Cours de chimie organique - G. Dupuis - Lycée Faidherbe de Lille
Composés organométalliques
Introduction
Origine
K2PtCl4 + C2H4 = K[Pth 2-(C2H4)Cl3] H2O + KCl
L'analyse au rayons X révèle que le composé éthylénique est perpendiculaire au plan formé par l'atome de platine et les atomes de chlore.
On peut interpréter ce résultat comme la formation d'un complexe acide-base de Lewis entre l'acide mou Pt (II) et la base molle C2H4.
La préparation du premier organozincique, l'iodure d'éthylzinc, par Sir E. Frankland en 1848 marque le début de l'utilisation des composés organométalliques en synthèse organique. On écrivait à l'époque la réaction sous la forme.
Le chimiste français V. Grignard synthétisa en 1901 le premier composé organomagnésien en faisant réagir l'iodure d'isobutyle et le magnésium dans l'éther ordinaire anhydre ou éthoxyéthane [1].
Cette découverte lui valut le prix Nobel de chimie en 1912 conjointement avec P. Sabatier.
Classification des composés organométalliques
Un traitement correct de la liaison métal-carbone utilise la méthode des orbitales moléculaires. Nous utiliserons la classification simplifiée ci-dessous qui utilise un vocabulaire emprunté à la méthode du lien de valence :
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Formule |
C2H5MgCl |
PhLi |
(CH3)2 Cd |
(CH3)2CuLi |
|
Nom |
chlorure d'éthylmagnésium |
phényllithium |
diméthylcadmium |
diméthylcuprate de lithium |
Polarité de la liaison métal-carbone des organométalliques s
Le tableau ci-dessous permet de classer les organométalliques selon le pourcentage de caractère ionique de la liaison C-métal.
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Elément |
K |
Na |
Li |
Mg |
Al |
Zn |
Cd |
Pb |
Hg |
Cu |
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Electronégativité |
0,82 |
0,93 |
0,98 |
1,31 |
1,61 |
1,65 |
1,69 |
1,87 |
2,00 |
2,5 |
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% Caractère ionique |
51 |
47 |
43 |
35 |
22 |
18 |
15 |
12 |
9 |
0 |
Dans tous les cas le carbone porte une charge négative. On peut schématiser la représentation de la liaison entre le carbone et le métal par les formes mésomères suivantes :
Si l'on se réfère au dérivé halogéné R-X de départ, la polarité de la liaison entre le carbone et la partie inorganique a été inversée. On dit qu'il y a eu inversion de la polarité de la liaison. Ce concept, convenablement généralisé est souvent mis à profit en synthèse organique. Un exemple est la synthèse de cétones à partir d'aldéhydes par la méthode aux dithianes de Corey et Seebach.
La liaison C- Mg possède un caractère ionique de 35 %. Cela confère aux réactifs de Grignard une position centrale dans la famille des organométalliques.
Préparations
Composés organosodiques
Les dérivés alkylés les plus simples sont des composés extrêmement réactifs. Ils réagissent sur l'eau avec explosion en donnant un dégagement de dihydrogène. Les termes les plus simples ne sont guère utilisés en synthèse en raison d'une trop grande réactivité basique et nucléophile. Ils réagissent par exemple rapidement sur le substrat qui a servi à les préparer et on observe des réactions de substitution (réaction de Wurtz) et d'élimination.
Les organosodiques et les organopotassiques attaquent rapidement les éthers comme l'éthoxyéthane en provoquant des réactions d'élimination et la plupart du temps, on les prépare en utilisant un hydrocarbure comme solvant.
A côté des organosodiques proprement dits, les composés dans lesquels la charge négative est stabilisée par délocalisation peuvent être obtenus assez facilement par métallation de la liaison C-H de l'hydrocarbure correspondant avec une base suffisamment forte. Ce sont des sels de sodium dont l'anion est le carbanion formé à partir de l'hydrocarbure.
Un hydrocarbure comme le fluorène (pKa = 23) est suffisamment acide pour pouvoir être déprotoné par l'ion hydroxyde dans le DMSO. On obtient alors un sel de sodium dans lequel l'anion est le carbanion fluorényle.
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Un mélange d'hydroxyde de sodium en perles et de fluorène sont ajoutés à une petite quantité de DMSO bien sec. Le mélange est agité à la température ambiante. Au bout d'une quinzaine de minutes, on obtient une solution de couleur rouge qui contient l'anion fluorényle. Cet ion est stabilisé par résonance (le cycle central possède un caractère aromatique). La conjugaison est suffisamment étendue pour qu'il absorbe dans la partie visible du spectre. |
Une autre classe d'organosodiques est constituée par les composés d'addition dans lesquels un substrat organique accepte des électrons de la part d'un métal alcalin. Dans cette catégorie, on trouve les radicaux-anions :
X désigne I, Br, Cl. La synthèse des organomagnésiens fluorés nécessite une procédure spécifique.
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Le dérivé halogéné est introduit par l'ampoule de coulée isobare située à droite. Un agitateur mécanique. (au centre) permet d'améliorer le contact entre les réactifs. On peut éliminer le risque de réaction secondaire entre l'organomagnésien et l'oxygène de l'air en effectuant un balayage du dispositif par un gaz inerte comme N2. Dans ce cas, le gaz inerte est introduit par le haut de l'ampoule de coulée. Le tube à CaCl2 n'est plus nécessaire. |
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La photographie représente la mise en œuvre du schéma précédent dans un montage pratique. L'ensemble du dispositif est surélevé par rapport à la paillasse de façon à pouvoir intervenir sous le ballon. Les différents éléments sont fixés au support vertical à l'aide de pinces. Le tube qui surmonte le réfrigérant contient du chlorure de calcium. Le support élévateur permet de placer un bain-marie pour augmenter la température du ballon en début de réaction. On peut, si c'est nécessaire, le remplacer rapidement par un cristallisoir d'eau froide pour évacuer plus rapidement la chaleur si la réaction devient trop rapide. Pour cette synthèse du magnésien du bromoéthane j'ai utilisé de l'éther séché sur de petits morceaux de sodium. Avec un dérivé bromé primaire comme le bromoéthane la réaction s'effectue très facilement si les différents réactifs sont bien secs. Au bout de quelques minutes l'ébullition de l'éther devient vigoureuse. On peut évacuer la chaleur avec un bain d'eau froide afin de diminuer la vitesse de réaction. L'éthoxyéthane est très volatil, très inflammable et sa vapeur est plus dense que l'air. Il est prudent de travailler avec de faibles quantités et de proscrire tout appareil générant des étincelles et bien sûr toute flamme. |
On peut accroître la vitesse de départ en élevant la température avec un bain-marie. La réaction étant exothermique elle est rapidement auto-entretenue à la température de reflux du solvant.
Lorsque la réaction a démarré, le dérivé halogéné introduit goutte à goutte à partir de l'ampoule de coulée. Cette manière de procéder permet de limiter autant que possible les réactions de couplage. Le magnésium disparaît complètement en fin de réaction si les réactifs ont été introduits en proportions stœchiométriques. Avec du magnésium ultra pur, la solution est incolore. Le plus souvent on obtient un mélange gris foncé à cause des impuretés du métal.
La réactivité des halogénures d'alkyles décroît dans le même ordre que la mobilité de la liaison carbone-halogène.
RI > RBr > RCl >> RF
Les bromures d'alkyle ont une réactivité un peu plus faible que celle des iodures. On préfère généralement utiliser les bromures en raison de leur coût moins élevé sauf dans le cas de CH3I qui présente l'avantage d'être le seul dérivé méthylé liquide à la température ordinaire.
R. D Rieke et S. E. Bales ont mis au point en 1974 une méthode de préparation de magnésium en poudre, très réactif par réduction de MgCl2 avec un métal alcalin en présence de KI [3].
Avec ce type de magnésium, la préparation des organomagnésiens difficiles à préparer est possible par union directe du magnésium et d'un halogénoalcane.
L'utilisation des magnésiens vinyliques dans le THF anhydre a été largement développée par le chimiste français H. Normant dans les années 60.
Le caractère fortement réducteur du magnésium rend impraticable la préparation d'organomagnésiens fonctionnalisés par réaction entre un dérivé halogéné et le métal. Les magnésiens aromatiques portant des groupes fonctionnels comme le groupe ester peuvent être préparés avec succès grâce à une réaction d'échange métal-halogène dans des conditions très douces.
La plupart du temps, les magnésiens sont utilisés immédiatement après avoir été synthétisés. On peut toutefois les conserver à l'état sec, à l'abri de l'humidité et de l'air. Il faut faire attention que même à sec, il reste des molécules d'éther complexées avec l'organomagnésien et ce complexe peut s'enflammer spontanément dans l'air.
Les organolithiens les plus simples peuvent être obtenus par réaction entre le métal et un dérivé halogéné. Compte-tenu de la grande réactivité de ces composés il est indispensable d'utiliser des réactifs rigoureusement anhydres et de travailler en l'absence d'oxygène. On utilise un montage du même type que le précédent et on procède à un balayage soigneux du dispositif par un gaz inerte. L'utilisation d'une cuve à ultrasons permet d'accroitre la vitesse de la réaction en provoquant un décapage du métal. Différents solvants peuvent être utilisés parmi lesquels les éthers, le pentane, le cyclohexane.Le butyllithium est un réactif très utile qu'on peut préparer par la réaction suivante :
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Les dérivés aromatiques peuvent être synthétisés par réaction directe mais ils sont obtenus de façon plus pratique par une réaction d'échange métal-halogène beaucoup plus rapide. Le phényllithium, découvert par G. Wittig, peut être préparé par la réaction suivante :
Organocadmiens
Ces composés sont généralement préparés par réaction entre un organomagnésien et un sel de cadmium ou de zinc.
Le magnésium étant moins électronégatif que le cadmium, l'état final dans lequel le magnésium est sous forme de sel et le cadmium dans l'organométallique est plus stable que l'état initial. Cette propriété est générale, dans ce type de réaction, l'élément métallique le plus électropositif se retrouve sous forme de sel. Les organocadmiens permettent la synthèse de cétones à partir des chlorures d'acyles.
Préparation des organocuprates
Les cuprates lithiens ont été introduits en synthèse organique par le chimiste américain H. Gilman (Iowa State University
) [29]. Il peuvent être préparés à partir d'un organolithien et d'une suspension d'iodure de cuivre (I) dans un solvant aprotique comme l'éthoxyéthane ou le THF à basse température sous atmosphère inerte. Ils forment des oligomères (R2CuLi)n.
Les dérivés alkylés primaires et secondaires se décomposent à une température supérieure à - 20 °C. (CH3)2CuLi est stable dans l'éther à 0 °C.
A la suite des travaux de J. -F. Normant, il est possible de préparer par transmétallation des organocuprates portant un groupe vinyle à partir d'organomagnésiens vinyliques.
En ajoutant CuCN à une solution de cuprate de Gilman, le chimiste américain Bruce Lipshutz a découvert une nouvelle famille de cuprates. Leur préparation dépend de la nature du solvant. Leur structure est encore l'objet de controverses.
Les cuprates de Gilman permettent la préparation d'alcanes par couplage avec des dérivés halogénés saturés (réaction de Corey-House-Posner-Whitesides). Avec des substrats allyliques, on obtient des composés éthyléniques substitués.
Les cuprates vinyliques (réactifs de Normant) peuvent être préparés par réaction entre un cuprate lithien et un alcyne. Ils permettent la préparation d'alcènes substitués par substitution nucléophile avec un dérivé halogéné.
Tous ces cuprates réagissent de façon régiosélective en 1, 4 sur les composés carbonylés a, b-insaturés avec une grande stéréosélectivité.
Organozinciques
Les organozinciques sont généralement préparés par une réaction entre le dérivé halogéné et le zinc sous atmosphère inerte (N2, CO2).
La préparation du diéthylzinc est donnée à la référence [11].
On peut aussi les préparer par réaction entre l'organomagnésien correspondant et ZnCl2 catalysée par le palladium. Les termes les plus simples comme le diéthylzinc sont des liquides dans les conditions ordinaires. Ils sont pyrophoriques et doivent être manipulés sous atmosphère inerte (Ar ou N2) [16]. Les organozinciques sont utilisés dans la réaction de Reformatsky.Le zinc étant fortement réducteur, la réaction entre ce métal et un dérivé halogéné peut conduire à une réaction de réduction. Ainsi la réaction entre le zinc et le chlorure de triphénylméthyle conduit à la formation d'un radical organique relativement stable, le radical triphénylméthyle.
A la différence des magnésiens ordinaires, les organozinciques sont compatibles avec une grande variété de groupes fonctionnels (GF) tels que : ester, nitrile, amine etc. Malheureusement ils sont peu nucléophiles. L'addition d'une quantité catalytique de CuCN, 2 LiCl permet de passer au cuprate de Knochel beaucoup plus réactif.
Généralités
Les éthers sont parmi les solvants les plus couramment utilisés mais on peut aussi utiliser des amines tertiaires comme la triéthylamine. Mais lorsque la basicité de Lewis du solvant croit, la réactivité de l'organométallique diminue.
Le choix du solvant dépend notamment de la réactivité de l'halogénure. Avec les dérivés halogénés ordinaires, on utilise le plus souvent l'éther ordinaire ou éthoxyéthane. Dans le THF, les doublets de l'oxygène sont davantage dégagés stériquement que dans l'éthoxyéthane. Cet éther est ainsi plus solvatant que le précédent. Comme sa température d'ébullition est aussi plus élevée, il permet la synthèse d'organomagnésiens à partir de substrats peu réactifs comme les composés vinyliques. La préparation du THF anhydre est vue dans le chapitre relatif aux éthers.
Le caractère d'acide de Lewis des organomagnésiens se manifeste par la formation de structures chélatées avec certains composés oxygénés. C'est le cas par exemple avec les composés carbonylés substitués en a par un groupe alkoxy. Ces structures chélatées jouent un rôle important dans le déroulement stéréochimique des réactions des organomagnésiens sur ces composés.
Structure à l'état solide
La présence d'un solvant donneur d'électrons est essentielle pour synthétiser un organomagnésien. Avec les éthers, on a pu mettre dans certains cas en évidence à l'état solide, la présence de deux molécules d'éther par molécule d'organométallique.
Il existe des structures plus complexes qui font intervenir deux molécules d'organomagnésien.
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Dans [EtMgBr(OEt2)2] le magnésium est au centre d'un tétraèdre irrégulier. Sur l'image de gauche l'atome de magnésium est représenté en rose, celui de brome en marron. Les atomes d'oxygène sont en rouge. |
Structure en solution
En solution, la situation est plus compliquée. Plusieurs équilibres interviennent simultanément et leur position dépend de plusieurs facteurs (concentration, température, solvant, etc.)
On peut mettre en évidence un équilibre entre magnésien mixte et symétrique, appelé équilibre de Schlenk. Dans le dioxane cet équilibre est déplacé en faveur du magnésien symétrique car dans ce solvant, MgX2 qui est peu soluble, précipite.
Le déplacement de l'équilibre de Schlenk dans le dioxane favorise les réactions de réduction des cétones dans le cas de magnésiens encombrés possèdant un atome d'hydrogène sur le carbone situé en b du magnésium.
Ce complexe permet également la métallation du ferrocène.
Puisque ce sont des carbanions potentiels, les organométalliques réagissent avec les composés possédant un atome d'hydrogène mobile. La position de l'équilibre acido-basique dépend de la différence des pKa des couples concernés.|
Composé |
n-BuLi |
s-BuLi |
t-BuLi |
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déprotone les hydrocarbures jusqu'à pKa |
46 |
51 |
54 |
La métallation est une réaction acido-basique généralement très efficace sur le plan thermodynamique car les alcanes sont des acides très faibles. Cette réaction n'est rapide que lorsque l'atome d'hydrogène est arraché à partir d'un atome de carbone digonal (substrats acétyléniques). Elle est lente avec les protons portés par des atomes de carbone trigonaux ou tétragonaux. Sa vitesse peut être fortement accrue, même à basse température, par l'utilisation de cosolvants complexants comme la tétraméthyléthylènediamine (TMEDA).
Des exemples d'utilisation du butyllithium en tant que base, concernent la préparation de carbanions stabilisés par des hétéroatomes :
Le mélange équimolaire de butyllithium et de tertiobutylate de potassium constitue la base de Schlosser. Il s'agit d'un réactif basique très puissant capable de déprotoner le toluène.
Le butyllithium peut naturellement donner des additions nucléophiles avec les composés insaturés polaires comme les carbonylés. Ce sont des réactions concurrentes quand on cherche seulement à déprotoner ces composés dans le but de former un énolate.
Rappelons que la manipulation des organolithiens comme le butyllithium, nécessite des précautions particulières car ils s'enflamment spontanément à l'air. Le t-butyllithium est particulièrement pyrophorique. On doit impérativement travailler sous atmosphère inerte (Ar, N2) [16].
Pour utiliser les organolithiens dans des conditions optimales quand le solvant est l'éther, il est préférable d'effectuer leur dosage avant réaction car les lithiens attaquent lentement le solvant. L'organométallique provoque une réaction d'élimination en arrachant un d'hydrogène situé sur un atome de carbone en b de l'oxygène.
Organomagnésiens
Sont déprotonés de façon quantitative les fonctions suivantes : acides carboxyliques, phénols, alcools, amines, amides non substitués, alcynes terminaux. Lorsqu'un orgnomagnésien réagit sur un substrat porteur de l'une de ces fonctions, celle-ci doit
être protégée. Il existe une grande variété de groupes protecteurs. A titre d'exemple, la fonction alcool peut être protégée par réaction avec un éther d'énol que le DHP.
La réaction entre un organomagnésien et un alcyne terminal est à la base de la préparation des magnésiens alcyniques. Certains atomes d'hydrogène acides portés par des atomes de carbone en a de fonctions carbonyles peuvent aussi être arrachés, notamment dans le cas des composés dicarbonylés qui possèdent des atomes d'hydrogène d'acidité notable. Les solvants très solvatants comme l'hexaméthylphosphotriamide (HMPT) favorisent l'énolisation des composés carbonylés.
Avec les magnésiens l'équation s'écrit :
les magnésiens étant fortement basiques, l'hydrolyse conduit à la formation de Mg(OH)2 (s) qui se présente sous la forme d'un solide blanc :
la réaction avec l'eau s'écrit souvent de façon simplifiée :
Afin d'éviter la précipitation de Mg(OH)2 , on réalise le plus souvent l'hydrolyse des magnésiens en milieu acide avec une solution de NH4Cl ou d'acide sulfurique dilué.
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Ces réactions constituent le plus souvent une limitation à l'emploi des organomagnésiens. On peut aussi les mettre à profit dans quelques cas particuliers.
Dosage des organomagnésiens & des organolithiens
La réaction entre un organomagnésien ou un organolithien et un alcool comme le butanol est quantitative. Cette réaction peut être donc mise à profit pour effectuer le dosage de l'organométallique.
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Ces composés forment des complexes de transfert de charge colorés avec ces organométalliques : le bromure de phénylmagnésium dans l'éther donne un complexe de couleur rose saumon, le butyllithium dans le toluène donne un complexe de couleur rouge. |
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L'ajout d'une petite quantité de bromure de phénylmagnésium à une solution d'orthophénantroline dans l'éther fournit une coloration rose saumon. Cette coloration est due à la formation d'un complexe de transfert de charge entre l'orthophénantroline qui joue le rôle de donneur d'électrons et l'organomagnésien qui joue le rôle d'accepteur d'électrons. |
Dans la méthode de S. C. Watson et J. F. Eastham, on ajoute progressivement avec une burette, une solution dans le xylène de butan-2-ol de concentration connue, dans la solution d'organométallique à doser. On ajoute à cette dernière, une petite quantité d'orthophénantroline ou de bisquinoléine. A l'équivalence, l'organomagnésien est complètement consommé ce qui se traduit par la disparition de la couleur de la solution d'organométallique [30].
Méthode de Zérévitinov
Cette méthode est assez ancienne. L'organomagnésien est mis à réagir avec une solution de concentration connue d'un composé à hydrogène mobile dissous dans un solvant inerte. On obtient un alcane dont on mesure le volume. Inversement, avec une solution titrée d'organomagnésien, on peut doser des composés à hydrogène mobile.
Introduction de deutérium par réaction avec l'eau lourde
Déprotonation énantiosélective
La synthèse énantiosélective à partir d'organométalliques chiraux n'est possible que si l'on empêche l'équilibre d'inversion stéréochimique du centre chiral qui est un carbanion potentiel. Le complexe entre la (-)-spartéine, un alcaloïde extrait du lupin blanc, et un organolithien a été utilisé pour effectuer des réactions de déprotonation énantiosélectives. Un exemple est fourni par la préparation de dérivés de la pyrrolidine [10].
Réactions d'alkylation des organométalliques
Généralités
Lors de la préparation des organolithiens et des organomagnésiens, on limite cette réaction parasite en ajoutant le dérivé halogéné goutte à goutte et en travaillant le métal en excès. La réaction entre le dibromoéthane et le magnésium est une réaction d'élimination intramoléculaire qu'on peut regarder comme une substitution interne.
Elle permet dans certains cas d'activer le magnésium dans la synthèse des organomagnésiens difficiles à préparer.
Les organocuprates sont susceptibles de donner des réactions de substitutions nucléophiles bimoléculaire SN2 utilisables en synthèse :
Beaucoup de réactions d'alkylation directe de dérivés organométalliques qui étaient utilisées en synthèse ont été remplacées ces dernières années par des réactions catalysées par des métaux de transition comme le palladium.
[Cat] = Ni, Pd ; m = Mg, Zn, Al, Zr etc. ; X = halogène etc.
La réaction suivante offre un exemple de couplage entre un iodure d'alkyle et un organomagnésien vinylique pourtant réputé peu réactif.
Organomagnésiens allyliques
Les magnésiens allyliques déplacent facilement l'halogène du substrat car ces composés donnent facilement un carbocation allylique. C'est la raison pour laquelle on doit utiliser des solutions diluées d'halogénure et le métal en grand excès pour préparer ces organométalliques.
Réactions d'additions avec les composés oxygénés insaturés
Epoxydes Aldéhydes et cétones a-énones Acides carboxyliques Test des organométalliques
La réaction entre un organomagnésien ou un organolithien et un époxyde constitue une synthèse d'alcool avec allongement de la chaîne carbonée. Ce type de réaction est examiné dans le chapitre consacré aux éthers.
Les réactions ordinaires ont été vues dans le chapitre concernant les composés carbonylés. On trouvera des références de modes opératoires aux références [5] et [6].
Les liaisons éthyléniques isolées réagissent très lentement avec les organométalliques. Avec une cétone ou un aldéhyde a, b-éthylénique comme substrat, on peut obtenir a priori deux types de produits. Ce point a été étudié dans le chapitre consacré aux systèmes conjugués.
Les organolithiens sont suffisamment nucléophiles pour donner une réaction d'addition avec les ions carboxylates. Après hydrolyse, on obtient une cétone. Si le substrat est l'acide carboxylique, la réaction d'addition sur le carbonyle est précédée d'une réaction acido-basique qui consomme un équivalent de lithien. Il faut utiliser deux équivalents d'organolithien dans cette synthèse. La préparation de cétones à partir d'acides carboxyliques
est étudiée dans le chapitre correspondant. Les organomagnésiens ne sont pas suffisamment nucléophiles pour donner cette réaction.
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L'image de gauche représente la cétone de Michler encore appelée : 4,4'-bis(diméthylamino)- benzophénone en nomenclature officielle. Ce composé est utilisé comme réactif de base dans l'industrie des colorants. On peut l'obtenir par réaction entre la N,N-diméthylaniline et le phosgène COCl2 (un composé très toxique qui fut utilisé comme gaz de combat pendant la première guerre mondiale). Cette cétone permet de tester les solutions d'organomagnésiens avec lesquels elle donne des composés fortement colorés. |
La cétone de Michler réagit avec les organomagnésiens pour donner des produits colorés. Le complexe de transfert de charge initial fournit après hydrolyse un alcool. En milieu acide, ce dernier peut conduire à un carbocation relativement stable.
La conjugaison est suffisamment étendue pour que le système absorbe la lumière dans le domaine visible. Le carbocation formé confère à la solution une belle couleur verte.
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Réactions secondaires des organomagnésiens
Enolisation
Dans le cas de substrats encombrés, l'énolisation du substrat par l'organomagnésien jouant le rôle de base, peut devenir plus rapide que l'addition nucléophile sur le carbonyle.
L'énol se tautomérise rapidement pour redonner la cétone de départ. Le pourcentage d'énolisation dépend du solvant utilisé. Dans des solvants très solvatants comme HMPT (hexaméthylphosphotriamide) le pourcentage d'énolisation peut devenir très élevé.
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Attention : en anglais HMPT est noté HMPA, sigle qui, en français, désigne un autre composé. |
On peut mettre ces propriétés à profit pour synthétiser des cétones à partir des esters.
Réduction
Cette réaction intervient spécialement lorsque l'organomagnésien possède un atome d'hydrogène sur l'atome de carbone en b .
La réaction entre la 4,4-diméthylpentan-2-one et le bromure de 2-méthyléthylemagnésium suivie d'hydrolyse, fournit trois produits : A côté de l'alcool tertiaire (1) qui provient de l'addition de l'organomagnésien sur la cétone, on obtient un alcool secondaire (2) et du méthylpropène (3).
On interprète la formation de (2) et (3) par une réaction de réduction de la cétone impliquant l'addition nucléophile d'un ion hydrure de l'organomagnésien sur le groupe carbonyle.
Elle rappelle la réaction de Meerwein, Ponndorf et Verley. Cette réaction est favorisée dans le dioxane qui permet de déplacer l'équilibre de Schlenk vers la formation du magnésien symétrique. Dans ce solvant, R2Mg interagit avec l'oxygène du carbonyle de la cétone et favorise le transfert d'ion hydrure.
L'utilisation d'organomagnésiens chiraux a permis à H. S. Mosher en 1950, de réaliser la réduction énantiosélective de cétones encombrées [31].
La synthèse des alcools encombrés peut être réalisée en utilisant des organolithiens. Ceux-ci étant beaucoup plus réactifs que les organomagnésiens, l'addition nucléophile peut être effectuée à basse température (- 70 °C) ce qui minimise les réactions précédentes.
Addition énantiosélective des dialkylzinciques
L'addition des dialkylzinciques sur un aldéhyde possédant un carbone prochiral peut être énantiosélective en présence d'un auxilliaire chiral approprié. L'exemple ci-dessous concerne l'addition de diéthylzinc en présence de (-)-3-exo-(diméthylamino)isobornéol ou (-)-DAIB, par R. Noyori [32]. Le mode opératoire
est donné à la référence [13].
Dans l'exemple suivant, le produit chiral sert de catalyseur dans sa propre synthèse. Il s'agit donc d'une autocatalyse. Le premier exemple de ce type a été décrit par Soai [33].
Dans la réaction ci-dessous, 3 mg de substrat présentant un excès énantiomérique de 0, 18 % conduisent à 323 mg de produit avec un excès énantiomérique de 83, 2 %, [34].
Cyclopropanation
La cyclopropanation des composés éthyléniques peut être effectuée au moyen de la réaction de Simmons-Smith. Le réactif est préparé à partir d'un mélange de CH2I2 et du couple Zn-Cu. La solution est le siège d'un
équilibre du type équilibre de Schlenk.
Le réactif de Simmons-Smith est dit carbénoïde. Le mécanisme exact du transfert du groupe méthylène à partir de ce réactif n'est pas complètement élucidé. La réaction est stéréospécifique de stéréochimie syn.
Le mode opératoire de la synthèse du bicyclo[4,1,0]heptane (norcarane) est donné à la référence [14]. Une autre méthode consiste a effectuer l'addition entre une double liaison éthylénique et un dichlorocarbène puis a effectuer une réduction du dihalogénure obtenu.
Additions sur les fonctions dérivées d'acides
Chlorures d'acyles
L'intermédiaire tétraédrique issu de l'addition nucléophile du magnésien sur le carbonyle est thermodynamiquement instable vis à vis de sa transformation en cétone et labile du fait du caractère nucléofuge de l'ion chlorure. Le magnésien réagit sur la cétone formée et le produit final, à la température ordinaire, est généralement l'alcool tertiaire. Il est cependant possible de synthétiser une cétone en utilisant deux stratégies :
Esters
La réaction étudiée dans le chapitre sur les esters, est comparable à celle qui est observée avec les chlorures d'acyles. On obtient généralement un alcool tertiaire dont deux groupes sont identiques. La réaction entre un organomagnésien et un ester de l’acide méthanoïque HCO2H, constitue une synthèse d'alcool secondaire.
Il existe cependant des synthèses de cétones à partir des esters dans quelques cas particuliers :
Orthoesters
La réaction d'un organomagnésien sur un orthoester, c'est à dire un cétal d'ester, constitue une synthèse d'aldéhyde. Un exemple de préparation est donné à la référence [2].
Amides
La réaction est étudiée dans le chapitre sur les amides. Le produit d'addition de l'organomagnésien sur l'amide est thermodynamiquement instable par rapport aux réactifs de départ mais il est cinétiquement inerte car NR2-, base très forte, est un très mauvais nucléofuge. Le passage en milieu acide entraîne l'élimination de R2NH2+ à partir de l'intermédiaire. On obtient finalement une cétone.
Notons la nécessité d'utiliser un amide N, N-disubstitué dans cette réaction. Avec un amide non substitué, le magnésien serait détruit en lui arrachant un atome d'hydrogène.
Nitriles
La réaction est étudiée dans le chapitre sur les nitriles. L'addition d'un organomagnésien sur un nitrile donne un sel d'immonium. L'hydrolyse transforme ce dernier en iminoalcool. En milieu acide, celui-ci fournit la cétone plus stable.
Réactions avec des réactifs inorganiques
Carbonatation des organomagnésiens et des organolithiens
Le dioxyde de carbone peut être considéré comme l'anhydride de l'acide carbonique, non isolable à l'état pur. Sa réaction avec un organomagnésien constitue une excellente méthode de synthèse des acides carboxyliques. L'addition de l'organomagnésien sur l'atome de carbone électrophile de CO2 conduit à un composé qui comporte encore une insaturation. Bien que l'addition d'une deuxième molécule de magnésien sur cet intermédiaire soit généralement beaucoup plus lente que la première, on peut s'en affranchir complètement en versant le magnésien sur de la carboglace.
Après acidification, on obtient l'acide.
Un exemple est la préparation de l'acide bicyclo[2,2,1]heptan-1-oïque [3].
Voici un autre exemple dans lequel la fonction cétone est préalablement protégée par formation d'un acétal.
La réaction avec les lithiens est tout à fait comparable mais ceux-ci étant plus réactifs que les magnésiens la réaction avec le sel intermédiaire devient importante si le lithien est en excès. On obtient alors après hydrolyse l'alcool tertiaire.
Les organozinciques ne réagissent pas avec CO2. Cela permet de les préparer en utilisant une atmosphère de ce gaz. La carbonatation des magnésiens dérivant de composés aromatiques est une méthode intéressante d'introduction d'un groupe carboxyle sur un cycle aromatique.
Dioxygène
La réaction entre un organomagnésien et le dioxygène en excès à basse température (- 78 °C dans le mélange carboglace-acétone) suivie d'hydrolyse, est une très bonne méthode de préparation des hydroperoxydes.
Le contrôle de la température est important dans cette synthèse car les peroxydes organiques sont des composés peu stables en raison de la faible énergie de dissociation de la liaison peroxo qui lie les deux atomes d'oxygène. Ils sont potentiellement explosifs et donc dangereux.
Si l'organomagnésien est en excès, il réagit avec le peroxyde d'halogénure magnésium et on obtient l'alcool après hydrolyse. Cette dernière réaction ne possède pas d'intérêt synthétique particulier et constitue une réaction secondaire qui peut être gênante lors de la préparation des organomagnésiens. C'est la raison pour laquelle il est préférable d'effectuer leur synthèse sous atmosphère inerte (Ar ou N2) [16].
Soufre
La réaction s'effectue par union directe entre le magnésien et le soufre. Après hydrolyse, on obtient un thiol ou un thiophénol qu'on peut considérer respectivement comme les analogues soufrés des alcools ou des phénols . On obtient ainsi aisément le thiophénol en ajoutant de la poudre de soufre à une solution de PhMgBr puis en hydrolysant le mélange. Le thiophénol possède une odeur puissante particulièrement désagréable.
Dihalogènes
On peut regarder cette réaction comme une substitution nucléophile. Dans ce cas R- MgX est le réactif et Y2 est le substrat.
La réaction avec I2 est la plus intéressante. Elle permet la préparation des iodures d'alkyles à partir de leurs analogues chlorés ou bromés. On peut aussi mettre cette réaction à profit dans le dosage des organomagnésiens. I2 est introduit en excès et on effectue le dosage de I2 restant par le thiosulfate. Les cuprates lithiens vinyliques réagissent avec le diiode pour donner des alcènes halogénés [7].
Bibliographie
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N. N. Greenwood, A. Earnshaw - Chemistry of the elements (Pergamon Press 1986).
G. E. Coates, M. L. H Green P. Powell K. Wade - Les bases de la chimie des composés organométalliques (Gauthier-Villars 1972).
J. -F. Normant - La chimie organométallique. Bulletin de l'union des physiciens 797, octobre 1997.
J. -P. Foulon - Dosage des organomagnésiens et des lithiens. Bulletin de l'union des physiciens 629, décembre 1980.
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Liens
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[4] Cyclohexylcarbinol by Henry Gilman and W. E. Catlin.
[5] Triphenylcarbinol by W. E. Bachmann and H. P. Hetzner.
[6] Manganese copper conjugate addition of Grignard Reagent by S. Marquais, M. Alami, and G. Cahiez.
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[8] Di n-butyldivinyletain by Dietmar Seyferth.
[9] Enantioselective addition of butyllithium by D. Seebach and A. Hidber.
[10] (R)-(+)-2-(hydroxymethyl)-pyrrolidine by Nikola A. Nikolic and Peter Beak.
[11] Diethyl-Zinc by C. R. Noller
[12] Copper-Catalysed Conjugated Addition of Functionalized Organozinc Reagents to a, b-Unsaturated Ketones by B. H. Lipshutz, M. R. Wood, and R. Tirado
[13] Catalytic Enantioselective Additions of Dialkyl Zincs to Aldehydes using (2S)-DAIB) by Masato Kitamura, Hiromasa Oka, Seiji Suga, and Ryoji Noyori.
[14] Norcarane by R. D. Smith and H. E. Simmons
[15] Thèse Delacroix
[16] Manipulations sous atmosphère inerte modes opératoires pour la préparation des réactifs organométalliques
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[19] Structure des cuprates.
[20] New Methods for the Synthesis of Organozinc ans Organocopper Reagents by C. Piazza.
[21] Recent Advances in Organocurate Chemistry Jason S. Tedrow Evans Group, Harvard University.
[22] Réaction de Réformatsky asymétrique par Michel Obringer.
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Articles
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[31] D. O. Cowan, H. S. Mosher, Comparison of the Reactions of Grignard Reagents and Dialkylmagnesium Compounds in Addition, Reduction, and Enolization Reactions - J. Org. Chem., 27, p. 1-5.
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[34] K. Soai. Tetrahedron : Asymmetry, 1997, 8, 1717.
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Texte, photographies Gérard Dupuis - Lycée Faidherbe - LILLE
janvier 2008
