Activation de groupes caractéristiques

Cours · chimie (PCSI), chapitre 14 · CPGE PCSI (1re année) · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Formule topologique d'un ester, l'éthanoate d'éthyle.

Le groupe hydroxyle $- OH$ des alcools est omniprésent, mais chimiquement peu réactif : l'oxygène est un nucléophile modeste, et surtout l'ion hydroxyde $HO X^{-}$ est un très mauvais groupe partant. Pour faire réagir un alcool, il faut donc l'activer, c'est-à-dire modifier transitoirement sa structure électronique pour renforcer soit son caractère nucléophile, soit son caractère électrophile, soit son aptitude à partir. Ce chapitre présente les grandes stratégies d'activation d'un alcool — déprotonation en alcoolate, synthèse de Williamson, déshydratation acido-catalysée, passage par un ester sulfonique — ainsi que l'activation électrophile du groupe carbonyle par l'acétalisation. Toutes s'inscrivent dans une même logique : transformer un groupe caractéristique inerte en un groupe réactif au service d'une stratégie de synthèse.

14.1 Activation nucléophile : formation des alcoolates

Définition 14.1Alcool, alcoolate, phénol

Un alcool $R - OH$ possède un groupe hydroxyle porté par un carbone tétraédrique. Sa base conjuguée $R - O X^{-}$ , l'ion alcoolate (ou alcanolate), résulte de la perte du proton de $- OH$ . Le phénol $Ar - OH$ porte le groupe hydroxyle sur un cycle aromatique ; sa base conjuguée est l'ion phénolate.

14.1.1 Comparer la nucléophilie

ImportantAlcool vs alcoolate

Un alcoolate $R - O X^{-}$ est un bien meilleur nucléophile que l'alcool $R - OH$ correspondant : la charge négative augmente la densité électronique et donc la disponibilité du doublet de l'oxygène. Activer un alcool en tant que nucléophile, c'est donc le déprotoner en alcoolate.

L'encombrement stérique autour de l'oxygène module également la nucléophilie : un alcool (ou alcoolate) primaire est plus nucléophile qu'un secondaire, lui-même plus nucléophile qu'un tertiaire. On retient l'ordre décroissant

$primaire > secondaire > tertiaire (argument st e ˊ rique) .$

14.1.2 Choisir une base pour déprotoner un alcool

La déprotonation est une réaction acide-base :

$R - OH + B X^{-} R - O X^{-} + BH .$

Méthode : Choix de la base à l'aide des $p K_{a}$

La réaction est quantitative dans le sens de formation de l'alcoolate si la base $B X^{-}$ est plus forte que l'alcoolate, c'est-à-dire si

$p K_{a} (BH / B X^{-}) > p K_{a} (R - OH / R - O X^{-}) \approx 16 - 18.$

On emploie donc des bases fortes : hydrure de sodium ( $NaH$ , $p K_{a} (H X_{2}) \approx 35$ ), amidure ( $NaNH X_{2}$ ), ou le sodium métallique par voie d'oxydoréduction. En revanche, $HO X^{-}$ ( $p K_{a} (H X_{2} O) = 14$ ) ne déprotone que partiellement un alcool.

Exemple 14.2Deux voies vers un alcoolate

Voie acide-base : $R - OH + NaH R - O X^{-} Na X^{+} + H X_{2} ↑$ (dégagement gazeux, réaction totale et irréversible).
Voie d'oxydoréduction : $2 R - OH + 2 Na 2 R - O X^{-} Na X^{+} + H X_{2} ↑$ , le sodium réduisant le proton de l'alcool.

iRemarque

Le phénol est nettement plus acide qu'un alcool ( $p K_{a} (PhOH) \approx 10$ ) car le phénolate est stabilisé par délocalisation de la charge sur le cycle aromatique. Une base plus douce que l'alcoolate ( $HO X^{-}$ ) suffit alors à former le phénolate de façon quantitative ; en revanche $HCO X_{3} X^{-}$ ( $p K_{a} (CO X_{2}, H X_{2} O / HCO X_{3} X^{-}) \approx 6, 4$ ) ne le déprotone pas, et c'est ce qui distingue un phénol d'un acide carboxylique.

14.2 Synthèse de Williamson des éther-oxydes

Définition 14.3Synthèse de Williamson

La synthèse de Williamson prépare un éther-oxyde $R - O - R X^{'}$ par action d'un ion alcoolate $R - O X^{-}$ (nucléophile) sur un halogénoalcane $R X^{'} - X$ (électrophile), selon une substitution nucléophile bimoléculaire (SN2) :

$R - O X^{-} + R X^{'} - X R - O - R X^{'} + X X^{-} .$

Méthode : Mécanisme SN2, en une étape concertée

L'alcoolate attaque le carbone porteur de l'halogène du côté opposé à la liaison $C - X$ (attaque dorsale) ; la formation de la liaison $O - C$ et la rupture de la liaison $C - X$ sont simultanées, via un état de transition à cinq substituants sur le carbone. La cinétique est d'ordre 2 : $v = k [R - O X^{-}] [R^{'} - X]$ , et la réaction s'accompagne d'une inversion de Walden de la configuration au carbone attaqué.

ImportantÉther dissymétrique : choisir le bon couple

Un éther dissymétrique $R - O - R X^{'}$ peut se former par deux découpages alcoolate / halogénoalcane. On choisit toujours le couple mettant en jeu l'halogénoalcane le moins encombré (primaire de préférence), car la SN2 est très sensible à l'encombrement stérique : un halogénoalcane tertiaire ne convient pas (il subit l'élimination E2, cf. ci-dessous).

Exemple 14.4Synthèse du tert-butyl méthyl éther

Pour préparer $(CH X_{3}) X_{3} C - O - CH X_{3}$ , on n'utilise pas le méthanolate sur un halogénure de tert-butyle (élimination majoritaire), mais l'alcoolate tertiaire $(CH X_{3}) X_{3} C - O X^{-}$ sur l'iodométhane $CH X_{3} - I$ (SN2 sur un carbone primaire) :

$(CH X_{3}) X_{3} C - O X^{-} + CH X_{3} - I (CH X_{3}) X_{3} C - O - CH X_{3} + I X^{-} .$

AttentionCompétition substitution / élimination

L'alcoolate est à la fois nucléophile (il substitue, SN2) et base (il arrache un proton en $β$ , E2). Sur un halogénoalcane primaire la SN2 domine ; sur un secondaire ou tertiaire, ou avec un alcoolate très encombré (comme le tert-butanolate), l'élimination l'emporte et produit un alcène indésirable. C'est la principale source de produits secondaires de la synthèse de Williamson.

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