1. Généralités

Les dérivés halogénés sont des composés qui possèdent une liaison carbone-halogène. L'halogène pouvant être le fluor, le chlore, le brome ou l'iode. Plus on descend dans la classification périodique et plus l'atome d'halogène est gros. Plus l'atome d'halogène est gros et plus la liaison carbone-halogène est faible et donc facile à rompre.

1.1 La liaison carbone-halogène

C’est une liaison polarisée selon :

Il est à noter que de façon générale, en chimie organique, la lettre X représente un halogène quelconque à savoir le fluor, le chlore, le brome ou l'iode.

Les composés bromés et chlorés sont largement utilisés pour préparer des magnésiens (voir le chapitre sur les organométalliques). Quant au fluor on l'utilise sous la forme du groupe -CF3 qui présente des propriétés électroniques particulières. En effet, dans le cas de -CF3, on note un effet inductif attracteur particulièrement important.

Conséquence pratique sur l'acidité : CF3SO3H est plus acide que son homologue CH3SO3H à cause de cet effet inductif attracteur.

1.2 Préparation des dérivés halogénés

  • Substitution radicalaire à partir d’un alcane : C’est une méthode qui permet à partir, d’un alcane et de dichlore, de former un dérivé halogéné. Cependant cette méthode de synthèse possède un inconvénient de taille. En effet, cette substitution radicalaire n’est pas sélective et forme le produit désiré ainsi que des isomères. En conclusion, ce n’est pas une méthode de choix pour la synthèse de dérivés halogénés.

  • Addition d’un hydracide sur un alcène (pour plus de détails, voir le chapitre sur les alcènes) : A noter que selon les conditions utilisées on peut avoir une addition anti-Markovnikov (par voie radicalaire, c’est l’effet Karash) ou une addition classique.

  • Halogénation d’un alcool (pour plus de détails, voir le chapitre sur les alcools et phénols) :

 

2. Nucléophile et nucléophilie

            La nucléophilie est reliée à l'énergie de l'orbitale moléculaire la plus haute occupée (HOMO) d'une base. Ainsi; RSH est plus nucléophile que RNH2, plus nucléophile que ROH. Cependant, RO- est plus basique que RS-.

La nucléophilie baisse suivant l'augmentation de l'électronégativité de l'atome qui attaque l'électrophile. Ainsi, on peut établir les règles suivantes :

            Dans une même colonne de la classification on a : (O est plus électronégatif que S [XO = 3.5 > XS = 2.5], il est donc moins nucléophile)

La nucléophilie d'un hétéroatome atome augmente si il est attaché à un hétéroatome identique, c'est ce que l'on appelle l'effet a (du au chevauchement des orbitales autour du centre nucléophile et de l'atome voisin qui possède lui aussi des paires d'électrons libres) :

 

3. Substitutions nucléophiles

Les dérivés halogénés sont des espèces capable de réagir avec des entités possédant une paire d'électrons non liant (un anion ou une molécule neutre possédant un doublet libre, comme un atome d'azote par exemple) de façon à éliminer l'halogène en le remplaçant par cette nouvelle entité. C'est ce que l'on appelle une substitution nucléophile : il en existe de plusieurs sortes qui sont décrite ci-après. En chimie organique, on note le nucléophile par l'abréviation 'Nu'. Un nucléophile est aussi une base de Lewis, c'est-à-dire une entité qui possède une paire libre d'électrons.

La réaction de substitution nécessite quelques explications quant au vocabulaire utilisé. On a vu que le nucléophile est l'espèce entrante. L'halogène qui va partir est quant à lui appelé nucléofuge ou plus simplement groupe partant (Leaving Group, pour les anglo-saxons). Les nucléophiles sont classés par "force" et il en va de même pour les groupes partant. Ainsi, pour qu'une réaction de substitution ait lieu dans les meilleures conditions, il faut un très bon groupe partant et un très bon nucléophile.

Pour qu'un groupe partant soit le meilleur possible, il faut que la liaison carbone-groupe partant soit la plus faible possible. Cette liaison est la plus faible pour X = I > Br > Cl > F (Plus l'halogène est gros et plus la liaison est faible).

Les halogènes ne sont pas les seuls bons groupes partant, d'autres groupes tels que les mesylates, tosylates et autres sulfonates sont de très bons groupes partant :

Le groupe mésylate que l'on représente souvent avec l'abréviation 'Ms'.

Le groupe triflate abrégé par 'Tf'. Dire que le groupe triflate est un bon groupe partant n'étonnera personne car on a dit, plus haut, qu'à cause de l'effet inductif attracteur lié au fluor, la liaison O-R est d'énergie plus faible.

Le groupe Tosylate abrégé par 'Ts'.

On peut donc classer les groupes partant de la façon suivante : OTs > I > Br ~ H2O > Cl >> F.

3.1 Type SN1

Lors de cette substitution, le dérivé halogéné est séparé en deux espèces. D'une part un carbocation, qui va réagir avec le nucléophile pour former le produit que l'on veut, d'autre part un ion halogène. Dans ce type de réaction il n'y a pas de conservation de stéréochimie possible car on passe par un carbocation. Donc si on fait la substitution sur un carbone asymétrique, on forme un mélange racémique. Les meilleurs solvants sont protiques car ils permettent de solvater l'ion halogène par liaisons hydrogènes.

L'étude cinétique, nous montre que la réaction de SN1 est d'ordre globale 1 : v = k [RNu].

Diagramme énergétique de la réaction de SN1 :

Le diagramme ci-contre représente ce qui se passe réellement dans la réaction de SN1. On considère que l’énergie du produit formé est plus basse que l’énergie du composé de départ. Donc le produit formé est plus stable. Il est dans un premier temps nécessaire de fournir l’énergie EA1, nécessaire à aller jusqu’au premier état de transition dans lequel X s’éloigne du radical R, ce qui forme le carbocation. Puis, à partir du carbocation, on fourni l’énergie EA2, qui est l’énergie nécessaire pour atteindre le second état de transition dans lequel le nucléophile se rapproche du carbocation. Conclusion : D’après ce diagramme, EA1 > EA2, donc la première étape (formation du carbocation) est l’étape lente. Deuxièmement, c’est un mécanisme en deux étapes.

3.2 Type SN2

Dans ce cas le nucléophile approche du côté opposé au groupe partant, et passe par un étape de transition comme représenté ci-dessous. Il y a alors ce que l'on appelle une inversion de Walden . Donc si d'après les règles de priorité de Cahn-Ingold-Prelog, la numérotation des groupements entrant et sortant est la même, alors on aura inversion de configuration. La réaction de type SN2 se fait le plus facilement sur un groupe méthyle (exemple : CH3-I), que sur un dérivé halogéné primaire (exemple : CH3CH2-I), que sur un secondaire (exemple : (CH3)2CH-I). En revanche pour des raisons d'encombrement stérique, la réaction ne peut pas avoir lieu sur des dérivés halogénés tertiaires (exemple : (CH3)3C-I).

L'étude cinétique nous montre que la réaction de SN2 est d'ordre globale 2 : v = k [RNu][X-].

Diagramme énergétique de la réaction de SN2 :

Le diagramme ci-contre représente ce qui se passe réellement dans la réaction de SN2. On considère que l’énergie du produit formé est plus basse que l’énergie du composé de départ. Donc le produit formé est plus stable. C’est un mécanisme concerté, il est donc nécessaire de fournir l’énergie nécessaire pour atteindre l’état de transition dans lequel le nucléophile n’est pas encore lié au carbone, et dans lequel le groupe partant n’est pas encore totalement dissocié du carbone.

3.3 Type SN2'

Substitution pour les systèmes allyliques.

3.4 Aromatique

On peut aussi faire des substitutions sur des cycles aromatiques, avec formation d'arynes intermédiaires. Ces espèces sont réactives et réagissent immédiatement avec le milieu.

3.5 Allylique

Lors de ces réactions il se forme un carbocation qui va se réarranger grâce à la double liaison. On va donc obtenir un mélange de deux composés.

  • Sur les systèmes vinyliques, on remarque que la substitution de type SN2 n'est pas possible. Quand à la SN1 elle n'est elle aussi pas possible car elle nécessite le passage par un cation trop élevé en énergie.

Cas particulier:

Dans ce cas la SN1 est impossible car elle impliquerait le passage par un carbocation pyramidal, or un carbocation, c'est plan.
La SN2 n'est pas possible non plus car le substrat est trop encombré pour espérer une quelconque inversion de Walden.
Conclusion : sur ce dérivé halogéné, il n'y a pas de SN1 ni de SN2 possible.

 

4. Eliminations

Les réactions d'élimination et de substitution sont compétitives. En règle générale, on obtient, en fonction des conditions opératoires, la réaction d'élimination (ou de substitution) avec en plus un produit issu de la réaction de substitution (ou d'élimination).

Les bases fortes favorisent un mécanisme de type E2 par rapport à un mécanisme de type E1, mais elles favorisent aussi l'élimination par rapport à la substitution. Dans un solvant non ionisant, avec une forte concentration en base forte les mécanismes bimoléculaires de type E2 prédominent par rapport au mécanisme SN2. A faibles concentrations en bases ou en l'absence de base, et dans un solvant ionique c'est un mécanisme de type unimoléculaire qui est favorisé, la SN1 prédomine par rapport à la E1.

4.1 Type E1

Passage par un carbocation, donc réarrangement possible.

4.2 Type E1cb

Passage par un carbanion. Le meilleur exemple d'élimination selon un mécanisme E1cb est la dernière étape lors de la réaction de Knoevelagel.

Pour cette réaction deux mécanismes sont possibles :

4.3 Type E2

Réaction concertée, avec approche de la base en anti du groupement partant -X.

Elimination sur les systèmes cycliques : On a vu que l'élimination E2 se fait selon un mécanisme anti. C'est-à-dire que la base vient arracher un proton en position anti périplanaire par rapport au groupe partant. Ce qui veut dire que le proton arraché par la base doit se trouver dans le même plan que le groupe partant. Le cas des cyclohexanes illustre bien cette élimination.

  1. Le chloré cyclohexanique A existe sous la forme de deux conformères chaise B et C. Le conformère B est le plus stable car c'est celui dans lequel les groupements les plus volumineux sont en position équatoriale. Cependant, dans le conformère B, ni les protons en rouge, ni même le proton en vert, ne sont en position anti périplanaire par rapport au groupement partant (l'atome de chlore). L'élimination ne peut donc pas avoir lieu directement. En revanche sur le conformère chaise inverse C, le proton en vert devient en position anti périplanaire par rapport au groupement partant, donc l'élimination peut avoir lieu pour donner l'alcène D. Le problème c'est que l'équilibre entre les deux conformères B et C est déplacé en faveur du conformère B dans lequel il n'y a pas d'interactions 1,3-diaxiale. Donc cette réaction d'élimination est très difficile.

  1. Concernant le chloré cyclohexanique E la situation est quelque peu différente. En effet, dans ce composé, seul le conformère F est le plus stable (l'autre n'est pas représenté). Sur ce conformère deux protons en rouge sont en position anti périplanaire par rapport au groupement partant. Conclusion, la base peut venir au choix arracher l'un ou l'autre de ces deux protons. Dans un cas cela conduira au composé G (75%) et dans l'autre cas au composé H (25%). Il y a donc toujours un mélange d'alcènes. L'alcène G étant formé majoritairement et ceci en conformité avec la règle de Zaïtsev, qui dit que l'on forme l'alcène le plus substitué.

Enfin, d'un point de vue expérimentale, on constate que la réaction d'élimination sur le chloré E est 200 fois plus rapide que sur le chloré A et ceci simplement parce que dans le cas de E, le conformère F possède deux protons en position anti périplanaire, alors que dans le cas du chloré A il faut passer par la forme chaise inverse afin de trouver un proton en position anti périplanaire et dans ce cas on a le conformère D qui n'est pas favorisé pour des raisons d'interaction 1,3-diaxiale.

  • Exemple : Selon les conditions opératoires, on observe une différence de proportion. Car dans chaque cas la force de la base n'est pas la même. Donc le mécanisme de l'élimination n'est pas le même. Dans un cas on passe par un mécanisme E1 (formation d'un carbocation et donc la réaction répond à la règle de Zaïtsev), alors que dans l'autre c'est plus un mécanisme de type E1cb ou E2.

  • Exemple d'élimination régiosélective : Une élimination se fait en anti. Or si on désire que l'élimination se fasse de façon régiosélective il faut contrôler la stéréochimie du groupe partant, pour cela il peut être nécessaire de faire quelques modifications sur la molécule avant de procéder à l'élimination proprement dite.

Dans la première étape on transforme la fonction hydroxyle en groupe tosylate qui est un meilleur groupe partant. Puis on fait, dans la seconde étape, une SN2. Pour finir par une élimination en anti. Le proton (en rouge) au pied du groupe méthyle n'est plus en anti du groupe partant, on a donc fait une élimination régiosélective.

En conclusion de tout cela, on constate qu'il y a toujours une compétition entre la réaction de substitution et la réaction d'élimination. En effet, lors d'une élimination par un alcoolate, on a certes une base qui va permettre une élimination, mais on a aussi un bon nucléophile, qui va pouvoir se substituer au nucléofuge.

Les solvants protiques sont des solvants tels que l'acide acétique, le cyclohexanol, l'éthanol, l'eau, et autres alcools. Ces solvants sont capables de former des liaisons hydrogène, de protoner des anions, mais surtout ils sont très ionisants ce qui convient bien à la réaction de SN1. Les solvants protiques assistent le départ du nucléofuge par formation de pont hydrogène.

5. Fragmentation de Grob

Cette fragmentation de Grob est un cas particulier d'élimination, par rupture d'une liaison carbone-carbone via un mécanisme concerté (Grob Helv. Chim. Acta. 1955, 38, 594).

·        Concrètement :

Exemples en synthèse : (Pour d'autres exemples voir entre autre Schreiber et al. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6163).

 

6. Dérivés dihalogénés

Un dérivé dihalogéné possédant deux halogènes vicinaux (voisins) peut réagir avec du Magnésium ou du Zinc pour donner l'organométallique intermédiaire qui va se réarranger par une réaction d'élimination.

 

7. Réduction des dérivés halogénés

  • La réduction par le nickel de Raney permet de faire une réduction chimiosélective entre un dérivé chloré et une fonction nitrile. Par ailleurs, on remarque que cette réaction de réduction est plus facile avec I > Br > Cl.

  • Réduction par le Zinc :

  • Réduction par action d'un hydrure selon un mécanisme de type SN2 :

  • Réduction radicalaire

  • Réduction par action des métaux dissout

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Pour aller plus loin ...
Données spectroscopiques sur les dérivés halogénés