Addition et substitution de carbonyles

Le groupe carbonyle polarisé est le centre réactif le plus polyvalent en chimie organique, subissant une addition nucléophile dans les aldéhydes et les cétones et une substitution nucléophile d'acyle dans les dérivés d'acides carboxyliques.

Definition

L'addition et la substitution de carbonyles comprennent les réactions du groupe C=O avec les nucléophiles : l'addition directe à travers la double liaison dans les aldéhydes et les cétones, et l'addition-élimination via un intermédiaire tétraédrique dans les dérivés d'acides carboxyliques.

Scope

Ce sujet couvre l'addition nucléophile aux aldéhydes et aux cétones (formant des alcools, des hydrates, des acétals, des imines et des cyanohydrines), le mécanisme d'intermédiaire tétraédrique de la substitution nucléophile d'acyle, la réactivité relative des dérivés d'acides et la chimie des énolates au carbone alpha.

Core questions

• Pourquoi le carbone du carbonyle est-il électrophile et l'oxygène basique ?
• Qu'est-ce qui détermine si un nucléophile s'ajoute simplement ou s'ajoute puis expulse un groupe partant ?
• Comment la stabilité relative des groupes partants ordonne-t-elle la réactivité des dérivés d'acides ?

Key theories

Mécanisme de l'intermédiaire tétraédrique

L'attaque nucléophile sur le carbone du carbonyle génère un alcoxyde tétraédrique ; sa décomposition par expulsion d'un groupe partant (substitution) ou sa protonation (addition) dépend du substrat.

Ordre de réactivité des dérivés d'acyle

Chlorures d'acyle > anhydrides > esters > amides en termes de réactivité, reflétant à la fois la capacité du groupe partant et le don d'électrons qui stabilise le carbonyle à l'état fondamental.

Mechanisms

Les nucléophiles attaquent le carbone du carbonyle le long de la trajectoire de Bürgi–Dunitz. Dans les aldéhydes et les cétones, l'alcoxyde tétraédrique résultant est simplement protoné, donnant un alcool ou un produit dérivé. Dans les dérivés d'acides, l'intermédiaire tétraédrique s'effondre, expulsant le groupe partant pour régénérer un carbonyle et effectuant une substitution nette. La catalyse acide ou basique module à la fois l'électrophilie et la force du nucléophile.

Clinical relevance

La chimie des carbonyles est fondamentale en biochimie et en chimie médicinale : la formation de liaisons amides construit des peptides et de nombreux médicaments, l'hydrolyse des esters régit l'activation des promédicaments, et les condensations de carbonyles construisent la complexité moléculaire en synthèse.

History

L'étude systématique de la réactivité des carbonyles s'étend de la chimie de condensation du XIXe siècle à l'analyse cristallographique de Bürgi–Dunitz des angles d'attaque nucléophile dans les années 1970, qui a fourni une base structurelle pour la géométrie de l'addition de carbonyle.

Key figures

• Hans Heinrich Bürgi
• Jack D. Dunitz
• Adolf von Baeyer

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

Pourquoi les amides sont-ils beaucoup moins réactifs que les chlorures d'acyle ?

L'azote donne son doublet non liant au carbonyle, stabilisant l'état fondamental et rendant le carbone moins électrophile ; de plus, l'anion amide est un mauvais groupe partant, donc la substitution est lente.

Qu'est-ce que l'angle de Bürgi–Dunitz ?

C'est la trajectoire d'environ 107 degrés le long de laquelle un nucléophile approche un carbone de carbonyle, maximisant le chevauchement avec l'orbitale pi* du C=O tout en minimisant la répulsion des doublets non liants de l'oxygène.