Généralités

Les réactions d'oxydation en chimie organique sont classées selon 5 catégories :

  • Les réactions faisant intervenir le départ d'atomes d'hydrogène :

  • Les réactions impliquant la rupture d'une liaison C - C :

  • Les réactions impliquant le remplacement d'un atome d'hydrogène par un atome d'oxygène :

  • Les réactions dans lesquelles un atome d'oxygène est ajouté au substrat :

  • Les réactions de couplage oxydant :

Le tableau ci-dessous résume l'état d'oxydation des différentes fonctions en chimie organiques. Les fonctions sont classées des moins oxydées vers les plus oxydées.

 

Les réactions faisant intervenir le départ d'atomes d'hydrogène

Il est à noter que la réaction se fait d'autant mieux que l'on part du cyclohexène ou du cyclohexadiène. La réaction conduit à un composé aromatique c'est-à-dire un gain d'énergie. La réaction se fait en présence d'un composé capable de réagir avec l'hydrogène formé, évitant à celui-ci de réagir avec le composé aromatique formé.

Les réactions d'oxydation les plus connues faisant intervenir le départ d'atomes d'hydrogène sont les réactions d'oxydation des alcools :

Pour faire ces oxydations il existe un très grand nombre d'agents d'oxydation, dont voici un bref résumé :

  • Oxydation au chrome : A noter que le chrome est un composé toxique et polluant donc on l'utilise de moins en moins. Les composés chromés suivants sont classés du plus oxydant au moins oxydant. Les plus oxydants oxyderont les alcools primaires directement en acides carboxyliques, tandis que les moins oxydants permettront de s'arrêter à l'aldéhyde.

Abréviation

Nom / Notes

Formule développée

H2SO4 / CrO3

Réactif de Jones

 

CrO3 / Pyridine

Réactif de Collins

 

PCC

Pyridinium ChloroChromate

PDC, DMF

Pyridium DiChromate : Dans ce cas on va jusqu'à l'acide carboxylique.

PDC, CH2Cl2

Dans ce cas on s'arrête à l'aldéhyde.

 
    • Mécanisme de l'oxydation au chrome : c'est un mécanisme faisant intervenir une b-élimination.

  • Oxydation de Moffat :

Oxydation de Dess – Martin : Le réactif de Dess – Martin permet d'oxyder un alcool en dérivé carbonylé. Il est couramment utilisé pour oxyder les alcools primaires en aldéhyde, mais il existe quelques exemples d'oxydation d'alcools secondaires en cétones. Le détail du mécanisme est donné au chapitre sur les alcools.

Plusieurs avantages sont à noter :

  • Large gamme de solvants d'utilisation (Dichlorométhane, Toluène, Benzène, …).
  • Ce sont des conditions d'oxydation douces, il n'y a pas de risque d'épimérisation d'un centre en a de l'alcool.
  • Le traitement de la réaction est facile, il suffit d'hydrolyser par NaHCO3 et Na2S2O3.
  • Contrairement aux oxydations de Swern et Moffat, c'est inodore

La préparation du réactif de Dess - Martin (DMP pour Dess - Martin Periodinane) se fait à partir de l'acide ortho-iodo benzoïque :

Récemment, Santagostino et ses collaborateurs ont apportés une modification à la première étape cette préparation (J. Org. Chem. 1999, 64, 4537-4538). En effet, ils préconisent l'utilisation de 1.3 équivalent d'oxone (2KHSO5/KHSO4/K2SO4) dans l'eau à 70°C pendant 3 heures. Cette méthode présente un avantage considérable, puisqu'elle permet de s'affranchir de l'utilisation de KBrO3 qui est un agent cancérigène et surtout on évite la formation de Br2 qui est très toxique.

A noter que l'IBX, formé au cours de la préparation, peut lui aussi être utilisé comme agent d'oxydation. Néanmoins ce réactif présente l'inconvénient de ne pouvoir s'utiliser que dans le DMSO, d'un autre côté des mélanges avec des cosolvants (THF, AcOEt, CH3CN, …) sont possibles.

Cependant ce réactif d'oxydation est très intéressant à deux égards : (Wirth, T.; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2812-2814.)

  • L'IBX est capable d'oxyder des alcools sur des substrats comportant des fonctions amines et sulfures, ce qui n'est pas toujours le cas du DMP.
  • L'IBX est capable d'oxyder un diol-1,2 en dicétone ou en céto-alcool, alors que la plupart du temps le DMP rompt la liaison C-C des diols-1,2.

Dans le même ordre d'idée il est possible d'oxyder, avec l'IBX, des diols 1,4 ce qui conduit à l'obtention de g-lactols. Ce qui était jusqu'àlors impossible en une seule étape. Corey et Palani, Tetrahedron Lett. 1995, 36, 3485.

Le grand avantage de l'IBX réside dans le fait de pouvoir oxyder des aminoalcools en dérivés amino-carbonylés et ceux-ci que l'on ait des amines primaires, secondaires, ou tertiaires. Dans le cas des amines primaires et secondaires, il est nécessaire de recourir à l'addition de 1-1.15 équivalent d'acide trifluoroacétique pour protoner l'azote. Dans le cas des amines tertiaire, bien que la protonation soit inutile, il est néanmoins conseillé d'y recourir afin de diminuer le temps de réaction.

L'autre avantage de l'IBX réside dans le fait qu'il puisse faire des réactions d'oxydation d'alcool directement en dérivé carbonylé a,b-insaturé (Nicolaou, K. .C.; Zhong, Y. –L.; Baran, P. S. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7596-7597).

Pour cela il est nécessaire d'ajouter un excès d'IBX, en effet l'opération se fait en deux étapes. La première consiste en une oxydation de l'alcool en dérivé carbonylé, et forme en même temps l'IBA (issu de la réaction de l'IBX avec l'alcool). L'IBA est un produit issu de l'oxydation, mais n'est pas une espèce oxydante. L'excès d'IBX permet donc se fixer sur la forme énol du carbonyle pour conduire à nouveau à la formation d'IBA mais aussi du carbonyle a,b-insaturé. Cette réaction n'est possible que si en b du carbonyle il y a un hydrogène.

  • Oxydation d'Oppenauer : Cette réaction permet d'oxyder un alcool en dérivé carbonylé (cétone ou aldéhyde) par action d'une base (Al(Oi-Bu)3) en présence d'une cétone (ici l'acétone). A noter que dans cette réaction, la cétone est réduite alors que l'alcool est oxydé.

Mécanisme

Le même type de réaction existe aussi sous le nom de réduction de MeerweinPondorfVedleg et permet de réduire un carbonyle en alcool en présence d'un alcool (souvent l'isopropanol).

  • Réactions d'époxydation : Les époxydes peuvent être formés de deux façons, soit par action d'un agent d'oxydation sur une double liaison, soit par substitution nucléophile intramoléculaire.

Formation indirecte

Formation directe

Le mécanisme invoqué lors de la formation directe est un mécanisme de type électrophile. Il est possible d'accélérer la réaction en enrichissant la double liaison à l'aide de groupes donneurs d'électrons. En revanche si on a des groupes attracteurs d'électrons, alors la réaction est plus difficile avec les peracides usuels et il est nécessaire d'avoir recours à des peracides plus exotiques.

Les peroxydes sont eux aussi de très bons agents d'époxydation : (TBHP : tert-ButylHydroPeroxyde)

En effet dans le cas suivant l'utilisation d'un peroxyde permet d'oxyder la double liaison la plus riche en électrons, mais de plus si l'on avait utilisé un peracide une autre réaction compétitive aurait eu lieu.

Un dernier cas semble extrêmement intéressant, c'est le cas des alcools allyliques. En effet, il est possible d'oxyder ces alcools (voir l'époxydation de Sharpless dans le chapitre sur les alcools), mais surtout, par action d'une base on peut former un alcoolate qui va pouvoir réagir sur l'époxyde, c'est ce que l'on appelle le réarrangement de Payne (Payne, G. B. J. Org. Chem. 1962, 27, 3819).

 

 

Réaction impliquant la rupture d'une liaison C-C

Oxydation par le tétraoxyde de ruthénium (Sharpless et al, J. Org. Chem. 1981, 46/19, 3936-3938). Cette technique d'oxydation permet de transformer, par exemple, un cycle aromatique en un acide carboxylique.

Mais il est à noter que d'autres fonctions peuvent aussi subir une oxydation. Dans certaines conditions l'oxydation peut même être chimiosélective.

Dans ce cas le cycle aromatique n'est pas touché et ce à cause de la "faible" quantité de NaIO4.

Autre exemple :

D'autres exemples tout aussi surprenant et utilisant d'autres proportions en RuCl3.H2O et NaIO4, ont aussi été décrits. (Martin et al, J. Org. Chem. 1990, 55/6, 1928-1932)

Coupure oxydante de la double liaison

Coupure oxydante du diol. Attention, dans ce cas ni le centre asymétrique, ni l'aromatique ne sont touchés

Dans le cas suivant la nature des substituants sur l'aromatique intervient. Dans un cas on a une chaîne aliphatique avec un effet inductif donneur. Dans l'autre cas on a un carbonylé avec un effet mésomère attracteur. L'oxydation est donc chimiosélective.

  • Coupure de la liaison C-C dans le cas des diols :

Cas de la coupure oxydante d'une double liaison par action de tétraoxyde d'osmium OsO4, à noter que le métal est en quantité catalytique et qu'il est nécessaire de le régénérer en fin de réaction par action de periodate de sodium (NaIO4).

Mécanisme dans le cas de Pb(OAc)4 : Cette méthode marche bien sur les cycles dans le cas des diols cis et trans alors que HIO4 (ou NaIO4) ne marche que dans le cas des diols cis (car il y a formation d'un cycle avec l'iode, ce qui n'est pas le cas pour le plomb).

Rapidité de la réaction pour plusieurs diols :

A ce stade il apparaît important de faire un petit résumé: En effet il y a une différence entre dihydroxylation et coupure oxydante de la double liaison. Même si ce sont les mêmes réactifs il existe quelques différences dans les quantités utilisées.

La réaction A se fait en deux étapes :
1. Dihydroxylation de la double liaison par OsO4, comme dans le cas de B.
2. Le diol est ensuite coupé (clivé pour faire plus moderne) par NaIO4 qui en plus régénère OsO4.

Autre exemple (oxydation de Lemieux – Von Rudloff)

  • Coupure d'une double liaison C-C par l'ozone : Cette réaction a déjà été abordée dans le chapitre sur les alcènes. Dans la première étape il se forme un ozonide, l'ozonide est ensuite réduit pour donner divers dérivés.

En pratique, cette réaction s'effectue à –78°C où l'on fait buller, dans le milieu réactionnel, de l'oxygène contenant de l'ozone (à 3% ou plus). A bout de quelques minutes la solution devient bleue persistante. Ce qui signifie que l'ozone est en excès et que l'ozonide est formé, il ne reste plus alors qu'à le réduire.

 

Réactions impliquant le remplacement d'un hydrogène par un oxygène

  • Oxydation des composés aromatiques : Dans cette réaction on constate que peu importe la nature de la chaîne latérale (aliphatique), elle est coupée pour donner l'acide benzoïque.

Un oxydant plus doux permet quant à lui de s'arrêter à l'aldéhyde :

  • Oxydation des oléfines en aldéhyde ou cétone : Lorsque l'oléfine est l'éthylène, cette réaction porte le nom de procédé Wacker. CuCl2 est un cooxydant qui permet en fin de cycle catalytique de réoxyder le palladium.

Mécanisme du procédé Wacker, qui reste adaptable à tout autre type d'oléfines (dans le cas de l'éthylène, on obtient après oxydation l'éthanal) :

A noter que la réaction marche d'autant mieux que l'on a une oléfine la moins substituée possible. En effet le palladium se coordine le mieux sur une oléfine la moins substituée. De plus la réaction est régiosélective, le groupement hydroxyle (dû à l'introduction de l'eau comme nucléophile externe) vient se mettre sur le carbone le plus substitué.

  • Oxydation des amines en dérivés carbonylés :

Les amines primaires peuvent être oxydés en imines par action de l'ion Ag2+ formé in situ. L'imine intermédiaire est alors hydrolysé par NaOH pour donner le carbonylé correspondant. De la même façon on peut partir d'une amine pour obtenir un dérivé gem-dihalogéné. La seule condition consiste à partir d'une amine primaire avec des chaînes R1 et R2 alkyle primaire.

 

Réaction où un oxygène est ajouté au substrat

  • Oxydation du soufre en sulfoxyde et en sulfone

Chose importante à noter, les sulfoxydes sont des composés chiraux. Le soufre du sulfoxyde est un centre asymétrique (ou centre stéréogène), on aura donc deux énantiomères (ou deux diastéréoisomères si la molécule de départ est chirale).

L'oxydation du sulfoxyde en sulfone est plus difficile à faire, c'est pour cette raison que l'on isole facilement les sulfoxydes.

  • Réaction de Baeyer-Villiger : Cette réaction forme un ester et c'est le groupement le plus riche en électrons qui migre. (tertiaire > cyclohexyle > secondaire > phényle > primaire > méthyle). Le réarrangement, aussi appelé migration [1,2], se fait avec une totale rétention de stéréochimie pour les groupes R1 et R2.

Mécanisme de la réaction :

 

Réactions de couplage oxydant

Les réactions de couplage oxydant les plus répandues sont des réactions de dimérisation :

Il y a dans ce cas formation d'une liaison S-S ce qui est important pour les protéines. On parle alors de pont disulfure. Le mécanisme de cette réaction est de type radicalaire, on va générer des radicaux RS° qui vont réagir entre eux pour former le produit de dimérisation

 

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