Synthèse malonique

Le malonate de diéthyle est un diester : il s'agit de deux fonctions esters reliées par un groupe méthyle.

Formule semi-développée du malonate de diéthyle

Le malonate de diéthyle peut d'ailleurs s'obtenir par une double estérification de l'acide malonique par l'éthanol:

Synthèse du malonate de diéthyle par double estérification de l'acide malonique

Afin de simplifier les schémas du mécanisme, et pour mieux illustrer les propriétés utilisées dans cette synthèse, nous noterons le malonate de diéthyle:

Représentation simplifiée du malonate de diéthyle

Du fait des effets inductif et mésomère attracteurs (-I, -M) des groupes esters, les atomes d'hydrogène sur le carbone central sont relativement acides (pK_A=13, en comparaison à l'acidité des hydrogènes sur un groupe alkyle, de l'ordre de 40-50). C'est ce qui permet la première étape de la synthèse.

• Première étape : on fait réagir l'éthanolate dans l'éthanol sur le malonate de diéthyle

(réaction acide-base relativement facile: ${\displaystyle \Delta pK_{A}\approx 5~}$). L'éthanolate est obtenu par réaction du sodium sur l'éthanol.

Réaction de l'éthanolate sur le malonate de diéthyle

Cette réaction forme donc un carbanion et de l'éthanol.

Ce carbanion est stabilisé par mésomérie :

Formes mésomères du malonate de diéthyle déprotoné

Remarque: il est impossible ici que le malonate réagisse une seconde fois. Le produit formé serait trop instable.

Cependant on met en présence un di-ester et une base : cela implique donc une réaction de type saponification de l'ester. Cela ne pose pas de problème, puisque la base choisie est en fait la même que le groupe partant, l'ion éthanolate. Une réaction de "saponification" de l'un des esters ne modifie donc pas celui-ci :

Saponification du malonate par l'éthanolate

De même, le fait qu'on utilise de l'éthanolate sur un ester éthylique empêche toute forme de transestérification.

• Deuxième étape : substitution nucléophile du carbanion obtenu précédemment sur un dérivé halogéné. La partie alkyle de ce dérivé sera celle de l'acide carboxylique synthétisé. C'est donc à cette étape qu'on décide de l'acide qu'on veut. On ne peut toutefois choisir qu'un dérivé primaire voire secondaire; un dérivé tertiaire, dans les conditions de la synthèse (présence d'une base relativement forte) réagirait par une réaction d'élimination (donc formation d'un alcène, et reprotonation du malonate).

Substitution nucléophile sur le malonate déprotoné

Remarque: à cet instant, on peut de nouveau faire réagir l'éthanolate et faire une seconde alkylation.

• Troisième étape : Saponification (mécanisme) des deux fonctions ester. On utilise cette fois comme base de la soude (Na⁺,HO⁻), ou de la potasse (K⁺,HO⁻).

Double saponification du malonate substitué

• Quatrième étape : Double réaction acide-base.

Double acidification du produit de la double saponification

• Cinquième étape : Décarboxylation du diacide.

Le diacide se "pseudo-cyclise". Cette conformation est d'autant plus stable qu'une liaison hydrogène se crée entre l'hydrogène d'une fonction hydroxyle et l'oxygène de la partie carbonyle de l'autre fonction acide, et par le fait que ce "pseudo-cycle" comporte 6 atomes. Une augmentation de la température permet alors le départ d'un molécule de dioxyde de carbone:

Décarboxylation de la molécule précédente

Un équilibre de tautomérie vient finir cette réaction.

Équilibre de tautomérie sur le alcène-diol pour former l'acide carboxylique

Cette synthèse est d'autant plus intéressante qu'a priori, elle permet de synthétiser n'importe quel acide carboxylique, puisque, à part un groupe tertiaire, il semble qu'on puisse mettre ce qu'on veut à la place de R.