ETUDE CINETIQUE DE L’HYDROLYSE DES A MID ES A LI PH ATIQ U ES

VI. - HYDROLYSE ALCALlNE DES CHLORO-ACETAMIDES (I)

F. KEZDY et A. BRUYLANTS (Louvain)

RESUME

En etudiant I’hydrolyse alcaline des chloro-acetamides, dans un domaine de concentration suffisamment large en soude caustique, on peut demontrer que la loi cinetique simple V = k2 Camide.CoH- ne constitue qu’un cas limite.

En fait, pour la monochloro-acetamide, la relation generale est V = kz Camide. COH- f k3 Camide C?OH-; kz = 9,5.10-3 1.m-l. SeC-’ et k3 = 4,8.10-3 12. m-2. sec-l a 25,l OC, avec des paramktres thermiques pratique- ment identiques : A H ~ T = 11,2 Kca1.m-I; A&? = -12,8 U.E.S. et A H ~ T = 12,O Kca1.m-1; ASaT = -13,7 U.E.S.

Dans le cas de la dichloro- ou de la trichloro-acttamide, l’expression de vitesse prend la forme :

L a m i d e V = kz . C O H -

K H d O

1 + --co,- Ki

oh Ka est la constante d’acidite relative a I’equilibre: RCONHa + HzO + RCONH- + HsO+. Par deux methodes independantes, on trouve pKi = 13,55 pour la dichloro-acetamide et pK5 = 12,42 pour la trichloro-acetamide. Pour la premiere de ces amides, kz = 0,212 l.m-*.sec-l a 25% avec AH? = 8,9 Kca1.m-I et AS? = -12,O U.E.S., tandis que pour la seconde k2 = 0,79 1.m-1. sec-1 a 25oC avec AH? = 11,7 Kca1.m-1 et AS? = - 14,O U.E. S.

Ce pKi de la monochloro-acetamide, determine par interpolation, vaut 14,17.

L’echange de I’halogkne par I’hydroxyle est au moins lo2 fois plus lent que I’hydrolyse : i l n’y a donc pratiquement pas de competition entre les deux processus.

ki ko

La correlation log - - Esi = p * c*t est valable pour l’hydrolyse

alcaline des amides aliphatiques; on trouve p* = 2,7 B 25OC.

- .~ -~ ._ ~-

(l) v. F. KEZDY et A. BRUYLANTS, BuIZ. SOC. Chim., 1959, 947.

HYDROLYSE DES AMIDES ALIPHATIQUES 603

INRODUCTION

Dans les travaux antirieurs de ce laboratoire consacrCs a l’hydrolyse alcaline des amides aliphatiques (2)’ les auteurs s’Ctaient assign6 comme but d’ktablir l’influence exercCe sur la vitesse par l’allongement ou la ramification de la chaine. En travaillant en milieu diluC sur des quantitCs CquimolCculaires de rCactifs (Camide = COH- = 0,05 m.l-l), ils avaient pu Ctablir 1’Cquation de vitesse :

et montrer que k 2 diminue en fonction du degre‘ de substitution (X-a,p), caractiris6 comme Ctant la somme des substituants en a et en P de la fonction amide. En rCalit6: &ant donne qu’un substituant peut influencer la vitesse par sa polaritt et par son encombrement stCrique, il est nicessaire, pour sCparer avec certi- tude les effets polaire et stCrique du substituant de connaitre non seulement l’action exercte par des groupes Clectrodonneurs (alcoy- les), mais aussi celle des groupes Clectro-capteurs, tels que les halogknes.

En fait, on savait dCja par les travaux antkrieurs de E. CALVET (3) que la substitution par le chlore acctlkre l’hydrolyse alcaline : les chloro-acdtamides, en effet, sont hydrolysCes beaucoup plus rapidement, toutes choses Cgales d’ailleurs, que 1’acC tamide elle-m6me.

En reprenant 1’Ctude de la chloro-, de la dichloro- et de la trichloro-acktamide, nous avons cru bon de nous Ctendre sur un domaine de concentration assez large en alcali catalyseur - plus large qu’on ne l’avait fait prCcCdemment (2)(3) - dans le but d’Ctablir des relations cinCtiques gCnCrales. Nous avons Cgale- ment dCterminC les paramktres thermiques et recherchC la corrClation existant entre les substituants et la vitesse de rCaction.

Ces hydrolyses sont rapides (elles sont, en effet, complktes aprks quelques minutes, meme la tempCrature ordinaire), de sorte que les variations de concentration doivent Ctre suivies par spectrophotom6trie. Nous avons utilisC un excks de base (NaOH), de faCon B dCgCnCrer l’ordre par rapport a ce rCactif et A faciliter ainsi le calcul et I’interprCtation des risultats.

V = k2 Camide . C ~ H -

(2) MELLE DE Roo et A. BRUYLANTS, ce BUN., 63, 140 (1954). (3) E. CALVET, J. chim. phys., 30, 144 (1933).

604

- ~

118-1 18,5 14,98 96-96,5 10,95

139,5-141 8,61

F. KEZDY ET A. BRUYLANTS

- __

14,97 10,93 8,57

PARTIE EXPERIMENTALE

ClCHz-CONHz CIZCH-CONH~ CI~C-CONHZ

A. SYNTH~SE DES AMIDES

116-120 (5) 96-98 (6)

137-141 (7)

Les trois chloro-acetamides ont ete synthetisees par la mQme methode classique, en partant de I’acide correspondant. L’acide commercial est este- rifie par l’alcool ethylique en le faisant bouillir en presence d’acide sulfurique concentrk. L’ester est distille et agite i 0°C avec un excks de solution aqueuse concentrke d’ammoniaque. L’amide prkcipite, on la purifie par recristallisation dans l’eau.

Les points de fusion et les resultats de microanalyses d’azote sont indiques dans le tableau suivant :

amide 1 F OC

B. STOECHIOMETRIE

E. CALVET(~) indique deja que I’hydrolyse de ces trois amides donne quantitativement de I’ammoniac et I’acide correspondant. La seule reaction competitive entrant en consideration - celle du remplacement du C1 par I’ion hydroxyle - est au moins cent fois plus lente, donc n’influe pas sur la vitesse d’hydrolyse.

C. Mom OPERATOIRE

Les solutions aqueuses d’arnide et de soude caustique de titre connu sont soigneusement thermostatisees. On les melange ( t = 0) dans une cellule en quartz, thermostatisee au prkalable. La cellule, fermee par un bouchon rdde, est placee dans un bloc de cuivre muni de fengtres pour permettre le passage du faisceau lumineux et therrnostatiske par circulation d’eau. Le meme bloc porte kgalement la cellule de refkrence renfermant une solution de soude caustique de concentration identique a celle du melange reactionnel. On mesure la variation de la densitk optique de la solution en fonction du temps I’aide d’un spectrophotombre UNICAM Sp. 500.

(4) Microanalyses effectukes dans ce laboratoire par le Dr. A. KONOVALOV. ( 5 ) SCHOLL, Eer., 29, 2417 (1896).

t7) ZINCKE, Ber.. 23, 241 (1890). PINNER et FUCHS, Ber., 10, 1066 (1877).

HYDROLYSE DES AMIDES ALIPHATIQUES 605

3c

m + - 6

0 0 v r n 0 -

2.0

D

I I I

1 Hydrolyse aIcaline de CCI-j-CC)NHz

2 1 k i = 1,063.10- 5eC

! \ I

I

Fig. 1 ’ t.sec

Le diagramme (fig. 1) relatif a la trichloro-acetamide, ou l’on porte log (D - D -) en fonction du temps, illustre graphiquement le degre de prkcision qu’on a pu atteindre dans ce genre de mesure.

RJ~SULTATS EXPERIMENTAUX

PararnPtres cine‘liques

A. M onochloro-acetainide En presence d’un excks de soude caustique, l’hydrolyse est

d’ordre un apparent. En effet, en portant log(D - DEQ ) en fonction du temps, les points experimentaux se situent eii trks bonne approximation sur une droite et cela entre 10 et 95% de reaction (fig. I ) . En cornparant entre elles (tableau T) les valeurs

606 F. KEZDY ET A. BRUYLANTS

de kl on peut voir qu’elles ne sont pas directement propor- tionnelles a la concentration en soude; ainsi B 25,lOC pour [OH-] = 0,5 m.1-1 on a kl = 6,02.10-3 sec-l, tandis que pour [OH-] = 1,0 m.1-I on a kl = 14,3.10-3 sec-l; en revanche, le rapport kl/[OH-] est fonction linCaire de [OH-]. C’est le critkre d’un processus dont la vitesse obCit it la loi :

V = kz [amide] [OH-] + k3 [amide] [OH-I2

TABLEAU I

Hydrolyse alcaline de CH2Cl-CONHa

Camide = 5.10-3rn.l--1 A = 227 mp d = 1 cm

t oc

25.10

19,IO

14,75

[OH-I m.1-l

1 ,o@J 0,500 0,200 0,100

0,250 0,200 0,125 0,100

0,350

0,175 0,92

En eEet, dans le cas envisagi [OH-] ne varie pas, donc V = kl [amide] d’oh I’on tire :

kz + k3 [OH-] ki [OH-] -=

HYDROLYSE DES AMIDES ALIPHATIQUES 607

On peut donc 6tablir les valeurs de kz et de k3 par la mithode graphique et, par elles, diterminer les parametres thermiques des deux rkactions. Pour la rkaction d’ordre deux, on trouve AH? = 11,2 Kca1.m-I et A S = -12,8 U.E.S., tandis que, pour la rkactjon d’ordre trois, on a AH? = 12,O Kca1.m-I et A S = -13,7 U. E. S.

B. Dichloro- e t t r ichloro-acktamides Dans le cas de la dichloro-acCtamide (tableau 11) et dans

celui de la trichloro .acCtamide (tableau HI), on comtate aussi que la vitesse de &action n’est pas simplement proportionnelle B la concentration en alcali catalyseur. Aimi pour la trichloro- acktamide, par exemple, kl vaut 10,3.10-3 sec-1 pour [OH-] -L

5.10-2 m 1-1 et 4.1.10-3 sec-I pour [OH-] = 1.10d2 m.1-1 A 21oC. Ces variations peuvent Ctre interprktees en admettan t que I’amide est susceptible de s’ioniser comme acide faible suivan t l’iquilibre :

Ki R-CONH2 + H20 + RCONH- + H3OC

TABLEAU I1 Hydrolyse alcaline de CHCIz-CO NHz

228 I 2,50 I

228 j 2,50 228 2,50 235 1 5,OO

- OH1.10 m.1-1

50,O 10,o

5,O 590 295 2,s

5,o

20,o

50,o 25,O 10,o

7,3

20,4

23,7 17,8 10,o

kz.10 1.m-1.sec-1

1,66

( 1 )

k~ moy.10 .m-l. sec-l

2,12

_____

1,66

___-_

I ,59

___-

I ,21

6 08 F.KEZDY ET A. BRUYLANTS

13,9 830 5,7 ~ 7,9

I

TABLEAU I11

Hydrolyse alcaline de CCla-CONHZ

21,oO' 0,2 1 219 1,OO 1 2,s I 1,7

I i 1 ' 1 I !

1 5O 15,00' 0,2 I 219 ' 1,OO , 5

I ' I

auquel correspond la constante :

fitant donnC que Camide = [RCONHz] + [RCONH-1, la relation de vitesse doit donc s'Ccrire, en toute gCnCralitC :

tow C V = k2 [RCONHz] [OH-] = kz - I + - Kt[OH-]' K H Z 0

Dans ces conditions, la constante expCrimentale de premier ordre sera :

[O H-I 1 + &[OH-1 ki = kz

HYDROLYSE DES AMIDES ALIPHATIQUES 609

ou encore

et en groupant les termes : 1

- k2- ki +-- 1 Ki [OH-] K H X O

--

I1 existe donc, en fait, une relation linkaire entre 1/[OH-] et 1 / k l permettant la dktermination B la fois de k2 et de Kc, comme on peut le voir par l’exemple de la dichloro-adtamide (fig. 2).

I

Hydrolyse alcaline de l a dichloro- acetamide , -

0

Fig. 2

610 F. KEZDY ET A. BRUYLANTS

Par extrapolation a Ilk1 = 0, nous obtenons pKc = 13,57 pour la dichloro-acitamide et pKi = 12,38 pour la trichloro- acktaniide.

Aux dtpens des valeurs de kz relatives A trois temptratures, on a Ctabli les parambtres thermiques : pour la dichloro-acttamide AH? = 8,9 Kca1.m-1; A S = -12,O U. E. S . ; pour la trichloro-aci- tamide AH? - 11,7 Kca1.m-I; A S = -14,O U. E. S .

CONSTANTES D’IONISATION DES CHLORO-ACETAMIDES

En mtsurant la vitesse d’hydrolysz de la dichloro- et de la trichloro-acCtamide en prCsence d’un excbs de soude par la mCthode spectrophotomttrique, on constate qu’a la mEme longueur d’onde la densitt optique de la solution alcaline au dCbut de la rdaction est suptrieure a la densite optique d’une solution d’amide de meme concentration en milieu neutre.

Ce fait indique une ionisation de I’amide suivant I’Cquilibre (1). Les rkactions Ctant d’ordre un, nous pouvons dCterminer la

densitC optique au temps t = 0, (D), par extrapolation linCaire sur les graphiques oh I’on porte log(D-D,) en fonction du temps. A partir de ces valeurs, on peut diterminer Ki par la mCthodc de HAMMET

En disignant par Di la densit6 optique de l’ion, R-CONH-, par Da la densit6 optique de l’amide en solution neutre et en travaillant toujours B la meme concentration totale en amide (Camide) sur la meme Cpaisseur de solution (d), on peut Ccrire :

D - Da - [R-CONH-] Ds - D [R-CONHr]

- - ~ - -

et en combinant avec l’tquation (2) on obtient aprks transforma-

Ainsi en portant dans un diagramme D en fonction de (D - D,)/[OH-] nous pouvons determiner graphiquement KHZO/K6, donc Ki, sans devoir connaitre Di qui est inaccessible directement

- .~ -~

(*) L.P. HAMMETT et A.J. DEYRUP J. Am. Chem. Soc. 54, 2721 (1932) et L.P. HAMMETT et M.A. PAUL, ibid., 56. 827 (1934).

HYDROLYSE DES AMIDES ALIPHATIQUES 61 1

ii l’expirience. Les tableaux IV et V risumant les rCsultats se rapportent aux deux amides Ctudites et la fig. 3 illustre la dbtermination de Kz de la dichloro-acitamide.

I

Dlchloro- acetamide.

I t

T

c

Fig. 3

TABLEAU 1V Dichloro-acdtarnide

A = 225 mp; d = 0,2 cm; Camide = 5.10-3 m.1-l; Da = 0,282 1

[OH-]. lo2 m.1-l

D

1,736 0,846 0,588 0,445

612 F. KEZDY ET A. BRUYLANTS

TABLEAU V

Trichloro-acitamide A = 219mp;d= 0,2cm;CZlm1de= l.10-3m.l-1;Da= 0,248

D I [OH-]. 102 m.1-l

5900 2,50 1,67 1,oo

0,660 0,561 0,483 0,423

Nous obtenons pKi = 12,42 pour la trichloro-acitamide et pK6 = 13,55 pour la dichloro-acitamide, en bon accord avec les valeurs trouvies par la mithode cinitique : respectivement pK6 = 12,38 et pKt = 13,57.

DISCUSSION DES R~SULTATS

Outre les constantes de vitesse des trois acitamides chlorkes, nous disposons des constantes de vitesse d’hydrolyse alcaline de treize amides aliphatiques rectilignes et ramifiies Afin de pouvoir les comparer valablement, nous avons ditermini par extra- polation numirique les constantes de vitesse B 25OC, en utilisant la formule :

Un premier examen des risultats nous rivble que la substi- tution par des groupements alcoyles diminue la vitesse, tandis que le chlore I’exalte fortement. Etant donni que l’effet stirique du groupement mithyle en tc (-0,07) est environ trois fois plus faible que celui du chlore (-0,24), il devient clair que l’exaltation de vitesse produite par ce dernier ne peut @tre due qu’h I’effet polaire. I1 est donc indispensable de chercher a siparer les effets polaire et stirique. En appliquant I’Cquation de Taft sous la forme (9)

_ _ __ __ (9) R.W. TAFT Jr., Chapitre XILI dans Steric Effects in Organic Che-

mistry, Ed. M.S. NEWMAN; J. WILEY, N.Y. (1956).

HYDROLYSE DES AMIDES ALIPHATIQUES 613

et en prenant l’acttamide comme terme de rtfkrence, si l’on porte

- Esr en fonction de ot*, on observe que Ies points ainsi ( l O g 2 ” - obtenus se situent en bonne approximation sur une droite (fig. 4) dont la pente vaut p* = + 2’7. La valeur positive de p* confirme le mtcanisme universellement adopt6 (lo) dont 1’6tape determi- nante de vitesse consiste dans l’attaque d’un rCactif nuclkophile sur I’amide.

Hydrolyse alcaline a 2 5 O C

I CH3 -

II CH3-CHz-

!I C H ~ - ( C H Z ) ~ -

Y (CH3)* = CH -

TI (CH 3)3 ZC - (CH z ) ~ -

/ I X (CH3)3=C-CH2-

(I*) C. K. INGOLD, Structure and Mechanism in Organic Chemistry; Cornell U.P., Ithaca, N.Y. (1953) p. 785.

614 F. KEZDY ET A. BRUYLANTS

Ce micanisme se complique dans le cas des chloro-acetamides. Dans le cas de la dichloro- et de la trichloro-acitamide, l’ionisation de l’amide ralentit la riaction par diminution de la concentration de l’esptce molCculaire capable de subir l’hydrolyse.

La monochloro-acitamide s’hydrolyse suivant une loi cinC- tique ou la riaction bimolCculaire est en concurrence avec une rkaction trimolCculaire.

En gCnCral, donc, on peut admettre que l’hydrolyse alcaline des amides se dCroule suivant le schCma riactionnel que voici :

Schdma rdact ionne l .

qui tient compte du fait qu’B faible concentration en base l’hydro- lyse est le rtsultat d’une substitution nuclCophile d’ordre deux (SNz), tandis qu’en milieu concentrC elle peut se doubler d’une sorte de riaction de Cannizzaro ou alors Ctre ralentie par l’ionisation. On semble devoir admettre que les deux Cquilibres (KI et Krr ; K1,3 s’excluent mutuellement. Des phdnomknes analogues ont CtC observes pour les halogino-acktanilides (I1) ; il semble donc bien qu’il faille 1’Ctendre B toutes les amides sans distinction.

La constante d’ionisation des amides chlortes (Kc) se compare utilement h la constante d’aciditC des acides chloro-acitiques correspondants (Ka) (tableau VI).

Nous constatons que la substitution par le chlore exalte 1’aciditC par son effet polaire.

Ki La fig. 5 montre que les trois points correspondant & log-

&#? ” se mettent approximativement sur une droite si l’on met en abscisse ai*. Ainsi, la valeur de p* de cet Cquilibre est en premihe approxi- mation + 0,95. En acceptant provisoirement cette valeur, nous trouvons par interpolation pour la monochloro-acCtamide pKi =

14,17, ce qui est, en effet, trop faible pour &re mesurC en solution diluee.

(11) s. s. BIECHLERet R. W. TAFT Jr., .f. Am. Chem. soc., 79,4927 (1957).

HYDROLYSE DES AMIDES ALIPHATIQUES 615 TABLEAU VI

CHa-CONH2 CHZCI-CONH~ CHCIZ-CONH~

1242 CC13-CONHz

4,76 2,86 1,29 0,65

0,oo 1,os 1,94 2,65

I I I

1 Ionisation des amides

R- CONH2 + H 2 0 ==== K l R -CONHQ+ H 3 0 0

- I CH3-

It C l - C H z -

-

m C12=CH- m ~ 1 ~ p - c - I

I + /

4

( p = +0,95)

Fig. 5

Les auteurs remercient le Fonds National de la Recherche Scientifique (F. N. R. S.) pour le subside accord6 au Laboratoire.

UNIVERSIT~ DE LOUVAIN Laboratoire de Chimie Gdnkrale

Comntuniqlie a lu Sociktt Chimique de Belgique, le I aolit 1960.

_ _ -~ .~ ~~~ - -. _ _ (12) G.E.K. BRANCH et J. 0. CLAYTON J . Am. Chem. Soc. 50,1680 (1928). (13) H.C. BROWN, D.H.MCDANIEL et 0. HAFLINGER, chapitre 14 p. 579,

dans Determination of Organic Structures by Physical Methods, Ed. E. A. BRAUDE et F.C. NACHOD, Academic Press, N.Y. 1955.