substitution unimolÉculaire et rÉactions parallÈles dÉlimination chapitre 7 vollhardt –...
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SUBSTITUTION SUBSTITUTION UNIMOLÉCULAIRE ET UNIMOLÉCULAIRE ET
RÉACTIONS PARALLÈLES RÉACTIONS PARALLÈLES D’ÉLIMINATIOND’ÉLIMINATION
CHAPITRE 7CHAPITRE 7
Vollhardt – Chapitre 7
7.1 SOLVOLYSE DES HALOGÉNOALCANES 7.1 SOLVOLYSE DES HALOGÉNOALCANES TERTIAIRES ET SECONDAIRESTERTIAIRES ET SECONDAIRES
BrH2O
OH + HBr
Br
H2O
OH+ HBr
ClCH3OH
OCH3 + HCl
7.2 SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 7.2 SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIREUNIMOLÉCULAIRE
Étape 1: Étape 1: Dissociation de Dissociation de l'halogénure pour former un l'halogénure pour former un carbocation.carbocation.
SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite)
Étape 2: Étape 2: Attaque nucléophile par Attaque nucléophile par l'eau.l'eau.
SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite)
Étape 3: Étape 3: Déprotonation.Déprotonation.
SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite) A10FA.MOV
DIAGRAMME D’ÉNERGIE DIAGRAMME D’ÉNERGIE POTENTIELLE => SPOTENTIELLE => SNN11
Cinétique de 1er ordrev = k [Hal] mol l-1 s-1
A7EP.MOV
CINÉTIQUE => SCINÉTIQUE => SNN1 vs S1 vs SNN22
v
[MeI]
v
[NaSMe](NaSMe constant) (MeI constant)
Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN22
v = k [MeSNa][MeI]
MeS Me I MeS Me + I
CINÉTIQUE => SCINÉTIQUE => SNN1 vs S1 vs SNN22
v
[tBuBr]
v
[NaOH](NaOH constant) (tBuBr constant)
Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN11
v = k [tBuBr]
Br - Br+ HOH
OH
lent rapide
-H+-
CINÉTIQUE => SCINÉTIQUE => SNN1 vs S1 vs SNN22
Si, en augmentant la quantité du réactif ([substrat] stable), la vitesse de réaction augmente concertée
Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN22
Si, en augmentant la quantité du réactif ([substrat] stable), la vitesse de réaction ne change pas non concertée
Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN11
7.3 CONSÉQUENCES STÉRÉOCHIMIQUES 7.3 CONSÉQUENCES STÉRÉOCHIMIQUES DES RÉACTIONS SDES RÉACTIONS SNN11
A6.MOV
7.4 S7.4 SNN1 VS SOLVANTS1 VS SOLVANTS
Les solvants polaires protiques Les solvants polaires protiques accélèrent la réaction Saccélèrent la réaction SNN1.1.
(CH3)3CBr (CH3)3COH + HBr
(CH3)3COH + HBr(CH3)3CBr
H2O
H2O, Acétone
1/9
Vitesse relative
400 000
1
La solvatation du nucléofuge (par des liens H) La solvatation du nucléofuge (par des liens H) explique ce phénomène.explique ce phénomène.
SSNN1 VS GROUPES SORTANTS1 VS GROUPES SORTANTS
La réaction SLa réaction SNN1 s'accélère avec de 1 s'accélère avec de meilleurs groupes sortants.meilleurs groupes sortants.
X = -OSO2R' > -I > -Br > -Cl > -F
Vitesse relative de solvolyse de RX
SSNN1 VS NUCLÉOPHILES1 VS NUCLÉOPHILES
La force du nucléophile a des La force du nucléophile a des répercutions sur la répartition des répercutions sur la répartition des produits mais pas sur la vitesse de la produits mais pas sur la vitesse de la réaction.réaction.
3
7.5 INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU 7.5 INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU GROUPE ALKYLE SUR LA RÉACTION SGROUPE ALKYLE SUR LA RÉACTION SNN11
Stabilité relative des carbocations:Stabilité relative des carbocations:
+
+ +< <
Stabilité croissante
Nbre de liaisons avec le C+ 3é dans la couche de valence 6Orbitale vide pDéficitaire en é ouiGéométrie planIntermédiaire ou état de transition ? intermédiaire
CARBOCATIONS VS CARBOCATIONS VS HYPERCONJUGAISONHYPERCONJUGAISON
Un peu comme une conjugaison
Cations allyliques et Cations allyliques et benzyliquesbenzyliques
Hyperconjugaison : « comme une conjugaison »Cations allyliques et benzyliques : vraie conjugaison
Vitesses de solvolyse de RClVitesses de solvolyse de RClcomposécomposé vitesse relativevitesse relative commentairecommentaire
0,070,07 Chlorure primaire Chlorure primaire (SN2 seulement)(SN2 seulement)
0,120,12 Chlorure secondaire Chlorure secondaire (réagit mal en SN1)(réagit mal en SN1)
21002100 Chlorure tertiaire Chlorure tertiaire (bon en SN1)(bon en SN1)
1,01,0 Primaire, mais Primaire, mais allyliqueallylique
9191 Allylique secondaire Allylique secondaire à une extrémitéà une extrémité
130 000130 000 Allylique tertiaire à Allylique tertiaire à une extrémitéune extrémité
7 7007 700 Primaire, allylique Primaire, allylique et benzyliqueet benzylique
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Ph Cl
EtOH : H2O 50:50 (44,6°C)
Cations stabilisés par un Cations stabilisés par un hétéroatomehétéroatome
OO
NH2 NH2
MeO MeO
SN1 vs SN2SN1 vs SN2
StructureStructure
typetype méthyleméthyle primaireprimaire secondairsecondairee
tertiairetertiaire
SN1 ?SN1 ? - - -- - - - -- - ++ + + + + + +
SN2?SN2? + + + + + + + + + + ++ - - -- - -
Me XR X
H H
R X
R H
R X
R R
SN1 vs SN2SN1 vs SN2SSNN11 SSNN22
MécanismeMécanisme Deux étapesDeux étapes Une étapeUne étape
CinétiqueCinétique Ordre 1Ordre 1 Ordre 2Ordre 2
Nucléophilicité Nucléophilicité du réactifdu réactif
Pas importantPas important Très importantTrès important
(affecte la v)(affecte la v)
Structure de Structure de l’atome de l’atome de
carbone saturécarbone saturé
Résonance Résonance stabilisantestabilisante
tert >> sec > primtert >> sec > prim
Très sensible aux Très sensible aux effets stériqueseffets stériques
prim > sec >> tertprim > sec >> tert
Effet du solvantEffet du solvant Favorisé par les Favorisé par les solvants polaire solvants polaire
protiquesprotiques
Favorisé par les Favorisé par les solvants aprotique solvants aprotique
polairepolaire
StéréochimieStéréochimie RacémisationRacémisation InversionInversion
Conditions de Conditions de réactionréaction
Acide ou neutreAcide ou neutre Basique ou neutreBasique ou neutre
7.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E17.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E1
7.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E17.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E1
Le styrène est préparé industriellement par une E1
styrène
OH
H+
(Al2O3)
OHH
H
- BH+
B
-H2O
5,4 x 106 tonnes aux USA en 20007-8 x 105 tonnes aux Canada / année
7.7 ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE: E27.7 ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE: E2
E2 (suite)E2 (suite)
E2 (suite)E2 (suite) A18FA.MOV
7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATIONET ÉLIMINATION
Les Nu faiblement basiques donnent Les Nu faiblement basiques donnent lieu à une substitution. (Ex: NaI, lieu à une substitution. (Ex: NaI, AcONa)AcONa)
les Nu fortement basiques favorisent les Nu fortement basiques favorisent davantage l’élimination lorsque davantage l’élimination lorsque l’encombrement stérique du substrat l’encombrement stérique du substrat augmente. (Ex: CHaugmente. (Ex: CH33ONa vs 1-bromo-ONa vs 1-bromo-propane, 1-bromo-2-méthylpropane et propane, 1-bromo-2-méthylpropane et 2-bromopropane)2-bromopropane)
Les molécules choisissent le chemin le moins couteux en énergie ; Ea le + faible possible
7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATIONET ÉLIMINATION
Cl
EtOH
OEt
Cl
- Cl
-H+
HOEt
SN1
95 % produit de substitution(+ qques % d’élimination)
pKaH = -7
7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATIONET ÉLIMINATION
~ 100% d’élimination
pKaH = 16
Cl
EtO
Cl
-Cl-, -EtOHE2
HEtO
COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONCOMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATION (suite)ET ÉLIMINATION (suite)
Les nucléophiles basiques Les nucléophiles basiques fortement encombrés favorisent fortement encombrés favorisent l’élimination.l’élimination.
O-K+H3C
H3C
H3C
N -Li+CH3
H
H3C
HH3C CH3
tBuOK est mieux pour E2 que KOH(HO- peut faire une SN2)
N N
DBU(1,8-diazabicyclo[5.4.0]undéc-7-ène)
7.9 RÉSUMÉ DE LA RÉACTIVITÉ DES 7.9 RÉSUMÉ DE LA RÉACTIVITÉ DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES
SSNN1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIREUNIMOLÉCULAIRE
Cinétique de 1er ordre v = k [Hal] mol l-1 s-1
Réaction en deux étapes
L’étape essentielle est la formation d’un carbocation
Attaque du Nu en dessus ou en dessous du carbocation plan (sp2)
C+
Nu-
Nu-
SSNN1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite)
Non stéréospécifique = racémisation
Halogénoalcanes: t > s >>> p et benzyliques
Solvants protiques polaires (H2O, ROH, etc)
ClH
H2O
OHH
HOH
S
S R
E1 = ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIREE1 = ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE
Réaction en deux étapes
L’étape essentielle est la formation d’un carbocation
Caractère compétitif SN1/E1
C+
B+ H
- Perte d'un proton
B:
+
E2 = ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIREE2 = ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE
Réaction concertée = 1 étape
Favorisée par une température élevée et avec des nucléophiles qui sont des bases fortes (tBuO-, LDA, EtO-, etc)
Attaque antipériplanaire
Caractère compétitif SN2/E2
H
Br
CH3
CH3
H H
O
Ex. : p. 259
ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev
Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H).
Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H.
Br
H
Vollhardt, 4ième édition, sections 11-7, 11-8 et 11-9 (pages 453-459).
(За́\йцев )(За́\йцев )
ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev
Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H).
Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H.
BrH
trisubstituémajoritaire
disubstituéminoritaire
Toujours bonne, cette règle ?!? Malheureusement, dans le cas d’une base très encombrée, il se peut qu’elle choisisse d’arracher le H le moins encombré …
ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev
Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H).
Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H.
Br
trisubstituémajoritaire(~70:30)
disubstituémajoritaire(~25:75)
EtONa/EtOH tBuOK/tBuOH
ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev
ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev
Pour s’assurer d’obtenir l’alcène le plus substitué ?!?E1 (car n’implique pas de base encombrée).
S’assurer d’une E1 sans présence de SN1 ?!? Déshydrater un alcool dans H2SO4 conc. (HSO4
-, très mauvais Nu)
OHH2SO4 (50% aq.)
100°C+
~80% traces
Produit trans (E) majoritaire
ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev
ÉLIMINATION (dans un cycle)ÉLIMINATION (dans un cycle)
250 x + lent !
ÉLIMINATION (dans un cycle)ÉLIMINATION (dans un cycle)défavorisé, iPr axialE2 impossible(pas de C-H antipériplanaire)
inversionde cycle
favorisé, iPr équatorialE2 possible2 C-H antipériplanaires
favorisé, iPr équatorialE2 impossible(pas de C-H antipériplanaire)
défavorisé, iPr axialmais E2 possible ! (lent, car
« pas souvent » dans cette conformation)
inversionde cycle
E1, E2, SE1, E2, SNN1, S1, SNN22ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?
Trois questions doivent être poséesTrois questions doivent être posées: : 1.1. Est-ce que le Nu est une base forte? Est-ce que le Nu est une base forte? 2.2. Est-ce que le Nu est encombré Est-ce que le Nu est encombré stériquement? stériquement? 3. Est-ce que le substrat est encombré 3. Est-ce que le substrat est encombré stériquement (t, s ou p et branché)?stériquement (t, s ou p et branché)?
Si la réponse à deux de ces questions est Si la réponse à deux de ces questions est positive, alors l’élimination est favorisée, positive, alors l’élimination est favorisée, sinon, la substitution prédomine.sinon, la substitution prédomine.
E1, E2, SE1, E2, SNN1, S1, SNN22ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?
Facteur 1 : basicité du NuFacteur 1 : basicité du NuBases faibles (SN+)Bases faibles (SN+) Bases fortes (E+)Bases fortes (E+)
HH22O, ROH, PRO, ROH, PR33, X, X--, RS, RS--, N, N33--, NC, NC--, RCOO, RCOO-- HO HO--, RO, RO--, R, R22NN--
Facteur 2 : Encombrement stérique de l’EFacteur 2 : Encombrement stérique de l’EPeu encombréPeu encombré (SN+)(SN+) Encombré (E+)Encombré (E+)
PrimairePrimaire Primaire ramifié, secondaire, Primaire ramifié, secondaire, tertiairetertiaire
Facteur 3 : Encombrement stérique du NuFacteur 3 : Encombrement stérique du NuPeu encombréPeu encombré (SN+)(SN+) Encombré (E+)Encombré (E+)
HOHO--, CH, CH33OO--, CH, CH33CHCH22OO-- (CH(CH33))33COCO--, [(CH, [(CH33))22CH]CH]22NN--
p. 262
NUCLÉOPHILICITÉNUCLÉOPHILICITÉ
SHSH-- CN CN-- > I > I-- > OH > OH-- > N > N33-- > Br > Br-- > PhO > PhO-- > >
AcOAcO-- Cl Cl-- > F > F-- > NO > NO33-- > H > H22OO
La nucléophilie augmente: La nucléophilie augmente: 1. 1. Avec la charge négative Avec la charge négative 2. 2. Plus l’élément est situé à Plus l’élément est situé à gauche gauche (basicité) et en bas du (basicité) et en bas du tableau périodique tableau périodique (polarisabilité) (polarisabilité) 3. Dans les solvants 3. Dans les solvants aprotiques polaires aprotiques polaires (pas de ponts H (pas de ponts H => é + disponibles)=> é + disponibles)
E2 SN1
R
C
HH
Br
SN2 E1
SUBSTITUTION NUCLÉOPHILEBIMOLÉCULAIRE
SUBSTITUTION NUCLÉOPHILEUNIMOLÉCULAIRE
H3C C+
CH3
CH3
ÉLIMINATIONBIMOLÉCULAIRE
ÉLIMINATIONUNIMOLÉCULAIRE
- Cinétique de 2e ordre - Cinétique de 1er ordre
- V = k [ Hal ] [ Nu ] mol l-1s-1- V = k [ Hal ] mol l-1s-1
- L'étape essentielle est la formation d'un carbocation
- Existence d'un état detransition pentavalent
- Attaque dorsale du nucléophile avec inversion de configuration
- Attaque du nucléophile
en dessus ou en dessous du
carbocation plan (sp2)
- Réaction stéréospécifique - Caractère non stéréospécifique= racémisation
- Réaction concertée = 1 étape
H3C C+
CH3
CH3
- Réaction en deux étapes
H2C
CH3
CH3- Halogénoalcanes: p > s >>>> t - Halogénoalcanes: t > s >>>> p
et benzyliques- La substitution en et en ralentie la réaction
- Solvants aprotiques polaires(DMF, DMSO, HMPA)
B+ H
- Solvants protiques polaires(ROH, H2O etc.)
Nu-
Nu-
- L'étape essentielle est la formation d'un carbocation
- Perte d'unproton
+
C C
- Caractère compétitif SN1/E1
- Caractère compétitif SN2/E2
H
Br
- Réaction concertée = 1 étape - Réaction en deux étapes
- Favorisée par une température
élevée et avec des nucléophiles
qui sont des bases fortes
(tBuO-, LDA > EtO-, etc)
O-K+
- Attaque antipériplanaire
CH3
H3CH3C
‡
B:
Importance de la SN1Importance de la SN1 Synthèse du géraniolSynthèse du géraniol
CH2OH
géraniol
Importance de la SN1Importance de la SN1 Synthèse du géraniolSynthèse du géraniol
Pour faire une SN1, ça prend un bon groupe sortant ?La nature choisit le phosphate et le diphosphate.
P
O
-O O-
O-
phosphate
P
O
-O O
O-
diphosphate
P
O
O-
O-
(OP) (OPP)
Importance de la SN1Importance de la SN1 Synthèse du géraniolSynthèse du géraniol
Pour faire une SN1, ça prend un bon groupe sortant ?La nature choisit le phosphate et le diphosphate.
OPP + -OPP
H2O
OH
H
OH2
OHgéraniol
+ H3O+
Importance de la E2Importance de la E2 Métabolisme de l’atracuriumMétabolisme de l’atracurium
Relaxant musculaire (aussi utilisé pour anesthésie locale).Il doit s’éliminer assez rapidement.
N O O NMe
O O
MeO
MeO
OMe
OMe
OMe
OMe
OMe
MeO
Me
atracurium
Me = méthyl = CH3
Importance de la E2Importance de la E2 Métabolisme de l’atracuriumMétabolisme de l’atracurium
Relaxant musculaire (aussi utilisé pour anesthésie locale).Il doit s’éliminer assez rapidement.
N O
Me
O
H
HN
N
histidine
E2
HN
N H
NMe
O
O
Ces deux fractions sont facilement excrétées.
Importance de la E1Importance de la E1 Synthèse du tamoxifèneSynthèse du tamoxifène
Traitement du cancer du sein(antagoniste des récepteurs oestrogéniques).
O
NMe2
OH
précurseur avancé du tamoxifène
H2SO4Ar Ar
Ar
OH H
-H2OAr Ar
ArH
+ HSO4-
Ar Ar
Ar
+
Ar Ar
Ar
+ H2SO4
tamoxifèneAr = aromatique
SOMMAIRESOMMAIRE
Diagramme d’E SN1Diagramme d’E SN1 Cinétique SN1 vs SN2Cinétique SN1 vs SN2 SN1 SN1 mélange racémique mélange racémique SN1 Importance du nucléofugeSN1 Importance du nucléofuge SN1 « non-importance » du SN1 « non-importance » du
nucléophilenucléophile Stabilité des carbocations (alkyle Stabilité des carbocations (alkyle
(prim, sec, tert), allyle, benzyle)(prim, sec, tert), allyle, benzyle) Comparaison SN1 – SN2Comparaison SN1 – SN2 E1, E2, Nu basiqueE1, E2, Nu basique
EXERCICESEXERCICESVollhardt, Chap. 7Vollhardt, Chap. 7
55ièmeième édition édition (p. 276) (p. 276)Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37,
38, 40(sauf h et k), 43, 44, 45, 47, 48, 49, 52, 53, 54.38, 40(sauf h et k), 43, 44, 45, 47, 48, 49, 52, 53, 54.
44ièmeième édition éditionNos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37,
38, 40 (sauf h et k), 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 38, 40 (sauf h et k), 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53.51, 52, 53.
33ièmeième édition éditionNos 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, Nos 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28,
29, 30, 31, 32, 33, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 29, 30, 31, 32, 33, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46.45, 46.
étudiez le « problème d’intégration » 7.20 (p. 265).
étudiez le « problème d’intégration » 7.20 (p. 273).