PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
Première
Lyon Est-UE1 "Chimie, biochimie et biologie moléculaire"
Chimie Organique
Chapitre A : Modes de représentation
Chapitre B : Relations d’isomérie entre les molécules organiques
Chapitre C : Bases structurales de la réactivité des
Chapitre D : Alcanes
Chapitre E : Alcènes
Chapitre F : Alcools et thiols
Chapitre G : Amines
Chapitre H : Aldéhydes et cétones
Chapitre I : Acides carboxyliques et dérivés
Mentions légales
remière Année Commune aux Etudes de S
"Chimie, biochimie et biologie moléculaire"
Chimie Organique – Cours du Pr Pascal NEBOIS
(Année universitaire 2011-2012)
Modes de représentation des molécules organiques
Relations d’isomérie entre les molécules organiques
Bases structurales de la réactivité des molécules organiques : effets électroniques
Chapitre H : Aldéhydes et cétones
es carboxyliques et dérivés
0
Santé
"Chimie, biochimie et biologie moléculaire"
Cours du Pr Pascal NEBOIS
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PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
1
A. Modes de représentationdes molécules organiques
Année 2011-2012
1. Représentations en deux dimensions (« planes »)
2. Représentations tridimensionnelles2.1. Représentation de CRAM
2.2. Représentation de NEWMAN2.3. Représentation de FISCHER
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
Présentation
Ce chapitre est consacré aux divers modes de représentation des molécules organiques que l’on
peut regrouper en représentations planes et représentations tridimensionnelles.
Une représentation plane donne l’enchaînement des atomes les uns aux autres
Formule développée
Formule semi-développée
Représentation simplifiée
H3C CH2 COOC2H5H C
H
H
C
H
H
C
O
O C
H
H
C
H
H
H
Représentations diverses
O
O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
Formule semi-développéeReprésentation simplifiée
1. Représentations en deux dimensions (« planes »)
* Exemple du propanoate d’éthyle :
* Exemple du cyclohexane :
H3C H2C C
O
OC2H5
C2H5CO2C2H5
Une représentation plane d'une molécule donne l’enchaînement des atomes les uns aux autres
et ne donne aucune indication sur la structure dans l’espace. Prenons l’exemple du composé appelé
propanoate d’éthyle : la formule développée d’un composé fait apparaître toutes les liaisons entre les
atomes. Mais la formule développée devient vite compliquée à représenter pour des structures plus
complexes. C’est pourquoi on utilise plutôt en pratique la formule semi-développée, qui ne fait apparaître
que certaines liaisons, voire des représentations diverses dont certaines ne font pas réellement apparaître
les liaisons. Cette représentation est appelée représentation simplifiée : les atomes de carbone et
d'hydrogène ne sont pas figurés. Par convention, au bout de chaque liaison il y a un carbone, porteur du
nombre d’hydrogène adéquat en relation avec la tétravalence du carbone. Dans le cas des composés
cycliques, tel que le cyclohexane, on utilise beaucoup plus la représentation simplifiée que la formule semi-
développée ou développée. Enfin, il est important de noter qu'en pratique, et par abus de « langage », on
utilise souvent le terme « formule développée» pour tous les types de représentations planes.
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2
NH
HH
OH
H
NH H
H
OH H
2. Représentations tridimensionnelles 2.1. Représentation de CRAM
� Représentation de liaisons autour d’atomes sp3
H
HC
HH
H
H
HC
H
La première représentation tridimensionnelle que nous allons aborder est la représentation de
Cram, qui permet de visualiser dans l’espace des liaisons autour d'atomes de carbone hybridés en sp3 et
sp2. Prenons tout d’abord l’exemple du carbone sp3 du méthane. De par sa géométrie le carbone est au
centre d’un tétraèdre dont les liaisons avec les atomes d'hydrogène se dirigent vers les sommets de ce
tétraèdre. Deux liaisons sont dans le plan de l’écran, qui est symbolisé en vert pâle dans la représentation
de droite. Ces deux liaisons sont représentées sous forme de traits simples. Une autre liaison pointant vers
l’avant du plan de l'écran, est représentée par un triangle plein. Enfin, la dernière liaison pointant vers
l’arrière du plan de l’écran est représentée par un triangle hachuré. Pour les atomes à trois liaisons et
hybridés en sp3, comme l’azote, ou à deux liaisons, comme l’oxygène, le principe du tétraèdre est
respecté. Ce sont les orbitales contenant le doublet libre pour l’azote et les deux doublets libres pour
l’oxygène, qui pointent aux sommets restants du tétraèdre.
2. Représentations tridimensionnelles 2.1. Représentation de CRAM
� Représentation de liaisons autour d’atomes sp3
HC
CC
C
HH
H H
HH
H
H HO
OHH
H
H
HO
OH
H
OH
OH
Butane représenté en « zig-zag » Forme ouverte du β-glucose
H
C C
C
CH
HH
H
HH
H
HH
CC
C
H HH
H H
C
H
HHH
HH
C C
CH2CH3
HH
HH
Butane représenté en « U »
� Représentation de liaisons autour d’atomes sp2
C CC C
Pour les molécules comportant plusieurs atomes sp3, comme le butane ou la forme ouverte du
glucose, on les représente généralement avec les liaisons dans le plan sous la forme de "zigzag" avec les
liaisons à l’arrière et à l’avant se situant alternativement au-dessus et en-dessous pour respecter la
géométrie sp3 des carbones. Une autre possibilité existe pour laquelle les liaisons dans le plan forme un
« U ». On peut également ne développer que les liaisons autour de quelques atomes ou combiner le
"zigzag" le « U ». Enfin, il est possible de représenter selon Cram les liaisons autour d'atomes hybridés en
sp2. Voici l'exemple d'un premier type de représentation de la double liaison carbone-carbone, pour
laquelle les cinq liaisons sigma se situent dans le plan vert pâle, qui est aussi celui de l'écran. Une
deuxième représentation est possible avec cette fois l'ensemble des liaisons sigma dans un plan, orange
pâle, perpendiculaire au plan de l'écran.
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3
2. Représentations tridimensionnelles 2.2. Représentation de NEWMAN
� Représentation d’un carbone sp3
OH
CH
CH3
H2N
OH
H2N CH3
Projection de NEWMAN
� Représentation d’une liaison carbone-carbone
Permet de bien visualiser la disposition relative dans l’espace des atomes liés à deux carbones sp3 adjacents
HH
H
H
HH
C C
H
H
H
HH
HNEWMANH
H
HH
HH
Exemple H3C-CH3
H
H
HH
HH
CRAM
La représentation ou projection de Newman permet également de visualiser une molécule dans
l’espace. Pour représenter un carbone sp3, il est nécessaire de regarder le carbone dans l’axe d’une de
ses liaisons, puis projeter ce que l’on voit dans le plan de l’écran ou de la feuille. La projection de Newman
permet de bien visualiser la disposition relative dans l’espace des atomes liés à deux carbones sp3
adjacents. Voici par exemple une représentation de Newman de l'éthane. Cette représentation est obtenue
en regardant par la droite ou par la gauche dans l’axe de la liaison carbone-carbone que l’on veut
représenter. Dans notre exemple nous regardons par la gauche. Il faut ensuite projeter sur un plan ce que
l’on voit. Le carbone de l’arrière est symbolisé par un cercle duquel partent les trois liaisons. Lors de la
projection du carbone de devant, ce dernier se retrouve au centre de ce cercle.
2. Représentations tridimensionnelles 2.3. Représentation de FISCHER
H
C
HHH
C
H
H
HHH
H
H
H
méthaneFischer
Cram=
COOH
H2N H
R
Acide aminé
CHO
H OH
HO H
HO H
H OH
CH2OH
� Représentation des composés à plusieurs carbones (oses par exemple)
CHOCC
C
HO
H
H
H
HO
HOCH2OH
OHH
CHO
H OH
HO H
HO H
H OH
CH2OHD-galactoseFISCHER
H
OH
HHO
H
HO
HOH
� Représentation d’un carbone sp3
Enfin, la dernière représentation tridimensionnelle que nous détaillerons est celle de Fischer,
mise au point en particulier pour représenter les sucres et les acides aminés. La représentation de Fischer,
d’un carbone sp3, ici le méthane, prend la forme d’une croix, et fait appel à une convention bien
particulière. Le carbone se situe au centre de la croix, les liaisons sur la verticale pointant vers l’arrière du
plan de l'écran, et celles sur l’horizontale pointant vers l’avant de celui-ci. Pour passer de cette
représentation à celle de Cram, il suffit de réaliser une rotation de 90° vers la droite ou vers la gauche.
Dans le cas des acides aminés, une convention supplémentaire est à appliquer pour représenter le
carbone porteur des fonctions COOH et NH2. Le COOH doit obligatoirement être placé au sommet de la
verticale et le groupement NH2 sur l’horizontale. Il est également possible de représenter selon Fisher un
composé à plusieurs carbones comme par exemple le D–galactose, en prenant soin de placer le carbone
le plus oxydé, ici CHO, au sommet. Cette représentation correspond à celle de Cram tout en « U », dépliée
et projetée sur un plan. La convention de Fischer est ainsi respecter, tout ce qui est à l’horizontale est vers
l’avant du plan de l'écran, et tout ce qui est vertical est vers l’arrière de ce plan.
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B. Relations d’isomérie entreles molécules organiques
Année 2011-2012
1. Isomères2. Isomères de constitution3. Stéréoisomères
3.1. Isomères de conformation3.2. Isomères de configuration
3.2.1. Isomérie optique
3.2.2. Isomérie géométrique
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Cours du Pr. Pascal NEBOIS
Ce chapitre est consacré à l’étude des relations d’isomérie existant entre les molécules
organiques, c’est-à-dire à l’étude de leur parenté structurale. Nous verrons tout d'abord la définition de
l’isomérie, puis nous détaillerons successivement la définition de l’isomérie de constitution et la
stéréoisomérie.
1. Isomères
� Isomères = composés possédant la même composition atomique = même formule brute
Exemple : tous les composés de formule brute C5H10O2 sont isomères les uns des autres
Parmi les isomères, on distingue :
* Les composés de même formule brute, mais de formules développées différentes : ce sont des isomères de constitution
* Les composés de même formule brute, de formules développées identiques, mais disposition relative de leurs atomes dans l’espace différente :
ce sont des stéréoisomères
Le terme isomère peut être un adjectif ou un nom : le composé A et le composé B sont isomères, ou le composé A est l’isomère du composé B
Des isomères sont des composés possédant la même composition atomique, donc possédant la
même formule brute. Par exemple, tous les composés répondant à la formule brute C5H10O2 sont isomères
les uns des autres. Le terme isomère peut être un adjectif ou un nom : on peut dire que le composé A et le
composé B sont isomères, ou que le composé A est l’isomère du composé B. Parmi les isomères, on
distingue d’une part les composés de même formule brute, mais de formules développées différentes : ce
sont des isomères de constitution. Les composés de même formule brute et développée ne se distinguant
que par la disposition relative de leurs atomes dans l’espace sont des stéréoisomères.
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2. Isomères de constitution
H3C CH2 CH2 CH2
COOHII
H3C CH2 CH
COOH
CH3
I
CH3 CH2 COOC2H5
III
� Isomères de constitution : même formule brute, formules développées différentes
Même famille chimique = isomères de position = régioisomères
� I et II sont isomères de constitution, de même que I et III, de même que II et III
De plus, I et II sont isomères de position, ou régioisomères, c’est-à-dire des isomères deconstitution appartenant à la même famille chimique
C5H10O2
I, II, et III sont isomères
I, II, et III n’ont pas la même formule développée
L’isomérie de constitution est souvent qualifiée d’isomérie «plane », car elle se repère sur lesreprésentations planes (formules développées)
Des isomères de constitution ont donc une même formule brute, mais des formules développées
différentes. Par exemple, ces trois composés possèdent la même formule brute, C5H10O2, ils sont isomères.
Par contre, ils n’ont pas la même formule développée. Ce sont donc des isomères de constitution. De plus,
les deux premiers composés sont des isomères de position ou régioisomères, c’est-à-dire des isomères de
constitution appartenant à la même famille chimique, en l'occurrence ici celle des acides carboxyliques. Le
troisième composé, qui appartient à la famille des esters, n'est donc pas régioisomère des deux
précédents. Enfin, notons que l’isomérie de constitution est souvent qualifiée d’isomérie « plane » car elle
se repère directement à partir des représentations planes.
3. Stéréoisomères 3.1. Isomères de conformation
� Isomères de conformation : mêmes formules brute et développée, et on peut passer de l’un à l’autre par simple rotation de liaisons σσσσ
C C
H
HH
H
HH
A
Exemple H3C-CH3
rotation liaison C-C
ouC C
H H
HH
HH
B
A et B sont isomères de conformation
Toute molécule possédant au moins une liaison simple C-C peut exister sous forme deplusieurs isomères de conformation (sauf cas très particuliers)
ou
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
Nous allons aborder à présent le domaine de la stéréoisomérie en détaillant deux types de
stéréoisomères : les isomères de conformation et les isomères de configuration. Nous commencerons par
les isomères de conformation. Ces isomères ont une même formule brute, une même formule développée
et il est possible de passer de l’un à l’autre par simple rotation de liaisons sigma. Prenons l’exemple de
l'éthane. On peut représenter l’éthane de cette manière, c'est à dire selon Cram avec des liaisons dans le
plan et en zigzag. Voici la projection de Newman de cette structure, que nous appellerons A. Si on
envisage une rotation de la liaison carbone-carbone, par exemple de 180°, on obtient l’éthane selon Cram
avec les liaisons dans le plan en "U". On peut noter que si l’on représentait strictement la projection de
Newman de cette structure B, les liaisons carbone-hydrogène du carbone de derrière seraient
complètement éclipsées par les liaisons carbone-hydrogène du carbone de devant. Voilà pourquoi on
décale légèrement ces liaisons pour les rendre visibles. Les structures A et B font apparaître un placement
différent des atomes de l’éthane dans l’espace, et on peut passer de l’une à l’autre par rotation : ce sont
donc des isomères de conformation. Sauf exceptions qui sont hors programme, toute molécule possédant
au moins une liaison simple carbone-carbone peut exister sous forme de plusieurs isomères de
conformation, qui ne sont pas isolables car les liaisons sont sans cesse en rotation.
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6
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration
� Isomères de configuration : mêmes formules brute et développée, mais on ne peut pas passer de l’un à l’autre par simple rotation de liaisons σ
� Ce sont des molécules différentes, isolables
� Pour qu’à une même formule développée puissent correspondre des isomères de configuration, il faut qu’elle fasse apparaître des éléments stéréogènes :
* Carbone asymétrique : source d’isomérie optiqueet / ou
* Double liaison ou cycle : source d’isomérie géométrique
D’autres éléments stéréogènes existent, non vus dans ce cours (sauf N de certains ammoniums, cf Chapitre G)
Nous allons traiter maintenant de l’isomérie de configuration, toujours dans le cadre de la
stéréoisomérie. Des isomères de configuration ont les mêmes formules brute et développée, mais il est
impossible de passer de l’un à l’autre par rotation de liaison sigma. Contrairement aux isomères de
conformation ce sont des molécules différentes et isolables. Pour qu’à une même formule développée
puissent correspondre des isomères de configuration, il faut qu’elle fasse apparaître des éléments
stéréogènes, c’est-à-dire qu'elle possède au moins un carbone asymétrique, qui sera source d’isomérie
dite « optique », et/ou une double liaison ou un cycle, qui seront source d’isomérie dite « géométrique ».
D’autres éléments stéréogènes existent qui ne seront pas détaillés dans ce cours.
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
� Liée à la présence d’au moins un carbone asymétrique (noté C*)
A
C
BD
EI
A ≠ B ≠ D ≠ E
� Autour du carbone asymétrique, deux arrangements des substituants A, B, D et E sont possibles :
B
C
AD
EII
A
C
BD
EI
Attention : ce qui est possible sur le papier nécessite en réalité une (voire plusieurs) réaction chimique : un arrangement de substituants autour d’1C* est figé pour une molécule donnée
Carbone asymétrique = carbone sp3 relié à 4 atomes ou groupes d’atomes tous différents
L’isomérie optique est liée à la présence dans une structure d’au moins un carbone asymétrique,
noté C*. Un carbone asymétrique est un carbone hybridé en sp3 qui est lié à quatre atomes ou groupes
d’atomes tous différents entre eux, qui sont appelés substituants. Voici une visualisation générale
tridimensionnelle, obtenu à l’aide d’un logiciel, d'un carbone asymétrique. Autour d'un carbone
asymétrique, deux arrangements des substituants A, B, D et E sont envisageables. A partir d’un
arrangement possible, il suffit de permuter deux substituants et deux seulement, par exemple ici A et B,
pour obtenir l’autre. Attention, ce qui est possible sur le papier, c’est-à-dire la permutation de deux
substituants, nécessite en réalité une réaction chimique. Un arrangement de substituants autour d'un
carbone asymétrique est donc figé pour une molécule donnée.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
� Pour un carbone asymétrique, il y a donc 2 isomères de configuration possibles
A
C
BD
EA
C
B D
E
miroirIII
Ces deux isomères sont appelés énantiomères (= molécules images l’une de l’autre dans un miroir et non superposables)
B
C
AD
EII
A
C
BD
EI
Rotation 180°dans le plan
A
C
BD
E
I
B
C
AD
E
II
Définition de superposable : deux structures sont superposables lorsqu’elles coïncident exactement en les posant l’une sur l’autre.
images l’un de l’autre dans un miroir
Pour un carbone asymétrique, il y a donc deux isomères de configuration possibles, qui
présentent la caractéristique d’être image l’un de l’autre dans un miroir. Ces deux isomères sont appelés
énantiomères parce qu’ils sont images l’un de l’autre dans un miroir et non superposables. Pour rappel,
deux structures sont superposables lorsqu’elles coïncident exactement en les posant l’une sur l’autre.
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
� Caractéristiques des molécules possédant au moins un C*
* Elles dévient le plan de polarisation de la lumière polarisée d’un angle α non nul =activité optique
α = pouvoir rotatoire, spécifique d’une moléculeNégatif si déviation de la lumière à gauche (molécules lévogyres)
Positif si déviation de la lumière à droite (molécules dextrogyres)
Deux énantiomères possèdent des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue,de signes opposés
Mélange équimolaire de deux énantiomères= mélange racémique � α = 0
* Elles sont chirales
= Elles sont non superposables à leur image dans un miroir
Chiralité et activité optique vont de paire : une molécule chirale possède une activité optique,et inversement
Les molécules présentant au moins un carbone asymétrique possèdent entre autre deux
caractéristiques : elles dévient le plan de polarisation de la lumière polarisée d’un angle non nul. C’est ce
qu'on appelle l’activité optique. Dans le cadre de ce cours, une molécule sans carbone asymétrique n’a
pas d’activité optique. L'angle de déviation est appelé pouvoir rotatoire ou alpha et est spécifique d’une
molécule. Cet angle est, par convention, de valeur négative si la déviation de la lumière s’effectue à
gauche. On parle alors de molécules lévogyres. Cet angle est, par convention, de valeur positive si la
déviation de la lumière s’effectue à droite : les molécules sont alors dites dextrogyres. Deux énantiomères
possèdent des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue, mais de signes opposés. De ce fait, un
mélange équimolaire de deux énantiomères, c'est à dire composé de 50% de molécules de l’un et 50% de
molécules de l’autre est appelé mélange racémique et ne possède pas d’activité optique. En effet, dans ce
cas, les deux déviations s’annulent et l'alpha est ainsi égal à 0. La deuxième caractéristique des molécules
possédant au moins un carbone asymétrique est qu'elles sont chirales, c’est-à-dire qu’elles sont non
superposables à leur image dans un miroir. Chiralité et activité optique vont de paire : une molécule chirale
possédant forcément une activité optique et inversement.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
���� Nomenclature : configurations absolues R et S
Exemple du chloro(fluoro)iodométhane
F
CI Cl
H
IC
Cl
H F
et
IC
F
H Cl
I II énantiomères
1ère phase : classer par ordre de priorité (= ordre de préséance) les 4 atomes ou groupes d’atomes liés au C* ; l’atome de numéro atomique le plus grand étant prioritaire sur les autres(= priorité 1)
I > Br > Cl >S > F > O > N > C > H
IC
Cl
H F
1
2
3
4
I
IC
F
H Cl
II
Règles de Cahn-Ingold-Prélog
1 2
34
Prenons à présent l'exemple de ce composé, le chloro(fluoro)iodométhane, qui possède un
carbone asymétrique. A cette représentation plane correspond donc deux isomères de configuration qui
sont énantiomères. L’un sera dit de « configuration » absolue R, l’autre de configuration absolue S. Le
rattachement à l'une ou l'autre de ces configurations absolues est déterminé en appliquant une procédure
qui a été élaborée par trois chimistes : Cahn, Ingold et Prélog. La première phase consiste à classer par
ordre de priorité, ou ordre de préséance, les quatre atomes ou groupes d’atomes liés au carbone
asymétrique, l’atome de numéro atomique le plus grand étant prioritaire sur les autres. Par exemple pour
l’énantiomère I parmi les quatre atomes liés au carbone, l’iode possédant le plus grand numéro atomique,
il a donc la priorité 1. L'atome suivant de plus grand numéro atomique est le chlore, qui aura la priorité 2,
suivi du fluore, puis de l’hydrogène. Les ordres de priorité sont bien entendu les mêmes pour l’énantiomère
II.
IC
F
H Cl
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
���� Nomenclature : configurations absolues R et S et règles de Cahn-Ingold-Prélog
IC
Cl
H F
12
34
II
I
2ème phase : Se placer de façon à voir la molécule selon Newman ( C* à l’avant priorité 4)
F
ClI12
3 1-2-3 : sens inverse des aiguilles d’une montre : S
Cl
FI1
2
3
1-2-3 : sens des aiguilles d’une montre : R
I = (R)-chloro(fluoro)iodométhane et II = (S)-chloro(fluoro)iodométhane
1
2
3
4
Vient ensuite la deuxième phase de la procédure, qui commence par considérer la projection de
Newman en regardant dans l’axe de la liaison carbone asymétrique-atome de priorité 4, avec le carbone
asymétrique à l’avant. On obtient ainsi la projection suivante pour la structure I. La troisièm étape consiste
à déterminer le sens du cheminement pour passer de l'atome de priorité 1 à celui de priorité 2 puis de
priorité 3. Lorsque ce sens correspond à celui des aiguilles d'une montre, la configuration absolue est R.
Le second sens possible est l’inverse de celui des aiguilles d’une montre, comme pour la structure II, qui
est donc de configuration absolue S. Ainsi, la structure l correspond au (R)-chloro(fluoro)iodométhane et la
II au (S)-chloro(fluoro)iodométhane.
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9
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
CHO CH
O
CH3
CH2CH3 Acide 2-méthylbutanoïque*
2 énantiomères
CC
CH2-CH3
H CH3
O
HO
CO
OHà classer : H -CH3 -CH2-CH3
1er niveau H C C CPriorité 4
4
2ème niveau - (H,H,H) (O,O,O)(H,H, C)
C = A : A doublé
Priorité 1Priorité 2Priorité 3
3
21
A : A tripléC
I
Un autre exemple est celui de l’acide 2-méthylbutanoïque. Cette molécule possède un carbone
asymétrique, repéré par l’étoile. La présence de ce carbone asymétrique implique qu’à cette formule
développée soient associés deux isomères de configuration qui sont énantiomères, l’un de configuration
absolue R et l’autre de configuration absolue S. Voici un des deux énantiomères. Pour déterminer s’il est R
ou S, il faut tout d'abord classer par ordre de priorité les quatre substituants suivants : l’atome d’hydrogène
ainsi que les trois groupements CH3, CH2CH3 et COOH. Pour ce faire, on va d’abord considérer le premier
niveau, c’est-à-dire les atomes directement liés au carbone asymétrique : on aura donc l'hydrogène puis
un atome de carbone pour les trois groupements. En comparant le numéro atomique de l'hydrogène par
rapport à celui du carbone, on peut attribuer la priorité 4 à l’atome d'hydrogène, car il est de numéro
atomique inférieur à celui du carbone. Par contre, pour classer les trois autres substituants, il est
nécessaire de passer à un deuxième niveau, c’est-à-dire aux atomes reliés à l’atome du premier niveau,
en s’éloignant du carbone asymétrique. Pour CH3, on trouve alors trois atomes d'hydrogène, puis deux
hydrogènes et un carbone pour le groupement CH2CH3. Pour le groupement COOH, on considère qu'il
s’agit de trois oxygènes, un provenant de l'oxygène du OH, les deux autres étant issus de l'oxygène
doublement lié. En effet, les règles de Cahn, Ingold et Prélog précisent qu'un atome doublement lié est
toujours doublé, de même qu’un atome triplement lié est triplé. On choisit ensuite pour chaque groupe de
trois atomes celui qui est prioritaire, à savoir un des hydrogènes de CH3, le carbone pour CH2CH3 et un
des oxygènes pour COOH. Les numéros atomiques de ces atomes sélectionnés sont ensuite comparés
pour établir le classement définitif.
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
CHO CH
O
CH3
CH2CH3 Acide 2-méthylbutanoïque*
CC
CH2-CH3
H CH3
O
HO
4 3
21
CH3
CH2CH3HOOC1
2
3
Regard C* priorité 4
S
Acide (S)-2-méthylbutanoïque
CC
CH2-CH3
H3C H
O
HO
Regard C* priorité 4CH3
COOHCH3CH2
12
3R
1
4
2
I
3
Acide (R)-2-méthylbutanoïque
II
Ayant attribué les ordres de priorité, l’étape suivante consiste à considérer le sens 1-2-3 à partir
de la projection de Newman selon l’axe de la liaison carbone asymétrique-priorité 4. Ce sens est inverse
de celui des aiguilles d’une montre. La structure I est donc de configuration absolue S, c'est l’acide (S)–2-
méthylbutanoïque. L’énantiomère de celui-ci peut être obtenu par permutation de deux substituants portés
par le carbone asymétrique, par exemple ici l'hydrogène et le groupement méthyle. La conséquence de
cette permutation est que ce composé II doit donc être de configuration absolue R, puisque c'est
l'énantiomère du composé I. Vérifions cela. Les ordres de priorité des substituants sont les mêmes que
ceux déterminés précédemment. En appliquant ensuite la même procédure que pour le composé I, on
constate bien cette fois un sens de rotation pour passer de 1 à 2 puis 3 qui le même que celui des aiguilles
d'une montre, établissant ainsi la configuration R pour le carbone asymétrique du composé II. Par contre,
on peut constater que dans ce cas, pour effectuer la projection de Newman requise cela implique de
regarder la molécule par l’arrière pour avoir le carbone asymétrique au premier plan et pouvoir regarder
dans l’axe de la liaison carbone asymétrique-atome d'hydrogène. Or le sens vu de derrière la molécule est
l'inverse de celui vu de devant. En conséquence, quand le substituant de priorité 4 est placé à l’avant,
comme ici l'atome d'hydrogène, il suffit d’inverser le sens 1-2-3 vu de devant.
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10
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
COOH
H2N H
CH3
COOH
H NH2
CH3
COOH
H2N H
CH2SH
Acides aminés : en Fischer si NH2 est à gauche, H à droite quand COOH au sommet : L( D si NH2 est à droite)
Il n’y a pas de relation systématique entre L/D et R/S
Pour une détermination R/S d’un C* représenté selon Fischer, se rappeler que tout ce quiest sur l’horizontale est à l’avant, ce qui est à la verticale est à l’arrière
Sens à inverser (H à l’avant)
La valeur et le signe du pouvoir rotatoire d’une molécule chirale ne peuvent être déterminés qu’expérimentalement (sauf si on connaît le pouvoir rotatoire de son énantiomère) : ne pas confondre L et l (lévogyre), D et d (dextrogyre)
Configuration S Configuration R Configuration R
1 1 1
2 2
23 3
3
44
4
(O,O,O)
(H,H,S)
L-alanine D-alanine L-cystéine
Une détermination de configuration absolue peut également se faire sur une représentation de
Fischer. Voici trois acides aminés représentés selon Fisher. Il faut avant tout bien avoir en tête la
convention de Fisher : tout ce qui est sur l'horizontale est vers l'avant du plan de l'écran et tout ce qui est
sur la verticale est à l’arrière de ce plan. La première étape est de déterminer l’ordre de priorité des
substituants autour du carbone asymétrique. Au premier niveau, on attribue ainsi facilement la priorité 1
pour l'atome d'azote du groupement amino et la priorité 4 pour l'atome d'hydrogène. Le niveau 2 permet
ensuite d'attribuer la priorité 2 au COOH et la priorité 3 au groupement méthyle. Le sens 1-2-3 vu de face
correspond à R, mais l'hydrogène étant sur l’horizontale donc à l’avant, ce sens est à inverser. Ainsi, cette
molécule est-elle de configuration absolue S. Si on compare ensuite la structure du deuxième acide aminé
présenté par rapport au premier, on constate comme différence la seule inversion de deux substituants,
l'hydrogène et le NH2. On est donc en présence de l'énantiomère du premier acide aminé. Enfin, le dernier
acide aminé est également de configuration absolue R. En effet, au deuxième niveau l'atome de soufre de
CH2SH donne la priorité à ce substituant par rapport à COOH, car le numéro atomique du soufre est
supérieur à celui de l'oxygène. Chez les acides aminés, une autre nomenclature peut être appliquée pour
différencier les isomères de configuration. Il s’agit de la nomenclature D/L déterminable uniquement sur
une représentation de Fisher. Un acide aminé est L si NH2 est à gauche et l'hydrogène à droite quand
COOH est au sommet, il est D si NH2 est à droite. Le premier acide aminé présenté est donc la L-alanine,
le second étant la D-alanine et le dernier, la L-cystéine. Il n’y a pas de relation systématique entre les
nomenclatures D/L et R/S, comme on peut le voir puisque la L-alanine est S tandis que la L-cystéine est R.
D'autre part, la valeur et le signe du pouvoir rotatoire d’une molécule chirale ne peuvent être déterminés
qu’expérimentalement, sauf lorsqu'on connait le pouvoir rotatoire de son énantiomère. Il ne faut donc pas
confondre L majuscule et l minuscule que l’on emploie parfois pour lévogyre, de même que D majuscule et
d minuscule que l’on emploie parfois pour dextrogyre.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
���� Un C* peut être inclus dans un cycle
O ClH
1
42
3
configuration S
���� Cas des composés avec plusieurs C* Chaque carbone peut être R ou S : à une formule développée comportant n C* correspond2n isomères de configuration
* Pour 2 C* : 4 isomères de configuration
S,R R,S
R,R S,S
ÉnantiomèresDiastéréoisomères
R,R,R / S,S,S R,S,R / S,R,S S,S,R / R,R,S R,S,S / S,R,R
* Pour 3 C* : 8 isomères de configuration
Énantiomères ÉnantiomèresÉnantiomères Énantiomères
Épimères = diastéréoisomères qui ne diffèrent que par la configuration d’un seul C*
Un carbone asymétrique peut être inclus dans un cycle comme dans l'exemple de cette
molécule avec un carbone asymétrique de configuration absolue S. Une molécule peut également
posséder plusieurs carbones asymétriques. Chacun de ceux-ci pouvant être R ou S, à une formule
développée comportant n carbones asymétriques correspond donc 2n isomères de configuration. Ainsi,
pour deux carbones asymétriques, on aura donc 22, c’est-à-dire quatre isomères de configuration
correspondant aux quatre possibilités : SR, RS, RR et SS. A l'intérieur de ces quatre stéréoisomères, SR
et RS d’une part, et RR et SS d’autre part, sont des énantiomères. En effet, pour que deux molécules
soient énantiomères, il faut que tous leurs carbones asymétriques soient de configuration absolue
inversée. A ce propos, si on compare les stéréoisomères RS et RR on constate l'inversion au niveau d'un
seul carbone asymétrique. En conséquence, ce ne sont donc pas des énantiomères, mais des
diastéréoisomères. D'ailleurs, on définit les diastéréoisomères comme étant des isomères de configuration
non énantiomères. SR et SS sont également diastéréoisomères, tout comme SR et RR, et enfin RS et SS.
Pour trois carbones asymétriques, on dénombre 23 isomères de configuration, soit huit. Parmi ceux-ci, on
retrouvera quatre couples d’énantiomères. L'isomère de configuration RRR par exemple, est l’énantiomère
du composé présentant une inversion de tous les carbones asymétriques, soit l'isomère de configuration
SSS. Cet isomère RRR est d'autre part le diastéréoisomères de tous les autres isomères de configuration.
Enfin, les diastéréoisomères qui ne diffèrent que par la configuration d’un seul carbone asymétrique sont
appelés des épimères. Ainsi, l'isomère de configuration RRR est l’épimère des isomères RSR, RRS et
SRR.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
���� Détermination de la configuration absolue sur 2 C*
C
HO H
HO H
CH2OH
OH
2,3,4-trihydroxybutanal
1
4
2
3
C*-2
1er niveau
2ème niveau
C*-3
O,
(O,O,H) (O,C-4,H)
(2S,
(O,C-1,H) (O,H,H)
C-1, C-3, H O, C-2, C-4, H
3S)
L’énantiomère de ce composé est le (2R,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal
Ses diastéréoisomères sont le (2R,3S)- et le (2S,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal
L-érythrose
Exemple du L-érythrose : ose de la série L (OH le plus en bas à gauche)
Nous allons voir un exemple de détermination de la configuration absolue d’un composé à deux
carbones asymétriques, représenté selon Fisher. Ce composé est un ose, le L-érythrose. Pour les sucres,
comme pour les acides aminés, on utilise la nomenclature D/L, applicable sur la représentation de Fischer
des sucres qui fait apparaître la fonction la plus oxydée en haut, ici la fonction aldéhyde CHO. Un sucre est
D si le OH le plus en bas et à droite, il est L si cet OH est à gauche, comme c'est le cas ici. Des numéros
1, 2, 3 et 4 sont attribués aux atomes de carbone pour permettre de les repérer et de nommer le composé
selon des règles de nomenclature internationale. La formule développée de ce composé correspond aux
2,3,4-trihydroxybutanal et fait apparaître deux carbones asymétriques, le carbone-2 et le carbone-3. Nous
allons d’abord déterminer la nature R ou S du carbone en position 2. Au premier niveau, ce carbone est
relié à un oxygène, un hydrogène et aux carbones C-1 et C-3. Grâce aux numéros atomiques, il est alors
possible d'attribuer facilement la priorité 1 au groupement OH et 4 à l'atome d'hydrogène. Par contre il est
nécessaire de passer au deuxième niveau pour différencier C1 et C3, c’est-à-dire aux atomes liés à C1 et
C3 quand on s’éloigne du carbone asymétrique dont on est en train de déterminer la configuration. Le
carbone-1 est relié à un hydrogène et deux oxygènes, l’oxygène doublement lié comptant double. Le
carbone-3 est quant à lui relié à un hydrogène, un carbone et un oxygène. Pour chaque groupe de trois
atomes, on choisit le prioritaire que l’on souligne, ici un oxygène pour chaque groupe. Ces atomes étant
identiques, on passe donc aux atomes suivants venant par ordre de priorité pour chaque groupe, soit un
oxygène pour le premier et un carbone pour le second. L’oxygène ayant un numéro atomique supérieur à
celui du carbone, le carbone-1 sera prioritaire par rapport au carbone-3. En conséquence, le groupement
CHO est donc de priorité 2 tandis que le groupe d’atomes porté par le carbone-3 est de priorité 3. Le sens
1-2-3 lu ici est le sens des aguilles d’une montre, qui est le sens R. Mais l'atome d'hydrogène, de priorité 4,
est sur l’horizontale donc à l’avant. En conséquence, le sens doit être inversé et le carbone-2 est donc de
configuration S. Concernant à présent la configuration du carbone-3, celui-ci est lié à un oxygène, un
hydrogène et aux carbones-2 et -4. Nous pouvons d’ores et déjà attribuer la priorité 1 au groupement OH
et 4 à l'atome d'hydrogène. Pour différencier C2 et C4, il faut passer au deuxième niveau. Le carbone-2 est
relié à un oxygène, un carbone et un hydrogène tandis que le carbone-4 est lié à un oxygène et deux
hydrogènes. Les deux atomes prioritaires de chaque groupe sont tous les deux des oxygènes. On passe
donc aux atomes suivants. Pour le premier groupe, le carbone est prioritaire sur l'hydrogène alors que
dans le deuxième groupe on ne peut choisir qu'un hydrogène. Le carbone-2 aura donc la priorité sur le
carbone-4. Le sens 1-2-3 lu est le sens R, mais avec l'hydrogène sur l’horizontal. Il faut donc inverser le
sens. Ainsi, le carbone-3 est également de configuration S. La nomenclature internationale du L-érythrose
est : (2S,3S)-2,3,4-trihydroxybutanal, son énantiomère étant le (2R,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal et ses
diastéréoisomères le (2R,3S) et le (2S,3R)-2,3,4-trihydroxybutanal.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
���� Représentation de l’énantiomère du L-érythrose
C
HO H
OH
HHO
CH2OH
L-érythrose(2S, 3S)-2,3,4-trihydroxybutanal
1
2
3
4
C
H OH
OH
OHH
CH2OH
1
2
3
4D-érythrose
(2R, 3R)-2,3,4-trihydroxybutanal
Pour représenter l’énantiomère d’une molécule selon Fisher, il est relativement simple de
considérer sa structure en miroir.
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
�Exception à la règle des 2n isomères de configuration pour n C* : composés à 2 C* portant chacun les mêmes substituants
C C
A
B
D
B
A
D
superposables : même molécule = méso (achiral)
COOH
H OH
HHO
COOH
R
R
COOH
HO H
OHH
COOH
S
S
énantiomères chiraux
On devrait dénombrer 22 = 4 isomères de configuration
COOH
HO H
HHO
COOH
S
R
COOH
H OH
OHH
COOH
R
S
C C
OH
HOOC
H
COOH
OH
H
Exemple :
COOH
H
OHOH
H
HOOCRS
COOH
HO H
HHO
COOH
S
R
90°dansle plan
90°dansle plan
Pour ce type de composé, il n’y a que 3 isomères de configuration : RR, SS et SR = RS = mésoL’isomère méso est le diastéréoisomère achiral de RR et de SSMéso : exception à la règle voulant que si il y a au moins un C* dans une structure, alors elle est chirale et douée d’activité optique
Il est important de noter qu'il existe une exception à la règle des 2n isomères de configuration
pour n carbones asymétriques, ce sont les composés possédant deux carbones asymétriques portant
chacun les mêmes substituants et répondant donc à la formule générale suivante. Prenons l'exemple de
ce composé, dont chaque carbone asymétrique porte un hydrogène, un groupement OH et un groupement
COOH. Puisque ce composé comporte deux carbones asymétriques, on devrait pouvoir dénombrer quatre
isomères de configuration, le RR, son énantiomère SS, le SR et son énantiomère RS. Or, si on imprime à
l'isomère RS, une rotation de 180° dans le plan on retrouve exactement le SR. RS et SR ne sont donc pas
des énantiomère puisqu’ils sont superposables, et ne sont en fait que deux représentations d’une seule et
même molécule. Ce type particulier de molécule possédant deux carbones asymétriques porteurs des
mêmes groupes de substituant, l’un étant R et l’autre étant S, sont dit de configuration « méso ». A cette
configuration méso est systématiquement associée une absence d'activité optique. Un composé méso est
donc toujours achiral. Par contre, les isomères RR et SS sont bien des molécules images les unes des
autres dans un miroir et non superposables. Ce sont donc des énantiomères chiraux. En conclusion, pour
ce type de composé, il n’y a donc que trois isomères de configuration : le RR, le SS et le méso, l’isomère
méso étant le distéréoisomère achiral des isomères RR et SS. Les composés méso constituent des
exceptions à la règle voulant que s’il y a au moins un carbone asymétrique dans une structure alors celle-
ci est chirale et douée d’activité optique.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
���� Propriétés comparées des énantiomères et des diastéréoisomères
Des énantiomères :
possèdent parfois des propriétés biologiques différentes
possèdent des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue, mais de signes opposés :c’est parfois la seule façon de les différencier
NCH3
CH3O
O
C2H5 CH3 H
S R
dextropropoxyphène
H
Cl
possèdent des propriétés identiques dans un environnement symétrique (même point de fusion, même degré de solubilité dans les solvants courants)
NCH3
CH3O
O
C2H5 CH3 H
RS
lévopropoxyphène
H
Cl
analgésique antitussif
163-164°C
- 60,1+ 59,8
Point de fusion
Pouvoir rotatoire
163-164°C
Enantiomères et diastéréoisomères sont des isomères de configuration de propriétés différentes.
Des énantiomères présentent des propriétés identiques dans un environnement symétrique, par exemple
le même point de fusion ou le même degré de solubilité dans les solvants courants. Ils possèdent d'autre
part des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue, mais de signes opposés, ce qui constitue d'ailleurs
parfois la seule façon de les différencier. Ils possèdent également quelquefois des propriétés biologiques
différentes. Par exemple, voici un composé, le dextropropoxyphène, qui est utilisé pour ses propriétés
analgésiques, c’est-à-dire antidouleur. Il comporte deux carbones asymétriques dans sa structure, un de
configuration S l'autre de configuration R. Son point de fusion est de 163°C et son pouvoir rotatoire de
+59,8. Il est donc dextrogyre, d’où son appellation. Son énantiomère est le lévopropoxyphène, qui est
connu quant à lui pour être un antitussif, c’est-à-dire qu’il lutte contre la toux. Par rapport au
dextropropoxyphène, son point de fusion est identique et son pouvoir rotatoire est quasiment le même en
valeur absolue, la petite différence provenant des erreurs expérimentales de mesure. Par contre, on note
bien entendu un signe opposé. Le lévopropoxyphène est donc lévogyre.
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.1. Isomérie optique
���� Propriétés comparées des énantiomères et des diastéréoisomères
Deux diastéréoisomères sont plus différents que deux énantiomères
Aucune relation entre les pouvoirs rotatoires
N CF3
CF3
HON
H*
*
Méfloquine LARIAM (racémique 1R,2S + 1S,2R)antipaludéen
1
2 , HCl
1R,2S 1S,2R 1R,2R 1S,2S
Point de fusion C 276 276 151 151
Pouvoir rotatoire spécifique +33 -33 +54 -54
ααααD20 (dans méthanol)
Deux diastéréoisomères présentent plus de différences que deux énantiomères. Tout d'abord; il
n’y a aucune relation entre leurs pouvoirs rotatoires respectifs. Prenons l'exemple de la Méfloquine, qui est
utilisée pour ses propriétés antipaludiques, et qu'on retrouve dans le médicament appelé LARIAM. Ce
qu'on appelle méfloquine, est en fait un mélange racémique, c’est-à-dire un mélange 50/50 de deux
énantiomères : le 1R,2S et le 1S,2R. Or, lors des travaux de mise au point de cette molécule, les quatre
isomères de configuration ont été synthétisés et analysés. Les isomères RS et SR sont énantiomères et
possèdent donc des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue et de signes opposés. La lettre D et le
nombre 20 associés à l'alpha sont en relation avec les conditions expérimentales appliquées lors de la
mesure. Les isomères RR et SS sont également énantiomères avec eux aussi des pouvoirs rotatoires
égaux en valeur absolue mais de signes opposés. Par ailleurs, les points de fusion des énantiomères sont
identiques. Les isomères SR et RR sont isomères de configuration mais sans être énantiomères. Ce sont
donc des diastéréoisomères, ce qui est confirmé par des pouvoirs rotatoires sans aucune relation et des
points de fusion très différents.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.2. Isomérie géométrique
���� Cas de la double liaison C=C
C CE
A
B
D
Une double liaison est stéréogène si A ≠ B et D ≠ E � 2 isomères de configuration
H3C CH C
Cl
CH3
C C
H3C Cl
CH3H
C C
H Cl
CH3H3C
1
2 2
1(Z)
1
2 1
2
(E)
� Nomenclature Z et E : utilise la convention C.I.P. pour classer par ordre de priorité les 2 groupements portés par chaque C sp2
Exemple :
Nous avons vu précédemment que pour qu'à une formule développée puissent correspondre
plusieurs isomères de configuration, il fallait qu’elle fasse apparaître au moins un élément stéréogène,
comme par exemple le carbone asymétrique qui est source d’isomérie optique. Nous allons détailler à
présent un élément stéréogène source d’isomèrie géométrique, la double liaison carbone-carbone. Toutes
les doubles liaisons carbone-carbone ne sont cependant pas stéréogènes, la condition pour l'être étant
que les substituants de chacun des carbones sp2 soient différents entre eux. Dans ce cas, à une formule
développée correspondra deux isomères de configuration. Prenons pour exemple cette formule
développée. Un des carbones de la double liaison est porteur d'un groupement méthyle et d'un atome
d'hydrogène, tandis que l'autre est substitué par un méthyle et un atome de chlore. La condition est donc
remplie pour qu’à cette formule développée corresponde deux isomères de configuration, dont voici le
premier. Le second peut être obtenu en permutant deux substituants d’un des carbones de la double
liaison, ici l'hydrogène et le CH3 sur le carbone de gauche. Sachant par ailleurs que les doubles liaisons,
au contraire des simples, n’autorisent pas de rotation, il est impossible de passer d’un isomère à l’autre
grâce à cela. Ces deux isomères sont donc tout à fait isolables. Un de ces isomères sera dit Z, l’autre E.
Cette nomenclature Z/E utilise la convention de Cahn, Ingold et Prélog, basée sur les numéros atomiques
et vue à propos des configurations R/S, pour classer par ordre de priorité les deux groupements portés par
chacun des carbones sp2. Pour le carbone de gauche du premier isomère, entre l'atome d'hydrogène et le
carbone du méthyle, c’est bien sûr le carbone qui a la priorité, l'hydrogène étant donc classé en 2. On
classe ensuite de manière totalement indépendante les substituants du deuxième carbone sp2, le chlore
se retrouvant prioritaire par rapport au CH3. On constate alors que les deux numéros 1 sont du même côté
de la double liaison : cet isomère est dit Z. Pour l’autre isomère, les ordres de priorité sont bien entendu les
mêmes, mais cette fois les numéros 1 sont de part et d’autre de la double liaison : cet isomère est dit E.
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3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.2. Isomérie géométrique
* Des isomères E et Z ne sont pas des énantiomères
C C
H3C
H
Cl
CH3
CC
CH3
H
Cl
H3C
miroir
(Z)-2-chlorobutène (Z)-2-chlorobutène
Ce sont des diastéréoisomères
C C
H
CH3
H
H3C
cis
* Nomenclature cis / trans
C C
H
CH3
H3C
H
trans
La présence d’une double liaison Z ou E n’est pas source de chiralité
(E)(Z)
Il est important de remarquer que des isomères Z et E ne sont pas énantiomères. En effet, par
exemple l’image dans un miroir d’un isomère Z est toujours Z et la molécule et son image sont
superposables par rotation de 180° hors du plan. La présence d’une double liaison Z ou E n’est donc pas
source de chiralité. Etant isomères de configuration sans être énantiomères, les isomères Z et E sont donc
des diastéréoisomères. A côté de la nomenclature Z et E, il subsiste encore une nomenclature plus
ancienne utilisant les termes cis et trans, et qui n’est plus utilisée aujourd'hui que pour les composés dont
les deux carbones de la double liaison portent chacun un atome d'hydrogène. L’isomère est dit cis quand
les deux hydrogènes sont du même coté de la double liaison et trans quand ils sont de part et d'autre.
Néanmoins, la nomenclature Z/E est plus générale et applicable à tous les cas.
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.2. Isomérie géométrique
���� Cas des cycles
OHH
HO
H
HOH
HO
Hisomère cis
H
HO
H
OH
isomère cis vu de profil
selon Haworth
H
HO
OH
H
isomère transisomère trans
vu de profilselon Haworth
C2H5
H
HOH
H3C
HH
HO
H
C2H5
CH3
H
C2H5 en trans / CH3 et en cis / OH
La présence d’un cycle peut également être source d’isomérie géométrique, lorsqu'il est
substitué par au moins deux groupements autres que des hydrogènes, comme c'est le cas pour cet
exemple. Par analogie avec la double liaison, si ces substituants sont du même côté que le plan moyen du
cycle, l’isomère est cis. Dans le cas contraire, il est trans. Une autre façon de représenter ces molécules
est de faire appel à la formule de Haworth qui permet de visualiser la molécule de profil et non plus de
face. Les termes cis et trans sont également souvent utilisés pour donner la position relative de deux
substituants l’un par rapport à l’autre. Prenons le cas de cette molécule, de face à gauche et de profil à
droite. Le groupement éthyle en dessous n’est pas du même côté que le méthyle au dessus : ils sont donc
en trans l'un par rapport à l'autre, tandis que l'éthyle et le groupement OH sont quant à eux en cis.
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H
H
H
H
H
H
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.2. Isomérie géométrique
H
H
H
H
H
HH
H
HH
H H
cyclohexane
H
HH
H
HH
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O
HHO
H
HO
H
H
HO
CH2OH
H
OHβ-D-Glucose
���� Cas des cycles
Liaisons axialesLiaisons équatoriales
Les représentations de face et de profil que nous venons de voir sont très utilisées en pratique
parce qu’elles sont simples et permettent de visualiser facilement une configuration cis/trans. Elles ne sont
cependant pas le reflet exact de la réalité, car pour des raisons de stabilité de la molécule, qui ne seront
pas détaillées ici, un cycle à six sommets n’est pas plat et adopte une conformation pliée, qui est appelée
forme chaise. Voici une représentation en trois dimensions d’une forme chaise du cyclohexane, avec les
atomes de carbone en gris et les hydrogènes en blanc. On peut noter, ici en vert, l’axe vertical de la
molécule qui est perpendiculaire au plan moyen du cycle. Le plan moyen, représenté ici en pointillé, est
obtenu en reliant les points situés au centre des six liaisons carbone-carbone. Les liaisons parallèles à
l’axe vertical sont appelées liaisons axiales, les autres sont dites équatoriales. Cette structure, bien
qu’assez rigide, n’est cependant pas complètement figée, car une autre conformation chaise existe à
laquelle on accède par basculement des extrémités. Le passage de l’une à l’autre des conformations
chaise s’effectue des milliers de fois à la seconde à température ambiante. On peut d'autre part remarquer
que dans les deux conformations chaise, chaque carbone porte une liaison axiale et une liaison
équatoriale. Les conformations chaises ne sont pas l'exclusivité des cyclohexanes, et la plupart des cycles
à six sommets adoptent des conformations chaise. Voici l'exemple du béta-D-glucose.
3. Stéréoisomères 3.2. Isomères de configuration 3.2.2. Isomérie géométrique
Arborescence de l’isomérie
IsomèresMême formule brute
StéréoisomèresStructures dans l’espace différentes
Isomères de constitution
Isomères de conformationConformations différentes
Isomères de configuration
Diastéréoisomères Enantiomères
Formules développées différentes Formules développées identiques
Configurations
identiques
Configurations
différentes
Non énantiomèresImages l’un de l’autre
dans un miroir
et non superposables
Pour clore ce chapitre, voici une dernière diapositive qui résume l’arborescence des relations
d’isomérie que nous venons de voir.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
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C. Bases structurales de la réactivité desmolécules organiques : effets électroniques
Année 2011-2012
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
1. Effet inductif1.1. Définitions1.2. Effets inductifs – I et + I
2. Mésomérie2.1. Définition2.2. Structures du type >C=O ou >C=N-2.3. Benzène et dérivés2.4. Structure du type C+-C=C2.5. Effet mésomère2.6. Conséquences de la mésomérie sur la réactivité
3. Tautomérie 3.1. Définition3.2. Aldéhyde/cétone et énol
3.3. Imine et énamine
Ce chapitre est consacré aux effets électroniques que l’on peut rencontrer au sein d’une molécule,
effets électroniques qui auront pour conséquence la formation de sites réactifs qui interviendront dans la
réactivité des molécules concernées. Nous détaillerons successivement, l'effet inductif, la mésomérie puis la
tautomérie.
1.Effet inductif 1.1. définitions
Cl CH2 CH2 CH2 CH3
1 2 3 4
δ− δ+δ+
δ+
< < < <δδδδ++++
Dans une molécule polyatomique, le fait qu’une liaison soit polarisée va avoir une répercussion sur la répartition du nuage électronique des liaisons adjacentes
���� Exemples
Cette cascade d’évènements = effet inductif
< <
Li C Cδ−
δ−δ+
Un effet inductif est relayé également par les liaisons doubles ou triples
Plus on s’éloigne du centre perturbateur, et plus l’effet inductif s’amenuise
Plus l’élément perturbateur relié au carbone possède une électronégativité différentede celui-ci, et plus l’effet inductif sera marqué
���� Caractéristiques d’un effet inductif :
IΣΣΣΣ δδδδ++++I ==== Iδδδδ-I IΣΣΣΣ δδδδ-I ==== Iδδδδ+I
Une molécule globalement neutre reste neutre
Concernant l'effet inductif, il faut savoir qu'au sein d'une molécule polyatomique le fait qu’une liaison
soit polarisée va avoir une répercussion sur la répartition du nuage électronique des liaisons adjacentes, c’est-
à-dire sur la localisation dans l’espace des électrons de ces liaisons. C’est le cas, par exemple, de cette
molécule dans laquelle l'atome de chlore, à cause de sa plus grande électronégativité, attire à lui les électrons
de la liaison avec le carbone. Ceci induit la polarisation de la liaison carbone-chlore avec apparition de charges
partielles delta moins pour le chlore et delta plus pour le carbone. Le carbone-1 étant delta plus, il présente
ainsi un certain déficit électronique, qu’il va chercher à combler en attirant à son tour les électrons de la liaison
avec le carbone-2, ce qui va donc induire une charge partielle delta plus sur ce carbone-2. Ce même carbone
va alors attirer les électrons de sa liaison avec le carbone-3, qui va lui-même attirer les électrons de sa liaison
avec le carbone-4. Cette cascade d’évènements, induite par l'atome de chlore, que l’on qualifie donc de centre
perturbateur, est ainsi due à ce qu'on appelle l’effet inductif attracteur du chlore. De la même façon, quand un
atome moins électronégatif que le carbone lui est lié, il repousse les électrons de la liaison vers ce carbone et
va posséder un effet inductif donneur. Les effets inductifs possèdent un certain nombre de caractéristiques.
Tout d’abord, une molécule globalement neutre reste neutre, la somme des deltas plus étant égale en valeur
absolue au delta moins, ou la somme des deltas moins étant égale en valeur absolue au delta plus, selon le
cas. Un effet inductif est également relayé par les liaisons doubles ou triples. Plus l’élément perturbateur relié
au carbone possède une électronégativité différente de celle du carbone, plus l’effet inductif sera marqué.
D'autre part, plus on s’éloigne du centre perturbateur et plus l’effet inductif s’amenuise. En conséquence, la
charge partielle delta plus du carbone-1 de la molécule chlorée prise pour exemple est beaucoup plus grande
que celle du carbone-4.
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1.Effet inductif 1.2. effets inductifs – I et + I
Li H3C C>
(Mg...)CH C
H3C
H3C>Groupes alkyles :
Effet donneur + I : pour atomes ou groupes d’atomes repoussant les électrons de la liaisonquand ils sont liés au carbone
Effet attracteur – I : pour atomes ou groupes d’atomes attirant les électrons de la liaison quand ils sont liés au carbone
-NO2 N-F -Br -A O CO- I, -Clnitrocation carbonyle
Comme nous l’avons vu précédemment, un effet inductif peut être attracteur, noté –I, ou donneur et
noté +I. Un effet attracteur –I caractérise un atome ou un groupe d’atomes attirant les électrons de la liaison
quand ils sont liés au carbone. C’est le cas des atomes d'halogène comme l'iode, le chlore, le fluore, le brome,
des cations, de l’atome d'oxygène, du groupe carbonyle C=O, du groupe nitro NO2, et de l’atome d'azote. A
l’inverse, un effet donneur +I caractérise les atomes ou les groupes d’atomes repoussant les électrons de la
liaison quand ils sont liés au carbone. C’est le cas par exemple des métaux comme le lithium et le magnésium
et dans une moindre mesure des groupes alkyles, c’est-à-dire des groupes composés d'atomes de carbone et
d'hydrogène.
1.Effet inductif 1.2. effets inductifs – I et + I
� Effet inductif : effet électronique se faisant sentir à distance du centre perturbateur et qui peut intervenir dans la réactivité des molécules
Exemple : permet d’expliquer la force de certains acides carboxyliques
RCOOH � RCOO- + H+
R CO
O H
+ H2O R CO
O
+ H2O
H
F3C-COOH est beaucoup plus acide que H3C-COOH
δ−
δ+
Un effet inductif est donc un effet électronique se faisant sentir à distance du centre perturbateur et
qui peut intervenir dans la réactivité des molécules. Il peut expliquer par exemple la force de certains acides
carboxyliques. Un acide carboxylique est acide car il peut donner par dissociation un proton H+. Cette labilité
de l’hydrogène, c’est-à-dire son aptitude à « partir » est due à la polarisation de la liaison O-H qui rend l'atome
d'hydrogène delta plus, donc « attaquable » par une base, même aussi faible que l’eau. Cette réaction est en
équilibre c’est-à-dire qu’elle peut évoluer dans les deux sens. Plus un acide est fort et plus la réaction est
déplacée vers la droite, c’est-à-dire vers la libération du proton. Tous les acides carboxyliques possédant le
groupement fonctionnel COOH, les différences de force entre les acides seront donc conditionnées par la
nature du groupement R. Plus celui-ci exercera un effet inductif attracteur, plus l'atome d'hydrogène aura une
charge partielle delta plus importante ce qui facilitera d’autant plus sa capture par la base. Par exemple, l'acide
trifluoroacétique, grâce aux effets inductifs attracteurs des trois atomes de fluore qui s’ajoutent, est plus acide
que l'acide acétique.
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2. Mésomérie 2.1. Définition
Mode de représentation ou d’étude de la structure réelle d’une entité moléculaire dont lesélectrons pi (double liaison) ou n (doublet libre) sont délocalisés
� Mésomérie :
La structure réelle de la molécule est intermédiaire entre deux ou plusieurs structureshypothétiques appelées formes mésomères, ou formes limites
Les formes mésomères comportent des doublets d’électrons localisés, donc susceptiblesd’être représentées par les formules de Lewis habituelles.
Difficile de représenter une telle molécule selon LEWIS
Le deuxième effet électronique détaillé dans ce chapitre a trait à la mésomérie. On définit la
mésomérie comme le mode de représentation ou d’étude de la structure réelle d’une entité moléculaire dont
les électrons pi des doubles liaisons, ou n des doublets libres, sont délocalisées, c’est-à-dire qu’ils ne sont plus
localisés entre deux atomes uniquement pour les électrons pi, ou plus localisés autour d’un atome uniquement
pour les doublets libres. Il devient ainsi difficile de représenter ces molécules selon une représentation de
Lewis, à savoir : un trait entre deux atomes pour une liaison, deux points ou un tiret sur un atome pour un
doublet libre. En fait, la structure réelle de la molécule est intermédiaire entre deux ou plusieurs structures
hypothétiques, appelées formes mésomères, ou formes limites. Ces formes mésomères comportent des
doublets d'électrons localisées, donc représentables selon Lewis.
2. Mésomérie 2.2. Structures du type >C=O ou >C=N-
C O
C N
C O
C N
Structure réelle intermédiaire entre deux formes limites
Hétéroatome = atome autre que C ou H
orbitale inoccupée
orbitale inoccupée
Prenons tout d’abord pour exemple ces deux structures dans lesquelles un carbone est doublement
lié à un oxygène ou à un azote. Ces représentations de Lewis sont celles que l’on utilise en pratique pour
représenter ce type de molécule. Cependant ce ne sont qu’une des formes mésomères de leur structure réelle.
En effet, à cause de la différence d’électronégativité entre le carbone et l'oxygène ou entre le carbone et
l'azote, et en raison de la mobilité des électrons, la structure réelle dans les deux cas est un intermédiaire
entre deux formes limites, la deuxième forme limite résultant du basculement d'un doublet d'électrons sur
l’hétéroatome, un hétéroatome étant un atome autre que carbone ou hydrogène. Le doublet pi dans les formes
de gauche devient ainsi un doublet libre dans les formes de droite, et l’orbitale du carbone participant à la
liaison pi devient inoccupée ce qu'on symbolise par un rectangle. Il faut noter que la flèche
conventionnellement utilisée entre deux formes limites d’une même structure est à double pointe, et qu’il ne
faut pas la confondre avec la double flèche d’un équilibre.
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2. Mésomérie 2.3. Benzène
* Benzène = C6H6
CH3
CH31
2
CH3
CH31
2
* Cas du 1,2-diméthylbenzène
ou
Benzène = structure conjuguée cyclique très stable. Il ne réagit pas comme les composés à double liaison localisée (cf alcènes)
Délocalisation des électrons sur au moins 3 atomes : conjugaison (donne de la stabilité à la structure)
Un autre exemple est celui du benzène, traditionnellement représenté de la façon suivante. Prenons
plus précisément le cas du 1,2-diméthylbenzène, c’est-à-dire du benzène substitué par deux groupes méthyles
sur des carbones adjacents. Deux isomères sont théoriquement envisageables, en fonction du placement des
doubles liaisons. Or, il n’en est rien car il n’existe qu’un seul 1,2-diméthylbenzène. Les deux structures à
l'écran ne sont en fait que les deux formes mésomères d’une même molécule. En effet, les six carbones du
benzène sont hybridés en sp2 et chacun possède donc au départ une orbitale p pure, représentée ici en vert.
Les formes mésomères du benzène font apparaitre les doublets pi localisés entre deux atomes de carbone, ce
qui correspond au recouvrement deux à deux des six orbitales p. Cependant, du fait que les six orbitales p
sont côte à côte, elles se recouvrent toutes ensemble et non pas deux à deux, délocalisant ainsi les six
électrons pi entre les six atomes de carbone, ce que l’on peut représenter ainsi. Dans le cas ou une
délocalisation des électrons se fait sur au moins trois atomes, comme ici pour le benzène, on parle de
conjugaison. Une conjugaison est un facteur de stabilité pour une molécule. Grâce à cette structure conjuguée
cyclique, le benzène est un composé très stable et ne réagit d'ailleurs pas comme un dérivé linéaire
comportant une double liaison.
2. Mésomérie 2.4. Structure du type C+-C=C
C CH CH CH3
Les trois orbitales p de chacun des 3 carbones sp2 se combinent ensemble pour accueillirles deux électrons ππππ
C CH CH CH3sp2
orbitale vacante-σσσσ-ππππ
Un autre type de structure conjuguée est l’enchaînement carbocation–double liaison, qui est une
conjugaison de type orbitale vacante-sigma-pi. En effet, le carbocation possède une orbitale inoccupée et il est
hybridé en sp2. Les trois orbitales p adjacentes de chacun des trois carbones sp2 vont donc se combiner
ensemble pour accueillir les deux électrons pi. On peut donc écrire une autre forme mésomère pour cette
structure.
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2. Mésomérie 2.5. Effet mésomère
Un effet mésomère peut être donneur +M, ou attracteur - M
N CH CH CH3
* Exemple d’effet mésomère donneur + M :
N CH CH CH3
N CH CH CH3
δδδδ+δδδδ−
* Exemple d’effet mésomère attracteur - M :
H3C C
O
CH CH2 H3C C
O
CH CH2
δδδδ+
δδδδ−
H3C C
O
CH CH2
� Effet mésomère : conduit à l’apparition de charges partielles
Il se produira dans une structure répondant à plusieurs formes limites et contenant un centre perturbateur attracteur ou donneur d’électrons (ce qui favorisera la délocalisation des électrons pi ou n dans un sens particulier, en respectant toujours la règle de l’octet).
Structure conjuguée
n-σσσσ-ππππ
Structure conjuguéeππππ-σσσσ-ππππ
Dans le cas du benzène, les six électrons se répartissaient de façon homogène, ou symétrique,
autour des six atomes de carbone. Dans certaines structures, la délocalisation n’est plus symétrique et va
conduire à l’apparition de charges partielles sur certains des atomes impliqués. C’est ce qu'on appelle un effet
mésomère. Un effet mésomère peut être donneur, et noté +M, ou attracteur, et noté –M. Il se produira dans
une structure répondant à plusieurs formes limites et contenant un centre perturbateur attracteur ou donneur
d’électrons, ce qui favorisera la délocalisation des électrons pi ou n dans un sens particulier, en respectant
toujours la règle de l'octet. Voici un exemple d’effet +M. Toutes les structures où l’on retrouve un doublet libre
sur un atome lié à un atome doublement lié sont dites conjuguées car doublet n et doublet pi sont délocalisés
sur les trois atomes, ici l’azote et les deux carbones. Cette conjugaison est de type n-sigma-pi. La forme
mésomère suivante est obtenue en faisant basculer le doublet libre de l’atome d'azote sur la liaison adjacente
sous forme de doublet pi, le doublet pi basculant sur le carbone pour devenir un doublet libre. Dans ce type de
délocalisation, l’azote exerce un effet mésomère donneur car dans une conjugaison n-sigma-pi, l’atome
porteur du doublet libre ne peut que le donner pour écrire une autre forme limite. Un effet mésomère est un
effet marqué, plus fort qu’un effet inductif : en cas d’effets opposés comme dans cet exemple, où l’azote a un
effet mésomère donneur, alors que son effet inductif est attracteur de par son électronégativité, c’est toujours
le sens de l’effet mésomère qui l’emporte. Sur une des formes limites, on voit apparaître des charges : plus sur
l'azote, moins sur le carbone. La structure réelle étant intermédiaire entre ces deux formes, cela signifie que le
carbone est porteur d’une charge partielle delta moins, et l’azote d’une charge partielle delta plus, c’est-à-dire
d’un certain déficit électronique par rapport à son environnement habituel. Voici un exemple d’effet mésomère
attracteur –M. Toutes les structures faisant apparaître deux liaisons pi séparées par une liaison simple et une
seule, sont également des structures conjuguées où l’on va observer une délocalisation des électrons pi, cette
conjugaison étant de type pi-sigma-pi. La délocalisation de ces électrons conduit à pouvoir écrire une autre
forme mésomère pour cette molécule, qui fait apparaître une charge moins sur l'oxygène et une charge plus
sur le carbone. Les électrons mobiles sont attirés par l’oxygène qui exerce ainsi un effet mésomère attracteur –
M. La structure réelle de la molécule étant intermédiaire entre ces formes limites, ceci conduit à affecter à
l’oxygène une charge partielle delta moins et au carbone une charge partielle delta plus.
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2. Mésomérie 2.6. Conséquences de la mésomérie sur la réactivité
* Un effet mésomère est un effet fort (plus fort qu’un effet inductif) et détermine l’apparition de sites réactifs dans la molécule.
* La plupart des réactions chimiques ont lieu entre deux sites de densités électroniquesopposées (+/- ou +/δδδδ- ou δδδδ++++/- ou δδδδ++++/δδδδ-)
Le site réagissant chargé plus ou delta plus est appelé « électrophile »
Le site réagissant chargé moins ou delta moins est appelé « nucléophile »
nucléophileélectrophile
δδδδ+
δδδδ−
H3C C
O
CH CH2N CH CH CH3
δδδδ+δδδδ−
Un effet mésomère est un effet puissant, et peut conduire à l’apparition de sites réactifs dans la
molécule. La plupart des réactions chimiques ont lieu entre deux sites de densités électroniques opposées :
plus avec moins, plus avec delta moins, delta plus avec moins ou delta plus avec delta moins. Un site
réagissant chargé plus ou delta plus est appelé électrophile, ce qui veut dire « qui aime les électrons ». Par
exemple, le carbone delta plus dans cette structure vue précédemment est électrophile. Le site réagissant
chargé moins ou delta moins est appelé nucléophile, ce qui veut dire « qui aime les noyaux ». C’est le cas par
exemple du carbone de cette structure conjuguée.
3. Tautomérie 3.1. Définition
Ces formes = formes tautomères, diffèrent par la position d’un hydrogène et d’une ou plusieurs liaisons multiples (= isomères de constitution particuliers)
Tautomérie : concerne les composés qui ont la propriété d'exister sous différentes formes selon la disposition relative de certains atomes
Des tautomères sont capables de se transformer facilement et réversiblement l’un en l’autre, une des formes étant généralement largement prédominante
Les composés concernés sont susceptibles de réagir sous l’une ou l’autre des formestautomères qui coexistent lors de réactions chimiques
Le dernier point abordé dans ce chapitre est le phénomène de tautomérie, qui concerne les
composés ayant la propriété d’exister sous différentes formes selon la disposition relative de certains atomes.
Ces formes sont appelées formes tautomères, et différent par la position d’un hydrogène et d’une ou plusieurs
liaisons multiples. Ils répondent également à la définition des isomères de constitution. Des tautomères sont
capables de se transformer facilement et réversiblement l’un en l’autre, une des formes étant souvent
largement prédominante. Ceci implique que les composés concernés sont susceptibles de réagir sous l’une ou
l’autre des formes tautomères lors de réactions chimiques.
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3. Tautomérie 3.2. Aldéhyde / cétone et énol
R C
O
C
H
cétone (R = C) ou aldéhyde (R = H)
* Aldéhyde/cétone et énol
R C
O
C
H
R C
O
C
H
R C
O
C
H
En général, la forme aldéhyde/cétone est prépondérante par rapport à la forme énol
* Aldéhyde : * Cétone : H C
O
C C C
O
C
R C
OH
C énol
δδδδ++++
R C
O
C
Hδδδδ++++
Les composés les plus courants pouvant exister sous la forme de plusieurs tautomères sont les
aldéhydes, caractérisés par l’enchaînement H-CO-C, et les cétones, caractérisés par l’enchaînement C-CO-C.
Pour qu’un aldéhyde ou une cétone puissent exister sous deux formes tautomères, il faut nécessairement
qu’un carbone lié au C=O porte au moins un atome d'hydrogène. La forme tautomère est appelée énol, pour
les aldéhydes comme pour les cétones. En comparant ces deux formes, on peut remarquer qu’il y a eu
déplacement d'un hydrogène et de la liaison double. Comment expliquer le passage de l’une à l’autre de ces
deux formes ? Dans un aldéhyde ou une cétone, la présence du C=O induit une structure intermédiaire entre
deux formes limites, comme nous avons vu précédemment. L'hydrogène en bleu est donc fortement delta plus
par l’effet inductif attracteur du carbocation, ce qui va conduire à son attaque par l'oxygène voisin nucléophile
et au basculement du doublet sigma de la liaison carbone-hydrogène pour aller former une liaison pi. On
reconnait dans l'énol ainsi formé une structure conjuguée du type doublet libre sur un atome directement relié
à un atome impliqué dans une double liaison. Une autre forme limite de l’énol peut donc être écrite dans
laquelle l'hydrogène porté par l'oxygène est delta plus par l'effet attracteur de celui-ci, et peut alors être capturé
par le carbone nucléophile pour redonner l’aldéhyde ou la cétone de départ. Les deux formes aldéhyde/cétone
et énol sont donc en équilibre, appelé équilibre céto-énolique, sachant que généralement la forme aldéhyde ou
cétone est largement prépondérante par rapport à la forme énol.
3. Tautomérie 3.3. Imine / ènamine
* Même principe que l’équilibre céto-énolique : équilibre imine - ènamine
R C
O
CR C
O
C
H
énolcétone ou aldéhydeH
δδδδ+δδδδ−
R C
N
C
H
imine
δδδδ+δδδδ−
R C
N
C
Hènamine
Les imines sont également des composés concernés par la tautomérie, leur forme tautomère
s’appelant énamine. En fonction de la similarité de structure entre un aldéhyde ou une cétone et une imine, le
mécanisme du passage de l’imine à l’énamine et inversement, se calque sur celui de l’équilibre céto-énolique
que nous venons de détailler.
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D. Alcanes
Année 2011-2012
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
1. Structure et propriétés physicochimiques
2. Nomenclature2.1. Introduction générale à la nomenclature en chimie organique
2.2. Nomenclature des alcanes
3. Réactivité
3.1. Relation structure-réactivité
3.2. Oxydation par le dioxygène
Nous allons, dans les chapitres suivants, étudier les principales familles chimiques, en commençant
par la plus simple : la famille des alcanes. A la suite de quelques données structurales et physicochimiques,
nous nous intéresserons à leur nomenclature, pour finir par quelques propriétés dans le domaine de leur
réactivité.
1. Structure et propriétés physicochimiques
� Les alcanes sont des hydrocarbures saturés ne contenant que des liaisons σ
� Du méthane C1 au butane C4 : gaz à température ambiante et pression atmosphérique
� Jusqu’à C16 : liquides
� Ce sont ensuite des solides plus ou moins pâteux (paraffines)
� Formule brute : CnH2n+2
Les alcanes sont des hydrocarbures uniquement composés de carbones et d'hydrogènes et ne
contenant que des liaisons sigma. Leur formule brute est du type CnH2n+2. Du méthane en C1 au butane en C4,
ce sont des gaz à température ambiante et pression atmosphérique. Ensuite, jusqu’aux dérivés en C16 ce sont
des liquides, et au delà des solides plus ou moins pâteux.
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2. Nomenclature 2.1. Introduction générale à la nomenclature en chimie organique
� Nom usuel = nom trivial : consacré par l’usage
Exemple acide acétique, du latin acetum (vinaigre)
* Exemple acide éthanoïque pour l’acide acétique
H3C C
O
O H
acide acétique
� Nom systématique : suit les règles internationales de l’IUPAC
H2C C
O
O H
acide chloroacétiqueCl
* L’IUPAC admet pour la construction des noms systématiques l’utilisation de certainsnoms d’usage universellement admis
* Nomenclature substitutive : Le nom principal (placé à la fin) est celui du composé auquel on a retiré un ou plusieurshydrogènes pour le(les)remplacer par un substituant; le nom du substituant est alors placédevant le nom principal.
La nomenclature des composés organiques est l’ensemble des termes utilisés pour les nommer.
Avant de détailler la nomenclature des alcanes, nous allons voir quelques généralités. On peut rencontrer deux
types de noms : le nom usuel ou trivial, consacré par l’usage, ou le nom systématique, bâti selon des règles
internationales précises édictées par un organisme appelé l’IUPAC. Le nom systématique permet à lui seul de
retrouver la structure d'un composé et toute molécule en possède un. Un exemple de nom d’usage est acide
acétique, composé que l’on retrouve dans le vinaigre. Le nom systématique de l’acide acétique est acide
éthanoïque. La nomenclature des acides sera détaillée dans le chapitre I qui leur est consacré. L’IUPAC admet
cependant, pour la construction des noms systématiques, l’utilisation de certains noms d’usage
universellement admis. Par exemple, ce composé peut être nommé acide chloroacétique. Le nom
systématique fait généralement appel à une nomenclature substitutive : le nom principal, placé à la fin est celui
du composé auquel on a retiré un ou plusieurs hydrogènes pour les remplacer par ce qu'on appelle un
substituant. Le nom de ce substituant est placé devant le nom principal. Le nom principal de l’acide
chloroacétique est acide acétique et on a retiré de celui-ci un hydrogène pour le remplacer par le substituant
chlore.
2. Nomenclature 2.2. Nomenclature des alcanes
� Les alcanes peuvent être linéaires (aucun carbone n’est relié à plus de deux autrescarbones), ou ramifiés (au moins un carbone relié à trois, voire 4 carbones).
� Alcanes linéaires : nom = racine fonction du nombre de carbone(s) + ane
CH4 Méthane
H3C-CH3 Ethane
H3C-CH2-CH3 Propane
H3C-(CH2)2-CH3 Butane
H3C-(CH2)3-CH3 Pentane
H3C-(CH2)4-CH3 Hexane
H3C-(CH2)5-CH3 Heptane
H3C-(CH2)6-CH3 Octane
H3C-(CH2)7-CH3 Nonane
H3C-(CH2)8-CH3 Décane
Voyons plus spécifiquement la nomenclature des alcanes, qui est particulièrement importante parce
qu’elle est la base de la nomenclature de toutes les autres familles chimiques. Les alcanes peuvent être
linéaires, c'est à dire sans qu'aucun carbone ne soit relié à plus de deux autres, ou ramifiés, donc comprenant
au moins un carbone lié à trois ou quatre autres. Le nom des alcanes linéaires est constitué d’une racine, en
gras dans le tableau présenté, en relation avec le nombre de carbones, suivi de la terminaison -ane.
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27
2. Nomenclature 2.2. Nomenclature des alcanes
� Alcanes ramifiés
H3C CH2 CH2 CH CH3
CH2 CH3A
H3C CH2 CH2 CH CH3
CH2 CH3A
H3C CH2 CH2 CH H
CH2 CH3hexane
Exemple de A :
Noms des substituants :
alcane alkyle
-CH3
dérive du méthane :méthyle
-CH2-CH3
dérive de l'éthane :éthyle
-CH2-CH2-CH3
dérive du propane :propyle
etc
1 carbone 2 C 3 C
Substituants R :
A = hexaneméthyl
La chaîne de carbones la plus courte est considérée comme le substituant de l’alcane linéaire le plus lourd (chaîne la plus longue de carbones).
Pour les alcanes ramifiés, la chaîne de carbones la plus courte est considérée comme le substituant
de l’alcane linéaire le plus lourd, donc de la chaîne la plus longue de carbones. Nous allons prendre l’exemple
du composé A. La chaîne linéaire la plus longue que l’on puisse rencontrer est celle-ci, et elle est formée de
six carbones. Attention, linéaire ne veut pas dire représentée en ligne droite. La chaîne la plus longue étant
formée de six carbones, le nom principal de A est hexane. Le composé A dérive donc de l’hexane, auquel on a
retiré un atome d'hydrogène pour le remplacer par le substituant CH3. Le nom des substituants dérive du nom
de l’alcane correspondant et on parle de substituant alkyle. Ce substituant CH3 dérive du méthane CH4 : on
l'appelle donc méthyle. De même, le substituant CH2CH3 dérivant de l’éthane, on l’appelle éthyle, le substituant
CH2CH2CH3 est un propyle parce qu’il dérive du propane et etc... Pour revenir au composé A, le substituant est
un méthyle, nom qui figurera en préfixe du nom principal hexane.
2. Nomenclature 2.2. Nomenclature des alcanes
H3C CH2 CH2 CH CH3
CH2 CH3
Il faut numéroter la chaîne de carbones pour spécifier la place du méthyle dans A
A = méthylhexane
Numérotation de la chaîne principale de carbones d’un bout à l’autre,
1 2 3 4
5 6
H3C CH2 CH2 CH CH3
CH2 CH3
6 5 4 3
2 1
3-
le sens de numérotation étant choisi de façon à attribuer le plus petit chiffre possible au carbone portant le substituant
H3C CH CH2 CH2
CH2 CH3
CH3
méthylhexane
A est donc un méthylhexane, mais ce composé là également. Pour les différencier, il est donc
nécessaire de spécifier la place du méthyle sur la chaîne hexane, et pour cela la numéroter. La numérotation
sera effectuée d’un bout à l’autre de la chaîne, ici donc de un à six. Deux numérations sont envisageables à ce
stade. Le sens de numérotation doit être choisi de façon à attribuer le plus petit chiffre possible au carbone
portant le substituant. La numérotation de gauche attribue le n°4 à ce carbone, tandis que celle de droite lui
attribue le n°3. Trois étant inférieur à quatre, c’est cette dernière numérotation qu'il faut choisir. Dans le nom
d'un composé, les numéros de position des substituants sont appelés indices de position, et figurent avant le
nom du substituant en étant suivi d’un tiret. Le composé A est donc le 3-méthylhexane.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
28
2. Nomenclature 2.2. Nomenclature des alcanes
H3C CH2 CH CH CH2
CH2
CH2 CH3
CH3 CH3 B
* La chaîne linéaire la plus longue = 7 carbones :
* substituants de la chaîne principale
nom principal : heptane
R = CH3 : méthyle (Me) R’ = CH2CH3 : éthyle (Et)
* Indication de la position des substituants sur la chaîne principale
B : 4-éthyl-3-méthylheptane
H3C CH2 CH CH CH2
R'
CH2 CH3
R
La chaîne principale est numérotée d’un bout à l’autre, le sens de numérotation est choisi de façonà attribuer les chiffres les plus faibles possibles aux carbones portant les substituants
Les indices de position pour chaque numérotation sont classés par ordre croissant. L’ensemble (N1, N2,...Ni,... ) est considéré plus faible que l’ensemble (M1, M2,...Mi,... ) si le premier Ni différent de Mi est plus petit que Mi
H3C CH2 CH CH CH2
Et
CH2 CH3
MeB
3 < 4 ensemble (3, 4)préféré
1 2 3 4 5 6 7 ensemble (3, 4)
1234567 ensemble (4, 5)
Nous allons voir comment nommer un alcane possédant plusieurs substituants grâce à l’exemple du
composé B. Pour nommer celui-ci, il faut tout d’abord trouver la plus longue chaîne linéaire de carbones, qui
donnera le nom principal. Cette chaîne étant constituée de sept carbones, le nom principal est donc heptane.
Les substituants de cette chaîne principale sont un méthyle, souvent abrégé Me, et un éthyle, souvent abrégé
Et. Il reste ensuite à indiquer la place des substituants sur la chaîne heptane. Celle-ci sera donc numérotée
d’un bout à l’autre, le sens de numérotation veillant à attribuer les chiffres les plus faibles possibles aux
carbones portant les substituants. Pour cela, des indices de position pour les deux numérotations sont classés
par ordre croissant. L’ensemble N1, N2, Ni, …….., est alors considéré plus faible que l’ensemble M1, M2, Mi si le
premier Ni différent de Mi est plus petit que Mi. Pour le composé B, la numérotation de gauche à droite donne
l’ensemble (3,4) tandis que la numérotation de droite à gauche donne l’ensemble (4,5). Le premier chiffre
différent de ces deux ensembles est le premier, et comme trois est inférieur à quatre, l’ensemble 3,4 est
préféré et la numérotation en vert sera adoptée. Le composé B est donc le 4-éthyl-3-méthylheptane. Dans ce
nom, 4-éthyl est placé avant 3-méthyl car les substituants doivent être classés par ordre alphabétique : le e
pour éthyl passant ainsi avant le m de méthyl.
2. Nomenclature 2.2. Nomenclature des alcanes
* Quand le même substituant apparaît plusieurs fois : di, tri, tétra, penta, hexa, hepta, octa, nona etc
H3C CH2 CH CH CH CH2 CH3
1 2 4 5 6 7
CH3
3
CH3
4-éthyl-3,5-diméthylheptane
C2H5
* Noms d’usage de quelques substituants alkyles :
H3CCH
H3C
iso-propyle ou i-Pr
CH3
CH3C
CH3
tert-butyle (t-Bu)
���� Substituants autres qu’alkyles :
* Halogènes : Cl : chloro, F : fluoro, Br : bromo, I : iodo
FCH2 CHCl21,1-dichloro-2-fluoroéthane
* NO2 : nitro et NO : nitroso
H5C2-NO2 nitroéthane
D'autre part, si le même substituant apparaît plusieurs fois, on ne répète pas son nom. On place
devant celui-ci le préfixe multiplicateur approprié : di pour deux, tri pour trois, tétra pour quatre, penta pour
cinq, hexa pour six, et etc... Voici un exemple avec le composé suivant qui est le 4-éthyl-3,5-diméthylheptane
et pour lequel on remarque que éthyl est placé avant diméthyl. Cela est normal, car les préfixes multiplicateurs
ne sont pas pris en compte pour du classement par ordre alphabétique. Il faut signaler également que
quelques substituants particuliers portent des noms d’usage, comme par exemple le groupement iso-propyle et
le groupement tert-butyle. Quelques atomes ou groupe d’atomes, sans être des alkyles, sont néanmoins
toujours considérés en nomenclature comme des substituants et non comme des fonctions chimiques. Il s’agit
par exemple des halogènes, nommés respectivement en tant que substituants : chloro, fluoro, bromo et iodo.
Vous avez l’exemple ici du 1,1-dichloro-2-fluoroéthane. De la même façon, le groupement NO2 est appelé nitro
et le groupement NO nitroso.
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29
3. Réactivité 3.1. Relation structure-réactivité
� Alcanes : liaisons fortes σσσσ, C-C ou C-H, très peu polarisées
Très peu réactifs
X Y X + Y
Coupure homolytique avec formation de radicaux
Réactions radicalaires : coupure C-H sous ∆, ou R
En ce qui concerne la réactivité des alcanes, leurs différentes liaisons sigma sont solides et très peu
polarisées. Leur structure ne comporte donc pas de sites réactifs delta plus ou delta moins. Ils sont de ce fait
très peu réactifs et les réactions qui pourront être envisagées auront lieu par coupure homolytique de liaisons,
c’est-à-dire que chacun des atomes liés va récupérer un des électrons de la liaison, conduisant ainsi à la
formation de ce qu'on appelle des radicaux. Les radicaux sont des entités neutres possédant un seul électron
dans une des orbitales de la couche de valence, cet électron étant symbolisé par un point. Ce sont des entités
très peu stables. Les réactions que l’on peut envisager sur un alcane seront donc de nature radicalaire avec
coupure de liaisons carbone-hydrogène soit sous l’influence de la chaleur, symbolisée par un delta majuscule,
soit sous l’influence d’un radical préexistant.
3. Réactivité 3.2. Oxydation par le dioxygène
� A température ambiante : réaction très lente
O O
C O O+ radical alkylperoxyle
C O O + CH
peroxyde
mélanges complexesC O O H C O OH+lumière
ou ∆∆∆∆
� L’ oxydation à température ambiante présuppose la présence d’un radical alkyle à l’état de traces
Relativement stable, ne réagit pas avec les molécules organiques (alcanes par exemple)
C
C O O
C O O H + C
La réaction des peroxydes est explosive : source d’accidentsRéactions exothermiques : produisent de la chaleur
Un exemple de réaction radicalaire des alcanes est leur réaction d’oxydation par le dioxygène. A
température ambiante, il s’agit d’une réaction très lente. Le dioxygène possède une structure de biradical, avec
un électron célibataire pour chaque oxygène. Une structure biradicalaire de ce type ne peut pas, pour des
raisons électroniques, réagir avec les molécules organiques. Le dioxygène est donc une entité stable. Par
contre, la structure biradicalaire de l’oxygène réagit avec les monoradicaux, et la réaction d’oxydation des
alcanes présentée ici présuppose l’existence d’un radical alkyle à l’état de traces. La réaction du dioxygène
avec ce radical alkyle conduit à la formation d’une liaison covalente carbone-oxygène. Le radical alkylperoxyle
obtenu réagit à son tour avec l’alcane en provoquant la rupture homolytique d’une liaison carbone-hydrogène.
On obtient ainsi un alkylhydroperoxyde et un radical alkyle, qui peut de nouveau entrer en réaction avec une
autre molécule de dioxygène. La réaction peut ainsi s’auto-entretenir. En ce qui concerne le peroxyde formé, il
contient une liaison O-O fragile, qui se coupe très facilement de façon homolytique sous l’influence de la
lumière ou d’une hausse de température. Cette coupure conduit à d’autres radicaux oxygénés, qui eux-mêmes
réagiront pour former des mélanges complexes. Ces réactions sont exothermiques. La réaction des peroxydes
étant explosive, elle peut être à l’origine d’accidents lors du stockage prolongé d’alcanes. La formation de
peroxydes par réaction radicalaire à partir du dioxygène est également à l’origine de certaines pathologies, et
du vieillissement des tissus.
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30
3. Réactivité 3.2. Oxydation par le dioxygène
� A très haute température : combustion des alcanes
CH4 + 2 O2
∆CO2 + 2H2O
Enfin, il faut tout de même signaler que les alcanes ont un rôle économique majeur en tant que
source d’énergie. En effet, la combustion des alcanes est une réaction radicalaire qui suit plus ou moins les
étapes précédemment décrites, même si tout le mécanisme n’est pas entièrement connu. Le chauffage initial
des alcanes produit des radicaux alkyles en grand nombre, la réaction s’accélère, s’auto-entretient et produit
de l’énergie en grande quantité.
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E. Alcènes
Année 2011-2012
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
1. Structure et propriétés physicochimiques
2. Nomenclature
3. Réactivité
3.1. Relations structure-réactivité
3.2. Formation d’alcools par hydratation en milieu acide3.3. Oxydations
3.3.1. Formation de diols en passant par un époxyde
3.3.2. Formation de diols par oxydation par KMnO4 dilué dans l’eau
Ce chapitre est consacré à la famille des alcènes pour lesquels nous verrons successivement la
structure et quelques propriétés physicochimiques, la nomenclature puis quelques exemples de réactivité.
1. Structure et propriétés physicochimiques
� Hydrocarbures «insaturés », avec une double liaison : formule brute CnH2n
� De C2 à C4 : gaz à température ambiante, puis liquides jusqu’en C19
� Certaines formules développées correspondent à deux isomères de configuration (E et Z)
� Géométrie plane de l’état sp2
C CC C
Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés. Un composé insaturé comporte au moins une liaison
pi ou un cycle dans sa structure, ce qui a pour conséquence qu’il ne contient pas le nombre maximum
d’hydrogènes par rapport au nombre de carbones. La présence d’une double liaison correspond à la formule
brute générale CnH2n. Comme nous l'avons vu dans le chapitre A, les deux carbones de la double liaison sont
sp2 et on peut les représenter avec toutes les liaisons sigma dans le même plan que l’écran, ou avec deux
liaisons sigma à l’arrière et deux autres à l’avant dans un plan perpendiculaire au plan de l’écran. D'autre part,
souvenons-nous que certaines formules développées correspondent à deux isomères de configuration E et Z,
ce qui a été évoqué dans le chapitre consacré à l’isomérie. Enfin, de deux atomes à quatre atomes de
carbones, les alcènes sont des gaz à température ambiante et pression atmosphérique, puis ils sont liquides
jusqu’en C19.
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2. Nomenclature
���� Alcènes linéaires : nom = racine + ène
Nom principal : celui de la chaîne de carbones la plus longue contenant la double liaison.
���� Alcènes ramifiés : nom des substituants-nom principal
Numérotation avec le plus petit chiffre pour la double liaison (priorité d’une fonction sur substituants)
H2C CH2
éthène = éthylène
H3C HC CH CH3
but-2-ène
H2C CH CH2 CH3
but-1-ène
1 2 3 4 1 2 3 4
H3C H2C HC C CH
CH2
CH2 CH2
H3C CH3
1 2 3 4 5 6 7
1234567
CH3
8
8
4-éthyl-3-méthyloct-4-ène
(et non pas 5-éthyl-6-méthyloct-4-ène)
3-méthylbut-1-ène(et non pas 2-méthylbut-3-ène)
CH3 HC HC CH2
CH3
1234
1 2 3 4
� Noms usuels pour certains groupements :
H2C CH CH2 R
allyle
H2C CH R
vinyle
Composés éthyléniques = alcènes
H2C CH CH3
propène
Dans le domaine de la nomenclature, le nom des alcènes linéaires est calqué sur celui des alcanes,
mais en remplaçant le suffixe ane par ène, terminaison spécifique de la famille des alcènes. Le composé en C2
est l’éthène, plus couramment appelé de son nom usuel éthylène, d’où le qualificatif de composés
éthyléniques souvent utilisé pour désigner les alcènes. Le terme suivant, en C3, est le propène. A partir du
butène, il devient nécessaire de spécifier la place de la double liaison. La chaîne de carbone est alors
numérotée d’un bout à l’autre, et l’indice de position du premier carbone sp2 rencontré est indiqué entre la
racine et ène. Le sens de numérotation est celui qui attribue le plus petit indice possible de position au premier
carbone sp2 rencontré. Le nom des alcènes ramifiés est également bâti sur le même principe que celui des
alcanes ramifiés, le nom des substituants étant indiqué avant le nom principal. Le nom principal est issu de la
chaîne carbonée la plus longue contenant la double liaison, et sa numérotation s’effectue en attribuant le plus
petit chiffre à la double liaison selon la règle générale qui veut que la fonction, ici la double liaison, ait toujours
la priorité sur les substituants. Lorsque plusieurs possibilités subsistent, on veillera alors à ce que l’ensemble
des indices de position des substituants soit le plus faible possible, comme pour les alcanes. Dans cet
exemple, la plus longue chaîne de carbone contenant la double liaison comprend quatre carbones. La
numérotation de gauche à droite, en violet, attribue l'indice 3- au premier carbone sp2 rencontré, et l'indice 2-
au carbone qui porte le substituant méthyle. La numérotation de droite à gauche, en vert, attribue quant à elle
l'indice 1- au premier carbone sp2 rencontré et 3- au carbone portant le CH3. Un étant inférieur à trois, c’est
donc la numérotation en vert qui doit être retenue. Voici un autre exemple. La chaîne la plus longue contenant
la double liaison est une chaîne en C8. Ce composé dérive donc de l’octène, substitué par un méthyle et par
un éthyle. Quel que soit le sens de numérotation, l'indice 4- est attribué au premier carbone sp2 rencontré. La
numérotation en violet attribue l’ensemble (5,6) pour la position des deux substituants, tandis que la
numérotation en vert leur attribue l’ensemble (3,4). C’est donc cette dernière numérotation qui doit être
retenue. Ce composé est ainsi le 4-éthyl-3-méthyloct-4-ène. Notons enfin que certains groupements
comportant une double liaison sont parfois désignés selon un nom usuel. Par exemple le groupe CH2=CH est
appelé vinyle, et le groupe CH2=CH-CH2 est appelé groupe allyle.
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33
3. Réactivité 3.1. Relations structure-réactivité
���� Polarisation de la double liaison
C CR2
R3
R4
R1C C
H
R3
H
R1
C CR2
R3
H
R1C C
R2
H
H
R1>
δδδδ- δδδδ
+δδδδ-δδδδ+
���� Electrons π π π π C=C : nucléophiles
C C + A Bδ+ δ−
Réactif à potentialité électrophile
C
A
C
B
Non polarisée(configuration E
égalementnon polarisée)
Non polarisée
* effet + I des alkyles
δ+δ−
* mésomérie
Réaction d’addition : ajout d’atomes sans en retrancher aucun
Réaction d’addition électrophile
Quelques aspects de la réactivité des alcènes peuvent être déduits de leur structure. En effet, la
présence du doublet d’électrons pi de la double liaison leur confère un caractère nucléophile : un alcène
réagira donc avec les réactifs à potentialité électrophile, chargé plus ou delta plus, et les possibilités d’addition
électrophile seront nombreuses. Il est à noter qu’une réaction d’addition en chimie répond à une définition
précise : lors de cette réaction, il doit y avoir un ajout d'atomes à une molécule sans lui en retrancher aucun.
D’autre part, dans le cas de cette réaction sur les alcènes, celle-ci est qualifiée d’électrophile même si le réactif
A-B comporte la fixation de B delta moins, car l’élément moteur est la réactivité des électrons pi nucléophile
avec la partie électrophile A de A-B. Quant au sens de l’addition de A-B, c’est-à-dire sur quel carbone va se
greffer A et sur quel carbone va se greffer B, celui-ci sera conditionné par la polarisation éventuelle de la
double liaison, l’atome A delta plus se greffant préférentiellement sur le carbone delta moins. Cette polarisation
est fonction essentiellement de deux facteurs. Le premier est l’effet inductif donneur des groupes alkyles, qui a
tendance à repousser les électrons pi sur le carbone sp2 terminal. Ainsi, dans le premier exemple présenté,
cet effet conduit-il à l'apparition d'une charge partielle delta moins sur ce carbone, ce qui implique alors que
l’autre carbone soit delta plus. La présence d’un nombre inégal de groupes alkyles sur les deux carbones sp2
conduit également à une double liaison polarisée, alors qu’un nombre égal de groupes alkyles sur chacun des
carbones sp2 aboutit à une liaison non polarisée, même si ces groupes alkyles sont de nature différente.
Notons que la configuration Z ou E éventuelle de la double liaison n'a aucune répercussion sur ce phénomène.
Le deuxième facteur influençant la polarisation d’une double liaison est la participation éventuelle des électrons
pi à une délocalisation d’électrons par mésomérie, aspect que nous allons détailler dans la diapositive
suivante.
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34
3. Réactivité 3.1. Relations structure-réactivité
* mésomérie
C COCH3
� Rappel :
Les doubles liaisons du benzène restent inertes dans les réactions présentées dans ce chapitre
Stabilité du benzène C6H6 et du groupe dérivé phényle (-C6H5)
C COCH3
δδδδ+ δδδδ
-
C COCH3 C C
OCH3
Par exemple, dans cette structure, on peut reconnaître une conjugaison, avec possibilité de
délocalisation d’un doublet libre de l'atome d'oxygène et des électrons pi. Ceci conduit à l’écriture de cette
forme mésomère puis éventuellement d’une autre par déplacement des électrons pi sur l’oxygène qui récupère
ainsi ses deux doublets libres habituels. Dans la structure réelle de la molécule, qui est un intermédiaire des
différentes formes limites, on peut alors affecter une charge partielle delta plus à un des carbones de la double
liaison et delta moins à l’autre. Enfin, rappelons-nous que grâce à sa structure cyclique conjuguée très stable,
les doubles liaisons du benzène et de ses dérivés restent inertes dans les conditions qui vous seront
présentées dans ce chapitre. Précisons que le terme phényle que vous voyez apparaître ici est le nom du
benzène quand il est le substituant d’une chaîne principale.
HC C C C
H
3. Réactivité 3.2. Formation d’alcools par hydratation en milieu acide
C C C C
HHO
Catalyseur : acide sulfurique H2SO4, acide chlorhydrique HCl…
H2SO4 H + HSO4 et HCl H + Cl
dans l’eau
� Conversion fonctionnelle :
C C
OH H
H
���� Mécanisme
- HC C
HO HH O H
carbocation
H2O / H cat.alcool
La première réaction des alcènes que nous allons détailler est la formation d’alcools en milieu acide.
Il s’agit bien d’une réaction d’addition car on ajoute H et OH à l’alcène sans lui retrancher aucun atome. La
conversion fonctionnelle est le passage de la fonction alcène à la fonction alcool. C’est une réaction qui
s’effectue dans l’eau en présence d’une catalyse acide, c’est-à-dire en présence de proton H+. Concrètement,
le catalyseur peut être l’acide sulfurique H2SO4 ou l’acide chlorhydrique HCl, qui sont tous les deux dissociés
dans l’eau pour libérer H+. Le propre d’un catalyseur est d’être utilisé en très petite quantité et de ne pas être
consommé par la réaction, mais utilisé lors de celle-ci puis restitué au milieu réactionnel. Cette réaction
d’addition d'eau sur une double liaison est également appelée réaction d’hydratation. Le mécanisme de cette
réaction est le suivant : les électrons pi nucléophiles attaquent l'orbitale inoccupée du H+ électrophile, ce qui
conduit à un carbocation. L'eau, nucléophile grâce à l’oxygène, vient alors se fixer sur le carbocation formé. La
structure obtenue se stabilise alors en perdant un atome d'hydrogène sous la forme d'un proton H+. Notons
dès à présent, que pour des raisons de simplification, les orbitales inoccupées ne seront que rarement
mentionnées dans les prochains mécanismes réactionnels qui seront détaillés dans ce cours.
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35
3. Réactivité 3.2. Formation d’alcools par hydratation en milieu acide
���� Etude de la régiochimie :
CH CH2H3CH / H2O
réaction régiosélective
+CHH3C
OH
CH3 CHH3C
H
CH2 OH
propan-2-ol majoritairepropan-1-ol, traces
Fixation préférentielle de H+ sur le carbone δδδδ-
H3C CH CH2H+
H3C CH CH3
H O HH3C CH CH3
OH H
H-H3C CH CH3
OHδδδδ++++ δδδδ−−−−
Si la double liaison de l’alcène n’est pas polarisée, on obtient un mélange en quantité équivalente : réaction non régiosélective
propène
H+ / H2O+CH CHH3C CHH3C
OH
CH2 CH2H3C CH
OH
C3H7C3H7 C3H72
Règle de Markovnikov : sur une double liaison, fixation de H+ sur le carbone le plus hydrogéné
Nous allons étudier la régiochimie de cette réaction, c’est-à-dire le sens de l’addition de H et de OH,
en prenant pour substrat le propène. L’hydratation de la double liaison du propène en milieu acide conduit à
l’obtention de deux alcools régioisomères : le propan-2-ol majoritaire et le propan-1-ol très minoritaire. Un sens
d’addition est donc privilégié puisque les deux régioisomères sont obtenus en quantités différentes. On parle
dans ce cas d’une réaction régiosélective. Cette régiosélectivité provient du fait que la double liaison du
propène est polarisée, le carbone portant le groupe alkyle CH3 étant delta plus. La fixation de H+ se fait alors
préférentiellement sur le carbone delta moins. Sur un alcène, la fixation de H+ se fait donc très généralement
sur le carbone le plus hydrogéné, et c’est ce qu’on appelle la règle de Markovnikov. H2O se fixe ensuite sur le
carbocation pour conduire au propan-2-ol selon le mécanisme vu précédemment. Lorsque la double liaison de
l’alcène n’est pas polarisée, on obtient un mélange en quantité équivalente et la réaction est alors non
régiosélective.
C CMeEt
EtMe
H
+ C CMe Et
EtMe
H
3. Réactivité 3.2. Formation d’alcools par hydratation en milieu acide
C CMe
EtEt
MeH+
OH
+C C
Me Et
Et Me
H OH3 3
3R, 4R 3S, 4R
���� Etude de la stéréochimie : exemple du (E)-3,4-diméthylhex-3-ène
C CMe Et
Et Me
OH2
OH2 OH2
OH2
C CMe Et
Et Me
H OH
C CMe
Et
Et
Me
H
OH
+
3R,4S
3 3
3S,4S
- HH- H-
H-
Obtention des 4 stéréoisomères du 3,4-diméthylhexan-3-ol, mélange 50/50 des deux racémiques
(E)
100
50 50
25 25 25 25
H
C CMe Et
Et Me
H OHHOH
C C
Me
EtEt
Me
OHH* *
343,4-diméthylhexan-3-ol
A présent, étudions la stéréochimie de la réaction d’hydratation en milieu acide à travers l’exemple
de ce composé. Cet alcène étant symétrique, la question du sens de l’addition de H et de OH ne se pose pas
puisqu’on obtient la même formule développée dans les deux cas. Par contre, la réaction conduit à une
formule développée d’alcool contenant deux carbones asymétriques, ce qui correspond donc à quatre
isomères de configuration. Etudier la stéréochimie d’une réaction veut dire étudier quels sont les isomères de
configuration obtenus quand on crée, comme ici, des éléments stéréogènes lors de cette réaction. Pour cela, il
faut examiner le mécanisme de la réaction. Comme nous l’avons vu, le premier évènement est la fixation de H+
pour conduire au carbocation. Cette fixation se fera à égalité de chance sur le dessus ou sur le dessous de
l’alcène. Ainsi, si l’on part de cent molécules de l’alcène, on aura un mélange 50/50 des deux carbocations
représentés. Le deuxième temps du mécanisme réactionnel consiste en la fixation d’H2O sur le carbocation.
Or, un carbocation étant sp2, il est plan et cette fixation se fera donc à égalité de chance sur le dessus ou sur
le dessous de celui-ci. Chaque carbocation représenté ici conduira donc à un mélange 50/50 de deux
isomères, soit à partir des 50 structures à 25 molécules de chaque isomère. On obtient donc un mélange
équimolaire constitué de 50 % du mélange racémique RS/SR et 50 % du mélange racémique RR/SS.
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36
3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.1. Formation de diols en passant par un époxyde
� 1ère étape : formation de l’époxyde par oxydation de l’alcène à l’aide d’un peracide
C C C C
O
RCO3H
époxyde
+ RCOOH+
acide carboxyliqueperacide
C CH
Me
H
Me
O
C CMe
H
H
Me
O
+ C CMe
H
H
MeO
Stéréochimie de la réaction : Exemple du (E)- et (Z)-but-2-ène
C C
Me
H
H
MeRCO3H
(E)
S S
R R
racémique
C C
H
Me
H
MeRCO3H
(Z)
R Sméso
La configuration du produit de départ a un impact sur la configuration du produit obtenu : � réaction stéréospécifique
On utilise souvent l’acide peracétique H3C C
O
O OH
Nous allons maintenant étudier deux réactions d’oxydation des alcènes, la première étant la
formation de diols en passant par un époxyde. La première étape consiste donc en la préparation d’un dérivé
que l’on appelle époxyde, c'est-à-dire d’un cycle à trois sommets comprenant un atome d’oxygène et deux
atomes de carbone. Le composé oxydant utilisé est un peracide RCO3H qui transfère un oxygène sur la
double liaison de l’alcène. La stéréochimie de la réaction peut s’étudier en utilisant l’exemple du (E) et du (Z)-
but-2-ène. Sur le (E)-but-2-ène, le peracide peut transférer un atome d’oxygène sur le dessus ou sur le
dessous de la double liaison, ce qui conduit à l’obtention des énantiomères SS et RR sous la forme d’un
mélange racémique. A partir du (Z)-but-2-ène, le transfert de l’oxygène sur l’une ou l’autre des faces conduit
au dérivé RS et SR, c’est-à-dire en fait à un seul composé puisqu’il s’agit d’un composé méso. Ainsi, à partir
des configurations E ou Z du but-2-ère, on obtient la même formule développée d’époxyde, mais l’alcène E
mène aux époxydes RR/SS alors que l’alcène Z conduit au seul époxyde méso. On constate donc que la
configuration du produit de départ, ici l’alcène, a un impact sur le résultat de la réaction dans le domaine de la
stéréochimie. C’est exactement le cas de figure qui est rencontré dans les réactions qui sont qualifiées de
«stéréospécifiques», dont cette réaction d’oxydation fait donc partie.
3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.1. Formation de diols en passant par un époxyde
���� 2ème étape : ouverture de l’époxyde par NaOH dans l’eau
Mécanisme concerté de type « anti »
C CH
Me
H
MeOH
HO
C CH
Me
H
Me
O
méso
CC
Me
Me
H
HO
OH
H+
RR SS
Na OH
H2O
Exemple
C C
O
NaOHδ+ δ+
δ−
OHNa
C C
O
OH
état de transition
Na
C C
O
OH
Na
C C
HO
OHH2O
H O H + NaOH
diol
La deuxième étape de la réaction de formation de diols est l’ouverture de l’époxyde par NaOH,
réalisée dans l’eau. Un époxyde est caractérisé par le fait que les deux atomes de carbones liés à l’oxygène
sont delta plus, donc électrophiles. De plus, les angles de liaisons intracycliques de l’époxyde sont de 60°,
donc très éloignés de l’angle normal sp3. Ce phénomène déstabilise de manière importante les époxydes. Un
nucléophile comme l’anion hydroxyde HO- peut en conséquence très facilement attaquer un des deux
carbones électrophiles, ce qui provoque l’ouverture du cycle. L’intermédiaire formé est ensuite protoné par
l’eau pour conduire au diol. Cette réaction passe par un état de transition dit concerté, ou tout se passe en
même temps, les liaisons se rompant au fur et à mesure que les autres se forment. Pour des raisons
d’orientation des orbitales réagissant dans l’état de transition, le nucléophile ne peut attaquer que sous un
angle bien particulier : à l’exact opposé de la liaison qui se rompt. Ce type de mécanisme est dit «anti» et sera
vu plus en détail dans le chapitre F. Appliquons à présent le mécanisme de cette deuxième étape à l’exemple
de cet époxyde méso : l’attaque par HO- du carbone de droite du cycle conduit au diol RR, tandis que
l’attaque du carbone de gauche aboutit au diol SS.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
37
3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.2. Formation de diols par KMnO4 dilué dans l’eau
� Conversion fonctionnelle
KMnO4 = Permanganate de potassium
� Mécanisme : exemple du (Z)-et du (E)-but-2-ène
C C
H
Me
H
MeKMnO4
Butane-2,3-diol méso(Z)-But-2-ène
H2OC CH
Me
H
Me
O O
MnO O K
C CH
Me
H
Me
HO OH
Complexe instable
C CKMnO4
H2O C C
HO OH
+ C C
HO OH
La fixation des deux O se fait du même côté de la double liaison, dessus ou dessous à égalité de chance
L’oxydation d’un alcène peut également être réalisée à l’aide du permanganate de potassium,
KMnO4 en solution diluée dans l’eau, ce qui conduit là aussi à un diol. Cette réaction est caractérisée par le
fait que les deux atomes d’oxygène se fixe du même côté de la double liaison, dessus ou dessous à égalité de
chance. Son mécanisme sera abordé en l’appliquant aux deux isomères de configuration du but-2-ène. Si on
considère pour commencer le (Z)-but-2-ène, KMnO4 se fixe sur la double liaison en formant un complexe
instable, aussitôt hydrolysé par l’eau pour conduire au diol. La fixation de KMnO4 se fait par le dessus ou par
le dessous de la double liaison, ce qui, dans le cas étudié, conduit au même composé méso.
3. Réactivité 3.3. Oxydations 3.3.2. Formation de diols par KMnO4 dilué dans l’eau
La réaction est stéréospécifique
C C
H
Me
Me
HKMnO4 dilué C C
H
Me
Me
H
HO OH
+ C C
H
Me
MeH
HO OH
(2S,3S)-butane-2,3-diol(2R,3R)-butane-2,3-diol(E)-but-2-ène
�Cette réaction est parfois utilisée pour mettre en évidence une double liaison C=C (permanganate violet)
racémique
Par contre, dans le cas du (E)-but-2-ène, la fixation par le dessous donne l’isomère RR tandis que
celle par le dessus conduit au SS. Rien ne favorisant une approche par rapport à une autre, un mélange
racémique est obtenu. La différence de résultat observée dans le domaine de la stéréochimie, en fonction de
la configuration de l’alcène de départ, établit cette réaction comme étant stéréospécifique. Notons enfin que
cette réaction est parfois utilisée pour mettre en évidence la présence d’une double liaison carbone-carbone
dans un composé. En effet, le permanganate de potassium se présente sous forme de cristaux violets et sa
solution diluée dans l’eau est fortement colorée en violet. Par contre, les diols sont quant à eux incolores. La
décoloration d’une solution de KMnO4 est le signe d’une réaction et suggère donc la présence d’une double
liaison.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
38
F. Alcools et thiols
Année 2011-2012
1. Structure et propriétés physicochimiques
2. Nomenclature3. Réactivité
3.1. Relations structure-réactivité
3.2. Formation d’esters par réaction avec les acides carboxyliques3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
3.4. Formation d’alcènes par déshydratation d’un alcool
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
Cette partie du cours est consacrée à deux familles de produits présentant de nombreuses
similitudes, les alcools et les thiols. A la suite de la présentation de ces deux familles de composés ainsi que
de quelques unes de leurs propriétés physicochimiques, nous aborderons leur nomenclature. La partie la plus
conséquente sera ensuite consacrée à leur réactivité, avec la présentation de quelques réactions importantes
les concernant.
1. Structure et propriétés physicochimiques
� Alcools : groupement fonctionnel hydroxyle (OH) directement lié à un carbone sp3
� Seul le méthanethiol (H3C-SH) est un gaz, les autres alcools et thiols étant des liquides ou des solides à pression et température ordinaires.
C O H
� Thiols : analogues soufrés des alcools, groupement fonctionnel mercapto (SH) directement liéà un carbone sp3
C SH
� Par rapport aux alcools, les thiols se caractérisent par une odeur très souvent nauséabonde.Exemple : H2S (odeur d’œuf pourri) par rapport à H2O
� Les alcools et thiols présentent des points d’ébullition ou de fusion bien plus élevés que les alcanes correspondants.
Exemple : Eb °C(760mm Hg)
- 42
H3C CH2 OHH3C CH2 SHH3C CH2 CH3
+ 35+ 78,3 interaction électrostatique
appelée ‘’liaison hydrogène’’
Les alcools sont caractérisés par la présence d’un groupement fonctionnel hydroxyle directement lié
à un atome de carbone hybridé en sp3. Les thiols sont les analogues soufrés des alcools, et sont donc
caractérisés par la présence d’un groupement fonctionnel mercapto lié à l'atome de carbone hybridé en sp3.
Dans un domaine d'ordre pratique, notre odorat est à peu près mille fois plus sensible vis-à-vis du soufre que
de l’oxygène. Cela ne serait pas très gênant si les thiols n’étaient pas, pour la plupart, associés à une odeur
très désagréable par rapport à leur analogue oxygéné. Pour illustrer dans ce domaine la différence entre un
atome de soufre et un atome d'oxygène, il suffit de comparer l’odeur de l’eau à celle de l’hydrogène sulfuré,
gaz se dégageant par exemple lors du processus de pourrissement des œufs. Parmi les alcools et les thiols,
seul le méthanethiol est un gaz dans des conditions ordinaires de pression et de température. Tous les autres
alcools et thiols sont donc soit des liquides soit des solides dans les mêmes conditions, et cela en fonction de
leur masse moléculaire. D'autre part, les alcools et les thiols possèdent des points d'ébullition bien plus élevés
que les alcanes de structure comparable. Afin d’aborder cette question, observons le point d’ébullition de
composés très simples, puisque comportant tous seulement trois atomes autres que ceux d'hydrogène. Il
s’agit, en l’occurrence, du propane, de l'éthanethiol et de l'éthanol. Si on compare les points d’ébullition de ces
composés, tous mesurés à pression atmosphérique, on obtient une valeur de -42°C pour le propane : ceci
explique bien au passage qu’à pression et température classique, le propane soit un gaz. Dans les mêmes
conditions, l'éthanethiol est un liquide, puisque son point d’ébullition est de +35°C. C’est aussi le cas de
l’éthanol, qui présente un point d’ébullition encore plus élevé de +78,3 °C. Ces valeurs dans le cas de
l'éthanethiol et de l'éthanol s'expliquent par la mise en place d'interactions électrostatiques entre les doublets
libres des atomes d’oxygène ou de soufre et des hydrogènes à caractère acide portés par d'autres atomes
d'oxygène ou de soufre. Ces interactions sont appelées «liaisons hydrogène» et la prochaine diapositive leur
est consacrée.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
39
C O H C S H N H C O
O
H
1. Structure et propriétés physicochimiques
� Liaison hydrogène :� présente dans plusieurs familles de composés chimiques� s’établit entre un hétéroatome A (δ-) et un hydrogène H (δ+) porté par un autre
hétéroatome A
� conduit à la formation de dimères et/ou de polymères
� améliore la solubilité dans l’eau grâce à des liaisons hydrogène ‘’croisées’’ � plus faible (1/20) et plus longue (x 2) qu’une liaison covalente H-O� sa multiplication provoque une ‘’structuration du liquide’’ qui conduit à une augmentation
du point d’ébullition� sa solidité est dépendante de l’hétéroatome impliqué
� Exemple : S plus gros et moins électronégatif que O = liaison hydrogène chez les thiols moins solides que chez les alcools
C A
H
CA
H C A
H
CA
H
CA
H
C A
H
La mise en place de liaisons hydrogène n’est pas un phénomène réservé aux alcools, mais est
assez répandue dès lors qu’un hétéroatome est porteur d’au moins un atome d’hydrogène. Outre les alcools et
les thiols et dans le cadre de ce cours, les composés correspondant à ce type de structure sont les amines,
avec au moins un atome d’hydrogène au niveau de l’azote, et les acides carboxyliques. Les liaisons
hydrogènes sont symbolisées par une liaison en pointillés, et conduisent à la formation de dimères et/ou de
polymères. Dans le domaine des principales caractéristiques physiques des liaisons hydrogène, lorsqu’on
mélange deux composés donnant séparément des liaisons hydrogène, on favorise le plus souvent la
miscibilité, par la mise en place de liaisons hydrogène croisées. Ceci explique, par exemple, la bonne solubilité
des alcools dans l’eau. Les liaisons hydrogène sont d'autre part vingt fois moins solides qu’une liaison
covalente classique et à peu près deux fois plus longues. C’est par leur multiplication que les liaisons
hydrogène conduisent à une structuration globale d’un liquide, phénomène qui explique le point d’ébullition
élevé des alcools et des thiols. Il est en effet nécessaire dans leur cas, de fournir une quantité d’énergie
supplémentaire afin de rompre cette multitude de liaisons hydrogène. Ce phénomène est parfaitement illustrée
par le cas de l’eau qui, du fait de l’absence de chaîne carbonée, conduit à un taux de liaison hydrogène
énorme, et en conséquence à un point d’ébullition extrêmement élevée par rapport à sa faible masse
moléculaire, qui n’est que de 18. Enfin, la solidité d’une liaison hydrogène est dépendante de l’hétéroatome
impliqué. Par exemple, l'atome de soufre étant plus gros et moins électronégatif que l’atome d’oxygène, les
liaisons hydrogène chez les thiols sont moins solides que chez les alcools. C'est pour cette raison que
l'éthanethiol présente un point d'ébullition moins élevé que celui de l'éthanol.
2. Nomenclature
� Classification : les alcools et les thiols sont subdivisés en 3 classes en fonction du degré de substitution du C lié à l’O ou au S
1 substituant alcool (A = O) ou thiol (A = S) primaire = IaireH C AH
R
H
2 substituants alcool (A = O) ou thiol (A = S) secondaire = IIaireR C AH
R
H
3 substituants alcool (A = O) ou thiol (A = S) tertiaire = IIIaireR C AH
R
R
� Noms des composés fonctionnalisés
racine -an(e)
èn(e)- suffixe
Meth (C1)Eth (C2)…..
caractéristique de la famille
Dérivés saturés
Dérivés avec une double liaison
substituants -
Concernant à présent la nomenclature, il est tout d'abord important de savoir que les alcools et les
thiols sont répartis dans trois classes selon le degré de substitution de l'atome de carbone lié à l'hétéroatome.
Si ce carbone est substitué par un groupement carboné, l’alcool ou le thiol correspondant est primaire. Lorsque
deux groupements carbonés sont présents, le composé est secondaire. Enfin, si le carbone est substitué par
trois groupements carbonés, l’alcool ou le thiol correspondant est tertiaire. De façon générale, le nom principal
des composés fonctionnalisés, alcools, amines par exemple, est formé de la racine, meth, eth etc fonction du
nombre de carbones dans la chaîne linéaire la plus longue ne contenant que des carbones, suivie de
l’indication de la présence éventuelle de liaisons pi, an(e) pour les dérivés saturés, èn(e) pour une double
liaison, puis du suffixe caractéristique de la fonction. Les noms des substituants sont placés devant le nom
principal. Dans le cadre de ce cours, nous n’envisagerons pour toutes les familles chimiques étudiées, que la
nomenclature des dérivés dont le nom principal sera celui d’un dérivé saturé, contenant donc « an(e) » avant
le suffixe.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
40
2. Nomenclature
���� Alcools linéaires : suffixe = ol
� Alcools ramifiés :� choisir la chaîne carbonée la plus longue incluant le C relié au OH
� numéroter cette chaîne de telle sorte que le C relié au OH ait le plus petit indice possible
� attribuer les indices des substituants en fonction de cette numérotation et les classer par ordre alphabétique
� Exemple :
H3C OH
méthanol éthanol
H3C CH2 OH CH2 CH2 OHH3C
propan-1-ol
CH CH3H3C
propan-2-ol
OH
123 123
1 23
2-éthyl-4-méthylpentan-1-ol
45
OH
� Thiols linéaires et ramifiés: nomenclature similaire à celle des alcools, en remplaçant le suffixe anol par anethiol (méthanethiol, propane-1-thiol, 2-éthyl-4-méthylpentane-1-thiol…)
Le suffixe de la famille des alcools est « ol ». Voici différents exemples en commençant par le plus
simple des alcools, le méthanol. Vient ensuite l'éthanol puis les deux isomères possibles du propanol, le
propan-1-ol et le propan-2-ol. Pour ces deux composés, l'indice attribué est bien entendu déterminé par la
position du groupement fonctionnel au niveau de la chaîne carbonnée. Pour les alcools plus complexes, il est
nécessaire d'appliquer les règles suivantes : pour commencer, il faut choisir la chaîne carbonée la plus longue
incluant l'atome de carbone substitué par le groupe hydroxyle. Cette chaîne doit ensuite être numérotée de
manière à ce que ce carbone hydroxylé soit affecté du plus petit indice possible. Enfin, en fonction de cette
numérotation il faut attribuer les indices aux différents substituants, en prenant soin de les classer par ordre
alphabétique. Voici un exemple d'application de ces règles. Dans le composé proposé, la chaîne carbonée la
plus longue incluant l'atome de carbone hydroxylé compte cinq atomes de carbone et l'indice 1 peut être
attribué à ce même carbone. Ce composé appartient donc à la famille des pentan-1-ol. Les substituants
présents sont un groupe méthyle et un groupe éthyle, respectivement lié au carbone numéro 4 et 2. Nous
sommes donc en présence du 2-éthyl-4-méthylpentan-1-ol. En ce qui concerne les thiols, les mêmes règles de
nomenclature sont à appliquer, mais en remplaçant le suffixe ol par thiol. Pour reprendre quelques exemples
similaires à ceux décrits ci-dessus, on parlera de méthanethiol, de propane-1-thiol ou de 2-éthyl-4-
méthylpentane-1-thiol.
3. Réactivité 3.1. Relations structure-réactivité
C
O
H
� Alcools et thiols : réactivité très voisine, les réactions décrites à partir des alcools étantsouvent également valables pour les thiols.
C électrophile
C
H
base
C C
éthers
esters
COO
C
CO
C
alcènes
δδδδ −−−−
δδδδ ++++
proton (H+)
Les alcools et les thiols possèdent une réactivité très voisine. Pour cette raison, il faut savoir que la
plupart des réactions qui seront par la suite décrites dans ce chapitre à partir des alcools sont extrapolables
aux thiols. Avant d’aborder de façon concrète les réactions applicables aux alcools et aux thiols, nous
étudierons tout d’abord en détail la structure de ces composés, illustrée par celle des alcools, et ce afin d’en
prédire la réactivité. Le premier élément important est la présence de doublets d'électrons libres au niveau de
l’atome d’oxygène. Ceux-ci vont conférer aux alcools des propriétés basiques qui se manifesteront par la
possibilité de capter un proton H+. La présence de ces doublets libres confèrera d'autre part des propriétés
nucléophiles aux alcools, qui pourront cette fois se manifester vis-à-vis de carbones électrophiles, comme
nous le verrons lors de la réaction de transformation des alcools en esters. Le deuxième élément important à
relever est la présence d’un atome d’hydrogène porté par un atome d'oxygène, conduisant ainsi à une
polarisation de la liaison reliant ces deux atomes. En conséquence cet atome d'hydrogène présente un
caractère acide, et est donc susceptible d’être arraché par action d’une base. Nous verrons que cette propriété
est exploitée lors de la transformation des alcools en éthers. Enfin, lorsque un ou plusieurs carbones liés au
carbone hydroxylé sont porteurs d'au moins un hydrogène, une réaction de déshydratation est alors
envisageable pour conduire à la formation d'alcènes.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
41
CO
OHR + H C
O
OHR
H
CO
OHR
H
mésomérie
HO
R'
CO
OHR
HO
H
R'C
O
OR
HOR'
H
H
C OR
OR'+ H + H2O
3. Réactivité 3.2. Formation d’esters par réaction avec les acides carboxyliques
���� Estérification: alcool + acide carboxylique ester + eauH+ cat.
���� Mécanisme :
���� Remarque : lorsqu’un thiol est utilisé à la place d’un alcool, le composé obtenu est un thioester
réaction d’addition nucléophile (AN)
Le bilan global de la réaction d'estérification des alcools est le suivant : le mélange d'un alcool et
d'un acide carboxylique, en présence d'une quantité catalytique de proton, conduit à la formation d'un ester et
d'une molécule d'eau. Si on s'intéresse à présent plus précisément au mécanisme de cette réaction, celui-ci
débute par une protonation de l'oxygène doublement lié de l'acide carboxylique. Cette protonation a pour
conséquence d'augmenter le caractère électrophile du carbone de la fonction acide carboxylique. Ce
phénomène est facilement explicable grâce à la mésomérie, qui permet de mettre en évidence que la charge
positive apparaissant à la suite de la protonation n'est pas centrée sur le seul atome d'oxygène, mais partagée
avec l'atome de carbone. Cette augmentation de l'électrophilie du carbone est mise à profit lors de l'étape
suivante, qui consiste en une attaque d'un doublet libre de l'atome d'oxygène de l'alcool sur le carbone
électrophile de l'acide carboxylique protoné. Lors de cette étape, c'est le caractère nucléophile de l'atome
d'oxygène de l'alcool qui est mis en jeu. Dans le domaine des grandes catégories de réactions chimiques, la
notion d'addition a été abordée dans le chapitre consacré aux alcènes, mais associé au terme électrophile. Ici
nous sommes bien en présence d'une réaction d'addition puisque l'acide carboxylique subit un ajout d'atomes
sans en perdre aucun. Par contre cet ajout se faisant par l'action d'un nucléophile, nous sommes cette fois en
présence d'une réaction d'addition nucléophile. L'intermédiaire obtenu à la suite de cette réaction donne alors
lieu à un échange d'un proton qui conduit à la forme protonée d'un groupement hydroxyle. Ce motif est connu
pour être facilement éliminable sous la forme d'une molécule d'eau, ce qui dans le mécanisme présenté
constitue l'ultime étape. Globalement, cette réaction est intéressante mais elle présente un important
inconvénient, toutes les étapes en sont réversibles, ce qui en limite souvent le rendement. Enfin, lorsqu'un thiol
est utilisé à la place d'un alcool, le composé obtenu par un mécanisme analogue est appelé thioester.
3. Réactivité 3.2. Formation d’esters par réaction avec les acides carboxyliques
���� Estérification: alcool + acide carboxylique ester + eauH+ cat.
���� Mécanisme :
- H 2O (é lim inée)+
HCl cat.H5C2OH H3C C O 2H C O
H5C2O
H3C
- H 2O (é lim inée)+
HCl cat.H3C SH (H3C)2HC C O 2H C O
S
CH
H 3C
H3C
H3Cthioester
���� Exemples :
Voici deux exemples d'application de ces réactions pour l'obtention dans le premier cas d'un ester et
dans le second d'un thioester.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
42
3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
� Transformation nécessitant 2 réactions successives:
� formation d’un alcoolate : en présence d’une base (NaOH, NaH), un alcool est déprotoné pour donner un alcoolate
C
O
H
+ B C
O
+ BH
δδδδ −−−−
δδδδ ++++
Exemples:
OHH3C CH2 OH + Na H3C CH2 O Naéthanolate de sodiumH2O (éliminée)
H
H3C
HC OH + Na
propan-2-olate de sodium
H2 (éliminé)H3C
H3C
HC O
H3C
Na
���� Remarque : lorsqu’un thiol est utilisé à la place d’un alcool, l’anion obtenu est un thiolate
alcoolate
La transformation des alcools en éthers nécessite deux réactions successives, dont la première
consiste en une réaction acide-base entre l'alcool et une base appropriée, comme l'hydroxyde de sodium
NaOH ou l'hydrure de sodium NaH. Dans ces conditions, la base vient arracher l'atome d'hydrogène de la
fonction alcool. Lors de cette étape, c'est le caractère acide de l'alcool qui est donc mis en jeu. Il apparait alors
dans le milieu réactionnel la forme déprotonée d'un alcool, qui est appelée alcoolate. Notons au passage que,
cette réaction étant réversible, elle donne lieu à la mise en place d'un équilibre. En conséquence, si on désire
accéder de manière efficace à l'alcoolate, il est nécessaire d'éliminer du milieu réactionnel la forme protonée
BH de la base utilisée au fur et à mesure de sa formation. De cette manière, il est par exemple possible
d'accéder efficacement à l'éthanolate de sodium à partir de l'éthanol. De même, le traitement du propan-2-ol
par l'hydrure de sodium conduit aisément à l'alcoolate correspondant, sachant que la forme protonée de
l'hydrure n'est autre que le dihydrogène, un gaz qu'il est donc très pratique d'éliminer. Des réactions tout à fait
similaires sont envisageables à partir des thiols et conduisent à la formation de thiolates.
3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
� Transformation nécessitant 2 réactions successives :
� formation d’un alcoolate
� réaction de l’alcoolate sur un C électrophile :
� O d’un alcoolate = très bon nucléophile
� C substitué par un atome d’halogène = C électrophile
� 2 types de mécanisme différents : SN1 et SN2
C
O
C
X
X = Br, Cl ou I
δδδδ ++++
δδδδ −−−−
réaction de substitution nucléophile (SN)
CO
C + X
Une fois l'alcoolate formé, il est impliqué dans une réaction vis-à-vis d'un carbone à caractère
électrophile. Dans ce domaine, le très grand intérêt des alcoolates réside dans le fait que l'hétéroatome y soit
entouré de trois doublets d'électrons libres, ce qui en fait un très bon nucléophile. Le carbone électrophile en
question est un carbone substitué par un atome d'halogène X. Cet atome d'halogène étant plus électronégatif
que le carbone, il provoque par effet inductif attracteur un appauvrissement électronique du carbone. Il
s'ensuivra un type de réaction appelée substitution nucléophile, que l'on peut illustrer de manière schématique
de la façon suivante. L'atome d'oxygène nucléophile de l'alcoolate vient attaquer le carbone électrophile du
dérivé halogéné, avec création d'une liaison oxygène-carbone. Cette attaque provoque le départ de l'atome
d'halogène sous sa forme halogénure X-, ce dernier étant également classé dans la catégorie des
nucléophiles. En terme de bilan global, l'éther formé est donc obtenu par remplacement d'un nucléophile (X-)
par un autre nucléophile, l'alcoolate, d'où le classement de cette réaction dans les substitutions nucléophiles.
Pour être plus précis, il existe en réalité deux types de mécanisme de substitution nucléophile, appelés SN1 et
SN2, et dont le déroulement est sensiblement différent.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
43
3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
� Mécanisme SN1: 2 temps
� formation d’un carbocation
� fixation de l’alcoolate sur le carbocation
C
O
C
X
CO
CC + X
tertiaire (IIIaire)
et/ou
stabilisé par mésomérie
C CH3
CH3
H3CExemple :
Exemple : C
H
Le mécanisme SN1 comprend 2 temps successifs. Le premier de ces temps abouti, à partir du
dérivé halogéné, à la formation d'un carbocation, à la suite de la rupture de la liaison halogène-carbone. C'est
alors seulement qu'intervient l'alcoolate nucléophile qui vient s'additionner sur le carbocation formé. L'élément
qui va principalement déterminer la formation d'un éther par ce mécanisme SN1 est la facilité d'apparition du
carbocation dans le milieu réactionnel, et celle-ci est directement corrélée à sa stabilité. Les éléments
favorables au mécanisme SN1 seront donc ceux capables d'apporter de la stabilité à un carbocation, comme
par exemple les substituants alkyles. Il est ainsi connu que les dérivés halogénés pouvant conduire, par perte
d'un halogénure, à la formation de carbocations tertiaires, c'est à dire triplement substitués, donnent des éthers
par mécanisme SN1. La stabilisation du carbocation intermédiaire s'explique dans ce cas par l'effet inductif
donneur des trois groupements alkyles qui atténuent ainsi la charge positive portée par le carbone. D'autre
part, les carbocations présentant une mésomérie sont également stabilisés grâce à celle-ci. Ce carbocation
par exemple est suffisamment stabilisé pour se former. Il conviendrait donc à partir d'un dérivé halogéné
correspondant, d'envisager un mécanisme SN1. On notera dans ce cas une double stabilisation par
mésomérie.
3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
� Mécanisme SN1: 2 temps
� formation d’un carbocation
� fixation de l’alcoolate sur le carbocation
C
O
C
X
CO
CC + X
hybridation en sp2
C alcoolate
50 %
50 %
Afin d'appréhender les conséquences d'un tel mécanisme dans le domaine de la stéréochimie, il est
nécessaire d'envisager la géométrie des carbocations. Les carbocations sont hybridés en sp2, ce qui leur
confère une géométrie similaire à celle des carbones impliqués dans une double liaison. On peut donc
représenter un carbocation de la manière suivante, pour laquelle l'orbitale p non hybridée se situe dans le plan
de l'écran, qui est symbolisé en vert. On peut alors définir un plan, représenté en orange, qui est
perpendiculaire au précédent et donc à l'écran et dans lequel s'inscrivent les trois orbitales hybrides
responsables des trois liaisons sigma représentées en noir. L'alcoolate peut réagir soit par le dessus, soit par
le dessous. Comme il n'y a à priori aucun élément distinguant une face par rapport à l'autre, la répartition de
l'addition est totalement équitable entre ces deux faces.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
44
CCH2CH3
H3C
Br
C CH2CH3
H3C
SBr
OCH3Na
CCH2CH3
H3C
OCH3
SC
CH2CH3
CH3
OCH3
R
+énantiomère (R)H3CONa + NaBr
3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
� Mécanisme SN1: 2 temps
� formation d’un carbocation
� fixation de l’alcoolate sur le carbocation
� stéréochimie : absence de sélectivité� exemple
mélange racémique
En conséquence, on constate une absence de sélectivité lors de cette étape qui peut avoir une
répercussion au niveau stéréochimique. Illustrons cet aspect grâce à une application concrète. Si on imagine à
partir du dérivé bromé présenté, dont la configuration absolue est S, la structure du carbocation qui pourrait se
former par perte de bromure, on constate qu'on accède à un carbocation stable puisque tertiaire et stabilisé
par conjugaison. Nous aurons donc bien ici un mécanisme SN1. Si on fait réagir le méthanolate de sodium sur
ce carbocation, la géométrie de ce dernier impliquera la formation des deux énantiomères de l'éther en
proportions égales, soit la définition même d'un mélange racémique. La même réaction, envisagée à partir de
l'énantiomère R du dérivé bromé de départ, conduirait exactement au même résultat, confirmant ainsi
l'absence de sélectivité.
3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
� Mécanisme SN2: 1 temps
� rupture et formation de liaisons simultanées (= mécanisme concerté)
� pas de passage par un carbocation
C
O
C
XC
O
C
X
C
C
O + X
H2CC HC
C
C
X Xou
Inversion géométrique = inversion de Walden
Etudions à présent le deuxième mécanisme possible de cette réaction de substitution nucléophile, à
savoir le mécanisme SN2. Contrairement au mécanisme SN1, le mécanisme SN2 ne comporte qu'un seul
temps, c'est à dire que la rupture de la liaison halogène-carbone et la formation de la liaison oxygène-carbone
sont simultanées. On parle également dans ce cas de mécanisme concerté. Ce mécanisme est expliqué par le
passage par un état de transition dans lequel les trois liaisons sigma, représentées en noir, de l'atome de
carbone halogéné se retrouve dans un plan, représenté ici en orange, perpendiculaire au plan de l'écran qui lui
est symbolisé en vert. Cet état de transition évolue ensuite vers la formation finale de l'éther, accompagnée de
la libération de l'halogénure. Il est très important de noter que globalement ce mécanisme produit une
inversion géométrique ou inversion de Walden, au niveau de l'atome de carbone initialement halogéné. D'autre
part, contrairement au mécanisme SN1, il ne se forme pas de carbocation intermédiaire. Ce type de
mécanisme ne concernera donc que les dérivés halogénés ne pouvant pas conduire à un carbocation, c'est à
dire les composés mono ou dialkylés au niveau du carbone halogéné et dans tous les cas non conjugués.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
45
3. Réactivité 3.3. Formation d’éthers par réaction de Williamson
� Mécanisme SN2: 1 temps
� rupture et formation de liaisons simultanées (= mécanisme concerté)
� pas de passage par un carbocation
� stéréochimie : spécificité
� exemple
CC H 2C H 3
HH 3C
B r
R
H 3C O N aC
C H 2C H 3
HH 3C
O C H 3
S+ N aB r
énan tiom ère (S )H 3C O N a + N aB rC
C H 2C H 3H
H 3C
O C H 3
R
�Remarque : lorsqu’un thiol est utilisé à la place d’un alcool dans une réaction de Williamson, le composé obtenu est un thioéther
Dans le domaine de la stéréochimie, ce mécanisme se traduit par un caractère de spécificité, illustré
dans l'exemple suivant. Si le dérivé bromé présenté, de configuration absolue R est traité par le méthanolate
de sodium, seul l'énantiomère S de l'éther sera obtenu à la suite de la réaction de substitution nucléophile. Si
on envisage alors la même réaction mais appliquée à l'énantiomère S du produit de départ, c'est cette fois
uniquement l'énantiomère R de l'éther qui sera obtenu, illustrant ainsi la spécificité du mécanisme SN2. Enfin,
pour en terminer avec la réaction de Williamson, lorsqu'un thiol est utilisé à la place d'un alcool, le composé
obtenu appartient à la famille des thioéthers.
3. Réactivité 3.4. Formation d’alcènes par déshydratation d’un alcool
� Conditions réactionnelles : traitement d’un alcool en milieu acide et à chaud
� Eléments à anticiper :
� Régiochimie : selon la structure de l’alcool de départ
� Stéréochimie :
� si la double liaison envisagée peut présenter une configuration Z ou E
� mécanisme réactionnel : 2 types différents existent (E1 et E2)
C
O H
C
HH 2 S O 4 , ∆∆∆∆
CC + H 2O
réaction d’élimination (E)
C C
OH
H
C
H
H
HH2SO4, ∆∆∆∆
CCCH
H
H
H- H2OCH3
H
CH3
CH3
CH3
CCCH3
CH3
H3C
H+
majoritaireminoritaire
Règle de Zaïtsev
Abordons à présent la réaction de déshydratation des alcools qui permet d'accéder facilement aux alcènes
à la suite de la perte d’une molécule d’eau. Cette réaction appartient à la catégorie des réactions d'élimination, qui
sont caractérisées par le fait qu'on retranche des atomes à une molécule sans en ajouter aucun. Ces réactions de
déshydratation sont réalisées habituellement en présence d’acide sulfurique et à chaud. Lors de leur mise en œuvre,
elles peuvent, selon la structure de l'alcool utilisé, conduire à se poser des questions dans deux domaines, dont le
premier à envisager est celui de la régiochimie. Prenons par exemple le cas du 3-méthylbutan-2-ol. Une première
possibilité d’élimination peut être envisagée, conduisant au 3-méthylbut-1-ène. Mais une autre élimination est
possible, qui mènera elle, au 2-méthylbut-2-ène, isomère du 3-méthylbut-1-ène. Différentes questions se posent donc,
en relation avec la régiochimie : si on réalise concrètement la réaction, les 2 alcènes vont-ils être récupérés ? Et si oui,
dans quelles proportions ? Enfin, sommes-nous capables de répondre par anticipation à ces deux questions ? Grâce
à l'application d'une règle, connue sous le nom de la règle de Zaïtsev, cela nous est partiellement possible. Cette
règle veut que lorsque plusieurs alcènes isomères se forment lors d'une réaction, celui qui possède la double liaison
la plus substituée sera majoritaire et les autres minoritaires. Par contre, cette règle ne permet pas de prédire avec
précision dans quelles proportions seront obtenus les différents isomères. Pour accéder à cette information, il sera
nécessaire de réaliser concrètement la réaction puis d'effectuer un dosage précis du mélange récupéré. Dans le cas
qui nous intéresse, l'application de cette règle nous permet de prédire que le 2-méthylbut-2-ène sera l'alcène
majoritairement formé et le 3-méthylbut-1-ène le minoritaire. Le deuxième domaine susceptible de poser des
questions à résoudre est celui de la stéréochimie. En effet si, à la suite de la réaction d'élimination, la double liaison
formée peut présenter une configuration Z ou E, sommes-nous, là aussi, capables de prédire le résultat ? Encore une
fois, nous disposons d'éléments permettant de répondre en partie à cette interrogation, mais il nous faut alors aborder
plus en détail le mécanisme de ces réactions de déshydratation, qui peut être de deux types différents, appelés E1 et
E2.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
46
+ H2O
C C
OH
H
H
HH3C
HR
C C
OH2
H
H
HH3C
C CH
H
HH3C
C CH
H
H3CH
- H- H
C CH
H3C
HC C
H
H
H3C
+Z E
énantiomère (S)
3. Réactivité 3.4. Formation d’alcènes par déshydratation d’un alcool
� Mécanisme E1: concerne tous les alcools sauf ceux de structure
� 2 temps
�formation d’un carbocation
�élimination d’un proton
HC CH2OH
Le mécanisme E1 est le plus largement répandu puisqu'il concerne tous les alcools à l'exception des
alcools primaires répondant à la structure générale présentée à l'écran. Ce mécanisme E1 est caractérisé par
un déroulement en deux temps. Le premier de ces temps consiste en la formation d'un carbocation, que nous
aborderons à partir du 1-phénylpropan-1-ol de configuration absolue R. Cet alcool, en milieu acide va subir
une protonation, en relation avec le caractère basique de l'atome d'oxygène. C'est ensuite cette forme
protonée qui, par perte d'une molécule d'eau conduit à l'apparition du carbocation, qui est suffisamment stable
pour se former car il est conjugué. Vient ensuite le deuxième temps du mécanisme E1, l'élimination d'un atome
d'hydrogène sous la forme d'un proton H+ et la formation simultanée de la double liaison. Dans l'exemple
choisi, comme seul le carbone lié au carbocation est porteur d'atomes d'hydrogène, le problème de la
régiochimie ne se pose pas lors de cette phase. Par contre, ce même carbone comportant deux hydrogènes,
différentiés ici par leur couleur, le problème de la stéréochimie est à considérer. Il est, d'autre part, important
de noter que ce deuxième temps ne peut se mettre en place qu’à partir de conformations particulières dans
lesquelles l’atome d'hydrogène qui va être éliminé doit impérativement se trouver dans le même plan que
l’orbitale p du carbone du carbocation. Ceci étant bien le cas dans la représentation à l’écran, il est donc
possible d'envisager l'élimination de l'hydrogène en rose, pour aboutir à l'alcène de configuration E. Mais,
sachant qu'il existe une libre rotation au niveau de la liaison entre les deux atomes de carbone qui nous
intéressent, on peut accéder à une autre conformation favorable à l'élimination d'un proton, mais qui
concernera cette fois l'hydrogène en orange. Un deuxième alcène, diastéréoisomère du précédent, sera alors
obtenu. On peut ainsi globalement prédire la formation de ces deux alcènes, mais là encore seule la mise en
œuvre concrète de la réaction puis l'analyse de son résultat permettrait d'en préciser les proportions.
Concernant l'aspect stéréochimique de ce mécanisme E1, il apparaît en résumé qu'une nouvelle fois le fait de
passer par un carbocation conduise à une absence de spécificité, c'est-à-dire qu’un résultat identique serait
obtenu à partir de l’autre configuration absolue de l’alcool de départ.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
47
C C
OH
HH
H3CH
HS
C C
OH2
HH
H3CH
C C
OH2
HH
H
H3C
C CH2H3C
+ H2O- H
énantiomère (R)
3. Réactivité 3.4. Formation d’alcènes par déshydratation d’un alcool
� Mécanisme E2: concerne uniquement les alcools de structure
� mécanisme concerté (pas de passage par un carbocation)
HC CH2OH
Le mécanisme E2 n'est applicable qu'à peu d'alcools puisque cela se limite à ceux correspondant à
la structure présentée. Comme dans le cas du mécanisme SN2, le mécanisme E2 est concerté et ne passe
donc pas par la formation d'un carbocation. Nous prendrons comme exemple le cas du 2-phénylpropan-1-ol,
avec un carbone asymétrique de configuration absolue S. Si on s’intéresse pour commencer à la régiochimie,
on constate qu’il n’y a qu’une seule possibilité de formation de la double liaison, donc pas de problème de
régiochimie à envisager. La première phase du mécanisme E2 est identique à celle du mécanisme E1
puisqu'elle consiste en la protonation de l’atome d’oxygène, ce qui conduit donc là aussi à la forme protonée
de l’alcool. A partir de cette dernière, l’évolution vers la formation d’un carbocation est à exclure. Le processus
concerté est alors à envisager, mais en tenant compte d'une contrainte stéréoélectronique incontournable : le
mécanisme concerté ne peut se mettre en place que lorsque la liaison carbone-oxygène est en anti par rapport
à l’atome d’hydrogène qui va être éliminé. Or, ceci n’est pas le cas dans la conformation à l’écran. En
conséquence, un changement de conformation est au préalable nécessaire grâce à une rotation autour de
l’axe de la liaison entre les deux atomes de carbone qui nous intéressent. La nouvelle conformation ainsi
obtenue est alors favorable au déroulement du processus concerté, qui consiste simultanément en l'élimination
d'un proton et d'une molécule d'eau et la formation de la double liaison carbone-carbone. L'unique alcène qui
en résulte est le 2-phénylprop-1-ène, qui ne peut pas présenter de stéréochimie. Pour cette raison, un résultat
identique serait obtenu à partir de l'isomère R de l'alcool de départ.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
48
G. Amines
Année 2011-2012
1. Structure et propriétés physicochimiques2. Nomenclature3. Réactivité
3.1. Relations structure-réactivité
3.2. Formation d’ammoniums par réaction avec HCl3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones
3.4. Formation d’amides par réaction avec les anhydrides d’acide
3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
Cette partie du cours est consacrée aux amines. A la suite de la présentation de cette famille de
composés ainsi que de quelques unes de leurs propriétés physicochimiques, nous aborderons leur
nomenclature. La partie la plus conséquente sera ensuite consacrée à leur réactivité, avec la présentation de
quelques réactions importantes les concernant.
aN
bc
aNb
c
1. Structure et propriétés physicochimiques
� Dérivés de l’ammoniac (NH3), avec un ou plusieurs H remplacés par un C
� Seules la méthanamine (H3CNH2), la N-méthylméthanamine (H3C)2NH) et l’éthanamine (H5C2NH2), sont des gaz, les autres amines étant des liquides ou des solides à pression et température ordinaires.
A NA
AA = H ou C
� Solubilité dans l’eau décroit rapidement avec l’augmentation de la masse moléculaire (liaisons H plus faibles que chez les alcools)
� Géométrie :
� Amines: groupement fonctionnel amino directement lié à un ou plusieurs carbone
Les amines sont caractérisées par la présence d’un groupement fonctionnel amino directement lié à
un ou plusieurs atomes de carbone. Elles peuvent être ainsi considérées comme des dérivés de l'ammoniac
pour lequel un ou plusieurs atomes d'hydrogène sont remplacés par un atome de carbone. Seules la
méthanamine, la N-méthylméthanamine et l'éthanamine sont des gaz à pression et température ordinaires.
Toutes les autres amines sont donc soit des liquides soit des solides dans les mêmes conditions, et cela en
fonction de leur masse moléculaire. La solubilité des amines dans l'eau décroit plus rapidement que chez les
alcools avec l'augmentation de la masse moléculaire. Ce phénomène est du au fait que les liaisons hydrogène
qui peuvent se mettre en place chez les amines sont plus faibles que celles rencontrées chez les alcools. Si on
s'intéresse à la géométrie de l’atome d’azote des amines, on sait que son hybridation en sp3 lui confère une
géométrie tétraédrique. Par comparaison à un atome de carbone asymétrique, l’atome d’azote d’une amine
substitué par trois groupements différents, constitue lui aussi un centre stéréogène, le quatrième groupement
étant constitué par le doublet d’électrons libres présent dans une des orbitales hybrides sp3. Cette orbitale est
ici représentée en vert. Cependant, la comparaison avec un carbone asymétrique s’arrête là. En effet, dans le
cas de telles amines, les deux énantiomères ne sont pas séparables à température ambiante, car ils
s’interconvertissent très rapidement. En conséquence, les deux énantiomères sont constamment présents de
manière équimolaire, c'est à dire en quantité égale et aucune activité optique ne peut donc être associée aux
amines.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
49
2. Nomenclature
� Classification : les amines subdivisées en 3 classes en fonction du nombre de R lié à N
1 substituant primaire = IaireR NH
H
2 substituants secondaire = IIaireR NR
H
3 substituants tertiaire = IIIaireR NR
R
� Amines Iaires : mêmes règles de nomenclature que pour les alcools mais avec le suffixe amine à la place de ol
� Exemples :
H3C NH2
méthanamine éthanamine
H3C CH2 NH2 CH2 CH2 NH2H3C
propan-1-amine
CH CH3H3C
propan-2-amine
NH2
123 123
123
45
1
2
3
4-méthylhexan-3-amine
45
6
2-éthyl-4-méthylpentan-1-amine
NH2
NH2
Concernant à présent la nomenclature, il est tout d'abord important de savoir que les amines sont
réparties dans trois classes selon le degré de substitution de l'atome d'azote. Si l'azote est substitué par un
seul groupement carboné, l'amine correspondante est primaire. Lorsque deux groupements carbonés sont
présents, l'amine est secondaire. Enfin, avec trois groupements carbonés, l'amine considérée est tertiaire. La
nomenclature des amines primaires suit les règles qui ont été décrites pour les alcools, à la différence près
que le suffixe amine y remplace le suffixe ol. Voici différents exemples en commençant par la plus simple des
amines primaires, la méthanamine. Vient ensuite l'éthanamine puis les deux isomères possibles de la
propanamine, la propan-1-amine et la propan-2-amine. Pour ces deux composés, l'indice attribué est bien
entendu déterminé par la position du groupement fonctionnel au niveau de la chaîne carbonée. Les deux
derniers exemples proposés sont plus complexes. Dans celui de gauche, la chaîne carbonée la plus longue
incluant l'atome de carbone azoté compte cinq atomes de carbone et l'indice 1 peut être attribué au carbone
azoté. Ce composé appartient donc à la famille des pentan-1-amines. Les substituants présents sont un
groupe méthyle et un groupe éthyle, respectivement liés au carbone numéro 4 et 2. Nous sommes donc en
présence de la 2-éthyl-4-méthylpentan-1-amine. Dans le dernier exemple, la chaîne carbonée la plus longue
incluant l'atome de carbone azoté compte cette fois six atomes de carbone et l'indice 3 peut être attribué au
carbone azoté. Un seul substituant méthyle est présent en position 4. Il s'agit donc de la 4-méthylhexan-3-
amine.
2. Nomenclature
� Amines IIaires et IIIaires :
� choisir la chaîne carbonée la plus longue liée à N = racine du nom
� numéroter cette chaîne de telle sorte que le C relié à N ait le plus petit indice possible
� considérer les autres chaînes liées à N comme des substituants et les classer par ordre alphabétique en les faisant précéder de N- (pour préciser qu’ils sont bien reliés à N)
N-méthylméthanamine(diméthylamine)
H3C NH CH3 N(CH3)3
N,N-diméthylméthanamine(triméthylamine)
CH2 CH2 CH3N
H3C
H3C CH2
N-éthyl N-méthylpropan-1-amine
N-éthyl-4-méthylpentan-2-amine
1
2 3 4 5
N-éthyl N-méthylbutan-2-amine
1
234
NHN
La nomenclature des amines secondaires et tertiaires est un peu plus compliquée, et il est
nécessaire d'appliquer les règles suivantes : pour commencer, il faut choisir la chaîne carbonée la plus longue
liée à l'atome d'azote. C'est cette chaîne qui servira de racine du nom. Cette chaîne doit ensuite être
numérotée de manière à ce que le carbone azoté soit affecté du plus petit indice possible. Enfin, les autres
chaînes carbonées liées à l'atome d'azote seront considérées comme des substituants. A ce titre, elles devront
être classées par ordre alphabétique. Pour finir, elles seront précédées de N-, pour bien préciser qu'elles sont
directement liées à l'atome d'azote. Voici quelques exemples d'application de ces règles, en commençant par
la plus simple des amines secondaires, la N-méthylméthanamine, que l'on appelle également diméthylamine.
La plus simple des amines tertiaires est quant à elle la N,N-diméthylméthanamine ou triméthylamine. Dans
l'exemple qui suit, parmi les trois chaînes alkyles liées à l'atome d'azote, la plus longue comporte trois
carbones. Ce composé appartient donc à la famille des propanamines. Les deux autres chaînes alkyles étant
un groupement méthyle et un groupement éthyle, la nomenclature de ce composé sera donc : N-éthyl N-
méthylpropan-1-amine. Concernant les deux derniers exemples, dans celui de gauche, la chaîne carbonée la
plus longue reliée à l'atome d'azote comporte cinq carbones, avec l'azote en position 2 et un groupement
méthyle en 4. La deuxième chaîne sur l'azote étant constituée par un groupement éthyle, il s'agit au final de la
N-éthyl-4-méthylpentan-2-amine. Enfin, en appliquant les mêmes règles, le dernier exemple sera nommé N-
éthyl N-méthylbutan-2-amine.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
50
3. Réactivité 3.1. Relations structure-réactivité
� En relation avec la présence d’un doublet d’électrons libres sur N
A électrophiles
C N
ammoniums
alcools
N
proton (H+) N H
CN
C CN
ènamines
C OH
imines
N
N Onitrosoamines
Avant d’aborder de façon concrète les réactions applicables aux amines, étudions tout d’abord la
structure de ces composés afin d’en prédire la réactivité. Le premier élément important à noter est la présence
du doublet libre au niveau de l’atome d’azote. Celui-ci va conférer aux amines des propriétés basiques,
propriétés qui se manifesteront vis à vis du proton H+ et qui permettent d'accéder aux ammoniums. Ce même
doublet libre confère également aux amines un caractère nucléophile, qui peut alors être utilisé dans des
réactions envers des atomes électrophiles, comme par exemple un atome de carbone électrophile. Nous
détaillerons ainsi une voie d'accès aux imines et également aux ènamines. Mais ce caractère nucléophile peut
également être mis en oeuvre vis à vis d'un atome d'azote électrophile. Dans ce domaine, nous aborderons
l'accès aux alcools et aux nitrosoamines.
3. Réactivité 3.2. Formation d’ammoniums par réaction avec HCl
���� Obtention de sels très souvent solubles dans l’eau (donc très utile quand un principe actif comporte une fonction amine)
���� Réaction avec un acide, le plus communément utilisé étant l’acide chlorhydrique (HCl). Dans cecas les sels obtenus sont appelés chlorures d’ammonium ou chlorhydrates d’amine.
N
H Cl
N HCl
Na OH
- H2O
���� Processus réversible par traitement de l’ammonium par une base (le plus souvent l’hydroxyde desodium (NaOH)).
Le premier domaine de réactivité que nous détaillerons concerne le caractère basique de l’atome
d’azote des amines, qui se manifeste vis-à-vis du proton. L’atome d’azote s’accommode plus facilement d’une
charge positive que l'atome d'oxygène. En conséquence, les composés issus d’une protonation de l’atome
d’azote des amines sont stables et isolables, contrairement aux formes protonées des alcools et des thiols.
Ces composés sont appelés ammoniums et ils constituent des sels qui sont souvent solubles dans l’eau. Cette
propriété est d'ailleurs très utile au niveau des médicaments, car les nombreux principes actifs possédant une
fonction amine pourront alors être, pour la plupart, administrés sous la forme d’ammoniums. Le principe
d’obtention de ces ammoniums est basé sur la réaction entre une amine et un acide, l'acide le plus
communément utilisé étant l'acide chlorhydrique HCl. Dans ce cas, les sels obtenus sont alors appelés
chlorures d'ammonium ou chlorhydrates d'amine. La réaction mise en jeu est une réaction acide-base où le
doublet libre de l'atome d'azote de l'amine vient capter le proton H+. Il est important de noter que la réaction
inverse est facilement réalisable, par traitement de l’ammonium obtenu en présence d’une base, comme par
exemple l’hydroxyde de sodium. Une réaction acide-base se met alors à nouveau en place, conduisant à la
régénération de l’amine.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
51
3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones
���� Conditions réactionnelles: amine Iaire + aldéhyde ou cétone imine + eauH+ cat.
� Mécanisme : 2 temps
� formation d’un aminoalcool
� déshydratation entre N et C
NR C
R2
R1
N
R
H
H
C O
R2
R1N
R
H
H
C O
R2
R1
N
R
H
C OH
R2
R1
N
R
H
C O
R2
R1
H
H- H2O
- H
H
N
R
H
C
R2
R1
aldéhydes : R1=R2=H ou R1≠H, R2=Hcétones : R1 et R2≠H
Continuons à présent avec la réactivité lié au caractère nucléophile de l’atome d’azote des amines,
en nous intéressant tout d'abord aux réactions, réalisées sous catalyse acide, vis-à-vis des aldéhydes et des
cétones, qui constituent des familles de composés sur lesquelles nous reviendrons en détail lors du prochain
chapitre de ce cours. Le résultat obtenu dans le cadre de ces réactions est dépendant de la classe de l’amine
mise en œuvre. Lorsque cette amine est primaire, le produit final est une imine et la réaction s'accompagne de
la libération d'une molécule d'eau. L’obtention de cette dernière se fait par un mécanisme réactionnel en deux
temps principaux. Le premier de ces temps aboutit à la formation d’un aminoalcool. Au contact d’un aldéhyde
ou d’une cétone, la nucléophilie de l’atome d’azote de l’amine se traduit par une addition nucléophile sur le
carbone électrophile de l'aldéhyde ou de la cétone utilisé. Ce processus conduit à un premier intermédiaire
présentant une charge négative sur un atome d’oxygène et une charge positive sur un atome d’azote. Il
s’ensuit une réaction acide-base très rapide qui aboutit à la formation de l’aminoalcool. A partir de cet
aminoalcool le deuxième temps du mécanisme réactionnel se met en place, qui consiste en une
déshydratation globale entre un atome d’azote et un atome de carbone. C’est pour enclencher cette deuxième
phase du mécanisme que la catalyse acide est nécessaire, car elle débute par une protonation du groupement
hydroxyle, ce qui a pour conséquence l’obtention de la forme protonée d’un groupement hydroxyle. L'étape
suivante est l’élimination d’une molécule d’eau avec formation simultanée d’une double liaison azote-carbone.
On accède ainsi à la forme protonée d’une imine, la dernière étape du processus consistant en la
déprotonation de celle-ci pour conduire à l’imine elle-même. On peut constater au passage que la catalyse
acide est suffisante, car du point de vue du bilan global, on voit que le proton est juste utilisé lors du
mécanisme, mais non consommé.
���� Conditions réactionnelles: amine IIaire + aldéhyde ou cétone ènamine + eauH+ cat.
� Mécanisme : 2 temps
� formation d’un aminoalcool� déshydratation entre 2 C
N
R
R'
H
C O
R2
R1N
R
R'
H
C O
R2
R1
N
R
R'
C OH
R2
R1
H
N
R
R'
C O
R2
C
H
HH- H2O, - H
N
R
R'
C
R2
C
3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones
Lorsque les mêmes conditions réactionnelles sont appliquées à une amine secondaire, on constate
toujours l’obtention d'une molécule d'eau mais cette fois accompagnée d’une énamine, c'est-à-dire un
composé comportant dans sa structure une double liaison carbone-carbone substituée par un groupement
amino. Le mécanisme de formation de cette énamine se décompose également en deux temps principaux. Le
premier de ces temps est tout à fait identique à celui décrit à partir des amines primaires, à savoir l’apparition
d’un aminoalcool. L'évolution de cet aminoalcool est par contre différente car il n'y a plus d'atome d'hydrogène
au niveau de l'atome d'azote. En conséquence une déshydratation va bien avoir lieu mais cette fois entre deux
atomes de carbone. A la suite de la protonation de l’hydroxyle, la réaction d’élimination met en jeu un
hydrogène porté par un carbone voisin de celui lié à l’atome d’oxygène, pour conduire finalement à l'énamine.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
52
���� Conditions réactionnelles: amine IIaire + aldéhyde ou cétone ènamine + eauH+ cat.
3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’ènamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones3. Réactivité 3.3. Formation d’imines ou d’énamines par réaction avec les aldéhydes ou les cétones
���� Conditions réactionnelles: amine Iaire + aldéhyde ou cétone imine + eauH+ cat.
- H2O (éliminée)
H5C2
NH
H3C
+ propanoneHCl cat.
N CCH3
CH3
H5C2H5C2NH2
+ 2-méthylpropanal- H2O (éliminée)
HCl cat. C
CCH3H3C
HN
H5C2
H3C
���� Exemples :
Voici deux exemples illustrant pour le premier l'accès à une imine et pour le second l'obtention d'une
énamine.
3. Réactivité 3.4. Formation d’amides par réaction avec les anhydrides d’acide
� Bilan: amine + anhydride d’acide amide + acide carboxylique
� Mécanisme : 2 temps
� addition nucléophile (AN)
� élimination
N
R
R'
H
C O
R1
C O
R1
O
N
R
R' C O
O
R1
C O
R1
H
N
RR'
C O
R1
H O
C O
R1
+
N
R
R' C O
R1
HO
C O
R1
+
Les amines réagissent également avec les anhydrides d’acide. Cette réaction conduit à l'obtention
d'un mélange constitué d'un amide et d'un acide carboxylique, et nécessite la présence d’au moins un atome
d’hydrogène au niveau de l'atome d’azote de l’amine utilisée. En conséquence, cette réaction n'est applicable
qu'aux amines primaires et secondaires. Le mécanisme se décline globalement en 2 temps. Dans un premier
temps, une addition nucléophile de l'amine se produit sur un des carbones électrophiles de l'anhydride d'acide.
L'intermédiaire ainsi obtenu subit ensuite, dans un deuxième temps, une très rapide réaction d'élimination avec
la formation et la rupture simultanée d'une liaison carbone-oxygène. La forme protonée d’un amide apparaît
ainsi qu'un carboxylate. L'ultime étape du mécanisme consiste alors en un échange de proton entre ces deux
intermédiaires grâce à une réaction acide-base.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
53
3. Réactivité 3.4. Formation d’amides par réaction avec les anhydrides d’acide
� Bilan: amine + anhydride d’acide amide + acide carboxylique
���� Exemples :
H5C2
NH
H3C
+ O(COC6H5)2H5C2NH2 C OHO
H5C6
C OH5C6
NH
H5C2
+
+ O(COCH3)2 C OHO
H3CC O
H3C
NH3C
H5C2
+
Voici deux exemples illustrant concrètement le potentiel de cette réaction. Dans le premier exemple
une amine primaire réagit avec l'anhydride benzoïque, tandis que dans le deuxième exemple une amine
secondaire est utilisée vis à vis de l'anhydride acétique.
3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium
� Bilan: amine Iaire alcool
� Mécanisme :
� formation du cation nitrosonium (+NO) :
NaNO2/HCl, H2O, 0°C
HO N O + NaClH Cl
H2ON OCl
acide nitreuxO N ONa
H ClH2O N O
Cl
+
Les amines peuvent réagir sur d’autres atomes à caractère électrophile que le carbone, comme par
exemple l'azote électrophile du cation nitrosonium, ce dernier étant obtenu in situ à partir du nitrite de sodium
traité en milieu acide aqueux à 0°C. Ce cation conduit, par réaction avec les amines primaires, à la formation
d'alcools. La première étape de cette transformation est l'apparition du cation nitrosonium lui-même dans les
conditions réactionnelles appliquées. Celle-ci débute par une protonation du nitrite, grâce au milieu acide, qui
conduit ainsi à l'acide nitreux. Le groupement hydroxyle de cet acide nitreux se protone alors à son tour, puis
par élimination d'une molécule d'eau, le cation nitrosonium est formé.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
54
� Bilan: amine Iaire alcool
� Mécanisme :
� formation du cation nitrosonium (+NO)
� obtention d’un sel de diazonium (réaction de diazotation)
NaNO2/HCl, H2O, 0°C
- H2O
N
R
H
HN OCl
N
R
H
H
N O
Cl
HClN
R
H
N O
NR N OHHCl
NR NNR N Cl
tautomérie
mésomérie
+
nitrosoamine
3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium
+ -
Une fois le cation nitrosonium apparu dans le milieu réactionnel et à la suite de sa réaction avec
l'amine primaire, un sel de diazonium va se former. Cette réaction est connue sous le nom de réaction de
diazotation. Le mécanisme en est le suivant. L'atome d'azote nucléophile de l'amine vient tout d'abord
s'additionner sur l'azote électrophile du cation nitrosonium. L'intermédiaire ainsi formé perd ensuite
spontanément un proton pour conduire à un composé de la famille des nitrosoamines. Cette nitrosoamine est
en fait en équilibre avec un tautomère qui, après protonation de son groupement hydroxyle, élimine une
molécule d'eau. Cette dernière élimination étant irréversible, l'équilibre tautomère précédent est constamment
déplacé jusqu'à une disparition complète de la nitrosoamine intermédiaire. A partir de la forme utilisée à l’écran
pour décrire le sel de diazonium ainsi obtenu, on peut accéder à une deuxième forme limite.
� Bilan: amine Iaire alcool
� Mécanisme :
� formation du cation nitrosonium (+NO)
� obtention d’un sel de diazonium (réaction de diazotation)
�hydrolyse
NaNO2/HCl, H2O, 0°C
NC N Cl
extrêmement instable
- N2C OHC HCl+
H2O
carbocation
3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium
désamination nitreuse
-Cl-
L'évolution des sels de diazonium consiste en une hydrolyse. En effet, lorsque le substituant porté
par l’atome d’azote de l’amine primaire de départ est un groupement alkyle, les sels de diazonium
correspondant sont extrêmement instables. Ils se décomposent alors spontanément par élimination d’une
molécule de diazote, pour générer in situ des carbocations. Il est important de noter à ce niveau que, à cause
de l'instabilité des sels de diazonium, l'apparition du carbocation dans le milieu réactionnel n'est pas ici
fonction de sa stabilité. Quel que soit son degré de stabilité il se formera. Par la suite, ce carbocation subit
l'addition du nucléophile présent dans le milieu réactionnel en abondance, à savoir l’eau. La forme protonée
d’un alcool qui résulte de cette addition perd alors rapidement un proton pour conduire au final à un alcool.
Cette transformation globale d'une amine primaire en l'alcool correspondant est connue sous le nom de
désamination nitreuse.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
55
� Bilan: amine IIaire nitrosoamine
� Mécanisme :
� formation du cation nitrosonium (+NO)
� obtention de la nitrosoamine
NaNO2/HCl, H2O, 0°C
N
R
H
R'N OCl
N
R
R'
H
N O
Cl
HClN
R
R'
N O +
3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium
� Bilan: amine Iaire alcoolNaNO2/HCl, H2O, 0°C
Dans les mêmes conditions réactionnelles, les amines secondaires conduisent quant à elles à des
nitrosoamines. En effet, à la suite de la formation du cation nitrosonium, l'amine réagit de manière tout à fait
similaire à ce qui vient d'être abordé dans le cas des amines primaires. Par contre, une fois la nitrosoamine
formée, aucune tautomérie n’est alors envisageable à partir de celle-ci, et elle constitue donc le produit final de
la réaction.
� Bilan: amine IIaire nitrosoamineNaNO2/HCl, H2O, 0°C
3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium3. Réactivité 3.5. Formation d’alcools ou de nitrosoamines par réaction avec le cation nitrosonium
� Bilan: amine Iaire alcoolNaNO2/HCl, H2O, 0°C
���� Exemples :
H5C2
NH
H3C
H5C2NH2
NaNO2/HCl, H2O, 0°CH5C2OH
NaNO2/HCl, H2O, 0°CH5C2
N
H3C
NO
En application des réactions qui viennent d'être décrites, voici l'exemple de la transformation de
l'éthanamine en éthanol et celle de la N-méthyléthanamine en nitrosoamine correspondante.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
56
H. Aldéhydes et cétones
Année 2011-2012
1. Structure et propriétés physicochimiques2. Nomenclature3. Réactivité
3.1. Relations structure-réactivité
3.2. Formation de cyanhydrines par réaction avec l’anion cyanure3.3. Formation d’acétals ou de cétals par réaction avec les alcools
3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique3.5. Formation d’acides carboxyliques par oxydation des aldéhydes
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
Cette partie du cours est consacrée à deux familles de produits qui possèdent des propriétés
relativement proches, les aldéhydes et les cétones. A la suite de la présentation de ces composés ainsi que de
quelques unes de leurs propriétés physico-chimiques, nous aborderons leur nomenclature. La partie la plus
importante sera une nouvelle fois consacrée à leur réactivité.
1. Structure et propriétés physicochimiques
�Sont tous des liquides ou des solides à pression et température ordinaires.
� Solubilité dans l’eau décroit rapidement avec l’augmentation de la masse moléculaire (liaisons H plus faibles que chez les alcools)
� Géométrie :
C O
R2
R1
aldéhydes : R1=R2=H ou R1≠H, R2=Hcétones : R1 et R2≠H
groupement carbonyle
C O
R2
R1
C OR2
R1
� Tautomérie : équilibre céto-énolique
C OH
C
C O
C
Hcomposés énolisables énol
� Aldéhydes et cétones : dérivés monooxygénés à groupement fonctionnel oxo : O doublement lié à un C
Les aldéhydes et les cétones sont caractérisés par la présence d’un groupement fonctionnel oxo
constitué par un atome de carbone et un atome d'oxygène doublement lié. Ce même carbone est par ailleurs
lié à deux atomes d'hydrogène ou à un atome d'hydrogène et un groupement carboné dans le cas des
aldéhydes. Il est lié à deux groupements carbonés dans le cas des cétones. Notons que le groupement
fonctionnel C=O est également appelé très communément groupement carbonyle. De la même manière que
les doubles liaisons carbone-carbone, la double liaison carbone-oxygène est représentée le plus couramment
selon deux manières différentes en relation avec la géométrie du groupement carbonyle. Dans le premier type
de représentation, les groupements R1 et R2 se situent dans le plan représenté en vert et donc dans le plan de
l'écran. Dans le deuxième type de représentation, les groupements R1 et R2 se situent cette fois dans un plan,
représenté en orange, perpendiculaire à celui de l'écran. C'est cette dernière représentation, plus pratique, qui
est le plus souvent utilisée lors de la description des mécanismes réactionnels. Dans le domaine de la
tautomérie, rappelons ce qui a été déjà vu dans le chapitre C, à savoir que les aldéhydes et les cétones, dès
lors qu'il existe au moins un atome d'hydrogène sur un carbone directement lié au carbone du carbonyle,
conduisent à la mise en place d'équilibres tautomères appelés équilibres céto-énoliques. Les aldéhydes et
cétones impliqués dans de tels équilibres sont qualifiés d'aldéhydes ou cétones énolisables, en relation avec
les structures formées après tautomérie qui sont appelées énols. Ces équilibres sont dans l'immense majorité
des cas très fortement déplacé vers la forme carbonylée. Les aldéhydes et les cétones sont tous des liquides
ou des solides à pression et température ordinaires. Enfin, la solubilité des aldéhydes et cétones dans l'eau
décroit plus rapidement que chez les alcools avec l'augmentation de la masse moléculaire. Ce phénomène est
dû au fait que les liaisons hydrogène qui peuvent se mettre en place chez les aldéhydes et cétones sont plus
faibles que celles rencontrées chez les alcools.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
57
2. Nomenclature
���� Aldéhydes linéaires : nom = racine + al (sans indice de position car forcément -1)
H2C O
méthanal éthanal
H3C C CH2 CHOH3C
propanal
H
O(CH2)2 CHOH3C
butanal
���� Aldéhydes ramifiés : mêmes règles de nomenclature que pour les alcools mais avec le suffixe anal à la place de anol
12
3
2-éthyl-4-méthylpentanal4
5 CHO
���� Cétones linéaires : nom = racine + one
���� Cétones ramifiées : mêmes règles de nomenclature que pour les alcools mais avec le suffixe anone à la place de anol
12
3
3,5-diméthylhexan-2-one4
5
O6
C CH3H3C
propanone(acétone)
C CH2H3C
butan-2-one(butanone)
O
1 2 3
O
CH34
C CH2H3C
pentan-2-one
O
1 2 3CH24
CH35
C C2H5H5C2
O
pentan-3-one
La nomenclature des aldéhydes suit les règles qui ont été décrites pour les alcools, aux différences
près que le suffixe al y remplace le suffixe ol et qu'il n'y a pas d'indice de position de la fonction puisque celle-
ci est forcément terminale. Voici différents exemples d'aldéhydes linéaires en commençant par le plus simple
de tous, le méthanal. Vient ensuite l'éthanal puis le propanal et le butanal. Pour les aldéhydes ramifiés, les
règles habituelles sont appliquées, toujours associées au suffixe al. Dans l'exemple proposé, la chaîne
carbonée la plus longue incluant la fonction aldéhyde comporte cinq carbones et les indices de position des
substituants seront 2 et 4. Nous sommes donc en présence du 2-éthyl-4-méthylpentanal. Concernant la
nomenclature des cétones, les mêmes règles son mises en oeuvre, en utilisant le suffixe one et en précisant
par un indice la position de la fonction. La plus simple des cétones comporte trois carbones avec la fonction
sur le carbone central. Il s'agit donc de la propanone, pour laquelle il n'est pas nécessaire de préciser la
position de la fonction puisqu'il n'y a pas d'autre possibilité dans la famille des cétones. En réalité, ce composé
est bien plus connu sous son nom trivial : l'acétone. La butan-2-one est quant à elle souvent appelée
simplement butanone car il n'y a, là aussi, qu'un seul isomère possible. Cela n'est plus le cas à partir des
cétones linéaires à cinq carbones, comme on peut le constater avec les deux isomères de la pentanone. Les
cétones ramifiées suivent elles aussi les règles habituelles de nomenclature. Ainsi, l'exemple représenté est-il
la 3,5-diméthylhexan-2-one.
3. Réactivité 3.1. Relations structure-réactivité
cyanhydrines
CH
C O
H
nucléophile
C
OH
CN
acétals et cétals
C
OR
OR
δδδδ −−−−δδδδ ++++
base
aldols et cétols
C O
C
C
OH
oxydantC O
HO
acides
carboxyliquesδδδδ ++++
Avant d’aborder de façon concrète les réactions applicables aux aldéhydes et cétones, étudions tout
d’abord la structure de ces composés afin d’en prédire la réactivité. Le premier élément important à noter est la
polarisation de la liaison carbone-oxygène, due à la différence d’électronégativité entre ces deux atomes. Cette
polarisation engendre un déficit électronique au niveau du carbone, le rendant ainsi très sensible à l’addition
des agents nucléophiles. Nous verrons que cette propriété peut être mise à profit avec la description de voies
d'accès aux cyanhydrines ou aux acétals et cétals. L’effet électroattracteur de l’atome d’oxygène se
transmettant de liaison en liaison, il en résulte également que les éventuels atomes d’hydrogène portés par le
ou les carbones liés à celui du carbonyle possèdent un certain caractère acide, et sont donc susceptibles
d’être arrachés par une base. Ce phénomène est utilisé pour la synthèse des aldols et cétols, sur laquelle nous
reviendrons. Enfin, dans le cas des aldéhydes, nous verrons également que des processus d’oxydation sont
envisageables, qui permettent une transformation aisée en acides carboxyliques.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
58
C O
3. Réactivité 3.2. Formation de cyanhydrines par réaction avec l’anion cyanure
K H Cl
H2OC O
C NC
O
CN
K
C
OH
CN
+ KCl
���� Conditions réactionnelles: 1) cyanure de potassium (KCN) 2) hydrolyse en milieu acide (H2O, HCl)
���� Mécanisme :
alcoolate
���� Stéréochimie : absence de sélectivité
cyanure
50 %
50 %
La formation de cyanhydrines nécessite deux étapes successives: un traitement de l'aldéhyde ou de
la cétone par le cyanure de potassium puis une étape d'hydrolyse en milieu acide. Du point de vue
mécanistique, le carbonyle de l’aldéhyde ou de la cétone, au contact de l'anion cyanure, subit une addition
nucléophile pour conduire à un alcoolate. C'est le caractère électrophile du carbone du carbonyle qui est mis
en jeu lors de cette étape. L'alcoolate obtenu est alors traité en milieu acide aqueux, afin de générer, grâce à
une réaction acide-base, la cyanhydrine finale chez laquelle un même atome de carbone est donc substitué à
la fois par un groupement cyano CN et à la fois par un groupement hydroxyle. Dans le domaine
stéréochimique, on constate dans le cadre de ces réactions, une absence de sélectivité. Ce phénomène est dû
à la géométrie du carbonyle que nous avons abordé dans le premier paragraphe de ce chapitre. La réaction
entre le nucléophile, en l'occurrence ici l'anion cyanure et le carbone du carbonyle se fait soit par la face
supérieure du carbonyle, soit par sa face inférieure. Comme il n'y a à priori aucun élément qui distingue une
face par rapport à l'autre, la répartition de l'addition est totalement équitable entre les deux faces. En
conséquence, on observe une absence de sélectivité lors de cette étape qui peut avoir une répercussion au
niveau stéréochimique.
3. Réactivité 3.2. Formation de cyanhydrines par réaction avec l’anion cyanure
K H Cl
H2OC O
C NC
O
CN
K
C
OH
CN
+ KCl
���� Conditions réactionnelles: 1) cyanure de potassium (KCN) 2) hydrolyse en milieu acide (H2O, HCl)
���� Mécanisme :
alcoolate
���� Stéréochimie : absence de sélectivité
C OH
H3C
1) KCN
2) H2O, HClC
CN
OH
H
H3C SC
OH
CN
H
H3C R+
mélanges racémiques
C OH5C6
H3C
1) KCN
2) H2O, HClC
CN
OH
H5C6
H3C RC
OH
CN
H5C6
H3C S+
Illustrons cet aspect grâce à deux exemples concrets. Tout d'abord, l'éthanal, traité selon les
conditions décrites précédemment, conduit à un mélange racémique de cyanhydrines. De même, un mélange
racémique est obtenu à partir de la phényléthanone.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
59
3. Réactivité 3.3. Formation d’acétals ou de cétals par réaction avec les alcools
� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone + alcool acétal ou cétal + H2O
� Mécanisme : 2 temps
� activation du C=O puis addition de ROH
�activation de OH puis addition de ROH
H+ cat.
C OH
C OH R OH
C
OH
O H
R
- H2O- HC
OR
OR
R OH
C OH
mésomérie
C
OH2
OR
C
OR
O H
R
Toujours dans le domaine de la réactivité lié au caractère électrophile de l’atome de carbone du
carbonyle, intéressons-nous à présent aux réactions vis-à-vis des alcools. Le bilan de cette réaction s’établit
ainsi : le composé carbonylé, en présence d’alcool et d’une quantité catalytique de protons, conduit à un
composé portant deux groupements alkoxy sur le même carbone et à la libération d’une molécule d’eau. Selon
la nature du composé carbonylé le composé dialkoxylé qui apparaît porte un nom particulier. Si on travaille à
partir d’un aldéhyde, le composé qui apparaît est appelé acétal tandis que lorsqu’une cétone est employée, on
forme un cétal. A la suite du bilan générale de ces réactions, attardons-nous quelques instants sur leur
mécanisme. Celui-ci se décline en deux temps principaux, le premier étant consacré à une activation du
carbonyle suivie par l’addition d’une première molécule d’alcool. Le carbonyle, au contact d’un proton issu de
la catalyse acide, capte tout d’abord celui-ci grâce à un des doublets libres de l’atome d’oxygène du carbonyle.
Il apparaît ainsi la forme protonée d’un carbonyle. Cette protonation a pour effet d’augmenter
considérablement l’électrophilie du carbone du carbonyle. Ce phénomène est facilement explicable grâce à la
mésomérie, qui permet de mettre en évidence que la charge positive apparaissant à la suite de la protonation
n'est pas centrée sur le seul atome d'oxygène, mais partagée avec l'atome de carbone. L'atome de carbone
est alors suffisamment électrophile pour subir l’addition nucléophile d’une première molécule d’alcool. Cette
addition mène à un intermédiaire qui constitue le produit du premier temps du mécanisme réactionnel. Vient
ensuite le deuxième temps qui consistera en une activation d’un hydroxyle suivie d’une addition d'une
deuxième molécule d’alcool. En effet, à partir de l’intermédiaire précédent une réaction acide-base se met en
place dont le bilan est l’échange d’un proton entre les deux atomes d’oxygène. Il apparaît alors la forme
activée d’une fonction alcool, qui constitue un très bon groupe partant. En présence de la deuxième molécule
d’alcool, une réaction de substitution nucléophile a lieu, aboutissant, d’une part à l’élimination d’une molécule
d’eau et d’autre part à la forme protonée de l’acétal ou du cétal, la dernière étape consistant en une simple
déprotonation. Nous pouvons remarquer sur ce schéma qu’une catalyse acide est bien suffisante, car le proton
capté dans la première étape est restitué au milieu réactionnel lors de l’ultime. On observe également que
l’ensemble de ce processus est équilibré, ce qui veut donc dire que sans conditions réactionnelles particulières
les formes carbonylée et dialkoxylée vont coexistées. Heureusement, il existe des moyens pour forcer
l’équilibre vers cette dernière. Il suffit par exemple de travailler avec un très large excès d’alcool. Pour cette
raison, ces réactions sont souvent réalisées en utilisant l’alcool comme solvant. Une autre méthode consiste à
capter l’eau au fur et à mesure de sa formation en ajoutant dans le milieu réactionnel un agent desséchant qui
capte alors l’eau libérée de manière définitive, déplaçant ainsi l’équilibre vers l’acétal ou le cétal.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
60
3. Réactivité 3.3. Formation d’acétals ou de cétals par réaction avec les alcools
� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone + alcool acétal ou cétal + H2O
� Mécanisme : 2 temps
� Exemples :
H+ cat.
C O
H
H3C
H+ cat., méthanolC
OCH3
OCH3
H
H3Cacétal
C OH5C6
H3CC
H5C6
H3CH+ cat.
CH2O
OCH2
(CH2OH)2
cétal
Voici deux exemples illustrant pour le premier l'accès à un acétal et pour le second l'obtention d'un
cétal cyclique.
3. Réactivité 3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique
� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone énolisable aldol ou cétol
� Mécanisme : 2 temps
� formation d’un énolate
� addition de l’énolate sur le C=O
HO- cat.
C O
C
H
HO C O
C
C O
C
C O
C
O
C
C O
- H2O
- HO
H2OC
OH
C
C O
énolate
mésomérie
Abordons à présent la réaction de condensation aldolique qui conduit, à partir d'un aldéhyde
énolisable à un composé appelé aldol. Lorsque le substrat est une cétone énolisable, le produit obtenu est un
cétol. D’un point de vue pratique, la réaction consiste à traiter le composé cabonylé de départ en présence
d’une quantité catalytique d'une base, le plus souvent l'anion hydroxyde. Le mécanisme de ces réactions
comporte deux temps, dont le premier aboutit à la formation d’un carbanion suite à la déprotonation du
carbone lié au carbonyle sous l'action de la base. Lors de cette étape, c'est le caractère acide des hydrogènes
portés par les carbones liés au carbonyle qui est mis à profit. Si on observe d’un peu plus près la structure du
carbanion obtenue, on s’aperçoit qu’on est en présence d’un système n-sigma-pi et donc que le carbanion est
conjugué avec le carbonyle. Par mésomérie, il devient alors possible d’écrire une nouvelle formule limite, que
l’on appelle énolate et qui constitue un très bon nucléophile. Lors du deuxième temps du mécanisme, cette
forme énolate réagit alors sur une autre molécule de composé carbonylé selon un processus d’addition
nucléophile. Cette addition conduit ainsi à un intermédiaire de type alcoolate. Cet alcoolate, plus basique que
l’anion hydroxyde, réagit rapidement avec une molécule d’eau par une réaction acide-base qui mène ainsi à
l'aldol ou au cétol.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
61
HO
- H2O - HOC
OH
C
H
C O
C OH
C
C O
C
C
C O
3. Réactivité 3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique
� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone énolisable aldol ou cétol
� Mécanisme : 2 temps
� Remarque : formation d’aldéhydes ou de cétones insaturées (NaOH, ∆∆∆∆)
HO- cat.
C O
CH2
Le résultat global de cette réaction est sensiblement différent lorsqu'on modifie légèrement les
conditions réactionnelles appliquées. Ainsi, si le composé de départ est traité par une quantité importante
d'hydroxyde de sodium et à chaud, les produits obtenus sont des aldéhydes ou des cétones insaturées, selon
la nature du substrat mis en jeu. En effet, dans ces conditions, l'aldol ou le cétol précédent subit une nouvelle
déprotonation du carbone lié au carbonyle. A partir du carbanion obtenu, une réaction particulière se met en
place qui consiste en une élimination d’un anion hydroxyde s’accompagnant de la formation d’une double
liaison carbone-carbone, pour aboutir au produit final insaturé. La facilitée avec laquelle se réalise cette étape
s’explique par l’obtention d’un composé comprenant dans sa structure une conjugaison de type pi-sigma-pi.
Notons enfin que l'obtention de tels composés n'est envisageable qu'à partir d'aldéhydes ou de cétones
doublement hydrogéné au niveau du carbone lié au carbonyle, les deux atomes d’hydrogène étant nécessaire
pour les deux déprotonations successives par l’hydroxyde de sodium.
3. Réactivité 3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique
� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone énolisable aldol ou cétol
� Mécanisme : 2 temps
� Remarque : formation d’aldéhydes ou de cétones insaturées (NaOH, ∆∆∆∆)
� Exemples :
HO- cat.
C O
H
H3C
HO- cat.
aldol
C O
H
HC OH
H2C
H3C
HO-, ∆∆∆∆C O
H
CH
HC
H3C aldéhyde insaturé
+ H2O
Prenons quelques exemples concrets de ces réactions en considérant pour commencer un aldéhyde
énolisable, l'éthanal. Lorsque ce composé est traité par une quantité catalytique d'hydroxyde de sodium, l'aldol
présenté est obtenu. Sous chauffage et en présence d'une quantité importante de base, c'est l'aldéhyde
insaturé qui est récupéré
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
62
3. Réactivité 3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique
� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone énolisable aldol ou cétol
� Mécanisme : 2 temps
� Remarque : formation d’aldéhydes ou de cétones insaturées (NaOH, ∆∆∆∆)
� Exemples :
HO- cat.
C O
H3C
H3C
HO- cat.
cétol
C O
H3C
C
OHH2C
H3C
HO-, ∆∆∆∆C O
H3C
C
HC
H3C cétone insaturée
CH3
CH3
+ H2O
D'une manière tout à fait similaire, dans le cas d'une cétone énolisable telle que la propanone, un
cétol est obtenu dans les premières conditions réactionnelles et une cétone insaturée dans les secondes.
3. Réactivité 3.4. Formation d’aldols ou de cétols par réaction de condensation aldolique
� Conditions réactionnelles: aldéhyde ou cétone énolisable aldol ou cétol
� Mécanisme : 2 temps
� Remarque : formation d’aldéhydes ou de cétones insaturées (NaOH, ∆∆∆∆)
� Exemples :
HO- cat.
HO- cat.
aldol
ou HO-, ∆∆∆∆C O
H
CH
OHC
H3C
H3CC O
H
CH
CH3
H3C
CH(CH3)2
Le dernier exemple concerne le 2-méthylpropanal qui, quelles que soient les conditions appliquées
ne peux conduire qu'à un aldol, étant donné qu'il ne présente qu'un seul atome d'hydrogène sur le carbone
relié au carbonyle.
PACES-Lyon Est-UE1-Cours Pr Pascal NEBOIS
63
3. Réactivité 3.5. Formation d’acides carboxyliques par oxydation des aldéhydes
� Bilan :
C O
H
R
oxydantC O
HO
R
KMnO4 (permanganate de potassium)
H2O2 (eau oxygénée)
K2Cr2O7 (bichromate de potassium)
� Exemples :
H5C6 CHOKMnO4
H5C6 COOH
CHO CO2HH2O2
CHOK2Cr2O7
C
O
OH
Les réactions d’oxydation des aldéhydes conduisent aux acides carboxyliques. Le mécanisme de
ces réactions d'oxydation étant souvent complexe, nous nous contenterons de mentionner trois agents
oxydants couramment utilisés dans le cadre de ces transformations : le permanganate de potassium KMnO4,
l'eau oxygénée H2O2, et le bichromate de potassium K2Cr2O7. Voici trois exemples de ces réactions
d'oxydation.
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64
Première Année Commune des Etudes de Santé
Lyon Est–UE1
Cours du Pr. Pascal NEBOIS
I. Acides carboxyliques et dérivés
Année 2011-2012
1. Structures
2. Nomenclature3. Réactivité
3.1. Formation d’acides carboxyliques à partir d’anhydrides d’acide
3.2. Formation d’acides carboxyliques et d’esters à partir d’anhydrides d’acide
3.3. Formations d’acides carboxyliques à partir d’esters
3.4. Formation d’anhydrides d’acide à partir d’acides carboxyliques
3.5. Réduction des acides carboxyliques, des esters et des amides par LiAlH4
Cette partie du cours est consacrée aux acides carboxyliques et à une partie des familles en
dérivant. A la suite de la présentation de ces différentes familles, nous en aborderons la nomenclature, la
dernière partie étant consacrée à leur réactivité.
1. Structures
acidescarboxyliques
C O
OHδδδδ++++
� Remarque : 2 phénomènes participent à leur grande acidité
� Effet inductif
� Stabilisation du carboxylate par conjugaison
B+ BHC O
O
C O
O
mésomérie
carboxylate
Voici la structure générale des acides carboxyliques, caractérisée par la présence d'une double
liaison oxygène-carbone et d'un groupement hydroxyle lié à ce même carbone. L'importante acidité de ces
composés résulte de deux phénomènes. Tout d'abord l'électronégativité importante des deux atomes
d'oxygène qui, par effet inductif attracteur, conduit à une forte polarisation de la liaison hydrogène-oxygène. Le
deuxième phénomène provient de la stabilisation par conjugaison du carboxylate obtenu après déprotonation
par une base. En effet, on note dans ce carboxylate la présence d’un système de type n-sigma-pi propice à
une mésomérie donnant alors accès à une autre formule limite de résonnance. Cette conjugaison, en
dispersant la charge négative sur un ensemble d’atomes, stabilise le carboxylate.
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65
1. Structures
acidescarboxyliques
C O
OH C O
C O
O
anhydridesd’acide
C O
RO
esters
C O
N
amides
Plusieurs autres familles chimiques, comportant un groupement différent d'un hydroxyle seront
également évoquées dans ce chapitre. Il s'agit des anhydrides d'acide, avec un groupement carboxyle à la
place de l'hydroxyle, des esters, avec un groupement alkoxyle et des amides, avec un groupement amino.
Nous aborderons aussi quelques transformations possibles entre ces différentes familles de composés.
2. Nomenclature
� Acides carboxyliques : nom = acide racine + oïque (sans indice de position car forcément -1)
acide méthanoïque(acide formique)
H3C C CH2 CO2HH3COH
O(CH2)2 CO2HH3CHCOOH
acide éthanoïque(acide acétique)
acide propanoïque(acide propionique)
acide butanoïque
12
3
acide 2-éthyl-4-méthylpentanoïque
4
5 COOH
� Remarque: la nomenclature des anhydrides simples est basée sur celle des acides carboxyliques correspondants
anhydride méthanoïque(anhydride formique)
anhydride éthanoïque(anhydride acétique)
H CO
O
H CO
C OO
H3C
2
La nomenclature des acides carboxyliques suit les règles qui ont été décrites pour les alcools, aux
différences près que le suffixe oïque y remplace le suffixe ol, que la désignation acide est présente avant la
racine du nom et qu'il n'y a pas d'indice de position de la fonction puisque celle-ci est forcément terminale.
Voici quelques exemples d'acides carboxyliques en commençant par le plus simple de tous, l'acide formique.
Vient ensuite l'acide éthanoïque, souvent appelé acide acétique, l'acide propanoïque ou acide propionique et
l'acide butanoïque. Pour les acides carboxyliques ramifiés, les règles habituelles sont appliquées, l'exemple
proposé se nommant acide 2-éthyl-4-méthylpentanoïque. En ce qui concerne la nomenclature des anhydrides
d'acide simples, elle est calquée sur celle des acides carboxyliques correspondants. Ainsi, l'anhydride d'acide
issu de l'acide méthanoïque est-il appelé anhydride méthanoïque ou anhydride formique. De même l'anhydride
éthanoïque ou anhydride acétique, provient de l'acide éthanoïque.
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66
2. Nomenclature
� Acides carboxyliques :
� Esters : nom = racine + oate d’alkyle (sans indice de position car forcément -1)
H3C COCH3
Oéthanoate de méthyle
123
2,4-diméthylpentanoate de propyle
45H5C2 C
O(CH2)3CH3
Opropanoate de butyle
O
O
Chez les esters, la racine du nom provient de la chaîne carbonée la plus longue incluant le carbone
di-oxygéné. Cette racine est associée au suffixe oate d'alkyle et on ne précise pas là non plus l'indice de
position. Voici trois exemples d'esters. Dans le premier c'est une chaîne à deux carbones qui sert de racine et
le groupement alkyle est un méthyle. Nous sommes donc en présence de l'éthanoate de méthyle. Selon les
mêmes considérations, le deuxième ester proposé est le propanoate de butyle. Enfin, dans le troisième
exemple, la chaîne carbonée de référence comprend cinq éléments et est substituée en 2 et 4 par des
groupements méthyles. Il s'agit donc du 2,4-diméthylpentanoate de propyle.
2. Nomenclature
� Acides carboxyliques :
� Esters : nom = racine + oate d’alkyle (sans indice de position car forcément -1)
� Amides :
� Classification : les amides subdivisés en 3 classes en fonction du nombre de H lié à N
2 Hprimaire = Iaire
C O
N
H
H
secondaire = IIaire
C O
N
H
R
tertiaire = IIIaire
C O
N
R'
R
1 H
0 H
En raison de la présence du groupement amino, les amides sont répartis dans trois classes selon le
nombre d'hydrogène au niveau de l'atome d'azote. Si l'azote porte deux atomes d'hydrogène, l'amide
correspondant est primaire. Lorsqu'un seul hydrogène est présent, l'amide est secondaire. Enfin, en absence
d'hydrogène, l'amide considéré est tertiaire.
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67
2. Nomenclature
� Acides carboxyliques :
� Esters : nom = racine + oate d’alkyle (sans indice de position car forcément -1)
� Amides :
� Classification : les amides subdivisés en 3 classes en fonction du nombre de H lié à N
� Nomenclature: nom = racine + amide (sans indice de position car forcément -1). Les chaînes alkyles éventuellement liées à N sont considérées comme dessubstituants (classement alphabétique en les faisant précéder de N-)
méthanamide(formamide)
H3C C CH2 CON(CH3)2H3CNHCH3
OHCONH2
N-méthyléthanamide(N-méthyl acétamide)
N,N-diméthylpropanamide
La nomenclature des amides suit les règles habituelles avec le suffixe amide et sans indice de
position. Les chaînes carbonés éventuellement liées à l'atome d'azote seront considérées comme des
substituants et précédées de N-, pour bien préciser qu'elles sont directement liées à l'atome d'azote. Voici un
exemple pour chacune des classes d'amide. Le premier exemple est le plus simple des amides puisqu'il s'agit
du méthanamide, communément appelé formamide. Dans le deuxième exemple c'est une chaîne à deux
carbones qui sert de racine et un groupement méthyle est présent au niveau de l'atome d'azote. Nous sommes
donc en présence du N-méthyléthanamide. Enfin, l'amide tertiaire proposé est le N,N-diméthylpropanamide.
3. Réactivité 3.1. Formation d’acides carboxyliques à partir d’anhydrides d’acide
C O
C O
OH2O
C
O
C O
O
O
H
H
C O
O
C O
O
H
H+C O
HO
2
� Bilan: anhydride d’acide + H2O acide carboxylique
� Mécanisme : 2 temps
� addition nucléophile (AN)
� élimination
Les anhydrides d'acide sont facilement hydrolysés en acides carboxyliques correspondants. Le
mécanisme de cette réaction comprend deux temps principaux, avec pour commencer une addition
nucléophile d'une molécule d'eau sur un des deux carbonyles de l'anhydride d'acide. L'alcoolate intermédiaire
ainsi formé conduit alors très rapidement à la réapparition d'une double liaison carbone-oxygène qui
s'accompagne d'une rupture d'une liaison simple carbone-oxygène. Il en résulte la création simultanée d'un
carboxylate et de la forme protonée d'un acide carboxylique, qui par échange d'un proton au travers d'une
réaction acide-base mènent à deux molécules d'acide carboxylique.
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68
3. Réactivité 3.1. Formation d’acides carboxyliques à partir d’anhydrides d’acide
� Bilan: anhydride d’acide + H2O acide carboxylique
� Mécanisme : 2 temps
� Exemples :
H2OC O
O
H3C
2
C OH
O
H3C
H2OC O
O
H5C6
2
C OH
O
H5C6
2
2
Voici deux illustrations de la mise en œuvre de cette réaction pour l'obtention des acides éthanoïque
et benzoïque.
3. Réactivité 3.2. Formation d’acides carboxyliques et d’esters à partir d’anhydrides d’acide
C O
C O
OROH
C
O
C O
O
O
R
H
C O
O
C O
O
H
R+C O
HO
C O
RO
+
� Bilan: anhydride d’acide + alcool ester + acide carboxylique
� Mécanisme : 2 temps
� addition nucléophile (AN)
� élimination
Une réaction très semblable à celle que nous venons de voir permet d'accéder à la fois à une ester
et à un acide carboxylique. Il suffit pour cela de remplacer l'eau par un autre agent nucléophile, un alcool. Le
mécanisme réactionnel comporte ainsi les mêmes deux temps, avec l'addition nucléophile immédiatement
suivie par l'élimination. Un carboxylate se forme alors accompagné de la forme protonée d'un ester, l'échange
final de proton conduisant à l'acide carboxylique et à l'ester.
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69
3. Réactivité 3.2. Formation d’acides carboxyliques et d’esters à partir d’anhydrides d’acide
� Bilan: anhydride d’acide + alcool ester + acide carboxylique
� Mécanisme : 2 temps
� Exemples :
C O
O
H3C
2
C OH
O
H3C
C O
O
H5C6
2
C OH
O
H5C6
propan-2-ol C OCH(CH3)2
O
H3C
éthanol C OC2H5
O
H5C6
Voici deux exemples de ce type de réaction.
3. Réactivité 3.3. Formations d’acides carboxyliques à partir d’esters
� Saponification/hydrolyse acide :
� Bilan : ester acide carboxylique + alcool
� Mécanisme : 2 temps
� addition nucléophile (AN)
� élimination
1) NaOH, ∆∆∆∆
2) HCl
C O
RO
C
O
RO OH
+
C O
HO
Na OH
Na
C O
O
RO Na
H
C O
ONa
+ ROHH Cl
+ NaCl
Les esters peuvent être convertis en acides carboxyliques selon deux méthodes, la première
consistant en une saponification suivie d’une hydrolyse acide. Dans le cadre de ces réactions, l’ester doit être
traité dans un premier temps à chaud en milieu basique, l' hydrolyse s’effectuant quant à elle en milieu acide.
L'acide carboxylique est alors obtenu ainsi qu'une molécule d'alcool. Du point de vue du mécanisme, on
retrouve deux temps principaux. Pour commencer il s’agit d'une addition nucléophile de l'anion hydroxyde sur
le carbone de la fonction ester. L'alcoolate intermédiaire formé conduit alors très rapidement à la réapparition
d'une double liaison carbone-oxygène qui s'accompagne de la rupture de la liaison simple carbone-oxygène
alkylé. Il en résulte l'apparition simultanée d'un acide carboxylique et d'un alcoolate de sodium, qui réagissent
ensemble très rapidement par une réaction acide-base. Un carboxylate de sodium et un alcool sont alors
générés. Le traitement acide final permet simplement la transformation du carboxylate en l'acide carboxylique
correspondant.
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70
3. Réactivité 3.3. Formations d’acides carboxyliques à partir d’esters
� Saponification/hydrolyse acide :
� Synthèse malonique :
� Bilan : malonate acide carboxylique
1) RONa2) RX3) NaOH, ∆∆∆∆4) HCl5) ∆∆∆∆
C O
RO
CH
C O
RO
HRO Na
C O
RO
HC
C O
RO
Na
C
X
SN1 ou SN2
C O
RO
CH
C O
RO
C
NaOH, ∆∆∆∆ puis HCl
C O
HO
CH
C O
O
C H∆∆∆∆
C O
HO
CHC H + CO2
C O
HO
CH2C
La deuxième méthode permettant de transformer un ester en acide carboxylique est très utilisée en
synthèse organique et est connue sous le nom de synthèse malonique. Le bilan global de cette transformation
met en œuvre comme substrat de départ un diester de type malonate et cinq étapes successives. Pour
commencer, le malonate est traité par une base, en l’occurrence un alcoolate de sodium. Dans un deuxième
temps, un halogénoalcane RX est ajouté dans le milieu réactionnel. Vient ensuite une saponification/hydrolyse
acide telle que nous venons de la décrire. Enfin, un chauffage est appliqué. L’ensemble de ces étapes conduit
à l’obtention finale d’un acide carboxylique.
C O
RO
CH
C O
RO
HRO Na
C O
RO
HC
C O
RO
Na
C
X
SN1 ou SN2
C O
RO
CH
C O
RO
C
NaOH, ∆∆∆∆ puis HCl
C O
HO
CH
C O
O
C H∆∆∆∆
C O
HO
CHC H + CO2
C O
HO
CH2C
3. Réactivité 3.3. Formations d’acides carboxyliques à partir d’esters
� Saponification/hydrolyse acide :
� Synthèse malonique :
� Mécanisme :� réaction acide-base� substitution nucléophile (SN)� saponification/neutralisation� décarboxylation
tautomérie
En ce qui concerne le mécanisme de cette synthèse malonique, le premier temps consiste en une
réaction acide base entre l'alcoolate et un des hydrogènes portés par l’atome de carbone relié aux deux
carbonyles du malonate. Notons que cette réaction est facilitée par l'obtention d'un carbanion stabilisé par
conjugaison. Lorsque l’halogénoalcane est ajouté dans le milieu réactionnel il subit alors une attaque, par une
réaction de substitution nucléophile, du carbanion formé précédemment. Il en résulte l’obtention d’un composé
correspondant à un analogue alkylé du malonate de départ. Ce dérivé subit alors une saponification à chaud
en présence d’hydroxyde de sodium suivi d'un traitement en milieu acide. On passe ainsi d’un diester à un
diacide. L’ultime étape du processus consiste à simplement chauffer ce diacide. La réaction qui se met alors
en place nécessite impérativement un état de transition impliquant six atomes et passe par un processus
concerté, c'est à dire impliquant simultanément trois doublets d’électrons. Cette réaction aboutit à la libération
d’une molécule de dioxyde de carbone et à la formation d’un intermédiaire dans lequel on reconnaît un motif
énol. En conséquence, une tautomérie se met en place qui conduit à un équilibre avec la forme carbonylée
correspondante. Cet équilibre, pour des raisons liées à la stabilité supérieure des formes carbonylées, est
alors fortement déplacé vers l’acide carboxylique, qui constitue donc bien le produit final de cette synthèse
malonique.
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71
3. Réactivité 3.3. Formations d’acides carboxyliques à partir d’esters
� Saponification/hydrolyse acide :
� Synthèse malonique :
� Exemples :
C CH2
O
H5C2O
2
3) NaOH, ∆∆∆∆4) HCl
malonate d'éthyle
1) NaOH, ∆∆∆∆
2) HClC CH2
O
HO
2
2 H5C2OH
1) H5C2ONa2) BrCH2C6H5
5) ∆∆∆∆
C OH
O
H5C6
propan-2-olC OCH(CH3)2
O
H5C61) NaOH, ∆∆∆∆
2) HCl
H5C6 (CH2)2 COOH
Intéressons-nous à présent à quelques applications concrètes de ces réactions avec pour
commencer l'exemple d'une saponification/hydrolyse acide d'un monoester. Prenons ensuite l'exemple d'un
diester comme le malonate d'éthyle. Ce composé, s'il est traité selon les conditions de la
saponification/hydrolyse acide conduira simplement au diacide correspondant. Par contre, s'il subit
l'enchaînement réactionnel suivant, typique d'une synthèse malonique, c'est l'acide 3-phénylpropanoïque qui
sera obtenu au final.
3. Réactivité 3.4. Formation d’anhydrides d’acide à partir d’acides carboxyliques
� Bilan : acide carboxylique anhydride d’acide
� Mécanisme :
� réaction acide-base
� addition nucléophile (AN)
� élimination
1) NaOH
2) RCOCl
Na
Na
C O
HONaOH
- H2OC O
O C O
Cl
C
Cl
O
C O
O
- NaCl
C
C O
O
O
La conversion des acides carboxyliques en anhydrides d’acide se réalise en deux étapes. L'acide
carboxylique est d'abord traité par l'hydroxyde de sodium puis, dans un deuxième temps, un chlorure d'acide
est ajouté dans le milieu réactionnel. Du point de vue mécanistique, la première étape conduit par une réaction
acide-base à un carboxylate, qui constitue un bon nucléophile. Lorsque le chlorure d'acide est ajouté, une
réaction d'addition nucléophile se met donc en place et un alcoolate intermédiaire apparait. Celui-ci conduit
alors très rapidement à la réapparition d'une double liaison carbone-oxygène qui s'accompagne de l'élimination
d'un chlorure Cl- et à l'obtention de l'anhydride d'acide.
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3. Réactivité 3.4. Formation d’anhydrides d’acide à partir d’acides carboxyliques
� Bilan : acide carboxylique anhydride d’acide
� Mécanisme :
� Exemples :
1) NaOH
2) RCOCl
C O
O
H3C
2
C OH
O
H3C
C Cl
O
H3C
1) NaOH
2)
C O
O
H5C6
2
C OH
O
H5C6
C Cl
O
H5C6
1) NaOH
2)
Voici deux exemples de ces réactions avec les synthèses des anhydrides acétique et benzoïque.
3. Réactivité 3.5. Réduction des acides carboxyliques, des esters et des amides par LiAlH4
� LiAlH4 : hydrure de lithium-aluminium
� Formation d’alcools Iaires par réduction des acides carboxyliques ou des esters
� Formations d’amines par réduction des amides
H
Al H
H
HLi
Hhydrure
réactions de réduction
1) LiAlH4
2) H2O, HClC O
HO
C O
ROCH2
HO
1) LiAlH4
2) H2O, HCl
1) LiAlH4
2) H2O, HClC O
N
CH2
N
conservation de la classe
L'hydrure de lithium-aluminium est un réactif capable de transférer à un carbone électrophile un
hydrure nucléophile, c'est à dire un hydrogène avec un doublet d'électrons. Ces réactions font partie des
réactions de réduction et permettent, par exemple, l'obtention d'alcools primaires aussi bien à partir des acides
carboxyliques que des esters. Il est également possible de réduire les amides en amines correspondantes
dans des conditions similaires. Dans ce cas, la classe d'appartenance de l'amide de départ se trouve être la
même pour l'amine obtenue. Notons enfin que l'utilisation de l'hydrure de lithium-aluminium est toujours
accompagnée, dans un deuxième temps, d'une étape d'hydrolyse en milieu acide.
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73
3. Réactivité 3.5. Réduction des acides carboxyliques, des esters et des amides par LiAlH4
� LiAlH4 : hydrure de lithium-aluminium
� Exemples :
1) LiAlH4
2) H2O, HClC O
HO
H5C6
C O
H3CO
H5C6
H5C6CH2OH
1) LiAlH4
2) H2O, HCl
C NH2
O
H3C1) LiAlH4
2) H2O, HCléthanamine
C NHCH3
O
H5C6 1) LiAlH4
2) H2O, HClH5C6H2C NHCH3
C N(C6H5)2
O
H3C
NH5C2
C6H5
C6H5
1) LiAlH4
2) H2O, HCl
Voici une illustration d'utilisation de réactions de réduction pour obtenir le phénylméthanol, aussi bien
à partir de l'acide benzoïque, que de son ester méthylique. Enfin, un exemple de réduction par classe d'amide
est proposé, afin de vérifier que l'amine obtenu conserve bien la même classe que l'amide de départ.
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