RAPPEL — Addition nucléophile sur le carbonyle

Le carbonyle C=O est le carrefour de la chimie organique : son carbone δ+ appelle les nucléophiles, et son oxygène δ− capte les protons. Presque toutes les réactions des aldéhydes et cétones s’y ramènent. Cette fiche couvre les deux moitiés du sujet : l’addition sur le C=O lui-même, puis la chimie des hydrogènes en α (juste à côté), qui ouvre sur l’aldolisation.

Pourquoi le carbonyle réagit : rappel des deux points faibles

        δ−
        O          ① l'oxygène (δ−, 2 doublets libres) capte les H⁺
        ‖             → site basique, activé par catalyse acide
   R — C — R'
        δ+          ② le carbone (δ+) est attaqué par les nucléophiles
                       → site électrophile, cœur de toute la chimie du C=O

Deux leviers gouvernent la réactivité : l’aldéhyde est plus réactif que la cétone (moins encombré, et le second R d’une cétone est +I donc « calme » un peu le δ+).

Le geste de base : addition nucléophile

Un nucléophile attaque le carbone δ+ ; l’oxygène récupère le doublet de la liaison π et devient un alcoolate (puis un –OH après protonation) :

        Nu⁻
         ↓ (attaque le C δ+)
    R–C=O   →   R–C(–O⁻)(Nu)   →   R–C(–OH)(Nu)
       |            |                   |
       R'           R'                  R'
   (électrophile)  intermédiaire        produit
                   TÉTRAÉDRIQUE
   sp² (plan) ────────────────►  sp³ (tétraédrique)
   Le carbone change d'hybridation : c'est LA signature de l'addition.

La catalyse acide accélère tout : en protonant l’oxygène du C=O, elle rend le carbone encore plus électrophile (l’oxygène protoné tire davantage).

              H⁺
              ↓
    R–C=O  →  R–C=O⁺–H  ⇄  R–C⁺–OH        le carbone est bien plus δ+
       |         |             |            → attaque par un nucléophile faible
       R'        R'            R'             (comme un alcool) devient possible

Acétaldéhyde : carbonyle simple, très électrophile

Hydrate, hémiacétal et acétal (la chimie des sucres)

L’eau s’additionne sur un carbonyle → hydrate (R₂C(OH)₂, un diol géminé), en général minoritaire, sauf sur des carbonyles très électrophiles (formaldéhyde, hydrate de chloral).

Avec les alcools, en deux temps :

   R–CHO  + R'OH  ──►  R–CH(OH)(OR')      HÉMIACÉTAL  (1 OH + 1 OR')
                       │  + R'OH, H⁺
                       ▼
                       R–CH(OR')₂          ACÉTAL      (2 OR')  + H₂O
   ◄──────────────────────────────────────
        hydrolyse acide (réversible !) régénère l'aldéhyde

Un alcool s’additionne sur un aldéhyde → hémiacétal (R–CH(OH)–OR′).
Un second alcool, en catalyse acide, remplace l’–OH → acétal (R–CH(OR′)₂).

C’est réversible : en milieu acide aqueux, l’acétal s’hydrolyse et régénère l’aldéhyde. C’est exactement la chimie des sucres (cyclisation intramoléculaire en hémiacétal, formes α/β du glucose) et le grand classique de la protection/déprotection d’un carbonyle en synthèse (l’acétal est stable en milieu basique, on le retire à la fin en acide).

β-D-glucose : hémiacétal cyclique intramoléculaire

Imine (base de Schiff) : LA question sur le pH

Une amine primaire + un aldéhyde/cétone → imine (R₂C=N–R′), en catalyse acide, avec un pH optimal d’environ 4–5. Le mécanisme passe par un hémiaminal (addition de l’amine) suivi d’une déshydratation (perte d’eau) :

   R₂C=O + H₂N–R'  →  R₂C(OH)–NH–R'  ──(−H₂O, H⁺)──►  R₂C=N–R'
                       hémiaminal                       IMINE
   étape 1 : addition       étape 2 : déshydratation
   (a besoin d'amine         (a besoin de catalyse
    LIBRE, nucléophile)       ACIDE)

Savoir expliquer ce pH 4–5 montre que tu as tout compris — c’est le lien pH ↔ réactivité incarné :

   pH trop bas (acide)      pH 4–5 (optimum)       pH trop haut (basique)
   ────────────────────     ─────────────────      ────────────────────
   amine protonée (–NH₃⁺)   assez d'amine LIBRE    amine libre OK…
   → plus de doublet        ET assez d'acide       …mais pas de catalyse
   → pas d'attaque (ét. 1)  → étapes 1 et 2 OK     acide → déshydratation
                                                     (ét. 2) trop lente
   ✗                        ✓ vitesse maximale     ✗

C’est le lien pH ↔ réactivité incarné : le même acide qui active le carbonyle détruit le nucléophile s’il y en a trop. L’optimum est un compromis entre deux exigences opposées.

Variantes utiles : amine secondaire + carbonyle → énamine (pas d’H sur N pour faire une imine, la double liaison part vers le carbone α).

Réductions et autres nucléophiles

Réactif	Force	Réduit	Ne touche pas	Produit
NaBH₄	doux, chimiosélectif	aldéhydes, cétones	esters, acides, amides	alcool
LiAlH₄	puissant	tout (aldéhydes, cétones, esters, acides, amides)	—	alcool / amine
R–MgBr (organomagnésien)	nucléophile C	carbonyles	—	alcool + liaison C–C
CN⁻	nucléophile	aldéhydes/cétones	—	cyanhydrine

Le choix NaBH₄ vs LiAlH₄ est un choix de sélectivité : réduire une cétone sans toucher un ester présent → NaBH₄.

La chimie en α : énols et énolates

Les hydrogènes portés par le carbone en α d’un carbonyle (juste à côté) sont anormalement acides (pKa ≈ 20 pour une cétone), car l’anion formé (énolate) est stabilisé par résonance avec le C=O :

        O                    O⁻                O
        ‖                    |                 ‖
   R–C–C–H   ──base──►  R–C=C     ↔     R–C–C⁻      énolate stabilisé
        |  (arrache Hα)      |                |       (charge délocalisée
        (Hα acide)                                     O / Cα)

Tautomérie céto-énolique : équilibre entre la forme cétone (largement majoritaire) et la forme énol, catalysé par acide ou base.
Acidité renforcée quand le H est entre deux carbonyles : une β-dicétone a un pKa de 9 (énolate doublement stabilisé) — presque un acide.
Aldolisation : un énolate attaque un autre carbonyle → aldol (β-hydroxycarbonyle), qui peut se déshydrater (crotonisation) en énone conjuguée.

   énolate (nucléophile) + C=O (électrophile)  →  ALDOL (β-hydroxy-carbonyle)
                                                     │ − H₂O (crotonisation)
                                                     ▼
                                                   énone conjuguée C=C–C=O

Pièges fréquents

Confondre hémiacétal et acétal : hémiacétal = 1 OH + 1 OR (1 alcool) ; acétal = 2 OR (2 alcools, catalyse acide).
Croire l’imine faite à tout pH : optimum 4–5, un compromis (trop acide tue l’amine, trop basique bloque la déshydratation).
Prendre LiAlH₄ pour une réduction sélective : il réduit tout, y compris les esters — pour la sélectivité c’est NaBH₄.
Oublier l’acidité des Hα : c’est elle qui ouvre l’aldolisation ; un H α à deux C=O est très acide (pKa 9–11).

Exercices éclair

Exercice 1. On veut réduire une cétone en alcool sans toucher à un ester présent sur la même molécule. NaBH₄ ou LiAlH₄ ?

Correction

NaBH₄ : réducteur doux et chimiosélectif, il réduit la cétone (et les aldéhydes) mais laisse l’ester intact. LiAlH₄, trop puissant, réduirait aussi l’ester. Le choix du réducteur est un choix de sélectivité.

Exercice 2. Pourquoi ne fait-on pas une imine à pH 1 ni à pH 9, mais vers pH 4–5 ?

Correction

À pH 1 : l’amine est entièrement protonée (–NH₃⁺), plus de doublet nucléophile → aucune attaque (étape 1 bloquée). À pH 9 : pas de catalyse acide, le carbonyle n’est pas activé et la déshydratation finale (étape 2) traîne. À pH 4–5 : on garde assez d’amine libre pour l’attaque et assez d’acide pour activer + déshydrater → vitesse maximale. C’est un optimum entre deux exigences opposées portées par le même H⁺.

Exercice 3. Pourquoi le proton central du malonate de diéthyle (H entre deux esters) a-t-il un pKa d’environ 13, alors qu’un H α d’une cétone simple est à ~20 ?

Correction

Parce que l’énolate formé est doublement stabilisé : la charge négative est délocalisée sur deux carbonyles (deux esters) au lieu d’un seul. Deux formes limites de plus = anion beaucoup plus stable = acide beaucoup plus fort (pKa qui chute de ~20 à ~13). C’est le même principe qui rend les β-dicétones (pKa ≈ 9) presque acides. Cette acidité est la base de la synthèse malonique.

À retenir

Le carbone du C=O est δ+ : cible des nucléophiles ; l’addition le fait passer sp² → sp³ (intermédiaire tétraédrique). La catalyse acide le rend encore plus électrophile.
Hémiacétal (1 OR) → acétal (2 OR) en catalyse acide, réversible = chimie des sucres et protection ; hydrolyse acide régénère le carbonyle.
Imine : amine I + carbonyle, pH optimal 4–5 (compromis amine libre / catalyse acide, via hémiaminal puis déshydratation).
NaBH₄ doux et sélectif, LiAlH₄ puissant (réduit tout) ; organomagnésiens = liaison C–C.
Hydrogènes en α acides (énolate stabilisé par résonance) → tautomérie céto-énolique, aldolisation ; doublement stabilisé entre deux C=O.