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 Entrainement au devoir surveillé de chimie n°6 Problème de chimie organique (correction sur fichier pdf séparé) De nombreux alcaloïdes faisant partie de la classe des éphédradines présentent comme point commun le motif « aryldihydrofurane », à savoir deux cycles aromatiques et un dihydrofurane (1-­‐
oxacylopent-­‐2-­‐ène) : R2
R1
O
H
O
R1 = H ; R2 = OH : éphédradine A
R1 = OCH3 ; R2 OH : éphédradine B
R1 = R2 = OCH3
: éphédradine C
N
H
O
NH
NH
H
HN
Dans ce problème, nous nous intéressons à la synthèse de ce motif à partir de la vanilline. De nombreuses questions sont indépendantes. Ne vous laissez pas impressionner par la taille des molécules. Il est possible de simplifier celles-­‐ci lors de l’écriture des mécanismes s’ils sont demandés. Le sujet comporte de nombreux documents auxquels ils convient de se référer. -­‐iPr = isopropyle (-­‐CH(CH3)2) -­‐Me = méthyle (-­‐CH3) -­‐Et = éthyle (-­‐CH2CH3) I.
Obtention du composé 9 à partie de la vanilline 1 La vanilline 1 est transformée en composé 9 de formule brute C14H17O6Li suivant le schéma réactionnel développé dans le document 1. 1) Etude de la transformation 1 à 2 a) Donner un ordre de grandeur du pKa du couple acido-­‐basique PhOH/PhO− et du couple EtOH/EtO− . Justifier cette différence. b) Proposer deux méthodes de formation de l’ion éthanolate à partir de l’éthanol et de tout autre réactif minéral. Dans chaque cas, écrire l’équation de la réaction mise en jeu et donner le type de réaction. c) Indiquer la nature des réactifs permettant la formation du composé 2 à partir de 1, ainsi que le mécanisme de la réaction. Justifier le mécanisme choisi. d) Interpréter les spectres IR et RMN 1H de la vanilline (documents 2 et 3) 2) On traite 3 par l’iodométhane en présence de carbonate de potassium. Représenter la structure topologique du produit 4. Quel est le nom de la réaction mise en jeu ? 3) Le composé 4 est traité par un excès d’éthane-­‐1,2-­‐diol dans l’acide para-­‐toluènesulfonique pour conduire au composé 5. Donner la formule topologique du composé 5. (Document 4) 4) 5 est traité par de l’ozone O3 en présence d’eau oxygénée. Il se forme le composé 6. Quelle est la nature de la transformation 5 à 6 ? La transformation 6 à 7 n’est pas étudiée. 5) Les atomes d’hydrogène portés par le carbone en alpha de la fonction ester de 8 (volontairement représentés) possèdent des propriétés acides. Le composé 8 traité par le LDA (diisopropylamidure de lithium iPr2NLi) conduit au sel 9, base conjuguée de 8. Donner la structure du composé 9 et justifier l’obtention favorable du carbanion 9. II.
Détermination de la structure du composé 10. Le composé 10 a pour formule brute C8H8O2. Le spectre IR de 10 présente, entre autre, les bandes caractéristiques suivantes : 3035 cm-­‐1 ; 2911 cm-­‐1, 1702 cm-­‐1 et 1601 cm-­‐1. La spectre de RMN1H de 10 enregistré à 250 MHz dans CDCl3 est donné dans le document 5. 6) Déterminer la structure de 10 en détaillant les étapes du raisonnement. III.
Obtention du motif « aryldihydrofurane » Le composé aryldihydrofurane 15 est obtenu selon la suite de réactions détaillée dans le document 6. 7) Le carbanion 9 se comporte comme un réactif de Grignard. 9 réagit avec la fonction aldéhyde de 10 conduit, après hydrolyse, à l’alcool secondaire 11. Donner la structure de 11 et proposer un mécanisme simple pour expliquer sa formation. On pourra utiliser une représentation simplifiée du carbanion 9 mais la formule topologique de 11 devra être représentée. 8) Justifier l’intérêt probable de la transformation 4 à 5. 9) Le chlorure de mésytile ou chlorure de méthansulfonyle (CH3SO2Cl) noté MsCl a pour structure : O
H 3C
S
Cl
O
Le composé 11 est traité par MsCl en présence de triéthylamine Et3N (même rôle que la pyridine). Donner la formule topologique de 12 et préciser le rôle probable de cette transformation. 10) Le composé 12, traité par une solution de bromure de lithium LiBr dans le diméthylsulfoxide (ou DMSO, solvant de la réaction) conduit à 13. Ecrire le mécanisme de sa formation et justifier le choix du mécanisme. Expliquer pourquoi CH3SO3− est un bon nucléofuge (on pourra donner sa structure de Lewis). Le composé 13 est transformé en composé 14 suivant des étapes non étudiées ici. 11) Le dérivé bromé 14 traité par le tert-­‐butylate de potassium comme base se cyclise en composé 15. Ecrire le mécanisme de la réaction, sans se soucier de la stéréochimie. 12) La molécule 15 possède-­‐t-­‐elle une activité optique ? Justifier clairement. 13) Combien de centres asymétriques possède le composé 15 ? Donner le descripteur stéréochimique de ces centres stéréogènes en justifiant la réponse. 14) Combien 15 possède-­‐t-­‐il d’énantiomère(s) et de diastéréoisomère(s) éventuels ? Les représenter en indiquant les relations de stéréoisomérie ; on utilisera une représentation simplifiée. IV.
Synthèse d’un nouvel aldéhyde aromatique dans le but d’obtenir des analogues de 15. D’autres structures de type aryldihydrobenzofurane peuvent être obtenues en modifiant la nature de l’aldéhyde aromatique mis en jeu lors de la synthèse. Pour cela, la synthèse décrite dans le document 7 a été menée. 15) L’aldéhyde 16 est traité par le tétrahydruroborate de sodium NaBH4 dans le méthanol et conduit à 17. Donner le mécanisme de la transformation 16 à 17 et préciser la nature de cette transformation. 16) La réaction 17 à 18 est la transformation d’un alcool en dérivé chloré correspondant (ROHàRCl). Proposer des conditions opératoires raisonnables pour cette transformation. Le mécanisme n’est pas demandé. 17) Le composé 18 réagit avec le cyanure de potassium. Donner la formule de Lewis de l’ion cyanure CN-­‐ et le mécanisme de la réaction. Quel est l’intérêt de l’étape 17 à 18 ? On réalise un suivi par chromatographie sur couche mince en silice de la réaction 16 à 17. Le chromatogramme obtenu est le suivant : A : aprés traitement de la réaction
B : prélèvement pendant la réaction
C : avant ajout de tetraborohydrure de sodium
A
B
C
Système éluant : cyclohexane/acétate d’éthyle 10/90 ; la plaque de silice est tapissée de groupements donneurs et accepteurs de liaisons hydrogène. 18) Interpréter le chromatogramme obtenu ; identifier les tâches et calcul leur rapport frontal. Données •
•
pK a (HCO3− / CO32− )=10,4
Données spectrales
Document 1 : préparation de l’intermédiaire 9 à partir de la vanilline 1. OH
MeO
MeO
MeO
OMe
OH
O
OH
K2CO3
?
étape non
détaillée ici
MeO
HO
4
CH3I
5 APTS
5
O
O
H
1
O
H
O
H
2
O
3
O3, H2O2 ?
OMe
H
OMe
H
MeO
MeO
CO2CH3
9
iPr2NLi
THF
étape non
détaillée ici
O
O
CO2H
7
(C13H15ClO5)
SOCl2
pyridine
O
O
6
8
Document 2 : spectre IR de la vanilline. Document 3 : spectre de RMN 1H de la vanilline. Document 4 : réaction d’acétalisation. Lorsqu’on fait réagit l’éthane-­‐1,2-­‐diol avec une cétone telle que la propanone en présence d’un acide organique comme l’acide para-­‐toluène sulfonique, on obtient un acétal. Cette transformation permet de masquer le caractère électrophile de l’atome de carbone fonctionnel des aldéhydes et cétones. La réaction inverse (passage de l’acétal au carbonyle) est réalisée en traitant l’acétal formé par une solution aqueuse acidifiée. HO
OH
O
O
O
SO3H
APTS
Acétal
Document 5 : spectre RMN 1H de 10. APTS
Document 6 : obtention du motif aryldihydrofurane. Br
1) 10
CH3SO2Cl, ET3N
11
9
12
DMSO
2) H2O
Etapes non
détaillées ici
13
(C22H25BrO7)
LiBr
H3CO2C
HO
O
O
HO
14
O
O
HO
O
2
1
3
4
O
5
(tBuOK)
CO2CH3
O
K
dans tBuOH
15
O
Document 7 : obtention d’un autre motif de type aryldihydrofurane. OMe
O
MeO
H
1) NaBH4, MeOH
2) H2O, H3
?
SOCl2, pyridine
17
18
O+
KCN
- Cl-
19
OMe
16
MeO
CO2Me
étapes non
détaillées ici
CHO
20