Cours de chimie Organique - G. Dupuis - Lycée Faidherbe de Lille



Les amines


Introduction

Classe
Les amines sont des composés azotés qui dérivent formellement de l'ammoniac NH3 par remplacement d'un ou plusieurs atomes d'hydrogène par des groupes carbonés. Le nombre n des atomes d’hydrogène liés à l'azote, définit la classe de l’amine. Leur découverte est due au chimiste allemand Wurtz en 1849.

n

2

1

0

Classe

primaire

secondaire

tertiaire

On notera la différence entre la définition de la classe des amines et celle des alcools pour lesquels on s’intéresse aux atomes d’hydrogène liés à l’atome de carbone fonctionnel. La fonction amine recouvre un ensemble très étendu de composés. On distingue plusieurs séries :

pyridine

pipéridine

Amines acycliques
Les amines acycliques forment des série homologues appartenant aux trois classes. Les amines et des diamines simples qui sont assez volatiles possèdent une odeur souvent nauséabonde. Celle de la triméthylamine rappelle le poisson pourri. La pentane-1,5-diamine qui se forme lors de la décomposition des protéines s'appelle vulgairement cadavérine.

Bases puriques et pyrimidiques
Les bases pyrimidiques et puriques, dérivées respectivement de la pyrimidine (I), de la purine (II), sont des constituants des acides nucléiques. L'adénine (III), intervient dans la structure de l'
ATP.

La structure en double hélice de l'ADN est assurée grâce à l'appariement de paires de bases par l'intermédiaire de liaisons hydrogène. Adénine-thymine d'une part guanine-cytosine d'autre part.

Alcaloïdes
Les amines d'origine végétale s'appellent alcaloïdes en raison de leur propriétés basiques. Donnons quelques exemples d'alcaloïdes et de leurs dérivés.

Coniine

La coniine est la 2-propylpipéridine. A. Ladenburg a séparé les deux énantiomères en 1886. La (S)-(-)-coniine est l'un des alcaloïdes de Cicuta naculata une ombellifère plus connue sous le nom de cigüe. On la trouve dans la nature le long des chemins. Ce poison était utilisé par les grecs pour exécuter les condamnés à mort. C'est après avoir absorbé une solution de cigüe que le philosophe Socrate, mourut en - 399 [17].

Quelques amines importantes industriellement

Méthylamine

Méthylamine

La méthylamine est préparée par alkylation de l'ammoniac.

La méthylamine est utilisée comme solvant et comme matière première dans la synthèse de colorants et d'insecticides.

Ethylamine

Ethylamine

L'éthylamine est préparée industriellement par amination réductive de l'éthanal.

On l'utilise comme solvant dans l'industrie du pétrole et en synthèse organique.

.

Aniline

Aniline

C'est l'amine aromatique la plus importante. On l'obtient par réduction du nitrobenzène [6] par un métal en milieu acide.

C'est un produit de base de l'industrie des colorants.

Nomenclature

Nomenclature radico-fonctionnelle

On ajoute la terminaison amine au nom du groupe lié à l'atome d'azote. L'atome de carbone lié à l'azote porte le numéro 1.

propylamine

3-méthyl-1-butylamine

3-méthyl-1-phénylamine

  • Amines secondaires et tertiaires

On distingue les molécules symétriques et celles qui ne le sont pas. Les composés symétriques sont nommés en faisant précéder le nom du groupe par un préfixe di, tri etc.

diéthylamine

diphénylamine

Les composés non symétriques sont nommés comme des amines primaires substituées sur l'atome d'azote. Le groupe le plus long ou le plus complexe est choisi pour constituer le nom de l'amine primaire. Les autres, précédés de la lettre N, sont énoncés dans l'ordre alphabétique.

N-méthyl-2-méthylpropylamine

N, N-diméthylphénylamine

  • Amines hétérocycliques

La présence de l'atome d'azote est indiquée par le préfixe aza.

azacyclohexane

1-azacyclopenta-2,4-diène

Beaucoup d'amines, notamment les amines hétérocycliques possèdent des noms usuels consacrés par l'usage : la phénylamine est appelée couramment aniline. Le 1-aza-cyclopenta-2,4-diène est appelé pyrrole.

Nomenclature substitutive

On ajoute la terminaison amine au nom de l'alcane après avoir supprimé la lettre e.

hexan-3-amine

hexane-1,6-diamine

Lorsqu'il n'est pas prioritaire, le groupement NH2 est désigné par amino.

3-aminopentan-2-ol

acide 2-aminopropanoïque

La pyridine et le pyrrole sont des amines hétérocycliques aromatiques citées dans le chapitre sur les composés aromatiques.

Propriétés physiques

Température de changement d'état
Les propriétés physiques sont influencées par l'existence de liaisons hydrogène qui possèdent toutefois une intensité moindre que chez les alcools de masse molaire comparable car l'atome d'azote est moins électronégatif que l'atome d'oxygène. Les amines de faible masse molaire sont miscibles à l'eau.

Composé

M (g.mol-1)

TE (°C)

m (D)

(20 °C, 1 bar)

CH3CH2OH

46

78,5

1,71

liq

CH3CH2NH2

45

16,6

1,29

gaz

Structure

L'atome d'azote est au sommet d'une pyramide y compris dans l'aniline ce qui est conforme aux prévisions de la méthode VSEPR. L'angle a entre les liaisons est tel que a < 109° du fait de la présence du doublet non liant.

Dans la plupart des cas, la structure n'est pas rigide. La barrière énergétique séparant les configurations est généralement faible et la fréquence d'interconversion est très élevée.

Les valeurs suivantes sont approximatives :

E (kJ.mol-1)

n (MHz)

30

103

La hauteur de la barrière d'interconversion peut être déterminée en utilisant la RMN lorsque la molécule possède des atomes d'hydrogène diastéréotopiques qui s'interconvertissent lors du phénomène d'inversion comme dans la dibenzylméthylamine.

L'inversion de l'azote peut être impossible pour des raisons structurales. Lorsque la molécule est chirale, les deux énantiomères peuvent être séparés. Le premier exemple de ce type concerne la base de Tröger. Le mélange racémique des deux énantiomères a été dédoublé par Prelog et Williams en 1944. Dans cette molécule, la présence d'un système bicyclique interdit la racémisation.
L'inversion peut quelquefois être assez lente pour que les deux énantiomères puissent être identifiés, voire piégés, à condition d'opérer à une température suffisamment basse. On rencontre ce type de situation dans la famille des aziridines substituées à l'azote.

Les ions ammonium quaternaires peuvent être obtenus à partir des amines grâce à la réaction d'alkylation d'Hofmann. Les énantiomères peuvent être séparés et isolés.

Il en est de même pour les oxydes d'amines chiraux.

En revanche, les sels d'amines tertiaires sont indédoublables en raison de l'existence d'un équilibre rapide entre l'amine et l'ion aminium.

Le cas des amines aromatiques est plus complexe car des effets stériques et électroniques coexistent. L'atome d'azote de l'aniline est au sommet d'une pyramide très aplatie. Le doublet non liant de l'atome d'azote de l'aniline est engagé dans la résonance avec le cycle aromatique comme en témoigne le sens du moment dipolaire qui est dirigé du cycle vers l'atome d'azote et la valeur de l'énergie de résonance de la molécule.

ER (kJ.mol-1)

m (D)

172

1,56

On peut rendre compte de la structure électronique de l'aniline à partir des formes mésomères suivantes :

Spectroscopie

Spectroscopie infrarouge
La spectroscopie infrarouge constitue une méthode de choix pour l'identification des structures azotées. Les amines primaires et secondaires peuvent en général être distinguées car elles possèdent des spectres assez caractéristiques.

s (cm-1)

3500 - 3400

1650 - 1550

1350 - 1250

Vibration

élongation N-H (doublet)

déformation N-H

élongation C-N

Rappelons que chez les alcools la vibration d'élongation de la liaison O-H est :
s (O-H) = 3600 cm
-1.
La fréquence d'absorption de la liaison C-N de l'aniline apparaît vers s (C-N) = 1300 cm
-1 ce qui traduit un renforcement de la liaison dû à la participation à la résonance du doublet de l'azote.
On observe un doublet chez les amines primaires qui est dû au couplage entre les deux vibrateurs N-H. Les vibrations peuvent être symétriques ou non symétriques.

s (cm-1)

3400-3300

1600-1490

1350-1250

Vibration

élongation N-H (simple)

déformation N-H

élongation C-N

On donne ci-dessous deux exemples de spectres.

Exemple 1 : spectre IR de la cyclohexylamine

Exemple 2 : spectre IR de la N-méthylaniline

Spectroscopie de RMN
Voici un tableau présentant les
déplacements chimiques les plus importants du proton lié à l'azote. On a fait figurer les amides dans le tableau à titre de comparaison.

d (ppm)

0 - 2

2 - 5

5 - 9

Composé

amines non aromatiques

amines aromatiques

amides

Comme chez les alcools, le proton lié à l'azote est mobile. L'ajout de quelques gouttes d'eau lourde entraîne le déplacement du pic correspondant.
Un moyen d'identifier les protons liés à l'azote consiste à enregistrer le spectre dans un solvant inerte puis en présence d'acide trifluoroacétique qui protone l'amine. Le pic du proton lié à l'azote possède un déplacement chimique plus grand dans le cation que dans l'amine.

Le spectre RMN de l'isobutylamine est donné ci-dessous à titre d'exemple. Les protons liés à l'azote donnent un signal pour un déplacement chimique d = 1,25 ppm.

Le spectre RMN de l'aniline présente un singulet pour d = 3,2 ppm dû aux atomes d'hydrogène du groupe amino et un massif complexe centré sur d = 6,5 ppm correspondant aux atomes d'hydrogène du cycle.

Spectroscopie dans l'ultraviolet et le visible
La spectroscopie dans l'ultraviolet et le visible est surtout utile pour les amines aromatiques. Le spectre ci-dessous est celui de l'aniline.

Il est intéressant de comparer les spectres du benzène de l'aniline et de l'ion anilinium. Le tableau ci-dessous résume les valeurs des maximums d'absorption.

Composé

bande E

bande B

benzène

203 nm (e = 7400)

254 nm (e = 204)

aniline

235 nm (e = 8600)

285 nm (e = 1430)

ion anilinium

203 nm (e = 7500)

254 nm (e = 169)

Le groupe -NH2 déplace le maximum d'absorption des bandes B et E du cycle aromatique vers les grandes longueurs d'onde (effet bathochrome) tandis que leur intensité est accrue (effet hyperchrome). Ces effets peuvent être attribués à la conjugaison entre le doublet de l'azote et le cycle. En revanche, l'ion anilinium dans lequel la résonance a disparu, possède un spectre très comparable à celui du benzène.
Lorsque la conjugaison s'étend sur un plus grand nombre d'atomes comme dans les composés diazoïques, la longueur d'onde du maximum d'absorption peut se trouver dans le domaine visible. Le composé est coloré. L'hélianthine est un composé dont la couleur dépend de l'extension du système conjugué avec le pH.

Propriétés acido-basiques

Basicité
Elle est due au doublet non liant porté par l'atome d'azote. La plupart des amines manifestent des propriétés basiques en solution aqueuse.

Composé

PhNH2

PyH

NH3

Me3N

MeNH2

Me2NH

pKa

4,6

5,2

9,2

9,8

10,6

10,7

Les amines acycliques sont plus basiques que l'ammoniac. Expérimentalement, on observe l'ordre suivant des basicités en solution aqueuse :

secondaires > primaires > tertiaires

Cet ordre est difficile à rationaliser car les écarts observés sont de faible amplitude. Plusieurs effets possédant le même ordre de grandeur se superposent : électroniques, stériques, et surtout solvatation.

L'aniline est 100 000 fois moins basique que la cyclohexylamine :
pKa (PhNH3+/PPhNH2) = 4,6. On interprète habituellement ce résultat par le fait que le doublet non liant est moins disponible dans une amine aromatique que dans une amine alicyclique du fait de la délocalisation électronique. Cependant, ici aussi, la solvatation joue un rôle déterminant.
Le cas des
amines hétérocycliques aromatiques est plus complexe.

La basicité intrinsèque, peut être déterminée en phase gazeuse en utilisant les techniques de résonance cyclotronique ionique. Elle peut être très différente de celle observée en présence d'un solvant. J. I. Brauman a montré dans les années 70 que la basicité intrinsèque des amines croit régulièrement avec le degré de substitution de l'azote. Il est amusant de constater que des mesures analogues faites sur l'acidité des amines montrent qu'elle varie également dans le même sens !

Les amines tertiaires ci-dessous sont fréquemment utilisées pour promouvoir des réactions d'élimination E2. Ce sont des bases encombrées, non nucléophiles ce qui permet de limiter les réactions de substitution. Dans DBN et DBU, l'un des atomes d'azote forme un système conjugué avec une cétimine ce qui renforce la basicité.

Ces bases sont beaucoup moins fortes que les amidures.

1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ène (DBN)

1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène (DBU)

1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO)

La transformation suivante, utilisée dans la synthèse de la cantharidine permet de passer d'un alcène à un diène. L'addition de dibrome sur la double liaison éthylénique est suivie d'une double réaction d'élimination E2.

Base de Hunig

L'image de gauche représente la molécule de N, N-diisopropyléthylamine en core appelée base de Hunig. Elle peut remplacer la triéthylamine comme capteur de protons dans de nombreuses applications. Elle présente en outre plusieurs avantages par rapport à cette dernière :
  • elle possède une nucléophilie très faible ;
  • elle est difficilement alkylable ;
  • elle peut être facilement recyclée par distillation azéotropique et peut être extraite sous forme de son acide conjugué en phase aqueuse. Ce recyclage réduit les coûts de fabrication dans les synthèses industrielles [32].

Les propriétés basiques des amines se manifestent par la formation de composés ioniques avec l'acide picrique. Ces composés, facilement cristallisables, peuvent être purifiés aisèment. Ils servent à identifier les amines par repérage de leur température de fusion.

Un mode opératoire est décrit à la référence [2].
La basicité des amines est mise à profit pour leur extraction d'un milieu réactionnel.

Elimination-décarboxylation
La diazotation de l'acide anthranilique suivie d'une élimination de N2 et de CO2 constitue une méthode douce de préparation du
benzyne.

Substitution électrophile sur les amines aromatiques

Activation, régiosélectivité
L'aniline réagit beaucoup plus vite que le benzène dans les réactions de substitution électrophile. Le groupe -NH2 est
activant et oriente en ortho-para.

Bromation
La bromation de l'aniline peut s'effectuer très facilement. Le groupe amino est tellement activant qu'il suffit de mélanger l'aniline et une solution aqueuse de brome, pour obtenir immédiatement un précipité blanc de tribromoaniline.

On peut réaliser une monobromation indirecte du cycle en préparant au préalable la N-phényléthanamide (acétanilide). Puisque le groupe acétamido est moins activant et plus encombrant que le groupe amino obtient la parabromoacétanilide (pF = 167 °C) dont l'hydrolyse fournit le composé recherché.

Nitration
La nitration directe de l'aniline est impossible car l'acide nitrique oxyde le groupe amino. Pour s'affranchir de cette difficulté, on utilise un groupe protecteur.

Réaction des amines tertiaires aromatiques avec l'acide nitreux
Avec les amines tertiaires aromatiques, l'acide nitreux en milieu acide conduit à une substitution électrophile sur le cycle. L'entité électrophile est l'ion nitrosonium :


le mécanisme est le suivant :

Comme on l'a vu plus haut, la structure de l'ion NO+ peut être décrite par la méthode de la mésomérie. Elle met en évidence l’azote électrophile.



Rappelons qu'avec les
amines primaires, l'action de l'acide nitreux conduit à union diazonium. Avec les amines secondaires,on obtient des N-nitrosoamines.

Un mode opératoire est décrit à la référence [6].

Formylation de Vilsmeier-Haack
La réaction de Vilsmeier-Haack constitue une méthode de formylation des amines aromatiques N, N-disubstituées et de certains hétérocycles comme le pyrrole. On peut la regarder comme une extension de la réaction de Mannich. La préparation du réactif de Vilsmeier est donnée ci-dessous.

La force motrice de la réaction est la formation d'une liaison P-O de grande énergie de liaison.

L'ion immonium n'est pas un électrophile très puissant. La réaction a lieu essentiellement avec les composés aromatiques activés.

Oxydation des amines

Oxydation des amines tertiaires
Les amines sont des composés assez sensibles à l'oxydation. Les produits de réaction dépendent de la classe de l'amine et de la nature de l'oxydant utilisé. La réaction la plus importante concerne les amines tertiaires.

Certains oxydes d'amines sont utilisés comme agents d'oxydation. Le N-oxyde de N-méthylmorpholine (NMO) est utilisé comme cooxydant dans la
syn-dihydroxylation vicinale des composés éthyléniques par le tétroxyde d'osmium.

Elimination de Cope des oxydes d'amines
L'une des réactions importante des oxydes d'amines est l'élimination de Cope qui conduit aux composés éthyléniques. Il s'agit d'une b-élimination. L'atome d'oxygène de l'oxyde joue le rôle de base tandis que l'atome d'azote positif est le nucléofuge. La réaction possède l'avantage d'être
stéréospécifique de stéréochimie syn. L'exemple suivant concerne la préparation du méthylènecyclohexane [24].

Une réaction d'élimination à partir du 1-méthylcyclohexanol ne fournirait le méthylenecyclohexane que comme produit très minoritaire car cette réaction fournit le composé éthylénique le plus substitué. Notons que le méthylènecyclohexane peut également être préparé grâce à la réaction de Wittig.

La pyrolyse des esters et celle des xanthogénates sont des réactions d'élimination syn qui conduisent également à des composés éthyléniques.

Oxydation de l'aniline
L'oxydation de l'aniline dépend de l'agent oxydant utilisé :

Bibliographie

Ouvrages expérimentaux

[1] Manuel d'expériences de chimie - UNESCO Société chimique de France - Université de Montpellier.
[2] P. Rendle, M. V. Vokins, P. Davis, Experimental Chemistry (Edward Arnold).
[3] L. F. Fieser, K. L. Williamson - Organic Experiments (D. C. Heath and Company).
[4] R. Adams, J. R. Johnson, C. F. Wilcox - Laboratory Experiments in Organic Chemistry (The Macmillan Company, Collier-Macmillan Limited).
[5] G. K. Helmkamp, H. W. Johnson Jr, Selected Experiments in Organic Chemistry (W. H. Freeman and Co).
[6] Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (Longman).
[7] J. R. Mohrig, D. C Neckers, Laboratory Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[8] R. Q. Brewster, C. A. Van der Werf, W. E. Mc Ewen, Unitized Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[9] F. G. Mann, B. C. Saunders, Practical Organic Chemistry (Longman).
[10] M. T. Yip, D. R. Dalton, Organic Chemistry in the Laboratory (D. Van Nostrand Company).
[11] Journal of Chemical Education vol 55, 1977.
[12] S. Hünig, E. Lücke, W. Brenninger, Organic Syntheses, V, p 533.

Liens

[13] The molecule of the month
[14] Phase Transfer Catalysis home page.
[15] Tétrodotoxin by J. Johnson - Florida State University
[16] La belladone
[17] Hemlock poison
[18] La chimie supramoléculaire par J. M. Lehn
[19] Mauveine by H. Rzepa
[20] Adrenalin by F. Oellien
[21] R. B. Woodward - The Nobel Prize in chemistry 1965
[22] Catalysis by 4-dialkylaminopyridines by D. J. Berry and coll
[23] Preparation of trancyclooctene by Arthur C. Cope and Robert D. Bach, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge 39, Massachusetts
[24] Preparation of methylenecyclohexane by Arthur C. Cope and Engelbert Ciganek, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge 39, Massachusetts
[25] R. B. Woodward speaking on cephalosphorin C
[26] R. B. Woodward by James B. Hendrickson, who is Professor of Chemistry at Brandeis University, Waltham, Massachusetts
[27] R. Willstätter, The Nobel Prize in Chemistry 1915
[28] R. Robinson, The Nobel Prize in Chemistry 1947
[29] 1-Morpholino-1-cyclohexene by Hünig, E. Lücke, and W. Brenninger
[30] KHMDS
[31] The Fu research Group
[32] Hunig's base

Ouvrages théoriques

A. Streitwieser Jr, C. H. Heathcock - Introduction to Organic Chemistry, Macmillan Publishing Co.
J. March - Advanced organic chemistry, Wiley Interscience
F. A. Carey, R. S. Sunberg - Advanced Organic Chemistry, Plenum Press 1990.
J. C. Chottard, J. C. Depezay, J. P Leroux - Chimie fondamentale, Hermann 1982.
P. Laszlo - Logique de la synthèse organique. Cours de l'Ecole Polytechnique, Ellipses, 1993.
P. Atkins - General Chemistry, Scientific American Books W. H. Freeman and Co.
J. Koolman, K. H Röhm - Atlas de biochimie, Médecine & Sciences, Flammarion.
P. Caubère - La catalyse par transfert de phase et son utilisation en chimie organique, Masson 1982.
Organic Synthesis Highlights V, Edited by Hans-Günther Schmalz and Thomas Wirth, J. Wiley 2003.

Articles

[40] C. F. Lane, Synthesis, 1975, 135-146
[41] G. Stork, Tetrahedron, 1982, 38, 1975, 3363





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Texte, dessins, photographies : Gérard Dupuis - Lycée Faidherbe de LILLE
septembre 2007