2004

Stéphane Cosandey
TP de chimie organique 3ème année
Décembre 2004
Assistante : Ségolène Gille
2-Méthylcyclopentanone
Introduction
A partir de l’acide adipique on veut synthétiser le 2-méthylcyclopentanone en 4 étapes ;
estérification, cyclisation, méthylation et décarboxylation.
O
CO2H
CO2H
CO2Et
EtOH/H
Toluene
O
CO2Et
Na
Toluene
CO2Et
NaH
CO2Et
CH3I
H
O
Cette molécule peut voir des applications dans les produits servant à faire fuir les insectes.
Mécanisme
La première étape consiste en une estérification de l’acide adipique. Dans un premier temps
l’acide carboxylique est protoné par l’acide sulfurique concentré, ensuite l’oxygène de
l’éthanol attaquera le carbone électrophile. On assistera enfin au départ d’une molécule
d’eau :
H
O
O
H
HO
OH
HO
OH
O
O
CH3CH2OH
O
H
O
-H
HO
HO
OH
OH
O
O
O
H
O
H3CH2C
H3CH2C
H
H
O
H
HO
O
H
O
O
O
H3CH2C
H
- H2O; H
HO
OEt
O
2
Le processus se répète pour la deuxième fonction alcool de la molécule afin d’obtenir le
diéthyl adipate.
La deuxième étape est une cyclisation intramoléculaire (réaction de Claisen
intramoléculaire, ou condensation de Dieckmann). Cependant le départ de la réaction est un
peu différent d’une condensation de Dieckmann conventionnelle. En effet on traite la
molécule directement avec le sodium (sans passer par un éthanoate) obtenant ainsi un radical
qui va cycliser et donner dans le même temps deux équivalent éthanoate. Cet alors ces
éthanoates qui déprotonerons les hydrogènes en alpha de l’ester des molécules restantes. On
aura alors un carbanion qui attaquera le carbone électrophile de la deuxième fonction ester de
la molécule, obtenant ainsi la molécule cyclique (après un départ d’éthanoate qui explique la
quantité catalitique nécessaire) :
O
CO2Et
O
Na
OEt
EtO
+ 2Na
OEt
CO2Et
O
OEt
O
Na
O
+ 2 EtONa
...
O
La réaction peut ensuite encore s’arranger selon la présence de sodium dans le milieu, mais
ceci nous intéresse moins que la formation de l’éthanoate qui va servir pour la suite :
O
O
EtO
EtO
OEt
H
O
+
OEt
Na
OEt
H
O
O
O
EtO
O
O
O
O
OEt
OEt
OEt
EtOH +
OEt
HCl
O
O
OEt
Ce proccesus, bien que faisant perdre un peu de produit par une cyclisation secondaire, est
cependant plus efficace que la démarche conventionelle. Cela peut s’expliquer en terme de
thermodynamique par la différence de pKa. En effet le carbanion obtenu avant acidification
étant le plus stable la réaction est favorisée. Cependant l’éthanol ayant un pKa proche (~16
3
pour l’éthanol et 14 pour l’ester) la réaction est facilement réversible. A l’inverse dans le
toluène comme solvant (pKa >30) la réaction est plus volontiers stabiliser vers les produits.
On assiste ensuite à une méthylation :
O
O
O
O
OEt
O
O
OEt
H
OEt
CH3
NaH
I
+ NaI
CH3
- H2
Enfin on procède à une décarboxylation après acidification :
O
O
O
OEt
H
O
O
O
OEt
H
CH3
H
O
OH
OEt
CH3
OEt
CH3
CH3
O
H
H
H
O
HO
O
OEt
O
HO
OEt
HO
OEt
H
OH
CH3
O
O
OH
H
CH3
H
O
OH
O
-H
CH3
H
O
+ EtOH
H
H
O
O
OH
CH3
O
O
OH
CH3
OH
CH3
O
H
CH3
O
OH
CH3
Cette réaction à lieu dans ce sens grâce à l’excès d’eau par rapport à la formation d’éthanol.
H
O
O
O
OH
CH3
OH
O
O
O
CH3
CH3 + CO2
4
Mode opératoire
Etape 1
CO2H
CO2H
CO2Et
EtOH/H
Toluene
CO2Et
diethyl adipate (48.75 g ; 96%)
MM [g/mol]
acide
adipique
éthanol
toluène
a.
sulfurique
146.1
46.07
92.14
98.08
0.81
0.87
1.83
1.6
0.42
3.8*10-3
densité
[g/ml]
moles
0.25
grammes
36.5
0.37
90
ml
45
0.2
On place de l’acide adipique (36.5 g, 0.25 mol), de l’éthanol (90 ml, 1.6 mol), du toluène
(45 ml) et de l’acide sulfurique concentré (0.2 ml, 3.8 mmol) dans un ballon de 250 ml. Le
ballon est rattaché à une colonne vigreux surmonté d’une tête de distillation. Le tout est
chauffé à 115°C. Une fois la dissolution de l’acide adipique complète on observe une
distillation d’un mélange azéotropique d’alcool de toluène et d’eau (autour des 75°C). le
mélange est récupéré dans un ballon contenant 38 grammes de carbonate de potassium
anhydre (ce afin de piéger l’eau). La distillation est poursuivie jusqu’à l’augmentation de la
température au sommet de la colonne à 78°C. La solution récupérée dans le ballon est filtrée
puis réintroduite dans le mélange de départ. Le tout est alors distillé à pression réduite, où
l’alcool et le toluène passe rapidement, et on récupère notre produit, le diéthyl adipate (32.4
g ; 64%)à 142°C (pour 28 mmHg).
Etape 2
O
CO2Et
Na
CO2Et
Toluene
CO2Et
11.6 g ; 74%
5
diethyl adipate
MM [g/mol]
densité [g/ml]
moles
grammes
ml
sodium
acide acétique
0.1
2.3
100
Un ballon tricols de 250 ml est équipé d’une ampoule à addition chargé de diethyl adipate
(20.37, 100mmol), d’un réfrigérant (protéger de l’air par un tube remplis de chlorure de
calcium) et d’un septum. On place du sodium dans le ballon (2.3g, mol) ainsi que du toluène
sec (25 ml). On enclenche l’agitation et le diethyl adipate est ajouté goutte à goutte pendant
environ une demi heure. La réaction démarre rapidement après l’ajout des premières gouttes
de réactif, et la température est maintenue tout le long à une température de 110°C grâce à un
bain d’huile. On ajoute du toluène par portion afin de garder la solution fluide, mais elle prend
trop rapidement masse et on se retrouve très vite avec une masse compacte qui freine
l’agitation. On additionne malgré tout 100 ml de toluène et on laisse la réaction tourner
pendant 5 heures sous ces conditions. Comme la solution reste solide on brasse un peu le tout
à l’aide d’une baguette afin de casser un peu le tout, et on laisse agiter pendant le week-end à
température ambiante.
La solution est ensuite refroidie dans un bain sel glace et de l’acide acétique 10% (100 ml)
est ajouté en surveillant bien la température. La phase organique contenant le toluène est
séparée et lavée deux fois avec des portions d’eau, deux fois avec une solution froide de 7%
de carbonate de sodium et encore une fois avec de l’eau. Le toluène est retiré et le produit
récupéré par distillation sous pression réduite. On récolte 10 g (63%) de produit passant à
120° à 30mmHg.
Etape 3
O
O
CO2Et
NaH
CH3I
CO2Et
5.59 g ; 98%
ethyl-2-oxocyclopentanecarboxylate
MM [g/mol]
densité [g/ml]
moles
grammes
ml
0.03
5
NaH
iodométhane
0.04
0.97
0.07
4.2
6
L’ethyl-2-oxo-cyclopentanecarboxylate (5 ml, 33.7 mmol) est ajouté goutte à goutte à une
suspension de NaH (0.97 g, 40.5 mmol) dans du THF (50 ml) contenue dans un ballon tricols
de 100 ml refroidi par un bain de glace. La solution est agitée pendant 10 min à 0°C, et le
idométhane (4.2 ml, 67.4 mmol) est ajouté lentement. La solution résultante est encore agitée
pendant 10 min à température ambiante. On addition de l’eau froide (50 ml) et on évapore le
THF. Le rédisu est extrait avec 5 portions de 100 ml d’éther et les phases organiques réunies
sont lavées avec une solution de NaHCO3 saturée (50ml) puis séché sur MgSO4. L’éther est
retiré et l’huile obtenue est utilisée sans autre purification pour l’étape suivante.
Etape 4
O
O
CO2Et
2.21g ; 55%
ethyl 1-methyl-2-oxocyclopentanecarboxylate
MM [g/mol]
densité [g/ml]
moles
grammes
ml
acide bromhydrique
6.6
25
Le produit brut (6.6 g) est placé dans un ballon de 50 ml avec une solution 48% d’acide
bromhydrique (25 ml) et 0.6 grammes de sable de quartz La réaction est chauffée à 100°C
pendant 2 heures. On verse ensuite 42 grammes de glace dans la solution et on extrait le tout
avec trois portions d’éthers (12ml). Les phases organiques sont réunies et séchées sur du
chlorure de calcium anhydre, puis filtré. Une fois le solvant évaporé, on distille sous pression
réduite pour obtenir 0.65 grammes (16%) de produit impur (b.p. 45°C à 29 mmHg)
Question
La condensation acyloïne a en fait été utilisée pour notre synthèse puisque nous avons
travaillé directement avec le sodium dans la deuxième étape. En effet on crée une espèce
radicalaire qui dimérise (ou dans notre cas qui cyclise) et qui forme ensuite par réarrangement
une espèce anionique. Cette forme cyclique est piégée avec du Me3SiCl (4 équivalents, car il
en faut également deux pour l’éthanoate formé) afin d’empêcher à ce moment la réaction de
Dieckmann. Le principe est utilisé pour former des grands cycles.
Résultats et discussion
7
Hormis la dernière étape l’expérience s’est très bien passée. Seule le rendement et la pureté
du produit final est à discuter. En effet on obtient un mélange de produit méthylé et non
méthylé, ce qui veut dire que la réaction n’a pas été total. Ceci peut s’expliquer par les temps
de réactions un peu trop court, il aurait peut être fallu attendre un peu plus. A noter également
le faible rendement de la première étape. Celle-ci à nécessité une double distillation à des
températures plus élevées que prescrit dans le protocole, et donc une dénaturation du produit.
Analyse des spectres
Etape 1
Spectre 1
1
H RMN (CDCl3) : δ 1.23 (t ; 6H ; J=7.1Hz) ; 1.64 (m ; 4H ; J=3.2Hz) ; 2.30 (m ; 4H ;
J=2.5Hz) ; 4.10 (q ; 4H ; J=7.1Hz)
O
3
4
1
O
O
2
O
Nous sommes en présence du bon produit. La molécule possédant un plan de symétrie
Etape 2
Spectre 2
1
H RMN (CDCl3) : δ 1.30 (t ; 3H ; J=5.52Hz) ; 1.90 (m ; 1H ; J=3.94Hz) ; 2.16 (m ; 1H ;
J=5.18) ; 2.32 (m ; 4H ; J=4.87) ; 3.16 (t ; 1H ; J=9Hz) ; 4.21 (q ; 2H ; J=7.14Hz)
5
O
6
O
4
1
O
2
3
Nous avons obtenu le bon produit pur (hormis ce même signal que précédemment, non
identifié…). Il est cependant difficile d’attribuer les signaux. En effet il se trouve que deux
protons d’un carbone couple au même endroit que deux autre. De plus deux protons ne sont
pas chimiquement équivalents. Il aurait été nécessaire de faire un spectre en deux dimensions
afin de pouvoir observer les couplages entre les portons et ainsi mieux attribuer les signaux.
8
Etape 3
Il n’a pas été fait de spectres pour cette étape
Etape 4
Spectre 3
1
H RMN (CDCl3) : δ 1.09 (d ; 3H ; J=7Hz) ; 1.50 (m) ; 1.97 (m) ; 2.13 (m) ; 2.26 (m)
Ce spectre de par ses nombreux multiplets très proches les uns des autres est difficile à
analyser, c’est pourquoi nous avons opté pour une analyse au carbone-13, ainsi qu’une ?????
De plus nous verrons après que notre produit est impur (mélange de produit méthylé et non
méthylé) ce qui pose un problème quand à l’analyse des intégrale. Seule certitude que nous
pouvons avoir c’est qu’il y a bien un groupe méthyle symbolisé par le doublet à 1.09 ppm
Spectre 4
13
C RMN (CDCl3) : δ 14.13 ; 20.59 ; 23.22 ; 26.89 ; 31.85 ; 37.58 ; 38.33 ; 43.94
Bibliographie
- Vogel A.I., Practical Organic Chemistry, 4th Ed, Longmans London 1978, p. 508
- Fieser L.F. ; Jacobs T.L., Organic Syntheses, Coll. Vol. II, 1943, p. 116
- Solladié G. ; Boeffel D. ; Maignan J., Tetrahedron, Vol. 52 n°6, 1996, pp.2065-2074
- Gassmann P.G. ;Pascone J.M., J. Am. Chem. Soc, Vol. 95, 1973, p.7801
- Vollhardt ; Schore, Traité de Chimie Organique, 3Ed, DeBoeck Université, p.845
- Smith M. B. ; March J., March’s Advanced Organic Chemistry, 5th Ed, Wiley-Interscience
publication, p.1562
Note:
Pour l’étape trois nous avons effectué une recherche bibliographique afin d’optimiser le temps
et de la réaction, car selon les dires des précédents opérants cette étapes est problématique.
Nous avons donc cherché une autre source sur l’interface de "crossfire" pour Beilstein. Les
autres sources correspondent à celles données dans le protocole car les temps et les
rendements sont acceptables.
Annexes :
- spectre RMN du diéthyl adipate
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