Substitutions nucléophiles et mécanismes

Les réactions en chimie organique se déroulent généralement sous contrôle cinétique, ce qui signifie que le produit majoritaire est celui qui se forme le plus rapidement.

Dans une substitution nucléophile SN2, le nucléophile attaque directement le carbone portant le groupe partant, provoquant une inversion de Walden. La vitesse de réaction dépend à la fois de la concentration du nucléophile et du substrat: v = k$Nu$$R-X$. Ce mécanisme est favorisé avec des dérivés halogénés primaires ou secondaires et des nucléophiles forts.

Pour une substitution nucléophile SN1, le mécanisme se déroule en deux étapes: d'abord la formation d'un carbocation, puis l'attaque du nucléophile. La vitesse ne dépend que de la concentration du substrat: v = k$R-X$. Ce mécanisme n'est pas stéréosélectif et se produit typiquement avec des dérivés secondaires ou tertiaires dans des solvants polaires protiques.

💡 Rappelle-toi cette règle simple: plus le carbone est encombré, plus il favorisera un mécanisme SN1. Plus le nucléophile est fort, plus il favorisera un mécanisme SN2.

Éliminations et compétition SN/E

La β-élimination est une réaction où un groupe partant et un hydrogène situés sur deux carbones adjacents sont éliminés, formant une liaison π. Pour qu'elle se produise efficacement, H et le groupe partant doivent être en position antipériplanaire.

Les réactions d'élimination sont stéréosélectives et stéréospécifiques, car l'orientation spatiale des groupements détermine la géométrie du produit. Généralement, l'alcène le plus stable (le plus substitué) sera formé majoritairement, suivant la règle de Zaitsev.

Lorsqu'un réactif est à la fois nucléophile et basique (comme HO⁻ ou RO⁻), une compétition entre substitution et élimination peut se produire. Plusieurs facteurs influencent cette compétition:

• La température (↑ T° favorise l'élimination)
• L'encombrement stérique (favorise l'élimination)
• La force nucléophile/basique du réactif

Réactions avec les alcools

Les alcools sont de mauvais groupes partants, donc ils doivent être activés avant de participer à des réactions SN ou E. On peut les activer par:

• Formation d'un alcoolate par réaction acide/base
• Transformation en ester sulfonique comme le tosylate
• Déshydratation intramoléculaire (formation d'alcènes)

💡 La méthode que tu choisis pour activer un alcool détermine souvent le type de réaction qui suivra!

Synthèses d'éthers et d'halogénoalcanes

La déshydratation des alcools en milieu acide permet de synthétiser:

• Des alcènes (déshydratation intramoléculaire): R-OH → R=C + H₂O
• Des éthers-oxydes (déshydratation intermoléculaire): 2 R-OH → R-O-R + H₂O

La synthèse de Williamson est une méthode efficace pour former des éthers:

R-OH + Base → R-O⁻
R-O⁻ + R'-X → R-O-R' + X⁻

Pour cette réaction, il faut:

• Utiliser une température ambiante $pour éviter la β-élimination$
• Choisir un solvant polaire aprotique comme le DMSO
• S'assurer que R'-X n'est pas trop encombré

Pour synthétiser des halogénoalcanes à partir d'alcools, deux méthodes principales:

• Réaction directe avec un hydracide (HBr, HCl, HI)
• Passage par un ester sulfonique (comme le tosylate), qui transforme OH en un excellent groupe partant

💡 Le chlorure de tosyle (TsCl) est sélectif des alcools primaires à cause de l'encombrement stérique. C'est très utile pour les transformations sélectives!

Organomagnésiens et création de liaisons C-C

Les organomagnésiens mixtes (réactifs de Grignard) sont des outils puissants pour créer des liaisons carbone-carbone. Ces composés présentent deux propriétés fondamentales:

• Ce sont des bases fortes (pKa ≈ 50)
• Ce sont d'excellents nucléophiles

La synthèse et l'utilisation des organomagnésiens nécessitent des précautions particulières:

• Utiliser un garde à CaCl₂
• Introduire R-X goutte à goutte
• Travailler en milieu anhydre avec de la verrerie sèche
• Effectuer l'hydrolyse finale avec une solution de NH₄Cl

Les organomagnésiens réagissent avec divers électrophiles:

• Aldéhydes → alcools secondaires
• Cétones → alcools tertiaires
• CO₂ → acides carboxyliques
• Esters → alcools tertiaires

Un cas particulier: les organomagnésiens acétyléniques se préparent par réaction acido-basique entre un alcyne vrai (pKa ≈ 25) et un organomagnésien mixte.

💡 Souviens-toi que les réactifs de Grignard sont sensibles à l'humidité! Un seul contact avec l'eau et ton réactif est détruit par protonation.

Réactions d'oxydoréduction en chimie organique

L'oxydation des alcènes permet d'obtenir:

• Des diols par traitement avec OsO₄ (dihydroxylation stéréospécifique)
• Des aldéhydes/cétones par coupure oxydante (NaIO₄ ou HIO₄)

L'oxydation des alcools suit une progression logique selon leur classe:

• Alcools primaires → aldéhydes → acides carboxyliques
• Alcools secondaires → cétones
• Alcools tertiaires → pas d'oxydation directe possible

La réduction des composés carbonylés par les hydrures métalliques est régiosélective et chimiosélective:

• NaBH₄ réduit uniquement les groupes carbonyle en alcools
• LiAlH₄, plus réactif, réduit également les esters et acides carboxyliques

Le mécanisme de réduction implique l'addition nucléophile de l'ion hydrure H⁻ sur le carbone du carbonyle, suivie d'une protonation lors de l'hydrolyse.

💡 NaBH₄ est plus sélectif que LiAlH₄, ce qui le rend utile quand tu veux réduire uniquement certaines fonctions dans une molécule complexe!

Protection des groupes fonctionnels

La protection temporaire de groupes fonctionnels est essentielle lors de synthèses multi-étapes pour éviter les réactions parasites.

Pour protéger les alcools:

• En éther benzylique (Bn): protège l'alcool par la synthèse de Williamson, déprotection par hydrogénation catalytique douce
• En éther silylé (TBS, TBDPS): protection sélective, déprotection par TBAF

Pour protéger les diols:

• Formation d'acétals cycliques en présence de catalyseur acide (APTS) et avec un montage de Dean-Stark
• Déprotection par hydrolyse acide

Pour protéger les cétones et aldéhydes:

• Formation d'acétals avec des diols ou des alcools en milieu acide
• Déprotection par hydrolyse acide aqueuse

Cette stratégie permet de réaliser des transformations sélectives sur d'autres groupes fonctionnels de la molécule avant de régénérer la fonction protégée.

💡 Le choix judicieux d'un groupe protecteur dépend non seulement de la fonction à protéger, mais aussi des conditions réactionnelles que la molécule subira par la suite!