Cours de chimie Organique - G. Dupuis - Lycée Faidherbe de Lille
Halogénures d'acyles, anhydrides d'acides, cétènes
Nomenclature
Définitions Formule Composé cétène anhydride halogénure d'acyle chlorure de butanoyle bromure d'hexa-4-énoyle acide 3-chloroformylpropanoïque Anhydrides d'acides anhydride éthanoïque anhydride éthanoïque et propanoïque anhydride butane-1,4-dicarboxylique anhydride pentane-1,5-dicarboxylique Propriétés physiques Anhydrides Composé anhydride éthanoïque anhydride propanoïque TE (° C) 140 168 Halogénures d'acyles Composé chlorure d'éthanoyle chlorure de propanoyle TE (° C) 52 80 Le dichlorure d'acyle de l'acide carbonique ou phosgène est un composé gazeux à la température ordinaire qui fut
utilisé comme gaz de combat pendant la première guerre mondiale. Spectroscopie Spectroscopie infrarouge Groupe fonctionnel C = O C-Cl s (cm-1) 1785 - 1815 875 La conjugaison entre le chlore et le carbonyle entraîne pour ce dernier un effet hypsochrome par rapport au groupement carbonyle d'une cétone. La vibration d'élongation
de C-Cl, présente un harmonique vers 1745 cm-1 Il est intéressant de comparer les absorptions du groupement carbonyle des cétones, des esters et des anhydrides. Groupe fonctionnel cétones esters anhydrides s (cm-1) 1705 - 1725 1735 - 1750 1800 - 1850 Spectroscopie de RMN Dérivés importants Anhydride acétique Anhydride phtalique Anhydride maléique L'anhydride maléique est préparé par oxydation du benzène. C'est un excellent diénophile dans les réactions de
Diels-Alder. Cétènes Le plus simple des cétènes est préparé par déshydratation de l'acide éthanoïque. Etat naturel Cantharidine
Réduction des dérivés d'acides Réduction en aldéhyde
Réactions d'additions-éliminations au niveau du carbonyle
On distingue les anhydrides symétriques et les anhydrides mixtes. Les premiers sont nommés en remplaçant le mot acide par anhydride.
Les anhydrides mixtes sont nommés en faisant suivre le mot anhydride des noms des réactifs parents, classés dans l'ordre alphabétique.
Les composés cycliques sont nommés de préférence comme des anhydrides et non comme des hétérocycles
Ce sont des composés polaires dont la température d'ébullition est légèrement supérieure à celle des alcanes de même
masse molaire, mais nettement inférieure à celles des acides carboxyliques. A la différence de ces derniers, il n'y a pas d'association par liaison hydrogène.
On le prépare par réaction entre le dichlore et le monoxyde de carbone.
Le phosgène est utilisé comme produit de base dans l'industrie chimique en raison de sa grande réactivité. Un exemple d'application est la synthèse de la cétone de Michler.
L'anhydride acétique peut être préparé par acylation des ions éthanoate par le chlorure d'éthanoyle.
L'anhydride phtalique est préparé par déshydratation de l'acide phtalique à 200 °C.
La réaction avec le glycérol permet la préparation de résines glycérophtaliques. Ces polymères tridimensionnels, entrent dans la composition des peintures et des vernis.
Ce composé esr utilisé pour réticuler les résines polyesters. L'hydrolyse suivie d'hydrogénation fournit l'acide succinique.
La cantharidine est un composé de type terpénoïde comportant une structure tricyclique.
Ce composé, longtemps réputé pour ses vertus aphrodisiaques a été extrait au début du 19ème siècle d'un scarabée (spanish fly)
par Robiquet.
Malgré les apparences, sa synthèse n'est pas chimiquement évidente car une réaction de Diels-Alder entre le furane et le dérivé diméthylé de l'anhydride maléique ne convient pas car l'équilibre est très défavorable au produit.
La réaction de Rosenmund était autrefois la seule méthode permettant la réduction des chlorures d'acyles en aldéhydes. Elle consiste à utiliser le dihydrogène en présence de Pd de Lindlar (Pd précipité sur un support de sulfate de baryum et empoisonné par PbOAc2 et la quinoléine). Il est moins actif que Pd/C.
On a mis au point des hydrures moins réactifs que LiAlH4 afin d'éviter l'oxydation de l'aldéhyde en alcool. On les obtient en faisant réagir LiAlH4 avec un alcool. L'hydrure modifié ne possède plus qu'un seul ion H- libérable. Le produit formé ne peut plus être réduit.
Les chlorures d'acyles sont réduits en aldéhyde par LiAl[OC(CH3)3]3H.
Rappelons que les esters sont réduits en aldéhydes par le bis (2-méthylpropyl)-aluminium Al(i-Bu)2H (diisobutylaluminium : DIBAL-H). Il faut travailler à température assez basse (-60 °C).
Si l'on se réfère au mécanisme général d'addition-fragmentation vu plus haut, on voit que la vitesse avec laquelle se décompose l'intermédiaire tétraédrique joue également un rôle important. On peut prévoir que les chlorures d'acyles seront de ce point de vue plus réactifs que les esters car l'ion chlorure est un meilleur nucléofuge qu'un ion alcoolate (c'est une base beaucoup plus faible). De ce point de vue, les intermédiaires formés à partir des amides sont les moins labiles car les ions amidures sont de très mauvais nucléofuges.
Hydrolyse Alcoolyse Les alcools tertiaires peuvent également être estérifiés par un mécanisme de type AAL1.
L'acylation d'alcools difficiles à estérifier peut être réalisée en utilisant la diméthylaminopyridine (DMAP) comme catalyseur. Macrolactonisation Macrolactamisation
Les chlorures d'acyles réagissent violemment avec l'eau. La réaction totale, conduit à l'acide et s'accompagne d'un dégagement de HCl en partie piégé par la
solution aqueuse. Cette réaction possède peu d'intérêt pratique.
La réaction d'hydrolyse précédente est responsable du brouillard formé lorsqu'on débouche une bouteille de d'halogénure d'acyle dans l'air chargé d'humidité.
Les réactions d'acylation des alcools par les chlorures d'acyles et les anhydrides ont été étudiées dans le chapitre sur
les alcools. Rappelons qu'il s'agit de réactions à la fois rapides et totales. Elles constituent d'excellentes méthodes de préparation des esters.
Alors que la lactonisation des acides-alcools avec formation de cycles à 5 ou 6 chaînons est un processus spontané, la formation de lactones à grands cycles est très défavorisée par cette voie.
La réaction peut s'effectuer après avoir activé la fonction acide sous forme d'anhydride au moyen du chlorure de 2,4,6-trichlorobenzoyle (2,4,6-TCB). C'est la réaction de macrolactonisation de Yamaguchi.
La réaction entre un azide et un anhydride préparé à partir de l'acide correspondant et du chlorure de 2,4,6-trichlorobenzoyle (2,4,6-TCB) constitue une synthèse de macrolactame [46]. Cette réaction est catalysée par la DMAP.
Une autre synthèse de ce composé met en jeu comme étape clé, une réaction de métathèse cyclisante.
Réactions avec les phénols
L'acylation des phénols est réalisable à l'aide des halogénures d'acyles ou des anhydrides. En revanche, les acides carboxyliques ne sont pas des réactifs acylants assez puissants pour acyler les phénols. La réaction entre
l'anhydride éthanoïque et l'acide salicylique permet la préparation de l'aspirine.
Réactions avec les amines
Les amines primaires et secondaires sont acylables par les chlorures d'acyles et les anhydrides. On obtient un amide. Ces réactions d'acylation ont été vues dans le chapitre consacré aux amines.
Les amines tertiaires ne sont pas acylables et sont souvent utilisées comme piège à protons dans ces réactions.
La réaction entre une amine et un chlorure d'acyle ou un anhydride permet la protection de la fonction amine sous forme d'amide.
Préparation des oxazolidinones
L'exemple suivant concerne la préparation d'un composé de ce type. On utilise ici le S-phénylalanol comme composé de départ. Ce dernier peut être préparé par réduction d'un aminoacide, la S-phénylalanine, au moyen du complexe diborane-diméthylsulfure.
En utilisant d'autres aminoacides, on obtient des composés diversement substitués en position 4. Très récemment, on a pu préparer des oxazolidinones avec d'excellents excès énantiomériques en utilisant l'amination énantiosélective de Sharpless. Les oxazolidinones substituées sont utilisées comme auxilliaires chiraux en synthèse asymétrique par la méthode d'Evans.
Additions de composés organométalliques
Composés organomagnésiens
La préparation des organomagnésiens a été vue dans le chapitre consacré aux organométalliques.
Mais l'une des meilleures méthodes consiste à passer par l'intermédiaire d'un amide de Weinreb.
Carbonatation des organomagnésiens et des organolithiens
Le dioxyde de carbone peut être considéré comme l'anhydride de l'acide carbonique. 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 travaillant avec un excès deCO2.
D'un point de vue expérimental, CO2 sous forme de carboglace est placé dans un bécher (sur la photo de gauche, il s'agit des cylindres au fond du bécher). La solution d'organomagnésien est versée avec précautions sur la carboglace (l'agitateur sert à guider le liquide). L'adduit se présente sous la forme d'un composé visqueux qui est ensuite hydrolysé dans un deuxième temps. |
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.
Cuprates lithiens Composés organocadmiens La réaction entre les organocadmiens et les chlorures d'acyles permet de préparer des cétones. Comme les organocadmiens sont moins réactifs que les organolithiens et les organomagnésiens la cétone formée ne réagit pas avec l'organométallique. La réaction est souvent conduite dans un solvant hydrocarboné comme le benzène ou le toluène ce qui permet d'avoir une température de réaction plus élevée que dans l'éther et donc une plus grande vitesse. Cette méthode est assez ancienne. De nos jours, la préparation de cétones à partir d'organomagnésiens ou d'organolithiens est réalisée avec un excellent rendement en utilisant un amide de Weinreb.
Réactions mettant en jeu des ions acylium Acylation des doubles liaisons éthyléniques Acylation des composés aromatiques Réactions au voisinage du carbonyle Elimination Examinons le mécanisme dans le cas de la synthèse de l'acide cinnamique.
De même que dans la réaction précédente, l'addition d'un organolithien sur un chlorure d'acyle fournit un alcool tertiaire. On peut obtenir un bon rendement
en cétone en utilisant un organocuprate moins réactif qu'un organolithien et qui ne réagit pas avec la cétone.
Les organocadmiens sont généralement obtenus facilement par transmétallation entre un organomagnésien et un halogénure de cadmium.
En présence d'un acide de Lewis comme AlCl3, un chlorure d'acyle est une source d'ions acylium.
La réaction d'acylation de Friedel et Crafts a été étudiée dans le chapitre consacré aux composés aromatiques.
La synthèse des cétènes peut être réalisée en effectuant une réaction d'élimination à partir d'un chlorure d'acyle. L'exemple suivant concerne la synthèse du dichlorocétène.
La synthèse du diphénylcétène est décrite à la référence[31].
Cette réaction n'est pas fréquemment employée en synthèse, notamment en raison de son manque de stéréosélectivité. Il existe à l'heure actuelle des méthodes beaucoup plus performantes permettant de contrôler la stéréosélectivité de l'oléfination des aldéhydes. Parmi les plus connues figurent la réaction de Wittig et l'une de ses variantes, la réaction de Horner-Wadsworth-Emmons.
La réaction présente une certaine analogie avec la condensation de Stobbe des esters.
Lorsque le substrat est un phénol portant le groupement aldéhyde en position 2, comme l'aldéhyde salicylique, la réaction peut se poursuivre par une réaction de cyclisation.
On a ainsi un moyen d'accès facile à la coumarine qui est une lactone insaturée utilisée en parfumerie.
On trouvera un mode opératoire de la synthèse de l'acide cinnamique dans [10].
Préparation des a-diazocétones On est donc en présence d'un ylure. Ce dernier est relativement stable grâce à la présence du groupe carbonyle attracteur. On notera la parenté entre cette réaction et la transposition de Curtius qui conduit aux isocyanates à partir des azotures d'acyles. Seuls les cétènes stables comme le diphénylcétène peuvent être isolés dans cette réaction. La plupart du temps, le cétène réagit avec un nucléophile présent dans le milieu comme on va le voir ci-dessous. Réaction de Arndt-Eistert L'exemple suivant concerne une étape de la synthèse de l'équilénine, une hormone sexuelle (Bachmann, 1939. [47])
La réaction peut aussi être utilisée pour contracter un cycle. Réaction d'additions sur les cétènes
Cycloadditions des cétènes avec les composés éthyléniques Le déroulement stéréochimique de la réaction est représenté ci-dessous dans le cas d'un éthylénique et d'un cétène monosubstitués. Théorie et expérience s'accordent vis à vis du produit de cette réaction qui est une cyclobutanone dont les substituants sont en relation cis. La synthèse débute par l'addition du dichlorocétène sur le cyclopentadiène. Une réaction d'élimination par le zinc permet d'éliminer les atomes de chlore. La suite de la synthèse se poursuit par une oxydation de Baeyer-Villiger qui permet l'agrandissement du cycle et l'obtention d'une lactone. Cycloadditions des cétènes avec les imines Bibliographie Vous pouvez, si vous le souhaitez, utiliser le contenu de cette page dans un but pédagogique et non commercial. Texte, dessins, photographies : Gérard Dupuis - Lycée Faidherbe de LILLE
La réaction entre un chlorure d'acyle et le diazométhane conduit à une addition-élimination.
En l'absence d'une base comme la triéthylamine, l'ion chlorure déplace l'azote, qui est un excellent nucléofuge, pour fournir une cétone a-halogénée.
Si l'on opère en présence d'une base comme la triéthylamine qui piège l'acide formé, on obtient une a-diazocétone.
La structure d'une a-diazocétone peut être décrite par les formes résonantes suivantes.
.
Comme tous les composés conjugués de ce type, les a-diazocétones, existent sous deux conformations privilégiées s-cis (I) et s-trans (II).
L'ensemble des réactions étudiées précédemment :
constitue une méthode d'élongation de chaîne carbonée et porte le nom de synthèse de Arndt-Eistert.
En milieu aqueux, on obtient un acide carboxylique possédant un atome de carbone de plus que le chlorure d'acyle de départ.
Si l'on utilise un alcool à la place de l'eau, on obtient un ester.
Du point de vue stéréochimique, les substituants sont en position cis dans la cyclobutanone.
La réaction entre l'éthoxyxétène et les stéréoisomères du but-2-ène fournit des produits diastéréo-isomères. La réaction est donc diastéréospécifique.
Ces résultats peuvent être interprétés par une cycloaddition concertée. D'après les règles de Woodward-Hoffmann, une addition de type [2 + 2] est possible par un processus de type supra-antara. A cette disposition orthogonale des liaisons, correspond l'état de transition ci-dessous dans lequel les groupes R1 et R2 sont les plus éloignés possibles afin de minimiser les contraintes stériques.
La réaction de Staudinger est une cycloaddition [2+2] entre une imine et un cétène qui permet la synthèse des cycles b-lactames qui constituent le squelette des pénicillines et des céphalosporines.
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[37] Perkin reaction
[38] Furylacrylic acid
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[43] Synthèse de l'arénastatine
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février 2014