PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOISgangube.free.fr/Cours/UE1/Chimie Orga (P. Nebois)/Fascicule...

PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS

Première

Lyon Est-UE1 "Chimie, biochimie et biologie moléculaire"

Chimie Organique

Chapitre A : Modes de représentation

Chapitre B : Relations d’isomérie entre les molécules organiques

Chapitre C : Bases structurales de la réactivité des

Chapitre D : Alcanes

Chapitre E : Alcènes

Chapitre F : Alcools et thiols

Chapitre G : Amines

Chapitre H : Aldéhydes et cétones

Chapitre I : Acides carboxyliques et dérivés

Mentions légales

remière Année Commune aux Etudes de S

"Chimie, biochimie et biologie moléculaire"

Chimie Organique – Cours du Pr Pascal NEBOIS

(Année universitaire 2011-2012)

Modes de représentation des molécules organiques

Relations d’isomérie entre les molécules organiques

Bases structurales de la réactivité des molécules organiques : effets électroniques

Chapitre H : Aldéhydes et cétones

es carboxyliques et dérivés

0

Santé

"Chimie, biochimie et biologie moléculaire"

Cours du Pr Pascal NEBOIS

page 1

page 4

page 18

page 25

page 31

page 38

page 48

page 56

page 64

page 74


1

A. Modes de représentationdes molécules organiques

Année 2011-2012

1. Représentations en deux dimensions (« planes »)

2. Représentations tridimensionnelles2.1. Représentation de CRAM

2.2. Représentation de NEWMAN2.3. Représentation de FISCHER

Première Année Commune des Etudes de Santé

Lyon Est–UE1

Cours du Pr. Pascal NEBOIS

Présentation

Ce chapitre est consacré aux divers modes de représentation des molécules organiques que l’on

peut regrouper en représentations planes et représentations tridimensionnelles.

Une représentation plane donne l’enchaînement des atomes les uns aux autres

Formule développée

Formule semi-développée

Représentation simplifiée

H3C CH2 COOC2H5H C

H

H

C

H

H

C

O

O C

H

H

C

H

H

H

Représentations diverses

O

O

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

Formule semi-développéeReprésentation simplifiée

1. Représentations en deux dimensions (« planes »)

* Exemple du propanoate d’éthyle :

* Exemple du cyclohexane :

H3C H2C C

O

OC2H5

C2H5CO2C2H5

Une représentation plane d'une molécule donne l’enchaînement des atomes les uns aux autres

et ne donne aucune indication sur la structure dans l’espace. Prenons l’exemple du composé appelé

propanoate d’éthyle : la formule développée d’un composé fait apparaître toutes les liaisons entre les

atomes. Mais la formule développée devient vite compliquée à représenter pour des structures plus

complexes. C’est pourquoi on utilise plutôt en pratique la formule semi-développée, qui ne fait apparaître

que certaines liaisons, voire des représentations diverses dont certaines ne font pas réellement apparaître

les liaisons. Cette représentation est appelée représentation simplifiée : les atomes de carbone et

d'hydrogène ne sont pas figurés. Par convention, au bout de chaque liaison il y a un carbone, porteur du

nombre d’hydrogène adéquat en relation avec la tétravalence du carbone. Dans le cas des composés

cycliques, tel que le cyclohexane, on utilise beaucoup plus la représentation simplifiée que la formule semi-

développée ou développée. Enfin, il est important de noter qu'en pratique, et par abus de « langage », on

utilise souvent le terme « formule développée» pour tous les types de représentations planes.


2

NH

HH

OH

H

NH H

H

OH H

2. Représentations tridimensionnelles 2.1. Représentation de CRAM

� Représentation de liaisons autour d’atomes sp3

H

HC

HH

H

H

HC

H

La première représentation tridimensionnelle que nous allons aborder est la représentation de

Cram, qui permet de visualiser dans l’espace des liaisons autour d'atomes de carbone hybridés en sp3 et

sp2. Prenons tout d’abord l’exemple du carbone sp3 du méthane. De par sa géométrie le carbone est au

centre d’un tétraèdre dont les liaisons avec les atomes d'hydrogène se dirigent vers les sommets de ce

tétraèdre. Deux liaisons sont dans le plan de l’écran, qui est symbolisé en vert pâle dans la représentation

de droite. Ces deux liaisons sont représentées sous forme de traits simples. Une autre liaison pointant vers

l’avant du plan de l'écran, est représentée par un triangle plein. Enfin, la dernière liaison pointant vers

l’arrière du plan de l’écran est représentée par un triangle hachuré. Pour les atomes à trois liaisons et

hybridés en sp3, comme l’azote, ou à deux liaisons, comme l’oxygène, le principe du tétraèdre est

respecté. Ce sont les orbitales contenant le doublet libre pour l’azote et les deux doublets libres pour

l’oxygène, qui pointent aux sommets restants du tétraèdre.

2. Représentations tridimensionnelles 2.1. Représentation de CRAM


HC

CC

C

HH

H H

HH

H

H HO

OHH

H

H

HO

OH

H

OH

OH

Butane représenté en « zig-zag » Forme ouverte du β-glucose

H

C C

C

CH

HH

H

HH

H

HH

CC

C

H HH

H H

C

H

HHH

HH

C C

CH2CH3

HH

HH

Butane représenté en « U »


C CC C

Pour les molécules comportant plusieurs atomes sp3, comme le butane ou la forme ouverte du

glucose, on les représente généralement avec les liaisons dans le plan sous la forme de "zigzag" avec les

liaisons à l’arrière et à l’avant se situant alternativement au-dessus et en-dessous pour respecter la

géométrie sp3 des carbones. Une autre possibilité existe pour laquelle les liaisons dans le plan forme un

« U ». On peut également ne développer que les liaisons autour de quelques atomes ou combiner le

"zigzag" le « U ». Enfin, il est possible de représenter selon Cram les liaisons autour d'atomes hybridés en

sp2. Voici l'exemple d'un premier type de représentation de la double liaison carbone-carbone, pour

laquelle les cinq liaisons sigma se situent dans le plan vert pâle, qui est aussi celui de l'écran. Une

deuxième représentation est possible avec cette fois l'ensemble des liaisons sigma dans un plan, orange

pâle, perpendiculaire au plan de l'écran.


3

2. Représentations tridimensionnelles 2.2. Représentation de NEWMAN

� Représentation d’un carbone sp3

OH

CH

CH3

H2N

OH

H2N CH3

Projection de NEWMAN

� Représentation d’une liaison carbone-carbone

Permet de bien visualiser la disposition relative dans l’espace des atomes liés à deux carbones sp3 adjacents

HH

H

H

HH

C C

H

H

H

HH

HNEWMANH

H

HH

HH

Exemple H3C-CH3

H

H

HH

HH

CRAM

La représentation ou projection de Newman permet également de visualiser une molécule dans

l’espace. Pour représenter un carbone sp3, il est nécessaire de regarder le carbone dans l’axe d’une de

ses liaisons, puis projeter ce que l’on voit dans le plan de l’écran ou de la feuille. La projection de Newman

permet de bien visualiser la disposition relative dans l’espace des atomes liés à deux carbones sp3

adjacents. Voici par exemple une représentation de Newman de l'éthane. Cette représentation est obtenue

en regardant par la droite ou par la gauche dans l’axe de la liaison carbone-carbone que l’on veut

représenter. Dans notre exemple nous regardons par la gauche. Il faut ensuite projeter sur un plan ce que

l’on voit. Le carbone de l’arrière est symbolisé par un cercle duquel partent les trois liaisons. Lors de la

projection du carbone de devant, ce dernier se retrouve au centre de ce cercle.

2. Représentations tridimensionnelles 2.3. Représentation de FISCHER

H

C

HHH

C

H

H

HHH

H

H

H

méthaneFischer

Cram=

COOH

H2N H

R

Acide aminé

CHO

H OH

HO H

HO H

H OH

CH2OH

� Représentation des composés à plusieurs carbones (oses par exemple)

CHOCC

C

HO

H

H

H

HO

HOCH2OH

OHH

CHO

H OH

HO H

HO H

H OH

CH2OHD-galactoseFISCHER

H

OH

HHO

H

HO

HOH

� Représentation d’un carbone sp3

Enfin, la dernière représentation tridimensionnelle que nous détaillerons est celle de Fischer,

mise au point en particulier pour représenter les sucres et les acides aminés. La représentation de Fischer,

d’un carbone sp3, ici le méthane, prend la forme d’une croix, et fait appel à une convention bien

particulière. Le carbone se situe au centre de la croix, les liaisons sur la verticale pointant vers l’arrière du

plan de l'écran, et celles sur l’horizontale pointant vers l’avant de celui-ci. Pour passer de cette

représentation à celle de Cram, il suffit de réaliser une rotation de 90° vers la droite ou vers la gauche.

Dans le cas des acides aminés, une convention supplémentaire est à appliquer pour représenter le

carbone porteur des fonctions COOH et NH2. Le COOH doit obligatoirement être placé au sommet de la

verticale et le groupement NH2 sur l’horizontale. Il est également possible de représenter selon Fisher un

composé à plusieurs carbones comme par exemple le D–galactose, en prenant soin de placer le carbone

le plus oxydé, ici CHO, au sommet. Cette représentation correspond à celle de Cram tout en « U », dépliée

et projetée sur un plan. La convention de Fischer est ainsi respecter, tout ce qui est à l’horizontale est vers

l’avant du plan de l'écran, et tout ce qui est vertical est vers l’arrière de ce plan.


4

B. Relations d’isomérie entreles molécules organiques

Année 2011-2012

1. Isomères2. Isomères de constitution3. Stéréoisomères

3.1. Isomères de conformation3.2. Isomères de configuration

3.2.1. Isomérie optique

3.2.2. Isomérie géométrique


Lyon Est–UE1


Ce chapitre est consacré à l’étude des relations d’isomérie existant entre les molécules

organiques, c’est-à-dire à l’étude de leur parenté structurale. Nous verrons tout d'abord la définition de

l’isomérie, puis nous détaillerons successivement la définition de l’isomérie de constitution et la

stéréoisomérie.

1. Isomères

� Isomères = composés possédant la même composition atomique = même formule brute

Exemple : tous les composés de formule brute C5H10O2 sont isomères les uns des autres

Parmi les isomères, on distingue :

* Les composés de même formule brute, mais de formules développées différentes : ce sont des isomères de constitution

* Les composés de même formule brute, de formules développées identiques, mais disposition relative de leurs atomes dans l’espace différente :

ce sont des stéréoisomères

Le terme isomère peut être un adjectif ou un nom : le composé A et le composé B sont isomères, ou le composé A est l’isomère du composé B

Des isomères sont des composés possédant la même composition atomique, donc possédant la

même formule brute. Par exemple, tous les composés répondant à la formule brute C5H10O2 sont isomères

les uns des autres. Le terme isomère peut être un adjectif ou un nom : on peut dire que le composé A et le

composé B sont isomères, ou que le composé A est l’isomère du composé B. Parmi les isomères, on

distingue d’une part les composés de même formule brute, mais de formules développées différentes : ce

sont des isomères de constitution. Les composés de même formule brute et développée ne se distinguant

que par la disposition relative de leurs atomes dans l’espace sont des stéréoisomères.


5

2. Isomères de constitution

H3C CH2 CH2 CH2

COOHII

H3C CH2 CH

COOH

CH3

I

CH3 CH2 COOC2H5

III

� Isomères de constitution : même formule brute, formules développées différentes

Même famille chimique = isomères de position = régioisomères

� I et II sont isomères de constitution, de même que I et III, de même que II et III

De plus, I et II sont isomères de position, ou régioisomères, c’est-à-dire des isomères deconstitution appartenant à la même famille chimique

C5H10O2

I, II, et III sont isomères

I, II, et III n’ont pas la même formule développée

L’isomérie de constitution est souvent qualifiée d’isomérie «plane », car elle se repère sur lesreprésentations planes (formules développées)

Des isomères de constitution ont donc une même formule brute, mais des formules développées

différentes. Par exemple, ces trois composés possèdent la même formule brute, C5H10O2, ils sont isomères.

Par contre, ils n’ont pas la même formule développée. Ce sont donc des isomères de constitution. De plus,

les deux premiers composés sont des isomères de position ou régioisomères, c’est-à-dire des isomères de

constitution appartenant à la même famille chimique, en l'occurrence ici celle des acides carboxyliques. Le

troisième composé, qui appartient à la famille des esters, n'est donc pas régioisomère des deux

précédents. Enfin, notons que l’isomérie de constitution est souvent qualifiée d’isomérie « plane » car elle

se repère directement à partir des représentations planes.

3. Stéréoisomères 3.1. Isomères de conformation

� Isomères de conformation : mêmes formules brute et développée, et on peut passer de l’un à l’autre par simple rotation de liaisons σσσσ

C C

H

HH

H

HH

A

Exemple H3C-CH3

rotation liaison C-C

ouC C

H H

HH

HH

B

A et B sont isomères de conformation

Toute molécule possédant au moins une liaison simple C-C peut exister sous forme deplusieurs isomères de conformation (sauf cas très particuliers)

ou

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

Nous allons aborder à présent le domaine de la stéréoisomérie en détaillant deux types de

stéréoisomères : les isomères de conformation et les isomères de configuration. Nous commencerons par

les isomères de conformation. Ces isomères ont une même formule brute, une même formule développée

et il est possible de passer de l’un à l’autre par simple rotation de liaisons sigma. Prenons l’exemple de

l'éthane. On peut représenter l’éthane de cette manière, c'est à dire selon Cram avec des liaisons dans le

plan et en zigzag. Voici la projection de Newman de cette structure, que nous appellerons A. Si on

envisage une rotation de la liaison carbone-carbone, par exemple de 180°, on obtient l’éthane selon Cram

avec les liaisons dans le plan en "U". On peut noter que si l’on représentait strictement la projection de

Newman de cette structure B, les liaisons carbone-hydrogène du carbone de derrière seraient

complètement éclipsées par les liaisons carbone-hydrogène du carbone de devant. Voilà pourquoi on

décale légèrement ces liaisons pour les rendre visibles. Les structures A et B font apparaître un placement

différent des atomes de l’éthane dans l’espace, et on peut passer de l’une à l’autre par rotation : ce sont

donc des isomères de conformation. Sauf exceptions qui sont hors programme, toute molécule possédant

au moins une liaison simple carbone-carbone peut exister sous forme de plusieurs isomères de

conformation, qui ne sont pas isolables car les liaisons sont sans cesse en rotation.


6

3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration

� Isomères de configuration : mêmes formules brute et développée, mais on ne peut pas passer de l’un à l’autre par simple rotation de liaisons σ

� Ce sont des molécules différentes, isolables

� Pour qu’à une même formule développée puissent correspondre des isomères de configuration, il faut qu’elle fasse apparaître des éléments stéréogènes :

* Carbone asymétrique : source d’isomérie optiqueet / ou

* Double liaison ou cycle : source d’isomérie géométrique

D’autres éléments stéréogènes existent, non vus dans ce cours (sauf N de certains ammoniums, cf Chapitre G)

Nous allons traiter maintenant de l’isomérie de configuration, toujours dans le cadre de la

stéréoisomérie. Des isomères de configuration ont les mêmes formules brute et développée, mais il est

impossible de passer de l’un à l’autre par rotation de liaison sigma. Contrairement aux isomères de

conformation ce sont des molécules différentes et isolables. Pour qu’à une même formule développée

puissent correspondre des isomères de configuration, il faut qu’elle fasse apparaître des éléments

stéréogènes, c’est-à-dire qu'elle possède au moins un carbone asymétrique, qui sera source d’isomérie

dite « optique », et/ou une double liaison ou un cycle, qui seront source d’isomérie dite « géométrique ».

D’autres éléments stéréogènes existent qui ne seront pas détaillés dans ce cours.

3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique

� Liée à la présence d’au moins un carbone asymétrique (noté C*)

A

C

BD

EI

A ≠ B ≠ D ≠ E

� Autour du carbone asymétrique, deux arrangements des substituants A, B, D et E sont possibles :

B

C

AD

EII

A

C

BD

EI

Attention : ce qui est possible sur le papier nécessite en réalité une (voire plusieurs) réaction chimique : un arrangement de substituants autour d’1C* est figé pour une molécule donnée

Carbone asymétrique = carbone sp3 relié à 4 atomes ou groupes d’atomes tous différents

L’isomérie optique est liée à la présence dans une structure d’au moins un carbone asymétrique,

noté C*. Un carbone asymétrique est un carbone hybridé en sp3 qui est lié à quatre atomes ou groupes

d’atomes tous différents entre eux, qui sont appelés substituants. Voici une visualisation générale

tridimensionnelle, obtenu à l’aide d’un logiciel, d'un carbone asymétrique. Autour d'un carbone

asymétrique, deux arrangements des substituants A, B, D et E sont envisageables. A partir d’un

arrangement possible, il suffit de permuter deux substituants et deux seulement, par exemple ici A et B,

pour obtenir l’autre. Attention, ce qui est possible sur le papier, c’est-à-dire la permutation de deux

substituants, nécessite en réalité une réaction chimique. Un arrangement de substituants autour d'un

carbone asymétrique est donc figé pour une molécule donnée.


7


� Pour un carbone asymétrique, il y a donc 2 isomères de configuration possibles

A

C

BD

EA

C

B D

E

miroirIII

Ces deux isomères sont appelés énantiomères (= molécules images l’une de l’autre dans un miroir et non superposables)

B

C

AD

EII

A

C

BD

EI

Rotation 180°dans le plan

A

C

BD

E

I

B

C

AD

E

II

Définition de superposable : deux structures sont superposables lorsqu’elles coïncident exactement en les posant l’une sur l’autre.

images l’un de l’autre dans un miroir

Pour un carbone asymétrique, il y a donc deux isomères de configuration possibles, qui

présentent la caractéristique d’être image l’un de l’autre dans un miroir. Ces deux isomères sont appelés

énantiomères parce qu’ils sont images l’un de l’autre dans un miroir et non superposables. Pour rappel,

deux structures sont superposables lorsqu’elles coïncident exactement en les posant l’une sur l’autre.


� Caractéristiques des molécules possédant au moins un C*

* Elles dévient le plan de polarisation de la lumière polarisée d’un angle α non nul =activité optique

α = pouvoir rotatoire, spécifique d’une moléculeNégatif si déviation de la lumière à gauche (molécules lévogyres)

Positif si déviation de la lumière à droite (molécules dextrogyres)

Deux énantiomères possèdent des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue,de signes opposés

Mélange équimolaire de deux énantiomères= mélange racémique � α = 0

* Elles sont chirales

= Elles sont non superposables à leur image dans un miroir

Chiralité et activité optique vont de paire : une molécule chirale possède une activité optique,et inversement

Les molécules présentant au moins un carbone asymétrique possèdent entre autre deux

caractéristiques : elles dévient le plan de polarisation de la lumière polarisée d’un angle non nul. C’est ce

qu'on appelle l’activité optique. Dans le cadre de ce cours, une molécule sans carbone asymétrique n’a

pas d’activité optique. L'angle de déviation est appelé pouvoir rotatoire ou alpha et est spécifique d’une

molécule. Cet angle est, par convention, de valeur négative si la déviation de la lumière s’effectue à

gauche. On parle alors de molécules lévogyres. Cet angle est, par convention, de valeur positive si la

déviation de la lumière s’effectue à droite : les molécules sont alors dites dextrogyres. Deux énantiomères

possèdent des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue, mais de signes opposés. De ce fait, un

mélange équimolaire de deux énantiomères, c'est à dire composé de 50% de molécules de l’un et 50% de

molécules de l’autre est appelé mélange racémique et ne possède pas d’activité optique. En effet, dans ce

cas, les deux déviations s’annulent et l'alpha est ainsi égal à 0. La deuxième caractéristique des molécules

possédant au moins un carbone asymétrique est qu'elles sont chirales, c’est-à-dire qu’elles sont non

superposables à leur image dans un miroir. Chiralité et activité optique vont de paire : une molécule chirale

possédant forcément une activité optique et inversement.


8


�� Nomenclature : configurations absolues R et S

Exemple du chloro(fluoro)iodométhane

F

CI Cl

H

IC

Cl

H F

et

IC

F

H Cl

I II énantiomères

1ère phase : classer par ordre de priorité (= ordre de préséance) les 4 atomes ou groupes d’atomes liés au C* ; l’atome de numéro atomique le plus grand étant prioritaire sur les autres(= priorité 1)

I > Br > Cl >S > F > O > N > C > H

IC

Cl

H F

1

2

3

4

I

IC

F

H Cl

II

Règles de Cahn-Ingold-Prélog

1 2

34

Prenons à présent l'exemple de ce composé, le chloro(fluoro)iodométhane, qui possède un

carbone asymétrique. A cette représentation plane correspond donc deux isomères de configuration qui

sont énantiomères. L’un sera dit de « configuration » absolue R, l’autre de configuration absolue S. Le

rattachement à l'une ou l'autre de ces configurations absolues est déterminé en appliquant une procédure

qui a été élaborée par trois chimistes : Cahn, Ingold et Prélog. La première phase consiste à classer par

ordre de priorité, ou ordre de préséance, les quatre atomes ou groupes d’atomes liés au carbone

asymétrique, l’atome de numéro atomique le plus grand étant prioritaire sur les autres. Par exemple pour

l’énantiomère I parmi les quatre atomes liés au carbone, l’iode possédant le plus grand numéro atomique,

il a donc la priorité 1. L'atome suivant de plus grand numéro atomique est le chlore, qui aura la priorité 2,

suivi du fluore, puis de l’hydrogène. Les ordres de priorité sont bien entendu les mêmes pour l’énantiomère

II.

IC

F

H Cl


�� Nomenclature : configurations absolues R et S et règles de Cahn-Ingold-Prélog

IC

Cl

H F

12

34

II

I

2ème phase : Se placer de façon à voir la molécule selon Newman ( C* à l’avant priorité 4)

F

ClI12

3 1-2-3 : sens inverse des aiguilles d’une montre : S

Cl

FI1

2

3

1-2-3 : sens des aiguilles d’une montre : R

I = (R)-chloro(fluoro)iodométhane et II = (S)-chloro(fluoro)iodométhane

1

2

3

4

Vient ensuite la deuxième phase de la procédure, qui commence par considérer la projection de

Newman en regardant dans l’axe de la liaison carbone asymétrique-atome de priorité 4, avec le carbone

asymétrique à l’avant. On obtient ainsi la projection suivante pour la structure I. La troisièm étape consiste

à déterminer le sens du cheminement pour passer de l'atome de priorité 1 à celui de priorité 2 puis de

priorité 3. Lorsque ce sens correspond à celui des aiguilles d'une montre, la configuration absolue est R.

Le second sens possible est l’inverse de celui des aiguilles d’une montre, comme pour la structure II, qui

est donc de configuration absolue S. Ainsi, la structure l correspond au (R)-chloro(fluoro)iodométhane et la

II au (S)-chloro(fluoro)iodométhane.


9


CHO CH

O

CH3

CH2CH3 Acide 2-méthylbutanoïque*

2 énantiomères

CC

CH2-CH3

H CH3

O

HO

CO

OHà classer : H -CH3 -CH2-CH3

1er niveau H C C CPriorité 4

4

2ème niveau - (H,H,H) (O,O,O)(H,H, C)

C = A : A doublé

Priorité 1Priorité 2Priorité 3

3

21

A : A tripléC

I

Un autre exemple est celui de l’acide 2-méthylbutanoïque. Cette molécule possède un carbone

asymétrique, repéré par l’étoile. La présence de ce carbone asymétrique implique qu’à cette formule

développée soient associés deux isomères de configuration qui sont énantiomères, l’un de configuration

absolue R et l’autre de configuration absolue S. Voici un des deux énantiomères. Pour déterminer s’il est R

ou S, il faut tout d'abord classer par ordre de priorité les quatre substituants suivants : l’atome d’hydrogène

ainsi que les trois groupements CH3, CH2CH3 et COOH. Pour ce faire, on va d’abord considérer le premier

niveau, c’est-à-dire les atomes directement liés au carbone asymétrique : on aura donc l'hydrogène puis

un atome de carbone pour les trois groupements. En comparant le numéro atomique de l'hydrogène par

rapport à celui du carbone, on peut attribuer la priorité 4 à l’atome d'hydrogène, car il est de numéro

atomique inférieur à celui du carbone. Par contre, pour classer les trois autres substituants, il est

nécessaire de passer à un deuxième niveau, c’est-à-dire aux atomes reliés à l’atome du premier niveau,

en s’éloignant du carbone asymétrique. Pour CH3, on trouve alors trois atomes d'hydrogène, puis deux

hydrogènes et un carbone pour le groupement CH2CH3. Pour le groupement COOH, on considère qu'il

s’agit de trois oxygènes, un provenant de l'oxygène du OH, les deux autres étant issus de l'oxygène

doublement lié. En effet, les règles de Cahn, Ingold et Prélog précisent qu'un atome doublement lié est

toujours doublé, de même qu’un atome triplement lié est triplé. On choisit ensuite pour chaque groupe de

trois atomes celui qui est prioritaire, à savoir un des hydrogènes de CH3, le carbone pour CH2CH3 et un

des oxygènes pour COOH. Les numéros atomiques de ces atomes sélectionnés sont ensuite comparés

pour établir le classement définitif.


CHO CH

O

CH3

CH2CH3 Acide 2-méthylbutanoïque*

CC

CH2-CH3

H CH3

O

HO

4 3

21

CH3

CH2CH3HOOC1

2

3

Regard C* priorité 4

S

Acide (S)-2-méthylbutanoïque

CC

CH2-CH3

H3C H

O

HO

Regard C* priorité 4CH3

COOHCH3CH2

12

3R

1

4

2

I

3

Acide (R)-2-méthylbutanoïque

II

Ayant attribué les ordres de priorité, l’étape suivante consiste à considérer le sens 1-2-3 à partir

de la projection de Newman selon l’axe de la liaison carbone asymétrique-priorité 4. Ce sens est inverse

de celui des aiguilles d’une montre. La structure I est donc de configuration absolue S, c'est l’acide (S)–2-

méthylbutanoïque. L’énantiomère de celui-ci peut être obtenu par permutation de deux substituants portés

par le carbone asymétrique, par exemple ici l'hydrogène et le groupement méthyle. La conséquence de

cette permutation est que ce composé II doit donc être de configuration absolue R, puisque c'est

l'énantiomère du composé I. Vérifions cela. Les ordres de priorité des substituants sont les mêmes que

ceux déterminés précédemment. En appliquant ensuite la même procédure que pour le composé I, on

constate bien cette fois un sens de rotation pour passer de 1 à 2 puis 3 qui le même que celui des aiguilles

d'une montre, établissant ainsi la configuration R pour le carbone asymétrique du composé II. Par contre,

on peut constater que dans ce cas, pour effectuer la projection de Newman requise cela implique de

regarder la molécule par l’arrière pour avoir le carbone asymétrique au premier plan et pouvoir regarder

dans l’axe de la liaison carbone asymétrique-atome d'hydrogène. Or le sens vu de derrière la molécule est

l'inverse de celui vu de devant. En conséquence, quand le substituant de priorité 4 est placé à l’avant,

comme ici l'atome d'hydrogène, il suffit d’inverser le sens 1-2-3 vu de devant.


10


COOH

H2N H

CH3

COOH

H NH2

CH3

COOH

H2N H

CH2SH

Acides aminés : en Fischer si NH2 est à gauche, H à droite quand COOH au sommet : L( D si NH2 est à droite)

Il n’y a pas de relation systématique entre L/D et R/S

Pour une détermination R/S d’un C* représenté selon Fischer, se rappeler que tout ce quiest sur l’horizontale est à l’avant, ce qui est à la verticale est à l’arrière

Sens à inverser (H à l’avant)

La valeur et le signe du pouvoir rotatoire d’une molécule chirale ne peuvent être déterminés qu’expérimentalement (sauf si on connaît le pouvoir rotatoire de son énantiomère) : ne pas confondre L et l (lévogyre), D et d (dextrogyre)

Configuration S Configuration R Configuration R

1 1 1

2 2

23 3

3

44

4

(O,O,O)

(H,H,S)

L-alanine D-alanine L-cystéine

Une détermination de configuration absolue peut également se faire sur une représentation de

Fischer. Voici trois acides aminés représentés selon Fisher. Il faut avant tout bien avoir en tête la

convention de Fisher : tout ce qui est sur l'horizontale est vers l'avant du plan de l'écran et tout ce qui est

sur la verticale est à l’arrière de ce plan. La première étape est de déterminer l’ordre de priorité des

substituants autour du carbone asymétrique. Au premier niveau, on attribue ainsi facilement la priorité 1

pour l'atome d'azote du groupement amino et la priorité 4 pour l'atome d'hydrogène. Le niveau 2 permet

ensuite d'attribuer la priorité 2 au COOH et la priorité 3 au groupement méthyle. Le sens 1-2-3 vu de face

correspond à R, mais l'hydrogène étant sur l’horizontale donc à l’avant, ce sens est à inverser. Ainsi, cette

molécule est-elle de configuration absolue S. Si on compare ensuite la structure du deuxième acide aminé

présenté par rapport au premier, on constate comme différence la seule inversion de deux substituants,

l'hydrogène et le NH2. On est donc en présence de l'énantiomère du premier acide aminé. Enfin, le dernier

acide aminé est également de configuration absolue R. En effet, au deuxième niveau l'atome de soufre de

CH2SH donne la priorité à ce substituant par rapport à COOH, car le numéro atomique du soufre est

supérieur à celui de l'oxygène. Chez les acides aminés, une autre nomenclature peut être appliquée pour

différencier les isomères de configuration. Il s’agit de la nomenclature D/L déterminable uniquement sur

une représentation de Fisher. Un acide aminé est L si NH2 est à gauche et l'hydrogène à droite quand

COOH est au sommet, il est D si NH2 est à droite. Le premier acide aminé présenté est donc la L-alanine,

le second étant la D-alanine et le dernier, la L-cystéine. Il n’y a pas de relation systématique entre les

nomenclatures D/L et R/S, comme on peut le voir puisque la L-alanine est S tandis que la L-cystéine est R.

D'autre part, la valeur et le signe du pouvoir rotatoire d’une molécule chirale ne peuvent être déterminés

qu’expérimentalement, sauf lorsqu'on connait le pouvoir rotatoire de son énantiomère. Il ne faut donc pas

confondre L majuscule et l minuscule que l’on emploie parfois pour lévogyre, de même que D majuscule et

d minuscule que l’on emploie parfois pour dextrogyre.


11


�� Un C* peut être inclus dans un cycle

O ClH

1

42

3

configuration S

�� Cas des composés avec plusieurs C* Chaque carbone peut être R ou S : à une formule développée comportant n C* correspond2n isomères de configuration

* Pour 2 C* : 4 isomères de configuration

S,R R,S

R,R S,S

ÉnantiomèresDiastéréoisomères

R,R,R / S,S,S R,S,R / S,R,S S,S,R / R,R,S R,S,S / S,R,R

* Pour 3 C* : 8 isomères de configuration

Énantiomères ÉnantiomèresÉnantiomères Énantiomères

Épimères = diastéréoisomères qui ne diffèrent que par la configuration d’un seul C*

Un carbone asymétrique peut être inclus dans un cycle comme dans l'exemple de cette

molécule avec un carbone asymétrique de configuration absolue S. Une molécule peut également

posséder plusieurs carbones asymétriques. Chacun de ceux-ci pouvant être R ou S, à une formule

développée comportant n carbones asymétriques correspond donc 2n isomères de configuration. Ainsi,

pour deux carbones asymétriques, on aura donc 22, c’est-à-dire quatre isomères de configuration

correspondant aux quatre possibilités : SR, RS, RR et SS. A l'intérieur de ces quatre stéréoisomères, SR

et RS d’une part, et RR et SS d’autre part, sont des énantiomères. En effet, pour que deux molécules

soient énantiomères, il faut que tous leurs carbones asymétriques soient de configuration absolue

inversée. A ce propos, si on compare les stéréoisomères RS et RR on constate l'inversion au niveau d'un

seul carbone asymétrique. En conséquence, ce ne sont donc pas des énantiomères, mais des

diastéréoisomères. D'ailleurs, on définit les diastéréoisomères comme étant des isomères de configuration

non énantiomères. SR et SS sont également diastéréoisomères, tout comme SR et RR, et enfin RS et SS.

Pour trois carbones asymétriques, on dénombre 23 isomères de configuration, soit huit. Parmi ceux-ci, on

retrouvera quatre couples d’énantiomères. L'isomère de configuration RRR par exemple, est l’énantiomère

du composé présentant une inversion de tous les carbones asymétriques, soit l'isomère de configuration

SSS. Cet isomère RRR est d'autre part le diastéréoisomères de tous les autres isomères de configuration.

Enfin, les diastéréoisomères qui ne diffèrent que par la configuration d’un seul carbone asymétrique sont

appelés des épimères. Ainsi, l'isomère de configuration RRR est l’épimère des isomères RSR, RRS et

SRR.


12


�� Détermination de la configuration absolue sur 2 C*

C

HO H

HO H

CH2OH

OH

2,3,4-trihydroxybutanal

1

4

2

3

C*-2

1er niveau

2ème niveau

C*-3

O,

(O,O,H) (O,C-4,H)

(2S,

(O,C-1,H) (O,H,H)

C-1, C-3, H O, C-2, C-4, H

3S)

L’énantiomère de ce composé est le (2R,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal

Ses diastéréoisomères sont le (2R,3S)- et le (2S,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal

L-érythrose

Exemple du L-érythrose : ose de la série L (OH le plus en bas à gauche)

Nous allons voir un exemple de détermination de la configuration absolue d’un composé à deux

carbones asymétriques, représenté selon Fisher. Ce composé est un ose, le L-érythrose. Pour les sucres,

comme pour les acides aminés, on utilise la nomenclature D/L, applicable sur la représentation de Fischer

des sucres qui fait apparaître la fonction la plus oxydée en haut, ici la fonction aldéhyde CHO. Un sucre est

D si le OH le plus en bas et à droite, il est L si cet OH est à gauche, comme c'est le cas ici. Des numéros

1, 2, 3 et 4 sont attribués aux atomes de carbone pour permettre de les repérer et de nommer le composé

selon des règles de nomenclature internationale. La formule développée de ce composé correspond aux

2,3,4-trihydroxybutanal et fait apparaître deux carbones asymétriques, le carbone-2 et le carbone-3. Nous

allons d’abord déterminer la nature R ou S du carbone en position 2. Au premier niveau, ce carbone est

relié à un oxygène, un hydrogène et aux carbones C-1 et C-3. Grâce aux numéros atomiques, il est alors

possible d'attribuer facilement la priorité 1 au groupement OH et 4 à l'atome d'hydrogène. Par contre il est

nécessaire de passer au deuxième niveau pour différencier C1 et C3, c’est-à-dire aux atomes liés à C1 et

C3 quand on s’éloigne du carbone asymétrique dont on est en train de déterminer la configuration. Le

carbone-1 est relié à un hydrogène et deux oxygènes, l’oxygène doublement lié comptant double. Le

carbone-3 est quant à lui relié à un hydrogène, un carbone et un oxygène. Pour chaque groupe de trois

atomes, on choisit le prioritaire que l’on souligne, ici un oxygène pour chaque groupe. Ces atomes étant

identiques, on passe donc aux atomes suivants venant par ordre de priorité pour chaque groupe, soit un

oxygène pour le premier et un carbone pour le second. L’oxygène ayant un numéro atomique supérieur à

celui du carbone, le carbone-1 sera prioritaire par rapport au carbone-3. En conséquence, le groupement

CHO est donc de priorité 2 tandis que le groupe d’atomes porté par le carbone-3 est de priorité 3. Le sens

1-2-3 lu ici est le sens des aguilles d’une montre, qui est le sens R. Mais l'atome d'hydrogène, de priorité 4,

est sur l’horizontale donc à l’avant. En conséquence, le sens doit être inversé et le carbone-2 est donc de

configuration S. Concernant à présent la configuration du carbone-3, celui-ci est lié à un oxygène, un

hydrogène et aux carbones-2 et -4. Nous pouvons d’ores et déjà attribuer la priorité 1 au groupement OH

et 4 à l'atome d'hydrogène. Pour différencier C2 et C4, il faut passer au deuxième niveau. Le carbone-2 est

relié à un oxygène, un carbone et un hydrogène tandis que le carbone-4 est lié à un oxygène et deux

hydrogènes. Les deux atomes prioritaires de chaque groupe sont tous les deux des oxygènes. On passe

donc aux atomes suivants. Pour le premier groupe, le carbone est prioritaire sur l'hydrogène alors que

dans le deuxième groupe on ne peut choisir qu'un hydrogène. Le carbone-2 aura donc la priorité sur le

carbone-4. Le sens 1-2-3 lu est le sens R, mais avec l'hydrogène sur l’horizontal. Il faut donc inverser le

sens. Ainsi, le carbone-3 est également de configuration S. La nomenclature internationale du L-érythrose

est : (2S,3S)-2,3,4-trihydroxybutanal, son énantiomère étant le (2R,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal et ses

diastéréoisomères le (2R,3S) et le (2S,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal.


13


�� Représentation de l’énantiomère du L-érythrose

C

HO H

OH

HHO

CH2OH

L-érythrose(2S, 3S)-2,3,4-trihydroxybutanal

1

2

3

4

C

H OH

OH

OHH

CH2OH

1

2

3

4D-érythrose

(2R, 3R)-2,3,4-trihydroxybutanal

Pour représenter l’énantiomère d’une molécule selon Fisher, il est relativement simple de

considérer sa structure en miroir.


�Exception à la règle des 2n isomères de configuration pour n C* : composés à 2 C* portant chacun les mêmes substituants

C C

A

B

D

B

A

D

superposables : même molécule = méso (achiral)

COOH

H OH

HHO

COOH

R

R

COOH

HO H

OHH

COOH

S

S

énantiomères chiraux

On devrait dénombrer 22 = 4 isomères de configuration

COOH

HO H

HHO

COOH

S

R

COOH

H OH

OHH

COOH

R

S

C C

OH

HOOC

H

COOH

OH

H

Exemple :

COOH

H

OHOH

H

HOOCRS

COOH

HO H

HHO

COOH

S

R

90°dansle plan

90°dansle plan

Pour ce type de composé, il n’y a que 3 isomères de configuration : RR, SS et SR = RS = mésoL’isomère méso est le diastéréoisomère achiral de RR et de SSMéso : exception à la règle voulant que si il y a au moins un C* dans une structure, alors elle est chirale et douée d’activité optique

Il est important de noter qu'il existe une exception à la règle des 2n isomères de configuration

pour n carbones asymétriques, ce sont les composés possédant deux carbones asymétriques portant

chacun les mêmes substituants et répondant donc à la formule générale suivante. Prenons l'exemple de

ce composé, dont chaque carbone asymétrique porte un hydrogène, un groupement OH et un groupement

COOH. Puisque ce composé comporte deux carbones asymétriques, on devrait pouvoir dénombrer quatre

isomères de configuration, le RR, son énantiomère SS, le SR et son énantiomère RS. Or, si on imprime à

l'isomère RS, une rotation de 180° dans le plan on retrouve exactement le SR. RS et SR ne sont donc pas

des énantiomère puisqu’ils sont superposables, et ne sont en fait que deux représentations d’une seule et

même molécule. Ce type particulier de molécule possédant deux carbones asymétriques porteurs des

mêmes groupes de substituant, l’un étant R et l’autre étant S, sont dit de configuration « méso ». A cette

configuration méso est systématiquement associée une absence d'activité optique. Un composé méso est

donc toujours achiral. Par contre, les isomères RR et SS sont bien des molécules images les unes des

autres dans un miroir et non superposables. Ce sont donc des énantiomères chiraux. En conclusion, pour

ce type de composé, il n’y a donc que trois isomères de configuration : le RR, le SS et le méso, l’isomère

méso étant le distéréoisomère achiral des isomères RR et SS. Les composés méso constituent des

exceptions à la règle voulant que s’il y a au moins un carbone asymétrique dans une structure alors celle-

ci est chirale et douée d’activité optique.


14


�� Propriétés comparées des énantiomères et des diastéréoisomères

Des énantiomères :

possèdent parfois des propriétés biologiques différentes

possèdent des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue, mais de signes opposés :c’est parfois la seule façon de les différencier

NCH3

CH3O

O

C2H5 CH3 H

S R

dextropropoxyphène

H

Cl

possèdent des propriétés identiques dans un environnement symétrique (même point de fusion, même degré de solubilité dans les solvants courants)

NCH3

CH3O

O

C2H5 CH3 H

RS

lévopropoxyphène

H

Cl

analgésique antitussif

163-164°C

- 60,1+ 59,8

Point de fusion

Pouvoir rotatoire

163-164°C

Enantiomères et diastéréoisomères sont des isomères de configuration de propriétés différentes.

Des énantiomères présentent des propriétés identiques dans un environnement symétrique, par exemple

le même point de fusion ou le même degré de solubilité dans les solvants courants. Ils possèdent d'autre

part des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue, mais de signes opposés, ce qui constitue d'ailleurs

parfois la seule façon de les différencier. Ils possèdent également quelquefois des propriétés biologiques

différentes. Par exemple, voici un composé, le dextropropoxyphène, qui est utilisé pour ses propriétés

analgésiques, c’est-à-dire antidouleur. Il comporte deux carbones asymétriques dans sa structure, un de

configuration S l'autre de configuration R. Son point de fusion est de 163°C et son pouvoir rotatoire de

+59,8. Il est donc dextrogyre, d’où son appellation. Son énantiomère est le lévopropoxyphène, qui est

connu quant à lui pour être un antitussif, c’est-à-dire qu’il lutte contre la toux. Par rapport au

dextropropoxyphène, son point de fusion est identique et son pouvoir rotatoire est quasiment le même en

valeur absolue, la petite différence provenant des erreurs expérimentales de mesure. Par contre, on note

bien entendu un signe opposé. Le lévopropoxyphène est donc lévogyre.


�� Propriétés comparées des énantiomères et des diastéréoisomères

Deux diastéréoisomères sont plus différents que deux énantiomères

Aucune relation entre les pouvoirs rotatoires

N CF3

CF3

HON

H*

*

Méfloquine LARIAM (racémique 1R,2S + 1S,2R)antipaludéen

1

2 , HCl

1R,2S 1S,2R 1R,2R 1S,2S

Point de fusion C 276 276 151 151

Pouvoir rotatoire spécifique +33 -33 +54 -54

ααααD20 (dans méthanol)

Deux diastéréoisomères présentent plus de différences que deux énantiomères. Tout d'abord; il

n’y a aucune relation entre leurs pouvoirs rotatoires respectifs. Prenons l'exemple de la Méfloquine, qui est

utilisée pour ses propriétés antipaludiques, et qu'on retrouve dans le médicament appelé LARIAM. Ce

qu'on appelle méfloquine, est en fait un mélange racémique, c’est-à-dire un mélange 50/50 de deux

énantiomères : le 1R,2S et le 1S,2R. Or, lors des travaux de mise au point de cette molécule, les quatre

isomères de configuration ont été synthétisés et analysés. Les isomères RS et SR sont énantiomères et

possèdent donc des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue et de signes opposés. La lettre D et le

nombre 20 associés à l'alpha sont en relation avec les conditions expérimentales appliquées lors de la

mesure. Les isomères RR et SS sont également énantiomères avec eux aussi des pouvoirs rotatoires

égaux en valeur absolue mais de signes opposés. Par ailleurs, les points de fusion des énantiomères sont

identiques. Les isomères SR et RR sont isomères de configuration mais sans être énantiomères. Ce sont

donc des diastéréoisomères, ce qui est confirmé par des pouvoirs rotatoires sans aucune relation et des

points de fusion très différents.


15

3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.2. Isomérie géométrique

�� Cas de la double liaison C=C

C CE

A

B

D

Une double liaison est stéréogène si A ≠ B et D ≠ E � 2 isomères de configuration

H3C CH C

Cl

CH3

C C

H3C Cl

CH3H

C C

H Cl

CH3H3C

1

2 2

1(Z)

1

2 1

2

(E)

� Nomenclature Z et E : utilise la convention C.I.P. pour classer par ordre de priorité les 2 groupements portés par chaque C sp2

Exemple :

Nous avons vu précédemment que pour qu'à une formule développée puissent correspondre

plusieurs isomères de configuration, il fallait qu’elle fasse apparaître au moins un élément stéréogène,

comme par exemple le carbone asymétrique qui est source d’isomérie optique. Nous allons détailler à

présent un élément stéréogène source d’isomèrie géométrique, la double liaison carbone-carbone. Toutes

les doubles liaisons carbone-carbone ne sont cependant pas stéréogènes, la condition pour l'être étant

que les substituants de chacun des carbones sp2 soient différents entre eux. Dans ce cas, à une formule

développée correspondra deux isomères de configuration. Prenons pour exemple cette formule

développée. Un des carbones de la double liaison est porteur d'un groupement méthyle et d'un atome

d'hydrogène, tandis que l'autre est substitué par un méthyle et un atome de chlore. La condition est donc

remplie pour qu’à cette formule développée corresponde deux isomères de configuration, dont voici le

premier. Le second peut être obtenu en permutant deux substituants d’un des carbones de la double

liaison, ici l'hydrogène et le CH3 sur le carbone de gauche. Sachant par ailleurs que les doubles liaisons,

au contraire des simples, n’autorisent pas de rotation, il est impossible de passer d’un isomère à l’autre

grâce à cela. Ces deux isomères sont donc tout à fait isolables. Un de ces isomères sera dit Z, l’autre E.

Cette nomenclature Z/E utilise la convention de Cahn, Ingold et Prélog, basée sur les numéros atomiques

et vue à propos des configurations R/S, pour classer par ordre de priorité les deux groupements portés par

chacun des carbones sp2. Pour le carbone de gauche du premier isomère, entre l'atome d'hydrogène et le

carbone du méthyle, c’est bien sûr le carbone qui a la priorité, l'hydrogène étant donc classé en 2. On

classe ensuite de manière totalement indépendante les substituants du deuxième carbone sp2, le chlore

se retrouvant prioritaire par rapport au CH3. On constate alors que les deux numéros 1 sont du même côté

de la double liaison : cet isomère est dit Z. Pour l’autre isomère, les ordres de priorité sont bien entendu les

mêmes, mais cette fois les numéros 1 sont de part et d’autre de la double liaison : cet isomère est dit E.


16


* Des isomères E et Z ne sont pas des énantiomères

C C

H3C

H

Cl

CH3

CC

CH3

H

Cl

H3C

miroir

(Z)-2-chlorobutène (Z)-2-chlorobutène

Ce sont des diastéréoisomères

C C

H

CH3

H

H3C

cis

* Nomenclature cis / trans

C C

H

CH3

H3C

H

trans

La présence d’une double liaison Z ou E n’est pas source de chiralité

(E)(Z)

Il est important de remarquer que des isomères Z et E ne sont pas énantiomères. En effet, par

exemple l’image dans un miroir d’un isomère Z est toujours Z et la molécule et son image sont

superposables par rotation de 180° hors du plan. La présence d’une double liaison Z ou E n’est donc pas

source de chiralité. Etant isomères de configuration sans être énantiomères, les isomères Z et E sont donc

des diastéréoisomères. A côté de la nomenclature Z et E, il subsiste encore une nomenclature plus

ancienne utilisant les termes cis et trans, et qui n’est plus utilisée aujourd'hui que pour les composés dont

les deux carbones de la double liaison portent chacun un atome d'hydrogène. L’isomère est dit cis quand

les deux hydrogènes sont du même coté de la double liaison et trans quand ils sont de part et d'autre.

Néanmoins, la nomenclature Z/E est plus générale et applicable à tous les cas.


�� Cas des cycles

OHH

HO

H

HOH

HO

Hisomère cis

H

HO

H

OH

isomère cis vu de profil

selon Haworth

H

HO

OH

H

isomère transisomère trans

vu de profilselon Haworth

C2H5

H

HOH

H3C

HH

HO

H

C2H5

CH3

H

C2H5 en trans / CH3 et en cis / OH

La présence d’un cycle peut également être source d’isomérie géométrique, lorsqu'il est

substitué par au moins deux groupements autres que des hydrogènes, comme c'est le cas pour cet

exemple. Par analogie avec la double liaison, si ces substituants sont du même côté que le plan moyen du

cycle, l’isomère est cis. Dans le cas contraire, il est trans. Une autre façon de représenter ces molécules

est de faire appel à la formule de Haworth qui permet de visualiser la molécule de profil et non plus de

face. Les termes cis et trans sont également souvent utilisés pour donner la position relative de deux

substituants l’un par rapport à l’autre. Prenons le cas de cette molécule, de face à gauche et de profil à

droite. Le groupement éthyle en dessous n’est pas du même côté que le méthyle au dessus : ils sont donc

en trans l'un par rapport à l'autre, tandis que l'éthyle et le groupement OH sont quant à eux en cis.


17

H

H

H

H

H

H


H

H

H

H

H

HH

H

HH

H H

cyclohexane

H

HH

H

HH

HH

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

O

HHO

H

HO

H

H

HO

CH2OH

H

OHβ-D-Glucose

�� Cas des cycles

Liaisons axialesLiaisons équatoriales

Les représentations de face et de profil que nous venons de voir sont très utilisées en pratique

parce qu’elles sont simples et permettent de visualiser facilement une configuration cis/trans. Elles ne sont

cependant pas le reflet exact de la réalité, car pour des raisons de stabilité de la molécule, qui ne seront

pas détaillées ici, un cycle à six sommets n’est pas plat et adopte une conformation pliée, qui est appelée

forme chaise. Voici une représentation en trois dimensions d’une forme chaise du cyclohexane, avec les

atomes de carbone en gris et les hydrogènes en blanc. On peut noter, ici en vert, l’axe vertical de la

molécule qui est perpendiculaire au plan moyen du cycle. Le plan moyen, représenté ici en pointillé, est

obtenu en reliant les points situés au centre des six liaisons carbone-carbone. Les liaisons parallèles à

l’axe vertical sont appelées liaisons axiales, les autres sont dites équatoriales. Cette structure, bien

qu’assez rigide, n’est cependant pas complètement figée, car une autre conformation chaise existe à

laquelle on accède par basculement des extrémités. Le passage de l’une à l’autre des conformations

chaise s’effectue des milliers de fois à la seconde à température ambiante. On peut d'autre part remarquer

que dans les deux conformations chaise, chaque carbone porte une liaison axiale et une liaison

équatoriale. Les conformations chaises ne sont pas l'exclusivité des cyclohexanes, et la plupart des cycles

à six sommets adoptent des conformations chaise. Voici l'exemple du béta-D-glucose.


Arborescence de l’isomérie

IsomèresMême formule brute

StéréoisomèresStructures dans l’espace différentes

Isomères de constitution

Isomères de conformationConformations différentes

Isomères de configuration

Diastéréoisomères Enantiomères

Formules développées différentes Formules développées identiques

Configurations

identiques

Configurations

différentes

Non énantiomèresImages l’un de l’autre

dans un miroir

et non superposables

Pour clore ce chapitre, voici une dernière diapositive qui résume l’arborescence des relations

d’isomérie que nous venons de voir.


18

C. Bases structurales de la réactivité desmolécules organiques : effets électroniques

Année 2011-2012


Lyon Est–UE1


1. Effet inductif1.1. Définitions1.2. Effets inductifs – I et + I

2. Mésomérie2.1. Définition2.2. Structures du type >C=O ou >C=N-2.3. Benzène et dérivés2.4. Structure du type C+-C=C2.5. Effet mésomère2.6. Conséquences de la mésomérie sur la réactivité

3. Tautomérie 3.1. Définition3.2. Aldéhyde/cétone et énol

3.3. Imine et énamine

Ce chapitre est consacré aux effets électroniques que l’on peut rencontrer au sein d’une molécule,

effets électroniques qui auront pour conséquence la formation de sites réactifs qui interviendront dans la

réactivité des molécules concernées. Nous détaillerons successivement, l'effet inductif, la mésomérie puis la

tautomérie.

1.Effet inductif 1.1. définitions

Cl CH2 CH2 CH2 CH3

1 2 3 4

δ− δ+δ+

δ+

< < < <δδδδ++++

Dans une molécule polyatomique, le fait qu’une liaison soit polarisée va avoir une répercussion sur la répartition du nuage électronique des liaisons adjacentes

�� Exemples

Cette cascade d’évènements = effet inductif

< <

Li C Cδ−

δ−δ+

Un effet inductif est relayé également par les liaisons doubles ou triples

Plus on s’éloigne du centre perturbateur, et plus l’effet inductif s’amenuise

Plus l’élément perturbateur relié au carbone possède une électronégativité différentede celui-ci, et plus l’effet inductif sera marqué

�� Caractéristiques d’un effet inductif :

IΣΣΣΣ δδδδ++++I ==== Iδδδδ-I IΣΣΣΣ δδδδ-I ==== Iδδδδ+I

Une molécule globalement neutre reste neutre

Concernant l'effet inductif, il faut savoir qu'au sein d'une molécule polyatomique le fait qu’une liaison

soit polarisée va avoir une répercussion sur la répartition du nuage électronique des liaisons adjacentes, c’est-

à-dire sur la localisation dans l’espace des électrons de ces liaisons. C’est le cas, par exemple, de cette

molécule dans laquelle l'atome de chlore, à cause de sa plus grande électronégativité, attire à lui les électrons

de la liaison avec le carbone. Ceci induit la polarisation de la liaison carbone-chlore avec apparition de charges

partielles delta moins pour le chlore et delta plus pour le carbone. Le carbone-1 étant delta plus, il présente

ainsi un certain déficit électronique, qu’il va chercher à combler en attirant à son tour les électrons de la liaison

avec le carbone-2, ce qui va donc induire une charge partielle delta plus sur ce carbone-2. Ce même carbone

va alors attirer les électrons de sa liaison avec le carbone-3, qui va lui-même attirer les électrons de sa liaison

avec le carbone-4. Cette cascade d’évènements, induite par l'atome de chlore, que l’on qualifie donc de centre

perturbateur, est ainsi due à ce qu'on appelle l’effet inductif attracteur du chlore. De la même façon, quand un

atome moins électronégatif que le carbone lui est lié, il repousse les électrons de la liaison vers ce carbone et

va posséder un effet inductif donneur. Les effets inductifs possèdent un certain nombre de caractéristiques.

Tout d’abord, une molécule globalement neutre reste neutre, la somme des deltas plus étant égale en valeur

absolue au delta moins, ou la somme des deltas moins étant égale en valeur absolue au delta plus, selon le

cas. Un effet inductif est également relayé par les liaisons doubles ou triples. Plus l’élément perturbateur relié

au carbone possède une électronégativité différente de celle du carbone, plus l’effet inductif sera marqué.

D'autre part, plus on s’éloigne du centre perturbateur et plus l’effet inductif s’amenuise. En conséquence, la

charge partielle delta plus du carbone-1 de la molécule chlorée prise pour exemple est beaucoup plus grande

que celle du carbone-4.


19

1.Effet inductif 1.2. effets inductifs – I et + I

Li H3C C>

(Mg...)CH C

H3C

H3C>Groupes alkyles :

Effet donneur + I : pour atomes ou groupes d’atomes repoussant les électrons de la liaisonquand ils sont liés au carbone

Effet attracteur – I : pour atomes ou groupes d’atomes attirant les électrons de la liaison quand ils sont liés au carbone

-NO2 N-F -Br -A O CO- I, -Clnitrocation carbonyle

Comme nous l’avons vu précédemment, un effet inductif peut être attracteur, noté –I, ou donneur et

noté +I. Un effet attracteur –I caractérise un atome ou un groupe d’atomes attirant les électrons de la liaison

quand ils sont liés au carbone. C’est le cas des atomes d'halogène comme l'iode, le chlore, le fluore, le brome,

des cations, de l’atome d'oxygène, du groupe carbonyle C=O, du groupe nitro NO2, et de l’atome d'azote. A

l’inverse, un effet donneur +I caractérise les atomes ou les groupes d’atomes repoussant les électrons de la

liaison quand ils sont liés au carbone. C’est le cas par exemple des métaux comme le lithium et le magnésium

et dans une moindre mesure des groupes alkyles, c’est-à-dire des groupes composés d'atomes de carbone et

d'hydrogène.

1.Effet inductif 1.2. effets inductifs – I et + I

� Effet inductif : effet électronique se faisant sentir à distance du centre perturbateur et qui peut intervenir dans la réactivité des molécules

Exemple : permet d’expliquer la force de certains acides carboxyliques

RCOOH � RCOO- + H+

R CO

O H

+ H2O R CO

O

+ H2O

H

F3C-COOH est beaucoup plus acide que H3C-COOH

δ−

δ+

Un effet inductif est donc un effet électronique se faisant sentir à distance du centre perturbateur et

qui peut intervenir dans la réactivité des molécules. Il peut expliquer par exemple la force de certains acides

carboxyliques. Un acide carboxylique est acide car il peut donner par dissociation un proton H+. Cette labilité

de l’hydrogène, c’est-à-dire son aptitude à « partir » est due à la polarisation de la liaison O-H qui rend l'atome

d'hydrogène delta plus, donc « attaquable » par une base, même aussi faible que l’eau. Cette réaction est en

équilibre c’est-à-dire qu’elle peut évoluer dans les deux sens. Plus un acide est fort et plus la réaction est

déplacée vers la droite, c’est-à-dire vers la libération du proton. Tous les acides carboxyliques possédant le

groupement fonctionnel COOH, les différences de force entre les acides seront donc conditionnées par la

nature du groupement R. Plus celui-ci exercera un effet inductif attracteur, plus l'atome d'hydrogène aura une

charge partielle delta plus importante ce qui facilitera d’autant plus sa capture par la base. Par exemple, l'acide

trifluoroacétique, grâce aux effets inductifs attracteurs des trois atomes de fluore qui s’ajoutent, est plus acide

que l'acide acétique.


20

2. Mésomérie 2.1. Définition

Mode de représentation ou d’étude de la structure réelle d’une entité moléculaire dont lesélectrons pi (double liaison) ou n (doublet libre) sont délocalisés

� Mésomérie :

La structure réelle de la molécule est intermédiaire entre deux ou plusieurs structureshypothétiques appelées formes mésomères, ou formes limites

Les formes mésomères comportent des doublets d’électrons localisés, donc susceptiblesd’être représentées par les formules de Lewis habituelles.

Difficile de représenter une telle molécule selon LEWIS

Le deuxième effet électronique détaillé dans ce chapitre a trait à la mésomérie. On définit la

mésomérie comme le mode de représentation ou d’étude de la structure réelle d’une entité moléculaire dont

les électrons pi des doubles liaisons, ou n des doublets libres, sont délocalisées, c’est-à-dire qu’ils ne sont plus

localisés entre deux atomes uniquement pour les électrons pi, ou plus localisés autour d’un atome uniquement

pour les doublets libres. Il devient ainsi difficile de représenter ces molécules selon une représentation de

Lewis, à savoir : un trait entre deux atomes pour une liaison, deux points ou un tiret sur un atome pour un

doublet libre. En fait, la structure réelle de la molécule est intermédiaire entre deux ou plusieurs structures

hypothétiques, appelées formes mésomères, ou formes limites. Ces formes mésomères comportent des

doublets d'électrons localisées, donc représentables selon Lewis.

2. Mésomérie 2.2. Structures du type >C=O ou >C=N-

C O

C N

C O

C N

Structure réelle intermédiaire entre deux formes limites

Hétéroatome = atome autre que C ou H

orbitale inoccupée

orbitale inoccupée

Prenons tout d’abord pour exemple ces deux structures dans lesquelles un carbone est doublement

lié à un oxygène ou à un azote. Ces représentations de Lewis sont celles que l’on utilise en pratique pour

représenter ce type de molécule. Cependant ce ne sont qu’une des formes mésomères de leur structure réelle.

En effet, à cause de la différence d’électronégativité entre le carbone et l'oxygène ou entre le carbone et

l'azote, et en raison de la mobilité des électrons, la structure réelle dans les deux cas est un intermédiaire

entre deux formes limites, la deuxième forme limite résultant du basculement d'un doublet d'électrons sur

l’hétéroatome, un hétéroatome étant un atome autre que carbone ou hydrogène. Le doublet pi dans les formes

de gauche devient ainsi un doublet libre dans les formes de droite, et l’orbitale du carbone participant à la

liaison pi devient inoccupée ce qu'on symbolise par un rectangle. Il faut noter que la flèche

conventionnellement utilisée entre deux formes limites d’une même structure est à double pointe, et qu’il ne

faut pas la confondre avec la double flèche d’un équilibre.


21

2. Mésomérie 2.3. Benzène

* Benzène = C6H6

CH3

CH31

2

CH3

CH31

2

* Cas du 1,2-diméthylbenzène

ou

Benzène = structure conjuguée cyclique très stable. Il ne réagit pas comme les composés à double liaison localisée (cf alcènes)

Délocalisation des électrons sur au moins 3 atomes : conjugaison (donne de la stabilité à la structure)

Un autre exemple est celui du benzène, traditionnellement représenté de la façon suivante. Prenons

plus précisément le cas du 1,2-diméthylbenzène, c’est-à-dire du benzène substitué par deux groupes méthyles

sur des carbones adjacents. Deux isomères sont théoriquement envisageables, en fonction du placement des

doubles liaisons. Or, il n’en est rien car il n’existe qu’un seul 1,2-diméthylbenzène. Les deux structures à

l'écran ne sont en fait que les deux formes mésomères d’une même molécule. En effet, les six carbones du

benzène sont hybridés en sp2 et chacun possède donc au départ une orbitale p pure, représentée ici en vert.

Les formes mésomères du benzène font apparaitre les doublets pi localisés entre deux atomes de carbone, ce

qui correspond au recouvrement deux à deux des six orbitales p. Cependant, du fait que les six orbitales p

sont côte à côte, elles se recouvrent toutes ensemble et non pas deux à deux, délocalisant ainsi les six

électrons pi entre les six atomes de carbone, ce que l’on peut représenter ainsi. Dans le cas ou une

délocalisation des électrons se fait sur au moins trois atomes, comme ici pour le benzène, on parle de

conjugaison. Une conjugaison est un facteur de stabilité pour une molécule. Grâce à cette structure conjuguée

cyclique, le benzène est un composé très stable et ne réagit d'ailleurs pas comme un dérivé linéaire

comportant une double liaison.

2. Mésomérie 2.4. Structure du type C+-C=C

C CH CH CH3

Les trois orbitales p de chacun des 3 carbones sp2 se combinent ensemble pour accueillirles deux électrons ππππ

C CH CH CH3sp2

orbitale vacante-σσσσ-ππππ

Un autre type de structure conjuguée est l’enchaînement carbocation–double liaison, qui est une

conjugaison de type orbitale vacante-sigma-pi. En effet, le carbocation possède une orbitale inoccupée et il est

hybridé en sp2. Les trois orbitales p adjacentes de chacun des trois carbones sp2 vont donc se combiner

ensemble pour accueillir les deux électrons pi. On peut donc écrire une autre forme mésomère pour cette

structure.


22

2. Mésomérie 2.5. Effet mésomère

Un effet mésomère peut être donneur +M, ou attracteur - M

N CH CH CH3

* Exemple d’effet mésomère donneur + M :

N CH CH CH3

N CH CH CH3

δδδδ+δδδδ−

* Exemple d’effet mésomère attracteur - M :

H3C C

O

CH CH2 H3C C

O

CH CH2

δδδδ+

δδδδ−

H3C C

O

CH CH2

� Effet mésomère : conduit à l’apparition de charges partielles

Il se produira dans une structure répondant à plusieurs formes limites et contenant un centre perturbateur attracteur ou donneur d’électrons (ce qui favorisera la délocalisation des électrons pi ou n dans un sens particulier, en respectant toujours la règle de l’octet).

Structure conjuguée

n-σσσσ-ππππ

Structure conjuguéeππππ-σσσσ-ππππ

Dans le cas du benzène, les six électrons se répartissaient de façon homogène, ou symétrique,

autour des six atomes de carbone. Dans certaines structures, la délocalisation n’est plus symétrique et va

conduire à l’apparition de charges partielles sur certains des atomes impliqués. C’est ce qu'on appelle un effet

mésomère. Un effet mésomère peut être donneur, et noté +M, ou attracteur, et noté –M. Il se produira dans

une structure répondant à plusieurs formes limites et contenant un centre perturbateur attracteur ou donneur

d’électrons, ce qui favorisera la délocalisation des électrons pi ou n dans un sens particulier, en respectant

toujours la règle de l'octet. Voici un exemple d’effet +M. Toutes les structures où l’on retrouve un doublet libre

sur un atome lié à un atome doublement lié sont dites conjuguées car doublet n et doublet pi sont délocalisés

sur les trois atomes, ici l’azote et les deux carbones. Cette conjugaison est de type n-sigma-pi. La forme

mésomère suivante est obtenue en faisant basculer le doublet libre de l’atome d'azote sur la liaison adjacente

sous forme de doublet pi, le doublet pi basculant sur le carbone pour devenir un doublet libre. Dans ce type de

délocalisation, l’azote exerce un effet mésomère donneur car dans une conjugaison n-sigma-pi, l’atome

porteur du doublet libre ne peut que le donner pour écrire une autre forme limite. Un effet mésomère est un

effet marqué, plus fort qu’un effet inductif : en cas d’effets opposés comme dans cet exemple, où l’azote a un

effet mésomère donneur, alors que son effet inductif est attracteur de par son électronégativité, c’est toujours

le sens de l’effet mésomère qui l’emporte. Sur une des formes limites, on voit apparaître des charges : plus sur

l'azote, moins sur le carbone. La structure réelle étant intermédiaire entre ces deux formes, cela signifie que le

carbone est porteur d’une charge partielle delta moins, et l’azote d’une charge partielle delta plus, c’est-à-dire

d’un certain déficit électronique par rapport à son environnement habituel. Voici un exemple d’effet mésomère

attracteur –M. Toutes les structures faisant apparaître deux liaisons pi séparées par une liaison simple et une

seule, sont également des structures conjuguées où l’on va observer une délocalisation des électrons pi, cette

conjugaison étant de type pi-sigma-pi. La délocalisation de ces électrons conduit à pouvoir écrire une autre

forme mésomère pour cette molécule, qui fait apparaître une charge moins sur l'oxygène et une charge plus

sur le carbone. Les électrons mobiles sont attirés par l’oxygène qui exerce ainsi un effet mésomère attracteur –

M. La structure réelle de la molécule étant intermédiaire entre ces formes limites, ceci conduit à affecter à

l’oxygène une charge partielle delta moins et au carbone une charge partielle delta plus.


23

2. Mésomérie 2.6. Conséquences de la mésomérie sur la réactivité

* Un effet mésomère est un effet fort (plus fort qu’un effet inductif) et détermine l’apparition de sites réactifs dans la molécule.

* La plupart des réactions chimiques ont lieu entre deux sites de densités électroniquesopposées (+/- ou +/δδδδ- ou δδδδ++++/- ou δδδδ++++/δδδδ-)

Le site réagissant chargé plus ou delta plus est appelé « électrophile »

Le site réagissant chargé moins ou delta moins est appelé « nucléophile »

nucléophileélectrophile

δδδδ+

δδδδ−

H3C C

O

CH CH2N CH CH CH3


Un effet mésomère est un effet puissant, et peut conduire à l’apparition de sites réactifs dans la

molécule. La plupart des réactions chimiques ont lieu entre deux sites de densités électroniques opposées :

plus avec moins, plus avec delta moins, delta plus avec moins ou delta plus avec delta moins. Un site

réagissant chargé plus ou delta plus est appelé électrophile, ce qui veut dire « qui aime les électrons ». Par

exemple, le carbone delta plus dans cette structure vue précédemment est électrophile. Le site réagissant

chargé moins ou delta moins est appelé nucléophile, ce qui veut dire « qui aime les noyaux ». C’est le cas par

exemple du carbone de cette structure conjuguée.

3. Tautomérie 3.1. Définition

Ces formes = formes tautomères, diffèrent par la position d’un hydrogène et d’une ou plusieurs liaisons multiples (= isomères de constitution particuliers)

Tautomérie : concerne les composés qui ont la propriété d'exister sous différentes formes selon la disposition relative de certains atomes

Des tautomères sont capables de se transformer facilement et réversiblement l’un en l’autre, une des formes étant généralement largement prédominante

Les composés concernés sont susceptibles de réagir sous l’une ou l’autre des formestautomères qui coexistent lors de réactions chimiques

Le dernier point abordé dans ce chapitre est le phénomène de tautomérie, qui concerne les

composés ayant la propriété d’exister sous différentes formes selon la disposition relative de certains atomes.

Ces formes sont appelées formes tautomères, et différent par la position d’un hydrogène et d’une ou plusieurs

liaisons multiples. Ils répondent également à la définition des isomères de constitution. Des tautomères sont

capables de se transformer facilement et réversiblement l’un en l’autre, une des formes étant souvent

largement prédominante. Ceci implique que les composés concernés sont susceptibles de réagir sous l’une ou

l’autre des formes tautomères lors de réactions chimiques.


24

3. Tautomérie 3.2. Aldéhyde / cétone et énol

R C

O

C

H

cétone (R = C) ou aldéhyde (R = H)

* Aldéhyde/cétone et énol

R C

O

C

H

R C

O

C

H

R C

O

C

H

En général, la forme aldéhyde/cétone est prépondérante par rapport à la forme énol

* Aldéhyde : * Cétone : H C

O

C C C

O

C

R C

OH

C énol

δδδδ++++

R C

O

C

Hδδδδ++++

Les composés les plus courants pouvant exister sous la forme de plusieurs tautomères sont les

aldéhydes, caractérisés par l’enchaînement H-CO-C, et les cétones, caractérisés par l’enchaînement C-CO-C.

Pour qu’un aldéhyde ou une cétone puissent exister sous deux formes tautomères, il faut nécessairement

qu’un carbone lié au C=O porte au moins un atome d'hydrogène. La forme tautomère est appelée énol, pour

les aldéhydes comme pour les cétones. En comparant ces deux formes, on peut remarquer qu’il y a eu

déplacement d'un hydrogène et de la liaison double. Comment expliquer le passage de l’une à l’autre de ces

deux formes ? Dans un aldéhyde ou une cétone, la présence du C=O induit une structure intermédiaire entre

deux formes limites, comme nous avons vu précédemment. L'hydrogène en bleu est donc fortement delta plus

par l’effet inductif attracteur du carbocation, ce qui va conduire à son attaque par l'oxygène voisin nucléophile

et au basculement du doublet sigma de la liaison carbone-hydrogène pour aller former une liaison pi. On

reconnait dans l'énol ainsi formé une structure conjuguée du type doublet libre sur un atome directement relié

à un atome impliqué dans une double liaison. Une autre forme limite de l’énol peut donc être écrite dans

laquelle l'hydrogène porté par l'oxygène est delta plus par l'effet attracteur de celui-ci, et peut alors être capturé

par le carbone nucléophile pour redonner l’aldéhyde ou la cétone de départ. Les deux formes aldéhyde/cétone

et énol sont donc en équilibre, appelé équilibre céto-énolique, sachant que généralement la forme aldéhyde ou

cétone est largement prépondérante par rapport à la forme énol.

3. Tautomérie 3.3. Imine / ènamine

* Même principe que l’équilibre céto-énolique : équilibre imine - ènamine

R C

O

CR C

O

C

H

énolcétone ou aldéhydeH


R C

N

C

H

imine


R C

N

C

Hènamine

Les imines sont également des composés concernés par la tautomérie, leur forme tautomère

s’appelant énamine. En fonction de la similarité de structure entre un aldéhyde ou une cétone et une imine, le

mécanisme du passage de l’imine à l’énamine et inversement, se calque sur celui de l’équilibre céto-énolique

que nous venons de détailler.


25

D. Alcanes

Année 2011-2012


Lyon Est–UE1


1. Structure et propriétés physicochimiques

2. Nomenclature2.1. Introduction générale à la nomenclature en chimie organique

2.2. Nomenclature des alcanes

3. Réactivité

3.1. Relation structure-réactivité

3.2. Oxydation par le dioxygène

Nous allons, dans les chapitres suivants, étudier les principales familles chimiques, en commençant

par la plus simple : la famille des alcanes. A la suite de quelques données structurales et physicochimiques,

nous nous intéresserons à leur nomenclature, pour finir par quelques propriétés dans le domaine de leur

réactivité.


� Les alcanes sont des hydrocarbures saturés ne contenant que des liaisons σ

� Du méthane C1 au butane C4 : gaz à température ambiante et pression atmosphérique

� Jusqu’à C16 : liquides

� Ce sont ensuite des solides plus ou moins pâteux (paraffines)

� Formule brute : CnH2n+2

Les alcanes sont des hydrocarbures uniquement composés de carbones et d'hydrogènes et ne

contenant que des liaisons sigma. Leur formule brute est du type CnH2n+2. Du méthane en C1 au butane en C4,

ce sont des gaz à température ambiante et pression atmosphérique. Ensuite, jusqu’aux dérivés en C16 ce sont

des liquides, et au delà des solides plus ou moins pâteux.


26

2. Nomenclature 2.1. Introduction générale à la nomenclature en chimie organique

� Nom usuel = nom trivial : consacré par l’usage

Exemple acide acétique, du latin acetum (vinaigre)

* Exemple acide éthanoïque pour l’acide acétique

H3C C

O

O H

acide acétique

� Nom systématique : suit les règles internationales de l’IUPAC

H2C C

O

O H

acide chloroacétiqueCl

* L’IUPAC admet pour la construction des noms systématiques l’utilisation de certainsnoms d’usage universellement admis

* Nomenclature substitutive : Le nom principal (placé à la fin) est celui du composé auquel on a retiré un ou plusieurshydrogènes pour le(les)remplacer par un substituant; le nom du substituant est alors placédevant le nom principal.

La nomenclature des composés organiques est l’ensemble des termes utilisés pour les nommer.

Avant de détailler la nomenclature des alcanes, nous allons voir quelques généralités. On peut rencontrer deux

types de noms : le nom usuel ou trivial, consacré par l’usage, ou le nom systématique, bâti selon des règles

internationales précises édictées par un organisme appelé l’IUPAC. Le nom systématique permet à lui seul de

retrouver la structure d'un composé et toute molécule en possède un. Un exemple de nom d’usage est acide

acétique, composé que l’on retrouve dans le vinaigre. Le nom systématique de l’acide acétique est acide

éthanoïque. La nomenclature des acides sera détaillée dans le chapitre I qui leur est consacré. L’IUPAC admet

cependant, pour la construction des noms systématiques, l’utilisation de certains noms d’usage

universellement admis. Par exemple, ce composé peut être nommé acide chloroacétique. Le nom

systématique fait généralement appel à une nomenclature substitutive : le nom principal, placé à la fin est celui

du composé auquel on a retiré un ou plusieurs hydrogènes pour les remplacer par ce qu'on appelle un

substituant. Le nom de ce substituant est placé devant le nom principal. Le nom principal de l’acide

chloroacétique est acide acétique et on a retiré de celui-ci un hydrogène pour le remplacer par le substituant

chlore.

2. Nomenclature 2.2. Nomenclature des alcanes

� Les alcanes peuvent être linéaires (aucun carbone n’est relié à plus de deux autrescarbones), ou ramifiés (au moins un carbone relié à trois, voire 4 carbones).

� Alcanes linéaires : nom = racine fonction du nombre de carbone(s) + ane

CH4 Méthane

H3C-CH3 Ethane

H3C-CH2-CH3 Propane

H3C-(CH2)2-CH3 Butane

H3C-(CH2)3-CH3 Pentane

H3C-(CH2)4-CH3 Hexane

H3C-(CH2)5-CH3 Heptane

H3C-(CH2)6-CH3 Octane

H3C-(CH2)7-CH3 Nonane

H3C-(CH2)8-CH3 Décane

Voyons plus spécifiquement la nomenclature des alcanes, qui est particulièrement importante parce

qu’elle est la base de la nomenclature de toutes les autres familles chimiques. Les alcanes peuvent être

linéaires, c'est à dire sans qu'aucun carbone ne soit relié à plus de deux autres, ou ramifiés, donc comprenant

au moins un carbone lié à trois ou quatre autres. Le nom des alcanes linéaires est constitué d’une racine, en

gras dans le tableau présenté, en relation avec le nombre de carbones, suivi de la terminaison -ane.


27


� Alcanes ramifiés

H3C CH2 CH2 CH CH3

CH2 CH3A

H3C CH2 CH2 CH CH3

CH2 CH3A

H3C CH2 CH2 CH H

CH2 CH3hexane

Exemple de A :

Noms des substituants :

alcane alkyle

-CH3

dérive du méthane :méthyle

-CH2-CH3

dérive de l'éthane :éthyle

-CH2-CH2-CH3

dérive du propane :propyle

etc

1 carbone 2 C 3 C

Substituants R :

A = hexaneméthyl

La chaîne de carbones la plus courte est considérée comme le substituant de l’alcane linéaire le plus lourd (chaîne la plus longue de carbones).

Pour les alcanes ramifiés, la chaîne de carbones la plus courte est considérée comme le substituant

de l’alcane linéaire le plus lourd, donc de la chaîne la plus longue de carbones. Nous allons prendre l’exemple

du composé A. La chaîne linéaire la plus longue que l’on puisse rencontrer est celle-ci, et elle est formée de

six carbones. Attention, linéaire ne veut pas dire représentée en ligne droite. La chaîne la plus longue étant

formée de six carbones, le nom principal de A est hexane. Le composé A dérive donc de l’hexane, auquel on a

retiré un atome d'hydrogène pour le remplacer par le substituant CH3. Le nom des substituants dérive du nom

de l’alcane correspondant et on parle de substituant alkyle. Ce substituant CH3 dérive du méthane CH4 : on

l'appelle donc méthyle. De même, le substituant CH2CH3 dérivant de l’éthane, on l’appelle éthyle, le substituant

CH2CH2CH3 est un propyle parce qu’il dérive du propane et etc... Pour revenir au composé A, le substituant est

un méthyle, nom qui figurera en préfixe du nom principal hexane.


H3C CH2 CH2 CH CH3

CH2 CH3

Il faut numéroter la chaîne de carbones pour spécifier la place du méthyle dans A

A = méthylhexane

Numérotation de la chaîne principale de carbones d’un bout à l’autre,

1 2 3 4

5 6

H3C CH2 CH2 CH CH3

CH2 CH3

6 5 4 3

2 1

3-

le sens de numérotation étant choisi de façon à attribuer le plus petit chiffre possible au carbone portant le substituant

H3C CH CH2 CH2

CH2 CH3

CH3

méthylhexane

A est donc un méthylhexane, mais ce composé là également. Pour les différencier, il est donc

nécessaire de spécifier la place du méthyle sur la chaîne hexane, et pour cela la numéroter. La numérotation

sera effectuée d’un bout à l’autre de la chaîne, ici donc de un à six. Deux numérations sont envisageables à ce

stade. Le sens de numérotation doit être choisi de façon à attribuer le plus petit chiffre possible au carbone

portant le substituant. La numérotation de gauche attribue le n°4 à ce carbone, tandis que celle de droite lui

attribue le n°3. Trois étant inférieur à quatre, c’est cette dernière numérotation qu'il faut choisir. Dans le nom

d'un composé, les numéros de position des substituants sont appelés indices de position, et figurent avant le

nom du substituant en étant suivi d’un tiret. Le composé A est donc le 3-méthylhexane.


28


H3C CH2 CH CH CH2

CH2

CH2 CH3

CH3 CH3 B

* La chaîne linéaire la plus longue = 7 carbones :

* substituants de la chaîne principale

nom principal : heptane

R = CH3 : méthyle (Me) R’ = CH2CH3 : éthyle (Et)

* Indication de la position des substituants sur la chaîne principale

B : 4-éthyl-3-méthylheptane

H3C CH2 CH CH CH2

R'

CH2 CH3

R

La chaîne principale est numérotée d’un bout à l’autre, le sens de numérotation est choisi de façonà attribuer les chiffres les plus faibles possibles aux carbones portant les substituants

Les indices de position pour chaque numérotation sont classés par ordre croissant. L’ensemble (N1, N2,...Ni,... ) est considéré plus faible que l’ensemble (M1, M2,...Mi,... ) si le premier Ni différent de Mi est plus petit que Mi

H3C CH2 CH CH CH2

Et

CH2 CH3

MeB

3 < 4 ensemble (3, 4)préféré

1 2 3 4 5 6 7 ensemble (3, 4)

1234567 ensemble (4, 5)

Nous allons voir comment nommer un alcane possédant plusieurs substituants grâce à l’exemple du

composé B. Pour nommer celui-ci, il faut tout d’abord trouver la plus longue chaîne linéaire de carbones, qui

donnera le nom principal. Cette chaîne étant constituée de sept carbones, le nom principal est donc heptane.

Les substituants de cette chaîne principale sont un méthyle, souvent abrégé Me, et un éthyle, souvent abrégé

Et. Il reste ensuite à indiquer la place des substituants sur la chaîne heptane. Celle-ci sera donc numérotée

d’un bout à l’autre, le sens de numérotation veillant à attribuer les chiffres les plus faibles possibles aux

carbones portant les substituants. Pour cela, des indices de position pour les deux numérotations sont classés

par ordre croissant. L’ensemble N1, N2, Ni, …….., est alors considéré plus faible que l’ensemble M1, M2, Mi si le

premier Ni différent de Mi est plus petit que Mi. Pour le composé B, la numérotation de gauche à droite donne

l’ensemble (3,4) tandis que la numérotation de droite à gauche donne l’ensemble (4,5). Le premier chiffre

différent de ces deux ensembles est le premier, et comme trois est inférieur à quatre, l’ensemble 3,4 est

préféré et la numérotation en vert sera adoptée. Le composé B est donc le 4-éthyl-3-méthylheptane. Dans ce

nom, 4-éthyl est placé avant 3-méthyl car les substituants doivent être classés par ordre alphabétique : le e

pour éthyl passant ainsi avant le m de méthyl.


* Quand le même substituant apparaît plusieurs fois : di, tri, tétra, penta, hexa, hepta, octa, nona etc

H3C CH2 CH CH CH CH2 CH3

1 2 4 5 6 7

CH3

3

CH3

4-éthyl-3,5-diméthylheptane

C2H5

* Noms d’usage de quelques substituants alkyles :

H3CCH

H3C

iso-propyle ou i-Pr

CH3

CH3C

CH3

tert-butyle (t-Bu)

�� Substituants autres qu’alkyles :

* Halogènes : Cl : chloro, F : fluoro, Br : bromo, I : iodo

FCH2 CHCl21,1-dichloro-2-fluoroéthane

* NO2 : nitro et NO : nitroso

H5C2-NO2 nitroéthane

D'autre part, si le même substituant apparaît plusieurs fois, on ne répète pas son nom. On place

devant celui-ci le préfixe multiplicateur approprié : di pour deux, tri pour trois, tétra pour quatre, penta pour

cinq, hexa pour six, et etc... Voici un exemple avec le composé suivant qui est le 4-éthyl-3,5-diméthylheptane

et pour lequel on remarque que éthyl est placé avant diméthyl. Cela est normal, car les préfixes multiplicateurs

ne sont pas pris en compte pour du classement par ordre alphabétique. Il faut signaler également que

quelques substituants particuliers portent des noms d’usage, comme par exemple le groupement iso-propyle et

le groupement tert-butyle. Quelques atomes ou groupe d’atomes, sans être des alkyles, sont néanmoins

toujours considérés en nomenclature comme des substituants et non comme des fonctions chimiques. Il s’agit

par exemple des halogènes, nommés respectivement en tant que substituants : chloro, fluoro, bromo et iodo.

Vous avez l’exemple ici du 1,1-dichloro-2-fluoroéthane. De la même façon, le groupement NO2 est appelé nitro

et le groupement NO nitroso.


29

3. Réactivité 3.1. Relation structure-réactivité

� Alcanes : liaisons fortes σσσσ, C-C ou C-H, très peu polarisées

Très peu réactifs

X Y X + Y

Coupure homolytique avec formation de radicaux

Réactions radicalaires : coupure C-H sous ∆, ou R

En ce qui concerne la réactivité des alcanes, leurs différentes liaisons sigma sont solides et très peu

polarisées. Leur structure ne comporte donc pas de sites réactifs delta plus ou delta moins. Ils sont de ce fait

très peu réactifs et les réactions qui pourront être envisagées auront lieu par coupure homolytique de liaisons,

c’est-à-dire que chacun des atomes liés va récupérer un des électrons de la liaison, conduisant ainsi à la

formation de ce qu'on appelle des radicaux. Les radicaux sont des entités neutres possédant un seul électron

dans une des orbitales de la couche de valence, cet électron étant symbolisé par un point. Ce sont des entités

très peu stables. Les réactions que l’on peut envisager sur un alcane seront donc de nature radicalaire avec

coupure de liaisons carbone-hydrogène soit sous l’influence de la chaleur, symbolisée par un delta majuscule,

soit sous l’influence d’un radical préexistant.

3. Réactivité 3.2. Oxydation par le dioxygène

� A température ambiante : réaction très lente

O O

C O O+ radical alkylperoxyle

C O O + CH

peroxyde

mélanges complexesC O O H C O OH+lumière

ou ∆∆∆∆

� L’ oxydation à température ambiante présuppose la présence d’un radical alkyle à l’état de traces

Relativement stable, ne réagit pas avec les molécules organiques (alcanes par exemple)

C

C O O

C O O H + C

La réaction des peroxydes est explosive : source d’accidentsRéactions exothermiques : produisent de la chaleur

Un exemple de réaction radicalaire des alcanes est leur réaction d’oxydation par le dioxygène. A

température ambiante, il s’agit d’une réaction très lente. Le dioxygène possède une structure de biradical, avec

un électron célibataire pour chaque oxygène. Une structure biradicalaire de ce type ne peut pas, pour des

raisons électroniques, réagir avec les molécules organiques. Le dioxygène est donc une entité stable. Par

contre, la structure biradicalaire de l’oxygène réagit avec les monoradicaux, et la réaction d’oxydation des

alcanes présentée ici présuppose l’existence d’un radical alkyle à l’état de traces. La réaction du dioxygène

avec ce radical alkyle conduit à la formation d’une liaison covalente carbone-oxygène. Le radical alkylperoxyle

obtenu réagit à son tour avec l’alcane en provoquant la rupture homolytique d’une liaison carbone-hydrogène.

On obtient ainsi un alkylhydroperoxyde et un radical alkyle, qui peut de nouveau entrer en réaction avec une

autre molécule de dioxygène. La réaction peut ainsi s’auto-entretenir. En ce qui concerne le peroxyde formé, il

contient une liaison O-O fragile, qui se coupe très facilement de façon homolytique sous l’influence de la

lumière ou d’une hausse de température. Cette coupure conduit à d’autres radicaux oxygénés, qui eux-mêmes

réagiront pour former des mélanges complexes. Ces réactions sont exothermiques. La réaction des peroxydes

étant explosive, elle peut être à l’origine d’accidents lors du stockage prolongé d’alcanes. La formation de

peroxydes par réaction radicalaire à partir du dioxygène est également à l’origine de certaines pathologies, et

du vieillissement des tissus.


30

3. Réactivité 3.2. Oxydation par le dioxygène

� A très haute température : combustion des alcanes

CH4 + 2 O2

∆CO2 + 2H2O

Enfin, il faut tout de même signaler que les alcanes ont un rôle économique majeur en tant que

source d’énergie. En effet, la combustion des alcanes est une réaction radicalaire qui suit plus ou moins les

étapes précédemment décrites, même si tout le mécanisme n’est pas entièrement connu. Le chauffage initial

des alcanes produit des radicaux alkyles en grand nombre, la réaction s’accélère, s’auto-entretient et produit

de l’énergie en grande quantité.


31

E. Alcènes

Année 2011-2012


Lyon Est–UE1



2. Nomenclature

3. Réactivité

3.1. Relations structure-réactivité

3.2. Formation d’alcools par hydratation en milieu acide3.3. Oxydations

3.3.1. Formation de diols en passant par un époxyde

3.3.2. Formation de diols par oxydation par KMnO4 dilué dans l’eau

Ce chapitre est consacré à la famille des alcènes pour lesquels nous verrons successivement la

structure et quelques propriétés physicochimiques, la nomenclature puis quelques exemples de réactivité.


� Hydrocarbures «insaturés », avec une double liaison : formule brute CnH2n

� De C2 à C4 : gaz à température ambiante, puis liquides jusqu’en C19

� Certaines formules développées correspondent à deux isomères de configuration (E et Z)

� Géométrie plane de l’état sp2

C CC C

Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés. Un composé insaturé comporte au moins une liaison

pi ou un cycle dans sa structure, ce qui a pour conséquence qu’il ne contient pas le nombre maximum

d’hydrogènes par rapport au nombre de carbones. La présence d’une double liaison correspond à la formule

brute générale CnH2n. Comme nous l'avons vu dans le chapitre A, les deux carbones de la double liaison sont

sp2 et on peut les représenter avec toutes les liaisons sigma dans le même plan que l’écran, ou avec deux

liaisons sigma à l’arrière et deux autres à l’avant dans un plan perpendiculaire au plan de l’écran. D'autre part,

souvenons-nous que certaines formules développées correspondent à deux isomères de configuration E et Z,

ce qui a été évoqué dans le chapitre consacré à l’isomérie. Enfin, de deux atomes à quatre atomes de

carbones, les alcènes sont des gaz à température ambiante et pression atmosphérique, puis ils sont liquides

jusqu’en C19.


32

2. Nomenclature

�� Alcènes linéaires : nom = racine + ène

Nom principal : celui de la chaîne de carbones la plus longue contenant la double liaison.

�� Alcènes ramifiés : nom des substituants-nom principal

Numérotation avec le plus petit chiffre pour la double liaison (priorité d’une fonction sur substituants)

H2C CH2

éthène = éthylène

H3C HC CH CH3

but-2-ène

H2C CH CH2 CH3

but-1-ène

1 2 3 4 1 2 3 4

H3C H2C HC C CH

CH2

CH2 CH2

H3C CH3

1 2 3 4 5 6 7

1234567

CH3

8

8

4-éthyl-3-méthyloct-4-ène

(et non pas 5-éthyl-6-méthyloct-4-ène)

3-méthylbut-1-ène(et non pas 2-méthylbut-3-ène)

CH3 HC HC CH2

CH3

1234

1 2 3 4

� Noms usuels pour certains groupements :

H2C CH CH2 R

allyle

H2C CH R

vinyle

Composés éthyléniques = alcènes

H2C CH CH3

propène

Dans le domaine de la nomenclature, le nom des alcènes linéaires est calqué sur celui des alcanes,

mais en remplaçant le suffixe ane par ène, terminaison spécifique de la famille des alcènes. Le composé en C2

est l’éthène, plus couramment appelé de son nom usuel éthylène, d’où le qualificatif de composés

éthyléniques souvent utilisé pour désigner les alcènes. Le terme suivant, en C3, est le propène. A partir du

butène, il devient nécessaire de spécifier la place de la double liaison. La chaîne de carbone est alors

numérotée d’un bout à l’autre, et l’indice de position du premier carbone sp2 rencontré est indiqué entre la

racine et ène. Le sens de numérotation est celui qui attribue le plus petit indice possible de position au premier

carbone sp2 rencontré. Le nom des alcènes ramifiés est également bâti sur le même principe que celui des

alcanes ramifiés, le nom des substituants étant indiqué avant le nom principal. Le nom principal est issu de la

chaîne carbonée la plus longue contenant la double liaison, et sa numérotation s’effectue en attribuant le plus

petit chiffre à la double liaison selon la règle générale qui veut que la fonction, ici la double liaison, ait toujours

la priorité sur les substituants. Lorsque plusieurs possibilités subsistent, on veillera alors à ce que l’ensemble

des indices de position des substituants soit le plus faible possible, comme pour les alcanes. Dans cet

exemple, la plus longue chaîne de carbone contenant la double liaison comprend quatre carbones. La

numérotation de gauche à droite, en violet, attribue l'indice 3- au premier carbone sp2 rencontré, et l'indice 2-

au carbone qui porte le substituant méthyle. La numérotation de droite à gauche, en vert, attribue quant à elle

l'indice 1- au premier carbone sp2 rencontré et 3- au carbone portant le CH3. Un étant inférieur à trois, c’est

donc la numérotation en vert qui doit être retenue. Voici un autre exemple. La chaîne la plus longue contenant

la double liaison est une chaîne en C8. Ce composé dérive donc de l’octène, substitué par un méthyle et par

un éthyle. Quel que soit le sens de numérotation, l'indice 4- est attribué au premier carbone sp2 rencontré. La

numérotation en violet attribue l’ensemble (5,6) pour la position des deux substituants, tandis que la

numérotation en vert leur attribue l’ensemble (3,4). C’est donc cette dernière numérotation qui doit être

retenue. Ce composé est ainsi le 4-éthyl-3-méthyloct-4-ène. Notons enfin que certains groupements

comportant une double liaison sont parfois désignés selon un nom usuel. Par exemple le groupe CH2=CH est

appelé vinyle, et le groupe CH2=CH-CH2 est appelé groupe allyle.


33

3. Réactivité 3.1. Relations structure-réactivité

�� Polarisation de la double liaison

C CR2

R3

R4

R1C C

H

R3

H

R1

C CR2

R3

H

R1C C

R2

H

H

R1>

δδδδ- δδδδ

+δδδδ-δδδδ+

�� Electrons π π π π C=C : nucléophiles

C C + A Bδ+ δ−

Réactif à potentialité électrophile

C

A

C

B

Non polarisée(configuration E

égalementnon polarisée)

Non polarisée

* effet + I des alkyles

δ+δ−

* mésomérie

Réaction d’addition : ajout d’atomes sans en retrancher aucun

Réaction d’addition électrophile

Quelques aspects de la réactivité des alcènes peuvent être déduits de leur structure. En effet, la

présence du doublet d’électrons pi de la double liaison leur confère un caractère nucléophile : un alcène

réagira donc avec les réactifs à potentialité électrophile, chargé plus ou delta plus, et les possibilités d’addition

électrophile seront nombreuses. Il est à noter qu’une réaction d’addition en chimie répond à une définition

précise : lors de cette réaction, il doit y avoir un ajout d'atomes à une molécule sans lui en retrancher aucun.

D’autre part, dans le cas de cette réaction sur les alcènes, celle-ci est qualifiée d’électrophile même si le réactif

A-B comporte la fixation de B delta moins, car l’élément moteur est la réactivité des électrons pi nucléophile

avec la partie électrophile A de A-B. Quant au sens de l’addition de A-B, c’est-à-dire sur quel carbone va se

greffer A et sur quel carbone va se greffer B, celui-ci sera conditionné par la polarisation éventuelle de la

double liaison, l’atome A delta plus se greffant préférentiellement sur le carbone delta moins. Cette polarisation

est fonction essentiellement de deux facteurs. Le premier est l’effet inductif donneur des groupes alkyles, qui a

tendance à repousser les électrons pi sur le carbone sp2 terminal. Ainsi, dans le premier exemple présenté,

cet effet conduit-il à l'apparition d'une charge partielle delta moins sur ce carbone, ce qui implique alors que

l’autre carbone soit delta plus. La présence d’un nombre inégal de groupes alkyles sur les deux carbones sp2

conduit également à une double liaison polarisée, alors qu’un nombre égal de groupes alkyles sur chacun des

carbones sp2 aboutit à une liaison non polarisée, même si ces groupes alkyles sont de nature différente.

Notons que la configuration Z ou E éventuelle de la double liaison n'a aucune répercussion sur ce phénomène.

Le deuxième facteur influençant la polarisation d’une double liaison est la participation éventuelle des électrons

pi à une délocalisation d’électrons par mésomérie, aspect que nous allons détailler dans la diapositive

suivante.


34


* mésomérie

C COCH3

� Rappel :

Les doubles liaisons du benzène restent inertes dans les réactions présentées dans ce chapitre

Stabilité du benzène C6H6 et du groupe dérivé phényle (-C6H5)

C COCH3

δδδδ+ δδδδ

-

C COCH3 C C

OCH3

Par exemple, dans cette structure, on peut reconnaître une conjugaison, avec possibilité de

délocalisation d’un doublet libre de l'atome d'oxygène et des électrons pi. Ceci conduit à l’écriture de cette

forme mésomère puis éventuellement d’une autre par déplacement des électrons pi sur l’oxygène qui récupère

ainsi ses deux doublets libres habituels. Dans la structure réelle de la molécule, qui est un intermédiaire des

différentes formes limites, on peut alors affecter une charge partielle delta plus à un des carbones de la double

liaison et delta moins à l’autre. Enfin, rappelons-nous que grâce à sa structure cyclique conjuguée très stable,

les doubles liaisons du benzène et de ses dérivés restent inertes dans les conditions qui vous seront

présentées dans ce chapitre. Précisons que le terme phényle que vous voyez apparaître ici est le nom du

benzène quand il est le substituant d’une chaîne principale.

HC C C C

H

3. Réactivité 3.2. Formation d’alcools par hydratation en milieu acide

C C C C

HHO

Catalyseur : acide sulfurique H2SO4, acide chlorhydrique HCl…

H2SO4 H + HSO4 et HCl H + Cl

dans l’eau

� Conversion fonctionnelle :

C C

OH H

H

�� Mécanisme

- HC C

HO HH O H

carbocation

H2O / H cat.alcool

La première réaction des alcènes que nous allons détailler est la formation d’alcools en milieu acide.

Il s’agit bien d’une réaction d’addition car on ajoute H et OH à l’alcène sans lui retrancher aucun atome. La

conversion fonctionnelle est le passage de la fonction alcène à la fonction alcool. C’est une réaction qui

s’effectue dans l’eau en présence d’une catalyse acide, c’est-à-dire en présence de proton H+. Concrètement,

le catalyseur peut être l’acide sulfurique H2SO4 ou l’acide chlorhydrique HCl, qui sont tous les deux dissociés

dans l’eau pour libérer H+. Le propre d’un catalyseur est d’être utilisé en très petite quantité et de ne pas être

consommé par la réaction, mais utilisé lors de celle-ci puis restitué au milieu réactionnel. Cette réaction

d’addition d'eau sur une double liaison est également appelée réaction d’hydratation. Le mécanisme de cette

réaction est le suivant : les électrons pi nucléophiles attaquent l'orbitale inoccupée du H+ électrophile, ce qui

conduit à un carbocation. L'eau, nucléophile grâce à l’oxygène, vient alors se fixer sur le carbocation formé. La

structure obtenue se stabilise alors en perdant un atome d'hydrogène sous la forme d'un proton H+. Notons

dès à présent, que pour des raisons de simplification, les orbitales inoccupées ne seront que rarement

mentionnées dans les prochains mécanismes réactionnels qui seront détaillés dans ce cours.


35


�� Etude de la régiochimie :

CH CH2H3CH / H2O

réaction régiosélective

+CHH3C

OH

CH3 CHH3C

H

CH2 OH

propan-2-ol majoritairepropan-1-ol, traces

Fixation préférentielle de H+ sur le carbone δδδδ-

H3C CH CH2H+

H3C CH CH3

H O HH3C CH CH3

OH H

H-H3C CH CH3

OHδδδδ++++ δδδδ−−−−

Si la double liaison de l’alcène n’est pas polarisée, on obtient un mélange en quantité équivalente : réaction non régiosélective

propène

H+ / H2O+CH CHH3C CHH3C

OH

CH2 CH2H3C CH

OH

C3H7C3H7 C3H72

Règle de Markovnikov : sur une double liaison, fixation de H+ sur le carbone le plus hydrogéné

Nous allons étudier la régiochimie de cette réaction, c’est-à-dire le sens de l’addition de H et de OH,

en prenant pour substrat le propène. L’hydratation de la double liaison du propène en milieu acide conduit à

l’obtention de deux alcools régioisomères : le propan-2-ol majoritaire et le propan-1-ol très minoritaire. Un sens

d’addition est donc privilégié puisque les deux régioisomères sont obtenus en quantités différentes. On parle

dans ce cas d’une réaction régiosélective. Cette régiosélectivité provient du fait que la double liaison du

propène est polarisée, le carbone portant le groupe alkyle CH3 étant delta plus. La fixation de H+ se fait alors

préférentiellement sur le carbone delta moins. Sur un alcène, la fixation de H+ se fait donc très généralement

sur le carbone le plus hydrogéné, et c’est ce qu’on appelle la règle de Markovnikov. H2O se fixe ensuite sur le

carbocation pour conduire au propan-2-ol selon le mécanisme vu précédemment. Lorsque la double liaison de

l’alcène n’est pas polarisée, on obtient un mélange en quantité équivalente et la réaction est alors non

régiosélective.

C CMeEt

EtMe

H

+ C CMe Et

EtMe

H


C CMe

EtEt

MeH+

OH

+C C

Me Et

Et Me

H OH3 3

3R, 4R 3S, 4R

�� Etude de la stéréochimie : exemple du (E)-3,4-diméthylhex-3-ène

C CMe Et

Et Me

OH2

OH2 OH2

OH2

C CMe Et

Et Me

H OH

C CMe

Et

Et

Me

H

OH

+

3R,4S

3 3

3S,4S

- HH- H-

H-

Obtention des 4 stéréoisomères du 3,4-diméthylhexan-3-ol, mélange 50/50 des deux racémiques

(E)

100

50 50

25 25 25 25

H

C CMe Et

Et Me

H OHHOH

C C

Me

EtEt

Me

OHH* *

343,4-diméthylhexan-3-ol

A présent, étudions la stéréochimie de la réaction d’hydratation en milieu acide à travers l’exemple

de ce composé. Cet alcène étant symétrique, la question du sens de l’addition de H et de OH ne se pose pas

puisqu’on obtient la même formule développée dans les deux cas. Par contre, la réaction conduit à une

formule développée d’alcool contenant deux carbones asymétriques, ce qui correspond donc à quatre

isomères de configuration. Etudier la stéréochimie d’une réaction veut dire étudier quels sont les isomères de

configuration obtenus quand on crée, comme ici, des éléments stéréogènes lors de cette réaction. Pour cela, il

faut examiner le mécanisme de la réaction. Comme nous l’avons vu, le premier évènement est la fixation de H+

pour conduire au carbocation. Cette fixation se fera à égalité de chance sur le dessus ou sur le dessous de

l’alcène. Ainsi, si l’on part de cent molécules de l’alcène, on aura un mélange 50/50 des deux carbocations

représentés. Le deuxième temps du mécanisme réactionnel consiste en la fixation d’H2O sur le carbocation.

Or, un carbocation étant sp2, il est plan et cette fixation se fera donc à égalité de chance sur le dessus ou sur

le dessous de celui-ci. Chaque carbocation représenté ici conduira donc à un mélange 50/50 de deux

isomères, soit à partir des 50 structures à 25 molécules de chaque isomère. On obtient donc un mélange

équimolaire constitué de 50 % du mélange racémique RS/SR et 50 % du mélange racémique RR/SS.


36

3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.1. Formation de diols en passant par un époxyde

� 1ère étape : formation de l’époxyde par oxydation de l’alcène à l’aide d’un peracide

C C C C

O

RCO3H

époxyde

+ RCOOH+

acide carboxyliqueperacide

C CH

Me

H

Me

O

C CMe

H

H

Me

O

+ C CMe

H

H

MeO

Stéréochimie de la réaction : Exemple du (E)- et (Z)-but-2-ène

C C

Me

H

H

MeRCO3H

(E)

S S

R R

racémique

C C

H

Me

H

MeRCO3H

(Z)

R Sméso

La configuration du produit de départ a un impact sur la configuration du produit obtenu : � réaction stéréospécifique

On utilise souvent l’acide peracétique H3C C

O

O OH

Nous allons maintenant étudier deux réactions d’oxydation des alcènes, la première étant la

formation de diols en passant par un époxyde. La première étape consiste donc en la préparation d’un dérivé

que l’on appelle époxyde, c'est-à-dire d’un cycle à trois sommets comprenant un atome d’oxygène et deux

atomes de carbone. Le composé oxydant utilisé est un peracide RCO3H qui transfère un oxygène sur la

double liaison de l’alcène. La stéréochimie de la réaction peut s’étudier en utilisant l’exemple du (E) et du (Z)-

but-2-ène. Sur le (E)-but-2-ène, le peracide peut transférer un atome d’oxygène sur le dessus ou sur le

dessous de la double liaison, ce qui conduit à l’obtention des énantiomères SS et RR sous la forme d’un

mélange racémique. A partir du (Z)-but-2-ène, le transfert de l’oxygène sur l’une ou l’autre des faces conduit

au dérivé RS et SR, c’est-à-dire en fait à un seul composé puisqu’il s’agit d’un composé méso. Ainsi, à partir

des configurations E ou Z du but-2-ère, on obtient la même formule développée d’époxyde, mais l’alcène E

mène aux époxydes RR/SS alors que l’alcène Z conduit au seul époxyde méso. On constate donc que la

configuration du produit de départ, ici l’alcène, a un impact sur le résultat de la réaction dans le domaine de la

stéréochimie. C’est exactement le cas de figure qui est rencontré dans les réactions qui sont qualifiées de

«stéréospécifiques», dont cette réaction d’oxydation fait donc partie.

3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.1. Formation de diols en passant par un époxyde

�� 2ème étape : ouverture de l’époxyde par NaOH dans l’eau

Mécanisme concerté de type « anti »

C CH

Me

H

MeOH

HO

C CH

Me

H

Me

O

méso

CC

Me

Me

H

HO

OH

H+

RR SS

Na OH

H2O

Exemple

C C

O

NaOHδ+ δ+

δ−

OHNa

C C

O

OH

état de transition

Na

C C

O

OH

Na

C C

HO

OHH2O

H O H + NaOH

diol

La deuxième étape de la réaction de formation de diols est l’ouverture de l’époxyde par NaOH,

réalisée dans l’eau. Un époxyde est caractérisé par le fait que les deux atomes de carbones liés à l’oxygène

sont delta plus, donc électrophiles. De plus, les angles de liaisons intracycliques de l’époxyde sont de 60°,

donc très éloignés de l’angle normal sp3. Ce phénomène déstabilise de manière importante les époxydes. Un

nucléophile comme l’anion hydroxyde HO- peut en conséquence très facilement attaquer un des deux

carbones électrophiles, ce qui provoque l’ouverture du cycle. L’intermédiaire formé est ensuite protoné par

l’eau pour conduire au diol. Cette réaction passe par un état de transition dit concerté, ou tout se passe en

même temps, les liaisons se rompant au fur et à mesure que les autres se forment. Pour des raisons

d’orientation des orbitales réagissant dans l’état de transition, le nucléophile ne peut attaquer que sous un

angle bien particulier : à l’exact opposé de la liaison qui se rompt. Ce type de mécanisme est dit «anti» et sera

vu plus en détail dans le chapitre F. Appliquons à présent le mécanisme de cette deuxième étape à l’exemple

de cet époxyde méso : l’attaque par HO- du carbone de droite du cycle conduit au diol RR, tandis que

l’attaque du carbone de gauche aboutit au diol SS.


37

3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.2. Formation de diols par KMnO4 dilué dans l’eau

� Conversion fonctionnelle

KMnO4 = Permanganate de potassium

� Mécanisme : exemple du (Z)-et du (E)-but-2-ène

C C

H

Me

H

MeKMnO4

Butane-2,3-diol méso(Z)-But-2-ène

H2OC CH

Me

H

Me

O O

MnO O K

C CH

Me

H

Me

HO OH

Complexe instable

C CKMnO4

H2O C C

HO OH

+ C C

HO OH

La fixation des deux O se fait du même côté de la double liaison, dessus ou dessous à égalité de chance

L’oxydation d’un alcène peut également être réalisée à l’aide du permanganate de potassium,

KMnO4 en solution diluée dans l’eau, ce qui conduit là aussi à un diol. Cette réaction est caractérisée par le

fait que les deux atomes d’oxygène se fixe du même côté de la double liaison, dessus ou dessous à égalité de

chance. Son mécanisme sera abordé en l’appliquant aux deux isomères de configuration du but-2-ène. Si on

considère pour commencer le (Z)-but-2-ène, KMnO4 se fixe sur la double liaison en formant un complexe

instable, aussitôt hydrolysé par l’eau pour conduire au diol. La fixation de KMnO4 se fait par le dessus ou par

le dessous de la double liaison, ce qui, dans le cas étudié, conduit au même composé méso.

3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.2. Formation de diols par KMnO4 dilué dans l’eau

La réaction est stéréospécifique

C C

H

Me

Me

HKMnO4 dilué C C

H

Me

Me

H

HO OH

+ C C

H

Me

MeH

HO OH

(2S,3S)-butane-2,3-diol(2R,3R)-butane-2,3-diol(E)-but-2-ène

�Cette réaction est parfois utilisée pour mettre en évidence une double liaison C=C (permanganate violet)

racémique

Par contre, dans le cas du (E)-but-2-ène, la fixation par le dessous donne l’isomère RR tandis que

celle par le dessus conduit au SS. Rien ne favorisant une approche par rapport à une autre, un mélange

racémique est obtenu. La différence de résultat observée dans le domaine de la stéréochimie, en fonction de

la configuration de l’alcène de départ, établit cette réaction comme étant stéréospécifique. Notons enfin que

cette réaction est parfois utilisée pour mettre en évidence la présence d’une double liaison carbone-carbone

dans un composé. En effet, le permanganate de potassium se présente sous forme de cristaux violets et sa

solution diluée dans l’eau est fortement colorée en violet. Par contre, les diols sont quant à eux incolores. La

décoloration d’une solution de KMnO4 est le signe d’une réaction et suggère donc la présence d’une double

liaison.


38

F. Alcools et thiols

Année 2011-2012


2. Nomenclature3. Réactivité


3.2. Formation d’esters par réaction avec les acides carboxyliques3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson

3.4. Formation d’alcènes par déshydratation d’un alcool


Lyon Est–UE1


Cette partie du cours est consacrée à deux familles de produits présentant de nombreuses

similitudes, les alcools et les thiols. A la suite de la présentation de ces deux familles de composés ainsi que

de quelques unes de leurs propriétés physicochimiques, nous aborderons leur nomenclature. La partie la plus

conséquente sera ensuite consacrée à leur réactivité, avec la présentation de quelques réactions importantes

les concernant.


� Alcools : groupement fonctionnel hydroxyle (OH) directement lié à un carbone sp3

� Seul le méthanethiol (H3C-SH) est un gaz, les autres alcools et thiols étant des liquides ou des solides à pression et température ordinaires.

C O H

� Thiols : analogues soufrés des alcools, groupement fonctionnel mercapto (SH) directement liéà un carbone sp3

C SH

� Par rapport aux alcools, les thiols se caractérisent par une odeur très souvent nauséabonde.Exemple : H2S (odeur d’œuf pourri) par rapport à H2O

� Les alcools et thiols présentent des points d’ébullition ou de fusion bien plus élevés que les alcanes correspondants.

Exemple : Eb °C(760mm Hg)

- 42

H3C CH2 OHH3C CH2 SHH3C CH2 CH3

+ 35+ 78,3 interaction électrostatique

appelée ‘’liaison hydrogène’’

Les alcools sont caractérisés par la présence d’un groupement fonctionnel hydroxyle directement lié

à un atome de carbone hybridé en sp3. Les thiols sont les analogues soufrés des alcools, et sont donc

caractérisés par la présence d’un groupement fonctionnel mercapto lié à l'atome de carbone hybridé en sp3.

Dans un domaine d'ordre pratique, notre odorat est à peu près mille fois plus sensible vis-à-vis du soufre que

de l’oxygène. Cela ne serait pas très gênant si les thiols n’étaient pas, pour la plupart, associés à une odeur

très désagréable par rapport à leur analogue oxygéné. Pour illustrer dans ce domaine la différence entre un

atome de soufre et un atome d'oxygène, il suffit de comparer l’odeur de l’eau à celle de l’hydrogène sulfuré,

gaz se dégageant par exemple lors du processus de pourrissement des œufs. Parmi les alcools et les thiols,

seul le méthanethiol est un gaz dans des conditions ordinaires de pression et de température. Tous les autres

alcools et thiols sont donc soit des liquides soit des solides dans les mêmes conditions, et cela en fonction de

leur masse moléculaire. D'autre part, les alcools et les thiols possèdent des points d'ébullition bien plus élevés

que les alcanes de structure comparable. Afin d’aborder cette question, observons le point d’ébullition de

composés très simples, puisque comportant tous seulement trois atomes autres que ceux d'hydrogène. Il

s’agit, en l’occurrence, du propane, de l'éthanethiol et de l'éthanol. Si on compare les points d’ébullition de ces

composés, tous mesurés à pression atmosphérique, on obtient une valeur de -42°C pour le propane : ceci

explique bien au passage qu’à pression et température classique, le propane soit un gaz. Dans les mêmes

conditions, l'éthanethiol est un liquide, puisque son point d’ébullition est de +35°C. C’est aussi le cas de

l’éthanol, qui présente un point d’ébullition encore plus élevé de +78,3 °C. Ces valeurs dans le cas de

l'éthanethiol et de l'éthanol s'expliquent par la mise en place d'interactions électrostatiques entre les doublets

libres des atomes d’oxygène ou de soufre et des hydrogènes à caractère acide portés par d'autres atomes

d'oxygène ou de soufre. Ces interactions sont appelées «liaisons hydrogène» et la prochaine diapositive leur

est consacrée.


39

C O H C S H N H C O

O

H


� Liaison hydrogène :� présente dans plusieurs familles de composés chimiques� s’établit entre un hétéroatome A (δ-) et un hydrogène H (δ+) porté par un autre

hétéroatome A

� conduit à la formation de dimères et/ou de polymères

� améliore la solubilité dans l’eau grâce à des liaisons hydrogène ‘’croisées’’ � plus faible (1/20) et plus longue (x 2) qu’une liaison covalente H-O� sa multiplication provoque une ‘’structuration du liquide’’ qui conduit à une augmentation

du point d’ébullition� sa solidité est dépendante de l’hétéroatome impliqué

� Exemple : S plus gros et moins électronégatif que O = liaison hydrogène chez les thiols moins solides que chez les alcools

C A

H

CA

H C A

H

CA

H

CA

H

C A

H

La mise en place de liaisons hydrogène n’est pas un phénomène réservé aux alcools, mais est

assez répandue dès lors qu’un hétéroatome est porteur d’au moins un atome d’hydrogène. Outre les alcools et

les thiols et dans le cadre de ce cours, les composés correspondant à ce type de structure sont les amines,

avec au moins un atome d’hydrogène au niveau de l’azote, et les acides carboxyliques. Les liaisons

hydrogènes sont symbolisées par une liaison en pointillés, et conduisent à la formation de dimères et/ou de

polymères. Dans le domaine des principales caractéristiques physiques des liaisons hydrogène, lorsqu’on

mélange deux composés donnant séparément des liaisons hydrogène, on favorise le plus souvent la

miscibilité, par la mise en place de liaisons hydrogène croisées. Ceci explique, par exemple, la bonne solubilité

des alcools dans l’eau. Les liaisons hydrogène sont d'autre part vingt fois moins solides qu’une liaison

covalente classique et à peu près deux fois plus longues. C’est par leur multiplication que les liaisons

hydrogène conduisent à une structuration globale d’un liquide, phénomène qui explique le point d’ébullition

élevé des alcools et des thiols. Il est en effet nécessaire dans leur cas, de fournir une quantité d’énergie

supplémentaire afin de rompre cette multitude de liaisons hydrogène. Ce phénomène est parfaitement illustrée

par le cas de l’eau qui, du fait de l’absence de chaîne carbonée, conduit à un taux de liaison hydrogène

énorme, et en conséquence à un point d’ébullition extrêmement élevée par rapport à sa faible masse

moléculaire, qui n’est que de 18. Enfin, la solidité d’une liaison hydrogène est dépendante de l’hétéroatome

impliqué. Par exemple, l'atome de soufre étant plus gros et moins électronégatif que l’atome d’oxygène, les

liaisons hydrogène chez les thiols sont moins solides que chez les alcools. C'est pour cette raison que

l'éthanethiol présente un point d'ébullition moins élevé que celui de l'éthanol.

2. Nomenclature

� Classification : les alcools et les thiols sont subdivisés en 3 classes en fonction du degré de substitution du C lié à l’O ou au S

1 substituant alcool (A = O) ou thiol (A = S) primaire = IaireH C AH

R

H

2 substituants alcool (A = O) ou thiol (A = S) secondaire = IIaireR C AH

R

H

3 substituants alcool (A = O) ou thiol (A = S) tertiaire = IIIaireR C AH

R

R

� Noms des composés fonctionnalisés

racine -an(e)

èn(e)- suffixe

Meth (C1)Eth (C2)…..

caractéristique de la famille

Dérivés saturés

Dérivés avec une double liaison

substituants -

Concernant à présent la nomenclature, il est tout d'abord important de savoir que les alcools et les

thiols sont répartis dans trois classes selon le degré de substitution de l'atome de carbone lié à l'hétéroatome.

Si ce carbone est substitué par un groupement carboné, l’alcool ou le thiol correspondant est primaire. Lorsque

deux groupements carbonés sont présents, le composé est secondaire. Enfin, si le carbone est substitué par

trois groupements carbonés, l’alcool ou le thiol correspondant est tertiaire. De façon générale, le nom principal

des composés fonctionnalisés, alcools, amines par exemple, est formé de la racine, meth, eth etc fonction du

nombre de carbones dans la chaîne linéaire la plus longue ne contenant que des carbones, suivie de

l’indication de la présence éventuelle de liaisons pi, an(e) pour les dérivés saturés, èn(e) pour une double

liaison, puis du suffixe caractéristique de la fonction. Les noms des substituants sont placés devant le nom

principal. Dans le cadre de ce cours, nous n’envisagerons pour toutes les familles chimiques étudiées, que la

nomenclature des dérivés dont le nom principal sera celui d’un dérivé saturé, contenant donc « an(e) » avant

le suffixe.


40

2. Nomenclature

�� Alcools linéaires : suffixe = ol

� Alcools ramifiés :� choisir la chaîne carbonée la plus longue incluant le C relié au OH

� numéroter cette chaîne de telle sorte que le C relié au OH ait le plus petit indice possible

� attribuer les indices des substituants en fonction de cette numérotation et les classer par ordre alphabétique

� Exemple :

H3C OH

méthanol éthanol

H3C CH2 OH CH2 CH2 OHH3C

propan-1-ol

CH CH3H3C

propan-2-ol

OH

123 123

1 23

2-éthyl-4-méthylpentan-1-ol

45

OH

� Thiols linéaires et ramifiés: nomenclature similaire à celle des alcools, en remplaçant le suffixe anol par anethiol (méthanethiol, propane-1-thiol, 2-éthyl-4-méthylpentane-1-thiol…)

Le suffixe de la famille des alcools est « ol ». Voici différents exemples en commençant par le plus

simple des alcools, le méthanol. Vient ensuite l'éthanol puis les deux isomères possibles du propanol, le

propan-1-ol et le propan-2-ol. Pour ces deux composés, l'indice attribué est bien entendu déterminé par la

position du groupement fonctionnel au niveau de la chaîne carbonnée. Pour les alcools plus complexes, il est

nécessaire d'appliquer les règles suivantes : pour commencer, il faut choisir la chaîne carbonée la plus longue

incluant l'atome de carbone substitué par le groupe hydroxyle. Cette chaîne doit ensuite être numérotée de

manière à ce que ce carbone hydroxylé soit affecté du plus petit indice possible. Enfin, en fonction de cette

numérotation il faut attribuer les indices aux différents substituants, en prenant soin de les classer par ordre

alphabétique. Voici un exemple d'application de ces règles. Dans le composé proposé, la chaîne carbonée la

plus longue incluant l'atome de carbone hydroxylé compte cinq atomes de carbone et l'indice 1 peut être

attribué à ce même carbone. Ce composé appartient donc à la famille des pentan-1-ol. Les substituants

présents sont un groupe méthyle et un groupe éthyle, respectivement lié au carbone numéro 4 et 2. Nous

sommes donc en présence du 2-éthyl-4-méthylpentan-1-ol. En ce qui concerne les thiols, les mêmes règles de

nomenclature sont à appliquer, mais en remplaçant le suffixe ol par thiol. Pour reprendre quelques exemples

similaires à ceux décrits ci-dessus, on parlera de méthanethiol, de propane-1-thiol ou de 2-éthyl-4-

méthylpentane-1-thiol.


C

O

H

� Alcools et thiols : réactivité très voisine, les réactions décrites à partir des alcools étantsouvent également valables pour les thiols.

C électrophile

C

H

base

C C

éthers

esters

COO

C

CO

C

alcènes

δδδδ −−−−

δδδδ ++++

proton (H+)

Les alcools et les thiols possèdent une réactivité très voisine. Pour cette raison, il faut savoir que la

plupart des réactions qui seront par la suite décrites dans ce chapitre à partir des alcools sont extrapolables

aux thiols. Avant d’aborder de façon concrète les réactions applicables aux alcools et aux thiols, nous

étudierons tout d’abord en détail la structure de ces composés, illustrée par celle des alcools, et ce afin d’en

prédire la réactivité. Le premier élément important est la présence de doublets d'électrons libres au niveau de

l’atome d’oxygène. Ceux-ci vont conférer aux alcools des propriétés basiques qui se manifesteront par la

possibilité de capter un proton H+. La présence de ces doublets libres confèrera d'autre part des propriétés

nucléophiles aux alcools, qui pourront cette fois se manifester vis-à-vis de carbones électrophiles, comme

nous le verrons lors de la réaction de transformation des alcools en esters. Le deuxième élément important à

relever est la présence d’un atome d’hydrogène porté par un atome d'oxygène, conduisant ainsi à une

polarisation de la liaison reliant ces deux atomes. En conséquence cet atome d'hydrogène présente un

caractère acide, et est donc susceptible d’être arraché par action d’une base. Nous verrons que cette propriété

est exploitée lors de la transformation des alcools en éthers. Enfin, lorsque un ou plusieurs carbones liés au

carbone hydroxylé sont porteurs d'au moins un hydrogène, une réaction de déshydratation est alors

envisageable pour conduire à la formation d'alcènes.


41

CO

OHR + H C

O

OHR

H

CO

OHR

H

mésomérie

HO

R'

CO

OHR

HO

H

R'C

O

OR

HOR'

H

H

C OR

OR'+ H + H2O

3. Réactivité 3.2. Formation d’esters par réaction avec les acides carboxyliques

�� Estérification: alcool + acide carboxylique ester + eauH+ cat.

�� Mécanisme :

�� Remarque : lorsqu’un thiol est utilisé à la place d’un alcool, le composé obtenu est un thioester

réaction d’addition nucléophile (AN)

Le bilan global de la réaction d'estérification des alcools est le suivant : le mélange d'un alcool et

d'un acide carboxylique, en présence d'une quantité catalytique de proton, conduit à la formation d'un ester et

d'une molécule d'eau. Si on s'intéresse à présent plus précisément au mécanisme de cette réaction, celui-ci

débute par une protonation de l'oxygène doublement lié de l'acide carboxylique. Cette protonation a pour

conséquence d'augmenter le caractère électrophile du carbone de la fonction acide carboxylique. Ce

phénomène est facilement explicable grâce à la mésomérie, qui permet de mettre en évidence que la charge

positive apparaissant à la suite de la protonation n'est pas centrée sur le seul atome d'oxygène, mais partagée

avec l'atome de carbone. Cette augmentation de l'électrophilie du carbone est mise à profit lors de l'étape

suivante, qui consiste en une attaque d'un doublet libre de l'atome d'oxygène de l'alcool sur le carbone

électrophile de l'acide carboxylique protoné. Lors de cette étape, c'est le caractère nucléophile de l'atome

d'oxygène de l'alcool qui est mis en jeu. Dans le domaine des grandes catégories de réactions chimiques, la

notion d'addition a été abordée dans le chapitre consacré aux alcènes, mais associé au terme électrophile. Ici

nous sommes bien en présence d'une réaction d'addition puisque l'acide carboxylique subit un ajout d'atomes

sans en perdre aucun. Par contre cet ajout se faisant par l'action d'un nucléophile, nous sommes cette fois en

présence d'une réaction d'addition nucléophile. L'intermédiaire obtenu à la suite de cette réaction donne alors

lieu à un échange d'un proton qui conduit à la forme protonée d'un groupement hydroxyle. Ce motif est connu

pour être facilement éliminable sous la forme d'une molécule d'eau, ce qui dans le mécanisme présenté

constitue l'ultime étape. Globalement, cette réaction est intéressante mais elle présente un important

inconvénient, toutes les étapes en sont réversibles, ce qui en limite souvent le rendement. Enfin, lorsqu'un thiol

est utilisé à la place d'un alcool, le composé obtenu par un mécanisme analogue est appelé thioester.

3. Réactivité 3.2. Formation d’esters par réaction avec les acides carboxyliques

�� Estérification: alcool + acide carboxylique ester + eauH+ cat.

�� Mécanisme :

- H 2O (é lim inée)+

HCl cat.H5C2OH H3C C O 2H C O

H5C2O

H3C

- H 2O (é lim inée)+

HCl cat.H3C SH (H3C)2HC C O 2H C O

S

CH

H 3C

H3C

H3Cthioester

�� Exemples :

Voici deux exemples d'application de ces réactions pour l'obtention dans le premier cas d'un ester et

dans le second d'un thioester.


42

3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson

� Transformation nécessitant 2 réactions successives:

� formation d’un alcoolate : en présence d’une base (NaOH, NaH), un alcool est déprotoné pour donner un alcoolate

C

O

H

+ B C

O

+ BH


δδδδ ++++

Exemples:

OHH3C CH2 OH + Na H3C CH2 O Naéthanolate de sodiumH2O (éliminée)

H

H3C

HC OH + Na

propan-2-olate de sodium

H2 (éliminé)H3C

H3C

HC O

H3C

Na

�� Remarque : lorsqu’un thiol est utilisé à la place d’un alcool, l’anion obtenu est un thiolate

alcoolate

La transformation des alcools en éthers nécessite deux réactions successives, dont la première

consiste en une réaction acide-base entre l'alcool et une base appropriée, comme l'hydroxyde de sodium

NaOH ou l'hydrure de sodium NaH. Dans ces conditions, la base vient arracher l'atome d'hydrogène de la

fonction alcool. Lors de cette étape, c'est le caractère acide de l'alcool qui est donc mis en jeu. Il apparait alors

dans le milieu réactionnel la forme déprotonée d'un alcool, qui est appelée alcoolate. Notons au passage que,

cette réaction étant réversible, elle donne lieu à la mise en place d'un équilibre. En conséquence, si on désire

accéder de manière efficace à l'alcoolate, il est nécessaire d'éliminer du milieu réactionnel la forme protonée

BH de la base utilisée au fur et à mesure de sa formation. De cette manière, il est par exemple possible

d'accéder efficacement à l'éthanolate de sodium à partir de l'éthanol. De même, le traitement du propan-2-ol

par l'hydrure de sodium conduit aisément à l'alcoolate correspondant, sachant que la forme protonée de

l'hydrure n'est autre que le dihydrogène, un gaz qu'il est donc très pratique d'éliminer. Des réactions tout à fait

similaires sont envisageables à partir des thiols et conduisent à la formation de thiolates.


� Transformation nécessitant 2 réactions successives :

� formation d’un alcoolate

� réaction de l’alcoolate sur un C électrophile :

� O d’un alcoolate = très bon nucléophile

� C substitué par un atome d’halogène = C électrophile

� 2 types de mécanisme différents : SN1 et SN2

C

O

C

X

X = Br, Cl ou I

δδδδ ++++


réaction de substitution nucléophile (SN)

CO

C + X

Une fois l'alcoolate formé, il est impliqué dans une réaction vis-à-vis d'un carbone à caractère

électrophile. Dans ce domaine, le très grand intérêt des alcoolates réside dans le fait que l'hétéroatome y soit

entouré de trois doublets d'électrons libres, ce qui en fait un très bon nucléophile. Le carbone électrophile en

question est un carbone substitué par un atome d'halogène X. Cet atome d'halogène étant plus électronégatif

que le carbone, il provoque par effet inductif attracteur un appauvrissement électronique du carbone. Il

s'ensuivra un type de réaction appelée substitution nucléophile, que l'on peut illustrer de manière schématique

de la façon suivante. L'atome d'oxygène nucléophile de l'alcoolate vient attaquer le carbone électrophile du

dérivé halogéné, avec création d'une liaison oxygène-carbone. Cette attaque provoque le départ de l'atome

d'halogène sous sa forme halogénure X-, ce dernier étant également classé dans la catégorie des

nucléophiles. En terme de bilan global, l'éther formé est donc obtenu par remplacement d'un nucléophile (X-)

par un autre nucléophile, l'alcoolate, d'où le classement de cette réaction dans les substitutions nucléophiles.

Pour être plus précis, il existe en réalité deux types de mécanisme de substitution nucléophile, appelés SN1 et

SN2, et dont le déroulement est sensiblement différent.


43


� Mécanisme SN1: 2 temps

� formation d’un carbocation

� fixation de l’alcoolate sur le carbocation

C

O

C

X

CO

CC + X

tertiaire (IIIaire)

et/ou

stabilisé par mésomérie

C CH3

CH3

H3CExemple :

Exemple : C

H

Le mécanisme SN1 comprend 2 temps successifs. Le premier de ces temps abouti, à partir du

dérivé halogéné, à la formation d'un carbocation, à la suite de la rupture de la liaison halogène-carbone. C'est

alors seulement qu'intervient l'alcoolate nucléophile qui vient s'additionner sur le carbocation formé. L'élément

qui va principalement déterminer la formation d'un éther par ce mécanisme SN1 est la facilité d'apparition du

carbocation dans le milieu réactionnel, et celle-ci est directement corrélée à sa stabilité. Les éléments

favorables au mécanisme SN1 seront donc ceux capables d'apporter de la stabilité à un carbocation, comme

par exemple les substituants alkyles. Il est ainsi connu que les dérivés halogénés pouvant conduire, par perte

d'un halogénure, à la formation de carbocations tertiaires, c'est à dire triplement substitués, donnent des éthers

par mécanisme SN1. La stabilisation du carbocation intermédiaire s'explique dans ce cas par l'effet inductif

donneur des trois groupements alkyles qui atténuent ainsi la charge positive portée par le carbone. D'autre

part, les carbocations présentant une mésomérie sont également stabilisés grâce à celle-ci. Ce carbocation

par exemple est suffisamment stabilisé pour se former. Il conviendrait donc à partir d'un dérivé halogéné

correspondant, d'envisager un mécanisme SN1. On notera dans ce cas une double stabilisation par

mésomérie.





C

O

C

X

CO

CC + X

hybridation en sp2

C alcoolate

50 %

50 %

Afin d'appréhender les conséquences d'un tel mécanisme dans le domaine de la stéréochimie, il est

nécessaire d'envisager la géométrie des carbocations. Les carbocations sont hybridés en sp2, ce qui leur

confère une géométrie similaire à celle des carbones impliqués dans une double liaison. On peut donc

représenter un carbocation de la manière suivante, pour laquelle l'orbitale p non hybridée se situe dans le plan

de l'écran, qui est symbolisé en vert. On peut alors définir un plan, représenté en orange, qui est

perpendiculaire au précédent et donc à l'écran et dans lequel s'inscrivent les trois orbitales hybrides

responsables des trois liaisons sigma représentées en noir. L'alcoolate peut réagir soit par le dessus, soit par

le dessous. Comme il n'y a à priori aucun élément distinguant une face par rapport à l'autre, la répartition de

l'addition est totalement équitable entre ces deux faces.


44

CCH2CH3

H3C

Br

C CH2CH3

H3C

SBr

OCH3Na

CCH2CH3

H3C

OCH3

SC

CH2CH3

CH3

OCH3

R

+énantiomère (R)H3CONa + NaBr





� stéréochimie : absence de sélectivité� exemple

mélange racémique

En conséquence, on constate une absence de sélectivité lors de cette étape qui peut avoir une

répercussion au niveau stéréochimique. Illustrons cet aspect grâce à une application concrète. Si on imagine à

partir du dérivé bromé présenté, dont la configuration absolue est S, la structure du carbocation qui pourrait se

former par perte de bromure, on constate qu'on accède à un carbocation stable puisque tertiaire et stabilisé

par conjugaison. Nous aurons donc bien ici un mécanisme SN1. Si on fait réagir le méthanolate de sodium sur

ce carbocation, la géométrie de ce dernier impliquera la formation des deux énantiomères de l'éther en

proportions égales, soit la définition même d'un mélange racémique. La même réaction, envisagée à partir de

l'énantiomère R du dérivé bromé de départ, conduirait exactement au même résultat, confirmant ainsi

l'absence de sélectivité.



� rupture et formation de liaisons simultanées (= mécanisme concerté)

� pas de passage par un carbocation

C

O

C

XC

O

C

X

C

C

O + X

H2CC HC

C

C

X Xou

Inversion géométrique = inversion de Walden

Etudions à présent le deuxième mécanisme possible de cette réaction de substitution nucléophile, à

savoir le mécanisme SN2. Contrairement au mécanisme SN1, le mécanisme SN2 ne comporte qu'un seul

temps, c'est à dire que la rupture de la liaison halogène-carbone et la formation de la liaison oxygène-carbone

sont simultanées. On parle également dans ce cas de mécanisme concerté. Ce mécanisme est expliqué par le

passage par un état de transition dans lequel les trois liaisons sigma, représentées en noir, de l'atome de

carbone halogéné se retrouve dans un plan, représenté ici en orange, perpendiculaire au plan de l'écran qui lui

est symbolisé en vert. Cet état de transition évolue ensuite vers la formation finale de l'éther, accompagnée de

la libération de l'halogénure. Il est très important de noter que globalement ce mécanisme produit une

inversion géométrique ou inversion de Walden, au niveau de l'atome de carbone initialement halogéné. D'autre

part, contrairement au mécanisme SN1, il ne se forme pas de carbocation intermédiaire. Ce type de

mécanisme ne concernera donc que les dérivés halogénés ne pouvant pas conduire à un carbocation, c'est à

dire les composés mono ou dialkylés au niveau du carbone halogéné et dans tous les cas non conjugués.


45



� rupture et formation de liaisons simultanées (= mécanisme concerté)

� pas de passage par un carbocation

� stéréochimie : spécificité

� exemple

CC H 2C H 3

HH 3C

B r

R

H 3C O N aC

C H 2C H 3

HH 3C

O C H 3

S+ N aB r

énan tiom ère (S )H 3C O N a + N aB rC

C H 2C H 3H

H 3C

O C H 3

R

�Remarque : lorsqu’un thiol est utilisé à la place d’un alcool dans une réaction de Williamson, le composé obtenu est un thioéther

Dans le domaine de la stéréochimie, ce mécanisme se traduit par un caractère de spécificité, illustré

dans l'exemple suivant. Si le dérivé bromé présenté, de configuration absolue R est traité par le méthanolate

de sodium, seul l'énantiomère S de l'éther sera obtenu à la suite de la réaction de substitution nucléophile. Si

on envisage alors la même réaction mais appliquée à l'énantiomère S du produit de départ, c'est cette fois

uniquement l'énantiomère R de l'éther qui sera obtenu, illustrant ainsi la spécificité du mécanisme SN2. Enfin,

pour en terminer avec la réaction de Williamson, lorsqu'un thiol est utilisé à la place d'un alcool, le composé

obtenu appartient à la famille des thioéthers.

3. Réactivité 3.4. Formation d’alcènes par déshydratation d’un alcool

� Conditions réactionnelles : traitement d’un alcool en milieu acide et à chaud

� Eléments à anticiper :

� Régiochimie : selon la structure de l’alcool de départ

� Stéréochimie :

� si la double liaison envisagée peut présenter une configuration Z ou E

� mécanisme réactionnel : 2 types différents existent (E1 et E2)

C

O H

C

HH 2 S O 4 , ∆∆∆∆

CC + H 2O

réaction d’élimination (E)

C C

OH

H

C

H

H

HH2SO4, ∆∆∆∆

CCCH

H

H

H- H2OCH3

H

CH3

CH3

CH3

CCCH3

CH3

H3C

H+

majoritaireminoritaire

Règle de Zaïtsev

Abordons à présent la réaction de déshydratation des alcools qui permet d'accéder facilement aux alcènes

à la suite de la perte d’une molécule d’eau. Cette réaction appartient à la catégorie des réactions d'élimination, qui

sont caractérisées par le fait qu'on retranche des atomes à une molécule sans en ajouter aucun. Ces réactions de

déshydratation sont réalisées habituellement en présence d’acide sulfurique et à chaud. Lors de leur mise en œuvre,

elles peuvent, selon la structure de l'alcool utilisé, conduire à se poser des questions dans deux domaines, dont le

premier à envisager est celui de la régiochimie. Prenons par exemple le cas du 3-méthylbutan-2-ol. Une première

possibilité d’élimination peut être envisagée, conduisant au 3-méthylbut-1-ène. Mais une autre élimination est

possible, qui mènera elle, au 2-méthylbut-2-ène, isomère du 3-méthylbut-1-ène. Différentes questions se posent donc,

en relation avec la régiochimie : si on réalise concrètement la réaction, les 2 alcènes vont-ils être récupérés ? Et si oui,

dans quelles proportions ? Enfin, sommes-nous capables de répondre par anticipation à ces deux questions ? Grâce

à l'application d'une règle, connue sous le nom de la règle de Zaïtsev, cela nous est partiellement possible. Cette

règle veut que lorsque plusieurs alcènes isomères se forment lors d'une réaction, celui qui possède la double liaison

la plus substituée sera majoritaire et les autres minoritaires. Par contre, cette règle ne permet pas de prédire avec

précision dans quelles proportions seront obtenus les différents isomères. Pour accéder à cette information, il sera

nécessaire de réaliser concrètement la réaction puis d'effectuer un dosage précis du mélange récupéré. Dans le cas

qui nous intéresse, l'application de cette règle nous permet de prédire que le 2-méthylbut-2-ène sera l'alcène

majoritairement formé et le 3-méthylbut-1-ène le minoritaire. Le deuxième domaine susceptible de poser des

questions à résoudre est celui de la stéréochimie. En effet si, à la suite de la réaction d'élimination, la double liaison

formée peut présenter une configuration Z ou E, sommes-nous, là aussi, capables de prédire le résultat ? Encore une

fois, nous disposons d'éléments permettant de répondre en partie à cette interrogation, mais il nous faut alors aborder

plus en détail le mécanisme de ces réactions de déshydratation, qui peut être de deux types différents, appelés E1 et

E2.


46

+ H2O

C C

OH

H

H

HH3C

HR

C C

OH2

H

H

HH3C

C CH

H

HH3C

C CH

H

H3CH

- H- H

C CH

H3C

HC C

H

H

H3C

+Z E

énantiomère (S)


� Mécanisme E1: concerne tous les alcools sauf ceux de structure

� 2 temps

�formation d’un carbocation

�élimination d’un proton

HC CH2OH

Le mécanisme E1 est le plus largement répandu puisqu'il concerne tous les alcools à l'exception des

alcools primaires répondant à la structure générale présentée à l'écran. Ce mécanisme E1 est caractérisé par

un déroulement en deux temps. Le premier de ces temps consiste en la formation d'un carbocation, que nous

aborderons à partir du 1-phénylpropan-1-ol de configuration absolue R. Cet alcool, en milieu acide va subir

une protonation, en relation avec le caractère basique de l'atome d'oxygène. C'est ensuite cette forme

protonée qui, par perte d'une molécule d'eau conduit à l'apparition du carbocation, qui est suffisamment stable

pour se former car il est conjugué. Vient ensuite le deuxième temps du mécanisme E1, l'élimination d'un atome

d'hydrogène sous la forme d'un proton H+ et la formation simultanée de la double liaison. Dans l'exemple

choisi, comme seul le carbone lié au carbocation est porteur d'atomes d'hydrogène, le problème de la

régiochimie ne se pose pas lors de cette phase. Par contre, ce même carbone comportant deux hydrogènes,

différentiés ici par leur couleur, le problème de la stéréochimie est à considérer. Il est, d'autre part, important

de noter que ce deuxième temps ne peut se mettre en place qu’à partir de conformations particulières dans

lesquelles l’atome d'hydrogène qui va être éliminé doit impérativement se trouver dans le même plan que

l’orbitale p du carbone du carbocation. Ceci étant bien le cas dans la représentation à l’écran, il est donc

possible d'envisager l'élimination de l'hydrogène en rose, pour aboutir à l'alcène de configuration E. Mais,

sachant qu'il existe une libre rotation au niveau de la liaison entre les deux atomes de carbone qui nous

intéressent, on peut accéder à une autre conformation favorable à l'élimination d'un proton, mais qui

concernera cette fois l'hydrogène en orange. Un deuxième alcène, diastéréoisomère du précédent, sera alors

obtenu. On peut ainsi globalement prédire la formation de ces deux alcènes, mais là encore seule la mise en

œuvre concrète de la réaction puis l'analyse de son résultat permettrait d'en préciser les proportions.

Concernant l'aspect stéréochimique de ce mécanisme E1, il apparaît en résumé qu'une nouvelle fois le fait de

passer par un carbocation conduise à une absence de spécificité, c'est-à-dire qu’un résultat identique serait

obtenu à partir de l’autre configuration absolue de l’alcool de départ.


47

C C

OH

HH

H3CH

HS

C C

OH2

HH

H3CH

C C

OH2

HH

H

H3C

C CH2H3C

+ H2O- H

énantiomère (R)


� Mécanisme E2: concerne uniquement les alcools de structure

� mécanisme concerté (pas de passage par un carbocation)

HC CH2OH

Le mécanisme E2 n'est applicable qu'à peu d'alcools puisque cela se limite à ceux correspondant à

la structure présentée. Comme dans le cas du mécanisme SN2, le mécanisme E2 est concerté et ne passe

donc pas par la formation d'un carbocation. Nous prendrons comme exemple le cas du 2-phénylpropan-1-ol,

avec un carbone asymétrique de configuration absolue S. Si on s’intéresse pour commencer à la régiochimie,

on constate qu’il n’y a qu’une seule possibilité de formation de la double liaison, donc pas de problème de

régiochimie à envisager. La première phase du mécanisme E2 est identique à celle du mécanisme E1

puisqu'elle consiste en la protonation de l’atome d’oxygène, ce qui conduit donc là aussi à la forme protonée

de l’alcool. A partir de cette dernière, l’évolution vers la formation d’un carbocation est à exclure. Le processus

concerté est alors à envisager, mais en tenant compte d'une contrainte stéréoélectronique incontournable : le

mécanisme concerté ne peut se mettre en place que lorsque la liaison carbone-oxygène est en anti par rapport

à l’atome d’hydrogène qui va être éliminé. Or, ceci n’est pas le cas dans la conformation à l’écran. En

conséquence, un changement de conformation est au préalable nécessaire grâce à une rotation autour de

l’axe de la liaison entre les deux atomes de carbone qui nous intéressent. La nouvelle conformation ainsi

obtenue est alors favorable au déroulement du processus concerté, qui consiste simultanément en l'élimination

d'un proton et d'une molécule d'eau et la formation de la double liaison carbone-carbone. L'unique alcène qui

en résulte est le 2-phénylprop-1-ène, qui ne peut pas présenter de stéréochimie. Pour cette raison, un résultat

identique serait obtenu à partir de l'isomère R de l'alcool de départ.


48

G. Amines

Année 2011-2012

1. Structure et propriétés physicochimiques2. Nomenclature3. Réactivité


3.2. Formation d’ammoniums par réaction avec HCl3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones

3.4. Formation d’amides par réaction avec les anhydrides d’acide

3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium


Lyon Est–UE1


Cette partie du cours est consacrée aux amines. A la suite de la présentation de cette famille de

composés ainsi que de quelques unes de leurs propriétés physicochimiques, nous aborderons leur

nomenclature. La partie la plus conséquente sera ensuite consacrée à leur réactivité, avec la présentation de

quelques réactions importantes les concernant.

aN

bc

aNb

c


� Dérivés de l’ammoniac (NH3), avec un ou plusieurs H remplacés par un C

� Seules la méthanamine (H3CNH2), la N-méthylméthanamine (H3C)2NH) et l’éthanamine (H5C2NH2), sont des gaz, les autres amines étant des liquides ou des solides à pression et température ordinaires.

A NA

AA = H ou C

� Solubilité dans l’eau décroit rapidement avec l’augmentation de la masse moléculaire (liaisons H plus faibles que chez les alcools)

� Géométrie :

� Amines: groupement fonctionnel amino directement lié à un ou plusieurs carbone

Les amines sont caractérisées par la présence d’un groupement fonctionnel amino directement lié à

un ou plusieurs atomes de carbone. Elles peuvent être ainsi considérées comme des dérivés de l'ammoniac

pour lequel un ou plusieurs atomes d'hydrogène sont remplacés par un atome de carbone. Seules la

méthanamine, la N-méthylméthanamine et l'éthanamine sont des gaz à pression et température ordinaires.

Toutes les autres amines sont donc soit des liquides soit des solides dans les mêmes conditions, et cela en

fonction de leur masse moléculaire. La solubilité des amines dans l'eau décroit plus rapidement que chez les

alcools avec l'augmentation de la masse moléculaire. Ce phénomène est du au fait que les liaisons hydrogène

qui peuvent se mettre en place chez les amines sont plus faibles que celles rencontrées chez les alcools. Si on

s'intéresse à la géométrie de l’atome d’azote des amines, on sait que son hybridation en sp3 lui confère une

géométrie tétraédrique. Par comparaison à un atome de carbone asymétrique, l’atome d’azote d’une amine

substitué par trois groupements différents, constitue lui aussi un centre stéréogène, le quatrième groupement

étant constitué par le doublet d’électrons libres présent dans une des orbitales hybrides sp3. Cette orbitale est

ici représentée en vert. Cependant, la comparaison avec un carbone asymétrique s’arrête là. En effet, dans le

cas de telles amines, les deux énantiomères ne sont pas séparables à température ambiante, car ils

s’interconvertissent très rapidement. En conséquence, les deux énantiomères sont constamment présents de

manière équimolaire, c'est à dire en quantité égale et aucune activité optique ne peut donc être associée aux

amines.


49

2. Nomenclature

� Classification : les amines subdivisées en 3 classes en fonction du nombre de R lié à N

1 substituant primaire = IaireR NH

H

2 substituants secondaire = IIaireR NR

H

3 substituants tertiaire = IIIaireR NR

R

� Amines Iaires : mêmes règles de nomenclature que pour les alcools mais avec le suffixe amine à la place de ol

� Exemples :

H3C NH2

méthanamine éthanamine

H3C CH2 NH2 CH2 CH2 NH2H3C

propan-1-amine

CH CH3H3C

propan-2-amine

NH2

123 123

123

45

1

2

3

4-méthylhexan-3-amine

45

6

2-éthyl-4-méthylpentan-1-amine

NH2

NH2

Concernant à présent la nomenclature, il est tout d'abord important de savoir que les amines sont

réparties dans trois classes selon le degré de substitution de l'atome d'azote. Si l'azote est substitué par un

seul groupement carboné, l'amine correspondante est primaire. Lorsque deux groupements carbonés sont

présents, l'amine est secondaire. Enfin, avec trois groupements carbonés, l'amine considérée est tertiaire. La

nomenclature des amines primaires suit les règles qui ont été décrites pour les alcools, à la différence près

que le suffixe amine y remplace le suffixe ol. Voici différents exemples en commençant par la plus simple des

amines primaires, la méthanamine. Vient ensuite l'éthanamine puis les deux isomères possibles de la

propanamine, la propan-1-amine et la propan-2-amine. Pour ces deux composés, l'indice attribué est bien

entendu déterminé par la position du groupement fonctionnel au niveau de la chaîne carbonée. Les deux

derniers exemples proposés sont plus complexes. Dans celui de gauche, la chaîne carbonée la plus longue

incluant l'atome de carbone azoté compte cinq atomes de carbone et l'indice 1 peut être attribué au carbone

azoté. Ce composé appartient donc à la famille des pentan-1-amines. Les substituants présents sont un

groupe méthyle et un groupe éthyle, respectivement liés au carbone numéro 4 et 2. Nous sommes donc en

présence de la 2-éthyl-4-méthylpentan-1-amine. Dans le dernier exemple, la chaîne carbonée la plus longue

incluant l'atome de carbone azoté compte cette fois six atomes de carbone et l'indice 3 peut être attribué au

carbone azoté. Un seul substituant méthyle est présent en position 4. Il s'agit donc de la 4-méthylhexan-3-

amine.

2. Nomenclature

� Amines IIaires et IIIaires :

� choisir la chaîne carbonée la plus longue liée à N = racine du nom

� numéroter cette chaîne de telle sorte que le C relié à N ait le plus petit indice possible

� considérer les autres chaînes liées à N comme des substituants et les classer par ordre alphabétique en les faisant précéder de N- (pour préciser qu’ils sont bien reliés à N)

N-méthylméthanamine(diméthylamine)

H3C NH CH3 N(CH3)3

N,N-diméthylméthanamine(triméthylamine)

CH2 CH2 CH3N

H3C

H3C CH2

N-éthyl N-méthylpropan-1-amine

N-éthyl-4-méthylpentan-2-amine

1

2 3 4 5

N-éthyl N-méthylbutan-2-amine

1

234

NHN

La nomenclature des amines secondaires et tertiaires est un peu plus compliquée, et il est

nécessaire d'appliquer les règles suivantes : pour commencer, il faut choisir la chaîne carbonée la plus longue

liée à l'atome d'azote. C'est cette chaîne qui servira de racine du nom. Cette chaîne doit ensuite être

numérotée de manière à ce que le carbone azoté soit affecté du plus petit indice possible. Enfin, les autres

chaînes carbonées liées à l'atome d'azote seront considérées comme des substituants. A ce titre, elles devront

être classées par ordre alphabétique. Pour finir, elles seront précédées de N-, pour bien préciser qu'elles sont

directement liées à l'atome d'azote. Voici quelques exemples d'application de ces règles, en commençant par

la plus simple des amines secondaires, la N-méthylméthanamine, que l'on appelle également diméthylamine.

La plus simple des amines tertiaires est quant à elle la N,N-diméthylméthanamine ou triméthylamine. Dans

l'exemple qui suit, parmi les trois chaînes alkyles liées à l'atome d'azote, la plus longue comporte trois

carbones. Ce composé appartient donc à la famille des propanamines. Les deux autres chaînes alkyles étant

un groupement méthyle et un groupement éthyle, la nomenclature de ce composé sera donc : N-éthyl N-

méthylpropan-1-amine. Concernant les deux derniers exemples, dans celui de gauche, la chaîne carbonée la

plus longue reliée à l'atome d'azote comporte cinq carbones, avec l'azote en position 2 et un groupement

méthyle en 4. La deuxième chaîne sur l'azote étant constituée par un groupement éthyle, il s'agit au final de la

N-éthyl-4-méthylpentan-2-amine. Enfin, en appliquant les mêmes règles, le dernier exemple sera nommé N-

éthyl N-méthylbutan-2-amine.


50


� En relation avec la présence d’un doublet d’électrons libres sur N

A électrophiles

C N

ammoniums

alcools

N

proton (H+) N H

CN

C CN

ènamines

C OH

imines

N

N Onitrosoamines

Avant d’aborder de façon concrète les réactions applicables aux amines, étudions tout d’abord la

structure de ces composés afin d’en prédire la réactivité. Le premier élément important à noter est la présence

du doublet libre au niveau de l’atome d’azote. Celui-ci va conférer aux amines des propriétés basiques,

propriétés qui se manifesteront vis à vis du proton H+ et qui permettent d'accéder aux ammoniums. Ce même

doublet libre confère également aux amines un caractère nucléophile, qui peut alors être utilisé dans des

réactions envers des atomes électrophiles, comme par exemple un atome de carbone électrophile. Nous

détaillerons ainsi une voie d'accès aux imines et également aux ènamines. Mais ce caractère nucléophile peut

également être mis en oeuvre vis à vis d'un atome d'azote électrophile. Dans ce domaine, nous aborderons

l'accès aux alcools et aux nitrosoamines.

3. Réactivité 3.2. Formation d’ammoniums par réaction avec HCl

�� Obtention de sels très souvent solubles dans l’eau (donc très utile quand un principe actif comporte une fonction amine)

�� Réaction avec un acide, le plus communément utilisé étant l’acide chlorhydrique (HCl). Dans cecas les sels obtenus sont appelés chlorures d’ammonium ou chlorhydrates d’amine.

N

H Cl

N HCl

Na OH

- H2O

�� Processus réversible par traitement de l’ammonium par une base (le plus souvent l’hydroxyde desodium (NaOH)).

Le premier domaine de réactivité que nous détaillerons concerne le caractère basique de l’atome

d’azote des amines, qui se manifeste vis-à-vis du proton. L’atome d’azote s’accommode plus facilement d’une

charge positive que l'atome d'oxygène. En conséquence, les composés issus d’une protonation de l’atome

d’azote des amines sont stables et isolables, contrairement aux formes protonées des alcools et des thiols.

Ces composés sont appelés ammoniums et ils constituent des sels qui sont souvent solubles dans l’eau. Cette

propriété est d'ailleurs très utile au niveau des médicaments, car les nombreux principes actifs possédant une

fonction amine pourront alors être, pour la plupart, administrés sous la forme d’ammoniums. Le principe

d’obtention de ces ammoniums est basé sur la réaction entre une amine et un acide, l'acide le plus

communément utilisé étant l'acide chlorhydrique HCl. Dans ce cas, les sels obtenus sont alors appelés

chlorures d'ammonium ou chlorhydrates d'amine. La réaction mise en jeu est une réaction acide-base où le

doublet libre de l'atome d'azote de l'amine vient capter le proton H+. Il est important de noter que la réaction

inverse est facilement réalisable, par traitement de l’ammonium obtenu en présence d’une base, comme par

exemple l’hydroxyde de sodium. Une réaction acide-base se met alors à nouveau en place, conduisant à la

régénération de l’amine.


51

3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones

�� Conditions réactionnelles: amine Iaire + aldéhyde ou cétone imine + eauH+ cat.

� Mécanisme : 2 temps

� formation d’un aminoalcool

� déshydratation entre N et C

NR C

R2

R1

N

R

H

H

C O

R2

R1N

R

H

H

C O

R2

R1

N

R

H

C OH

R2

R1

N

R

H

C O

R2

R1

H

H- H2O

- H

H

N

R

H

C

R2

R1

aldéhydes : R1=R2=H ou R1≠H, R2=Hcétones : R1 et R2≠H

Continuons à présent avec la réactivité lié au caractère nucléophile de l’atome d’azote des amines,

en nous intéressant tout d'abord aux réactions, réalisées sous catalyse acide, vis-à-vis des aldéhydes et des

cétones, qui constituent des familles de composés sur lesquelles nous reviendrons en détail lors du prochain

chapitre de ce cours. Le résultat obtenu dans le cadre de ces réactions est dépendant de la classe de l’amine

mise en œuvre. Lorsque cette amine est primaire, le produit final est une imine et la réaction s'accompagne de

la libération d'une molécule d'eau. L’obtention de cette dernière se fait par un mécanisme réactionnel en deux

temps principaux. Le premier de ces temps aboutit à la formation d’un aminoalcool. Au contact d’un aldéhyde

ou d’une cétone, la nucléophilie de l’atome d’azote de l’amine se traduit par une addition nucléophile sur le

carbone électrophile de l'aldéhyde ou de la cétone utilisé. Ce processus conduit à un premier intermédiaire

présentant une charge négative sur un atome d’oxygène et une charge positive sur un atome d’azote. Il

s’ensuit une réaction acide-base très rapide qui aboutit à la formation de l’aminoalcool. A partir de cet

aminoalcool le deuxième temps du mécanisme réactionnel se met en place, qui consiste en une

déshydratation globale entre un atome d’azote et un atome de carbone. C’est pour enclencher cette deuxième

phase du mécanisme que la catalyse acide est nécessaire, car elle débute par une protonation du groupement

hydroxyle, ce qui a pour conséquence l’obtention de la forme protonée d’un groupement hydroxyle. L'étape

suivante est l’élimination d’une molécule d’eau avec formation simultanée d’une double liaison azote-carbone.

On accède ainsi à la forme protonée d’une imine, la dernière étape du processus consistant en la

déprotonation de celle-ci pour conduire à l’imine elle-même. On peut constater au passage que la catalyse

acide est suffisante, car du point de vue du bilan global, on voit que le proton est juste utilisé lors du

mécanisme, mais non consommé.

�� Conditions réactionnelles: amine IIaire + aldéhyde ou cétone ènamine + eauH+ cat.


� formation d’un aminoalcool� déshydratation entre 2 C

N

R

R'

H

C O

R2

R1N

R

R'

H

C O

R2

R1

N

R

R'

C OH

R2

R1

H

N

R

R'

C O

R2

C

H

HH- H2O, - H

N

R

R'

C

R2

C

3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones

Lorsque les mêmes conditions réactionnelles sont appliquées à une amine secondaire, on constate

toujours l’obtention d'une molécule d'eau mais cette fois accompagnée d’une énamine, c'est-à-dire un

composé comportant dans sa structure une double liaison carbone-carbone substituée par un groupement

amino. Le mécanisme de formation de cette énamine se décompose également en deux temps principaux. Le

premier de ces temps est tout à fait identique à celui décrit à partir des amines primaires, à savoir l’apparition

d’un aminoalcool. L'évolution de cet aminoalcool est par contre différente car il n'y a plus d'atome d'hydrogène

au niveau de l'atome d'azote. En conséquence une déshydratation va bien avoir lieu mais cette fois entre deux

atomes de carbone. A la suite de la protonation de l’hydroxyle, la réaction d’élimination met en jeu un

hydrogène porté par un carbone voisin de celui lié à l’atome d’oxygène, pour conduire finalement à l'énamine.


52

�� Conditions réactionnelles: amine IIaire + aldéhyde ou cétone ènamine + eauH+ cat.

3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’énamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones

�� Conditions réactionnelles: amine Iaire + aldéhyde ou cétone imine + eauH+ cat.

- H2O (éliminée)

H5C2

NH

H3C

+ propanoneHCl cat.

N CCH3

CH3

H5C2H5C2NH2

+ 2-méthylpropanal- H2O (éliminée)

HCl cat. C

CCH3H3C

HN

H5C2

H3C

�� Exemples :

Voici deux exemples illustrant pour le premier l'accès à une imine et pour le second l'obtention d'une

énamine.

3. Réactivité 3.4. Formation d’amides par réaction avec les anhydrides d’acide

� Bilan: amine + anhydride d’acide amide + acide carboxylique


� addition nucléophile (AN)

� élimination

N

R

R'

H

C O

R1

C O

R1

O

N

R

R' C O

O

R1

C O

R1

H

N

RR'

C O

R1

H O

C O

R1

+

N

R

R' C O

R1

HO

C O

R1

+

Les amines réagissent également avec les anhydrides d’acide. Cette réaction conduit à l'obtention

d'un mélange constitué d'un amide et d'un acide carboxylique, et nécessite la présence d’au moins un atome

d’hydrogène au niveau de l'atome d’azote de l’amine utilisée. En conséquence, cette réaction n'est applicable

qu'aux amines primaires et secondaires. Le mécanisme se décline globalement en 2 temps. Dans un premier

temps, une addition nucléophile de l'amine se produit sur un des carbones électrophiles de l'anhydride d'acide.

L'intermédiaire ainsi obtenu subit ensuite, dans un deuxième temps, une très rapide réaction d'élimination avec

la formation et la rupture simultanée d'une liaison carbone-oxygène. La forme protonée d’un amide apparaît

ainsi qu'un carboxylate. L'ultime étape du mécanisme consiste alors en un échange de proton entre ces deux

intermédiaires grâce à une réaction acide-base.


53

3. Réactivité 3.4. Formation d’amides par réaction avec les anhydrides d’acide

� Bilan: amine + anhydride d’acide amide + acide carboxylique

�� Exemples :

H5C2

NH

H3C

+ O(COC6H5)2H5C2NH2 C OHO

H5C6

C OH5C6

NH

H5C2

+

+ O(COCH3)2 C OHO

H3CC O

H3C

NH3C

H5C2

+

Voici deux exemples illustrant concrètement le potentiel de cette réaction. Dans le premier exemple

une amine primaire réagit avec l'anhydride benzoïque, tandis que dans le deuxième exemple une amine

secondaire est utilisée vis à vis de l'anhydride acétique.

3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium

� Bilan: amine Iaire alcool

� Mécanisme :

� formation du cation nitrosonium (+NO) :

NaNO2/HCl, H2O, 0°C

HO N O + NaClH Cl

H2ON OCl

acide nitreuxO N ONa

H ClH2O N O

Cl

+

Les amines peuvent réagir sur d’autres atomes à caractère électrophile que le carbone, comme par

exemple l'azote électrophile du cation nitrosonium, ce dernier étant obtenu in situ à partir du nitrite de sodium

traité en milieu acide aqueux à 0°C. Ce cation conduit, par réaction avec les amines primaires, à la formation

d'alcools. La première étape de cette transformation est l'apparition du cation nitrosonium lui-même dans les

conditions réactionnelles appliquées. Celle-ci débute par une protonation du nitrite, grâce au milieu acide, qui

conduit ainsi à l'acide nitreux. Le groupement hydroxyle de cet acide nitreux se protone alors à son tour, puis

par élimination d'une molécule d'eau, le cation nitrosonium est formé.


54


� Mécanisme :

� formation du cation nitrosonium (+NO)

� obtention d’un sel de diazonium (réaction de diazotation)


- H2O

N

R

H

HN OCl

N

R

H

H

N O

Cl

HClN

R

H

N O

NR N OHHCl

NR NNR N Cl

tautomérie

mésomérie

+

nitrosoamine

3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium

+ -

Une fois le cation nitrosonium apparu dans le milieu réactionnel et à la suite de sa réaction avec

l'amine primaire, un sel de diazonium va se former. Cette réaction est connue sous le nom de réaction de

diazotation. Le mécanisme en est le suivant. L'atome d'azote nucléophile de l'amine vient tout d'abord

s'additionner sur l'azote électrophile du cation nitrosonium. L'intermédiaire ainsi formé perd ensuite

spontanément un proton pour conduire à un composé de la famille des nitrosoamines. Cette nitrosoamine est

en fait en équilibre avec un tautomère qui, après protonation de son groupement hydroxyle, élimine une

molécule d'eau. Cette dernière élimination étant irréversible, l'équilibre tautomère précédent est constamment

déplacé jusqu'à une disparition complète de la nitrosoamine intermédiaire. A partir de la forme utilisée à l’écran

pour décrire le sel de diazonium ainsi obtenu, on peut accéder à une deuxième forme limite.


� Mécanisme :


� obtention d’un sel de diazonium (réaction de diazotation)

�hydrolyse


NC N Cl

extrêmement instable

- N2C OHC HCl+

H2O

carbocation


désamination nitreuse

-Cl-

L'évolution des sels de diazonium consiste en une hydrolyse. En effet, lorsque le substituant porté

par l’atome d’azote de l’amine primaire de départ est un groupement alkyle, les sels de diazonium

correspondant sont extrêmement instables. Ils se décomposent alors spontanément par élimination d’une

molécule de diazote, pour générer in situ des carbocations. Il est important de noter à ce niveau que, à cause

de l'instabilité des sels de diazonium, l'apparition du carbocation dans le milieu réactionnel n'est pas ici

fonction de sa stabilité. Quel que soit son degré de stabilité il se formera. Par la suite, ce carbocation subit

l'addition du nucléophile présent dans le milieu réactionnel en abondance, à savoir l’eau. La forme protonée

d’un alcool qui résulte de cette addition perd alors rapidement un proton pour conduire au final à un alcool.

Cette transformation globale d'une amine primaire en l'alcool correspondant est connue sous le nom de

désamination nitreuse.


55

� Bilan: amine IIaire nitrosoamine

� Mécanisme :


� obtention de la nitrosoamine


N

R

H

R'N OCl

N

R

R'

H

N O

Cl

HClN

R

R'

N O +


� Bilan: amine Iaire alcoolNaNO2/HCl, H2O, 0°C

Dans les mêmes conditions réactionnelles, les amines secondaires conduisent quant à elles à des

nitrosoamines. En effet, à la suite de la formation du cation nitrosonium, l'amine réagit de manière tout à fait

similaire à ce qui vient d'être abordé dans le cas des amines primaires. Par contre, une fois la nitrosoamine

formée, aucune tautomérie n’est alors envisageable à partir de celle-ci, et elle constitue donc le produit final de

la réaction.

� Bilan: amine IIaire nitrosoamineNaNO2/HCl, H2O, 0°C


� Bilan: amine Iaire alcoolNaNO2/HCl, H2O, 0°C

�� Exemples :

H5C2

NH

H3C

H5C2NH2

NaNO2/HCl, H2O, 0°CH5C2OH

NaNO2/HCl, H2O, 0°CH5C2

N

H3C

NO

En application des réactions qui viennent d'être décrites, voici l'exemple de la transformation de

l'éthanamine en éthanol et celle de la N-méthyléthanamine en nitrosoamine correspondante.


56

H. Aldéhydes et cétones

Année 2011-2012

1. Structure et propriétés physicochimiques2. Nomenclature3. Réactivité


3.2. Formation de cyanhydrines par réaction avec l’anion cyanure3.3. Formation d’acétals ou de cétals par réaction avec les alcools

3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique3.5. Formation d’acides carboxyliques par oxydation des aldéhydes


Lyon Est–UE1


Cette partie du cours est consacrée à deux familles de produits qui possèdent des propriétés

relativement proches, les aldéhydes et les cétones. A la suite de la présentation de ces composés ainsi que de

quelques unes de leurs propriétés physico-chimiques, nous aborderons leur nomenclature. La partie la plus

importante sera une nouvelle fois consacrée à leur réactivité.


�Sont tous des liquides ou des solides à pression et température ordinaires.

� Solubilité dans l’eau décroit rapidement avec l’augmentation de la masse moléculaire (liaisons H plus faibles que chez les alcools)

� Géométrie :

C O

R2

R1

aldéhydes : R1=R2=H ou R1≠H, R2=Hcétones : R1 et R2≠H

groupement carbonyle

C O

R2

R1

C OR2

R1

� Tautomérie : équilibre céto-énolique

C OH

C

C O

C

Hcomposés énolisables énol

� Aldéhydes et cétones : dérivés monooxygénés à groupement fonctionnel oxo : O doublement lié à un C

Les aldéhydes et les cétones sont caractérisés par la présence d’un groupement fonctionnel oxo

constitué par un atome de carbone et un atome d'oxygène doublement lié. Ce même carbone est par ailleurs

lié à deux atomes d'hydrogène ou à un atome d'hydrogène et un groupement carboné dans le cas des

aldéhydes. Il est lié à deux groupements carbonés dans le cas des cétones. Notons que le groupement

fonctionnel C=O est également appelé très communément groupement carbonyle. De la même manière que

les doubles liaisons carbone-carbone, la double liaison carbone-oxygène est représentée le plus couramment

selon deux manières différentes en relation avec la géométrie du groupement carbonyle. Dans le premier type

de représentation, les groupements R1 et R2 se situent dans le plan représenté en vert et donc dans le plan de

l'écran. Dans le deuxième type de représentation, les groupements R1 et R2 se situent cette fois dans un plan,

représenté en orange, perpendiculaire à celui de l'écran. C'est cette dernière représentation, plus pratique, qui

est le plus souvent utilisée lors de la description des mécanismes réactionnels. Dans le domaine de la

tautomérie, rappelons ce qui a été déjà vu dans le chapitre C, à savoir que les aldéhydes et les cétones, dès

lors qu'il existe au moins un atome d'hydrogène sur un carbone directement lié au carbone du carbonyle,

conduisent à la mise en place d'équilibres tautomères appelés équilibres céto-énoliques. Les aldéhydes et

cétones impliqués dans de tels équilibres sont qualifiés d'aldéhydes ou cétones énolisables, en relation avec

les structures formées après tautomérie qui sont appelées énols. Ces équilibres sont dans l'immense majorité

des cas très fortement déplacé vers la forme carbonylée. Les aldéhydes et les cétones sont tous des liquides

ou des solides à pression et température ordinaires. Enfin, la solubilité des aldéhydes et cétones dans l'eau

décroit plus rapidement que chez les alcools avec l'augmentation de la masse moléculaire. Ce phénomène est

dû au fait que les liaisons hydrogène qui peuvent se mettre en place chez les aldéhydes et cétones sont plus

faibles que celles rencontrées chez les alcools.


57

2. Nomenclature

�� Aldéhydes linéaires : nom = racine + al (sans indice de position car forcément -1)

H2C O

méthanal éthanal

H3C C CH2 CHOH3C

propanal

H

O(CH2)2 CHOH3C

butanal

�� Aldéhydes ramifiés : mêmes règles de nomenclature que pour les alcools mais avec le suffixe anal à la place de anol

12

3

2-éthyl-4-méthylpentanal4

5 CHO

�� Cétones linéaires : nom = racine + one

�� Cétones ramifiées : mêmes règles de nomenclature que pour les alcools mais avec le suffixe anone à la place de anol

12

3

3,5-diméthylhexan-2-one4

5

O6

C CH3H3C

propanone(acétone)

C CH2H3C

butan-2-one(butanone)

O

1 2 3

O

CH34

C CH2H3C

pentan-2-one

O

1 2 3CH24

CH35

C C2H5H5C2

O

pentan-3-one

La nomenclature des aldéhydes suit les règles qui ont été décrites pour les alcools, aux différences

près que le suffixe al y remplace le suffixe ol et qu'il n'y a pas d'indice de position de la fonction puisque celle-

ci est forcément terminale. Voici différents exemples d'aldéhydes linéaires en commençant par le plus simple

de tous, le méthanal. Vient ensuite l'éthanal puis le propanal et le butanal. Pour les aldéhydes ramifiés, les

règles habituelles sont appliquées, toujours associées au suffixe al. Dans l'exemple proposé, la chaîne

carbonée la plus longue incluant la fonction aldéhyde comporte cinq carbones et les indices de position des

substituants seront 2 et 4. Nous sommes donc en présence du 2-éthyl-4-méthylpentanal. Concernant la

nomenclature des cétones, les mêmes règles son mises en oeuvre, en utilisant le suffixe one et en précisant

par un indice la position de la fonction. La plus simple des cétones comporte trois carbones avec la fonction

sur le carbone central. Il s'agit donc de la propanone, pour laquelle il n'est pas nécessaire de préciser la

position de la fonction puisqu'il n'y a pas d'autre possibilité dans la famille des cétones. En réalité, ce composé

est bien plus connu sous son nom trivial : l'acétone. La butan-2-one est quant à elle souvent appelée

simplement butanone car il n'y a, là aussi, qu'un seul isomère possible. Cela n'est plus le cas à partir des

cétones linéaires à cinq carbones, comme on peut le constater avec les deux isomères de la pentanone. Les

cétones ramifiées suivent elles aussi les règles habituelles de nomenclature. Ainsi, l'exemple représenté est-il

la 3,5-diméthylhexan-2-one.


cyanhydrines

CH

C O

H

nucléophile

C

OH

CN

acétals et cétals

C

OR

OR

δδδδ −−−−δδδδ ++++

base

aldols et cétols

C O

C

C

OH

oxydantC O

HO

acides

carboxyliquesδδδδ ++++

Avant d’aborder de façon concrète les réactions applicables aux aldéhydes et cétones, étudions tout

d’abord la structure de ces composés afin d’en prédire la réactivité. Le premier élément important à noter est la

polarisation de la liaison carbone-oxygène, due à la différence d’électronégativité entre ces deux atomes. Cette

polarisation engendre un déficit électronique au niveau du carbone, le rendant ainsi très sensible à l’addition

des agents nucléophiles. Nous verrons que cette propriété peut être mise à profit avec la description de voies

d'accès aux cyanhydrines ou aux acétals et cétals. L’effet électroattracteur de l’atome d’oxygène se

transmettant de liaison en liaison, il en résulte également que les éventuels atomes d’hydrogène portés par le

ou les carbones liés à celui du carbonyle possèdent un certain caractère acide, et sont donc susceptibles

d’être arrachés par une base. Ce phénomène est utilisé pour la synthèse des aldols et cétols, sur laquelle nous

reviendrons. Enfin, dans le cas des aldéhydes, nous verrons également que des processus d’oxydation sont

envisageables, qui permettent une transformation aisée en acides carboxyliques.


58

C O

3. Réactivité 3.2. Formation de cyanhydrines par réaction avec l’anion cyanure

K H Cl

H2OC O

C NC

O

CN

K

C

OH

CN

+ KCl

�� Conditions réactionnelles: 1) cyanure de potassium (KCN) 2) hydrolyse en milieu acide (H2O, HCl)

�� Mécanisme :

alcoolate

�� Stéréochimie : absence de sélectivité

cyanure

50 %

50 %

La formation de cyanhydrines nécessite deux étapes successives: un traitement de l'aldéhyde ou de

la cétone par le cyanure de potassium puis une étape d'hydrolyse en milieu acide. Du point de vue

mécanistique, le carbonyle de l’aldéhyde ou de la cétone, au contact de l'anion cyanure, subit une addition

nucléophile pour conduire à un alcoolate. C'est le caractère électrophile du carbone du carbonyle qui est mis

en jeu lors de cette étape. L'alcoolate obtenu est alors traité en milieu acide aqueux, afin de générer, grâce à

une réaction acide-base, la cyanhydrine finale chez laquelle un même atome de carbone est donc substitué à

la fois par un groupement cyano CN et à la fois par un groupement hydroxyle. Dans le domaine

stéréochimique, on constate dans le cadre de ces réactions, une absence de sélectivité. Ce phénomène est dû

à la géométrie du carbonyle que nous avons abordé dans le premier paragraphe de ce chapitre. La réaction

entre le nucléophile, en l'occurrence ici l'anion cyanure et le carbone du carbonyle se fait soit par la face

supérieure du carbonyle, soit par sa face inférieure. Comme il n'y a à priori aucun élément qui distingue une

face par rapport à l'autre, la répartition de l'addition est totalement équitable entre les deux faces. En

conséquence, on observe une absence de sélectivité lors de cette étape qui peut avoir une répercussion au

niveau stéréochimique.

3. Réactivité 3.2. Formation de cyanhydrines par réaction avec l’anion cyanure

K H Cl

H2OC O

C NC

O

CN

K

C

OH

CN

+ KCl

�� Conditions réactionnelles: 1) cyanure de potassium (KCN) 2) hydrolyse en milieu acide (H2O, HCl)

�� Mécanisme :

alcoolate

�� Stéréochimie : absence de sélectivité

C OH

H3C

1) KCN

2) H2O, HClC

CN

OH

H

H3C SC

OH

CN

H

H3C R+

mélanges racémiques

C OH5C6

H3C

1) KCN

2) H2O, HClC

CN

OH

H5C6

H3C RC

OH

CN

H5C6

H3C S+

Illustrons cet aspect grâce à deux exemples concrets. Tout d'abord, l'éthanal, traité selon les

conditions décrites précédemment, conduit à un mélange racémique de cyanhydrines. De même, un mélange

racémique est obtenu à partir de la phényléthanone.


59

3. Réactivité 3.3. Formation d’acétals ou de cétals par réaction avec les alcools

� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone + alcool acétal ou cétal + H2O


� activation du C=O puis addition de ROH

�activation de OH puis addition de ROH

H+ cat.

C OH

C OH R OH

C

OH

O H

R

- H2O- HC

OR

OR

R OH

C OH

mésomérie

C

OH2

OR

C

OR

O H

R

Toujours dans le domaine de la réactivité lié au caractère électrophile de l’atome de carbone du

carbonyle, intéressons-nous à présent aux réactions vis-à-vis des alcools. Le bilan de cette réaction s’établit

ainsi : le composé carbonylé, en présence d’alcool et d’une quantité catalytique de protons, conduit à un

composé portant deux groupements alkoxy sur le même carbone et à la libération d’une molécule d’eau. Selon

la nature du composé carbonylé le composé dialkoxylé qui apparaît porte un nom particulier. Si on travaille à

partir d’un aldéhyde, le composé qui apparaît est appelé acétal tandis que lorsqu’une cétone est employée, on

forme un cétal. A la suite du bilan générale de ces réactions, attardons-nous quelques instants sur leur

mécanisme. Celui-ci se décline en deux temps principaux, le premier étant consacré à une activation du

carbonyle suivie par l’addition d’une première molécule d’alcool. Le carbonyle, au contact d’un proton issu de

la catalyse acide, capte tout d’abord celui-ci grâce à un des doublets libres de l’atome d’oxygène du carbonyle.

Il apparaît ainsi la forme protonée d’un carbonyle. Cette protonation a pour effet d’augmenter

considérablement l’électrophilie du carbone du carbonyle. Ce phénomène est facilement explicable grâce à la

mésomérie, qui permet de mettre en évidence que la charge positive apparaissant à la suite de la protonation

n'est pas centrée sur le seul atome d'oxygène, mais partagée avec l'atome de carbone. L'atome de carbone

est alors suffisamment électrophile pour subir l’addition nucléophile d’une première molécule d’alcool. Cette

addition mène à un intermédiaire qui constitue le produit du premier temps du mécanisme réactionnel. Vient

ensuite le deuxième temps qui consistera en une activation d’un hydroxyle suivie d’une addition d'une

deuxième molécule d’alcool. En effet, à partir de l’intermédiaire précédent une réaction acide-base se met en

place dont le bilan est l’échange d’un proton entre les deux atomes d’oxygène. Il apparaît alors la forme

activée d’une fonction alcool, qui constitue un très bon groupe partant. En présence de la deuxième molécule

d’alcool, une réaction de substitution nucléophile a lieu, aboutissant, d’une part à l’élimination d’une molécule

d’eau et d’autre part à la forme protonée de l’acétal ou du cétal, la dernière étape consistant en une simple

déprotonation. Nous pouvons remarquer sur ce schéma qu’une catalyse acide est bien suffisante, car le proton

capté dans la première étape est restitué au milieu réactionnel lors de l’ultime. On observe également que

l’ensemble de ce processus est équilibré, ce qui veut donc dire que sans conditions réactionnelles particulières

les formes carbonylée et dialkoxylée vont coexistées. Heureusement, il existe des moyens pour forcer

l’équilibre vers cette dernière. Il suffit par exemple de travailler avec un très large excès d’alcool. Pour cette

raison, ces réactions sont souvent réalisées en utilisant l’alcool comme solvant. Une autre méthode consiste à

capter l’eau au fur et à mesure de sa formation en ajoutant dans le milieu réactionnel un agent desséchant qui

capte alors l’eau libérée de manière définitive, déplaçant ainsi l’équilibre vers l’acétal ou le cétal.


60

3. Réactivité 3.3. Formation d’acétals ou de cétals par réaction avec les alcools

� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone + alcool acétal ou cétal + H2O


� Exemples :

H+ cat.

C O

H

H3C

H+ cat., méthanolC

OCH3

OCH3

H

H3Cacétal

C OH5C6

H3CC

H5C6

H3CH+ cat.

CH2O

OCH2

(CH2OH)2

cétal

Voici deux exemples illustrant pour le premier l'accès à un acétal et pour le second l'obtention d'un

cétal cyclique.

3. Réactivité 3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique

� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone énolisable aldol ou cétol


� formation d’un énolate

� addition de l’énolate sur le C=O

HO- cat.

C O

C

H

HO C O

C

C O

C

C O

C

O

C

C O

- H2O

- HO

H2OC

OH

C

C O

énolate

mésomérie

Abordons à présent la réaction de condensation aldolique qui conduit, à partir d'un aldéhyde

énolisable à un composé appelé aldol. Lorsque le substrat est une cétone énolisable, le produit obtenu est un

cétol. D’un point de vue pratique, la réaction consiste à traiter le composé cabonylé de départ en présence

d’une quantité catalytique d'une base, le plus souvent l'anion hydroxyde. Le mécanisme de ces réactions

comporte deux temps, dont le premier aboutit à la formation d’un carbanion suite à la déprotonation du

carbone lié au carbonyle sous l'action de la base. Lors de cette étape, c'est le caractère acide des hydrogènes

portés par les carbones liés au carbonyle qui est mis à profit. Si on observe d’un peu plus près la structure du

carbanion obtenue, on s’aperçoit qu’on est en présence d’un système n-sigma-pi et donc que le carbanion est

conjugué avec le carbonyle. Par mésomérie, il devient alors possible d’écrire une nouvelle formule limite, que

l’on appelle énolate et qui constitue un très bon nucléophile. Lors du deuxième temps du mécanisme, cette

forme énolate réagit alors sur une autre molécule de composé carbonylé selon un processus d’addition

nucléophile. Cette addition conduit ainsi à un intermédiaire de type alcoolate. Cet alcoolate, plus basique que

l’anion hydroxyde, réagit rapidement avec une molécule d’eau par une réaction acide-base qui mène ainsi à

l'aldol ou au cétol.


61

HO

- H2O - HOC

OH

C

H

C O

C OH

C

C O

C

C

C O




� Remarque : formation d’aldéhydes ou de cétones insaturées (NaOH, ∆∆∆∆)

HO- cat.

C O

CH2

Le résultat global de cette réaction est sensiblement différent lorsqu'on modifie légèrement les

conditions réactionnelles appliquées. Ainsi, si le composé de départ est traité par une quantité importante

d'hydroxyde de sodium et à chaud, les produits obtenus sont des aldéhydes ou des cétones insaturées, selon

la nature du substrat mis en jeu. En effet, dans ces conditions, l'aldol ou le cétol précédent subit une nouvelle

déprotonation du carbone lié au carbonyle. A partir du carbanion obtenu, une réaction particulière se met en

place qui consiste en une élimination d’un anion hydroxyde s’accompagnant de la formation d’une double

liaison carbone-carbone, pour aboutir au produit final insaturé. La facilitée avec laquelle se réalise cette étape

s’explique par l’obtention d’un composé comprenant dans sa structure une conjugaison de type pi-sigma-pi.

Notons enfin que l'obtention de tels composés n'est envisageable qu'à partir d'aldéhydes ou de cétones

doublement hydrogéné au niveau du carbone lié au carbonyle, les deux atomes d’hydrogène étant nécessaire

pour les deux déprotonations successives par l’hydroxyde de sodium.





� Exemples :

HO- cat.

C O

H

H3C

HO- cat.

aldol

C O

H

HC OH

H2C

H3C

HO-, ∆∆∆∆C O

H

CH

HC

H3C aldéhyde insaturé

+ H2O

Prenons quelques exemples concrets de ces réactions en considérant pour commencer un aldéhyde

énolisable, l'éthanal. Lorsque ce composé est traité par une quantité catalytique d'hydroxyde de sodium, l'aldol

présenté est obtenu. Sous chauffage et en présence d'une quantité importante de base, c'est l'aldéhyde

insaturé qui est récupéré


62





� Exemples :

HO- cat.

C O

H3C

H3C

HO- cat.

cétol

C O

H3C

C

OHH2C

H3C

HO-, ∆∆∆∆C O

H3C

C

HC

H3C cétone insaturée

CH3

CH3

+ H2O

D'une manière tout à fait similaire, dans le cas d'une cétone énolisable telle que la propanone, un

cétol est obtenu dans les premières conditions réactionnelles et une cétone insaturée dans les secondes.





� Exemples :

HO- cat.

HO- cat.

aldol

ou HO-, ∆∆∆∆C O

H

CH

OHC

H3C

H3CC O

H

CH

CH3

H3C

CH(CH3)2

Le dernier exemple concerne le 2-méthylpropanal qui, quelles que soient les conditions appliquées

ne peux conduire qu'à un aldol, étant donné qu'il ne présente qu'un seul atome d'hydrogène sur le carbone

relié au carbonyle.


63

3. Réactivité 3.5. Formation d’acides carboxyliques par oxydation des aldéhydes

� Bilan :

C O

H

R

oxydantC O

HO

R

KMnO4 (permanganate de potassium)

H2O2 (eau oxygénée)

K2Cr2O7 (bichromate de potassium)

� Exemples :

H5C6 CHOKMnO4

H5C6 COOH

CHO CO2HH2O2

CHOK2Cr2O7

C

O

OH

Les réactions d’oxydation des aldéhydes conduisent aux acides carboxyliques. Le mécanisme de

ces réactions d'oxydation étant souvent complexe, nous nous contenterons de mentionner trois agents

oxydants couramment utilisés dans le cadre de ces transformations : le permanganate de potassium KMnO4,

l'eau oxygénée H2O2, et le bichromate de potassium K2Cr2O7. Voici trois exemples de ces réactions

d'oxydation.


64


Lyon Est–UE1


I. Acides carboxyliques et dérivés

Année 2011-2012

1. Structures

2. Nomenclature3. Réactivité

3.1. Formation d’acides carboxyliques à partir d’anhydrides d’acide

3.2. Formation d’acides carboxyliques et d’esters à partir d’anhydrides d’acide

3.3. Formations d’acides carboxyliques à partir d’esters

3.4. Formation d’anhydrides d’acide à partir d’acides carboxyliques

3.5. Réduction des acides carboxyliques, des esters et des amides par LiAlH4

Cette partie du cours est consacrée aux acides carboxyliques et à une partie des familles en

dérivant. A la suite de la présentation de ces différentes familles, nous en aborderons la nomenclature, la

dernière partie étant consacrée à leur réactivité.

1. Structures

acidescarboxyliques

C O

OHδδδδ++++

� Remarque : 2 phénomènes participent à leur grande acidité

� Effet inductif

� Stabilisation du carboxylate par conjugaison

B+ BHC O

O

C O

O

mésomérie

carboxylate

Voici la structure générale des acides carboxyliques, caractérisée par la présence d'une double

liaison oxygène-carbone et d'un groupement hydroxyle lié à ce même carbone. L'importante acidité de ces

composés résulte de deux phénomènes. Tout d'abord l'électronégativité importante des deux atomes

d'oxygène qui, par effet inductif attracteur, conduit à une forte polarisation de la liaison hydrogène-oxygène. Le

deuxième phénomène provient de la stabilisation par conjugaison du carboxylate obtenu après déprotonation

par une base. En effet, on note dans ce carboxylate la présence d’un système de type n-sigma-pi propice à

une mésomérie donnant alors accès à une autre formule limite de résonnance. Cette conjugaison, en

dispersant la charge négative sur un ensemble d’atomes, stabilise le carboxylate.


65

1. Structures

acidescarboxyliques

C O

OH C O

C O

O

anhydridesd’acide

C O

RO

esters

C O

N

amides

Plusieurs autres familles chimiques, comportant un groupement différent d'un hydroxyle seront

également évoquées dans ce chapitre. Il s'agit des anhydrides d'acide, avec un groupement carboxyle à la

place de l'hydroxyle, des esters, avec un groupement alkoxyle et des amides, avec un groupement amino.

Nous aborderons aussi quelques transformations possibles entre ces différentes familles de composés.

2. Nomenclature

� Acides carboxyliques : nom = acide racine + oïque (sans indice de position car forcément -1)

acide méthanoïque(acide formique)

H3C C CH2 CO2HH3COH

O(CH2)2 CO2HH3CHCOOH

acide éthanoïque(acide acétique)

acide propanoïque(acide propionique)

acide butanoïque

12

3

acide 2-éthyl-4-méthylpentanoïque

4

5 COOH

� Remarque: la nomenclature des anhydrides simples est basée sur celle des acides carboxyliques correspondants

anhydride méthanoïque(anhydride formique)

anhydride éthanoïque(anhydride acétique)

H CO

O

H CO

C OO

H3C

2

La nomenclature des acides carboxyliques suit les règles qui ont été décrites pour les alcools, aux

différences près que le suffixe oïque y remplace le suffixe ol, que la désignation acide est présente avant la

racine du nom et qu'il n'y a pas d'indice de position de la fonction puisque celle-ci est forcément terminale.

Voici quelques exemples d'acides carboxyliques en commençant par le plus simple de tous, l'acide formique.

Vient ensuite l'acide éthanoïque, souvent appelé acide acétique, l'acide propanoïque ou acide propionique et

l'acide butanoïque. Pour les acides carboxyliques ramifiés, les règles habituelles sont appliquées, l'exemple

proposé se nommant acide 2-éthyl-4-méthylpentanoïque. En ce qui concerne la nomenclature des anhydrides

d'acide simples, elle est calquée sur celle des acides carboxyliques correspondants. Ainsi, l'anhydride d'acide

issu de l'acide méthanoïque est-il appelé anhydride méthanoïque ou anhydride formique. De même l'anhydride

éthanoïque ou anhydride acétique, provient de l'acide éthanoïque.


66

2. Nomenclature

� Acides carboxyliques :

� Esters : nom = racine + oate d’alkyle (sans indice de position car forcément -1)

H3C COCH3

Oéthanoate de méthyle

123

2,4-diméthylpentanoate de propyle

45H5C2 C

O(CH2)3CH3

Opropanoate de butyle

O

O

Chez les esters, la racine du nom provient de la chaîne carbonée la plus longue incluant le carbone

di-oxygéné. Cette racine est associée au suffixe oate d'alkyle et on ne précise pas là non plus l'indice de

position. Voici trois exemples d'esters. Dans le premier c'est une chaîne à deux carbones qui sert de racine et

le groupement alkyle est un méthyle. Nous sommes donc en présence de l'éthanoate de méthyle. Selon les

mêmes considérations, le deuxième ester proposé est le propanoate de butyle. Enfin, dans le troisième

exemple, la chaîne carbonée de référence comprend cinq éléments et est substituée en 2 et 4 par des

groupements méthyles. Il s'agit donc du 2,4-diméthylpentanoate de propyle.

2. Nomenclature



� Amides :

� Classification : les amides subdivisés en 3 classes en fonction du nombre de H lié à N

2 Hprimaire = Iaire

C O

N

H

H

secondaire = IIaire

C O

N

H

R

tertiaire = IIIaire

C O

N

R'

R

1 H

0 H

En raison de la présence du groupement amino, les amides sont répartis dans trois classes selon le

nombre d'hydrogène au niveau de l'atome d'azote. Si l'azote porte deux atomes d'hydrogène, l'amide

correspondant est primaire. Lorsqu'un seul hydrogène est présent, l'amide est secondaire. Enfin, en absence

d'hydrogène, l'amide considéré est tertiaire.


67

2. Nomenclature



� Amides :

� Classification : les amides subdivisés en 3 classes en fonction du nombre de H lié à N

� Nomenclature: nom = racine + amide (sans indice de position car forcément -1). Les chaînes alkyles éventuellement liées à N sont considérées comme dessubstituants (classement alphabétique en les faisant précéder de N-)

méthanamide(formamide)

H3C C CH2 CON(CH3)2H3CNHCH3

OHCONH2

N-méthyléthanamide(N-méthyl acétamide)

N,N-diméthylpropanamide

La nomenclature des amides suit les règles habituelles avec le suffixe amide et sans indice de

position. Les chaînes carbonés éventuellement liées à l'atome d'azote seront considérées comme des

substituants et précédées de N-, pour bien préciser qu'elles sont directement liées à l'atome d'azote. Voici un

exemple pour chacune des classes d'amide. Le premier exemple est le plus simple des amides puisqu'il s'agit

du méthanamide, communément appelé formamide. Dans le deuxième exemple c'est une chaîne à deux

carbones qui sert de racine et un groupement méthyle est présent au niveau de l'atome d'azote. Nous sommes

donc en présence du N-méthyléthanamide. Enfin, l'amide tertiaire proposé est le N,N-diméthylpropanamide.

3. Réactivité 3.1. Formation d’acides carboxyliques à partir d’anhydrides d’acide

C O

C O

OH2O

C

O

C O

O

O

H

H

C O

O

C O

O

H

H+C O

HO

2

� Bilan: anhydride d’acide + H2O acide carboxylique



� élimination

Les anhydrides d'acide sont facilement hydrolysés en acides carboxyliques correspondants. Le

mécanisme de cette réaction comprend deux temps principaux, avec pour commencer une addition

nucléophile d'une molécule d'eau sur un des deux carbonyles de l'anhydride d'acide. L'alcoolate intermédiaire

ainsi formé conduit alors très rapidement à la réapparition d'une double liaison carbone-oxygène qui

s'accompagne d'une rupture d'une liaison simple carbone-oxygène. Il en résulte la création simultanée d'un

carboxylate et de la forme protonée d'un acide carboxylique, qui par échange d'un proton au travers d'une

réaction acide-base mènent à deux molécules d'acide carboxylique.


68

3. Réactivité 3.1. Formation d’acides carboxyliques à partir d’anhydrides d’acide

� Bilan: anhydride d’acide + H2O acide carboxylique


� Exemples :

H2OC O

O

H3C

2

C OH

O

H3C

H2OC O

O

H5C6

2

C OH

O

H5C6

2

2

Voici deux illustrations de la mise en œuvre de cette réaction pour l'obtention des acides éthanoïque

et benzoïque.

3. Réactivité 3.2. Formation d’acides carboxyliques et d’esters à partir d’anhydrides d’acide

C O

C O

OROH

C

O

C O

O

O

R

H

C O

O

C O

O

H

R+C O

HO

C O

RO

+

� Bilan: anhydride d’acide + alcool ester + acide carboxylique



� élimination

Une réaction très semblable à celle que nous venons de voir permet d'accéder à la fois à une ester

et à un acide carboxylique. Il suffit pour cela de remplacer l'eau par un autre agent nucléophile, un alcool. Le

mécanisme réactionnel comporte ainsi les mêmes deux temps, avec l'addition nucléophile immédiatement

suivie par l'élimination. Un carboxylate se forme alors accompagné de la forme protonée d'un ester, l'échange

final de proton conduisant à l'acide carboxylique et à l'ester.


69

3. Réactivité 3.2. Formation d’acides carboxyliques et d’esters à partir d’anhydrides d’acide

� Bilan: anhydride d’acide + alcool ester + acide carboxylique


� Exemples :

C O

O

H3C

2

C OH

O

H3C

C O

O

H5C6

2

C OH

O

H5C6

propan-2-ol C OCH(CH3)2

O

H3C

éthanol C OC2H5

O

H5C6

Voici deux exemples de ce type de réaction.

3. Réactivité 3.3. Formations d’acides carboxyliques à partir d’esters

� Saponification/hydrolyse acide :

� Bilan : ester acide carboxylique + alcool



� élimination

1) NaOH, ∆∆∆∆

2) HCl

C O

RO

C

O

RO OH

+

C O

HO

Na OH

Na

C O

O

RO Na

H

C O

ONa

+ ROHH Cl

+ NaCl

Les esters peuvent être convertis en acides carboxyliques selon deux méthodes, la première

consistant en une saponification suivie d’une hydrolyse acide. Dans le cadre de ces réactions, l’ester doit être

traité dans un premier temps à chaud en milieu basique, l' hydrolyse s’effectuant quant à elle en milieu acide.

L'acide carboxylique est alors obtenu ainsi qu'une molécule d'alcool. Du point de vue du mécanisme, on

retrouve deux temps principaux. Pour commencer il s’agit d'une addition nucléophile de l'anion hydroxyde sur

le carbone de la fonction ester. L'alcoolate intermédiaire formé conduit alors très rapidement à la réapparition

d'une double liaison carbone-oxygène qui s'accompagne de la rupture de la liaison simple carbone-oxygène

alkylé. Il en résulte l'apparition simultanée d'un acide carboxylique et d'un alcoolate de sodium, qui réagissent

ensemble très rapidement par une réaction acide-base. Un carboxylate de sodium et un alcool sont alors

générés. Le traitement acide final permet simplement la transformation du carboxylate en l'acide carboxylique

correspondant.


70



� Synthèse malonique :

� Bilan : malonate acide carboxylique

1) RONa2) RX3) NaOH, ∆∆∆∆4) HCl5) ∆∆∆∆

C O

RO

CH

C O

RO

HRO Na

C O

RO

HC

C O

RO

Na

C

X

SN1 ou SN2

C O

RO

CH

C O

RO

C

NaOH, ∆∆∆∆ puis HCl

C O

HO

CH

C O

O

C H∆∆∆∆

C O

HO

CHC H + CO2

C O

HO

CH2C

La deuxième méthode permettant de transformer un ester en acide carboxylique est très utilisée en

synthèse organique et est connue sous le nom de synthèse malonique. Le bilan global de cette transformation

met en œuvre comme substrat de départ un diester de type malonate et cinq étapes successives. Pour

commencer, le malonate est traité par une base, en l’occurrence un alcoolate de sodium. Dans un deuxième

temps, un halogénoalcane RX est ajouté dans le milieu réactionnel. Vient ensuite une saponification/hydrolyse

acide telle que nous venons de la décrire. Enfin, un chauffage est appliqué. L’ensemble de ces étapes conduit

à l’obtention finale d’un acide carboxylique.

C O

RO

CH

C O

RO

HRO Na

C O

RO

HC

C O

RO

Na

C

X

SN1 ou SN2

C O

RO

CH

C O

RO

C

NaOH, ∆∆∆∆ puis HCl

C O

HO

CH

C O

O

C H∆∆∆∆

C O

HO

CHC H + CO2

C O

HO

CH2C




� Mécanisme :� réaction acide-base� substitution nucléophile (SN)� saponification/neutralisation� décarboxylation

tautomérie

En ce qui concerne le mécanisme de cette synthèse malonique, le premier temps consiste en une

réaction acide base entre l'alcoolate et un des hydrogènes portés par l’atome de carbone relié aux deux

carbonyles du malonate. Notons que cette réaction est facilitée par l'obtention d'un carbanion stabilisé par

conjugaison. Lorsque l’halogénoalcane est ajouté dans le milieu réactionnel il subit alors une attaque, par une

réaction de substitution nucléophile, du carbanion formé précédemment. Il en résulte l’obtention d’un composé

correspondant à un analogue alkylé du malonate de départ. Ce dérivé subit alors une saponification à chaud

en présence d’hydroxyde de sodium suivi d'un traitement en milieu acide. On passe ainsi d’un diester à un

diacide. L’ultime étape du processus consiste à simplement chauffer ce diacide. La réaction qui se met alors

en place nécessite impérativement un état de transition impliquant six atomes et passe par un processus

concerté, c'est à dire impliquant simultanément trois doublets d’électrons. Cette réaction aboutit à la libération

d’une molécule de dioxyde de carbone et à la formation d’un intermédiaire dans lequel on reconnaît un motif

énol. En conséquence, une tautomérie se met en place qui conduit à un équilibre avec la forme carbonylée

correspondante. Cet équilibre, pour des raisons liées à la stabilité supérieure des formes carbonylées, est

alors fortement déplacé vers l’acide carboxylique, qui constitue donc bien le produit final de cette synthèse

malonique.


71




� Exemples :

C CH2

O

H5C2O

2

3) NaOH, ∆∆∆∆4) HCl

malonate d'éthyle

1) NaOH, ∆∆∆∆

2) HClC CH2

O

HO

2

2 H5C2OH

1) H5C2ONa2) BrCH2C6H5

5) ∆∆∆∆

C OH

O

H5C6

propan-2-olC OCH(CH3)2

O

H5C61) NaOH, ∆∆∆∆

2) HCl

H5C6 (CH2)2 COOH

Intéressons-nous à présent à quelques applications concrètes de ces réactions avec pour

commencer l'exemple d'une saponification/hydrolyse acide d'un monoester. Prenons ensuite l'exemple d'un

diester comme le malonate d'éthyle. Ce composé, s'il est traité selon les conditions de la

saponification/hydrolyse acide conduira simplement au diacide correspondant. Par contre, s'il subit

l'enchaînement réactionnel suivant, typique d'une synthèse malonique, c'est l'acide 3-phénylpropanoïque qui

sera obtenu au final.

3. Réactivité 3.4. Formation d’anhydrides d’acide à partir d’acides carboxyliques

� Bilan : acide carboxylique anhydride d’acide

� Mécanisme :

� réaction acide-base


� élimination

1) NaOH

2) RCOCl

Na

Na

C O

HONaOH

- H2OC O

O C O

Cl

C

Cl

O

C O

O

- NaCl

C

C O

O

O

La conversion des acides carboxyliques en anhydrides d’acide se réalise en deux étapes. L'acide

carboxylique est d'abord traité par l'hydroxyde de sodium puis, dans un deuxième temps, un chlorure d'acide

est ajouté dans le milieu réactionnel. Du point de vue mécanistique, la première étape conduit par une réaction

acide-base à un carboxylate, qui constitue un bon nucléophile. Lorsque le chlorure d'acide est ajouté, une

réaction d'addition nucléophile se met donc en place et un alcoolate intermédiaire apparait. Celui-ci conduit

alors très rapidement à la réapparition d'une double liaison carbone-oxygène qui s'accompagne de l'élimination

d'un chlorure Cl- et à l'obtention de l'anhydride d'acide.


72

3. Réactivité 3.4. Formation d’anhydrides d’acide à partir d’acides carboxyliques

� Bilan : acide carboxylique anhydride d’acide

� Mécanisme :

� Exemples :

1) NaOH

2) RCOCl

C O

O

H3C

2

C OH

O

H3C

C Cl

O

H3C

1) NaOH

2)

C O

O

H5C6

2

C OH

O

H5C6

C Cl

O

H5C6

1) NaOH

2)

Voici deux exemples de ces réactions avec les synthèses des anhydrides acétique et benzoïque.

3. Réactivité 3.5. Réduction des acides carboxyliques, des esters et des amides par LiAlH4

� LiAlH4 : hydrure de lithium-aluminium

� Formation d’alcools Iaires par réduction des acides carboxyliques ou des esters

� Formations d’amines par réduction des amides

H

Al H

H

HLi

Hhydrure

réactions de réduction

1) LiAlH4

2) H2O, HClC O

HO

C O

ROCH2

HO

1) LiAlH4

2) H2O, HCl

1) LiAlH4

2) H2O, HClC O

N

CH2

N

conservation de la classe

L'hydrure de lithium-aluminium est un réactif capable de transférer à un carbone électrophile un

hydrure nucléophile, c'est à dire un hydrogène avec un doublet d'électrons. Ces réactions font partie des

réactions de réduction et permettent, par exemple, l'obtention d'alcools primaires aussi bien à partir des acides

carboxyliques que des esters. Il est également possible de réduire les amides en amines correspondantes

dans des conditions similaires. Dans ce cas, la classe d'appartenance de l'amide de départ se trouve être la

même pour l'amine obtenue. Notons enfin que l'utilisation de l'hydrure de lithium-aluminium est toujours

accompagnée, dans un deuxième temps, d'une étape d'hydrolyse en milieu acide.


73

3. Réactivité 3.5. Réduction des acides carboxyliques, des esters et des amides par LiAlH4

� LiAlH4 : hydrure de lithium-aluminium

� Exemples :

1) LiAlH4

2) H2O, HClC O

HO

H5C6

C O

H3CO

H5C6

H5C6CH2OH

1) LiAlH4

2) H2O, HCl

C NH2

O

H3C1) LiAlH4

2) H2O, HCléthanamine

C NHCH3

O

H5C6 1) LiAlH4

2) H2O, HClH5C6H2C NHCH3

C N(C6H5)2

O

H3C

NH5C2

C6H5

C6H5

1) LiAlH4

2) H2O, HCl

Voici une illustration d'utilisation de réactions de réduction pour obtenir le phénylméthanol, aussi bien

à partir de l'acide benzoïque, que de son ester méthylique. Enfin, un exemple de réduction par classe d'amide

est proposé, afin de vérifier que l'amine obtenu conserve bien la même classe que l'amide de départ.


74

Mentions légales

La diffusion de ce document, sa duplication, sa mise à disposition dupublic, sa mise en réseau, partielles ou totales, sous quelque forme ousupport que ce soit, sont strictement réservées aux auteurs de cedocument.

L’utilisation de ce document est strictement réservée à l’usage privé, etnon collectif, des étudiants inscrits dans un cursus dépendant duMinistère de l'Éducation Nationale, de l'Enseignement Supérieur et dela Recherche.

Mentions légalesMentions légalesMentions légalesMentions légales

PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOISgangube.free.fr/Cours/UE1/Chimie Orga (P. Nebois)/Fascicule...

Documents

Transcript of PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOISgangube.free.fr/Cours/UE1/Chimie Orga (P. Nebois)/Fascicule...