Réduire la vanilline par $\mathrm{NaBH}{}_4$

La stratégie. Mécanisme du cours ; quatre hydrures par ion $\mathrm{BH}{}_4{}^{-}$ ; chaque étape du protocole expliquée par l'acido-basicité.

1) Le mécanisme. Le carbone du carbonyle est électrophile (${\mathrm{C}}^{\delta +}$, ${\mathrm{O}}^{\delta -}$). Première étape, addition nucléophile : une flèche courbe part du doublet de la liaison $\mathrm{B}-\mathrm{H}$ et pointe vers le carbone du carbonyle ; simultanément, une seconde flèche part du doublet $\pi$ de la liaison $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ et pointe vers l'oxygène. Il se forme une liaison $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ et un ion alcoolate $\mathrm{Ar}-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{O}{}^{-}$, l'oxygène portant trois doublets non liants et la charge négative. Seconde étape, acide-base : une flèche d'un doublet de l'oxygène de l'alcoolate vers un hydrogène de l'eau, une autre du doublet $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ de l'eau vers son oxygène : l'alcoolate est protoné en alcool, un ion hydroxyde est libéré. Les trois autres hydrures sont transférés de même.

2) Un ion pour quatre carbonyles. Le cours donne $4\mathrm{R}{}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}+\mathrm{BH}{}_4{}^{-}+4\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to 4\mathrm{R}{}_2\mathrm{CH}-\mathrm{OH}+\mathrm{B}(\mathrm{OH}){}_4{}^{-}$. Pour la vanilline ($\mathrm{ArCHO}$, où $\mathrm{Ar}$ désigne le cycle substitué) :

$$4\mathrm{ArCHO}+\mathrm{BH}{}_4{}^{-}+4\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to 4\mathrm{ArCH}{}_2\mathrm{OH}+\mathrm{B}(\mathrm{OH}){}_4{}^{-}.$$

$n(\text{vanilline})=2,00/152,15=13,1$ mmol. Il faut au minimum $13,1/4=3,29$ mmol de $\mathrm{BH}{}_4{}^{-}$, soit

$$m_{\min }=3,29\times 10^{-3}\times 37,83\approx 0,124\mathrm{g}=124\mathrm{mg}.$$

On en introduit $0,50$ g, soit $13,2$ mmol de $\mathrm{BH}{}_4{}^{-}$, donc $52,9$ mmol d'hydrure : quatre équivalents d'hydrure par carbonyle, le quadruple du minimum. Cet excès compense la destruction lente du réactif par l'eau et assure une réaction complète en dix minutes.

3) Pourquoi le milieu basique. L'équation de destruction : $\mathrm{B}$, $1=1$ ; $\mathrm{H}$, $4+1+6=11$ à gauche, $3+8=11$ à droite ; $\mathrm{O}$, $3=3$ ; charge, $-1+1=0$. Cette réaction est rapide en milieu acide, lente en milieu basique, où les ions $\mathrm{H}{}^{+}$ sont rares : on travaille dans la soude pour que le réducteur réduise le carbonyle, et non l'eau. À la fin, au contraire, on veut détruire l'excès : l'acidification provoque le dégagement de dihydrogène observé (l'excès, environ $40$ mmol d'hydrure, libère près d'un litre de dihydrogène : on opère sous hotte, loin de toute flamme). Elle protone aussi le phénolate (question suivante).

4) Le phénol et la solubilité. Le $\mathrm{p}{K}_a$ du phénol vaut $7,4$ ; dans la soude à $1\mathrm{mol}{\mathrm{L}}^{-1}$, $\mathrm{pH}\approx 14$, la forme prédominante est le phénolate, chargé, donc soluble dans l'eau. La soude ($20$ mmol) dépasse la vanilline ($13,1$ mmol) : tout est déprotoné et dissous. À $\mathrm{pH}\approx 2$, plus de cinq unités sous le $\mathrm{p}{K}_a$, l'alcool vanillique est sous sa forme phénol, neutre, peu soluble dans l'eau froide : il précipite. Le méthoxy (éther) et le cycle ne sont pas réduits : seul le carbonyle est attaqué, première forme de chimiosélectivité.

5) Le suivi spectroscopique. En infrarouge, la bande $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ d'aldéhyde conjugué, vers $1670\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-1}$, et les bandes $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ d'aldéhyde disparaissent ; la bande $\mathrm{O}-\mathrm{H}$, déjà présente (phénol), subsiste. En RMN, le singulet d'intégration 1 à $9,8$ ppm du proton d'aldéhyde disparaît, et un signal d'intégration 2 apparaît vers $4,5$ ppm : les deux protons du groupe $\mathrm{Ar}-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{OH}$, dans la zone $\mathrm{H}-\mathrm{C}-\mathrm{O}$.

6) Rendement. Le maximum est $13,1$ mmol d'alcool, soit $13,1\times 10^{-3}\times 154,16=2,03$ g. On a obtenu $1,62$ g :

$$\rho =\frac{1,62}{2,03}\approx 80\%.$$

La vanilline est le réactif limitant, puisque l'hydrure est en excès d'un facteur quatre.

Ce que l'exercice installe. Le mécanisme de la réduction par l'ion tétrahydroborate en deux étapes (addition de l'hydrure, protonation de l'alcoolate), et ses flèches courbes ; la stœchiométrie d'un $\mathrm{BH}{}_4{}^{-}$ pour quatre carbonyles ; et le sens chimique de chaque étape d'un protocole : milieu basique pour préserver le réducteur, acidification pour détruire son excès et précipiter le produit.