SUBSTITUTION UNIMOLÉCULAIRE ET RÉACTIONS PARALLÈLES D’ÉLIMINATION CHAPITRE 7 Vollhardt – Chapitre 7

7.1 SOLVOLYSE DES HALOGÉNOALCANES TERTIAIRES ET SECONDAIRES

7.2 SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE Étape 1: Dissociation de l'halogénure pour former un carbocation.

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite) Étape 2: Attaque nucléophile par l'eau.

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite) Étape 3: Déprotonation.

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite) A10FA.MOV

DIAGRAMME D’ÉNERGIE POTENTIELLE => SN1 Cinétique de 1er ordre v = k [Hal] mol l-1 s-1 A7EP.MOV

CINÉTIQUE => SN1 vs SN2 v = k [MeSNa][MeI] v v [MeI] [NaSMe] (NaSMe constant) (MeI constant) Confirmation d’une SN2

CINÉTIQUE => SN1 vs SN2 v = k [tBuBr] v v [tBuBr] [NaOH] (NaOH constant) (tBuBr constant) Confirmation d’une SN1

CINÉTIQUE => SN1 vs SN2 Si, en augmentant la quantité du réactif ([substrat] stable), la vitesse de réaction augmente  concertée Confirmation d’une SN2 Si, en augmentant la quantité du réactif ([substrat] stable), la vitesse de réaction ne change pas  non concertée Confirmation d’une SN1

7.3 CONSÉQUENCES STÉRÉOCHIMIQUES DES RÉACTIONS SN1 A6.MOV

7.4 SN1 VS SOLVANTS Les solvants polaires protiques accélèrent la réaction SN1. La solvatation du nucléofuge (par des liens H) explique ce phénomène.

SN1 VS GROUPES SORTANTS La réaction SN1 s'accélère avec de meilleurs groupes sortants.

SN1 VS NUCLÉOPHILES La force du nucléophile a des répercutions sur la répartition des produits mais pas sur la vitesse de la réaction.

7.5 INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU GROUPE ALKYLE SUR LA RÉACTION SN1 Stabilité relative des carbocations: Nbre de liaisons avec le C+ 3 é dans la couche de valence 6 Orbitale vide p Déficitaire en é oui Géométrie plan Intermédiaire ou état de transition ? intermédiaire

CARBOCATIONS VS HYPERCONJUGAISON Un peu comme une conjugaison

Cations allyliques et benzyliques Hyperconjugaison : « comme une conjugaison » Cations allyliques et benzyliques : vraie conjugaison

Vitesses de solvolyse de RCl composé vitesse relative commentaire 0,07 Chlorure primaire (SN2 seulement) 0,12 Chlorure secondaire (réagit mal en SN1) 2100 Chlorure tertiaire (bon en SN1) 1,0 Primaire, mais allylique 91 Allylique secondaire à une extrémité 130 000 Allylique tertiaire à une extrémité 7 700 Primaire, allylique et benzylique EtOH : H2O 50:50 (44,6°C)

Cations stabilisés par un hétéroatome

SN1 vs SN2 Structure type méthyle primaire secondaire tertiaire SN1 ? - - - - - + + + + SN2? + +

SN1 vs SN2 SN1 SN2 Mécanisme Deux étapes Une étape Cinétique Ordre 1 Nucléophilicité du réactif Pas important Très important (affecte la v) Structure de l’atome de carbone saturé Résonance stabilisante tert >> sec > prim Très sensible aux effets stériques prim > sec >> tert Effet du solvant Favorisé par les solvants polaire protiques Favorisé par les solvants aprotique polaire Stéréochimie Racémisation Inversion Conditions de réaction Acide ou neutre Basique ou neutre

7.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E1

7.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E1 Le styrène est préparé industriellement par une E1 styrène 5,4 x 106 tonnes aux USA en 2000 7-8 x 105 tonnes aux Canada / année

7.7 ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE: E2

E2 (suite)

E2 (suite) A18FA.MOV

7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION ET ÉLIMINATION Les Nu faiblement basiques donnent lieu à une substitution. (Ex: NaI, AcONa) les Nu fortement basiques favorisent davantage l’élimination lorsque l’encombrement stérique du substrat augmente. (Ex: CH3ONa vs 1-bromo-propane, 1-bromo-2-méthylpropane et 2-bromopropane) Les molécules choisissent le chemin le moins couteux en énergie ; Ea le + faible possible

7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION ET ÉLIMINATION pKaH = -7 95 % produit de substitution (+ qques % d’élimination)

7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION ET ÉLIMINATION pKaH = 16 ~ 100% d’élimination

COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION ET ÉLIMINATION (suite) Les nucléophiles basiques fortement encombrés favorisent l’élimination. tBuOK est mieux pour E2 que KOH (HO- peut faire une SN2) DBU (1,8-diazabicyclo[5.4.0]undéc-7-ène)

7.9 RÉSUMÉ DE LA RÉACTIVITÉ DES HALOGÉNOALCANES

SN1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE Cinétique de 1er ordre v = k [Hal] mol l-1 s-1 Réaction en deux étapes L’étape essentielle est la formation d’un carbocation Attaque du Nu en dessus ou en dessous du carbocation plan (sp2)

SN1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite) Non stéréospécifique = racémisation Halogénoalcanes: t > s >>> p et benzyliques Solvants protiques polaires (H2O, ROH, etc)

E1 = ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE Réaction en deux étapes L’étape essentielle est la formation d’un carbocation Caractère compétitif SN1/E1

E2 = ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE Réaction concertée = 1 étape Favorisée par une température élevée et avec des nucléophiles qui sont des bases fortes (tBuO-, LDA, EtO-, etc) Attaque antipériplanaire Caractère compétitif SN2/E2 Ex. : p. 259

ÉLIMINATION Règle de Zaytsev (За́йцев ) Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H). Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H. Vollhardt, 4ième édition, sections 11-7, 11-8 et 11-9 (pages 453-459).

ÉLIMINATION Règle de Zaytsev Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H). Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H. trisubstitué majoritaire disubstitué minoritaire Toujours bonne, cette règle ?!? Malheureusement, dans le cas d’une base très encombrée, il se peut qu’elle choisisse d’arracher le H le moins encombré …

ÉLIMINATION Règle de Zaytsev Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H). Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H. EtONa/EtOH tBuOK/tBuOH trisubstitué majoritaire (~70:30) disubstitué majoritaire (~25:75)

ÉLIMINATION Règle de Zaytsev

ÉLIMINATION Règle de Zaytsev Pour s’assurer d’obtenir l’alcène le plus substitué ?!? E1 (car n’implique pas de base encombrée). S’assurer d’une E1 sans présence de SN1 ?!? Déshydrater un alcool dans H2SO4 conc. (HSO4-, très mauvais Nu) ~80% traces Produit trans (E) majoritaire

ÉLIMINATION Règle de Zaytsev

ÉLIMINATION (dans un cycle) 250 x + lent !

ÉLIMINATION (dans un cycle) favorisé, iPr équatorial E2 possible 2 C-H antipériplanaires défavorisé, iPr axial E2 impossible (pas de C-H antipériplanaire) inversion de cycle inversion de cycle favorisé, iPr équatorial E2 impossible (pas de C-H antipériplanaire) défavorisé, iPr axial mais E2 possible ! (lent, car « pas souvent » dans cette conformation)

E1, E2, SN1, SN2 ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION? Trois questions doivent être posées: 1. Est-ce que le Nu est une base forte? 2. Est-ce que le Nu est encombré stériquement? 3. Est-ce que le substrat est encombré stériquement (t, s ou p et branché)? Si la réponse à deux de ces questions est positive, alors l’élimination est favorisée, sinon, la substitution prédomine.

E1, E2, SN1, SN2 ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION? Facteur 1 : basicité du Nu Bases faibles (SN+) Bases fortes (E+) H2O, ROH, PR3, X-, RS-, N3-, NC-, RCOO- HO-, RO-, R2N- Facteur 2 : Encombrement stérique de l’E Peu encombré (SN+) Encombré (E+) Primaire Primaire ramifié, secondaire, tertiaire Facteur 3 : Encombrement stérique du Nu Peu encombré (SN+) Encombré (E+) HO-, CH3O-, CH3CH2O- (CH3)3CO-, [(CH3)2CH]2N- p. 262

NUCLÉOPHILICITÉ SH-  CN- > I- > OH- > N3- > Br- > PhO- > AcO-  Cl- > F- > NO3- > H2O La nucléophilie augmente: 1. Avec la charge négative 2. Plus l’élément est situé à gauche (basicité) et en bas du tableau périodique (polarisabilité) 3. Dans les solvants aprotiques polaires (pas de ponts H => é + disponibles)

Importance de la SN1 Synthèse du géraniol

Importance de la SN1 Synthèse du géraniol Pour faire une SN1, ça prend un bon groupe sortant ? La nature choisit le phosphate et le diphosphate. (OP) (OPP)

Importance de la SN1 Synthèse du géraniol Pour faire une SN1, ça prend un bon groupe sortant ? La nature choisit le phosphate et le diphosphate.

Importance de la E2 Métabolisme de l’atracurium Relaxant musculaire (aussi utilisé pour anesthésie locale). Il doit s’éliminer assez rapidement. atracurium Me = méthyl = CH3

Importance de la E2 Métabolisme de l’atracurium Relaxant musculaire (aussi utilisé pour anesthésie locale). Il doit s’éliminer assez rapidement. Ces deux fractions sont facilement excrétées.

Importance de la E1 Synthèse du tamoxifène Traitement du cancer du sein (antagoniste des récepteurs oestrogéniques). Ar = aromatique

SOMMAIRE Diagramme d’E SN1 Cinétique SN1 vs SN2 SN1  mélange racémique SN1 Importance du nucléofuge SN1 « non-importance » du nucléophile Stabilité des carbocations (alkyle (prim, sec, tert), allyle, benzyle) Comparaison SN1 – SN2 E1, E2, Nu basique

EXERCICES Vollhardt, Chap. 7 5ième édition (p. 276) Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 38, 40(sauf h et k), 43, 44, 45, 47, 48, 49, 52, 53, 54. 4ième édition Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 38, 40 (sauf h et k), 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53. 3ième édition Nos 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46. étudiez le « problème d’intégration » 7.20 (p. 273). étudiez le « problème d’intégration » 7.20 (p. 265).