DS 3 - Anne CURK

DS 3 2016 2017
Chimie organique et chimie des solutions (A/B complexation précipitation)
I- Le palladium
Les principes de la chimie verte suggèrent l’utilisation de procédés catalytiques. Ces méthodes ont
été largement développées pour la formation de liaisons C–C à l’aide de complexes métalliques,
notamment à base de métaux platinoïdes : platine et palladium en particulier. On va s’intéresser par la
suite à la chimie qui s’est construite autour de ce dernier.
I-A Obtention du palladium [A1]
Le palladium représente aujourd’hui un enjeu majeur de la chimie du fait de son implication dans de
nombreux procédés catalytiques ou de son utilisation en bijouterie. Il n’y a pas à proprement parler de
mines de palladium : on le trouve associé au nickel, au cuivre, au platine et à l’or dans des mines
d’Afrique du Sud, du Montana (USA) de l’Ontario (Canada) ou de Russie. Sa valeur est considérable,
voisine de 700 $ l’once (L’once d’or avoisine actuellement les 1100 $ mais a été en très forte
augmentation ces dix dernières années).
On s’intéresse à quelques grandes étapes (document 1, à lire en préambule aux question
suivantes, p 10) qui vont permettre d’obtenir du palladium métallique ou sous forme de complexes pour
la catalyse de formation de liaisons C–C.
1- La surface des oxydes et sulfures métalliques présente un enchaînement bidimensionnel d’ions
métalliques Mn+ et d’ions oxydes O2– ou sulfures S2–. L’amylxanthate de potassium peut se lier aux ions
métalliques de surface comme un ligand au sein d’un complexe. Expliquer l’origine de l’hydrophobie
résultante de l’ajout de l’amylxanthate de potassium.
2- Justifier l’hydrophilie de la carboxyméthylcellulose.
3- À l’aide des diagrammes potentiel-pH des différents métaux (document 2, p 15), expliquer le
phénomène de lixiviation acide et justifier la séparation présentée dans le document 1. On admettra que
l’or est sous forme métallique à l’issue de cette lixiviation.
4- En présence des ions chlorure de l’eau régale, il n’est pas pertinent de considérer le couple redox
Au3+/Au, pourquoi ?
5- Quelle espèce présente dans l’eau régale peut expliquer l’oxydation de l’or et donc sa dissolution ?
Écrire l’équation de la réaction et calculer sa constante thermodynamique d’équilibre. Conclure.
6- Des processus analogues permettent la dissolution du platine et du palladium. Sous quelle forme
trouve-t-on le platine à l’issue de la dissolution dans l’eau régale ?
7- Évaluer le produit de solubilité de l’hexachloroplatinate d’ammonium (NH4)2PtCl6 à 20 °C. Quelle
quantité de chlorure d’ammonium faut-il ajouter à un litre de solution de PtCl62– de concentration 0,1
mol.L–1 pour obtenir la précipitation de 99 % du platine ?
8- Après élimination des différents métaux, on isole le palladium : donner l’équation de la réaction redox
conduisant au Pd(s) par réaction avec l’hydrazine en milieu acide.
(Les données numériques se trouvent p10, après le document 1 )
1
I-B La formation de liaisons carbone-carbone et la réaction de Heck
Répondre aux questions de cette partie après lecture des extraits d’articles et d’ouvrages reproduits dans
le document 1, p 12-13 que vous trouverez en fin de ce sujet.
Création de liaisons carbone-carbone
9- Illustrer, sur des exemples concrets, deux types de réaction qui n’utilisent pas les métaux de transition
et permettent de créer des liaisons carbone-carbone.
Stratégie réactionnelle et économie d’atomes
10- Proposer une séquence réactionnelle mettant en œuvre un organomagnésien et permettant de
réaliser la transformation représentée sur la figure 1.
Figure 1
11- Cette synthèse présente-t-elle des inconvénients en termes de chimiosélectivité et d’économie
d’atomes ?
Réaction de Heck
12- Écrire l’équation de la réaction de Heck sur l’exemple décrit dans l’extrait de l’ouvrage
Introduction à la chimie moléculaire des éléments de transition. Cette équation est-elle conforme au cycle
catalytique représenté dans l’article de L’Actualité Chimique ?
I-C L’oxydation de Wacker-Tsuji
DONNÉES
Économie d’atomes
L’économie d’atomes est un nombre (exprimé en %) défini comme le rapport de la masse molaire du
produit recherché sur la somme des masses molaires des réactifs utilisés (en tenant compte des nombres
stoechiométriques).
Déplacements chimiques
Quelques déplacements chimiques en RMN du proton (proton correspondant noté en gras) :
Parmi les méthodes de recherche de nouveaux principes actifs par les laboratoires pharmaceutiques, une
des stratégies possibles est de recenser les molécules synthétisées par des organismes vivants. Cette
stratégie suppose de purifier des extraits naturels, de déterminer la structure des différentes molécules
isolées, de tester leur activité dans un contexte précis (activité antibiotique, antitumorale, etc.) puis d’en
réaliser la synthèse lorsque les ressources naturelles ne permettent pas une extraction viable d’un point de
vue économique ou écologique.
Le nakamurol-A est un terpénoïde naturel possédant un squelette carboné original qui a été isolé en 1996
à partir d’une éponge, Agelas nakamuraï, récoltée à Okinawa (Japon). Sa synthèse totale sous forme
racémique, publiée en 2000 par une équipe espagnole [1][2], avait pour but de mettre au point une
stratégie de synthèse générale des diterpénoïdes de cette famille nouvelle ainsi que de valider des
hypothèses sur la stéréochimie supposée de la molécule naturelle.
Références de la synthèse :
[1] Josep Bonjoch, Javier Cuesta, Sandra Diaz and Asensio Gonzalez, Total synthesis of (±)-nakamurol-A and its 13-epimer :
tentative assignment of the C-13 relative configuration, Tetrahedron Letters, 41, (2000) 5669-5672.
[2] Sandra Díaz Fité, Síntesis enantioselectiva y elucidación configuracional de los terpenoides Nakamurol A y Xilarenal A,
Thèse de doctorat, Universitat de Barcelona, 2004.
2
Cette synthèse totale est basée sur trois étapes-clés : une addition diastéréosélective d’un organozincique
sur une énone endocyclique, une allylation de Sakurai d’une énone exocyclique ainsi qu’une oxydation
chimiosélective de Wacker-Tsuji. Cette dernière étape-clé illustre une application en synthèse organique
fine de ce type d’oxydation catalysée par des complexes du palladium.
Passage de la décalone 3 au nakamurol-A (étapes finales de la synthèse)
Ces étapes finales sont schématisées figure 2. Me désigne le groupe méthyle.
Figure 2
13- Analyser la réactivité de la décalone 3 et de l’organométallique (H3C)2Zn et proposer un
mécanisme plausible pour le passage de la décalone 3 au composé 4. On ne tiendra pas compte du rôle du
complexe de nickel ou de LiBr et on ne cherchera pas à expliquer la régio- ou la stéréo-sélectivité de cette
étape.
14- Quel est le produit 4b de la réaction entre le chlorure de méthanesulfonyle ou chlorure de mésyle
MsCl et 4 ? Quel est le rôle de l’amine iPr2EtN utilisée dans cette étape ?
15- Le DBU dont la formule topologique est représentée figure 3, est une base peu nucléophile.
Justifier cette propriété et indiquer le site responsable des propriétés basiques.
Figure 3
16-
Donner la structure du composé 5 et proposer un mécanisme rendant compte de sa formation.
17- Pour obtenir le composé 5, après l’action du chlorure de mésyle, on met en œuvre le mode
opératoire suivant. Une solution de 175 mg (0,58 mmol) de composé 4b dans 10 mL de THF est traitée
par 0,2 mL de DBU (densité d = 1,0) et portée à reflux pendant 15 heures. Après refroidissement, le
mélange est dilué à l’éther et lavé avec de l’acide chlorhydrique à 2 mol.L–1, puis avec une solution
aqueuse saturée de chlorure de sodium. La phase organique est séchée et les solvants sont évaporés pour
conduire à une huile purifiée par chromatographie sur colonne (éluant hexane/acétate d’éthyle 95/5) pour
obtenir le composé 5 (119 mg).
Un spectre RMN 1H du composé 5 est réalisé (300 MHz) (s : singulet, d : doublet, m : multiplet). Le
tableau 1 en donne quelques caractéristiques.
Tableau 1
a) Expliquer l’intérêt des opérations de lavage et le choix des solutions de lavage utilisées.
b) Comment peut-on sécher la phase organique ?
c) Quelle technique de purification, alternative à la chromatographie sur colonne, pourrait-on proposer ?
d) Interpréter les principales caractéristiques du spectre RMN du composé 5 en complétant, dans le
tableau 3 du document réponse, la ligne « Attribution éventuelle » avec une lettre désignant clairement un
groupe de protons du composé 5.
e) Commenter les quantités de réactifs introduites et déterminer le rendement de l’étape 2) du passage du
composé 4 au composé 5.
3
18La construction des chaînes latérales se poursuit comme indiqué figure 4. Le passage de 5 à 6
n’est pas étudié. Proposer un réactif permettant de transformer le composé 6 en composé 7. Préciser le
mode d’obtention de ce réactif.
Figure 4
Le procédé Wacker étudié précédemment a été appliqué en synthèse organique fine à l’oxydation
sélective des alcènes terminaux (monosubstitués). De bonnes sélectivités en faveur de l’oxydation en
cétone sont obtenues en présence de DMF (oxydation de Wacker-Tsuji). L’oxydation des alcènes non
terminaux est impossible sauf s’ils sont conjugués avec un carbonyle. Ce procédé est employé dans
l’étape suivante de la synthèse étudiée présentée figure 5.
Figure 5
19-
Comment peut-on obtenir le Nakamurol-A à partir du composé 8 ?
4
Synthèse de la décalone 3
Les premières étapes de la synthèse étudiée consistent en l’obtention de la décalone 3 sous forme
racémique.
Obtention de la lactone 2
Signification des abréviations utilisées. LDA : diisopropylamidure de lithium, Li+, N(CH(CH3)2) 2− ; Me :
méthyle ; t-Bu : tert-butyle, −C(CH3)3 ; AcONa : éthanoate de sodium ; Ac2O : anhydride éthanoïque.
Le passage du composé 1 (sous forme racémique) à la lactone 2, représenté sur la figure 6, est très peu
détaillé dans la publication originale : seuls les réactifs sont précisés pour chaque étape, aucun composé
intermédiaire n’est donné.
Figure 6
20- Pour comprendre la stratégie des auteurs, on se propose d’étudier une séquence modèle simplifiée
présentée figure 7.
Figure 7
a) Procéder à une analyse de cette séquence : préciser la nature des réactions, proposer une structure pour
les composés intermédiaires, pour les étapes A et B. Étudier les problèmes de sélectivité posés par
certaines étapes.
b) Quels problèmes supplémentaires de sélectivité sont posés si on part du réactif 1 et qu’on applique la
même séquence modèle (réactions A et B , puis C et D) ?
c) On admet que les étapes supplémentaires (non étudiées) effectuées par les auteurs ont pour objectif de
fixer de manière réversible un groupe protecteur en alpha du carbonyle du composé 1 selon le schéma de
la figure 8.
Figure 8
Analyser la stratégie de synthèse suivie et proposer une interprétation à la stéréosélectivité observée pour
le passage du composé 1 à la lactone 2.
Passage de la lactone 2 à la décalone 3
d) Les étapes 8 et 9 de la synthèse sont données figure 9. Proposer un mécanisme pour ces deux étapes.
Figure 9
5
II- Acido-basicité et complexation des acides aminés
La cystéine, acide aminé qui intervient dans la synthèse de la coenzyme A, joue un grand rôle dans le
métabolisme humain, elle intervient aussi dans la synthèse de la mélanine. Les métaux lourds peuvent se
lier à la cystéine (notée LH2) ce qui perturbe le métabolisme. Cette partie se consacre donc à l’étude de la
complexation des ions nickel (II) par le ligand L2–.
Nous commençons tout d’abord par nous intéresser brièvement à un acide aminé plus simple que la
cystéine, la sérine. Des informations sur la sérine et la cystéine sont données dans le document 4.
21-
Donner les formules développées des espèces prédominantes dérivant de la sérine en fonction du pH.
22La cystéine a une structure très voisine de la sérine mais au lieu d’un groupe hydroxyle (−OH), elle
présente un groupe sulfhydryle (−SH). Le groupe −SH présentant des propriétés acido-basiques dans l’eau, la
cystéine donne une tribase (notée L2–) en milieu basique (voir document 4, p 14).
2
+3
H
L
H
L
23- Donner les formules semi-développées de LH2 , LH– et L2–, s’il y a plusieurs possibilités, les
indiquer. À partir de maintenant, sauf précision contraire, on n’utilisera pas les formules semidéveloppées mais les notations simplifiées
,
,.. .
24- Placer, sur un axe gradué en pH, les domaines de prédominance des espèces dérivant de la
cystéine. On considère qu’une espèce est prédominante dès lors qu’elle est majoritaire.
25- Dans une publication récente (Rivas-Enterrios J., Ambard C., BUP, Vol 108, N° 964, Mai 2014, pages 797-818), le
dosage pH-métrique d’un volume V0 = 10,0 mL d’une solution de chlorure de cystéinium de
concentration C0 additionnée de 10 mL d’eau par une solution de soude de concentration C0H- = 0,200
mol.L-1 a été présentée. La courbe est reportée document 5, figure 1, p 15.
26- Interpréter la courbe en donnant les équations des réactions de dosage dans les différents domaines. Calculer les constantes d’équilibre et justifier que les sauts de pH soient plus ou moins marqués.
27-
Calculer la concentration en acide C0.
28On cherche à retrouver les valeurs des pKA de LH3+ à partir de la courbe expérimentale donnée figure
1, document 5, p 15. Pour choisir les points qui permettront cette détermination, le dosage a été simulé avec les
mêmes valeurs des concentrations de l’acide titré et de la soude titrante et en prenant comme valeurs des pKA
celles données dans le document 4. Cette simulation est donnée ci-après, les courbes 1 à 4 sont les courbes de
répartition des espèces dérivant de LH3+. Attribuer ces courbes aux espèces correspondantes.
6
+3
H
L
29- Donner la valeur expérimentale des pKA pouvant être déterminés à partir du dosage de la solution
de
par la soude (figure 1, document 5, p 15). Pour le(s) pKA dont vous jugez qu’ils ne peuvent pas
être déterminé(s) expérimentalement par lecture directe sur la courbe, donner une explication à cette
impossibilité de relevé direct.
30- Pour étudier la complexation des ions Ni2+ par le ligand L2–, on réalise le dosage d’un mélange de
V0 = 10,0 mL de la solution de chlorure de cystéinium de concentration C0 préalablement titrée et de V0=
10,0 mL d’une solution de nitrate de nickel (Ni2+) de concentration C0 / 2 par une solution d’hydroxyde de
sodium de concentration C0H- = 0,200 mol.L-1 . La courbe de dosage est présentée figure 2, document 5, p
15.
31-
Montrer qu’avant le dosage, la complexation des ions Ni2+ par L2– peut être supposée négligeable.
32Pourquoi peut-on supposer que la complexation est encore négligeable dans la première partie du
dosage (V compris entre 0 et 5,0 mL). Écrire alors l’équation de la réaction qui se produit dans cette première
partie.
33- Écrire l’équation de la réaction en jeu dans la deuxième partie du dosage (V compris entre 5,0 et
10,0 mL), en supposant que seul un complexe se forme. Exprimer sa constante d’équilibre en fonction de
différentes constantes.
34- On souhaite déterminer la constante de formation de l’unique complexe qui se forme au cours du
dosage à partir des coordonnées d’un point de la courbe judicieusement choisi. Parmi les points suivants
• V = 5,0 mL ;
• V = 10,0 mL ;
• V = 15,0 mL ;
indiquer lequel est le plus pertinent pour répondre à l’objectif proposé, justifier.
Au point choisi, donner l’expression de logβ (où β est la constante de formation du complexe) en fonction
de C0, du pH au point considéré et des constantes d’acidité de LH3+. Donner la valeur approchée de logβ
et conclure.
7
III- Retrosynthèse proposée pour le FR182877
A
B
C
Dans un premier temps, comme le montre le document 6, p 16, une réaction de Diels Alder a été
pressentie pour réaliser le cycle B de la structure ABC tricyclique de cette molécule hexacyclique.
Première stratégie de synthèse : échec surprenant
Après la lecture attentive du document 6, vous répondrez aux questions qui suivent :
35-
En quoi l’acide de Lewis ( LA ) permet-il une régiosélectivité de la réaction de Diels Alder ?
36- Préciser quel unique type d’approche exo permet d’envisager la formation stéréosélective du
produit unique 3 . Un schéma clair est attendu. Justifier que cette approche soit a priori attendue comme
majoritaire.
37- Le document 6 évoque la nécessaire activation des 2 partenaires pour observer la réaction de Diels
Alder. Préciser les nouveaux partenaires 4’ (diène) et 5’ diénophile, qui ont été utilisés pour obtenir la
molécule résultat mentionnée.
38- Expliciter l’approche effective des 2 partenaires conduisant au résultat réel, et montrer en quoi ce
résultat est inattendu.
Compte tenu de ce résultat, une nouvelle approche rétrosynthétique a été proposée, présentée de façon
globale dans le document 7, p 17. La rétrosynthèse est divisée en 2 parties. La figure 30 présente la fin
de la synthèse conduisant au FR182877, alors que la figure 31 présente la voie d’obtention du précurseur
PR2 à partir des petits fragments PR7 et PR6.
Les questions suivantes analysent les rétrosynthèses publiées, pour imaginer des procédures de synthèse
depuis PR7 et PR6 jusqu’au dernier intermédiaire ε .
8
Nouvelle stratégie de synthèse du tricycle ABC ( figure 31 )
39- Dans l’étape (R4) quelle molécule neutre PR8 fournit le précurseur PR6 . Pourquoi n’y a-t-il aucun
problème de régiosélectivité dans l’obtention de PR6 ?
40- Quel est le nom de la réaction de PR6 sur PR7. En présenter le mécanisme hors critère
stéréochimique.
41- Préciser l’aspect stéréochimique nécessaire de la réaction pour qu’elle conduise sélectivement au
stéréoisomère PR5. Comment justifier cette orientation stéréochimique ? Proposer un choix judicieux de
base, puis d’acide utilisé dans l’hydrolyse finale, pour favoriser cette orientation stéréochimique.
42- Proposer une méthode expérimentale multiétape pour réaliser l’étape (R3) et obtenir PR4 à partir
de PR5.
43- Nommer la réaction qui permet d’obtenir PR3 à partir de PR4 ( étape (R2) ) . Préciser le sousproduit obtenu.
44- Le précurseur PR8 a été obtenu par une réaction de Diels Alder . Préciser la nature du diène et du
diénophile nécessaires, sachant que le groupe carbonyle se place en endo. La réaction est partiellement
énantiosélective conduisant majoritairement au produit PR6 souhaité. Pourquoi ?
45- Pour quelle(s) raison(s), compte tenu de l’étape (R2) , cette réaction de Diels Alder a-t-elle été
réalisé ?
46- Par quelle unique réaction a été formé le cycle B dans cette nouvelle stratégie de synthèse ?
Préciser les conditions expérimentales et le sous-produit.
Du précurseur PR1 à la molécule cible FR182877 ( figure 30).
47- Les trois réactifs PR1, α et β sont introduits simultanément , en présence de LDA ( di isopropyl
amidure de lithium ) , en quantité 1 :1 :1 :1 , pour conduire à γ après une hydrolyse légère. Proposer un
mécanisme.
48-
Par quelle réaction δ est-il obtenu à partir de γ ?
49- L’étape (R’2) est une isomérisation de la double liaison formée lors de l’étape (R’3). Elle se
produit en milieu acide H+. Proposer un mécanisme. Quel est le moteur de cette isomérisation ?
50- Quel intermédiaire γ’ aurait conduit directement à ε par la réaction utilisée dans l’étape (R’3) ?
Quels réactifs α’ et β’ aurait-il fallu utiliser pour obtenir γ’ dans les mêmes conditions que l’étape (R’4) ?
Quel est le problème qui justifie la voie choisie ?
9
DOCUMENT 1
Palladium : du minerai au métal
Une fois extrait du sol ou du sous-sol, le minerai est séparé de la gangue par un procédé physicochimique : la flottation. Elle consiste à placer le minerai et sa gangue dans une solution aqueuse avec des
additifs : l’amylxanthate de potassium et la carboxyméthylcellulose. Le premier se fixe sur le minerai, le
rendant hydrophobe et le deuxième se fixe sur la gangue la rendant hydrophile. Une insufflation d’air
permet de faire flotter la partie hydrophobe et de récupérer un minerai contenant des métaux M – Fe, Ni,
Cu, Pt, Pd et Au principalement – à divers degrés d’oxydation sous forme d’oxydes MaOb ou de sulfures
McSd, ainsi que de la silice SiO2.
S
+
K ,S
-
O
Amylxanthate de potassium
R = H ou CH2CO2H
carboxyméthylcellulose
Le minerai après flottation est fondu entre 1300°C et 1600°C en deux liquides non miscibles, l’un
contenant la silice et les oxydes de fer et l’autre, plus dense, contenant Cu, Ni, Pt, Pd et Au. Ce dernier est
récupéré, refroidi jusqu’à l’état solide et soumis à l’action d’acide sulfurique en milieu aqueux de façon à
éliminer Cu et Ni (on parle de lixiviation acide). Le solide restant, contenant Pt, Pd et Au est soumis à de
l’eau régale (mélange d’acide chlorhydrique et d’acide nitrique) : les métaux sont dissous sous forme de
Pt(IV), Pd(II), et Au(III). L’or est extrait par un solvant adapté. Le platine est éliminé par ajout de
chlorure d’ammonium entraînant la précipitation de (NH4)2PtCl6. Le palladium reste en solution et doit
être purifié. Il est précipité sous forme de Pd(NH3)2Cl2 par ajout d’ammoniac. Le solide est isolé puis
redissous par de l’ammoniac en excès en solution aqueuse. Le palladium métallique est ensuite obtenu par
réduction grâce à de l’acide méthanoïque. On peut aussi obtenir le palladium métallique par réduction du
solide par l’hydrazine N2H4 en milieu acide.
Sources :
http://www.palladiumcoins.com
http://viatienen.be/college/new/downloads1011/lln/PS%20Fedichem/elem_fr.cfm-IDE=Pd.htm
Consultations du 28/10/2015
Données numériques
E°(Au3+/Au) = 1,50 V
E°(O2(g)/H2O) = 1,23 V
E°(H+/H2(g)) = 0,00 V
E°(NO3–/NO2(g)) = 1,80 V
E°(Cl2(g)/Cl–) = 1,36 V
E°(N2/N2H5+) = – 0,23 V
Constante de formation de AuCl4– : log(β4) = 30
Solubilité à 20 °C de (NH4)2PtCl6 : s = 4,99 g.L–1
Logarithme de la fraction molaire en complexe de
platine en fonction de la concentration en acide
chlorhydrique (d’après Lee et al. Mat. Trans. 49, 2008, 2823) :
10
DOCUMENT 2
Diagramme potentiel-pH de quelques métaux
VNHE : potentiel, en volts, référencé sur l’électrode standard à hydrogène
Source : A. Holewinski et al. Nature Chemistry 6, 2014, 828–834
11
DOCUMENT 3
Création de liaisons carbone-carbone
La création de liaisons carbone-carbone est un préalable à toute forme de vie, tout au moins sur la Terre.
C’est une préoccupation constante des chimistes depuis le développement d’outils de synthèse organique
dans la seconde moitié du XIXe siècle — outils qui ont conduit à l’élaboration de molécules de plus en
plus complexes ou aux structures étonnantes, mais aussi à la production industrielle de combustibles,
fibres artificielles, matériaux, médicaments… L’importance de ces outils pour le développement
scientifique et technologique explique le grand nombre de prix Nobel décernés pour la découverte de
nouvelles méthodes de création de liaisons C–C : les organomagnésiens (Grignard, 1912), la réaction de
Diels-Alder (Diels et Alder, 1950), la polymérisation Ziegler-Natta (Ziegler et Natta, 1963), la réaction de
Wittig (Wittig, 1979) et l’hydroboration (Brown, 1979), la méthathèse des oléfines (Chauvin, Grubbs et
Schrock)…
Si l’emploi des organomagnésiens a conduit à de très nombreuses applications en synthèse organique, il
est souvent limité par des incompatibilités réactionnelles avec certains groupements portés par le
partenaire électrophile, groupements qu’il faut protéger puis éliminer la protection une fois la réaction de
couplage croisé accomplie. En outre, avant même que l’on ne parle de chimie pour le développement
durable, le chimiste se préoccupait déjà du bilan de matière des réactions. Les sous-produits engendrés,
dont un équivalent de sels de magnésium par molécule formée, constituent un handicap certain au
développement de procédés viables…
Métal de transition et création de liaisons carbone-carbone
Deux manifestations essentielles président à la spécificité des métaux de transition en création de liaisons
C–C :
− la réaction d’addition oxydante résultant de l’interaction d’un réactif électrophile R-X avec un centre
métallique suffisamment riche en électrons ;
− l’interaction métal-oléfine permettant une activation temporaire de l’oléfine qui de nucléophile, peut
devenir suffisamment électrophile dans ce processus d’umpolung (mot allemand signifiant renversement
de polarité).
Les combinaisons possibles de ces processus sur le même centre métallique permettent l’interaction entre
les deux entités carbonées, puis la création d’une liaison carbone-carbone du fait de cet effet de proximité
par réaction d’élimination réductrice (deux radicaux carbonés) ou d’insertion migratoire (radical carboné
et oléfine).
Dans ses états d’oxydation usuels, le palladium est un excellent compromis pour permettre ces deux
événements qui vont conduire au couplage croisé.
La réaction de Heck
En s’inspirant de l’étape-clé du procédé Wacker, l’interaction entre un ligand hydroxo et un ligand
éthylène lié au centre palladium, Heck publie en 1968 une série de publications sur l’addition à
température ambiante du méthyl- ou du phénylpalladium sur l’éthylène : cette réaction produit du
palladium (0) qu’il faut réoxyder, comme dans le procédé Wacker, pour fournir un sel de palladium
susceptible de réagir par transmétallation avec un organomercurique RHgX pour obtenir le réactif
palladié.
La découverte de la réaction d’addition oxydante d’halogénures d’aryle sur le palladium a ensuite conduit
Heck à proposer une version catalytique de cette réaction où l’acide HX produit est piégée par une base
telle que la triéthylamine ; la réaction de Heck était née.
Elle connaîtra à partir des années 1990 un intérêt grandissant en synthèse de plus d’une centaine de
produits naturels, de principes actifs de médicaments comme le naxoprène et le Taxol®, d’herbicides
comme le Prosulfuron®, ou de matériaux pour l’électronique comme le Cyclotène®.
12
Le cycle catalytique de la réaction de Heck comporte cinq étapes qui sont reproduites sur le schéma cidessous :
Igor Tkatchenko, Le couple palladium-carbone invité à Stockholm
L’Actualité Chimique n°346, 2010
La réaction de Heck utilisant la catalyse au Pd0 permet, en présence d’un excès de triéthylamine NEt3, de
coupler un halogénure de vinyle, d’aryle ou de benzyle avec une oléfine. C’est la plus connue des
réactions de couplage. Elle est d’une grande utilité d’autant qu’elle manifeste une bonne tolérance pour
les groupements fonctionnels. Elle ne nécessite pas la préparation préalable d’un dérivé organométallique.
La réaction est conduite en chauffant R’X avec l’alcène, une quantité catalytique d’acétate de palladium
(II) et un excès d’amine tertiaire dans l’acétonitrile. La nature des ligands entourant l’entité
catalytiquement active varie avec les ingrédients utilisés au départ de la réaction. Par exemple, si l’on part
de Pd(OAc)2 en présence de PPh3, l’entité active est l’anion Pd(PPh)3(OAc)−. La réaction fonctionne avec
une large gamme d’oléfines fonctionnelles. Les chlorures sont peu réactifs et on observe RI > RBr >>
RCl.
Didier Astruc, Chimie organométallique et catalyse
EDP Sciences, 2013
Une autre « grande » application du palladium en catalyse est la réaction d’arylation/vinylation des
oléfines souvent appelée réaction de Heck. Dans cette réaction, un hydrogène vinylique est remplacé par
un groupement vinyle ou aryle. Par exemple, le propénoate de méthyle réagit à 100 °C sur le 1-bromo-2méthylpropène en présence de triéthylamine et du mélange 1%Pd(OAc)2 + 2%PPh3. Le véritable
catalyseur de la réaction est PdL2 (L = PPh3) formé par réduction de Pd (II) par la phosphine PPh3.
François Mathey et Alain Sevin, Introduction à la chimie moléculaire des éléments de transition
Ellipses, 1998
13
DOCUMENT 4
La sérine
La sérine est un acide aminé de formule HO−CH2−CH(NH2)−COOH.
NH 3
La forme totalement protonée de la sérine a pour formule
HO
CH2
CH
COOH
C’est un diacide dont les constantes d’acidité sont telles que pKA1 = 2,19 et pKA2 = 9,21.
La cystéine
La cystéine est un acide aminé de formule HS−CH2−CH(NH2)−COOH.
NH 3
+3
H
L
La forme totalement protonée de la cystéine a pour formule
Cette forme est notée
, c’est l’ion cystéinium.
HS
CH
CH2
COOH
Extraits de « Critical evaluation of the stability constants of metal complexes of amino acids with
polar side chains » G. BERTHON, Pure and Appl. Chem., Vol. 67, No. 7, pp. 1117-1240, 1995
Dans cet article, l’auteur compare les travaux de plusieurs groupes de chercheurs, travaux ayant donné lieu à la
publication de diverses valeurs de constantes de formation de complexes mettant en jeu des acides aminés.
+3
H
L
• Propriétés acido-basiques
La première acidité de
est liée au groupe carboxyle −COOH.
Pour les acidités suivantes, il y a une incertitude pour le choix des ordres d’acidité des deux autres
groupes (−NH3+ et −SH).
Les valeurs retenues pour les constantes d’acidité (K A) à 25 °C sont telles que :
+
o LH3 /LH2 : pKA1 = 1,71 ± 0,03
–
o LH2 /LH : pKA2 = 8,36 ± 0,03
–
2–
o LH /L
: pKA3 = 10,75 ± 0,5
2+
2–
• Complexes entre Ni et L
Les équilibres entre Ni2+ et la cystéine ont été étudiés par plusieurs groupes d’auteurs. Un accord
−
2
]
2
]
L2
i
N
0,03. La formation de [
L2
i
N
acceptable est noté pour la constante de formation du complexe [
−
à 20 oC : logβ2 = 20,18 ±
à partir de [NiL] est plus favorisée que celle du complexe [NiL] à
partir de Ni2+ aqueux, ainsi [NiL] est une espèce minoritaire à toutes les concentrations.
et [
2
]
−
L4
i3
N
2
]
L3
i2
N
L’existence de complexes polynucléaires [
−
semble probable mais les conditions ex-
périmentales utilisées diffèrent pour les quelques groupes d’auteurs qui ont mentionné cette possibilité,
ce qui rend impossible toute estimation d’une valeur moyenne réaliste des constantes de formation.
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DOCUMENT 5
FIGURE 1 – Dosage d’un volume V0 = 10,0 mL de la solution de chlorure de cystéinium de concentration C0
(additionnée de 10 mL d’eau) par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration C0 = 0,200 mol.L-1
FIGURE 2 – Dosage de V0 = 10,0 mL de la solution de LH3+ + Cl- (C0) et de V0 = 10,0 mL d’une
solution de Ni2+ + 2 NO3- (Co / 2) par une solution d’hydroxyde de sodium (Na+ + HO–) de
concentration C0 = 0,200 mol.L-1
D’après Rivas-Enterrios J., Ambard C., BUP, Vol 108, N° 964, Mai 2014, pages 797-818.
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DOCUMENT 6
[…]
[…]
Le résultat est inattendu :
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DOCUMENT 7
Les abréviations utilisées dans les rétrosynthèses présentées, extraite de la thèse de Julie TOUEG, Vers la
synthèse du tricycle ABC de l’acide hexacyclinique, 2007, réalisée à l’école polytechnique, sont les
suivantes :
PG : Groupe Protecteur , PR : Précurseur ,
TBS : Tert-butyl diméthyl silyl
Extraits
(R’1)
(R’2)
ε
δ
(R’3)
α
β
(R’4)
γ
[…]
[…]
PR2 pourrait quant à lui provenir de la rétrosynthèse présentée (fig 31) :
A
B
C
(R1)
(R2)
(R3)
(R4)
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