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Principales propriétés structurales et physicochimiques des aldéhydes et des cétones

Les composés carbonylés

Les aldéhydes et les cétones sont caractérisés par (figure 10.5.1A) :

• la présence d'un groupement carbonyle  : un carbone à l'état d'hybridation sp² (carbone trigonal) relié par une double liaison à un oxygène également hybridé sp² ;

• le groupement carbonyle est relié à deux radicaux alkyles ou aryles dans le cas des cétones et à au moins un hydrogène dans le cas des aldéhydes.

• Le groupement carbonyle et les atomes reliés à celui-ci sont dans un plan avec des angles de valence voisins de 120° (figure 10.5.1B). Du point de vue électronique :

• la liaison entre le carbone (EN = 2,5) et l'oxygène (EN = 3,5) est polarisée;

• le déplacement du doublet  π en direction de l'oxygène permet d'écrire une forme mésomère.

Cela explique pourquoi les dérivés carbonylés peuvent être le siège d'additions de nucléophiles (attaque initiale sur le carbone électrophile) et réagissent avec le proton via l'oxygène basique (figure 10.5.1C).

NOMENCLATURE

CÉTONES

Le nom d'une cétone est formé en ajoutant le suffixe -one au nom de l'hydrocarbure correspondant à la chaîne principale. Il peut être éventuellement précédé d'un préfixe multiplicatif.

La numérotation de la chaîne principale est choisie de telle façon que l'ensemble des indices des atomes de carbone portant un atome d'oxygène doublement lié soit le plus bas. Le suffixe -one est précédé de l'indice de l'atome de carbone doublement lié à l'atome d'oxygène mis entre tirets (figure 10.5.1D).

Si la cétone n'est pas la fonction principale, le préfixe utilisé est oxo. L'aldéhyde est prioritaire par rapport à la cétone.

ALDÉHYDES

Le nom d'un aldéhyde est formé en ajoutant le suffixe -al au nom de l'hydrocarbure correspondant à la chaîne principale.

L'atome de carbone du groupe -CHO porte toujours le numéro 1. Puisque cet atome est toujours en bout de chaîne, cet indice 1 peut être omis dans l'appellation. Exemple : pentanal à la place de pentan-1-al.

Si l'aldéhyde n'est pas la fonction principale, le préfixe utilisé est oxo et lorsque le groupe CHO n'est pas porté par la chaîne principale, on utilise le préfixe formyl.

Des exemples sont donnés dans la figure 10.5.1D.

RÉACTIVITÉ DES COMPOSÉS CARBONYLÉS

ÉNOLS, ÉNOLATES ET ÉNOLISATION

Les aldéhydes et les cétones présentant un atome d'hydrogène sur le carbone en α du carbonyle existent en solution aqueuse, sous la forme d'un mélange de deux isomères en équilibre  : céto (carbonyle) et énol (combinaison d'une double liaison et d'un alcool). L'interconversion est appelée énolisation ou tautomérie céto-énolique (à ne pas confondre avec l'écriture de formes mésomères).

EN MILIEU ACIDE

En milieu acide, le mécanisme implique la protonation initiale de l'atome d'oxygène du carbonyle, suivie de la formation de la double liaison par perte du proton en position α (figure 10.5.2A).

EN MILIEU BASIQUE

En milieu basique, l'étape initiale consiste en la déprotonation de l'hydrogène en α, suivie de la protonation de l'anion énolate (figure 10.5.2B).

ADDITIONS NUCLÉOPHILES

RÉACTION AVEC LES HYDRURES

Les hydrures (NaBH₄ et LiAlH₄ ), où H– joue le rôle de nucléophile, réduisent les aldéhydes en alcools primaires et les cétones en alcools secondaires.

RÉACTION D'HYDRATATION

L'eau se fixe sur les carbonylés pour donner des hydrates d'aldéhydes ou de cétones instables. Seuls les carbonylés possédant en α un groupement fortement électroattracteur (par exemple un chlore) donnent un hydrate stable (figure 10.5.2C).

RÉACTION AVEC LES ALCOOLS : ACÉTALISATION

Les alcools s'additionnent aux dérivés carbonylés pour conduire à des hémiacétals (ou hémicétals) puis des acétals (ou cétals). Cette réaction est réversible et les acétals/cétals sont hydrolysés en milieu acide en régénérant le carbonylé de départ (figure 10.5.2D).

Les formes cycliques du D-glucose sont observées via ces réactions d'hémiacétalisation entre l'hydroxyle en position 5 et la fonction aldéhyde. Il se forme deux anomères : l'anomère α et l'anomère β (anomère le plus stable) (figure 10.5.2E).

RÉACTION AVEC LES AMINES

AMINES PRIMAIRES

L'addition d'une amine primaire (R-NH₂ ) sur le groupe carbonyle est suivie d'une élimination d'eau (déshydratation) et conduit à une imine aussi appelée base de Schiff (figure 10.5.2F). Par extension, et suivant le même mécanisme, l'addition d'hydrazine (H2 N-NH₂ ) ou d'hydroxylamine (HONH₂ ) conduit à une hydrazone ou une oxime, respectivement.

AMINES SECONDAIRES ET TERTIAIRES

L'addition d'une amine secondaire produit une énamine alors que les amines tertiaires ne réagissent pas.

ALDOLISATION – CÉTOLISATION

Deux dérivés carbonylés, dont au moins un est énolisable, peuvent s'additionner pour conduire à une molécule comportant une fonction alcool et une fonction aldéhyde (aldol) ou cétone (cétol). Deux molécules d'acétaldéhyde peuvent ainsi réagir sur elles-mêmes en milieu alcalin pour conduire à un aldol selon le mécanisme décrit dans la figure 10.5.3A.

Lorsque les deux composés carbonylés sont différents, des réactions d'aldolisation/cétolisation croisées peuvent se produire conduisant, le plus souvent, à un mélange complexe de produits de condensation.

Les aldols et cétols peuvent perdre une molécule d'eau pour conduire aux dérivés carbonylés α,β-éthyléniques (réaction de crotonisation).

RÉDUCTIONS

EN ALCANE

Un dérivé carbonylé peut être réduit en alcane dans les conditions de Wolff-Kishner (NH₂ -NH₂ , KOH, à chaud) via une hydrazone intermédiaire, ou dans les conditions de Clemmensen (Zn/Hg, HCl, à chaud).

EN ALCOOL

Voir Réactions avec les hydrures.

OXYDATION

Tous les oxydants, même les plus doux, oxydent les aldéhydes en acides. Les aldéhydes peuvent s'oxyder spontanément à l'air en acides et peracides.

Ainsi la liqueur de Fehling (solution basique de Cu^II avec des ions tartrate) permet le dosage des oses réducteurs (série des aldoses). Les cétoses ne s'oxydent pas dans ces conditions.

APPLICATIONS BIOLOGIQUES

Le phosphate de pyridoxal est une coenzyme qui joue un rôle important dans le métabolisme des acides aminés en formant une imine entre la fonction aldéhyde du pyridoxal et la fonction amine d'un acide aminé.

Le mécanisme de la réaction de désamination (permettant la réaction de transamination) est donné dans la figure 10.5.4A, tandis que le mécanisme de la réaction de décarboxylation est donné dans la figure 10.5.4B.

QCM 1

Voxelotor (figure 10.5.5A), également connu sous le nom de GBT440, est un stabilisateur de l'état relaxé (état R) de l'hémoglobine approuvé par la FDA pour le traitement de la drépanocytose.

Parmi les propositions suivantes, laquelle (lesquelles) est (sont) exacte(s) ?

A La réduction de la fonction aldéhyde par les hydrures conduit à la formation d'un alcool primaire après neutralisation

B La formation d'un acétal est envisageable sur le voxelotor

C Le voxelotor est énolisable

D Le voxelotor peut subir une réaction d'oxydation pour conduire à une cétone

E Le voxelotor possède exclusivement des atomes électrophiles

Corrigé

A La réduction de la fonction aldéhyde pour les hydrures conduit à un alcool primaire après neutralisation

B La formation d'un acétal est envisageable sur le voxelotor.

Le voxelotor n'est pas énolisable car on ne trouve pas de proton mobile sur un carbone en α du carbonyle (C=O).

QCM 2

La brexanolone (figure  10.5.5B) a été approuvée par la FDA en tant que premier traitement de sa catégorie pour la dépression post-partum (DPP) chez les femmes adultes.

Parmi les propositions suivantes, laquelle (lesquelles) est (sont) exacte(s) ?

A L'oxydation de la fonction alcool conduit à un acide carboxylique

B La molécule est plane

C L'accès à une fonction imine est envisageable

D La molécule possède des carbones asymétriques

E La réduction de la fonction cétone peut conduire, dans certaines conditions, à un substituant éthyle

Corrigé

C L'accès à une fonction imine est envisageable

D La molécule possède des carbones asymétriques

E La réduction de la fonction cétone peut conduire, dans certaines conditions, à un substituant éthyle

QCM 3

Parmi les propositions suivantes, laquelle classe par ordre de réactivité croissante vis-à-vis de l'addition nucléophile les carbonylés présentés dans la figure 10.5.5C :

A 1 < 2 < 3 < 4 < 5

B 5 < 1 < 2 < 3 < 4

C 4 < 3 < 2 < 1 < 5

D 2 < 3 < 4 < 1 < 5

E 3 < 2 < 5 < 1 < 4

Corrigé

B 5 <1 <2 <3 <4

Nous allons comparer la réactivité de ces molécules en prenant la molécule 3 comme base de raisonnement.

La réaction d'addition nucléophile est une réaction contrôlée par les paramètres stériques et électroniques.

Paramètres stériques  : plus la fonction est encombrée, moins elle va réagir. Le composé 5 ne réagit pas avec un nucléophile car sa fonction carbonyle n'est pas accessible

Paramètres électroniques : plus l'atome de carbone est déficitaire en électrons, plus la fonction réagit vis-à-vis de l'addition d'un nucléophile.

Les groupements donneurs en électrons (groupe méthyle) enrichissent la fonction en électrons et diminuent donc sa réactivité, plus il y a de groupements donneurs, moins la fonction est réactive : 1 <2 <3. Par contre les groupements attracteurs d'électrons (possédant des atomes de Cl) diminuent la fonction en électrons et augmentent sa réactivité. Le composé 4 est donc le composé le plus réactif.

QCM 4

En milieu alcalin, la propanone se condense sur elle-même pour conduire à la 4-hydroxy-4-méthylpentan-2-one (figure 10.5.5D). Parmi les propositions suivantes, laquelle (lesquelles) est (sont) exacte(s) ?

A La réaction présentée est une réaction d'acétalisation

B La réaction présentée est une réaction de cétolisation

C La molécule obtenue est chirale

D La molécule obtenue peut subir une réaction de crotonisation

E La molécule obtenue peut subir une réaction d'addition nucléophile

Corrigé

B La réaction est une réaction de cétolisation.

La molécule n'est pas chirale. Il n'y a pas de carbone asymétrique.

D La molécule peut subir une réaction de crotonisation.

En effet, par chauffage en milieu acide ou alcalin, la molécule présentant un groupe hydroxyle (OH) en β du carbonyle et un atome d'hydrogène en α du carbonyle subit l'élimination d'une molécule d'eau conduisant à une double liaison conjuguée avec le carbonyle (réaction favorisée).

E La molécule obtenue peut subir une réaction addition nucléophile.

La molécule présentant un groupe carbonyle peut subir des réactions d'addition nucléophile sur le carbonyle.

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