KAMPEL Rafael Travaux Pratiques Chimie Organique IB Semestre

KAMPEL Rafael
Travaux Pratiques
Chimie Organique IB
Semestre d'hiver 1998/99
Assistant: J. Jodry
Projet n° 36:
Genève, le 2 février 1999
1. Introduction
Le but de cette expérience est de synthétiser l'acide anthranilique, aussi connu sous le
nom d’acide amino benzoïque, par dégradation de Hofmann de la phtalimide. La réaction
étudiée est illustrée ci-dessous:
O
COOH
NH
O
Phtalimide
NH2
Acide anthranilique
L'acide anthranilique est couramment employé comme anti-corrosif pour métaux. Son
ester méthylique est largement utilisé en parfumerie (orange).
2. Résultats et discussion
Le mécanisme de cette réaction n'est guère évident à déterminer. Il est nécessaire
premièrement de déterminer s'il y a une hydrolyse menant à l'ouverture du cycle au début de
la réaction ou non. Toutefois, dans le cas d'une hydrolyse par catalyse basique, il faudrait
chauffer les réactifs à 300°C, ce qui écarte cette possibilité. Voici donc la suite des réactions
menant du substrat au produit final, l'acide anthranilique :
•
•
•
•
•
•
•
•
Déprotonation de la phtalimide.
Bromation du substrat.
Addition d'un ion hydroxyle.
Elimination du brome halogénure et formation d’un acylnitrène.
Réarrangement et formation d’un isocyanate.
Hydrolyse aboutissant à un acide carbamique.
Décomposition de ce dernier et formation de l’acide anthranilique.
Neutralisation du milieu afin de pouvoir récupérer le produit.
Toute la réaction commence par la déprotonation de l'azote suivie par son halogénation.
L'addition d'un nouveau ion d'hydroxyde entraîne l'élimination du brome. Une fois le brome
éliminé nous avons un ion nitrène (acylnitrène) qui est très instable car il contient un atome
neutre déficient en électrons ; il se stabilise par migration du groupe alkyle donnant ainsi un
isocyanate, analogue azoté du dioxyde de carbone. Le carbone de l’isocyanate hybridé en sp
est extrêmement électrophile et est donc attaqué par l’eau aboutissant à un acide carbamique.
Ce dernier étant instable, il se décompose en amine et dioxyde de carbone. La dernière étape
consiste à neutraliser le milieu, visant à reprotoner le groupement carboxylique, entraînant
ainsi sa précipitation.
Voici le mécanisme de la réaction:
O
NaOH
-H2O
NH
Phtalimide
O
O
O
+
N Na
Br Br
-NaBr
NBr
O
O
O
O
OH
OH
-OH
NBr
NBr
- Br
Acylnitrène
O
O
O
O
OH
O
OH
OH
H2 O
N
Isocyanate
O
O
OH
N
N C O
H O
-CO2
Acide carbamique
OH
NH2
Acide anthranilique
Comme discuté plus tôt, il serait également possible d'effectuer cette réaction en
commençant par une hydrolyse. L'hydrolyse est très importante car elle ouvre l'hétérocycle,
permettant ainsi à l'amide de réagir par la dégradation de Hofmann. S'en suit la dégradation
elle-même dont on peut résumer en quelques lignes en précisant que la réaction commence
avec la déprotonation de l’azote entraînant la formation d’un ion amidate. Il survient ensuite
l’halogénation de l’azote et la perte d’un autre proton de l’azote de manière à fournir un Nhalogénoamidate qui élimine immédiatement l’halogène sous forme d’ion:
O
NH
Phtalimide
O
O
OH- , H2O
O
NH2
-H2O
O
NH-
O
O
O
Br
Br
O
O
N H
Br
O
En tous les cas, on peut affirmer que la dégradation de Hofmann est une réaction
catalysée par un halogène et ayant lieu en milieu basique.
L’analyse des spectres nous permet de constater, à première vue, la présence de quelques
impuretés non-identifiables (produits de vaisselle, graisse, etc ( ?)) ainsi que des traces de
solvants, le CDCl3. L’analyse complète du spectre sera présentée lors de la partie
expérimentale.
Le rendement de la réaction est de 22,5%.
3. Questions
1. Expliquez pourquoi il est nécessaire de neutraliser le mélange réactionnel pour isoler
le produit de manière efficace.
Etant donné que le produit est un acide, en milieu basique il se trouvera sous forme
déprotonée. Dès lors, il faut qu’il soit en milieu acide ou basique afin de pouvoir l’isoler
efficacement.
2. Ecrivez le mécanisme des réarrangements de Curtius et Beckmann et expliquez
pourquoi ils sont corrélés au réarrangement de Hofmann.
Réarrangement de Curtius:
O
R C
∆
O
R C
N3
-N2
O C N R
+
H2 O
N N N
H
RNH2 + CO2
O C N R
OH
O C N R
O
H
+
H
La ressemblance avec la dégradation de Hofmann est très grande, du point de vue
mécanistique. Dans les deux cas nous avons une déprotonation du substrat amenant à une
dégradation en amine et dioxyde de carbone.
Le mécanisme du réarrangement de Beckmann diffère de celui de Curtius dans le fait
qu'il n'y a pas de décomposition du produit final. Il s'agit d'une réaction de réarrangement des
oximes de cétones en amines lorsque celles-ci sont chauffées avec des réactifs, suivi d'un
traitement avec de l'eau. Les réactifs les plus utilisés couramment sont le PCl5 et SOCl2.
Le mécanisme se fait en 4 étapes:
• Formation d'un bon groupe sortant au niveau du groupement hydroxyle (par
estérification ou protonation de celui-ci).
• Migration d'un groupement alkyle ou aryle du carbone α avec élimination du groupe
sortant.
•
•
Recombinaison du groupe sortant avec le carbone chargé positivement pour donner
un énol d'amine.
Hydrolyse de l'énol pour donner une amine par traitement avec l'eau.
Réarrangement de Beckmann:
Me
C N
OH
Me
C N
PCl5
OPCl4
Me
+
C N
+ OPCl3 + Cl
Acétophénone-oxime
O
H
Me C N
H2 O
Me
Cl
C N
Cl
Acétanilide
4. Conclusion
La synthèse de l’acide anthranilique par dégradation de Hofmann de la phtalimide est une
méthode très simple à réaliser au laboratoire. Toutefois, elle possède un mécanisme
compliqué en plusieurs étapes nécessitant plus que de la simple déduction afin de l’élucider.
Il existent plusieurs autres alternatives de synthèse de l’acide anthranilique, mais celles-ci
sont souvent plus complexes que celle que nous avons effectuée. Ces deux alternatives sont
illustrées ci-dessous :
COOEt
COOEt
HMPT
N
NH2
O
H
HMPT = Hexamethyl phospohric triamide
Pedersen, E.B.; Tetrahedron, 1977, 33, 217
NH2
COOH
COOH
N
N
H
H
Errede, L.A.; J. Org. Chem., 1976, 41, 1763
NH2
+
H
H
N
N
5. Partie expérimentale
5.1 Mode opératoire
Environ 8,0g de NaOH ont été dissoutes dans 30 ml d’eau, dans un Erlenmeyer de 100
ml. Lors de la dissolution le mélange est refroidi dans un bain de glace. On ajoute alors 2,1 ml
de brome en une fois et l’on place le mélange sous agitation, en attendant que la température
du mélange redescende à 0°C. On ajoute alors 5,81g de phtalimide pulvérisée, puis une
solution de 5,5g de NaOH dans 20 ml d’eau.
Le mélange est alors laissée sous agitation à température ambiante. Un temps d’environ
25 minutes a été nécessaire pour que tout le contenu réagisse, passant d’une coloration jaune
avec des granulés au noir. La solution est alors refroidie avec un bain de glace et neutralisée
avec 18 ml de HCl concentré, jusqu’à pH 7. La solution est alors transvasée dans un bécher de
500 ml afin d’éviter tout débordement lors de la précipitation de l’acide anthranilique par
l’acide acétique.
Le précipité est alors filtré et lavé à l’eau froide, puis traité au charbon actif. Plusieurs
traitements ont été nécessaires, mais le produit a gardé une couleur brunâtre, sans donner des
cristaux blancs. L’acide anthranilique est alors recristallisé et séché.
5.2 Résultats
Après la recristallisation, 1,22g de produit sont récupérés. Le rendement est alors calculé,
sachant que le réactif limitant est la phtalimide et que l’on dispose de 5,81g, soit 39,49 mmol
de ce produit. A l’arrivée nous disposons de 1,22g (8,89 mmol), soit un rendement de 22,5%.
5.3 Analyse des spectres
Premièrement, nous portons notre attention sur le spectre infrarouge de l’acide
anthranilique. On y trouve les pics suivants :
IR (cm-1) : 2971 ; 2360 ; 1690 ; 1616 ; 1589 ; 1560 ; 1488 ; 1455 ; 1291 ; 1236 ; 1161 ;
1039 ; 926 ; 853 ; 804 ; 786 ; 758 ; 732 ; 705 ; 676.
On peut alors attribuer les bandes caractéristiques à ce composé :
-
2971 cm-1 : O-H stretching
1690 cm-1 : -COOH conjugué
1589 cm-1 : noyau aromatique
1560 cm-1 : N-H bending
750 – 730 cm-1 : composé disubstitué en ortho (out of plane)
On aperçoit également les mêmes raies d’interférence que lors des dernières expériences :
-
3022 cm-1 : provient possiblement du solvant, chloroforme deutéré.
1236 cm-1 : peut être originaire du CO2 de l’air.
On analyse alors le spectre RMN afin de vérifier la structure de la molécule obtenue. On
constate toutefois qu'aucun des groupes fonctionnels de cette molécule ne laisse de trace sur le
spectre RMN. Premièrement, le groupement carboxylique car le déplacement chimique de ce
proton se situe au delà de la portée de ce spectre. Deuxièmement, les protons de l'amine sont
indécelables car leur déplacement est d'une trop grand ampleur (probablement l’intégrale
située entre 6 et 4 PPM).
Seuls les protons benzyliques sont visibles sur le spectre. On attribue le nom Ha au proton
adjacent au groupement carboxylique. Il sera sous forme d’un doublet de doublet à cause des
effets de résonance avec le proton carboxylique ; son déplacement se situe entre 7,90-7,95
PPM.
Le proton Hc a, quant à lui un déplacement chimique valant 7,32 PPM et est composé
d’un multiplet.
Finalement nous avons Hb et Hd qui sont confondus et δH se situe entre 6,64-6,71 PPM.
En outre le spectre accuse la présence de chloroforme (7,26 PPM), acétone (2,17 PPM) et
TMS (0,0001 PPM). On y décèle également des petits pics aux alentours de 8 et 6,5 PPM qui
représentent des petites quantités des produits de départ. La « bosse » entre 1 et 2 PPM est due
à des impuretés telles que des produits de vaisselle ou de graisse de rodage.
RMN 1H (CDCl3, 200MHz)δ: 6.64-6.71 (m, 2H, J1=1.25 Hz, J2=9.55 Hz, J3=14,32 Hz,
Hb, Hd); 7.32 (m, 1H, Hc) ; 7.90-7.95 (dd, 1H, J1=1.66 Hz, J2=9.96 Hz, Ha).
6. Références
-
Vollhardt, Schore; Traité de Chimie Organique, 2ème éd., 1995, ch. 20.
Allinger et al.; Organic Chemistry, 1976, ch. 20.
Errede, L.A.; J. Org. Chem., 1976, 41, 1763.
Pedersen, E.B.; Tetrahedron, 1977, 33, 217.