Benzène et aromaticité

Structures proposées pour le benzène de Dewar Benzène de Claus Prismane de Landenburg Benzvalène Benzène de Kékulé

E I. Généralités Cyclohexa-1,3,5-triène Cyclohexa-1,3-diène Cyclohexène E résonance 123,7 kJ/mol Calcul: -300 kJ/mol -229,7 kJ/mol -206,3 kJ/mol -119,7 kJ/mol Benzène Cyclohexane

Les énergies Ei des orbitales moléculaires d'un [p]-annulène sont données par la formule de C. A. Coulson :  < 0 est l'intégrale coulombienne,  < 0 est l'intégrale de recouvrement i est un entier variant de 1 à p. Les coefficients des orbitales moléculaires d'un [p]-annulène sont donnés par: Cela permet d'obtenir la représentation suivante des orbitales moléculaires du benzène:

LUMO HOMO

Aromatique, anti ou non aromatique? On compare l'énergie des électrons  du polyène cyclique avec celle du composé à chaîne ouverte équivalent (correction si le cycle est tendu). + H2 Chaîne linéaire de C sp2 on enlève un H à chaque extrémité Cycle de C sp2 Calcul du niveau d'énergie des électrons  E dans la cycle E dans la chaîne Conclusion ''   > '' anti aromatique '' = '' non aromatique '' < '' aromatique

Règle de Hückel Anti aromatique: cycles à électrons , déstabilisés par conjugaison (E correspondant au cycle > E associée à la chaîne) Aromatique: polyènes conjugués cycliques plans (une orbitale p sur chaque atome du cycle) qui possèdent 4n+2 électrons . (n = 0,1, 2, ...) Non aromatique: systèmes non coplanaires dans lesquels le recouvrement cyclique est suffisamment interrompu pour conférer à la molécule des propriétés comparables aux alcènes (// polyène normal) critères: nbre électrons  ≠ 4n+2 et/ou non plan

(Méthode de Frost et Musulin) Pourquoi 4n+2 électrons ? (Méthode de Frost et Musulin) Représenter le polygone régulier, pointe vers le bas, dessiner autour un cercle qui passe par les sommets. Les cercles doivent êtres de même taille. Les niveaux d'énergies des orbitales moléculaires sont là où les sommets touchent le cercle. Le diamètre horizontal représente l'énergie d'une orbitale p du C, si les niveaux d'énergie se trouvent sur cette droite ils doivent être non liants, en dessous ils sont liants, au dessus ils sont antiliants Méthode valable pour arrangements plan moncycliques d'atomes identiques, en général le C. La droite pointillé représente le niveau d'énergie  et le rayon du cercle est 2.

(Méthode de Frost et Musulin) Pourquoi 4n+2 électrons ? (Méthode de Frost et Musulin) E 2 électrons  non apparié dans des orbitales non liantes dégénérées. Celle-ci est levée si la molécule adopte une structure moins symétrique. E Les 4n+2 électrons  sont apparié dans des orbitales liantes. Les OM liantes sont remplies. O.M. antiliantes E Si le cyclooctatétraène était plan, il aurait 2 électrons  non apparié dans des orbitales non liantes dégénérées. Celle-ci est levée si la molécule adopte une structure moins symétrique. non liantes liantes pointe vers le bas: 1 seul état complètement liant!

Levée de dégénérescence du cyclobutadiène: Hypothèse de l'aromaticité: toutes les liaisons ont la même longueur ⇒ Frost-Musulin Système non aromatique: liaison simple > l. double ⇒ Diagramme d'énergie avec 2 OM liantes

Spectre IR du cyclobutadiène: Le spectre infrarouge du cyclobutadiène a été réalisé à très basse température (4 K) dans des matrices de gaz inerte (Ar ou Xe). On peut représenter schématiquement la structure par les formes mésomères suivantes :

Spectre RMN des annulènes et courant de cycle: En spectroscopie RMN les H aromatiques donnent un signal a une faible valeur de champ appliqué (protons déblindés). La circulation des e- aromatiques (courant de cycle) crée un champ magnétique induit Bi qui s'additionne au champ magnétique extérieur Be. La résonance est obtenue pour un champ appliqué Be plus faible. [18] annulène = aromatique

Règle de Hückel « Les systèmes monocycliques entièrement conjugués contenant (4n+2) électrons  ont une couche complète d'électrons tous dans des orbitales liantes, et sont exceptionnellement stables. Ces systèmes sont dits aromatiques. Les système analogues ayant 4n électrons  sont dits anti-aromatiques. » (Clayden de boeck 2003) Seuls les polyènes conjugués cycliques contenant 4n + 2 électrons  sont aromatiques. n = 0, 1, 2, 3, 4, .... Si les cycles à électrons pi sont déstabilisés par conjugaison, ils sont anti-aromatique (cas cyclobutadiène) Les systèmes non coplanaires dans lequel le recouvrement cyclique est suffisamment interrompu pour conférer à la molécule des propriétés comparables aux alcènes sont, non aromatiques.

Importance du caractère monocyclique du système? 4n+2 avec n=0? Généralité de la règle des 4n+2? Peut-on l'utiliser pour des hétérocycles, pour des carbocations, des carbanions, des liaisons exocycliques? Quid des liaisons pi (C=C ou C=O) exocycliques? Comment comptabiliser les électrons pi dans la 1,2- benzophénone? Toutes les bases azotées sont elles aromatiques? Etudiez le cas de la cyctosine.

Les composés suivants sont-ils aromatiques, non aromatiques ou anti-aromatiques? · les [10] annulène (travaillez avec des modèles moléculaires et envisagez les différentes configurations cis ou trans) · trans-trans-cis-trans-trans-cis-tran-trans-cis-[18] annulène · cis-cis-cis-cis-cis-cis-cis-cis-cis-[18] annulène · azulène · trans-15,16-dihydropyrène · S-indacène

Les ions suivants sont-ils aromatiques, non aromatiques ou anti-aromatiques? · Ion tropyllium (cation cycloheptatriènyle) · Anion cycloheptatriènyle · Dianion du cyclooctatétraène (cyclooctatétraène + K ds THF) · [16] annulène, dianion du [16] annulène, dication du [16] annulène

Quel composé est le plus basique? Expliquez. · le pyrrole ou la pyridine (précisez les hybridations de l'N) Quel composé est le plus acide? Expliquez. · le cyclopentadiène ou la 1,4-cyclohexadiène

Expliquez par des formes de résonances pourquoi l'azulène est facilement attaqué par des électrophiles en C1 et par des nucléophiles en C4.

Surface de potentiel electrostatique de l'azulène rouge: positif bleue: négatif (voir échelle) Surface de potentiel de la forme diionique rouge: négatif bleue: positif

Noms IUPAC des principaux carbocyles

II. SE sur le benzène ETAPE 1: Attaque électrophile, formation de l'ion arénium (complexe de Wheland) H E H lent + E+ + ETAPE 2: Perte d'un proton, restitution de l'aromaticité E H E rapide + H+ +

Complexe de Wheland Calculs semi-empiriques de mécanique quantique (Mulliken):

Exemple de la formation du chlorobenzène Cl 0,260 0,260 + - 0,011 - 0,011 0,360 a) LUMO du benzene. b) Surface de potentiel électrostatique du benzene (rouge = négatif, bleue = positif) c) Surface de potentiel électrostatique du cation chlorobenzyle d) LUMO du cation chlorobenzyle.

III. Réactions de SE sur le benzène X X2, FeX3 (X = Cl, Br) Halogénation Nitration Sulfonation Alkylation de Friedel-Crafts Acylation NO2 HONO2, H2SO4 SO3H SO3, H2SO4 R RCl, AlCl3 (via CC) O C-R R-CO-Cl, AlCl3

III.1. Halogénation X Sans acide Lewis pas de réaction X2, FeX3 (X = Cl, Br) Sans acide Lewis pas de réaction Formation d'un complexe X2.....FeX3 qui polarise la liaison X-X FeBr4- agit comme base et déprotonne l'ion arénium Réaction exothermique F2 réaction explosive Cl2 réaction à l'aide FeCl3 Br2 réaction à l'aide FeBr3 Réaction endothermique I2 pas de réaction (sauf avec HNO3)

Mécanisme X Etape 1: formation de l'électrophile Br+ X2, FeX3 (X = Cl, Br) Etape 1: formation de l'électrophile Br+ Etape 2: addition Br+ au benzène (étape lente) -> ion arénium Etape 3: restitution de l'aromaticité par déprotonation par FeBr4- basique

Cl Cl2, FeCl3, 25°C 90 % Br Br2, FeBr3, ∆ 75 % I I2, HNO3 86 %

III.2. Nitration NO2 HONO2, H2SO4 conc. 50 - 55°C Electrophile = ion nitronium NO2+ formé grâce à H2SO4 concentré (protone groupe -OH de HNO3 puis départ H2O) Pas de polynitration car le groupe nitro électro-attracteur désactive le cycle Groupe orientateur

Mécanisme NO2 HONO2, H2SO4 conc. 50 - 55°C Etape 1: acide nitrique accepte un H+ de l'acide sulfurique (Ac. + fort) Etape 2: l'acide nitrique se dissocie pour former l'ion nitonium Etape 3: addition E+ de NO2+ (lent) -> ion arénium Etape 4: restitution de l'aromaticité par perte d'un H+ cédé à une base de Lewis (H20)

III.3. Sulfonation SO3H Electrophile = SO3, (SO3, H2SO4 = oléum) SO3, H2SO4, 25°C Electrophile = SO3, (SO3, H2SO4 = oléum) Attaque E+ du S puis transfert d'un H+ de H2SO4 Substitution réversible, si on chauffe l'acide benzène sulfonique dans une solution aqueuse d'un acide dilué, on forme le benzène et H2SO4 Pas de polysulfonation car le groupe électro-attracteur désactive le cycle Groupe blocquant et orientateur SO3H SO3- SO2Cl NaOH PCl5 .....

Mécanisme SO3H SO3, H2SO4 Etape 1: formation de l'électrophile SO3 ou HSO3+, réversible Etape 2: Addition E+ (lente) réversible de SO3 ou HSO3+, réversible Etape 3: restitution de l'aromaticité, perte d'un H+ cédé à HSO4-, réversible Etape 4: protonation du benzène sulfonate, réversible Toutes les étapes sont réversibles,  H2SO4 concentré ou oléum (mieux)  H2SO4 dilué et on chauffe (vapeur eau dans milieu réactionnel)

SO3H + H2SO4 + H2O La sulfonation dans l'acide sulfurique concentré seul est plus lente l'électrophile est le SO3, 2 H2SO4 SO3 + H3O+ + HSO4- Si on dilue la solution en ajoutant de l'eau (a chaud) l'équilibre est déplacé vers la formation de benzène et H2SO4

III.4. Alkylation de Friedel-Crafts RCl, AlCl3 (via CC) + HX C Electrophile en présence d'acide de Lewis (BF3, SbCl5, FeCl3, AlCl3, AlBr3) Formation d'un complexe R-Cl.....AlCl3 qui polarise la liaison Formation d'un CC avec les halogénoalcanes secondaires et tertiaires Réarrangements possible R-I < R-Br < R-Cl < R-F (fct polarité de la liaison) Souvent problème de polyalkylation car le groupe alkyl électro-donneur active le cycle

Mécanisme Etape 1: formation d'un carbocation électrophile (R-Cl + AlCl3) ou d'un complexe R-CH2...ClAlCl3 Etape 2: Addition E+ (lente) et formation de l'ion arénium Etape 3: restitution de l'aromaticité, perte d'un H+ cédé à AlCl4 Les alkylations de FC peuvent se faire avec toute espèce pouvant former un carbocation ou à caractère carbocationique: Propène 0°C / HF Cyclohexène 0°C / HF 60°C / BF3

Exercice Décrivez les étapes du mécanisme vraisemblable menant à la formation de l'isopropylbenzène à partir du propène et du benzène dans HF liquide. Le mécanisme doit tenir compte du fait qu'on obtient seulement l'isopropylbenzène et non du propylbenzène.

III.5. Acylation de Friedel-Crafts 1) R-CO-Cl, AlCl3 (1,7 éq.) 2) H2O, H+ Electrophile cation acylium (R-C≡O+) formé en présence d'acide de Lewis On peut utiliser des chlorures d'acyle ou des anhydrides comme réactif mais pas H-CO-Cl (instable) Il faut 2 équivalents de AlCl3 car la cétone formée = complexée, celle-ci est liberée par hydrolyse Pas de polyacylation car le groupe acyl électro-attracteur désactive le cycle ⇒ acylation puis réduction C=O en CH2 est mieux que l'alkylation car il n'y a pas de réarrangements

Mécanisme Etape 1: formation d'un complexe R-CO-Cl+Al-Cl3 Etape 1: formation d'un carbocation acylium (R-C≡O+) stabilisé par résonance (2 formes limites) Etape 3: Addition E+ (lente) et formation de l'ion arénium Etape 4: restitution de l'aromaticité, perte d'un H+ cédé à AlCl4- Etape 5: formation d'un complexe entre AlCl3 (acide Lewis) et la cétone (base Lewis) Etape 6: traitement avec H2O pour libérer la cétone ( Al(OH)3 + 3HCl) Aucun réarrangement de la chaîne de carbone n'a lieu au cours de l'acylation.

Application des acylation de FC en synthèse Production des alkylbenzènes non ramifiés via acylation suivie d'une réduction du groupe >C=O en groupe -CH2- Réduction de Clemmensen Faire refluer la cétone dans HCl contenant un amalgame de Zn Réduction de Wolf-Kichner L'hydrazine peut servir à réduire le groupe carbonyle des aldéhydes et cétones. O C-R CH2-R Zn(Hg) HCl, reflux O C-R CH2-R NH2-NH2 KOH, ∆

III.6. Réaction de Gatterman-Koch Le chlorure de formyle H-CO-Cl est instable ( CO + HCl), la formylation directe du benzène est impossible. CO sous pression, HCl rdt: 51% CHO + Electrophile = cation formyle H-C=O Note: Benzène + H-CO-H + HCl  -CH2-OH  -CH2Cl (79%) Traité de Chimie OrganiqueVollhardt - Schore, de Boeck 2004, p 668

IV. Attaque E+ s/ les dérivés du benzène IV.1. Contrôle de la régiosélectivité et activation ou désactivation du cycle benzénique IV.2. Attaque électrophile sur les composés benzéniques disubstitués IV.3. Stratégies de synthèse aboutissant à des benzènes substitués IV.4. Réactivité des benzénoïdes polycycliques IV.5. Aromatiques polycycliques: substances cancérigènes

IV.1. Régiosélectivité lors de la polysubstitution Vitesses relatives et orientation lors de la nitration de derivés mono-substitués du benzène (R-C6H5) R Vitesse rel. Ortho Méta Para OH 1000 40 % < 2 % 58 % CH3 25 58 4 38 H 1 CH2Cl 0,71 32 15,5 52,5 I 0,18 41 < 0,2 59 Cl 0,033 31 < 0,2 69 CO2CH2CH3 0,0037 24 72 4 CF3 2,6 x 10-5 6 91 3 NO2 6 x 10-8 5 93 2 N(CH3)3+ 1,2 x 10-8 0 89 11

IV.1.1. Orientation par le substituants lors de la SE sur aromatique Groupements directeurs ortho et para: · Activants modérés et fort: -NH2, -NHR, -NR2, -NH-CO-R -OH, -OR · Activants faible: alkyle, phényle · Désactivants faible: -F, -Cl, -Br, -I Groupements directeurs méta: · Désactivants fort: -NO2, -CF3, -NR3+, -COOH, -COOR, -COR (cétone), -SO3H, -CN

Donneur Accepteur ortho ortho méta méta para La justification du pouvoir directeur se trouve dans la stabilité du cation arénium. Il suffit d'écrire les différentes formes limites mésomères de l'aromatique substitué et trouver les plus stables. Expliquez par un diagramme d'énergie comment l'énergie de l'état de transition influence la vitesse de la réaction (utilisez le postulat de Hammond pour décrire l'état de transition).

Orientation ortho, para Donneur Donneur E E + Donneur Donneur + E E

Orientation méta Accepteur Accepteur E + E

IV.1.2. Groupes activant · Activants fort: -NH2, -NHR, -NR2, -OH, -OR (donneurs mésomères) · Activants faible: alkyl, phényle (donneurs inductifs) Les groupes qui sont donneurs mésomères ou inductifs sont activants et orientent ortho et para.

IV.1.3. Groupes désactivant · Désactivants faible: -F, -Cl, -Br, -I (capteurs inductifs, donneurs méso) · Désactivants fort: -NO2, -CF3, -NR3+, -COOH, -COOR, -COR (cétone), -SO3H, -CN (capteurs mésomères) Les groupes qui sont électro-attracteurs par résonance et par effet inductif sont désactivants et orientent en méta.

IV.1.4. SE du chlorobenzène Réaction Produit Produit Total des Produit ortho para ortho et para méta % % % % Chloration 39 55 94 6 Bromation 11 87 98 2 Nitration 30 70 100 Sulfonation 100 100 Les substituants halogénés sont désactivants et orientateurs ortho-para. Pourquoi? Chimie Organique, G. Solomons, C. Fryhle, Modulo 2000, p 602

Pourquoi le fluorobenzène est le plus réactif des halogénobenzènes Pourquoi le fluorobenzène est le plus réactif des halogénobenzènes? Expliquez.

IV.2. SE sur les composés benzéniques disubstitués X Y On fait le bilan des orientations. C'est le groupe plus activant qui l'emporte.

IV.2.1. Règles Règle 1: C'est l'activant le plus puissant qui contrôle la position de l'attaque. Règle 2: Expérimentalement on peut classer la puissance d'orientation des substituants en 3 groupes: NR2, OR > X, R > orientateurs en méta I II III Les substituants d'un même groupe entrent en compétition ce qui fournit éventuellement des mélanges d'isomères. Règle 3: L'attaque ortho peut être minimisée par l'encombrement stérique Règle 4: Les règles 1 à 3 sont applicables aux benzènes porteur d'un grand nombre de substituants.

IV.2.2. Exemples Prédire le produit qui résulterait de la mononitration de: + OCH3 CHO N(CH3)3 Br Br NO2 NO2

IV.3. Stratégies de synthèse des benzènes substitués Il est souvent nécessaire de modifier le sens de l'effet d'orientation des substituants: Zn(Hg), HCl ou H2, Ni ou Fe, HCl groupe nitro groupe amino (orienteur m-) (orienteur o-, p-) CF3COOOH H2, Pd, CH3CH2OH ou Zn(Hg), HCl, ∆ alcanoyle groupe alkyle (orienteur m-) (orienteur o-, p-) CrO3, H2SO4, H2O

Synthétisez la 3-bromobenzèneamine et la 4-bromobenzèneamine a partir du benzène.

IV.3.1. Sulfonation réversible La sulfonation réversible permet de synthétiser de manière efficiente des benzènes disubstitués en ortho: C(CH3)3 C(CH3)3 C(CH3)3 C(CH3)3 SO3, H2SO4 conc. HNO3, H2SO4 H+, H2O, ∆ NO2 NO2 SO3H SO3H

IV.3.2. Modification du pouvoir activant Certaines stratégies de protection ont pour effet de modérer le pouvoir activant des groupes amino et hydroxyle: O OH OCH3 NH2 NHCCH3 NaOH, CH3I CH3COCl pyridine dans de nombreuses réactions, le gr. acétamido est orienteur para exclusivement Ex: nitration de l'aniline avec acide nitrique peut oxyder le cyle et provoquer sa destruction.

Pourquoi ne peut-on réaliser une nitration en ortho ou para de l'aniline dans les conditions classiques? Comment réaliser cette nitration?

IV.3.3. Inertie des systèmes fortement désactivés Expliquez le résultat suivant: 1) CH3COCl, AlCl3 2) H+, H2O 3) HNO3, H2SO4 COCH3 1) HNO3, H2SO4 2) CH3COCl, AlCl3 3) H+, H2O NO2

IV.4. Réactivité des benzénoïdes polycycliques Br Br2, CCl4, ∆ NO2 NO2 HNO3, AcOH, ∆ + Majoritaire Minoritaire Expliquez la réactivité du naphtalène en examinant minutieusement les structures de résonance de l'ion arénium.

Régiosélectivité de la SE sur naphtalène substitué OH HNO3, H2SO4 NO2 HNO3, H2SO4 Le cycle substitué est le plus affecté par le substituant déjà présent. Habituellement un groupe activant oriente l'E+ vers le même cycle alors que le groupe désactivant l'oriente sur l'autre cycle.

IV.5. Aromatiques polycycliques cancérigènes Benzo[a]pyrene Benzo[a]antracène Dibenz[a,h]antracène combustion matières organiques (essence gazoil, mazout chauffage, ...) incinération ordures, feux forêts combustion cigarette rôtissage des viandes 3.000 tonnes/an aux USA enzymes

 accroc lors de la réplication enzyme hydrase enzyme oxydase (hépatique) O enzyme oxydase HO cancérigène OH O N NH HC N N NH ADN-guanine ADN HO HO cancérigène OH  accroc lors de la réplication

V. Chimie des benzènes substitués V.1. Réactivité du C phénylméthylique V.2. Oxydations et réductions benzyliques V.3. Les phénols V.4. Les halogénoarènes V.5. Les sels d'arènediazonium

V.1. Réactivité du C phénylméthylique V.1.1. C phénylméthylique et résonance La résonance benzylique stabilise le C benzylique de type C·, C- ou C+ vide · H H H H cation benzylique Radical benzyle · · H H anion benzylique

· Explique le résultat suivant: CH2Br CH2CN Réaction SN2 ~ 100 fois plus rapide que les réactions SN2 des bromoalcanes primaires. NaCN + Br- 80 % X- H H Nu-

· Quelle réaction sera la plus rapide? CH2L Nu- mécanisme SN1 CH2L Nu- mécanisme SN1 OCH3

Halogénures allyliques et benzyliques et SN CH3-X R-CH2-X SN2 R CH2-X CH-X Ar-CH2-X C=C C=C SN1 ou SN2 R R C-X R'-C-X Ar-C-X C=C SN1 R'' R' R-CH-X R' Ar-CH-X R R R'

V.1.2. Acidité des H benzyliques Expliquez le résultat suivant: Composé pKa toluène ~ 41 propène ~ 40 propane ~ 50 CH3 CH3CH=CH2 CH3CH2CH3

V.1.3. Halogénation de la chaîne latérale Conditions favorisant la formation de radicaux: · NBS = source de Br2 O O h CCl4 CH3 + CH2Br + N-Br N-H O O 64 % CH3 CH2Br CBr3 Br2, ∆ Br2, ∆ Br2, ∆ + 2 HBr + HBr Mécanisme radicalaire via Br· et -CH2· Idem avec le Cl2

V.2. Oxydations et réductions benzyliques Suivant les agents d'oxydations on obtient différents produits: SeO2 MnO2, H2SO4 CH2-OH CH3 CHO 1) KMnO4, HO-, ∆ 2) H+, H2O COOH

L'oxydant arrache un H benzylique puis convertit le C benzylique en C=O éliminant du même coup les atomes de C de la chaîne latérale. Seul le tert-butylbenzène résiste à l'oxydation CH2CH2CH3 1) KMnO4, HO-, ∆ 2) H+, H2O CH=CHCH3 COOH C≡CCH3 O C-CH2CH3

Synthétisez l'acide p-nitrobenzoïque et l'acide m-nitrobenzoïque à partir de benzène Réalisez la synthèse du m-chloroéthylbenzène à partir de benzène

Décrivez brièvement comment, à partir du toluène vous pourriez synthétiser les composés suivants: a) 1-bromo-2-triclorométhylbenzène b) 1-bromo-3-triclorométhylbenzène c) 1-bromo-4-triclorométhylbenzène

Oxydation sélective d'un alcool benzylique: OH O CH3O CH3O OH OH MnO2, acétone, 25°C, 5 h CH3O CH3O 94 % // Oxydation d'un alcool allylique: OH O MnO2, CHCl3 25°C, 5 h

Clivage des éthers benzyliques par hydrogénolyse: H2, Pd-C, 25°C CH2OR CH2H + HOR H2, Pd-C, 25°C CH3CH2OR CH3CH2H + HOR

Exercices Benzène + anhydride succinique -> tétralone Expliquez A partir du benzène et d'un composé approprié, proposez une synthèse de chacun des composés suivants: a) n-butylbenzène b) (CH3)2CHCH2CH2C6H5 c) benzophénone d) 9,10-dihydroantracène O

V.3. Les phénols V.3.1. Acidité des phénols Expliquez les données suivantes: Composé pKa phénol 8 - 10 acides carboxyliques 3 – 5 alcools 16 - 18 OH R-COOH R-OH

Expliquez les données suivantes: Composé pKa phénol 8 – 10 4-méthylphénol (crésol) 10,26 2,4-dinitrophénol 4,09 2,4,6-trinitrophénol 0,25 (acide picrique) OH CH3 OH NO2 OH NO2 NO2 NO2 OH NO2

V.3.2. Synthèse des phénols L'addition E+ directe aux arène est difficile (HO+ rare) Au labo: hydrolyse des sels d'arènediazonium (conditions douces) Ar-NH2 Ar-N2+ Ar-OH Ex: · HONO Cu2O Cu2+, H2O 1) NaNO2, H2SO4 0° à 5°C CH3 NH2 CH3 OH 2) Cu2O, Cu2+, H2O Br Br

Synthèses industrielles: 1. Hydrolyse du chlorobenzène (procédé DOW) 2. Fusion alcaline du benzènesulfonate de sodium 350°C Cl + NaOH ONa + NaCl + H2O P élevée HCl ONa OH + NaCl 350°C SO3Na + 2 NaOH ONa + Na2SO3 + H2O

Autre mode de préparation: substitution ipso La SN est très difficile sur les aromatiques mais peut se faire sur des composés aromatiques avec au moins un substituant fortement électroattracteur en o- ou p- Cl Nu NO2 NO2 + Nu + Cl- NO2 NO2 Cl Na2CO3, H2O, 100°C NO2 2,4-dinitrophénol NH3, ∆ NO2 2,4-dinitroaniline

Suggérez un mécanisme d'addition-élimination pour la substitution aromatique ipso et justifiez la présence des groupes électroattracteurs.

Formulez un mécanisme pour la transformation suivante Formulez un mécanisme pour la transformation suivante. En admettant que la première étape est déterminante de vitesse, esquissez un diagramme d'énergie potentielle qui décrit l'évolution de la réaction. NO2 O- O CH3 SO2 CH3 SO2- NO2

L'Ofloxacine est un antibiotique de la classe des quinolones utilisé dans le traitement de diverses infections. Les dernières étapes de la synthèse de l'ofloxacine sont présentées ci-dessous. Formulez des mécanismes pour ces transformations. O O O O F F O O NaH, 80°C F F F N NH F OH O CH3 CH3 CH3 O O N F N O NaOH, H2O toluène, 100°C N N N O CH3 CH3

V.3.4. Toxicité des chlorophénols La SN directe sur les chloroarènes  herbicides, pesticides, antibactériens irritants et toxiques Cl Cl Cl OH Cl OCH2COOH 1) NaOH, 150°C 2) H2O, H+ ClCH2COOH NaOH, H2O, ∆ Cl Cl Cl Cl Cl Cl ac 2,4,5-trichlorophénoxyacétique (2,4,5-T) Une dioxine est formé comme impureté pendant la synthèse: Cl OH Cl O Cl 500-600°C Cl Cl Cl O Cl 2,3,7,8-tétrachlorodibenzo-p-dioxine (TCDD une Dioxine bcp + toxique (500x) que strychnine et NaCN (105X)

2,4,5-T surchauffé et contaminé par la TCDD (~ 60 kg vaporisés) 1976: fuite au niveau d'un réacteur (Seveso, Italie) libération nuage de 2,4,5-T surchauffé et contaminé par la TCDD (~ 60 kg vaporisés) ⇒ mort nombreux animaux, sévères irritations cutanées ⇒ «normes Seveso» TCDD: - tératogène (malformations foetales) - cancérigène - chloracné si doses < doses létales 1984: explosion de l'usine «Union Carbide» de pesticides à Bophal en Inde ⇒ dégagement 40 tonnes d'isocyanate de méthyle (CH3NCO tuant entre 16 000 et 30 000 personnes (?) 2001: explosion à l'usine AZF de Toulouse d'un stock de nitrate d'ammonium ⇒ mort de 30 personnes

V.3.5. Réactivité de la fonction hydroxyle des phénols Réactions typiques des alcools: · protonation · synthèse de Williamson des ethers · esterification · sulfonation · oxydation

V.3.5.1. L'oxgène des phénols n'est que faiblement basique: Composé pKa méthyloxonium - 2,2 phényloxonium - 6,7 La liaison phényle-O est difficile à rompre Par contre la liaison alkyle-O des alkoxybenzènes se laisse facilement cliver en présence de HBr ou HI CH3-OH2+ OH2+ COOH COOH HBr, ∆ OCH3 OH

V.3.5.2. Les alkoxybenzènes sont préparés par synthèse de Williamson Les ions phénoxyde sont de bons nucléophiles OH OCH2CH2CH3 NaOH, H2O + CH3CH2CH2Br Cl halogénoalcane ou sulfonate d'alkyle Cl V.3.5.3. L'estérification des phénols aboutit à des alcanoates de phényle Les ions phénoxyde sont de bons nucléophiles O OH OCCH2CH3 O + CH3CH2CCl NaOH, H2O halogénure d'acide ou anhydride (avec acide réaction endo) CH3 CH3

Formulez un mécanisme pour cette réaction. V.3.5.4. Réaction de Kolbe OH OH COOK KHCO3, H2O, pression + CO2 Formulez un mécanisme pour cette réaction.

V.3.5.5. Réaction de sulfonation OH 25 °C SO3H OH H2SO4 conc. H2SO4 conc, 100°C OH 100 °C SO3H Examinez la stabilité des acides sulfoniques et expliquez les résultats ci-dessus au moyen d'un diagramme d'énergie.

V.3.5.6. Oxydation des phénols en benzoquinones Oxydation en dérivés carbonylés selon des mécanismes de transfert monoélectroniques: OH O AgO, (CH3CH2)2O OH O catéchol faible rendement o-benzoquinone OH O Na2Cr2O7, (CH3CH2)2O OH O hyroquinone 92 % p-benzoquinone = Couples rédox, séquence de transferts de H+ et d'e- (via ion phénoxyde puis radical phénoxyle.

Réactivité des entités énones: + HCl O O C6H6, 20°C, 48h + O La 1,4-benzoquinone est-elle aromatique ou non-aromatique? Justifiez.

Les ubiquinone sont des médiateurs biochimiques qui permettent de réduire l'oxygène en eau. OH CH3 H3CO (CH2CH=CCH2)nH H3CO (CH2CH=CCH2)nH H3CO CH3 H3CO CH3 Enzyme avec NADH, agent réducteur O OH Ubiquinone (n = 6,8, 10) Coenzyme Q Forme réduite de la Coenzyme QH2 Le couple rédox benzoquinone-hydroquinone fait partie de la cascade compliqué de consommation de O2 lors des dégradations biochimiques. QH participe à une chaîne de réactions rédox ou interviennent les cytochromes, protéines ou réduction du Fe3+ en Fe2+ amorce un transfert d'e-. La chaîne s'achève avec la réduction de O2 en eau. O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O

O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O 0,82 V Fe3+ + 1 e- Fe2+ ~ 0,2 V Q + 2H+ + 2 e- QH2 0,1 V NAD+ + 2H+ + 2 e- NADH + H+ - 0,32 V

V.3.6. Particularités de la SE sur les phénols · L'acylation de FC est parasitée par la formation d'esters, on utilisera des dérivés alkoxyde · Les phénols sont très activés, souvent aucun catalyseur n'est nécessaire (tribromation se réalise dans l'eau à 20°C) · Pour éviter les polysubstitution il faut utiliser des T basses et des solvants moins polaires

V.3.7. Utilisation de l'acidité des phénols L'acidité modérée des phénols est souvent utilisée en laboratoire pour séparer ou caractériser certains composés. · Proposez une méthode de séparation des alcools à 6 C ou plus, des phénols et des acides carboxyliques en utilisant un milieu aqueux et du NaOH et du NaHCO3.

· Au laboratoire, on vous remet un mélange de 4-méthylphénol, d'acide benzoïque et de toluène. En supposant que vous disposiez de tous les acides, bases et solvants courants, expliquez comment séparer les composés du mélange en utilisant leurs différences de solubilité.

V.4. Les halogénoarènes V.4.1. Formation d'intermédiaires benzynes Sans substituants électroattracteurs pas de SN ipso mais en milieu basique (NaOH) à T et P ➚ réaction via un intermédiaire benzyne Cl OH 1) NaOH, H2O, 340°C, 150 atm 2) H2O, H+ Cl NH2 1) KNH2, NH3 liq. 2) H2O, H+ intermédiaire benzyne

·· ·· Expérience menée avec un chlorobenzène marqué au 14C: Mécanisme: Cl NH2 1) KNH2, NH3 liq. 2) H2O, H+ + NH2 Mécanisme: NH2 NH2 NH2- H2O (-) (-) Cl Cl Cl NH2- H ·· ·· (-) (-) (-) NH2- H2O NH2 NH2

Benzyne = espèce fugace  2 C sp très tendus (et donc réactifs) car non linéaire  = piégé par tout Nu du milieu  peut être observé par spectroscopie UV et IR à 77K dans l'Ar congelé (Tfus = -189 °C) O h, 77K + 2 CO O IR: 1846 cm-1 (éthène 1655 cm-1 et éthyne 1974 cm-1) 13C:  = 182,7 ppm (éthyne  = 71,9 ppm) Contribution de la forme de résonance avec diènes cumulés:

· · Du point de vue des orbitales:  mauvais recouvrement des orbitales p formant la triple liaison · 1,42 Å 1,24 Å · 1,42 Å 1,40 Å

V.5. Les sels d'arène diazonium V.5.1. Des sels stabilisés par résonance HNO2 Ar-NH2 Ar-N2+ Donnez les formes de résonance du cation benzènediazonium: A une température > 50°C, expulsion de l'azote et formation du cation phényle très réactionnel. 0 - 5°C N N + +

Pourquoi le cation phényle est-il si réactionnel Pourquoi le cation phényle est-il si réactionnel? N'est-il pas stabilisé par résonance comme le benzyle? +

V.5.2. Transformation en benzènes substitués Ar-NH2 Ar-N2+ Ar-Nu En présence d'eau → formation de phénol En présence d'autres Nu → formation de benzènes substitués HNO2 + Nu CH3 CH3 CH3 NH2 N2+Cl- Cl HCl, NaNO2, 0°C CuCl, 60°C 79 % au total CH3 CH3 1) HCl, NaNO2, 0°C 2) CuCN, KCN, 50°C 70 % NH2 CN

V.5.3. Enlèvement par voie réductrice du groupe diazonium CH3 CH3 CH3 NaNO2, H+, H2O H3PO2, H2O, 25°C Br Br Br NH2 N2+ H Application de la diazotation lors de stratégies de synthèse: · Le groupe amino oriente o- ou p- puis est éliminé via la diazotation. · Une nitration méta suivie de la diazotation et de la SN permet d'introduire des groupes orienteur o-, p- et méta.

Utilisez la diazotation pour synthétiser du 1,3-dibromobenzène à partir du benzène (4-5 étapes).

V.5.4. SE avec les sels d'arènediazonium: copulation azoïque Les ions d'arènediazonium ont un caractère électrophile mais sont peu réactionnels. Ils peuvent réaliser des SE sur des arènes activés tels que phénol et aniline. N N + + H+, H2O pH = 5-7* Cl- N N(CH3)2 N fonction azoïque N(CH3)2 - HCl Position para privilégiée si elle est libre, so-inon substution ortho. N N(CH3)2 N(CH3)2 N diméthylaminoazobenzène (Jaune de beurre) * conc. en cation arène diazonium = maxi à ce pH, si pH plus acide risque de protonner l'amine tertiaire

Les colorants contiennent habituellement des groupes acide sulfonique qui les rendent hydrosolubles et permet un lien ionique avec les sites chargés des tissus par exemples. N SO3-Na+ (CH3)2N N Méthylorange pH = 3,1 rouge pH = 4,4 jaune

Le couplage azoïque avec le phénol se fait plus efficacement en présence de NaOH mais à pH modérément basique. Expliquez. Cl- N N + O°C NaOH, H2O pH < 10 OH N N p-(phénylazo)phénol (solide orange) OH

Ecrire les produits qui résulteront de la copulation azoïque du chlorure de benzènediazonium avec les molécules suivantes: a) 1-chloro-3-méthoxybenzène b) 1-(diméthylamino)-4-(1,1-diméthyléthyl)benzène Note: les copulations diazoïques sont très sensibles aux effets stériques

V.5.3. Les sulfanilamides (antibiotiques «sulfamidés») NH2 SO2R R = pyridine, acétamide, hétérocycle,... 6,9 Å 6,7 Å NH2 SO2R NH2 COOH acide p-aminobenzoïque L'acide p-aminobenzoïque joue un rôle important dans la synthèse de l'acide folique précurseur du tétrafolate, transporteur d'entités mono-carbonées nécessaires à la croissance cellulaire. Pas d'acide folique Pas de croissance et de division des micro-organismes

VI. Oxydation et réduction du cycle benzénique VI.1. Ozonolyse VI.2. Hydrogénation du benzène VI.3. Réduction de Birch VI.4. Wurtz-Fittig

VI.1. Ozonolyse Rappel: R R' C O + O C R'' R R' O O R' H R O3 C C C C H2, Pd ou Zn ou H3P C O + O C R'' R R' O O R' H R O3 C C C C H R'' H O R'' R R' H2O2 C O + O C HO R'' O O 1) O3 2) Zn, H2O 3 H–C–C – H oxaldéhyde O O 1) O3, CH3COOH 2) H2O2, ∆ 3 HO–C–C–OH acide oxalique R O O O O 1) O3, CH3COOH 2) H2O2, ∆ R-C–C –OH + 2 HO–C–C–OH

VI.2. Hydrogénation du benzène H2 / Ni lent H2 / Ni rapide H2 / Ni rapide + cyclohexadiènes cyclohexène hexane L'hydrogénation du benzène se fait sous pression en présence d'un catalyseur métallique comme le Ni.

VI.3. Réduction de Birch Le benzène peut être réduit en cyclohexa-1,4-diène si on le traite par un métal alcalin (Na, Li ou K) dans un mélange d'ammoniac liquide et d'alcool. Le mécanisme correspond à une série de transfert d'électrons provenant du Me alcalin et de protons provenant de l'alcool. Les groupes substituants du cycle influencent le déroulement de la réaction: Na NH3 liq, ETOH cyclohexa-1,4-diène cyclohexa-1,4-diène OMe OMe O Li NH3 l iq, ETOH H3O+, H2O 84 %

La réduction de Birch du toluène donne un produit dont la formule moléculaire est C7H10. L'ozonolyse, suivie d'une réduction par le Zn et l'eau transforme ce produit en CH3-CO-CH2-CHO et OHC-CH2-CHO. Quelle est la structure du produit de la réduction de Birch?

VI.4. Réaction Wurtz-Fittig 2 R-X + 2 Na 2 R-R + 2 NaX Mécanisme: R-X + 2 Na  R- + Na+ + NaX R- + Na+ + R-X  R-R + NaX VI.4. Réaction Wurtz-Fittig Br + CH3-Br + 2 Na CH3 + 2 NaBr