SUBSTITUTION AROMATIQUE.(mécanismes)

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Mécanisme général
    -preuves expérimentales
    -rapport structure-réactivité
    -réactivité des composés polycycliques et hétéroaromatiques.
Mécanismes spécifiques

Substitution aromatique électrophile:Mécanisme général.

Les substitutions électrophiles aromatiques sont d'importantes voies de synthèse, elle représentent de plus, une des classes de réactions dont les mécanismes sont les plus étudiés. La présente partie vise les mécanismes les plus connus de cette famille. Ces mécanismes sont à la base des relations structure-réactivité faites sur la question et détaillées au paragraphe suivant.

Une grande variété d'espèces électrophiles peut attaquer le cycle aromatique et réaliser une substitution. Généralement c'est un hydrogène qui est substitué par un autre groupe mais ce n'est pas toujours le cas. Le tableau suivant donne la liste de quelques électrophiles actifs, bien que la plupart ne soient pas traités dans le chapitre réactivité. Il faut néanmoins savoir que l'éventail des substitutions est très large.

Tableau 1. Espèces électrophiles actives en substitution aromatique.

Électrophile
Mode de préparation habituel
A- Électrophiles capables 
de substituer les cycles aromatiques activés et désactivés
O=N+=O
2 H2SO4 + HNO3equilibre NO2+ + 2HSO4- + H3O+
Br2 ou Br2-MXn
Br2 + MXnequilibre Br-Br+-Xn
BrH2
BrOH + H3O+equilibre BrO+H2+ H2O
Cl2 ou Cl2-MXn
Cl2 + MXnequilibre Cl2-MXn
ClO+H2
ClOH + H3O+equilibre ClO+H2+ H2O
SO3
H2S2O7equilibre H2SO4 + SO3
RSO2+
RSO2Cl + AlCl3equilibre RSO2+ + AlCl4-
B Électrophiles capables 
de substituer les cycles aromatiques activés mais pas les désactivés
R3C+
R3CX + MXn fleche R3C+ + [MXn+1]-
""
R3COH + H+fleche R3C+ + H2O
""
R2C=CR'2 + H+fleche R2C+CHR'2
RCH2X-MXn
RCH2X + MXnfleche CH2X-MXn
R-Ctriple O+ RXC=O + MXn fleche -Ctriple O++ [MXn+1]-
R(C=O)-X-MXn
RX(C=O) + MXn fleche R-(C=O)-X-MXn
H+
HX fleche H+ + X-
R2C=O+H
R2C=O + H+ fleche R2C=O+H
R2C=O+-Xn
R2C=O + MXnfleche R2C=O+-M-Xn
C- Électrophiles capables
de ne substituer que les cycles aromatiques fortement activés
HCtriple N+H HCtriple N + HXequilibre HCtriple N+H
NO+
HNO2 + H+fleche Ntriple O+ + H2O
Ar-N+triple N Ar-NH2 + HNO2 + H+ fleche   Ar-N2+ + 2H2

La réactivité particulière de chaque électrophile détermine quel aromatique sera, ou non, substitué. Les électrophiles du groupe A sont assez réactifs pour réagir avec presque tous les aromatiques, même ceux substitués par des groupes très attracteurs. Ceux du groupe B réagissent facilement avec le benzène et les dérivés à substituant(s) électro-donneur(s), mais pas avec ceux à groupes attracteurs. Les derniers du groupe C ne réagissent qu'avec les dérivés aromatiques plus réactifs que le benzène. Cette classification donne une idée générale des possibilités de substitution.

En dépit de cette grande variété d'électrophiles et de systèmes aromatiques pouvant donner des substitutions, un seul schéma de mécanisme englobe la grande majorité des substitutions électrophiles aromatiques. Comme on peut s'y attendre, la nature de l'étape déterminante et le forme de la surface (ou courbe) d'énergie potentielle dépendent des réactants concernés, mais les différentes étapes et la nature des intermédiaires sont semblables pour un grand nombre de réactions. Ce qui permet une approche générale du mécanisme, dont les grandes étapes sont les suivantes.

mecanisme general SEAr

Une complexation, non spécifique, de l'électrophile avec le système d'électrons pi de l'aromatique est la première étape. L'espèce formée, appelée complexe pi , peut ne pas être directement impliquée dans le mécanisme. La formation est, en général, rapide et réversible, dans de nombreux cas la constante d'équilibre est petite. Le complexe  pi  est de type donneur-accepteur, avec les électrons pi de l'aromatique fournissant la densité de charge à l'électrophile. Aucune sélectivité de position n'est associée au complexe pi .

Pour qu'une substitution puisse aboutir, il faut qu'un complexe sigma soit formé. Ce terme est utilisé pour décrire un intermédiaire dans lequel le carbone du site de substitution est lié à la fois à l'électrophile et au groupe partant. Ce qui entraîne qu'une liaison sigma soit formée sur ce site. L'intermédiaire est un cation cyclohexadiényle dont les caractéristiques fondamentales peuvent se décrire en terme d'orbitales moléculaires simples. Le complexe sigma est un système à quatre électrons délocalisés, équivalent au cation pentadiènyle. Les orbitales moléculaires pi et les niveaux d'énergie correspondants sont donnés du le diagramme suivant.

orbitales du complexe sigma

psi 1                    psi 2                  psi 3                   psi 4                  psi  5

charges niveaux

distribution des charges niveaux d'énergie

La LUMO psi 3 possède des nœuds en C2 et C4 de la structure pentadiènyle, ces positions correspondent aux sites en méta par rapport au carbone lieu de la substitution. Il s'en suit que la charge positive du cation est située en ortho et para du site de substitution.

La formation du complexe sigma peut être réversible. La proportion entre le retour vers les réactants et l'avance vers les produits dépend de la facilité relative avec laquelle l'électrophile ou le proton peut être éliminé. Pour la plupart des électrophiles, il est plus aisé d'éliminer le proton, et dans ce cas la formation du complexe sigma est irréversible.

La formation du complexe sigma est généralement, mais pas toujours, l'étape déterminante des substitutions électrophiles aromatiques. Il peut se former alors un complexe pi entre l'aromatique formé et le proton partant. Ceci semble logique compte tenu de la totale réversibilité du processus. Mais il y a cependant peu de preuves directes sur ce point.

Preuves expérimentales

Considérons maintenant les preuves de ce mécanisme général. De telles preuves ont, bien sûr, été rassemblées par l'étude des mécanismes particuliers. Seuls quelques uns des plus frappants exemples sont cités ici. Des preuves supplémentaires sont données avec les mécanismes particuliers dans les paragraphes suivants.
    Piègeage de l'électrophile:
    Un bon exemple de réaction, qui a été étudié surtout quant à la nature du nucléophile et de son mode de génération, est la nitration aromatique. D'abord sur les résultats des études cinétiques, on a montré que l'électrophile actif est souvent l'ion nitronium NO2+. Dans quelques cas la formation de l'éléctrophile est l'étape déterminant la vitesse globale. De nombreuses expériences on mis en évidence le rôle de l'ion nitronium. La réaction de l'acide nitrique avec l'acide sulfurique concentré donne la formation de cet ion. Il peut être détecté par spectroscopie et la baisse du point de congélation de la solution est conforme à l'équation de dissociation suivante:

2 H2SO4 + HNO3 fleche NO2+ + H3O+ + 2 HSO4-

On prépare des sels solides, où le nitronium est le cation, avec des anions peu réactifs, par exemple NO2+BF4- ou NO2+PF6-.
    Lois cinétiques:
    Deux principaux types de lois de vitesse décrivent la plupart des cinétiques des réactions de nitration aromatique. Avec les substrats relativement peu réactifs, on observe des cinétiques de second ordre, premier en agent nitrant et premier en aromatique. Cette loi correspond à une attaque, limitant la vitesse globale, de l'électrophile sur l'aromatique. Avec les dérivés aromatiques plus réactifs, cette étape devient plus rapide que la formation de l'électrophile, cette dernière devient l'étape déterminante et la concentration en aromatique disparaît de la loi de vitesse globale. Dans ces conditions, différents aromatiques donnent des nitrations à la même vitesse, celle de formation de l'électrophile.

Un point important doit être signalé en ce qui concerne le cas particulier de la nitration. L'électrophile actif est généralement une espèce plus réactive que les différents réactifs ajoutés initialement. Cette formation de l'éléctrophile actif n'est pas nécessairement l'étape déterminante. On trouve dans le tableau 1 les structures des électrophiles actifs types des nitrations aromatiques ainsi que les réactions les produisant.

    Effet isotopique.
Il existe de multiples preuves de la formation d'un intermédiaire complexe-sigma dans les nitrations aromatiques. L'effet isotopique du deutérium est particulièrement intéressant. Si l'arrachement du proton est concerté avec l'introduction de l'électrophile, un effet isotopique primaire doit être constaté dans les réactions où l'attaque électrophile est l'étape déterminant la vitesse. Ce n'est pas le cas pour la nitration, ni pour plusieurs autres types de substitutions aromatiques. La nitration de substrats aromatiques partiellement marqués au tritium, ne montre aucune sélectivité entre les molécules marquées et les autres. De même, la vitesse de nitration du nitrobenzène est identique à celle du penta-deutéro-benzène. Cette absence d'effet isotopique montre que le proton est arraché au cours d'une étape rapide consécutive à l'étape déterminante. La perte du proton se fait à partir d'un intermédiaire formé antérieurement au début de la rupture C-H. Le complexe-sigma s'accorde avec cette nécessité. Il y a quelques substitutions électrophiles aromatiques qui donnent un rapport kH/kD entre 1 et 2 et très peu avec un rapport dans le domaine de l'effet isotopique primaire,( entre 5 et 7 ). L'existence de ces effets est compatible avec le mécanisme général, si l'arrachement du proton est l'étape limitante (ou partiellement limitante). La majorité des effets où kH/kD est compris entre 1,2 et 2,0 est interprétée par des vitesses comparables pour la formation et la destruction du complexe-sigma intermédiaire.

attaque de l'aromatique

déprotonation

Les observations de l'effet isotopique dépendent des grandeurs relatives des constantes de vitesse k1, k-1, et k2. Quand l'étape déterminante est la formation du complexe-sigma aucun effet isotopique n'est observable.

Si la seconde étape est déterminante, on peut s'attendre à un effet primaire. Dans les substitutions par un électrophile faible comme les ions aryldiazonium on constate un tel effet. Ce qui est cohérent avec une étape de déprotonation du complexe-sigma déterminante. Le même type de réaction suit une catalyse basique générale, encore en cohérence avec une étape de déprotonation du complexe-sigma déterminante.

déprotonation baso catalysé

Piègeage du complexe-sigma
La généralité du mécanisme impliquant un complexe-sigma intermédiaire est renforcée par de nombreux travaux montrant que cette entité peut exister sous une forme stable dans des conditions convenables. Les ions benzènium substitués (synonyme de complexe-sigma ) peuvent être observés en RMN une fois stabilisés par un anion convenable. Il sont formés par protonation d'un substrat aromatique.

piegeage1

piegeage2

Des sels formés par alkylation de dérivés benzéniques ont aussi été caractérisés.

piegeage3

Dans des conditions habituelles de réaction ces ions benzènium sont des intermédiaires à courte durée de vie. Le fait que ces structures soient stables en milieu non nucléophile démontre clairement la possibilité de tels intermédiaires.

L'existence de complexes-sigma intermédiaires peut aussi être tirée d'expériences au cours desquelles ils ont été piégés dans des circonstances particulières. Par exemple le traitement de l'acide 1 par le brome donne la cyclohexadiényle lactone 2. Ce composé est le produit de la capture du complexe-sigma par une attaque nucléophile intramoléculaire par le groupe carboxylate.

piegeage interne complexe

 1                                                                                                    2

De nombreux exemples de capture de complexes-sigma par des nucléophiles ont été découverts au cours des études sur la nitration des benzènes allylés dans l'acide acétique. Par exemple la nitration à 3°C donne la formation du composés 4, dans lequel l'acétate est le nucléophile.

addition

3                                                                                            4
Ce type d'addition est particulièrement facile à observer quand l'électrophile attaque une position déjà substituée, car la réaromatisation facile par départ du proton, est bloquée. L'attaque sur une position substituées est appelée attaque ipso. Des produits d'addition ont aussi été isolés, cependant, quand l'attaque électrophile est survenue sur une position non substituée. L'importance de l'addition, en concurrence avec la substitution, augmente quand on passe du naphtalène aux systèmes polycycliques aromatiques plus grands.

Le schéma de mécanisme général esquissé dans le paragraphe précédent doit être complété par des détails spécifiques pour pleinement décrire le mécanisme d'une substitution électrophile particulière. La question de la nature de l'électrophile actif de chaque réaction est d'importance. Le cas décrit est la nitration, dans laquelle, dans de nombreuse circonstances l'électrophile est l'ion nitronium. La même question doit être affrontée dans les autres processus de substitution. Les autres points importants portent sur, la capacité de l'électrophile à orienter la substitution sur les différents sites des cycles aromatiques substitués et les différences de réactivités des benzènes substitués envers les électrophiles.
 

Rapport structure-réactivité.

L'effet des substituants déjà fixés sur le cycle, sur des réactions de substitutions aromatiques, est un domaine des relations structure-réactivité étudié depuis 1870 environ. La classification des substituants en activant et ortho-para directeurs, et en désactivant et méta directeurs est clairement connue depuis les premières études. La compréhension de l'origine de ces effets n'est possible que depuis que les idées sur les interactions électroniques et la résonance se sont développées. Les groupes activants ortho-para orienteurs sont ceux qui peuvent jouer le rôle de donneur d'électrons et qui stabilisent l'état de transition conduisant à la formation du complexe sigma . Les groupes hydrocarbures saturés ou insaturés et les substituants avec une paire d'électrons non liante sur l'atome adjacent au cycle font partie de cette famille. Les effets stabilisants de ce type de substituants peuvent s'exprimer en terme de structure résonante. Cette stabilisation de résonance n'est possible que si le substituant est ortho ou para par rapport au site d'accueil de l'électrophile. Il s'en suit que les états de transition des substitutions en ortho et para sont plus stables et les réactions favorisées par rapport aux substitutions en méta.

stabilisation par methyle stabilisation par doublet n stabilisation par doublet pi

stabilisation par groupe alkyle          stabilisation par hétéroatome        stabilisation par groupe vinyle
avec électrons non liants

    A cause de l'interaction directe entre le substituant et la charge développée dans le complexe sigma les valeurs quantitatives des effets de substituant ont de fortes composantes de résonance. Les équations de Hammett donnent de bonnes corrélations avec les valeurs sigma +.

Les groupes électroattracteurs ralentissent les substitutions électrophiles. Les substituants classés dans cette famille comprennent divers groupes carbonylées, où le carbonyle est directement relié au cycle, ainsi que les hétéroatomes qui ne possèdent de paire d'électrons non liantes. A cause de la conjugaison directe entre ces groupes et les positions para et ortho, l'attaque électrophile se produit d'abord en méta, position moins désactivée que les deux autres.

stabilisation selon position

fortement déstabilisée
moins déstabilisé
fortement déstabilisée

fortement déstabilisée
moins déstabilisé
fortement déstabilisée
déstabilisation par attracteur à liaison multiple
déstabilisation par hétéroatome électronégatif sans électrons non liants

Quelques substituants, les halogènes, ralentissent la vitesse de réaction mais orientent les électrophiles en ortho et para. Ceci est le résultat des influences opposées des effets de champs et de résonance. Les halogènes sont plus électronégatifs que le carbone, il en résulte une densité électronique diminuée sur le cycle. Le dipôle carbone-halogène s'oppose au développement d'une charge positive dans le cycle. Toute réactivité envers les électrophiles s'en trouve réduite. Mais les paires d'électrons non liants des halogènes n'en stabilisent pas moins préférentiellement les états de transitions correspondants aux substitutions en ortho et en para. En conclusion les halogènes sont désactivants et ortho/para directeurs.

Ces effets d'activation/désactivation et d'orientation peuvent être présentés en termes d'orbitales moléculaires. La discussion peut être centrée soit sur le complexe sigma , soit sur le substrat aromatique. Selon le postulat de Hammond, il est plus judicieux de raisonner sur le complexe sigma dans le cas ou l'état de transition de haute énergie est tardif et ressemble au complexe. Pour les électrophiles très réactifs, avec lesquels l'énergie d'activation est plus faible, il est plus approprié de considérer l'état de transition comme plus proche du substrat. Les deux hypothèses sont à prendre en compte.

Si l'ET est d'une structure voisine du complexe sigma , il faut le considérer comme un cation cyclopentadiènyle substitué. L'électrophile localise une paire d'électrons pour former un liaison sigma nouvelle. Les orbitales moléculaires selon Hückel ont été décrites au début du présent chapitre. Un substituant peut stabiliser le cyclopentadiènyle par don d'électron. La LUMO est psi 3 . Cette orbitale a ses plus forts cœfficients en C1, C3 et C5 du système cyclopentadiènyle. Ce sont les positions en ortho et para par rapport à la position de l'électrophile. Les électrons donneurs en C2 et C4 ne stabilisent pas la système à cause des nœuds des orbitale en ces sites dans la LUMO.

Si on considère maintenant les substituants pi -accepteurs, on voit qu'ils déstabiliseront fortement le système s'ils occupent les positions 1,3,5 du cation cyclopentadiènyle. L'effet déstabilisant sera moindre sur les positions 2 ou 4.

Les conclusions tirées de cette interprétation sont les mêmes que pour la résonance. Les donneurs sont plus stabilisants des complexes conduisant aux substitutions en ortho et en para, les accepteurs sont moins déstabilisant des complexes conduisant aux substitutions en méta.

Les effets des moments dipolaires des liaisons associées aux groupes électroattracteurs peuvent aussi être interprétés en terme d'interactions avec le complexe-sigma cationique. Les atomes avec les plus gros cœfficients de la LUMO psi 3 sont les plus positifs. Les interactions défavorables des moments dipolaires seront les plus fortes sur ces positions. Cet effet est celui des groupes carbonyles, cyano, et nitro. Avec les substituants éther et amino, l'effet dipolaire défavorable est dépassé par l'effet stabilisant de la paire d'électrons sur psi 3.

Ces effets de substituant s'appuient sur les calculs D'OM au niveau STO-3G. Une réaction isodesmique correspondant au transfert d'un proton d'un complexe-sigma substitué vers un non substitué donne une idée de la valeur et du sens de l'effet du substituant. Les résultats sont donnés dans le tableau ci-après.

evaluation de l'effet de substituant

Tableau II Energie de réaction pour le transfert de proton d'un benzène substitué

 
Delta E (kcal.mol-1 ) par calcul STO-3G
Substituant
méta
para
NO2
-17,9
-22,1
CN
-14
-13,8
CF3
-7,5
-8,4
F
-7,5
3,7
CH3
2,0
8,5
OCH3
 
15,7
OH
-5,3
16
NH2
0,6
27,2

Ces calculs de différences d'énergie sont en bon accord avec les valeurs de sigma +. Le paramètre rho ( rho = - 17 ) est supérieur à la valeur expérimentale pour un échange de proton (rho - 8 ). On peut interpréter cet écart par le fait que le résultat théorique suppose la phase gazeuse, alors que la valeur expérimentale implique un solvant qui nivelle les effets de substituants par solvatation.

Les calculs HMO comme les autres méthodes plus élaborées peuvent être appliqués aux conséquences de la position de la substitution électrophile dans les molécules aromatiques. L'approche la plus directe est de calculer l'énergie de localisation. C'est la différence entre l'énergie de la molécule aromatique et l'énergie du complexe-sigma intermédiaire. Dans le calcul de Hückel simple, l'énergie de localisation est la différence entre l'énergie calculée pour le système pi initial et celle restant après que deux électrons et le carbone du site de substitution aient été enlevés du système conjugué.

E de localisation

La comparaison des énergies de localisation a souvent été employée aux prévisions de réactivité relative dans les hydrocarbures polycycliques aromatiques. Le succès des calculs HMO simples est assez marginal. CNDO/2 et les calculs SCF pour tous les électrons donnent des résultats plus proches des données expérimentales sur la vitesse d'échange des protons.

Maintenant considérons les cas d'un électrophile très réactif, avec lequel on s'attend à un état de transition précoce. Dans ce cas la densité de charge et les cœfficients de la HOMO caractéristique du substrat aromatique sont considérés comme les facteurs déterminants de l'orientation de l'attaque électrophile. L'état de transition ressemble au substrat et selon la théorie des orbitales frontières, l'électrophile attaque la position ayant le plus fort cœfficient de la plus haute orbitale moléculaire occupée (HOMO). Le cas de l'anisole donne un bon exemple de réactivité. Les calculs de MO placent la paire de l'oxygène en dessous de l'orbitale aromatique pi , donnant le schéma suivant.

niveaux de l'anisole

La dégénérescence des deux niveaux pi occupés les plus élevés du benzène, est levée dans l'anisole à cause de l'interaction préférentielle du méthoxy avec l'un d'entre eux. L'autre a un nœud sur le site de substitution du méthoxy. Les cœfficients des deux plus hautes orbitales pi occupées de l'anisole et d'autres dérivés, sont donnés dans le diagramme suivant. (Calcul CNDO/2).

Niveau le

plus élevé

Energie

unit. Atom.

-0,48
-0,46
-0,50
-0,57
Deuxième 

niveau 

le plus élevé

Energie
-0,51
-0,52
-0,54
-0,60

On constate que la HOMO a ses cœfficients les plus élevé aux positions ipso,ortho et para . Comme pour l'anisole, l'énergie de ces orbitales est augmentée par les interactions avec les groupes substituants donneurs d'électrons. La figure suivante donne la répartition totale des électrons p d'après les calculs STO-3G.

Groupes donneurs

Groupes attracteurs

Les groupes donneurs montrent des densités électroniques accrues en ortho et para. A la fois les cœfficients des HOMO et les distributions totales de charges prévoient une attaque préférentielle des électrophiles sur ces positions par rapport au substituant quand il est donneur.

Quelques exemples de substituants attracteurs sont aussi présentés. Comme prévus les accepteurs abaissent le niveau d'énergie des orbitales pi . Cependant la distribution électronique de la HOMO est augmentée en position para. La charge totale quant à elle est plus fortement diminuée en ortho et para. La plus faible énergie de la HOMO est cohérente avec la baisse, observée, de réactivité des cycles substitués par des groupes électroattracteurs. La distribution de la HOMO prédirait, si on utilisait la théorie des orbitales frontières une substitution erronée en para. Les cycles aromatiques substitués par des accepteurs sont, relativement, peu réactifs, et par conséquent donneront moins facilement un état de transition précoce. Pour ces composés les considérations sur la stabilité des complexes-sigma qui prévoient une substitution en méta sont donc plus appropriées.

Les substituants qui ne sont pas directement liés au cycle aromatique peuvent aussi influencer l'évolution d'une substitution électrophile aromatique. Plusieurs groupes alkyle portant des substituants électroattracteurs sont méta directeurs et désactivants. Dans ces molécules la stabilisation du complexe-sigma ortho ou para par apport d'électrons du groupe alkyle, s'oppose à l'effet attracteur d'un substituant électronégatif. A la fois la densité réduite sur alkyle par l'effet attracteur et l'effet de champ réduisent l'apport d'électron du groupe méthylène. Quelques exemples sont donnés dans le tableau suivant.( mesure de la proportion de nitration en méta).

2-phenylacétate dethyle
dichlorophenylmethane
1-trichloro-2-phenylethane
nitrophenylmethane
trichlorophenylmethane
trimethylbenzylammonium
11%
34%
37%
55%
64%
85%

 

En résumé, les relations entre les substituants et les réactions de substitution électrophile typiques, comme celle du tableau I sont les suivantes.

1-Les groupes hydroxyles ou amino sont puissamment activants et ortho para directeurs. De tels composés sont attaqués par tous les réactifs électrophiles du tableau I. Avec certains réactifs toutes les positions ortho et para disponibles sont substituées.

2- Les groupes alkyles, amido, alkoxy sont activants et ortho para directeurs mais pas aussi fortement que les membres du premier groupe. Les conditions d'utilisation pour une synthèse sélective sont possibles pour presque tous les électrophiles du tableau I sauf les très faibles, NO+ et Ph-N2+.

3- Les halogènes comme cité plus haut sont à part ils sont désactivants et ortho para directeurs. En général les halogéno-aromatiques réagissent avec les réactifs des catégories A et B du tableau I.

4- Le groupe carbonyle des aldéhydes, des cétones, des acides, des esters et des amides est désactivant et méta directeur. Il y a une nette différence selon le type de réactif pouvant donner des résultats avec ces substituants désactivants En générale seule ceux de la catégorie A réagissent facilement.

5- Les groupes cyano, nitro et ammonium quaternaire sont fortement désactivants et méta directeurs. Les substitutions avec ces substrats requièrent des conditions particulièrement vigoureuses et échouent avec tous les électrophiles sauf les plus forts.

Tableau III: Proportion d'isomères formés par nitration de benzènes substitués

Substituant
% ortho
% méta
% para
N+H3
3-5
35-50
50-60
N+(CH3)3
0
89
11
CH2N+(CH3)3
0
85
15
S+(CH3)2
4
90
6
NO2
5-8
91-93
0-2
COOH
15-20
75-85
~ 1
Ctriple N
15-17
81-83
~ 2
CO2C2H5
24-28
66-73
1-6
COCH3
26
72
0-2
F
9-13
0-1
86-91
Cl
30-35
~1
64-70
Br
36-43
1
56-62
I
38-45
1-2
54-60
CCl3
7
64
29
CF3
6
91
3
CH2CºN
24
20
56
CH2NO2
22
55
23
CH2OCH3
51
7
42
CH3
56-63
2-4
34-41
CH2-CH3
46-50
2-4
46-51
OCH3
30-40
0-2
60-70

Puisque la nitration a beaucoup été étudiée sur de nombreux substrats, elle s'avère adaptée à l'illustration des effets d'orientation. Les conditions de réaction étant différentes, la validité des comparaisons en souffre, mais la tendance est claire néanmoins. Il faut aussi se rappeler que les autres électrophiles, bien que suivant qualitativement la même tendance, donnent des différences de régiosélectivité quantitativement importantes. (Tableau III)

La comparaison des effets se quantifie en utilisant le facteur de vitesse partielle. Si on compare la réactivité de chacune des positions d'un aromatique substitué avec le benzène en mesurant la vitesse globale rapportée à celle du benzène dans des conditions identiques, et en la répartissant en fonction des pourcentages de composés ortho, méta et para obtenus, compte tenu des probabilités d'attaque, on définit le facteur de vitesse partielle.

facteur de vitesse partielle  :  f = (6).(k sub)(frac produit) / (y)(k benz)

Le rapport (6)/(y) est le rapport statistique correcteur du nombre de positions totales (6) et du nombre de positions différentes (y) conduisant au même isomère.
ksub et kbenz sont les constantes de vitesse globale de l'aromatique concerné et du benzène .
frac produit est la fraction d'isomère formé par rapport au total de produit mesuré en moles

Exemple/ nitration du toluène.
Si on obtient 66% de dérivé ortho, 34% de para et 3% de méta
On a y = 2 positions donnant le dérivé ortho, 2 pour le méta et 1 pour la para
et ksub/kbenz = 23 dans l'anhydride acétique et l'acide nitrique.

Il vient alors:

fortho= (6/2) x (23/1) x (0,63) = 43,5

fméta= (6/2) x (23/1) x (0,03) = 2,1

fpara=  (6/2) x (23/1)  x (0,34) = 46,9

Cette grandeur donne un point de vue précis sur deux aspects de la réactivité: la sélectivité électrophile/substrat, et la sélectivité électrophile/position pour un même substrat.

Sélectivité électrophile/substrat. Certaines réactions ont une forte sélectivité, les vitesses varient beaucoup selon les substrats. En général, une faible sélectivité est reliée à une forte réactivité de l'électrophile et réciproquement. Une forte sélectivité correspond à des facteurs de vitesses très différents de 1.

Sélectivité électrophile/position pour un même substrat. Une corrélation existe entre la position et la sélectivité du substrat. Les électrophiles donnant une forte sélectivité donnent généralement des rapports ortho/para faibles et des proportions en méta négligeables. Une forte sélectivité avec le substrat s'accompagne d'une forte sélectivité de position. Les électrophiles très réactifs ont tendance à donner de faibles sélectivités de substrat et de faibles sélectivités de position. (Tableau IV)

Tableau IV Sélectivité de quelques substitutions électrophiles aromatiques.

Réactions avec le Toluène
fo
fm
fp
Nitration      
HNO3-(CH3NO2)
38,9
1,3
45,7
Halogénation      
Cl2-(CH3COOH)
617
5
820
Br2-(CH3CO2H-H2O)
600
5,5
2420
Protonation      
H2O-(H2SO4)
83
1,9
83
H2O-(CF3CO2H-H2SO4)
330
7,2
313
Acylation      
PhCOCl-(AlCl3,PhNO2)
32,6
5,0
831
CH3COCl-(AlCl3,ClCH2CH2Cl)
4,5
4,8
749
Alkylation      
CH3Br-(GaBr3)
9,5
1,7
11,8
(CH3)2CHBr-(GaBr3)
1,5
1,4
5,0
PhCH2Cl(AlCl3)
4,2
0,4
10,0

Le facteur le plus significatif en terme de substrats est fp, puisque le terme fo comporte des composantes stériques. Selon ce critère l'halogénation et l'acylation ont une forte sélectivité, la protonation et la nitration sont intermédiaires, et l'alkylation donne une faible sélectivité.

La réactivité et la sélectivité sont en grande partie déterminés par la position de l'état de transition, selon les coordonnées de la réaction.

A

ET precoce





B

ET tardif

Avec les électrophiles très réactifs, l'état de transition est rapidement formé, (cas A), il est alors davantage proche du réactant que du complexe-sigma . La charge positive du le cycle est petite et il en découle une faible interaction cycle-substituant.

Avec les électrophiles peu réactifs, l'état de transition est tardivement formé, (cas B), il est alors davantage proche du complexe-sigma  que du réactant. La liaison avec l'électrophile a un plus grand caractère sigma . La charge positive sur le cycle est plus forte et il en découle une forte interaction cycle-substituant. Ces arguments suivent les postulats de Hammond et les calculs (STO-3G) retrouvent ces prévisions qualitatives en révélant une plus grande stabilisation des positions ortho et para du toluène quand l'électrophiles s'approche plus près du cycle.

Les corrélations de Hammett donnent un autre éclairage sur la réactivité et la sélectivité des SEAr. En général, la constante sigma standard donne de faibles corrélations avec les réactions impliquant une SEAr. Les valeurs de sigma +, qui reflètent une importante interaction de résonance donnent de meilleurs résultats, c'est d'ailleurs leur raison d'exister. On a suggeré une relation entre la pente rho de la droite de corrélation entre les vitesses de réactions et sigma +. avec la position de l'état de transition selon les coordonnées de la réaction. L'analyse est la suivante. Une valeur grande de la pente rho correspond à un fort effet de substituant, donc un état de transition tardif de type complexe-sigma . Une valeur faible de la pente rho correspond à un petit effet de substituant, donc un état de transition précoce de type complexe-pi . La table suivante donne quelques valeurs de rho pour les principales SEAr.

Valeurs de rho pour quelques substitution électrophiles aromatiques.

Réactions
rho
Bromation (CH3CO2H)
-13,1
Chloration (CH3NO2)
-13,0
Chloration (CH3CO2H-H2O)
-8,8
Protonation (H2SO4-CF3CO2H-H2O)
-8,6
Acétylation (CH3COCl, AlCl3, C2H4Cl2)
-8,6
Nitration (H2SO4-HNO3)
-6,4
Chloration (HOCl-H+)
-6,1
Alkylation (C2H5Br, GaBr3)
-2,4

Ces données indiquent que l'halogénation a les caractéristiques d'une substitution électrophile fortement sélective, la nitration et l'acylation de Friedel et Crafts ont une sélectivité moyenne, et l'alkylation est un exemple de faible sélectivité. Ceci est en accord avec les résultats tirés des valeurs des fpprécédents.

Le rapport ortho/para

La prévision des quantités relatives d'isomères ortho ou para est difficile, quand un groupe orienteur en ortho/para est présent sur un substrat aromatique. Ces proportions sont largement dépendantes des conditions de réaction. Un exemple la chloration du toluène donne une variation de 62/38% à 34/66% de ce rapport. Quelques remarques .....

Un raisonnement purement statistique conduit à un prévision de 66/33% sur le nombre de positions possibles.

Mais le complexe-sigma d'une protonation n'a pas une distribution de charge identique en ortho (0,25) et en para (0,30) d'après Olah . Selon ce modèle, un substituant para a un effet stabilisant de l'intermédiaire supérieur à un ortho et on doit s'attendre à une proportion supérieure à 33% pour le produit en para , et inférieure à 66% pour le produit en ortho, en l'absence d'autre effet. On a constaté, en effet un rapport o/p de 0,865 = log fo /log fpdans la protonation (Taylor 1961 à 1973) en accord avec les densités de charges. Ce modèle est conforté par les rapports o/p observés avec les benzènes dotés de substituants méta-directeurs, tous supérieurs à 66/33%. Ces groupes déstabilisent davantage une forte charge positive (para) qu'une faible (ortho).

charges selon Olah

Un autre facteur important est l'encombrement stérique, du au substituant ou à l'électrophile. Les rapports o/p s'effondrent quant l'encombrement est grand. La nitration, dans des conditions identiques, du toluène et du t-butylbenzène donne 58/37 pour le premier et 16/73% pour le second.

Quelques groupes particulièrement encombrants ne conduisent qu'au dérivé para.

Un autre facteur favorise l'orientation para, quand le groupe électro-donneur possède un doublet non lié, ce qui est fréquent. Les formes de résonance, implique soit une forme ortho-quinoïde soit une para-quinoïde. Cette dernière plus stable accroit la stabilité de l'intermédiaire correspondant.

o-quinoide paraquinoide

Forme o-quinoïde p-quinoïde

    Il est enfin possible de contraindre la substitution en para, en enfermant l'aromatique dans une cavité dont seule la position para sera accessible. L'anisole est ainsi chloré dans une solution de cyclodextrine. On atteint un rapport o/p de21, 6 alors qu'il est de 1, 48 sans cyclodextrine.

cyclodextrine

Formule de la  beta -cyclodextrine

beta-cyclodextrine

Encombrement spatial de la cyclodextrine enroulée selon un cône creux de 6,2 Å de diamètre intérieur

Effet isotopique.
Un autre aspect du mécanisme est fourni par la mesure de l'effet isotopique. En particulier puisque l'effet isotopique primaire n'est prévu que dans le cas où la décomposition du complexe-rho est l'étape déterminant la vitesse, l'observation d'une valeur élevée de kH/kD confirme une déprotonation déterminante. Les valeurs mesurés sont présentées dans le tableau suivant.

Tableau V: Effets isotopiques

Réactions et substrats
Agent électrophile
kH/kDou kH/kT
Nitration    
Benzène-t
HNO3-H2SO4
<1,2
Toluène-t
HNO3-H2SO4
<1,2
Nitrobenzène-d5
HNO3-H2SO4
1
Halogénation    
Benzène-d6
HOBr-HClO4
1
Anisole-d
Br2
1,05
Acylation    
Benzène-d6
CH3Ctriple O+SbF6-, CH3NO2
2,25
Benzène-d6
PhCtriple O+SbF6-, CH3NO2
1,58
Sulfonation    
Benzène-d6
ClSO3H, CH3NO2
1,7
Benzène-d6
ClSO3H, CH2Cl2
1,6
Nitrobenzène-d5
H2SO4, SO3
1,6-1,7
Nitrosation    
Benzène-d6
HNO2, D2SO4
8,5
Couplage diazoïque    
acide 1-Naphtol-4-sulfonique-2-d
Ph-N2+
1,0
acide 2-Naphtol-8-sulfonique-1-d
Ph-N2+
6,2

Tandis que les effets isotopiques sont peu observés pour la nitration et l'halogénation, l'acylation de F&C, la sulfonation, la nitrosation et le couplage diazoïque sont des exemples où la vitesse de l'arrachement du proton affecte la vitesse globale de substitution. Il n'y a que les cas où les réactions concernent de faibles électrophiles, à savoir la nitrosation et le couplage diazoïque, où l'effet isotopique est du domaine prévu pour une déprotonation complètement déterminante.

En résumé, quatre types de profils particulier existent pour les SEAr:

A- L'étape déterminante est la production de l'électrophile. C'est le plus facile à identifier par la cinétique. La loi de vitesse est indépendante des concentrations d'aromatique.

B- L'étape déterminante est la formation du complexe-sigma avec un électrophile de faible sélectivité. La loi de vitesse dépend des concentrations d'aromatique et d'électrophile. De plus la faible sélectivité est caractérisée par une valeur de rho faible et de petits facteurs de vitesse partielle.

C- L'étape déterminante est la formation du complexe-sigma avec un électrophile de forte sélectivité donnant un état de transition tardif.

D- L'étape déterminante est l'arrachement du proton et la réaromatisation. Ce qui va être caractérisé par un effet isotopique primaire sur le site de substitution.

(A) formation de l'électrophile contrôlante (B) formation du complexe-sigma contrôlante (électrophile non-sélectif)

(C) formation du complexe-sigma contrôlante (D) dépronotation contrôlante (électrophile sélectif)

Réactivité des composés polycycliques et hétéroaromatiques.

Les composés polycycliques aromatiques, particulièrement le naphtalène, l'anthracène et le phénanthrène et leur dérivés simples donnent différents types de substitutions aromatiques et sont souvent plus réactifs que le benzène. La raison en est que l'énergie d'activation pour la formation du complexe-sigma est plus faible, car une partie de l'énergie de résonance est conservée sur des cycles de la molécule.

SEAr/benzene SEAr/naphtalene

SEAr/anthracene

Les calculs d'OM estiment les énergies de délocalisation du benzène, naphtalène et anthracène à respectivement 36,3; 15,4; et 8,4 kcal.mol-1 (152; 64; et 35 kj.mol-1).

La stabilité relative de l'intermédiaire détermine les positions de substitution en cas de contrôle cinétique. Pour le naphtalène le site préférentiel est la position 1. Deux facteurs peuvent entraîner une substitution en 2. Si l'électrophile est très encombrant, l'hydrogène du site voisin donne alors une préférence stérique pour le site 2. Dans les conditions de substitution réversible le contrôle devient thermodynamique et la position 2 est souvent préférée. Par exemple, la sulfonation à basse température donne l'isomère en 1 alors que celui en 2 est obtenu à température plus élevée.

Le phénanthrène et l'anthracène réagissent tous deux de préférence sur le cycle central. Ceci peut être prévu par de simples considérations de résonance. Les complexes-sigma obtenus gardent deux cycles benzéniques intacts. L'énergie de stabilisation aromatique de ces intermédiaires est plus grande que si la substitution se fait sur un cycle terminal.

regioselectivité sur anthracéne

défavorisé (deux isomères possibles)                                                         favorisée

regioselectivite sur phenathrene

défavorisé (quatre isomères possibles)                                                         favorisée

Le phénanthrène comme l'anthracène ont tendance à donner des réactions d'addition dans les conditions habituelles de certaines substitutions électrophiles. L'halogénation et la nitration de l'anthracène en milieu HCl donne un intermédiaire d'addition isolable.

intermediaire d'addition

Les composés hétéroatomiques. Ils sont divisés en deux grands groupes appelés pi -déficient et pi -excédentaire, dépendant du caractère électro-donneur ou accepteur de l'hétéroatome. Le furane, le pyrrole, le thiophène, et d'autres contenant un azote, un oxygène, ou un soufre dans une structure aromatique où ils apportent deux électrons p  sont pi -excédentaires. Cette classification est confirmé par les structures de résonance et les calculs d'OM.

furane

pyrolle

thiophène

L'ordre des réactivités est pyrrole > furane > thiophène, il indique un ordre N > O > S de la capacité à fournir des électrons. L'ordre O > N se comprend par l'électronégativité, pour O > S il s'agirai plutôt d'un meilleur recouvrement n-pi des orbitales, les orbitales 2p du O serait géométriquement mieux disposées que les 3 p du S pour recouvrir les 2p du carbone.

Les structures comme la pyridine, qui comportent l'unité structurale -N=CH- sont pi -déficientes et sont désactivées pour les attaques électrophiles. Là encore l'interprétation par la mésomérie est suffisante.

pyridine

L'azote étant plus électronégatif que le carbone, est plus accepteur d'électrons pi . Un autre facteur joue de façon importante pour expliquer la faible réactivité de la pyridine et de ses dérivés dans les substitutions électrophiles. L'unité structurale -N=CH- est basique puisque la paire d'électrons de l'azote ne fait pas partie du système pi . L'azote peut donc fixer un proton ou être complexée par un acide de Lewis, dans les conditions types de la substitution électrophile aromatique. La charge positive formelle sur l'azote, qui en découle, réduit la réactivité envers les électrophiles.

pyridinium pyridine complexée

Cycles à 5 membres. La sélectivité sur ce type de cycles simples est habituellement 2 > 3. Ceci reflète la conjugaison plus favorable de la forme A que de la forme B. Dans le forme A les doubles liaisons C=C restantes peuvent délocaliser la charge positive plus efficacement que dans B.

substitution en 2 substitution en 3

A                             B

Cependant les substituants sur le cycle peuvent facilement diriger les effets d'orientation.

Pour la pyridine la réactivité envers les SEAr est 3 > 4, 2. L'azote du cycle agit comme un substituant interne, attracteur d'électrons, fortement déstabilisant pour les intermédiaires conduisant aux substitutions en 2 ou en 4. L'azote désactive aussi la position 3, mais moins que les 2 et 4.

regioselectivité sur pyridine

très défavorable très défavorable moins défavorable

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