Ethers non cycliques
On appelle éther un composé dans lequel un atome d'oxygène est lié par liaison simples à deux groupes organiques différents. La nomenclature recommandée par l'UICPA est la nomenclature substitutive. Les éthers simples sont nommés comme des alkoxyalcanes. La nomenclature radico-fonctionnelle est encore largement utilisée surtout pour les éthers les plus simples. A ces noms systématiques, il convient d'ajouter les noms usuels. Ainsi l'éthoxyéthane est appelé couramment éther ordinaire ou éther sulfurique par référence à son mode d'obtention.

Ethers cycliques
Le nom de base est celui du cyclane. Les atomes d'oxygène qui remplacent ceux de carbone dans le cycle sont indiqués par oxa.

Les éthers possédant trois chaînons sont nommés oxacyclopropanes. Ils sont aussi appelés plus couramment époxydes. Leur réactivité est beaucoup plus grande que celle des autres éthers et on leur consacrera un paragraphe spécial.

Caractéristiques géométriques et énergétiques
L'atome d'oxygène des éthers contracte deux liaisons simples avec les atomes de carbone des groupes organiques liés. Il reste donc deux paires d'électrons non liantes sur l'atome d'oxygène. La géométrie localement plane autour de l'atome d'oxygène dérive d'un arrangement tétraédrique des paires d'électrons. Puisque les paires non liantes occupent en moyenne un volume plus grand que les paires liantes, on prévoit un angle entre les liaisons supérieur à celui observé dans un tétraèdre régulier c'est à dire a >109°. Le tableau suivant regroupe quelques valeurs moyennes de grandeurs géométriques et énergétiques. Remarquons la valeur élevée de l'énergie de dissociation de la liaison C-O.

La présence de l'atome d'oxygène plus électronégatif (3,5 dans l'échelle de Pauling) que les atomes de carbone (2,5) et d'hydrogène (2,1) ainsi que la géométrie de la molécule sont à l'origine d'un moment dipolaire permanent pour la molécule de la plupart des éthers.

Certains éthers comme le dioxane ne possèdent pas de moment dipolaire permanent car les moments dipolaires de liaison se compensent. L'absence de liaison H entraîne des températures de changement d'état plus faibles que celles des alcools de même masse molaire.

Les composés cycliques ont des points d'ébullition plus élevés que les non cycliques. En effet, leur structure plus compacte permet des interactions de Van der Waals plus importantes entre les molécules.

Spectroscopie infrarouge
On distingue les éthers non cycliques, les éthers cycliques et dans cette famille les époxydes. Les valeurs suivantes correspondent aux éthers non cycliques.

Spectroscopie RMN

Séchage des éthers
Les éthers peuvent contracter des liaisons H avec l'eau ou les alcools avec lesquels ils sont miscibles dans une certaine proportion. L'utilisation de réactifs incompatibles avec l'eau même à l'état de traces comme les organométalliques pose le problème du séchage des éthers.

A la température ordinaire, le méthoxyméthane est miscible à l'eau en toutes proportions. L'éthoxyéthane, qui possède une chaîne carbonée plus longue, l'est nettement moins. Cependant il peut contenir jusqu'à 1,5 % d'eau.

Le THF est beaucoup plus miscible à l'eau que l'éther ordinaire. On l'attribue au fait que les doublets non liants de l'oxygène sont beaucoup plus accessibles pour contracter des liaisons H. Son séchage revêt une importance particulière en synthèse organique.

On distingue plusieurs étapes selon la quantité d'eau présente dans l'éther :

• Le séchage ordinaire peut être réalisé en utilisant des agents desséchants chimiques parmi lesquels : MgSO₄ anhydre, Na₂SO₄ anhydre etc ou en faisant passer lentement l'éther dans une colonne remplie de tamis moléculaires.

  Les zéolithes naturelles ont été découvertes par le minéralogiste A. F. Cronsted en 1756 qui leur a donné leur nom (pierre qui bouillent) car elles bouillonnent quand on les chauffe. Ces aluminosilicates possèdent une structure caractérisée par la présence de cages reliées entre-elles par des tunnels. On sait produire artificiellement des zéolithes possédant des cages de tailles calibrées. Elles peuvent servir à séparer les constituants d'un mélange par piégeage de molécules comme l'eau dans les cavités, d'où leur nom de tamis moléculaire. La photographie de gauche représente des tamis moléculaires dont les cavités font 0,4 nm (tamis 4 A) en extrudés de 1,6 mm. Ils sont utilisés pour le séchage des liquides organiques. On peut conserver les éthers sur ce type de tamis placé au fond de la bouteille.

• Le THF anhydre peut être obtenu en agitant du THF préalablement séché par les méthodes précédentes avec des petits morceaux de sodium.
  Attention : ne pas utiliser le sodium en présence d'une trop grande quantité d'eau en raison du risque de réaction violente entre le sodium et l'eau.
  Lorsqu'on ajoute de la benzophénone et du sodium dans le THF rigoureusement anhydre, on observe la formation d'un anion-radical cétyle qui donne à la solution une coloration bleue intense. Le mécanisme de cette réaction est détaillé dans la partie consacrée à la réduction par les métaux des composés carbonylés.

  Dans le ballon, surmonté d'un réfrigérant ascendant, on a placé du THF préalablement séché sur tamis moléculaire, des petits morceaux de sodium (coupés en dés de 5 mm environ) et une spatule de benzophénone. Le mélange est agité plusieurs dizaines de minutes sous la hotte.

  En présence d'eau, même en très faible quantité, le radical-anion réagit immédiatement pour donner le diphénylméthanol et on n'observe pas de coloration bleue. Cette réaction peut donc constituer un test de la présence d'eau dans le THF lors de son séchage sur sodium. L'élimination complète de l'eau peut exiger plusieurs dizaines de minutes selon la quantité présente au départ.

  

  Cette manière de procéder combine l'avantage d'un séchage total et de l'élimination des peroxydes car ces derniers sont réduits par le sodium.

Extraction par solvant
L'éthoxyéthane est souvent utilisé comme solvant d'extraction car il dissout de nombreuses matières organiques et il est facile à éliminer. Un appareil simple utilisé pour les extractions liquide-liquide est l'ampoule à décanter.

Le b-carotène, est un hydrocarbure possédant 11 doubles liaisons conjuguées ce qui explique sa couleur orange. Du fait de sa longue chaîne carbonée hydrophobe, il est beaucoup plus soluble dans l'éther que dans l'eau. On peut l'extraire d'une solution aqueuse en utilisant ce solvant.

Les photographies ci-dessous représentent l'extraction du b-carotène d'une solution aqueuse par l'éthoxyéthane.

Elimination du solvant
Un des avantages de l'éther comme solvant d'extraction est qu'il peut être éliminé rapidement du fait de sa grande volatilité.

Un schéma de ce type d'appareil est représenté ci-dessous.

Avant de procéder à l'élimination du solvant il est impératif de vérifier que l'éther est exempt de peroxydes. Ces opérations doivent être réalisées en l'absence de toute flamme et de toute étincelle en raison de la grande inflammabilité de l'éther.

Basicité de Lewis
L'existence de doublets non liants sur l'atome d'oxygène entraîne une réactivité de base de Lewis.

Avec les époxydes, la réaction avec BF₃ peut conduire à la formation de composés carbonylés.

Ce caractère basique se manifeste vis à vis des organométalliques comme les magnésiens aussi bien à l'état solide qu'en solution. Dans ce cas plusieurs équilibres tels que l'équilibre de Schlenk peuvent intervenir simultanément.

Les éthers tels que Et₂O manifestent des propriétés complexantes vis à vis de composés des éléments de transition.

Basicité de Brönsted
Les éthers sont aussi des bases de Brönsted très faibles. Leurs acides conjugués constituent des sels d'oxonium qui sont des acides forts : pK_a (R₂OH⁺/R₂O) # -3,5.

Le chlorure d'hydrogène est ionisé dans l'éthoxyéthane. Mais, à la différence de ce qui se passe dans l'eau, les solutions obtenues ne sont pas conductrices du courant électrique car l'éther, qui possède une constante diélectrique assez faible, (e_r = 4,3) si on la compare à celle de l'eau, (e_r = 78,5) ne permet pas la dissociation des paires d'ions.

La protonation des éthers joue un rôle important dans la réaction de coupure par les acides possédant un anion nucléophile car elle augmente le caractère nucléofuge de l'oxygène et facilite la rupture de la liaison C-O.

Action des acides
Les éthers, autres que les époxydes, sont stables en milieu basique sauf en présence de bases très fortes comme les organolithiens. En revanche, la liaison C-O peut être rompue en milieu acide, notamment par les acides halohydriques. Un réactif utile pour couper les éthers est HI qui les clive dès la température ambiante (réaction de Zeisel). Son rôle est double : H⁺ protone l'oxygène ce qui améliore considérablement son aptitude nucléofuge et I^-, qui est un bon nucléophile, induit la coupure de la liaison C-O en réalisant une substitution nucléophile.

HBr coupe les éthers vers 100 °C et HCl à une température encore plus élevée car les anions sont de moins en moins nucléophiles.

Lorsque l'atome de carbone impliqué dans la fonction éther est plus substitué, on peut observer des substitutions de type S_N1 qui s'accompagnent alors d'un certain pourcentage d'élimination.

Utilisation des éthers comme groupes protecteurs
Du fait de leur faible réactivité, les éthers sont largement utilisés comme groupement protecteur des fonctions alcool et phénol. L'éther est formé à partir de l' alcoolate ou du phénolate au moyen de la réaction de Williamson. Comme il a été dit plus haut, la déprotection peut être réalisée en présence d'acide iodhydrique. Il s'agit d'une méthode assez ancienne. Comme on le verra plus bas il existe des réactifs autorisant des conditions beaucoup plus douces.

Notons que dans cette réaction on n'obtient pas PhI et CH₃OH. On sait en effet que les réactions de substitutions nucléophiles en série aromatique obéissent à des mécanismes d'addition-élimination ou d'élimination-addition.

L'iodure de triméthylsilyle est un réactif très utile permettant la coupure des éthers dans des conditions douces.

Il ne reste plus qu'à effectuer l'hydrolyse des produits formés pour récupérer deux alcools.

Les éthers de benzyle sont clivés sélectivement dans des conditions douces par H₂ en présence de Pd/C.

Pour cette raison, ils sont souvent utilisés comme groupement protecteur des alcools lorsque la déprotection ne peut être effectuée en milieu acide.

L'utilisation des éthers silylés en tant que groupes protecteurs fait l'objet d'un paragraphe particulier.

Autoxydation
On sait depuis longtemps que les éthers laissés au contact de l'air en présence de lumière peuvent conduire à des mélanges dangereusement explosifs.

La réaction entre l'éther et le dioxygène s'appelle autoxydation. Elle conduit à la formation d'hydroperoxydes selon un mécanisme radicalaire en chaîne initié notamment par la lumière. Les hydroperoxydes sont thermodynamiquement instables du fait de la faible énergie de la liaison O-O (140 kJ.mol^-1. Ils évoluent au cours du temps pour donner des peroxydes (ou des polymères de peroxydes) qui peuvent exploser violemment sous l'action d'une élévation de température, ou d'un choc.

Avant de distiller un éther il est impératif de vérifier l'absence d'hydroperoxyde. Ces composés sont moins volatils que l'éther du fait d'une masse molaire plus grande et ils ont tendance à se concentrer dans le ballon au cours de la distillation. Lorsque leur concentration a atteint une valeur critique, ils peuvent être à l'origine d'explosions très violentes.

On peut éliminer les hydroperoxydes d'une solution d'éther en les réduisant par une solution acidifiée d'ions Fe²⁺. Dans cette réaction, Fe²⁺ est oxydé en Fe³⁺.
Le mécanisme est du type radicalaire en chaîne.

Les éthers commerciaux, notamment le THF, sont stabilisés par des antioxygènes comme le 2,6-ditertiobutylparacrésol. Les phénols qui sont très sensibles à l'oxydation par O₂ jouent le rôle de pièges à radicaux dans la réaction en chaîne d'oxydation. Le MTBE présente l'avantage par rapport aux autres éthers d'être très peu sensible à la peroxydation. Notons que les éthers ayant tendance à former des peroxydes, il ne faut pas les utiliser comme solvant dans les réactions impliquant des radicaux en présence d'oxygène.
On conserve les éthers sur tamis moléculaire en présence d'une atmosphère inerte et à l'abri de la lumière.

De nombreux composés organiques sont sensibles à la peroxydation. Par exemple les acides gras. Voir : [19].

Certains hydroperoxydes sont utilisés en synthèse organique. L'hydroperoxyde de tert-butyle (TBHP) intervient notamment dans l'époxydation de Sharpless.

Halogénation
La réaction avec Cl₂ de type radicalaire, permet de substituer l'atome d'hydrogène porté par le C en a de l'atome d'oxygène par un atome de chlore.

Les a-halogénoéthers sont des composés intéressants car l'atome de chlore est rendu mobile par sa proximité avec l'atome d'oxygène. Il peut être substitué par une assez grande variété de nucléophiles. La préparation du 2-hydroxypyrane qui intervient dans la synthèse du dihydropyrane (DHP) illustre cette propriété.

Le 2-hydroxypyrane conduit au DHP par élimination d'eau en milieu acide.

Elimination
Sous l'action de bases très fortes comme les organosodiques ou les organolithiens et dans une moindre mesure les organomagnésiens, l'atome d'hydrogène porté par le carbone en b de l'oxygène peut être arraché. Une réaction d'élimination conduit à un alcène et à un alcoolate.

C'est la raison pour laquelle il est préférable d'effectuer le dosage des lithiens comme le butyllithium quand ils sont restés longtemps dans leur solvant. Les organosodiques sont si réactifs vis à vis des éthers qu'on ne les prépare pas dans ce solvant mais dans des hydrocarbures.

Transposition de Claisen
Lorsqu'on chauffe à 200 °C le prop-2-ényloxybenzène (oxyde d'allyle et de phényle), on obtient le 2-(prop-2-ényl)-phénol (orthoallylphénol). La réaction constitue un exemple d'une réaction très générale qui affecte les éthers de vinyle et d'allyle : la transposition de Claisen mise en évidence par Ludwig Claisen (1851-1930).

Il s'agit d'un exemple de transposition sigmatropique [3, 3'] tout comme pour la transposition de Cope des diènes-1, 5. Le mécanisme fait intervenir un état de transition cyclique. La force motrice d'une transposition de Claisen ordinaire est la formation d'un groupe carbonyle qui possède une grande énergie de liaison. Ici, la diénone n'est qu'un intermédiaire qui se tautomérise en phénol beaucoup plus stable du fait de son caractère aromatique.

Introduction
Les époxydes ou oxacyclopropanes sont des éthers cycliques à trois chaînons. Le plus simple des époxydes est appelé oxacyclopropane ou oxyde d'éthylène. Les autres peuvent être considérés comme des dérivés substitués du précédent. Les époxydes sont des intermédiaires très souvent utilisés en synthèse organique où l'on met à profit leur grande réactivité. Ils combinent en effet l'intérêt de posséder une tension de cycle importante et d'avoir un atome d'oxygène nucléofuge. Ils peuvent être ouverts dans des conditions douces par de très nombreux réactifs en milieu basique et en milieu acide.

Il existe plusieurs voies d'accès aux époxydes. En voici quelques-unes parmi les plus importantes.

• La préparation à partir d'un substrat éthylénique est traitée dans la partie consacrée à ces composés. Le réactif est un peroxoacide. La réaction est stéréospécifique de stéréochimie syn. Notons que l'époxydation de liaisons éthyléniques d'alcools allyliques peut être rendue énantiosélective en utilisant un complexe d'un métal de transition (Ti) et un tartrate comme auxiliaire chiral.

• A partir des composés carbonylés. Le réactif est un ylure de soufre. Cette réaction dite de Corey-Chaykovsky a acquis une grande importance en synthèse organique du fait de sa stéréosélectivité. Elle est examinée dans la partie consacrée aux composés carbonylés.

• Les halohydrines sont des précurseurs d'époxydes quand elles sont traitées en milieu basique par réaction de Williamson intramoléculaire.
• A partir des a-halogénoesters. La réaction entre un carbanion formé à partir d'un a-halogénoester et un composé carbonylé est appelée réaction de Darzens. Il s'agit d'une méthode de préparation d'époxyesters (esters glycidiques). Elle est étudiée dans le chapitre relatif aux esters.

Ouverture nucléophile par les ions hydroxyde
Le traitement par l'eau du plus simple des époxydes, l'oxacyclopropane, conduit à la formation d'éthanediol.

La réaction entre les ions hydroxyde et le (2R,3S)-diméthyloxacyclopropane méso fournit un mélange racémique du (2S,3S)-butane-2,3-diol (composé I) et du (2R,3R)-butane-2,3-diol (composé II) énantiomères (couple like).

Le mécanisme correspond à une réaction bimoléculaire S_N2 entre le substrat et le nucléophile.

Plus généralement, à partir des deux époxydes énantiomères, on obtient seulement deux composés différents énantiomères .

Deux époxydes diastéréo-isomères fourniront, dans les mêmes conditions des diols diastéréo-isomères. La réaction d'ouverture est donc diastéréospécifique.
Puisque les époxydes sont facilement obtenus par réaction entre un peroxyacide et un alcène, cette suite de réactions constitue une dihydroxylation de ceux-ci permettant la synthèse de diols. Si l'on se réfère à la stéréochimie de l'alcène de départ, l'ensemble des deux réactions époxydation suivie de l'ouverture de l'époxyde est globalement diastéréospécifique de stéréochimie anti.
La dihydroxylation diastéréospécifique syn des alcènes est réalisable au moyen du permanganate de potassium ou du tétroxyde d'osmium.

Lorsque le cas se présente, l'ouverture nucléophile est régiosélective. Le nucléophile attaque l'époxyde sur l'atome de carbone le plus dégagé donc le moins substitué.

Si les substituants sont différents, au niveau du site réactionnel, on observe une inversion de configuration de l'atome de carbone correspondant ce qui indique que la réaction est du type S_N2.

Autres ouvertures nucléophiles

Les réactions suivantes sont utiles en synthèse :

• alcoolates

  

• hydrures (LiAlH₄)

  

• ions alcynures

  

Déprotonation des époxydes
La déprotonation d'époxydes au moyen de bases fortes comme le LDA, permet la synthèse d'alcools allyliques.

Transposition de Payne
Il s'agit d'une réaction de transposition des 2,3-époxyalcools sous l'action d'une base [35].

En milieu basique, la base arrache un proton à l'alcool pour former un ion alcoolate.

L'alcoolate réagit sur le carbone 2 de l'époxyde avec inversion de configuration de cet atome (réaction de type S_N2).

L'époxyde peut être ouvert in situ par un nucléophile présent dans le milieu.

Ouverture énantiosélective
Certains complexes métalliques utilisant un ligand chiral dérivant du ligand salen ont été préparés assez récemment par E. Jacobsen (Harvard).