chimie organique 2 (PC) · Chapitre 1 · Exercice de TD

Le DEET : activer l'acide m-toluique

Conversion de groupes caractéristiques · E. Activation des groupes caractéristiques · niveau 2

Énoncé

Le DEET (N,N-diéthyl-3-méthylbenzamide, $C X_{12} H X_{17} NO$ , $191, 27 g mo l^{- 1}$ ) est l'insectifuge le plus répandu. C'est l'amide de l'acide 3-méthylbenzoïque (acide $m$ -toluique, $C X_{8} H X_{8} O X_{2}$ ) et de la diéthylamine $(C X_{2} H X_{5}) X_{2} NH$ . Sa structure : un cycle benzénique qui porte un méthyle et, deux carbones plus loin, le groupe $CO - N (C X_{2} H X_{5}) X_{2}$ ; dans les formules dessinées, $Et$ désigne le groupe éthyle $C X_{2} H X_{5}$ .

On dispose de la banque de réactions suivante.

Chlorure de thionyle : $R - COOH + SOCl X_{2} R - COCl + SO X_{2} + HCl$ (à reflux, gaz dégagés).
Dicyclohexylcarbodiimide (DCC, $C X_{13} H X_{22} N X_{2}$ , $206, 33 g mo l^{- 1}$ ) : $R - COOH + R_{2}^{'} NH + C X_{13} H X_{22} N X_{2} ⟶ R - CO - N R_{2}^{'} + C X_{13} H X_{24} N X_{2} O$ , à température ambiante ; le second produit est la dicyclohexylurée (DCU, $224, 35 g mo l^{- 1}$ ), solide insoluble dans les solvants usuels.

Données : $p K_{a}$ de l'acide $m$ -toluique $4, 3$ ; de l'ion diéthylammonium $11, 0$ ; de l'ion triéthylammonium $10, 8$ . Masses molaires : $SOCl X_{2}$ $118, 96$ ; chlorure de $m$ -toluoyle $154, 59$ ; diéthylamine $73, 14 g mo l^{- 1}$ .

1) On chauffe vers $60^{\circ} C$ un mélange équimolaire d'acide $m$ -toluique et de diéthylamine : on obtient un sel, pas d'amide. Écrire la réaction et calculer sa constante.

2) On transforme $5, 00 g$ d'acide en chlorure d'acyle par un excès de chlorure de thionyle, qu'on élimine ensuite, puis on ajoute la diéthylamine. Écrire les deux bilans et calculer la masse maximale de DEET.

3) Écrire le mécanisme limite de la réaction de la diéthylamine sur le chlorure d'acyle.

4) Pourquoi faut-il deux équivalents de diéthylamine ? Pourquoi peut-on remplacer le second par un équivalent de triéthylamine, sans former d'autre amide ?

5) On isole $5, 90 g$ de DEET : calculer le rendement. Comparer la voie du chlorure de thionyle et celle du DCC par leurs sous-produits.

Corrigé

La stratégie. L'acide et l'amine se neutralisent avant de pouvoir s'additionner : il faut activer l'acide en un dérivé haut sur l'échelle (chlorure d'acyle), puis gérer l'acide fort libéré pendant l'amidification.

1) Un sel, pas un amide.

$Ar - COOH + (C X_{2} H X_{5}) X_{2} NH Ar - COO X^{-} + (C X_{2} H X_{5}) X_{2} NH X_{2} X^{+}$

$K = 1 0^{11, 0 - 4, 3} = 1 0^{6, 7} = 5 \times 1 0^{6}$

La réaction acido-basique est quasi totale et instantanée : on obtient le $m$ -toluate de diéthylammonium. Le carboxylate n'est plus électrophile, l'ammonium n'a plus de doublet : aucune addition n'est possible. Seul un chauffage vers $200^{\circ} C$ , qui chasse l'eau, finirait par donner l'amide ; en pratique, on active.

2) Bilans et quantités.

$Ar - COOH + SOCl X_{2} Ar - COCl + SO X_{2} + HCl$

$Ar - COCl + 2 (C X_{2} H X_{5}) X_{2} NH Ar - CO - N (C X_{2} H X_{5}) X_{2} + (C X_{2} H X_{5}) X_{2} NH X_{2} X^{+} + Cl X^{-}$

(équilibrés). $n (acide) = 5, 00/136, 15 = 36, 7 mmol$ ; masse maximale de DEET $36, 7 \times 1 0^{- 3} \times 191, 27 = 7, 02 g$ . Les deux gaz, $SO X_{2}$ et $HCl$ , quittent le milieu : ils entraînent la première réaction jusqu'au bout, et l'excès de chlorure de thionyle (température d'ébullition $76^{\circ} C$ ) s'élimine par distillation.

3) Mécanisme. On note $Ar$ le groupe 3-méthylphényle. L'azote de la diéthylamine s'additionne, par son doublet, sur le carbone du chlorure d'acyle ; le doublet $π$ bascule sur l'oxygène.

L'oxygène chargé reforme le carbonyle et chasse l'ion chlorure, excellent nucléofuge. Une seconde molécule d'amine arrache enfin le proton porté par l'azote : son doublet forme la liaison avec l'hydrogène, et les électrons de la liaison $N - H$ reviennent à l'azote de l'amide.

4) Deux équivalents de base. Chaque amide formé libère formellement une molécule de chlorure d'hydrogène, acide fort, qui protone aussitôt une molécule de diéthylamine en ion diéthylammonium, sans doublet, donc inactif. Avec un seul équivalent d'amine, la moitié serait ainsi neutralisée : le rendement plafonnerait à $50 %$ . Il faut donc un second équivalent de base. La triéthylamine, base presque aussi forte ( $p K_{a} = 10, 8$ ), peut jouer ce rôle : en s'additionnant sur le chlorure d'acyle, elle ne formerait qu'un ion acylammonium qui ne peut pas perdre de proton sur l'azote (amine tertiaire, sans $N - H$ ) ; cet adduit redonne le chlorure d'acyle ou cède son groupe acyle à la diéthylamine. Elle capte seulement le proton, et l'on économise la diéthylamine.

5) Rendement et sous-produits. Rendement : $5, 90/7, 02 = 84, 0 %$ . Les deux voies d'activation se comparent par ce qu'elles laissent :

voie du chlorure de thionyle : $SO X_{2}$ et $HCl$ , gaz toxiques et corrosifs (hotte, piégeage), puis un sel d'ammonium soluble dans l'eau ; environ $100 g$ de gaz par mole d'amide ; conditions agressives (reflux, acide fort) ;
voie du DCC (banque) : la dicyclohexylurée, solide insoluble, éliminée par simple filtration ; $224 g$ de déchet par mole d'amide, mais aucune espèce acide, réaction à température ambiante. Le DCC est en revanche un allergène puissant (gants).

Pour une molécule robuste et bon marché comme le DEET, la voie du chlorure d'acyle est la plus économique ; le DCC est réservé aux molécules fragiles (peptides).

Ce que l'exercice installe. Un acide et une amine forment d'abord un sel ( $K$ lu sur les $p K_{a}$ ) : l'amide exige l'activation de l'acide. Par le chlorure d'acyle, l'amidification est une addition-élimination suivie d'une déprotonation ; le chlorure d'hydrogène libéré impose deux équivalents de base, dont l'un peut être une amine tertiaire, qui ne forme pas d'amide. Le choix d'un agent d'activation se fait aussi sur ses sous-produits.

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