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COURS DE CHIMIE ORGANIQUE

Les grandes classes de réactions organiques 1

Table des matières       

Chapitre I : Effets de solvant Chapitre II : Réactions de condensation Chapitre III : Réactions de catalyse par transfert de phase Chapitre IV : Réactions d‘oxydo - réduction Chapitre V : Réactions péricycliques Chapitre VI : Réarrangements moléculaires Chapitre VII : Réactions radicalaires

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Chapitre I

Effets de solvant

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I) Introduction: 1) Définition:  Le solvant est un liquide qui a les propriétés de dissoudre, de diluer ou d‘extraire d‘autres substances sans provoquer de modifications chimiques .  les produits dissouts dans le solvant sont appelés des solutés.

 Quand le solvant est réactif c‘est la solvolyse. Réaction de substitution, d‘élimination où le solvant joue le rôle de nucléophile. 4

2) Solvatation:  phénomène physico-chimique observé lors de la dissolution d'un composé chimique ‗soluté‘ dans un solvant.  la nature des interactions dépend de la nature du solvant et du soluté

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3) Grandes familles de solvant:        

Hydrocarbures aliphatiques et aromatiques Alcools Glycols Hydrocarbures halogénés Cétones Esters Ethers de glycol Autres solvants: eau, acides minéraux, amines, amides, nitroparaffines….. 6

II ) Propriétés des solvants: 1) Moment dipolaire:  Le moment dipolaire μ (mu) caractérise le dipôle du solvant, il dépend de la distance qui sépare deux atomes et de leurs charges:

 μ=qxd • q est la différence de charge ( en C ) • d est la distance entre les deux atomes (en m) 7

• Plus le moment dipolaire du solvant est élevé, plus celui-ci favorise la formation et le maintien des charges. • On dit qu'il augmente son pouvoir ionisant. 8

2) Constante diélectrique ε (epsilon): La constante diélectrique ou permittivité relative définit le pouvoir dissociant . Plus la constante diélectrique du solvant est élevée, plus le solvant favorise la séparation des particules. Exemple: H2O

Permittivité relative de l‘eau : ε = 80 à 20°C . Cela signifie que dans l‘eau deux charges électriques opposées verront leur force d‘attraction divisée par 80 (par rapport au vide). 9

3) Polarité: • Une liaison covalente est dite polaire, si la différence entre les électronégativités des deux atomes n‘est pas nulle :

• L‘intensité du vecteur dipôlaire dépend évidemment de la différence d‘électronégativité entre les deux atomes :

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4) Proticité: • Un solvant est protique s'il peut former des liaisons hydrogène, si non il est dit aprotique.

Exemple :H2O polaire protique , CCl4 apolaire aprotique 11

III) Les caractéristiques des solvants: 1) Solvants aprotiques apolaires Ce sont des solvants incapables d‘établir des liaisons hydrogène, ils sont donc:

• peu ionisants (incapacité à créer des ions par rupture de liaison) • peu solvatants (incapacité à enrober des charges). 12

Exemples de Solvants aprotiques apolaires: constante diélectrique ε et de moment dipolaire μ (en Debye).

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2) Solvants protiques polaires: • Les solvants protiques polaires possédent des liaisons hydrogène, solvatent ainsi les molécules chargées: • les anions sont fortement solvatés grâce à des liaisons hydrogène. Ils deviennent isolés et donc peu réactifs. • Les cations sont aussi solvatés par le pôle électronégatif du solvant. Cette solvatation est moins forte qu'avec une liaison hydrogène. Les cations sont modérément réactifs.

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Exemples de Solvants protiques polaires: constante diélectrique ε et de moment dipolaire μ (en Debye).

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3) Solvants aprotiques polaires Il y a apparition de charges par effet mésomère. On observe que la charge positive est diffusée, tandis que la charge négative est concentrée sur un seul atome.

Les cations sont fortement solvatés et deviennent peu réactifs. Les anions sont faiblement solvatés, ils restent modérément réactifs, « l‘inverse avec les solvant protiques ».

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Exemples de Solvants aprotiques polaires: constante diélectrique ε et de moment dipolaire μ(en Debye).

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IV) EFFETS DE SOLVANT : • le solvant peut stabiliser, ou déstabiliser, un état de la réaction: c‘est l'effet de solvant • La vitesse de réaction s'en trouve alors modifiée, parfois de manière très importante • La réaction peut alors n'être possible que dans certains solvants (cas des organomagnésiens).

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1) Effets du solvant sur les réactions: • Processus simples: Un solvant polaire favorisera la formation et la séparation des charges, tandis qu'un solvant apolaire favorisera la disparition des charges.

-

• Remarque: Lorsqu'un processus fait intervenir des molécules de charges neutres, la polarité du solvant n'a aucune influence. 21

Exemple:

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2) Effets du solvant sur la réactivité des molécules: A: Basicité et nucléophilie B: Théorie HSAB (Hard and Soft Acids and Bases) C: Influence du solvant et du contre-ion D: Solvatation E: Nucléophilie

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A. Basicité et nucléophilie  Une base attaque un atome d'hydrogène ( ex: OH- ), tandis qu'un nucléophile (ex: CN- ) attaque un centre nucléophile pauvre en électrons (ex: carbocation R+ ).  Une molécule peut être à la fois basique et nucléophile, sa réactivité est modifiée par les conditions du milieu ( solvant, température et gène stérique des constituants).  De manière générale, plus la charge négative est concentrée, plus la molécule aura un caractère basique, tandis qu'une charge diffusée sera nucléophile.

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B. Théorie HSAB(Hard and Soft Acids and Bases) • • • •

On peut identifier sur des molécules des sites mous et des sites durs. On les définit tels que : Une charge dense, petite et peu polarisable est un site dur (ex: OH- ; H+ ). Une charge dispersée, _étendue et polarisable est un site mou ( ex: R+ ; R ). Un site dur réagira en priorité avec un autre site dur, tandis qu'un site mou réagira avec un autre site mou (dur/dur, mou/mou). En général, les réactions entre sites durs sont des réactions acide/base, et les réactions entre sites mous sont des réactions nucléophile/électrophile. 25

C. Influence du solvant et du contre-ion • Un ion est plus réactif, s'il est moins lié fortement à son contre-ion, et inversement. Ainsi pour l'ion Fluorure :

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D. Solvatation en solvants protiques

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E. Nucléophilie relative en solvant protique • La nucléophilie est une mesure des vitesses relatives de la réaction. - Elle est basée sur la basicité (un nucléophile plus basique est moins réactif ) - Elle est affectée par la solvatation (un nucléophile plus solvaté est moins réactif ) Exemple : Nucléophilie relative en solvant protique. -SH > -CN > I- > -OH > N3- > . . . > Br- > CH3CO2- > Cl- > F- > H2O ( les anions petits sont plus solvatés en solvant protique, donc moins nucléophile et inversement ) 28

3) Solvatation en solvants aprotiques polaires : Les solvants aprotiques polaires n‘ont pas d‘hydrogéne lié à un atome électronégatif « N ; O ;. . . » :

Ils solvatent bien les cations, mais pas les anions

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V) Nucléophilie relative en solvant aprotique: • En absence de solvatation, les anions réagissent fortement comme nucléophiles • Les solvant aprotiques sont très utiles pour effectuer une réaction SN2 • La nucléophilie suit la basicité. - La nucléophilie relative en solvants aprotiques F- > Cl- > Br- > I-

- La nucléophilie relative en solvants protiques I- > Cl- > Br- > F30

1) Effets des solvants (SN1) : A) Rappelle de la réaction SN1: Réaction en 3 étapes. • Première étape : monomoléculaire, lente, au cours de laquelle a lieu la rupture hétérolytique de la liaison C—X.

• Deuxième étape : très rapide, au cours de laquelle le nucléophile ( ici H2O) réagit avec le carbocation

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• Troisième étape : très rapide également, au cours de laquelle le produit de la réaction se forme.

Comme la cinétique d'une réaction est toujours imposée par l'étape lente, la vitesse de formation du produit t-Bu-OH est égale à celle de formation du carbocation Me3C+. 32

B) Influence du solvant dans SN1: un solvant polaire protique augmente la vitesse de SN1 car il forme des liaisons hydrogène avec le groupement partant. Celles-ci vont polariser d‘avantage la liaison C—X pour fournir le carbocation.

Le carbocation formé est stabilisé également par solvatation. 33

Exemples:

Constante diélectrique ε H2O = 80.

Constante diélectrique ε Acétone = 21. La constante diélectrique du solvant indique sa capacité de stabiliser ces ions et donc d‘accélerer les réactions SN1

La solvatation du nucléofuge (par des liaisons H) explique ce phénomène. 34

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2) Effets des solvants (SN2): A) Rappelle de la réaction SN2: Réactions d'ordre 2, le mécanisme est bimoléculaire en une seule étape.

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B) Influence du solvant dans SN2: Pour un nucléophile chargé Nü- , un solvant polaire protique diminue la vitesse de SN2 en solvatant le nucléophile par établissement de liaisons hydrogène et diminuant ainsi sa nucléophilie.

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En revanche, un solvant apolaire ou polaire mais aprotique (absence de liaisons hydrogène) augmente la vitesse de SN2 en solvatant le cation du nucléophile. La figure ci-contre montre la solvatation du cation K+ d'un nucléophile par le diméthylsulfoxyde (DMSO solvant polaire aprotique).

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En plus Pour le Nu-, la solvatation n‘est pas favorable à cause du gène stérique des groupements CH3 de DMSO. Le nucléophile restera alors libre dans le milieu réactionnel, donc très réactif pour attaquer directement le dérivé halogéné et favoriser le passage par l‘état de transition.

Autres exemples de solvants polaires mais aprotiques :

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Conclusion • SN1: favorisé par les solvants polaires protiques « H2O ; R-OH ; R-COOH . . . » • SN2: favorisé par les solvants polaires aprotiques « DMSO ; Acétone ; DMF . . . »

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VI) Familles de solvants organiques: 1) Hydrocarbures halogénés:

2) Les alcools R-OH : Éthanol

Méthanol

Alcool furfurylique

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3) Cétones: Acétone

4) Les ethers : Éther Éthylique

MIBK (Methyl isobutyl Ketone)

THF (Tétrahydrofuranne)

5) Éthers de glycol R-O-R‘-OH: Éthylène glycol Propylène glycol méthyl éther méthyl éther

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6) Les esters R-C-O-R‘: Lactate d’éthyle

Acétate d’éthyle

Carbonate de propylène

7) Dérivés nitrés Nitro-alcanes: Nitrométhane

2-Nitropropane

Nitrobenzène

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8) Dérivés soufrés : Sulfure de carbone

9) Dérivés azotés: Triéthylamine

Pyridine

DMSO (Dimethyl sulfoxide)

DMF (N, N-Diméthylformamide)

Acétonitrile 44

Chapitre II Réactions de condensation

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Généralités: Une réaction de condensation est une réaction chimique au cours de laquelle deux molécules, ou deux parties d'une même molécule, se combinent pour former une nouvelle molécule (le condensat) en éliminant une molécule simple (le sous-produit), telle l'eau (le plus souvent).

Les plus répandus en chimie organique sont la condensation aldolique (aldolisation); réaction de Claisen Schmidt; de Michael; L‘annélation de Robinson; la réaction de Stork; de Knovenagel; de Claisen et Claisen mixte; cyclisation de Dickmann; Benzoination des aldéhydes; réarrangement benzylique; réaction de Wittig; de Wittig Horner; de Corey; . . .etc.

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Définition d‘aldolisation: C'est une réaction d'auto-condensation, c'est-à-dire que deux mêmes molécules avec des carbonyles réagissent entre elles, pour donner une seule molécule avec une fonction aldéhyde (ou cétone) et une fonction alcool, un aldol.

A. Mécanisme général:

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B. Condensation aldolique en milieu acide ou basique:

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énolate

Remarque: En utilisant une base faible sur un aldéhyde, peu sera sous forme énolate. Une base faible favorisera une autocondensation. 49

C. Condensations aldoliques mixtes, Réaction de Claisen-Schmidt: 1) Réaction: Les condensations mixtes font réagir entre eux un aldéhyde et une cétone. Dans ce type de mélange, les condensations majoritaires sont d'ailleurs les condensations mixtes plutôt que les auto condensations. De plus, ils résultent presque toujours d'une attaque de la cétone vers l'aldéhyde (plus électrophile, carbonyle moins substitué par des groupements alkyles). Pour augmenter cette sélectivité, on utilise un aldéhyde non énolisable ; le plus souvent c'est un aldéhyde aromatique. On l'appelle la réaction de Claisen-Schmidt.

Exemple:

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2) Influence du pH: La régiosélectivité dépend du pH.

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3) Stéréosélectivité de la crotonisation: Quelque soit la configuration des carbones, on cherche à diminuer l'encombrement des groupements.

Stérioisomére E

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4) Rétro-aldolisation: On observe parfois une rétro-aldolisation lorsque la déshydratation n'est pas assez rapide.

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D. Condensation aldoliques intramoléculaires: Dans cette réaction, les deux groupements carbonyles (cétones; aldéhydes ) nécessaires à la condensation se trouvent dans la même molécule. On peut former ainsi des cycles à 5 ou 6 carbones.

Énolate le plus stable Dans des conditions cinétiques, on forme l'énolate le plus facile à former. C'est généralement l'énolate le moins encombré.

Cis-jasmane

Remarque : C‘est une des méthode de synthése de la molécule de jasmane très connue pour son odeur agréable. 54

Contrôle cinétique et contrôle thermodynamique: Le contrôle cinétique se dit des conditions de réaction qui favorisent surtout le produit formé le plus facilement. Le contrôle thermodynamique se dit des conditions qui donnent surtout le produit le plus stable.

Exemple:

Contrôle cinétique . Contrôle thermodynamique 55

1) Réaction de Michael: La réaction ou l'addition de Michael est une réaction qui permet la création de liaisons carbone-carbone. Il s'agit de l'addition nucléophile d'un carbanion sur un composé carbonylé α,β-insaturé (aldéhyde, cétone . . . etc). On obtient ainsi une molécule avec deux centres carbonyles pour faire une condensation intramoléculaire annélation de Robinson.

Remarque: Cette réaction doit son nom au chimiste américain Arthur Michael. 56

2) Annélation de Robinson: l'annélation de Robinson est une réaction qui créé une cétone α,β-insaturée cyclique à 6 carbones à partir d'une cétone (ou aldéhyde) et de la méthylvinylcétone. La réaction tient son nom du chimiste britannique Robert Robinson.

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Mécanisme : La méthylvinylcétone accepteur de Michael prend part à une condensation aldolique. La première étape de l'annélation est une addition de Michael suivie par une addition aldolique comme étape de cyclisation. La réaction continue par une étape de déshydratation comme dans une condensation aldolique classique pour former le cycle cyclohexènone.

Remarque: Le réarrangement permet l‘obtention d‘un cycle à 6 carbons plus stable . 58

3) Condensation avec une énamine: On peut faire l'analogie d‘équilibre entre forme énol et cétone d'une part, et forme énamine et imine d'autre part.

énamine

iminium

acétylate

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E. Condensation sur des imines des iminiums et des énamines. 1) Introduction: Les amines primaires et secondaires, en raison de leur caractère nucléophile, peuvent s‘additionner sur la double liaison C=O des cétones et des aldéhydes pour donner un α-aminoalcool.

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Si l'amine est primaire, l'α-aminoalcool se déshydrate spontanément et donne une imine que l‘on appelle « base de Schiff » :

Si l'amine est secondaire, l'α-aminoalcool ne se déshydrate que s'il existe un H en β de l'alcool sur un des groupements fixé sur le carbonyle du départ et il se forme une énamine, application dans la Réaction de Stork qui va suivre.

énamine 61

2) Condensation sur des imines ou des iminiums:

Préparation de l'iminium: Aminométhylation de Mannich On mélange un aldéhyde avec une amine secondaire, en milieu acide. On utilise le plus souvent les sels d'Eschenmoser.

-H2O

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Réaction entre l'énol et l'iminium:

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Application de la réaction par rapport à la cétone:

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3) Condensation des énamines: Rappel: Les énamines ont des similarités avec les énolates.

Réaction de Stork : C‘est une réaction très utiles pour ajouter un groupement en alpha d'une cétone ou d'un aldéhyde ( liaison C-C ). Le carbone a un caractère nucléophile moins que l‘énolate et réagira selon une réaction similaire de Michael tout en étant plus douce. 65

F. Réactions analogues à la condansation aldolique: 1) Réaction de Knovenagel: La condensation de Knoevenagel est une réaction d‘un carbonylé avec un carbanion en présence d'une base faible pour former un composé carbonylé α,β-insaturé ou un composé apparenté après élimination.

Application:

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Mécanisme: 

Formation d’imine suivie d’ iminium

H

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Remarque: Lorsqu'une fonction acide carboxylique est présente, on assiste aussi à une décarboxylation. Si deux fonctions sont présentes, elle ne s'effectue qu'une fois.

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2) Réaction de condensation de Claisen: La réaction de Claisen est une condensation entre deux esters, en passant par un énolate, c‘est une acylation des carbanions.

C‘est la déprotonation de l‘acétoacétate qui est la force motrice de la réaction

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3) Réaction de condensation de Claisen mixte: C‘est une réaction de l'énolate d'un ester avec autre ester (un des esters n'a pas d'hydrogène en α (benzoate; formiate; oxalate), c‘est une condensation sélective.

En général, on mettra un excès d‘accepteurs (Benzoate, formiate, oxalate).

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4) Condensation de Claisen intramoléculaire: Cyclisation de Dieckmann:

Ou H+

Mécanisme: H+

Remarque: pour que la réaction intramoléculaire se fasse bien il faut que la solution soit diluée. Cette réaction est très intéressante car elle permet de former des composés cycliques fonctionnalisés 71

5) Benzoination des aldéhydes: La benzoïne peut être obtenue par condensation bimoléculaire de l'aldéhyde benzoïque. C'est une réaction qui peut être réalisée avec les aldéhydes aromatiques, ou des aldéhydes non énolisables.

Mécanisme:

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Condensation apparentées à la benzoination. Dimérisation catalytique des aldéhydes en α-hydroxycétone en présence d‘ un sel de thiazolium ( du thiazole sur lequel on a greffer une longue chaîne apolaire pour assurer la solubilité dans une phase organique), ce sel servira de catalyseur

L‘hydrogéne en α de l‘atome de soufre et d‘azote a un caractère acide (pka de l‘ordre de 20) car il est fort bien stabilisé par résonance

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Mécanisme:

Remarque: La déprotonation n‘est pas aisée, mais l‘espèce 74 formée est très bien Stabilisée par résonance.

Remarque: Dans les 2 cas on a recourt à un catalyseur, dans le premier cas il s‘agit d‘un ion cyanure et dans le second un sel de thiazolium. Ce catalyseur permet de rendre l‘ H d‘un aldéhyde relativement acide 75

6) Réarrangement benzylique. Lorsqu‘on traite les α-dicarbonyles par des ions hydroxides, on obtient des hydroxyacides. Les carbonyles sont plus réactifs car ils sont l‘un a côté de l‘autre.

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Mécanisme:

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Remarque: Ce type de réaction est similaire a la dismutation du benzaldéhyde en milieu basique , la réaction de Cannizzaro dans lequel un hydrure est transféré de l‘hydrate a une deuxième molécule de benzaldéhyde.

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G. Réactions impliquant des ylures: I) YLURES AU PHOSPHORE

Le Phosphore: - Généralités

Propriétés similaires à l’azote

- Géométrie

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Nomenclature des composés phosphorés:

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1) Préparation de l‘ylure:

Triphenylphosphine

Selon les groupements portés par l'halogénoalcane, l'ylure sera plus ou moins facile à former (il faudra une base plus ou moins forte)  Avec des groupements alkyles, il faudra une base forte (hydrure, ou alkyl de lithium) ; on les génère in situ avec THF pour solvant.  Avec des groupements aromatiques, l'ylure est semi-stabilisé, on utilise une base faible (alcoolate).  Avec des groupements attracteurs, l'ylure sera stabilisé, il faudra une base faible (alcoolate, soude) ; de plus il est conservable. 81

2) Réaction de Wittig: Il s'agit de l'addition d'un ylure de phosphore (phosphorane) sur un composé carbonylé pour former des composés éthyléniques . Georg Wittig, prix Nobel de chimie en 1979 pour cette découverte.

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Remarque: * Avec un ylure stabilisé on obtient majoritairement un alcène E (contrôle thermodynamique). * Avec un ylure peu stabilisé, on obtient l'alcène Z (contrôle cinetique). En effet, un ylure plus stable a plus le temps de faire des réarrangements, et donc de former l'alcène le plus stable E. Exemple:

83 42

3) Réaction de Wittig-Horner: La réaction de Wittig-Horner permet de former un alcène à partir d'un composé carbonylé et d'alkylphosphonates. Le carbanion, intérmediaire est stabilisé par mésomérie, il est donc plus réactif qu'un ylure de phosphore. De plus, on forme un sel de phosphate qui est facile à séparer des molécules organiques. Le produit formé est généralement l'alcène E.

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II) YLURES AU SOUFRE Soufre: 1S2 2S22P6 3S23P43d0 A cause des orbitales 3d, c'est une molécule hypervalente

thioéther pour les alkyles

sulfure

sulfone

Hexafluorure de souffre Bipyramide tétragonale Hybridation sp3d2 85

Préparation  Sulfonium:

 Sulfoxonium:

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2) Attaque sur un dérivé carbonylé:

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Réaction de COREY On utilise un diphénylsulfure pour que ce soit spécifiquement le groupement R qui soit ajouté au dérivé carbonylé.

• Ylure de sulfonium:

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Réactivité: La réactivité du sulfonium est différente du sulfoxonium. Le sulfonium est généralement un réactif tendance à plutôt former l'isomère cinétique.

plus fort, il a donc

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Cas des cycles:

Remarque: les ylures de sulfonium peu stables, conduisent au produit le plus vite formé (qui est en même temps le moins stable) comportant une liaison C-C axiale sous contrôle cinétique

les ylures de sulfoxonium plus stables, conduisent au produit le plus stable comportant une liaison C-C équatoriale sous contrôle thermodynamique

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Chapitre III

Catalyse par Transfert de Phase

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Découverte par le chimiste Jarousse J. en 1951 . Découverte par le chimiste polonais Makosca en 1965 . Le transfert de phase a été développé par C.M. Stark en 1970. 92

I) Généralités : • Dans de très nombreux cas, la molécule organique à transformer (le substrat) est insoluble ou peu soluble dans l'eau tandis que le réactif l'anion d'un composé minéral est soluble dans l'eau. • Cette méthode, le "transfert de phase", consiste à faire passer l'anion réactif de la phase dans laquelle il est naturellement en solution vers la phase dans laquelle se trouve le substrat à traiter. • Pour cela on utilise un agent de transfert de phase qui est un composé amphiphile (soluble dans deux milieux "incompatibles").

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1) Les catalyseurs: Les catalyseurs sont des amphiphiles c‘est-à-dire à la fois hydrophile et hydrophobe

 Ils comportent une partie apolaire et une partie ionique.  Ils sont solubles en milieu aqueux et en milieu organique . 94

2) Principe de la CTP : Les ions sont faiblement solubles dans une phase organique . les anions y sont véhiculés grâce à un contre-ion positif (le catalyseur) qui partage son affinité entre la phase aqueuse et la phase organique. Ces ions transporteurs (catalyseurs) sont recyclés au fur et à mesure de la réaction.

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3)Exemple:

• Ajout d‘un co-solvant: alcools: faible rendement! • Ramener l‘anion réactif dans la phase organique: CTP 96

4) Avantages: • Excellents rendements • Conditions douces de T° et Pression • H2O comme solvant: Chimie verte • Catalyseur recyclé 97

II) Mécanisme de catalyse par transfère de phase: 1) CTP par mécanisme d‘extraction: Dans les réactions qui font intervenir des anions disponibles sous forme de sels (cyanures, halogénures, azotures ou sels d‘acides organiques « forts » comme les carboxylates...).  Les sels sont introduits en solution aqueuse (système liquide-liquide L/L) ou sous forme solide (système solideliquide S/L).  La phase organique contient le substrat organique en solution dans un solvant organique ou pur, s‘il est liquide.  Le catalyseur transfert en continu l‘anion réactif en phase organique, sous forme de paire d‘ions lipophiles générée par échange d‘ions, phase dans laquelle se produit la réaction. 98

Figure 1: CTP par mécanisme d‘extraction et exemple de réactions typique

QX est ici le catalyseur

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Exemple 1:

Schéma1: sels de tétraalkyl-amonium et -phosphonium comme CTP 100

2) CTP par mécanisme interfacial: Dans les réactions qui font intervenir des anions organiques générés insitu à partir d‘acides organiques faibles comme les carbanions, alcoolates,amidures, thiolates, etc.

 La base inorganique est introduite sous forme de solution aqueuse concentrée (NaOH ou KOH) pour les procédés L/L ou sous forme solide (NaOH, KOH,K2CO3) pour les procédés S/L.  La phase organique contient le précurseur de l‘anion (acide organique faible AH), le réactif électrophile, le catalyseur de transfert de phase et le solvant.  L‘anion réactif est généré à l‘interface par réaction avec la base, puis est transféré dans la phase organique sous forme de paire d‘ions lipophiles A–Q+ où il réagit avec l‘électrophile (généralement un agent alkylant). 101

Figure 2: CTP par mécanisme interfacial et exemple de réactions typique

102

Exemple 2: C-alkylation du phénylacétonitrile

103

Mécanisme:  L 'anion se forme par action de la soude sur la phénylacétonitrile.  L‘anion est extrait en milieu organique par association avec le cation triéthyl benzyl ammonium (TEBA).  L'anion réagit en milieu organique anhydre (la soude jouant le rôle de desséchant) sur le bromure de benzyle en formant le benzyl-2 phénylacétonitrile.  Un anion bromure est libéré ; celui-ci s'associe avec le cation triéthyl benzyl ammonium, ce qui régénère le catalyseur.  Les produits formés restent dans la phase organique.  En fin de réaction, les deux phases sont décantées et le catalyseur est éliminé par lavage à l'eau du milieu organique. 104

III) Familles de catalyseurs par transfert de phase

Figure 3: Exemples de catalyseurs de transfert de phase

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1) Les sels d‘onium:  les plus couramment employés sont des sels d‘ammonium quaternaire ou de phosphonium.  Les sels d‘ammonium, peu couteux, sont les plus utilisés.  Les sels de phosphonium présentent l‘intérêt d‘une plus grande stabilité au dessus de 100 ° C.  La charge en catalyseur est classiquement de 1 à 5 % molaire. 106

2) Les éthers-couronnes et les cryptands  Ils forment des complexes avec les cations alcalins et permettent ainsi le transfert de l‘anion associé.  Ce sont des agents de transfert très efficaces pour les réactions en système solide-liquide.  Stables à haute température jusqu‘à 150-200 ° C et en milieu basique.  Inconvénient: coûteux.  Un analogue acyclique, moins onéreux, la tris(3,6dioxaheptyl) amine (TDA) est également un bon agent de transfert de phase pour des réactions S/L.

107

la tris(3,6-dioxaheptyl) amine (TDA)

54

108

3)Les polyéthylène-glycols (PEG) : • Les PEG ont été utilisés comme catalyseurs de transfert de phase pour système solide-liquide avec ou sans solvant organique (éthérifications, SN, oxydations, réductions, carbonylations). • Un intérêt majeur des PEG est la possibilité de les utiliser comme solvant • Faciles à séparer et peuvent être récupérés en fin de réaction • Ces polyéthers sont des substituts économiques aux éthers-couronnes 109

IV) Exemples de réaction par CTP: 1) C-alkylation asymétrique par CTP:

110

2) N-alkylation par CTP:

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3) O-alkylation

112

4) S-alkylation

113

Chapitre IV

Les Réactions d’Oxydo-Réduction 114

I ) Les réactions d‘oxydation: 1) Généralités: Les réactions d'oxydation en chimie organique sont classées selon 5 catégories . A. Les réactions faisant intervenir le départ d'atomes d'hydrogène :

B. Les réactions impliquant la rupture d'une liaison C - C :

115

C. Les réactions impliquant le remplacement d'un atome d'hydrogène par un atome d'oxygène :

D. Les réactions dans lesquelles un atome d'oxygène est ajouté au substrat :

E. Les réactions de couplage oxydant :

116

2) Les réactifs Oxydants: Le choix du réactif dépend de la fonction à oxyder (Alcool, carbonyle, oléfine…) et de la nature du produit désiré (oxydation douce ou forte), on distingue: • Réactifs à base de métaux de transition: Cr, Mn, Pb, Os… • Réactifs à base d‘oxygène: O3, O2, H2O2….. • Réactifs spécifiques: Peracides, DMSO, SeO2,… 117

I-A) Réactions avec départ d'atomes d'hydrogène:

Remarque: Pour faire ces oxydations il existe un très grand nombre d'agents d'oxydation dont voici quelques une à base de chrome. 118

Oxydation au chrome :  Les sels de chrome sont très toxiques et polluants. Liste des composés chromés du plus oxydant au moins oxydant Abréviation

Nom / Notes

H2SO4 / CrO3

Réactif de Jones

CrO3 Pyridine

Réactif de Collins

PCC

Pyridinium chlorochromate

PDC / DMF

Pyridinium dichromate Dans ce cas on va jusqu’à L’acide carboxylique

PDC / CH2Cl2

Dans ce cas on s’arrête à L’aldéhyde

Formule développée

119

Mécanisme d‘oxydation (Jones) :

Remarque: c'est un mécanisme faisant intervenir une β-élimination. 120

Remarque: Ces réactions d‘oxydation ce font en présence d‘eau. 121

Généralement: En milieu aqueux, les alcools primaires sont oxydés en aldéhydes eux même oxydes en acides carboxyliques. Pour s‘arrêter au stade de l‘aldéhyde il faut donc utiliser des oxydants non aqueux, dans des solvants organiques.

Exemple: • Pyridinium Chloro Chromate: (PCC) • Réactif de Swern: ( DMSO, (COCl)2, en solvant CH2Cl2) Réactif de Sarrett: ( CrO3, en solvant pyidine ). Réactif de Collins: ( complexe CrO3 (pyridine)2, en CH2Cl2 ) • Oxydation d'Oppenauer: (tri-tert-butoxyde d'aluminium /cétone ; Al(Oi-Bu)3/CH3COCH3) 122

Mécanisme d‘oxydation au Pyridinium Chloro Chromate (PCC):

Remarque: La réaction ne produit pas d‘eau:

61 123

Oxydation de Swern :

Anhydride trifluoroacétique

Chlorure d'oxalyle ( dichlorure d'éthanedioyle )

Remarque : Dans certains cas, l'utilisation de triéthylamine en tant que base peut conduire à l'épimérisation du carbone α du carbonyle nouvellement formé. L'utilisation du diisopropyléthylamine (i-Pr2NEt), plus encombrant, peut tempérer cet effet non désiré. 124

Mécanisme d‘oxydation de Swern: DMSO

Cl

Remarque: Lorsqu'on utilise le chlorure d'oxalyle comme agent de déshydratation, la réaction doit être maintenue à une température inférieure à −60 °C pour éviter les réactions secondaires. En utilisant l'anhydride trifluoroacétique à la place du chlorure d'oxalyle, la température peut être augmentée à −30 °C sans réactions secondaires. 125

Oxydation d'Oppenauer :  Cette réaction permet d'oxyder un alcool en dérivé carbonylé par action de tri-tert-butoxyde d'aluminium (Al(Ot-Bu)3) en présence d'une cétone.

Remarque:

La réaction est l'inverse de la réduction de Meerwein. L'alcool est oxydé par le tri-tert-butoxyde d'aluminium dans un excès d'acétone, ce qui déplace l'équilibre du côté des produits. Cette méthode a largement perdu de son intérêt à l'invention des méthodes d'oxydation à l'aide de chromates (PCC) ou de diméthylsulfoxyde (Oxydation de Swern). Elle est cependant toujours utilisée pour l'oxydation des substrats acides labiles, et son avantage est que ses réactifs sont relativement peu coûteux et non toxiques. 126

Mécanisme d‘Oxydation d'Oppenauer :

127

Réactions d'époxydation : Les époxydes peuvent être formés de deux façons, soit par action d'un agent d'oxydation sur une double liaison, soit par substitution nucléophile intramoléculaire.

Remarque: Il est possible d'accélérer la réaction en enrichissant la double liaison à l'aide de groupes donneurs d'électrons. En revanche si on a des groupes attracteurs d'électrons, alors la réaction est plus difficile avec les peracides usuels et il est nécessaire d'avoir recours à des peracides plus exotiques. 128

Peracide exotique: Epoxydation avec l'acide métachloroperbenzoïque (m-CPBA).

129

I-B) Réaction impliquant la rupture d'une liaison C-C: Coupure d'une double liaison C-C par l'ozone:

130

Coupure de la liaison C-C dans le cas des diols :

Mécanisme: • Avec Pb(OAc)4 (tétra-acétate de plomb) cette méthode marche bien sur les cycles avec des diols cis et trans: • Avec HIO4(ou NaIO4) (acide métaperiodique, orthoperiodate de sodium) ne marche qu‘avec les cycles avec des diols cis (car il y a formation d'un cycle)

131

Coupure de la liaison C—C des cétones: c‘est une oxydation forte par le biais des chromates en milieu sulfurique ( oxydant très puissant ):

Réaction:

2.

132

Mécanisme d‘oxydation des carbonyles par CrO3/H2SO4:

133

I-C) Réactions impliquant le remplacement d'un hydrogène par un oxygène: Oxydation des composés aromatiques : la chaîne latérale (aliphatique) est coupée pour donner l'acide benzoïque.

Un oxydant plus doux permet quant à lui de s'arrêter à l'aldéhyde .

134

Oxydations possibles:

Pas de réaction 135

Mécanisme possible:

136

Oxydation des amines en dérivés carbonylés : Ag2+

Le nitrate d’argent Le persulfate de sodium

Mécanisme: • Les amines primaires sont oxydées en imines par action de l'ion Ag2+ formé in situ. (obtention de Ag+ et 1/2H2) • L'imine intermédiaire est alors hydrolysée par NaOH pour donner le carbonylé correspondant. 137

I-D) Réaction où un oxygène est ajouté au substrat: • Oxydation du soufre en sulfoxyde et en sulfone

Remarques: • les sulfoxydes sont des composés chiraux. Le soufre du sulfoxyde est un centre asymétrique (ou centre stéréogène), on aura donc deux énantiomères

• L'oxydation du sulfoxyde en sulfone est plus difficile à faire, c'est pour cette raison que l'on isole facilement les sulfoxydes. 138

Réaction de Baeyer-Villiger : • Cette réaction forme un ester et c'est le groupement le plus riche en électrons qui migre. • Le réarrangement, aussi appelé migration [1,2], se fait avec une totale rétention de stéréochimie pour les groupes R1 et R2.

139

Mécanisme Baeyer-Villiger:

140

I-E) Réactions de couplage oxydant: • Les réactions de couplage oxydant les plus répandues sont des réactions de dimérisation :

Remarques: • Il y a dans ce cas formation d'une liaison S-S ce qui est important pour les protéines. On parle alors de pont disulfure. • Mécanisme radicalaire: les radicaux RS° vont réagir entre eux pour former le produit de dimérisation 141

II ) Réactions de réduction: Comme pour les oxydations, il existe plusieurs catégories de réactions de réduction : A. Les réactions impliquant le remplacement d'un oxygène (ou d'un halogène) par un hydrogène . B. Les réactions dans lesquelles un oxygène est enlevé du substrat C. Les réductions par addition d'hydrogène. D. Les réactions par rupture de liaison. E. Les couplages réducteurs (réaction de couplage par action des métaux dissous). 142

II-A) Réactions impliquant le remplacement d'un oxygène (ou un halogène) par un hydrogène: Ce sont des réactions de transfert d'hydrure. Il existe divers réactifs dont les plus courants sont ici rangés par ordre de réactivité :

Exemple:

143

Remarque : Le Tetrahydruroaluminate de Lithium LiAlH4 réduit en plus du groupe carbonylé, les esters; chlorure d‘acyles; acides carboxyliques en alcools primaires. 144

Le DiBAl (aussi noté DiBAlH:DiisoButylAluminiumHydrid) est un agent de réduction moins fort, plus sélectif que LiAlH4.

Remarque: en ajoutant un acide de Lewis, ici BF3.OEt2, il est possible de réduire l'ester en éther.

145

Réduction d‘un alcool en alcane: Les alcools peuvent être réduits en alcanes à l'aide de tributylétain par une substitution radicalaire appelée réaction de Barton-Mc Combie. • La première étape consiste en la formation d'un alcoolate.

• La réaction avec CS2 donnera un xanthate ou dithiocarbonates. • l'alkylation à l'iodure de méthyle va permettre d'avoir le substrat. • Réduction du substrat par voie radicalaire avec AIBN.

146

Mécanisme de la réduction d‘un alcool en alcane: Azobisisobutylonitrile ( AIBN) :

147

II-B) Réduction dans laquelle un oxygène est enlevé du substrat : • Pour ce genre de réactions, à nouveau on pourra utiliser des hydrures tels que LiAlH4. C'est le cas notamment lorsque l'on veut réduire un sulfoxyde en sulfure.

• Les groupes nitro peuvent eux aussi être réduit mais cette fois par action d'hydrogène formé in situ.

148

Réduction de Wolff-Kishner:

Mécanisme:

149

Réduction de Clemmensen: Mécanisme:

150

II-C) Réduction par addition d'hydrogène: • Substrats insaturés:

Remarques: • 1- pour stopper l‘hydrogénation d‘un alcyne en alcène il faut des catalyseurs spécifiques tel que le catalyseur de Lindlar (Pd + CaCO3) il est alors possible de réduire une triple liaison en une double liaison de stéréochimie Z. • 2- La double liaison de stéréochimie E est obtenue par un mécanisme radicalaire utilisant le sodium métallique dans l‘ammoniaque:

151

76

152

II-D) Réduction par rupture de liaison: • Cas des peroxydes : Deux types de ruptures possibles, dans un cas on a une réduction avec formation de deux molécules d'alcool, alors que dans l'autre cas on a formation d'un éther.

• Cas des disulfides : Dans ce cas on forme deux thiols, mais il est à noter qu'il existe plusieurs agents de réduction tels que (LiAlH4, KBH(OiPr)3).

153

II-E) Couplages réducteurs: L'action des métaux sur un carbonyle dépend de la nature du solvant: dans un solvant aprotique, elle permet de générer un radical sur le carbone qui porte l'oxygène d'où la réaction de couplage entre les deux radicaux.  dans un solvant protique, elle permet de générer un radical anion qui est protoné pour donner l‘alcool. 154

Réduction de Birch de cétones: • En milieu aprotique: Na/toluéne ou Mg(Hg)/benzéne. La réaction a lieu à la surface du métal(pas d’électron solvaté).

155

Mécanisme:

156

Réduction de Cétone: En milieu protique: Na/ROH, avec ou sans cosolvant (THF), Na dissous génère des électrons solvatés.

157

Mécanisme:

158

Chapitre V

Les Réactions Péricycliques

159

Définition:Une réaction péricyclique se définit comme une réaction concertée (ruptures et formations simultanées des liaisons) au cours de laquelle l'état de transition forme un cycle, on distingue:

Les cycloadditions ( [4+2], [2+2], 1,3- dipolaires,..) Les réactions sigmatropiques (migrations, réarrangements) Les réactions électrocycliques Les réactions chélétropiques 160

161

I ) CYCLO-ADDITION: Réactions de Diels-Alder

Otto Diels Kurt Alder Prix Nobel de Chimie 1950 162

A) Cycloaddition [4+2] : Formation de deux liaisons σ entre les extrémités d'un système d'électrons π de deux molécules ou l'inverse (rétro-cycloaddition). Le produit est un cyclohexéne. 1 1

2 3

2

4

diène diènophile

cycloaddition 163

Aspects expérimentaux et mécanisme: La première réaction de ce type à été effectuée en 1928, par Otto Diels et son élève Kurt Alder dans des conditions draconiennes (P = 1bar et T = 200°C) avec un très faible rendement. Pratiquement:

164

Règles d‘Alder: Expérimentalement, on observe que la vitesse de réaction augmente quand elle se fait entre un diène enrichi et un diénophile appauvri en électrons.

Exemple : constantes de vitesse ki pour la réaction entre le cyclopentadiène et quelques diénophiles appauvris:

165

1) Première règle d'Alder Pour que la réaction ait une vitesse assez élevée, une des molécules doit être nucléophile, et l'autre électrophile ( effet push-pull ). Dans la plupart des Diels-Alder, on enrichit le diène (nucléophile) par des groupement donneurs d‘électrons et on appauvrit le diénophile (électrophile) par des groupement attracteurs d‘électrons. De nombreuses Diels-Alder sont catalysées par des acides de Lewis.

En effet celui-ci appauvrit le diénophile encore plus par un effet de transfert de charge. Elle est très efficace sur les diénophiles portant des groupements carbonyles. 166

2) Deuxième règle d'Alder Lorsque deux isomères sont possibles, l'isomère favorisé est celui dont le substituant insaturé est orienté vers la deuxième liaison du cyclohéxène nouvellement formé. Autrement, entre les formes endo et exo, on produit majoritairement la forme cinétique. On dit que la Diels-Alder est sous contrôle cinétique.

167

168

Mécanisme.  On observe une syn addition (du même côté) par rapport à l‘alcène, ce qui exclu les mécanismes de type radicalaires ou ioniques.  Il s‘agit d‘un mécanisme concerté à 6 centres.

Remarque: Pour comprendre ce type de réaction, il faut étudier les orbitales molécules des liaisons π du système.

169

Méthode des Orbitales Moléculaires Frontières OMF: Orbitales moléculaires de type

π : Elles

sont formées par combinaison linéaire d'OA p parallèles. L‘énergie de l‘OM croît avec le nombre de surfaces nodales. L'électronégativité des atomes formant une liaison aura une influence sur la grandeur relative des coefficients atomiques C d'une OM.

170

Remarque: La symétrie est inversée avec l‘introduction d‘une surface nodale (symétrie par rapport à un plan miroir m, et symétrie par rapport à un axe de symétrie d‘ordre 2, C2).

171

Dans le cas des système allyliques, selon qu‘il s‘agit d‘un carbocation, d‘un radical ou d‘un carbanion, il existe alors une orbitale moléculaire supplémentaire dite non-liante. L‘énergie de cette OM est égale à celle d‘une orbitale 2pz d‘un radical méthyle. L‘atome central ne participe pas à l‘OM.

172

Pour simplifier, on utilise l‘approche des orbitales frontières (HOMO ; LUMO). Dans ce cas, les électrons de la « Highest Occupied Molecular Orbital » (HOMO), les orbitales moléculaires occupées de plus haute énergie se recouvrement avec la « Lowest Unoccupied Molecular Orbital » (LUMO), orbitale moléculaire inoccupée de plus basse énergie de l‘autre réactif.

- - - - LUMO- - - -

- - - - HOMO- - - -

173

Principe de la méthode OMF (Règle de Woodward-Hoffmann): • les interactions entre lobes de mêmes signes sont liantes (recouvrement), donc stabilisantes, d'où une énergie d'activation faible et une réaction «permise», • les interactions entre deux lobes de signes différents est antiliante (pas de recouvrement), donc déstabilisantes, d'où une énergie d'activation élevée et une réaction «défendue».

Exemple:

174

Diagramme montrant l'interaction entre les orbitales frontières du butadiène et de l'éthylène :

Remarque: la molécule qui partage ses électrons (diéne) est dite nucléophile, celle qui les reçoit (diènophile) est dite électrophile. 175

La réaction Diels Alder est caractérisée par: Sa régiosélectivité : ( ne fonctionnerait qu'à un site particulier dans une même molécule ou au sein d'un même fragment moléculaire)

Sa stéréosélectivité : (en faveur d'un produit à stéréochimie particulière plutôt qu'un autre stéréoisomère)

176

Stéréochimie de la réaction:

177

Stéréospécificité de la réaction. L‘approche particulière des réactifs (il s‘agit d‘une syn addition) explique que la réaction de Diels-Alder est stéréospécifique à la fois vis-à-vis du diène et vis-à-vis du diénophile. En fonction de la configuration initiale des deux molécules (cis/trans), la molécule finale aura une conformation bien définie (cis/trans).

Stéréospécificité vis-à-vis du diénophile:

178

Stéréospécificité vis-à-vis d‘une diène:

179

Règle endo. Réaction entre un diène cyclique et un diénophile appauvri, deux produits peuvent se former:

Le produit exo étant le plus stable thermodynamiquement, il sera obtenu sous contrôle thermodynamique. Ce qui est possible puisque la réaction de Diels Alder est réversible. Expérimentalement, on observe que le produit endo (Contrôle cinétique en plus d‘intéractions secondaires). 180

Explication: Pour l‘instant, la meilleure explication de la règle endo et la plus utile demeure celle des interactions orbitalaires secondaires stabilisant l‘état de transition endo.

181

Régiosélectivité de la réaction. Dans le cas d‘une réaction entre un diène et un diénophile tous deux dissymétriques, on obtient principalement l‘un des régioisomères. Exemple:

Minoritaire

Majoritaire 182

Explication: L‘énergie de chacune des orbitales moléculaires est influencée par la nature et la position des substituants. Il faut pour cela trouver les orbitales frontières qui ont les énergies les plus proches et le meilleur coefficient d'interaction pour trouver la liaison qui s'effectue en premier.

183

B) Réactions 1,3-Dipôlaires: Ce sont des réactions concertées, ressemblant aux Diels-Alder. Elles mettent en jeu un dipôle 1-3 et un dipôlarophile. Ces réactions sont très utiles pour synthétiser des hétérocycles à 5 atomes.

Schéma:

Régiosélectivité: Dans le cas où le dipolarophile est dissymétrique, deux présentations du dipôle et du dipolarophile sont possibles.

184

Exemples de dipôles 1-3 fréquents: Ce sont des molécules généralement très réactives, elles sont souvent générées in situ.

185

Dipolarophiles :

Exemples:

186

a) Stéréochimie: Ces réactions sont analogues aux réactions de Diels-Alder, ce sont des additions syn stéréospécifiques.

187

b) Régiosélectivité: Il faut là encore connaître les coefficients d'interaction des orbitales frontières de plus proche énergie des deux molécules. Généralement c'est le dipôle 1-3 qui attaque le dipôlarophile (porteur d'un groupement électroattracteur).

Exemples: 1) Série cyclique

188

2) Série acyclique : Les nitrones acycliques s'isomérisent facilement. On favorise généralement la forme Z à cause des répulsions stériques de la forme E.

Cependant c'est la forme E qui a la meilleure configuration pour réagir. Il faut souvent considérer les deux formes.

189

Application des réactions 1,3-Dipôlaires: Synthèse des agents anti-hyperglycemiants (qui sont des médicaments pour le diabète) par cycloaddition 1,3-dipolaire d‘oxydes de nitrile sur le méthylène.

Schéma de synthèse de la C-glucopyranosilidène-spiro-isoxazolines 190

C) Cycloadditions [2+2]:

Conditions thermiques: pas de recouvrement possible 191

En conditions photochimique, l‘énergie apportée est suffisante pour faire passer un électron de l‘HOMO dans la LUMO. Celle-ci devient alors une HOMO*

Cette fois-ci les signes des orbitales correspondent, une cycloaddition supra est possible, la réaction peut avoir lieu.

192

a) Cycloadditions SUPRA :

193

Exemples : Synthèse de cube (Cubane).

Réaction de Favorskii

Décarboxylation de Barton 194

b) Cycloadditions ANTARA [2+2] thermique: Un groupement attracteur directement lié a la double liaison, rond la LUMO très basse et peu interagir avec l‘HOMO de l‘alcène. Toutefois, la géométrie des orbitales impose que les OM s‘associe dans des plans différents (perpendiculaires).

195

Exemple des Cétènes: La plupart des cycloadditions [2+2] mettent en jeu des cétènes. D‘un point de vue structural, les cétènes sont semblables aux allènes. Les allènes ne sont pas réactifs car l‘énergie de la LUMO est trop élevée.

Remarque: La grosseur des lobes (coefficients) explique régiosélectivité. 196

c) La réaction de wittig, autre exemple de cycloaddition [2+2] thermique:

Sel de phosphonium

ylure

Remarque : Les groupements R1 et R2 se placent de telle sorte que les répulsions stériques soient les plus faibles possibles. Ainsi, le produit majoritaire est cis. 197

II ) RÉARRANGEMENTS SIGMATROPIQUES: • Définitions: i- Réarrangements [1,j]: migration d'un atome ou d'un groupe d'atomes, liés par une liaison sigma, le long d'un système d'électrons π.

ii- Réarrangements [i,j]: migration d'une liaison σ entre deux systèmes d'électrons π .

198

a) Migration [1,3]H: Migration [1,3]H: migration d‘hydrogène (ou proton shift)

Le processus antarafacial thermique est permis mais pas observé. Le processus suprafacial photochimique est observé 199

b) Migration [1,5]: Lorsqu‘on alkyle l‘anion cyclopentadiényle, on forme trois produits?

Explication: R

R

R

R

R

200

c) Migration [1,7]H:

Le processus antarafacial est permis thermiquement car la molécule est assez flexible pour que l‘HOMO de la σ-CH réagisse avec la LUMO du triène. 201

d) Migration [i,j]: Il s‘agit de la migration d'une liaison σ entre deux systèmes d'électrons π .

1) Migration [2,3]

Oxydation allylique par SeO2

202

2) Migration [3,3] Réarrangement de Claisen:

Réarrangement de Cope: Ce réarrangement σ[3,3] s‘effectue sur les diènes 1,5

203

Quelques réarrangements:

204

III) Réactions Electrocycliques: • Formation d'une liaison σ aux extrémités d'un système d'électrons π délocalisés • Les réactions électrocycliques peuvent être des fermetures mais également des ouvertures. • Ces réactions peuvent être thermiques ou photochimiques

205

a) Réactions Electrocycliques à 4 e π: • Exemple d‘une fermeture de cycle à 4 e π (4n) dans deux conditions différentes. • Les réactions électrocycliques sont réversibles

H

H H

H

206

1) En conditions thermique, c‘est l‘HOMO. Le processus est controtatoire, les orbitales tournent dans le même sens.

2) En conditions photochimiques, c‘est l‘HOMO*. Le processus est disrotatoire, les orbitales tournent dans des sens opposes.

207

Exemple : Les cyclobutènes sont peu stables (forte tension de cycle). Si on poursuit le chauffage, le cycle s‘ouvre à nouveau.

208

b) Réactions électro cycliques à 6 e π . Dans ce cas, le processus thermique est disrotatoire alors que le processus photochimique est conrotatoire : inverse du cas précédent à 4 électrons π

209

Les réactions électrocycliques font preuve d'une très grande stéréosélectivité. On l'explique à l'aide des orbitales frontières.

210

Les réactions électrocycliques peuvent aussi avoir lieu par voie photochimique. Cette fois-ci les orbitales doivent effectuer une conrotation ; la stéréosélectivité s'en trouve inversée.

211

Exemples : Dans le cas des cycles, les plus stables sont les cycles à 5 et 6 carbones, tandis que les cycles à 7 et 8 sont très instables.

212

IV) Réactions chélétropiques: Définition: formation de deux liaisons σ par réaction entre deux molécules impliquant deux sites de l'une et un seul site de l'autre ou la réaction inverse.

Exemples 1: Addition d‘un carbène (ou d‘un nitrène) à l‘état singulet à une liaison double

213

Exemple 2: Addition de SO2 ou l‘inverse (« extrusion » de SO2 )

214 108

Chapitre VI

Les Réarrangements Moléculaires

215

I ) Généralités Un réarrangement (transposition ou déplacement) est une réaction par laquelle un atome ou un groupe Z se déplace d‘un atome A vers un autre atome B d‘une même molécule (Z-A-B devient A-B-Z) ce qui correspond a priori et dans la plupart des cas à un mécanisme intramoléculaire. Toutefois, certains réarrangements impliquent un mécanisme intermoléculaire.

216

Le réarrangement intermoléculaire suppose que deux groupes ou atomes Z migrent simultanément d‘un atome A d‘une molécule Z-A-B vers l‘atome B d‘une seconde molécule en formant deux molécules A-B-Z en interchangeant les groupes Z.

217

1 ) Réarrangements principaux : 

Réarrangements nucléophiles: c‘est un réarrangement très fréquents. Le groupe qui migre est nucléophile (riches en électrons), tel que R-, H-.

Exemple 1 : réarrangement du carbocation n-propyle primaire en carbocation isopropyle secondaire

218

Exemple 2: réarrangement du cation 3,3-diméthyl-but-2-yle par transposition d‘un groupe méthyl.



Réarrangements électrophiles: Les réarrangements électrophiles (pauvres en électrons), très rares. Le groupe qui migre est électrophile, tel que R+, H+, car il n‘entraîne pas son doublet de liaison. 219



Dans les exemples généraux la migration a lieu sur deux atomes adjacents, il s‘agit d‘un réarrangement [1,2]. On dit qu‘il est sigmatropique dans la mesure où ce sont des liaisons sigma «  » qui sont affectées par ce processus. Il existe des réarrangements [1,n], mais ils sont moins fréquents.



On peut en déduire que le réarrangement d‘un carbocation ne se produit que si le nouveau carbocation est plus stable que le carbocation original (par l‘acquisition d‘effet(s) donneur(s) inductif(s) +I de nouveaux substituants, par l‘établissement d‘une mésomérie, ou par la diminution d‘une tension de cycle. 220

II ) Réarrangements de carbone à carbone: 1) Réarrangement de Wagner-Meerwein : C‘est un réarrangement nucléophile de type [1,2] avec migration d‘un alkyl, aryl ou Hydrogène d‘un carbone à un carbone voisin déficient en électrons.

221

Exemple 1: Dans l‘exemple suivant le passage de carbocation tertiaire à secondaire est compensé par la baisse de tension de cycle (4 à 5) :

222

Exemple 2: Cas des terpènes bicycliques, cas de la transformation de l'isobornéol en camphène.

223

Exemple 3: Réarrangement qui conduit à une contraction du cycle qui passe ainsi de 6 à 5 carbones, d‘un cyclohexane à un cyclopentane.

224

Obtention du carbocation par diazotation: La diazotation d‘une amine primaire conduit à la formation d‘un ion carbénium R «chaud» peu solvaté. Mécanisme:

nitrite de sodium

Acide nitreux

Ion Nitrosonium

Exemple:

225

Application: Le réarrangement par diazotation d‘une amine primaire permet des expansions de cycles.

226

Exemple 4: un mécanisme semblable à partir d‘amines dérivées d‘hétérocycliques tels que pyrrolidine, tétrahydrofurane, et tétrahydrothiophène.

227

2 ) Réarrangement Pinacolique: C‘est un réarrangement qui affecte certains 1,2-diols (glycols) comme le pinacol, en milieu acide, et qui fournit des cétones, et dans le cas du pinacol, la pinacolone.

228

Mécanisme: Cas du glycol symétrique

229

Mécanisme: Cas d‘un glycol non symétrique

Facteurs qui déterminent l‘aptitude à migrer: • i - Le pouvoir donneur d‘électrons du groupement. Aptitude décroissante à migrer : MeOPh > MePh > Ph > H> R3C > R2CH > RCH2 > CH3 • ii - La masse: H migre plus facilement que CH3. • iii- L‘effet de décompression stérique. 230

Exemple 1: Cas d‘un glycol non symétriques, orientation vers le carbocation le plus stable B.

231

Exemple 2: La migration du phényle respecte l‘ordre de priorité des groupements migrants.

232

Exemple 3: Si R = C6H5, la seconde voie conduit à un carbocation intermédiaire mieux stabilisé donc la cyclohexanone sera majoritaire.

233

3 ) Réarrangement Semi-pinacolique (Tiffeneau-Demjanov): C‘est tous les réarrangements non pinacolique au cours desquels se produit une migration [1,2] d‘un atome d‘hydrogene ou d‘un groupe hydrocarboné partant d‘un carbon oxygéné vers un atome voisin.

Exemple 1: Par diazotation, le réarrangement se fait par le départ d‘azote.

234

Exemple 2: L‘extention de cycle de cétone de 7 à 8 carbons.

235

Exemple 3: Réarrangement avec intervention d‘effets électroniques, réaction stéréospécifique.

Remarque: L‘ordre de migration est respecté dans ce cas: MeOPh > MePh > Ph > H > R3C > R2CH > RCH2 > CH3 236



Assistance anchimérique: Un groupe voisin peut provoquer le départ du groupe partant en formant une liaison, on dit qu'il y a assistance anchimérique. La vitesse de réaction peut être accélérée ou ralentie. Lorsqu'on observe un maintien de la stéréochimie, on a assistance anchimérique.

237

Exemples 4: Le monotosylate comme groupement partant, pour spécifier le réarrangement moléculaire souhaité. Préparation du groupement Ts

LiClO4 catalyseur de la réaction

238

Exemples 5: Réarrangement des époxydes lorsqu‘ils sont traités par des acides de Lewis ou des acides protiques.

239

4) Réarrangement benzylique: Le benzyle est une α-dicétone aromatique, PhCO-COPh, qui en présence de soude ou de potasse, est transformée en sel de l‘acide benzylique, Ph2C(OH)COOK, et en présence d‘ions alcoolate (RO-), en esters correspondants de cet acide.

1. RO-

240

Mécanisme:

241

Remarque: Lorsque le groupe méthyle substitue l‘un des deux groupes phényles, son effet électrodonneur +I augmente la densité électronique du carbone du carbonyle le plus proche et l‘attaque de la base s‘effectue totalement sur l‘autre groupe carbonyle.

242

5 ) Le réarrangement de Wolff : Le réarrangement 1,2 de Wolff, est la transformation de α-diazo-cétone en cétène, étape-clé de la synthèse d‘homologation d'Arndt-Eistert.

A- Homologation d‘acides et de leurs dérivés: C‘est une réaction qui consiste à former un composé homologue du composé de départ, ayant un carbones de plus.

243

Synthèse d‘Arndt-Eistert (réaction d‘homologation): Le processus consiste à préparer la diazocétone pour former un acide ayant un carbone de plus que celui du chlorure d‘acide d‘origine.

244

B- Homologation des aldéhydes et des cétones:

245

N.B:

Lorsque la cétone est dissymétrique, en présence de BF3, c‘est le groupe dont le carbone est le moins substitué qui migre.

*

Les cétones cycliques donnent lieu à des agrandissements de cycles d‘un méthylène avec de bons rendements.

*

246

6 ) Réarrangement de Favorski: Obtention d‘acide (ester) à partir d‘une cétone α halogénée.

Avec ROϴ on obtient l‘ester équivalent

247

III ) Réarrangements de carbone à azote: 1 ) Réarrangement de Schmidt et Schmidt modifié: Le réarrangement de Schmidt est la formation d‘amine à partir des acides libres par action d‘acide azothydrique.

L’azoture de sodium

Acide azothydrique

Isocyanate

248

Mécanisme:

Les réactions avec les cétones et aldéhydes conduisent respectivement à des amides et des nitriles, c‘est le réarrangement de Schmidt modifié. 249

Mécanisme Schmidt modifié:

Remarque: Dans le cas d‘alkylarylcétones c‘est le groupe aryle qui migre. Par contre, si le groupe alkyle est volumineux, c‘est alors lui qui migre. 250

2) Réarrangement de Curtis: C‘est le réarrangement de Schmidt, avec le chlorure d'acide ou ester au lieu de l‘acide (moins électrophile).

Azoture de sodium

Acylazide

Isocyanate Réarrangement carbone-azote

L'isocyanate peut ensuite être utilisé dans une autre réaction. On l'hydrolyse souvent pour obtenir l'amine correspondante. Il réagit aussi avec les alcools et les amines. 251

L‘acylazide, chauffé en milieu anhydre, dans un solvant aprotique inactif, est réarrangé en isocyanate.

Carbamate

Amine

Nucléophiles Urée N,N’-disub 252

3) Réarrangement de Beckman: C‘est le réarrangement des oximes, en amides, il s‘effectue sous l‘action d‘agents acides, comme les acides de Lewis et plus particulièrement le pentachlorure de phosphore, PCl5.

253

Production d‘un oxime.

Hydroxylamine

254

La cétone se transforme en amide. C‘est le groupement volumineux qui migre.

R plus gros que R‘

L‘aldéhyde se transforme en nitrile.

255

N.B.: Le réarrangement de Beckmann peut aussi se faire avec une cétone cyclique, on a agrandissement de cycle.

Exemple: OH N

N

 OH2

N



:OH2

H2SO4

N



:OH2 -H 

N

OH

N

O

±H 

256

4 ) Réarrangement d‘Hofmann: C‘est la conversion d‘une amide primaire (résultat de l‘action de l‘ammoniac sur un ester) en amine primaire

257

Mécanisme: Sous l‘action d‘un hypobromite alcalin (Br2 , NaOH), il se forme un N-bromoamide qui perd un proton sous l‘action de la base. Par élimination d‘un ion bromure, un acylnitrène est formé son réarrangement fournit isocyanate.

Réarrangement d‘Hofmann C─>N

nitrène 258

Un second mécanisme, concerté. L‘isocyanate additionne une molécule d‘eau pour former un acide carbamique instable qui se décarboxyle en fournissant l‘amine.

259

IV ) Réarrangement de carbone à oxygéne: 1 ) Réarrangement de Baeyer-Villiger: C‘est une oxydation qui conduit à partir d‘une cétone RCOR‘

à un ester RCOOR‘, via un réarrangement intramoléculaire.

[1,2]

N.B: Le choix du groupe R ou R‘ de la cétone qui migre est dans l‘ordre : aryles > tertiaire > secondaire > primaire, et d‘une manière générale le plus volumineux. 260

Exemple 1: Les méthylalkylcétones forment toujours des acétates.

Dans le cas d‘addition de peracide sur un aldéhyde, le produit est un acide carboxylique et le mécanisme n‘est pas considéré comme un Baeyer-Villiger.

261

Exemple 2: Les cétones cycliques sont oxydées en lactones.

Les anhydrides d‘acides sont obtenus à partir des dicétones.

Les esters d‘énols, à partir des cétones insaturées.

262

Exemple 3: On obtient un estercyclique, ou lactone. Cette réaction libère un acide carboxylique ; c'est une espèce assez réactive, il faut donc faire attention avec certains groupements.

Remarque: Lorsque les deux formes lactones ne sont pas équivalentes, on forme préférentiellement la lactone du côté le plus riche en électrons, c'est-à-dire le plus substitué, de manière à favoriser le réarrangement.

263

Chapitre VII

Les Réactions Radicalaires

264

I Généralités A. Définitions En apportant une énergie suffisante, il est possible de dissocier deux atomes pour former des radicaux libres, possédant un électron non apparié. Ce sont des molécules très réactives. L'énergie requise pour briser la liaison a une valeur précise. On peut la transmettre par irradiation, le plus souvent aux UV, où par l'intermédiaire d'un Transfert MonoÉlectronique (TME), c'est-à-dire grâce à un élément donneur d'électron (comme le Sodium métallique). Les molécules formées par réaction radicalaire présentent souvent une configuration inversée par rapport à la réaction en solution.

Exemple :

265

B. Stabilité La géométrie d'un radical est intermédiaire entre celle d'un carbocation (plane) et d'un carbanion (tétraédrique). Les radicaux libres sont stabilisés de la même manière que les carbocations, par hyperconjugaison. Ainsi les radicaux les plus substitués sont les plus stables. Ils peuvent intervenir dans des formes de résonance. Les groupements inductifs attracteurs stabilisent les radicaux libres.

Exemple : Il existe des radicaux qui restent stables en solution. Le corps utilise ce principe avec la vitamine E, qui capture l'électron libre des autres radicaux libres, pour ensuite le stabiliser. On les appelle des antioxydants.

Exemple : 266

C. Nucléophile / Électrophilie des radicaux Ses caractéristiques dépendent des groupements environnants du radical. De manière générale, des groupements électroattracteurs rendent la molécule électrophile (électron plus attirés), tandis que des groupements donneurs la rendent nucléophiles (électrons peu liés). Souvent la réaction radicalaire conduit au produit inverse qu'aurait donné la réaction en milieu aqueux avec un nucléophile.

II Préparation A. Formation du radical Ce sont des espèces hautement réactives, il faut donc fournir beaucoup d'énergie. On peut provoquer une coupure homolytique des dihalogènes par irradiation, mais cette méthode demande beaucoup d'énergie. De plus les halogènes radicalaires présentent des défauts :

• la réaction avec le Fluor est très rapide et exothermique (explosive !). Elle est aussi très peu sélective •la réaction avec le Chlore n'est pas sélective •la réaction avec le Brome est sélective, mais peu rapide •la réaction avec l'Iode ne se fait pas 267

La méthode la plus utilisée consiste à provoquer la coupure spontanée d'une liaison faible, en augmentant la température.

Exemple : Peroxyde de benzoyle, l'azobisisobutyronitrile (AIBN)

268

Après avoir formé facilement un premier radical, appelé radical initiateur, on forme souvent un deuxième radical encore plus réactif grâce au premier formé. B. Réactions sur le même radical:

1) Couplage pinacolique:

2) Réaction de Mc Murry:

3) Dismutation:

269

C. Réactions en chaîne: Les réactions radicalaires s'effectuent souvent en chaînes. On définit alors plusieurs étapes. Ils se produisent un certain nombre de fois après chaque initiation. Ce sont des molécules très réactives, ces cycles s'effectuent donc très rapidement. Lorsque l'on veut limiter la longueur de la chaîne, on ajoute un antioxydant pour stabiliser les radicaux.

270

III Réactivité A. Réaction de Hunsdiecker: C'est une réaction qui se déroule très bien, dans des conditions relativement douces.

B. Aryl-diazonium en présence de Cuivre: Cette réaction permet de former assez facilement un radical très réactif.

271

C. Réduction décarboxylante C'est une réaction en chaîne, permettant la réduction des aldéhydes.

D. Réaction de Glaser Elle permet de substituer deux alcynes entre eux.

272

E. Halogénation des hydrocarbures On utilise très peu l'halogénation directe des hydrocarbures, car c'est une réaction qui n'a aucune sélectivité. L'atome d'halogène se fixe un peu n'importe où sur la molécule.

F. Bromation allylique ou benzylique Contrairement à l'halogénation précédente, cette bromation est très sélective. C'est encore une réaction en chaîne.

273

Elle présente cependant un inconvénient ; une réaction compétitive peut avoir lieu.

On peut utiliser un donneur de Brome, comme le NBS. Cette molécule ne "relargue" du dibrome qu'en présence d'HBr, c'est-à-dire une fois le radical libre

274

G. Réaction d'autoxydation C'est la réaction de formation d'un peroxyde en présence d'oxygène. La réaction peut s'effectuer à l'air libre. C'est une réaction en chaîne. Cette réaction est parfois responsable de l'explosion de stocks d'hydrocarbures.

275

H. Décomposition de l'ozone dans l'atmosphère Cette réaction décompose l'ozone de l'atmosphère. C'est une réaction en chaîne, auto-accélérée ; c'est pourquoi ces molécules ont beaucoup d'effets sur la couche d'ozone. La molécule initiatrice est un chlorofluorocarbone, une molécule organique possédant à la fois un Chlore et un Fluor. Ces molécules se décomposent facilement dans l'ozonosphère (irradiée par des rayons Solaires énergétique) en libérant du Chlore.

276

I. Substitution radicalaire aromatique SRN1 Cette réaction permet de substituer un halogène sur une molécule aromatique par un nucléophile. Elle ne requiert pas d'initiateur. C'est une réaction en chaîne.

277

IV Polymérisation radicalaire

Définition: Les polymères, sont des matériaux organiques composés de macromolécules (molécules géantes). Ces macromolécules sont formées de la répétition d‘un même motif ou monomère n fois . n est appelé « degré de polymérisation » n peut être très élevé : de l‘ordre de plusieurs millions

Masse moléculaire molaire M d‘un polymère : M = n x Masse molaire du monomère M peut être très élevée pour un polymère : de l‘ordre de plusieurs millions de g.mol-1

C‘est une moyenne car toutes les chaines n‘ont pas la même longueur exactement 278

Schéma général Naissance : Amorçage efficacité

Vie : Propagation

+M Amorceur

A

Arrêt de la croissance Terminaison, transfert

+M AM

AM2

AMn

Longueur cinétique l

Dt  1s Amorçage, propagation, terminaison ou transfert sont des événements indépendants les uns des autres. Le processus de polymérisation, et donc la longueur de la macromolécule, englobe l'ensemble de ces événements élémentaires. 279

P

Monomères Monomères vinyliques O

R

CH3 O

R : groupe fonctionnel

O

styrène

OH

O

acide acrylique

O

acétate de vinyle

CH3

CN

acrylate de méthyle

acrylonitrile CH3

CH3 O

Oléfines

OH

acide méthacrylique

O

O

CH3

méthacrylate de méthyle

éthylène, butadiène, isoprène 280

Formation des radicaux primaires Sel de Fenton Eau oxygénée / acide ascorbique

.

OH + OH- + Fe 3+

H2O2 + Fe 2+

OH OH

OH OH H2 C

HC HO

Amorçage

O

O

2 H2O2

OH

O

HC

O

O

CH3

+ 2 H2O + 2 OH

O

CH3

H3C C

Styrène

H2 C

H3C C

CN

CN

Méthacrylate de méthyle CH3

O

H3C C CN

CH3

CH3 O

CH3

CH3

H3C C CN

O

O CH3

281

.

Propagation CH3

CH3

H3C C

H3C C

CN

CN

CH3

CH3

H3C C

H3C C

CN

CN n

Terminaison CH3

CH3

H3C C CN m

m

CH3

CH3

C CH3 H3C C

C CH3

CN

CN

CN m

n

282

Longueur cinétique Naissance : Amorçage

Vie : Propagation

efficacité, vitesse d'amorçage ...

vitesse de propagation

+M Amorceur

A

Arrêt de la croissance

+M AM

AM2

AMn

P

Longueur cinétique de la chaîne l Dt  1s

La chaîne croît tant que le centre actif reste disponible  Importance de la réaction d'arrêt

l=

Nombre d'unités polymérisées avant arrêt Nombre de chaînes en croissance 283

Copolymérisation radicalaire Polymérisation simultanée de plusieurs monomères : Les macromolécules sont constituées d‘unités monomères différentes.

Les propriétés des copolymères sont souvent intermédiaires entre celles des homopolymères.

• • • • •

Possibilité de contrôler la composition chimique ainsi que la distribution des unités monomères  Possibilité de faire varier ―à l‘infini‖ les propriétés des matériaux ainsi obtenus Nombreux exemples de copolymères : caoutchouc butadiène – styrène (SBR), caoutchouc nitrile (NBR) … thermoplastiques résistants aux chocs : ABS… formulations pour peintures acryliques … latex pour applications médicales … 284 etc …

Copolymérisation radicalaire : La problématique AIBN C H2 C H CN C H2 C H C 6H 5

R CN

C 6H 5 C N

CN

* C 6H 5

Les monomères ne réagissent pas tous à la même vitesse : - Composition des chaînes ? - Distribution des séquences ? - quelle(s) influence(s) sur les propriétés des matériaux ? 285

Copolymérisation radicalaire : La problématique

copolymérisation

M moles de A, N moles de B individuelles Pendant le temps dt : dA moles de A, dB moles de B disparaissent

M moles de A, N moles de B distribuées le long de chaînes polymères poly ( A – co – B) dA moles de A, dB moles de B apparaissent dans les chaînes

La connaissance du nombre de moles dA et dB disparues renseignent sur la composition des chaînes formées pendant ce même temps . 286

Les rapports de réactivité

A

R A * (A *)

B

R B * (B *)

A

A A * (A *)

kaa

B

A B * (B *)

kab

A

B A * (A *)

kba

B

B B * (B *)

kbb

Amorçage radicalaire : R *

A*

Propagation : B*

Terminaison :

k ra = aa kab

k rb = bb k ba

Importance des rapports de réactivité rij 287

Exemples de polymères

Polymères synthétiques (les « matières plastiques »)

Polymères naturels

288

EXEMPLES DE POLYMERES NATURELS La cellulose

L‘amidon Linéaire : amylose (a) Ramifié : amylopectine (b)

289

EXEMPLES DE POLYMERES NATURELS

Protéines naturelles : Exemple : la fibroïne (soie d’araignée)‫‏‬

290

EXEMPLES DE POLYMERES SYNTHETIQUES Le polystyrène

A partir du styrène issu de la pétrochimie

Le polylactate ou polyacide lactique PLA (polymère d‘acide lactique obtenu après fermentation des sucres ou de l‘amidon)

291

Polymères naturels modifiés chimiquement : Viscose obtenue par traitement de La cellulose 

cellulose

Tencel , Lyocel ,… à partir de la cellulose du bois



Polymère à base d’amidon de maïs



292

Historique 1838 1844 1846 1907 1910

: : : : :

Payen extrait et isole la cellulose du bois vulcanisation du caoutchouc (Goodyear)‫‏‬ synthèse de la nitrocellulose (Schonbein)‫‏‬ premiers caoutchoucs synthétiques (Hofmann)‫‏‬ synthèse de la Bakélite (Baekeland)‫‏‬

A ce moment, on ne sait toujours pas ce que sont les polymères ! 1919 : Staudinger (le père de la science des polymères)‫‏‬ introduit la notion de macromolécules puis découvre de nombreux polymères 1933 : Polyéthylène haute pression (Fawcett & Gibson)‫‏‬ 1938 : Nylon (Carothers)‫‏‬

L‘essor des polymères commence essentiellement entre les deux guerres mondiales 1953 : découverte de la structure en double hélice de l’ADN (Crick & Watson)‫‏‬ 1953 : polyéthylène basse pression (Ziegler)‫‏‬ 293