Mécanisme de réduction des carbonyles LiAlH4 et NaBH4
Les alcools peuvent être préparés à partir de composés carbonylés tels que les aldéhydes, les cétones, les esters, les chlorures d’acide et même les acides carboxyliques par des réductions d’hydrure. Ces réductions résultent d’une addition nette de deux atomes d’hydrogène à la liaison C=O :
Les agents réducteurs hydrides les plus courants sont l’hydrure de lithium et d’aluminium (LiALH4) également abrégé en LAH et le borohydrure de sodium (NaBH4) :
Le principe des agents réducteurs d’hydrures est la présence d’une liaison covalente polaire entre un métal et un hydrogène. En raison d’une électronégativité plus élevée, l’hydrogène porte une densité électronique plus importante qui le fait finalement réagir comme un ion hydrure :
Par exemple, la liaison Al-H dans LiAlH4 est tellement polaire qu’elle a un caractère presque ionique laissant l’hydrogène comme un ion hydrure qui est très réactif à la fois comme base et comme nucléophile :
L’ion hydrure réagit avec le groupe carbonyle qui, à son tour, est également une liaison covalente polaire et la présence de la liaison π rend l’addition H- possible :
LiALH4 est l’un des agents réducteurs les plus puissants travaillant efficacement pour tout groupe carbonyle et certains autres groupes fonctionnels également.
Cette grande réactivité de l’ion hydrure dans LiAlH4 le rend incompatible avec les solvants protiques. Par exemple, il réagit violemment avec l’eau et, par conséquent, les réductions LiAlH4 sont effectuées dans des solvants secs tels que l’éther anhydre et le THF.
NaBH4, en revanche, n’est pas aussi réactif et peut être utilisé, par exemple, dans une réduction sélective des aldéhydes et des cétones en présence d’un ester :
Notez que LiALH4 et NaBH4 réduisent les aldéhydes et les cétones en alcools primaires et secondaires respectivement. Les esters, par contre, sont convertis en alcools primaires par LiALH4.
Comme mentionné précédemment, les deux réactifs fonctionnent comme une source d’hydrure (H-) qui agit comme un nucléophile attaquant le carbone de la liaison C=O du carbonyle et dans la deuxième étape, l’ion alcoxyde résultant est protoné pour former un alcool.
Il existe cependant quelques différences en fonction du réactif et pour les aborder, commençons par le mécanisme de la réduction LiAlH4 :
L’addition de l’hydrure au carbonyle est également catalysée par l’ion lithium qui sert d’acide de Lewis en se coordonnant à l’oxygène du carbonyle. Cela diminue la densité électronique sur l’oxygène rendant ainsi la liaison C=O plus sensible à une attaque nucléophile.
Le sel alcoxyde résultant peut réagir avec le AlH3 et le convertir en une autre source d’hydrure. Cependant, pour des raisons de simplicité, nous ne montrons le plus souvent qu’une seule addition au carbonyle suivie d’une protonation de l’alkoxyde avec de l’eau ou des solutions acides aqueuses qui donne le produit final, l’alcool.
Réduction des aldéhydes et des cétones par le NaBH4 – Le mécanisme
Le borohydrure de sodium réduit les aldéhydes et les cétones par un mécanisme similaire avec quelques différences importantes que nous devons mentionner.
Premièrement, le NaBH4 n’est pas si réactif et la réaction est généralement réalisée dans des solvants protiques tels que l’éthanol ou le méthanol. Le solvant a ici deux fonctions :
1) Il sert de source de proton (H+) une fois la réduction terminée
2) L’ion sodium est un acide de Lewis plus faible que l’ion lithium et, dans ce cas, la liaison hydrogène entre l’alcool et le groupe carbonyle sert de catalyseur pour activer le groupe carbonyle :
Parce que le NaBH4 n’est pas très réactif, il n’est pas assez fort pour réagir avec les esters. Et cela a également à voir avec la réactivité de l’ester également. En général, les aldéhydes et les cétones sont les composés carbonylés les plus réactifs (après les chlorures d’acide qui ne sont utilisés que comme réactifs et non comme produits finaux à cause de leur réactivité).
On l’a également vu dans la réaction de Grignard. Les aldéhydes et les cétones sont plus réactifs que les esters car l’électrophilie de l’atome de carbone de l’ester est partiellement supprimée par le doublet solitaire de l’oxygène par stabilisation de la résonance :
En raison de la stabilisation de la résonance, l’atome de carbone C=O des esters n’est pas électrophile et le NaBH4 étant peu réactif ne peut pas l’attaquer.
Voilà pour la relation entre NaBH4 et l’ester. Voyons maintenant comment fonctionne la réduction des esters par LiAlH4.
Le mécanisme de la réduction des esters par LiAlH4
La réduction d’un ester en alcool nécessite deux ajouts d’hydrure sur le groupe carbonyle et c’est pourquoi on utilise un excès de LiAlH4 :
Ceci est dû au fait que l’intermédiaire tétraédrique formé après la première addition d’hydrure contient un groupe partant qui est expulsé en reformant le groupe carbonyle :
Le groupe carbonyle nouvellement formé est un aldéhyde et il est plus réactif que l’ester, il est donc attaqué une fois de plus par LiAlH4 :
Ceci, encore une fois, est très similaire à ce que nous avons vu dans la réaction de Grignard des esters. Oui, l’ion méthoxyde n’est pas un excellent groupe partant comme nous le savons des réactions E2 ou SN2. Cependant, c’est toujours une base plus faible que l’ion hydrure et de plus, l’intermédiaire tétraédrique avec deux oxygènes et une charge négative est très instable et il est énergétiquement favorable d’expulser le méthoxyde.
Le mécanisme de réduction des acides carboxyliques par LiAlH4
La réduction des acides carboxyliques nécessite également un excès de LiAlH4. La première réaction entre un acide carboxylique et LiAlH4 est simplement une réaction acide-base de Brønsted-Lowry:
Le carboxylate résultant est presque non réactif à cause de la haute densité électronique et c’est pourquoi la réduction des acides carboxyliques est plus difficile et nécessite des conditions plus forçantes. Une bonne alternative à cela est l’utilisation du borane qui n’est efficace que pour la réduction des acides carboxyliques et des amides.
Retour au LiAlH4. Malgré la faible réactivité de l’ion carboxylate, l’addition d’hydrure a bien lieu :
L’oxygène chargé négativement est ensuite converti en groupe partant en se coordonnant à l’aluminium. Celui-ci est éjecté par les paires solitaires de l’autre oxygène qui restaurent la liaison C=O π et l’aldéhyde résultant est réduit comme nous l’avons vu ci-dessus.
La stéréochimie de la réduction de LiAlH4 et NaBH4
La réduction des cétones asymétriques avec LiAlH4 ou NaBH4 produit une paire de stéréoisomères car l’ion hydrure peut attaquer l’une ou l’autre face du groupe carbonyle plan :
Si aucun autre centre chiral n’est présent, le produit est un mélange racémique d’énantiomères.
Alcools issus de l’hydrogénation catalytique
Une autre méthode courante pour préparer des alcools à partir d’aldéhydes et de cétones est l’hydrogénation catalytique :
Rappellez-vous, l’hydrogénation catalytique était la méthode pour réduire les alcynes en alcènes ou en alcanes selon le réactif spécifique. Et c’est la raison pour laquelle les réductions par hydruration utilisant LiAlH4 et NaBH4 sont préférées lorsque plusieurs groupes fonctionnels sont présents dans la molécule.
Par exemple, la réalisation d’une hydrogénation catalytique des aldéhydes et cétones insaturés suivants réduit la liaison C=C en même temps que le carbonyle, tandis que LiAlH4 et NaBH4 la laissent intacte et seul le groupe carbonyle est converti en alcool.
Un résumé pour les réactifs réducteurs d’alcool
En plus du LiAlH4 et du NaBH4, il existe des centaines d’agents réducteurs d’hydrures différents conçus pour des scénarios spécifiques et une combinaison de groupes fonctionnels dans la molécule. Ils ont tous leurs avantages et leurs inconvénients. Il est impossible d’aborder cela dans un seul article et la plupart d’entre eux dépassent la portée de la plupart des programmes de premier cycle.
Toutefois, vous trouverez ci-dessous un tableau récapitulatif des réductions de carbonyles en alcools que vous aurez probablement besoin de connaître :
Une fois que vous les aurez appris, rendez-vous aux problèmes pratiques suivants pour la réduction de composés carbonylés en alcools :
Alcools issus de réductions carbonylées – Problèmes pratiques
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