Règle de Zaïtsev

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Sauter à la navigation Sauter à la recherche

La règle de Zaïtsev (ou règle de Saytzeff ou Saytzev) est une règle empirique pour prédire le ou les alcène(s) produit(s) majoritairement dans une réaction d'élimination. À l’Université de Kazan, le chimiste russe Alexandr Zaïtsev a étudié diverses réactions d’élimination et a observé une tendance générale dans les alcènes obtenus. À partir de cette tendance, Zaïtsev a déduit que : « l'alcène formé en plus grande quantité est celui qui correspond à l'élimination d'un atome d'hydrogène porté par l'atome de carbone ayant le moins d'atomes d'hydrogène. » Par exemple, lorsque le 2-iodobutane est traité avec de l'hydroxyde de potassium alcoolique (KOH), le but-2-ène est le produit majoritaire et le but-1-ène est le produit minoritaire[1].

La réaction d'élimination sur le 2-iodobutane mène majoritairement au but-2-ène.

Plus généralement, la règle de Zaïtsev prédit que dans une réaction d'élimination, le produit le plus substitué sera le plus stable, et donc le plus favorisé. La règle ne fait aucune généralisation sur la stéréochimie de l'alcène nouvellement formé, mais uniquement sur la régiochimie de la réaction d'élimination. Bien qu'efficace pour prédire le produit de choix pour de nombreuses réactions d'élimination, la règle de Zaïtsev est soumise à de nombreuses exceptions.

Histoire[modifier | modifier le code]

Alexandr Mikhaïlovitch Zaïtsev

Alexandr Zaïtsev a publié pour la première fois ses observations concernant les produits de réactions d'élimination dans Justus Liebigs Annalen der Chemie en 1875[2],[3]. Bien que le document contienne des recherches originales effectuées par les étudiants de Zaïtsev, il s’agissait en grande partie d’une analyse documentaire qui s’appuyait largement sur des travaux publiés auparavant[4]. Zaïtsev y proposait une règle purement empirique pour prédire la régiochimie privilégiée dans la déshydrohalogénation des composés iodés, même s'il s'avère que cette règle est également applicable à d'autres réactions d'élimination. Bien que le document de Zaïtsev ait été bien référencé tout au long du 20e siècle, ce n’est que dans les années 1960 que les manuels ont commencé à utiliser le terme "règle de Zaitsev"[3].

Zaïtsev n'a pas été le premier chimiste à publier la règle qui porte désormais son nom. Aleksandr Nikolaevich Popov a publié une règle empirique similaire à celle de Zaïtsev en 1872[5] et a présenté ses conclusions à l'Université de Kazan en 1873. Zaitsev avait déjà cité l'article de 1872 de Popov dans des travaux antérieurs et avait travaillé à l'université de Kazan. Il était donc probablement au courant du projet de règle de Popov. Malgré cela, le document de 1875 de Liebigs Annalen de Zaitsev ne fait aucune mention du travail de Popov[3],[4].

Toute discussion sur la règle de Zaitsev serait incomplète sans mention de Vladimir Markovnikov. Zaitsev et Markovnikov ont tous deux étudié avec Alexandre Boutlerov, ils ont enseigné à l'Université de Kazan à la même période et étaient des rivaux acharnés. Markovnikov, qui a publié en 1870 ce que l’on appelle maintenant la règle de Markovnikov, et Zaïtsev ont des vues divergentes sur les réactions d’élimination : le premier pense que l’alcène le moins substitué serait favorisé, alors que le second estimait que l’alcène le plus substitué serait le produit principal. L'une des principales raisons pour lesquelles Zaïtsev a commencé à enquêter sur les réactions d'élimination pourrait avoir été de réfuter son rival[3]. Zaïtsev a publié sa règle concernant les réactions d'élimination juste après que Markovnikov a publié le premier article d'une série en trois parties dans Comptes Rendus, détaillant sa règle concernant les réactions d'addition[4].

Considérations thermodynamiques[modifier | modifier le code]

L'hydrogénation des alcènes produisant des alcanes est exothermique. La quantité d'énergie libérée lors d'une réaction d'hydrogénation, appelée chaleur d'hydrogénation, est inversement liée à la stabilité de l'alcène de départ : plus l'alcène est stable, moins sa chaleur d'hydrogénation est élevée. L'examen des chaleurs de l'hydrogénation pour différents alcènes révèle que la stabilité augmente avec le degré de substitution[6].

Nom du composé Structure Chaleur molaire d'hydrogénation Degré de substitution
en kJ / mol en kcal / mol
Éthylène 137 32,8 Non substitué
but-1-ène 1-butene Line formula.png 127 30,3 Monosubstitué
E-but-2-ène 2-butene.png 116 27,6 Disubstitué
2-méthylbut-2-ène 2-methyl-2-butene.png 113 26,9 Trisubstitué
2,3-diméthylbut-2-ène 2,3-dimethyl-2-butene.png 111 26,6 Tétrasubstitué

L'augmentation de la stabilité associée à des substitutions supplémentaires est le résultat de plusieurs facteurs. Les groupes alkyles sont donneurs d'électrons et augmentent la densité électronique sur la liaison π de l'alcène. En outre, les groupes alkyle sont stériquement gros et sont les plus stables lorsqu'ils sont éloignés les uns des autres. Dans un alcane, la séparation maximale est celle de l’angle de liaison tétraédrique, 109,5°. Dans un alcène, l'angle de la liaison augmente jusqu'à environ 120°. Par conséquence, la séparation entre les groupes alkyles est la plus grande dans l’alcène le plus substitué[7].

L'hyperconjugaison, qui décrit l'interaction stabilisatrice entre l'orbitale moléculaire la plus haute occupée (HOMO) du groupe alkyle et la plus basse vacante (LUMO) de la double liaison, contribue également à expliquer l'influence des substitutions alkyle sur la stabilité des alcènes. En ce qui concerne l'hybridation orbitale, une liaison entre un carbone sp2 et un carbone sp3 est plus forte qu'une liaison entre deux carbones sp3 hybridés. Les calculs révèlent un effet dominant d'hyperconjugaison stabilisant de 6 kcal mol−1 par groupe alkyle[8].

Effets stériques[modifier | modifier le code]

Dans les réactions d'élimination E2 , une base extrait un proton en bêta d'un groupe partant, tel qu'un halogénure. L'élimination du proton et la perte du groupe partant se produisent en une seule étape concertée pour former une nouvelle double liaison. Lorsqu'une petite base non encombrée, telle que l'hydroxyde de sodium, le méthanolate de sodium ou l'éthanolate de sodium, est utilisée pour une élimination E2, le produit de Zaitsev est généralement préféré à l'alcène le moins substitué, appelé produit Hofmann. Par exemple, le traitement du 2-bromo-2-méthylbutane avec de l'éthanolate de sodium dans de l'éthanol donne le produit Zaitsev avec une sélectivité modérée[9].

Le traitement du 2-bromo-2-méthylbutane avec une petite base, telle que l'éthylate de sodium, donne le produit Zaitsev.

En raison des interactions stériques, une base volumineuse — telle que le tert-butanolate de potassium, la triéthylamine ou la 2,6-diméthylpyridine — ne peut pas facilement enlever le proton qui conduirait au produit de Zaïtsev. Dans ces situations, un proton moins stériquement encombré est préférentiellement extrait. En conséquence, le produit Hofmann est généralement privilégié lors de l’utilisation de bases volumineuses. Lorsque le 2-bromo-2-méthylbutane est traité avec du tert-butanolate de potassium à la place de l'éthanolate de sodium, le produit Hofmann est privilégié[10].

Le traitement du 2-bromo-2-méthylbutane avec une base volumineuse, telle que le tert-butanolate de potassium, donne le produit Hofmann.

Les interactions stériques au sein du substrat peuvent également empêcher la formation du produit Zaïtsev. Ces interactions intramoléculaires sont pertinentes pour la distribution des produits dans la réaction d’élimination de Hofmann, qui convertit les amines en alcènes. Dans l'élimination de Hofmann, le traitement d'un sel d'iodure d'ammonium quaternaire avec de l'oxyde d'argent produit un ion hydroxyde, qui agit comme base et élimine l'amine tertiaire pour donner un alcène[11].

Un exemple de la réaction d’élimination de Hofmann.

Dans l'élimination de Hofmann, l'alcène le moins substitué est généralement préféré en raison des interactions stériques intramoléculaires. Le groupe ammonium quaternaire est grand et les interactions avec les groupes alkyle sur le reste de la molécule ne sont pas souhaitables. De ce fait, la conformation nécessaire à la formation du produit Zaïtsev est moins favorable sur le plan énergétique que celle requise pour la formation du produit Hofmann. De ce fait, le produit Hofmann est formé préférentiellement. La réaction de Cope est en principe très similaire à l'élimination de Hofmann, mais elle se produit dans des conditions moins sévères. Elle favorise également la formation du produit Hofmann et pour les mêmes raisons[12].

Stéréochimie[modifier | modifier le code]

Dans certains cas, la stéréochimie du produit de départ peut empêcher la formation du produit de Zaïtsev. Par exemple, lorsque le chlorure de menthyle est traité avec de l'éthanolate de sodium, le produit Hofmann est formé exclusivement[13], mais avec un très faible rendement[14] :

Traiter le chlorure de menthyle avec une base ne donne que le produit Hofmann.

Ce résultat est dû à la stéréochimie du matériau de départ. Les éliminations E2 nécessitent une géométrie anti-périplanaire , dans laquelle le proton et le groupe partant sont situés sur les côtés opposés de la liaison CC, mais dans le même plan. Lorsque le chlorure de menthyle est représenté dans la conformation chaise, il est facile d'expliquer la distribution inhabituelle du produit.

Le produit Hofmann est exclusivement formé car la géométrie anti-périplanaire nécessaire au produit Zaïtsev est impossible.

La formation du produit Zaïtsev nécessite une élimination en position 2, mais c'est le groupe isopropyle — et non le proton — qui est anti-périplanaire du groupe partant du chlorure ; cela rend impossible l'élimination en position 2. Pour que le produit Hofmann se forme, l'élimination doit avoir lieu à la position 6. Comme le proton à cette position a la bonne orientation par rapport au groupe partant, une élimination peut se produire et se produit effectivement. Par conséquence, cette réaction particulière ne produit que le produit Hofmann.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. John Lehman, Operational Organic Chemistry, Upper Saddle River, NJ, Pearson Education, [détail de l’édition] (ISBN 0136000924), p. 182
  2. Saytzeff, « Zur Kenntniss der Reihenfolge der Analgerung und Ausscheidung der Jodwasserstoffelemente in organischen Verbindungen », Justus Liebigs Annalen der Chemie, vol. 179, no 3,‎ , p. 296–301 (DOI 10.1002/jlac.18751790304)
  3. a b c et d Lewis, « Alexander Mikhailovich Zaytsev (1841–1910) Markovnikov's Conservative Contemporary », Bulletin for the History of Chemistry, vol. 17,‎ , p. 21–30 (27) (lire en ligne)
  4. a b et c Lewis, « Feuding Rule Makers: Aleksandr Mikhailovich Zaitsev (1841–1910) and Vladimir Vasil'evich Markovnikov (1838–1904). A Commentary on the Origins of Zaitsev's Rule », Bulletin for the History of Chemistry, vol. 35, no 2,‎ , p. 115–124 (121–122) (lire en ligne)
  5. Popoff, « Die Oxydation der Ketone als Mittel zur Bestimmung der Constitution der fetten Säuren und der Alkohole », Justus Liebigs Annalen der Chemie, vol. 162, no 1,‎ , p. 151–160 (DOI 10.1002/jlac.18721620112)
  6. Wade 2010, p. 292–294.
  7. Wade 2010, p. 293.
  8. The Physical Origin of Saytzeff's Rule Benoit Braida, Vinca Prana, and Philippe C. Hiberty Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5724 –5728 DOI:10.1002/anie.200901923
  9. Wade 2010, p. 301.
  10. Wade 2010, p. 302.
  11. Wade 2010, p. 898-901.
  12. Wade 2010, p. 903.
  13. Lehman 2009, p. 183–184.
  14. Hückel, Tappe et Legutke, « Abspaltungsreaktionen und ihr sterischer Verlauf », Justus Liebig's Annalen der Chemie, vol. 543,‎ , p. 191 (DOI 10.1002/jlac.19405430117)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]


Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • Cours de chimie en ligne
  • [1] Traduction en anglais d'un article allemand de 1875 sur « L'ordre d'addition et d'élimination de l'hydrogène et de l'iode dans les composés organiques » par Alexander Zaïtsev.