Chimie universitaire — 1re année · Bachelor Year 1

21Les organomagnésiens

La plupart des molécules organiques utiles comptent plus d’atomes de carbone que n’importe quelle matière première bon marché, et le problème central de la synthèse est de relier deux squelettes carbonés par une nouvelle liaison C–C. Dans un composé carboné, le carbone est presque toujours le partenaire pauvre en électrons d’une liaison — avec l’oxygène, avec un halogène — et deux carbones pauvres en électrons ne réagissent pas entre eux. Au tournant du vingtième siècle, un réactif préparé dans un seul ballon à partir d’un halogénoalcane et de magnésium a renversé la situation : son carbone est riche en électrons, c’est un nucléophile qui attaque le carbone d’un groupe carbonyle. Grâce à lui, on peut construire des alcools de presque tous les squelettes à partir de fragments plus petits. Ce chapitre montre comment on prépare ce réactif, pourquoi il exige un ballon parfaitement sec, sur quoi il s’additionne, et comment s’en servir pour planifier une synthèse.

Rappel

L’électronégativité (Chapitre 2) ; les acides et les bases de Lewis et la liaison dative (Chapitre 3) ; les nucléophiles, les électrophiles, les flèches courbes et l’échelle des $\mathrm{p}K_a$ des espèces organiques (Chapitre 18) ; la classe d’un alcool (primaire, secondaire, tertiaire) est celle de son carbone.

21.1 Préparer un réactif de Grignard

Définition 21.1 (Composé organométallique, réactif de Grignard)

Un composé organométallique comporte au moins une liaison carbone–métal. Un organomagnésien possède une liaison C–Mg ; le réactif de Grignard $\ce{RMgX}$ (X = Cl, Br, I), préparé à partir d’un halogénoalcane ou d’un halogénoarène et de magnésium dans un éther, $\ce{R-X + Mg -> R-MgX}$ , est le plus courant.

Le magnésium s’insère dans la liaison C–X. L’éther n’est pas un solvant innocent : dans $\ce{RMgX}$ , le magnésium n’est entouré que de quatre électrons de valence, et deux molécules d’éther lui cèdent leurs doublets non liants, ce qui complète son octet et maintient le réactif en solution.

Un réactif de Grignard dans l’éthoxyéthane (éther diéthylique). Les liaisons datives oxygène–magnésium expliquent pourquoi le réactif ne se forme que dans un éther ou dans une base de Lewis analogue.

Méthode 21.2 (Préparer un réactif de Grignard)

Sécher toute la verrerie à l’étuve ; munir le réfrigérant d’une garde à chlorure de calcium ; utiliser un éther anhydre.
Placer les tournures de magnésium et un peu d’éther dans un ballon tricol muni d’un réfrigérant, d’une ampoule de coulée et d’un agitateur.
Ajouter une petite portion de l’halogénure ; lorsque la réaction démarre (trouble, ébullition douce de l’éther), ajouter le reste goutte à goutte, à un rythme qui maintient un léger reflux.
Utiliser la solution aussitôt, dans le même montage sec.

Montage pour une réaction de Grignard : tout ce que l’air peut atteindre est séché. La vapeur d’eau de l’air est arrêtée par la garde ; le réfrigérant renvoie dans le ballon l’éther en ébullition.

Au laboratoire — Une réaction qui doit démarrer

Une préparation de Grignard refuse parfois de démarrer : le magnésium est recouvert d’une couche d’oxyde. Écraser une tournure avec un agitateur en verre, ajouter un cristal de diiode ou chauffer localement le ballon met à nu du métal frais. Une fois lancée, la réaction est exothermique et l’éther bout de lui-même ; on ralentit alors l’ajout pour éviter le débordement. L’éthoxyéthane bout à $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et sa vapeur est très inflammable : aucune flamme dans le laboratoire, et un bain de glace à portée de main.

21.2 Une base forte et un nucléophile

Définition 21.3 (Inversion de polarité)

L’électronégativité du magnésium (1.31) est bien plus faible que celle du carbone (2.55) : dans $\ce{R-MgX}$ , la liaison C–Mg est polarisée avec l’extrémité négative sur le carbone, qui se comporte comme un carbanion. Dans l’halogénure $\ce{R-X}$ , le même carbone était positif (X : 2.96 pour Br). Transformer un carbone électrophile en carbone nucléophile est une inversion de polarité.

Proposition 21.4 (Les réactifs de Grignard sont détruits par les hydrogènes acides)

Un réactif de Grignard réagit quantitativement avec l’eau, les alcools, les acides carboxyliques, les amines porteuses de liaisons N–H et les alcynes terminaux, en donnant l’alcane $\ce{R-H}$ : $\ce{RMgX + H2O -> R-H + Mg(OH)X}$ .

Démonstration. Le carbone de type carbanion est la base du couple $\ce{R-H}$ / $\ce{R^-}$ , et les alcanes sont de loin les acides les plus faibles de la chimie organique : on ne peut mesurer aucun départ de proton dans l’eau, où l’hydroxyde est la base la plus forte qui puisse exister (Chapitre 10, effet nivelant). Tous les acides de la liste sont beaucoup plus forts, et le transfert de proton vers $\ce{R^-}$ a une constante énorme : il est total et rapide. ∎

C’est la raison du montage sec : une goutte d’eau détruit une quantité égale de réactif. Transformé en atout, $\ce{CH3CH2MgBr + D2O}$ place un atome de deutérium exactement là où se trouvait le brome.

21.3 Additions sur les composés carbonylés et sur le dioxyde de carbone

Le carbone d’un groupe C=O est électrophile (Chapitre 18). Le réactif de Grignard lui ajoute son groupe R, le doublet $\pi$ de C=O passant sur l’oxygène ; une hydrolyse acide protone ensuite l’alcoolate.

Addition d’un réactif de Grignard sur une cétone (ou un aldéhyde, R'' = H) : le doublet de C–Mg forme la nouvelle liaison C–C pendant que le doublet π de C=O passe sur l’oxygène ; l’alcoolate de magnésium est protoné par un acide dilué dans une étape séparée. — Addition d’un réactif de Grignard sur une cétone (ou un aldéhyde, $\mathrm{R''} = \mathrm{H}$ ) : le doublet de C–Mg forme la nouvelle liaison C–C pendant que le doublet $\pi$ de C=O passe sur l’oxygène ; l’alcoolate de magnésium est protoné par un acide dilué dans une étape séparée.

Proposition 21.5 (Des alcools à partir des composés carbonylés)

Après hydrolyse acide, un réactif de Grignard $\ce{RMgX}$ donne : avec le méthanal, un alcool primaire $\ce{RCH2OH}$ ; avec un autre aldéhyde $\mathrm{R'CHO}$ , un alcool secondaire $\mathrm{RR'CHOH}$ ; avec une cétone $\mathrm{R'COR''}$ , un alcool tertiaire $\mathrm{RR'R''COH}$ . La nouvelle liaison C–C relie R à l’ancien carbone du carbonyle.

Démonstration. Le carbone du carbonyle conserve ses deux substituants et gagne R et un OH (venant de l’oxygène de l’alcoolate) : le méthanal apporte deux H, un aldéhyde un H et un groupe carboné, une cétone deux groupes carbonés. La classe de l’alcool est le nombre de groupes carbonés portés par ce carbone : un, deux ou trois. ∎

Proposition 21.6 (Des acides carboxyliques à partir du dioxyde de carbone)

Un réactif de Grignard versé sur du dioxyde de carbone solide donne, après acidification, l’acide carboxylique $\ce{RCOOH}$ , qui compte un carbone de plus : $\ce{RMgX + CO2 -> RCOOMgX}$ , puis $\ce{RCOOMgX + H3O+ -> RCOOH + Mg^2+ + X- + H2O}$ .

Démonstration. $\ce{CO2}$ est un composé carbonylé dont le carbone est attaqué comme celui d’une cétone ; le carboxylate formé est trop peu réactif pour additionner un second groupe R dans ces conditions (un carbonyle chargé négativement est un mauvais électrophile). L’acide le protone. ∎

21.4 Construire des squelettes carbonés

Méthode 21.7 (Planifier la synthèse d’un alcool)

Repérer le carbone qui porte le OH dans l’alcool cible.
Choisir l’un de ses groupes carbonés comme R (il viendra du réactif de Grignard, préparé à partir de $\ce{R-Br}$ ) ; le reste de la molécule, avec ce carbone sous forme de C=O, est le partenaire carbonylé.
Recenser les choix possibles (un par groupe carboné) et préférer celui qui fait appel à des réactifs simples et disponibles.
Vérifier qu’aucun des partenaires ne porte d’hydrogène acide ni de second carbonyle qui réagirait aussi.

Exemple 21.8 (Le 2-phénylbutan-2-ol)

Le carbone qui porte le OH porte un groupe phényle, un groupe méthyle et un groupe éthyle. Trois choix : le bromure de phénylmagnésium avec la butan-2-one ; le bromure de méthylmagnésium avec la 1-phénylpropan-1-one ; le bromure d’éthylmagnésium avec la 1-phényléthan-1-one (acétophénone). Les trois conviennent ; le dernier utilise deux des réactifs les plus courants.

Histoire des sciences — Victor Grignard

Le réactif porte le nom de Victor Grignard, qui, doctorant au tournant du vingtième siècle, découvrit que le magnésium se dissout dans une solution éthérée d’halogénoalcane et que la solution s’additionne sur les composés carbonylés. Sa simplicité — un métal, un solvant, un ballon — en fit la réaction de formation de liaison carbone–carbone la plus utilisée du siècle, et valut à son découvreur un prix Nobel de chimie. (Photographie, domaine public, Wikimedia Commons.)

21.5 Exercices

Exercice 21.1 ★

Écrire la préparation du bromure d’éthylmagnésium et du bromure de phénylmagnésium. Donner la polarisation de la liaison C–Br et de la liaison C–Mg, avec les électronégativités.

Solution

Solution de Exercice 21.1.

$\ce{CH3CH2Br + Mg -> CH3CH2MgBr}$ ; $\ce{C6H5Br + Mg -> C6H5MgBr}$ (dans l’éther anhydre). C–Br : Br (2.96) plus électronégatif que C (2.55), carbone positif. C–Mg : Mg (1.31) moins électronégatif, carbone négatif.

Exercice 21.2 ★

Que donne l’iodure de méthylmagnésium avec : l’eau ; l’éthanol ; l’acide éthanoïque ; l’oxyde de deutérium $\ce{D2O}$ ? Écrire les équations.

Solution

Solution de Exercice 21.2.

Eau : $\ce{CH3MgI + H2O -> CH4 + Mg(OH)I}$ . Éthanol : $\ce{CH3MgI + CH3CH2OH -> CH4 + CH3CH2OMgI}$ . Acide éthanoïque : $\ce{CH3MgI + CH3COOH -> CH4 + CH3COOMgI}$ . Oxyde de deutérium : $\ce{CH3MgI + D2O -> CH3D + Mg(OD)I}$ .

Exercice 21.3 ★

Donner le produit (après hydrolyse acide) du bromure d’éthylmagnésium avec le méthanal, l’éthanal, la propanone, le benzaldéhyde et le dioxyde de carbone. Donner la classe de chaque alcool.

Solution

Solution de Exercice 21.3.

Méthanal : propan-1-ol (primaire). Éthanal : butan-2-ol (secondaire). Propanone : 2-méthylbutan-2-ol (tertiaire). Benzaldéhyde : 1-phénylpropan-1-ol (secondaire). Dioxyde de carbone : acide propanoïque.

Exercice 21.4 ★

Pourquoi ne faut-il pas utiliser le 4-bromobutan-1-ol pour préparer un réactif de Grignard ?

Solution

Solution de Exercice 21.4.

Son groupe OH est assez acide pour détruire le réactif dès sa formation : la molécule se protonerait elle-même (ou ses voisines), en donnant l’alcoolate de magnésium du butan-1-ol, $\ce{CH3(CH2)3OMgBr}$ , qui n’est pas un réactif utilisable. Il faut d’abord protéger le groupe OH (le Chapitre 23 montre l’idée pour un aldéhyde).

Exercice 21.5 ★★

Écrire le mécanisme de l’addition du bromure de méthylmagnésium sur l’éthanal et de l’hydrolyse, avec les flèches courbes. Le produit est-il chiral ? Est-il obtenu sous forme d’un seul énantiomère ? Pourquoi ?

Solution

Solution de Exercice 21.5.

Le doublet de C–Mg attaque le carbone du carbonyle de l’éthanal, le doublet $\pi$ de C=O passant sur O : $\ce{CH3CH(CH3)O^-}$ avec $\ce{MgBr+}$ ; puis $\ce{H3O+}$ cède un proton à l’oxygène : propan-2-ol. Le propan-2-ol porte deux groupes méthyle sur le carbone fonctionnel : il est achiral. (Avec un autre R, par exemple le bromure d’éthylmagnésium sur l’éthanal, le produit, le butan-2-ol, est chiral mais racémique : le carbonyle plan est attaqué également sur ses deux faces.)

Exercice 21.6 ★★

Proposer deux façons de préparer le 3-méthylpentan-3-ol à partir d’un réactif de Grignard et d’une cétone.

Solution

Solution de Exercice 21.6.

Le carbone fonctionnel porte un groupe méthyle et deux groupes éthyle : le bromure d’éthylmagnésium avec la butan-2-one, ou le bromure de méthylmagnésium avec la pentan-3-one.

Exercice 21.7 ★★

Comment préparer l’acide 2-méthylpropanoïque à partir du 2-bromopropane ? Calculer la masse d’acide obtenue à partir de $12.3\,\mathrm{g}$ de bromure avec un rendement de $70\,\%$ ( $M$ : $\ce{C3H7Br}$ $123.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\ce{C4H8O2}$ $88.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ).

Solution

Solution de Exercice 21.7.

Préparer $\ce{(CH3)2CHMgBr}$ à partir du 2-bromopropane et de magnésium dans l’éther anhydre, le verser sur du $\ce{CO2}$ solide, puis acidifier : $\ce{(CH3)2CHCOOH}$ . $n = 12.3/123.0 = 0.100$ mol ; $0.100 \times 0.70 \times 88.0 = 6.2\,\mathrm{g}$ .

Exercice 21.8 ★★

Un étudiant négligent prépare du bromure de phénylmagnésium à partir de $0.0500\,\mathrm{mol}$ de bromobenzène dans un éther contenant $0.18\,\mathrm{g}$ d’eau. Quelle fraction du réactif est détruite ? Quel produit se forme ?

Solution

Solution de Exercice 21.8.

$0.18/18.0 = 0.010\,\mathrm{mol}$ d’eau détruisent $0.010\,\mathrm{mol}$ de réactif : $20\,\%$ ; il se forme du benzène, $\ce{C6H5MgBr + H2O -> C6H6 + Mg(OH)Br}$ .

Exercice 21.9 ★★

Le biphényle, $\ce{C6H5-C6H5}$ , est un sous-produit de la préparation du bromure de phénylmagnésium. Proposer un mode de formation, et expliquer pourquoi l’ajout lent du bromobenzène sur un excès de magnésium le limite.

Solution

Solution de Exercice 21.9.

Le réactif, nucléophile, réagit avec le bromobenzène encore présent : bilan $\ce{C6H5MgBr + C6H5Br -> C6H5-C6H5 + MgBr2}$ . Ajouter lentement le bromure sur un excès de magnésium maintient sa concentration basse : il rencontre du métal frais plutôt que le réactif déjà formé.

Exercice 21.10 ★★★

Planifier deux synthèses du 1-phényléthan-1-ol à partir d’un réactif de Grignard, et une synthèse du 2-phénylpropan-2-ol. Pour chacune, nommer l’halogénure qui donne le réactif.

Solution

Solution de Exercice 21.10.

1-Phényléthan-1-ol : $\ce{CH3MgBr}$ (issu du bromométhane) avec le benzaldéhyde, ou $\ce{C6H5MgBr}$ (issu du bromobenzène) avec l’éthanal. 2-Phénylpropan-2-ol : $\ce{C6H5MgBr}$ avec la propanone, ou $\ce{CH3MgBr}$ avec la 1-phényléthan-1-one.

Exercice 21.11 ★★★

Expliquer pourquoi le réactif de Grignard et le composé carbonylé doivent être mélangés dans l’ordre retenu dans le problème ci-dessous, et pourquoi l’hydrolyse se fait avec un acide dilué froid plutôt qu’avec de l’eau seule.

Solution

Solution de Exercice 21.11.

On ajoute la cétone au réactif afin que celui-ci, préparé dans le ballon sec, n’en sorte jamais, et que la chaleur dégagée par chaque portion soit absorbée par l’éther en ébullition. L’eau seule donnerait le sel basique gélatineux $\ce{Mg(OH)Br}$ , qui piège le produit ; l’acide dilué froid le dissout sous forme de $\ce{Mg^2+}$ , et le froid limite les réactions secondaires de l’alcool tertiaire en milieu acide.

Exercice 21.12 ★★★

Un réactif de Grignard préparé à partir de $0.100\,\mathrm{mol}$ d’un bromure est titré : on verse une partie aliquote dans un excès d’eau, et l’on titre le sel basique de magnésium formé par l’acide chlorhydrique : rapporté à toute la solution, il faut $0.088\,\mathrm{mol}$ d’acide. Expliquer le principe et donner le rendement de la préparation.

Solution

Solution de Exercice 21.12.

Chaque mole de réactif donne avec l’eau une mole de sel basique de magnésium, $\ce{RMgBr + H2O -> RH + Mg(OH)Br}$ , dont l’ion $\ce{OH-}$ est titré par l’acide : la quantité de réactif est égale à la quantité d’acide utilisée, $0.088\,\mathrm{mol}$ , soit un rendement de $88\,\%$ .

21.6 Problème : le triphénylméthanol

Problème 21.1

Problème du week-end — préparation du bromure de phénylmagnésium, son addition sur la benzophénone, l’hydrolyse, et le rendement en triphénylméthanol

Dans un ballon tricol sec, $0.535\,\mathrm{g}$ de magnésium et $3.14\,\mathrm{g}$ de bromobenzène dans l’éthoxyéthane anhydre donnent du bromure de phénylmagnésium. On ajoute ensuite goutte à goutte une solution de $3.28\,\mathrm{g}$ de benzophénone, $\ce{(C6H5)2CO}$ , dans le même éther. Après hydrolyse par l’acide sulfurique dilué froid, extraction et recristallisation, on obtient $3.75\,\mathrm{g}$ de triphénylméthanol pur, $\ce{(C6H5)3COH}$ , et l’on sépare $0.15\,\mathrm{g}$ de biphényle. Masses molaires ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ) : Mg 24.3, $\ce{C6H5Br}$ 156.9, $\ce{C13H10O}$ 182.0, $\ce{C19H16O}$ 260.0, $\ce{C12H10}$ 154.0, $\ce{C7H6O2}$ 122.0.

Partie I — Le bromure de phénylmagnésium.

Écrire l’équation de la préparation.
Calculer les quantités de magnésium et de bromobenzène. Lequel est en excès ?
Pourquoi le montage doit-il être sec ? Écrire la réaction avec l’eau.
Quel est le rôle de la garde à chlorure de calcium ?
Pourquoi l’éther est-il indispensable, au-delà de la dissolution des réactifs ?
Le biphényle provient de la réaction du réactif avec le bromobenzène. L’écrire et calculer la quantité de bromobenzène perdue de ce fait.

Partie II — L’addition.

Calculer la quantité de benzophénone.
Écrire le mécanisme de l’addition avec les flèches courbes.
Quel réactif limite la formation du triphénylméthanol ? Tenir compte de la partie I.
Le triphénylméthanol est-il chiral ? Justifier.
Pourquoi ajoute-t-on la benzophénone au réactif, et non l’inverse ?
Quel serait l’effet d’une trace d’eau dans la solution de benzophénone ?

Partie III — L’hydrolyse.

Écrire la protonation de l’alcoolate.
Pourquoi utiliser un acide dilué froid plutôt que de l’eau seule ?
Où se trouvent le triphénylméthanol et les sels de magnésium après extraction à l’éther ?
Comment sépare-t-on le biphényle du triphénylméthanol ? (Le biphényle est bien plus soluble dans l’éther de pétrole froid.)
Quel test confirme la pureté des cristaux ?
Le triphénylméthanol résiste à l’acide dilué froid, mais se dissout dans l’acide sulfurique concentré en donnant un carbocation jaune intense. Écrire sa formation et expliquer sa stabilité (comparer avec le Chapitre 18).

Partie IV — Le rendement, et un autre produit.

Calculer la quantité de triphénylméthanol obtenue.
Calculer le rendement par rapport au réactif limitant.
Proposer deux causes de perte.
Si le réactif de la partie I (corrigé du biphényle) avait été versé sur du dioxyde de carbone solide, quel produit se serait formé ?
Calculer la masse théorique de ce produit.
Écrire l’équation de cette carboxylation.
Donner le rendement en triphénylméthanol, en pour cent.

Solution

Solution de Problème 21.1.

1. $\ce{C6H5Br + Mg -> C6H5MgBr}$ . 2. Mg $0.535/24.3 = 0.0220\,\mathrm{mol}$ ; $\ce{C6H5Br}$ $3.14/156.9 = 0.0200\,\mathrm{mol}$ : le magnésium est en léger excès. 3. L’eau détruit le réactif : $\ce{C6H5MgBr + H2O -> C6H6 + Mg(OH)Br}$ . 4. Elle empêche la vapeur d’eau de l’air d’entrer par le réfrigérant. 5. L’éther cède des doublets non liants au magnésium (base de Lewis) : sans lui, le réactif ne se forme pas ou ne reste pas en solution. 6. $\ce{C6H5MgBr + C6H5Br -> C6H5-C6H5 + MgBr2}$ ; biphényle $0.15/154.0 = 9.7 \times 10^{-4}\,\mathrm{mol}$ , qui a consommé $9.7 \times 10^{-4}\,\mathrm{mol}$ de bromobenzène et autant de réactif : $1.9 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ de bromobenzène perdues au total. 7. $3.28/182.0 = 0.0180\,\mathrm{mol}$ . 8. Le doublet de C–Mg attaque le carbone du carbonyle, le doublet $\pi$ passe sur l’oxygène : $\ce{(C6H5)3C-O^-}$ $\ce{MgBr+}$ . 9. Réactif disponible au plus $0.0200 - 0.0019 = 0.0181\,\mathrm{mol}$ ; benzophénone $0.0180\,\mathrm{mol}$ : la benzophénone est limitante, de peu. 10. Non : le carbone fonctionnel porte trois groupes phényle identiques. 11. Le réactif reste dans son ballon sec, et la chaleur de chaque portion de cétone est absorbée par l’éther en ébullition. 12. Elle détruirait une partie du réactif (benzène) et laisserait de la benzophénone inutilisée. 13. $\ce{(C6H5)3COMgBr + H3O+ -> (C6H5)3COH + Mg^2+ + Br- + H2O}$ . 14. L’acide dissout les sels basiques de magnésium que l’eau seule ferait précipiter ; le froid limite la formation du carbocation de la question 18. 15. Le triphénylméthanol et le biphényle dans la phase éthérée ; les sels de magnésium dans la phase aqueuse. 16. En lavant (ou en triturant) le solide avec de l’éther de pétrole froid : le biphényle se dissout, le triphénylméthanol reste. 17. Une température de fusion nette, égale à la valeur tabulée (ou une seule tache en chromatographie sur couche mince). 18. $\ce{(C6H5)3COH + H+ -> (C6H5)3C+ + H2O}$ : un carbocation tertiaire dont la charge est étalée par mésomérie sur trois cycles benzéniques, très stable, et coloré du fait de cette conjugaison étendue. 19. $3.75/260.0 = 0.0144\,\mathrm{mol}$ . 20. $0.0144/0.0180 = 80\,\%$ . 21. Pertes lors des transvasements et de la recristallisation ; réactif détruit par des traces d’humidité ; réaction incomplète. 22. L’acide benzoïque, $\ce{C6H5COOH}$ , après acidification. 23. $0.0181 \times 122.0 = 2.21\,\mathrm{g}$ . 24. $\ce{C6H5MgBr + CO2 -> C6H5COOMgBr}$ , puis $\ce{C6H5COOMgBr + H3O+ -> C6H5COOH + Mg^2+ + Br- + H2O}$ . 25. $80\,\%$ .

Termes définis dans ce chapitre

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