapes permettant la transformation du composé A en pro-duit B :

HPhPh

A : B :

S o l u t i o n

Tout d’abord, nous devons allonger la chaîne carbonée de deux atomes de carbone.Pour cela nous tirons profit du caractère acide de l’alcyne de départ :

C C HPhNaNH2

Ph C C NaC2H5Br

Ph C C C2H5

Pour passer ensuite à l’alcène correspondant de configuration Z, il faut procéder parhydrogénation catalytique en présence de catalyseur de Lindlar :

R é a c t i v i t é d e s a l c y n e s

Complétez la suite réactionnelle ci-dessous :

Ph C C C2H5

H2

Ph C2H5catalyseurde Lindlar

HC CHNaNH2

A

O

BNaNH2

C1) CO2

DH2 H+

F2) H2O

E1 équiv Pd/C

S o l u t i o n

L’acétylène est déprotoné en présence d’une base forte telle que l’amidure de sodium.L’acétylénure obtenu A est un nucléophile qui réagit sur le carbone électrophile del’époxyde conduisant à son ouverture et donnant l’alcoolate B. Celui-ci subit unedeuxième déprotonation de l’hydrogène acétylénique donnant un nouvel acétylénurequi réagit sur le carbone électrophile du dioxyde de carbone conduisant au dicarboxy-late qui par hydrolyse conduit au composé D. Par hydrogénation catalytique, celui-cidonne l’alcène E de configuration Z. Ce composé qui est un hydroxyacide subit ensui-te en milieu acide une réaction d’estérification intramoléculaire (lactonisation) don-nant la lactone F.


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13

A HC C Na

B

C C-CH2-CH2-O NaNaC

D

F

HOOC

HH

CH2CH2OH

HC C-CH2-CH2-O

OO

C C-CH2-CH2-OHHOOC

Na

E

–

––

+

++


Dérivés aromatiques

Par définition, un composé est aromatique s’il est cyclique, plan, conjugué et qu’ilcomporte 4n + 2 électrons p délocalisables. C’est par exemple le cas du benzène C6H6.

I Réaction de substitution électrophile aromatique

La réaction la plus importante des dérivés aromatiques est la substitution électrophilearomatique SEAr. Elle se fait avec différents électrophiles et consiste en la substitutiond’un atome d’hydrogène du cycle. La réaction se fait par l’intermédiaire d’une espèce cationique appelée intermédiairede Wheland.

FICHE 14

+ EE

HE

La nature de l’électrophile peut varier :

• Réaction d’halogénation (chloration, bromation...) : les réactifs sont Cl2 ou Br2 enprésence d’un acide de Lewis AlCl3 ou FeBr3 ; l’espèce électrophile étant Cl+ ouBr+ formée in situ.

• Réaction de nitration : le réactif est l’acide nitrique HNO3 en présence d’une quan-tité catalytique d’acide sulfurique ; l’espèce électrophile étant NO+

2 formée in situ.

• Réaction de sulfonation : le réactif est l’oléum, un mélange de SO3 et de H2SO4 ;l’espèce électrophile étant SO3H+ formée in situ.

81F I C H E 1 4 – D é r i v é s a r o m a t i q u e s

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lit.

14

II Réaction d’alkylation et d’acylationde Friedel-Crafts

Un cas de réaction de substitution électrophile aromatique permettant d’introduire unechaîne carbonée sur un noyau aromatique est la réaction d’alkylation de Friedel-Crafts.Dans ce cas-là, l’espèce électrophile est formée par action d’un acide de Lewis sur unhalogénoalcane.

CH3

CHCH3

BrFeBr3 CH

CH3

CH3+

Dans ce cas, l’espèce électrophile est le carbocation isopropyle. Si le carbocationformé par arrachement de l’halogénure peut conduire par transposition à un carboca-tion plus stable, c’est ce dernier qui sera fixé sur le cycle aromatique.D’autre part, une acylation de Friedel-Crafts peut se produire lorsque le réactif est unchlorure d’acyle. En présence toujours d’un acide de Lewis tel que AlCl3, on accèdeainsi à une cétone aromatique. Dans ce cas, aucune transposition ne peut avoir lieu.

Cl

OAlCl3

O

+

III Effet de substituant dans la substitution électrophile aromatique

Nous venons de voir la SEAr dans le cas du benzène, mais que se passe-t-il lorsque lecomposé aromatique de départ comporte déjà un substituant ? Prenons le cas du phé-nol qui comporte un substituant hydroxyle sur le noyau. Trois produits de substitutionisomères peuvent à priori se former. Or, uniquement les composés ortho et para lesont.

OH

E

OH OH OH

+ +

E

E

E

formé forménon formé

Dans le cas du nitrobenzène, comportant un groupement NO2, seul l’isomère méta estobtenu.


On peut classer les différents substituants en deux catégories : les substituants électro-donneurs par effet mésomère qui orientent la SEAr en ortho et para et les électroat-tracteurs par effet mésomère qui eux orientent la SEAr en méta.

Substituants ortho, para directeurs –R–Cl, –Br–OH, –OR, -NH2, –NR2

Substituants méta directeurs –CH=O, –COR,–COOR, –COOH–CN–NO2

IV Oxydation des dérivés aromatiquesLes chaînes alkyle portées par les composés aromatiques sont oxydées par le perman-ganate de potassium et transformées en fonctions acides carboxyliques. Par exemple :

NO2

E

NO2 NO2 NO2

+ +

E

E

E

non formé formé non formé

COOH

KMnO4

S u b s t i t u t i o n é l e c t r o p h i l e a r o m a t i q u e


O

O

O

AlCl3

AZn, HCl

BSOCl2 C

AlCl3D

S o l u t i o n

La première étape est une réaction d’acylation de Friedel-Crafts avec l’anhydride suc-cinique. Le composé obtenu est un cétoacide. L’étape suivante est une réduction de Clemensen du carbonyle en alcane (voirfiche 19). L’action de SOCl2 sur un acide carboxylique permet de le transformer enchlorure d’acyle (voir fiche 20). La dernière étape est une réaction d’acylation de Friedel-Crafts intramoléculaire.

83F I C H E 1 4 – D é r i v é s a r o m a t i q u e s

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14

A B

C D

O

OH

O

OH

O

Cl

O

O

E f f e t d e s u b s t i t u a n t d a n s l a S E A r

1) Comment synthétiseriez-vous l’acide p-nitrobenzoïque à partir du benzène ?2) Comment synthétiseriez-vous l’acide m-nitrobenzoïque à partir du benzène ?

S o l u t i o n

1) Pour obtenir un benzène disubstitué en para, il faut que le premier substituant intro-duit sur le benzène ait un effet électodonneur. Ni –COOH, ni –NO2 n’ont un tel effet,mais un groupement –CH3 est un précurseur de –COOH et a un effet ortho et paradirecteur. La séquence réactionnelle est donc la suivante: alkylation de Friedel-Crafts pour intro-duire le groupement méthyle ; nitration conduisant au mélange d’isomères ortho etpara qui peuvent en général être séparés ; enfin l’oxydation de la chaîne carbonée parle permanganate de potassium conduit au composé désiré.

2) Pour obtenir le régioisomère méta il faut inverser l’ordre d’introduction des substi-tuants. La séquence réactionnelle est la suivante : nitration du benzène ; alkylation deFriedel-Crafts introduisant le groupement méthyle en méta ; enfin oxydation duméthyle en fonction acide carboxylique.


CH3-Br

FeBr3

NO2

HNO3

H2SO4

NO2

KMnO4

NO2

CH3COOH

CH3-Br

FeBr3

CH3

HNO3

H2SO4

CH3

KMnO4

COOH

NO2 NO2

CH3

NO2

+

85F I C H E 1 5 – H a l o g é n o a l c a n e s . S u b s t i t u t i o n s n u c l é o p h i l e s e t é l i m i n a t i o n s

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Halogénoalcanes.Substitutions nucléophiles et éliminations

Les halogénoalcanes sont impliqués et sont synthétisés par des processus de substitu-tions nucléophiles et d’éliminations. Ces processus empruntent des chemins communs(mêmes intermédiaires) ou similaires (mécanisme concertés). Dans cette fiche, ils sontétudiés à travers leur équation de vitesse.

I Réaction d’ordre 1 Le terme « ordre » fait référence au nombre d’espèces entrant dans l’équation de vites-se. Dans le cas d’un ordre 1, seule la concentration du dérivé RX intervient et l’équa-tion de vitesse s’écrit donc :

v = k · [RX]

Cela signifie que l’étape limitante, la plus lente, de la transformation n’implique quele dérivé RX. Celui-ci est transformé en carbocation par rupture de la liaison C–X etdépart de l’halogénure X–. La vitesse dépend de la facilité à former le carbocation. Lepostulat de Hammond précise que le carbocation se forme d’autant plus facilementqu’il est stable. La vitesse de la réaction dépend aussi de la faculté qu’a l’halogénureX– à se dissocier ; cela est favorisé si X– est solvaté par le solvant de la réaction, tel unsolvant protique qui solvate les anions par liaison hydrogène. Une fois le carbocation formé, il évolue en fonction de l’environnement : il peut seréarranger, changer sa structure et /ou réagir avec Y– pour donner RY si Y– est nucléo-phile, ou le produit d’élimination si Y– a un caractère basique suffisant.

FICHE 15

II Réaction d’ordre 2Dans une réaction d’ordre 2, l’équation de vitesse prend en compte la concentration enY– :

v = k · [RX] · [Y−]

Le mécanisme implique un état de transition, c’est-à-dire une organisation des deuxréactifs pour casser et créer des liaisons à moindre coût énergétique :


R-CH2 CH2

X

X-

R-CH CH2

H

SN1

R-CH2 CH2

Y

R-CH CH2

lente

carbocation

1ère étape

Y-

Y-

E1

processus de subsitution nucléophile d'ordre 1

processus d'éliminationd'ordre 1

Y- se comporte comme

nucléophile

Y- se comporte comme

base2ème étape

rapidebase

nucléophile

SN2

R-CH2 CH2

X

Y-

H

X

H HR-H2C H

CH2-R

H H

XY

R-CH CH2

R-CH CH2

H Y

=

=

E2

Y- attaque en anti de X partant

déprotonation par Y- concomitante au départ de X

H et X sont en position antipériplanaire

δ+δ− δ−

Dans la réaction SN2, Y– attaque en anti de X partant ; il en résulte un mécanisme avecinversion de configuration. Dans la E2, Y– a un caractère basique plus fort que

nucléophile : il arrache un proton en β ce qui entraîne la formation de la double liai-son et le départ de X–. Par contre, la β élimination nécessite une conformation anti-périplanaire des liaisons C–H et C–X dans l’état de transition. Sauf contrainte confor-mationnelle, la réaction E2 conduit à l’alcène le plus stable (le plus substitué et deconfiguration E). C’est la règle de Zaitsev.

Nucléophilie et basicité sont deux propriétés concomitantes pour un même composéY–. Elles s’expriment l’une par rapport à l’autre selon les conditions (réactifs, solvants...).Toute chose égale par ailleurs, la nucléophilie sera dominante à température ambiantepour des espèces Y– très réactives (conditions cinétiques), capables de polariser leurnuage électronique pour engendrer une liaison. Ceci est le cas pour les halogénures Cl–,Br–, I– et RS–, N3

–. La basicité est favorisée pour des espèces stables (conditions ther-modynamiques) moins réactives et moins polarisables : OH–, RO–


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15

Ordre 1 Ordre 2SN1 E1 SN2 E2

Mécanisme R-CH CH2

H

Y -

R-CH CH2

H

Y -

CH2-R

H H

X δ−Y −δ

=

δ+

Y-

H

X

H H

R-H2C H=

RX Carbocation stable Carbocation potentiellementinstable

Y Nucléophilemoyen

Base faible Nucléophilefort

Base plus forte

X Bon groupepartant

Bon groupepartant

Moins bongroupe partant

Moins bon groupepartant

Solvant Polaireprotique

Polaireprotique

Peu polaireaprotique

Peu polaireaprotique

Stéréochimie Racémisation Zaïtsev Inversion deconfiguration

Zaïtsev

Méthode : Identifiez l’ordre de la réaction par l’équation de vitesse ouune indication de stéréochimie. Faites le bilan des espèces : stabilité ducarbocation, caractère nucléophile ou basique...Vous déduirez alors le mécanisme, l’intermédiaire ou l’état de transi-tion. Ceci permet d’accéder aux produits de la réaction.

E x e r c i c e

Proposez une explication détaillée pour chacune des observations expérimentalessuivantes :

1. Dans les mêmes conditions expérimentales (T, concentration, P), le 1-bromobu-tane réagit beaucoup plus vite que le 2-bromobutane avec l’iodure de sodium dansl’acétone anhydre, mais le 2-bromobutane réagit plus vite que le 1-bromobutanedans un milieu éthanol/H+.

2. Le bromométhoxyméthane donne plus facilement une réaction de type SN1 que lebromométhane.

3. Le pentan-2-ol ne réagit pas avec NaBr dans l’eau, mais donne du 2-bromopentanesi on rajoute un peu d’acide bromhydrique dans la solution aqueuse.

4. Dans la transformation suivante :


L’équation de vitesse est du type v = k[RBr] · [HC≡C] et le produit final est deconfiguration S.

5. L’hydrolyse de type SN1 du 1-chloro-2-méthylbutane fournit un alcool tertiairemajoritaire par rapport à l’alcool primaire attendu.

6. Le (1R,2S,5R)-1-chloro-2-isopropyl-5-méthylcyclohexane subit une éliminationde type E2 en présence de potasse. Quel conformère permet un mécanisme d’éli-mination d’ordre 2 ? quel est le conformère le plus stable ?

7. Le (R)-2-bromo-1-phénylpropane A est un composé optiquement actif ; il réagitavec du cyanure de potassium KCN en solution aqueuse pour donner un composéB et du KBr. La vitesse de cette réaction obéit à l’équation cinétique :v = k[A][CN−]. Représentez le composé B en perspective et justifiez votreréponse. Le composé A est d’autre part traité par du méthylate de sodium(MeONa) en solution diluée dans le méthanol et conduit à un mélange de deuxénantiomères R et S de proportions respectives 22,5 et 77,5 %. Justifiez ces obser-vations.

8. Dans la réaction suivante dont l’équation de vitesse est d’ordre 2, la vitesse est1330 fois plus grande dans le DMSO que dans le méthanol.

Me CN

Br

H C C

(S)

C5H5N+

Br N3+ N3- + Br-

S o l u t i o n

1. Le 1-bromobutane conduit à un carbocation moins stable que le 2-bromobutane. Parconséquent, il subit une SN2 en présence de I–. Par contre, le 2-bromobutane conduit aun carbocation plus stable ; celui-ci réagit ensuite sur l’éthanol (nucléophile) selon unmécanisme SN1. L’élimination ne peut être envisagée car ni I–, ni EtOH ne sont basiques.


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15

BrNa+ I-

Br

SN2

SN1

I

EtOH

OEtH

OEt

EtOH, H+

2. Si le bromométhoxyméthane donne plus facilement une SN1 que le bromométha-ne, alors le carbocation issu du bromométhoxyméthane est plus stable que le carboca-tion issu du bromométhane. En effet, le groupement méthoxy possède un effet méso-mère donneur fort qui stabilise le carbocation :

CH3-Br

CH3O-CH2-Br

CH3

O CH2CH3

CH3O-CH2

carbocation peu stable

carbocation stabilisé par mésomérie


CH3Br

∆G°

CH3OCH2Br

CH3+

CH3OCH2+

∆G°

3. Le groupement OH d’un alcool n’est pas un groupement partant donc il ne peut yavoir de SN. Par contre en milieu acide, la protonation de l’alcool rend le groupementpartant et le substrat subit une SN1 :

HBr

NaBr

Br-

+ Na + Br-

-H2O

OH

OH OH2Br

+

+

4. L’équation de vitesse nous indique qu’il s’agit d’une SN2, mécanisme impliquantun état de transition avec inversion de configuration :


La configuration absolue du carbone ne change pas malgré l’inversion de configura-tion dans l’état de transition. Le Br, classé n°1 selon les règles de Cahn, Ingold etPrelog est remplacé par la triple liaison, n°2 selon les mêmes règles.

5. L’hydrolyse est une réaction dont la cinétique est de type SN1. Le passage par lecarbocation est accompagné d’une transposition du carbocation primaire vers un car-bocation tertiaire par prototropie (migration d’un H). Ce dernier conduit à l’alcool ter-tiaire majoritaire car le carbocation tertiaire est plus stable :

H3C CN

BrH

H3C CN

Br

H

CCH

H3C CN

HCC

H

δ− δ−

(S)(S)

ClH2O

SN1

transposition

carbocationprimaire

carbocationtertiaire

H2O H2O

OH2OH

minoritaire majoritaire

H

OH2 OH+

+

6. La conformation A est la plus stable (tous les substituants sont en position équato-riale) mais ne peut subir une E2 car il n’existe pas de H en position antipériplanairepar rapport au Cl. Ce n’est pas le cas dans la conformation B.

7. Le 2-bromo-1-phénylpropane réagit avec le cyanure de potassium selon un méca-nisme SN2 et conduit au dérivé nitrile avec inversion de configuration. Par contre, enprésence de méthylate de sodium, la SN2 est concomitante à de la SN1 puisquel’éther-oxyde apparaît avec 22,5 % de rendement. La SN1 se fait avec racémisation(22,5 % de R et 22,5 % de S). La SN2 représente donc 77,5 – 22,5 = 55 % de la trans-formation. La SN1 apparaît car, à la stabilité du carbocation benzylique formé, s’ajou-te le caractère nucléophile plus faible de MeO– (par rapport à CN–).


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15Cl

i Pr

Me

OH-

Cl

i Pr

Me

Cl

i Pr

Me

H

BA

i PrMe

i Pr

Me

(1R, 2S, 5R)-1-chloro-2-isopropyl-5-méthylcyclohexane

conformation la plus stableaucune liaison C-H n'est antipériplanaire de C-Cl

conformation la moins stablemais pouvant subir une E2

Ph

H Br

Ph

H Br

KCN

SN2

MeONa

MeOH

Ph

NC H

Ph

H OMe

Ph

MeO H

+ KBr

+

22,5% 77,5%SN1 dont 22,5 % SN1 55 % SN2

100%

R S

A B

8. Le méthanol est un solvant polaire protique. Il est donc capable de faire des liaisonshydrogène avec l’azoture, rendant celui-ci moins nucléophile. Ce n’est pas le cas avecle DMSO, solvant polaire aprotique.


Organométalliques

Les composés organométalliques comportent une liaison carbone-métal. Les métauxétant moins électronégatifs que l’atome de carbone, cette liaison est polarisée :

. De ce fait les composés organométalliques ont un comportement nucléophile.

I OrganomagnésiensLes organométalliques les plus courants sont les organomagnésiens RMgX (avec X :Cl, Br ou I) appelés aussi réactifs de Grignard. Ils sont préparés à partir des halogé-noalcanes correspondants en présence de magnésium métallique dans un solvantanhydre, généralement l’éther diéthylique ou le tétrahydrofurane.

δ+ δ– δ– δ+

R–X + Mg R–Mg–X

On observe que, lors de la formation du réactif de Grignard, il y a inversion de la pola-rité de la partie carbonée, qui est électrophile dans l’halogénoalcane et nucléophiledans l’espèce organométallique. Il faut noter que le milieu doit être absolument anhydre lors de la formation de l’orga-nomagnésien ; autrement celui-ci réagit avec l’eau selon la réaction ci-dessous et estainsi détruit :

R–Mg–X + H2O R–H + 1/2 MgX2 + 1/2Mg(OH)2

Pour préparer le dérivé organomagnésien d’un alcyne vrai, on doit utiliser un autreorganomagnésien.

Dans ce cas, il s’agit d’une réaction acido-basique entre l’alcyne acide et l’organoma-gnésien basique.

FICHE 16

δ– δ+

C–M

R H + R'-Mg-X R MgX + R'-H

93F I C H E 1 6 – O r g a n o m é t a l l i q u e s

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16

II Additions nucléophilesEn tant que nucléophiles, les réactifs de Grignard peuvent réagir avec différents typesd’électrophiles.L’addition sur le carbone électrophile d’un carbonyle permet l’obtention d’alcools.Selon la nature du dérivé carbonylé utilisé, on accède à des alcools de classes diffé-rentes.

• Addition sur le méthanal : synthèse d’alcools primaires

• Addition sur les aldéhydes : synthèse d’alcools secondaires

• Addition sur les cétones : synthèse d’alcools tertiaires

De façon similaire, l’addition sur le carbone du dioxyde de carbone permet la synthè-se d’acides carboxyliques

L’addition d’un réactif de Grignard sur un ester RCOOR′ ou un chlorure d’acyleRCOCl conduit aux alcools tertiaires issus de la double addition.

2 R-Mg-Br

R' CO

OR"

R' CO

Cl

R' C

R

O MgBr

R

R' C

R

OH

R

+ ou

δ+

δ−

δ−

δ+R R'

O H2O

R-Mg-X R-CH2-O MgXH2O

RCH2OH+ CH2=Oδ+ δ−

– +

R-Mg-X R-CH-O MgXR'

H2OR-CH2OH

R'+ R'-CH=O

δ+ δ− –+

R-Mg-X R'-C-O MgXR"

H2OR'-C-OH

R"C

R'

R"O+

R Rδ+ δ− – +

R-Mg-X CO O R-C-O MgXO H2O

R-C-OH

O

+– +

Il n’est pas possible de s’arrêter au stade de la cétone intermédiaire dans ces conditions.Pour obtenir une cétone par addition d’un organométallique sur un chlorure d’acyle ilfaut remplacer le réactif de Grignard par un organocuprate R2CuLi ou R2CuMgX.


R2CuLi R' CO

ClR'

O

R+1/2 + 1/2 LiCl + 1/2 CuCl

Les cétones peuvent être également préparées par réaction d’un réactif de Grignard surun nitrile RCN. Selon les conditions d’hydrolyse de l’intermédiaire réactionnel, onpeut obtenir soit l’imine (hydrolyse au méthanol) soit la cétone (hydrolyse acide).

R-Mg-Br R' C NR' N MgBr

R

MeOH

H3O+

R' O

R

R' NH

R

+δ+ δ− – +

Nous avons vu dans la fiche 11, l’ouverture des époxydes par l’ion hydroxyde OH–.De même, cette ouverture peut se faire par d’autres nucléophiles notamment les orga-nomagnésiens.

Ph-Mg-BrO

CH3

HCH3

HCH3

H

CH3

HPh

O MgBr H2OCH3

H

CH3

HPh

OH+

δ+

δ−– +

La stéréochimie de la réaction est toujours anti, l’organométallique attaquant du côtéopposé par rapport à l’oxygène de l’époxyde. Cette réaction est également régiosélec-tive : dans le cas où l’époxyde est dissymétrique, l’attaque de l’organomagnésien sefait sélectivement sur le carbone le moins substitué.

Ph-Mg-BrO

CH3

HCH3

HPh

O MgBr H2O

CH3H

Ph

OH+

δ+

δ−

On peut aisément rallonger la chaîne carbonée d’un halogénoalcane R–X par l’intermé-diaire de l’organomagnésien correspondant RMgX. Pour augmenter la longueur de lachaîne d’un CH2, il faut faire réagir l’organomagnésien avec le méthanal CH2=O. Pourintroduire deux atomes de carbone en une seule fois, l’organomagnésien doit réagir avec

l’oxirane .O


Pourquoi faut-il utiliser trois équivalents de bromure de phénylmagnésium sur le lac-tate d’éthyle CH3–CH(OH)–COOC2H5 pour obtenir le 1,1,2-triphénylpropane-1,2-diol ?

S o l u t i o n

Le lactate d’éthyle est un ester comportant aussi une fonction alcool. Le H acide decette fonction alcool va réagir dans une réaction acido-basique avec le premier équi-valent de composé organomagnésien pour conduire à l’alcoolate. Ce n’est ensuitequ’un deuxième équivalent de bromure de phénylmagnésium réagit sur la fonctionester conduisant à la cétone selon le mécanisme schématisé ci-dessous. La cétoneobtenue réagit directement avec un troisième équivalent de réactif de Grignard. C’estdonc par réaction de trois équivalents de composé organomagnésien que l’on accèdeaprès hydrolyse au diol.

95F I C H E 1 6 – O r g a n o m é t a l l i q u e s

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16

OOH

O

PhMgBr

H2OOH

OH

PhPh

O MgBr

BrMg O

PhPh

OO MgBr

O

PhMgBr

PhMgBr

OO MgBr

BrMg O Ph

O MgBr

O

Ph

1er équivalent 2ème équivalent

3ème équivalent


Proposez une synthèse du composé B à partir de A :

Br

A BCOOH

S o l u t i o n

Si l’on fait le bilan de cette transformation, il faut introduire une chaîne carbonée dequatre carbones pour passer de A à B. On sait que l’on peut allonger une chaîne car-bonée de deux atomes de carbone en faisant réagir un organomagnésien avec l’oxira-ne. On va utiliser cette méthode successivement deux fois.

On prépare le dérivé organomagnésien 1 du bromobenzène et on le fait réagir sur l’oxi-rane. Après hydrolyse, on obtient l’alcool 2. Ainsi, on a introduit une chaîne de deuxcarbones. Pour recommencer cette opération, on doit dans un premier temps transformer la fonc-tion alcool en dérivé bromé 3, ce qui est fait par réaction avec PBr3. On prépare ensui-te l’organomagnésien 4 que l’on fait réagir à nouveau sur l’oxirane. Deux atomes decarbone supplémentaires sont ainsi introduits. Il ne nous reste plus qu’à oxyder lafonction alcool de 5 en acide carboxylique ce qui peut être fait par le réactif de Jones(CrO3 en milieu acide).


MgBr

Mg

Br

O

PBr3

OH

OH

MgBr

COOH

MgBr

1)

2) H2O

CrO3, H+

O1)

2) H2O

A 1 2 33

45B

97F I C H E 1 7 – A l c o o l s e t é t h e r s - ox y d e s

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Alcools et éthers-oxydes

I PropriétésLes alcools sont des composés qui ont une grande capacité à former des liaisonshydrogène, ce qui leur confère des points d’ébullition élevés. D’autre part, ils présen-tent une polarisation de la liaison O–H (µ =/ 0) : cette liaison relativement peu éner-gétique donne aux alcools un caractère acide (voir valeur de pKa ci-dessous) :

FICHE 17

CH3-CH2-CH2-CH3

CH3-CH2-CH2-CH2-OH

Eb = -0,4° C

Eb = 117°C

CH3-CH2-CH3

CH3-CH2-OH

µ = 0

µ = 1,7 D

CH3-CH2-CH2-CH3 / CH3-CH2-CH2-CH2

CH3-CH2-CH2-CH2-OH / CH3-CH2-CH2-CH2O pKa = 18

pKa = 50–

–

On distingue 3 classes d’alcools en fonction de la substitution du carbone portant legroupement hydroxyle :

CH3-OH RCH2-OH R2CH-OH R3C-OH

alcool Iaire alcool IIaire alcool IIIaire

En terme de réactivité, les alcools pourront être à la fois des bases / nucléophiles, maisaussi des électrophiles. C’est sous la forme alcoolate RO– que ces composés présen-tent le caractère de base et nucléophile. Toutefois les alcoolates sont meilleurs basesque nucléophiles.En revanche, en présence d’acide, les alcools se protonent. Ils définissent un deuxiè-me couple acide / base : R-OH+

2 / ROH. L’alcool protoné présente un groupement par-tant (H2O) conduisant à un carbocation électrophile. La stabilité du carbocation estdirectement liée à la structure de l’alcool de départ :

II Réactivité des alcools• Les alcools en milieu acide

Comme nous venons de le voir, les alcools se protonent en milieu acide. Le grou-pement –OH est mauvais groupe partant ; par contre protoné, il devient bon grou-pe partant puisqu’il donne de l’eau, H2O. Le carbocation résultant peut évoluer detoutes les façons précisées dans la fiche 7 : attaque d’un nucléophile (dérivés halo-génés, esters, éthers-oxydes), élimination E1 (alcènes), réarrangement :


CH3 RCH2 R2CH R3C

CH3-OH3 RCH2-OH2 R2CH-OH2 R3C-OH2

CH3-OH RCH2-OH R2CH-OH R3C-OH

CH3-O RCH2-O R2CH-O R3C-O

stabilitécaractère électrophileréactivité

carbocation

primaire secondaire tertiaire

basiquecaractère nucléophile

–

+ +

++

– – –

+ +

++

C CH2

CH3

CH3

CH3

C CH2

H3C

H3C CH3

Br

C CH2OH

H3C

H3C

H3C

H+

C CH2

H3C

H3C

H3C

CH3COOH

C CHCH3

CH3

CH3

HBr

C CH2-O

H3C

H3C

H3C

O

CH3

C CH2OHH3C

H3CH3C

C CH2Br

H3C

H3C

H3C

C CH2

H3C

H3C

H3C CCH2

CH3

CH3

CH3O

réarrangement

éther-oxyde

ester

E1

alcène majoritaire

HBr

halogénoalcanes+

C CH2

CH2

CH3

CH3

alcène minoritaire

SN1SN1

+

+

Les alcools peuvent être transformés en halogénoalcanes RX par un traitement enprésence de chlorure de thionyle SOCl2 ou de PBr3.

• Les alcools en milieu basique

Les alcoolates peuvent réagir avec les dérivés halogénés pour former des éthers-oxydes ; ce procédé s’appelle la réaction de Williamson :


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– L

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17

1- Na

2- C2H5-BrC3H7OH C3H7OC2H5

R é a c t i o n d e W i l l i a m s o n i n t r a m o l é c u l a i r e

La réaction de Williamson peut être appliquée de manière intramoléculaire. Il se forme alorsun cycle carboné dont la vitesse de formation dépend de la taille du cycle :

• Les oxydations des alcools

Les alcools Iaires et IIaires peuvent s’oxyder en aldéhydes et cétones. Les aldéhydespeuvent être suroxydés en acides carboxyliques selon les conditions expérimen-tales. On utilise en général des dérivés du chrome (VI) : CrO3, K2Cr2O7, PCC(chlorochromate de pyridinium), PDC (dichromate de pyridinium).

n

baseOH Br

O

n

n = 2 oxirane k2 n = 3 oxétane k3 n = 4 furane k4 n = 6 pyrane k5k2 > k3 >k4 > k5

t Bu

OH

ou PDC

ou PCC

t Bu COOH

t Bu CHO

PCC

PDC

NH

NH

2 Cr2O72-

ClCrO3-

CrO3 acétoneH2SO4

CrO3 pyridine

Les diols-1,2 peuvent subir aussi des coupures oxydantes en présence de perioda-te de sodium NaIO4 :

III Réactivité des éthers-oxydesLes éthers-oxydes sont des composés relativement stables. Par hydrolyse acide ils peu-vent se transformer en alcools correspondants.


OH

HONaIO4

OH

H3C CH3

OH NaIO4

H

O

CHO

CHO

H3C CH3

O

+

OHCl

OH + OH

Les époxydes présentent une réactivité plus intéressante, comme cela a été men-tionné dans les fiches 12 et 16.

E x e r c i c e

Proposez un test chimique permettant d’identifier les deux éthers benzyliques sui-vants :

O

PhCH2O-CH2-CH-CH2OH

OH

A B

HOCH2-CH-CH2OH

OCH2Ph

S o l u t i o n

La différence entre ces deux diols est la substitution des alcools sur la chaîne carbo-née : 1,2 pour A et 1,3 pour B. Or, on sait que la coupure oxydante au periodate desodium est spécifique des diols 1,2. Aussi, le diol A réagira pour donner du benzyla-cétaldéhyde et du formaldéhyde, alors que B sera inerte dans ces conditions :

E x e r c i c e

Compléter le schéma réactionnel suivant :


©D

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– L

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lit.

17

PhCH2O-CH2-CH-CH2OH

OH

NaIO4

HOCH2-CH-CH2OH

OCH2Ph

NaIO4

A

B

PhCH2O-CH2-CH

O

+ H H

O

OH

Ac2O

SO

OCl

O

MeC

DPBr3

E F

pyridine

pyridine

1- PhMgBr

2- H3O+

1- Mg

2- C

3- H3O+

OH

NaIA B

1.

2.

3.

S o l u t i o n

1. Il s’agit d’une réaction d’acétylation c’est-à-dire d’estérification de l’alcool (voirfiche 20). L’estérification dans ces conditions est souvent employée car elle constitueune protection de l’alcool dans le cadre d’une synthèse multi-étapes :

OHpyridine

O

O

O

O

O

2. De la même manière, un alcool peut réagir sur le chlorure de para-toluènesulfony-le. Il se forme un ester sulfonique. Dans ce cas, l’ester de para-toluènesulfonyle est unbon groupe partant (appelé tosylate) et il est utilisé dans des réactions de substitutionnucléophile :


L’utilisation de pyridine dans l’étape de formation du composé A se fait afin de pié-ger l’acide chlorhydrique formé dans le milieu. La formation de B a lieu par substitu-tion du tosylate par l’ion iodure selon une réaction de type SN2.

3. La première étape est l’ouverture de l’époxyde par un magnésien : l’attaque se faitsur le carbone le moins encombré en anti par rapport au pont oxygéné. Après hydro-lyse, l’alcool obtenu peut subir une substitution par PBr3 pour donner le dérivé bromécorrespondant. Celui-ci, après insertion du magnésium, est transformé en réactif deGrignard qui réagit à nouveau sur l’époxyde C :

OHCH3 S-Cl

O

O

pyridine

OSO2 CH3

TsO : tosylate

NaI

I

+ TsONa

A B

E

Mg

PhMgBr

PhBr

O

Me

PBr3

PhO-MgBr

Ph

HO

F

O

Me

C H3O+

Ph-MgBr

PhOHD

103F I C H E 1 8 – A m i n e s

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Amines

Les amines peuvent être classées en trois catégories selon le nombre de substituantsliés à l’atome d’azote. Ainsi on parle d’amines primaires RNH2, d’amines secon-daires R2NH et d’amines tertiaires R3N.

I Synthèse des amines• Par réaction de substitution nucléophile

Du fait du caractère nucléophile des amines, on pourrait s’attendre à ce qu’uneméthode facile d’obtention de ces composés soit une réaction de substitutionnucléophile de type SN2 avec des halogénoalcanes. Ainsi à partir de l’ammoniac,on devrait obtenir des amines primaires, à partir d’une amine primaire des aminessecondaires et à partir d’une amine secondaire des amines tertiaires.

FICHE 18

RNH3 X RNH2

R2NH2 X R2NH

R3NH X R3N

R4N X

NH3 + R-Xbase

RNH2 + R-Xbase

R2NH + R-Xbase

R3N + R-X

δ+ δ−+ –

+ –

+ –

+ –

Or, ces réactions ne s’arrêtent pas à l’étape que l’on souhaite. Dans le cas de la pre-mière réaction par exemple, l’ammoniac joue le rôle de base libérant une molécu-le d’amine primaire qui réagit avec une nouvelle molécule d’halogénoalcane pourconduire à l’amine secondaire et ainsi de suite jusqu’à l’obtention de l’ammoniumquaternaire R4NX. Cette méthode n’est donc pas une bonne méthode d’accès auxdifférentes classes d’amines.

On peut accéder aux amines primaires à partir d’un halogénoalcane par réaction desubstitution nucléophile si on utilise comme nucléophile la base conjuguée duphtalimide. Il s’agit de la synthèse de Gabriel :


Après réaction de substitution, la fonction amine est régénérée par action de l’hy-drazine.

• Par réduction

Les arylamines primaires ArNH2 peuvent également être obtenues par réduction dudérivé nitro correspondant.

N

O

O

K N

O

O

RNH2NH2

R-NH2NHNH

O

O

+ R-X ++–

Pour introduire donc une fonction amine sur un noyau aromatique, la méthode dechoix consiste en une nitration (HNO3, H2SO4, voir fiche 13) suivie d’une réduc-tion par le fer en milieu acide ou d’une hydrogénation en présence d’un catalyseurde platine.

• Par amination réductrice

Les amines réagissent avec les aldéhydes et les cétones en présence d’un agentréducteur (hydrure ou H2/catalyseur) selon un processus que l’on appelle amina-tion réductrice. La réaction qui se fait par l’intermédiaire d’une imine permet d’ob-tenir des amines primaires à partir de l’ammoniac, des amines secondaires à partird’une amine primaire et des amines tertiaires à partir d’une amine secondaire :

NO2

Fe, HCl

ou H2, PtNH2

R

O

R'

NH3 R R'

H NH2

R R'

H NHR"

R R'

H NR"2

+ R''NH2

R''2NH

Réducteur

"

"

R

NH

R'

R

NR''

R'

R

NR''2

R'

II Réactivité des aminesPar réaction avec les chlorures d’acyle, les amines conduisent aux amides correspon-dants. La réaction est effectuée en présence de pyridine qui piège l’acide chlorhy-drique formé lors de la réaction.

105F I C H E 1 8 – A m i n e s

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18

RO

Cl+

NH3

R'NH2

R'2NH

RO

NH2

RO

NHR'

RO

NR'2

Selon la classe de l’amine utilisée, on accède aux amides primaires, secondaires outertiaires.

B a s i c i t é d e s a m i n e s

Donner la structure du produit obtenu par addition d’un équivalent de HCl sur leLSD (diéthylamide de l’acide lysergique) dont la structure est donnée ci-dessous :

S o l u t i o n

L’addition d’un équivalent de HCl sur le LSD est une réaction acido-basique avec lesite le plus basique de la molécule. Il s’agit donc de déterminer lequel des trois atomesd’azote du LSD est le plus basique, c’est-à-dire le plus capable à capter H+. Le dou-blet de l’atome d’azote n°1 est délocalisé par mésomérie dans la partie aromatique dela molécule. D’autre part, l’atome d’azote n°3 appartient à une fonction amide et doncson doublet est aussi délocalisé sur le carbonyle. Ainsi, l’atome d’azote n°2 est le plusbasique, son doublet n’étant pas délocalisé. C’est donc cet atome qui réagira avecl’acide chlorhydrique conduisant au chlorhydrate représenté ci-dessous.

NH

N(C2H5)2N

O

CH3

S y n t h è s e



NH

N(C2H5)2N

O

CH3

3

NH

N(C2H5)2N

O

CH3

HCl

2

1

+ –

S o l u t i o n

La synthèse de A est une acylation de Friedel-Crafts conduisant à la cétone aromatique(voir fiche 14). L’étape suivante est une réaction d’amination réductrice avec l’ammo-niac donnant une amine primaire. Cette amine primaire peut être obtenue par une autrevoie à partir du styrène (vinylbenzène). L’addition de HCl sur la double liaison conduitau chloroalcane issu du carbocation le plus stable. C’est donc le dérivé chloré secon-daire que l’on obtient. Pour obtenir l’amine primaire B on utilise la synthèse deGabriel, à savoir une réaction avec le phalimidate de potassium suivie de l’action d’hy-drazine pour libérer la fonction amine. Ensuite, cette amine réagit avec le chlorure d’acétyle en présence de pyridine pourdonner l’amide secondaire D. Celui-ci subit une nitration de son noyau aromatique. Lasubstitution électrophile aromatique se fait en ortho et para, mais l’isomère para estlargement majoritaire pour des raisons stériques (voir fiche 14). Le composé nitro Eainsi formé est ensuite réduit en amine par le fer en milieu acide.

CH3COCl

AlCl3A

NH3

H2, PdB

HClC

?

CH3COCl

pyridine

DHNO3

H2SO4

E FFe

HCl

CH3COCl

A lCl3

A

NH3

H2, Pd

B

H Cl

C

CH3C OCl

pyridine

D

H NO

H 2SO4

E F

Fe

HCl

O NH2 ClN K

O

O

H2NNH2

1 )

2)

NH

O

N H

O

O2N

N H

O

H2N

– +

107F I C H E 1 9 – A l d é hy d e s e t c é t o n e s : a d d i t i o n s s u r l e c a r b o n y l e

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Aldéhydes etcétones : additions sur le carbonyle

I GénéralitésLes dérivés carbonylés représentent une classe chimique très importante de par leurcapacité à se transformer en d’autres fonctions. Ils permettent de jouer sur le degréd’oxydation du carbone (en particulier pour les aldéhydes) et d’additionner un certainnombre de nucléophiles.

L e s é t a t s d ’ o x y d a t i o n d u c a r b o n e

Le carbone présente plusieurs états d’oxydation :

FICHE 19

On passe d’un état à l’autre en utilisant des réducteurs (LiAlH4, NaBH4) ou des oxydants(CrO3, H2CrO4). Par contre, les cétones et les alcools tertiaires ne s’oxydent pas.

Les dérivés carbonylés sont impliqués dans deux grands types de réactions : la réacti-vité sur le carbonyle C=O et la réactivité en α du carbonyle (fiche 21). La réactivitésur le carbonyle résulte de la polarisation de la double liaison carbone-oxygène. Dansle cas des énones on peut observer des additions dites 1,2 et 1,4 pour lesquelles 2 ou4 atomes sont impliqués dans le mécanisme d’addition. Alors que l’addition 1,2 conduit à des alcools Iaires ou IIaires, l’addition 1,4 permet defonctionnaliser la position β d’un composé carbonylé α,β-insaturé.

H

R H

HHO

R H

HO

R H

(R) (R) (R)

O

R OH

acide carboxylique aldéhyde alcool Iaire alcane

ox ox ox

réd réd réd

cétone alcool IIaire

II Addition de nucléophiles• Addition sur les aldéhydes et les cétones

Les dérivés carbonylés peuvent additionner des nucléophiles comme les dérivésorganométalliques : organolithiens RLi, organomagnésiens RMgX. Ces composésprésentent un carbone lié au métal, et possèdent un caractère nucléophile plus oumoins fort.On peut y associer les réducteurs, donneurs d’hydrures H–. Notons que NaBH4 estun réducteur spécifique des aldéhydes et des cétones, alors que LiAlH4 n’est paschimiosélectif.


C O

P

δ +

δ −

C O

P

δ −

δ +

Nu-

Nu-

C

Nu

O

C

O

Nu

C

Nu

OH

C

O

Nu

H2O

H2O

H

O H

Addition 1,2

Addition 1,4

C Oδ +

δ −

Nu-C

Nu

OH

R-Li alcool

R-MgX alcool

Li AlH4 = "H-" alcool

Na BH4 = "H-" alcool

H-CN cyanhydrine

1- addition

2- H2O

Il existe d’autres équivalents de carbanions comme les ylures du phosphore (ouphosphoranes). L’intermédiaire réactionnel évolue vers la formation d’une double

liaison C=C. Les alcools s’additionnent aux aldéhydes et aux cétones pour condui-re aux hémiacétals (1 équivalent de ROH) et aux acétals (2 équivalents de ROH).L’eau conduit de la même façon aux hydrates et les amines primaires aux imines.D’autres nucléophiles forts comme les hydroxylamines et les hydrazines s’addi-tionnent pour conduire aux oximes et hydrazones. En milieu basique, l’hydrazoneévolue pour donner le produit de réduction (réaction de Wolf-Kischner) :


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19

Notons que la réduction d’un dérivé carbonylé en alcane peut aussi se faire enmilieu acide par le zinc dans l’acide chlorhydrique. Il s’agit de la réaction deClemensen.

• Addition sur les énones

Les nucléophiles peuvent s’additionner en 1,4 et/ou en 1,2 des dérivés carbonylésinsaturés, selon leur force. Par exemple, les organocuprates (obtenus in situ paraction d’un sel de cuivre sur un organomagnésien) s’additionnent en 1,4. L’eau, lesalcools et les amines peuvent aussi s’additionner en 1,4 sur les énones. Cette addi-tion s’effectue généralement en milieu basique. Nous ne traitons pas dans cette fiche la réaction d’aldolisation (addition d’un éno-late sur un aldéhyde ou une cétone). Ceci sera traité dans la fiche 21.

C NH-OH

NH2OH

C NH-NH2

NH2-NH2

C O

NH2-NH2

C CH-R'

KOH

C

H

H

R3P=CHR' R3P-CHR'

phosphorane ylure du phosphore

réaction de Wittig réaction de Wolf-Kischner

H2O

C

OH

OHROH1 éq.

ROH2 éq.

C

OR

OH

C

OR

OR

C NH-R

RNH2

+ –

oxime

imine

hydrazone

hydrate

hémiacétal acétal

Méthode : Considérez les réactifs en faisant le bilan. Le carbonyle étantélectrophile, il est attaqué par les espèces nucléophiles


S y n t h è s e

Complétez le schéma réactionnel suivant en donnant les réactifs utilisés :

H3C

O

H3C OH

Nu

δ+

δ−

Nu-

CH2OHO

O

COOHO

OB

CHOO

O

C

D

CH3O

OO

CH3

F

45

2

E

COOH

AO

1

3

CO

RRMgX

CuX

C O

RNH2

C

C OC

δ + δ −

δ +

ROH

RO-

OR O

OH-

H2O

OH O

NHR

S o l u t i o n

La première transformation consiste à protéger la fonction cétone de A ; ceci se faitpar d’éthylène glycol (HOCH2–CH2OH) en présence d’acide organique (TsOH).L’acide carboxylique B est ensuite réduit en alcool primaire par un réducteur, parexemple BH3. Puis l’alcool C est oxydé en présence d’un dérivé du chrome tel que lePCC ou le PDC qui permettent de s’arrêter au stade de l’aldéhyde. E est un produit deréduction de D (réaction de Wolf-Kischner, NH2–NH2 en milieu basique, ou réactionde Clemensen, Zn en milieu acide). La dernière étape est une étape de déprotection dela cétone par hydrolyse en milieu acide (H3O+).

E x e r c i c e

Complétez le schéma suivant en donnant les produits formés et les intermédiaires :


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19

S o l u t i o n

1. L’amidure de sodium NaNH2 est une base forte, capable de déprotoner le phényla-cétylène. L’anion résultant (acétylénure de sodium) est une espèce nucléophile quiattaque le carbonyle de la cyclopentantone. On obtient un alcool en position propar-gylique :

Ph H

O

PhO

H

H3C

Br

COOEtO

1- NaNH2

2-

NaCN, NH4Cl

1

1.

2.

3.- Zn

2-

A

B

C

C CPh H

NaNH2

C CPh

O

O

Ph

HO

Phδ+

δ−

–

–

2. En présence de NaCN et NH4Cl, il se forme dans le milieu HCN, NH3 et NaCl.L’espèce nucléophile NH3 conduit à une imine en réagissant sur le benzaldéhyde(réactivité des amines, fiche 18). Cette imine est équivalente à un carbonyle en termede réactivité, de sorte que le cyanure s’additionne ensuite. En général, cette réactionest suivie d’une hydrolyse du nitrile pour conduire à un acide α-aminé (réaction deStrecker) :


3. Le bromoacétate d’éthyle réagit avec le zinc pour donner un organozincique. Cetteespèce organométallique, apparentée à un organomagnésien, est un carbanion masquéet s’additionne sur un carbonyle. C’est la réaction de Reformatsky :

O

Ph H

NH3 O O

Ph H

N H3NH

Ph H

C N NC

Ph H

NH2 HOOC

Ph H

NH2

δ+

δ−

imine

– + –+

H3C COOEt

Br

Zn

H3C COOEt

ZnBr H3C

O

H3C OH

H3C

COOEtδ+

δ−

δ+

δ−

113F I C H E 2 0 – A c i d e s c a r b ox y l i q u e s e t d é r i v é s

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Acides carboxyliqueset dérivés

I Propriétés des acides carboxyliques et réactivité

Comme leur nom l’indique, les acides carboxyliques sont des acides ; ils présentent unpKa autour de 4,5-5 et lorsque ils sont sous forme déprotonée, ce sont des nucléo-philes.

FICHE 20

CH3-COOH + H2O CH3COO- + H3O+ pKa = 4,75

À cause de la délocalisation de la charge, ce sont des nucléophiles faibles :

R

O

O

R

O

O

R

O

O

soit

–

–

+–

Tout comme les dérivés carbonylés, ils présentent aussi une polarisation de la liaisonC=O ce qui les rend électrophiles, notamment en milieu acide (assistance électro-phile) :

R

OH

OH

Nu

R

O

OE+

électrophile nucléophile

R

O

OH

H+

Ces deux propriétés sont mises à profit pour accéder à d’autres fonctions chimiques.En milieu acide en présence d’alcools, ils conduisent à des esters ; en présence d’hy-drures, ils donnent des alcools primaires et par action du chlorure de thionyle SOCl2,ils permettent d’obtenir des chlorures d’acyle :

Dans cette fiche, nous n’abordons pas la réactivité en α, qui est traitée dans la fiche 21.

II Les dérivés d’acides carboxyliques Les dérivés des acides carboxyliques, les esters, les chlorures d’acyle, les anhydrides etles amides, peuvent être synthétisés à partir des acides. Mais, généralement, ils sontobtenus à partir des chlorures d’acyle et des anhydrides qui sont des formes activées desacides (plus électrophiles) :


R

OH

HH

R

O

OH H+LiAlH4

SOCl2

R

O

Cl

R

O

O-R'

δ−δ+ R'-OH"H-"

esteralcool Iaire

chlorure d'acyle

R

O

O

O

R’

RO

O-R’

ROH

RCOOH

RO

Cl

NHR2

RO

NR2

H2O

RO

OH

ester

chlorure d’acyle anhydride

acide carboxylique amide

On peut avoir une idée du caractère électrophile de ces dérivés en étudiant leur vites-se d’hydrolyse. Il en résulte un classement décroissant de l’électrophilie :

RCO–Cl > RCO–O–COR′ > RCO–OR′ > RCOOH > RCO–NR2

Les esters présentent l’avantage d’être moins réactifs et plus stables que les chloruresd’acyle et les anhydrides. Ainsi, ils sont utilisés pour accéder aux alcools Iaires (réduc-tion) et aux alcools IIIaires (addition d’un organomagnésien) :


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20

RO

O-R'

NHR2

RO

NR2

H2O, H3O+

H2O, H3O+

R

OH

HH

H2O, OH-

RO

O-R''

R

OH

R'R'

LiAlH4

RO

OH

R''-OH

esteracide carboxylique

amide

ester

(saponification)

(réaction équilibrée)

transestérification 2 R'MgX

ou

alcool Iaire alcool IIIaire

Méthode : Considérez le caractère électrophile de ces dérivés, plus oumoins important selon l’effet électronique du 3ème substituant du carbone :

R

O

Z

δ+

δ

Nu-

Z = Cl O-CO-R OR OH NR2

R

O

Z

NuR

O

Nu

Nu = OH-, H2O

NHR2

RO-, ROH

élec

trop

hilie

––

L’addition d’un nucléophile passe par un intermédiaire à 4 centres, quisubit une élimination.

A n h y d r i d e

L’anhydride benzoïque peut être préparé en traitant 2 équivalents de chlorure de ben-zoyle par 1 équivalent d’eau. Donnez une explication pour cette synthèse.


S o l u t i o n

Comme nous l’avons vu précédemment, un chlorure d’acyle en milieu aqueux conduitau produit d’hydrolyse, l’acide correspondant. La première étape donne donc de l’acidebenzoïque. Il se dégage 1 mole d’HCl qui en milieu aqueux donne H3O+ et Cl–. On observe alors la protonation de l’acide (assistance électrophile) ce qui entraîne l’ap-parition d’un groupement partant, substitué par une autre molécule d’acide benzoïque :

Ph

O

ClPh

O

O Ph

O

2 éq. 1 éq.

+ H2O

PhO

OH

H+

PhO

Cl

PhO

OH

PhO

OH

Ph

O

O Ph

O

Ph

O

H2O

O

O

PhH

+ H2O + HCl + H3O+ + Cl-

E x e r c i c e

L’hydrolyse du propanoate d’éthyle marqué à l’oxygène 18O conduit à du propanoatede sodium et à de l’alcool éthylique. Où doit-on retrouver le marquage ? Sur le car-boxylate ou sur l’alcool ?


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20

O

18O CH2-CH3CH3-CH2-CH2-CH2NaOH

propanoatede sodium

+ éthanol

S o l u t i o n

Cette réaction est une saponification (hydrolyse en milieu basique). La première étapeest l’attaque d’un ion hydroxyde sur l’ester. On forme un intermédiaire tétraédriquequi élimine de l’éthanol. On voit ainsi que l’oxygène marqué 18O part pour former del’éthanol :

O

18O CH2-CH3CH3-CH2-CH2-CH2

OH

O

O-CH3-CH2-CH2-CH2

O

18O CH2-CH3CH3-CH2-CH2-CH2

OH

O

OHCH3-CH2-CH2-CH2CH3-CH2-18O- +CH3-CH2-18OH +

––

E x e r c i c e

Proposez un mécanisme raisonnable pour la transformation suivante :

O

O

CH2-CH2-CH2-CH2 MgBrBrMg

HO CH2-CH2-CH2-CH2 OH

+

S o l u t i o n

Le produit de départ est une lactone. C’est en fait un ester cyclique qui est électrophi-le comme les esters. La lactone subit donc l’attaque d’un premier équivalent d’orga-nomagnésien pour conduire au lactolate B qui s’ouvre pour donner la cétone C.


O

OCH2-CH2-CH2-CH2 MgBr

O

O CH2-CH2-CH2-CH2 MgBr

B

C

CH2-CH2-CH2-CH2 MgBrBrMg

O CH-CH2-CH2-O

O

O

+

δ−δ+

δ+

δ−

δ− δ+

H3O+

HO CH2-CH2-CH2-OH

Le composé C se cyclise ensuite par une attaque intramoléculaire de l’organomagné-sien sur le carbonyle de la cétone. Le dialcoolate obtenu est enfin hydrolysé pour don-ner le diol.

119F I C H E 2 1 – R é a c t i v i t é e n α d e s C = O

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Réactivité en αdes C=O

I Énols et énolatesLes dérivés carbonylés (ainsi que les dérivés d’acides carboxyliques) présentent lacapacité d’une migration d’un hydrogène en α conduisant à une forme énol (ène + ol).Cette transformation s’appelle tautomérie et l’équilibre, catalysé en milieu acide estdéplacé vers la forme cétonique :

FICHE 21

Lorsque la forme cétonique est traitée en milieu basique, il apparaît une forme équi-valente, l’énolate, issu de la déprotonation en α :

R

O

R'

H

forme cétonique forme énoliqueR

OH

R'

H+

H+

R

O

R'

H

cétone énolate

R

O

R'

base

–

Les β-dicétones, β-diesters, β-cétoesters présentent des protons plus acides. La for-mation d’énols et énolates est donc facilitée. Leur réactivité sera aussi plus contrô-lable. D’un manière générale, tout composé présentant un proton en α d’un groupe-ment électroattracteur pourra donner des énols et énolates.

II Réactivité en αLes énols et énolates sont des espèces nucléophiles ; on peut donc les fonctionnaliserpar différents électrophiles :


• Halogénation

En milieu acide, il est relativement facile d’accéder à des dérivés carbonylés α-halogénés par traitement avec du dibrome par exemple. Par contre, en milieubasique, la première halogénation, facilite la formation d’un deuxième énolate. Onobserve de la polyhalogénation. Cette réactivité est mise à profit pour mettre enévidence la structure méthylcétone (test à l’iodoforme) :

R

O

R'

E+

R

OH

R'

E+

E

O

R'R

–

Br2

O

CH3

MeMe

Me AcOH

I2

NaOH

MeO

C

MeMe

MeO

CH2Br

MeMe

MeO

OH

MeMe

+ CHI3II

I

• Alkylation

L’alkylation des dérivés carbonylés n’est pas aisée à cause de la compétition avecl’aldolisation. Toutefois, elle est possible sur des β-dicétones en utilisant un déri-vé halogéné primaire :

Me

O O

Me

K2CO3

Me

O O

Me

Me

+ CH3I

position plus acidesite de l'alkylation pKa = 9

pKa = 16

• Aldolisation

C’est une réaction très importante qui consiste à faire réagir un énol ou énolate(réactivité en α) sur un dérivé carbonylé (réactivité 1,2). Il peut s’agir du mêmedérivé ou de deux composés différents (aldolisation croisée) :


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21

Le produit d’aldolisation s’appelle l’aldol ; après aldolisation, on observe souventune déshydratation pour conduire à un dérivé α,β-insaturé plus stable ; on parle decrotonisation :

2 CH3CHO CH3-CH(OH)-CH2CHONaOH, H2O

aldol

Na2CO3, H2O

reflux

-H2OO

O

O

OH

O

A d d i t i o n d e M i c h a ë l

L’addition d’un énolate peut se faire sur des dérivés carbonylés α,β-insaturés. Cetteaddition 1,4 est une addition de Michaël :

O

O

+O

O

OH-

E x e r c i c e

Complétez le schéma réactionnel suivant :

COOEt

COOEtA B1- NaH

2- H2O, H+

1- NaOH

2- H3O+

3- chauffage

S o l u t i o n

NaH est une base qui déprotone en α d’un ester. L’énolate résultant s’additionne surle carbonyle de l’ester. C’est la réaction de Dieckmann.Il en résulte un cétoester. Celui-ci subit une saponification suivie d’une décarboxyla-tion en milieu acide :


COOEt

COOEt

O

OEt

O OEt

O OH

EtOOC

O

OEt

NaOH

EtOOC

O

O

O OH

1- NaH

énol

saponification

décarboxylationtautomérie

–

E x e r c i c e

La cétone A traitée par de l’éthylate de sodium, conduit à un mélange de produits.Expliquez la formation des deux cétones B et C.

O

Br

EtONa

A B C

O O

+

S o l u t i o n

En présence d’éthylate de sodium, la cétone A conduit à l’énolate I et à l’énolate II.Chacun d’entre eux substitue par une SN2 le brome, pour conduire à B (majoritaire carcycle à 6 chaînons) et C (minoritaire).

O

Br

EtONa

OO O

Br

EtONa

O

Br

énolate Iénolate II BC

S y n t h è s e d e l a d i m é d o n e

Soit la synthèse suivante de la dimédone :


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21

En présence d’éthylate de sodium, le malonate de diéthyle réagit avec l’oxyde demésityle et conduit au composé A en une étape. Nommez les deux réactions impli-quées et donnez leur mécanisme.Le composé A subit une décarboxylation. Donnez les réactifs et le mécanisme de laréaction.La dimédone réagit sur le formaldéhyde pour donner le composé B. Proposez unmécanisme raisonnable pour cette transformation.

1. En présence d’éthylate de sodium, l’énolate du malonate est formé et peut réagir parune réaction de Michaël (addition 1,4) sur l’oxyde de mésityle. Il en résulte un autreénolate qui s’équilibre vers l’énolate cinétique moins stable mais plus réactif. En s’ad-ditionnant de façon intramoléculaire sur l’ester (réaction de Claisen), on obtient unprécurseur de la dimédone. Après saponification de l’ester suivie d’une décarboxyla-tion, la dimédone est obtenue.

COOEt

COOEt

O

A

O

O

CH2O

H2O

O

OH

O

O

B

1- EtONa

2-

malonatede diéthyle

?

dimédone

O O

OEt

COOEt

COOEtO

OEtO

O

O

COOEt

COOEtO

OEtO

O

O

COOEt

O

OEt

O

EtONaCOOEt

COOEt

malonatede diéthyle

Addition de Michaël

énolatethermodynamique

énolatecinétique

dimédone

2- décarboxylation

1- saponification

–

–


O

O

O

OH

O

O

B

dimédone

O

H

HH

O

O

OH

O

O

H

O

O

OH2

O

O

O

O

tautomérie

+

2. L’aldolisation de la dimédone sur le formaldéhyde conduit à un alcool primaire.Cette réaction implique un énol puisque le milieu n’est pas basique. Une deuxièmemolécule d’énol substitue la fonction alcool protonée pour conduire au composé B.

125F I C H E 2 2 – A c i d e s a m i n é s e t p e p t i d e s

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Acides aminés et peptides

I Acides aminésLes acides aminés comme leur nom l’indique sont des composés contenant à la foisune fonction amine et une fonction acide carboxylique. Ce sont les éléments constitu-tifs des peptides et des protéines, lorsque plusieurs acides aminés se lient entre eux enformant des liaisons amide entre la fonction amine d’un acide aminé et la fonctionacide carboxylique d’un autre.

FICHE 22

HN CH CO

NHRi

CH CRj

ONH CH C

Rk

O

liaisons amide

R CH COOHNH2

Il existe vingt acides aminés essentiels couramment rencontrés dans les protéines. Cesont tous des acides α–aminés c’est–à–dire que la fonction amine et acide carboxy-lique sont portées par le même atome de carbone.

Nom Abréviations Structure de la chaîne latérale R

Alanine Ala A CH3–

Arginine Arg R H2N–C(=NH)–CH2–CH2–CH2–

Asparagine Asn N H2N(C=O)–CH2–

Acide aspartique Asp D HOOCCH2–

Cystéine Cys C HSCH2–

Glutamine Gln Q H2N(C=O)–CH2–CH2–

Acide glutamique Glu E HOOC–CH2–CH2–

Glycine Gly G H

Histidine His H N

NH

CH2

Le vingtième acide aminé est la proline (Pro, P) qui est le seul acide aminé compor-tant une fonction amine secondaire :


Nom Abréviations Structure de la chaîne latérale R

Isoleucine Ile I CH3–CH2–CH(CH3)–

Leucine Leu L (CH3)2CH–CH2–

Lysine Lys K H2N–CH2–CH2–CH2–CH2–

Méthionine Met M CH3–S–CH2–CH2–

Phénylalanine Phe F C6H5–CH2–

Sérine Ser S HO–CH2–

Thréonine Thr T CH3–CH(OH)–

Tryptophane Trp W

Tyrosine Tyr Y HO–C6H4–CH2–

Valine Val V (CH3)2CH–

NH

CH2

NH

COOH

Tous ces acides aminés, exceptée la glycine, ont un atome de carbone asymétrique.Seul, l’un des deux énantiomères possibles est présent dans la nature. Il s’agit desacides aminés de configuration L en projection de Fischer.

COOHH2N H

R

Comme les acides aminés comportent à la fois une fonction acide (–COOH) et unefonction basique (–NH2), en solution, ils ne se trouvent pas sous forme neutre, maissous une forme ionique dipolaire appelée zwitterion. Selon le pH de la solution à laquelle il se trouve, un acide aminé peut être sous formecationique, de zwitterion globalement neutre ou anionique :

R CH COONH3

R CH COOHNH3

R CH COONH2

pH croissant

zwitterion

+ +

– –

Le pH correspondant à la forme zwitterion est appelé point isoélectrique pHi de l’aci-de aminé. Dans le cas des acides aminés à chaîne latérale R neutre, cette valeur est lamoyenne des pKa des fonctions acide carboxylique et amine. Pour les acides aminésà chaîne latérale acide le point isoélectrique est la moyenne des deux valeurs les plusfaibles de pKa. Pour ceux à chaîne R basique, il s’agit de la moyenne des deux valeursles plus élevées (voir dernier exercice).

II Détermination de la structure d’un peptide

Les peptides s’écrivent par convention en partant de l’acide aminé N-terminal (celuiqui comporte une fonction amine libre) et en terminant avec l’acide aminé C-terminal(celui qui comporte une fonction acide carboxylique libre). Afin de déterminer la structure d’un peptide il faut effectuer un séquençage pour déter-miner l’ordre des acides aminés. Ceci est réalisé par la méthode dite de dégradationd’Edman. Le peptide est traité avec le phénylthioisocyanate (Ph–N=C=S) qui réagitavec la fonction amine de l’acide aminé N–terminal du peptide. Par la suite, une hydro-lyse acide décroche cet acide aminé du reste du peptide sous forme d’une phénylthio-hydantoïne :


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22

H2N CH C

O

NH CH

R1

C

O

NH

R2

1) Ph-N=C=S

2) H3O+ NH

PhNO

S R1

phénylthiohydantoïne

H2N CH C

O

NH

R2

+

La phénylthiohydantoïne est identifiée et le peptide raccourci d’un acide aminé estsoumis à une nouvelle dégradation d’Edman. Ainsi, pas à pas, on peut reconstituer laséquence d’un peptide.Dans le cas de grosses protéines, il est nécessaire de les cliver initialement en de pluspetits fragments soumis ensuite à la dégradation d’Edman. Pour cela, on réalise unehydrolyse partielle de la protéine généralement catalysée par des enzymes. Parexemple, la trypsine catalyse uniquement l’hydrolyse de la liaison peptidique impli-quant une Arg ou une Lys et clive le peptide après ces acides aminés ; la chymotryp-sine uniquement celle impliquant une Phe, une Tyr ou un Trp.


Un heptapeptide conduit par hydrolyse catalysée par la trypsine aux trois fragmentssuivants : Phe–Arg, Phe–Phe et Ser–Gly–Lys. D’autre part, par réaction avec le phénylthioisocyanate suivie d’une hydrolyse acide,cet heptapeptide conduit à la phénylthiohydantoïne de la phénylalanine et à un hexa-peptide. Déterminez la structure de ce peptide.

S o l u t i o n

La formation de la phénylthiohydantoïne de la phénylalanine indique que Phe est l’aci-de aminé N-terminal. La trypsine catalyse l’hydrolyse des liaisons peptidiques de Arget Lys ; ceci impose que le fragment Phe–Phe est nécessairement en bout de chaîne.Donc la structure du peptide est : Phe–Arg–Ser–Gly–Lys–Phe–Phe.

III Synthèse peptidiqueLors de la synthèse d’un peptide donné il faut arriver à faire réagir uniquement lesgroupes NH2 et COOH désirés sans affecter les autres. Pour cela, il faut effectuer uneprotection des groupes fonctionnels ne devant pas réagir.


On veut préparer le tripeptide Ala–Gly–Phe. Donnez la procédure à suivre endétaillant les différentes étapes.

S o l u t i o n

Ala est l’acide N-terminal. Il faut donc protéger sa fonction NH2 avant d’effectuer lecouplage avec le deuxième acide aminé. La protection de la fonction amine peut sefaire sous forme d’un carbamate généralement par réaction soit avec le dicarbonate dedi-t-butyle (Boc2O) soit avec le chlorure de fluorénylméthyloxycarbonyle (FmocCl).


CH3

CH COOHH2N t-BuOCO

O

Boc2OAla

CH3

CH COOHBocHN

Boc-Ala

+ 2

De même il faut protéger la fonction COOH du deuxième acide aminé à savoir Gly.Ceci peut se faire sous forme d’un ester méthylique.

Il est alors possible d’effectuer le couplage entre les deux acides aminés protégés. Cecise fait à l’aide d’un agent de couplage tel que le dicyclohexylcarbodiimide (DCC).


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22

CH2COOHH2N CH3OHHCl

Gly Gly-OCH3

CH2COOCH3H2N+

Boc-Ala Gly-OCH3

DCCBoc-Ala-Gly-OCH3+

Pour coupler le troisième acide aminé, il faut ensuite déprotéger la fonction acide car-boxylique du dipeptide et le coupler avec la phénylalanine. La déprotection de la fonc-tion acide carboxylique de Gly se fait par saponification.

Boc-Ala-Gly-OCH3

NaOHBoc-Ala-Gly

Le deuxième couplage se fait comme précédemment, suivi de la déprotection desfonctions C-terminale (en milieu basique) et N-terminale (en milieu acide).

Boc-Ala-Gly + Phe-OCH3

DCCBoc-Ala-Gly-Phe-OCH3

1) NaOH

2) H3O+Ala-Gly-Phe

P o i n t i s o é l e c t r i q u e

Donnez selon le pH la forme prépondérante de l’acide aspartique (Asp, D) sachantque les valeurs de pKa des différentes fonctions sont de 1,88 ; 3,66 et 9,60.Déterminez la valeur du point isoélectrique de l’acide aspartique.

S o l u t i o n

La formule de l’acide aspartique fait apparaître trois fonctions : deux fonctions acidecarboxylique dont les valeurs de pka des couples –COOH/–COO– sont les valeurs lesplus faibles à savoir 1,88 et 3,66 et une fonction amine dont la valeur de pKa du couple–NH+

3 /NH2 est de 9,60.Parmi les deux fonctions acides carboxyliques la plus forte acidité correspond à lafonction qui se trouve en α de l’amine du fait de l’effet électroattracteur de NH+

3 .Ainsi, à cette fonction acide carboxylique correspond la valeur de pKa de 1,88. Pour une valeur de pH < 1,88, la forme prépondérante de Asp est celle où toutes lesfonctions sont protonées. Pour un pH > 1,88, la fonction acide carboxylique en α estdéprotonée conduisant ainsi au zwitterion. Pour un pH > 3,66, la deuxième fonctionacide carboxylique (celle de la chaîne latérale) est sous forme déprotonée. Pour un pH> 9,60 la fonction amine est également sous forme non protonée.

Pour la détermination du pHi, qui est la valeur du pH du zwitterion en solution aqueu-se, on prend la moyenne des valeurs de pKa entourant cette forme là. Dans le cas deAsp, ce sera donc :

pHi = 1,88 + 3,66

2= 2,77


HOOCH2C CH COONH3

OOCH2C CH COONH3

OOCCH2 CH COONH2

HOOCH2C CH COOHNH3

pH1,88 3,66 9,60

+ +

– – – – –

+

131F I C H E 2 3 – L e s g l u c i d e s

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Les glucides

I Molécules biologiquesLes glucides ou sucres constituent l’une des grandes classes de molécules biologiques.Dans le monde végétal, la cellulose se trouve dans le coton, le bois, l’herbe, lesfeuilles. L’amidon est un polymère de glucose et il est en fait une source d’énergie parhydrolyse enzymatique du polymère présent dans les féculents et les céréales lors dela digestion. Par analogie, le glycogène est un autre polymère de glucose dans le règneanimal.Les sucres présentent un pouvoir sucrant plus ou moins important : fructose, saccha-rose...

II Structure, stéréochimie et conformation

L’unité élémentaire de ces polysaccharides s’appelle un monosaccharide (glucose,galactose..). On définit les sucres comme des molécules polyhydroxylées possédantune fonction carbonyle. On en distingue deux classes :

– les aldoses possédant une fonction aldéhyde

– les cétoses possédant une fonction cétone.

Par exemple, en représentation de Fischer :

FICHE 23

CH2OH

OOHHHHOHHO

CH2OH

CH2OH

OHHOOHHOHH

CH2OHD

C

OHHHHOOHHOHH

CH2OH

OHC

NH2HHHOHHOOHH

CH2OH

OHC

OHHHHOOHHOHH

CH2OH

OHOCOOH

OHHHHOOHHOHH

COOH

D-glucose D-2-désoxygalactosamine

D-fructoseL-fructose

Cétoses Aldoses

L

1

23

45

6

acide D-gluconique acide D-glucarique

La position du groupement –OH du dernier carbone asymétrique détermine la série dusucre : D s’il est à droite et L s’il est à gauche. Les sucres de série D sont naturelle-ment les plus abondants. La structure des sucres admet la présence de groupementsazotés (NH2, NHAc, N3), sulfatés (SO−

4 ), phosphatés (PO3−4 ) ou même une fonction

acide carboxylique.En solution, les sucres se trouvent en équilibre entre la forme ouverte (fonction car-bonylée) et deux formes fermées acétaliques :


Les formes A et B sont des anomères et différent par la position axiale et équatorialedu groupement –OH du carbone acétalique. En série D, lorsque le –OH est en posi-tion équatoriale, l’anomère est β et lorsqu’il est en position axiale, l’anomère est α.Les anomères sont en équilibre via la forme ouverte et l’équilibration peut être suiviepar observation du pouvoir rotatoire de la solution : c’est la mutarotation.La représentation des sucres se fait soit en projection de Fischer (pour la forme ouver-te) soit en représentation de Haworth (forme cyclique) ou en représentation sousforme chaise (forme que l’on appelle pyranose dans le cas d’un cycle à six atomes etfuranose dans le cas d’un cycle à cinq atomes).

M é t h o d e

O

OH

HOHO

OH

OH

C

OHHHHOOHHOHH

CH2OH

OH

O

OH

HOHO

OHOH

D-glucoseA β B α

123

4

5

6

OH et C6 en cis OH et C6 en trans

cis

trans

C

OHHHHOOHHOHH

CH2OH

OH

C

HHOOHHHHOHHO

CH2OH

OH

CH2OH

C

H

H

H

HHOHO

OH

OHO

H

HOH2C

C

OHH

H

HHOHO

OH

H

O

H

O

OH

OH

OH

OH

OHO

OH

HOHO

OHOH

Haworth chaiseFischer

renversez pliez cyclisez

III RéactivitéTous les groupements –OH d’un sucre se comportent comme des alcools et subissentpar conséquent toutes les transformations décrites en chimie organique pour lesalcools : éthérification, estérification, oxydation, réduction. Par contre, sur le carbone 1, le groupement –OH est celui d’un hémiacétal. On dit quele sucre est réducteur (test à la liqueur de Fehling positif). En présence d’un alcool etd’un catalyseur, il conduit à un acétal : on forme alors un glycoside. Si l’alcool est unautre sucre, on forme un disaccharide et la réaction est une glycosylation :


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23

E x e r c i c e

Sachant que le pouvoir rotatoire spécifique de l’α-D-glucopyranose est de +112,2 etque celui du β-D-glucopyranose est de +18,7 calculer le pourcentage des deux ano-mères d’une solution de β-D-glucopyranose à l’équilibre. Le pouvoir rotatoire spéci-fique de la solution à l’équilibre est de +52,2.

S o l u t i o n

Soient x et y les pourcentages de α– et de β-glucopyranose. On a :

x · [α]Dα + y · [α]Dβ = +52,6 et x + y = 1

La résolution du système donne un rapport α/β = 36,3/63,7.

E x e r c i c e

À quelles classes de glucides appartiennent les monosaccharides ci-dessous ?Lesquels sont D et lesquels sont L ? Redessinez chacun des glucides suivants en pro-

O

OH

HOHO

OH

OH

ROH O

OH

HOHO

OH

OR

D-mannose

carbone hémiacétalique

sucre réducteur sucre non réducteur

catalyseur

carboneacétalique

R = méthyl : méthyl-D-mannoside

R = sucre : disaccharide

jection de Fischer, projection de Haworth et sous forme pyranose chaise (pour la der-nière structure dessinez également la molécule sous forme de furanose).Pour le galactose, déterminez la configuration des carbones asymétriques à partir dela représentation sous forme chaise et à partir de la projection de Fischer.


S o l u t i o n

On applique la méthode décrite :

OOH

HOOH

CH2OH

OHOHO

OH

OH

OH

CH2OH

CH2OHOHHOHHOOHH

H OHCH2OH

(+)-mannoheptulose

O

OH

CH2OHOH

OH

OH

Galactose

OHOH2C

HOHO

HO

CH2OH

OH

CH2OHOHOH

OH

O

CH2OH

OHO

CH2OHOHOH

OH

OH

CH2OH

CH2OH

O

CH2OHOHOH

OH

OH

CH2OHOOHHOHHHHO

HO H

CH2OH

D

CH2OHOHHOHHO

OHHH OH

CH2OH

(+)-mannoheptulose chaise 4C1 car sucre D

On peut contrôler le résultat en vérifiant la configuration absolue des carbones asy-métriques.

(S) (R) OOH

HOOH

CH2OH

OH(R)

O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

(S)

OH

CH2OHOH

OH

OH

O

CH2OH

HHOOHH

OHH

HO H

CHO CH2OH

OHHHHO

HHO

H OH

CHO(R)(S)

(R)(S)

D-Galactose

OHO

OH

OH

OH

CH2OH

O

OHOH

OH

OH

CH2OH OH

OHOH

OHO

CH2OH

CH2OHOOHHHHO

HHOCH2OH CH2OH

O

HHOOHHOHH

CH2OH

cétopentose D-fructose

E x e r c i c e

Le D-arabinose et le D-lyxose sont des aldopentoses naturels. Leur oxydation sélec-tive par l’acide nitrique (HNO3) conduit au même diacide carboxylique chiral. Représentez en projection de Fischer les structures possibles pour ces différents com-posés. Sachant que le carbone 3 du D-arabinose a la configuration R déduisez sastructure. Quelles sont les configurations absolues des carbones 2 et 4 du D-arabi-nose ?Une oxydation ménagée de la fonction aldéhyde du D-arabinose et du D-lyxoseconduit à des monoacides carboxyliques auxquels on fait subir une décarboxylationconduisant aux butane-1, 2, 3, 4-tétraols sans affecter les configurations des carbonesasymétriques.Représentez en projection de Fischer les produits obtenus. Sont-ils chiraux ?Représentez-les en perspective.

S o l u t i o n


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23

CHO

OH

CH2OH

HNO3

COOH

OH

COOH

COOHHHOHHOOHH

COOH

COOHHHOOHHOHH

COOH

oxydation

D-arabinoseD-lyxosealdopentose

diacide chiral

donc 2 solutions :

On détermine ensuite la configuration du carbone 3 pour identifier l’arabinose :

CHOHHOHHOOHH

CH2OH

(S) (R)CHO

HHOOHHOHH

CH2OH

(S)

(R)

C 3

D-lyxose D-arabinose

CHOHHOOHHOHH

CH2OH

(S)

(R)

D-arabinoseoxydation

COOHHHOOHHOHH

CH2OHdécarboxylation

CH2OHOHHOHH

CH2OH

HOOH

OH

OH

achiral car il existe un plan de symétrie

E x e r c i c e

Le tréhalose, le sophorose et le turanose sont des disaccharides.Précisez pour chaque monosaccharide la configuration L ou D et la configuration ducarbone anomère (α ou β). Indiquez également le mode de jonction des monosac-charides pour chaque disaccharide. Identifiez les disaccharides parmi les structuressuivantes en vous basant sur les renseignements suivants :Le turanose et le sophorose sont des glucides réducteurs mais pas le tréhalose.

– à la suite d’une hydrolyse, le sophorose et le tréhalose fournissent chacun deuxmolécules d’aldoses ; le turanose donne une molécule d’aldose et une molécule decétose

– le sophorose présente une jonction 1,2.


CHOHHOHHOOHH

CH2OH

D-lyxose

COOHHHOHHOOHH

CH2OH

CH2OHHHOOHH

CH2OH

HOOH

OH

OH

chiral car il n'existe pas de plan de symétrie

O

HO

OHO

CH2OH

HHO

O

HOOH

CH2OHHO OHO

OH

O

OH

CH2OH

O

HOOH

CH2OHHO

O

HO

OHHO

CH2OH

H

OO

HOOH

CH2OHOH

O

O

HOOH

CH2OHHO

OOH

HO

CH2OHOH

A B

C D

S o l u t i o n

Le tréhalose n’est pas un sucre réducteur donc il s’agit du disaccharide D.Le turanose donne par hydrolyse un cétose : il s’agit du disaccharide B.Le sophorose est le disaccharide A qui présente une jonction 1,2.


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23

O

HO

OHO

CH2OH

HHO

O

HOOH

CH2OHHO

OHO

OH

O

OH

CH2OH

O

HOOH

CH2OHHO

O

HO OH

OH

CH2OH

H

OO

HOOH

CH2OHOH

O

O

HOOH

CH2OHHO

OOH

HO

CH2OHOH

A

B

C

D

D

DD

D

D

DD

D

α

α

α

α

α

β

β β

liaison β-(1,2)

liaison β-(1,4)

liaison α-(1,3)

liaison α-(1,1)

sucre réducteur

sucre réducteur

sucre réducteur


Applications en synthèse

Dans cette fiche, nous allons appliquer les notions de réactivité abordées dans lesfiches précédentes pour résoudre des exercices de synthèse multi-étapes.

E x e r c i c e

Complétez la suite réactionnelle suivante :

FICHE 24

Br

NaOH

chauffage

A

B1) BH3

2) H2O2/OH-

CSOCl2

D1) Mg

2) CO2

3) H+

E

OF

H3PO4

ou SOCl2 puis AlCl3

CH2=PPh3G

CH2I2

ZnH

H2

Ni / 120° CC13H18

I

S o l u t i o n

La première étape est une réaction d’élimination conduisant à un alcène B (fiche 15).Celui-ci subit une hydroboration suivie d’une oxydation en milieu basique pour don-ner l’alcool terminal (anti-Markovnikov) (fiche 11). Ensuite, C est transformé en déri-vé chloré par réaction avec le chlorure de thionyle (fiche 17). Le dérivé D est trans-formé en réactif de Grignard qui réagit avec le dioxyde de carbone pour conduire aprèsacidification à l’acide carboxylique E (fiche 16). Celui-ci subit une réaction de substi-tution électrophile aromatique intramoléculaire soit directement en milieu acide fort,soit après transformation en chlorure d’acyle par SOCl2 suivie d’une acylation de

139F I C H E 2 4 – A p p l i c a t i o n s e n s y n t h è s e

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24Friedel-Crafts catalysée par AlCl3 (fiche 14). L’étape suivante est une réaction deWittig (fiche 19). L’alcène G subit ensuite une réaction de cyclopropanation deSimmons-Smith (fiche 12). Par hydrogénation catalytique et chauffage il y a coupuredu cyclopropane pour donner I.

E x e r c i c e

Complétez le schéma réactionnel suivant de synthèse d’un précurseur de la cortisone :

O

SOCl2

COOH

CH2=PPh3

E

OH

C

FGH

Cl

CH2I2

Zn

DB

I

H2

NaOH

Br

A

chauffage

1) BH3

2) H2O2/OH-

1) Mg

2) CO2

3) H+

Ni / 120° C

SEAr

A

OH

O

O

H+

B

OTHP

OC

OTHP

O

O

O

?

D

?

?

OTHPO

E

O

cortisone

S o l u t i o n


OH

O

O

O

O

O

THP

H+

OTHPO

O

A

E

B

O

H+

O

D

OTHP

O

O OEtONa EtOH

OTHPO

O OHH

ROH

OTHP

O

O

O

C

D

OTHP

O

ORO

chauffage

Mécanisme de la première étape : + H+

Mécanisme de la dernière étape :

E

O3

EtONa

EtOH

EtONa

OTHPO

O OH

La première étape de la synthèse est une protection de la fonction alcool. Ceci se faitpar le dihydropyrane en milieu acide. Il s’agit d’une addition de type Markovnikov del’alcool sur la double liaison du dihydropyrane. Le carbocation sur le carbone lié àl’atome d’oxygène est stabilisé par mésomérie. La transformation de B en C est unecycloaddition de Diels-Alder intramoléculaire entre le diène et l’alcène de la molécu-le. Elle se fait par chauffage (fiche 13). C subit ensuite une ozonolyse qui conduit à lacoupure de la double liaison carbone-carbone (fiche 12). Il s’ensuit une réaction d’al-dolisation intramoléculaire entre les deux fonctions cétone, suivie d’une crotonisation(déshydratation) (fiche 21).

E x e r c i c e

La synthèse du composé H responsable de l’inhibition de la germination des plantesa été réalisée selon le schéma réactionnel suivant :


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24

Complétez ce schéma réactionnel sachant que D est un époxyde.

S o l u t i o n

La première étape est une protection de la fonction alcool par le dihydropyrane.Ensuite l’ester est réduit en alcool par l’hydrure d’aluminium et de lithium, pourconduire à B. Pour le passage de B à C dans un premier temps on doit faire réagir lafonction alcool de B avec le chlorure de paratoluènesulfonyle (TsCl) en présence depyridine (sert à piéger l’acide chlorhydrique formé) pour obtenir le tosylate (fiche 17).Ensuite il faut déprotéger l’autre fonction alcool en hydrolysant le –OTHP en milieu

D

C

CH3

HO HTsO

MeONa

OH-

TsClF

B

C6H5NH2

LiAlH4

CH3 S

O

O

A

Cl

O

H+

O

H (C13H19NO2)

EtO2C CH3

HO H 1) ?

Epyridine

G

pyridine

avec Ts :

2) ?

acide. La formation de D procède par une réaction de type SN2 intramoléculaire entrel’alcoolate formé (par action de OH–) sur le tosylate.


(c)

CB

COOH

A

(a) (b) OH

D

Br

(d)

E

NH2

(e)

F

NH CH3

O

G

NH CH3

O

O2N

NH CH3

O

H2N

(g) (f)

H

E x e r c i c e

Complétez le schéma réactionnel suivant :

EtO2C CH3

O HOA :

B :CH3

THPO HHO

CH3

O HD :

CH3

HO HMeO

E :

CH3

TsO HMeO

F :

CH3

H NHC6H5MeO

G :

CH3

H NC6H5MeO

H :

O

S o l u t i o n

(a) Il s’agit de l’oxydation de la chaîne latérale d’un aromatique par KMnO4 (fiche 14).

(b) Il s’agit de la réduction d’un acide carboxylique en alcool. Ceci peut se faire parBH3 (fiche 20).

(c) Il s’agit de la transformation d’un alcool en dérivé bromé correspondant. Ceci peutse faire par PBr3 (fiche 17).

(d) La transformation conduit à une amine primaire. On doit utiliser la méthode deGabriel : réaction avec le phtalimidate de potassium, puis déprotection de la fonc-tion amine par l’hydrazine (fiche 18).

(e) Il s’agit de la formation d’un amide. On peut utiliser soit un chlorure d’acyle soitun anhydride d’acide (CH3COCl ou CH3COOCOCH3) (fiche 20).

(f) Il s’agit d’une nitration aromatique qui se fait par action de l’acide nitrique en pré-sence d’acide sulfurique. La SEAr se fait en para (et ortho) du fait du substituantprésent sur le cycle (fiche 14).

(g) Il s’agit de la réduction de la fonction nitro en amine. Ceci se fait avec du fer enmilieu acide chlorhydrique (fiche 18).


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24


Chimie organiqueexpérimentale

Dans cette fiche, nous abordons la partie pratique de la chimie organique (n’oublionspas que c’est une science expérimentale !) à travers les manipulations les plus cou-rantes dans les laboratoires : mise en œuvre d’une réaction, purifications, identifica-tion des produits.

I Les réactifs L’expérimentateur doit, en premier lieu, considérer l’équation de la réaction. Celle-cinous renseigne sur les réactifs utilisés et les conditions opératoires. La quantité desréactifs, la température, et d’autres facteurs comme le fait de travailler sous atmo-sphère inerte doivent y être précisés. Considérons par exemple la réaction ci-dessous :

FICHE 25

L’expérimentateur fait le bilan des quantités, nombre de moles et équivalents des réac-tifs utilisés. Le nombre d’équivalents est défini par le rapport du nombre de moles desréactifs sur le nombre de moles du réactif en défaut (sauf catalyseurs). On y fait appa-raître aussi le nombre de moles et la masse attendue de produit.Puis, selon un protocole opératoire, la manipulation est mise en oeuvre. Il est impor-tant de respecter les temps, la verrerie, l’ordre d’addition des réactifs et le solvant(composé inerte dans la réaction et qui sert à diluer le milieu réactionnel).

COOH

OH

COOH

OAc+ (CH3CO)2O + CH3COOH

acide salicylique anhydride acétique acide acétylsalicylique acide acétique

M = 138 g.mol-1

n = 0,5 mole

m = 69 g

M = 102 g.mol-1

n = 0,52 mole

m = 53 g

M = 180 g.mol-1

n = 0,5 mole

m = 90 g

températureambiante

1,04 équivalent

L’avancement de la réaction est contrôlé par chromatographie sur couche mince (ccm).C’est une technique chromatographique qui utilise une plaque recouverte de silice. Àl’aide d’un capillaire, le milieu réactionnel y est déposé ainsi que le produit de départ.La plaque est placée dans un récipient contenant un fond de solvant. Par capillarité, lesolvant (éluant) migre le long de la plaque (phase stationnaire), entraînant le produit etle réactif. Ceux-ci ayant des interactions différentes avec la silice et l’éluant, la migra-tion (ou Rf ) sera différente.

145F I C H E 2 5 – C h i m i e o r g a n i q u e ex p é r i m e n t a l e

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25

II La verrerie

RéfrigérantAscendant

Chauffe-ballon

Montage

Pierre ponce

Plateauélevateur

bicol tricol erlenmeyer bécher

ampouleàdécanter

fioleàvide

fritté

III Le traitement d’une réactionLorsque la réaction est terminée, l’opération suivante consiste à récupérer le produit àpartir de son milieu réactionnel. Après hydrolyse, on effectue, à l’aide d’une ampouleà décanter :

– Des lavages : il s’agit d’éliminer des sels ou toute substance soluble dans uneautre phase. Par exemple, à la fin de la réaction en milieu organique, des sels peu-vent être éliminés en ajoutant de l’eau dans l’ampoule à décanter. Après décan-tation, la phase aqueuse (avec les sels) est éliminée.

– Des extractions : il s’agit dans ce cas, de faire passer le produit d’une phase à uneautre avec le moins possible d’impuretés.

– Des neutralisations : il s’agit de laver des phases organiques par des phasesaqueuses acides ou basiques pour atteindre un pH neutre.

Généralement, le produit est récupéré à la fin de ces opérations, en solution organique.Celle-ci est séchée pour éliminer de l’eau solubilisée. Le desséchant est éliminé par fil-tration.Enfin, le produit est concentré en évaporant le solvant organique à l’aide d’un évapo-rateur rotatif. Le principe est le suivant : le produit en solution est placé dans un bal-lon que l’on adapte à l’évaporateur. Le tout est mis sous pression réduite afin de faci-liter la distillation du solvant. Le produit est concentré et récupéré dans le ballon d’éva-poration.


Vide

EauMoteurBallon

récepteur

Bouilloire

IV La purificationDifférentes méthodes de purification peuvent être employées et doivent être adaptéesen fonction des propriétés physiso-chimiques du produit. Lorsque le produit sera un liquide, on utilisera la distillation. C’est une technique quiconsiste à chauffer un liquide pour qu’il passe à l’état gazeux (point d’ébullition) et dele condenser dans un autre récipient par abaissement de la température. Concrètement,les vapeurs montent dans la colonne de distillation (le thermomètre indique le pointd’ébullition) et se condensent en passant par le réfrigérant. Ainsi, deux liquides ayantdes points d’ébullition différents, seront séparés. Il suffit de changer de ballon collec-teur au changement de température. Pour des liquides ayant un point d’ébullitionélevé, celui-ci est abaissé en opérant à pression réduite.


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25

Pour les composés cristallins, on pourra utiliser la sublimation. Le solide est chaufféà une température supérieure à la température de sublimation (passage de l’état solideà l’état gazeux). Le haut du récipient étant refroidi, les vapeurs se condensent sur leverre. On récupère les cristaux purs.L’autre technique possible est la recristallisation. Cela consiste à éliminer des impure-tés insolubles dans une solution organique chauffée du produit. Ensuite, cette solutionest refroidie lentement pour induire la cristallisation. Les cristaux sont filtrés et séchés.

Thermomètre

Réfrigérant

Chauffe-ballon

Plateau élévateur

Vigreux

V L’analyseL’analyse des ou du produit purifié se fait par les méthodes spectroscopiques décritesdans les fiches 9 et 10, c’est-à-dire l’Infra-Rouge et la RMN. Toutefois, lorsque le pro-duit est cristallin, la mesure du point de fusion permet d’estimer qualitativement lapureté d’un produit. Cette analyse se fait soit avec un banc de Köfler ou par immer-sion d’un capillaire contenant le produit solide dans de l’huile chauffée progressive-ment.Le banc de Köfler est constitué d’une barre métallique chauffée progressivement.Après étalonnage avec des substances de référence, l’opérateur déplace les cristaux duproduit sur cette barre jusqu’à l’observation de la fusion.La pureté d’un produit peut être aussi contrôlée par la détermination du pouvoir rota-toire spécifique de la substance. Ceci est une propriété des molécules chirales et cor-respond à leur capacité à dévier la lumière polarisée (voir fiche 4). La déterminationdu pouvoir rotatoire se fait à l’aide d’un polarimètre :


Le pouvoir rotatoire spécifique [α]D , est donné par la formule ci-dessous, où αlu est larotation optique observée sur le polarimètre, l la longueur de la cuve en dm et c laconcentration de la solution en g.mL–1.

[α]D = αlu

l.c

À partir de la valeur du pouvoir rotatoire spécifique d’un composé optiquement pur,on peut déterminer la pureté optique d’un échantillon de ce composé :

Purete optique = [α]D echantillon

[α]D compose optiquement pur× 100

Ainsi, pour un mélange racémique, la pureté optique est nulle.

lampeà sodium

polarisation

lumière planerotation du plan

analyseur observateurcellule

C a l c u l d e r e n d e m e n t

Soit la manipulation suivante :


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25

Dans un ballon de 100 mL, muni d’un barreau aimanté, on place 80 mmoles desoude, 75 mmoles d’eugénol, 55 mmoles de 1-bromobutane et 13 mL d’eau. Onajoute ensuite 0,65 mmole de bromure de tétra-n-butylammonium. On adapte unréfrigérant et on porte à reflux tout en agitant vigoureusement pendant 1 heure. Lemélange est ensuite refroidi dans un bain d’eau froide, puis transféré dans uneampoule à décanter. On ajoute 30 mL d’acétate d’éthyle et on élimine la phaseaqueuse. La phase organique est lavée avec 15 mL de soude, puis avec 15 mL d’unesolution saturée de chlorure de sodium. La phase organique est séchée sur sulfate demagnésium, puis filtrée. Le solvant est éliminé à l’évaporateur rotatif.1. Calculez le rendement de la réaction sachant que l’on récupère 10 g de produit.2. Pourquoi lave-t-on la phase organique avec de la soude ?3. Quel est le rôle du sulfate de magnésium ?

S o l u t i o n

1. La réaction nécessite trois réactifs : l’eugénol, la soude et le bromobutane. D’aprèsles quantités molaires engagées, le bromobutane est en défaut. Il ne pourra donc passe former plus de 55 mmoles de produit. La masse molaire du produit étant de 220 g.mol–1, 220 × 55 = 12,1 g de produit doivent être récupérés. Or, seulement 10 gde produit sont isolés soit 45,45 mmoles. Le rendement est donc :

Rendement = 45,45

55× 100 = 83 %

2. Le milieu réactionnel est introduit dans l’ampoule à décanter et de l’acétate d’éthy-le est additionné. Dans cette phase (dite organique), les composés organiques serontsolubilisés : le produit de la réaction et l’eugénol en excès. Afin de séparer ces deuxcomposés, on effectue un lavage à la soude. L’eugénol est éliminé dans la phaseaqueuse sous forme de sel (phénate de sodium).3. Le sulfate de magnésium sert à éliminer les traces d’eau restant dans la phase orga-nique après les différents lavages.

OH

OCH3

+ CH3(CH2)3BrNaOH

Bu4N Br

O(CH2)3CH3

OCH3+ –

HHydrogène

1,008

1

LiLithium

6,94

3

NaSodium22,99

11

KPotassium

39,10

19

RbRubidium

85,47

37

CsCésium132,9

55

FrFrancium

223,0

87

BeBéryllium

9,01

4

MgMagnésium

24,31

12

CaCalcium40,08

20

SrStrontium

87,62

38

BaBaryum137,3

56

RaRadium226,0

88

ScScandium

44,96

21

YYttrium88,91

39

LaLanthane

138,9

57

AcActinium

227,0

89

TiTitane47,88

22

ZrZirconium

91,22

40

HfHafnium

178,5

72

VVanadium

50,94

23

NbNiobium

92,21

41

TaTantale180,9

73

CrChrome52,00

24

CCarbone

12,01

6

MoMolybdène

95,94

42

WTungstène

183,9

74

MnManganèse

54,94

25

TcTechnétium

98,91

43

ReRhénium

186,2

75

FeFer

55,85

26

RuRuthénium

101,1

44

OsOsmium

190,2

76

CoCobalt58,93

27

RhRhodium

102,9

45

IrIridium192,2

77

CeCérium140,1

58Pr

Praséodyme140,9

59Nd

Néodyme144,2

60Pm

Prométhium144,9

61Sm

Samarium150,4

62

ThThorium

232,0

90Pa

Protactinium231,0

91U

Uranium238,0

92Np

Neptunium237,0

93Pu

Plutonium239,1

94

Numéro atomique

COLONNE

GROUPE

PÉRIODE

SymboleNomMasse atomique

de l’élément naturel

1

1

I A

2

II A

3

III B

4

IV B

5

V B

6

VI B

7

VII B

8 9

VIII

1

2

3

4

5

6

7

2

3 4 5 6 7 8 9

Métaux

Tableau de la classification

Gaz rares Non-métaux


NiNickel58,69

28

PdPalladium

106,4

46

PtPlatine195,1

78

CuCuivre63,55

29

AgArgent107,9

47

AuOr

197,0

79

ZnZinc

65,39

30

CdCadmium

112,4

48

HgMercure

200,6

80

GaGallium69,72

31

InIndium114,8

49

TlThallium

204,4

81

GeGermanium

72,59

32

SnÉtain118,7

50

PbPlomb207,2

82

AsArsenic74,92

33

SbAntimoine

121,8

51

BiBismuth209,0

83

SeSélénium

78,96

34

TeTellure127,6

52

PoPolonium

210,0

84

BrBrome79,90

35

IIode126,9

53

AtAstate210,0

85

KrKrypton83,80

36

AlAluminium

26,98

13Si

Silicium28,09

14P

Phosphore30,97

15S

Soufre32,07

16Cl

Chlore35,45

17Ar

Argon39,95

18

BBore10,81

5C

Carbone12,01

6N

Azote14,01

7O

Oxygène16,00

8F

Fluor19,00

9Ne

Néon20,18

10

HeHélium4,003

2

XeXénon131,3

54

RnRadon222,0

86

EuEuropium

152,0

63Gd

Gadolinium157,3

64Tb

Terbium158,9

65Dy

Dysprosium162,50

66Ho

Holmium164,9

67Er

Erbium167,3

68Tm

Thulium168,9

69Yb

Ytterbium173,0

70Lu

Luténium175,0

71

AmAméricium

243,1

95Cm

Curium247,1

96Bk

Berkélium247,1

97Cf

Californium252,1

98Es

Einstenium252,1

99Fm

Fermium257,1

100Md

Mendélévium256,1

101No

Nobélium259,1

102Lr

Lawrencium260,1

103

10 11

I B

12

II B

13

III A

14

IV A

15

V A

16

VI A

17

VII A

18

10 11 12

13 14 15 16 17

18

périodique des éléments

151Ta b l e a u d e l a c l a s s i f i c a t i o n p é r i o d i q u e d e s é l é m e n t s


Z Nom SymboleMasse

atomiqueZ Nom Symbole

Masse

atomique

8913955147183385

75697

483

535482098

6585517242729

96669968506326

1009

8764313272

267

14953773657

1033

71

ActiniumAluminiumAmériciumAntimoineArgentArgon ArsenicAstateAzoteBaryumBerkeliumBérylliumBismuthBoreBromeCadmiumCalciumCaliforniumCarboneCériumCésiumChloreChromeCobaltCuivre

CuriumDysprosiumEinsteinium ErbiumÉtainEuropiumFerFermiumFluorFranciumGadoliniumGalliumGermaniumHafniumHéliumHolmiumHydrogèneIndiumIodeIridiumKryptonLanthaneLawrencium LithiumLutétium

227 AcAl

243 AmSbAgArAs

210 AtNBa

247 BkBeBiBBrCdCa

252 CfCCeCsClCrCoCu

247 CmDy

252 EsErSnEuFe

257 FmF

223 FrGdGaGeHfHeHoHInIIrKrLa

260 LrLiLu

227,026,98

243,1121,8107,9

39,9574,92

210,014,01

137,3247,1

9,012209,0

10,8179,90

112,440,08

252,112,01

140,1132,9

35,4552,0058,9363,55

247,1162,5252,1167,3118,7152,0

55,85257,1

19,00223,0157,3

69,7272,59 ±3

178,54,003

164,91,008

114,8126,9192,2

83,80138,9260,1

6,941 ± 2175,0

Masses atomiques relatives des

éléments naturels

ANNEXE 1

153A n n e x e 1 – M a s s e s a t o m i q u e s r e l a t i v e s d e s é l é m e n t s n a t u r e l s

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1

Z Nom SymboleMasse

atomiqueZ Nom Symbole

Masse

atomique

1225

MagnésiumManganèse

MgMn

24,3154,94

10180426010932841

1027976

846157882948419596191888675

4537446221341411163873435265819069227492235470393040

MendéléviumMercureMolybdèneNéodymeNéonNeptuniumNickelNiobiumNobéliumOrOsmiumOxygènePalladiumPhosphorePlatinePlombPlutoniumPoloniumPotassiumPraséodymeProméthiumProctatiniumRadiumRadonRhénium

RhodiumRubidiumRuthéniumSamariumScandiumSeleniumSiliciumSodiumSoufreStrantiumTantaleTechnétiumTellureTerbiumThalliumThoriumThuliumTitaneTungstèneUraniumVanadiumXénonYtterbiumYttriumZincZirconium

256 MdHgMoNdNe

237 NpNiNb

259 NoAuOsOPdPPtPb

239 Pu210 Po

KPr

145 Pm231 Pa226 Ra222 Rn

Re

RhRbRuSmScSeSiNaSSrTa

99 TcTeTbTlThTmTiWUVXeYbYZn Zr

256,1200,6

95,94144,2

20,18237,0

58,6992,21

259,1197,0190,2

16,00106,4

30,97195,1207,2239,1210,0

39,10140,9144,9231,0226,0222,0186,2

102,985,47

101,1150,4

44,9678,96 ± 328,0922,9932,0787,62

180,998,91

127,6158,9204,4232,0168,9

47,88 ± 3183,9238,0

50,94131,3173,0

88,9165,39 ± 291,22


Classés en fonction de la valeur de leur numéro atomique Z .

Z Symbole Nom Z Symbole Nom Z Symbole Nom

1234567891011121314151617181920212223342526272829303132333435

HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBr

HydrogèneHéliumLithiumBérylliumBoreCarboneAzoteOxygèneFluorNéonSodiumMagnésiumAluminiumSiliciumPhosphoreSoufreChloreArgonPotassiumCalciumScandiumTitaneVanadiumChromeManganèseFerColbaltNickelCuivreZincGalliumGermaniumArsenicSeleniumBrome

3637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970

KrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYb

KryptonRubidiumStrontiumYttriumZirconiumNiobiumMolybdèneTechnétiumRuthéniumRhodiumPalladiumArgentCadmiumIndiumÉtainAntimoineTellureIodeXénonCésiumBaryumLanthaneCériumPraséodymeNéodymeProméthiumSamariumEuropiumGadoliniumTerbiumDysprosiumHolmiumErbiumThuliumYtterbium

7172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103

LuHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr

LutétiumHafniumTantaleTungstèneRhéniumOsmiumIridiumPlatineOrMercureThalliumPlombBismuthPoloniumAstateRadonFranciumRadiumActiniumThoriumProtactiniumUraniumNeptuniumPlutoniumAmériciumCuriumBerkéliumCaliforniumEinsteiniumFermiumMendeleviumNobeliumLawrencium

Symboles et nomsdes éléments

ANNEXE 2

155I n d ex

©D

unod

– L

a ph

otoc

opie

non

aut

oris

ée e

st u

n dé

lit.

A

achirale, 24acide aminé C-terminal, 125acide aminé N-terminal, 125acides aminés, 123activité optique, 24acylation, 79addition 1,2, 105addition 1,4, 105addition conjuguée, 73addition de Michaël, 119additions, 41alcynes vrais, 74aldolisation 119, 139aldoses, 129alkylation 79, 118amidon, 129amination réductrice, 102amines primaires, 101amines secondaires, 101amines tertiaires, 101anomères, 130anti, 23, 31anti-Markovnikov, 136avancement de la réaction, 44

B

β-cétoesters, 117β-dicétones, 117β-diesters, 117banc de Köfler, 146blindé, 59

C

Cahn, 26catalyseur de Lindlar, 74cellulose, 129cétoses, 129chirale, 24chiralité, 24chlorochromate de pyridinium, 97chromatographie sur couche mince, 143chymotrypsine, 125cis, 31Clemensen, 107, 109configuration, 124configuration absolue, 26configuration absolue R, 26configuration absolue S, 26configuration relative cis/trans, 30conformation chaise, 21conformation décalée, 20conformation éclipsée, 20conformations, 20conformère, 20conjugaison, 35contrôle cinétique, 47contrôle thermodynamique, 47cycloaddition, 73cyclohexane, 21cyclopropanation, 69

D

D, 130déblindé, 59dégradation d’Edman, 125

Index

déplacement chimique, 58dextrogyre, 27diastéréoisomères, 29dicarbonate de di-t-butyle, 126dichromate de pyridinium, 97dicyclohexylcarbodiimide, 127Dieckmann, 120Diels-Alder, 73, 139diènes conjugués, 73diénophile, 73dihydroxylation, 68disaccharide, 131distillation, 145

E

E, 32effet inductif, 33effet mésomère, 33électrophiles, 39élimination, 85éliminations, 41énantiomères, 26énergie d’activation, 45énol, 117énolate, 117époxydation, 69équation d’Arrhenius, 45état de transition, 44, 84évaporateur, 144extractions, 144

F

fluorénylméthyloxycarbonyle, 126formule brute, 4formule développée, 4formule semi-développée, 4Friedel-Crafts, 79, 137furane, 97furanose, 130

G

gauches, 23glycogène, 129glycoside, 131glycosylation, 131Grignard, 136

H

halogénation, 64, 78, 118Haworth, 130, 132hétérolytique, 39homolytique, 39hybridation, 17hydratation, 64hydroboration, 64hydrogénation, 68hydrohalogénation, 63

I

infra-rouge, 52Ingold, 26intégration, 59intermédiaire de Wheland, 78intermédiaires réactionnels, 45inversion de configuration, 84isomères, 5isomères de fonction, 5isomérie de position, 5

L

L, 130lavages, 144lévogyre, 27libre rotation, 20

M

Markovnikov, 63, 139mélange racémique, 27méso, 30mésomérie, 33méta, 80méta directeurs, 80Michaël, 121monosaccharide, 129multiplicité, 59mutarotation, 130

N

neutralisations, 144nitration, 78


nombre d’insaturations, 5nucléophiles, 40(n+1) pics, 59

O

ordre 1, 83ordre 2, 84organocuprate, 92organomagnésiens, 90organométalliques, 90ortho, 79ortho, para directeurs, 80oxétane, 97oxirane, 97oxydation, 68, 80ozonolyse, 70, 139

P

para, 79periodate de sodium, 97phénylthioisocyanate, 125point de fusion, 146point isoélectrique pHi, 125polarimètre, 146positions axiales, 21positions équatoriales, 21postulat de Hammond, 49pouvoir rotatoire spécifique, 24, 146Prelog, 26processus ionique, 39processus radicalaire, 39projection de Fischer, 19, 124projection de Newman, 19pyrane, 97pyranose, 130

R

radicaux, 40réactif de Jones, 94réactifs de Grignard, 90réaction de Williamson, 97réaction radicalaire en chaîne, 63réarrangements, 41recristallisation, 145réducteur, 131réduction, 68

règle de Zaitsev, 85représentation en perspective, 19représentation simplifiée, 4résonance ragnétique nucléaire, 58Rf, 143RMN, 58

S

Simmons-Smith, 70, 137sp, 18sp2, 17sp3, 17sublimation, 145substitution électrophile aromatique, 78substitutions, 41sulfonation, 78syn, 31synthèse peptidique, 126

T

tautomérie, 5test à l’iodoforme, 118topologique, 4tosylate, 100trans, 31transpositions, 41trypsine, 125

U

ultra-violet, 52

V

vibrations d'élongation, 53vibrations de déformation, 53

W

Wittig, 107Wolf-Kischner, 107, 109

Z

Z, 32zwitterion, 124

157I n d ex

©D

unod

– L

a ph

otoc

opie

non

aut

oris

ée e

st u

n dé

lit.

EXPRESS SCIENCES

Nadège LUBIN-GERMAINJacques UZIEL

Chimie organique en 25 fiches

Des principes aux applicationsComment aller à l’essentiel, comprendre les méthodeset les démarches avant de les mettre en application ?Conçue pour faciliter aussi bien l’apprentissage que larévision, la collection « EXPRESS » vous propose uneprésentation simple et concise de la chimie organique en 25 fiches pédagogiques.Chaque fiche comporte :• les idées clés à connaître,• la méthode à mettre en œuvre,• des applications sous forme d’exercices corrigés.Un index détaillé vous est proposé en fin d’ouvrage.

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Nadège Lubin-Germainet Jacques Uziel

sont maîtres deconférences àl’université de Cergy-Pontoise.

www.dunod.com

Structures et liaisonsAlcanesNature des réactions enchimie organiqueAlcènes et alcynesComposés aromatiquesStéréochimieHalogénoalcanes

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– L1/L2 de Sciencesde la Vie

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ISBN 978-2-10-053949-9

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