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Conversions par oxydo-réduction en chimie organique

Cours complet · chimie organique 2 (PC), chapitre 2 · CPGE PC (2e année)

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L'oxydo-réduction, présentée en PCSI dans le cadre de la chimie des solutions aqueuses (couples redox, potentiels, piles), gouverne aussi une large part des transformations de la chimie organique. Faire passer un alcane en alcool, un alcool en cétone puis en acide carboxylique, hydrogéner une double liaison ou réduire une fonction carbonylée : toutes ces conversions sont des échanges formels d'électrons entre le squelette carboné et un réactif. Le fil conducteur de ce chapitre est le nombre d'oxydation du carbone, outil de comptabilité électronique qui permet de reconnaître, sans écrire un seul mécanisme, si une transformation est une oxydation, une réduction ou aucune des deux, et de choisir en conséquence le bon réactif (oxydant ou réducteur).

Nous établirons d'abord la méthode de calcul du nombre d'oxydation d'un atome de carbone, puis nous en déduirons une échelle d'oxydation des fonctions organiques. Nous passerons ensuite en revue l'oxydation des alcènes (époxydation directe par un peroxyacide, puis ouverture de l'époxyde en diol anti) et les grandes réductions (hydrogénation catalytique des liaisons multiples C=C et CC, réduction des dérivés carbonylés et des esters par les hydrures et ). L'accent est mis sur les aspects que le programme rend exigibles : stéréochimie de l'hydrogénation, chimiosélectivité comparée des hydrures, régiosélectivité et stéréospécificité de l'époxydation et de l'ouverture des époxydes.

2.1 Nombre d'oxydation du carbone en chimie organique

2.1.1 Définition et règles de calcul

Définition 2.1Nombre d'oxydation

Le nombre d'oxydation (n.o.) d'un atome dans une molécule est la charge fictive qu'il porterait si tous les doublets de liaison étaient intégralement attribués à l'atome le plus électronégatif de chaque liaison. Il se note en chiffres romains.

Pour un atome de carbone engagé dans des liaisons, on applique la convention suivante, fondée sur les électronégativités relatives (, , halogènes plus électronégatifs que , lui-même plus électronégatif que ).

Méthode : Compter le n.o. d'un carbone

Pour chaque liaison partant de l'atome de carbone considéré, on compte :

  • par liaison (l'hydrogène, moins électronégatif, cède le doublet au carbone) ;
  • par liaison vers un atome plus électronégatif que le carbone (, , halogène, ), comptée autant de fois que la multiplicité : une liaison compte ;
  • par liaison (partage équitable, même atome).

Le n.o. du carbone est la somme algébrique de ces contributions.

iRemarque

On retrouve les deux règles globales connues : la somme des nombres d'oxydation de tous les atomes d'une molécule neutre est nulle, et vaut la charge pour un ion. En pratique, en chimie organique, on calcule le n.o. atome de carbone par atome de carbone, car ce sont les carbones fonctionnels dont le n.o. varie au cours d'une transformation.

Exemple 2.2Le carbone dans quelques molécules simples
  • Méthane : quatre liaisons , n.o. .
  • Méthanol : trois et une , n.o. .
  • Méthanal : deux et une double , n.o. .
  • Acide méthanoïque : une et le groupe ( et ), n.o. .
  • Dioxyde de carbone : deux doubles liaisons , n.o. (oxydation maximale du carbone).

Le carbone parcourt donc toute l'échelle de () à ().

2.1.2 Suivi du n.o. au cours d'une transformation

ImportantReconnaître oxydation et réduction

Au cours d'une transformation, on isole le (ou les) carbone(s) dont l'environnement change et on compare son n.o. avant et après :

  • le n.o. augmente le carbone perd des électrons : c'est une oxydation, réalisée par un oxydant ;
  • le n.o. diminue le carbone gagne des électrons : c'est une réduction, réalisée par un réducteur ;
  • le n.o. reste constant la réaction n'est pas une réaction d'oxydo-réduction (addition, substitution, élimination sans changement de degré d'oxydation).

Le nombre d'électrons échangés par carbone est la variation .

Exemple 2.3Trois transformations d'un même carbone

Considérons le carbone fonctionnel de l'éthanol.

  • (éthanol éthanal) : le carbone porteur de passe de (, , ) à (, , ). : oxydation à deux électrons.
  • (éthanal acide éthanoïque) : ce carbone passe de à . : nouvelle oxydation.
  • (hydratation de l'éthène) : les deux carbones passent d'un n.o. moyen inchangé (on gagne un sur l'un, un sur l'autre, qui se compensent globalement). Ce n'est pas une oxydo-réduction.

Capacité numérique : Suivi automatique du n.o. par comptage de liaisons

Le nombre d'oxydation d'un carbone se calcule algorithmiquement à partir de son environnement immédiat. On décrit chaque carbone par le multiset de ses voisins et on applique les poids (, , hétéroatome/liaison).


def no_carbone(voisins):
    """voisins : liste de couples (symbole, multiplicite_liaison).
    Ex. carbonyle d'un aldehyde : [('H',1), ('C',1), ('O',2)]."""
    poids = {'H': -1, 'C': 0}  # atome plus electronegatif -> +1 par liaison
    total = 0
    for symbole, mult in voisins:
        p = poids.get(symbole, +1)   # O, N, halogene, S -> +1
        total += p * mult
    return total

# Echelle de l'ethanol : alcool -> aldehyde -> acide
print(no_carbone([('H',2), ('C',1), ('O',1)]))  # alcool primaire  -> -1
print(no_carbone([('H',1), ('C',1), ('O',2)]))  # aldehyde         -> +1
print(no_carbone([('C',1), ('O',2), ('O',1)]))  # acide            -> +3

Un tel outil permet de vérifier automatiquement le bilan électronique d'une équation en sommant les de tous les carbones.

2.2 Échelle d'oxydation des fonctions organiques

2.2.1 Chaîne alcane acide carboxylique

En suivant un carbone terminal, l'oxydation croissante engendre la séquence fonctionnelle fondamentale de la chimie organique. À chaque étage, le carbone échange deux liaisons contre des liaisons vers l'oxygène.

FonctionGroupe (sur )n.o. du CÉtage
Alcane
Alcool primaire
Aldéhyde
Acide carboxylique
Dioxyde de carbone
Proposition 2.4Échelle des carbones fonctionnels

Pour un carbone donné, on distingue quatre niveaux d'oxydation caractéristiques :

Monter d'un étage est une oxydation ( le plus souvent), descendre est une réduction.

iRemarqueRôle du degré de substitution

Un alcool secondaire () mène par oxydation à une cétone (), au même étage que l'aldéhyde mais dépourvue de liaison sur le carbone fonctionnel : la cétone ne peut donc plus être oxydée sans rompre le squelette. Un alcool tertiaire () n'a aucun hydrogène sur le carbone porteur de : il n'est pas oxydable dans les conditions douces.

2.2.2 Le cas des alcènes : diols et époxydes

L'oxydation d'une double liaison conduit, selon l'oxydant, à un époxyde (un seul atome d'oxygène ponté) ou à un diol vicinal (deux sur des carbones voisins). Dans les deux cas, chaque carbone oléfinique gagne une liaison vers l'oxygène : son n.o. augmente de , la transformation est une oxydation à deux électrons pour la molécule.

Exemple 2.5Oxydation de l'éthène

Dans , chaque carbone a un n.o. de (, une double comptée ). Dans l'éthane-1,2-diol , chaque carbone passe à (, , ). par carbone, soit deux électrons pour la molécule : dihydroxylation = oxydation.

2.3 Oxydations en chimie organique

La seule oxydation exigible au programme de PC porte sur les alcènes : on transforme une double liaison en époxyde par un peroxyacide, puis, par ouverture de cet époxyde, en diol vicinal anti. Chaque carbone oléfinique y gagne une liaison vers l'oxygène : son n.o. augmente, la transformation est bien une oxydation.

2.3.1 Époxydation directe des alcènes

Définition 2.6Époxyde

Un époxyde (ou oxirane) est un éther cyclique à trois atomes, formé d'un pont oxygène entre deux carbones voisins. C'est un cycle tendu, donc réactif vis-à-vis des nucléophiles.

Proposition 2.7Époxydation par un peroxyacide

Un alcène réagit avec un peroxyacide (par exemple l'acide métachloroperbenzoïque, noté m-CPBA) pour donner directement l'époxyde correspondant et l'acide carboxylique . La réaction est stéréospécifique syn : les deux liaisons se forment simultanément sur la même face de la double liaison (transfert concerté d'un atome d'oxygène), si bien que la stéréochimie de l'alcène est conservée dans l'époxyde (un alcène donne l'époxyde cis).

ImportantRégiosélectivité sur un polyène

Le peroxyacide est un réactif électrophile : il attaque préférentiellement la double liaison la plus riche en électrons, c'est-à-dire la plus substituée (les groupes alkyle, donneurs par effet inductif, augmentent la densité électronique de la liaison ). Sur un polyène possédant des doubles liaisons de substitution différente, l'époxydation est chimiosélective pour la plus riche en électrons.

Proposition 2.8Ouverture d'un époxyde en milieu basique : diols anti

En milieu basique, un nucléophile (par exemple ) ouvre l'époxyde par attaque dorsale sur l'un des carbones du cycle, selon un mécanisme de type substitution nucléophile bimoléculaire : l'ouverture est stéréospécifique anti. L'attaque de conduit à un diol vicinal anti. La régiosélectivité, en l'absence de catalyse acide, est gouvernée par la gêne stérique : le nucléophile attaque le carbone le moins substitué.

iRemarqueÉpoxydation + ouverture = dihydroxylation anti

La séquence « époxydation par un peroxyacide, puis ouverture basique » réalise globalement l'addition de deux en position anti sur la double liaison : c'est la voie d'accès, au programme, à un diol vicinal de stéréochimie contrôlée.

2.4 Réductions en chimie organique

2.4.1 Hydrogénation catalytique des liaisons multiples C=C et CC

Proposition 2.9Hydrogénation catalytique

En présence de dihydrogène et d'un catalyseur métallique hétérogène (palladium, platine ou nickel finement divisés), les liaisons multiples carbone-carbone sont réduites :

et de même un alcyne est réduit jusqu'à l'alcane. Chaque carbone gagne une liaison : son n.o. diminue de , la transformation est une réduction.

ImportantMécanisme de surface et stéréochimie syn

La catalyse est hétérogène : le dihydrogène est dissocié et chimisorbé à la surface du métal, l'alcène s'y adsorbe par sa face , puis les deux atomes d'hydrogène sont transférés sur la même face de la double liaison. L'addition de est donc stéréospécifique syn. Les interactions mises en jeu sont : chimisorption dissociative de , adsorption de l'alcène, migration puis insertion à la surface, désorption du produit.

Exemple 2.10Stéréochimie de l'hydrogénation syn

L'hydrogénation catalytique du 1,2-diméthylcyclohexène conduit majoritairement au cis-1,2-diméthylcyclohexane : les deux atomes d'hydrogène s'additionnent sur la même face, plaçant les deux méthyles du même côté du cycle. De même, l'addition syn de sur un alcyne disubstitué, si elle est arrêtée au stade alcène (catalyseur désactivé, dit de Lindlar), fournit sélectivement l'alcène (cis).

iRemarqueChimiosélectivité de l'hydrogénation

L'hydrogénation catalytique réduit efficacement les liaisons et carbone-carbone triples, mais laisse en général intactes les fonctions carbonylées des cétones et acides dans les conditions douces : c'est un réducteur chimiosélectif de la liaison carbone-carbone multiple. Cette complémentarité avec les hydrures (qui réduisent mais pas ) est un levier de stratégie de synthèse.

2.4.2 Réduction des dérivés carbonylés par les hydrures

Proposition 2.11Hydrures nucléophiles et

Les hydrures complexes délivrent formellement un ion hydrure , nucléophile, qui s'additionne sur le carbone électrophile d'un groupe carbonyle. Après hydrolyse :

  • un aldéhyde donne un alcool primaire ;
  • une cétone donne un alcool secondaire .

Le carbone fonctionnel voit son n.o. diminuer de : réduction à deux électrons.

ImportantChimiosélectivité comparée /

La liaison est bien plus polarisée et labile que la liaison : le tétrahydruroaluminate de lithium est un réducteur puissant et peu sélectif, le tétrahydruroborate de sodium un réducteur doux et sélectif.

Fonction (doux) (fort)
Aldéhyde alcool Iouioui
Cétone alcool IIouioui
Acide alcool Inonoui
Ester alcool Inon ou très lentoui
Liaison nonnon

, compatible avec l'eau et les alcools, réduit uniquement aldéhydes et cétones : il est chimiosélectif. , qui réagit violemment avec l'eau (opérer en milieu anhydre, éther), réduit en plus les acides et esters. Ni l'un ni l'autre ne touche la double liaison .

Exemple 2.12Choisir l'hydrure selon la cible
Démonstration

Soit une molécule portant à la fois une cétone et une double liaison isolée. On veut réduire la cétone en alcool sans toucher l'alcène. On choisit : l'hydrure additionne sur le carbone du (n.o. de ce carbone : ), tandis que la liaison , non électrophile, reste intacte. À l'inverse, pour réduire un ester en alcool primaire (plus l'alcool ), on emploie en milieu anhydre, étant trop doux.

2.4.3 Réduction des esters : de l'ester à l'alcool primaire ou à l'aldéhyde

Proposition 2.13Réduction d'un ester

Un ester est réduit par en alcool primaire , avec libération de l'alcool issu de la partie alcoxy. Le carbone du groupe acyle passe de à : réduction à quatre électrons.

ImportantMécanisme schématique : deux transferts d'hydrure

On assimile le réactif à un ion hydrure nucléophile. La réduction se fait en deux additions successives :

  • premier sur le carbone du carbonyle , formant un intermédiaire tétraédrique, puis départ du nucléofuge alcoolate : il se forme un aldéhyde ;
  • l'aldéhyde, plus électrophile que l'ester, capte aussitôt un second ion hydrure, puis conduit à l'alcool primaire après hydrolyse.

Avec , l'aldéhyde intermédiaire est trop réactif pour être isolé : le produit est l'alcool primaire. Pour arrêter à l'aldéhyde, on emploie un hydrure encombré et moins réactif (hydrure d'aluminium modifié) à basse température, qui ne délivre qu'un seul ion hydrure.

iRemarqueReconnaître la conversion en stratégie de synthèse

La transformation ester (aldéhyde ou alcool primaire) est un maillon fréquent d'une synthèse : on la reconnaît à la variation du groupe caractéristique porté par le carbone. Sur un spectre, la disparition de la bande de l'ester (vers ) au profit d'une large bande signe la formation de l'alcool primaire.

2.5 Reconnaître un oxydant ou un réducteur

Le nombre d'oxydation du carbone fournit un critère immédiat pour décider si une transformation organique relève de l'oxydo-réduction et, le cas échéant, quel type de réactif employer. On repère le(s) carbone(s) dont l'environnement change, on calcule leur n.o. avant et après, et le nombre d'électrons échangés vaut (oxydation si le n.o. monte, réduction s'il descend).

ImportantRepérer d'un coup d'œil oxydant et réducteur

En synthèse organique, on associe :

  • aux oxydants : les peroxyacides (m-CPBA), qui ajoutent un atome d'oxygène à la double liaison (époxydation) ;
  • aux réducteurs : sur catalyseur (liaisons carbone-carbone multiples), et (fonctions ) ; ils ajoutent de l'hydrogène.

Le réflexe : plus d'oxygène ou moins d'hydrogène oxydation ; plus d'hydrogène réduction, ce que le n.o. quantifie exactement.

2.6 Synthèse

  • Nombre d'oxydation du carbone : par , par , par liaison (comptée avec sa multiplicité) vers un atome plus électronégatif. Il varie de () à ().
  • Le n.o. augmente oxydation (oxydant) ; diminue réduction (réducteur) ; constant pas d'oxydo-réduction.
  • Échelle d'oxydation : alcane alcool aldéhyde/cétone acide. Alcool primaire aldéhyde acide ; secondaire cétone (arrêt) ; tertiaire non oxydable.
  • Oxydation des alcènes : époxydation par un peroxyacide (stéréospécifique syn, sélective sur la double liaison la plus riche en électrons) ; ouverture basique de l'époxyde diol anti.
  • Hydrogénation catalytique ( sur Pd, Pt, Ni, catalyse hétérogène) : réduit les liaisons carbone-carbone multiples, addition stéréospécifique syn ; Lindlar alcène .
  • Hydrures : doux (aldéhydes, cétones seulement, compatible eau) ; fort (en plus acides et esters, milieu anhydre). Aucun ne réduit . La réduction d'un ester passe par un aldéhyde intermédiaire (deux transferts d'hydrure) et donne l'alcool primaire.
  • Chimiosélectivité complémentaire : sur catalyseur touche mais pas ; les hydrures touchent mais pas .

2.7 Exercices d'entraînement

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