SUBSTITUTION SUBSTITUTION UNIMOLÉCULAIRE ET UNIMOLÉCULAIRE ET

RÉACTIONS PARALLÈLES RÉACTIONS PARALLÈLES D’ÉLIMINATIOND’ÉLIMINATION

CHAPITRE 7CHAPITRE 7

Vollhardt – Chapitre 7

7.1 SOLVOLYSE DES HALOGÉNOALCANES 7.1 SOLVOLYSE DES HALOGÉNOALCANES TERTIAIRES ET SECONDAIRESTERTIAIRES ET SECONDAIRES

BrH2O

OH + HBr

Br

H2O

OH+ HBr

ClCH3OH

OCH3 + HCl

7.2 SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 7.2 SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIREUNIMOLÉCULAIRE

Étape 1: Étape 1: Dissociation de Dissociation de l'halogénure pour former un l'halogénure pour former un carbocation.carbocation.

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite)

Étape 2: Étape 2: Attaque nucléophile par Attaque nucléophile par l'eau.l'eau.

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite)

Étape 3: Étape 3: Déprotonation.Déprotonation.

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite) A10FA.MOV

DIAGRAMME D’ÉNERGIE DIAGRAMME D’ÉNERGIE POTENTIELLE => SPOTENTIELLE => SNN11

Cinétique de 1er ordrev = k [Hal] mol l-1 s-1

A7EP.MOV

CINÉTIQUE => SCINÉTIQUE => SNN1 vs S1 vs SNN22

v

[MeI]

v

[NaSMe](NaSMe constant) (MeI constant)

Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN22

v = k [MeSNa][MeI]

MeS Me I MeS Me + I

CINÉTIQUE => SCINÉTIQUE => SNN1 vs S1 vs SNN22

v

[tBuBr]

v

[NaOH](NaOH constant) (tBuBr constant)

Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN11

v = k [tBuBr]

Br - Br+ HOH

OH

lent rapide

-H+-

CINÉTIQUE => SCINÉTIQUE => SNN1 vs S1 vs SNN22

Si, en augmentant la quantité du réactif ([substrat] stable), la vitesse de réaction augmente concertée

Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN22

Si, en augmentant la quantité du réactif ([substrat] stable), la vitesse de réaction ne change pas non concertée

Confirmation d’une SConfirmation d’une SNN11

7.3 CONSÉQUENCES STÉRÉOCHIMIQUES 7.3 CONSÉQUENCES STÉRÉOCHIMIQUES DES RÉACTIONS SDES RÉACTIONS SNN11

A6.MOV

7.4 S7.4 SNN1 VS SOLVANTS1 VS SOLVANTS

Les solvants polaires protiques Les solvants polaires protiques accélèrent la réaction Saccélèrent la réaction SNN1.1.

(CH3)3CBr (CH3)3COH + HBr

(CH3)3COH + HBr(CH3)3CBr

H2O

H2O, Acétone

1/9

Vitesse relative

400 000

1

La solvatation du nucléofuge (par des liens H) La solvatation du nucléofuge (par des liens H) explique ce phénomène.explique ce phénomène.

SSNN1 VS GROUPES SORTANTS1 VS GROUPES SORTANTS

La réaction SLa réaction SNN1 s'accélère avec de 1 s'accélère avec de meilleurs groupes sortants.meilleurs groupes sortants.

X = -OSO2R' > -I > -Br > -Cl > -F

Vitesse relative de solvolyse de RX

SSNN1 VS NUCLÉOPHILES1 VS NUCLÉOPHILES

La force du nucléophile a des La force du nucléophile a des répercutions sur la répartition des répercutions sur la répartition des produits mais pas sur la vitesse de la produits mais pas sur la vitesse de la réaction.réaction.

3

7.5 INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU 7.5 INFLUENCE DE LA STRUCTURE DU GROUPE ALKYLE SUR LA RÉACTION SGROUPE ALKYLE SUR LA RÉACTION SNN11

Stabilité relative des carbocations:Stabilité relative des carbocations:

+

+ +< <

Stabilité croissante

Nbre de liaisons avec le C+ 3é dans la couche de valence 6Orbitale vide pDéficitaire en é ouiGéométrie planIntermédiaire ou état de transition ? intermédiaire

CARBOCATIONS VS CARBOCATIONS VS HYPERCONJUGAISONHYPERCONJUGAISON

Un peu comme une conjugaison

Cations allyliques et Cations allyliques et benzyliquesbenzyliques

Hyperconjugaison : « comme une conjugaison »Cations allyliques et benzyliques : vraie conjugaison

Vitesses de solvolyse de RClVitesses de solvolyse de RClcomposécomposé vitesse relativevitesse relative commentairecommentaire

0,070,07 Chlorure primaire Chlorure primaire (SN2 seulement)(SN2 seulement)

0,120,12 Chlorure secondaire Chlorure secondaire (réagit mal en SN1)(réagit mal en SN1)

21002100 Chlorure tertiaire Chlorure tertiaire (bon en SN1)(bon en SN1)

1,01,0 Primaire, mais Primaire, mais allyliqueallylique

9191 Allylique secondaire Allylique secondaire à une extrémitéà une extrémité

130 000130 000 Allylique tertiaire à Allylique tertiaire à une extrémitéune extrémité

7 7007 700 Primaire, allylique Primaire, allylique et benzyliqueet benzylique

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Ph Cl

EtOH : H2O 50:50 (44,6°C)

Cations stabilisés par un Cations stabilisés par un hétéroatomehétéroatome

OO

NH2 NH2

MeO MeO

SN1 vs SN2SN1 vs SN2

StructureStructure

typetype méthyleméthyle primaireprimaire secondairsecondairee

tertiairetertiaire

SN1 ?SN1 ? - - -- - - - -- - ++ + + + + + +

SN2?SN2? + + + + + + + + + + ++ - - -- - -

Me XR X

H H

R X

R H

R X

R R

SN1 vs SN2SN1 vs SN2SSNN11 SSNN22

MécanismeMécanisme Deux étapesDeux étapes Une étapeUne étape

CinétiqueCinétique Ordre 1Ordre 1 Ordre 2Ordre 2

Nucléophilicité Nucléophilicité du réactifdu réactif

Pas importantPas important Très importantTrès important

(affecte la v)(affecte la v)

Structure de Structure de l’atome de l’atome de

carbone saturécarbone saturé

Résonance Résonance stabilisantestabilisante

tert >> sec > primtert >> sec > prim

Très sensible aux Très sensible aux effets stériqueseffets stériques

prim > sec >> tertprim > sec >> tert

Effet du solvantEffet du solvant Favorisé par les Favorisé par les solvants polaire solvants polaire

protiquesprotiques

Favorisé par les Favorisé par les solvants aprotique solvants aprotique

polairepolaire

StéréochimieStéréochimie RacémisationRacémisation InversionInversion

Conditions de Conditions de réactionréaction

Acide ou neutreAcide ou neutre Basique ou neutreBasique ou neutre

7.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E17.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E1

7.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E17.6 ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE: E1

Le styrène est préparé industriellement par une E1

styrène

OH

H+

(Al2O3)

OHH

H

- BH+

B

-H2O

5,4 x 106 tonnes aux USA en 20007-8 x 105 tonnes aux Canada / année

7.7 ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE: E27.7 ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE: E2

E2 (suite)E2 (suite)

E2 (suite)E2 (suite) A18FA.MOV

7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATIONET ÉLIMINATION

Les Nu faiblement basiques donnent Les Nu faiblement basiques donnent lieu à une substitution. (Ex: NaI, lieu à une substitution. (Ex: NaI, AcONa)AcONa)

les Nu fortement basiques favorisent les Nu fortement basiques favorisent davantage l’élimination lorsque davantage l’élimination lorsque l’encombrement stérique du substrat l’encombrement stérique du substrat augmente. (Ex: CHaugmente. (Ex: CH33ONa vs 1-bromo-ONa vs 1-bromo-propane, 1-bromo-2-méthylpropane et propane, 1-bromo-2-méthylpropane et 2-bromopropane)2-bromopropane)

Les molécules choisissent le chemin le moins couteux en énergie ; Ea le + faible possible

7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATIONET ÉLIMINATION

Cl

EtOH

OEt

Cl

- Cl

-H+

HOEt

SN1

95 % produit de substitution(+ qques % d’élimination)

pKaH = -7

7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTION7.8 COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATIONET ÉLIMINATION

~ 100% d’élimination

pKaH = 16

Cl

EtO

Cl

-Cl-, -EtOHE2

HEtO

COMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONCOMPÉTITION ENTRE SUBSTITUTIONET ÉLIMINATION (suite)ET ÉLIMINATION (suite)

Les nucléophiles basiques Les nucléophiles basiques fortement encombrés favorisent fortement encombrés favorisent l’élimination.l’élimination.

O-K+H3C

H3C

H3C

N -Li+CH3

H

H3C

HH3C CH3

tBuOK est mieux pour E2 que KOH(HO- peut faire une SN2)

N N

DBU(1,8-diazabicyclo[5.4.0]undéc-7-ène)

7.9 RÉSUMÉ DE LA RÉACTIVITÉ DES 7.9 RÉSUMÉ DE LA RÉACTIVITÉ DES HALOGÉNOALCANESHALOGÉNOALCANES

SSNN1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIREUNIMOLÉCULAIRE

Cinétique de 1er ordre v = k [Hal] mol l-1 s-1

Réaction en deux étapes

L’étape essentielle est la formation d’un carbocation

Attaque du Nu en dessus ou en dessous du carbocation plan (sp2)

C+

Nu-

Nu-

SSNN1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE 1 = SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE UNIMOLÉCULAIRE (suite)UNIMOLÉCULAIRE (suite)

Non stéréospécifique = racémisation

Halogénoalcanes: t > s >>> p et benzyliques

Solvants protiques polaires (H2O, ROH, etc)

ClH

H2O

OHH

HOH

S

S R

E1 = ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIREE1 = ÉLIMINATION UNIMOLÉCULAIRE

Réaction en deux étapes

L’étape essentielle est la formation d’un carbocation

Caractère compétitif SN1/E1

C+

B+ H

- Perte d'un proton

B:

+

E2 = ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIREE2 = ÉLIMINATION BIMOLÉCULAIRE

Réaction concertée = 1 étape

Favorisée par une température élevée et avec des nucléophiles qui sont des bases fortes (tBuO-, LDA, EtO-, etc)

Attaque antipériplanaire

Caractère compétitif SN2/E2

H

Br

CH3

CH3

H H

O

Ex. : p. 259

ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev

Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H).

Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H.

Br

H

Vollhardt, 4ième édition, sections 11-7, 11-8 et 11-9 (pages 453-459).

(За́\йцев )(За́\йцев )

ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev

Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H).

Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H.

BrH

trisubstituémajoritaire

disubstituéminoritaire

Toujours bonne, cette règle ?!? Malheureusement, dans le cas d’une base très encombrée, il se peut qu’elle choisisse d’arracher le H le moins encombré …

ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev

Lors d’une élimination, si plusieurs alcènes peuvent être obtenus, l’alcène majoritaire sera l’alcène le plus substitué (celui qui est lié au minimum de H).

Donc, le H sera arraché du carbone qui a le moins de H.

Br

trisubstituémajoritaire(~70:30)

disubstituémajoritaire(~25:75)

EtONa/EtOH tBuOK/tBuOH

ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev

ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev

Pour s’assurer d’obtenir l’alcène le plus substitué ?!?E1 (car n’implique pas de base encombrée).

S’assurer d’une E1 sans présence de SN1 ?!? Déshydrater un alcool dans H2SO4 conc. (HSO4

-, très mauvais Nu)

OHH2SO4 (50% aq.)

100°C+

~80% traces

Produit trans (E) majoritaire

ÉLIMINATION Règle de ZaytsevÉLIMINATION Règle de Zaytsev

ÉLIMINATION (dans un cycle)ÉLIMINATION (dans un cycle)

250 x + lent !

ÉLIMINATION (dans un cycle)ÉLIMINATION (dans un cycle)défavorisé, iPr axialE2 impossible(pas de C-H antipériplanaire)

inversionde cycle

favorisé, iPr équatorialE2 possible2 C-H antipériplanaires

favorisé, iPr équatorialE2 impossible(pas de C-H antipériplanaire)

défavorisé, iPr axialmais E2 possible ! (lent, car

« pas souvent » dans cette conformation)

inversionde cycle

E1, E2, SE1, E2, SNN1, S1, SNN22ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?

Trois questions doivent être poséesTrois questions doivent être posées: : 1.1. Est-ce que le Nu est une base forte? Est-ce que le Nu est une base forte? 2.2. Est-ce que le Nu est encombré Est-ce que le Nu est encombré stériquement? stériquement? 3. Est-ce que le substrat est encombré 3. Est-ce que le substrat est encombré stériquement (t, s ou p et branché)?stériquement (t, s ou p et branché)?

Si la réponse à deux de ces questions est Si la réponse à deux de ces questions est positive, alors l’élimination est favorisée, positive, alors l’élimination est favorisée, sinon, la substitution prédomine.sinon, la substitution prédomine.

E1, E2, SE1, E2, SNN1, S1, SNN22ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?ÉLIMINATION VS SUBSTITUTION?

Facteur 1 : basicité du NuFacteur 1 : basicité du NuBases faibles (SN+)Bases faibles (SN+) Bases fortes (E+)Bases fortes (E+)

HH22O, ROH, PRO, ROH, PR33, X, X--, RS, RS--, N, N33--, NC, NC--, RCOO, RCOO-- HO HO--, RO, RO--, R, R22NN--

Facteur 2 : Encombrement stérique de l’EFacteur 2 : Encombrement stérique de l’EPeu encombréPeu encombré (SN+)(SN+) Encombré (E+)Encombré (E+)

PrimairePrimaire Primaire ramifié, secondaire, Primaire ramifié, secondaire, tertiairetertiaire

Facteur 3 : Encombrement stérique du NuFacteur 3 : Encombrement stérique du NuPeu encombréPeu encombré (SN+)(SN+) Encombré (E+)Encombré (E+)

HOHO--, CH, CH33OO--, CH, CH33CHCH22OO-- (CH(CH33))33COCO--, [(CH, [(CH33))22CH]CH]22NN--

p. 262

NUCLÉOPHILICITÉNUCLÉOPHILICITÉ

SHSH-- CN CN-- > I > I-- > OH > OH-- > N > N33-- > Br > Br-- > PhO > PhO-- > >

AcOAcO-- Cl Cl-- > F > F-- > NO > NO33-- > H > H22OO

La nucléophilie augmente: La nucléophilie augmente: 1. 1. Avec la charge négative Avec la charge négative 2. 2. Plus l’élément est situé à Plus l’élément est situé à gauche gauche (basicité) et en bas du (basicité) et en bas du tableau périodique tableau périodique (polarisabilité) (polarisabilité) 3. Dans les solvants 3. Dans les solvants aprotiques polaires aprotiques polaires (pas de ponts H (pas de ponts H => é + disponibles)=> é + disponibles)

E2 SN1

R

C

HH

Br

SN2 E1

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILEBIMOLÉCULAIRE

SUBSTITUTION NUCLÉOPHILEUNIMOLÉCULAIRE

H3C C+

CH3

CH3

ÉLIMINATIONBIMOLÉCULAIRE

ÉLIMINATIONUNIMOLÉCULAIRE

- Cinétique de 2e ordre - Cinétique de 1er ordre

- V = k [ Hal ] [ Nu ] mol l-1s-1- V = k [ Hal ] mol l-1s-1

- L'étape essentielle est la formation d'un carbocation

- Existence d'un état detransition pentavalent

- Attaque dorsale du nucléophile avec inversion de configuration

- Attaque du nucléophile

en dessus ou en dessous du

carbocation plan (sp2)

- Réaction stéréospécifique - Caractère non stéréospécifique= racémisation

- Réaction concertée = 1 étape

H3C C+

CH3

CH3

- Réaction en deux étapes

H2C

CH3

CH3- Halogénoalcanes: p > s >>>> t - Halogénoalcanes: t > s >>>> p

et benzyliques- La substitution en et en ralentie la réaction

- Solvants aprotiques polaires(DMF, DMSO, HMPA)

B+ H

- Solvants protiques polaires(ROH, H2O etc.)

Nu-

Nu-

- L'étape essentielle est la formation d'un carbocation

- Perte d'unproton

+

C C

- Caractère compétitif SN1/E1

- Caractère compétitif SN2/E2

H

Br

- Réaction concertée = 1 étape - Réaction en deux étapes

- Favorisée par une température

élevée et avec des nucléophiles

qui sont des bases fortes

(tBuO-, LDA > EtO-, etc)

O-K+

- Attaque antipériplanaire

CH3

H3CH3C

‡

B:

Importance de la SN1Importance de la SN1 Synthèse du géraniolSynthèse du géraniol

CH2OH

géraniol

Importance de la SN1Importance de la SN1 Synthèse du géraniolSynthèse du géraniol

Pour faire une SN1, ça prend un bon groupe sortant ?La nature choisit le phosphate et le diphosphate.

P

O

-O O-

O-

phosphate

P

O

-O O

O-

diphosphate

P

O

O-

O-

(OP) (OPP)

Importance de la SN1Importance de la SN1 Synthèse du géraniolSynthèse du géraniol

Pour faire une SN1, ça prend un bon groupe sortant ?La nature choisit le phosphate et le diphosphate.

OPP + -OPP

H2O

OH

H

OH2

OHgéraniol

+ H3O+

Importance de la E2Importance de la E2 Métabolisme de l’atracuriumMétabolisme de l’atracurium

Relaxant musculaire (aussi utilisé pour anesthésie locale).Il doit s’éliminer assez rapidement.

N O O NMe

O O

MeO

MeO

OMe

OMe

OMe

OMe

OMe

MeO

Me

atracurium

Me = méthyl = CH3

Importance de la E2Importance de la E2 Métabolisme de l’atracuriumMétabolisme de l’atracurium

Relaxant musculaire (aussi utilisé pour anesthésie locale).Il doit s’éliminer assez rapidement.

N O

Me

O

H

HN

N

histidine

E2

HN

N H

NMe

O

O

Ces deux fractions sont facilement excrétées.

Importance de la E1Importance de la E1 Synthèse du tamoxifèneSynthèse du tamoxifène

Traitement du cancer du sein(antagoniste des récepteurs oestrogéniques).

O

NMe2

OH

précurseur avancé du tamoxifène

H2SO4Ar Ar

Ar

OH H

-H2OAr Ar

ArH

+ HSO4-

Ar Ar

Ar

+

Ar Ar

Ar

+ H2SO4

tamoxifèneAr = aromatique

SOMMAIRESOMMAIRE

Diagramme d’E SN1Diagramme d’E SN1 Cinétique SN1 vs SN2Cinétique SN1 vs SN2 SN1 SN1 mélange racémique mélange racémique SN1 Importance du nucléofugeSN1 Importance du nucléofuge SN1 « non-importance » du SN1 « non-importance » du

nucléophilenucléophile Stabilité des carbocations (alkyle Stabilité des carbocations (alkyle

(prim, sec, tert), allyle, benzyle)(prim, sec, tert), allyle, benzyle) Comparaison SN1 – SN2Comparaison SN1 – SN2 E1, E2, Nu basiqueE1, E2, Nu basique

EXERCICESEXERCICESVollhardt, Chap. 7Vollhardt, Chap. 7

55ièmeième édition édition (p. 276) (p. 276)Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37,

38, 40(sauf h et k), 43, 44, 45, 47, 48, 49, 52, 53, 54.38, 40(sauf h et k), 43, 44, 45, 47, 48, 49, 52, 53, 54.

44ièmeième édition éditionNos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, Nos 22, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37,

38, 40 (sauf h et k), 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 38, 40 (sauf h et k), 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53.51, 52, 53.

33ièmeième édition éditionNos 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, Nos 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28,

29, 30, 31, 32, 33, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 29, 30, 31, 32, 33, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46.45, 46.

étudiez le « problème d’intégration » 7.20 (p. 265).

étudiez le « problème d’intégration » 7.20 (p. 273).