Considération sur l'ordre des acidités successives du diacide 7-para carboxy anilino 4-nitrobenzofurazane

Malika Mokhtari; Jean Claude Hallé; Marie-José Pouet

doi:10.1016/j.crci.2008.09.013

Résumés

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Français

On the dissociation constants of successive acidities of the diacid 7-para carboxy anilino-4-nitrobenzofurazane. The first dissociation constant of the 7-para carboxy anilino-4-nitrobenzofurazane noted 4H,COOH, in dimethylsulfoxyde was estimated using an NMR method. Diacid 4H,COOH was prepared by simple reaction of aromatic nucleophilic substitution (S_NAr) and monopotassium salt and was precipitated by chloroform addition to a solution of 4H,COOH in Me₂SO, after neutralisation of an acid function by one equivalent of solid potassium bicarbonate. Initially, a titration NMR ¹H of two acidities of 4H,COOH was carried out in Me₂SO-d₆ by the strong base potassium tert-butoxide. After, we showed that ionization NH/N⁻ is carried out completely before that of function COOH. We could estimate the first dissociation constant (7.5) of 4H,COOH in dimethylsulfoxyde by using the 9-cyano fluorene as a reference compound.

Résume

La constante de première acidité du 7-para carboxy anilino-4-nitrobenzofurazane noté 4H,COOH, dans le diméthylsulfoxyde a été estimée par un dosage RMN.

Le diacide 4H,COOH a été préparé par simple réaction de substitution nucléophile aromatique (S_NAr) et le sel monopotassique a été précipité par ajout de chloroforme à une solution de 4H,COOH dans Me₂SO, après salification d'une fonction acide par un équivalent de bicarbonate de potassium solide.

Dans un premier temps, un titrage RMN ¹H des deux acidités de 4H,COOH a été réalisé dans Me₂SO-d₆ par la base forte tertiobutylate de potassium.

Dans un deuxième temps, nous avons montré que l'ionisation NH/N⁻ s'effectue complètement avant celle de la fonction COOH.

Nous avons pu estimer la constante de première acidité de 4H,COOH à 7,5 dans le diméthylsulfoxyde en utilisant le 9-cyano fluorène comme référence interne.

1 Introduction

Depuis trente ans, il est bien établi que si les solvants dipolaires aprotiques, et notamment le diméthylsulfoxyde, sont de piètres solvatants des anions à charge localisée, ce sont en revanche d'excellents solvants de gros anions polarisables et ce d'autant plus que leur charge est dispersée par effet mésomère [1–4]. Ainsi, contrairement aux acides carboxyliques dont l'acidité décroît progressivement lorsque l'on passe de l'eau au Me₂SO [4,5] (le pK_a de l'acide benzoique par exemple passe ainsi de 4,20 dans l'eau à 11,1 dans le Me₂SO [4]), l'acidité des polynitro diphénylamines augmente régulièrement [6]. C'est ainsi que le pK_a de la trinitro diphénylamine passe de 10,50 dans l'eau [7] à 7,97 dans 95 % en volume (83,1 % en fraction molaire) de Me₂SO [6]. Une telle situation n'est pas sans incidence sur l'ordre des acidités successives d'acides 2,4,6-trinitro diphénylamine carboxyliques. En effet, si l'acidité de la fonction carboxylique de ces diacides est bien la plus forte dans les milieux riches en eau (chemin 1 du Schéma 1 avec R ≡ groupement picryle), on constate un rapprochement progressif de ces acidités successives lorsque le milieu s'enrichit en Me₂SO de sorte que dans les milieux de teneur voisine de 80 - 85% en volume de Me₂SO, on observe la coexistence des deux monoanions : carboxylate I₁ et amidure I₂ (i.e. K_T ≈ 1) [8].

Pour des teneurs plus riches en Me₂SO (voir dans Me₂SO pur), c'est donc le chemin 2 qui prédomine pour devenir très vite unique [8].

Comme nous avons montré que le groupement 4-nitrobenzofurazanyle (NBD) est un peu plus délocalisant que le groupement picryle (Pic) [9], une telle inversion d'acidité, induite par la composition du milieu, doit également caractériser des structures de type : NBD-NH-Ph-COOH. On peut en effet estimer que l'acidité NH/N⁻ (K₂ du Schéma 1) du diacide 7-para carboxy anilino-4-nitrobenzofurazane, noté 4H,COOH doit être très

proche de celle de son ester méthylique (hypothèse d'Ebert [10]), dont nous avons mesuré le pK_a (≡ 7,05) [9] dans le mélange eau - Me₂SO étudié (20 - 80% en volume). Quant à l'acidité COOH/COO⁻ de 4H,COOH (K₁ du Schéma 1), elle doit être très légèrement inférieure au COOH de l'acide 2,4,6-trinitro diphénylamine 4'-carboxylique si l'on se réfère aux effets électroattracteurs comparatifs des groupements NBD et Pic ; celle-ci a été estimée à pK₁ = 7,20 [8] dans ce même milieu. On peut donc en conclure que le point d'inversion pour les deux acidités de 4H,COOH (i.e. pour lequel pK₁ = pK₂, K_T = 1) se situerait pour une teneur en Me₂SO légèrement inférieure à 80% en volume.

2 Résultats et discussions

Le diacide 4H,COOH a été préparé dans des conditions proches de celles ayant permis l'obtention de l'ester méthylique [9] et le sel monopotassique a été précipité par ajout de chloroforme à une solution de 4H,COOH dans Me₂SO, après salification d'une fonction acide par un équivalent de bicarbonate de potassium solide.

La première remarque concerne la quasi-identité des paramètres RMN ¹H et ¹³C du diacide 4H,COOH et de son ester méthylique (Tableaux 1 et 2) ; l'hypothèse d'Ebert concernant la très faible influence de la méthylation sur la structure du diacide est donc ici pleinement justifiée [10]. Concernant le monoanion, on doit noter l'important effet de solvant, quand on passe de D₂O au Me₂SO-d₆, qui ne peut s'expliquer que par une modification structurale du sel. Sous forme carboxylate dans D₂O (4H,COO⁻ ; i.e. I₁), il est entièrement tautomérisé en amidure (4⁻,COOH ; i.e. I₂) dans Me₂SO-d₆, comme en témoigne l'identité entre les paramètres RMN ¹H et ¹³C et ceux de l'anion (4⁻,COOMe) issu de l'ester (à part $δ_{C_{4'}}$ , cf. Tableaux 1 et 2). A cet égard, un titrage RMN ¹H des deux acidités de 4H,COOH a été réalisé dans Me₂SO-d₆ par la base forte tertiobutylate de potassium (Tableau 3 et Fig. 1).

composé	solvant	$δ_{H_{5}}$	$δ_{H_{6}}$	$δ_{H_{2^{'} 6^{'}}}$	$δ_{H_{3^{'} 5^{'}}}$	$δ_{NH}$	${}^{3}J_{56}$	${}^{3}J_{2^{'} 3^{'}}$
4H,COOH	Me₂SO-d₆	8,56	6,99	7,56	8,03	11,13	8,7	8,6
4H,COOMe	Me₂SO-d₆	8,57	7,01	7,63	8,05	11,16	8,8	8,7
4⁻,COOH	Me₂SO-d₆	7,81	5,75	6,99	7,96		10,0	8,2
4⁻,COOMe	Me₂SO-d₆	7,80	5,69	7,00	7,94		9,9	8,2
4H,COO^–	D₂O	7,60	6,16	6,95	7,73		10,2	8,6
4⁻,COO⁻	Me₂SO-d₆	7,68	5,73	6,75	7,82		10,2	8,2

composé	$δ_{C_{4}}$	$δ_{C_{5}}$	$δ_{C_{6}}$	$δ_{C_{7}}$	$δ_{C_{8}}$	$δ_{C_{9}}$	$δ_{C_{1^{'}}}$	$δ_{C_{2^{'} 6^{'}}}$	$δ_{C_{3^{'} 5^{'}}}$	$δ_{C_{4^{'}}}$	$δ_{CO}$
4H,COOH	124,5	137,3	103,5	140,7	145,3	144,1	142,3	122,4	130,9	127,5	166,7
4H,COOMe	124,8	137,2	103,7	140,6	145,4	144,1	142,8	122,3	130,8	126,2	165,6
4⁻,COOH	111,4	133,6	103,4	150,1	148,7	146,7	155,3	120,7	130,7	125,6	167,4
4⁻,COOMe	111,2	133,8	103,5	150,6	149,0	146,9	156,6	121,0	130,8	123,9	166,3

n_eq.(tBuOK)	$δ_{H_{5}}$	$δ_{H_{6}}$	$δ_{H_{2^{'} 6^{'}}}$	$δ_{3^{'} 5^{'}}$
0	8,54₇	6,98₂	7,59₃	8,02₃
0,23	8,38₁	6,68₂	7,45₀	7,98₂
0,67	8,00₆	6,07₆	7,15₇	7,94₇
1	7,79₂	5,72₈	6,97₂	7,91₉
1,32	7,75₃	5,73₂	6,90₀	7,88₂
1,78	7,70₁	5,73₀	6,80₀	7,83₅
2	7,68₀	5,73₁	6,74₆	7,82₄

Fig. 1
Titrage RMN ¹H des deux acidités de **4H,COOH** par le tertiobutylate de potassium dans Me₂SO-d₆. T = 23 °C.

On retrouve bien après ajout d'un équivalent de tBuOK les paramètres RMN ¹H du sel isolé 4⁻,COOH et on peut constater que le passage au dianion 4⁻,COO⁻ produit moins de modifications des déplacements chimiques que la déprotonation préalable de la fonction amidure.

Compte tenu de la différence importante d'absorption UV - Visible des chromophores NBD-NH-R et NBD-N⁻-R, il est évident que l'influence du solvant sur le transfert protonique entre le site azoté de I₁ et le site carboxylate de I₂ est facilement détectable par cette technique. Ainsi, les enregistrements UV - Visible du sel monopotassique de 4H,COOH (c = 6⁻⁵ mol l⁻¹), réalisés dans divers mélanges eau - Me₂SO (cf. Fig. 2), révèlent qu'à partir d'environ 40% de Me₂SO en volume, la bande d'absorption caractéristique de l'anion amidure N⁻ (λ_max = 395 nm) apparaît, montrant ainsi que l'anion I₁ cède alors progressivement la place à l'anion I₂, qui semble être la seule espèce dans Me₂SO pur. D'autre part, le tracé sigmoïdique de l'absorbance de 4⁻ relevé à 395 nm en fonction de la teneur en Me₂SO (cf. Fig. 3) montre un point d'inflexion aux alentours de 70% de Me₂SO en volume qui doit être proche du milieu dans lequel les populations de I₁ et de I₂ sont identiques (K_T = 1 ou pK₁ = pK₂).

Fig. 2
Ionisation de **4H,COOH** dans des milieux mixtes eau – Me₂SO, T = 25 °C ; c = 6.10⁻⁵ mol l⁻¹ ; λ_mesure = 395 nm : (1) 2%, A = 0,157 ; (2) 20%, A = 0,192 ; (3) 40%, A = 0,221 ; (4) 60%, A = 0,308 ; (5) 70%, A = 0,388 (point d'inflection) ; (6) 80%, A = 0,481 ; (7) 90%, A = 0,542 ; (8) 100% de Me₂SO en volume, A = 0,554.

Fig. 3
Tracé de la variation de l'absorbance de 4⁻ en fonction de la teneur en Me₂SO (en volume) à la longueur d'onde λ = 395 nm. T = 25 °C.

3 Estimation par RMN de la première acidité de 4H,COOH dans Me₂SO-d₆ pur

Dans la mesure où les déplacements chimiques de certains sites ( $δ_{H}^{i}$ et $δ_{13_{C}}^{i}$ ) du diacide, que l'on notera dorénavant 4H₂ pour simplification, sont très sensibles à la déprotonation de la fonction amine (cf. Tableaux 1 et 2), la connaissance du $δ_{i}$ moyenné, correspondant au mélange des deux espèces 4H₂ et 4H⁻ en échange rapide $δ_{m}^{i} = P_{4 H_{2}} δ_{4 H_{2}}^{i} + P_{4 H^{-}}^{i} δ_{4 H^{-}}^{i}$ permet de calculer les populations de ces deux espèces

(P_{4 H_{2}} + P_{4 H^{-}} = 1)

i.e. :

P_{4 H_{2}} = \frac{δ_{m}^{i} - δ_{4 H^{-}}^{i}}{δ_{4 H_{2}}^{i} - δ_{4 H^{-}}^{i}}

P_{4 H^{-}} = \frac{δ_{4 H_{2}}^{i} - δ_{m}^{i}}{δ_{4 H_{2}}^{i} - δ_{4 H^{-}}^{i}}

(1)

Ainsi, dans Me₂SO-d₆ pur, où l'ionisation NH/N⁻ de 4H₂ s'effectue complètement avant celle de la fonction COOH, la première constante d'acidité K_a de 4H₂ (équation (2)) sera accessible pourvu que l'on dispose d'une référence acido-basique d'acidité voisine de celle à mesurer.

K_{a}^{{4 H}_{2}} = \frac{P_{{4 H}^{-}}}{P_{{4 H}_{2}}} f_{{4 H}^{-}} a_{{HS}^{+}} avec \frac{P_{{4 H}^{-}}}{P_{{4 H}_{2}}} = \frac{[{4 H}^{-}]}{[{4 H}_{2}]}

(2)

Compte tenu des valeurs des constantes d'acidité des composés 4H que nous avons mesurées dans le milieu eau - Me₂SO contenant 80% de Me₂SO en volume, et en particulier celle de l'ester méthylique de 4H₂ (pK_a = 7,05) [9], on peut s'attendre à ce que la première acidité de 4H₂ dans le Me₂SO pur se situe dans une zone de pH allant de 7 à 9. Parmi les couples acide/base sélectionnés pour recouvrir le large domaine acido - basique accessible du Me₂SO pur [4,11–14] (dont le produit d'autoprotolyse vaut ≈ 10⁻³³) [11] on trouve l'acide 3,5-dinitrobenzoique : pK_a = 7,4 [4], le 9-cyano fluorène : pK_a = 8,3 [13] et le cation triéthylammonium : pK_a = 9,0 [4], 9,07 [14].

Dans la mesure où les signaux de l'acide 3,5-dinitrobenzoique (en mélange avec son sel) risquent d'interférer avec ceux de 4H₂/4H⁻ et que le couple Et₃NH⁺/Et₃N semble être un peu élevé, nous avons opté pour le 9-cyano fluorène, noté FlH, qui présente le même processus d'ionisation i.e. :

FlH + S ⇌ HS + + {Fl}^{-}

avec

K_{a}^{FLH} = \frac{[{Fl}^{-}]}{[FlH]} f_{{Fl}^{-}} a_{{HS}^{+}}

(3)

Opposant 4H⁻K⁺ au 9-cyano fluorène dans Me₂SO, nous avons effectivement observé que les paramètres RMN de notre substrat benzofurazane étaient bien intermédiaires entre ceux de 4H⁻ et de 4H₂ attestant ainsi de la réaction d'échange protonique entre ces deux entités dont la constante K (Éq. (4)), s'identifie au rapport des constantes d'acidité de FlH (Éq. (3)) et de 4H₂ (Éq. (2)).

4 H^{-} + FlH \overset{K}{⇌} 4 H_{2} + {Fl}^{-}

(4)

K = \frac{[4 H_{2}] [{Fl}^{-}]}{[4 H^{-}] [FlH]} \frac{f_{{Fl}^{-}}}{f_{4 H^{-}}}

(5)

Ainsi, la détermination de K permet d'accéder à $K_{a}^{4 H_{2}}$ à partir de l'étalon 9-cyanofluorène ( $K_{a}^{F l H}$ = 10^−8.3 dans Me₂SO pur [13]) :

K_{a}^{4 H_{2}} = \frac{K_{a}^{FlH}}{K}

(6)

A noter que le choix d'un étalon s'ionisant en anion comme 4H₂, simplifie la détermination de K (équation (5)) dans la mesure où, si les solutions restent diluées, les coefficients d'activités

f_{{Fl}^{-}}

f_{4 H^{-}}

des espèces monoanioniques doivent être suffisamment proches pour simplifier l'Éq. (5).

K = \frac{[4 H_{2}] [{Fl}^{-}]}{[4 H^{-}] [FlH]}

(7)

4 Détermination de la constante K

Si l'on désigne par c_o et $τ$ .c_o les concentrations initiales respectives en 4H⁻ et FlH, et par x leur concentration ayant réagi à l'équilibre, on a d'après (4) et (7)

K = \frac{x^{2}}{(c_{0} - x) ({τc}_{0} - x)}

(8)

Il ressort des Tableaux 1 et 2 que la déprotonation de 4H₂ dans Me₂SO-d₆, modifie notablement les déplacements chimiques δⁱ de C₄, C₇, C_1', H₅, H₆ et à un degré moindre H_2',6', de sorte que la détermination des déplacements chimiques

δ_{m}^{i}

du mélange de 4H⁻ (à la concentration x) et de 4H₂ permet d'accéder aux populations

P_{4 H_{2}}

P_{4 H^{-}}

(Éq. (1)) respectivement égales à

x / c_{0}

c_{0} - x / c_{0}

ce qui nous conduit à la relation (9) :

K = \frac{1}{(\frac{1}{P_{{4 H}_{2}}} - 1) (\frac{τ}{P_{{4 H}_{2}}} - 1)}

(9)

dont la transformée logarithmique (10) :

\log (\frac{1}{P_{{4 H}_{2}}} - 1) = pK - \log (\frac{τ}{P_{{4 H}_{2}}} - 1)

(10)

indique que le pK de l'équilibre (4) se déduit du tracé linéaire

\log (\frac{1}{P_{{4 H}_{2}}} - 1) = f (\frac{τ}{P_{{4 H}_{2}}} - 1)

de pente -1.

Une solution de réserve de 4HK (M = 338,3 g mol⁻¹) a été préparée en dissolvant 0,1247 g de sel dans 3,5815 g de Me₂SO-d₆. Cette solution de réserve contient donc 9,946 × 10⁻⁵ mole de 4HK par gramme de solution (compte tenu de la masse volumique du Me₂SO-d₆ égale à 1,19 g/cm³, cette solution est donc environ 0,12 mol l⁻¹).

A un prélèvement d'environ 0,5 - 0,6 cm³ de cette solution de réserve, de masse m_res, on ajoute des masses croissantes m_FLH de 9-cyano fluorène solide (M = 191,2 g mol⁻¹) dans le tube RMN. Les données numériques relatives aux quatre expériences réalisées, désignées par les entrées A, B, C et D sont réunies dans le Tableau 4 où apparaissent également les valeurs calculées du rapport $τ$ défini précédemment.

Entrée	m_res (g)	10⁵ n_4HK (mole)	m_FlH (g)	10⁵ n_FlH (mole)	$τ = \frac{n_{FlH}}{n_{4 HK}}$
A	0,5834	5,802	0,0042	2,197	0,3787
B	0,5267	5,238	0,0135	7,060	1,348
C	0,5942	5,909	0,0344	17,989	3,044
D	0,6416	6,381	0,0505	26,408	4,139

A partir des $δ_{m}^{i}$ on peut donc calculer les populations de la forme moléculaire 4H₂ en mélange avec son anion 4H⁻(Tableau 5). Les valeurs ainsi obtenues sont très homogènes bien qu'il soit nécessaire de noter que la moyenne de celles déduites des mesures faites en ¹³C, soient légèrement inférieures à la moyenne des $P_{4 H_{2}}$ provenant des mesures faites en ¹H (Tableau 6). L'application de l' Éq. (10) à ces valeurs permet l'estimation graphique (cf. Fig. 4) du pK de la réaction d'échange protonique (Éq. (4)). A cet égard, il est logique que la précision maximale soit obtenue pour les solutions C et D pour lesquelles les populations voisines des espèces 4H₂ et 4H⁻ encadrent parfaitement le point d'ordonnée nulle (pour lequel $P_{4 H_{2}} = P_{4 H^{-}}$ ) qui correspond au pK. En revanche, l'écart important entre ces populations rend, en solution A notamment, leur détermination beaucoup plus incertaine (cf. Fig. 4 et Tableau 6) et dans ce cas, il convient d'ajouter l'imprécision sur la pesée du 9-cyano fluorène introduit (Tableau 4).

i	C₄	C₇	C_1′	H₅	H₆
4H⁻	111,3₄	150,1₀	155,3₄	7,80₈	5,74₈
A	113,4₀	148,5₉	153,3₆	7,94₇	5,96₂
(0,156)	(0,161)	(0,151)	(0,186)	(0,173)
B	115,9₄	146,8₅	150,8₅	8,08₄	6,19₇
(0,349)	(0.347)	(0,343)	(0,370)	(0,363)
C	117,5₃	145,6₈	149,2₇	8,17₆	6,35₀
(0,469)	(0,472)	(0,464)	(0,493)	(0,487)
D	118,2₁	145,3₀	148,5₀	8,21₄	6,41₇
(0,521)	(0,512)	(0,523)	(0,544)	(0,541)
4H₂	124,5₄	140,7₃	142,2₆	8,55₅	6,98₅
$δ_{4 H_{2}}^{i} - δ_{4 H^{-}}^{i}$	13,20	−9,37	−13,08	0,74₇	1,23₇

Entrée	$τ$	$P_{4 H_{2}}$	$\log (\frac{1}{P_{4 H_{2}}} - 1)$	$\log (\frac{τ}{P_{4 H_{2}}} - 1)$
A	0,3787	(a) 0,156	0,733	0,155
(b) 0,180	0,659	0,043
(c) 0,165	0,704	0,112
B	1,348	(a) 0,346	0,277	0,462
(b) 0,366	0,239	0,429
(c) 0,354	0,261	0,448
C	3,044	(a) 0,468	0,056	0,741
(b) 0,490	0,0174	0,717
(c) 0,477	0,040	0,731
D	4,139	(a) 0,519	−0,033	0,844
(b) 0,542	−0,073	0,822
(c) 0,528	−0,049	0,835

Fig. 4
Estimation du pK de la réaction (4) à partir des mesures RMN ¹H et ¹³C. T = 23 °C.

Du pK (=0,8 ± 0,05) ainsi obtenu pour l'équilibre (4), on peut donc estimer la première acidité de 4H₂ à $p K_{a}^{4 H_{2}} \approx 7, 5$ (± 0,05) dans le diméthylsulfoxyde si toutefois on admet que les constantes d'acidité, et notamment celle du 9-cyano fluorène (pK_a = 8,3 [13]) ne sont pas, ou peu, affectées par la deutération du Me₂SO. Cette valeur, est tout à fait compatible avec celle mesurée par spectroscopie (7,05) pour l'ester méthylique dans le mélange Me₂SO - H₂O de fraction molaire 0,51 en Me₂SO.

5 Partie expérimentale

5.1 Préparation des 7-anilino 4-nitrobenzofurazanes 4H,COOH et 4H,COOMe

La condensation des anilines para substituées (produits Aldrich) sur le 7-Chloro 4-nitrobenzofurazane NBD-Cl commercial (produit Fluka) a été réalisée en utilisant le protocole décrit par Ghosh [15].

4H,COOMe : Solide rouge ; Rdt 66% ; F 238 °C. Anal. Calc. : C, 53,51 ; H, 3,21 ; N, 17,83 ; Trouvé : C, 53,80 ; H, 3,31 ; N, 17,58 [9].

4H,COOH : Solide rouge ; Rdt 60% ; F 220 °C. Anal. Calc. : C,52,02 ; H,2,67 ; N,18,67% ; Trouvé : C,52,15 ; H,2,73 ; N,18,52%.

5.2 Matériels

L'ionisation de 4H,COOH a été suivie sur un spectrophotomètre UV-Visible HP8453.

Les enregistrements RMN ont été réalisés sur un spectromètre Bruker AC 300.