Lernzettel: Réactivité et synthèse des amines

📋 Plan du Cours

1. Objectifs, organisation et évaluation du module
2. Réactivité des amines : sites électrophiles et nucléophiles
3. Propriétés acido-basiques des amines
4. Réactivité des amines : nucléophilie de l’azote
5. Synthèse des amines par substitution et réduction
6. Acides carboxyliques et dérivés : structure et réactivité
7. Substitution nucléophile : addition puis élimination
8. Alcènes : structure, stéréochimie et réactions d’addition
9. Oxydation des alcènes : époxydation, KMnO4, ozonolyse
10. Alcynes : structure, réactivité et hydratation

📖 1. Objectifs, organisation et évaluation du module

🔑 Notions clés & Définitions

• XLG4CU020 Chimie organique 2 : Module de Licence 2 portant sur les grandes réactions de la chimie organique et leurs mécanismes.
• David Deniaud : Enseignant responsable du module, joignable par e-mail et téléphone indiqués dans la fiche.
• CM et TD : Deux formats d’enseignement du module, avec cours magistraux puis travaux dirigés.
• Addition, élimination, substitution électrophile, nucléophil : Familles de réactions utilisées pour structurer l’étude des réactions en chimie organique.
• Réactivité des amines : Thème du chapitre 1 centré sur les facteurs qui contrôlent le comportement réactionnel des amines.

📝 Points essentiels

• Le module dure 16 h et comprend 6 séances de CM et 6 séances de TD.
• L’évaluation vaut 2 ECTS, avec un examen comptant pour 60% et un contrôle continu pour 40%.
• L’examen est anonyme et se déroule pendant les semaines 18-19-20.
• Le contrôle continu est annoncé à 40% avec une période indiquée comme semaine 14.
• Le planning prévoit CM de la semaine 3 à 8 et TD de la semaine 6 à 12, avec arrêt des enseignements en semaine 9 (du 20/02 au 29/02).
• Les chapitres couvrent : réactivité des amines, réactivité des acides et dérivés, alcènes, puis alcynes.

💡 Astuce mémo

CM d’abord (sem. 3-8) puis TD (sem. 6-12) : on chevauche pour passer du cours à la pratique ; examen 60% (sem. 18-20) vs CC 40% (sem. 14).

📖 2. Réactivité des amines : sites électrophiles et nucléophiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Site nucléophile azote : Un site nucléophile est la zone de l’amine capable d’attaquer un centre électrophile grâce au doublet non-liant de l’azote.
• Site électrophile N-H : Un site électrophile correspond à la polarisation de la liaison N–H qui rend l’amine susceptible d’être déprotonée ou d’interagir avec une base forte.
• Amphotère amine : Une amine est amphotère car elle peut se comporter à la fois comme base (protonation) et comme acide faible (déprotonation de N–H+).
• Mésomérie aniline : La mésomérie de l’aniline délocalise la paire électronique, ce qui réduit la disponibilité du doublet pour réagir avec un proton ou un électrophile.
• Élimination d’Hofmann : L’élimination d’Hofmann est une β-élimination en milieu basique chaud qui conduit préférentiellement à l’alcène le moins substitué.

📝 Points essentiels

• Les amines tertiaires sont seulement accepteurs de liaisons hydrogène, ce qui explique leurs températures d’ébullition plus élevées que celles des alcanes mais plus faibles que celles des alcools correspondants.
• La polarisation de la liaison N–H rend les amines faiblement acides, car la déprotonation est difficile sans base très forte.
• Les alcools sont plus acides que les amines car le pKa de ROH2+/ROH est environ -2, alors que les amines nécessitent une base beaucoup plus forte pour être déprotonées.
• La basicité augmente avec la classe de l’amine (effet +I des substituants alkyles) sauf pour les amines tertiaires où l’encombrement diminue l’accessibilité de l’azote.
• L’aniline est moins acide et moins basique que les amines aliphatiques car la mésomérie rend le doublet moins disponible pour les réactions acido-basiques.
• La nucléophilie de l’azote permet l’alkylation via une substitution SN1 ou SN2 selon le substrat R’-X, avec formation possible d’un mélange d’amines et de sels d’ammonium.

💡 Astuce mémo

Nucléophile = doublet sur N ; Électrophile = N–H polarisé ; Hofmann = base chaude + β-élimination → alcène le moins substitué.

📖 3. Propriétés acido-basiques des amines

🔑 Notions clés & Définitions

• Base AgOH : Base utilisée classiquement pour réaliser des transformations sur les amines, via Ag2O dispersé dans l’eau.
• Élimination régiosélective inverse Zaitsev : Élimination où la formation de l’alcène le moins substitué est favorisée quand plusieurs H en β sont possibles.
• Ion nitrosyle NO+ : Espèce électrophile formée en milieu acide à partir du nitrite de sodium, responsable de la diazotation des amines.
• Sel de diazonium R-N2+ : Intermédiaire instable issu de l’attaque de l’amine primaire sur NO+, puis hydrolysé pour donner l’alcool.
• Réaction de Sandmeyer : Réaction des amines aromatiques via un ion aryldiazonium stable, permettant une transformation en présence d’un autre réactif que H2O.

📝 Points essentiels

• AgOH est classiquement préparé avec Ag2O dans H2O pour servir de base dans les réactions d’élimination.
• Quand plusieurs H en position β existent, l’élimination donne préférentiellement l’alcène le moins substitué (inverse Zaitsev).
• La diazotation repose sur la nucléophilie du doublet de l’azote d’une amine primaire sur l’ion nitrosyle NO+ en milieu acide.
• La diazotation passe par un sel de diazonium R-N2+ instable, ensuite hydrolysé pour conduire à un alcool.
• Avec une amine secondaire, la diazotation mène à une nitrosamine.
• Avec une amine tertiaire, il n’y a pas de réaction de diazotation dans ce cadre réactionnel mentionné ici.

💡 Astuce mémo

Inverse Zaitsev = « moins substitué d’abord » ; Diazo primaire = NO+ → diazonium R-N2+ → hydrolyse → alcool.

📖 4. Réactivité des amines : nucléophilie de l’azote

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléophilie de l’azote : La nucléophilie de l’azote décrit la capacité du doublet non liant de l’azote à attaquer un centre électrophile.
• Doublet non liant : Le doublet non liant est une paire d’électrons sur l’atome d’azote qui peut être engagée dans une attaque nucléophile.
• Mésomérie n-σ-π : La mésomérie n-σ-π est une délocalisation du doublet non liant vers une fonction carbonyle, stabilisant l’ensemble et diminuant la réactivité.
• Stabilisation du doublet : La stabilisation du doublet non liant réduit sa disponibilité pour attaquer, ce qui diminue la nucléophilie apparente.

📝 Points essentiels

• Plus la stabilisation par mésomérie du doublet non liant est importante, moins l’azote est nucléophile.
• La délocalisation n-σ-π diminue la basicité et la capacité d’attaque nucléophile sur les électrophiles.
• Un carbonyle associé à un groupe partant X est moins électrophile qu’un carbonyle d’aldéhyde ou de cétone.
• Selon l’électronégativité de X, la forme mésomère est plus ou moins marquée, donc la réactivité varie.
• La réactivité d’un centre carbonylé dépend de la capacité du groupe X à retirer/relâcher de la densité électronique via mésomérie.
• Tableau comparatif : plus la stabilisation du doublet non liant augmente → nucléophilie et basicité diminuent ; moins de stabilisation → nucléophilie et basicité augmentent.

💡 Astuce mémo

Mésomérie = doublet « rangé » : plus c’est délocalisé, moins ça attaque.

📖 5. Synthèse des amines par substitution et réduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Substitution nucléophile acyle : Réaction d’acides et dérivés où un nucléophile s’additionne puis un groupe partant s’élimine, donnant un nouveau dérivé ou un produit final.
• Chlorure d’acide : Dérivé d’acide carboxylique très réactif, utilisé pour rendre l’estérification et d’autres substitutions plus efficaces.
• LiAlH4 : Réducteur à base d’hydrure de lithium et d’aluminium, fournissant un nucléophile H− pour réduire des esters vers des alcools.
• NaBH4 : Borohydrure de sodium, réducteur à nucléophile H− utilisé pour réduire des fonctions carbonylées selon la réactivité du substrat.
• Hydrolyse des dérivés d’acides : Transformation où un dérivé d’acide réagit avec l’eau pour revenir à l’acide carboxylique, via une addition puis élimination.

📝 Points essentiels

• En estérification, le milieu acide n’est pas indispensable si on part d’un chlorure d’acide, car le dérivé est déjà très réactif.
• Avec un alcool (ROH) comme nucléophile, la réaction est lente et souvent incomplète si on ne choisit pas un dérivé activé comme le chlorure d’acide.
• Pour la réduction d’un ester vers un alcool, le nucléophile H− est fourni en milieu basique par LiAlH4 (source de H−).
• Avec NaBH4, la réduction des esters est possible mais le mécanisme ne permet pas de s’arrêter à l’aldéhyde, car l’aldéhyde est plus réactif que l’ester.
• Réduction des amides et des nitriles : elle conduit à des amines, contrairement à la réduction d’esters qui mène à des alcools.
• Pour l’hydrolyse en milieu acide, le nucléophile est l’eau, donc la réactivité dépend fortement du type de dérivé d’acide utilisé.

💡 Astuce mémo

H− pour réduire : LiAlH4/NaBH4 = H− attaque → addition puis élimination ; eau = hydrolyse vers acide ; chlorure d’acide = substitution facile sans milieu acide.

📖 6. Acides carboxyliques et dérivés : structure et réactivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Stéréochimie Z/E : La stéréochimie Z/E décrit la disposition relative des substituants sur une double liaison, en distinguant les configurations Z et E.
• Alcène : Un alcène est un composé insaturé possédant une double liaison $\pi+\sigma$ entre deux carbones $sp^2$.
• Régiosélectivité : La régiosélectivité indique quelle orientation de l’addition conduit majoritairement au produit, selon la stabilité de l’intermédiaire formé.
• Règle de Markovnikov : La règle de Markovnikov prédit que, lors de l’addition de $HX$ sur un alcène dissymétrique, l’atome de halogène se fixe sur le carbone le moins hydrogéné via un carbocation plus stable.
• Addition anti-Markovnikov : L’addition anti-Markovnikov correspond à une orientation opposée à Markovnikov, donnant majoritairement un produit issu d’un mécanisme radicalaire.

📝 Points essentiels

• Un alcène a pour formule générale $C_nH_{2n}$ et sa double liaison rend la molécule plane car les deux carbones sont $sp^2$.
• Les alcènes $E$ sont plus stables que les alcènes $Z$, et plus la double liaison est substituée, plus l’alcène est stable (tendance de Zaitsev).
• La double liaison est peu polarisée mais polarisable, ce qui favorise des réactions d’addition.
• Lors de l’addition électrophile, l’alcène agit comme nucléophile et l’espèce électrophile se fixe sur la double liaison.
• L’hydrohalogénation ($HX$) est régiosélective et non stéréospécifique : elle donne un mélange d’isomères avec toutes les configurations possibles.
• En hydrohalogénation, l’orientation majoritaire dépend du carbocation le plus stable : carbocation IIIaire > IIaire > Iaire (Markovnikov).

💡 Astuce mémo

Z = Same side (même côté) ; E = Entente (opposé) ; Markovnikov = carbocation le plus stable (III > II > I) ; radicalaire = anti-Markovnikov.

📖 7. Substitution nucléophile : addition puis élimination

🔑 Notions clés & Définitions

• Substitution nucléophile : Réaction où un nucléophile attaque un site électrophile puis un groupe partant est éliminé pour former le produit final.
• Addition nucléophile : Étape initiale où le nucléophile se fixe sur l’atome électrophile, créant un intermédiaire réactionnel.
• Élimination : Étape finale où le groupe partant quitte l’intermédiaire, ce qui régénère une structure stable et libère le produit.
• Intermédiaire réactionnel : Espèce transitoire formée après l’addition, qui conditionne la vitesse et la stéréochimie de la transformation.
• Stéréochimie non stéréospécifique : Cas où la réaction ne conserve pas une configuration unique, donnant un mélange d’isomères (souvent racémique).

📝 Points essentiels

• Le schéma général suit addition du nucléophile puis élimination du groupe partant pour atteindre le produit.
• La réaction passe par un intermédiaire réactionnel, et la stabilité de cet intermédiaire influence le passage par l’espèce la plus stable.
• Quand la réaction est non stéréospécifique, on obtient un mélange d’isomères avec toutes les configurations possibles.
• La stéréochimie observée dépend de la façon dont l’intermédiaire est formé et de la possibilité de réarrangements configuratifs pendant la transformation.
• Le produit final résulte de la combinaison des deux étapes : fixation (addition) puis départ (élimination).

💡 Astuce mémo

Addition = Nu se fixe ; Élimination = groupe partant s’en va (Nu → intermédiaire → produit).

📖 8. Alcènes : structure, stéréochimie et réactions d’addition

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrogénation : Réaction d’addition de H2 sur un alcène, qui correspond à une réduction.
• Pd/C : Catalyseur de surface constitué de palladium porté sur charbon, utilisé pour l’hydrogénation des alcènes.
• Syn-addition : Stéréochimie d’une addition où les deux atomes ajoutés arrivent du même côté de la double liaison.
• Bromonium : Intermédiaire cyclique ponté formé lors de l’halogénation d’un alcène par Br2.
• Époxydation : Oxydation d’un alcène par peracide conduisant à un époxyde, précurseur de diols après ouverture.

📝 Points essentiels

• L’hydrogénation se fait par adsorption de H2 sur le catalyseur (ex. Pd/C) puis transfert vers l’alcène.
• L’hydrogénation est stéréospécifique en syn-addition : les deux H s’ajoutent du même côté, donnant un seul couple d’énantiomères.
• L’halogénation par Br2 passe par la formation d’ions pontés (bromonium) avant une attaque nucléophile.
• L’halogénation est stéréospécifique en trans-addition : les deux Br se retrouvent de part et d’autre, avec un seul couple d’énantiomères par ion ponté.
• Lors de l’halogénation, l’attaque nucléophile peut aussi se faire sur l’autre carbone du bromonium, ce qui produit deux dérivés dibromés en quantités égales (mélange racémique).
• L’époxydation par peracide transforme un alcène (Z ou E) en un seul couple d’énantiomères via un époxyde issu de l’addition stéréospécifique.

💡 Astuce mémo

Syn = même côté (H2/Pd-C) ; Br2 → bromonium → trans ; peracide → époxyde tendu → diol après ouverture.

📖 9. Oxydation des alcènes : époxydation, KMnO4, ozonolyse

🔑 Notions clés & Définitions

• Époxydation : Réaction d’oxydation d’un alcène par un peracide qui forme un époxyde via une syn-addition stéréospécifique.
• Syn-addition : Mode de réaction stéréospécifique où les deux atomes ajoutés arrivent du même côté de la double liaison.
• KMnO4 : Réactif oxydant dont la concentration détermine le type de produits obtenus à partir d’un alcène.
• Ozonolyse : Coupure oxydante d’un alcène par l’ozone qui transforme la double liaison en dérivés carbonylés.

📝 Points essentiels

• L’oxydation d’un alcène par peracide conduit à une syn-addition stéréospécifique donnant un seul couple d’énantiomères.
• Avec KMnO4, l’oxydation par la forme peroxydée/concentrée conduit à des produits différents selon l’alcène de départ.
• KMnO4 concentré permet d’obtenir des cétones ou des acides carboxyliques selon la structure de l’alcène initial.
• L’ozonolyse produit des dérivés carbonylés après coupure oxydante de la double liaison par O3.
• En ozonolyse, le passage par un aldéhyde s’accompagne d’un hydroperoxyde qui peut ensuite être oxydé en acide carboxylique.
• Pour s’arrêter au stade aldéhyde en ozonolyse, on utilise un réducteur comme Zn dans CH3CO2H ou le diméthylsulfure Me2S, donnant ZnO et Me2S=O.

💡 Astuce mémo

Syn = même côté (époxyde) ; KMnO4 : concentré → cétones/acides ; O3 : coupure → carbonyles, arrêt aldéhyde avec Zn/CH3CO2H ou Me2S.

📖 10. Alcynes : structure, réactivité et hydratation

🔑 Notions clés & Définitions

• Addition HX sur alcyne : Réaction d’addition électrophile d’un halogénure d’hydrogène sur une triple liaison, conduisant à un dérivé dihalogéné.
• Règle de Markovnikov : Règle de régiosélectivité selon laquelle l’addition se fait de façon à former d’abord le carbocation le plus stable.
• Addition Br2 : Réaction d’halogénation des alcynes par Br2, passant par un intermédiaire bromonium puis une substitution nucléophile.
• Addition H2 (hydrogénation) : Réaction de réduction des alcynes par H2, pouvant s’arrêter à l’alcène ou aller jusqu’à l’alcane selon les conditions.
• Hydratation acide (H2O) : Addition de H2O sur l’alcyne en milieu acide, donnant des cétones via un équilibre céto-énolique.

📝 Points essentiels

• L’addition de HX sur un alcyne est plus réactive que sur l’alcyne, et on utilise un excès de HX pour obtenir un dérivé dihalogéné.
• Le mécanisme d’addition HX passe par un carbocation, et la régiosélectivité suit Markovnikov via la stabilité du carbocation formé.
• L’halogénation des alcynes par Br2 suit le même type de mécanisme que pour les alcènes, avec difficulté d’arrêt au stade alcène.
• Pour obtenir un dérivé tétrabromé, on emploie un excès de Br2 car l’alcène formé est plus réactif que l’alcyne.
• L’addition de Br2 est stéréosélective anti, correspondant à une trans-addition.
• L’hydrogénation des alcynes par H2 est une réduction et le mécanisme est analogue à celui des alcènes, avec difficulté d’arrêt au stade alcène sans conditions adaptées.

💡 Astuce mémo

Anti = trans (bromonium → SN) ; Markovnikov = carbocation le plus stable ; arrêt à l’alcène = catalyseur Lindlar (Pd empoisonné).

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Nucléophilie et basicité selon la stabilisation du doublet

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre site nucléophile (doublet non-liant sur N) et site électrophile (polarisation de la liaison N–H) dans les réactions d’amines.
2. Croire que l’aniline est plus basique que les amines aliphatiques : la mésomérie rend le doublet moins disponible.
3. Mélanger Z/E (stéréochimie des alcènes) avec la régiosélectivité de Markovnikov : l’hydrohalogénation est régiosélective mais non stéréospécifique.
4. Penser que l’hydrohalogénation conserve une configuration unique : le cours indique un mélange d’isomères avec toutes les configurations possibles.
5. Oublier que l’élimination d’Hofmann (base chaude) donne préférentiellement l’alcène le moins substitué (inverse Zaitsev).
6. Croire qu’on peut arrêter l’ozonolyse au stade aldéhyde sans réducteur : le cours impose Zn dans CH3CO2H ou Me2S.
7. Penser qu’avec NaBH4 on s’arrête à l’aldéhyde lors de la réduction d’un ester : le cours dit que l’aldéhyde est plus réactif que l’ester, donc pas d’arrêt.

✅ Checklist Examen

1. Savoir définir et distinguer site nucléophile azote, site électrophile N–H, et expliquer l’amphotérie des amines.
2. Savoir relier polarisation N–H et caractère faiblement acide des amines, puis comparer alcools vs amines via pKa (ROH2+/ROH ≈ -2).
3. Savoir prédire l’évolution de la basicité avec la classe de l’amine (effet +I, encombrement des tertiaires) et le cas particulier de l’aniline (mésomérie).
4. Savoir décrire l’alkylation des amines (SN1/SN2 selon R’-X) et l’inconvénient : mélange d’amines et de sels d’ammonium.
5. Savoir décrire la diazotation : NO+ à partir du nitrite en milieu acide, attaque d’une amine primaire, passage par sel de diazonium R-N2+ puis hydrolyse en alcool.
6. Savoir distinguer diazotation selon le type d’amine : amine secondaire → nitrosamine, amine tertiaire → pas de réaction dans ce cadre, amine aromatique → ion aryldiazonium et Sandmeyer.
7. Savoir expliquer la réaction des amines avec dérivés carbonylés : chlorures d’acyles → amides (milieu basique), cétones/aldéhydes → imines (milieu acide).
8. Savoir associer les réactifs de synthèse/réduction des amines aux fonctions : LiAlH4 (donneur H−) pour esters→alcools et amides/nitriles→amines ; NaBH4 pour réduction des fonctions carbonylées selon le cours.
9. Savoir reconnaître les dérivés d’acides (X = O–H, O–R, O–CO–R, Cl, NRR’, SR) et relier la mésomérie n-σ-π à la baisse de nucléophilie/basicité et à la réactivité du carbonyle.
10. Savoir appliquer le schéma addition puis élimination (substitution nucléophile) aux acides et dérivés : mécanisme en milieu acide vs basique/neutre selon le nucléophile.
11. Savoir traiter les alcènes : formule CnH2n, stabilité Z/E (Zaitsev), hydrohalogénation (Markovnikov, non stéréospécifique) et addition radicalaire (anti-Markovnikov, mélange racémique).
12. Savoir traiter les alcènes/oxydations : hydratation (milieu acide vs hydroboration anti-Markovnikov), hydrogénation (Pd/C, syn-addition), bromation (bromonium, trans-addition et mélange racémique si attaque sur l’autre C
13. époxydation (peracide, syn-addition stéréospécifique) et ozonolyse (Zn/Me2S pour arrêter au stade aldéhyde).
14. Savoir traiter les alcynes : pKa RC≡CH/RC≡C– ≈ 25, addition HX (excès pour dihalogéné, Markovnikov via carbocation), addition Br2 (excès pour tétrabromé, anti/trans), hydrogénation (difficulté d’arrêt, Lindlar pour arrêt