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Les acides carboxyliques  Généralités O Les acides carboxyliques sont les produits majoritaires des oxydations biochimiques très répandus dans les organismes vivants et sur terre...

Les acides carboxyliques  Généralités O Les acides carboxyliques sont les produits majoritaires des oxydations biochimiques très répandus dans les organismes vivants et sur terre C O R O H vin qui tourne au vinaigre : enzyme OH OH oxydation enzymatique de l’éthanol groupe carboxyle O basique C La réactivité des acides carboxyliques résulte essentiellement de la O H acide présence simultanée d’un groupe hydroxyle et d’un groupe carbonyle. électrophile H3C HOOC CH3 OH COOH N HO CH3 H CO2H H3C H H H HO HO OH N OH H H Prostaglandine F2α acide cholique acide lysergique émulsifiant des graisses hydrophobes hallucinogène dans l’intestin haut Les acides carboxyliques 1  Nomenclature Lorsque le groupe –COOH remplace un groupe –CH3 terminal d’un hydrocarbure acyclique : « acide » + nom de l’hydrure acyclique + « oïque » Pour les autres acides : « acide » + nom de l’hydrure fondamental + « carboxylique » Lorsque l’acide carboxylique n’est pas le groupe principale, on indique sa présence par le préfixe « carboxy » CH3 Cl OH OH Br O COOH CH3 O acide (2R,3S)-2,3-diméthyl acide 5-vinylnonanoïque acide 1-bromo-2-chloro pentanoïque cyclopentane-1- carboxylique Quelques noms triviaux O HO OH OH HOOC COOH O O acide maléique acide malonique (acide (Z)-but-2-èn- acide benzoïque (acide propane-dioique) 1,4-dioïque) Les acides carboxyliques 2  Structure et propriétés physiques La structure est quasiment planaire. Le carbone du groupe carbonyle est approximativement trigonal. Les acides carboxyliques sont des fonctions très polaires qui forment facilement de liaisons hydrogène avec d’autres molécules polarisées (eau, alcools, autre ac. carboxylique) formation de dimères. O H O 6-8 kcal/mol structure de l’acide formique 2 RCOOH R C C R O H O Il en résulte des point de fusion et d’ébullition élevés CH3-CH3 Téb = -88.6°C PF = -183.3°C CH3CH2OH Téb = 78.5°C PF = -114.7°C CH3COOH Téb = 118.2°C PF = 16.7°C Les acides carboxyliques 3  Caractères acide et basique des acides carboxyliques O O Acidité + H2O pKa = 4 - 5 R OH + H3O R O O O O O B + C C C C R OH R O O O + BH R R Acidité : - groupe hydroxyle attaché à un carbonyle fortement électro attracteur - base conjugué stabilisé par résonance L’acidité est augmentée par l’introduction de groupes electro attracteurs par effet inductif sur le carbone en α du groupe carboxyle. CH3COOH : pKa = 4.6 ClCH2COOH : pKa = 2.87 Cl2CHCOOH : pKa = 1.25 O O R OH + Na OH R O Na + H2O réaction avec les bases minérales irréversible O O + H2N R R OH R O H3N R réaction avec les bases organiques sel d’ammonium Les acides carboxyliques 4  Caractères acide et basique des acides carboxyliques Protonation des acides carboxyliques H H O O O O H + H R O R OH R OH R OH H pKa = -6 pas observé La protonation de l’oxygène du carbonyle conduit à une espèce où la charge positive peut être délocalisée par résonance. La protonation de l’hydroxyle ne conduit pas à une espèce bénéficiant d’une telle stabilisation. Les acides carboxyliques 5  Préparation des acides carboxyliques Synthèses industrielles O 150°C Utilisé dans l’industrie du cuir NaOH + CO HCOO Na C 100 psi H OH et dans la préparation du latex acide formique H OH H2C O2, H2O, PdCl2, CuCl2 O2, Co3+ cat. CH2 acide acétique procédé Wacker H3C O H3C O CO, Rh3+ cat. I2, 35 atm, 180°C CH3OH procédé Monsanto Autres voies de synthèse O O [O] [O] oxydation des alcools RCH2OH [O] = CrO3, KMnO4, HNO3 R H R OH primaires O OMgX OH H , H2O carbonation de R MgX + C R C R C + XMgOH dérivés organométalliques O O O Les acides carboxyliques 6  Réactivité des acides carboxyliques O subit l’attaque de nucléophiles processus d’addition / élimination C peut être transformé R O H en groupe partant Schéma réactionnel O O H O valable aussi pour tous C + H Nu R C OH C R OH R Nu + H2O les dérivés d’acides Nu processus catalysé par un acide ou une base Addition / élimination catalysée par une base assure une concentration maximale en Nu H + B Nu + BH nucléophile anionique O O O C R C L C + L + Nu R Nu R L Nu L + BH LH + B régénération du catalyseur Les acides carboxyliques 7  Réaction d’addition / élimination Addition / élimination catalysée par un acide H O O C C activation du groupe carbonyle (L = OH, OR’, X, OC(O)R’) + H R L R L H H O OH OH O C + Nu-H R L R L H C R L R Nu Nu H Nu faire un meilleur Facteurs limitants groupe partant O Pour les acides carboxyliques, le groupe HO- est un mauvais groupe partant. C + H R Nu La plupart des nucléophiles étant basiques , il peut y avoir une réaction compétitive de déprotonation de l’acide carboxylique O O O Nu Nu R C OH C H C + Nu-H R O R O Nu Les acides carboxyliques 8  Réaction d’estérification O O Schéma général H C + R'OH C peu exothermique R OH R OR' + H2O Afin de déplacer l’équilibre vers la formation de l’ester, on utilise généralement l’alcool R’OH comme solvant (très large excès). O O H2SO4 cat., Δ C + CH3OH C + H2O H3C OH H3C OCH3 rdt = 85% Version intramoléculaire O O H2SO4, H2O O HO OH + H2O rdt = 90% OH O OP OH H HCl cat., THF PO CO2Et CO2Et rdt = 96% HO + H2O O OP OH PO O Lactonisations : processus favorables lorsqu’elles conduisent à des cycles à 5 ou 6 chaînons Les acides carboxyliques 9  Formation des halogénures d’acyles Transformer le groupement –OH de l’acide carboxylique en bon groupe partant pour permettre le processus d’addition / élimination. O OH ClSCl , reflux Cl + SO2 + HCl rdt = 85% O O O O OH PBr3 Br rdt = 90% + H3PO3 Intermédiaires réactionnels O O O O O ClSCl PBr3 R OSCl + HCl + HBr R OH R OH R OPBr2 O L’introduction d’un groupement halogénure électroattracteur augmente le caractère électrophile du groupe carbonyle réaction avec des acides carboxyliques pour former des anhydrides. Les acides carboxyliques 10  Formation des amides O O O O Δ + R'NH2 R' + H2O + R'NH2 R OH R N R OH R O H3NR' H réaction compétitive OH 155°C N + (CH3)2NH + H2O rdt = 84% O O O COOH COO NH4 NH3 290°C NH rdt = 83% COOH COO NH4 O Réactions intramoléculaires O H O H OH Δ N N NH + H2O H H O H O rdt = 86% Les acides carboxyliques 11  Formation des amides – Agents de couplage Utilisation d’agents activants de la fonction carboxyle Exemple : dicyclohexalcarbodiimide R1 O NHCy R1 OH N C N + O NCy O R2 H2N R3 O H + R1 N R3 CyHN NHCy O R2 Les acides carboxyliques 12  Formation des anhydrides Déshydratation H O R O R R O R R O R H cat., 200°C via 2 R HO OH O H O OH O OH O O H Utilisation d’un agent de couplage (conditions plus douces) O O TA R O R 2 R + N C N + N N OH O O H H R' = O H O R'N C NR' + R'N C NR' HO R + O R HO R Utilisation des halogénures d’acyles O OH Cl Δ O + HCl + O O O O rdt = 85% Les acides carboxyliques 13  Réduction des acides carboxyliques Utilisation de réducteurs puissants tels que LiAlH4 O H H 1. LiAlH4 1. LiAlH4 R OH R OH 2. H , H2O 2. H , H2O COOH rdt = 65% OH AlH3 O O O H C C + H Al H R C O Li R H + Li O Al R O Li H H Li LiAlH4 Avec ce type de réducteur, il n’est pas possible de R OH s’arrêter au stade de l’aldéhyde intermédiaire 1. LiAlH4 Pas de sélectivité O 2. H , H2O COOH OH OH Les acides carboxyliques 14 Les alcènes  Généralités Groupe fonctionnel caractéristique : double liaison carbone-carbone R R Formule générale : CnH2n C C Composés insaturés : peuvent subir des réactions d’addition R R Nomenclature 1) Considérer la chaîne la plus longue contenant les 2 carbones de la double liaison 2) Indiquer la position de la double liaison par un numéro en partant de l’extrêmité la plus proche de la double liaison 3) Nommer l’hydrure fondamental et indiquer l’insaturation par le suffixe –ène 4) Ajouter les substituants et leur position en tant que préfixes (quand l’alcène est le groupe principal caractéristique). 5) Règle Z / E : cf. chapître stéréochimie 2 Br 1 2 3 4 3 6 5 2 4 1 3 6 1 3 4 5 2 4 5 7 1 5 (2Z)-5-methylhex-2-ène 3-methylpent-1-ène (3E)-hept-3-ène 3-bromocyclopentène Les alcènes 1  Généralités Nomenclature des substituants contenant une double liaison Les substituants contenant une double liaison sont nommés alcényl, avec indication de la position de l’insaturation par un indice. 1 3 5 1 3 5 2 4 2 4 O OH 1-vinylcyclopentène 3-(pent-4-ényl)cyclohexan-1-one 3-(pent-2-ényl)cyclooctan-1-ol Quelques noms triviaux : H2C CH H2C CH CH2 H2C ethényl = vinyl 2-propényl = allyl méthylène Les alcènes 2  La liaison π : structure et propriétés Le cas de l’éthène H 121.7°H 116.6° C C 1.076 angström H H 1.330 angström densité électronique molécule planaire avec 2 C trigonaux d’hybridation sp2 - recouvrement de 2 orbitales sp2 : liaison σ C-C - recouvrement de 2 orbitales 2p : liaison π Force de la double liaison C=C - La force de la contribution π est mesurée par l’energie d’activation requise pour l’isomérisation thermique du 1,2-dideutérioethène : 65 kcal/mol - Energie requise pour dissocier 2 fragments CH2 = 173 kcal/mol, donc contribution σ = 108 kcal/mol - Les autres liaisons σ sont plus fortes que dans les alcanes : recouvrement avec des orbitales sp2 compactes Les alcènes 3  Formation des liaisons σ et π Formation de la liaison σ (axe internucléaire) Formation de la liaison π ΔEσ > ΔEπ : la réactivité des alcènes est caractérisée par des additions sur la liaison π qui apporte la plus faible des contributions. Au cours de ces réactions la liaison σ C-C n’est pas coupée. Les alcènes 4  Propriétés physiques des alcènes Point d’ébullition : semblable à celui des alcanes correspondants Point de fusion : - les points de fusion des alcènes sont inférieurs à ceux des alcanes correspondants - les double liaisons cis (Z) imposent une courbure en U dans la molécule, qui perturbe l’ordonnement et entraîne des PF plus faibles que pour les alcènes trans (E). Polarisation Les carbones sp2 sont relativement electroattracteurs (orbitales plus proches du noyau : création de dipôles le long des liaisons substituant – C de l’alcène H3C CH3 H3C H C C dipôle résultant C C pas de dipôle résultant H H H CH3 alcènes cis alcènes trans Acidité des protons ethyléniques H3C CH3 H3C CH2 + H K ~ 10-50 Résulte du caractère électroattracteur des carbones d’hybridation sp2 H2C CH2 H2C CH + H K ~ 10-44 Les alcènes 5  Les alcènes dans la nature De nombreux composés naturels contiennent des oléfines (terpènes, stéroides, prostaglandines). Les phéromones d’insectes : substances chimiques utilisées par l’organisme vivant pour des processus de communication variés. L’activité spécifique des phéromones dépend de la configuration Z ou E des doubles liaisons, de la configuration absolue des stéréocentres et de la composition des mélanges d’isomères. CH3 H3C OH O CHO O H3C CH3 CHO H H H Coccinelle du japon CH3 Anthonome mâle Phéromone de défense du cotonnier (larves de coccinelle) O OH O O CH3 Chenille des plantes grimpantes H3C CH3 Blatte américaine Les alcènes 6  Préparation des alcènes Processus général d’élimination : C C + AB A B Elimination E2 : 1) Régioselectivité en faveur de la formation de l’oléfine la plus substituée lorsque la base est peu encombrée. 2) Stéréoselectivité : selon la nature de l’halogénure d’alkyle, la réaction conduit majoritairement à l’alcène E (composé thermodynamiquement le plus stable) 3) Stéréospécificité : avant que la E2 ait lieu, le produit adopte une conformation où le proton à arracher et le groupe partant sont en relation anti. H3C CH3 CH3 Lorsque la base est plus CH3 EtONa, EtOH H3C + encombrée, la tendance 70°C H3C Br H CH3 CH3 s’inverse. 70% : 30% H3C H3C CH3 H3C Br EtONa, EtOH + + CH3 H CH3 H 51% : 18% : 31% Les alcènes 7  Préparation des alcènes Acide, Δ Déshydratation des alcools C C + H2O H OH 1) L’élimination d’eau est d’autant plus facile que le carbone au pied du groupe hydroxyle est substitué. 2) Les alcools secondaires et tertiaires réagissent selon un processus E1 (-OH2 comme groupe partant). Les carbocations intermédiaires peuvent subir des réarrangements. H2SO4 conc., 170°C CH3 H2SO4 dilué, 50°C CH3 OH H2C CH2 H3C C OH H2C C CH3 CH3 Réactivité pour ROH : R primaire < R secondaire < R tertiaire Déshydratation avec réarrangement H3C CH3 H3C CH3 H3C CH3 + CH3 OH CH3 H3C CH3 8% : 54% H2SO4, Δ H OH HO H H H H3C CH3 H3C H3C CH3 CH3 CH3 OH2 H CH3 CH3 H Les alcènes 8  Addition sur les doubles liaisons La réactivité des oléfines est largement ΔH°? dirigée par la relative faiblesse de la C C + A B C C liaison π qui permet des additions electrophiles. A B Faisabilité thermodynamique : - force de la liaison π ΔH° = (DH°π + DH°A-B) – (DH°C-A + DH°C-B) - energie de dissociation de A-B - force des nouvelles liaisons C-A et C-B Exemples de ΔH° pour des réactions d’addition sur l’éthène DH°π DH°A-B DH°C-A DH°C-B ~ ΔH° H H H2C CH2 + H H H2C CH2 - 33 kcal / mol 65 104 101 101 Br Br H2C CH2 + Br Br H2C CH2 - 29 kcal / mol 65 46 70 70 réactions avec dégagement d’énergie Les alcènes 9  Addition d’acides forts sur les oléfines HX X Schéma général C C C C C C + H X H + H X étape lente étape rapide Les substituants électrodonneurs augmentent la vitesse de réaction C C H X Exemples Cl I HI, 0°C HCl H H CH3 CH3 L’oléfine additione H sur le carbone HI, 0°C I le moins substitué. H Les alcènes 10  Régiosélectivité : loi de Markovnikov H H Stabilité relative des carbocations H3C C C H H3C CH2 δ+ L’orientation de l’addition sur une H carbocation primaire oléfine dissymétrique est dirigée par δ+ la formation du carbocation le plus stable contrôle cinétique H H H H H3C C C H C H3C CH3 δ+ H δ+ carbocation secondaire L’état de transition conduisant au carbocation primaire est moins favorisé que l’état de transition conduisant au carbocation secondaire Les alcènes 11  Addition d’acides faibles L’addition d’acides faibles (eau, alcools) n’est possible qu’en présence d’un acide fort qui joue le rôle de catalyseur (dont la base conjuguée est un mauvais nucléophile). H3C CH3 OMe H2O, H2SO4 MeOH, H2SO4 H3C C CH3 H3C 92% OH Mécanisme H3C H3C CH3 H CH3 H H-OH C CH2 C CH3 H3C C O H3C C OH + H H3C H3C addition CH3 H CH3 nucléophile En milieu acide, il s’établit un équilibre entre l’alcène et l’alcool correspondant. Selon les conditions, l’équilibre peut être déplacé en faveur de l’un ou l’autre des composés. H2SO4, H2O excès, basse T alcool alcène H2SO4 conc., Δ Les alcènes 12  Addition électrophile d’halogènes X X X Schéma général C C C C dihalogénure vicinal X = Cl, Br X F2 : réaction trop violente I2 : généralement thermodynamiquement défavorable Conditions : température ambiante ou en-dessous, solvants inertes (halogénométhanes) Mécanisme addition stéréospécifique : dihalogénures vicinaux anti Br δ- Brδ+ Br Br Br C C C C C C + C C Br Br polarisabilité de la Br ouverture stéréospécifique liaison X-X en anti de l’atome pontant formation d’un cation ponté : bromonium (doublet non liant de Br) Film Les alcènes 13  Présentation des halogènes Chlore : gaz vert pâle Brome : liquide rougeâtre Iode : solide de couleur grise Les alcènes 14  Addition électrophile d’halogènes Br Br Exemples Br2, CCl4 + mélange racémique 83% Br Br H H Br H H Br Br2, CCl4 C C CH3 H3C H C C + C C H mélange racémique H3C CH3 H3C Br Br CH3 (Z)-but-2-ène (2R,3R) (2S,3S) H3C H Br H H Br Br2, CCl4 CH3 H3C composé méso C C C C C C H3C + CH3 H CH3 H Br Br H (2S,3R) (2R,3S) (E)-but-2-ène identiques Br Br2, CCl4 Br 90% Réacteurs pour processus d’halogénation Les alcènes 15  Addition électrophile d’halogènes Compétition pour l’ouverture des haloniums pontés En présence d’autres nucléophiles, ces derniers entrent en compétition avec l’halogénure pour l’ouverture du cation ponté : ouverture par H2O, ROH Formation d’halohydrines Régiosélectivité Br H3C CH3 Br Br2, H2O Br2, H2O, 0°C OH C CH2 H3C H3C OH - Br Br -H Attaque sur le C, le plus Me C CH2 H Br polarisé δ+ Br H Me O H OH H H H2O Application : synthèse d’oxacylopropanes (époxydes) H Cl Cl2, H2O NaOH, H2O O 70% OH H Les alcènes 16  Hydrogénation des alcènes Bien qu’exothermique (ΔH° = -33 kcal/mol), la réaction n’a pas lieu même à T élevée utilisation de catalyseurs métalliques insolubles : milieu hétérogène solubles : phase homogène Catalyse hétérogène Métaux de transition sur un support : Ni, Pd, Pt, Rh Les hydrogènes s’ancrent à la surface du catalyseur et sont délivrés sur les carbones de l’oléfine adsorbée sur la surface. addition syn stéréospécifique Les deux hydrogènes sont délivrés sur la même face de l’oléfine Les alcènes 17  Hydrogénation des alcènes Fonctionnement d’un réacteur à hydrogénation Les alcènes 18  Exemples d’hydrogénation avec catalyse hétérogène H H CH2CH3 CH2CH3 CH3CH2 H2, PtO2, EtOH, TA + 82% CH3 CH3 H3C H H cis-1-ethyl-2-méthylcyclohexane (racémique) CH3 CH3 CH3 O O CH3 PtO2, 3 atm, H2 O H CH2CO2H CH2CO2H H CH2CO2H CH3 H3C H H CH3 H3C H H2, 100 atm, PtO2 L’hydrogénation a lieu sur la face de EtOH, 25°C l’oléfine la moins encombrée 98% H3C H3C CH3 CH3 Les alcènes 19  Hydrogénation en phase homogène Le métal est porteur de ligands organiques solubles. Ex : catalyseur de Wilkinson ClRh(PPh3)3 H3C H H H H2, ClRh(PPh3) 3 H3C H PhO2C CO2Ph PhO2C CO2Ph L L Rh H H L Cl -L G. Wilkinson L L H Rh Rh Mécanisme simplifié L Cl L Cl H H H2 addition L Rh oxydante L Cl H Vitesse d’hydrogénation R R R R R R CH CH2 > > >>> R R Les alcènes 20  Applications de l’hydrogénation en phase homogène Hydrogénation sélective ClRh(PPh3)3 Conditions douces permettant l’hydrogénation H2, 1atm sélective de la liaison disubstituée 80% Hydrogénation asymmétrique En présence de ligands optiquement actifs, on peut effectuer des hydrogénations énantiosélectives Ph Synthèse d’acide aminés N H CO2H Ph H2, Rh-(R,R)-Degphos H Ph NHCCH3 H3CCHN CO2H Ph P P Ph O O ee = 99% Ph Ph (R,R)-Degphos Les alcènes Les alcènes 21  Hydroboration - oxydation des alcènes Schéma général Prof. H.C. Brown (Prix Nobel de Chimie 1979) H H BH2 H H oxydation C C + H B C C C C B C C OH H 3 borane trialkylborane Source commerciale de borane : complexe BH3.THF Mécanisme riche en electrons C C # C C δ+ δ+ C C C C H + δ- H B H H2B H H2B H déficient en électrons B H H H complexe alcène-bore Addition syn stéréospécifique Transfert de la densité électronique de l’alcène vers le bore Régiosélectivité : le bore se fixe sur le carbone le moins substitué (facteurs stériques) Les alcènes 22  Hydroboration - oxydation des alcènes Intérêt synthétique : les trialkylboranes peuvent être oxydés pour conduire aux alcools correspondants. Régiosélectivité inversée par rapport à l’hydratation de alcènes en milieu acide addition de type anti-Markovnikov BH3, THF H2O2, NaOH, H2O B OH 3 rdt = 80% Mécanisme de l’oxydation R R R NaOH H2O2 H O O + R B R B O OH R B + OH R R OR migration OR NaOH, H2O 3 ROH + Na3BO3 RO B hydrolyse OR Les alcènes 23  Exemples d’hydroboration - oxydation H H CH3 CH3 CH3 BH3, THF H2O2, NaOH trans-2-methylcyclopentanol H H2O H (racémique) BH2 OH rdt = 86% Hydroboration asymmétrique en présence de boranes optiquement actifs H BH 2 + BH3 Diisopinocamphenyl borane (DIPCB) 2 OH 1. DIPCB H3C H 2. H2O2, NaOH, H2O ee = 83% Les alcènes 24  Réactions d’oxydation des alcènes C C O O C C C C HO OH Coupure oxydante (ozonolyse) O Dihydroxylation Epoxydation Les alcènes 25  Epoxydation des alcènes O O O Schéma général + RC O O H + RC OH δ+ Transfert d’oxygène : syn-stéréospécifique, rétention de la configuration de l’alcène O R O R C C O Mécanisme O + C C O H O H O O H3C H OOH H H3C C C C C + 85% H CH3 H CH3 Cl O 10°C Sélectivité + CH3C OOH O 86% La réaction procède par attaque de la double liaison sur un site électrophile de l’acide peroxy-carboxylique. La réactivité augmente donc par substitution de la double liaison par des groupes alkyles. Les alcènes 26  Epoxydation des alcènes Application synthétique Préparation de diols vicinaux anti O O HO m-CPBA H , H2O C C C C C C OOH OH H - H O HO Cl m-CPBA C C C C OH2 HO H H3C H HO H 1. m-CPBA C C H3C C C CH3 meso-butane-2,3-diol H CH3 2. H , H2O H OH H H HO H H OH 1. m-CPBA CH3 H3C C C C H C C + C H H3C CH3 2. H , H2O H3C OH HO CH3 (2R,3R)-butane-2,3-diol (2S,3S)-butane-2,3-diol Les alcènes 27  Dihydroxylation des alcènes HO OH KMnO4 dilué Schéma général C C C C addition syn-stéréospécifique ou OsO4 Mécanisme O O Os VI OH C O VIII O O O OH Os H2S C O O ester cyclique Il est possible d’effectuer cette réaction en version catalytique, en présence d’un autre agent oxydant capable de réoxyder l’osmium (H2O2). O O OH O O HO 1. OsO4 OsO4 5% HO OH CN CN 2. H2S H2O2 1 eq 90% OAc 95% OAc Les alcènes Les alcènes 28  Dihydroxylation des alcènes Dihydroxylation énantiosélective applications synthétiques variées Conditions : utilisation de ligands optiquement actifs pour complexer l’osmium MeO MeO O O OH O O OH OsO4 cat., L* K3Fe(CN)6 tBuOH, H2O MeO OMe rdt = 93% MeO OMe ee = 99% N N N RO R: Ligand optiquement actif O N OCH3 N Les alcènes 29  Coupure oxydante des alcènes : ozonolyse O réduction O3 Schéma général C C C C O +O O O ozonide Ozone : produit par un arc électrique (3 à 4 % dans un flux d’oxygène). Le flux traverse la solution contenant l’alcène, à très basse température (-78°C). Mécanisme C C C O C C C O + C C ozonide O O O O O O O O O O molozonide (CH3)2S H3C 2 C O + S O H3C Les alcènes 30  Coupure oxydante des alcènes : ozonolyse Exemples O O O CH3 H3C 1. O3, -78°C H3C 1. O3, -78°C CH3 H 2. (CH3)2S 2. (CH3)2S H O O O Méthode de coupure oxydante 1. O3, -78°C des alcènes très douces 2. (CH3)2S bons rendements O O O H3C CH2CH3 1. O3, -78°C CH3CH H3C + 2. Zn, CH3COOH CH3 H CH3 90% Les alcènes 31  Réactivité des alcènes H H H H X X C C C C C C H C C C C C C H H H X H OH H X H OR H H OH 1. BH3 H2 cat. HX H H2O X2 X2 ROH 2. H2O2, OH H C C O OsO4 1. O3 HBr, ROOR CR2 RCOOH ou KMnO4 2. Red. H H H R R O + H C C C C C C C H O C C O HO OH H Br Les alcènes 32 Les alcools  Généralités Structure : squelette carboné sur lequel sont greffés des goupes hydroxyles (-OH) H O H R O H R O R' eau alcool éther fermentation 2 H3C OH C6H12O6 + 2 CO2 sucre éthanol L’éthanol est contenu dans les boissons alcoolisées. Les alcools sont très abondants dans la nature et ont des structures très variées. Classification H H R'' R C OH R C OH R C OH H R' R' primaire secondaire tertiaire Nomenclature : le nom est obtenu en tant que dérivé de l’hydrure fondamental correspondant. on supprime la lettre –e terminale et on ajoute le suffixe –ol, -diol….précédé d’un indice de position. Les alcools 1  Fermentation alcoolique Fermentation alcoolique Cabernet sauvignon Château Latour En l’abscence d’oxygène, il y a tout d’abord rupture du squelette carboné catalysée par la pyruvate décarboxylase et utilisant la thiamine pyrophosphate comme co-enzyme. Il y a ensuite une réaction d’oxydo-réduction catalysée par l’alcool déshydrogénase et utilisant le NAD+ comme co-enzyme. Les alcools Les alcools 2  Nomenclature des alcools - Exemples OH OH OH 3-méthylheptan-1-ol 2,2,5-triméthylhexan-3-ol 4-ethylcyclohexan-1-ol Quelques noms triviaux OH OH HO menthol cholestérol géraniol Lorsque l’alcool n’est pas le groupe principal, on utilise le prefixe hydroxy. CH3 HOOC OH acide 2-hydroxypropanoïque Les alcools Les alcools 3  Propriétés des alcools - O : hybridation sp3 Structure - angles : quasi tétrahèdrique - O-H : liaison plus courte de C-H (électronégativité de O) - DH°(O-H) = 104 kcal/mol - DH°(C-H) = 98 kcal/mol Polarisation de la liaison O-H électronégativité O H : 2.2, C : 2.6, O : 3.4 H3C H dipôle moléculaire Liaisons hydrogène (5-6 kcal / mol) Large réseau d’interactions : Teb élevée (H2O, M = 18, Teb = 100°C) Les alcools Les alcools 4  Propriétés des alcools Solubilité dans l’eau Formation de liaisons hydrogène par l’eau et les alcools bonne solubilité de nombreux alcools dans l’eau. Méthanol Téb = 65°C solubilité dans l’eau : infinie Méthane Téb = -161.7°C solubilité dans l’eau : 3.5 mL / 100 mL Butan-1-ol Téb = 117.3°C solubilité dans l’eau : 8.0 g / 100 mL Alcanes, groupes alkyles : hydrophobes Groupes OH, COOH, NH2 : hydrophiles Acidité et basicité des alcools K [H3O ][RO ] acidité RO H + H2O RO + H3O Ka = K[H2O] = [ROH] RCH2OH pKa ~15-16 R CHOH pKa ~17 R' R'' R C OH pKa ~18 R' Les liaisons hydrogène et la solvation stabilisent la charge négative. Les alcools Les alcools 5  Propriétés des alcools Acidité et basicité des alcools CH3OH2 pKa = -2.2 (CH3)2CHOH2 pKa = -3.2 Basicité ROH2 + H2O ROH + H3O (CH3)3COH2 pKa = -3.8 protonation par des acides très forts H acide fort base forte R O ROH R O H base douce acide faible Caractère amphotère des alcools Caractéristique de la réactivité chimique des alcools Les alcools Les alcools 6  Préparation des alcools Réduction des composés carbonylés Composés inorganiques oxydation = perte d’électrons, réduction = gain d’électrons Composés organiques oxydation : addition d’atomes électronégatifs (O, X), perte d’hydrogène réduction : perte d’atomes électronégatifs, addition d’hydrogène R H H réduction C O R C O Agents réducteurs : hydrures (NaBH4, LiAlH4) R' oxydation R' H O O Exemples H NaBH4 C C rdt = 85% H EtOH H H O O rapide C 1. LiAlH4, Et2O C LiAlH4 + 4 ROH LiAl(OR)4 + 4 H2 H 2. H , H2O rdt = 90% H iPr O iPr NaBH4 Stéréosélectivité iPr OH EtOH iPr H H Les alcools Les alcools 7  Préparation des alcools δ+ δ- Mécanisme C O 2.4 C O 3.5 C O caractère polaire de la fonction carbonyle R R Na H3B H C O H OEt H C O H + Na H3B(OEt) R R R R R Li H3Al H C O H C O AlH3 Li H C O AlLi 4 R R R H OH , H R LiOH + Al(OH)3 + 4 H C O H R Les alcools Les alcools 8  Réactions de substitution et d’élimination Le groupe –OH doit être converti en un bon nucléofuge H Ions alkyloxonium d’alcools primaires : SN2 R O H + H R O Ions alkyloxonium d’alcools secondaires et H tertiaires : SN1 et E1 SN1 : en présence de bons Nu OH HBr Br + H2O SN2 H3C HBr H3C H3C C OH H3C C Br + H2O H Br H3C excès H3C H O H Br H H3C H H3C + Br H3C C O H2O + H3C C H3C H H3C E1 : mauvais Nu, T élevée OH + Br + Br H Carbocations formés à basse T : on H2SO4, Δ évite le processus d’élimination via HO H Les alcools Les alcools 9  Réarrangements de carbocations H SN1 R O H + H R O R R' H ou E1 migration de proton ou de groupes alkyles et aryles Transfert de proton – réaction SN1 OH Br H L’atome de H est transféré HBr, 0°C avec 2 électrons sur l’atome H H + Br + H2O de C adjacent. minoritaire majoritaire Mécanisme H2O + H OH Br H H OH2 H H Br H H H H δ+ δ+ carbocation Me C C H Me C C H Me C C H Me Me tertiaire plus Me Me Me Me stable sp3 sp2 sp2 sp3 très rapide (> SN1 et E1) Les alcools Les alcools 10  Réarrangements de carbocations Migration de H suivie d’une élimination température élevée OH OH H2SO4, 80°C H2SO4, 80°C avec réarrangement H H 2 migrations successives H H H H Migration de groupes alkyles Lorsqu’il n’y a pas d’hydrogène en α du carbocation CH3 CH3 HBr OH H3C C H3C C C C CH3 94% Br H3C H3C CH3 Lorsque la molécule peut donner lieu à des migrations de groupes alkyles et d’hydrogène, le processus conduisant au carbocation le plus stable est observé. Les alcools Les alcools 11  Réarrangements de carbocations Alcools primaires Réagissent généralement selon un processus SN2 Possibilité de migration vers le carbone primaire portant le groupe partant dans certains cas HBr, Δ OH + H2O migration d’un groupe méthyle Br H3C H H3C H3C OH OH2 CH3 + H2O H3C H3C H3C CH3 CH3 Br pas de formation de carbocation primaire L’encombrement stérique interfère avec le déplacement direct par le bromure. H3C CH3 H3C Br Les réarrangements de substrats primaires sont des processus assez difficiles et nécessitant des températures réactionnelles élevées et des temps de réaction longs. Les alcools Les alcools 12  Oxydation des alcools H O [O] [O] O R C OH R C R C [O] = Cr(VI), Mn(VII) H H OH H R [O] O [O] R C OH R C R C OH alcools tertiaires pratiquement inertes R R R Exemples OH O H2CrO4, Et2O Na2Cr2O7, H2O H2SO4 OH rdt = 84% O rdt = 96% Pour s’arrêter à l’aldéhyde : absence d’eau H PCC OH OH KMnO4 O OH O PCC : NHCrO3Cl Les alcools Les alcools 13  Oxydation des alcools Mécanisme ester chromique H O H O VI VI R O R C OH + HO Cr OH R C O Cr OH C + H3O + O3Cr(IV)H H O H O lente H rapide + H2O Autres méthodes d’oxydation R O (OR') R Al (OR') H Me Me Me H R O O R C OH + Al(OR')3 + C Me OAl(OR')2 + O R R H oxydation d’Oppenauer + NEt3 O O H R O Cl Me Me Cl S H C Cl + S S + HOCH2R R H O O + CO2 + CO + Cl + HCl + ClNHEt3 Oxydation de Swern Les alcools Les alcools 14  Oxydation des diols-1,2 R R OH R NaIO4 ou Schéma général 2 O Pb(OAc)4 R OH R R Mécanisme R R R R R OH R O OAc AcO OAc O Pb Pb + Pb(OAc)2 AcO OAc O R O OAc R OH R R R R + 2 AcOH OH O OH Pb(OAc)4 Pb(OAc)4 très lent OH O OH Les alcools Les alcools 15  Les éthers - Généralités O Nomenclature : sont considérés comme des alcanes Formule générale R R' portant un substituant alkoxy. Parfois on énonce les noms des 2 groupes R et R’ suivis du suffixe éther. O CH3 méthoxyéthane 2-éthoxy-2-méthylpropane H3C H3C O (méthyl éthyl éther) OCH3 OCH2CH3 cis-1-éthoxy-2-méthoxycyclopentane éthers cycliques : le préfixe oxa indique le remplacement d’un atome de carbone du cycle par un atome d’oxygène. O O O O oxacyclopentane 1,4-dioxacyclohexane 7-oxabicyclo[2.2.1]heptane (tertrahydrofurane) (1,4-dioxane) Les éthers ne peuvent pas faire de liaisons hydrogène : points d’ébullition beaucoup plus bas que ceux des alcools correspondants (EtOH, Téb = 78.5°C; MeOMe, Téb = -23.0°C) Les alcools 16  Les polyéthers cycliques Les polyéthers cycliques qui comprennent des motifs de type 1,2-dioxyéthane sont appelés éthers couronnes conformation de type couronne à l’état cristallin et probablement à l’état liquide. La partie interne de la couronne est riche en électrons en raison des paires d’électrons sur les atomes d’oxygène. Les paires d’électrons libres sur les oxygènes peuvent coordiner des métaux électrodéficients et des cations métalliques