Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 DS 4 : 4h Chimie organique Samedi 16 janvier 2016 Les calculatrices ne sont pas autorisées. N.B. Si un candidat est appelé à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d’énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre. Des points seront réservés à la présentation : relisez, soulignez/encadrez les résultats et n’oubliez pas les unités. Chaque partie est indépendante et, dans chaque partie, de nombreuses questions sont indépendantes. Toutes les données utiles sont rassemblées à la fin de chaque problème. C. Saury PC Page 1 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Problème 1 : Synthèse des polycarbonates Le principal polycarbonate commercial est le polycarbonate de bisphénol A. C’est une matière plastique transparente, résistante aux chocs et utilisable dans une large gamme de températures ce qui en fait un matériau de choix dans la fabrication de nombreux objets : verres de vue, fenêtres, CD et DVD, vitres de phares automobiles, etc. La méthode la plus utilisée actuellement pour la fabrication du polycarbonate de bisphénol A est la polycondensation du bisphénol A et du phosgène COCl2 en présence de soude (figure 5) : le procédé industriel fait réagir le sel disodique de bisphénol A avec le phosgène dissous dans un solvant organique chloré comme le dichlorométhane CH2Cl2. Ce procédé comporte de nombreux inconvénients parmi lesquelles l’extrême toxicité du phosgène, l’utilisation de solvant à faible point d’ébullition et l’obtention d’une grande quantité d’eau usée contenant du dichlorométhane et du sel qui doit ensuite être traitée. O + NaOH + Cl HO Cl OH Bisphénol A O H2O NaCl O Phosgène O n Polycarbonate de bisphénol A Figure 5 : Synthèse du polycarbonate de bisphénol A par la voie phosgène La molécule de phosgène COCl2 présente une réactivité chimique similaire à celles de la famille des chlorures d’acyle. De la même manière, les molécules qui comportent une fonction carbonate (de formule générale RO−COOR’) présentent une réactivité chimique similaire à celles de la famille des esters. 1. En présence d’humidité et sous l’action de la chaleur, le phosgène COCl2 s’hydrolyse en donnant du chlorure d’hydrogène et du dioxyde de carbone. Sachant que cette réaction en phase gazeuse est quantitative et rapide, en déduire quelles précautions particulières doivent être prises dans les zones de stockage du phosgène. 2. Comparer le caractère acide du bisphénol A et d’un alcool aliphatique comme l’éthanol. Justifier le choix de la base utilisée pour déprotoner le bisphénol A. 3. Écrire le mécanisme de la réaction d’une molécule de bisphénol A avec une molécule de phosgène dans les conditions expérimentales décrites ici. 4. Un des produits de la réaction précédente peut réagir avec un deuxième équivalent de bisphénol A. Écrire l’équation de cette réaction et donner la structure du produit obtenu. En déduire une condition sur la structure de l’alcool pour que la réaction entre un alcool et le phosgène conduise effectivement à la synthèse d’un polymère. La réaction de polymérisation peut être suivie en réalisant des spectres d’absorption infrarouge et RMN1H du milieu réactionnel. 5. Interpréter le spectre RMN1H du bisphénol A (figure 6a) : vous devez présenter vos résultats sous la forme d’un tableau précisant pour chaque signal l’intégration, la multiplicité attendue et le déplacement chimique observé. 6. Préciser quelles sont les différences majeures entre les spectres RMN1H et d’absorption infrarouge du bisphénol A (figures 6a et 6b) et du polymère qui permettent de suivre l’avancement de la réaction de polymérisation. C. Saury PC Page 2 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Figure 6a : Spectre RMN1H du bisphénol A Figure 6b : Spectre d’absorption infrarouge du bisphénol A Synthèse de polycarbonates par copolymérisation du dioxyde de carbone avec les époxydes L’utilisation du dioxyde de carbone comme réactif dans la synthèse des polycarbonates fournit une alternative plus économique et moins toxique à l’utilisation du phosgène, de plus cette voie de synthèse est susceptible de valoriser des quantités importantes de dioxyde de carbone. La copolymérisation du dioxyde de carbone avec les époxydes se déroule selon un mécanisme de coordination-insertion qui met généralement en œuvre un catalyseur de type complexe organométallique (LM-X) jouant le rôle d’un acide de Lewis (figure 7). N O O Oxirane + CO2 Dioxyde de carbone salen-Cr-Cl tBu O N Cr O O n Polycarbonate d'ethyle O tBu Cl tBu tBu catalyseur organométallique : salen-Cr-Cl (noté LM-X) C. Saury PC Page 3 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Figure 7 : Synthèse d’un polycarbonate par copolymérisation époxyde-CO2 7. Un milieu acide provoque la dissociation du complexe salen-Cr-Cl. En déduire la structure du ligand salenH2 et expliquer l’influence du pH sur l’équilibre de complexation. 8. Sachant que le complexe salen-Cr-Cl est neutre, déterminer le degré d’oxydation du chrome dans le complexe. Donner la configuration électronique de l’ion du chrome correspondant, en déduire pourquoi il est dit que le complexe joue le rôle d’un acide de Lewis dans le mécanisme de polymérisation. La formation du polymère est généralement accompagnée de la production de carbonate cyclique à cinq centres. Les catalyseurs mis en œuvre pour la copolymérisation époxyde-CO2 sont essentiels à la fois pour contrôler la sélectivité de la réaction (selon le catalyseur utilisé, la proportion de carbonate cyclique fabriqué peut varier de 1 à 99%) et pour limiter les réactions parasites afin d’obtenir des polymères de masse molaire élevée. Le mécanisme de copolymérisation époxyde-CO2 est représenté figure 8 (page suivante). La réactivité du catalyseur LM-X et des intermédiaires de type LM-OR est analogue à la réactivité d’un organomagnésien mixte. Par exemple, le mécanisme de la première étape de l’amorçage (figure 8, action de LM-X sur l’oxirane) est analogue à celui de l’action d’un organomagnésien sur l’oxirane. 9. Proposer une méthode permettant de fabriquer l’oxirane à partir de l’éthylène. 10. Donner le mécanisme d’action du bromure de méthylmagnésium sur l’oxirane, et préciser la structure du produit obtenu avant hydrolyse. 11. Proposer un mécanisme pour la deuxième étape de l’amorçage (figure 8, action de LM-OCH2CH2-X sur le dioxyde de carbone). 12. Proposer un mécanisme pour la réaction parasite (figure 8, action de LM-OCH2CH2-R sur un composé protique R’OH). 13. Expliquer quelle conséquence la réaction parasite a sur la longueur de chaîne du polymère (c’est-àdire le nombre n d’unités impliquées dans la chaîne), et préciser si le catalyseur est toujours actif ou non à la suite de cette réaction. Données : RMN 1H : gamme de déplacements chimiques δ Proton H −CH−C− δ (ppm) −CH−C=C− −CH−C=O −CH−OR −CH=C− (alcène) −CH=C− (aromat.) −CH=O −C=C−OH (phénol) 1,6 – 2,5 2,0 – 3,0 3,3 – 3,9 4,5 – 5,7 6,0 – 9,0 9,5 – 10,0 4,0 – 12,0 0,8 – 1,7 Infrarouge : nombres d’onde σ de vibration de quelques groupes fonctionnels Liaison O−H C−H (C aromat.) C−H (C tétravalent) C=C (alcène) C=C (aromat.) C=O C−O σ (cm-1) 3200 – 3670 3020 – 3080 2810 – 2990 1620 – 1680 1450 – 1600 1650 – 1820 1020 – 1300 C. Saury PC Page 4 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Tableau périodique des éléments 1 2 H 3 He 4 Li 11 5 19 37 Rb 55 Cs 87 Fr 13 Mg 20 K Ca 38 21 Ba 88 Ra 22 Sc 39 23 Ti 40 Y 71 Lu Lr 57 Hf Rf 58 La 89 Ta 105 W 61 92 Pa Hs 14 93 63 Np 95 Pu Amorçage : Au Ds Rg 65 Gd 96 97 Am Cm LM Hg Cn 66 Tb 98 Tl 113 Pb 114 Uut Fl 68 Ho 99 Cf Sn 82 67 Dy Bk 50 In 81 112 15 Ge Er 100 Es Fm 9 N Si 32 Ga 49 Cd 80 111 64 Eu 94 79 Pt 31 Zn 48 Ag 110 Mt Sm 47 Pd Ir 30 Cu 78 109 62 Pm U 77 Os 29 Ni 46 Rh 108 Bh Nd 45 Ru Re 28 Co 76 107 Sg 27 Fe 44 Tc 75 60 Pr 91 Th 43 106 Db 26 Mn Mo 74 59 Ce 90 Ac 42 Nb 73 104 25 Cr 41 Zr 72 103 24 V 8 C Al Sr 56 7 B 12 Na 6 Be 16 P 33 51 Se 52 Sb 83 Bi Uup 69 Po 116 Lv 35 101 Md 53 85 At 117 Yb 102 No X O CO2 O LM R O O CO2 O O O R LM O Formation d'un carbonate cyclique : O O O LM R + O O Réaction parasite : LM R O + R'OH LM OR' + R HO Figure 8 : Étapes du mécanisme de copolymérisation époxyde-CO2 C. Saury PC Xe 86 Rn 118 Uus Uuo O Propagation : Kr 54 I X LM Ar 36 Br 70 Tm Ne 18 Cl Te 84 115 F 17 S 34 As 10 O Page 5 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Problème 2 : le laulimalide Dans un effort de recherche de nouveaux agents anti-cancéreux, le laulimalide 1, macrolide marin inhibiteur potentiel de prolifération de cellules, a été récemment identifié. Ce problème aborde une synthèse de l’un des principaux fragments du laulimalide 1, le fragment C1-C14 : O 14 H O OH H O OH H 19 O 27 23 O 1 laulimalide 1 28 9 Etude stéréochimique du (-)-citronellol Le fragment C1-C14 est formé à partir du (-)-citronellol ou (3S)-3,7-diméthyloct-6-èn-1-ol, noté 2, présent dans les essences de géranium ou de citronnelle. 1. Représenter le (-)-citronellol ou (3S)-3,7-diméthyloct-6-èn-1-ol 2. Justifier votre réponse. 2. A quelle propriété physique est liée ce signe (-) ? Pourquoi 2 présente-t-il une telle propriété physique ? Transformation du (-)-citronellol Le (-)-citronellol 2 est oxydé de façon « totale » par le réactif de Jones en 3. L’acide carboxylique 3 obtenu, mis en solution dans le méthanol, est traité par de l’acide phosphorique H3PO4, pour conduire à l’ester 4, dont la représentation topologique plane est donnée ci-après : CO2Me 4 Le spectre infrarouge de 4 présente, entre autre, une bande large centrée vers 2 bandes plus fines à 1 735 et 1 660 cm-1. 900 cm-1 et deux Le spectre RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) 1H de 4 présente les signaux donnés dans le tableau ci-dessous : protons Ha Hb Hc Hd He Hf Hi C. Saury PC déplacement chimique en ppm 1,1 1,0 - 1,2 1,6 2,2 2,3 3,3 5,1 multiplicité doublet multiplet singulet doublet multiplet singulet triplet intégration 3H 3H 6H 2H 2H 3H 1H Page 6 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 3. Représenter les formules topologiques spatiales de 3 et 4 en adoptant la convention de Cram. 4. Attribuer les signaux observés en RMN pour les différents protons notés Ha - Hi de 4. Justifier la multiplicité des signaux à 1,1 ppm et 5,1 ppm. 5. Ecrire le mécanisme de la réaction 3 → 4. Comment améliorer le rendement de cette réaction de synthèse de 4 à partir des réactifs cités ? Ozonolyse et tritylation L’action du réactif de Lemieux-Johnson, suivie de l’addition d’un excès de tétrahydruroborate de sodium NaBH4, transforme l’ester 4 en 5 représenté ci-dessous et en propan-2-ol, ce dernier étant éliminé lors de l’hydrolyse. 5, mis en solution dans la triéthylamine NEt3, en présence de chlorure de triphénylméthane ou chlorure de trityle, noté TrCl, conduit à 6 : O HO O OMe 5 TrCl TrO NEt3 OMe avec TrO = O 6 6. Expliquer la formation du composé 5. 7. Proposer un mécanisme pour la réaction de transformation de 5 en 6. Justifier votre réponse. Action de l’hydrure de diisobutylaluminium L’hydrure de diisobutylaluminium ou DIBAl-H, de formule semi-développée (Me2CHCH2)2Al-H, permet de réduire de façon « ménagée » la fonction ester. 6 est ainsi transformé en 7 par action du DIBAl-H. 7 présente, entre autre, en spectroscopie IR (Infrarouge) une bande intense vers 1 spectroscopie RMN 1H, un singulet vers 10 ppm. 720 cm-1 et, en 8. Nommer la fonction organique obtenue par réduction « ménagée » de l’ester 6 par le DIBAl-H. 9. Représenter la formule topologique spatiale de 7. Attribuer les signaux observés en spectroscopie IR et RMN 1H. Formation du cycle dihydropyranyle Le méthanal et le butadiène peuvent conduire à la formation d’un hétérocycle présentant un cycle dihydropyranyle représenté ci-après : O + C. Saury PC H O H cycle dihydropyranyle Page 7 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Ce même type de transformation, réalisé entre 7 et le diène 9 représenté ci-dessous et menant au composé 10, est utilisé pour former le cycle dihydropyranyle présent dans le fragment C1-C14 du laulimalide 1. Nous allons étudier cette réaction de formation du cycle dihydropyranyle sur une réaction modèle entre le méthanal et le (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène. On obtient alors les produits 11 et 11bis. Les orbitales moléculaires du méthanal et du (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène sont précisées dans les données en page 12. On suppose que ces réactions ont lieu sous contrôle orbitalaire. OSiEt3 avec MeO OSiEt3 = 9 Et O Si Et Et MeO (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène 10. Représenter les formules topologiques planes des deux produits 11 et 11bis. Quel type d’isomérie existe-t-il entre ces deux composés ? 11. Le nombre d’électrons dans le système du méthanal est 2 et celui du (E)-1-méthoxybuta-1,3diène est 8 électrons. Quelles sont les orbitales HO (Haute Occupée) et BV (Basse Vacante) de chacun de ces composés ? 12. Identifier les orbitales frontières mises en jeu dans la réaction entre le méthanal et le (E)-1méthoxybuta-1,3-diène. Justifier votre réponse. 13. Prévoir, sous contrôle orbitalaire, lequel des deux composés 11 ou 11bis est obtenu préférentiellement. Justifier votre réponse. 14. Ecrire la formule topologique plane du composé 10, préférentiellement obtenu lors de la réaction entre le diène 9 et le composé 7 en supposant une même régiosélectivité que celle observée pour la réaction modèle. Ether d’énol silylé L’action de sels de fluorure sur un éther d’énol silylé conduit à la formation d’un énolate : OSiEt3 O F éther d'énol silylé énolate 15. Proposer un mécanisme réactionnel, en deux étapes élémentaires, pour cette réaction sachant qu’un intermédiaire de réaction où le silicium est pentavalent est formé dans la première étape. Comment justifier qu’un tel intermédiaire puisse se former ? 16. Proposer un mécanisme réactionnel pour la transformation suivante : R O O OMe R O O 17. En déduire la structure plane du composé 12 obtenu par traitement de 10 par des sels de fluorure. C. Saury PC Page 8 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Réarrangement L’action de tétrahydruroborate de sodium NaBH4 dans le méthanol en présence de chlorure de cérium CeCl3, permet de réduire sélectivement la fonction carbonyle de 12. On obtient alors le composé 13. Celui-ci, traité par le tribromure de phosphore PBr3, conduit à 14 représenté ci-dessous. Ce dernier est alors transformé en 15 par action de l’éthanal en présence d’une base forte : O TrO 14 O O TrO 15 Br 18. Ecrire la formule topologique plane de 13. Préciser l’équation de la réaction de transformation de 13 en 14. La suite de la synthèse ne sera pas étudié ici. Données spectrales : Données RMN 1H : gamme de déplacements chimiques Proton H -CH-CO- -CH-C=C- (ppm) 2,0 - 3,0 -CH-C=O -CH-OR 2,0 - 2,2 3,3 - 3,7 1,6 - 2,5 Données INFRAROUGE : nombres d’onde de vibration de quelques groupes fonctionnels liaison (cm-1) O-H C-H 3 300 – 3 600 2 910 – 2 970 C=C C=O 1 580 - 1 620 1 710 - 1 780 Orbitales moléculaires du (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène et du méthanal : (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène Energie(eV) C(1) C(2) C(3) C(4) O(5) CH3(6) 0,26 0,12 0,05 0,02 0,75 0,59 0,37 0,41 0,35 0,20 0,30 - 0,66 0,02 0,39 0,54 0,38 - 0,46 0,45 6 H3C 1 O 5 0,50 0,47 - 0,28 - 0,60 - 0,30 0,11 3 2 4 0,61 - 0,29 - 0,41 0,58 - 0,19 0,04 0,41 - 0,69 0,58 - 0,35 - 0,09 0,01 O 2 méthanal C H 1 H Energie (eV) C(1) O(2) C. Saury PC 0,53 0,85 0,85 - 0,53 Page 9 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 Problème 3 : synthèse de peptides On s’intéresse dans un premier temps à la préparation d’un dipeptide, l’hippurylphénylalanine 1 représentée ci-après. Ce composé est un substrat de la carboxypeptidase A, un enzyme qui réalise l’hydrolyse des protéines au niveau de l’acide aminé C-terminal lorsque celui-ci possède un résidu soit aromatique, soit aliphatique. Dans un second temps, nous étudierons l’hydrolyse de ce dipeptide. Synthèse de l’hippurylphénylalanine La première étape consiste à faire réagir, selon le protocole publié dans la revue Organic Syntheses [Coll. Vol. 2, p.328 (1943) ; Vol. 12, p.40 (1932)], du chlorure de benzoyle 3 et de la glycine 2. On obtient ainsi de l’acide hippurique 4 qui, traité par du chlorure de thionyle SOCl2, donne le composé 5. Ce dernier réagit ensuite avec le composé 6 pour donner l’amide 7. Une dernière étape permet d’obtenir l’hippurylphénylalanine 1. Première étape : préparation de l’acide hippurique De la glycine (n2 = 1,0 mol) est dissoute dans une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (n1 = 1,2 mol dans 0,60 L d’eau). À cette solution homogène, maintenue à une température inférieure à 30 °C, sont ajoutés simultanément, sur une durée d’une heure, une quantité n3 = 1,1 mol de chlorure de benzoyle et 0,20 L d’une solution d’hydroxyde de sodium de concentration c = 10 mol L-1. Un contrôle du pH montre qu’ainsi, le milieu reste très légèrement basique. Une fois l’addition des réactifs achevée, le milieu réactionnel est encore agité pendant trente minutes puis il est versé dans un becher contenant 125 mL de solution concentrée de chlorure d’hydrogène de concentration c = 12 mol L-1 (« acide chlorhydrique concentré »). Le solide obtenu est collecté par filtration, puis séché et repris par du tétrachlorométhane dans lequel il est dissous à ébullition. Après refroidissement, le solide obtenu, l’acide hippurique 4, est recristallisé dans de l’eau bouillante pour donner des aiguilles blanches de température de fusion 186 - 187 °C. C. Saury PC Page 10 sur 11 Devoir surveillé MathSpé PC 2015-2016 1. Écrire le mécanisme de formation et la structure du produit obtenu en faisant réagir du chlorure de benzoyle avec de la méthanamine H3CNH2 en solution aqueuse basique. 2. Sous quelle forme se présente la glycine avant l’introduction du chlorure de benzoyle dans le milieu réactionnel ? 3. Dans la transformation, identifier le nucléophile et l’électrophile. 4. Quel est a priori le site le plus réactif de la glycine, dans ces conditions ? 5. Donner la structure de l’acide hippurique 4. 6. Expliquez en 3 lignes maximum le principe d’une recristallisation. Élaboration du composé 7 7. Proposer une formule de Lewis pour le chlorure de thionyle SOCl2. 8. Donner la structure de la molécule 5 et écrire l’équation de formation ajustée du composé correspondant. Le composé 6 est préparé par action du méthanol sur la phénylalanine racémique [figure 5] selon le protocole proposé par S. B. MIRVISS et coll. [Ind. Eng. Chem. Res. 1990, 29, 651]. La phénylalanine est dissoute dans un excès de méthanol (23 équivalents molaires) et la solution obtenue est saturée de chlorure d’hydrogène gazeux. Le mélange homogène est porté à reflux pendant trois heures puis le solvant est évaporé sous pression réduite. On isole avec un rendement supérieur à 96% le produit solide 6 de formule brute C10H14NO2Cl. Sur le spectre de RMN du proton de 6, enregistré à la fréquence de 300 MHz, on note la présence d’un signal singulet fin d’intégration 3H à = 3,7 ppm. 9. Écrire l’équation ajustée de la transformation qui aurait eu lieu, dans exactement les mêmes conditions opératoires, si l’on avait remplacé la phénylalanine par l’acide 2-phényléthanoïque. Quel est le nom de cette transformation ? 10. Donner la structure exacte du composé 6 en justifiant sa formation. Proposer une attribution du signal à 3,7 ppm. 11. Pourquoi faut-il utiliser un très large excès de méthanol dans cette transformation ? 12. Quel est le rôle du chauffage à reflux ? Les composés 5 et 6 sont dissous en quantités équimolaires dans du DMF (N,N-diméthylméthanamide, voir figure 5) contenant un très large excès de pyridine. Après agitation pendant une nuit à température ambiante, l’amide 7 obtenu n’est pas isolé mais les solvants sont évaporés sous pression réduite en vue d’une utilisation immédiate du produit. 13. Donner la structure de la molécule 7 et écrire le mécanisme schématique pour la formation du composé 7. 1.3 Obtention de l’hippurylphénylalanine L’amide brut 7 est dissous dans un mélange eau-méthanol en présence d’hydroxyde de sodium (concentration finale voisine de 1 mol L-1). Après chauffage à reflux du milieu pendant trois heures, de l’acide chlorhydrique est ajouté jusqu’à pH voisin de 2. Le solide 1 se forme, il est isolé et purifié par redissolution en milieu basique aqueux puis reprécipitation en milieu acide. 14. Quelle est la transformation réalisée ici ? Données : O On donne la structure du chlorure de benzoyle : Ph Cl La pyridine notée py est engagée dans un couple acidobasique (pyH+=py) dont le pKa est voisin de 5. Les acides carboxyliques sont engagés dans des couples acido-basiques (RCOOH=RCOO-) dont le pKa est voisin de 4. Les amines sont engagés dans des couples acido-basiques (RNH3+=RNH2) dont le pKa est proche de 9. C. Saury PC Page 11 sur 11