Notions de cours

conditions expérimentales en orga: Pb Acide/base

Les notions apprises en chimie des solutions sont tout à fait applicables en chimie organique. Mais si en solution aqueuse, tous les acides de couples de pKa négatifs sont nivelés à l'état H⁺ , et toutes les bases de couples de pKa supérieur à 14 sont nivelés à l'état OH^- , en chimie organique, dans des solvants non aqueux, les propriétés acido-basiques sont comparables dans des domaines de pKa beaucoup plus vastes. Ainsi, il sera courant de comparer un couple de pKa = 20 avec un autre de pKa  = 25...

Il est bon de connaître des ordres de grandeur de pKa pour un certain nombre d'espèces A/B.

Voici une échelle donnant une bonne idée des ordres de grandeurs des pKa des espèces les plus courantes en orga:

On rappelle ici que la force d'un acide est liée à la stabilité de sa base conjuguée : pour comparer deux acides, on compare les stabilités des bases conjuguées et donc en particulier si possible la délocalisation de la charge. Plus une charge est délocalisée, plus l'espèce chargée est stable, et plus l'acide associé est fort.

On peut donc arracher un H acide à un produit organique de façon quantitative avec une base de pKa supérieur. Toutefois, une réaction A/B peu avancée pourra en chimie organique produire une quantité suffisante de réactif instable, donc très vite consommé, ce qui déplacera la réaction A/B qui finit par devenir quantitative.

 Pour obtenir les bases les plus fortes, on est obligé d'utiliser des méthodes redox faisant intervenir des métaux réducteurs, produisant H₂ à partir du proton arraché.

On rappelle ici quelques exemples de votre cours de chimie organique mettant en évidence les propos ci-dessus. vous pourrez pointer directement sur ces exemples par les liens ci-contre, à gauche.


Obtention de la base associée d'un alcyne vrai: on a les deux solutions:


ou

La réaction est totale car l'organomagnésien est assimilable à R'^- , base conjuguée de RH, dans un couple de pKa = 40

ou
R - C ≡ C - H  +   NH₂^-   →   R - C ≡ Cl^-   +   NH₃      (en milieu anhydre )  , réaction totale avec toute base de pKa >25
(méthode peu courante...)

Les alcoolates On peut les obtenir  par l'action du sodium comme ci-dessus avec l'alcyne vrai.
R-O-H    +    Na    ->    RO^-  , Na⁺   +  1/2  H₂ 
                                    alcoolate de sodium

Ils détruisent les organomagnésiens comme les alcynes vrai ( mais cette méthode trop coûteuse n'est pas utile en synthèse ) .

  R-O-H   +   R'-Mg-Br    ->    R-O-MgBr    +   R'-H        Réaction A/B totale  K= 10²²
                                              Ce sel de magnésium n'est pas utile car il neprésente pas de propriété nucléophile intéressante . L'action de l'eau sur ce sel de magnésium , en pH acide pour éviter la précipitation de Mg(OH)₂   redonne l'alcool par une réaction A/B à nouveau totale , c'est l'hydrolyse : 

R-O-MgBr    +    H⁺    -->   R-O-H    +   Mg²⁺    +    Br^-     Réaction A/B totale K=10¹⁸

 On préfère obtenir les alcoolates à faible coût par dissolution de potasse KOH dans l'alcool pur . La solution est de la potasse alcoolique. Compte tenu des pKa , la réaction souhaitée pour obtenir l'alcoolate présente une contante faible:

OH^-  +   RO-H    <=>    H₂O    +    RO^-             K= 10^-18 /  10^-14  =  10^-4

Mais, même avec un avancement faible, cet équilibre est déplacé par la consommation de RO^-   dans une réaction chimique se déroulant dans le milieu, par exemple une réaction de Williamson :

RO^-   +  R'-Br     ->    R-O-R'    +     Br^- 

Dans la réacton de Wittig  il faut arracher un H à un sel de phosphonium, pour obtenir l'ylure de phosphore. Le couple phosphonium / ylure présente un pKa très élevé de sorte que seules des bases de type R-NH^-  ou   R^- conviendront. Il faut adapter le solvant à  de telles bases. Il doit être bien sûr aprotique, ou donner une base conjuguée aussi active que la base introduite.

Ainsi dans la réaction de Wittig une base courante est le n butyl lithium ou Bu^- Li⁺ dans le DMSO ou diméthyl sulfoxyde ou (CH₃ )₂ S=O  .
En réalité , le pKa de  Bu^-  est suffisant pour arracher un H au DMSO par une réaction quasi quantitative:

Bu^-    +    (CH₃ )₂ S=O    <=>     BuH      +  (CH₂ )^-  (CH₃ ) S=O    et c'est cette base DMSO^-  qui est la base active capable d'arracher le proton de l'ylure de phospsore.

Pour exploiter les propriétés nucléophiles des amines  , on se place communément en présence d'une base faible, mais néanmoins légèrement plus forte que l'amine nucléophile , et non nucléophile elle-même, en effet, si nous analysons le mécanisme:
                         base (10)                       acide (10)           base(10,2)         base(10)            ampholyte (6.3 et 10,2)

Entre parenthèses on trouve les pKa des espèces en jeu.

La base utilisée ici (carbonate) , non nucléophile par rapport aux dérivés halogénés, est proposée en excès. C'est la base la plus forte du milieu, en plus grande quantité, et elle consommera les protons de l'acide formé à l'issue de la SN. L'amine nucléophile n'est donc jamais engagée de façon totale dans un équilibre A/B qui supprimerait ses propriétés nucléophiles.
On utilise aussi couramment,à la place d'un carbonate, la pyridine ou une amine tertiaire , toutes les deux non nucléophiles et légèrement plus basiques.

La situation est plus délicate lorsqu'une catalyse acide est nécessaire, alors que l'on souhaite exploiter les propriétés nucléophiles des amines. C'est le cas pour l'addition d'une amine sur un carbonyle pour donner une imine substituée:

H⁺ + R-NH₂    <=>   R-NH₃⁺ pKa = 9,2

H⁺ + C=O <=> C=OH⁺ pKa » -8

Les espèces actives dans les mécanismes envisagés sont R-NH₂ et C=OH⁺ …qui n'ont pas de domaine commun…

La première étape , la plus lente se produit entre ces deux espèces, dont le produit des concentrations est maximal à pH 4 à 5. On remarquera qu'à ce pH les deux espèces sont largement minoritaires dans le milieu.

On se place donc à un pH aux alentours de 4-5, qui est le pH optimum (c'est un compromis...du genre le moins pire...) . Le mécanisme est rappelé ci dessous:

L'imine obtenue est en général solide et sa précipitation  déplace tous les équilibres vers la droite de sorte que la réaction atteint tout de même un bon rendement...

Lors des actions nucléophiles par un énolate, l'énolate est obtenu par action de la potasse alcoolique sur l'aldéhyde ou la cétone utilisée. La base active est l'alcoolate:
OH^-    +     R-OH     <=>      H₂O     +     RO^-       K=10^-2 
RO^-     +     R'-CH₂-COH     <=>       ROH     +    R'-CH^--COH       K=10^-4
alcoolate                                                                   énolate

On pourra retrouver l'ordre de grandeur des valeurs de pKa grâce à l'échelle proposée en début de page.

Malgré le faible avancement des deux réactions, on parvient à réaliser la réaction d'aldolisation dans ces conditions, par consommation de la base conjuguée par addition nucléophile sur le carbonyle ou SN sur un dérivé halogéné.

Toutefois, si l'on souhaite une réaction A/B totale, (voir échelle de pKa) , on peut utiliser un amidure voire un alcanure.
R-NH^-     +     R'-CH₂-COH     <=>       R-NH₂     +    R'-CH^--COH       K=10⁺¹⁴

Les deux méthodes sont utilisées.

On remarquera que dans le cas de dicétones (pKa=9)  ou dialdéhydes (pKa= 5) , de la potasse alcoolique suffit amplement (voire de la soude aqueuse, s'il n'y a pas de soucis particuliers de solvatation) .
Dans le cas des diesters, l'alcoolate relatif au groupe ester est imposé pour ne pas induire de saponification (avec la soude ou potasse par exemple). L'éthanolate est particulièrement bien indiqué, obtenu par action de Na par exemple.

Les hydrures métalliques LiAlH₄ ,  NaBH₄  , LiH ou NaH sont utilisés en général pour leurs propriétés nucléophiles, mais ce sont aussi des bases, conjuguées de H₂ .
Se pose alors le problème du choix du solvant . LiAlH₄  , LiH , et NaH ne tolèrent pas de solvant protique, c'est à dire pas de solvant présentant la moindre acidité : seuls les éthers et les alcanes conviennent.
 NaBH₄  présente quant à lui une basicité inférieure à celle des alcoolates de sorte qu'il tolère parfaitement les alcools comme solvant.
Même si basicité et nucléophilie sont des phénomènes indépendants, on remarquera tout de même que  NaBH4 est aussi le moins nucléophile puisqu'il ne sait pas réagir avec les esters mais seulement avec les aldéhydes et cétones.

Si une molécule dont on veut réduire le groupe C=O présente aussi une fonction acide carboxylique, il est à retenir que la première réaction de l'hydrure consistera en une réaction A/B avec le groupe COOH pour donner COO^- et un dégagement de dihydrogène. Tous les protons ayant réagi, alors dans un deuxième temps, l'excédent (nécessaire) d'hydrure pourra agir comme nucléophile (en général tout ceci se produit avec LiAlH₄ )

Donc dans une première étape, se produit une réaction A/B :

La deuxième étape, a lieu in situ , mais ne peut néanmoins avoir lieu que lorsque toutes les fonctions acides carboxyliques ont été "neutralisées". Il faut donc mettre l'aluminohydure de lithium en excès (double) pour pouvoir réaliser la réduction de la fonction cétone. Le tout est réalisé dans un solvant absolument aprotique (éther anhydre par exemple).