Cours de chimie Organique - G. Dupuis - Lycée Faidherbe de Lille
Aldéhydes & Cétones
Généralités
Définitions
Les composés comportant dans leur molécule le groupe carbonyle -CO- sont appelés composés carbonylés. Il leur correspond deux fonctions :
- les aldéhydes comportent le groupe caractéristique -CHO. Le groupe carbonyle est lié à un groupe alkyle ou phényle et un atome
d'hydrogène (exceptionnellement deux atomes d'hydrogène dans le cas du méthanal) ;
- les cétones comportent le groupe caractéristique -CO-R. Le groupe carbonyle est lié à des groupes alkyles ou phényles.
Du fait de leur importance, les principales propriétés physiques, et chimiques des a-énones sont étudiées dans un chapitre particulier de la page consacrée aux systèmes conjugués.
Etat naturel
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La civétone est une cétone à grand cycle présente à l'état naturel dans les glandes odoriférantes de la
civette ou chat musqué d'Afrique. Sa structure a été déterminée par le chimiste suisse d'origine croate L. S. Ruzicka en 1926 (prix Nobel 1939).
Au cours de cette étude, Ruzicka mit au point une méthode de synthèse des cétones à grand cycle par chauffage de sels de thorium de diacides carboxyliques, une variante de la réaction de Piria.
La synthèse totale de la civétone a été réalisée par M. Stoll en 1948. D'autres cétones à grand cycle sont utilisées en parfumerie comme la cyclopentadécanone (exaltone) ou musc artificiel
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Plusieurs méthodes de synthèses de cétones à grand cycle ont été mises au point. En voici deux :
Le camphre naturel est le (-)-(1S, 4S)-triméthyl-1,7,7-bicyclo [2, 2, 1] heptan-2-one. La molécule possède
deux atomes de carbone asymétriques. Bien qu'on puisse prévoir un maximum de 4 stéréoisomères, certaines configurations sont géométriquement impossibles en raison de la rigidité du système bicyclique.
Il existe seulement deux énantiomères.
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La molécule de camphre naturel possède la structure ci-dessous :
Le camphre naturel Cinnamomum Camphora est extrait du bois de camphrier provenant du Japon et de Chine. Sa formule brute a été
établie par J. B. Dumas en 1831. Sa synthèse a été effectuée par Komppa en 1903.
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Carbonylés importants
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Le méthanal est préparé par oxydation du méthanol.
Il est utilisé notamment dans la synthèse de la bakélite.
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L'éthanal préparé actuellement par oxydation de l'éthène grâce au procédé Wacker.
Un ancien procédé consistait à hydrater l'éthyne (acétylène).
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La propanone est préparée à partir du propène par le procédé Wacker. C'est aussi un sous-produit de la synthèse du phénol par le procédé Hock dont le bilan
revient à oxyder le cumène par l'oxygène de l'air.
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Plusieurs composés carbonylés sont utilisés comme composants de parfums. Le célèbre N° 5 de Channel doit sa note de tête caractéristique à la présence d'aldéhydes en C12.
Nomenclature
Aldéhydes
On distingue les séries acyclique et cyclique.
- Série acyclique
Le nom est formé en ajoutant le suffixe al au nom de l'hydrocarbure correspondant à la chaîne principale. L'atome de carbone du groupe porte le numéro 1 qui n'est pas mentionné.
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hexanal |
3-méthylpentanal |
Pour les composés polyfonctionnels on utilise les suffixes dial et trial. Si le groupe CHO est prioritaire dans un composé polyfonctionnel, il porte le numéro 1.
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hexanedial |
but-3-énal |
- Série cyclique
Lorsque le groupe CHO est fixé sur un atome de carbone faisant partie d'un système non aromatique on ajoute la terminaison
carbaldéhyde au nom du système cyclique.
Lorsque le groupe CHO est fixé sur un cycle benzénique, le composé est nommé comme dérivé du benzaldéhyde.
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cyclohexanecarbaldéhyde |
3-hydroxybenzaldéhyde |
Cétones
Comme dans le cas précédent, on distingue les séries cyclique et acyclique.
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pentan-2-one |
4-bromopentan-2-one |
Dans le cas où le groupe carbonyle n'appartient pas à la chaîne principale. Le substituant H3C-CO- est désigné par acétyle.
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pentane-2, 4-dione |
3-acétyl-4-méthylhexane-2, 5-dione |
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cyclohexanone |
2-méthylcyclohexanone |
Le nom peut être formé en nomenclature radico-fonctionnelle par assemblage. On utilise l'ordre alphabétique
pour énoncer les groupes qui sont précédés éventuellement de di, tri etc.
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méthylpropylcétone |
diphénylcétone |
Les composés dans lesquels la fonction aldéhyde ou la fonction cétone ne sont pas
prioritaires sont respectivement nommés en utilisant les préfixes formyle
et oxo.
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3-formylpropanenitrile |
acide 2-méthyl-4-oxopentanoïque |
Propriétés physiques
Constantes physiques
Voici quelques résultats expérimentaux concernant le moment dipolaire et les énergies de liaisons
de quelques composés carbonylés.
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Molécule |
HCHO |
CH3CHO |
CH3COCH3 |
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p (D) |
2,27 |
2,73 |
2,84 |
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Liaison |
C-C |
C-O |
C=C |
C=O |
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D (kJ.mol-1) |
347 |
360 |
610 |
740 |
Ces valeurs appellent deux remarques :
- on note une valeur élevée du moment dipolaire des molécules qui traduit la polarité
importante du groupe carbonyle ;
- l'énergie de dissociation particulièrement élevée de la double liaison CO qui est supérieure au double de
celle d'une liaison simple entre ces atomes.
Températures de changement d'état
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Composé |
TF (°C) |
TE (°C) |
d |
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HCHO |
- 118 |
19 |
- |
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CH3CHO |
- 123 |
21 |
0,79 |
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CH3CH2CHO |
- 81 |
48 |
0,80 |
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CH3COCH3 |
- 95 |
56 |
0,79 |
Les températures de changement d'état sont plus élevées que pour les alcanes mais moins élevées que pour les alcools de même masse molaire.
Elle traduisent une association des molécules par des forces de type dipôle-dipôle.
Structure électronique du groupe carbonyle
Méthode des orbitales moléculaires
Le groupe carbonyle peut être décrit par deux méthodes qui sont souvent utilisées conjointement et qui se complètent de façon utile. La méthode des orbitales moléculaires et celle, plus fruste, de la mésomérie.
Nous donnons ci-dessous un diagramme qualitatif des orbitales moléculaires pour une molécule de méthanal. Les orbitales moléculaires des autres composés carbonylés peuvent être obtenues par la méthode des perturbations.
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Les expériences de diffraction montrent que les atomes de carbone, d'oxygène et d'hydrogène sont situés dans un même plan. La molécule
présente deux plans de symétrie :
- le plan contenant tous les atomes (xOy) ;
- le plan passant par les atomes de carbone et d'oxygène et bissectant l'angle entre les liaisons C-H (xOz).
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Les orbitales atomiques impliquées peuvent être classées en deux catégories. Celles qui sont symétriques par réflexion par rapport au plan de la molécule
et celles qui sont antisymétriques par réflexion par rapport à ce plan.
La combinaison de ces orbitales conduit à un système de 6 orbitales moléculaires dont seulement trois sont représentées.
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Le diagramme d'orbitales moléculaires représenté à gauche regroupe les OM p liante, n non liante et p* antiliante.
Les orbitales frontières sont :
- HO : orbitale n, qui correspond à peu de chose près à une OA p(y) de l'atome d'oxygène ;
- BV : orbitale p* avec un gros coefficient sur l'atome de carbone.
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L'expression mathématique des orbitales moléculaires de type p du groupe carbonyle peut être déterminée par la méthode de Hückel.
On utilise généralement les paramètres de Streitwieser pour exprimer les intégrales coulombiennes aC et
aO ainsi que l'intégrale d'échange bC-O.
Rappelons que : a < 0 et b < 0.
Avec ces valeurs les expressions des orbitales moléculaires p du méthanal s'écrivent :
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Orbitale moléculaire |
Energie |
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p : j1 = 0,85 pO + 0,53 pC |
E1 = a + 1,618 b |
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p* : j 2 = 0,53 pO - 0,85 pC |
E2 = a - 0,618 b |
Pour l'orbitale moléculaire p*, l'atome qui possède le
coefficient le plus grand est l'atome de carbone. Un réactif nucléophile réagira donc de préférence sur cet atome.
Méthode de la mésomérie
Dans la méthode de la mésomérie, le groupe carbonyle est décrit par deux formes limites principales représentées ci dessous. Celle de gauche est la forme ylène. Celle de droite présente une séparation
des charges. L'atome d'oxygène, plus électronégatif que l'atome de carbone, supporte la charge négative. Cette forme est appelée forme ylure (en anglais : ylid).
Quelle que soit la méthode employée, retenons que le groupe carbonyle est fortement polarisé avec un atome de carbone
déficient en électrons, donc électrophile.
Spectroscopie
Spectroscopie infrarouge
C'est une méthode de choix pour l'étude des composés carbonylés. Le nombre d'onde de la vibration de valence du groupe
carbonyle dépend du type de composé mais apparaît nettement sous la forme d'une bande intense dans une région assez dégagée du spectre.
L'exemple ci-dessous concerne la 4-méthylpentan-2-one.
Les aldéhydes possèdent en outre une absorption caractéristique dûe à la vibration de valence de la liaison C-H. Elle se présente sous la forme d'un pic fin.
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s (cm-1) |
2700 - 2900 |
1650 - 1730 |
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vibration |
élongation C - H |
élongation C = O |
Dans un spectre comme celui du camphre, représenté ci-dessous, le pic d'absorption caractéristique du groupe carbonyle se détache d'une région beaucoup plus complexe permettant l'identification du composé (région des empreintes digitales).
Notons deux propriétés importantes concernant le nombre d'onde de la vibration d'élongation du carbonyle. On observe une augmentation du nombre d'onde dans le cas de cétones cycliques lorsque la taille du cycle diminue.
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Composé |
Cyclohexanone |
Cyclopentanone |
Cyclobutanone |
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s (cm-1) |
1685-1705 |
1740-1750 |
1780 |
Le nombre d'onde est abaissé de 20 à 30 cm-1 lorsque le groupe carbonyle est conjugué avec une double liaison éthylénique.
Spectroscopie de RMN
L'effet inductif attracteur du groupe carbonyle diminue la densité électronique autour du noyau d'hydrogène.
Voici quelques valeurs de déplacement chimique :
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Protons |
H3C-CO- |
-CH2-CO- |
H-CO- |
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d (ppm) |
2 |
2,5 |
10 |
L'exemple suivant concerne la pentan-3-one.
On repère facilement les méthylcétones par la présence d'un pic vers 2 ppm comme dans l'exemple ci-dessous.
Les protons aldéhydiques s'oberve avec un déplacement chimique élevé. On peut l'interpréter par deux phénomènes :
- ils sont liés au groupe carbonyle très électronégatif ;
- l'anisotropie du champ magnétique due au courants de cycle.
Un proton nu, c'est à dire dépourvu d'environnement chimique, résonne pour une valeur du champ appliqué que nous noterons B0. Lorsque la molécule d'aldéhyde est plongé dans un champ magnétique externe Be, le champ ressenti au niveau du proton aldéhydique, B0, peut s'écrire sous la forme :
B0 = Be + Bi
Bi est un champ induit par la circulation des électrons. Ce champ induit s'ajoute au champ appliqué, de sorte que le champ nécessaire pour obtenir la résonance est inférieur à celui qu'on observerait pour un proton nu.
Dans les exemples ci-dessous, on notera la présence d'un multiplet dans la région des 7,5 ppm qui correspond aux protons aromatiques.
Quand le cas se présente, le couplage d'un proton aldéhydique et des protons appartenant au reste de la chaîne carbonée intervient à travers le groupe carbonyle. Le spectre de l'éthanal comporte deux signaux :
- les trois protons du méthyle sortent sous la forme d'un doublet à d = 2,2 ppm ;
- le proton aldéhydique se manifeste par un quadruplet à d = 9,8 ppm.
Ultraviolet - visible
Les transitions utilisables avec les appareils courants sont celles qui impliquent les niveaux p, n et p*.
Transition p ® p*
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Composé |
lm (nm) |
log e |
Solvant |
|
CH3CHO |
193 |
- |
cyclohexane |
|
CH3COCH3 |
188 |
3,04 |
heptane |
Transition n ® p*
Elle est interdite de symétrie ce qui explique une intensité relativement faible.
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Composé |
lm (nm) |
log e |
Solvant |
|
CH3CHO |
290 |
1,23 |
cyclohexane |
|
CH3COCH3 |
279 |
1,17 |
heptane |
Lorsque le composé carbonylé est énolisé en assez forte proportion dans un solvant donné, on voit apparaître à côté de la bande d'absorption n ® p*
du carbonyle, une bande due à une transition p ®
p*
impliquant la double liaison de l'énol dont la longueur d'onde du maximum d'absorption est plus faible. L'application de la loi de Beer-Lambert permet
alors de connaître la proportion du carbonylé énolisé.
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Composé |
I |
II |
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lm (nm) |
290 |
230 |
|
Pourcentage |
75 |
25 |
La longueur d'onde du maximum d'absorption des transitions p ® p*
et n ® p* est assez sensible à la polarité du solvant. Lorsqu'on passe d'un solvant apolaire (I) à un
solvant polaire (II), on assiste aux phénomènes suivants :
- le niveau p est peu affecté ;
- le niveau excité p*, plus polaire est abaissé ;
- le niveau n subit un abaissement d'énergie assez important.
Ces modifications des niveaux d'énergie se répercutent sur les longueurs d'onde des transitions :
- la longueur d'onde du maximum d'absorption de la transition p ® p*
est déplacée vers les grandes longueurs d'onde (effet bathochrome) ;
- la longueur d'onde du maximum d'absorption de la transition n ® p*
est déplacée vers les faibles longueurs d'onde (effet hypsochrome).
Réactions d'additions ioniques sur le carbonyle
Généralités sur les additions ioniques
Activation électrophile
Lorsqu'on dissout de la benzophénone dans l'acide sulfurique concentré, la solution obtenue
a une couleur rouge. On interprète cette apparition de la couleur par l'existence dans l'acide sulfurique d'une forme protonée qui accroit les
possibilités de délocalisation électronique.
D'une façon générale en présence d'un acide de Lewis assez fort que nous noterons M+ on observe l'équilibre suivant :
L'existence de cette association modifie la répartition électronique au sein du groupe carbonyle. La réactivité du carbonyle
s'en trouve exaltée. On peut rendre compte de ce phénomène en utilisant la méthode de la mésomérie et celle des orbitales moléculaires.
- Méthode de la mésomérie.
L'association entre l'oxygène et M+ augmente le poids relatif de la forme mésomère possédant
un atome de carbone chargé positivement car l'existence de cette forme n'est plus subordonnée à une
séparation de charge.
- Méthode des orbitales moléculaires.
Le diagramme d'orbitales moléculaires, montre que la plus basse orbitale vacante est l'orbitale moléculaire p*.
L'association entre l'atome d'oxygène et M+, draine les électrons vers M+. L'ensemble
(COM+) se comporte comme un groupe plus électronégatif que l'oxygène seul. Ce groupe possède une énergie plus basse. Il en résulte un abaissement
de l'énergie de la BV et une augmentation du coefficient au niveau de l'atome de carbone de cette orbitale.
Le phénomène que nous venons de décrire, porte le nom d'assistance électrophile.
Aspect stéréochimique
Les deux faces d'un groupe carbonyle lié à deux substituants différents sont prochirales et ces faces sont nommées en utilisant la convention de Hanson. L'exemple ci-dessous
concerne la molécule d'éthanal.
Envisageons l'addition d'un réactif A - B achiral sur le groupe carbonyle. Si R1 et R2 sont différents,
on obtient a priori deux produits selon que l'addition implique l'une ou l'autre des deux faces du groupe carbonyle.
Deux cas peuvent se présenter :
Lorsqu'elle s'accompagne de l'apparition de protons diastéréotopiques, l'addition d'un nucléophile sur les faces prochirales d'un groupe carbonyle peut être aisément détectée en spectroscopie de RMN.
La notion d'induction asymétrique, la règle de Cram ainsi que les modèles de Felkin et de Felkin-Anh sont sont examinés dans le chapitre consacré à la stéréochimie dynamique.
Géométrie de l'addition nucléophile
Avec les nucléophiles peu encombrés, la géométrie de l'addition est gouvernée par le recouvrement
des orbitales frontières des réactifs. Raisonnons dans le cas de l'addition d'un ion hydrure. Ce dernier
intervient par sa plus haute om occupée (1 s). Le carbonyle intervient par la plus basse om vacante. Le schéma ci-dessous résume la situation en l'absence (I) puis en présence
d'une activation électrophile (II).
Dans chacun des cas, l'angle d'attaque est supérieur à 90° de manière à minimiser le recouvrement défavorable
entre les lobes de signes contraires. Cet effet a été reconnu dans les années 70 par
H. B. Bürgi, J. D. Dunitz et J. M. Lehn [43]. Dans (I) cet angle est voisin de 105°.
On notera que l'activation électrophile par le cation M+ en augmentant
le coefficient sur l'atome de carbone a pour conséquence de diminuer l'angle d'attaque qui passe à une valeur voisine de 95°.
L'exemple suivant constitue une vérification expérimentale de ce qui précède. Le groupe carbonyle qui est réduit préférentiellement est celui qui est adjacent
à l'atome de carbone le plus encombré.
Ce résultat en apparence paradoxal s'explique par le fait que la trajectoire suivie par le nucléophile n'est pas perpendiculaire au plan du groupe carbonyle.
Addition nucléophile des hydrures
Réactifs donneurs d'hydrure
L'ion hydrure contient l'élément hydrogène au degré (-I). C'est donc un réducteur potentiel de fonctions insaturées.
Les hydrures alcalins LiH, NaH, KH sont connus depuis longtemps. Cependant ces composés ne sont guère utilisables comme réducteurs car ce sont des bases très fortes et l'ion H- n'y manifeste pas
de propriétés nucléophiles. En revanche, les complexes d'hydrures d'aluminium ou de bore, réactifs gros et polarisables, permettent de transférer l'ion H- vers un substrat insaturé en exaltant sa capacité nucléophile.
Le tétrahydruroaluminate de lithium LiAlH4 est un composé ionique qui se présente sous la forme d'un solide blanc, stable dans l'air sec mais extrêmement réactif.
Il a été préparé en 1947 par H. J. Schlesinger. On l'utilise dans l'éthoxyéthane ou le THF. Il est absolument incompatible avec l'eau qu'il réduit avec explosion à cause du dégagement d'hydrogène et du caractère très exothermique de la réaction. On peut le préparer par la réaction suivante :
LiAlH4 réduit de nombreuses doubles liaisons polarisées. Il est peu sélectif.
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Le tétrahydruroborate de sodium NaBH4 est un agent réducteur beaucoup plus doux que LiAlH4. Il a été introduit en synthèse
organique par H. C. Brown. On peut le préparer en faisant réagir l'hydrure de sodium et le diborane.
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NaBH4 est beaucoup moins réactif que LiAlH4. Il offre de ce fait, l'avantage d'une beaucoup plus grande sélectivité. On peut l'utiliser
en milieu hydroalcoolique. Dans l'exemple suivant, le groupe nitro du substrat n'est pas altéré alors qu'il serait réduit en groupe amino avec LiAlH4.
On trouvera un mode opératoire pour cette réaction à la référence [6].
La réduction d'un composé dicarbonylé fournit au maximum quatre stéréo-isomères. Dans le cas du benzile, du fait de la symétrie de la molécule de départ, il y a deux énantiomères et un composé méso.
De nombreux réactifs permettant le transfert d'hydrure ont été préparés ces dernières années. Le K-sélectride est un hydrure fortement encombré utilisé dans les réductions
diastéréosélectives.
A ces réactions on peut rattacher la réaction de Meerwein, Ponndorf et Verley dans laquelle l'isopropylate d'aluminium permet le transfert d'un ion hydrure vers un composé carbonylé.
Les réactions de réduction des carbonylés impliquant des organomagnésiens encombrés procèdent d'un mécanisme assez comparable.
Bilan et mécanisme
Le cation intervient dans l'activation électrophile du groupe carbonyle. Une preuve de cette activation est fournie par le fait expérimental suivant : lorsqu'on complexe le cation Li+ par un
cryptand de taille convenable on observe un ralentissement très net de la réaction.
Un état de transition plausible pour le transfert de l'ion hydrure vers le groupe carbonyle est représenté ci-dessous :
Puisque le réactif possède quatre ions hydrure, les équations traduisant ces transferts successifs sont les suivantes :
L'alcoolate d'aluminium est ensuite hydrolysé.
La réaction est réalisée en milieu acide pour éviter la précipitation de Al(OH)3.
La réaction avec le borohydrure de sodium possède vraisemblablement un mécanisme du même type.
Addition sur des faces diastéréotopiques
Lorsque le groupe carbonyle est adjacent à un atome de carbone asymétrique, les faces prochirales du
carbonyle sont diastéréotopiques. L'influence exercée par cet atome de carbone sur la stéréochimie de
l'addition s'appelle induction asymétrique. Pour prévoir la stéréochimie de l'addition, plusieurs modèles de l'état de transition sont utilisés :
Stéréochimie en série cyclique
La réaction entre les hydrures métalliques et les cétones cycliques est diastéréosélective. La stéréochimie de
l'addition est gouvernée par des facteurs stéréoélectroniques. Avec les hydrures non encombrés comme NaBH4 ou LiAlH4, le facteur
électronique est prédominant et la réaction normale se traduit par une approche axiale de l'ion hydrure, conduisant à l'alcool possédant un groupe OH équatorial. Avec les hydrures
encombrés, l'attaque équatoriale peut devenir prédominante. L'alcool diastéréoisomère est alors majoritaire.
Cet aspect est étudié dans le chapitre relatif à la stéréochimie dynamique.
Le cas des composés bicycliques est un plus délicat. Expérimentalement, on constate
que les facteurs stériques sont prédominants et l'hydrure est transféré de façon préférentielle sur la face moins encombrée. L'exemple suivant
concerne la réduction de la molécule de camphre qui donne un mélange dans lequel l'isobornéol (composé A1) pour lequel le groupe OH est situé sur la même face que le pont ( face exo) est largement majoritaire sur le bornéol (composé A2) pour lequel le groupe OH est situé sur la face opposée au pont (face endo).
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Composé |
A1 |
A2 |
|
NaBH4 |
86 |
14 |
L'excès diastéréoisomérique vaut 72 %. Un mode opératoire pour cette réaction est donné à la référence [11] (01/67).
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Le modèle ci-contre représente un borohydrure alkylé commercialisé sous le
nom de K-Sélectride (Aldrich). On l'obtient en faisant réagir un trialkylborane sur l'hydrure
de potassium.
Il est beaucoup plus encombré et par conséquent plus stéréosélectif que le borohydrure de
sodium lorsque la réaction est contrôlée par des facteurs stériques.
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Hydratation
Résultats expérimentaux
Le produit d'addition de l'eau sur un composé carbonylé est un gem-diol.
Si l'on excepte l'hydrate de chloral qu'on peut obtenir à l'état cristallisé, la plupart des gem-diols sont des composés instables.
D'un point de vue préparatif cette réaction offre donc peu d'intérêt. En revanche elle permet d'obtenir des informations intéressantes sur la réactivité comparée des composés carbonylés. Le tableau
ci-dessous regroupe quelques valeurs pour la constante thermodynamique K de l'équilibre.
K = [hydrate]/[carbonylé]
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Composé |
CH3COCH3 |
CH3CHO |
HCHO |
F3CCHO |
|
K |
1,4´10-3 |
1,06 |
2,3´103 |
2,9´104 |
On constate que vis à vis de l'hydratation, les aldéhydes réagissent plus facilement et plus complètement que les
cétones. Cela peut s'expliquer par plusieurs facteurs :
- l'atome de carbone d'un aldéhyde est moins encombré que celui d'une cétone ;
- cet atome est moins substitué par des groupes donneurs par effet inductif. Il est plus déficient en électrons et donc plus électrophile ;
- notons la valeur élevée de la constante thermodynamique K pour le méthanal qui se distingue des autres aldéhydes par une plus grande réactivité.
La réaction d'hydratation est catalysée en milieu acide et en milieu basique. Nous allons examiner successivement
les deux cas :
- catalyse acide ;
- catalyse basique.
En réalité, la situation est un peu plus complexe car on constate que les acides et les bases, même
sous une forme non ionisée, catalysent cette réaction. On dit que la réaction est l'objet d'une catalyse acido-basique généralisée.
Oxydation des aldéhydes
On a pu démontrer que l'oxydation des aldéhydes en milieu aqueux fait intervenir l'hydrate du carbonylé. Un mécanisme
partiel de cette oxydation est le suivant :
L'oxydation des alcools primaires en aldéhyde pose le problème de la suroxydation de ces
derniers en acide. Puisque l'oxydation implique l'hydrate de l'aldéhyde, un moyen de s'en
affranchir est de travailler en milieu anhydre. C'est le cas lorsqu'on effectue l'oxydation de
l'alcool en utilisant un réactif mis au point par le chimiste américain E. J. Corey : le chlorochromate de pyridinium PCC.
Addition des organométalliques
Généralités
La réaction entre un composé organométallique et un aldéhyde ou une cétone est généralement conduite en deux étapes :
- le composé carbonylé, dissous dans un solvant organique comme le toluène est mis à réagir avec l'organométallique ;
- le produit d'addition est un alcoolate magnésien. Cet alcoolate est hydrolysé en milieu acide afin d'éviter la précipitation de Mg(OH)2 . L'hydrolyse conduit à l'alcool. Dans la synthèse des alcools tertiaires il faut éviter d'utiliser un milieu trop acide afin d'éviter la déshydratation de l'alcool.
Une méthode découverte par Barbier, directeur de thèse de Grignard, consistait à mélanger le substrat, le réactif et le métal dans un même réacteur. Ce type de réaction monotope (single pot reaction) a connu récemment un regain d'intérêt. On réalise
de cette manière certaines réactions faisant intervenir le zinc sans que l'organozincique soit isolé. Un autre exemple de réaction au cours de laquelle l'organométallique n'est pas isolé est constitué par la réaction de Réformatsky.
Les a-énones donnent des réactions intéressantes avec différents organométalliques, notamment les organocuprates. Leurs propriétés sont étudiées dans un chapitre particulier.
Aldéhydes
La réaction entre un organomagnésien et un aldéhyde, suivie d'une hydrolyse acide, constitue une synthèse d'alcool secondaire. Voici quelques exemples.
Notons, d'un point de vue expérimental, que les aldéhydes bouillent à des températures assez basses : 21 °C pour l'éthanal, - 21 °C pour le méthanal. Avec cet aldéhyde, l'alcool obtenu est primaire.
Les aldéhydes sont plus réactifs que les esters. La réaction suivante, effectuée à basse température, suivie d'une hydrolyse, est une étape de la synthèse du sulcatol, une phéromone d'insecte. La fonction ester sert ici à protéger une fonction alcool secondaire.
Cétones
Les cétones sont moins réactives que les aldéhydes à cause d'un carbone plus encombré et moins électrophile. La réaction entre un organomagnésien et une cétone conduit à un alcool tertiaire.
La réaction entre le bromure de phénylmagnésium et la benzophénone permet la préparation du triphénylméthanol.
Le tableau ci-dessous résume les différents cas possibles.
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Composé |
méthanal |
aldéhydes |
cétones |
|
Classe d'alcool |
primaire |
secondaire |
tertiaire |
Mécanismes
Les mécanismes de réaction entre les organomagnésiens et les composés carbonylés ne sont pas complètement élucidés. Dans certains cas, la cinétique de la réaction est en faveur d'un mécanisme dans lequel intervient deux molécules d'organomagnésien (mais une loi cinétique ne permet pas de démontrer un mécanisme).
La réaction entre les organomagnésiens et les cétones aromatiques a été particulièrement étudiée par E. C. Ashby qui a pu démontrer l'intervention d'un mécanisme radicalaire.
Lorsqu'on ajoute lentement du bromure de phénylmagnésium à une solution de benzophénone dans le toluène, on observe de façon transitoire une coloration rouge. On l'interprète par l'existence d'un complexe de transfert de charge qui résulte d'un transfert monoélectronique du magnésien vers la cétone.
Aspect stéréochimique
La stéréochimie de l'addition d'un organométallique sur les faces diastéréotopiques
d'un composé carbonylé peut être prévue en utilisant le modèle de Felkin-Anh sauf quand la présence d'un groupe jouant le rôle de base de Lewis sur le substrat entraîne un contrôle par chélation de l'addition.
L'excès diastéréoisomérique en faveur du composé I, vaut 92 %.
Oléfination de Wittig
Introduction
Le chimiste allemand G. Wittig qui est décédé en 1987, a travaillé dans de nombreux domaines de la chimie organique. Il est surtout connu dans le grand public pour la découverte de la réaction qui porte son nom et qui lui a valu le prix Nobel de chimie en 1979 [31] conjointement avec le chimiste américain H. C. Brown. En 1950, G. Wittig, qui était déjà l'auteur de nombreux travaux en chimie organométallique, cherchait à préparer des composés pentavalents de l'azote. L'équation de la réaction qu'il voulait réaliser s'écrit :
Il n'obtint pas le produit convoité mais un composé possédant une liaison carbone azote provenant de la métallation d'une liaison C-H du substrat par le méthylithium. Les ylures d'azote étaient découverts.
Tout naturellement Wittig se tourna ensuite vers le phosphore dont l'aptitude à étendre son octet est bien connue dans des composés comme PCl5. Avec un sel de phosphonium, l'équation de la réaction est :
.
Trois ans plus tard, il y a donc tout juste 50 ans, G. Wittig et G. Geissler publiaient un article dans lequel ils décrivaient une méthode de préparation d'ylures de phosphore et leur réaction avec des composés carbonylés [44]. Y était décrite en particulier la réaction suivante qui
s'effectue par simple mélange des réactifs.
L'histoire de la découverte des ylures de phosphore est racontée par Wittig dans la conférence qu'il a donnée en 1979 à l'occasion de la réception de son prix Nobel [68].
Préparation et propriétés des ylures de phosphore
Un ylure de phosphore ou phosphorane, peut être défini comme étant un carbanion adjacent à un atome de phosphore. Dans le formalisme de la mésomérie, on peut décrire schématiquement la structure par deux formes limites représentées ci-dessous. La forme de gauche est appelée ylure celle de droite ylène. Dans la forme ylène, l'atome de phosphore a étendu son octet grâce à la
participation des orbitales d. Autrement dit, dans ce formalisme, un ylure est traité comme un système conjugué siège d'une résonance pp-dp.
L'étude cristallographique montre que la liaison R-P antipériplanaire de la paire non liante est plus longue que les deux autres. Ce résultat s'interprète par l'intervention d'une hyperconjugaison qui rappelle l'effet anomère rencontré dans la chimie des sucres.
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L'effet correspond à l'interaction entre un doublet non liant n(C) porté par l'atome de carbone négatif de
l'ylure et l'orbitale antiliante s* de la liaison R-P. Au lieu d'occuper l'orbitale n(C) les électrons occupent
l'orbitale y telle que :
y = n(C) + a.s*(R-P)
Cette combinaison est liante entre P et C et antiliante entre R et P. On doit donc observer une longueur de liaison P-C diminuée et une liaison R-P allongée ; résultat conforme à l'expérience.
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remarque : à l'origine, le terme anomère était utilisé dans la chimie des sucres pour distinguer des épimères particuliers (du grec ano, en tête, et meros, partie.)
La première étape de la préparation d'un ylure est la synthèse d'un sel de phosphonium. On réalise une substitution nucléophile de type SN2 en utilisant un halogénure
d'alkyle comme substrat. Le réactif le plus utilisé est la triphénylphosphine. Cette réaction ressemble à l'alkylation
d'Hofmann des amines.
Les phosphines sont des bases faibles mais de bons nucléophile. On notera au passage que le pouvoir nucléophile des amines est d'autant plus élevé qu'elles sont moins
substituées alors qu'on observe l'inverse chez les phosphines. On peut attribuer cette différence à la taille plus importante de l'atome
de phosphore par rapport à celle de l'atome d'azote.
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A la température ordinaire, la triphénylphosphine se présente sous la forme d'un solide cristallin stable. Une préparation de la triphénylphosphine consiste à faire réagir un organomagnésien avec le trichlorure
de phosphore.
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Les sels de phoshonium sont des composés stables qui peuvent être stockés avant la transformation en ylure. Ce sont des acides faibles qui, pour être déprotonés nécessitent une base forte. Lorsqu'on traite un sel de phosphonium par une solution de butyllithium dans l'éther, on obtient
une solution possédant une belle couleur orange.
Plus généralement, on distingue schématiquement trois grandes catégories d'ylures :
- les ylures non stabilisés sont souvent des composés fortement colorés dont la préparation nécessite des bases très fortes. Le butyllithium dans l'éthoxyéthane ou le THF rigoureusement anhydre est souvent utilisé. Rappelons que le butyllithium étant pyrophorique, il est indispensable de manipuler ce composé sous atmosphère inerte afin d'éviter tout risque d'incendie. Wittig utilisait volontiers le phényllithium qu'il avait préparé par la réaction d'échange métal-halogène (dans son livre : Logique de la Synthèse Organique, P. Laszlo rapporte que G. Wittig avait coutume d'appeler le
phényllithium "sa baguette de sourcier" [17].)
D'autres combinaisons de solvants et de bases peuvent être utilisés. Notamment : l'amidure de sodium dans l'ammoniac liquide, le carbanion dimsyle préparé par action de NaH sur le DMSO. Le mélange de bromure de triphénylméthylphosphonium et de NaH dans le THF absolu constitue le réactif "instant ylid" de Schlosser. Ces ylures non stabilisés sont préparés au moment de l'emploi au sein même du milieu réactionnel. Ils réagissent immédiatement avec l'eau et le dioxygène c'est pourquoi leur préparation exige un milieu rigoureusement anhydre, sous atmosphère inerte (diazote, argon).
- Les ylures stabilisés peuvent être préparés avant l'emploi et certains sont disponibles commercialement. Il sont compatibles avec l'utilisation d'un milieu aqueux et une base comme l'ion hydroxyde peut convenir.
- Les ylures semi-stabilisés constituent une catégorie intermédiaire entre les deux précédentes. Le tableau suivant résume ces propriétés.
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Ylure |
non stabilisé |
semi-stabilisé |
stabilisé |
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Formule |
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Nature des goupes |
-H, alkyle |
-OR, -X, phényle, vinyle |
-CO2 Et, -SO2Ph,
-CHO, -CN
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Préparation |
in situ |
in situ |
à part |
EWG (electron withdrawing group) désigne un groupe attracteur d'électrons.
Réaction avec les composés carbonylés
La vitesse de la réaction augmente avec le caractère électrophile du composé carbonylé. Les aldéhydes réagissent plus vite que les cétones et il est possible d'effectuer
l'oléfination de la double liaison d'un aldéhyde en présence d'un groupement oxo dans certaines conditions.
Les esters de l'acide méthanoïque réagissent avec le plus simple des ylures pour conduire aux éthers d'énols.
Les cétones ne réagissent que très difficilement avec les ylures disubstitués. Les alcènes tétrasubstitués ne peuvent pas être préparés valablement par cette méthode.
Mécanisme de la réaction de Wittig
Le mécanisme de la réaction a fait l'objet de plusieurs hypothèses dès sa découverte. L'existence d'un intermédiaire appelé oxaphosphacyclobutane ou, plus communément, oxaphosphétane a été proposée par Wittig dans son article initial [44]. L'existence de cet intermédiaire a été démontrée par E. Vedejs en 1973 en utilisant la spectroscopie RMN du 31P à basse température [56]. L'expérience ainsi que les calculs théoriques militent en faveur d'une cycloaddition [2 + 2] [58].
A la température ordinaire un oxaphosphétane est instable. Son clivage est une syn élimination qui conduit au composé éthylénique et à l'oxyde de triphénylphosphine Ph3PO (TPPO). La formation de ce composé qui possède
une liaison phosphore-oxygène d'énergie de liaison particulièrement élevée, (451 kJ.mol-1), déplace la position de l'équilibre vers la droite.
Aspect stéréochimique
L'addition entre un aldéhyde ou une cétone dissymétrique avec un ylure substitué pose un problème stéréochimique. A priori deux composés éthyléniques
diastéréo-isomères peuvent être obtenus.
La prévision de la stéréochimie des produits obtenus lors de la réaction de Wittig constitue un problème délicat qui a fait l'objet de nombreuses
études.
La décomposition des oxaphosphétanes est stéréospécifique :
Expérimentalement, on constate que la stéréosélectivité de la réaction dépend essentiellement du caractère stabilisé ou non de l'ylure.
Ces résultats peuvent être généralisés. En moyenne, on observe les pourcentages suivants selon la nature de l'ylure utilisé.
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Ylure |
non stabilisé |
stabilisé |
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Ethylénique |
> 90 % Z |
> 90 % E |
Les ylures semi-stabilisés fournissent un mélange de composés éthyléniques Z et E. On peut rationaliser ces résultats
de la façon suivante en sachant qu'il s'agit d'une interprétation parmi d'autres également possibles :
- Sous contrôle cinétique, le produit primaire de l'addition de Wittig entre un ylure non stabilisé, très réactif, et un composé carbonylé, doit correspondre à un état de transition précoce. D'après le postulat de Hammond, celui-ci ressemble aux réactifs. Cet état de transition nécessite une disposition orthogonale des liaisons réagissantes afin de conduire à une cycloaddition [2 + 2] qui soit permise par les règles de Woodward-Hoffmann. La géométrie de l'addition est supra pour l'ylure et antara pour le composé carbonylé (les liaisons se forment au dessus et en dessous du plan du carbonyle).
L'état de transition de plus basse énergie est celui dans lequel les groupements R1 et R2 sont aussi éloignés que possible de façon à minimiser les interactions de nature stérique. Cet état de transition possède une certaine ressemblance avec celui rencontré dans l'addition entre un cétène et un composé éthylénique qui fournit un cyclobutane substitué. L'état de transition précédent conduit à un oxaphosphétane cis.
La décomposition rapide de cet oxaphosphétane fournit l'éthylénique Z.
- La réaction impliquant un ylure stabilisé est vraisemblablement l'objet d'un contrôle thermodynamique. L'oxaphosphétane cis peut s'isomériser en oxaphosphétane trans, par l'intermédiaire des
réactifs de départ. A l'équilibre, l'oxaphosphétane trans, plus stable que le cis, est majoritaire. Par ailleurs, le postulat de Hammond permet de prévoir que la réaction d'élimination doit être plus rapide pour l'oxaphosphétane trans que pour le cis. En effet, l'état de transition tardif ressemble au produit et les éthyléniques trans sont plus stables que les cis. On obtient donc majoritairement l'éthylénique de stéréochimie E.
Réactions en l'absence de sel de lithium
En présence de sels de lithium, on constate que la sélectivité cis diminue fortement. On interprète cette dérive stéréochimique par l'intervention de l'équilibre d'isomérisation entre les oxaphosphétanes cis et trans induite par les sels de lithium. Comme la présence de lithium est une conséquence de l'utilisation de bases lithiées, il faut prendre des précautions particulières pour conserver le contrôle cinétique même en présence d'ylures non stabilisés. Les réactions de Wittig en l'absence de sel de lithium sont conduites en utilisant des bases comme NaH, le tertiobutylate de potassium (tBuOK) ou le bis(triméthylsilyl)amidure de potassium (KHMDS). La réaction suivante fait
partie d'une synthèse d'un alcaloïde produit par une espèce de grenouille venimeuse [71].
Le rapport diastéréoisomérique vaut E : Z = 1 : 17.
Notons qu'une bétaïne lithiée a été mise en évidence par RMN à basse température, durant le déroulement d'une réaction de Wittig, dans un cas particulier, assez récemment [55].
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L'image de gauche représente une bétaine phosphorée. Il s'agit d'un ion dipolaire ou zwitterion.
Le nom de bétaïne vient de l'analogie structurale avec celle du dérivé triméthylé du glycocolle présent dans la betterave (beta vulgaris en latin).
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Applications de la réaction de Wittig
Avant la découverte de la réaction de Wittig, les principales voies d'accès aux composés éthyléniques mettaient en jeu des réactions d'élimination à partir des dérivés halogénés ou à partir des alcools. L'élimination sur ces substrats obéit à un certain nombre de règles qui orientent déterminent la régiosélectivité. Ainsi, une préparation du méthylènecyclohexane à partir du cyclohexanol s'effectue a priori en deux étapes :
- l'addition d'un organomagnésien suivie d'une hydrolyse fournit le 1-méthyl-cyclohexan-1-ol ;
- On peut ensuite espérer obtenir le produit souhaité en effectuant une réaction d'élimination à partir de cet alcool. Malheureusement, le méthylène cyclohexane n'est qu'un produit très minoritaire de cette réaction car l'élimination, conformément à la règle de Zaytzeff, fournit majoritairement le composé éthylénique le plus substitué.
La réaction permet le positionnement exocyclique de la double liaison éthylénique de manière régiospécifique en lieu et place du groupe carbonyle initial. L'exemple de la préparation du méthylènecyclohexane illustre cette régiospécificité [33] .
Notons qu'une autre méthode de synthèse du méthylènecyclohexane met à profit l'élimination de Cope à partir d'un
oxyde d'amine.
La réaction de Wittig a été utilisée comme étape clé dans de nombreuses synthèses totales de phéromones telles que la frontaline ou
le bombykol.
Dans la synthèse de Bestmann du bombykol, l'ester méthylique de l'acide undec-10-énoïque subit une ozonolyse en milieu réducteur.
On obtient un aldéhyde qui sert de point de départ à deux réactions de Wittig successives [52] :
- la première réaction, qui utilise un ylure stabilisé, fournit sélectivement un produit de stéréochimie E ;
- la seconde, qui met en jeu un ylure non stabilisé, permet d'introduire la deuxième double liaison de stéréochimie Z.
La réaction de réduction finale donne la cible convoitée.
J. E. McMurry et S. J. Isser utilisent une réaction de Wittig pour introduire la double liaison éthylénique exocyclique dans la dernière étape de leur synthèse du longifolène [53].
La réaction de Wittig est réalisable de façon intramoléculaire. Elle a ainsi permis de préparer les premiers composés bicycliques transgressant la règle de Bredt [59].
Il est possible de réaliser l'union de fragments de grandes dimensions ce qui explique sont utilisation fréquente dans les synthèses convergentes multiétapes. Le schéma ci-dessous représente les grandes lignes de la synthèse industrielle du rétinol (vitamine A1) mise au point par BASF.
Le b-carotène peut être préparé par une méthode analogue [49].
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Le rétinol est le précurseur biochimique d'une molécule importante dans la chimie de la vision : le rétinal. Dans l'organisme, le rétinol est transporté par une protéine dont la structure est assez curieuse et qui est appelée 1 RBP (retinol binding protein).
L'isomérisation du rétinal est à la base du mécanisme de la vision.
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Terminons par une réaction qui permet d'illustrer l'utilisation d'un ylure stabilisé. On notera l'utilisation d'un milieu aqueux dans cette synthèse.
Le mode opératoire de cette réaction est décrit à la référence [11].
Modification de Schlosser de la réaction de Wittig
Il est possible d'obtenir une diastéréosélectivité élevée en éthylénique E, même en partant d'ylures non stabilisés, en utilisant une procédure
particulière mise au point par Manfred Schlosser (Université de Lausanne). Le succès de cette transformation repose sur l'utilisation de 2 équivalents
de phényllithium en présence de bromure de lithium LiBr.
Le tableau suivant donne le pourcentage d'éthylénique E pour différents groupements R.
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Groupe R |
-Ph |
-nC5H11 |
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% éthylénique E |
97 |
99 |
Les principales étapes de la transformation sont résumées ci-dessous :
- l'ylure est formé par réaction entre le sel de phosphonium et le phényllithium en présence de bromure de lithium. La réaction de ce dernier avec
l'aldéhyde, en présence d'un excès de lithium conduit rapidement et quantitativement à un mélange de lithiobétaïnes diastéréo-isomères.
- le mélange est alors traité par un deuxième équivalent de mélange phénylithium-bromure de lithium, ce qui conduit à la déprotonation des lithiobétaïnes stéréoisomères pour donner un b-oxydoylure ;
- l'étape clé de la transformation consiste à traiter le mélange par un équivalent de HCl. La protonation qui en résulte est diastéréosélective
et fournit exclusivement le mélange de diastéréo-isomères de stéréochimie like.
- l'étape suivante consiste à ajouter du tertiobutylate de potassium au mélange. L'échange de cation qui en résulte conduit au sel de
potassium de la bétaïne.
- la bétaïne privée du cation lithium stabilisateur (interaction acide dur-base dure) est instable. Après cyclisation en oxaphosphétane, on obtient un composé éthylénique de stéréochimie E.
Référence [48].
Une application intéressante des b-oxydoylures, due à E. J. Corey, est leur utilisation dans une synthèse stéréosélective d'alcools allyliques à partir d'un aldéhyde.
Le b-oxydoylure est formé par déprotonation d'une lithiobétaïne avec le butyllithium comme cela a été vu plus haut :
le méthanal est ensuite additionné à basse température puis on laisse la température du mélange s'élever.
Les b-oxydoylures peuvent donner lieu à d'autres réactions avec divers électrophiles. Celles-ci ont été appelées réactions scoopy (a-substitution plus carbonyl olefination
via b-oxido phosphorus ylides).
Réactions de Wittig-Horner et de Wadsworth-Emmons
Introduction
Les ylures très stabilisés ne sont généralement pas suffisamment réactifs pour donner lieu à la réaction de Wittig. Une alternative consiste à utiliser l'addition d'un carbanion phosphonate sur un composé carbonylé :
- dans la réaction de Wittig-Horner, on utilise un dialkylester de l'acide b-cétophosphonique [45] ;
- dans celle de Wadsworth-Emmons on part d'un dialkylester de l'acide b-(alkoxycarbonyle)-phosphonique [46].
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dialkylester de l'acide b-cétophosphonique |
dialkylester de l'acide b-(alkoxycarbonyle)-phosphonique |
Le premier composé peut être préparé par acylation d'un carbanion par un ester. Une autre méthode consiste à faire réagir un organolithien sur un N-méthoxy-N-méthylamide (amide de Weinreb).
Le second est obtenu par la réaction d'Arbusov. Sa force motrice est la formation d'une liaison double phosphore-oxygène de grande énergie de liaison [72].
Le mécanisme simplifié de la réaction d'Arbusov est donné ci-dessous.
- l'alkylation du trialkylphosphite est une substitution nucléophile bimoléculaire (SN2) ;
- l'ion halogénure déplace le groupe alkyle de l'intermédiaire à la suite d'une deuxième substitution nucléophile sur l'intermédiaire ;
Examinons le cas de la réaction de Wadsworth-Emmons.
On obtient très majoritairement le produit de stéréochimie E. Le mécanisme de la réaction n'est pas connu avec certitude. L'origine de la stéréosélectivité est encore l'objet de controverses.
Par rapport à la réaction de Wittig les réactions précédentes présentent plusieurs avantages :
- la préparation du carbanion peut être effectuée dans des conditions douces en utilisant une base comme le DBU ;
- les phosphonates sont plus réactifs que les ylures stabilisés utilisés dans la réaction de Wittig. La réaction peut être effectuée en milieu biphasé en utilisant une catalyse par transfert de phase ;
- les carbanions phosphonates sont moins chers que les ylures ;
- le sous-produit phosphoré est soluble en milieu aqueux ce qui facilite sa séparation du milieu réactionnel en fin de réaction.
Applications
La préparation du trans-stilbène à partir du benzaldéhyde constitue un exemple de ce type de réaction.
La transformation est facilitée par l'utilisation de chlorure de méthyltrioctylammonium (aliquat 336), un ammonium quaternaire permettant une catalyse par transfert de phase.
Les ions hydroxyde véhiculés en phase organique y acquièrent une basicité plus grande qui permet une déprotonation facile du diéthylbenzylphosphonate. Un protocole est décrit à la référence [39]. Voici un autre exemple :
Le mode opératoire est décrit dans [3]. La réaction est réalisable de façon intramoléculaire. Elle a été utilisée avec succès pour synthétiser des lactones macrocycliques.
Pour un autre exemple de réalisation expérimentale, on pourra se reporter à la référence [37].
Modification de Still-Gennari
Il est possible d'obtenir de façon stéréosélective des composés éthyléniques de stéréochimie Z en utilisant la modification de Still-Genarri de la réaction de
Wadsworth-Emmons. Celle-ci consiste à greffer un groupe fortement électroattracteur au carbanion phosphonate. L'origine de ce changement de
stéréosélectivité reste assez obscure.
Notons l'utilisation d'un éther-couronne dans cette synthèse.
Oléfination de Peterson
Introduction
Les carbanions silylés peuvent être obtenus par métallation d'un silane par une base forte comme le butyllithium.
Ils sont stabilisés grâce aux orbitales d du silicium.
L'addition d'un carbanion silylé sur un aldéhyde ou une cétone fournit un b-hydroxysilane. Examinons l'exemple suivant :
le b-hydroxysilane subit rapidement une réaction d'élimination sous l'action d'un acide ou d'une base, qui conduit à un alcène [47].
L'ensemble des réactions précédentes constitue donc une oléfination des composés carbonylés appelée oléfination de Peterson ou sila-Wittig.
L'un des avantages de cette oléfination par rapport à celle de Wittig, tient à la facilité de séparation des produits obtenus. Contrairement à l'oxyde de phosphine formé lors de la réaction de Wittig qui peut être difficile à extraire
du milieu réactionnel, les silanols sont des composés volatils aisément séparables.
Aspect stéréochimique
La stéréochimie de l'élimination à partir d'un b-hydroxysilane dépend de la nature du milieu dans laquelle elle est effectuée et notamment du caractère acide ou basique de ce milieu. Considérons l'exemple suivant :
On interprète ces résultats expérimentaux par les mécanismes suivants :
Selon la manière dont est effectuée l'élimination on obtient par conséquent l'un ou l'autre des alcènes diastéréo-isomères. Dans les deux cas, ils s'agit d'éliminations stéréospécifiques.
Préparation de b-hydroxysilanes de stéréochimie donnée
L'un des inconvénients de l'addition de carbanions silylés sur un composé carbonylé dans la réaction de Peterson est son manque de sélectivité quant à la stéréochimie des b-hydroxysilanes obtenus. Des méthodes de contrôle de cette stéréosélectivité ont été
mises au point.
L'addition d'un carbanion a-silylé sur le butanal fournit un mélange de stéréoisomères du b-hydroxysilane ci-dessous.
L'oxydation par le réactif de Collins conduit à un mélange racémique ;
la réduction par au moyen d'un hydrure comme le DIBAL est stéréosélective et fournit le couple d'énantiomères like ;
cette stéréosélectivité peut être justifiée au moyen du modèle de Felkin-Anh en raisonnant sur chaque énantiomère ;
De même avec l'autre énantiomère. Une élimination à partir de ces composés fournira :
Un exemple est donné à la référence [38]. Une autre méthode de préparation de b-hydroxysilanes de stéréochimie déterminée consiste à faire réagir un époxysilane avec un organocuprate.
Addition des ylures de soufre
Préparation des ylures de soufre
Nous envisagerons successivement la préparation des ylures de sulfonium et celle des ylures de sulfoxonium.
- les ylures de sulfonium peuvent être obtenus à partir des halogénures de sulfonium. L'halogénure lui même, est obtenu par une réaction de substitution nucléophile.
Le sel de sulfonium (pK ~ 25) est ensuite traité par une base très forte telle que le butyllithium à - 10 °C ;
Les ylures de sulfonium sont très instables et doivent être utilisés rapidement. Ils se décomposent pour fournir un carbène (ici, un méthylène) :
Les carbènes très instables se couplent pour donner un commposé éthylénique (ici, l'éthène).
- les ylures de sulfoxonium sont obtenus selon une voie comparable mais ils sont beaucoup plus stables et leur préparation peut être effectuée à la température ordinaire. Un halogénure de sulfoxonium (pK ~ 18) encore appelé réactif de Corey-Chaykowsky (en abrégé CCR acronyme formé à partir du nom anglais : Corey-Chaykowsky Reagent) est traité par NaH ou le carbanion dimsyle dans le DMSO.
Réaction de Corey-Chaykowsky
La réaction de Corey-Chaykowsky consiste à préparer des époxydes en faisant réagir un ylure de soufre avec un composé carbonylé [41]. Les ylures de sulfonium et de sulfoxonium peuvent être utilisés :
- ylure de sulfonium ;
- ylure de sulfoxonium.
Un exemple de réalisation expérimentale de cette réaction est donné à la référence [34].
Ce dernier exemple illustre la différence de réactivité entre les ylures de sulfoxonium et les ylures de phosphore. On sait qu'avec ces derniers, on observe la formation d'un cycle à quatre chaînons appelé oxaphosphétane qui se décompose pour donner un composé éthylénique et un oxyde de triphénylphosphine Ph3PO qui possède une énergie de liaison phosphore-oxygène très grande. C'est la formation de ce composé très stable qui est à l'origine de cette orientation.
Notons que cette réaction rappelle celle de Darzens qui permet la synthèse des esters glycidiques.
Aspect stéréochimique
L'un des attraits de la réaction de Corey-Chaykowsky dans la préparation des époxydes, est sa stéréosélectivité :
- les ylures de sulfonium peu stables, conduisent au produit le plus vite formé (qui est en même temps le moins stable) comportant une liaison C-C axiale sous contrôle cinétique ;
- les ylures de sulfoxonium plus stables, conduisent au produit le plus stable comportant une liaison C-C équatoriale sous contrôle thermodynamique .
Réaction des ylures de soufre avec les a-énones
Vis-à vis d'un même substrat a,b-insaturé, on observe des réactions chimiosélectives dépendant de la nature de l'ylure : sulfonium ou sulfoxonium.
-
avec un ylure de sulfonium, on obtient un époxyde ;
La réaction entre l'ylure et le carbonyle est quasiment irréversible. En effet la substitution nucléophile interne, rapide et irréversible, est beaucoup plus rapide que la réaction inverse de décomposition de l'intermédiaire (k2 >> k-1). L'ensemble de la transformation conduit à l'époxyde (réaction nucléophile dur, électrophile dur).
- Avec un ylure de sulfoxonium, on obtient un cyclopropane.
Cette fois, l'addition sur le carbonyle est réversible tandis que la réaction de formation de l'époxyde est très lente (interaction nucléophile dur-électrophile mou qui n'est pas représentée ici).
Mais l'ylure peut également réagir de façon conjuguée. L'addition conjuguée est quasiment irréversible car la substitution nucléophile ultérieure, rapide et irréversible est beaucoup plus rapide que la réaction inverse de décomposition de l'intermédiaire (k2 >> k-1). L'ensemble de la transformation conduit à un cyclopropane (interaction nucléophile mou-électrophile mou) [74].
Addition de l'ion cyanure
Conditions expérimentales
La réaction entre HCN et un composé carbonylé conduit à un a-hydroxynitrile qu'on appelle aussi une cyanhydrine. Le cyanure d'hydrogène HCN n'étant pas nucléophile,
on fait réagir le composé carbonylé avec un cyanure alcalin
puis on acidifie progressivement le milieu réactionnel. Il est intéressant de noter la valeur suivante pKa (HCN/CN-) = 9,1 pour le couple acide-base correspondant.
Il faut naturellement opérer avec prudence pour éviter le dégagement de HCN, qui est un gaz à la température ordinaire, extrêmement toxique.
La réaction suivante concerne la synthèse du 2-hydroxy-2-phényléthanenitrile racémique plus connu sous le nom de mandélonitrile [23].
Les hydroxynitriles sont stables en milieu acide car le groupe hydroxy n'est pas suffisamment nucléophile pour déplacer l'ion cyanure. En revanche, ils redonnent les composés parents en milieu suffisamment basique. C'est le principe de la réaction de dégradation de Wöhl.
Les amandes amères, qu'on trouve dans les noyaux de pêche ou d'abricot, contiennent un hétéroside dérivé du glucose appelé amygdaline. En milieu biologique, l'hydrolyse de l'amydgaline est catalysée par une enzyme : la b-glucosidase (E). Elle fournit le mandélonitrile et du glucose.
Synthèse de Kiliani-Fischer
Le grand chimiste allemand E. Fischer a mit à profit la réaction précédente pour préparer le D-glucose à partir du D-arabinose [16].
L'addition de HCN au D-arabinose (A) fournit deux a-hydroxynitriles diastéréo-isomères (I) et (II). Ces deux stéréoisomères
diffèrent seulement par la configuration de l'atome de carbone C2. Ce sont des épimères.
L'hydrolyse de (I) suivie d'une réduction fournit le D-glucose.
Ces réactions appliquées à (II) fournissent le D-mannose.
Dégradation de Wöhl
Puisque la réaction de formation des cyanhydrines est renversable, on peut diminuer la longueur de la chaîne carbonée
d'un sucre en traitant un a-hydroxynitrile en milieu basique. C'est le principe d'une des étapes de la réaction de dégradation de Wöhl.
Nous verrons plus loin, comment l'hydroxynitrile peut être obtenu à partir d'une oxime.
On notera qu'il existe une différence entre la synthèse de Kiliani-Fischer et la dégradation de Wöhl
sur le plan stéréochimique. A partir d'un même substrat de départ, la première réaction fournit deux épimères tandis que la seconde réaction n'en fournit qu'un seul.
Synthèse industrielle du PMM
L'addition de HCN sur la propanone conduit au 2-hydroxy-2-méthylpropanenitrile.
Cet hydroxynitrile est ensuite déshydraté et la fonction nitrile est hydratée en amide.
Son estérification par le méthanol fournit le méthacrylate de méthyle.
La polymérisation du méthacrylate de méthyle donne le polyméthacrylate de méthyle (PMM)
qui constitue le plexiglas qu'on appelle aussi verre organique.
Synthèse de Strecker
Les a-aminonitriles peuvent être préparés en faisant réagir un aldéhyde ou une cétone avec NaCN en présence de NH4Cl. Cette réaction, appelée synthèse de Strecker, peut être considérée comme un cas particulier de réaction de Mannich.
Puisque les nitriles sont facilement hydratés en amides qui sont ensuite hydrolysés en acides, cette suite de réaction constitue une méthode de préparation d'a-aminoacides. Une version énantiosélective de
la réaction de Strecker a été mise au point assez récemment.
Alcools
Hémiacétals
La réaction entre un alcool et un aldéhyde ou une cétone conduit à un hémiacétal. La réaction qui est catalysée par un acide ou une base, aboutit à un équilibre qui
est généralement en faveur des réactifs.
Les hexoses comme le glucose, existent principalement sous forme d'hémiacétals possédant 6 chaînons appelés glucopyranoses.
Acétals
La réaction entre un hémiacétal et un alcool, catalysée par un acide fournit un acétal. Du fait de leur faible réactivité, et du caractère renversable de leur réaction de formation, les acétals sont utilisés comme groupe protecteur des composés carbonylés ou des alcools.
Les acétals sont stables en milieu basique. En revanche ils redonnent facilement l'alcool et le carbonylé parents par hydrolyse en milieu acide.
Les acétals sont synthétisés de façon commode par réaction d'échange avec le diméthylcétal du méthanoate de méthyle. Ce cétal d'ester est encore appelé orthoester d'où son nom courant d'orthoformiate de méthyle.
La force motrice de cette réaction est la formation de l'ester, plus stable que la cétone du fait de la conjugaison du groupe carbonyle avec l'atome d'oxygène. On trouvera une préparation du diéthylcétal du propénal ou acroléine à la référence [27].
Certains acétals existent à l'état naturel. La frontaline est une phéromone d'agrégation de coléoptères appartenant à la famille
des scolitidae. Parmi ces insectes, le scarabée Dendroctonus frontalis Zimmermann (Southern Pine Beetle) est l'insecte le plus destructeur de forêts de pins dans le sud des USA.
Thiols
Thiocétals
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L'éthanedithiol est un réactif utilisé pour la synthèse des dithiocétals.
On peut le préparer au moyen de la réaction de substitution suivante, dans laquelle les ions hydrogénosulfure sont les nucléophile :
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Les thioacétals et les thiocétals peuvent être regardés comme les analogues soufrés des acétals et des cétals. Lorsque le but de la réaction est de préparer ces composés pour s'en servir d'intermédiaires, on peut traiter le composé carbonylé par l'éthanedithiol en présence d'un
catalyseur du type acide de Lewis ZnCl2 ou le complexe éther-trifluorure de bore. Comme dans le cas de leurs homologues oxygénés, la formation d'un composé cyclique s'accompagne d'un effet entropique moins défavorable
qu'avec un thiol ordinaire.
Les thioacétals et les thiocétals sont stables en milieu basique (une base très forte comme le nBuLi peut toutefois
déprotoner les thioacétals). Ils sont aussi raisonablement stables en milieu acide.
On les utilise comme groupement protecteur des aldéhydes et des cétones. Pour débloquer le groupe carbonyle et régénérer les
composés parents, divers réactifs sont disponibles. On peut par exemple traiter le thiocétal par un sel de mercure (II). La formation
de HgS déplace la réaction vers la droite.
L'affinité des thiols vis à vis du Hg (II) est connue depuis très longtemps. Elle a valu
aux thiols leur nom de mercaptans (qui captent le mercure).
Réaction de Corey et Seebach
Le but est d'effectuer la synthèse d'une cétone à partir d'un aldéhyde et d'un agent alkylant. On peut schématiser cette transformation par :
L'atome de carbone du carbonyle étant déficient en électrons, il s'agit d'un site électrophile. Son alkylation par l'intermédiaire d'une substitution nucléophile avec un halogénure d'alkyle nécessite au contraire une forte densité électronique sur cet atome de carbone.
L'idée est de renverser la polarité de la liaison carbone-hétéroatome en passant par l'intermédiaire d'un dithiocétal cyclique ou dithiane :
le dithiocétal cyclique obtenu peut être métallé à basse température par le butyllithium.
Ce dithiane lithié est un carbanion. La charge négative est stabilisée par la présence des atomes de soufre qui peuvent étendre leur octet grâce aux orbitales 3d vacantes.
Si l'on se réfère à l'aldéhyde de départ, on voit que la polarité de la liaison carbone-hétérotatome a changé de sens.
On dit qu'il y a eu inversion de polarité de la molécule de départ.
On parle aussi de charge affinity inversion selon la terminologie de D. A. Evans et G. C. Andrews ou encore d'umpolung selon celle de D. Seebach, l'un des promoteurs de la méthode [40].
Ce carbanion est facilement alkylé au moyen d'un dérivé halogéné :
Il ne reste plus qu'à régénérer le groupe carbonyle en utilisant la méthode vue plus haut.
Application à la synthèse des dérivés dicarbonylés
On va s'intéresser à la synthèse des dérivés dicarbonylés 1, 4. Une analyse rétrosynthétique conduit au résultat suivant. La disconnection fait apparaître l'addition d'un équivalent acyl-anion sur une cétone a,b-éthylénique jouant le rôle d'accepteur de Michaël.
Le schéma complet de la synthèse est le suivant :
Il existe d'autres méthodes de synthèse des dérivés dicarbonylés 1,4. Citons :
Réactif de Schiff
Test
Ugo Schiff est un chimiste d'origine allemande qui a effectué une grande partie de sa carrière en Italie, plus précisément à Florence puis à Turin [64]. Le réactif de Schiff permet de caractériser les aldéhydes. Il est basé sur la formation d'un produit d'addition coloré entre le
réactif et le composé carbonylé. La facilité avec laquelle se forme l'adduit dépend de l'encombrement de l'atome de carbone fonctionnel. C'est la raison pour laquelle le test est positif
avec les aldéhydes et négatif avec la plupart des cétones sauf la propanone.
Réactions mises en jeu
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I chlorhydrate de p-rosaniline
(rose) |
II réactif de Schiff
(incolore) |
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III (incolore) |
IV (coloré) |
Le premier équilibre est facilement déplacé vers la gauche sous l'action de plusieurs facteurs ce qui conduit à une coloration rose du milieu réactionnel même en l'
