Réactivité des alcools, des éthers et des époxydes | Chimie organique 1
Réactions typiques des alcools.
Préparation des Alcoxydes
Deprotonation with a base:
Mechanism:
Bronsted acid-base reaction. Strong bases are needed to deprotonate alcohols (pKa ~ 16-18). Butyl lithium (BuLi), sodium hydride (NaH) and potassium hydride (KH) are commonly used
Deprotonation with a metal:
Mechanism:
Reduction with alkali metals
Substitutions nucléophiles des alcools.
Formation d'halogénures d'alkyle :
Mécanisme :
Réactions SN2
- Le groupe OH est converti en un bon groupe partant (OSOCl ou HO+PBr2)
- Attaque nucléophile de X- et libération du groupe partant (SO2 / Cl- ou HOPBr2)
Formation d'halogénures d'alkyle avec HX :
HO- est un mauvais groupe partant et peut être remplacé par un meilleur groupe partant pour favoriser les réactions SN. HX est par exemple utilisé :
Mécanisme :
CH3OH et les alcools primaires : réactions SN2
- Protonation du groupe OH - Formation d'un bon groupe partant H2O
- Attaque nucléophile de X-
Alcools secondaires et tertiaires : réactions SN1
Les carbocations sont des intermédiaires et des réarrangements peuvent se produire.
Formation de tosylates d'alkyle :
Ce processus convertit le mauvais groupe partant -OH en un bon groupe partant -OTs
TsCl est appelé chlorure de p-toluènesulfonyl ou chlorure de tosyle. Les tosylates -OTs sont de bons groupes partants car ils sont stabilisés par des formes de résonance
Les alkyl tosylates subissent soit une substitution, soit une élimination, en fonction du réactif :
Réaction de substitution :
Mécanisme : réaction SN2 avec un nucléophile fort
Réaction d'élimination :
Mécanisme : réaction E2 avec une base forte
Déshydratation des alcools
Déshydratation utilisant un acide fort :
Mécanisme :
Alcools primaires : réaction E2
- Protonation de l'atome d'oxygène - Formation de HSO4-
- β élimination en utilisant HSO4- comme base
Alcools secondaires et tertiaires : réaction E1 - des réarrangements de carbocations peuvent se produire
- Protonation de l'atome d'oxygène - Formation de HSO4-
- Clivage hétérolytique de la liaison C-O - Formation d'un carbocation
- β élimination en utilisant HSO4- comme base
Déshydratation utilisant POCl3 :
Mécanisme :
Réaction E2 - aucun réarrangement de carbocation ne se produit
- Conversion du groupe OH en OPOCl2, un bon groupe partant
- β élimination en utilisant la pyridine comme base
Rearrangements des carbocations.
Le groupes donneurs d'électrons, tels que les groupes alkyles, stabilisent une charge positive ⇒ stabilité des carbocations : tertiaire > secondaire > primaire. Un carbocation moins stable peut se réarranger en un carbocation plus stable. Ces réarrangements impliquent la migration d'un groupe alkyle ou d'un atome d'hydrogène d'un atome de carbone à un atome de carbone adjacent. Ils sont respectivement appelés déplacement 1,2-alkyle et déplacement 1,2-hydrogène
Mécanisme:
- Perte d'un bon groupement partant - Formation d'un carbocation
- Déplacement 1,2 d'un atome d'hydrogène ou d'un groupe alkyle - Formation d'un carbocation plus stable
- SN1 (attaque nucléophile pour former le produit de substitution) ou E1 (perte d'un proton pour former un alcène)
Réactivité des éthers
Réactivité des époxydes
Ouverture d'époxydes avec des nucléophiles forts:
Le nucléophile attaque l'atome de carbone moins encombré
Mécanisme:
- Réaction SN2 - attaque par l'arrière
- Protonation de l'alcoxide avec de l'eau
Ouverture d'époxydes avec des acides:
Le nucléophile attaque l'atome de carbone plus encombré
Mécanisme:
- Protonation de l'oxygène de l'époxyde
- Réaction SN2 - attaque par l'arrière
Vérifiez vos connaissances sur ce chapitre
Les alkoxides sont de bons nucléophiles et de fortes bases, ce qui en fait des intermédiaires clés dans une variété de réactions organiques telles que la synthèse des éthers de Williamson ou comme réactions de substitution nucléophile. Ils peuvent également être utilisés comme bases pour déprotoner d'autres composés dans la synthèse organique afin de faciliter d'autres transformations chimiques.
- Les alcools primaires préfèrent subir des réactions SN2 car leur atome de carbone central est moins encombré stériquement, permettant au nucléophile d'attaquer directement et de remplacer le groupe partant en une seule étape concertée.
- Les alcools secondaires et tertiaires, en revanche, sont plus encombrés, ce qui rend difficile l'approche des nucléophiles. Par conséquent, ils ont tendance à subir des réactions SN1 où l'alcool se détache d'abord, formant un carbocation intermédiaire plus stable, puis le nucléophile attaque dans une étape séparée.
La déshydratation des alcools pour former des alcènes est influencée par plusieurs facteurs, notamment le type d'alcool, le catalyseur acide utilisé et les conditions de réaction.
- Les alcools primaires nécessitent généralement des conditions plus sévères pour la déshydratation que les alcools secondaires et tertiaires, qui peuvent subir la réaction plus facilement en raison de la stabilité accrue des carbocations résultants.
- Des catalyseurs acides forts, tels que l'acide sulfurique ou phosphorique, sont souvent utilisés pour faciliter la réaction en protonant l'alcool, ce qui en fait un meilleur groupe partant.
- La température et la durée de la réaction jouent également un rôle important : des températures plus élevées ont tendance à favoriser la formation d'alcènes et à augmenter la vitesse de réaction.
Réarrangements de carbocations dans les réactions d'alcool se produisent généralement dans des conditions de déshydratation, où un alcool est converti en un alcène. Le réarrangement implique la migration d'un groupe hydride ou alkyle vers un carbone voisin, entraînant ainsi la formation d'un intermédiaire de carbocation plus stable.
Les éthers sont moins réactifs que les alcools principalement en raison de l'absence du groupe hydroxyle, qui est un site réactif dans les alcools. Dans les éthers, l'oxygène est attaché à deux groupes alkyle ou aryle au lieu d'un atome d'hydrogène, ce qui conduit à une structure moléculaire plus stable sans hydrogènes acides. De plus, les éthers ne peuvent pas former de liaisons hydrogène avec d'autres molécules, ce qui signifie qu'ils ne participent pas facilement à des réactions telles que les substitutions nucléophiles ou la déshydratation, qui sont typiques des alcools. Les paires d'électrons libres sur l'oxygène de l'éther sont également moins disponibles pour former des liaisons avec d'autres atomes en raison de la faible densité électronique autour de l'atome d'oxygène causée par sa liaison avec deux atomes de carbone.
Les éthers peuvent subir des réactions de clivage dans des conditions acides, en particulier en présence d'acides forts comme l'acide hydroiodique (HI) ou l'acide hydrobromique (HBr). Ces conditions conduisent à la protonation de l'oxygène de l'éther, rendant l'éther plus susceptible à une attaque nucléophile. Le clivage conduit généralement à la formation de halogénures d'alkyle et d'alcools ou de deux halogénures d'alkyle si un excès d'acide est utilisé.
La régiosélectivité dans l'ouverture des époxydes asymétriques dépend des conditions de réaction :
- Sous des conditions basiques, l'attaque nucléophile se produit sur le carbone le moins encombré du cycle époxyde, sous l'effet de facteurs stériques, conduisant à la formation de l'alcool plus substitué.
- Sous des conditions acides, l'époxyde subit une protonation, formant un atome d'oxygène chargé positivement. Le nucléophile attaque le carbone portant la charge positive, conduisant à la formation de l'alcool moins substitué.
Le rôle de la stéréoélectronique dans les réactions des époxydes est crucial car la structure en anneau trimère des époxydes positionne les substituants de manière à avoir un impact significatif sur le trajet et le résultat de la réaction. Dans les réactions d'ouverture de cycle nucléophile, par exemple, l'attaque se produit sur l'atome de carbone moins substitué en raison d'un encombrement stérique moindre et d'un alignement favorable des orbitales, ce qui conduit à des états de transition plus stables. De plus, si l'époxyde est asymétrique, le nucléophile entrant attaquera de préférence le côté moins encombré, ce qui conduit souvent à des résultats stéréochimiques prévisibles.
Les époxydes possèdent une contrainte de cycle significative en raison de leur structure à trois membres, ce qui entraîne une tension angulaire et des interactions d'éclipse. Cette forte contrainte rend le cycle époxy très réactif vis-à-vis d'une attaque nucléophile, car la rupture du cycle soulage considérablement la contrainte, libérant ainsi l'énergie potentielle stockée. En conséquence, les époxydes sont plus réactifs que les éthers comportant des cycles plus grands, et ils peuvent être ouverts par divers nucléophiles dans des conditions acides ou basiques.