DS 1 - Anne CURK

1
DS 1 2016 2017
Révisions de 1° année : toute la chimie organique + compléments ( RgX sur esters et époxydes, réductions esters, époxydes)
Rédox (piles)
Orbitales atomiques
A- LE PLATINE EN SOLUTION
Données numériques générales
Masses molaires atomiques (en g.mol−1) :
Cl : 35,5 ; Pt : 195
Données électrochimiques
RT ln10
= 96 500 C.mol−1
Constante de Faraday : F
F
= 0,06 V (à 25 °C)
Potentiels standard d'oxydoréduction (à 25 °C et pH = 0)
Couple
Potentiel E°(V)
2+
(aq)/Pt
E10 = 1,19
4+
(aq)/Pt
E02 = 1,15
Pt
Pt
E30 = 0,96
NO−3(aq) /NO(g)
E04 = 0,00
+
H /H2(g)
Données thermodynamiques
β1([PtCl4] ) = 10
2−
Constantes globales de formation :
15
; β2([PtCl6] ) = 10
2−
28
________________________________________________________________________________________________________________________________
La configuration électronique de l’atome de platine à l’état fondamental s’écrit :
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
2
6
9
1
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 6s .
1.
Déduire de cette configuration la position du platine dans la classification périodique.
Quelle est la règle de remplissage que ne respecte pas cette configuration ? Justifier la réponse.
Combien d’électrons de valence possède le platine ? Quelles sont les orbitales de valence du platine ?
2.
Une solution aqueuse d’acide nitrique peut-elle oxyder quantitativement le platine ? (une réponse
qualitative est suffisante)
2-
2-.
En présence d’ions chlorures, le platine peut être oxydé en [PtCl4] et en [PtCl6]
Un fil de platine est plongé dans une solution d’acide chlorhydrique dégazée.
3.
Déterminer les nouveaux couples rédox du platine qui devront être considérés, ainsi que leurs potentiels
o
o
rédox standard, notés respectivement E1 ' et E2 ' . Cette solution d’acide chlorhydrique peut-elle oxyder
quantitativement le platine ? (une réponse qualitative est suffisante)
Le même fil de platine est maintenant plongé dans de l’« eau régale », mélange contenant 2/3 d’acide
nitrique concentré et 1/3 d’acide chlorhydrique concentré.
4.
Quelles sont les deux propriétés de la solution qui justifient l’oxydation du platine ?
Écrire les réactions correspondantes rapportées à trois moles de platine.
Calculer leurs constantes d’équilibre respectives.
2
Les ions du platine donnent de nombreux complexes ; certains sont aujourd’hui parmi les médicaments les
plus utilisés en chimiothérapie.
5.
Quel est le degré d’oxydation du platine dans le complexe [PtCl2(NH3)2] ?
Sachant que les quatre ligands occupent les sommets d’un carré, représenter les deux configurations de
ce complexe, nommées cis-platine et trans-platine ; indiquer leur relation de stéréoisomérie.
6.
Les 3 complexes cités précédemment ont une géométrie octaédrique ([PtCl6] ) ou plan carré ([PtCl4] et
[PtCl2(NH3)2]. Les complexes chlorés sont représentés ci-dessous :
2-.
2-
z
Cl
z
Cl
Cl
Pt
Cl
Cl
y
Cl
Cl
Pt
Cl
y
Cl
x
x
Plan carré
Cl
octaédriq ue
On montre que seules les orbitales atomiques de valence du métal, dont les volumes de probabilité de
présence ( à 95% par exemple ) « pointent » vers les ligands interviennent dans l’établissement de liaisons
avec ces ligands.
Représenter sur la feuille réponse fournie ( Annexe 1, p 21 ) , toutes les orbitales de valence du platine (y
compris les OA de valence vides ) , et préciser celles qui sont compatibles avec l’établissement des
liaisons des complexes plan carré d’une part, et octaédrique d’autre part, en cochant les cases adéquates
sous les schémas réalisés.
B - ATTERRISSEUR PHILAE DE LA SONDE ROSETTA[A1]
L’année 2014 a été marquée par la mission Rosetta au cours de laquelle la sonde du même nom est entrée en
orbite autour de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, surnommée Tchouri, après un voyage de 10 ans.
Une fois sur orbite la sonde Rosetta a largué l’atterrisseur Philae qui s’est posé sur la surface de la comète afin de
l’étudier.
Ce problème étudie différents aspects de la mission Rosetta dans deux parties indépendantes :
Partie B-1 : Étude de l’alimentation électrique de Philae
Partie B-2 : Étude des molécules organiques détectées sur la comète
Les données numériques utiles à chaque partie sont regroupées à la fin de chacune d’entre elles.
Partie B-1 : Étude de l’alimentation électrique de Philae
L’énergie électrique nécessaire à Philae est fournie par un accumulateur au lithium comprenant 32 cellules utilisant
le couple lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl2). L’ensemble doit fournir 1000 W·h au moment du déploiement de
Philae.
7.
Montrer que la présence de lithium empêche la présence de la moindre trace d’eau dans l’accumulateur.
On s’intéresse dans un premier temps au couple redox faisant intervenir le chlorure de thionyle, SOCl2. C’est une
espèce liquide qui joue aussi le rôle de solvant pour le soufre, S, et le dioxyde de soufre, SO2.
Demi-équation redox incomplète : SOCl2(ℓ) + ... = SO2(solvaté) + S(solvaté) + …
8.
Donner la configuration électronique des atomes de soufre, d’oxygène et de chlore dans leur état
fondamental.
3
9.
En déduire le nombre d’électrons de valence des molécules de chlorure de thionyle, SOCl2, et de dioxyde de
soufre, SO2, puis proposer une formule de Lewis pour ces molécules, le soufre étant l’atome central.
10.
Déduire des configurations électroniques, la position relative dans la classification périodique des trois
éléments S, O et Cl. Comparer alors l’électronégativité du soufre et de l’oxygène d’une part, du soufre et du
chlore d’autre part.
11.
À l’aide des deux questions précédentes, déterminer le nombre d’oxydation de l’élément soufre dans les
trois espèces soufrées intervenant dans la demi-équation redox incomplète. En déduire le couple redox mis
en jeu et équilibrer la demi-équation redox incomplète avec des ions chlorure Cl et des électrons.
12.
Écrire la demi-équation redox qui se produit à l’autre électrode, puis donner l’équation de fonctionnement de
la pile (sachant qu’il se forme du chlorure de lithium, LiCl, solide).
13. Compléter le document donné en annexe 2 p 23 en indiquant :
• les différents porteurs de charges dans les flèches symbolisant leur sens de déplacement ;
• les termes anode et cathode ;
• les termes électrode Li(s), SOCl2(ℓ), électrode collectrice, séparateur ;
• la demi-équation redox ayant lieu dans chaque compartiment.
14.
Estimer qualitativement la force électromotrice, f.e.m., de la cellule. Pour la suite du problème, on prendra la
valeur réelle qui est de 3 V.
15.
Préciser quelle énergie (en J) est disponible dans chaque cellule. En déduire la quantité d’électricité, puis les
masses minimales de chlorure de thionyle et de lithium contenues dans chaque cellule.
Données utiles à la partie B-1 :
-19
Charge élémentaire : e = 1,6×10
C
23
-1
Nombre d’Avogadro : NA = 6,02×10 mol
Potentiels standard à 25°C :
+
E°(Li /Li) = -3,04 V
;
E°(SOCl2/S) = +0,65 V
;
E°( H2O / H2 ) = 0V
Numéro atomique : Z(Li) = 3 ; Z(O) = 8 ; Z(S) = 16 ; Z(Cl) = 17
-1
Masse molaire (g·mol ) : M(Li) = 6,94 ; M(O) = 16,0 ; M(S) = 32,1 ; M(Cl) = 35,5
;
E°( O2 / H2O ) = 1,23V
4
Partie B-2 : Étude des molécules organiques détectées sur la comète
Document n°1
Le noyau de Tchouri est un concentré de molécules organiques. Les relevés effectués entre le 12 et le 14
novembre 2014, date de l’atterrissage, mettent ainsi en lumière 16 composés, répartis en six classes de molécules
organiques : alcools, carbonyles, amines, amides, nitriles et isocyanates. Et quatre de ces composés sont pour la
première fois détectés sur une comète : l’isocyanate de méthyle, l’acétone, le propionaldéhyde et l’acétamide.
Extrait du site :
http://www.meltydiscovery.fr/philae-a-detecte-molecules-organiques-sur-comete-tchouri-a436561.html
Spectre de la molécule A :
4000
3000
2000
1500
1000
500
Spectre de la molécule B :
4000
3000
2000
1500
2000
1500
1000
500
Spectre de la molécule C :
4000
3000
1000
500
-1
Pour chaque spectre, l’abscisse correspond au nombre d’onde (en cm ),
l’ordonnée à la transmittance (en %).
Spectres extraits de la base de données :
http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi
5
16.
Donner un exemple de molécule (en écrivant sa formule semi-développée et en la nommant) pour chacune
des quatre premières classes citées dans l’extrait du document 1.
L’atterrisseur Philae possède un spectromètre infrarouge (VIRTIS) capable de détecter les molécules organiques.
17.
En le justifiant, associer les trois composés détectés pour la première fois sur une comète que sont l’acétone
(propanone), le propionaldéhyde (propanal) et l’acétamide (éthanamide) à leur spectre infra-rouge donné
dans le document n°1.
L’isocyanate de méthyle a pour formule semi-développée CH3-NCO.
18.
Calculer le nombre d’électrons de valence de la molécule d’isocyanate de méthyle, puis proposer une
formule de Lewis pour cette molécule. Indiquer la géométrie de l’environnement autour de chaque atome de
carbone ainsi qu’autour de l’atome d’azote.
Un des enjeux de cette mission est d’essayer de comprendre comment des molécules organiques ont pu se former
au sein de la comète.
Le méthanal est une molécule présente sur les comètes. Elle est le point de départ pour la synthèse d’acides
aminés et de sucres.
La synthèse de Strecker est la voie communément admise pour la formation des acides aminés. Cette suite
réactionnelle a été découverte par Adolph Strecker en 1850.
O
H2N
CN
NH4Cl
H2N
COOH
H2SO4
R
H
KCN
R
H2O
H
R
H
nitrile intermédiaire
Deux mécanismes de formation du nitrile intermédiaire ont été trouvés sur deux sites différents. Les deux
mécanismes ont été recopiés tels quels, sans aucune modification, dans le document n°2.
19.
En une quinzaine de lignes, commenter et exercer un regard critique sur les deux mécanismes relevés.
20.
Représenter l’acide aminé obtenu à partir du méthanal. Représenter le dérivé carbonylé qui permet d’obtenir
la leucine.
O
OH
NH2
leucine
6
Document n°2
Mécanisme extrait du site wikipédia article « synthèse de Strecker ».
https://fr.wikipedia.org/wiki/Synth%C3%A8se_de_Strecker
Mécanisme extrait du site Organic Chemistry.
http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/strecker-synthesis.shtm
7
Données utiles à la partie B-2 :
Numéro atomique : Z(H) = 1 ; Z(C) = 6 ; Z(N) = 7 ; Z(O) = 8
8
C - SYNTHESE ET UTILISATION DES ORGANOZINCIQUES EN CHIMIE ORGANIQUE
Frankland a découvert les organozinciques en 1849, mais seuls les organomagnésiens et les
e
organolithiens, beaucoup plus réactifs, ont connu un fort essor au XX siècle. Depuis quelques années, ils font
l’objet de nombreuses synthèses pour la création de liaisons C-C ; leur faible réactivité permet, en effet d’envisager
une chimiosélectivité.
L’une des réactions emblématiques des organozinciques est la réaction de Réformatsky. Mise au point en
1887, elle consiste en la synthèse de β-hydroxyesters à partir d’α-haloacétate d’éthyle et d’aldéhyde en présence
de zinc métallique.
Dès 1977, Negishi, Prix Nobel en 2010, oriente ses recherches dans cette direction. Depuis, de récentes
études ont permis de montrer que l’utilisation d’un ligand chiral ou d’une catalyse homogène par un complexe d’un
métal de transition permet d’augmenter la stéréosélectivité de cette réaction. Par ailleurs, elle est également
utilisée dans des synthèses de molécules biologiquement actives telles que l’hinésol.
Toutes les données nécessaires à la résolution de la partie C sont en page 11
PARTIE C-1 : PRESENTATION ET SYNTHESE DES ORGANOZINCIQUES
A l’heure actuelle, il y a deux grandes méthodes chimiques pour préparer les organozinciques.
La plus directe, analogue à la réaction des organomagnésiens dite de Grignard, met en jeu la réaction d’un
halogénure organique RX avec du zinc activé, appelée réaction (1).
La deuxième consiste d’abord à former un organométallique usuel (magnésien ou lithien) RM (M = Mg ou
Li) auquel on fait subir une réaction de transmétallation par un sel de zinc, comme décrit par les schémas suivant :
RMgX + ZnX2 → RZnX + MgX2
RLi + ZnX2 → RZnX + LiX
(2-a)
(2-b)
21.
Par analogie avec la synthèse d’un organomagnésien, donner l’équation de la réaction (1) de formation d’un
organozincique. Préciser les conditions expérimentales requises lors de la synthèse d’un organomagnésien.
L’un des solvants utilisés est le tétrahydrofurane (THF). Justifier ce choix dans le cas de la synthèse des
organomagnésiens.
22.
Préciser la polarité des atomes de carbone et de zinc et justifier la plus faible réactivité des organozinciques
comparées à celles des organomagnésiens et lithiens.
23.
Justifier le fait que le métal M puisse se substituer facilement à l’élément zinc dans les réactions (2-a, 2-b).
Quel est le principal inconvénient de la synthèse des organozinciques par les réactions (2-a , 2-b) ?
PARTIE C-2: UTILISATION DES ORGANOZINCIQUES : REACTION DE REFORMATSKY
-1
Le but de cette manipulation est de former le 3-hydroxy-3-phénylpropanoate d’éthyle(M = 194 g.mol ) à
-1
-1
partir de benzaldéhyde (M = 106 g.mol ), de bromoacétate d’éthyle (M = 167 g.mol ) et de zinc.
O
O
Br
O
benzaldéhyde
bromoacétate d'éthyle
Mode opératoire
Dans un ballon tricol de 250 mL, muni d’un système d’agitation et de chauffage, d’un réfrigérant à boules
surmonté d’une garde contenant du chlorure de calcium anhydre, d’une ampoule de coulée isobare contenant
16,7 g de bromoacétate d’éthyle et 13,1 g de benzaldéhyde dans 16 mL de toluène et 5,0 mL d’éther diéthylique,
sont introduits 8,08 g de zinc. Le contenu de l’ampoule est additionné au milieu réactionnel en maintenant un léger
reflux à l’aide d’un chauffe-ballon.
Une fois l’addition terminée, le tout est chauffé 30 min au reflux.
Le ballon est ensuite refroidi dans un bain de glace puis 50 mL d’acide sulfurique à 10% sont ajoutés au
mélange sous agitation.
Le mélange réactionnel est ensuite transféré dans une ampoule à décanter et 20 mL d’une solution saturée
de chlorure de sodium sont ajoutés. La phase aqueuse est éliminée.
La phase organique est lavée successivement avec 2 fois 30 mL d’une solution saturée
d’hydrogénocarbonate de sodium puis avec 2 fois 30 mL d’eau.
La phase organique est ensuite séchée avec du sulfate de magnésium anhydre et le solvant est éliminé à
l’aide d’un évaporateur rotatif. La masse du produit recueilli est 6,64 g.
9
24.
Rappeler sur l’exemple de l’action du bromure de méthyl magnésium sur l’acétate d’éthyle le mécanisme de
l’action d’un organomagnésien sur un ester.
25.
Les organozinciques réagissent selon le même principe que les organomagnésiens, mais alors qu’ils
réagissent avec le groupe carbonyle des aldéhydes, ils ne réagissent pas avec celui des esters. Justifier.
26.
Par analogie avec la réaction d’un organomagnésien sur un aldéhyde, proposer un mécanisme justifiant la
formation du 3-hydroxy-3-phénylpropanoate d’éthyle. Le produit obtenu présente-t-il un centre stéréogène ?
La réaction est-elle stéréosélective ? Justifier.
27.
Représenter un schéma annoté du montage précédent.
28.
Expliquer le rôle des différents lavages
hydrogénocarbonate de sodium et eau.
29.
Expliquer comment procéder au séchage d’une phase organique. Quel intérêt présente l’utilisation d’un
évaporateur rotatif sur une distillation simple ?
30.
Calculer le rendement de la synthèse en explicitant le raisonnement.
dans
l’ampoule
à
décanter :
chlorure
de
sodium,
Le produit obtenu est analysé par des méthodes spectroscopiques.
Le spectre RMN du proton présente les signaux suivants :
- un triplet intégrant pour 3H à δ = 1,27 ppm
- un doublet intégrant pour 2H à δ = 2,88 ppm
- un singulet intégrant pour 1H à δ = 3,50 ppm
- un quadruplet intégrant pour 2H à δ = 4,19 ppm
- un triplet intégrant pour 1H à δ = 4,99 ppm
- un multiplet intégrant pour 5H à δ ≈ 7,2-7,4 ppm
Le spectre IR donne entre autres les pics d’absorption suivants : une bande large et intense vers 3445
1
-1
-1
cm− , une bande fine et intense à 2982 cm , une bande fine et intense à 1715 cm , des bandes fines et peu
-1
intenses entre 1603 et 1495 cm .
31.
Interpréter toutes les données spectroscopiques fournies en attribuant les différents signaux.
PARTIE C-3 : APPLICATION DANS L’INDUSTRIE PHARMACEUTIQUE : SYNTHESE DE L’HINESOL
L’hinésol est une molécule de la famille des terpènes ayant des propriétés pharmacologiques en particulier
dans le domaine antispasmodique.
La première étape met en jeu une réaction de Réformatsky selon le schéma réactionnel suivant :
OEt
OH
Br
O
O
COOEt
Zn
[1]
Nopinone
32.
Le groupe hydroxyle se place majoritairement au dessus du plan moyen de la molécule. Expliquer la
stéréosélectivité de la réaction.
10
Par une étape non étudiée ici, le composé [1] se cyclise en [2] puis est soumis au traitement suivant :
O
1) LiAlH4, THF
O
O
T sCl :
S
2) TsCl, pyridine
Cl
O
3) NaCN, DMSO
COOEt
[2]
[3]
CN
33.
Expliciter le mécanisme des trois étapes précédentes. Expliquer le rôle de l’étape impliquant le chlorure de
tosyle.
34.
Préciser la configuration de tous les carbones asymétriques de [3]
Par des étapes non étudiées, la molécule [5] est synthétisée à partir de la molécule [3]. Elle est ensuite
soumise au traitement ci-dessous :
1) H2SO4, MeOH
2) CH3-C-CH3, H+
OH
OAc
O
O
OAc
OH
MeOOC
O
[5]
MeOOC
[6]
-OAc = -O-C-CH3
O
35.
Quelle est la fonction créée dans la molécule [6] ? Proposer un montage réactionnel permettant d’augmenter
le rendement en explicitant son rôle. Préciser le mécanisme de cette étape
Par une suite de réactions non décrites, il se forme la molécule [7] ci-dessous, qui est ensuite traitée par
de l’acide métachloroperbenzoïque (ou MCBPA) en milieu hydrogénocarbonate. On obtient la molécule [8].
Hinésol
OH
OH
[7]
36.
Représenter la molécule [8]. A quelle famille appartient-elle ? Quel est le rôle de l’ion hydrogénocarbonate
HCO3 ?
La molécule [8] est ensuite chauffée à chaud en milieu acide. Le spectre IR montre la disparition d’une
-1
-1
bande large située autour de 3300 cm et l’apparition d’une bande fine à 1650 cm .
37.
Donner la structure de la molécule [9] ainsi obtenue en explicitant le mécanisme de cette réaction. Justifier
les données IR.
La dernière étape permet d’obtenir la molécule d’hinesol par réaction avec l’aluminohydrure de lithium
LiAlH4 dans l’éther diéthylique sur [9], suivi d’une hydrolyse.
38.
Proposer un mécanisme permettant de justifier la formation de la molécule d’hinésol encadrée ci-dessus.
11
Partie C - DONNEES NUMERIQUES
Données numériques générales
•
•
Masses molaires atomiques (g.mol−1) :
Constante d’Avogadro :
Zn : 65,4 ; O : 16,0
Na = 6,02.1023 mol-1
Données atomistiques
Elément
Li
C
Mg
Zn
F
Cl
Br
I
Electronégativité, χ
(échelle de Pauling)
1,0
2,6
1,3
1,7
4,0
3,2
3,0
2,7
Données thermodynamiques
-
H2CO3 / HCO3
pKA1 = 6,2
-
2-
HCO3 / CO3
pKA2 = 10,2
Table des nombres d’onde des vibrations d'élongation et de déformation
Ctet : C tétragonal
Ctri : C trigonal >C=
-1
Liaison
Nature
Nombre d’onde (cm )
O-H alcool lié
Ctet-H
C=O ester
C=C
C=C aromatique
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
3200-3600
2850-2990
1715-1750
1620-1690
1450-1600
Intensité
F : fort ; m : moyen ; f : faible
F ; large
F
F
m
3 ou 4 bandes
Spectroscopie de RMN du proton
Domaines de déplacements chimiques des protons
des groupes M (méthyle CH3, méthylène CH2 et méthyne CH)
en α ou en β de groupes caractéristiques.
(Ar : cycle benzénique ; R : chaine alkyle)
Type de proton
M-OH et M-OR
M-O-CO-R
M-CO-OR
δ en ppm
3,2-3,6
3,6-5,0
1,8-2,6
Type de proton
δ en ppm
M-C-O-CO-R
M-C-CO-OR
1,2-1,8
1,1-1,9
Domaines de déplacements chimiques de divers protons.
Type de proton
Ar-H
δ en ppm
7,0-9,0
Type de proton
R-OH
δ en ppm
0,5-5,5
Remarque : l’influence de groupements voisins peut éventuellement élargir certains domaines.
12
D- SYNTHESE TOTALE DE L’AMPHIDINOLIDE X 1 [A3]
Les organismes marins constituent une source extrêmement riche de composés naturels biologiquement actifs.
Parmi ceux-ci, le dinoflagellate marin du genre Amphidinium sp., vivant en symbiose avec le ver plat Amphiscolops
spp. et provenant de l’archipel d’Okinawa au Japon, a conduit à la découverte de plus de 30 nouveaux métabolites
appartenant à la classe des « amphidinolides ». Tous ces composés possèdent de puissantes propriétés
cytotoxiques vis-à-vis de divers types de cellules cancéreuses. L’Amphidinolide X 1, issu de cet organisme marin,
est le premier exemple de produit naturel comportant un cycle macrodiolide dérivé d’un diacide et d’un diol (figure
1). On se propose dans ce sujet d’étudier la première synthèse totale de l’Amphidinolide X 1, réalisée en 2006 par
l’équipe du Pr. Fürstner au Max-Planck-Institut en Allemagne.
Figure 1 : Rétrosynthèse de l’Amphidinolide X 1
Dans ce sujet, les structures demandées doivent être données en respectant le formalisme de Cram et il est
demandé d’apporter un soin particulier à la représentation des centres stéréogènes. Un tableau de données
comportant quelques ordres de grandeur utiles de pKa est disponible en page 16.
Partie D -1 – Analyse stéréochimique de l’Amphinolide X 1
La rétrosynthèse proposée consiste en une déconnection de l’Amphidinolide X 1 en acide A, et en dérivés iodés
B et C (figure 1).
39.
Donner le nombre de carbones asymétriques (centres stéréogènes) présents sur l’Amphidinolide X 1, ainsi
que leur position.
40.
Donner, en justifiant votre réponse, les configurations absolues (descripteurs stéréochimiques) des
carbones C-4 et C-19 de l’Amphidinolide X 1.
13
Partie D-2 – Synthèse du fragment A
On se propose dans cette partie d’étudier la synthèse du fragment A.
La synthèse de A débute à partir de l’amide 3 qui est ensuite alkylé en présence de LDA (diisopropylamidure de
lithium), pour transformer 3 en sa dibase notée 3-base, puis du dérivé iodé 4 pour conduire au composé 5. Celui-ci
est alors réduit en alcool 6 en présence du complexe NH3-BH3 et de LDA. 6 est enfin transformé en intermédiaire 7
en présence de chlorochromate de pyridinium (PCC, figure 2).
OH
Me
O
N
-
Et
N
LDA ( 2,1 éq )
Ph
4
Me
CH
3
Me
OTIPS
I
OTIPS
NH3 BH3 H O
5
Ph
Me
-
1,1 éq
O
Me
LDA
O
6
3-base
PCC
7
Figure 2 : Voie de synthèse de l’intermédiaire 7
41.
Donner le mécanisme de l’alkylation du composé 3-base en dérivé 5 (la justification de la stéréosélectivité
n’est pas demandée), sachant que 5 n’est pas un éther.
Lors de l’étape permettant l’obtention de 3-base à partir de 3, 2,1 équivalents de LDA sont utilisés.
42.
Grâce aux données, proposer une explication justifiant l’utilisation d’un excès de LDA pour réaliser la
déprotonation de 3.
43.
Le complexe BH3 NH3 en milieu LDA agit sur l’amide comme le ferait l’aluminohydrure de lithium sur un
ester. En déduire le sous-produit qui accompagne la formation de 6 .
44.
Le chlorochromate de pyridinium (PCC) est un réactif qui a été mis au point par l’équipe du Pr. Corey de
l’Université de Harvard en 1975 et qui permet notamment l’oxydation ménagée des alcools primaires. Ecrire
3+
les demi-équations rédox du couple CrO3/Cr (le chlorochromate de pyridinium est formellement considéré
comme correspondant à CrO3) et du couple 7/6 ainsi que l’équation bilan de cette transformation en
précisant la structure de 7.
Le fragment A est ensuite obtenu en 3 étapes. Pour la synthèse de 9, on peut envisager dans une première étape
l’action d’un organozincique 8 . On rappelle que les parties C-1 et C-2 de ce sujet décrivent les organozinciques
et leur réactivité ( revoir question 25 en particulier ) .
Figure 3 : Voie de synthèse du fragment A
14
45.
Préciser la structure de l’organozincique 8 nécessaire, et présenter la suite du protocole permettant
d’obtenir finalement le produit 9. On justifiera en particulier la régiosélectivité de la dernière étape.
46.
Proposer une structure pour 10 et indiquer son nom en nomenclature officielle.
47.
A quel type de réaction correspond la transformation de 10 en fragment A ?
Partie D-3 – Synthèse du fragment B
La synthèse du fragment B débute par le traitement de l’acétoacétate 11 par l’éthane-1,2- diol en présence
d’acide para-toluènesulfonique (APTS) conduisant au composé 12, suivi de la transformation de 12 en dérivé 13
lui même conduisant par un protocole non étudié ici aux alcynes 15a et 15b (figure 4).
Figure 4 : Voie réactionnelle permettant d’obtenir 15a et 15b
48.
Préciser la structure de 12.
49.
Proposer un ou des réactifs plausibles pour réaliser la transformation de 12 en 13.
50.
Le composé 15 est obtenu sous la forme de deux isomères 15a et 15b avec un rapport 4,5/1 en faveur du
composé 15a. Quelle relation d’isomérie relie les composés 15a et 15b ? Proposer une méthode de
séparation de ces 2 isomères.
Seul le composé 15a est utilisé pour la suite de la synthèse du fragment B. Le fragment B est enfin obtenu après
trois étapes non présentées dans ce sujet (figure 5).
Figure 5 : Obtention du fragment B
15
Cet extrait est tiré d’un protocole permettant d’obtenir le composé 16 à partir de 15a :
« À une solution de l’alcool 15a (1.00 g, 5.43 mmol) dans le N,N-diméthylformamide (40 mL) à 0°C est ajouté avec
précautions du NaH (136.8 mg, 5.70 mmol, 1,05 éq.). Cette solution est laissée sous agitation pendant 1 heure au
cours duquel est observé un dégagement gazeux. À cette solution à 0°C est ajoutée une solution de chlorure de
para-méthoxybenzyle (892.7 mg, 5.7 mmol, 1.05 éq.) et d’iodure de tétrabutylammonium (Bu4NI, 199.5 mg, 0.54
mmol, 0.1 éq.) dans le N,N-diméthylformamide (10 mL). On laisse ensuite la solution remonter à température
ambiante et on laisse sous agitation jusqu’à disparition de l’alcool 15a observé par suivi sur chromatographie sur
couche mince. La solution est ensuite traitée précautionneusement par 20 mL d’une solution aqueuse saturée de
NaCl et extraite trois fois par du diéthyléther (Et2O, 30 mL). Les phases organiques sont rassemblées puis les traces
d’eau sont enlevées par ajout de MgSO4 anhydre. La phase organique et la suspension de MgSO4 sont ensuite
filtrées sur coton. La phase organique est alors concentrée à l’évaporateur rotatif et le résidu est purifié par
chromatographie sur colonne de gel de silice (éluant acétate d’éthyle/pentane 5/1) conduisant au composé désiré 16
sous forme d’une huile incolore (1.55 g, 5.10 mmol, 94%). »
51.
Indiquer à quoi correspond le dégagement gazeux apparaissant au cours de la réaction.
52.
Indiquer le rôle de l’iodure de tétrabutylammonium dans cette réaction. Pourquoi est-il mis en quantité
catalytique ?
53.
Proposer un mécanisme plausible pour cette réaction.
54.
Pourquoi n’a-t-on pas obtenu le produit 16’ ci-dessous (au lieu du composé 16 ) lors de la première étape de
la séquence présentée figure 5:
PMB
O
OH
O
Me
Me
55.
Ecrire un mécanisme plausible pour la formation de 17, en précisant sa structure.
Partie D-4 Synthèse du fragment C
La synthèse du fragment C débute par l’époxydation de l’alcool allylique 18 dans les conditions de Sharpless
permettant d’obtenir l’époxyde correspondant 19 avec un excès énantiomérique (e.e., qui correspond au
pourcentage de l’énantiomère majoritaire moins le pourcentage de l’énantiomère minoritaire) de 83% en faveur de
l’énantiomère 19a par rapport à son énantiomère 19b. Dans la suite du sujet, seul l’isomère majoritaire 19a sera
représenté et considéré. 19a est ensuite transformé en alcyne interne 20 selon une suite réactionnelle qui ne sera pas
détaillée dans ce sujet (figure 6).
Figure 6 : Obtention du composé 20 via époxydation de Sharpless
16
56.
Proposer des conditions réactionnelles permettant d’obtenir 19 sous forme racémique en une étape à partir
de 18.
L'étape clef de la synthèse du fragment C correspond à l’addition de chlorure de propyle magnésium sur l’alcyne
20 catalysée par un complexe de fer, le triacétylacétonate de fer (III) Fe(acac)3 conduisant à la formation de
l’allène 21 sous la forme de deux isomères 21a et 21b dans un rapport 8/1 en faveur de l’isomère 21b après
hydrolyse acide. L’isomère 21b est ensuite transformé en composé 22 selon une séquence réactionnelle non
étudiée dans ce sujet (figure 7).
Figure 7 : Etape clef de la synthèse du fragment C
57.
À l’instar des carbones asymétriques, les allènes, formellement composés de deux doubles liaisons
contiguës (les deux doubles liaisons étant dites cumulées) peuvent ne pas être superposables à leur image
dans le miroir. Quelle relation d’isomérie relie les composés 21a et 21b ? Justifier votre réponse.
58.
Proposer un mécanisme permettant de justifier la formation des allènes 21a et 21b par action de
l’organomagnésien sur 20, puis hydrolyse acide. ( on ne cherchera pas à justifier la présence du complexe
du fer )
__________________________________________________________________________________________
Partie D : Données : Ordres de grandeur des pKa de divers couples acides/bases.
17
PARTIE E*** - SYNTHESE DE L’APLYSIALLENE
Un soin particulier est attendu dans l’écriture des mécanismes réactionnels : les formules utilisées dans les
réponses aux questions portant un astérisque (*) après leur numéro devront obligatoirement être des
formules de Lewis et faire apparaître les doublets non liants et les formes mésomères des intermédiaires
réactionnels s’il y a lieu. Pour décrire le mécanisme dans les schémas réactionnels, l’écriture des
molécules pourra être simplifiée à leur partie pertinente (abréviation avec le sigle R ou R’ par exemple).
Le motif allène, quoique singulier, déjà rencontré dans le problème précédent, est présent dans la structure de
plusieurs molécules naturelles d’origine marine ayant des propriétés thérapeutiques remarquables. Le (–)-aplysiallène
représenté en Figure 10 montre ainsi une activité notable pour le traitement de certaines arythmies cardiaques. Le
groupement actif de ce produit naturel est en réalité un motif bromoallène dont la préparation délicate a mobilisé
l’imagination des chimistes de synthèse.
H
O
Br
H
C
Br
(-) - Aplysiallène
O
Figure 10 – Structure du (–)-aplysiallène
L’aplysiallène a été isolé au début des années 2000 à partir de A. Kurodai, un mollusque récolté près de la ville de
Fukui (Japon). Sa structure particulière qui comporte un bicycle formé de deux cycles tétrahydrofurane accolés et un
groupement bromoallène, a rapidement attiré l’intérêt des chercheurs. Quelques années après sa découverte, une équipe
canadienne en a proposé une première synthèse totale. La stratégie de synthèse choisie par le professeur canadien B.L.P. et
son équipe, consiste à tout d’abord construire le motif bis-tétrahydrofuranique (les deux cycles à cinq accolés), à poursuivre
par l’ajout de la chaîne latérale bromodiène, puis à terminer par la formation de la partie bromoallénique.
59.
La première partie de la synthèse du (–)-aplysiallène utilise, comme substrat de départ, le tartrate de diéthyle A protégé,
selon la voie décrite sur la Figure 11. Proposer des réactifs et des conditions opératoires pour obtenir A à partir du
tartrate de diéthyle [(2R,3R)-2,3-dihydroxybutanedioate de diéthyle] de manière quantitative.
OH
TsOH = APTS
G :
O
O
Figure 11 – Début de la synthèse du (–)-aplysiallène : préparation de l’intermédiaire G
60.
Identifier les composés B et C de la Figure 11, sachant que le spectre infra-rouge (IR) de B – issu de la réduction de A
par l’hydrure complexe LiAlH4 – contient une bande très large et très intense à 3276 cm-1. Préciser le rôle de la pyridine
lors de la transformation de B en C.
18
61.
*Le composé C est ensuite traité par l’acide méthanesulfonique (MsOH, acide fort) dans l’éthanol. Cette réaction
conduit à deux produits dont l’un est C(CH3)2(OEt)2, et l’autre est D. Donner un mécanisme plausible pour cette étape,
puis déterminer la structure de D.
62.
Le spectre IR du composé E isolé dans l’étape suivante ne présente aucune bande dans la région 1800–1650 cm-1.
Proposer une structure pour le produit E, puis préciser la configuration absolue de ses centres stéréogènes. Le spectre
RMN du proton de E contient trois multiplets intégrant dans un rapport 1/1/1 ; commenter ce résultat.
63.
*Expliquer l’obtention de F à partir de E.
Le passage de F à G se fait par l’action d’un équivalent d’orthoacétate de triéthyle [CH3C(OEt)3] en milieu acide.
64.
* Donner l’équation bilan de formation de G, puis proposer un mécanisme acido-catalysé plausible expliquant cette
formation.
65.
Cette dernière transformation porte le nom de réaction de désymétrisation. Justifier brièvement cette appellation, et
indiquer son intérêt.
L’étape suivante de la synthèse est une réaction d’oxydation du composé G en H. Cette oxydation dite de Mukaiyama, se
fait en présence d’un sel de cobalt, d’hydroperoxyde de tert-butyle (t-BuOOH) et sous atmosphère de dioxygène. Son
mécanisme général est explicité sur la Figure 12. Le rôle de l’hydroperoxyde de tert-butyle dans l’étape (1) est mal connu et
ne sera pas détaillé ici.
Figure 12 – Cycle catalytique décrivant l’oxydation de Mukaiyama
66.
D’après le schéma du cycle catalytique, identifier l’étape qui contrôle la stéréosélectivité et préciser s’il s’agit
d’énantiosélectivité ou de diastéréosélectivité.
67.
Citer le couple oxydo-réducteur dans lequel est impliqué la molécule de propan-2-ol (solvant) dans l’étape (4). Déduire
le rôle du propan-2-ol au cours de cette étape.
68.
À partir de ce cycle catalytique, en déduire la structure du composé H, sans donner d’importance à la stéréochimie.
Le composé K est ensuite préparé en trois étapes selon la séquence réactionnelle de la Figure 13. Le groupement tertbutyldiméthylsilyle (TBS) introduit dans l’étape H I est un bon groupement protecteur des alcools, et l’on admettra qu’il n’est
pas touché lors des étapes ultérieures.
19
Figure 13 – Formation du squelette bicyclique de l’aplysiallène
69.
Donner les structures des composés I, J et K. Préciser le rôle de EtMgBr dans le passage de I à J.
Le composé K est ensuite converti par une séquence réactionnelle non décrite ici en un produit O finalement transformé
en (–)-aplysiallène en deux étapes décrites sur la Figure 15.
Figure 15 – Fin de la synthèse du (–)-aplysiallène
70.
*Sachant que LiCuBr2 est un donneur d’ion bromure Br–, proposer un mécanisme pour expliquer la formation du (–)aplysiallène à partir de P (il n’est pas demandé de discuter la stéréochimie).
___________________________________________________________________________________________
Partie E : Données INFRAROUGE
Liaison
-1
σ (cm )
O−H
C−H
C=O
C=C
3600 – 3250
2970 – 2910
1750 – 1680
1620 – 1580
Nombres d’onde σ de vibration de bandes caractéristiques en IR
20
21
ANNEXE 1 : QUESTION 6
A rendre avec la copie
-
Orbitales de valence du platine et compatibilités avec l’établissement de liaisons avec les ligands Cl disposés en
géométrie plan carré ou octaédrique
z
z
z
y
y
x
y
x
x
Pl an carré
Plan carré
Pla n carré
O ctaé drique
Octaéd rique
Octaédrique
z
y
x
Plan carré
O ctaédrique
z
z
z
y
y
x
y
x
x
Plan carré
Plan carré
Plan carré
Octaédri que
Octaédrique
O ctaédrique
z
z
y
x
y
x
Plan carré
Plan ca rré
Octaédrique
Octaédrique
22
23
ANNEXE 2 QUESTION 13
A rendre avec la copie
et une flèche indiquant leur
sens réel de déplacement ( le symbole flèche extérieur du cadre n’est pas
significatif )