Cours de chimie Organique

Cours de chimie Organique - G. Dupuis - Lycée Faidherbe de Lille

LES ALDÉHYDES ET LES CÉTONES

Généralités

Carbonylés importants

Le méthanal

Le méthanal est préparé par oxydation du méthanol.

L'éthanal

L'éthanal est préparé par oxydation de l'éthène grâce au procédé Wacker.

La propanone

La propanone est préparée à partir du propène par le procédé Wacker.

Propriétés physiques

Structure électronique du groupe carbonyle

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.

Spectroscopie

Spectroscopie infrarouge
C'est une méthode de choix pour l'étude des composés carbonylés. Le nombre d'onde de la vibration d'élongation 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. Les aldéhydes possèdent en outre une absorption caractéristique dûe à la vibration d'élongation de la liaison C - H et qui se présente sous la forme d'un pic fin.

s (cm^-1)	2750 - 2900	1650 - 1730
Vibration	Elongation C - H	Elongation C = O

On donne ci-dessous quelques exemples de spectres.

4-Méthylpentan-2-one

Benzophénone

4-Cyanobenzaldéhyde

Notons une propriété importante concernant le nombre d'onde de la vibration d'élongation du carbonyle.

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
Voici quelques valeurs de déplacement chimique.

Protons	H₃CO-	-CH₂-CO-	H-CO-
d (ppm)	2	2,5	10

On repère facilement les méthylcétones par la présence d'un pic vers 2 ppm. On notera le déblindage très important des protons aldéhydiques. L'effet inductif attracteur du groupe carbonyle diminue la densité électronique autour du noyau d'hydrogène.

Butan-2-one

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.

Aspect stéréochimique

Deux cas peuvent se présenter :

Les faces sont énantiotopiques (exemple l'éthanal) : on obtient deux énantiomères.
Les faces sont diastéréotopiques (c'est le cas si R₁ ou R₂ est chiral) : on obtient deux diastéréoisomères.

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 présentent sous la forme d'un solide blanc, stable dans l'air sec mais extrêmement réactif. On peut le préparer par la réaction suivante :

LiAlH₄ réduit de nombreuses doubles liaisons polarisées. Il est peu sélectif.

Le tétrahydruroborate de sodium NaBH₄ est un agent réducteur beaucoup plus doux que LiAlH₄. On peut le préparer en faisant réagir l'hydrure de sodium et le diborane.

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.

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.

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 stéréo électroniques. Avec les hydrures non encombrés comme NaBH₄ ou LiAlH₄, le facteur électronique est prédominant et la réaction normale correspond à une attaque axiale, conduisant à l'alcool possédant un groupe OH équatorial. Avec les hydrures encombrés, l'attaque équatoriale peut devenir prédominante. L'alcool possédant le groupe OH axial est alors majoritaire.

Composé	I	II
LiAlH₄	92	8
LiBH(secBu)₃	7	93

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 (exo) est largement majoritaire sur le bornéol (endo).

Induction asymétrique 1,2. Modèle de Felkin
Pour prévoir la stéréochimie de l'addition, plusieurs modèles de l'état de transition ont été proposés. Le plus ancien est connu sous le nom de règle de Cram (1953).

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]

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 au moins deux 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 donc plus déficient en électrons et donc plus électrophile.

La réaction d'hydratation est catalysée en milieu acide et en milieu 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
Il a pu être démontré que l'oxydation des aldéhydes en milieu aqueux faisait 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 le chlorochromate de pyridinium PCC.

Addition des organométalliques

Classes d'alcool
Les réactions entre les composés carbonylés et les organométalliques ont été traitées dans le chapitre correspondant. Rappelons simplement que ces réactions constituent des méthodes de préparation des alcools appartenant aux différentes classes.

Composé	Méthanal	Aldéhydes	Cétones
Classe d'alcool	Primaire	Secondaire	Tertiaire

Aspect stéréochimique
La stéréochimie de l'addition d'un organométallique sur les faces diastéréotopiques d'un composé carbonylé peut être prévue en utilisant la règle de Cram.

Addition des ylures de phosphore

Préparation des ylures de phosphore
On distingue schématiquement deux grandes catégories d'ylures : les ylures non stabilisés et les ylures stabilisés. Les ylures semi-stabilisés constituent une catégorie intermédiaire entre les deux précédentes.

Ylure	Non stabilisé	Stabilisé
Formule
Préparation	in situ	à part

EWG (electron widthdrawing group) désigne un groupe attracteur d'électrons.

La première étape de la préparation d'un ylure est la synthèse d'un sel de phosphonium. On réalise une subsitution nucléophile 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. On notera cependant 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.

Une préparation de la triphénylphosphine consiste à faire réagir un organomagnésien avec le trichlorure de phosphore.

Mécanisme de la réaction de Wittig
Le mécanisme de la réaction de Wittig n'est pas connu dans tous ses détails avec certitude. La réaction entre un ylure de phosphore et un composé carbonylé, conduit à un intermédiaire cyclique appelé oxaphosphacyclobutane ou, plus communément, oxaphosphétane.

Le clivage de l'oxaphosphétane conduit au composé éthylénique et à l'oxyde de triphénylphosphine. La formation de ce composé qui possède une liaison phosphore oxygène d'énergie de liaison élevée tire la réaction vers la droite.

Aspect stéréochimique
La prévision de la stéréochimie des produits de décomposition des oxaphosphétanes constitue un problème délicat qui a fait l'objet de nombreuses études. Plusieurs explications ont été avancées pour prévoir cette stéréochimie. A l'heure actuelle ce problème n'est pas complètement résolu. La décomposition des oxaphosphétanes est stéréospécifique.

Un oxaphosphétane de stéréochimie érythro conduit à un éthylénique Z.
Un oxaphosphétane de stéréochimie thréo conduit à un composé éthylénique E.

Notons toutefois que la situation est en réalité plus compliquée.

Applications de la réaction de Wittig
La réaction de Wittig est sans doute l'une des réactions les plus importantes de la chimie organique de synthèse. Elle permet de préparer des doubles liaisons éthyléniques dans lesquels la double liaison est positionnée sans ambiguité. Comme on l'a signalé, la prévision de la stéréochimie est plus délicate mais des méthodes de contrôle de celle-ci ont été mises au point.
Un des points forts de la réaction est l'accès facile aux éthyléniques comportant une double liaison exocyclique comme le montre l'exemple suivant:

Addition de l'ion cyanure

Conditions expérimentales
La réaction entre HCN et un composé carbonylé conduit à une cyanhydrine. HCN n'étant pas nucléophile, on fait réagir le composé carbonylé avec un cyanure alcalin puis on acidifie progressivement le milieu réactionnel pKa (HCN/CN-) = 9,1. Il faut naturellement opérer avec prudence pour éviter le dégagement de HCN, gazeux à la température ordinaire, et qui est très toxique. Ex:

La réaction précédente peut être facilement renversée. Traités en milieu basique, les cyanhydrines redonnent le composé carbonylé parent.

Synthèse de Kiliani-Fischer
La formation de cyanhydrine peut servir à allonger la chaîne carbonée d'un ose. Au cours de ses recherches visant à déterminer la structure du glucose, le grand chimiste allemand E. Fischer l'a mise à profit pour préparer le D-glucose à partir du D-arabinose.
L'addition de HCN au D-arabinose (A) fournit deux cyanhydrines diastéréoisomères (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.

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.

Thiols

Thiocétals

L'éthanedithiol est un réactif utilisé pour la synthèse des dithiocétals. On peut le préparer au moyen de la réaction :

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 .

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 raisonnablement 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).

Amines

Imines
Les imines peuvent être regardées comme les analogues azotés des composés carbonylés. Leur préparation peut être réalisée par condensation entre un aldéhyde ou une cétone et une amine primaire. La réduction des imines constitue une méthode d'alkylation douce des amines primaires.
L'addition des organomagnésiens sur les imines est utilisée dans la synthèse d'amines secondaires.

Dérivés azotés caractéristiques

Cas général
Nous allons symboliser le composé azoté par ZNH₂. Cette écriture permet de traiter simultanément plusieurs réactions qui procèdent d'un mécanisme semblable

Z	Réactif	Produit	Remarques
H	Ammoniac	Imine non substituée	Produit non isolable
R	Amine	Imine substituée	Produit isolable
NH₂	Hydrazine	Hydrazone	Produit solide
NHPh	Phénylhydrazine	Phénylhydrazone	Produit solide
OH	Hydroxylamine	Oxime	Produit solide
NH-CO-NH₂	Semi-carbazide	Semi-carbazone	Produit solide

Le mécanisme de la réaction est détaillé ci-dessous. La vitesse de la réaction passe par un maximum pour un pH voisin de 4-5. Le rôle du milieu acide est de protoner le carbonyle de certaines molécules afin de les activer sans bloquer l'activité nucléophile du composé azoté.

Lorsque Z est un groupe alkyle, le composé obtenu est une imine substituée. Dans ce cas l'équilibre est plutôt en faveur des réactifs. La situation est différente quand la conjugaison entre la double liaison et un doublet non liant porté par Z permet une stabilisation du produit formé. C'est le cas pour les oximes, les hydrazones et leurs dérivés. Notons que ces composés présentent en général l'isomèrie Z, E.

Oximes
Les oximes sont obtenues en faisant réagir l'hydroxylamine avec un composé carbonylé. Nous allons nous intéresser à la dégradation de Wohl qui permet de diminuer d'une unité la longueur de la chaïne carbonée d'un ose.

Hydrazones
L'hydrazine réagit avec les composés carbonylés pour donner des hydrazones.

Réactions d'oxydo-réduction

Réduction en alcool

Classe d'alcool
La réduction des composés carbonylés en alcools peut être regardée formellement comme la réaction inverse de l'oxydation de ces derniers.

Composé carbonylé	Méthanal	Ethanal	Cétones
Classe d'alcool	Primaire	Secondaire	Tertiaire

Hydrogénation catalytique
L'hydrogénation du groupe carbonyle nécessite des conditions plus dures que celle d'une liaison éthylénique. On peut ainsi réaliser des hydrogénations sélectives de doubles liaisons éthyléniques en présence d'un groupe carbonyle.

Réduction de Meerwein-Ponndorf-Verley
Cette réaction assez ancienne procède d'un transfert d'hydrure de l'isopropylate d'aluminium vers le dérivé carbonylé.

La réaction est renversable. Dans le sens inverse il s'agit d'une oxydation douce d'alcool connue sous le nom de réaction d'Oppenauer.

Réduction duplicative

Couplage pinacolique
Lorsque les conditions sont réunies pour que les radicaux aient une durée de vie suffisante, on peut observer un couplage. Après hydrolyse, on obtient un diol. Le magnésium est efficace dans ce genre de réaction car on pense qu'il permet le rapprochement de deux molécules dans l'état de transition.

Réduction du carbonyle en méthylène

Réaction de Clemmensen
La réaction consiste à traiter le composé carbonylé par un amalgame de zinc en milieu acide, à chaud. Les électrons sont fournis par le métal. L'acide joue le rôle de réactif protogène.

Voici un exemple d'application de cette réduction.

Réduction de Wolff-Kishner
La réaction de Wolff-Kishner constitue une alternative intéressante à la réaction précédente pour les molécules instables en milieu acide. Dans un premier temps on commence par faire réagir le composé carbonylé avec l'hydrazine. L'hydrazone ainsi formée subit une réaction d'élimination de diazote par traitement basique. Le bilan s'écrit :

Ce mode de réduction présente l'inconvénient de devoir travailler à une température élevée qui est peu compatible avec des structures fragiles. L'utilisation de tBuOK dont la basicité est exaltée par un solvant dipolaire aprotique comme le DMSO permet de réaliser la réaction d'élimination dans des conditions moins drastiques sur le plan thermique.

Le mécanisme de la réaction fait intervenir plusieurs stades :

Oxydation

Aldéhydes
Les aldéhydes sont des composés très réducteurs. Ils peuvent être oxydés par des oxydants doux. Les réactions suivantes utilisent des complexes d'ions métalliques en milieu basique. Elles sont surtout utilisées comme test analytique dans la chimie des sucres.

Le réactif de Fehling est une solution basique d'un complexe du Cu (II) avec les ions tartrate. Le ligand masque les ions Cu (II) vis à vis des ions hydroxyde. En leur absence il se formerait l'hydroxyde à un tel pH. Un produit de la réaction est l'oxyde de cuivre (I). La réaction est quantitative et a été utilisée pour effectuer le dosage des sucres réducteurs comme le glucose.
Le réactif de Tollens est une solution d'un complexe amminé de Ag (I) en milieu basique. Cette fois l'argent (I) est masqué vis à vis des ions hydroxyde par le ligand ammoniac. La réaction se traduit par la formation d'argent métallique. C'est une méthode d'argenture des miroirs.

Cétones
Les réactions d'oxydation des cétones cycliques permettent une ouverture du cycle. Elle passent par l'intermédiaire de l'énol. L'exemple suivant concerne l'ouverture de la cyclohexanone qui conduit à l'acide hexane-1,6-dioïque.

Réactions au voisinage du carbonyle

Enolisation

Résultats expérimentaux
Réalisées à partir du même composé carbonylé comme substrat, on constate expérimentalement que les réactions suivantes s'effectuent à la même vitesse.

Si l'on traite la (S)-3-phénylbutan-2-one par une quantité catalytique d'acide ou de base, on obtient à l'équilibre un mélange racémique de (S)-3-phénylbutan-2-one et de (R)-3-phénylbutan-2-one.

Pour expliquer ces résultats expérimentaux, on doit admettre l'existence d'un intermédiaire en équilibre avec le composé carbonylé. Cet intermédiaire qui est en même temps un isomère du composé carbonylé, porte le nom d'énol. On appelle tautomères ces isomères particuliers. La réaction correspondante s'appelle tautomérie.

L'étape d'énolisation, commune aux réactions précédentes constitue l'étape cinétiquement déterminante ce qui explique les résultats expérimentaux précédents. L'énolisation est une manifestation de la mobilité de l'atome d'hydrogène porté par l'atome de carbone en a du groupe carbonyle. Le taux d'énolisation dépend du composé carbonylé et du solvant. Il est très faible pour les aldéhydes et les cétones simples mais la présence de l'énol à côté du composé carbonylé parent joue souvent un rôle essentiel dans de nombreuses réactions. Plusieurs méthodes parmi lesquelles la spectroscopie dans l'uv - visible et la RMN permettent de déterminer le pourcentage d'énol présent à l'équilibre.

Mécanisme de l'énolisation
En milieu acide, le carbonyle est protoné. L'étape cinétiquement déterminante est la formation de l'énol.

L'énolisation est aussi catalysée par les bases. Dans ce cas, il faut faire intervenir l'ion énolate.

Taux d'énolisation
Le tableau ci-dessous regroupe quelques valeurs expérimentales. Certaines particularités structurales peuvent expliquer un pourcentage d'énol élevé. On peut dégager deux tendances :

Les carbonylés ordinaires sont peu énolisés. Les aldéhydes le sont davantage que les cétones.
Chez les composés dicarbonylés l'énol peut être majoritaire.

La diénone suivante est fortement énolisée. La forme énol est stabilisée par l'existence d'une conjugaison entre le carbonyle et la double liaison éthylénique ou d'une liaison hydrogène intramoléculaire possible.

Acidité
Les composés carbonylés énolisables sont des acides. L'atome d'hydrogène porté par l'atome de carbone en a du carbonyle peut être arraché par une base suffisamment forte. La propanone ne peut être déprotonée de façon quantitative que par des bases très fortes en milieu non aqueux. Le butyllithium ou le diisopropylamidure de lithium (LDA) sont des bases couramment utilisées. En revanche, une dicétone comme la pentane-2,4-dione est aisément déprotonée par la soude aqueuse. On notera un accroissement très important (20 unités de pK) quand on passe du méthylpropène à la propanone. Puisqu'il s'agit d'un équilibre, examinons l'état initial et l'état final.

Nous avons déjà évoqué la mobilité de l'atome d'hydrogène en a lors de l'étude de l'énolisation. On peut l'expliquer par l'effet attracteur du carbonyle voisin.
L'état final correspond à la base obtenue après avoir déprotoné le composé carbonylé. Il s'agit d'un ion négatif comportant une structure conjuguée appelé ion énolate.

Alkylation des énolates

Alkylation des énolates
L'alkylation directe des aldéhydes est peu pratiquée en raison de la réaction concurrente de condensation aldolique. Examinons l'alkylation des cétones.
L'alkylation intramoléculaire est une méthode de formation de cycles qui s'effectue avec un bon rendement.

Condensation aldolique

Aldolisation
L'aldolisation est une réaction d'addition entre deux aldéhydes. Elle conduit à un équilibre. Le produit obtenu possède le nom évocateur d'aldol. La réaction inverse de coupure d'un aldol s'appelle rétroaldolisation. L'équilibre est en faveur du produit. Si l'on opère à température assez basse l'aldol peut être isolé.

Les aldols subsissent assez facilement une réaction de déshydratation appelée crotonisation. La réaction peut avoir lieu en milieu acide ou en milieu basique. La force motrice est la formation d'un carbonylé conjugué avec une double liaison éthylénique.

La déshydratation de l'aldol peut intervenir à la suite de l'aldolisation sans qu'on puisse isoler l'aldol intermédiaire. C'est le cas si la réaction intramoléculaire conduit à un cycle à 5 ou 6 chaînons.