Substitution Electrophile

1

D. Deffieux

1. Généralité, mécanisme

- réactions très courante de la chimie des composés aromatiques.- le cycle aromatique se comporte comme un nucléophile qui attaque un électrophile.- mécanisme général : formation d’un complexe sigma suivie d’une élimination qui restore l’aromaticité du cycle. E+ : électrophile ; B- : base

complexe sigma (σ) stabilisé

par résonance

II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)

Intermédiaire de Wheland

E+

H

E

H

E

H

E

E

B-

2

D. Deffieux II. Réactions de substitution aromatiqueA. Substitution électrophile aromatique (SEA)

2. Réactions d’halogénation du benzène2.1 Bromation

- le brome seul n’est pas suffisamment réactif pour induire une SEA ; un acide de Lewis doit lui être associé.

- la première étape est la formation du complexe Br2-FeBr3.

Br2

FeBr3

Br

+ HBr + FeBr3

Br Br FeBr3+ Br Br FeBr3

!-!+

3



- la formation du complexe sigma est l’étape cinétiquement déterminante.- cette étape est endothermique, mais la réaction dans son ensemble est exothermique

- le complexe « Br2-FeBr3 » est alors l’électrophile

Étape lente Étape rapide

H

BrBr

FeBr3

Br2

H

BrBr

FeBr4-

+Br Br FeBr3

!-!+

Br- + FeBr3

+ HBr

+ FeBr3

4



ETET

coordonnées de la réaction

énergie

FeBr3

Br2

H

Br+ FeBr4

-

Br

+ HBr + FeBr3

5


2. Réactions d’halogénation du benzène2.2 Chloration- mécanisme similaire à celui de la bromation. - l’acide de Lewis AlCl3 est utilisé comme catalyseur

2.3 Iodation- mécanisme différent HNO3 est ici un initiateur et non un catalyseur

- l’ion iodonium est formé à partir de l’acide nitrique

Cl2

AlCl3

Cl

+ HCl + AlCl3

I2

HNO3

I

+ NO2 + H2O

2 H+ + 2 HNO3 + I2

2 I+ + NO2 H2O

6


3. Nitration du benzène

- l’acide nitrique réagit avec l’acide sulfurique pour conduire à l’ion nitronium qui est l’espèce électrophile active dans cette réaction

- si l’acide nitrique est utilisé seul, la nitration du benzène est une réaction lentel’ajout d’acide sulfurique augmente la cinétique de cette réaction

L’ion nitronium

HNO3

H2SO4

NO2

+ H2O

N

O

O OH

S OHO

O

O

H N

O

O OH2

S OHO

O

O

O N O + H2O

7


4. Sulfonation du benzène

- dans le cas présent la vitesse de déprotonation est du même ordre de grandeur que la vitesse de formation de l’intermédiaire de Wheland. C’est ce qui permet à la réaction d’être réversible

- l’électrophile semble être dans la plus part des cas le trioxyde de soufre SO3 qui provient soit de l’acide sulfurique pur soit d’oléum

Acide sulfonique

SO3

H2SO4

SO3H

+ H2O

SO3H2SO4

SO3H

+

!

8


4. Alkylation de Friedel et Crafts (1877)

AlAl22ClCl66

Al

Cl

Cl

Cl

ClAl

Cl

Cl

9


4. Alkylation de Friedel et Crafts

- Le réactif alkylant le plus souvent utilisé est le chlorure d’alkyle RCl ou plus généralement l’halogénure d’alkyle RX

- il n’est pas certain que le carbocation soit formé dans tous les cas, car le complexeIntermédiaire peut également jouer le rôle d’électrophile.Les nombreux réarrangements de Wagner-Meerwein accompagnant cette réaction plaident cependant en faveur d’un carbocation

- formation de l’électrophile

AlCl3R

+ HX+ RX

X = Cl, Br, I

R Cl AlCl3 R Cl AlCl3 R+ + AlCl4

-

10



- Le réactif alkylant peut provenir de la protonation d’un alcool ou d’une double liaison

- mécanisme de la réaction

- dans la dernière étape, le proton est fixé par la base la plus forte du milieu, soit AlCl4-

lorsqu’on utilise RCl + AlCl3. On a alors formation d’HCl et régénération d’AlCl3

R+ + H2OR OH + H

+R OH2

+

+ H+

H+

H

RR

+ H+

R+

11



- Intérêt et limites de la réaction-L’intérêt évident est le branchement de chaîne carboné sur le noyau aromatique.Cette chaîne latérale peut éventuellement par oxydation être convertie en groupe COOH.On peut, par exemple, utiliser le permanganate de potassium

-Trois limitations, les deux dernières étant les plus sérieuses

1) la réaction ne marche qu’avec le benzène, les halogénobenzènes et les cycles aromatiques activés2) les électrophiles sont des carbocations qui ont tendance à se réarranger3) des polysubstitutions sont généralement obtenus

H

R

R'

O

OHK+ MnO4

-

12


4. Alkylation de Friedel et Crafts

- Intérêt et limites de la réaction

Réarrangement du carbocation intermédiaire

+ CH3C CH

CH3

H

Cl

CH3AlCl3

C

CH3

CH

H3C H

CH3+ AlCl3 + HCl

CH3

C

CH3

CH2 CH3

CH3C CH

CH3

H

Cl

CH3AlCl3

CH3C CH

CH3

H CH3

CH3C CH2

CH3

CH3

13



- Intérêt et limites de la réaction

-les groupes alkyle sont donneurs et renforcent donc la nucléophilie du cycle aromatique.Les substitutions successives sont plus rapides que la première.

Comment obtenir le propylbenzène ?

CH2H3C

AlCl3

CH2CH3

CH2CH3

Cl

+SEA

CH2CH3

CH2CH3

H3CH2C

+SEA benzènes

trisubstitués

CH2CH2CH3

14


4. Acylation de Friedel et Crafts- l’acylation est la fixation d’un groupe acyle R-C=O sur le cycle et peut s’effectuer le plus souvent à partir du chlorure d’acyle ou de l’anhydride d’acide en présenced’un catalyseur acide de Lewis

- un excès d’AlCl3 est nécessaire due à la basicité de la cétone formée

AlCl3++

O

ClR

O

R

O

OR

O

R

HCl

RCOOH

ouou

O

R H20 / H+

O

R

AlCl3

+ Al3+

+ 3 Cl-

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4. Acylation de Friedel et Crafts

- formation de l’ion acylium

- mécanismeIon acylium

AlCl3+

O

ClR

O

R

O

R

AlCl4-

AlCl3 +

O

OR

O

OR

O

R

O

RAlCl3

O

R

O

R

H

+ H+

O

R

O

R

16



- intérêt : l’ion acylium ne se réarrange pas, contrairement au carbocation classique.Le groupe acyle est électroattracteur, il désactive le cycle et évite la polyacylation.Cette réaction permet de synthétiser indirectement des alkylbenzènes.

Réduction de Clemmensen

CH2CH2CH3

AlCl3++

O

CH2CH3Cl

O

CH2CH3HCl

Zn(Hg)

O

CH2CH3

HCl

CH2CH2CH3

17



- Réaction de formylation de Gatterman-Koch

- il semblerait que le mécanisme fasse intervenir la formation du chlorure de formylequi est ensuite converti en cation formyle

O

HCO, HCl

CuCl, AlCl3pression

CO + HCl

O

Cl H

AlCl3

CuCl

O

H

+ AlCl4-

18



Comment synthétiser ?

AlCl3+ O

O

O

O

O

OAlCl3

Zn(Hg)

HCl

O

OH

SOCl2

O

Cl

AlCl3

O

Zn(Hg)

HCl

19


5. Polysubstitutions

- Lorsque l’on introduit un second substituant sur un cycle déjà substitué,deux problème se posent :

1) La réaction est-elle favorisée ou défavorisée par la présence du substituant ? Ce problème est celui de l’activation

2) Où se fixe le second substituant ? Ce problème est celui de l’orientation

- On constate expérimentalement que la réponse à ces deux questions est peu dépendantedu substituant entrant (E) et dépend essentiellement du substituant fixé (Y).

YE+Y

E

20


5. Polysubstitutions5.1 nitration du toluène - effet des substituants alkyles

-le toluène régit 25 fois plus vite que le benzène

-la réaction donne trois produits dont deux sont majoritaires

p-nitrotoluène57%

m-nitrotoluène3%

o-nitrotoluène40%

-le groupe méthyle est un groupe activant.-si la nitration était statistique nous aurions la distribution suivante20:40:40 - para:méta:ortho. Le groupe méthyle est donc ortho, para orienteur.

CH3

O2N

CH3 CH3

NO2

NO2

21



Nature du contrôleGénéralement, les SEA sont non renversables ce qui implique un contrôle d’ordrecinétique.Les proportions des différents régioisomères obtenus sont donc déterminées parles constantes de leurs vitesses de formation.

Etape déterminanteL’étape déterminante est la formation de l’intermédiaire de Wheland.D’après le postulat de Hammond, ces vitesses peuvent être comparées en comparantles stabilités des intermédiaires de Wheland.

ConclusionL’orientation de la réaction sera donc déterminée par la stabilité relative des différents intermédiaires de Wheland. De même, l’effet du substituant sur la vitesse sera fonction de son influence sur la stabilité de l’intermédiaire.

22



ET


énergie

Toluène + HNO3

Complexe σ conduisant au composé méta

Complexes σ conduisant aux composés para et ortho

H

NO2

+

H NO2

NO2

H

23



o

m

p

Carbocations tertiaires

CH3

CH3

+

NO2H

NO2

H

CH3CH3

H

NO2

CH2

CH3

NO2H

NO2

H

CH3

H

NO2

CH3

CH3

NO2H

NO2

H

CH3

H

NO2

HNO3

H2SO4

24


5. Polysubstitutions5.2 Généralisation

ET


énergie

Les substituants peuvent être classés en trois groupes :

- activant, ortho, para directeur

- désactivant, méta directeur

- désactivant, ortho, para directeur

25


5. Polysubstitutions5.3 Groupes activants, ortho para orienteurs

- Les groupes alkyles

- Les groupes alkoxyles (méthoxyle)

La nitration de l’anisole est 100 000 fois plus rapide que celle du benzène

ET

CH2CH3

Br2

FeBr3

CH2CH3 CH2CH3

CH2CH3

Br

BrBr

38% 62%< 1%

OCH3

HNO3

H2SO4

OCH3 OCH3

OCH3

NO2

NO2NO2

45% 55%< 1%

26

D. Deffieux

o

m

p

A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.3 Groupes activants, ortho para orienteurs

II. Réactions de substitution aromatique

27

D. Deffieux



-L’effet mésomère donneur du groupe méthoxyle apporte une stabilité supplémentaire au complexe de Wheland.-l’anisole est si réactive que sa bromation ne nécessite pas de catalyseur

-l’aniline a un comportement similaire. Du bicarbonate de sodium est cependant nécessaire.

OCH3

Br2

OCH3

Br Br

Br

+ HBr

NH2

Br2

NH2

Br Br

Br

+ HBr

H2O

NaHCO3

28

D. Deffieux

Groupes activants

ortho-para orienteurs

-effet inductif donneur (+I)-effet mésomère donneur (+M)



ETortho

para

-alkyles-alkoxyles-amino

Z

29

D. Deffieux

A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.4 Groupes désactivants, méta orienteurs


ET

-le groupe nitro

Le groupe nitro diminue la densitéélectronique du noyau aromatiqueLa cinétique de réaction est donc diminuée

NO2

HNO3

H2SO4

NO2 NO2NO2

NO2

NO2NO2

6% 0.7%9%

100°C

NO O

NOO

30

D. Deffieux

A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions5.4 Groupes désactivants, méta orienteurs


-le groupe nitro

Très déstabilisants

NO2

N

+

NO2H

NO2

H

NO2NO2

H

NO2

N

NO2

NO2H

NO2

H

NO2

H

NO2

NO2

NO2

NO2H

NO2

H

NO2

H

NO2

HNO3

H2SO4

O O

O O

31

D. Deffieux

Groupes désactivants

méta orienteurs

-effet inductif accepteur (-I)-effet mésomère accepteur (-M)

A. Substitution électrophile aromatique (SEA)5. Polysubstitutions


ortho

para

5.4 Groupes désactivants, méta orienteurs

ET

-cétones-esters-nitriles-amoniums-sulfoniques

Z

32

D. Deffieux



5.4 Groupes désactivants, ortho-para orienteurs

ET

-les halogènes

Les halogènes ont deux effets opposés : -I et +M mais -I > +M

- Ils diminuent la densité électronique du noyau aromatique par effet -I La cinétique de réaction est donc diminuée.

- Ils augmentent la densité électronique du noyau aromatique par effet +M La substitution a donc lieu en ortho et para

Cl

HNO3

H2SO4

Cl ClCl

NO2

NO2NO2

35% 64%1%

33

D. Deffieux



5.4 Groupes désactivants, ortho-para orienteurs-les halogènes

o

m

p

34

D. Deffieux



5.5 Plusieurs Groupes activants ou/et désactivants-Lorsque le nombre de substituants est supérieur à un, la vitesse de réaction et la distribution des produits peut être prédis en combinant les effets de chaque groupes

(o, p orienteur)

(o, p orienteur)

(m orienteur)

(m orienteur)

m-xylèneactivant

1,3-dinitrobenzènedésactivant

NO2

NO2

CH3

CH3

35

D. Deffieux



5.5 Plusieurs Groupes activants ou/et désactivants-la substitution entre deux substituants est défavorisée pour des raisons stériques

(o, p orienteur)

(o, p orienteur)

m-xylèneactivant

défavorisée

favorisée

favorisée CH3

CH3HNO3

H2SO4

65%CH3

CH3

NO2

36

D. Deffieux



5.5 Plusieurs Groupes activants ou/et désactivants-Si les deux substituants ont des effets opposés, la prédiction est plus difficile

(o, p orienteur)

(m orienteur)

-les groupes aux effets orienteur les plus forts : les o, p orienteurs (OR, NH2, OH) les intermédiaires : les autres o, p orienteurs (R, X) les plus faibles : m orienteur

Produits majoritairesOrientation o, p prédomine

SO3

H2SO4

NO2

OCH3

NO2

OCH3

SO3H

NO2

OCH3

HO3S

+

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