COURS ET EXERCICES CORRIGÉS DE CHIMIE ORGANIQUE LICENCE 3 CHIMIE, Exercises of Organic Chemistry

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LES ORGANOMÉTALLIQUES

I- PRÉSENTATION GÉNÉRALE

Victor Grignard découvrit, autour de 1900, que les halogénures d’alkyle et d’aryle réagissent avec le

magnésium métallique pour donner des solutions homogènes. Ces travaux ont été le point de départ de

l’utilisation des réactifs organométalliques en synthèse organique. Les « réactifs de Grignard» se révélèrent

être des nucléophiles carbonés réactifs et continuent depuis lors à être très utiles en synthèse. Les réactifs

organolithiens ont eu une application en synthèse un peu plus tard. Au cours de ces vingt cinq dernières

années, l’utilité des réactions impliquant des ions métalliques et des composés organométalliques s’est

considérablement étendue. Certains métaux de transition, comme le cuivre, le palladium et le nickel, ont

accédé à des places importantes en méthodologie de synthèse. Outre l’apport des réactifs pour la synthèse

organique, l’étude systématique des réactions des composés organiques avec des ions et complexes

métalliques a permis de créer un grand nombre de composés organométalliques, dont beaucoup possèdent

une structure et une réactivité uniques. Dans ce chapitre, nous présenterons quelques exemples

d’organométalliques des groupes IA et IIA et nous verrons le rôle de quelques métaux de transitions en

synthèse organique.

I-1- Liaison carbone-métal

Les organométalliques sont des composés dans lesquels un atome de carbone est directement lié à un atome

de métal; leur formule générale est de type :

C Métal

R

R^2

R^1

Les métaux étant des éléments plus électropositifs que le carbone, cela entraîne une polarité de la liaison

carbone-métal qui place une forte densité électronique sur le carbone.

C M

δ− δ+

Cette liaison carbone-métal présente est représentée par :

Cette distribution électronique est responsable du fort caractère nucléophile et de la basicité élevée de ces

composés.

I-2- Exemples de formules - Nomenclature

• Lorsque le métal est monovalent (exemple (Li, Na, K, ...), la formule de l’organométallique s’écrit

simplement R-M. Exemple : R-Li (organolithien).

• Lorsque le métal est divalent (exemple : Ca, Mg, Zn, ... ), on distingue :

• Les organométalliques symétriques R-M-R et,

• Les organométalliques dissymétriques ou mixtes R-M-X (ou X est un halogène).

Exemple: R-Mg-X (organomagnésien mixte).

II- LES ORGANOMÉTALLIQUES DES GROUPES IA ET IIA

Les composés du lithium et du magnésium sont les plus importants des organométalliques des groupes IA et

IIA (colonnes 1 et 2 du tableau périodique). Les métaux de ces deux groupes sont les plus électropositifs de

tous les éléments.

Préparation

a) Action des halogénures sur un métal

La réaction du magnésium ou du lithium métallique avec un halogénure d’alkyle ou d’aryle dans l’éther

diéthylique (oxyde de diéthyle) est la méthode classique de synthèse des réactifs de Grignard et des

organolithiens.

RX + Mg RMgX RX + 2Li RLi^ +^ LiX

R-Br + R'Li

L’ordre de réactivité des halogénures est RI > RBr > RCl

b) Echange entre halogénure et un composé organométallique (échange halogène-métal)

RLi + R'-Br Ar-Br + BuLi Ar-Li^ +^ BuBr

RC CH

Ordre de réactivité des halogénures : R-I > R-Br > RCI

c) Métallation (échange hydrogène-métal)

• R'Li RC C Li + (^) R'H
• (^) R'MgBr RC C
• NaNH 2

RC CH MgBr +^ R'H RC CH RC C Na + amidure de sodium

NH 3

Bien qu’elle soit d’une utilité limitée pour la synthèse d’autres types de Grignard, la métallation est un

moyen important de préparation d’une large gamme de composés organolithiens.

d) Echange métal-métal

Cette méthode est très utile pour la synthèse des composés organolithiens. La réaction entre deux composés

organométalliques évolue dans le sens du déplacement du métal le plus électropositif sur la position du

carbone le plus acide.

Les échanges entre les composés organostanniques et les réactifs organolithiens ont une grande portée en

synthèse.

CH CCH 2 OTHP BuSnH C C Bu 3 Sn

H CH 2 OTHP

H

BuLi (^) C C Li

H CH 2 OTHP

H

A- LES ORGANOMAGNÉSIENS

Les organomagnésiens répondent à la formule générale R-Mg-X. Ils sont communément appelés réactifs de

Grignard. Ils sont obtenus par action d’un métal sur un dérivé halogéné RX dans un solvant éthéré anhydre

sous atmosphère inerte. Le solvant éthéré solvate le magnésium de l’organomagnésien.

RX Mg éther R MgX

Et (^) OEt

Et^ O Et

Cette réaction est dans la plupart des cas exothermique. Si R : C=C , la réaction se fait dans le THF à très

basse température.

A-l- Réactivité

Les organomagnésiens réagissent sur la plupart des fonctions sauf sur les double et triple liaisons carbone-

carbone et les éthers. Par contre, ils réagissent sur les éthers cycliques (époxydes). Pour les composés ayant

plusieurs fonctions, le MgX est transféré sur un atome plus électronégatif.

RMgX + C O

R^1 R^2 R^1 C R^2

OMgX

R

A-2- Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques des organomagnésiens peuvent s’interpréter en utilisant la formule simplifiée

C M

δ− δ+ 3

. La polarisation de la liaison traduit l’aptitude à la formation potentielle de carbanions

, d’où des propriétés :

• Basiques: action sur tous les composés à hydrogène mobile (arrachement du proton)

• Nucléophiles : substitution nuc1éophile SN sur des liaisons σ polarisées RX et addition nucléophile sur les

liaisons π fortement polarisées de type C=O.

A-3- Propriétés basiques

a) Force de la base

est une base extrêmement forte. Le pKa du couple est de l’ordre de 50 à 60 selon la nature de

R. On comprend aisément que agit sur tout composé à hydrogène mobile.

CH 3 MgX + A X

ROH

R-NH 2

R-COOH

CH 4 + A MgX

b) Applications

b1) Action de l'eau

R'MgX + H 2 O RH + MgOHX 1/2 MgX^2 +^ 1/2 Mg(OH)^2

Cette réaction justifie que la synthèse de l’organomagnésien doit se dérouler en milieu totalement anhydre

afin d’éviter sa destruction dès sa formation.

b2) Action des alcynes vrais

Cette réaction est importante en synthèse car elle conduit à un nouvel organomagnésien acétylénique.

RC CH +^ R'MgBr RC^ C^ MgBr^ +^ R'H

b3) Dosage de Zérévitinov

Lorsqu’on utilise le CH 3 MgX comme organométallique, l’alcane formé CH 4 est gazeux. Le dégagement

gazeux constitue :

• un test qualitatif d’un composé à hydrogène mobile,

• un dosage volumétrique.

Exemples : alcools, amines (Ire et IIre), acides carboxyliques, amides (Ire et IIre).

A-4- Propriétés nucléophiles

A-4-1- Substitution nucléophile

Bien que l’alkylation des composés paraisse offrir une méthode de synthèse générale pour la formation de

liaison carbone-carbone, la portée de cette réaction est en fait assez limitée.

Comme conséquence de cette réaction nous avons la réaction de Wurtz.

Réaction de Wurtz

Lors de la formation de l’organomagnésien, il est nécessaire d'avoir toujours le magnésium en excès par

rapport à RX sinon la réaction de duplication de Wurtz devient importante, ce qui diminue le rendement de la

réaction.

+

• (^) Mg

• 2Na

RMgX 2 RX

2 RX

RX R-R

R-R

R-R

• MgX 2

• MgX 2

• 2 NaX

A-4-2- Addition nucléophile (AdN)

A-4-2-1- Addition nucléophile sur la double liaison C=O

La réaction entre un réactif de Grignard et un composé carboné met en jeu l’addition du réactif sur le

carbonyle. On représente souvent l’état de transition de l’addition des réactifs de Grignard sous forme d’un

cycle constitué du groupe carbonyle et de deux molécules du réactif de Grignard. On dispose de nombreuses

preuves en faveur de ce mécanisme qui met enjeu un complexe trimoléculaire.

C O

R'

R'

Mg^ R X

O

R

R'

R'

Mg X

R

Mg X

C O

R'

R'

R Mg R + (^) MgX 2

a) Fonction carbonyle

Le groupement carbonyle est très polaire et réactif:

C O

R

R C

R

R

C^ δ+ O^ δ- R

R

O on le note

La réaction se produit en deux étapes :

• AN en solvant éther anhydre

C O

R^2

R^1

R MgX + C O R^2

R^1

R MgX (halogénure d'alcoolatemagnésium)

• Hydrolyse en milieu acide dilué

C O

R^2

R^1

R MgX H^2 O H

C OH

R^2

R^1

R + MgXOH

Cette réaction permet la synthèse des diverses classes d’alcools.

R MgX +

méthanal

aldéhyde

cétone

C O

H

H

C O

R^1

H

C O

R^2

R^1

R CH 2 OH

CH OH

R^1

R

C OH

R^2

R^1

R

Alcool Ire

Alcool IIre

Alcool IIIre

Des réactions secondaires se produisent parfois lorsque les substrats sont des cétones stériquement

encombrées.

Enolisation

L’énolisation de la cétone est parfois une réaction concurrente. L’énolate n’étant pas réactif vis-à-vis de

l’addition nucléophile, on a la cétone inchangée après hydrolyse. L’énolisation est le plus sérieusement

compétitive lorsque l’addition est retardée par des facteurs stériques.

RMgX +^ CH^3 CH^2 C O

C(CH 3 ) 3 CH 3 CH C C(CH 3 ) 3

OMgX

+ RH

Réduction

Les additions de Grignard sont sensibles aux effets stériques et, avec des cétones encombrées, on observe un

processus concurrent impliquant la réduction du groupe carbonyle et faisant intervenir un état de transition

cyclique similaire à celui de la réduction de Meerwein-Pondorff-verley.

R^ R^ R

C O

R

C C

H

• MgX RC O H (^) C C

Mg R C OMgX + C^ C H

L’importance de cette réaction augmente avec le volume stérique de la cétone et du réactif de Grignard. La

réduction concurrente peut être minimisée dans des cas gênants en utilisant le benzène ou le toluène comme

solvant.

b) Fonctions dérivées des acides carboxyliques

Citons :

C O

Cl

R

C

O

R OR'

R C

O

O

R C

O

C O

Z

R (^) δ+ δ-

chlorure d'acyle ester^ anhydride d'acide forme générale

On a exclu les acides carboxyliques et les amides possédant un hydrogène mobile. Cette réaction se fait en

deux étapes :

• Première étape: addition-élimination

C O

Z

R 1

R MgX (^) + C O Z

R 1

R MgX C^ O R 1

• ZMgX R R MgX C O

R 1

R MgX R

Le composé obtenu est instable à cause des deux groupements attracteurs, il se stabilise par perte de ZMgX.

La cétone se formant dans le milieu réactionnel, au contact de l’organomagnésien, subit à son tour une

addition nucléophile décrite précédemment.

• Deuxième étape : hydrolyse en milieu acide dilué.

H 2 O

H

C O + MgXOH

R^1

R MgX R

C OH + H

R^1

R

R

Intérêt : cette méthode conduit à la synthèse d’alcools tertiaires très encombrés.

Lorsque la réaction des organomagnésiens avec le chlorure d'acide en excès est menée à basse température,

Elle conduit à la formation d’une cétone. On doit contrôler les conditions de la réaction pour éviter la

formation d’un alcool tertiaire en ajoutant le réactif de Grignard à la cétone à mesure qu’elle se forme.

CH 3 CH 2 CH 2 C

O

Cl (^) + CH 3 (CH 2 ) 5 MgBr

• 30 °C

CH 3 CH 2 CH 2 C

O

(CH 2 ) 5 CH 3

92%

c) Synthèse des acides carboxyliques : Action du dioxyde de carbone :

Cette réaction a lieu en deux étapes comme les réactions précédentes.

R MgX (^) + C (^) O O

AdN R CO O MgX H 2 O H

C MgXOH + (^) H

O

R OH +

halogénure de carboxylate magnésium

Remarque : si on utilise un excès de RMgX par rapport à CO 2 , il peut se produire une double addition.

H 2 O

H

C

O

R O MgX R^ MgX^ R C

OMgX R

O MgX (^) R C

OH

R

OH +^ MgXOH gem-diol instable

- H 2 O C O

R

R

A-4-2-2- Action avec l’orthoformiate de triéthyle : obtention des aldéhydes

C H +

EtO EtO EtO

R MgX C H

EtO R EtO

• EtOMgX H^2 O H

C

O

R H

orthoformiate d'éthyle (^) acétal stable

L’étape d'addition est précédée de l'élimination de l'un des groupes alcoxy, pour générer un carbone

électrophile. L’élimination est favorisée par le fait que l’ion magnésium joue le rôle d’un acide de Lewis.

L’acétal formé est stable dans les conditions de synthèse mais est hydrolysée en aldéhyde au contact d'une

solution aqueuse acide.

A-4-2-3- Action sur les époxydes

a) Cas des époxydes symétriques

R MgX O R^ CH^2 CH^2 OMgX^ H^3 O R^ CH^2 CH^2 OH + MgXOH + H

• La première étape se produit selon un mécanisme S (^) N 2.
• La seconde étape consiste en une hydrolyse acide.

Intérêt : cette réaction permet la synthèse d’alcools avec un gain de deux carbones.

b) Cas des époxydes dissymétriques

L’action d'un organomagnésien est régiosélective. Le contrôle cinétique suppose l’attaque par , du

carbone le moins substitué donc le moins encombré.

R MgX O^ CH^3 R CH 2 CH CH (^3)

H 2 O

H

OMgX (^) R CH 2 CH OH + MgXOH CH (^3)

A-4-2-4- Action sur les amides

• Avec les amides primaires

Ces réactions sont beaucoup plus lentes que la plupart des réactions de Grignard et les rendements varient

considérablement avec la nature du substrat.

2 CH 3 MgBr + (CH 3 ) 2 CHCH 2 CONH 2 éther

• CH 4 (CH^3 )^2 CH^ CH^2 C

OMgBr NHMgBr

CH 3 H^3 O^ (CH^3 )^2 CH^ CH 2 C

O CH 3

• Avec les amides tertiaires

Les amides bisubstituées conduisent aux alcools tertiaires ou aux cétones selon les conditions opératoires. On

peut obtenir des cétones par action des organomagnésiens sur les amides tertiaires à basse température.

R' MgX R^1 C O

N

R

R

+ R' C

R^1

O

N

R

XMg^ R

H 2 O

H

R' C

R^1

O

N

R

R

H

• MgXOH

C

O

R' R^1 + H N

R

• MgXOH R

• Avec le formamide

Avec un formamide, l’alcool obtenu est secondaire et symétrique. Les formamides dérivés d’amines très

basiques peuvent conduire à des aldéhydes.

C

O

H N (^) + RMgX

hydrolyse

hydrolyse

CH

OH

R

H C R

O

R

Mais à chaud et avec un excès de magnésien, on peut obtenir des amines tertiaires.

C

O

H N + RMgX H C

R

O

N

Mg X

R MgX H C

R

N

R

• MgX 2 + Mg O

A-4-2-5- Addition nucléophile sur la triple liaison CN : obtention des cétones

R' MgX

H 2 O

H

RC N + C N

R

R'

MgX C NH R

R' H 2 O

C O

R

R'

Mécanisme

R' MgX

H 2 O

H

RC N C^ N

R

R'

MgX C NH R

R'

C O

R

R'

H

C NH 2

R

R'

H^ O H

R C

R'

O

NH 2

H H

R C

R'

O

NH 3

H

H +^ +^ NH 3

+

Il faut utiliser le nitrile n’ayant pas de H mobile en α de CN, sinon il peut se mettre sous sa forme tautomère

et réagir avec l’organomagnésien.

RCH 2 C N RCH C NH R'^ MgX^ RCH C N MgX + (^) R'H

A-4-2-6- Action des organomagnésiens sur les composés α,β-insaturés

Avec les cétones α,β-insaturées, on a une addition 1,2 ou une addition 1,4 (addition de Michaël). Le produit

provenant de l’addition 1,4 étant majoritaire. Les aldéhydes conduisent également au mélange de produits

d'addition 1,2 et 1,4. Mais les aldéhydes peuvent conduire uniquement au produit d’addition 1,4 si nous

avons une forte conjugaison.

1- RMgX 2- H 3 O

CH 3 CH CH C

O

CH 3

CH 3 CH CH C

OH

CH 3

R

CH 3 CH

R

CH 2 C

O

CH 3

addition 1,

addition 1,4 ouaddition de Michaël

(25%)

(75%)

A-4-2-7-Action sur les isocyanates

Les isocyanates aryliques additionnent aisément les organométalliques pour former des amides.

(CH 3 ) 2 CHMgCl (^) + C 6 H 5 N C O^ éther H 3 O

C 6 H 5 NH C

O

CH(CH 3 ) 2

isobutyranilide

A-4-2-8- Réaction avec des éléments autres que le carbone

a) Action du dioxyde de soufre

RMgX + SO (^2)

H 3 O

R S

O

OH

(acide sulfinique)

b) Action du dioxygène : Préparation des peroxydes

RMgX

H 3 O

• O O R O OMgX R O OH + MgXOH

Si on a un excès de RMgX, l’hydroperoxyde réagit sur le magnésien pour donner un alcool.

R O OMgX RMgX^2 R O MgX H^3 O 2 R OH + MgXOH

c) Action du diiode

Cette réaction illustre encore le caractère nucléophile des organomagnésiens.

RMgX +^ I 2 RI +^ 1/2 MgX^2 +^ 1/2 MgI^2

B- LES ORGANOLITHIENS

B-l- Définition

Les organolithiens répondent à la formule générale R-Li. Ils sont obtenus de façon similaire que les

organomagnésiens. Une méthode utile de préparation des organolithiens fait intervenir un échange métal-

métal.

B-2- Propriétés chimiques

La réactivité des réactifs organolithiens est généralement similaire à celle des réactifs organomagnésiens. Ils

sont moins gênés lorsqu’ils agissent sur les carbonyles; d’où leur utilisation dans la synthèse d’alcools

tertiaires très encombrés.

B-2-1- Action avec le dioxyde de carbone

RLi + (^) CO 2 H^3 O RCOOH

B-2-2- Action avec les cétones et aldéhydes

Les organolithiens réagissent avec les aldéhydes et les cétones pour donner les alcools.

RLi

C O^ H^3 O

R^2

R^1

+ C

R^1

R^2

OH

OH

B-2-3- Action sur les composés carbonylés α,β -insaturés

R

1- RMgX 2- H 3 O

R^1 CH CH C

O

Ar

R^1 CH CH C Ar 2- H 3 O OH

R^1 CH R

CH 2 C

O

CH 3

1- RLi

CH CH

R

R^1 C Ar OH

+

majoritaire (75%) minoritaire (25%)

B-2-4- Réaction avec les dérivés d'acides carboxyliques

Les organolithiens réagissent avec les sels d’acides carboxyliques, les chlorures d’acides ou des anhydrides

d’acides pour donner des cétones.

R COOH CH^3 Li^ R COOLi^ CH^3 Li^ CH 3 C

OLi R

OLi H^3 O C O

R CH 3

B-2-5- Action sur les doubles liaisons éthyléniques

Contrairement aux organomagnésiens, les organolithiens réagissent avec les doubles liaisons éthyléniques.

Les oléfines simples agissent à haute pression et donnent différents composés par la longueur de leur chaîne.

CH 2 CH 2 RLi^ LiCH 2 CH 2 R LiCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 R

La position de la lithiation est déterminée par les acidités relatives des hydrogènes disponibles et par l’effet

orienteur des groupes substituants. Les hydrogènes allyliques et benzyliques sont assez réactifs face à la

lithiation du fait de la stabilisation de résonnance des anions résultants.

OCH 3 OCH 3

• (^) BuLi

Li OCH 3 éther, 30°C^ Li 2h

+

majoritaire (^) minoritaire

C C

H OCH 3

H

• (^) tert-BuLi HC^ COCH^3 H (^) H (^) Li

THF

0°C

S

Dans les composés hétérocycliques, le site privilégié pour la lithiation est habituellement celui adjacent à 1

hétéroatome.

• BuLi

THF, 30°C

1h S^ Li

C- LES ORGANOSODIQUES

Les organosodiques réagissent de la même manière que les grignards mais plus vigoureusement. De plus, ils

réagissent avec l’éther par un SN 2 et doivent donc être préparés dans des solvants hydrocarbonés. Même

ainsi, leur réaction avec les halogénures à partir desquels ils sont préparés (duplication de Würtz) est

beaucoup plus rapide que les grignards correspondants qui demandent des techniques spéciales pour les

obtenir.

R Na + C^ X^ R C + NaX

Le phénylsodium se prépare facilement:

PhCl 2 Na^ PhNa + NaCl

C’est un bon agent de sodation des composés à H mobiles

Ph CH 3 + PhNa Ph CH 2 Na + (^) Ph H

Les composés aliphatiques sont moins stables et plus réactifs; leur préparation est moins courante.

Ils décomposent les étheroxydes :

C 2 H 5 OC 2 H 5 R^ Na^ C 2 H 5 ONa (^) + RH + C 2 H 4

O

• R Na CH 2 CH CH 2 CH 2 ONa + (^) RH

Et s’additionnent aux liaisons doubles éthyléniques

Ph CH CH 2 R^ Na^ Ph CH Na

CH 2 R

III- LES DÉRIVÉS ORGANOMÉTALLIQUES DU GROUPE IIB

Dans cette section, nous présenterons les dérivés organométalliques du zinc et du cadmium. A l’état

d’oxydation +2 ces métaux du groupe IIB possèdent la configuration électronique d^10. La couche d étant

remplie, l’état d'oxydation +2 est très stable et la plupart des réactions ne provoquent pas de modification du

degré d’oxydation.

La réactivité des organométalliques des groupes IIB ressemble davantage à celle des organométalliques des

groupes IA et IIA qu’à ceux des organométalliques des métaux de transition dont la couche d est incomplète.

Cependant, les métaux IIB sont moins électropositifs que les métaux IA et IIA, de sorte que la nucléophilie

des organométalliques est bien moindre que celle des organolithiens et des organomagnésiens.

A- LES ORGANOZINCIQUES

A-l- Préparation

Les organozinciques peuvent être préparés par réaction de réactifs organomagnésiens (réactifs de Grignard)

ou d’organolithiens avec des sels de zinc. Ils peuvent être préparés à partir d’halogénures organiques par

réaction avec le zinc métallique hautement réactif.

2 RI + 2 Zn ZnI 2 +^ R 2 Zn

Br CH 2

A-2- Réactivité

Les composés organozinciques sont moins réactifs. Ils réagissent avec les chlorures d’acides mais pas avec

des esters. La principale réaction des organozinciques est la réaction de Reformatsky.

Réaction de Reformatsky :

C’est la réaction d’un carbonyle (aldéhyde ou cétone) traité par un ester α-bromé en présence de zinc.

C

O

C

R^1 R^2 R^1

CO 2 Et Zn^ BrZn CH 2 CO 2 Et R^2 CH 2 CO 2 Et OZnBr H 2 O

• ZnBrOH

C

R^1

R^2

OH

CH 2 CO 2 Et H^3 O^ C CH

R^1

CO 2 H + H 2 O^ + (^) EtOH R^2

Cette réaction donne après hydrolyse acide un ester β-hydroxylé. Le produit obtenu se déshydrate en acide β-

éthylénique en milieu acide. Celui-ci peut perdre par chauffage une mole de CO 2.

Les énolates de zinc préparés dans les conditions de Reformatsky subissent des réactions d’addition avec les

nitriles. Les produits initiaux sont des esters β-amino-α,β-insaturés qui peuvent s’hydrolyser spontanément

en β-cétoester.

R CH

Br

CO 2 C 2 H 5 +^ R'CN^ Zn^ C^ C

R

C 2 H 5 O 2 C NH 2

R' H 2 O

R CH C

O

R'

C 2 H 5 O 2 C

La combinaison Zn/CH 2 Br 2 /TiCl 4 donne lieu à un réactif organométallique appelé réactif de Lombardo. Il

convertit les cétones en groupe méthylènes. Le réactif actif présumé être une entité dimétallatée qui

s’additionne sur la cétone sous l’influence de l’acidité de Lewis du titane. Le groupe méthylène est ensuite

créé par élimination β.

CH 2 Br (^2) + 2 Zn Br Zn CH 2 Zn Br

C

O

R R

C

H 2 C

R

O

R

Zn Br

Ti Cl Cl Cl

C

CH 2

R R

TiCl 4

• ZnBrCl

LES ORGANOCADMIENS

B-l- Préparation

Les composés organocadmiens peuvent être préparés à partir de réactifs organomagnésiens ou de composés

organolithiens par réaction avec des sels de cadmiens (II).

CdCl 2 + 2 RMgX R 2 Cd^ +^ 2 MgXCl

CdCl 2 + 2 RLi R 2 Cd + 2 LiCl

Ils peuvent également être préparés directement à partir des halogénures d’alkyle et d’aryle par réaction avec

un cadmien métallique fortement réactif obtenu par réduction des sels de cadmien (II).

B-2- Réactivité

La réactivité des organocadmiens est comparable à celle des organozinciques correspondants. L’application

la plus courante des composés organocadmiens a été la préparation des cétones par réaction avec les

chlorures d’acides. Les organocadmiens ne régissent pas avec les cétones et les esters.

CdR 2 + 2 R'COCl 2 C O

R' R + CdCl (^2)

IV- LES DÉRIVÉS ORGANOMÉTALLIQUES DES MÉTAUX DE TRANSITION

LES ORGANOCUIVRÉS OU ORGANOCUPRATES

Contrairement aux réactions impliquant le lithium et le magnésium, où les réactifs sont utilisés en quantité

stœchiométriques, une bonne part des réactions impliquant des métaux de transition s’avèrent être des

processus catalytiques.

IV-1- Préparation

Les composés organocuivrés résultent de la réaction de réactifs organolithiens avec des sels de cuivres.

RLi + Cu(I)X RCu + LiX

2 RLi + Cu(I)X

3 RLi + Cu(I)X

[R 2 CuLi] + LiX

[R 2 CuLi 2 ]^ +^ LiX

Les espèces de proportion 2 : 1, appelées cuprates, ont été fréquemment utilisées comme réactifs de synthèse.

On peut préparer les réactifs organocuivrés 1 : 1 directement à partir d’un halogénure et de cuivre métallique

fortement réactif obtenu par réduction des sels de cuivre (I) avec du naphtalénure de lithium.

IV -2- Réactivité

Le développement de la chimie des composés organocuivrés a mis un grand nombre de nouvelles réactions

importantes à la disposition des chimistes travaillant dans le domaine de la synthèse. Les progrès sont dus à

l’étude de l’effet catalytique des sels de cuivre sur les réactions des réactifs de Grignard avec les cétones α,β-

insaturées. En présence d’une quantité catalytique de sels de cuivre [Cu(I)], la réaction aboutit à une addition

conjuguée.

CH 3 CH CH C

O

CH 3

1. CH 3 MgBr/CuI
2. H 2 O/H

CH 3 CH CH 2 C CH 3

CH 3 O

Les réactions les plus importantes des organocuprates sont des substitutions nucléophiles sur les halogénures et les sulfonates, l’ouverture des cycles des époxydes, les additions conjuguées sur les

composés α,β- insaturés et les additions sur les acétylènes

IV-2-1- Les réactions de substitution nucléophile

Cette réaction de substitution des halogènes est plus générale et donne de meilleurs rendements que les

substitutions au moyen des réactifs de Grignard ou de réactifs lithiens.

RX +^ (CH^3 )^2 CuLi^ RCH^3 +^ CH^3 Cu(I)^ +^ Li^ +^ X

Les halogénures allyliques donnent à la fois des produits S N 2 et des produits S N2’

Le processus de substitution SN2’peut mettre enjeu une coordination initiale sur la liaison double.

R 2 Cu(I) +^ CH 2 CH^ CH 2 X R 2 Cu(I)

CH 2 CH CH 2 X

R 2 Cu(III) CH 2 CH CH 2 + (^) X RCu CH 2 CH CH 2 + RCu(I) + (^) X

IV-2-2- Ouverture des époxydes

Les époxydes saturés sont ouverts avec un bon rendement par les dialkylcuprates de lithium. Le groupe

alkyle est introduit sur le carbone le moins encombré du cycle époxyde.

CH 3 CH 2

O + (CH

3 )^2 CuLi^ CH 3 CH 2 CH OH

CH 2 CH 3

IV-2-3- Les réactions d'addition conjuguée

Les organocuprates mixtes réagissent avec les énones conjuguées. Ils donnent des réactions d’addition 1,

communément appelées addition de Michael.

R 2 CuLi (^) R 1 CH CH C hydrolyse O

+ R 2 R^1 CH

R

CH 2 C

O

R 2

Plus le composé est facile à réduire, plus il est réactif vis-à-vis des cuprates (cas des cétones et des

aldéhydes).

Les esters et les nitriles α,β-insaturés ne sont pas aussi facile à réduire que les cétones correspondantes, il ne

réagissent pas spontanément avec les dialkylcuprates. Les esters ont un comportement limite vis-à-vis des

dialkylcuprates standard.

IV-2-4- Addition sur les acétylènes

Les esters acétyléniques conjugués régissent spontanément avec les cuprates, l’addition syn. étant favorisée

du point de vue cinétique.

R 2 CuLi CH 3 C C COOCH 3 hydrolyse acide

C C

CH 3 COOCH 3

R H

+

TD No^ 1 : ORGANOMÉTALLIQUES

Exercice 1

L’action du chlorure de benzyle magnésium sur le méthanal conduit après hydrolyse acide à la formation de

trois produits.

CH 2 MgCl

1. CH 2 =O
2. H 3 O

CH 2 CH 2 OH

+

CH 2 CH 2 OH CH^3

+

CH 2 OH CH^2 OH

A : (5-8%) B : (60-65%)^ C : (30-50%)

Proposer un mécanisme pour expliquer la formation de ces différents produits.

Exercice 2

Le traitement par le bromure d’éthylmagnésium d'une cétone encombrée comme le 2-méthyl-l-

phénylpropan-one A conduit après hydrolyse à trois composés :

A qui semble ne pas avoir réagit (voie 1) ; le 2-méthyl-l-éthyl-l-phénylpropan-l-ol B (voie 2) et le 2-méthyl-

3-phénylpentan-3-ol C (voie 3).

On observe par ailleurs, lors de la réaction entre la cétone et l’organomagnésien, un dégagement gazeux.

Justifier la formation de C par un mécanisme. Quelle est la nature de la transformation de A en B.

Exercice 3

Compléter les réactions suivantes, en indiquant les mécanismes.

1. C 6 H 5 2 CH 3 Li^ A COOH

O 1/ BrCH 2 COOEt, Zn^ H,^ Δ 2/ H 3 O B KOH^ [C] H 2 O, - CO 2

D, C 11 H (^20)

3. C^6 H^5 COOH

SOCl2 (^) E (C^6 H^5 )^2 Cd^ F

Exercice 4 Compléter en justifiant vos réponses (en proposant des mécanismes) Cl-(CH 2 ) 3 -C (^) N (^) reflux du xylèneC^6 H^5 MgBr A^ C^6 H^5 MgBr / H^2 O N

C 6 H 5 C 6 H (^5) H Exercice 5 Le bromure d’allylmagnésium réagit sur l’acroléine (ou propèn-2-al) pour donner, après l’hydrolyse, un produit unique A. Le chauffage de A conduit à B, qui est réduit par C 6 H 5 Li en un produit C. Le chauffage de C en présence de traces d’iode conduit à D, C 12 H 14. Donner les structures des produits A à D et les mécanismes réactionnels de chaque étape sauf la dernière.

Exercice 6 Compléter l’enchaînement réactionnel suivant

1- O^ 1- BrZnCH^2 CH=CHCO^2 CH^3 2- H 3 O^ A^

2CH 3 Li B

BrMg OEt C 1- H2- H^2 , Pd/C^ D

O

O

MgBr (^) HCl, H 2 O 2- F

Les réactions concertées

LES RÉACTIONS CONCERTÉES

I- GÉNÉRALITÉS

I-1- Définition

Les réactions concertées sont des réactions dont les processus sont à étape unique. Le mot «concerté»

signifie qu’il y a un seul état de transition et donc qu’aucun intermédiaire n’intervient dans le processus. A

l’état de transition, la création et la rupture de liaisons se déroulent en même temps. Ces réactions sont

regroupées dans une catégorie de réactions appelée réactions péricycliques.

I-2- Réactions péricycliques

Une réaction péricyclique est caractérisée par une modification des relations entre liaisons sous forme d’une

réorganisation concertée continue des électrons. Les réactions péricycliques passent par des états de

transition cyclique. Les réactions de cycloaddition font partie de cette classe de réactions.

I-3- Mécanisme des réactions péricycliques

La compréhension du mécanisme des réactions péricycliques est due à Woodward et Hoffmann qui ont

admis que les propriétés de symétrie des orbitales directement mises en jeu déterminaient le déroulement de

ce type de réactions.

I-4- Règles de Woodward et Hoffmann

Les règles de sélection des réactions de cycloaddition peuvent être déduites de l’étude de l’aromaticité de

l’état de transition. Pour les cycloadditions [4+2] suprafacial-suprafacial, l’état de transition est aromatique.

Pour les cycloadditions [2+2], le mode suprafacial-suprafacial est anti-aromatique tandis que le mode

suprafacial-antarafacial est aromatique.

Les règles généralisées de Woodward et Hoffmann pour la cycloaddition sont résumées ci-dessous :

Règles de sélection pour les cycloadditions m+n

m+n Supra-supra Supra-antara Antara-antara

4n Interdite Permise Interdite

4n+2 Permise Interdite Permise

Les réactions concertées

II-LES RÉACTIONS DE CYCLOADDITION

Les réactions de cycloaddition aboutissent à la formation d’un nouveau cycle à partir de deux molécules

mises en réaction. Le mécanisme de ces réactions est un processus concerté. Un mécanisme concerté

nécessite qu’un état de transition unique; Au Cours de ces réactions, il n’y a donc pas d’intermédiaires

réactionnels caractérisables par ses propriétés chimiques ou physiques.

On peut citer deux exemples importants de cycloaddition se déroulant habituellement selon un mécanisme

concerté:

• La réaction de Diels-Alder

X X^ X

+

• La cycloaddition dipolaire

B C

A

X

B

A

C X

A

C

B

X

+

Soient deux polyènes conjugués de p et q atomes de carbones respectivement. On appelle cycloaddition

[p+q], la réaction de cyclisation résultant de la création de deux liaisons simples C1-C1’et Cp-Cq, formation

accompagnée de la disparition concomitante de deux doubles liaisons.

1 2

1'

• (^) 2' cycloaddition [2+2]

3 4

5' 6'

1 2

3' 4'

1' 2'

1'

• 2'

3 4

1 (^2) +

cycloaddition [4+2]

cycloaddition [4+6

Les cycloadditions [4+2] sont connues sous le nom de réactions de Diels-Alder.

Les réactions concertées

A- LA RÉACTION DE DIELS-ALDER

A-l- Caractéristiques générales

La cyclocondensation des diènes et des alcènes (diénophiles) est une méthode très utile de formation de

cyc1ohexènes substitués. Cette réaction est appelée réaction de Diels-Alder (Otto Diels et de Kurt Alder,

chimistes allemands). La réaction de Diels-Alder est une cycloaddition [4π+2π]. Elle est dite cycloaddition

[4π+2π] parce que 4 électrons π venant du diène et 2 électrons π venant de l’alcène (communément appelé

diénophile). Le mécanisme de la réaction est un mécanisme concerté.

+

A-2- Aspects stéréochimiques des réactions de Diels-Alder

a- Conformation des diènes

Les diènes conjugués peuvent adopter deux conformations notées s-cis et s-trans. La conformation s-trans

est en général plus stable que la conformation s-cis. Mais l’état de transition d’une réaction concertée

nécessite que le diène adopte la conformation s-cis. Le diène et le diénophile s’approchent l’un de l’autre

dans des plans à peu près parallèles. Un diène qui ne peut adopter la conformation s-cis ne peut pas donner

de réaction de Diels-Alder.

b- Les diénophiles

Les composés présentant un niveau de réactivité élevé en tant que diénophile doivent posséder au moins un

substituant fortement attracteur d’électrons sur la liaison double ou triple carbone-carbone. Les dérivés

alkylés sont des diénophiles réputés médiocres.

c- Cinétique : règle d’Alder

La règle d’Alder stipule que la réaction s’effectue plus facilement (ou est accélérée) avec un diène riche en

électrons (substitué par des atomes ou groupe d’atomes donneurs d’électrons) et un diénophile pauvre en

électrons (substitué par des atomes ou groupe d’atome attracteurs d’électrons).

d- Stéréo spécificité de la réaction de Diels-Alder

L’expérience montre que l’action du butadiène sur le butène-2 est stéréo spécifique syn. Lors d’une réaction

de Diels-Alder, le diène et le diénophile s’approchent dans deux plans parallèles afin de permettre un

recouvrement axial ( approche supra-supra ).

+

+

(méso ou cis)

(thréo ou trans racémique)

(cis ou Z)

(trans ou E)

Δ

Δ

Les réactions concertées

e- Régiosélectivité

Outre la stéréo spécificité syn., la réaction de Diels-Alder est régiosélective. Cette régiosélectivité de la

réaction de Diels-Alder est sensible à la nature des substituant portés par le diène et le diénophile.

A priori, la cycloaddition de deux composés dissymétriques peut donner deux adduits différents résultant des

deux orientations relatives possibles des produits de départ.

+

tBu

CO 2 CH 3

tBu

CO 2 CH 3

tBu

• CO 2 CH 3 produit majoritaire

La régiosélectivité ne semble pas être gouvernée par l’effet stérique, puisque dans la réaction, le produit

majoritaire est le plus encombré (deux substituants adjacents).

Dans le cas de la cycloaddition de deux composés dissymétriques, les deux orientations possibles peuvent

conduire :

+

tBu tBu

CO 2 Me

tBu CO 2 Me CO 2 Me

tBu

• CO 2 Me

ou

(I)

(II)

On obtient environ 70% de (I) pour 30% de (II), ce qui semble en désaccord avec le contrôle stérique. C’est

donc le contrôle orbitalaire qui fournit la réponse en cherchant la liaison qui se forme en premier le plus

facilement et qui bloque ainsi l’orientation.

Devant la complexité des diagrammes des orbitales moléculaires, on peut se contenter d’une approche dans

la théorie de la mésomérie :

t-Bu (^) t-Bu , soit t-Bu

3 (^14)

2 δ+ (^) δ−

MeO O MeO O

, soit MeO 2 C

δ+

effet donneur

effet attracteur

6 5

Les effets électrostatiques ne semblent pas non plus en cause puisqu’on obtient la même sélectivité que l’on

ait un groupe donneur (OEt) ou un groupe attracteur (CN) sur le diène.

Les réactions concertées

EtO CO 2 CH (^3) EtO CO 2 CH 3 EtO

CO 2 CH 3

NC CO 2 CH 3 NC CO 2 CH 3 NC

CO 2 CH 3

+ +

+ +

non observé

84% 16%

f- Stéréosélectivité : règle de l’endo

Pour un diénophile non symétrique, deux orientations stéréochimiques par rapport au diène sont possibles.

Les deux orientations possibles, appelées endo et exo sont illustrées dans le schéma ci-dessous. La réaction

de Diels-Alder peut donc conduire à deux composés d’addition diastéréoisomères, dénommés endo et exo.

Dans l’état de transition endo, le substituant de référence sur le diénophile est orienté vers les orbitales π^ du

diène. Dans l’état de transition exo, l’orientation du substituant s’éloigne du système π. Le mode d’addition

endo est habituellement favorisé quand un substituant insaturé, comme un groupe carbonyle est présent sur le

diénophile.

L’expérience montre que sous contrôle cinétique, un seul produit est obtenu: c’est le produit endo. C’est une

observation pratiquement systématique dite « règle de l’endo». Dans des conditions de contrôle

thermodynamique, c’est le produit exo qui est majoritaire car il est plus stable que le composé endo.

H X

H 3 C

Y

CH 3

X H

H 3 C

Y

CH 3

addition endo

addition exo

CH 3

CH 3

H H^ Y

X

CH 3

CH 3

X Y^ H

H

X

H 3 C

Y

CH 3

H 3 C

X CH 3

Y

Addition endo et exo lors d'une réaction de Diels-Alder

Envisageons la réaction du cyclopentadiène avec l’anhydride maléique. On peut à priori deux types de

stéréochimie pour le cycloadduit :

Les réactions concertées

O

O

O

O

O

O

approche exo

approche endo

O

H H

O

O

H H

O^ O

O

produit minoritaire exo

produit majoritaire endo

L’addition de diénophiles sur le cyclopentadiène, par exemple, favorise habituellement le stéréoisomère

endo, même s’il est plus encombré. Les prévisions stéréochimiques s’appuyant sur la règle d’Alder se font,

en général, en disposant le diène et le diénophile de telle façon que tout substituant insaturé du diénophile

recouvre le système π du diène.

Plusieurs facteurs contribuent à déterminer le rapport endo/exo de chaque cas spécifique, par exemple les

effets stériques, les interactions dipôle-dipôle et les forces de dispersion de London.

Les interprétations s’appuyant sur les orbitales moléculaires font valoir les interactions orbitalaires

secondaires entre les orbitales π du (des) substituant(s) du diénophile et la liaison π se formant entre C2 et

C3 du diène. Il y a peu d’exception à la règle d’Alder, dans la plupart des cas, la préférence pour l’isomère

endo est relativement modeste.

g- Interprétation de la règle de l’endo

La seule méthode qui permet d’expliquer la formation plus vite du composé endo le moins stable est la

méthode des orbitales frontières. Ceci peut, en général, s’interpréter par des interactions secondaires

favorables entre orbitales frontières, ne faisant pas intervenir les atomes de carbone directement dans la

formation du nouveau cycle.

Exercice d’application

Préciser la régiosélectivité de la réaction :

• CO^2 Me

EtO ?

Solutions

Dans :

EtO δ+ COOCH 3