9. MECANISMES A. Substitution Nucléophile B. Élimination

9. MECANISMES A. Substitution Nucléophile B. Élimination
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9. A Substitution Nucléophile

9.1 Groupes Fonctionnels Transformés par Substitution Nucléophile

Substitution Nucléophile
Y : – : X – + + R X Y R un nucléophile est une base de Lewis (donneur d’une paire d’électrons) la plupart du temps chargée négativement sous forme de sel de Na+ ou K+ Le substrat est appelé un halogénure d’ alkyle 4 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

Exemples de Substitution Nucléophile
L’Ion Alkoxyde est un nucléophile .. O: R' – + R X qui donne un éther (synthèse de Williamson) + : X R .. O R' – 6 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 4

éther d’éthyle et d’isobutyle (66%)
Exemple (CH3)2CHCH2ONa CH3CH2Br alcool isobutylique (CH3)2CHCH2OCH2CH NaBr éther d’éthyle et d’isobutyle (66%) 7 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 5

octadécanoate d’éthyle(95%)
Exemple O CH3(CH2)16C OK + CH3CH2I acétone, eau O CH3(CH2)16C O CH2CH3 + KI octadécanoate d’éthyle(95%) 9 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 7

Exemple KSH + CH3CH(CH2)6CH3 Br éthanol, eau CH3CH(CH2)6CH3 + KBr SH
Nonane-2-thiol (74%) 11 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

cyanocyclopentane (70%)
Exemple Br NaCN + DMSO CN + NaBr cyanocyclopentane (70%) 13 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 11

Exemple NaN3 + CH3CH2CH2CH2CH2I Propan-2-ol, eau
CH3CH2CH2CH2CH2N NaI azoture de pentyle (52%) 15 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 13

Exemple + NaI CH3CHCH3 Br acétone CH3CHCH3 + NaBr I 63%
NaI est soluble dans l’acétone; NaCl et NaBr ne sont pas solubles dans l’acétone. I 63% 17 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 16

9.2 Réactivité Relative des Groupes Partants
Halogénures 18 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved. 17

RI le plus réactif RBr RCl RF le moins réactif
La réactivité des groupes partants halogénures dans les substitutions nucléophiles est la même que pour l’élimination. RI le plus réactif RBr RCl RF le moins réactif 19 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 18

Problème 2 BrCH2CH2CH2Cl + NaCN
Un produit pur organique est obtenu quand le 1-bromo-3-chloropropane réagit avec 1 équivalent de cyanure de sodium dans l’éthanol aqueux. Quel est ce produit? BrCH2CH2CH2Cl + NaCN Br est un meilleur groupe partant que Cl 20 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 19

aqueux. Quel est ce produit?
Problème 2 Un produit pur organique est obtenu quand le 1-bromo-3-chloropropane réagit avec un équivalent de cyanure de sodium dans l’éthanol aqueux. Quel est ce produit? BrCH2CH2CH2Cl + NaCN CH2CH2CH2Cl + NaBr C N : 21 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 19

Exemple: CH3Br + HO – ® CH3OH + Br –
Beaucoup de réactions de substitutions nucléophiles suivent une loi de vitesse du second ordre. Exemple: CH3Br + HO – ® CH3OH + Br – vitesse = k[CH3Br][HO – ] inférence: l ’étape déterminante est bimoléculaire 23 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 21

Mécanisme Bimoléculaire
une étape concertée HO – CH3Br + HOCH3 Br – + 24 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 22

9.4 Stéréochimie des Réactions SN2

Les substitutions nucléophiles qui sont dues
second ordre cinétique sont stéréospécifiques et se font par inversion de configuration. 28 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 24

Inversion de configuration
- Le nucléophile attaque le carbone du côté opposé à la liaison du groupe partant. attaque dorsale et non frontale 29 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 25

Inversion de configuration
- - Le nucléophile attaque le carbone du côté opposé à la liaison du groupe partant. l’arrangement tri- dimensionnel des atomes dans le produit est à l’opposé de celui du réactant. 30 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 25

Une réaction stéréospécifique est une réaction dans
laquelle des réactants stéréoisomèriquement purs donnent des produits stéréoisomèriquement purs. réaction avec NaOH (dans éthanol-eau) (+)-2-Bromooctane ® (–)-Octan-2-ol (–)-2-Bromooctane ® (+)-Octan-2-ol Cette inversion de configuration s’appelle l’Inversion de Walden 31 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 24

(S)-(+)-2-Bromooctane (R)-(–)-Octan-2-ol
Exemple C H CH3 Br CH3(CH2)5 C H CH3 HO (CH2)5CH3 NaOH (S)-(+)-2-Bromooctane (R)-(–)-Octan-2-ol 32 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 25

Problème 4 La projection de Fischer du (+)-2-bromooctane est décrite. Ecrire la projection de Fischer du (–)-octan-2-ol formé à partir de celui-ci par réaction de substitution nucléophile avec inversion de configuration. 33 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 29

Problème 4 H Br CH3 CH2(CH2)4CH3 HO H CH3 CH2(CH2)4CH3
La projection de Fischer du (+)-2-bromooctane est décrite. Ecrire la projection de Fischer du (–)-octan-2-ol formé à partir de celui-ci par réaction de substitution nucléophile avec inversion de configuration. H Br CH3 CH2(CH2)4CH3 HO H CH3 CH2(CH2)4CH3 34 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 29

9.5 Comment les Réactions SN2 évoluent-elles?

CH3(CH2)5 H d – d – .. .. HO Br : C .. .. CH3 CH3(CH2)5 H – .. .. Br :

CH3(CH2)5 H d – d – .. .. HO C Br : .. .. CH3 CH3(CH2)5 H – .. .. Br :

9.6 Effets Stériques dans les Réactions SN2

par les effets stériques. L’accroissement du nombre de substituants
La vitesse de la substitution nucléophile du mécanisme SN2 est gouvernée par les effets stériques. L’accroissement du nombre de substituants sur le carbone qui porte le groupe partant tend à diminuer la vitesse de réaction de la substitution nucléophile. 40 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 33

Tableau Réactivité de la substitution selon le mécanisme SN2
RBr LiI RI LiBr bromure d’alkyle groupe vitesse relative CH3Br Méthyl CH3CH2Br Primaire 1.350 (CH3)2CHBr Secondaire 1 (CH3)3CBr Tertiaire trop faible pour être mesurée 41 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 33

Réactivité SN2 décroissante
CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr 42 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 34

Réactivité SN2 décroissante
CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr 43 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 34

par les effets stériques. L’accroissement du nombre de substituants
La vitesse de la substitution nucléophile du mécanisme SN2 est gouvernée par les effets stériques. L’accroissement du nombre de substituants sur le carbone adjacent à celui qui porte le groupe partant tend aussi à diminuer la vitesse de réaction de la substitution nucléophile mais l’effet est plus faible. 44 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 33

d’alkyle Structure vitesse relative Ethyl CH3CH2Br 1,0
Tableau Effet de la substitution de la chaîne sur la vitesse de substitution SN2 RBr LiI ® RI LiBr bromure d’alkyle Structure vitesse relative Ethyl CH3CH2Br 1,0 Propyl CH3CH2CH2Br 0,8 Isobutyl (CH3)2CHCH2Br 0,036 Néopentyl (CH3)3CCH2Br 0,00002 45 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 35

9.7 Nucléophiles et Nucléophilie

Les nucléophiles décrits ci-dessous sont des anions.
– C N : .. HO : – .. HS : – .. CH3O : – etc. 47 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 6

– C N : .. HO : – .. HS : – .. CH3O : – etc. Tous les nucléophiles ne sont pas des anions. Quelques-uns sont neutres. .. CH3OH .. .. HOH : NH3 par exemple 48 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 6

– C N : .. HO : – .. HS : – .. CH3O : – etc. Tous les nucléophiles ne sont pas des anions. Quelques-uns sont neutres. .. CH3OH .. .. HOH : NH3 par exemple Tous les nucléophiles, toutefois, sont des bases de Lewis. 49 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 6

Nucléophiles Quelques uns des solvants dans lesquels les réactions de substitutions nucléophiles sont réalisées sont eux mêmes des nucléophiles. .. CH3OH .. .. HOH par exemple 50 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 6

Le terme solvolyse se réfère à une substitution
nucléophile dans laquelle le nucléophile est le solvant. 51 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

substitution par un nucléophile anionique
Solvolyse substitution par un nucléophile anionique R—X + :Nu— R—Nu + :X— solvolyse + R—X + :Nu—H R—Nu—H + :X— étape dans laquelle la substitution nucléophile se produit 52 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

substitution par un nucléophile anionique
Solvolyse substitution par un nucléophile anionique R—X + :Nu— R—Nu + :X— solvolyse + R—X + :Nu—H R—Nu—H + :X— produits de la réaction R—Nu + HX 53 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

La Méthanolyse est une substitution nucléophile dans
Exemple: Méthanolyse La Méthanolyse est une substitution nucléophile dans laquelle le méthanol joue à la fois le rôle de solvant et le rôle de nucléophile. H O CH3 : H O CH3 : R + O : CH3 R .. –H+ R—X + Le produit est un éther de méthyle. 54 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 3

Les solvants en solvolyse
solvant produit à partir de RX eau (HOH) ROH méthanol (CH3OH) ROCH3 éthanol (CH3CH2OH) ROCH2CH3 acide formique (HCOH) acide acétique (CH3COH) O O ROCH O O ROCCH3 55 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 4

La Nucléophilie est une mesure de la réactivité d’un nucléophile.
La Table suivante compare les vitesses relatives de substitutions nucléophiles de quelques nucléophiles vis à vis de l’iodure de méthyle comme substrat. La référence standard est le méthanol, pour lequel on assigne une valeur relative de vitesse de 1. 56 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

Tableau : Nucléophilie
Force Nucléophile Vitesse Relative Fort I-, HS-, RS- >105 assez fort Br-, HO-, 104 RO-, CN-, N3- moyen NH3, Cl-, F-, RCO2- 103 faible H2O, ROH 1 très faible RCO2H 10-2 57 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 5

Principaux facteurs qui contrôlent la nucléophilie
basicité solvatation - les petits ions négatifs sont fortement solvatés dans les solvants protiques - les ions négatifs plus importants sont moins solvatés polarisabilité 58 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 10

Nucléophilie force Nucléophile Vitesse Relative fort HO–, RO– 104 moyen RCO2– 103 faible H2O, ROH 1 Quand l’atome qui attaque est le même (oxygène dans ce cas), la nucléophilie augmente en même temps que la basicité. 59 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 7

Figure Solvatation d’un ion chlorure par des dipole-ions attracteurs ici 4 molécules d’eau. L’ion chlorure interagit avec les hydrogènes de l’eau, polarisés positivement. 61 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 10

Tableau de Nucléophilie
force Nucléophile vitesse relative très fort I- >105 fort Br- 104 moyen Cl-, F- 103 Un solvant fort entoure parfaitement un ion et le rend ainsi moins réactif. Les ions plus volumineux sont moins bien solvatés que les plus petits et sont ainsi plus nucléophiles. 62 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Tableau de Nucléophilie
Force Nucléophile Réactivité Relative très fort I- >105 fort Br- 104 moyen Cl-, F- 103 Les ions les plus polarisables sont plus nucléophiles que ceux qui sont moins polarisables. La polarisabilité croît avec la taille de l’ion . 64 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 11

Substitution Nucléophile Monomoléculaire SN1
9.8 Substitution Nucléophile Monomoléculaire SN1 65 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 12

Les dérivés halogénés tertiaires sont pratiquement
non réactifs vis à vis des réactions de substitutions qui procèdent selon un mécanisme SN2. Peuvent-ils réagir néanmoins selon une réaction de substitution? Oui. Mais selon un mécanisme différent de SN2. Les exemples les plus courants se rencontrent dans les réactions de solvolyse. 66 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

Exemple de solvolyse: Hydrolyse du bromure de tert-butyle
C CH3 Br OH .. : O : H + .. : + H Br 67 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 13

CH3 O : H CH3 H .. + C Br : + O : C .. + Br .. : – Ceci est l’étape de la réaction de substitution nucléophile; c’est celle-ci qui nous concerne. 69 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 13

CH3 O : H CH3 H .. + C Br : + O : C .. + Br .. : – La vitesse de réaction est indépendante de la concentration du nucléophile et suit une loi de vitesse du premier ordre. vitesse = k[(CH3)3CBr] 70 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 13

C CH3 Br .. : C + O : H CH3 O : H + + Br .. : – Le mécanisme de cette étape n’est pas SN2. C’est un mécanisme de type SN1 et commence avec l’ionisation de (CH3)3CBr. 71 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 13

vitesse = k[halogénure d’alkyle]
Le 1er ordre cinétique implique une étape déterminante monomoléculaire. Le mécanisme proposé est appelé SN1, appelé substitution nucléophile monomoléculaire 72 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

C CH3 Br .. : vitesse lente monomoléculaire C H3C CH3 + Br – .. : + 16

+ C H3C CH3 + C : O H CH3 : O H étape bimoléculaire rapide 17

formation capture du du carbocation carbocation R+ transfert du proton
RX ROH2 + ROH 75 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 18

Caractéristiques du mécanisme SN1
1er ordre cinétique: vitesse = k[RX] étape déterminante monomoléculaire intermédiaire carbocation la vitesse est fonction de la stabilité du carbocation des réarrangements sont parfois observés la réaction n’est pas stéréospécifique On observe la racémisation dans les réactions faisant intervenir des composés optiquement actifs 76 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 19

9.9 Stabilité du Carbocation et
Vitesses des Réactions SN1 77 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 20

plus grande est la vitesse de formation du carbocation,
La vitesse de la substitution nucléophile selon le mécanisme SN1 est gouvernée par les effets électroniques. La formation du Carbocation est l’étape déterminante. Plus le carbocation est stable, plus grande est la vitesse de formation du carbocation, plus grande est la vitesse de la substitution monomoléculaire nucléophile. 78 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 33

solvolyse de RBr dans l’acide formique aqueux
Tableau 5 Réactivité de la substitution selon le mécanisme SN1 solvolyse de RBr dans l’acide formique aqueux bromure d’Alkyle Classe vitesse relative CH3Br Méthyle 1 CH3CH2Br Primaire 2 (CH3)2CHBr Secondaire 43 (CH3)3CBr Tertiaire 79 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 33

Réactivité décroissante selon SN1
(CH3)3CBr (CH3)2CHBr CH3CH2Br CH3Br 80 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 34

9.10 Stéréochimie des Réactions SN1

Les Substitutions Nucléophiles qui ont des
vitesses du premier odre cinétique ne sont pas stéréospécifiques. 82 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 24

Stéréochimie d’une Réaction SN1
Br CH3(CH2)5 R-(–)-2-Bromooctane H C CH3 OH CH3(CH2)5 H CH3 H2O HO C (CH2)5CH3 (R)-(–)-Octan-2-ol (17%) (S)-(+)-Octan-2-ol (83%) 83 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 24

Figure 8 + - l’étape d’ionisation donne un carbocation;
3 liaisons liées au « stéréocentre » sont coplanaires + - 84 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 25

Figure 8 + - Le groupe partant réside plus longtemps
sur une des faces du carbocation; le nucléophile attaque plus vite sur la face opposée. + - 85 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 25

Figure 8 - - + - moins de 50% plus de 50% 25

9.11 Réarrangements de Carbocations
dans les Réactions SN1 87 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 26

Exemple CH3 C H CHCH3 Br H2O OH CH2CH3 (93%) 27

Exemple CH3 CH3 CH3 C CHCH3 CH3 C CH2CH3 (93%) H Br OH H2O CH3 CH3 CH3
+ + H H 90 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 27

la vitesse des Réactions SN1 augmente dans les Solvants Polaires

Tableau 6 Réactivité selon SN1 en fonction de la
Polarité du Solvant Solvant constante vitesse diélectrique relative acide acétique méthanol acide formique eau 93 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 29

d+ R état de transition stabilisé par un X d- solvant polaire R+
énergie de RX n’est pas affectée par la polarité du solvant RX 94 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 6

énergie d’activation décroît;
état de transition stabilisé par un solvant polaire énergie d’activation décroît; la vitesse s’accroît d+ R X d- R+ énergie de RX n’est pas affectée par la polarité du solvant RX 95 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 7

La vitesse des réactions SN2 s’accroît
dans les solvants polaires aprotiques Un solvant aprotique est un solvant qui ne possède pas de groupe —OH. 96 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 24

Tableau 7 Réactivité SN2 en fonction du type de Solvant
Table 8.7 SN2 Reactivity vs Solvent CH3CH2CH2CH2Br N3– Solvant Type Vitesse Relative CH3OH polaire protique 1 H2O polaire protique 7 DMSO polaire aprotique 1300 DMF polaire aprotique 2800 Acétonitrile polaire aprotique 5000 97 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 30

Résumé des Mécanismes SN1 et SN2

Quand... Les halogénures d’alkyles primaires donnent une substitution nucléophile, ils réagissent toujours selon un mécanisme SN2 Les halogénures d’alkyles tertiaires donnent une substitution nucléophile, ils réagissent toujours selon un mécanisme SN1 Les halogénures d’alkyles secondaires donnent une substitution nucléophile, ils réagissent selon: un mécanisme SN1 en présence d’un nucléophile faible (solvolyse) un mécanisme SN2 en présence d’un bon nucléophile 99 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 1

9.13 La Substitution et l’Élimination comme Réactions Compétitives

Nous avons vu que les halogénures d’alkyles
peuvent réagir avec les bases de Lewis de deux façons. Ils peuvent donner soit une réaction de substitution nucléophile soit une réaction d’élimination. b-élimination C X : – + + H Y H C Y : – + H X C X : – + Y substitution nucléophile 101 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

substitution nucléophile
Comment savoir quelle sera la réaction suivie pour un halogénure d’alkyle particulier? b-élimination C X : – + + H Y H C Y : – + H X C X : – + Y substitution nucléophile 102 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

Une approche systématique est de choisir comme
référence une réaction suivie par un halogénure d’alkyle typique (secondaire) avec une base de Lewis typique (un ion alkoxyde). La réaction majeure d’un halogénure d’alkyle secondaire avec un ion alkoxyde est la réaction d ’élimination selon le mécanisme E2. 103 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

Exemple CH3CHCH3 Br NaOCH2CH3 éthanol, 55°C CH3CHCH3 OCH2CH3 +
(13%) (87%) 104 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 4

A partir du fait que la réaction majeure d’un
halogénure d’alkyle secondaire avec un ion alkoxyde est la réaction d ’élimination selon le mécanisme E2, nous pouvons poser que la proportion de la réaction de substitution s’accroît avec: 1) un encombrement stérique moindre au niveau du carbone qui porte le groupe partant 107 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

halogénure d’alkyle primaire
un encombrement stérique moindre au niveau du carbone qui porte le groupe partant augmente la réaction de substitution relativement à l’élimination. halogénure d’alkyle primaire CH3CH2CH2Br NaOCH2CH3 éthanol, 55°C CH3CH2CH2OCH2CH3 + CH3CH=CH2 (91%) (9%) 108 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 8

Mais une base alkoxyde favorise l’élimination même avec un halogénure
d’alkyle primaire. halogénure d’alkyle primaire + base encombrée CH3(CH2)15CH2CH2Br KOC(CH3)3 alcool tert-butylique, 40°C CH3(CH2)15CH2CH2OC(CH3)3 + CH3(CH2)15CH=CH2 (13%) (87%) 109 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

A partir du fait que la réaction majeure d’un
halogénure d’alkyle secondaire avec un ion alkoxyde est la réaction d ’élimination selon le mécanisme E2, nous pouvons poser que la proportion de la réaction de substitution s’accroît avec: 1) un encombrement stérique moindre au niveau du carbone qui porte le groupe partant 2) en diminuant la basicité du nucléophile 110 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

Un nucléophile faiblement basique accroît
la réaction de substitution relativement à l’élimination halogénure d’alkyle secondaire + nucléophile base faible CH3CH(CH2)5CH3 Cl KCN pKa (HCN) = 9,1 DMSO CH3CH(CH2)5CH3 CN (70%) 111 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 10

Un nucléophile faiblement basique accroît
la réaction de substitution relativement à l’élimination halogénure d’alkyle secondaire + nucléophile base faible I pKa (HN3) = 4,6 NaN3 N3 (75%) 112 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 11

Les halogénures d’alkyles tertiaires sont tellement
encombrés stériquement que la réaction d’élimination est la réaction majeure avec tous les nucléophiles anioniques. Seules les réactions de solvolyse donnent des réactions de substitutions prédominantes par rapport à l’élimination avec les halogénures d’alkyles tertiaires. 113 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 2

2M éthylate de sodium dans l’éthanol, 25°C 1% 99%
Exemple (CH3)2CCH2CH3 Br CH3CCH2CH3 OCH2CH3 CH3 CH2=CCH2CH3 CH3 CH3C=CHCH3 CH3 + + ethanol, 25°C 64% 36% 2M éthylate de sodium dans l’éthanol, 25°C 1% 99% 114 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 12

9.14 Esters d’Acides Sulfoniques comme substrats dans les réactions de Substitution Nucléophile

Groupes partants nous avons vu de nombreux exemples de substitution nucléophile dans lesquelles X dans RX est un halogène un halogène n’est pas le seul groupe possible partant ainsi... 116 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Autres composés RX ROSCH3 O ROS O CH3 méthanesulfonate
d’alkyle (mésylate) p-toluènesulfonate d’alkyle (tosylate) réagissent de la même façon que les halogénures d’alkyles 117 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Les tosylates sont préparés par la réaction
Préparation Les tosylates sont préparés par la réaction d’alcools avec le chlorure de p-toluènesulfonyle (généralement en présence de pyridine) ROH + CH3 SO2Cl pyridine ROS O CH3 (abréviation ROTs) 118 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Les Tosylates donnent des réactions de substitutions nucléophiles
KCN H CH2OTs H CH2CN éthanol- eau (86%) 119 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Les meilleurs groupes partants sont des groupes faiblement basiques
120 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Tableau 8 Réactivité Relative Approximative des Groupes Partants
Groupes part. vitesse Acide Conjugué Ka de l’acide Relative du groupe conj. F– HF 3.5 x 10-4 Cl– 1 HCl 107 Br– 10 HBr 109 I– HI 1010 H2O H3O+ 56 TsO– TsOH CF3SO2O– CF3SO2OH 106 121 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Tableau 8 Réactivité Relative Approximative des Groupes partants
Groupes part. vitesse acide conjugué Ka de l’ relative du groupe part. acide conj. F– HF 3.5 x 10-4 Cl– 1 HCl 107 Br– 10 HBr 109 I– HI 1010 H2O H3O+ 56 TsO– TsOH CF3SO2O– CF3SO2OH 106 Les Sulfonates sont de très bons groupes partants; les ions sulfonates sont des bases très faibles. 122 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Les Tosylates peuvent être convertis en halogénures d’alkyles
NaBr OTs CH3CHCH2CH3 Br CH3CHCH2CH3 DMSO (82%) le groupe Tosyle est un meilleur groupe partant que le groupe bromure. 123 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Les Tosylates permettent le contrôle de la stéréochimie
La préparation des tosylates n’affecte pas les liaisons du stéréocentre, aussi la configuration et la pureté optique du tosylate sont les mêmes que celles de l’alcool dont ils sont issus. C H H3C OH CH3(CH2)5 C H H3C OTs CH3(CH2)5 TsCl pyridine 124 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Les Tosylates permettent le contrôle de la stéréochimie
Avec un tosylate de pureté optique et de configuration absolue connues, on peut ainsi réaliser la préparation d’autres composés de configuration connues et désirées via le mécanisme SN2. C H CH3 (CH2)5CH3 H CH3(CH2)5 Nu– C OTs Nu SN2 H3C 125 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

9.15 Réactions des Alcools avec les Halogénures d’Hydrogène (HX)

Les alcools Secondaires réagissent avec les halogénures d’hydrogène avec une préférence pour l’inversion de configuration H CH3 C Br 87% C H H3C OH CH3(CH2)5 (CH2)5CH3 HBr C H H3C Br CH3(CH2)5 13% 127 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Les alcools Secondaires réagissent avec les halogénures d’hydrogène avec une préférence pour l’inversion de configuration H CH3 C Br 87% C H H3C OH CH3(CH2)5 (CH2)5CH3 HBr Le mécanisme raisonnable est SN1 avec la présence, en front du carbocation, du groupe partant (C+ protégé) C H H3C Br CH3(CH2)5 13% 128 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Des réarrangements sont possibles avec les alcools réagissant avec les halogénures d’hydrogène
OH HBr Br + Br 93% 7% 129 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Des réarrangements sont possibles avec les alcools réagissant avec les halogénures d’hydrogène
OH HBr 7% + + 93% Br – Br – Br + Br 130 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

9.16 Mécanisme de la réaction des Alcools avec les halogénures d’hydrogènes

Carbocation C R + L’intermédiaire clé de la réaction des alcools secondaires et tertiaires avec les halogénures d’hydrogènes est un carbocation. Un carbocation (carbonium) est un cation dans lequel le carbone a 6 électrons de valence et une charge positive. 132 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 7

Carbocation C R + L’intermédiaire clé de la réaction des alcools secondaires et tertiaires avec les halogénures d’hydrogènes est un carbocation. Le mécanisme invoque 3 étapes élémentaires; la première et la deuxième étape invoquent un carbocation; la troisième étape est la conversion du carbocation en dérivé halogéné. 133 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 7

alcool tert-Butylique chlorure de tert-Butyle
Exemple 25°C (CH3)3COH + HCl (CH3)3CCl + H2O alcool tert-Butylique chlorure de tert-Butyle L’intermédiaire Carbocation est: C H3C CH3 + cation tert-Butyle 134 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Etape 1: transfert du proton de HCl vers l’alcool tert-butylique
mécanisme Etape 1: transfert du proton de HCl vers l’alcool tert-butylique .. H Cl : .. + (CH3)3C O : H rapide, bimoléculaire H O : + (CH3)3C Cl .. – ion tert-Butyloxonium 135 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Etape 2: Dissociation de l’ion tert-butyloxonium
mécanisme Etape 2: Dissociation de l’ion tert-butyloxonium (CH3)3C O H : + lente, unimoléculaire O H : + + (CH3)3C cation tert-Butyle 136 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Etape 3: Capture du cation tert-butyle par l’ion chlorure.
mécanisme Etape 3: Capture du cation tert-butyle par l’ion chlorure. Cl : .. – + (CH3)3C + rapide, bimoléculaire (CH3)3C Cl : .. chlorure de tert-Butyle 137 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

9.17 Diagrammes de l’énergie potentielle pour les réactions multi-étapes: Le Mécanisme SN1

Evolution de la Réaction
Rappel... Le diagramme de l’énergie potentielle du transfert du proton de HBr à H2O d+ d- H2O H Br Energie Potentielle H2O + H—Br H2O—H + Br – + Evolution de la Réaction 139 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 22

(CH3)3COH + HCl (CH3)3CCl + H2O
Extension Le diagramme de l’énergie potentielle pour une réaction multi-étapes est simplement une somme de diagrammes d’énergie potentielle correspondant à chaque étape élémentaire. Considérons le mécanisme de la réaction de l’alcool tert-butylique avec HCl. (CH3)3COH + HCl (CH3)3CCl + H2O 25°C 140 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Étape 1: transfert du Proton de HCl vers l’alcool tert-butylique
mécanisme Étape 1: transfert du Proton de HCl vers l’alcool tert-butylique .. H Cl : .. + (CH3)3C O : H rapide, bimoléculaire H O : + (CH3)3C Cl .. – ion tert-butyloxonium 141 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Étape 2: Dissociation de l’ion tert-butyloxonium
mécanisme Étape 2: Dissociation de l’ion tert-butyloxonium (CH3)3C O H : + lente, unimoléculaire O H : + + (CH3)3C cation tert-Butyle 142 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Étape 3: Capture du cation tert-butyle par l’ion chlorure.
mécanisme Étape 3: Capture du cation tert-butyle par l’ion chlorure. Cl : .. – + (CH3)3C + rapide, bimoléculaire (CH3)3C Cl : .. chloride de tert-Butyle 143 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

notation mécanistique
Le mécanisme est décrit comme étant un mécanisme de type SN1. SN1 est un mécanisme de substitution nucléophile unimoléculaire. La molécularité de l’étape déterminante donne la molécularité de la réaction en son entier. 148 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

notation mécanistique
La molécularité de l’étape déterminante donne la molécularité de la réaction en son entier. (CH3)3C d+ O H L’étape déterminante est l’étape unimoléculaire de dissociation de l’ion alkyloxonium. 149 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

9.18 Effet de la Structure de l’Alcool sur la vitesse de la réaction

l’étape lente est: ROH2+ ® R+ + H2O
Plus stable sera le carbocation, plus rapide sera sa formation. Les carbocations sont plus stables que les secondaires, qui eux sont plus stables que les primaires, qui eux sont plus stables que le carbocation méthyle. Les alcools tertiaires réagissent plus vite que les secondaires qui réagissent plus vite que les primaires qui réagissent plus vite que le méthanol. 151 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 22

Postulat de Hammond Si deux états successifs (tels qu’un état de transition et un intermédiaire de réaction instable) sont identiques en énergie, ils seront identiques en structures. Le postulat de Hammond nous permet ainsi d’appréhender la structure d’une espèce que nous ne pouvons étudier (un état de transition) avec quelque chose que l’on peut étudier (intermédiaire de réaction). 152 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 23

Formation du carbocation carbocation capture
La vitesse est gouvernée par l’énergie de cet état de transition. Comparer la structure de cet état de transition avec la structure de l’état le plus proche en énergie; dans ce cas le plus proche est le carbocation. carbocation capture R+ Transfert du proton ROH2 + ROH RX 154 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 21

Préparation des dérivés halogénés
25°C (CH3)3COH + HCl (CH3)3CCl + H2O 78-88% OH + HBr 80-100°C Br + H2O 73% 120°C CH3(CH2)5CH2OH + HBr CH3(CH2)5CH2Br + H2O 87-90% 156 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 4

Préparation des dérivés halogénés
Les carbocations sont trop haut en énergie pour donner le mécanisme SN1. Pourtant les alcools primaires sont convertis en dérivés halogénés. Les alcools primaires réagissent par un mécanisme de type SN2 (substitution-nucléophile-bimoléculaire). 120°C CH3(CH2)5CH2OH + HBr CH3(CH2)5CH2Br + H2O 87-90% 157 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 4

(1) Transfert du proton de l’alcool pour former l’ion alkyloxonium
Le mécanisme SN2 Mécanisme en deux étapes pour la conversion des alcools en dérivés halogénés: (1) Transfert du proton de l’alcool pour former l’ion alkyloxonium (2) déplacement bimoléculaire de l’eau de l’ion alkyloxonium par l’halogène 158 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 27

Exemple CH3(CH2)5CH2OH + HBr CH3(CH2)5CH2Br + H2O 120°C 4

Étape 1: transfert du proton de HBr vers le heptan-1-ol
mécanisme Étape 1: transfert du proton de HBr vers le heptan-1-ol O CH3(CH2)5CH2 .. .. : + H Br : .. H rapide, bimoléculaire H Br : .. – + CH3(CH2)5CH2 O : + H ion Heptyloxonium 160 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

Étape 2: Réaction de l’ion alkyloxonium avec l’ion bromure.
mécanisme Étape 2: Réaction de l’ion alkyloxonium avec l’ion bromure. H O : + CH3(CH2)5CH2 Br .. : – + lente, bimoléculaire O H : Br : .. CH3(CH2)5CH2 + 1-Bromoheptane 161 Copyright© 2000, D. BLONDEAU. All rights reserved. 9

CH2 OH2 Br CH3(CH2)4 CH2 Transfert du proton d– d+ 31

Quelle est la Stéréochimie de la réaction E2?
Etat de Transition Anti Périplanaire Périplanaire: tous les atomes sont dans le même plan. Anti: de chaque côté. R 1 C C R R X 1 Les groupes R1 sont du même côté. 164 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Classer les composés suivants suivant leur réactivité selon la réaction E2 avec OH-.
3 4 1 Secondaire 2º Primaire 1º Méthyl Tertiaire 3º le moins réactif (E2 ne peut se faire) Le plus réactif 3º > 2º > 1º >> Méthyl 166 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Qu’est ce que la réaction E1? E1 = Elimination Monomoléculaire
Elimination: Le substrat perd deux parties et devient insaturé. C’est le contraire de l’addition. Monomoléculaire: La vitesse de la réaction dépend d’un seul réactant: le substrat. Carbocation R2HC–CR2L  R2HC–C+R2 + L-  R2C=CR2 + H+ Déshydratation 167 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

3º > 2º > 1º >> Méthyl
Classer les composés suivants suivant leur réactivité selon la réaction E1 avec H2SO4 aqueux. 3 2 1 4 Primaire 1º Secondaire 2º Tertiaire 3º Methyl Le plus réactif le moins réactif (ne peut réagir) 3º > 2º > 1º >> Méthyl 169 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Identifier les réactions: SN1, SN2, E1, ou E2?

Quelle est la meilleure façon de préparer C6H11OCH3?
SN2 C’est le seul produit. Ce produit est formé en même temps que C6H11OCH3. E2 Le premier schéma de synthèse est le meilleur. 172 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Addition & Elimination

Addition de H-X sur une liaison C=C Quel est le produit formé?
Hydrohalogènation Addition de H-X sur une liaison C=C (X = Cl, Br, I) + Quel est le produit formé? 174 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

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Problème de synthèse #1 Comment préparer le 2-chloropentane? + deux produits sont formés Un seul produit formé 177 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

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L’Hydratation est régiospécifique

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Stéréochimie de l’halogénation
L’Halogénation procède via la stéréochimie d’addition anti trans-1,2-dibromocyclohexane stéréochimie d’addition anti signifie que le brome s’additionne de part et d’autre du cycle. Seul le produit trans est formé. Aucun produit cis n’est formé. 186 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Stéréochimie de l’Hydrogénation
L’Hydrogénation procède via une addition de stéréochimie syn. Pd cis-1,2-diméthylcyclopentane stéréochimie d’addition syn signifie que les hydrogènes se fixent du même côté du cycle. Seul le produit cis est formé. Aucun produit trans n’est formé. 189 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Addition de OH sur une liaison C=C
Hydroxylation Addition de OH sur une liaison C=C un diol est formé L’Hydroxylation est un exemple de réaction d’oxydation car l’atome d’oxygène est ajouté. La réaction doit être menée sous des conditions basiques (OH-). 191 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

Stéréochimie de l’Hydroxylation
L’Hydroxylation procède via une réaction d’addition de stéréochimie syn un diol cis est formé La réaction procède via une réaction d’addition de stéréochimie syn et forme le composé cis. 192 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

L’Hydroxylation en milieu acide ou neutre
La liaison C=C se casse pour former des composés carbonylés + CO2 un acide carboxylique Un acide carboxylique est formé sur le carbone portant un seul hydrogène. Le CO2 est formé sur le carbone portant deux hydrogènes. 193 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

+ un acide carboxylique une cétone Un acide carboxylique est formé sur le carbone portant un seul hydrogène. Une cétone est formée sur le carbone portant deux groupes alkyles. 195 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

+ un acide carboxylique une cétone Une cétone est formée sur le carbone portant deux groupes alkyles. Un acide carboxylique est formé sur le carbone portant un seul hydrogène. 196 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

L’Hydroxylation en milieu acide ou neutre deux acides carboxyliques
+ deux acides carboxyliques Deux acides carboxyliques sont formés sur chaque carbone portant un seul hydrogène. 198 Copyright© 2004, D. BLONDEAU. All rights reserved.

9. MECANISMES A. Substitution Nucléophile B. Élimination

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