Chimie universitaire — 1re année · Bachelor Year 1

22Les alcools : activer le groupe OH

Les alcools sont partout : produits par tonnes à partir des alcènes et par fermentation, fournis par chaque addition de Grignard du chapitre précédent. Pourtant, un alcool ne subit pas de substitution comme le fait un halogénoalcane : le groupe OH devrait partir sous forme d’ion hydroxyde, une base forte et un très mauvais groupe partant (Chapitre 19). Les chimistes ont trois réponses. Retirer plutôt le proton du OH : l’alcoolate devient un nucléophile puissant. Ajouter un proton : le groupe partant devient l’eau. Ou remplacer l’hydrogène par un groupe qui intègre l’oxygène à un excellent groupe partant, sans toucher au carbone. Ce chapitre suit ces trois voies, ainsi que les choix de mécanisme et de stéréochimie qui les accompagnent.

Rappel

SN1, SN2 et leur stéréochimie (Chapitre 19) ; E1, E2 et la règle de Zaïtsev (Chapitre 20) ; les constantes d’acidité et la méthode de la réaction prépondérante (Chapitre 10) ; l’effet des groupes alkyle sur l’acidité des alcools (Exercice 18.11).

22.1 Les alcools en tant qu’acides : les alcoolates

Définition 22.1 (Alcoolate)

Un alcoolate est la base conjuguée $\ce{RO-}$ d’un alcool $\ce{ROH}$ : méthanolate $\ce{CH3O-}$ , éthanolate $\ce{CH3CH2O-}$ , tert-butanolate $\ce{(CH3)3CO-}$ . Les alcoolates sont des bases fortes et de bons nucléophiles.

Proposition 22.2 (Acidité des alcools)

Les alcools sont des acides plus faibles que l’eau, ou à peu près aussi faibles : $\mathrm{p}K_a$ de 15.5 (méthanol), 15.9 (éthanol), 17.1 (propan-2-ol), 19.2 (2-méthylpropan-2-ol), contre 14.0 pour le couple $\ce{H2O}$ / $\ce{OH-}$ . L’hydroxyde ne les déprotone donc que partiellement ; une conversion complète en alcoolate exige une base plus forte ou un métal alcalin.

Démonstration. La réaction $\ce{ROH + OH- <=> RO- + H2O}$ a pour constante $K = 10^{14.0 - \mathrm{p}K_a(\ce{ROH})}$ , comprise entre $10^{-1.5}$ et $10^{-5}$ : elle est défavorable. Le sodium métallique réduit le proton, $\ce{2ROH + 2Na -> 2RO- + 2Na+ + H2}$ , et l’ion hydrure de l’hydrure de sodium le capte de façon irréversible, $\ce{ROH + H- -> RO- + H2}$ : le dihydrogène s’échappe, et la réaction est totale quelle que soit sa constante d’équilibre. ∎

Au laboratoire — L’hydrure de sodium

L’hydrure de sodium est vendu sous forme de poudre grise dispersée dans une huile minérale, qui le protège de l’humidité de l’air. Il réagit violemment avec l’eau en libérant du dihydrogène inflammable ; on le pèse rapidement, on l’ajoute par portions à l’alcool anhydre sous gaz inerte, et le dégagement de dihydrogène montre l’avancement de la déprotonation. L’excès d’hydrure est détruit à la fin par addition lente d’un alcool, jamais d’eau.

22.2 La synthèse de Williamson

Définition 22.3 (Synthèse de Williamson)

La synthèse de Williamson prépare un éther $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ par une réaction SN2 d’un alcoolate $\ce{RO-}$ sur un halogénoalcane (ou un ester sulfonique) $\mathrm{R'{-}X}$ .

Synthèse de Williamson du méthoxyéthane : l’éthanolate attaque le carbone de l’iodométhane du côté opposé à l’iode (SN2).

Méthode 22.4 (Choisir les deux partenaires)

Un éther $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ peut être coupé de part et d’autre de l’oxygène.

Écrire les deux couples possibles : $\ce{RO-}$ avec $\mathrm{R'X}$ , et $\mathrm{R'O^-}$ avec $\ce{RX}$ .
Garder le couple dans lequel l’halogénure est méthylique ou primaire : la SN2 exige un carbone peu encombré.
Rejeter un couple comportant un halogénure tertiaire : l’alcoolate, base forte, provoquerait plutôt une élimination (E2).
Avec un halogénure secondaire, s’attendre à un mélange d’éther et d’alcène.

Exemple 22.5 (Un éther dissymétrique)

Le 2-méthoxy-2-méthylpropane (méthyl tert-butyl éther) : le tert-butanolate de sodium avec l’iodométhane le donne proprement ; le méthanolate de sodium avec le bromure tertiaire, le 2-bromo-2-méthylpropane, donne du 2-méthylpropène par E2. L’encombrement du côté de l’alcoolate, la petite taille du côté de l’halogénure.

22.3 Activer le groupe OH

Définition 22.6 (Esters sulfoniques)

Un ester sulfonique $\mathrm{R{-}O{-}SO_2{-}R'}$ se forme à partir d’un alcool et d’un chlorure de sulfonyle $\mathrm{R'SO_2Cl}$ en présence d’une base (la pyridine). Le tosylate, $\ce{R-OTs}$ , provient du chlorure de 4-méthylbenzènesulfonyle (chlorure de tosyle) ; le mésylate, $\ce{R-OMs}$ , du chlorure de méthanesulfonyle. L’anion sulfonate $\mathrm{R'SO_3^-}$ , base conjuguée d’un acide fort et stabilisé par mésomérie sur trois oxygènes, est un excellent groupe partant.

Tosylation d’un alcool. La liaison O–H est remplacée par O–S ; la liaison C–O de l’alcool n’est pas touchée. La pyridine capte le HCl formé.

Proposition 22.7 (La configuration au cours de la tosylation et de la substitution)

La tosylation d’un alcool sur un carbone stéréogène conserve sa configuration (rétention) ; une substitution SN2 ultérieure du tosylate l’inverse. Les deux étapes réunies remplacent OH par un nucléophile avec inversion.

Démonstration. Au cours de la tosylation, les liaisons qui changent sont O–H et S–Cl : l’oxygène de l’alcool attaque le soufre et son hydrogène passe à la base. Aucune liaison au carbone stéréogène n’est rompue, si bien que la disposition autour de lui reste la même. Lors de l’étape SN2, la liaison C–O se rompt pendant que le nucléophile se lie du côté opposé (Proposition 19.4). ∎

Du (S)-butan-2-ol au 2-méthylbutanenitrile : la tosylation conserve la configuration, l’étape SN2 avec le cyanure l’inverse. Bilan : OH remplacé par CN avec inversion.

Le même objectif peut être atteint en milieu acide : le groupe OH, protoné, part sous forme d’eau, $\ce{R-OH2+ -> R+ + H2O}$ (SN1, E1) ou sous l’effet d’une attaque (SN2). Mais l’acide restreint le choix des nucléophiles à ceux qui lui résistent — ions halogénure, eau, alcools — et ouvre la porte aux carbocations et à leurs réactions secondaires.

22.4 Conversion en halogénoalcanes

Proposition 22.8 (Alcools et halogénures d’hydrogène)

Les alcools tertiaires donnent l’halogénoalcane avec l’acide chlorhydrique concentré à température ambiante (SN1) ; les alcools primaires exigent l’acide bromhydrique ou iodhydrique et un chauffage (SN2 sur l’alcool protoné) ; les alcools secondaires réagissent à des vitesses intermédiaires, souvent par les deux mécanismes.

Démonstration. La protonation transforme OH en $\ce{-OH2+}$ . Pour un alcool tertiaire, l’eau part facilement, ce qui donne un carbocation stable capturé par l’halogénure (SN1) : même le modeste nucléophile $\ce{Cl-}$ suffit. Un carbocation primaire est trop instable ; l’halogénure doit chasser l’eau par l’arrière (SN2), ce qui exige un bon nucléophile ( $\ce{Br-}$ , $\ce{I-}$ , meilleurs que $\ce{Cl-}$ en milieu protique, Proposition 18.12) et un chauffage. ∎

Exemple 22.9 (Un test de classe)

Un mélange d’acide chlorhydrique concentré et de chlorure de zinc (un acide de Lewis qui aide le OH à partir) trouble aussitôt un alcool tertiaire — le chlorure, insoluble, se sépare —, un alcool secondaire en quelques minutes, et un alcool primaire presque pas à température ambiante : l’ordre de stabilité des carbocations rendu visible dans un tube à essais.

22.5 Déshydratation et formation d’éthers en milieu acide

Définition 22.10 (Déshydratation d’un alcool)

La déshydratation d’un alcool est l’élimination d’eau, catalysée par un acide fort (acide sulfurique ou phosphorique) à chaud, qui donne un alcène : $\mathrm{R_2CH{-}CR'_2OH} \to \mathrm{R_2C{=}CR'_2} + \ce{H2O}$ .

Déshydratation acido-catalysée du 2-méthylbutan-2-ol (E1) : protonation, perte d’eau conduisant au carbocation tertiaire, perte d’un proton. Arracher le proton du CH2 donne le 2-méthylbut-2-ène, trisubstitué (Zaïtsev, majoritaire) ; l’arracher à un groupe méthyle donne le 2-méthylbut-1-ène (minoritaire). — Déshydratation acido-catalysée du 2-méthylbutan-2-ol (E1) : protonation, perte d’eau conduisant au carbocation tertiaire, perte d’un proton. Arracher le proton du $\ce{CH2}$ donne le 2-méthylbut-2-ène, trisubstitué (Zaïtsev, majoritaire) ; l’arracher à un groupe méthyle donne le 2-méthylbut-1-ène (minoritaire).

Proposition 22.11 (Éther ou alcène)

Un alcool primaire chauffé avec l’acide sulfurique donne surtout un éther symétrique à température modérée (une molécule en substituant une autre par SN2) et surtout un alcène à plus haute température ; les alcools secondaires et tertiaires donnent des alcènes.

Démonstration. Pour un alcool primaire, l’alcool protoné peut être attaqué soit sur le carbone par une seconde molécule d’alcool (SN2, qui donne $\ce{R-O-R}$ après perte d’un proton), soit sur un hydrogène en $\beta$ (E2). L’élimination produit plus de molécules qu’elle n’en consomme et est favorisée quand la température augmente (Proposition 20.10) ; la substitution domine lorsque la température est plus basse. Les alcools secondaires et tertiaires s’ionisent en carbocations, qui perdent un proton plus facilement qu’ils ne sont capturés par un nucléophile faible, d’autant plus qu’on chauffe ; l’eau formée est aussi éliminée par distillation de l’alcène volatil. ∎

22.6 Exercices

Exercice 22.1 ★

Écrire les réactions de l’éthanol avec le sodium, avec l’hydrure de sodium et avec l’hydroxyde de sodium ; calculer la constante de la dernière ( $\mathrm{p}K_a$ de l’éthanol : 15.9).

Solution

Solution de Exercice 22.1.

$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2O- + 2Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + NaH -> CH3CH2O- + Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + OH- <=> CH3CH2O- + H2O}$ , $K = 10^{14.0 - 15.9} = 10^{-1.9}$ : réaction partielle.

Exercice 22.2 ★

Donner les produits : du méthanolate de sodium avec le 1-bromopropane ; de l’éthanolate de sodium avec l’iodométhane ; du phénolate de sodium avec le bromoéthane.

Solution

Solution de Exercice 22.2.

1-Méthoxypropane ; méthoxyéthane ; éthoxybenzène (le phénolate, base plus faible qu’un alcoolate, reste un bon nucléophile).

Exercice 22.3 ★

Écrire la tosylation du propan-1-ol et la réaction du tosylate avec l’iodure de sodium. Quel est l’avantage par rapport à la réaction directe de l’alcool avec l’iodure de sodium ?

Solution

Solution de Exercice 22.3.

La tosylation dans la pyridine donne $\ce{CH3CH2CH2OTs}$ ; puis

\ce{CH3CH2CH2OTs + I- -> CH3CH2CH2I + TsO-}.

En réaction directe, l’iodure devrait chasser $\ce{OH-}$ : aucune réaction. Le tosylate possède un excellent groupe partant, et le milieu n’est ni acide ni fortement basique.

Exercice 22.4 ★

Donner les alcènes formés par déshydratation acide du butan-2-ol et du 2-méthylpentan-2-ol, ainsi que l’alcène majoritaire.

Solution

Solution de Exercice 22.4.

Butan-2-ol : but-1-ène, (Z)- et (E)-but-2-ène ; majoritaire : (E)-but-2-ène. 2-Méthylpentan-2-ol : 2-méthylpent-2-ène (majoritaire, trisubstitué) et 2-méthylpent-1-ène.

Exercice 22.5 ★★

Proposer une synthèse de Williamson du 1-éthoxy-2-méthylpropane et justifier le choix des partenaires. Pourquoi l’autre choix donnerait-il un alcène ?

Solution

Solution de Exercice 22.5.

$\ce{(CH3)2CHCH2-O-CH2CH3}$ : le 2-méthylpropan-1-olate de sodium avec le bromoéthane, ou l’éthanolate de sodium avec le 1-bromo-2-méthylpropane. Les deux halogénures sont primaires, mais le 1-bromo-2-méthylpropane est ramifié à côté du carbone qui réagit, ce qui ralentit la SN2 et laisse la base forte éliminer (2-méthylpropène). Le premier choix est le meilleur.

Exercice 22.6 ★★

Le (R)-octan-2-ol est converti en son tosylate, puis traité par l’éthanolate de sodium dans l’éthanol. Donner la configuration de l’éther. Qu’obtiendrait-on en chauffant le même alcool avec de l’acide sulfurique ?

Solution

Solution de Exercice 22.6.

Le tosylate garde la configuration (R) ; la SN2 avec l’éthanolate l’inverse : (S)-2-éthoxyoctane (OEt est prioritaire comme l’était OTs). Avec l’acide sulfurique à chaud : élimination en octènes (surtout l’(E)-oct-2-ène), par un carbocation secondaire, avec perte de la stéréochimie.

Exercice 22.7 ★★

Écrire le mécanisme de la réaction du 2-méthylpropan-2-ol avec l’acide chlorhydrique concentré et expliquer pourquoi la réaction est rapide à température ambiante.

Solution

Solution de Exercice 22.7.

Protonation du OH ; perte d’eau conduisant au carbocation tertiaire (étape lente) ; capture par $\ce{Cl-}$ : 2-chloro-2-méthylpropane. La réaction est rapide car le carbocation tertiaire est stable, et le chlorure, insoluble dans l’acide, se sépare.

Exercice 22.8 ★★

Écrire le mécanisme de la formation de l’éthoxyéthane à partir de l’éthanol dans l’acide sulfurique, ainsi que l’élimination concurrente.

Solution

Solution de Exercice 22.8.

$\ce{CH3CH2OH + H+ -> CH3CH2OH2+}$ ; une seconde molécule d’éthanol attaque le carbone par l’arrière tandis que l’eau part (SN2) : $\ce{(CH3CH2)2OH+}$ , qui perd un proton : éthoxyéthane. Réaction concurrente : une base (l’éthanol, $\ce{HSO4-}$ ) arrache un proton en $\beta$ de $\ce{CH3CH2OH2+}$ pendant que l’eau part (E2) : éthène.

Exercice 22.9 ★★

Dans le test de classe de ce chapitre, quel alcool, parmi le butan-1-ol, le butan-2-ol et le 2-méthylpropan-2-ol, se trouble le premier ? Écrire le produit.

Solution

Solution de Exercice 22.9.

Le 2-méthylpropan-2-ol (tertiaire), qui donne le 2-chloro-2-méthylpropane, insoluble.

Exercice 22.10 ★★★

Le 3,3-diméthylbutan-2-ol, chauffé en milieu acide, donne surtout du 2,3-diméthylbut-2-ène, dont le squelette carboné diffère de celui de l’alcool. Proposer un mécanisme comportant une migration-1,2 d’un groupe méthyle dans le carbocation, et justifier cette migration.

Solution

Solution de Exercice 22.10.

La protonation et la perte d’eau donnent un carbocation secondaire voisin d’un carbone quaternaire. Un groupe méthyle de ce carbone migre avec son doublet liant vers le carbone cationique : la charge positive se trouve alors sur un carbone tertiaire, plus stable. La perte d’un proton d’un carbone voisin donne le 2,3-diméthylbut-2-ène, tétrasubstitué, l’alcène le plus stable.

Exercice 22.11 ★★★

Concevoir une synthèse du (S)-2-méthoxybutane à partir du (R)-butan-2-ol, et une autre à partir du (S)-butan-2-ol, chacune gardant la configuration sous contrôle.

Solution

Solution de Exercice 22.11.

À partir du (R)-butan-2-ol : tosylate ((R)), puis méthanolate de sodium (SN2, inversion) : (S)-2-méthoxybutane. À partir du (S)-butan-2-ol : former l’alcoolate (NaH) et ajouter l’iodométhane ; la liaison C–O du carbone stéréogène n’est pas touchée : on obtient de nouveau le (S)-2-méthoxybutane.

Exercice 22.12 ★★★

Montrer, à l’aide du quotient de réaction (Chapitre 7), que l’équilibre $\ce{2CH3CH2OH <=> (CH3CH2)2O + H2O}$ peut être déplacé vers l’éther en éliminant l’eau en continu.

Solution

Solution de Exercice 22.12.

$Q = [\text{éther}][\ce{H2O}]/[\ce{EtOH}]^2$ . Éliminer l’eau à mesure qu’elle se forme maintient $[\ce{H2O}]$ et $Q$ faibles : $Q < K$ , et la réaction continue de former l’éther jusqu’à consommation de l’alcool.

22.7 Problème : deux voies vers un éther

Problème 22.1

Problème du week-end — les deux voies de Williamson vers le méthyl tert-butyl éther, un éther à stéréochimie contrôlée issu d’un alcool optiquement actif, la déshydratation d’un alcool tertiaire, et la masse d’éther obtenue

Le 2-méthoxy-2-méthylpropane (méthyl tert-butyl éther, MTBE) a été produit à grande échelle comme additif des carburants. Masses molaires ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ) : $\ce{C4H10O}$ 74.0, $\ce{C5H12O}$ 88.0, $\ce{CH3I}$ 141.9.

Partie I — Le MTBE par la synthèse de Williamson.

Écrire les deux couples de partenaires (alcoolate et halogénure) qui pourraient donner le MTBE.
Quel couple échoue ? Écrire la réaction qui a lieu à la place.
Écrire la réaction qui réussit et son mécanisme.
Comment prépare-t-on le tert-butanolate de sodium à partir du 2-méthylpropan-2-ol ? Pourquoi pas avec l’hydroxyde de sodium ?
Pourquoi mène-t-on la réaction dans l’alcool anhydre ou dans un solvant aprotique ?
Le produit est-il chiral ?

Partie II — Un éther optiquement actif.

Le (R)-butan-2-ol est converti en son tosylate. Écrire la réaction et donner la configuration du tosylate.
Le tosylate réagit avec le méthanolate de sodium. Écrire le produit et sa configuration.
Quelle configuration de l’alcool donne le (R)-2-méthoxybutane par la même voie ?
Autre voie : l’alcoolate du (R)-butan-2-ol avec l’iodométhane. Configuration du produit ? Pourquoi ?
Quelle réaction secondaire est en concurrence à la question 8, et pourquoi est-elle limitée ici ?
Pourquoi le chauffage du (R)-butan-2-ol avec du méthanol dans l’acide sulfurique donnerait-il un éther presque racémique, s’il en donne ?

Partie III — La déshydratation d’un alcool tertiaire.

Écrire le mécanisme de la déshydratation acide du 2-méthylbutan-2-ol.
Donner les deux alcènes et prévoir l’alcène majoritaire.
Pourquoi aucun éther ne se forme-t-il à partir de cet alcool ?
Pourquoi distille-t-on le 2-méthylbut-2-ène au fur et à mesure de sa formation ?
Tracer le profil énergétique de l’étape E1 et y repérer l’étape cinétiquement déterminante.
Un alcool primaire pourrait-il être déshydraté par le même mécanisme ?

Partie IV — Les masses.

On convertit $10.0\,\mathrm{g}$ de 2-méthylpropan-2-ol en alcoolate. Calculer la quantité de matière.
Quelle masse d’iodométhane faut-il pour un excès de $10\,\%$ ?
Calculer la masse théorique de MTBE.
Calculer la masse obtenue pour un rendement de $75\,\%$ .

Solution

Solution de Problème 22.1.

1. Le tert-butanolate de sodium avec un halogénure de méthyle ; le méthanolate de sodium avec un halogénure de tert-butyle. 2. Le second : le méthanolate, base forte, provoque l’élimination sur l’halogénure tertiaire, $\ce{(CH3)3CBr + CH3O- -> (CH3)2C=CH2 + CH3OH + Br-}$ . 3. $\ce{(CH3)3CO- + CH3I -> (CH3)3COCH3 + I-}$ : l’oxygène de l’alcoolate attaque le carbone du méthyle par l’arrière pendant que l’iodure part (SN2). 4. Avec le sodium (ou l’hydrure de sodium) : $\ce{2(CH3)3COH + 2Na -> 2(CH3)3CO- + 2Na+ + H2}$ . L’hydroxyde est une base trop faible : $K = 10^{14.0 - 19.2} = 10^{-5.2}$ . 5. L’eau protonerait l’alcoolate et attaquerait l’halogénure. 6. Non : il n’a pas de centre stéréogène. 7. (R)-butan-2-ol + TsCl (pyridine) $\to$ tosylate de (R)-butan-2-yle : rétention. 8. (S)-2-méthoxybutane, par inversion SN2. 9. Le (S)-butan-2-ol. 10. (R)-2-méthoxybutane : la liaison C–O du carbone stéréogène est conservée ; seule la liaison O–C(méthyle) se forme. 11. L’E2 (le méthanolate est une base forte et le carbone est secondaire), qui donne des butènes ; elle est limitée par la petite taille de la base, l’excellent groupe partant et une température modérée. 12. L’alcool protoné s’ionise en un carbocation secondaire plan, capturé sur ses deux faces par le méthanol : éther racémique, accompagné de butènes. 13. Protonation du OH, perte d’eau (étape lente) conduisant au carbocation tertiaire, perte d’un proton en $\beta$ . 14. Le 2-méthylbut-2-ène (majoritaire, trisubstitué) et le 2-méthylbut-1-ène. 15. Un carbocation tertiaire est encombré et perd un proton bien plus facilement qu’une autre molécule d’alcool ne peut l’attaquer. 16. Pour éliminer un produit : $Q$ restant faible, la réaction se poursuit, et l’alcène ne reste pas au contact de l’acide. 17. Une première barrière élevée (perte d’eau, étape cinétiquement déterminante) jusqu’au carbocation, puis une petite barrière jusqu’à l’alcène. 18. Non : un carbocation primaire est trop instable ; les alcools primaires éliminent par E2 sur l’alcool protoné, à plus haute température. 19. $10.0/74.0 = 0.135\,\mathrm{mol}$ . 20. $1.10 \times 0.135 \times 141.9 = 21.1\,\mathrm{g}$ . 21. $0.135 \times 88.0 = 11.9\,\mathrm{g}$ . 22. $0.75 \times 11.9 =$ $8.9\,\mathrm{g}$ de MTBE.

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