ag.fr UE 15 Chapitre 4: Les dérivés halogénés I) Rappels et définitions

UNIVERSITE DES ANTILLES Faculté de médecine Cours de Mr PELMARD Robert rpelmard@univ-­‐ag.fr UE 15 Chapitre 4: Les dérivés halogénés I)
Rappels et définitions Tout composé portant un ou plusieurs atomes d’halogènes sur sa chaîne hydrocarbonée est un dérivé halogéné appelé également halogénures. On rappele que les halogènes sont : ( F ; Cl ; Br ; I). Les halogénures prennent les noms suivants : F
Fluorure
Br
Cl
Chlorure
Bromure
Chloropropane
Fluoropropane
I
Iodure
Bromopropane
Iodopropane
a) Classification des halogénures On les classe en trois grandes classes : -­‐ Un halogénure primaire : Le carbone qui porte l’halogène est fixé à un seul carbone : Halogénures primaires
Cl
F
-­‐
H 3C
I
Un halogénure secondaire : Le carbone qui porte l’halogène est fixé à deux autres carbones : Halogénures secondaires
Br
F
-­‐
Un halogénure tertiaire : Le carbone qui porte l’halogène est fixé à trois autres carbones : Halogénure tertiaire
CH3
CH3
H 3C
Cl
I
CH3
b) Propriétés physiques Les halogénures naturels sont très rares. On n’en trouve surtout dans le milieu marin. En revanche, les halogénures de synthèse sont très nombreux : Le DDT, le chlordécone, les insecticides, les fongicides, les fréons ( fluide des climatiseurs) etc…… La plupart des halogénures sont liquides à l’exception des fréons à un ou deux carbones. Les halogénures peuvent être synthétisés en additionnant un hydracide sur un alcène ( Confère chapitre 1 UE 15) ou par voie radicalaire ( alcane réagit en présence de peroxydes avec du dichlore, du dibrome). c) Propriétés chimiques 1) Polarisation et polarisabilité La polarisation d’une liaison chimique est basée essentiellement sur la différence d’électronégativité des atomes qui constitue cette liaison. Plus la différence d’électronégativité sera importante, plus la liaison sera polarisée. L’électronégativité des halogènes augmente de l’iode au fluor : Atome
Iode
Brome
Electronégativité
2,7
3
Chlore
Fluor
3,2
4
L’électronégativité du carbone est 2,5. Par conséquent, la liaison la plus polaire sera carbone-­‐fluor qui sera suivie de carbone-­‐chlore, puis carbone-­‐brome et enfin carbone-­‐iode. Notion déjà traitée à l’UE1 La polarisabilité est la déformation du nuage électronique qui constitue la liaison sous l’action d’éléments extérieurs. En d’autres termes, les éléments extérieurs tels que : solvant, autres réactifs vont agir sur la polarisation naturelle de la liaison en la modifiant. Finalement, la polarisation est le facteur à prendre en compte lors d’une réaction chimique. Plus les atomes sont gros, plus ils sont polarisables. L’halogénure le plus volumineux est l’iode, le plus polarisable suivi du brome, puis le chlore et enfin le fluor. La liaison carbone-­‐iode est plus polarisable que la liaison carbone-­‐fluor, alors la liaison carbone-­‐iode sera la plus réactive. La liaison carbone-­‐fluor sera la moins réactive. Pour des raisons financières, on utilise les dérivés bromés et chlorés car les dérivés iodés sont plus chers. La polarisation de la liaison carbone-­‐halogène va influer sur les liaisons avoisinantes : Hydrogène partiellement acide
qui peut-être arraché par une base
réactions d'éliminations
H
H δ+
δ−
carbone en α
Br
δ−
Carbone électrophile qui peut-être
δ+
attaqué par un nucléophile
réactions Substitution Nucléophile
Le dessin ci-­‐dessus montre clairement que les halogénures vont réagir par deux types de réactions qui seront les réactions d’éliminations et les réactions de substitutions nucléophiles : o
clé
u
N
p
X
C
H
e
hi l
C
C
H
Nu
+
Nu-
Réaction de substitution
nucléophile= SN
Nu-
C
2
Base
2
B2
X
+
BH
+ X-
Réaction d'élimination:
E= réaction d'élimination
La voie couleur violette est la réaction d’élimination. La voie couleur verte est la réaction de substitution nucléophile. On rappelle qu’une base est un doublet électronique capable d’attaquer un proton. Un nucléophile est égalelement un doublet électronique capable d’attaquer un noyau. Se référer à l’UE1. II Réactivité chimiques des halogénures 1) les réactions de substitutions nucléophiles on rappelle qu’il existe des nucléophiles forts peu basiques: ( un nucléophile attaque un noyau) I-
NH3
N
C
Les nucléophiles encombrés qui ne peuvent pas attaquer un noyau mais qui sont très basiques : CH3
H3C
O-K+
C
CH3
très peu nucléophile, base forte. Ces bases attaqueront des protons à caractère acide Le schéma général d’une réaction de substitution nucléophile est : δ+
C
δ−
X
+
Groupe partant
ou nucléofuge
δ+
E
δ−
Nu
Nucléophile
Solvant
de réaction
Nu
+
X
E
Suivant la nature du substrat, la nature du solvant, la nature du réactif nucléophile et les conditions expérimentales, deux types de substitutions nucléophiles peuvent se produire : La SN1 ou la SN2. 1-­‐2) Réactions de substitutions d’ordre 1 ou SN1 La substitution nucléophile d’ordre 1 ou SN1 est réalisée sur des carbones tétraédriques. Le départ nucléofuge précède l’attaque nucleophile : 50%
Nu
R3
R2
R3
R1
R2
R3
Etape lente
C
R1
X
Etape déterminante
Ionisation
X-
+
C
R1
NuEtape rapide
R2
Carbocation plan
R2
R1
R3
50%
Nu
Nucléophile attaque 50% par le haut
et 50% par le bas.
Obtention d'un mélange racémique
L’étape déterminante est la formation du carbocation. Le nucléophile est spectateur, par conséquent ne participe pas à la réaction. La vitesse d’une SN1 dépend uniquement de la concentration de l’halogénure. V = k ( RX ). La vitesse est d’ordre 1. La molécularité de cette réaction est 1. Divers facteurs peuvent influer sur la SN1 : Un solvant protique polaire favorisera la réaction SN1 ( eau, alcool etc….) Un substrat tertiaire favorisera la SN1 car le carbocation formé lors de l’étape déterminante est stabilisé par effet inductif donneur des substituants . Un catalyseur type acide de LEWIS favorisera la formation du carbocation, donc la SN1. Le profil énergétique est le suivant :
La flèche bleue indique la formation du carbocation. La flèche bleue indique l’intermédiaire réactionnel. Les états de transition R-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐X et R-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐Nu sont visibles également. Un exemple de SN1 : CH3
CH3
CH3OH
Br
H 3C
Solvolyse
CH3
SN1
H3C
C
OCH3
+
HBr
CH3
Halogénure tertiaire
1-­‐3 Réactions de substitutions nucléophiles d’ordre 2 ou SN2 La réaction de substitution nucléophile bimoléculaire s’éffectue en une seule étape. Le nucléophile attaque le substrat du côté opposé au nucléofuge. Cette attaque est accompagnée d’une inversion de WALDREN, ce qui peut entrainer un changement de configuration d’un éventuel carbone asymétrique : R3
R3
X
∗
Nu
Nu-
+
∗
R2
+
X-
R2
R1
R1
Inversion de WALDREN
Nucléophile attaque du côté opposé
Inversion de configuration
à
l'électrifuge
X
Le nucléophile attaque l’halogénure, c’est une réaction qui se produit en une seule étape, par conséquent, la vitesse de la réaction dépendra du nucléophile et du substrat : V = k (Nu-­‐)(RX). La vitesse de réaction est d’ordre 2. La molécularité de la réaction est 2. La réaction SN2 se fera principalement avec les halogénures méthylés et primaires. Les halogénures tertiaires ne réagiront pas en faisant une SN2. Le profil énergétique de la SN2 : La flèche bleue indique l’état de transition de la réaction. La SN2 est favorisée si on utilise un solvant aprotique polaire. Ce solvant stabilisera le cation qui accompagne le nucléophile, ce qui rendra le nucléophile plus agressif. Exemple de SN2 : Br- Br +
H3C
H 3C
OH +
OH 2) Les réactions d’éliminations Avec les halogénures, on peut facilement effectuer des réactions d’élimination, l’halogénure perd 2 atomes ou 2 groupes d’atomes : X
Base
C
+
C
HX
Δ
H
Δ = en chauffant
Hydrogène partiellement acide
Hydrogène attaqué par la base
2 types de mécanismes peuvent se produire : -­‐ La base attaque l’hydrogène et de manière concertée, le nucléofuge X-­‐ s’en va. Ce sera une E2 -­‐ L’autre type sera E1, l’halogénure se tranformera en carbocation ( première étape) avec le départ de X-­‐ qui sera suivi du départ rapide d’un proton H+. Ce sera une E1. Lors de l’élimination E1 d’ordre 1, on assiste au départ du nucléofuge (étape déterminante, suivi du départ d’un proton (étape rapide) et ainsi une insaturation est crée . 2-­‐1 Réaction d’élimination E1 Le schéma général d’une E1 : R4
R2
R2
R2
X
R1
Etape déterminante
ionisation
R3
+
R1
R4
H
R4
R3
H
X-
rapide
R1
R3
+ BH
BR2
R3
R1
R4
Alcène Z et E
Les alcènes Z et E sont obtenues en proportions équivalentes à cause de la libre rotation de la liaison carbone-­‐carbone. L’élimination E1 est d’ordre 1. La vitesse de la réaction d’élimination dépend uniquement de la concentration en halogénure, v = k (RX). Un solvant polaire favorisera la réaction E1, il stabilisera le carbocation formé. Une base non nucléophile favorisera la E1. Un réarrangement du carbocation peut intervenir (UE1). 2-­‐2 Réaction d’élimination E2 La réaction d’élimination E2 est d’ordre 2. Elle se fait de manière concertée, c’est à dire, de manière simultanée. La base attaque l’hydrogène partiellement acide et le nucléofuge commence à partir : La E2 se fait que si les atomes H, C, C et X sont dans le même plan
On dit que H et X sont en positio antipériplanaire
X
R1
C
R1
C
R2
R4
+ BH
B-
R2
R3
H
R4
+
X-
R3
un seul isomère si
R1 R2
H
Remarque : La E2 est favorisée quand la base est forte et non nucléophile. La E2 est favorisée également si la base est concentrée et on opère à chaud. Exemple de E2 : H
CH3
Br
H
NaOH attaque le H
H
C
C
H
H
H
H
CH3
H3C
H
Δ
H
aO
N
H
C
H3C
Δ
qu
ta
at
Alcène majoritaire
el
eH
H
Alcène minoritaire Cette réaction est régiosélective car on obtient un alcène majoritaire et un alcène minoritaire. Remarque pour les E1 et E2 : Régle de Zaïtzev : Lors d’une réaction d’élimination E1 ou E2, le produit majoritairement formé est le plus stable, donc le plus substitué 3-­‐ Compétition SN et E. Une réaction de substitution nucléophile SN est généralement en compétition avec la réaction d’élimination. Une réaction SN2 est favorisée si le nucléophile est fort Une SN2 est favorisée si l’halogénure est primaire ou méthylée Une SN2 est favorisée si on augmente la concentration du nucléophile Une réaction E2 est favorisée si la base est forte et généralement on opère à chaud. Une réaction SN1 est favorisée si l’halogénure est tertiaire Une réaction SN1 est favorisée si le solvant solvate fortement le carbocation formé. Une réaction SN1 est favorisée si le nucléophile est faible à modéré. Une E1 est favorisée si la base est forte Les quatres réactions E1, E2, SN1 et SN2 peuvent coexister avec l’halogénure secondaire. Les organo-­‐magnésiens Les halogénures réagissent avec les métaux anhydres dans l’éther pour donner des composés organo-­‐métalliques. Si le métal est le magnésium, l’organo-­‐métallique est appelé un organo-­‐magnésien : Mg
Br
Br
Mg
Ether
Organo-magnésien
La polaristion de l’halogénure est : δ−
δ+
Br
Le carbone est électrophile Sur l’organo-­‐magnésien, on observe une inversion de polarité car un métal est toujours positif : δ+
Mg
Br
δ−
Le carbone est nucléophile
L’organo-­‐magnésien est une base très forte qui réagit instantanément avec les molécules protiques ( molécules à hydrogènes labiles telles que eau, alcool etc…) : δ+
δ−
Mg
Br
δ+
δ−
H
OH
H
Le carbone est nucléophile
Les organo-­‐magnésiens sonr de bons intermédiaires de synthèse et sont capables de réaliser des réactions de SN et des réactions d’addition : 1) Réaction de SN avec les organo-­‐magnésiens Un organo-­‐magnésien est capable de réagir avec un halogénure : δ+
δ−
Mg
R
Br
+
δ+
R
δ−
X
+
1/2 Mg(OH)2 + 1/2 MgX2
2) Réactions d’addition avec les organo-­‐magnésiens Les organo-­‐magnésiens sont capables de réagir avec les systèmes insaturés : dérivés carbonylés, les imines, les nitriles, etc… : 2-­‐1 Réaction avec les dérivés carbonylés O
MgBr
O
δ−
R
δ+
MgX
R1
+
R1
R2
R
R2
H2O
H+
OH
R1
R
1/2 Mg(OH)2 + 1/2 MrBr2
+
R2
Un organo-­‐magnésien réagit avec : -­‐ le dioxyde de carbone pour donner un acide carboxylique -­‐ le formaldéhyde pour donner un alcool primaire -­‐ un aldéhyde pour donner un alcool secondaire -­‐ une cétone pour donner un alcool tertiaire 2-­‐2 Réaction avec les nitriles : R
R
MgX
+ R1
C
N
C
N
MgBr
R1
H2O
H+
R
R
O
R1
cétone
2-­‐3 Réaction avec les époxydes : H2O
H+
C
R1
N
H
imine instable en milieu H3O+
O
1
R
CH3
OH
R
2
majoritaire
MgX
CH3
H2O
HO
H2O
R
minoritaire
CH3
La position 1 est moins encombrée que la position 2 ( le groupe méthyle en 2) les organo-­‐magnésiens réagissent avec les chlorures d’acides, les esters etc…. Entrainez-­‐vous …….