Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les additions nucléophiles Les mécanismes réactionnels
LES RÉACTIONS D'ADDITION NUCLÉOPHILE SUR LE GROUPEMENT CARBONYLE
1- INTRODUCTION Grâce à sa structure bien polarisée, le groupement carbonyle peut subir des additions nucléophiles sur le carbone. +δ
−δ
+
−
C
O
C
O
La réaction peut être complétée par une hydrolyse acide pour donner un alcool. - Réactivité des carbonyles : D'une manière générale les aldéhydes sont plus réactifs que les cétones dans les additions nucléophiles:
méthanal
aldéhyde
cétone
Réactivité croissante
Maintenant si on compare les cétones, plus elles sont encombrées et plus l'accès au nucléophile est rendu difficile:
Réactivité croissante
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 1
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les réactions d’addition nucléophile
Les mécanismes réactionnels
Attaque des deux faces du carbone sp2
Stéréochimie :
Nu
(1)
(1)
C
O
C
O
Nu
+ - H2O/H
C
OH
C
OH
+δ −δ
Nu
C
O
(2)
(2)
- H2O/H +
Nu
Nu
Si le carbonyle porte deux groupements différents et qui diffèrent également de la structure du nucléophile, on aboutit à un mélange racémique de deux énantiomères. 2 – ACTION DES HYDRURES (:H\) Il s'agit de la réduction de la fonction carbonyle en alcool . Schéma général:
H
¾ Hydrure de lithium et d'aluminium : LiAlH4
H
Al
-
H Li
+
H
Quand LiAlH4 est utilisé dans un milieu anhydre et aprotique, il peut réduire les aldéhydes en alcools primaires et les cétones en alcools secondaires. Exemples : 4 CH 3 C
H
2) H2 O / H
O 4 CH3 C
1) LiAlH4 / Et2O
CH3
O
+
1) LiAlH4 / Et2 O 2) H2 O / H
+
4 CH3 CH2 OH
4 CH 3 CH CH 3 OH
Remarque : l'action de LiAlH4 sur l'eau est violente et exothermique LiAlH4 (sd) + 4 H2O
4 H2 (gaz) + Li⊕ + OH\ + Al(OH)3 (sd)
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 2
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les additions nucléophiles Les mécanismes réactionnels H
¾ Borohydrure de sodium : NaBH4
H
B
-
H Na
+
H
Réducteur plus doux que LiAlH4, peut être employé en milieu hydroalcoolique pour effectuer les mêmes réductions Exemple : CH3 CH3 1) NaBH4 / EtOH 4 CH3 CH CH2 C CH3 4 CH3 C CH2 C CH3 + 2) H2 O / H CH OH CH O 3
3
3 – ACTION DES ORGANOMÉTALLIQUES Les liaisons carbone-métal sont polarisées. Avec le magnésium ou le lithium, ces liaisons peuvent se rompre hétérolytiquement et donner des carbanions pouvant s'additionner sur des groupements carbonyles. –δ +δ ⊕ ⎯\ C MgX réagit comme
C + MgX
¾ Les organomagnésiens Ils se préparent à partir de composés halogénés R-X (X = Cl, Br ou iode), et de magnésium dans des solvants éthérés comme le diéthyléther ou le tétrahydrofuranne (THF). +δ −δ C X + Mg
−δ
+δ
C
Mg
X
Solvants: H3C
CH3 ou
O
O
Pour cette réaction, on utilise les éthers comme solvants pour les raisons suivantes : − ils stabilisent le magnésien formé par complexation − ils rendent le magnésien plus soluble dans le milieu O
O Mg
R
X
Exemples de quelques réactions de préparation d'organomagnésiens : - R : groupement alkyle
H3C
CH2
Br + Mg
Et-O-Et 30°C
−δ H3C
CH2
+δ Mg
Bromure d'éthylmagnésium
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 3
Br
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les réactions d’addition nucléophile
Les mécanismes réactionnels
- R : groupement phényle
−δ +δ
Et-O-Et
I + Mg
Mg
I
30°C iodure de phénylmagnésium
- R : groupement vinyle
H2C
CH
−δ
THF
Cl + Mg
H2C
60°C
+δ
CH
Mg
Cl
chlorure de vinylmagnésium
- Quand R est un groupement éthynyle, le magnésien est préparé indirectement à partir d'alcynes vrais de formule R – C ≡ C- H 1
ère
étape :
ème
2
étape :
H3C
CH2
−δ
Br + Mg
H3C
+δ
CH2
Mg
Br
30°C
+δ
H3C CH2
−δ
Et-O-Et
Mg Br + R
C
C
H
Et-O-Et
−δ +δ R
C
30°C
C
Mg
Br + H3C CH3
Remarques : Étant des carbanions, les organomagnésiens se comportent en tant que bases avec tous les groupements à protons mobiles comme : -OH, -SH, -NH … Des solvants comme : l'eau (H2O) et les alcools (R-OH) ne peuvent pas être utilisés pour ce type de réaction Les solvants éthérés doivent être anhydres, des traces d'humidité risquent de détruire le magnésien : R-MgX + H2O R-H + ½ MgX2 + ½ Mg(OH)2 Pour des substrats difonctionnels à protons mobiles comme : HO–CH2-CH2-CH2-Br , on ne peut pas préparer les magnésiens correspondants. ¾ Les organolithiens Ils se préparent à partir de composés halogénés R-X (X = Cl, Br ou iode), et de lithium dans le diéthyléther comme solvant. −δ C
+δ −δ C X + 2 Li
+δ Li + LiX
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 4
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les additions nucléophiles Les mécanismes réactionnels
Exemples de quelques réactions de préparation d'organolithiens Exemple 1:
−δ
Et-O-Et n-Bu
Br + 2 Li
n-Bu -10°C
Exemple 2:
+δ + LiBr
Li
butyllithium
−δ +δ
Et-O-Et
Br + 2 Li
+
Li
LiBr
30°C phényllithium
¾ Action des organomagnésiens sur les carbonyles Dans ce cours, on se limitera uniquement à l'action des organomagnésiens sur les carbonyles. Schéma général: −δ +δ R : MgX
+δ −δ
C
O
R
- + O MgX
C
H2 O / H
+ R
C
O H
+ 1/2 MgX2 + 1/2 Mg(OH)2
Bilan des additions nucléophiles de R-MgX sur le groupe carbonyle :
H
H C O H méthanal
R—MgX +
R1
R
R1 C
O
R
R2
C
- + O MgX
H
R1 C O cétone
- + O MgX
H
H aldéhyde
R1
C
R
C
- + O MgX
R2
H2O / H
+
- 1/2 MgX 2 - 1/2 Mg(OH)2
+ H2O / H - 1/2 MgX 2 - 1/2 Mg(OH)2
+ H2O / H - 1/2 MgX 2 - 1/2 Mg(OH)2
R
alcool primaire
R1 R
CHOH
alcool secondaire
R1 R
C OH
R2 alcool tertiaire
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 5
CH2 OH
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
R1
C
Les réactions d’addition nucléophile
Les mécanismes réactionnels
R1
O R
ester OR'
C
- + O MgX
OR'
R C - R'OMgX
R1
C
R1
O R
Cl chlorure d'acyle
C
- + O MgX
Cl
C - MgXCl
O
C
R1
O
R
C
dioxyde de carbone
- + O MgX
R alcool tertiaire contenant deux fois le radical du magésien
1) RMgX
+
O
H2O / H
C OH
2) H2O / H - 1/2 MgX 2 - 1/2 Mg(OH)2
instable se réarrange en cétone O
R
+
O
R
1) RMgX 2) H2O / H - 1/2 MgX 2 - 1/2 Mg(OH)2
instable se réarrange en cétone
R—MgX +
R1
R1
+
- 1/2 MgX 2 - 1/2 Mg(OH)2
O R
C
OH acide carboxylique
Remarque: Concernant les esters et les chlorures d'acide, pour s'arrêter à l'étape de la cétone il faudra opérer à basse température : -80°C. ¾ Action des organométalliques sur les carbonyles α,β - insaturés Les composés carbonylés α,β - insaturés possèdent deux sites électrophiles où le nucléophile peut d'additionner:
Il en résulte 2 types d'addition nucléophile : - une addition 1,2 - et une addition 1,4
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 6
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les additions nucléophiles Les mécanismes réactionnels
addition 1,2
addition 1,4
4 - ACTION DES DÉRIVÉS DE L'HYDRAZINE : H2N-A Il s'agit de l'addition nucléophile de l'hydrazine (NH2-NH2) ou de l'un de ses dérivés sur un groupement carbonyle pour former une hydrazone. Cette addition est suivie d'une déshydratation. H H+ Réaction : C O + N A C N A + H 2O H dérivé hydrazone de l'hydrazine c Mécanisme : C
H O
+
H
+ O H
- H2O
catalyseur
A
N
H H
+ C
H
H
+ C
+
+ O
C
O
H
A
N
O
H
H +
C
O
H
A
N
C
H H
H O H
+
+ N
+ H O H
H + H O H + catalyseur régénéré
C
A
A
N
C
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 7
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les réactions d’addition nucléophile
Les mécanismes réactionnels
1ère application : le test à la DNPH La DNPH ( 2,4-dinitrophénylhydrazine) permet de détecter la présence d'un groupe carbonyle dans une molécule Réaction : R1
NO2
H C
O +
R2
N
H
NH
R1
H+
NO2
NO2
C
N
NH
NO2 + H 2 O
R2 DNPH
hydrazone
Le composé carbonylé est identifié par mesure de la température de fusion de l'hydrazone obtenue. Exemples: carbonyle
Température de fusion de l'hydrazone (°C)
Acétaldéhyde: CH3-CHO
168,5
Acétone: CH3-CO-CH3
128
Benzaldéhyde: Ph-CHO
237
2ème application : La réduction de Wolf - Kischner . Avec l'hydrazine (NH2-NH2) dans un milieu basique chauffé, le carbonyle est réduit en donnant l'alcane correspondant. R1 R1 1) H2 N—NH 2 C O CH 2 - / Δ 2) OH R2 R2 Mécanisme : R1 1)
2)
H C
O +
R2
H
R1
H
R2
C
N
N
H N
N H
R1 - H2 O
O—H
+
R1
Δ
R2
R2 N C
N H
+
O—H
CH 2
N
N
C
N
N
+ H2O H
R1 R2
H
R1
( voir le mécanisme de formation d'une hydrazone ) H
C
R2
H R1
H
C + H2O H
+ N2 + OH -
R2 Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 8
– CAHIER 4
Pr Hatem BEN ROMDHANE Faculté des Sciences de Tunis
Les additions nucléophiles Les mécanismes réactionnels
5 - ACTION DES DÉRIVÉS MÉTALLIQUES D'ALCYNES VRAIS Les carbanions alcynures R-C≡C:\ obtenus à partir des alcynes vrais R-C≡C-H peuvent s'additionner sur les carbonyles. Rappels sur la synthèse des alcynures Action d'un métal alcalin sur un alcyne vrai R C
C H + Na
R C
C
-
+
Na + 1/2 H2
Action d'une base forte sur un alcyne vrai + -
R C
C H + Na
NH2
R C
C
-
+
Na + NH3
Exemple d'addition : OH O H
C
C
- +
Na +
1) NH3 2) H3O
C
CH
+
Les Cahiers de Chimie Organique pour les Étudiants en Licences fondamentales ou appliquées Page 9
– CAHIER 4
