Quand Williamson échoue : substitution contre élimination

La stratégie. L'alcoolate est à la fois nucléophile (il attaque un carbone, SN2) et base (il arrache un proton en $\beta$, E2). On compare les deux chemins : la SN2 exige un carbone accessible, l'E2 seulement un hydrogène en $\beta$ accessible — et les hydrogènes périphériques le sont toujours.

1) Lire les données. Du bromoéthane au 2-bromo-2-méthylpropane, le carbone porteur du brome passe de primaire à secondaire puis tertiaire : l'attaque dorsale est de plus en plus gênée par les méthyles, la SN2 ralentit fortement. Dans le même temps, le nombre d'hydrogènes en $\beta$ passe de 3 à 6 puis 9, et l'alcène formé est de plus en plus substitué, donc plus stable : l'E2 est favorisée. Les deux effets vont dans le même sens, d'où la bascule : $1\%$, puis $80\%$, puis plus de $90\%$ d'alcène. Sur un halogénoalcane secondaire, un alcoolate élimine déjà majoritairement.

Pour le 2-bromopropane $\mathrm{CH}{}_3-\mathrm{CHBr}-\mathrm{CH}{}_3$ :

• SN2 : un doublet de l'oxygène de l'éthanolate attaque le carbone central, du côté opposé au brome ; le doublet de la liaison C–Br part sur le brome. Produit : le 2-éthoxypropane, et l'ion bromure.
• E2 : un doublet de l'oxygène de l'éthanolate attaque un hydrogène d'un méthyle ; le doublet de la liaison C–H se rabat entre les deux carbones pour former la double liaison ; le doublet de la liaison C–Br part sur le brome. Produits : le propène $\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}{}_3$, l'éthanol et l'ion bromure.

2) Trois découpages.

• (a) Deux choix : isopropylate + bromoéthane, ou éthanolate + 2-bromopropane. Le second donne surtout du propène (question 1). On retient le 2-propanolate de sodium et le bromoéthane : attaque d'un carbone primaire.
• (b) Méthanolate + 2-bromo-2-méthylpropane donnerait le 2-méthylpropène à plus de $90\%$. On retient le tert-butanolate et l'iodométhane.
• (c) Méthanolate + bromocyclohexane serait une SN2 sur un carbone secondaire de cycle, où l'élimination en cyclohexène l'emporte. On retient le cyclohexanolate et l'iodométhane.

La règle commune : l'halogène va sur le carbone le moins encombré, l'oxygène nucléophile sur l'autre. L'encombrement de l'alcoolate gêne peu ; celui du carbone attaqué est décisif.

3) Le cas limite de l'iodométhane. Une élimination forme une double liaison entre le carbone porteur du groupe partant et un carbone voisin, en arrachant un hydrogène porté par ce voisin. L'iodométhane $\mathrm{CH}{}_3-\mathrm{I}$ n'a aucun carbone en $\beta$, donc aucun hydrogène en $\beta$ : l'E2 est impossible, quelle que soit la force de la base. Même une base encombrée ne peut qu'attaquer le carbone, qui est par ailleurs le plus dégagé possible.

4) La Williamson intramoléculaire. L'hydrure déprotone le groupe hydroxyle ($\log K\approx 19$) : $\mathrm{Br}-(\mathrm{CH}{}_2){}_4-\mathrm{O}{}^{-}$. L'oxygène chargé et le carbone porteur du brome appartiennent à la même chaîne, séparés par trois autres carbones. Un doublet de l'oxygène attaque le carbone porteur du brome, du côté opposé ; le doublet de la liaison C–Br part sur le brome. Il se forme un cycle à cinq chaînons (quatre carbones et l'oxygène) : l'oxolane, ou tétrahydrofurane (THF), formule $\mathrm{C}{}_4\mathrm{H}{}_8\mathrm{O}$, sans groupe O–H — ce que confirme l'absence de bande large vers $3300\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-1}$.

Pourquoi l'intramoléculaire l'emporte : le nucléophile et l'électrophile sont toujours voisins, attachés par la chaîne ; la rencontre ne dépend pas de la concentration, alors que la réaction entre deux molécules en dépend. À dilution suffisante, la cyclisation gagne toujours ; et un cycle à cinq se ferme particulièrement vite, peu tendu et formé sans que la chaîne ait à perdre beaucoup de liberté.

Ce que l'exercice installe. Prévoir le produit indésirable par la compétition SN2/E2 ; choisir le découpage d'un éther en confiant toujours l'halogène au carbone le moins encombré ; repérer le cas limite sans hydrogène en $\beta$ ; reconnaître une Williamson intramoléculaire, qui forme des éthers cycliques.