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PCSI · Chimie · semaine 36

Activation des alcools et des phénols

Activation nucléophile par formation d'alcoolates, comparaison de la nucléophilie d'alcools de différentes classes et d'un alcool face à sa base conjuguée, puis synthèse d'éther-oxydes par la méthode de Williamson. Activation électrophile in situ par protonation, avec la déshydratation acido-catalysée d'un alcool tertiaire selon le mécanisme limite E1, la compétition substitution-élimination et la conversion en halogénoalcane par un halogénure d'hydrogène concentré. Formation et réactivité des esters sulfoniques, tosylates et mésylates, qui offrent une voie d'activation alternative en synthèse multi-étapes.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Un alcool est un mauvais nucléophile et un très mauvais électrophile. Toute la chimie des alcools consiste à l'activer.
  2. L'activation nucléophile consiste à former l'alcoolate, par une base assez forte ou par un métal alcalin, ce qui permet la synthèse d'éther-oxyde de Williamson par substitution bimoléculaire.
  3. L'activation électrophile in situ consiste à protoner l'alcool pour transformer le groupe partant en molécule d'eau, ce qui ouvre la déshydratation E1\mathrm{E1} et la conversion en halogénoalcane.
  4. La substitution et l'élimination sont toujours en compétition, arbitrées par la classe du substrat, la température, la force et l'encombrement de la base.
  5. Les esters sulfoniques, tosylates et mésylates, offrent une activation en milieu doux, avec conservation de configuration à la formation puis inversion lors d'une substitution bimoléculaire.
Pourquoi ce chapitre

PropriétéRéactivité d'un alcool

L'alcool souffre de deux handicaps opposés.

  • Comme nucléophile, il est médiocre. Son atome d'oxygène porte bien deux doublets non liants, mais il est neutre, donc peu disponible.
  • Comme électrophile, il est inutilisable tel quel. Pour substituer le groupe hydroxyle, il faudrait faire partir un ion hydroxyde, or celui-ci est une base forte, donc un très mauvais groupe partant.

Une substitution nucléophile directe sur un alcool ne se produit pas.

DéfinitionActivation

Activer un alcool, c'est le transformer, avant ou pendant la réaction, en une espèce plus réactive.

  • Activation nucléophile en le déprotonant.
  • Activation électrophile en le protonant ou en convertissant le groupe hydroxyle en un meilleur groupe partant.

Le raisonnement se transpose ensuite à tous les groupes peu réactifs.

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Méthodes et exercices

Exercices classiques corrigés

Rangés par thème, du plus simple au plus exigeant. Difficulté et durée indicatives.

Acidité et déprotonation 2

Exercice 1. Choisir une base ★

Application du cours · 10 min · Khôlle

Données de pKa : pheˊnol10,0,eˊthanol16,H2O14,HCO3−10,3,NH3environ 38.\begin{aligned} \text{phénol} &\quad 10{,}0, \\ \text{éthanol} &\quad 16, \\ \mathrm{H_2O} &\quad 14, \\ \mathrm{HCO_3^-} &\quad 10{,}3, \\ \mathrm{NH_3} &\quad \text{environ } 38. \end{aligned} Pour le phénol et pour l'éthanol, dire lesquelles des bases HO−\mathrm{HO^-}, CO32−\mathrm{CO_3^{2-}} et NH2−\mathrm{NH_2^-} conviennent pour une déprotonation quantitative.

Voir l'indice

Technique constante égale à 10 puissance la différence des pKa.

Voir le corrigé offert
  1. Phénol et CO₃²⁻ : K° = 10 puissance 0,3, soit environ 2. La réaction n'est pas quantitative.
  2. Phénol et HO⁻ : K° = 10⁴. La réaction est quantitative, la soude convient.
  3. Éthanol et HO⁻ : K° = 10⁻². Pour un mélange équimolaire, x/(1 − x) = 0,1, soit environ 9 % d'alcoolate. La réaction est loin d'être quantitative.
  4. Éthanol et NH₂⁻ : K° = 10²². La réaction est totale.

piège : Inverser la différence des pKa. Il faut que l'acide formé soit plus faible que l'acide consommé, donc que son pKa soit plus grand.

Exercice 2. Préparer de l'éthanolate de sodium ★★

Classiques de khôlle et concours · 15 min · Khôlle

On introduit 2,3 g2{,}3~\mathrm{g} de sodium dans un excès d'éthanol anhydre, à 25 ∘C25~^\circ\mathrm{C} et sous 1 bar1~\mathrm{bar}.

On donne M(Na)=23 g⋅mol−1.M(\mathrm{Na}) = 23~\mathrm{g\cdot mol^{-1}}. Écrire les demi-équations, calculer le volume de gaz dégagé, et justifier l'exigence d'un alcool anhydre.

Voir le début du corrigé
  1. Oxydation : Na → Na⁺ + e⁻. Réduction : 2 C₂H₅OH + 2 e⁻ → 2 C₂H₅O⁻ + H₂. …

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Synthèse d'éthers 3

Exercice 3. Éther dissymétrique ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

Proposer une synthèse du 2-éthoxypropane, (CH3)2CH−O−CH2CH3(\mathrm{CH_3})_2\mathrm{CH-O-CH_2CH_3}, à partir d'alcools et d'halogénoalcanes.

Écrire le mécanisme et prévoir les produits secondaires.

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  1. Premier découpage : propan-2-olate et bromoéthane, électrophile primaire. …

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Exercice 4. Synthèse du méthoxybenzène ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Écrit CCINP

On veut préparer le méthoxybenzène à partir du phénol.

Choisir la base, écrire l'étape de substitution, et expliquer pourquoi le bromobenzène traité par le méthanolate ne convient pas.

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  1. pKa(phénol) = 10 < 14. La soude déprotone quantitativement, K° = 10⁴. …

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Exercice 9. Les deux énantiomères d'un éther ★★★

Approfondissement · 35 min · Type oral Centrale

À partir du seul (R)-octan-2-ol, préparer séparément le (R)-2-méthoxyoctane et le (S)-2-méthoxyoctane.

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  1. Pour le (R) : NaH donne l'alcoolate, qui attaque CH₃I en SN2 sur le méthyle. …

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Déshydratation et élimination 3

Exercice 5. Déshydratation du 2-méthylbutan-2-ol ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

Écrire le mécanisme de la déshydratation en milieu sulfurique à chaud. Lister les produits et désigner le majoritaire. Dire pourquoi on distille.

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  1. Protonation de l'oxygène, départ de l'eau donnant le carbocation tertiaire (CH₃)₂C⁺CH₂CH₃, puis arrachement d'un hydrogène voisin par H₂O.

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Exercice 6. Régiosélectivité, stéréosélectivité et loi de vitesse ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit CCINP

Même question pour le 3-méthylpentan-3-ol, puis établir la loi de vitesse en supposant la protonation équilibrée et rapide.

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  1. Les deux CH₂ sont équivalents et donnent le 3-méthylpent-2-ène, trisubstitué. …

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Exercice 10. Élimination sous contrainte géométrique ★★★

Approfondissement · 35 min · Écrit Mines

Les tosylates des cis- et trans-2-méthylcyclohexan-1-ol sont traités à chaud par l'éthanolate de sodium. Prévoir les alcènes.

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  1. La tosylation conserve les configurations cis et trans.

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Substitution des alcools 2

Exercice 7. Deux alcools, deux mécanismes ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Khôlle

On traite par HBr concentré d'une part le (S)-3-méthylhexan-3-ol, d'autre part le butan-1-ol. Écrire les mécanismes, prévoir la stéréochimie et les produits secondaires.

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  1. Alcool tertiaire : protonation, puis départ de l'eau, étape lente, puis attaque de Br⁻ sur le carbocation plan. …

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Exercice 8. Tosylate ou protonation ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Écrit CCINP

On veut du 2-bromooctane énantiopur à partir du (R)-octan-2-ol.

Comparer l'action directe de HBr\mathrm{HBr} concentré et la séquence chlorure de tosyle et pyridine, puis bromure de lithium.

Voir le début du corrigé
  1. HBr : l'alcool est secondaire, les voies SN1 et SN2 coexistent. …

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Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PCSI (2021), deuxième semestre option PC, partie 6.3 « Activation de groupes caractéristiques », rubriques « Activation nucléophile des alcools et phénols » et « Activation électrophile des alcools ». Elle couvre la formation des alcoolates, la synthèse de Williamson, l'activation par protonation, la déshydratation d'un alcool tertiaire, la conversion en halogénoalcane et les esters sulfoniques.

Au concours

Les questions des sujets corrigés qui travaillent ce chapitre. La première question de chaque sujet est en accès libre.

CCINP 2025, PC, Chimie

  • Q14 et Q15 Protection par acétal et tosylation d'alcools